一种诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置及方法与流程

1.本发明涉及一种频率发生装置，具体地说，是涉及一种诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置及方法。


背景技术：

2.原子钟、光钟以及冷原子精密测量等仪器是精密测量技术领域的常用仪器仪表，其主要功能通常依靠诱导原子发生拉曼跃迁来实现。拉曼跃迁对电磁波的频率和功率都有着特定的要求，该电磁波的频率准确性以及输出功率的大小对整个拉曼跃迁的效率有着至关重要的影响。
3.随着冷原子精密测量仪器在资源勘探、地震监测、地球物理、惯性导航、引力波探测等领域的不断发展，小型化、可移动化的重力传感器也越来越被迫切需要。所以体积小、集成度高、稳定性高、成本低成为了小型化移动冷原子精密测量仪器需要考虑的因素。
4.授权公告号cn210111977u的中国专利公开了一种用于冷原子干涉型重力仪中拉曼跃迁频率发生装置，该装置是一种在冷原子拉曼跃迁过程中产生特定信号的发生装置，该装置通过将锁相介质振荡器和直接数字频率合成器锁定在原子钟上产生高频的rf和低频的本振信号lo，将两者进行混频，混频后的差频信号即为所需信号，从而得到需要的频率，经过功率放大器后进行使用。该方案中所用整套器件都相对成熟，信号相对稳定，但其用于产生特定频率的组件大多是分立模块，这种方案对于冷原子精密测量仪器小型化、可移动化来说存在以下不可忽视的缺陷：第一、由于组成该整套系统的器件有十四个之多，每个器件之间的插入损耗以及接插件带进来的射频功率衰减同样不可以忽略，导致整个系统的输出功率效率不高，导致最后一级的功率放大器往往需要很大的增益，而此类放大器往往价格较贵，体积和热效率较低；第二、有源器件如功放过多的加入，会引入一些谐波噪声，降低输出的信号质量，而且在正负200mhz内具有很高的边带频率噪声，不仅会影响到主频的输出功率，还最终影响到输出信号的相位噪声，这不仅对于高精度的冷原子精密测量仪器系统产生影响而且也会对其他冷原子实验领域的实验精度带来不可避免的误差；第三、该方案输出的频率由于射频模块的限制，输出的频率范围窄，只有10mhz-200mhz的带宽变化；第四、受制于混频的原理，经过混频的信号除了差频信号往往还包含和频信号，结合第三个缺点，和频的信号往往离差频不远，因为需要一个带宽很窄的腔体滤波器进行抑制，该类滤波器对制造工艺要求较高，同时往往是多级级联，因而价格较高的同时体积质量也很大。
5.现有技术中的上述缺点反映在具体的设备仪器上往往是限制仪器整机进一步降低功耗、成本、体积的制约因素。这不能满足市场对拉曼跃迁频率发生装置的集成度高、体积小、稳定高、输出效率高、经济实用的产品化发展需求。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明的第一目的是提供一种诱导原子发生拉曼跃迁的
频率发生装置，该装置具有集成度高、体积小、稳定高、输出效率高、经济实用的优点，能够满足产品化的应用需求。
7.本发明的第二目的是提供一种诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生方法，该方法基于上述装置产生诱导原子发生拉曼跃迁的频率。
8.基于上述目的，本发明的一个方面，提供一种诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置，该装置包括控制单元及分别与其连接的晶振、锁相环单元、滤波器以及射频放大器，且所述晶振、锁相环单元、滤波器以及射频放大器顺次连接；所述晶振，用于产生一稳定的低相噪参考频率，所述锁相环单元在晶振的配合下产生用于具有诱导原子发生拉曼跃迁的频率的正弦波信号，该正弦波信号经由滤波器滤波、射频放大器放大后输出到微波天线以覆盖冷原子拉曼跃迁干涉区域。
9.作为优选，所述控制单元包括单片机，该单片机的寄存器中预先烧录有用于诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生的控制程序。
10.作为优选，所述晶振为恒温晶振。
11.作为优选，所述滤波器为可调谐滤波器。
12.作为优选，所述射频放大器为可编程射频放大器。
13.作为优选，所述晶振与锁相环单元之间还配置有衰减网络电路，所述晶振输出的功率通过衰减网络电路进行调节用以适配锁相环模块。
14.作为优选，所述衰减网络电路的衰减值通过电阻进行配置。
15.本发明的另一个方面，提供一种基于上述的诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置的频率发生方法，该包括：响应于频率发生请求，根据诱导源自发生拉曼跃迁的频率要求产生参考频率；对所述参考频率进行锁相处理，生成特定频率；对所述特定频率进行滤波、放大处理后，生成用于诱导源自发生拉曼跃迁的频率。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明具有集成度高、体积小、稳定高、输出效率高、经济实用的优点，能够满足产品化的应用需求。
附图说明
17.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
18.图1是本发明实施例中诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置的连接结构图；图2是现有技术中拉曼频率跃迁发生装置在输出6.834ghz，频谱仪频宽调节至200mhz范围时的频谱图；图3是本发明实施例中诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置输出6.834ghz，频谱仪频宽调节至200mhz范围时的频谱图；图4是本发明实施例中诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置输出6.834ghz，频谱仪频宽调节至500mhz范围时的频谱图；图5是现有技术中拉曼跃迁发生频率发生装置a与本实施例装置b的体积对比图。
具体实施方式
19.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
20.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
21.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
22.基于背景技术中的问题及本发明的技术方案，本实施例首先提供一种诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置，如图1所示，该装置包括控制单元及分别与其连接的晶振、锁相环单元、滤波器以及射频放大器，且所述晶振、锁相环单元、滤波器以及射频放大器顺次连接；所述晶振，用于产生一稳定的低相噪参考频率，所述锁相环单元在晶振的配合下产生用于具有诱导原子发生拉曼跃迁的频率的正弦波信号，该正弦波信号经由滤波器滤波、射频放大器放大后输出到微波天线以覆盖冷原子拉曼跃迁干涉区域。本发明整体器件仅为5个（上位机一般为电脑），器件之间的损耗也较低，且具有高可控制化，应用更加灵活，体积上也大大减少仅为原先的二十分之一，成本仅为原先的十分之一。
23.作为一种较优的实施方式，所述控制单元包括单片机，该单片机的寄存器中预先烧录有用于诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生的控制程序。单片机用于对整个装置的控制，本实施例中具体地是采用主频高、具有足够的模拟电压输出口的主控单元，该主控单元用于控制装置的冷原子拉曼跃迁频率，代码只需要保存在寄存器里，每次上电后就可以正常输出特定频率。上位机可根据实际需求，进行频率和功率的修改。
24.作为一种较优的实施方式，所述晶振为恒温晶振。所述恒温晶振用于产生一个低相噪且稳定的参考频率，其频率偏差可通过外部电压进行微调。优选地，恒温晶振输出的功率可以通过衰减网络进行调节用以适配锁相环模块，衰减值可通过电阻进行配置；恒温晶振的频率在长时间工作下会发生微小偏差，可连接至外部参考信号，通过单片机对其进行调节，输出的频率信号输入给下一个锁相环模块。
25.作为一种较优的实施方式，锁相环单元用于产生特定频率，该特定频率具体地可以是低相噪、可编程、带宽覆盖多种碱金属原子跃迁频率的正弦波信号。单片机对锁相环进行配置以得到所需的频率以及功率，产生的信号输入给可调谐滤波器模块以抑制高阶谐波。
26.作为一种较优的实施方式，所述滤波器优选为可调谐滤波器。可调谐滤波器模块用于将锁相环产生的射频信号进行滤波处理，该模块可由上位机进行配置，可按照实际要求进行多阶滤波器调节，经过滤波器模块以后的射频信号被纯化后输出给可编程射频放大器模块。
27.作为一种较优的实施方式，所述射频放大器优选为可编程射频放大器，可编程射频放大器用于将射频功率放大，本实施例中具体地可以是低噪声系数、高增益、高饱和输出点、调节精度高的射频信号放大模块。经过滤波器模块纯化后的信号输入给射频放大器，单
片机可通过输出模拟电压信号进行射频放大器模块功率增益的调节，经过放大后的射频信号直接输出到微波天线以覆盖冷原子拉曼跃迁干涉区域。
28.作为一种较优的实施方式，所述晶振与锁相环单元之间还配置有衰减网络电路，所述晶振输出的功率通过衰减网络电路进行调节用以适配锁相环模块。
29.作为一种较优的实施方式，所述衰减网络电路的衰减值通过电阻进行配置。
30.本实施例还提供一种基于上述的诱导原子发生拉曼跃迁的频率发生装置的频率发生方法，该包括：响应于频率发生请求，根据诱导源自发生拉曼跃迁的频率要求产生参考频率；对所述参考频率进行锁相处理，生成特定频率；对所述特定频率进行滤波、放大处理后，生成用于诱导源自发生拉曼跃迁的频率。具体地：如图1所示，本实施例所述的参考频率作为锁相环锁定参考频率，由恒温晶振u1产生并经过衰减网络衰减后输出至锁相环作为参考信号；本实施例所述的锁相环u2经过单片机配置后输出特定频率；本实施例所述的可调谐滤波器u3可根据实际信号需求设定多阶滤波器；本实施例所述的可编程射频放大器u4是将经可调谐滤波器后的射频信号进行放大，该功率可由单片机进行调节输出。
31.本实施例所述的单片机u5作为核心控制器，起到控制恒温晶振u1输出精准度，控制锁相环u2的输出频率，调节可调谐滤波器u3的滤波范围以及调节射频放大器u4的输出功率作用；单片机u5模块自带存储器，当所需频率不变时，上电后默认输出特定频率，此时可无需上位机。
32.本发明所述的上位机u6作为控制软件，可以实时配置单片机u5输出控制环路输出的频率。
33.图2为原先的拉曼频率跃迁发生装置在输出6.834ghz时，频谱仪频宽调节至200mhz，可以从图上发现在输出频率6.834ghz左右两侧正负45mhz附近有两个边带频率，且功率也有近-5dbm。图3为本装置输出6.834ghz时，频谱仪频宽调节至200mhz范围内都没有谐波产生，图4为本装置输出6.834ghz时，频谱仪频宽调节至500mhz范围内都没有谐波产生，能够说明本装置能提供一个纯化程度更高的冷原子精密测量仪器中的拉曼跃迁发生装置。
34.图5所示为现有拉曼跃迁频率发生装置与本发明装置模型示意对比图，该模型均为按实物1:1大小绘制，其中a为现有拉曼跃迁频率装置示意图为深度500mm的2u机箱，b为本发明拉曼跃迁频率发生装置的模型示意图。b的体积仅为a体积的二十分之一左右。本发明不仅效率高、输出可调频率覆盖广、信号信噪比高、功率调节范围广、上位机控制性强而且还有体积极小等特点。
35.本发明的设计方案使冷原子精密测量仪器中的新型拉曼跃迁频率是通过锁相环产生的，相较于传统的通过混频方式利用同轴射频器件搭建起来的拉曼跃迁频率发生装置显著减小了整个装置的体积、重量，同时提升环路信号的输出效率、信噪比，显著减少了硬件成本；本发明所述的技术通过单片机对锁相环模块以及射频放大器模块进行配置，相对于传统的装置，系统更加紧凑，环路控制更加简单可靠，成本大大降低。可以满足冷原子精密测量仪器拉曼跃迁频率的发生，相对于现有技术和方法更能适应于小型化，可移动化冷
原子精密测量仪器的集成。
36.此外，需要说明，本发明采用锁相环模块作为信号发生源，故其频率可以通过上位机配置输出10mhz-15ghz中的任意频率，这比之前的带宽大75倍之多，具有更宽的调频带宽，这不仅能满足冷原子物理实验中rb85、rb87的d1、d2跃迁频率，同时还覆盖cs（铯）以及sd（钠）原子的跃迁频率，该发明的应用范围也较之前更广。总结为体积极小、效率高、输出可调频率覆盖广、信号信噪比高、功率调节范围广并且控制方式更加便捷等特点。
37.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。