一种基于荧光差分探测的原子束钟

技术领域

本发明属于原子钟技术领域，特别是涉及一种基于荧光差分探测的原子束钟。

背景技术

原子束钟具有优异的频率准确度和频率稳定度性能，是目前最主要和用量最大的守时型原子钟之一。基于光技术构建的原子束钟作为原子束钟最新的研究成果，具有工艺简单和理论指标高的优势，受到国内外同行广泛关注。限制此类原子钟性能提升的一个最主要因素来自于光噪声；过去，人们常采用直接探测方式提取钟信号，光噪大，钟信号信噪比低。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于荧光差分探测的原子束钟，以解决直接探测方式常遇到的光噪大，钟信号信噪比低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于荧光差分探测的原子束钟，包括：束源产生装置、提供原子束钟跃迁所需微波场的Ramsey腔、探测钟跃迁信号的差分探测装置、激光器、分光镜、伺服模块、压控晶体振荡器以及微波信号源；

所述差分探测装置包括第一光收集装置、第二光收集装置以及差分运算模块；所述差分运算模块用于对所述第一光收集装置收集到的第一信号以及所述第二光收集装置收集到的第二信号做差分运算；

所述激光器经所述分光镜产生一束探测光和一束参考光；

所述束源产生装置、所述Ramsey腔以及所述第一光收集装置设于真空室中；所述束源产生装置产生原子束，经过原子态纯化过程后，单一钟态的原子束进入所述Ramsey腔，并在所述Ramsey腔内受共振微波场激励发生钟跃迁；

所述探测光通过第一光收集装置，诱导已完成钟跃迁的原子发出荧光；所述第一光收集装置用于收集钟跃迁荧光信号以及光探测过程中产生的第一杂散光信号，并将所述钟跃迁荧光信号以及所述第一杂散光信号作为所述第一信号，输入至所述差分运算模块中；所述参考光以所述探测光通过第一光收集装置相同的方式通过第二光收集装置，所述参考光不与原子发生相互作用；所述第二光收集装置用于收集所述参考光产生的第二杂散光信号，并将所述第二杂散光信号作为所述第二信号，输入至所述差分运算模块中；所述差分运算模块，用于对所述第一信号以及所述第二信号做差分运算，输出消杂散光背景的钟跃迁荧光信号；所述钟跃迁荧光信号馈入至所述伺服模块，经所述压控晶体振荡器以及所述微波信号源处理，使所述微波信号源输出的微波场频率稳定在原子的钟跃迁频率处，完成原子钟的闭环锁定。

可选的，所述原子态纯化过程通过磁选态方法和光抽运方法实现。

可选的，所述原子态纯化过程通过磁选态方法或光抽运方法实现。

可选的，所述探测光的功率与所述参考光的功率相同，所述探测光的光斑与所述参考光的光斑相同。

可选的，所述第一光收集装置与所述第二光收集装置相同。

可选的，所述第二光收集装置设于真空室中，或者设于真空室外。

当所述第二光收集装置位于真空室内时，所述参考光的频率为非原子共振频率；

当所述第二光收集装置位于真空室外时，所述参考光的频率为原子共振频率，或者所述参考光的频率为非原子共振频率。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于荧光差分探测的原子束钟，将光差分探测技术用于原子束钟的钟跃迁信号提取，差分探测能够有效降低杂散光噪声，提高钟跃迁信号的信噪比，有利于改善束型原子钟频率稳定度性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的基于荧光差分探测的原子束钟原理结构图；

图2为本发明所提供的第一种基于荧光差分探测的原子束钟具体实施例结构图；

图3为本发明所提供的第二种基于荧光差分探测的原子束钟具体实施例结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于荧光差分探测的原子束钟，能够有效降低杂散光噪声，提高钟跃迁信号的信噪比。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的基于荧光差分探测的原子束钟原理结构图，如图1所示，其中，实线为光路，虚线为电路，点线为原子运动路径。一种基于荧光差分探测的原子束钟，包括：束源产生装置1、提供原子束钟跃迁所需微波场的Ramsey腔3、探测钟跃迁信号的差分探测装置、激光器4、分光镜5、伺服模块9、压控晶体振荡器10以及微波信号源11。

所述差分探测装置包括第一光收集装置6、第二光收集装置7以及差分运算模块8；所述差分运算模块8用于对所述第一光收集装置6收集到的第一信号以及所述第二光收集装置7收集到的第二信号做差分运算。

所述激光器4经所述分光镜产生一束探测光50与一束参考光51，所述探测光50的功率与所述参考光51的功率相同，所述探测光50的光斑大小与所述参考光51的光斑大小相同。

所述束源产生装置1、所述Ramsey腔3以及所述第一光收集装置6设于真空室13中；所述束源产生装置1产生原子束12，经过原子态纯化过程2后，单一钟态的原子束12进入所述Ramsey腔3，并在所述Ramsey腔3内受共振微波场激励发生钟跃迁。

所述探测光50诱导已完成钟跃迁的原子发出荧光；所述第一光收集装置6用于收集钟跃迁荧光信号以及光探测过程中产生的第一杂散光信号，并将所述钟跃迁荧光信号以及所述第一杂散光信号作为所述第一信号，输入至所述差分运算模块8中；所述参考光51不与原子发生相互作用；所述第二光收集装置7用于收集所述参考光51产生的第二杂散光信号，其功能相当于一个噪声收集器，将所述第二杂散光信号作为所述第二信号，输入至所述差分运算模块8中；所述差分运算模块8，用于对所述第一信号以及所述第二信号做差分运算，输出消杂散光背景的钟跃迁荧光信号；所述钟跃迁荧光信号馈入至所述伺服模块9，经所述压控晶体振荡器10以及所述微波信号源11处理，使所述微波信号源11输出的微波场频率稳定在原子的钟跃迁频率处，完成原子钟的闭环锁定。所述原子束12为高准直原子束。

在实际应用中，钟态纯化过程2一般利用磁铁选态方法和/或光抽运方法实现；完成钟态纯化的原子束进入Ramsey腔3，在所述Ramsey腔3内受到共振微波场激励发生钟跃迁；所述共振的发生条件是所述微波场频率与钟跃迁频率相同。

基于荧光差分探测的原子束钟工作时，激光源4发出的激光经过分光镜5后产生等功率和等光斑尺寸的两束激光：第一束激光和第二束激光，其中，第一束激光作为探测光50，诱导已完成钟跃迁的原子发出荧光，该荧光与光探测过程中产生的杂散光一同被第一光收集装置6收集后，作为差分运算模块8的一个输入信号；第二束激光作为参考光51，经过与探测光50相同的物理环境，但不与原子发生作用，产生的杂散光被另一个相同的第二光收集装置7收集，作为差分运算模块8的另一个输入信号。显然，所述差分探测装置的探测光50和参考光51产生的杂散光具有相同的特征，经过差分运算后将发生彼此相消，最终输出探测光诱导产生的纯净的钟跃迁荧光信号。

在实际应用中，第二光收集装置7放置于真空室13内部或大气环境中；差分运算模块8输出的消杂散光的钟跃迁信号，被输入到伺服模块9中；伺服模块9对所述钟信号进行鉴频处理，得到校正电压，所述校正电压调整压控晶体振荡器10的控制电压，使微波信号源11的输出频率始终稳定在原子的钟跃迁频率处，实现原子束钟闭环锁定，最终输出具有高稳定度的标准频率信号。

基于前述荧光差分探测原子束钟的原理结构，具体呈现了两种具体实施方式：实施例一以及实施例二。

实施例一以及实施例二的共同之处在于：在真空室13中，束源产生装置1为铯原子炉，可产生高准直铯原子束12；原子态纯化过程2由光抽运完成；提供原子束钟跃迁所需微波场的Ramsey腔3为空间分离双振荡场微波腔；激光源4提供原子态纯化过程2所需的抽运光41、探测钟跃迁信号的探测光50和作为噪声来源的参考光51。所述探测光50频率稳定在铯原子D2：

实施例一

图2为本发明所提供的第一种基于荧光差分探测的原子束钟具体实施例结构图，如图2所示，第一光收集装置6与第二光收集装置7均处于真空室13中，两个光收集装置完全相同，其中第一光收集装置6收集了探测光50诱导的钟跃迁荧光信号和由光窗散射、光束发散等因素引入的第一杂散光；参考光51经过第二声光调制器17移频后成为与探测光50等功率的噪声来源，其与原子束交叠，但并不发生共振互作用，使得第二光收集装置7仅收集第二杂散光信号；探测光50和原子束12在第一光收集装置6中交叠的相对位置，与参考光51和原子束12在第二光收集装置7中交叠的相对位置相同，以确保第一光收集装置6收集到的杂散光与第二光收集装置7收集到的杂散光相同。

实施例二

图3为本发明所提供的第二种基于荧光差分探测的原子束钟具体实施例结构图，如图3所示，第一光收集装置6处于真空室13中，第二光收集装置7处于大气环境中，两个光收集装置完全相同，其中，第一光收集装置6收集了探测光50诱导的钟跃迁荧光信号和由光窗散射、光束发散等因素引入的杂散光；参考光51与探测光50同频等功率，参考光51作为噪声来源产生的杂散光由第二光收集装置7收集；微调第三光窗16，使其更好模拟第二光窗14引起的光噪。

图2和图3中第一光收集装置6和第二光收集装置7还包含物理特性一致的第一光探测器601和第二光探测器701，第一光探测器601和第二光探测器701收集到的光信号转化为可供方便处理的电信号。上述两路电信号经差分运算模块8作差后输出消杂散光的钟跃迁信号。所述钟跃迁信号输入到伺服模块9。伺服模块9对所述钟信号进行鉴频处理，得到校正电压，所述校正电压调整压控晶体振荡器10的控制电压，使微波信号源11的输出频率始终稳定在原子的钟跃迁频率处，实现原子束钟闭环锁定，最终输出具有高稳定度的标准频率信号。

本发明还提供了一种基于荧光差分探测的原子束钟的实现方法，包括以下步骤：

步骤1：束源产生装置1产生高准直原子束，该原子束经过磁铁选态方法和/或光抽运方法等态纯化手段处理后，消除两个钟态中其中任意一个钟态上的原子布居，产生单一钟态原子。

步骤2：所述单一钟态原子进入Ramsey腔3，在所述Ramsey腔3中受到微波场激励，发生钟跃迁，所述微波场的频率与钟跃迁频率相同。

步骤3：所述钟跃迁信息的提取通过差分光探测方式执行。其中一束激光作为探测光50，透过光窗与真空中的已发生钟跃迁的原子相互作用，产生激光诱导荧光信号。所述荧光信号和光探测过程中由光窗散射、光束自身发散等因素产生的杂散光信号，共同被一个光收集装置收集。该光收集装置收集到的信号既包含钟跃迁信息，也包含杂散光信息。另一束来自同一激光源4的等功率和等光斑大小的激光作为参考光51，不与原子发生互作用，但经历与探测光50相同的环境，产生相同的杂散光，并被另一个相同的光收集装置收集。

步骤4：两个光收集装置收集到的信号做差分运算，以此消除光源波动和光背景噪声，得到纯净的高信噪比钟跃迁荧光信号，用于原子束钟闭环锁定，最终输出高频率稳定度的标准频率信号。

与传统束型原子钟的直接探测方式相比，本发明利用差分探测方式降低了杂散光噪声，提高了钟跃迁信号的信噪比，有利于改善束型原子钟性能。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同、相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。