一种原子谱线探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种原子谱线探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法。探测装置，包括恒流源模块、功率放大器、激光驱动模块、激光器、自稳频模块、光栅、分光片、光隔离器、控制模块和吸收泡；包括伺服单元、第一光电检测模块、第二光电检测模块、第三光电检测模块、DDS模块、倍频器、微波产生模块、隔离放大器和VCXO模块；本发明专利技术通过环路锁定以后，各部件只工作在中心频率附近的很小的线性区内，整个系统每一次的量子鉴频到伺服纠偏的闭环过程可以看作是不变的。基于此，提出一种改进的基于激光器的原子谱线高精度探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法。

An atomic spectral line detection device and system closed loop time measurement method, control method of modulation frequency and intensity detection frequency

The invention relates to an atomic spectral line detection device and a system closed loop time measurement method, the control method of the modulation frequency and the intensity detection frequency. Detection device, comprising a constant current source module, power amplifier, laser driver module, laser frequency stabilization, module, grating, beam splitter, optical isolator, control module and servo unit, including bubble absorption; the first second photoelectric detection module, photoelectric detection module, the third light power detection module, DDS module, frequency multiplier, the microwave generating module, isolation amplifier and VCXO module; the invention through the loop locked, small components only working in the linear region near the center frequency, the closed loop process of the system every time quantum frequency to servo rectifying can be regarded as the same. Based on this, we propose an improved laser based atomic spectrum high precision detection device and closed loop time measurement method, modulation frequency and light intensity detection frequency control method.

【技术实现步骤摘要】
一种原子谱线探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法
本专利技术涉及原子谱线探测领域，具体涉及一种原子谱线探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法。
技术介绍
以铷原子钟为例，在磁场的作用下，吸收泡中的87Rb产生原子分裂，形成如图1所示的超精细三态能级结构。图中为基态两个超精细结构对激发态的能级跃迁频率，，在87Rb中为6.834GHz。在这样的能级结构中，通过微波调制激光器电流，使激光光谱产生两个相干的调制边带fM，当fM＝1/2f0＝3.417GHz时，吸收泡中的基态超精细能级原子将建立一种相干囚禁机制，形成相干布局粒子数囚禁（CoherentPopulationTrapping）。众所周知，要实现原子谱线的精确探测，需要配合外围的伺服电路来实现共振探测，然而在实际的伺服控制环路中，量子系统、等均具有非线性特性，环路分析非常复杂，而整个系统的环路响应时间更是无法分析。这其中，物理系统实际的驰豫时间在很大程度上限制了整个系统的环路响应时间，加上环路存在各电路模块的相位问题，给伺服模块误差信号采集及相应纠偏量输出带来很大的不便。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提出一种改进的基于激光器的原子谱线高精度探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法。本专利技术为解决上述技术问题提出的技术方案（一）是：一种原子谱线探测装置，包括恒流源模块、功率放大器、激光驱动模块、激光器、自稳频模块、光栅、分光片、光隔离器、控制模块和吸收泡；所述恒流源模块为所述激光驱动模块提供恒定的直流电流，功率放大器的微波信号输出端连接到所述激光驱动模块的信号输入端，所述激光驱动模块将功率放大器输入的微波信号对恒流源输入的直流电流进行调制后驱动激光器工作，所述自稳频模块连接到激光器对激光器光输出进行稳定处理，所述吸收泡内含87Rb，适于提供原子共振吸收线，所述控制模块为吸收泡提供恒温工作环境以及原子化裂用的磁场，所述激光器的光输出通过光栅、分光片和光隔离器后到达所述吸收泡；包括伺服单元、第一光电检测模块、第二光电检测模块、第三光电检测模块、DDS模块、倍频器、微波产生模块、隔离放大器和VCXO模块；所述分光片将所述光输出分出一路给第一光电检测模块，所述光隔离器与吸收泡之间设置有第三光电检测模块，所述吸收泡的光射出端设有第二光电检测模块，所述第一光电检测模块、第二光电检测模块和第三光电检测模块分别用于检测光强并将检测结果发送给所述伺服单元；所述VCXO模块的信号输出到所述隔离放大器，所述隔离放大器的信号输出端分别连接到所述伺服单元、DDS模块和倍频器，所述DDS模块和倍频器的信号输出端分别连接到所述微波产生模块的信号输入端；所述伺服模块适于在隔离放大器输出信号为外时钟参考的前提下分别进行：i、接收第一光电检测模块的光检信号，处理后作用于功率放大器；ii、接收第二光电检测模块的光检信号，处理后来控制VCXO模块以及DDS模块的输出频率；iii、对光隔离器进行开关控制。进一步的，所述光隔离器为高速快门装置，适于对入射光进行通过或阻塞处理。进一步的，所述伺服单元包括逻辑门阵列、与运算模块、处理单元、同步鉴相模块、信号产生模块、相位移动模块、步进纠偏量控制模块、信号源和漂移运算处理模块；所述第三光电检测模块的信号输出到所述与运算模块，所述与运算的信号输出端连接到所述逻辑门阵列，所述逻辑门阵列的控制端连接到所述光隔离器，所述逻辑门阵列的延迟信号还输出到所述处理单元；所述第二光电检测模块的信号输出到所述同步鉴相模块，所述同步鉴相模块的信号输出到所述处理单元，所述隔离放大器和第一光电检测模块的信号输出到处理单元；所述信号产生模块适于生成同步参考信号，所述同步参考信号送至所述同步鉴相模块，所述同步鉴相模块适于将在同步鉴相中获得的直流电平信号送至处理单元，所述同步参考信号还通过相位移动模块被输入至所述DDS模块；所述步进纠偏量控制模块适于根据所述直流电平信号生成量子纠偏信号控制信号源的输出信号频率；所述漂移运算处理模块适于在所述处理单元的控制下按照漂移运算处理模块中设置的要求值对VCXO输出的频率值进行主动调整；所述处理单元的控制端分别连接到所述与运算模块、功率放大器、信号产生模块、DDS模块、步进纠偏量控制模块和漂移运算处理模块。本专利技术为解决上述技术问题提出的技术方案（二）是：一种基于上述探测装置的系统闭环时间测量方法，所述逻辑门阵列为N个非门串接在一起，N为奇数，每个门电路的平均传输延迟时间为t；第三光电检测模块检测到的信号周期为T1，所述T1=2（Nt+△t），△t为系统闭环时间，△t=（T1-T0）/2。本专利技术为解决上述技术问题提出的技术方案（三）是：一种基于上述探测装置的调制频率与光强检测频率的控制方法，所述逻辑门阵列为N个非门串接在一起，N为奇数，每个门电路的平均传输延迟时间为t；第三光电检测模块检测到的信号周期为T1，所述T1=2（Nt+△t），△t为系统闭环时间，△t=（T1-T0）/2；在获得系统闭环时间△t和系统闭环频率W值后，所述光隔离器一直为‘开’状态，即激光光束在后续可以一直进入吸收泡内，并且处理单元通过第一光电检测模块获得激光的光强I并存储在处理单元中。处理单元将使能信号产生模块生成频率为4W的两路同频同相信号，并分别送入同步鉴相模块以及经相位移动模块后进入DDS模块中，同时处理单元按照2W的频率对光电检测1获得的光电信号I1进行检测，并与存储的I值进行比较，若I1>I，则处理单元控制功率放大器使其输出的微波信号功率减弱；反之若I1<I，则处理单元控制功率放大器使其输出的微波信号功率增强，最终的实现I1动态稳定的效果。本专利技术的有益效果是：本专利技术通过考虑到环路锁定以后，各部件都只工作在中心频率附近的很小的线性区内，整个系统每一次的量子鉴频（物理过程）到伺服纠偏（电路响应）的闭环过程可以看作是不变的。基于此，提出一种改进的基于激光器的原子谱线高精度探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法。附图说明下面结合附图对本专利技术的基于激光器的原子谱线高精度探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法作进一步说明。图1是
技术介绍
中所涉及的三态超精细能级图；图2是本专利技术中基于激光器的原子谱线高精度探测装置；图3是伺服单元的结构及工作原理示意图；图4是逻辑门阵列的信号传输示意图；图5是频率信号检测端检测到的信号周期示意图；图6是微波探询信号范围示意图；图7是未经处理的伺服采集原理图；图8是经处理后的伺服采集原理图。具体实施方式实施例根据图2所示，本专利技术中的基于激光器的原子谱线高精度探测装置，包括恒流源模块、功率放大器、激光驱动模块、激光器、自稳频模块、光栅、分光片、光隔离器、控制模块和吸收泡；还包括伺服单元、第一光电检测模块、第二光电检测模块、第三光电检测模块、DDS模块、倍频器、微波产生模块、隔离放大器和VCXO模块。其中，恒流源模块为激光驱动模块提供恒定的直流电流，功率放大器的微波信号输出端连接到激光驱动模块的信号输入端，激光驱动模块将功率放大器输入的微波信号对恒流源输入的直流电流进行调制后驱动激本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原子谱线探测装置，其特征在于：包括恒流源模块、功率放大器、激光驱动模块、激光器、自稳频模块、光栅、分光片、光隔离器、控制模块和吸收泡；所述恒流源模块为所述激光驱动模块提供恒定的直流电流，功率放大器的微波信号输出端连接到所述激光驱动模块的信号输入端，所述激光驱动模块将功率放大器输入的微波信号对恒流源输入的直流电流进行调制后驱动激光器工作，所述自稳频模块连接到激光器对激光器光输出进行稳定处理，所述吸收泡内含

【技术特征摘要】
1.一种原子谱线探测装置，其特征在于：包括恒流源模块、功率放大器、激光驱动模块、激光器、自稳频模块、光栅、分光片、光隔离器、控制模块和吸收泡；所述恒流源模块为所述激光驱动模块提供恒定的直流电流，功率放大器的微波信号输出端连接到所述激光驱动模块的信号输入端，所述激光驱动模块将功率放大器输入的微波信号对恒流源输入的直流电流进行调制后驱动激光器工作，所述自稳频模块连接到激光器对激光器光输出进行稳定处理，所述吸收泡内含87Rb，适于提供原子共振吸收线，所述控制模块为吸收泡提供恒温工作环境以及原子化裂用的磁场，所述激光器的光输出通过光栅、分光片和光隔离器后到达所述吸收泡；包括伺服单元、第一光电检测模块、第二光电检测模块、第三光电检测模块、DDS模块、倍频器、微波产生模块、隔离放大器和VCXO模块；所述分光片将所述光输出分出一路给第一光电检测模块，所述光隔离器与吸收泡之间设置有第三光电检测模块，所述吸收泡的光射出端设有第二光电检测模块，所述第一光电检测模块、第二光电检测模块和第三光电检测模块分别用于检测光强并将检测结果发送给所述伺服单元；所述VCXO模块的信号输出到所述隔离放大器，所述隔离放大器的信号输出端分别连接到所述伺服单元、DDS模块和倍频器，所述DDS模块和倍频器的信号输出端分别连接到所述微波产生模块的信号输入端；所述伺服模块适于在隔离放大器输出信号为外时钟参考的前提下分别进行：i、接收第一光电检测模块的光检信号，处理后作用于功率放大器；ii、接收第二光电检测模块的光检信号，处理后来控制VCXO模块以及DDS模块的输出频率；iii、对光隔离器进行开关控制。2.根据权利要求1所述基于激光器的原子谱线高精度探测装置，其特征在于：所述光隔离器为高速快门装置，适于对入射光进行通过或阻塞处理。3.根据权利要求2所述基于激光器的原子谱线高精度探测装置，其特征在于：所述伺服单元包括逻辑门阵列、与运算模块、处理单元、同步鉴相模块、信号产生模块、相位移动模块、步进纠偏量控制模块、信号源和漂移运算处理模块；所述第三光电检测模块的信号输出到所述与运算模块，所述与运算的信号输出端连接到所述逻辑门阵列，所述逻辑门阵列的控制端连接到所述光隔离器...

【专利技术属性】
技术研发人员：李星，
申请(专利权)人：江汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42