一种消除CPT原子频标光频移装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种消除CPT原子频标光频移装置和方法，所述装置包含：光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第一数模转换电路、第二数模转换电路、第三数模转换电路、电压转电流电路、频综电路、微波功率控制电路、耦合器、量子系统、第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、第一解调电路、第二解调电路、第三解调电路。光检测放大电路用于光电转换；主控芯片用于滤波、相干解调；电压转电流电路用于电压电流转换；微波功率控制电路控制所述微波信号的功率；所述耦合器用于叠加信号；所述量子系统用于实现原子的CPT相干态。所述方法用于所述装置。本发明专利技术实现对微波功率的反馈控制，消除光频移，提高CPT原子频标的长期稳定度。

A method and method for eliminating optical frequency shift of CPT atomic frequency standard

The invention discloses a method for eliminating standard optical frequency shift device and method of CPT frequency, the device includes a light detecting amplifying circuit, analog-to-digital conversion circuit, main control chip, the first digital analog conversion circuit, the digital analog conversion circuit, a third mode conversion circuit, voltage to current circuit, circuit, microwave frequency synthesizer the power control circuit, a coupler, a quantum system, the first second filter circuit, filter circuit, filter circuit, demodulation circuit third, the first second demodulation circuit and demodulation circuit third. The light detecting amplifying circuit for photoelectric conversion; the main control chip for filtering, coherent demodulation; voltage to current circuit for voltage and current conversion; power microwave power control circuit controls the microwave signal; the coupler for the superposition signal; quantum systems are used to realize the atomic coherent states CPT. The method is used for the device. The invention realizes the feedback control of the microwave power, eliminates the optical frequency shift, and improves the long-term stability of the CPT atomic frequency standard.

【技术实现步骤摘要】
一种消除CPT原子频标光频移装置和方法
本专利技术涉及原子频标
，尤其涉及一种消除CPT原子频标光频移装置和方法。
技术介绍
CPT原子频标是一种新型原子频标，它利用相干布居数囚禁现象实现。传统的CPT原子频标的控制电路只包含两个反馈环路：激光稳频环路和微波稳频环路。光频移是导致CPT原子频标输出频率出现长期漂移的主要原因，使CPT原子频标的长期稳定度变差，在长期的工作过程中，CPT原子频标随着时间推移出现老化现象，相同驱动电流下的激光光强发生变化，照射到工作原子上的激光强度发生变化将引起光频移，光频移的大小与光强度成正比关系，且光频移系数与微波功率有关。传统的CPT原子频标的控制电路装置只包括激光稳频环路和微波稳频环路，无法对微波功率进行反馈控制以消除光频移，使CPT原子频标长期稳定度的指标受到限制。
技术实现思路
本专利技术提供一种消除CPT原子频标光频移装置和方法，解决现有装置和方法无法控制微波功率和无法消除光频移的问题。一种消除CPT原子频标光频移装置，包含：光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第一数模转换电路、第二数模转换电路、第三数模转换电路、电压转电流电路、频综电路、微波功率控制电路、耦合器、量子系统、第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、第一解调电路、第二解调电路、第三解调电路；所述光检测放大电路用于对信号进行光电转换、并放大，输出电信号；所述模数转换电路用于接收所述电信号，模数转换后输出数字电信号；所述主控芯片用于发射锁相环控制信号和调制方波信号，包含所述第一、第二、第三滤波电路，第一、第二、第三解调电路，所述数字电信号经所述第一滤波电路、第一解调电路，滤波、相干解调后输出激光反馈信号，所述数字电信号还经所述第二滤波电路、第二解调电路，滤波、相干解调后输出微波反馈信号，所述第三滤波电路、第三解调电路接收所述微波反馈信号，滤波、相干解调后输出微波功率反馈信号；所述第一、第二、第三数模转换电路分别用于接收所述激光反馈信号、所述微波反馈信号、所述微波功率反馈信号，进行数模转换，输出模拟信号；所述电压转电流电路用于接收模拟激光反馈信号，进行电压电流转换，输出直流信号；所述频综电路用于接收所述锁相环控制信号、模拟微波反馈信号，倍频后输出微波信号；所述微波功率控制电路用于接收所述微波信号、所述微波反馈信号，并根据所述微波反馈信号控制所述微波信号的功率，输出微波功率控制信号；所述耦合器用于接收所述直流信号、微波功率控制信号、调制方波信号，输出叠加信号；所述量子系统用于接收所述叠加信号，实现原子的CPT相干态，输出光信号给所述光检测电路。进一步地，所述光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第一数模转换电路、电压转电流电路、耦合器、量子系统构成激光稳频环路，环路中的信号频率为5kHz；所述光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第二数模转换电路、频综电路、微波功率控制电路、耦合器、量子系统构成微波稳频环路，环路中的信号频率为160Hz；所述光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第三数模转换器、微波功率控制电路、耦合器、量子系统构成微波稳频环路，环路中的信号频率为2.5Hz。进一步地，所述量子系统包含，激光器、原子储存泡；所述激光器用于接收所述耦合器输出的叠加信号，并根据叠加信号发出激光；所述原子储存泡用于接收所述激光，并根据激光与原子相互作用条件，实现原子的相干态，输出光信号。优选地，所述模数转换电路采样率大于40kHz，量化位数大于16bit。优选地，所述第一、第二、第三滤波电路采用FIR带通滤波器，通带分别为4k～6kHz、100～200Hz、1～5Hz，噪声压抑比分别不小于60dB、40dB、20dB。优选地，所述微波信号的频率为3.417GHz。进一步地，所述微波控制信号的功率范围为-15～-5dBmW，分别率为0.01dB。进一步地，所述第一数模转换电路、第二数模转换电路、第三数模转换电路的量化位数为20bit。优选地，所述频综电路采用锁相环路进行上变频。一种消除CPT原子频标光频移方法，包括以下步骤：通过所述主控芯片控制所述频综电路的频率放大倍数，输出锁相环控制信号，所述锁相环控制信号由频综电路晶振10MHz频率倍频到3.4GHz/4.6GHz，调制频率为160Hz；通过所述主控芯片控制第一数模转换电路输出0V～5V电压扫描信号，并加入5kHz的正弦波调制信号，经过调制的所述电压扫描信号经电压转电流电路输出0mA～1.8mA的电流扫描信号，驱动量子系统中的激光器发光，输出频率扫描的激光，激光与原子相互作用后输出携带了原子吸收谱的信息的光信号，并经光检测放大电路转化为电信号，通过模数转换器输出数字电信号，输入到主控芯片，通过所述主控芯片的第一滤波电路、第一解调电路，获得原子吸收谱的微分信号，并确定微分信号的零点，输出激光反馈信号，实现激光频率的锁定；通过主控芯片控制第二数模转换电路输出0V～5V电压扫描信号，驱动频综电路输出频率扫描的微波信号，通过耦合器驱动所述量子系统中的激光器发光，激光中的微波信号与原子相互作用后输出携带了CPT共振谱信息的光信号，光信号经过光检测放大电路转化为电信号，通过模数转换器输出数字信号，输入到主控芯片，通过主控芯片第二滤波电路、第二解调短路，获得CPT共振谱的微分信号，并确定微分信号的零点，通过主控芯片输出微波反馈信号，实现微波频率的锁定；通过主控芯片输出2.5Hz调制方波，叠加到电压转电流电路输出的直流信号中，驱动量子系统中的激光器输出2.5Hz幅度调制的激光，激光与原子相互作用后输出携带了原子光频移信息的光信号，通过第三滤波电路、第三解调电路，获得原子的光频移系数，当光频移系数为正时，减小微波功率，反之增加微波功率，直到光频移系数等于0，实现微波功率的锁定。本专利技术有益效果包括：本专利技术与传统CPT原子频标装置相比增加了微波功率的控制环路，实现对微波功率的反馈控制，消除了光频移；本专利技术采用数字滤波和数字相干解调算法，充分利用了主控电路芯片的数据处理能力和控制能力；本专利技术满足了小信号检测的高精度需求，并消除了由于激光器老化引起的光频移，提高了CPT原子频标的长期稳定度。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本专利技术的一部分，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。在附图中：图1为一种消除CPT原子频标光频移装置实施例；图2为一种消除CPT原子频标光频移方法流程实施例；图3为一种光频移与激光能量、微波功率关系实施例；图4为一种光频移系数与微波功率关系实施例。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术具体实施例及相应的附图对本专利技术技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。传统的CPT原子频标的控制电路只包含两个反馈环路：激光稳频环路和微波稳频环路。激光稳频环路，通过在注入激光器的电流(mA量级)上叠加几KHz的浅幅调制(μA量级)，使用光电检测电路的探测CPT原子频标的激光器输出激光与原子作用后的光强，可得到本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种消除CPT原子频标光频移装置，其特征在于，包含：光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第一数模转换电路、第二数模转换电路、第三数模转换电路、电压转电流电路、频综电路、微波功率控制电路、耦合器、量子系统、第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、第一解调电路、第二解调电路、第三解调电路；所述光检测放大电路用于对信号进行光电转换、并放大，输出电信号；所述模数转换电路用于接收所述电信号，模数转换后输出数字电信号；所述主控芯片用于发射锁相环控制信号和调制方波信号，包含所述第一、第二、第三滤波电路，第一、第二、第三解调电路，所述数字电信号经所述第一滤波电路、第一解调电路，滤波、相干解调后输出激光反馈信号，所述数字电信号还经所述第二滤波电路、第二解调电路，滤波、相干解调后输出微波反馈信号，所述第三滤波电路、第三解调电路接收所述微波反馈信号，滤波、相干解调后输出微波功率反馈信号；所述第一、第二、第三数模转换电路分别用于接收所述激光反馈信号、所述微波反馈信号、所述微波功率反馈信号，进行数模转换，输出模拟信号；所述电压转电流电路用于接收模拟激光反馈信号，进行电压电流转换，输出直流信号；所述频综电路用于接收所述锁相环控制信号、模拟微波反馈信号，倍频后输出微波信号；所述微波功率控制电路用于接收所述微波信号、所述微波反馈信号，并根据所述微波反馈信号控制所述微波信号的功率，输出微波功率控制信号；所述耦合器用于接收所述直流信号、微波功率控制信号、调制方波信号，输出叠加信号；所述量子系统用于接收所述叠加信号，实现原子的CPT相干态，输出光信号给所述光检测电路。...

【技术特征摘要】
1.一种消除CPT原子频标光频移装置，其特征在于，包含：光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第一数模转换电路、第二数模转换电路、第三数模转换电路、电压转电流电路、频综电路、微波功率控制电路、耦合器、量子系统、第一滤波电路、第二滤波电路、第三滤波电路、第一解调电路、第二解调电路、第三解调电路；所述光检测放大电路用于对信号进行光电转换、并放大，输出电信号；所述模数转换电路用于接收所述电信号，模数转换后输出数字电信号；所述主控芯片用于发射锁相环控制信号和调制方波信号，包含所述第一、第二、第三滤波电路，第一、第二、第三解调电路，所述数字电信号经所述第一滤波电路、第一解调电路，滤波、相干解调后输出激光反馈信号，所述数字电信号还经所述第二滤波电路、第二解调电路，滤波、相干解调后输出微波反馈信号，所述第三滤波电路、第三解调电路接收所述微波反馈信号，滤波、相干解调后输出微波功率反馈信号；所述第一、第二、第三数模转换电路分别用于接收所述激光反馈信号、所述微波反馈信号、所述微波功率反馈信号，进行数模转换，输出模拟信号；所述电压转电流电路用于接收模拟激光反馈信号，进行电压电流转换，输出直流信号；所述频综电路用于接收所述锁相环控制信号、模拟微波反馈信号，倍频后输出微波信号；所述微波功率控制电路用于接收所述微波信号、所述微波反馈信号，并根据所述微波反馈信号控制所述微波信号的功率，输出微波功率控制信号；所述耦合器用于接收所述直流信号、微波功率控制信号、调制方波信号，输出叠加信号；所述量子系统用于接收所述叠加信号，实现原子的CPT相干态，输出光信号给所述光检测电路。2.如权利要求1所述的消除CPT原子频标光频移装置，其特征在于，所述光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第一数模转换电路、电压转电流电路、耦合器、量子系统构成激光稳频环路，环路中的信号频率为5kHz；所述光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第二数模转换电路、频综电路、微波功率控制电路、耦合器、量子系统构成微波稳频环路，环路中的信号频率为160Hz；所述光检测放大电路、模数转换电路、主控芯片、第三数模转换器、微波功率控制电路、耦合器、量子系统构成微波稳频环路，环路中的信号频率为2.5Hz。3.如权利要求1所述的消除CPT原子频标光频移装置，其特征在于，所述量子系统包含，激光器、原子储存泡；所述激光器用于接收所述耦合器输出的叠加信号，并根据叠加信号发出激光；所述原子储存泡用于接收所述激光，并根据激光与原子相互作用条件，实现原子的相干态，输出光信号。4.如权利要求1所述的消除CPT原子频标光频移装置，其特征在于，所述模数转换电路采样率大于40kHz，量化位数大于16bit。5.如...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振伟，薛潇博，张旭，杨仁福，
申请(专利权)人：北京无线电计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11