本发明专利技术公开了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，PXI系统分别与转接电路、电流源、微波源、电流转电压电路、晶振和频率测试仪相连，晶振和功率分配器相连，功率分配器两路输出端一路与微波源相连，另一路与频率测试仪相连，耦合电路分别与PXI系统、电流源和微波源相连，物理系统分别与耦合电路输出端和电流转电压电路输入端相连，物理系统还与转接电路相连，还公开了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，PXI系统作为控制核心实现温度的控制、直流的锁定及反馈、微波的锁定及反馈和工作参数的自整定。本发明专利技术结构简易，自动化程度高，数字信号处理能力强，适合对被动型CPT原子钟的各种方案进行实验研究。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，PXI系统分别与转接电路、电流源、微波源、电流转电压电路、晶振和频率测试仪相连，晶振和功率分配器相连，功率分配器两路输出端一路与微波源相连，另一路与频率测试仪相连，耦合电路分别与PXI系统、电流源和微波源相连，物理系统分别与耦合电路输出端和电流转电压电路输入端相连，物理系统还与转接电路相连，还公开了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，PXI系统作为控制核心实现温度的控制、直流的锁定及反馈、微波的锁定及反馈和工作参数的自整定。本专利技术结构简易，自动化程度高，数字信号处理能力强，适合对被动型CPT原子钟的各种方案进行实验研究。【专利说明】基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置及方法
本专利技术涉及原子钟领域，具体涉及基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，还涉及基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，适用于对被动型CPT原子钟的工作参数和不同物理方案进行实验研究。
技术介绍
被动型相干布居囚禁(CPT)原子钟的物理机理为，碱金属原子基态的两个超精细能级与一个激发态能级形成三能级结构，两束相干双色光与其相互作用，当两激光频率的差值精确等于原子基态两超精细能级差对应的频率时，量子跃迁之间的互相干涉使得原子处于两基态的相干叠加态上，称为CPT态。处于CPT态的原子不再吸收光子，此时，探测透射光，可看到透射光强的增加，这就是EIT现象。被动型CPT原子钟正是利用这一现象实现对微波的鉴频以达到稳定频率的目的。其中相干双色光通过微波调制VCSEL电流产生。被动型CPT原子钟由于采用VCSEL作为光源，利用微波调制VCSEL电流实现多色光与碱金属原子相互作用，不需要微波腔就能获得微波鉴频信号，因此在功耗和体积上相对传统原子钟有潜在优势，在精密测量、卫星导航与定位、高速通信网和深海探测等领域有广泛应用前旦-5^ O用作产品的被动型CPT原子钟主要由物理系统和伺服电路系统组成。物理系统的主要功能是通过CPT共振信号对输入物理系统的微波进行鉴频，并输出反映微波频率偏移量的信号，为此需要将微波`的载波，即激光频率，锁定在原子两超精细能级跃迁谱线上。伺服电路系统的主要功能是实现激光频率和微波频率的扫描，并将激光频率锁定在原子单光子跃迁谱线上，将微波频率锁定在原子基态两超精细能级的频率差。此外，伺服电路系统需要对物理系统中VCSEL和原子蒸汽泡进行温度控制并调节原子所处的磁场环境。被动型CPT原子钟频率稳定度很大程度上取决于物理系统的性能，深入研究物理系统的特性对改善原子钟的频率稳定度至关重要。利用自行研制的伺服电路系统对物理系统进行研究时，存在输入VCSEL电流的信噪比和分辨率不够高，调制电流的微波的相位噪声和杂散不够好，模数转换器的采样率和分辨率不能同时兼顾，微控制器信号处理能力有限等问题。使用常规的电子学仪器进行研究时，例如通过锁相放大器进行信号解调，通过温控仪进行温度控制，由于各个仪器独立工作，没有控制中心，因此，对电流源和微波源等仪器需要手动控制，实验中各个工作环节都需人工干预，导致测试精度不高且不方便操作。此外，研究物理系统特性时，需要知道原子蒸汽泡所处环境温度、微波频率调制信号的调制深度和微波反馈频率对EIT信号对比度和频移的影响，以及最合适的解调信号相位和反馈PID参数，现行的实验方法对参数的寻优需要人为调节，且不能对中间数据进行实时监测、存储和分析，自动化程度低。在对被动型CPT原子钟的不同物理方案进行实验研究时，例如要进行Ramsey-CPT原子钟的研究，对数据采集的采样率、分辨率，数字信号处理的速度，时序的同步有很高的要求，自行研制的伺服电路系统和常规的电子学仪器很难满足要求，而且扩展性和可移植性差，无法对相同条件下的不同物理方案进行比较研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置。该装置以PXI系统为核心，结合了自行研制的电路和电子学仪器的优点，拥有更强的数字信号处理能力，采用模块化的方式构建，通过各种总线接口对电子学仪器进行控制，具有很好的扩展性和可移植性，适合作为被动型CPT原子钟的研究平台。本专利技术的另一目的在于提供了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法。该方法能够对被动型CPT原子钟中间数据进行实时监测、存储和分析，用于研究物理系统特性时，能够实现工作参数的自动寻优，用于研究不同物理方案的被动型CPT原子钟时，能够兼顾采样率和分辨率采集模拟信号并对信号进行高速处理。为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术措施: 基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，该装置包括:PXI系统、微波源、功率分配器、晶振、电流源、转接电路、耦合电路、电流转电压电路、被动型CPT原子钟的物理系统和频率测试仪。所述PXI系统包括模块化的嵌入式控制器、数据采集卡和机箱，数据采集卡实现信号的输入和输出。其中PXI系统主要实现虚拟通道的创建、PID算法、数字滤波、数字解调、VCSEL输入电压的扫描、VCSEL输入电压的锁定与反馈、晶振输入电压的扫描、晶振输入电压的锁定与反馈、微波源的控制、幅度调制(AM)、频移键控调制(2FSK)和参数的自整定。所述数据采集卡主要实现模数转换、数模转换和脉冲信号的输出。所述机箱用于装载嵌入式控制器和数据采集卡，并为嵌入式控制器和数据采集卡提供电源和PCI通信总线。所述微波源的输出频率由晶振输出频率通过微波源内的锁相环倍频而来,输出功率可受PXI系统控制。所述被动型CPT原子钟的物理系统包括VCSEL、衰减片、λ /4波片、原子蒸汽泡、磁场线圈、磁屏蔽层、光电探测器、热敏电阻、加热丝和TEC，其中热敏电阻反映激光器和原子蒸汽泡的温度，加热丝和TEC用来对激光器和原子蒸汽泡进行加热和制冷。所述转接电路用于将物理系统的热敏电阻反映的温度信息转换成电压信号，将PXI系统输出的电压信号通过运算放大器和三极管处理之后连接至物理系统的加热丝和TECJf PXI系统输出的电压信号通过运算放大器处理之后连接至物理系统的磁场线圈。所述I禹合电路用于对电流源的输出、PXI系统输出的直流调制信号和微波源的输出进行耦合。所述电流转电压电路用于将物理系统输出的反映鉴频信息的电流信号转换成电压信号。利用权利要求1所述装置的被动型CPT原子钟实验方法，包括以下步骤: 步骤1、ΡΧΙ系统通过数据采集卡采集被动型CPT原子钟的物理系统通过转接电路输出的环境温度信号，对环境温度信号进行数字滤波处理和PID运算，然后将PID运算结果通过数据采集卡再输出至转接电路，进而通过物理系统内的TEC和加热丝控制VCSEL和原子蒸汽泡的环境温度， 步骤2、等待VCSEL和原子蒸汽泡所处环境的温度稳定在预定的温度之后，PXI系统通过数据采集卡输出预定电压至晶振，晶振输出频率通过微波源内的锁相环倍频之后输出微波信号到耦合电路， PXI系统输出间歇性(采用间歇性输出，是通过分时的方法保证直流调制信号和微波调制信号在时序上错开，如图4所示，从而降低相互之间干扰。)的周期方波信号作为直流调制信号到耦合电路，调制方式为幅度调制， PXI系统控制电流源依次输出预定范围的直流扫描信号到耦合电路， 直流扫描本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，包括PXI系统（1）和物理系统（10），其特征在于，还包括分别与PXI系统（1）连接的频率测试仪（2）、晶振（3）、微波源（5）、电流源（6）、转接电路（7）、电流转电压电路（8）和耦合电路（9），功率分配器（4）分别与晶振（3）、频率测试仪（2）和微波源（5）连接，耦合电路（9）分别与微波源（5）和电流源（6）连接，物理系统（10）分别与耦合电路（9）、转接电路（7）和电流转电压电路（8）连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：田原，杨晶，张奕，谭伯仲，吴红卫，顾思洪，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：
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