减少AC斯塔克移位的光抽运频率标准制造技术

本发明专利技术公开了一种用于产生稳定的频率信号的装置（２０）。该装置（２０）包括具有第一、第二和第三能态的量子吸收体（１３）。量子吸收体（１３）被第一辐射源（２１）照射，第一辐射源（２１）产生具有频率ｖ↓［Ｌ］的电磁辐射，该电磁辐射激发第一和第三能态之间的跃迁。量子吸收体（１３）还被第二辐射源（１８）照射，第二辐射源（１８）产生具有频率ｖ↓［Ｍ］的电磁辐射，该电磁辐射激发第一和第二能态之间的跃迁。检测器被多个伺服回路使用，所述检测器产生检测器信号，该信号指示出离开量子吸收体（１３）的辐射在包括ｖ↓［Ｌ］在内的频率范围中的辐射水平。伺服回路之一确定ｖ↓［Ｌ］的值，该值使检测器信号最小化或最大化，并且第二伺服回路（３１）确定偏移信号，该偏移信号降低了ｖ↓［Ｍ］对第一辐射源（２１）的强度的依赖性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及减少AC斯塔克(AC Stark)移位的光抽运频率标准。
技术介绍
对于很多应用，准确确定原子(或者诸如分子或离子之类的量子吸收者)中两能态之间的跃迁频率是非常重要的。原子频率标准使用该跃迁频率来定义其输出频率，而磁力计使用该跃迁频率来测量磁场强度。由于量子吸收者所暴露的环境可以扰乱这两个能态的能量，因此也可以扰乱相应的跃迁频率。两能态的选择依赖于具体应用。原子频率标准选择这两个能态，以使跃迁频率对环境参数不敏感。传感器(例如磁力计)选择这两个能态，以使跃迁频率对其测量的物理量(例如磁场强度)敏感，而对所有其它的环境参数不敏感。为了简化以下论述，将使用原子频率标准的示例。但是，该论述也适用于传感器应用。在一类原子频率标准中，两个能态属于适当的原子种类(例如Rb或Cs)的基态簇。在这两个能态之间的跃迁频率处于微波频率范围内，所述跃迁频率定义原子频率标准的输出频率。在以下论述中，这两个能态被称为状态A和状态B。而且存在另一能态，即状态E，其属于激发态的簇。此外，假设能态Eα(α＝A、B或E)的能量满足EE＞EB＞EA的关系。另外，假设在状态E和状态A(或状态B)之间允许的跃迁具有在光范围内的跃迁频率。在室温下，状态A和状态B被几乎相等地填充，而状态E几乎未被填充。在这种情况下，如果用微波场照射原子，则难以观察到状态A和状态B之间的受激跃迁。但是，如果用适当频率的光场照射原子，则处于一个能态(例如状态A)的原子将吸收光子，并且跃迁到状态E。当同一原子从状态E衰变到基态时，一些衰变将到达不同于状态A的状态。因此，该光抽运过程去除状态A中的填充量，并且在状态A和状态B之间产生了填充差。因此，荧光和对所施加的光场的吸收被降低。诸如碰撞之类的驰豫过程重新填充状态A。当光场的频率vL等于状态A和状态E之间的跃迁频率v0≡(EE-EA)/h(其中h是普朗克常数)时，光抽运过程的效率最大化。对于简化的三态原子系统，可以使用传统的高频抖动和相位敏感性检测伺服回路(dither-and-phase-sensitive-detection servo loop)来保持vL＝v0。现在，如果以在状态A和状态B之间的跃迁频率附近的频率的微波场照射原子，则受激跃迁将增加状态A中的填充量。因此，荧光和对所施加的光场的吸收被升高。如果所施加的微波频率vM等于状态A和状态B之间的跃迁频率vBA≡(EB-EA)/h，那么荧光和对所施加的光场的吸收都最大化。也可以使用高频抖动和相位敏感性检测伺服回路来保持vM＝vBA。遗憾的是，正在研究的原子表现出AC斯塔克移位(光移)。就是说，状态A和B之间的能量差取决于所施加的光场的强度。这样一来，vBA是被所施加的用于光抽运原子的光场强度的函数。为了提供具有高精度的标准，需要具有极端稳定强度的光源。提供这种光源的成本大大增加了这种光抽运原子频率标准的成本。
技术实现思路
本专利技术包括用于控制辐射源频率的装置。该装置包括被第一和第二辐射源照射的吸收体，以及设置这些辐射源频率的第一和第二控制器。吸收体包括具有第一、第二和第三能态的物质。第一辐射源产生具有频率vL的第一电磁辐射，该第一电磁辐射激发第一和第三能态之间的跃迁，第一电磁辐射源以光辐射强度照射吸收体。第一和第二能态之间的能量差是依赖于所述光辐射强度的量。第二辐射源产生具有频率vM的第二电磁辐射，该第二电磁辐射激发第一和第二能态之间的跃迁。第一控制器设置vM，以便使吸收体对第一电磁辐射的吸收保持在目标值上。第二控制器将vL设置为一个从vMAX偏移的值，其中vMAX是使吸收体对第一电磁辐射的吸收最大化的vL的值。该偏移值被选择来使第一和第二能态之间的能量差对在vL上的光辐射强度的依赖性小于第一和第二能态之间的能量差对在vMAX上的光辐射强度的依赖性。在一个实施例中，提供了输出电路，该输出电路产生具有由vM所确定的频率的信号。在一个实施例中，第一辐射源包括激光器，并且第二辐射源包括微波产生器。在一个实施例中，第二控制器包括第一伺服回路，该第一伺服回路通过确定在光照射强度的第一和第二值时吸收体的第一和第二能态之间的能量差来确定从vMAX的激光频率偏移值。在一个实施例中，吸收体包括氢或碱金属。附图说明图1示出了现有技术的光抽运频率标准。图2示出了根据本专利技术一个实施例的光抽运频率源。具体实施例方式参考图1可以更容易地理解本专利技术提供其优点的方式，图1示出了现有技术的光抽运频率标准10。激光器11用于照射吸收池13，其中激光器11的频率由激光伺服17响应于输入信号来设置。吸收池13包含诸如87Rb或133Cs之类的量子吸收体。吸收池13被放置在微波腔14内，该微波腔14由微波源18来激励。离开吸收池13的光的强度由检测器15来测量。激光伺服17设置激光频率，以使吸收池13中的对激光器输出光的吸收最大化。例如，可以利用如下算法假设吸收池的透射是激光频率失谐Δ≡vL-v0的对称函数。将当前激光中心频率标注为vL。在这样的系统中，伺服17在频率vL+δvL和vL-δvL上周期性地测量吸收池13的透射，其中δvL＞0是预定的频率增量。如果在vL+δvL处的的透射小于在vL-δvL处的透射，则增大激光频率。类似地，如果在vL+δvL处的的透射大于在vL-δvL处的透射，则降低激光频率。如果测量出的透射值相等，则激光器被正确地设置在吸收最大处。如果吸收池的透射不是激光频率失谐的对称函数，那么利用小δvL，使用上述方法，激光频率将依旧被稳定在非常靠近吸收最大的频率处。虽然方波频率调制被用作激光频率稳定的示例，但是也可以使用其它类型的调制波形和适当的解调方法。微波伺服16设置微波频率，以使作为微波频率的函数的吸收池13中的对激光光线的吸收最大化。例如，可以使用类似于上述用于设置激光频率的算法之类的算法。当前微波频率被标注为vM。微波伺服在频率vM+δvM和vM-δvM上周期性地测量吸收池13的透射，其中δvM＞0是预定的频率增量。如果测得的透射值相等，则微波源18被正确地设置在透射最小处。如果在vM+δvM处的透射小于在vM-δvM处的透射，则增大微波频率。类似地，如果在vM+δvM处的透射大于在vM-δvM处的透射，则减小微波频率。也可以使用其它调制波形来控制微波频率。微波频率伺服回路的单位增益频率通常小于激光频率伺服回路的单位增益频率，使得两个伺服回路不会彼此干扰。根据频率标准输出从微波频率中导出的信号。在最简单的情况下，该信号就是微波信号本身。但是，也可以提供从微波信号中导出的其他信号。如上所述，由于AC斯塔克移位，所以，确定微波频率的量子吸收体中两个较低能态之间的频率差(或能量差)取决于用于照射量子吸收体的激光光线的强度。由于除非使用某种机制来稳定激光器的输出强度，否则来自激光器的光线强度会随时间变化，从而这种依赖性在频率标准中引入了误差。如上所述，这种稳定的激光器增大了频率标准的成本，并且因此应该避免。本专利技术基于如下现象通过使激光频率稍稍失谐于吸收最大的频率，可以大大降低量子吸收体中两较低能态之间的能量差对激光强度的依赖性。现在参考图2，图2示出了根据本专利技术一个实施例的光抽运频率标准20。为了简化以下论述，频率标准20的那些与上面参考频率标准10讨论本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置（２０），包括：吸收体（１３），其包括具有第一、第二和第三能态的物质；第一辐射源（２１），其产生具有频率ν↓［Ｌ］的第一电磁抽运辐射，该第一电磁抽运辐射激发所述第一和第三能态之间的跃迁，所述第一辐射源以抽运辐射强度照射所述吸收体（１３），所述第一和第二能态之间的能量差值依赖于所述抽运辐射强度；第二辐射源（１８），其产生具有频率ν↓［Ｍ］的第二电磁辐射，该第二电磁辐射激发所述第一和第二能态之间的跃迁，所述第二辐射源也照射所述吸收体（１３）；第一控制器（１６），其设置ν↓［Ｍ］，以便使所述吸收体（１３）对所述第一电磁辐射的吸收保持在目标值；以及第二控制器（２２），其将ν↓［Ｌ］设置为一个从ν↓［ＭＡＸ］偏移的值，其中ν↓［ＭＡＸ］是使所述吸收体（１３）对所述第一电磁辐射的吸收最大化的ν↓［Ｌ］值，所述偏移值被选择来使所述第一和第二能态之间的所述能量差对在ν↓［Ｌ］上的所述抽运辐射强度的依赖性小于所述第一和第二能态之间的所述能量差对在ν↓［ＭＡＸ］上的所述抽运辐射强度的依赖性。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱淼，来纳德S卡特勒，约翰埃德温伯伯里恩，
申请(专利权)人：安捷伦科技有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]