频率产生装置及产生频率的方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种频率产生装置，包括：原子气室，含有碱金属原子蒸汽和惰性气体原子蒸汽；磁线圈，围绕所述原子气室设置，配置成为所述原子气室提供预设磁感应强度的磁场；泵浦单元，配置成发射出第一激光至所述原子气室；检测单元，配置成发射出第二激光至所述原子气室；信号接收单元，配置成接收从所述原子气室透过的所述第二激光，并将光信号转换为电信号；自激振荡单元，与所述信号接收单元、所述磁线圈分别耦接，配置成根据所述电信号，通过所述磁线圈向所述原子气室施加激励磁场；在所述惰性气体原子形成自激振荡后，根据所述电信号输出预设频率。该频率产生装置具有极高的精度，通过所述调节预设磁感应强度，能够输出符合要求的频率信号。合要求的频率信号。合要求的频率信号。

【技术实现步骤摘要】
频率产生装置及产生频率的方法


[0001]本专利技术涉及量子精密测量
，尤其涉及一种频率产生装置及产生频率的方法。

技术介绍

[0002]核磁共振陀螺仪于1953年由美国通用电气公司提出，随后General Precision、Singer和Litton等公司也相继开展了有关核磁共振陀螺仪的研究。
[0003]核磁共振陀螺仪的基本原理是采用一束圆偏振的泵浦光将电子进行自旋极化，电子通过自旋交换碰撞将角动量转移给原子核，实现核的自旋极化。当存在外磁场时，原子核会绕着外磁场做拉莫尔进动，若以外磁场为轴存在转动，此时拉莫尔进动频率就会发生变化，通过检测此时的拉莫尔进动频率就能获得转动信息。
[0004]核磁共振陀螺仪具有高精度、结构简单和易于实现小型化的优势，未来有望成为大规模应用的导航级陀螺仪装置。目前核磁共振陀螺仪的研究主要有两个方面，一方面是从原理上寻找提升其灵敏度和精度的因素和方案，另外一方面是通过实验，考虑装置搭建过程中的力、光、电、磁和热等因素，优化装置中的各项参数，最终在缩小体积的基础上，进一步提升优化装置的灵敏度和零偏不确定度。
[0005]现有技术中，有基于原子钟构建频率发生器的技术方案，而利用核磁共振原理构建频率发生器，尚存在技术空白。

技术实现思路

[0006]有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本专利技术提供了一种频率产生装置，包括：
[0007]原子气室，含有碱金属原子蒸汽和惰性气体原子蒸汽；
[0008]磁线圈，围绕所述原子气室设置，配置成为所述原子气室提供预设磁感应强度的磁场，以使碱金属原子和惰性气体原子绕所述预设磁感应强度的方向发生拉莫尔进动；
[0009]泵浦单元，配置成发射出第一激光至所述原子气室，以极化所述碱金属原子，极化后的碱金属原子通过自旋交换碰撞使所述惰性气体原子自旋极化；
[0010]检测单元，配置成发射出第二激光至所述原子气室，所述第二激光的偏振面的偏转根据所述原子气室内磁场的变化而变化；
[0011]信号接收单元，配置成接收从所述原子气室透过的所述第二激光，并将光信号转换为电信号；
[0012]自激振荡单元，与所述信号接收单元、所述磁线圈分别耦接，配置成根据所述电信号，通过所述磁线圈向所述原子气室施加激励磁场，并且，在所述惰性气体原子形成自激振荡后，所述自激振荡单元根据所述电信号输出预设频率。
[0013]根据本专利技术的一个方面，所述的频率产生装置中：
[0014]所述自激振荡单元输出的所述预设频率由所述预设磁感应强度决定。
[0015]根据本专利技术的一个方面，所述的频率产生装置中：
[0016]所述泵浦单元沿所述预设磁感应强度的方向发射所述第一激光，所述第一激光的频率为所述碱金属原子从基态向第一激发态跃迁的频率；
[0017]所述检测单元沿垂直于所述预设磁感应强度的方向发射所述第二激光，所述第二激光的频率为以所述碱金属原子从基态向第二激发态跃迁的频率失谐预设频率；
[0018]所述信号接收单元进一步包括：
[0019]二分之一波片，配置成调整从所述原子气室透过的所述第二激光的偏振方向；
[0020]偏振分光棱镜，设置在所述二分之一波片的光路下游，配置成将所述第二激光分为偏振方向相互垂直的两路光信号；
[0021]第一光电探测器，设置在所述偏振分光棱镜的光路下游，配置成将所述偏振方向相互垂直的两路光信号中的其中一路光信号转换为电信号；
[0022]第二光电探测器，设置在所述偏振分光棱镜的光路下游，配置成将所述偏振方向相互垂直的两路光信号中的另一路光信号转换为电信号；
[0023]平衡探测器，与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器耦接，配置成对所述第一光电探测器和所述第二光电探测器输出的电信号进行差分处理，输出所述第二激光的偏振面的偏振信息。
[0024]根据本专利技术的一个方面，其中所述自激振荡单元进一步包括：
[0025]锁相放大器，与所述平衡探测器耦接，配置成将所述第二激光的偏振面的偏转信息进行相位解调，输出垂直于所述预设磁感应强度的平面上的两个相互正交的磁场信息；
[0026]PID控制模块，与所述锁相放大器耦接，配置成根据垂直于所述预设磁感应强度的平面上的两个相互正交的磁场信息，通过所述磁线圈向所述原子气室施加激励磁场，所述激励磁场的方向包括垂直于所述预设磁感应强度的平面上的两个相互正交的磁场的其中之一的方向。
[0027]根据本专利技术的一个方面，其中所述锁相放大器进一步配置成：
[0028]根据所述碱金属原子的拉莫尔进动频率进行解调。
[0029]根据本专利技术的一个方面，所述的频率产生装置中：所述PID控制模块进一步配置成：
[0030]当所述激励磁场的频率与所述惰性气体原子的拉莫尔进动频率的差值小于预设值时，输出与所述激励磁场的方向相垂直的另一个方向上的磁场频率。
[0031]根据本专利技术的一个方面，其中所述PID控制模块进一步配置成：
[0032]当所述激励磁场的频率与所述惰性气体原子的拉莫尔进动频率的差值小于预设值时，停止通过所述磁线圈向所述原子气室施加激励磁场。
[0033]根据本专利技术的一个方面，其中所述自激振荡单元进一步包括：
[0034]交流电源，耦接于所述PID控制模块与所述磁线圈之间，所述PID控制模块输出激励磁场信号至所述交流电源，所述交流电源配置成：
[0035]将所述激励磁场信号转换为电流信号施加在所述磁线圈上。
[0036]根据本专利技术的一个方面，其中所述泵浦单元进一步包括：
[0037]第一激光器，用于发射出所述第一激光；
[0038]第一噪声衰减器，与所述第一激光器耦接，配置成稳定所述第一激光的出射光功率；
[0039]第一波长锁定器，包括二分之一波片和偏振分光棱镜，位于所述第一噪声衰减器的光路下游，配置成输出部分分光信号用以锁定所述第一激光的波长；
[0040]第一扩束器，位于所述第一光强调节器的光路下游，配置成扩大所述第一激光的光斑直径；
[0041]线偏振片，位于所述第一扩束器的光路下游，配置成将所述第一激光调整为线偏振光；
[0042]四分之一波片，位于所述线偏振片的光路下游，配置成将所述第一激光调整为圆偏振光。
[0043]根据本专利技术的一个方面，其中所述检测单元进一步包括：
[0044]第二激光器，用于发射出所述第二激光；
[0045]第二噪声衰减器，与所述第二激光器耦接，配置成稳定所述第二激光的出射光功率；
[0046]第二波长锁定器，包括二分之一波片和偏振分光棱镜，位于所述第二噪声衰减器的光路下游，配置成输出部分分光信号用以锁定所述第二激光的波长；
[0047]第二扩束器，位于所述第二光强调节器的光路下游，配置成扩大所述第二激光的光斑直径；
[0048]格兰泰勒棱镜，位于所述第二扩束器的光路下游，配置成将所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种频率产生装置，其特征在于，包括：原子气室，含有碱金属原子蒸汽和惰性气体原子蒸汽；磁线圈，围绕所述原子气室设置，配置成为所述原子气室提供预设磁感应强度的磁场，以使碱金属原子和惰性气体原子绕所述预设磁感应强度的方向发生拉莫尔进动；泵浦单元，配置成发射出第一激光至所述原子气室，以极化所述碱金属原子，极化后的碱金属原子通过自旋交换碰撞使所述惰性气体原子自旋极化；检测单元，配置成发射出第二激光至所述原子气室，所述第二激光的偏振面的偏转根据所述原子气室内磁场的变化而变化；信号接收单元，配置成接收从所述原子气室透过的所述第二激光，并将光信号转换为电信号；自激振荡单元，与所述信号接收单元、所述磁线圈分别耦接，配置成根据所述电信号，通过所述磁线圈向所述原子气室施加激励磁场，并且，在所述惰性气体原子形成自激振荡后，所述自激振荡单元根据所述电信号输出预设频率。2.如权利要求1所述的频率产生装置，其中所述自激振荡单元输出的所述预设频率由所述预设磁感应强度决定。3.如权利要求1或2所述的频率产生装置，其中所述泵浦单元沿所述预设磁感应强度的方向发射所述第一激光，所述第一激光的频率为所述碱金属原子从基态向第一激发态跃迁的频率；所述检测单元沿垂直于所述预设磁感应强度的方向发射所述第二激光，所述第二激光的频率为以所述碱金属原子从基态向第二激发态跃迁的频率失谐预设频率；所述信号接收单元进一步包括：二分之一波片，配置成调整从所述原子气室透过的所述第二激光的偏振方向；偏振分光棱镜，设置在所述二分之一波片的光路下游，配置成将所述第二激光分为偏振方向相互垂直的两路光信号；第一光电探测器，设置在所述偏振分光棱镜的光路下游，配置成将所述偏振方向相互垂直的两路光信号中的其中一路光信号转换为电信号；第二光电探测器，设置在所述偏振分光棱镜的光路下游，配置成将所述偏振方向相互垂直的两路光信号中的另一路光信号转换为电信号；平衡探测器，与所述第一光电探测器、所述第二光电探测器耦接，配置成对所述第一光电探测器和所述第二光电探测器输出的电信号进行差分处理，输出所述第二激光的偏振面的偏振信息。4.如权利要求3所述的频率产生装置，其中所述自激振荡单元进一步包括：锁相放大器，与所述平衡探测器耦接，配置成将所述第二激光的偏振面的偏转信息进行相位解调，输出垂直于所述预设磁感应强度的平面上的两个相互正交的磁场信息；PID控制模块，与所述锁相放大器耦接，配置成根据垂直于所述预设磁感应强度的平面上的两个相互正交的磁场信息，通过所述磁线圈向所述原子气室施加激励磁场，所述激励磁场的方向包括垂直于所述预设磁感应强度的平面上的两个相互正交的磁场的其中之一的方向。5.如权利要求4所述的频率产生装置，其中所述锁相放大器进一步配置成：
根据所述碱金属原子的拉莫尔进动频率进行解调。6.如权利要求4或5所述的频率产生装置，其中所述PID控制模块进一步配置成：当所述激励磁场的频率与所述惰性气体原子的拉莫尔进动频率的差值小于预设值时，输出与所述激励磁场的方向相垂直的另一个方向上的磁场...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗文浩，王彦华，杨仁福，
申请(专利权)人：北京量子信息科学研究院，
类型：发明
国别省市：