在一种利用光学激发原子媒质的装置中，例如原子频率标准中，出于减少作为时间的函数的装置温度敏感性变化并减少光偏移对标准的频率老化影响的目的，通过数字电子设备根据光传感器检测到的透过碱性气体的光的光强度信号，表示环境温度的输出以及光强度－环境温度算法所生成的输出，来控制提供用于激发碱性气体的Ｄ↓［１］和／或Ｄ↓［２］谐振线的光的受控发射的光源，从而基本上消除了由于光源老化引起的光强度变化，其中碱性气体例如铷或铯。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及利用光学可激发原子媒质的方法和装置，尤其涉及用于使原子气体激发光稳定在微波原子频率标准内的方法和装置。
技术介绍
因为现代电信系统需要非常稳定和精确的定时设备，所以将原子频率标准用于这种应用中。对于这个应用以及其他的应用来说，原子标准的总尺寸、工作温度、功耗、重量和耐久性都是重要的参数。微波原子频率标准利用原子内的固有谐振来计时，这是因为固有原子谐振比诸如钟摆和石英晶体之类的宏观振荡器更加稳定，并且对于例如温度、压力、湿度、振动、加速度等等的环境影响更不敏感。固有原子谐振通常是原子气体中原子的基态微波超精细跃迁频率。将这种工作在原子气体的超精细跃迁的量子原子振荡器用作高稳定频率基准，不同频率的振荡器(例如石英振荡器)的频率可以电子地锁定在该基准上，因此就将该固有原子谐振的高稳定性和对于环境干扰的相对不敏感性转移到了石英振荡器。原子频率标准通常包括电子组件，该组件包括电压控制的振荡器(VCO)以及物理部件，该部件长期保持精确而稳定的VCO标准频率。使用该物理部件和相关电子设备从而使得VCO输出服从于该量子系统的选定的超精细跃迁频率，由此减少了由于振荡器老化以及环境对振荡器的影响而产生的频率漂移。在原子频率标准中，其中该量子系统包括惰性气体单元，该气体单元包含例如铷或铯的原子气体，物理部件包括光源、透明气体单元(谐振单元)以及用于检测透过原子气体的光的光电检测器，该光源例如等离子放电光源或者半导体激光器。该谐振单元位于微波腔中，并且光电检测器有时也位于微波腔中，该微波腔以原子气体的超精细跃迁频率谐振。将微波腔以原子气体超精细跃迁频率的谐振用于使注入的微波电磁场对该单元中原子气体的作用最大化。该注入的微波电磁场是由VCO输出的频率倍增和合成从而生成的。所生成的微波频率约等于该单元中原子气体的超精细跃迁频率，然后调制(频率调制)该微波频率并且使微波能量注入微波腔中。如果原子气体是碱性蒸气(例如Rb或Cs)，那么光源生成的光包括处于D1和D2光学原子谐振频率(该光的频率在下文中称为“D跃迁光”)之一或这两个频率的光。(D1跃迁光与碱性原子的2S1/2态和第一2P1/2光学激发态之间的光学跃迁谐振，而D2跃迁光与2S1/2基态和第一2P3/2光学激发态之间的光学跃迁谐振。)在原子气体为铷(Rb)的情况下，D1跃迁光和D2跃迁光的波长分别为794.8nm(377THz)和780.0nm(384THz)。在原子气体为铯(Cs)的情况下，D1跃迁光和D2跃迁光的波长(光学频率)分别为894.6nm(335THz)和852.3nm(352THz)。(1THz＝1012Hz)。在工作中，微波腔中谐振单元内的碱性蒸气(例如Rb或Cs)受到光源发出的D跃迁光的光学泵浦。当没有光学泵浦时，两种基态超精细级别的总数基本相等。光学泵浦的作用是生成这些级别之间的总数差；并且在光学泵浦过程中，光被原子吸收。以大约原子气体的超精细跃迁频率注入微波腔中的微波能量与基态超精细级别的原子气体的原子相互作用，引起了这些级别之间的跃迁并且趋向于使总数差为0(即，使总数相等)。另一方面，该光学泵浦过程通过对D跃迁光的光学吸收可以保持该总数差。当注入的微波频率和原子气体的超精细跃迁频率之差为0时，该光学泵浦以最大速率进行，因此使原子气体吸收的光能量最大化，以及使谐振单元光电检测器检测到的光强度最小化。该光电检测器检测到透过气体单元中的原子气体的光的强度，并且检测到该光强度的变化量，并且将其用于生成控制输出，该输出将VCO输出锁定为该原子气体的稳定超精细跃迁频率。众所周知，碱性蒸气、等离子放电光源生成D1和D2跃迁光，其中光包含光学超精细成分，为了将光学泵浦的效率提高到实际有效的值，必须将该成分去除掉或减少。利用传统的滤光技术不能将这些密集的、不需要的超精细成分轻易地去除；但是，在为Rb蒸气的情况下，有一种简单的解决方案改为采用同位素滤光技术，使用(1)置于光源和谐振单元之间的独立、温控同位素滤光器单元，其包含85Rb，或者(2)通过将85Rb添加到谐振单元中已有的87Rb中，以使谐振和滤光功能相结合的谐振单元(因为其集成了两种功能，故而称作集成单元)。应当理解，同位素滤光技术去除了部分D1跃迁光和D2跃迁光，但是在同位素滤光后仍然存在一些D1和D2跃迁光，并且这两种光同时执行光学泵浦功能。如果将半导体激光器用作光源，其必须工作在可调谐到D1跃迁光波长或D2跃迁光波长的光学频率(波长)下的单一、纵向、横向和偏振模式中。在这种情况下，不存在不需要的光学超精细成分，这是因为激光器输出是单一、明确的光学频率(波长)，不需要任何种类的滤光技术。在多数用途中，原子频率标准可以在环境温度范围内使用，这需要非常小的温度敏感性(该标准的输出频率作为环境温度的函数而变化)。获得这个结果是复杂的，这是因为存在许多来自于该设备电子元件和物理部件的对温度敏感性(TS)的潜在影响。(参见例如W.J.Riley的“铷气体单元原子频率标准的环境敏感性物理学(ThePhysics of the Environmental Sensitivity of Rubidium Gas CellAtomic Frequency Standards)”，IEEE Transactions onUltrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，Vol.39，March，1992，pp.232-240)。在光学泵浦气体单元原子频率标准的情况下，具有几种能够使TS随时间变化的机制。这些机制之一是光源发出的光偏移、光强度随环境温度的变化以及光强度的转换时间共同作用的结果。对于利用集成谐振单元的原子频率标准，由这种机制引起的TS变化能够用以下简化的方式近似地表达出来。设I＝进入谐振单元的光强度，y＝频率偏置与标准输出频率f的比＝Δf/f，以及yLS＝由于光偏移引起的y的变化，然后利用光偏移系数kLS根据以下等式将它们联系起来，yLS＝kLS·IyLS(TC，TL，T，t)＝kLS(TC，TL，T)·I(TL，T，t)，其中TC＝单元恒温器设定点温度，TL＝灯恒温器设定点温度，T＝环境温度，t＝时间。环境温度依赖性由以下方面产生(1)控制灯和单元恒温器温度的温度调节装置的有限回路增益，(2)灯和单元上的温度梯度。(关键的温度是碱性金属在灯和单元中沉积位置的温度，而这些温度随环境温度的变化，是由以下方面引起的(1)设定点值的偏离，(2)灯和单元上的随环境温度变化的温度梯度，以及碱性金属沉积在不同于其对应的恒温器温度传感器的位置。)在正常的设备工作过程中，设定点温度不变；即，TL和TC是保持恒定的参数(但是碱性金属沉积在谐振单元中的温度不是恒定的，而是随环境温度变化的)。在这种情况下，上述等式可写作如下的简化形式，yLS(T，t)＝kLS(T)·I(T，t)。如果环境温度在一段时间间隔内从T1变化到T2，在该时间间隔中光强度明显保持恒定，那么光偏移对TS的影响是，TSLS(t)＝yLS(T2，t)-yLS(T1，t)。接着，考虑如果在一段(长)时间间隔Δt之后，由于例如光源的光强度衰减而引起了光强度的变化会发生什么。在这种情况下，光偏本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种原子频率标准，包括：用于提供Ｄ跃迁光的受控发射的装置；用于接收该Ｄ跃迁光的受控发射的谐振微波腔，其包括：在Ｄ跃迁光发射光路上的包含原子气体的透明气体单元，用于检测透过原子气体的Ｄ跃迁光的强度并提供光强度信号的光传感器，以及用于将微波能量注入微波腔中的装置，所述微波腔以约为所述原子气体的原子超精细跃迁频率谐振；电子组件，其包括：用于生成标准频率并且根据所述标准频率生成用于注入所述微波腔的微波频率的装置，该微波频率在所述原子气体的超精细跃迁频率上进行频率调制，所述电子组件与所述光强度信号相连，并且由所述光强度信号产生误差信号，将该误差信号施加到所述用于生成标准频率的装置，从而将所述标准频率锁定为原子气体的超精细跃迁频率，所述电子组件进一步包括：一种算法，其将光强度信号与生成原子频率标准时的环境温度以及表示可能影响Ｄ跃迁光发射的环境温度的输入相联系，并且提供了由所述算法、所述表示环境温度的输出和所述光强度信号所产生的输出，以用于校正Ｄ跃迁光的受控发射，从而基本上消除由于光强度老化引起的变化。
【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：邓金泉，JD克罗克特，TC恩格利斯，
申请(专利权)人：美国迅腾有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]
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