本发明涉及原子钟与频率标准技术，具体涉及一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱基准方法及原子钟。
背景技术：
精密时间是科学研究、科学实验和工程技术诸方面的基本物理参量，不仅在基础研究领域有重要的作用，如地球自转变化等地球动力学研究、相对论研究、脉冲星周期研究和人造卫星动力学测地等；而且在应用研究、国防和国民经济建设中也有普遍的应用，如航空航天、深空通讯、卫星发射及监控、信息高速公路、地质测绘、导航通信、电力传输和科学计量等；甚至已经深入到人们社会生活的方方面面，几乎无所不及。
从1963年后，时间基准的名称由primaryclock来代替，它指的是实验室型大铯钟。就已发表的资料来看，德联邦的“联邦技术物理研究院”的ptb-csi、美国国家标准局的nbs-6及加拿大国家研究院的nrc-csv的准确度均已达到10-14量级。我国计量院的csii、csiii也达到10-13量级。由此可见primaryclock的准确度至少要比商品型小铯钟高出一个数量级。对于大铯钟这样的一级时间标准，世界上只有少数几个国家的时频实验室拥有，而且，有的还不能长期可靠地工作。但是，对于世界上大多数没有大铯钟的实验室也可以有自己的时间尺度。其方法是：用多台商品型铯钟(目前5071a型小铯钟的准确度为1×10-12)构成平均时间尺度。实验室的小铯钟越多，时间尺度的稳定性就越好。有了高稳定度的时间尺度，方可满足国防、科研、航天等方面的需要，随着原子时、频比对精度的高速发展，相对论对时钟修正不仅具有理论意义，而且在实际比对中也必须加以修正。
技术实现要素：
本发明提供了一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱原子钟，在设置激励模块，可以调整输出频率，将输出频率锁在金属原子的跃迁共振点上，并输出基准频率，减少频谱漂移。
本发明还有一个目的是提供了一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱基准方法，添加伺服模块输出纠偏电压，以提高输出基准频率的精度。
本发明提供的技术方案为：
一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱原子钟，包括：
光谱灯，其内部具有活跃金属气体，用于生成激发光信号；
高频振荡器，其用于产生震荡激发频率，为所述光谱灯提供泵浦能量；
滤光共振模块，其内部充有与所述光谱灯相同的活跃金属气体，并为所述光谱灯提供微波磁场，以使所述滤光共振泡内活跃金属气体与所述光谱灯生成的激发光信号共振放大生成共振跃迁频率光信号；
光激励模块，其能够获取所述共振跃迁频率光信号转换为电信号，将输出频率锁在金属原子的跃迁共振点上，并输出基准频率。
优选的是，且所述光谱灯内还包括惰性气体，其与所述活跃金属气体混合；
其中，所述活跃金属气体为铷气体。
优选的是，所述惰性气体为氪气和/或氩气。
优选的是，所述高频振荡器采用压控晶体振荡器。
优选的是，所述滤光共振模块包括：
谐振腔，其用于提供微波磁场；
滤光片，其设置在所述谐振腔一端，能够改变所述激发光信号的光强；
光电池，其用于将载有共振跃迁信息的光信号转换为电信号。
优选的是，所述光激励模块包括：
压控晶体振荡器，其内部含有dds芯片，能够生成调制频率参考信号；
倍混频率模块，其连接所述压控晶体振荡器，能够将所述调制频率参考信号转换为倍频信号，并将调制频率参考信号于所述倍频信号混频过的微波探询信号；
其中，所述微波探询信号与所述金属原子的跃迁共振点上频率信号相同；
伺服模块，其能够获取微波探询信号频率与量子参考频率之间的差值信息，并将所述差值信息返还给中心控制器，输出基准频率信号。
一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱基准方法，包括：
将所述光谱灯置于高频震荡器的震荡电路内；
设定所述高频振荡器的震荡频率和功率，使所述光谱灯内的惰性气体和活跃金属气体电离，并惰性气体分子与金属原子碰撞使金属原子吸收能量发生能级跃迁，辐射出光子，进而产生激发光信号；
设定所述滤光共振泡为恒温，将两个相干的有一定时间间隔的微波脉冲作用在所述滤光共振泡上，以使所述滤光共振泡内活跃金属气体与所述光谱灯生成的激发光信号共振放大生成共振跃迁频率光信号，并经过光电池将所述共振跃迁频率光信号转换为电信号；
压控晶体振荡器，其内部含有dds芯片，能够生成频率为5.3125mhz调制频率参考信号；
倍混频率模块，其连接所述压控晶体振荡器，能够将所述调制频率参考信号转换为频率为6840mhz倍的频信号，并将调制频率参考信号于所述倍频信号混频过的微波探询信号；
伺服模块，其能够输出纠偏电压，以使所述微波探询信号与所述金属原子的跃迁共振点上频率信号相同，输出基准频率信号。
优选的是，所述励震荡电路的震荡频率设定为100mhz，功率设定为1-5w。
优选的是，通过调整频率转换系数使所述微波探询信号与所述金属原子的跃迁共振点上频率信号相同。
优选的是，频率转换系数的转换公式为：
f＝ω1a ω2b；
其中，ω1为压振晶体振荡器输出的固定频率信号，ω2为可调频率信号，其初始值与压振晶体振荡器输出的信号频率一致，a＝640；b＝0.5。
有益效果
本发明提供了一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱原子钟，在设置激励模块，可以调整输出频率，将输出频率锁在金属原子的跃迁共振点上，并输出基准频率，减少频谱漂移。
本发明还有一个目的是提供了一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱基准方法，添加伺服模块输出纠偏电压，以提高输出基准频率的精度。
附图说明
图1为本发明所述的精密频谱基准输出用原子钟的结构原理图。
图2为本发明所述的87rb原子能级跃迁示意图。
图3为本发明所述的光抽运原理框图。
图4为本发明所述的铷光源激励电路图.
图5为本发明所述的光检测吸收曲线图。
图6为本发明所述的光激励方案示意图。
图7为本发明所述的微波探询信号调节范围图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中”、“上”、“下”、“横”、“内”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，基于背景技术提出的技术问题，本发明提供了一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱原子钟包括：光谱灯、高频振荡器、滤光共振模块和光激励模块。
光谱灯，其内部具有活跃金属气体，用于生成激发光信号；
其中，光谱灯内部具有活跃金属气体，用于生成激发光信号；作为一种优选，活跃金属气体为活跃金属气体为金属铷或金属铯；
光源灯泡常用球型玻璃泡，直径约10-15㎜。灯泡中除充有金属铷外还充有激发电位低、化学性质不活泼的启辉气体。常用kr或ar，气压1-2torr。
如图2所示，高频振荡器，其用于产生震荡激发频率，为所述光谱灯提供泵浦能量；铷光源激励电路，灯泡启动初始时刻，电感l1上产生的高频强电场e使光源泡中惰性气体ar电离发光。在高频磁场的作用下离子在泡内作高速螺旋运动。与此同时，泡区的温度在灯恒温电路和等离子体加热效应的作用下升至120度左右的恒温点上。此时，泡内的金属铷形成单质铷原子饱和蒸气，高速运动的惰性气体离子和蒸气状的铷原子发生碰撞，使铷原子获得能量进入高能级，然后从高能级跃迁至低能级，释放出光子。
在通常的条件下光源的激励频率愈高愈有利于ar气启辉和rb发光，但对于克拉泼电路而言，振荡频率过高的条件下振荡幅度会下降，反而不利于ar气启辉和rb发光，因此存在选取最佳频率的问题。实际选择的工作频率大致在110mhz附近。
如图2-3所示，滤光共振模块，其内部充有与所述光谱灯相同的活跃金属气体，并为所述光谱灯提供微波磁场，以使所述滤光共振泡内活跃金属气体与所述光谱灯生成的激发光信号共振放大生成共振跃迁频率光信号；
在滤光共振模块中充以缓冲气体可以使多普勒加宽大大减少。充入的缓冲气体一般是惰性气体或与87rb原子作弹性碰撞的非惰性气体。滤光共振模块充以缓冲气体后，铷原子与缓冲气体分子作弹性碰撞的机会很大，每碰一次，原有的运动方向和速率就会发生改变，多普勒频移也会发生变化。在一段观察时间内，每一个原子与气体分子碰撞的次数越多，平均的频移就越小。同时，缓冲气体也延长了原子扩散到泡壁的时间，很大程度上减少了壁驰豫对线宽的效应。
在b成份抽运光作用下被抽运到基发态的87rb原子，可通过自发辐射回到基态，在自发辐射过程中放出光子，即“共振荧光”。如果自发辐射时，原子回到基态f＝1的能级上，则辐射出一个b线频率的光子来，这对光抽运效果无妨。但是若自发辐射时原子回到基态f＝2的能级上就辐射一个a线光子。显然，这种光子的出现会使在基态f＝2能级上的原子被激发到激发态上去，从而破坏了光抽运的效果。但由于缓冲气体的存在，缓冲气体的分子与87rb原子发生碰撞，使处在激发态的87rb原子将能量传给缓冲气体分子，从而使缓冲气体分子激发起来，而87rb原子自己无辐射地回到基态。这一过程即是“荧光焠灭”。当缓冲气体分子自发辐射回到基态时，辐射出的光子不再是a线的频率了，故对光抽运效果不会有破坏作用。
所谓“激发态能级混杂”即缓冲气体分子与处在激发态的87rb原子频繁的碰撞，使得87rb原子处在激发态各子能级的几率相等。这样，当87rb原子回到基态时，落到基态各子能级上的几率也相等
滤光片，其设置在所述光谱灯一端，能够调整所述激发光信号的光强；
光谱灯在长期的工作中，由于其工作状态的变化，灯泡内部87rb的消耗等因素，光强发生变化，影响系统的稳定性指标。
滤光共振泡包括光电池、控温部件和光电池，其中，滤光共振泡内部充有与所述光谱灯相同的活跃金属气体，并为所述光谱灯提供微波磁场，以使所述滤光共振泡内活跃金属气体与所述光谱灯生成的激发光信号共振放大生成共振跃迁频率光信号，并转换为电信号；
谐振腔，其用于提供微波磁场；光电池，其用于将载有共振跃迁信息的光信号转换为电信号；控温部件，其设置在所述谐振腔上，能够对所述谐振腔的温度进行控制。
如图3所示，87rb原子能级中基态的两个超精细能级跃迁频率约为6835mhz，第一激发态有两个精细结构能级52p3/2和52p1/2，这两个能级的超精细分裂较基态小，分别为840mhz(f＝3与f＝0)和430mhz(f＝2与f＝1)。由于多普勒展宽与此分裂值差不多，故激发态的超精细结构无法分辨。因此87rb原子的第一激发态与基态间的跃迁谱线只包括d1和d2线两个超精细结构成分a线和b线。基态能级中的|f＝2，mf＝0>和|f＝1，mf＝0>这两个能级之间跃迁频率的精确值为6834.68xxxxmhz(外磁场h＝0)，后四位数字由磁场和滤光共振模块中的缓冲气体的微扰确定。这也就是量子鉴频参考频率值。
最简单的87rb系统是将充以87rb的玻璃泡置入一个加有磁场的微波谐振腔内，将腔的共振频率调整在87rb基态两超精细能级跃频率上，当输入频率为6834.6875mhz的微波信号时，通过微波检测装置获得87rb的吸收谱线。该谱线可作为鉴频谱线。但由于气态87rb粒子数密度小，|f＝2，mf＝0>和|f＝1，mf＝1>两能级距离较小，在常温时两能级粒子数差是非常小的，故最终通过这种装置所得到的吸收谱线非常微弱。且气泡中87rb原子的运动和碰撞引起的谱线的增宽也较大，这极大地影响了频标的频率稳定度.
因此在本实施例中，在滤光共振模块中充以缓冲气体可以使多普勒加宽大大减少。充入的缓冲气体一般是惰性气体或与87rb原子作弹性碰撞的非惰性气体。滤光共振模块充以缓冲气体后，铷原子与缓冲气体分子作弹性碰撞的机会很大，每碰一次，原有的运动方向和速率就会发生改变，多普勒频移也会发生变化。在一段观察时间内，每一个原子与气体分子碰撞的次数越多，平均的频移就越小。同时，缓冲气体也延长了原子扩散到泡壁的时间，很大程度上减少了壁驰豫对线宽的效应。
在b成份抽运光作用下被抽运到基发态的87rb原子，可通过自发辐射回到基态，在自发辐射过程中放出光子，即“共振荧光”。如果自发辐射时，原子回到基态f＝1的能级上，则辐射出一个b线频率的光子来，这对光抽运效果无妨。但是若自发辐射时原子回到基态f＝2的能级上就辐射一个a线光子。显然，这种光子的出现会使在基态f＝2能级上的原子被激发到激发态上去，从而破坏了光抽运的效果。但由于缓冲气体的存在，缓冲气体的分子与87rb原子发生碰撞，使处在激发态的87rb原子将能量传给缓冲气体分子，从而使缓冲气体分子激发起来，而87rb原子自己无辐射地回到基态。这一过程即是“荧光焠灭”。当缓冲气体分子自发辐射回到基态时，辐射出的光子不再是a线的频率了，故对光抽运效果不会有破坏作用。所谓“激发态能级混杂”即缓冲气体分子与处在激发态的87rb原子频繁的碰撞，使得87rb原子处在激发态各子能级的几率相等。这样，当87rb原子回到基态时，落到基态各子能级上的几率也相等。
如图4所示，压控晶体振荡器，其内部含有dds芯片，能够生成调制频率参考信号；
倍混频率模块，其连接所述压控晶体振荡器，能够将所述调制频率参考信号转换为倍频信号，并将调制频率参考信号于所述倍频信号混频过的微波探询信号；
其中，所述微波探询信号与所述金属原子的跃迁共振点上频率信号相同；
伺服模块，其能够获取微波探询信号频率与量子参考频率之间的差值信息，并将所述差值信息返还给中心控制器，输出基准频率信号。
如图5-7所示，本发明还提供了一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱基准方法、包括：
将所述光谱灯置于高频震荡器的震荡电路内；
设定所述高频振荡器的震荡频率和功率，使所述光谱灯内的惰性气体和活跃金属气体电离，并惰性气体分子与金属原子碰撞使金属原子吸收能量发生能级跃迁，辐射出光子，进而产生激发光信号；
设定所述滤光共振泡为恒温，将两个相干的有一定时间间隔的微波脉冲作用在所述滤光共振泡上，以使所述滤光共振泡内活跃金属气体与所述光谱灯生成的激发光信号共振放大生成共振跃迁频率光信号，并经过光电池将所述共振跃迁频率光信号转换为电信号；
压控晶体振荡器，其内部含有dds芯片，能够生成频率为5.3125mhz调制频率参考信号；
倍混频率模块，其连接所述压控晶体振荡器，能够将所述调制频率参考信号转换为频率为6840mhz倍的频信号，并将调制频率参考信号于所述倍频信号混频过的微波探询信号；
伺服模块，其能够输出纠偏电压，以使所述微波探询信号与所述金属原子的跃迁共振点上频率信号相同，输出基准频率信号。
优选的是，所述励震荡电路的震荡频率设定为100mhz，功率设定为1-5w。
优选的是，通过调整频率转换系数使所述微波探询信号与所述金属原子的跃迁共振点上频率信号相同。
优选的是，频率转换系数的转换公式为：
f＝ω1a ω2b；
其中，ω1为压振晶体振荡器输出的固定频率信号，ω2为可调频率信号，其初始值与压振晶体振荡器输出的信号频率一致，a＝640；b＝0.5
本发明还提供的一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱基准方法，添加相位调整模块进行相位调整，以提高输出基准频率的精度。
如图5所示，横坐标表示微波探测信号的频率，纵坐标表示透过滤光共振模块的光照射到光电池上产生的光检测电流(经过了电反相)。光电池的输出电流和照射到它上面的光强成正比。
当微波探测信号的中心频率高于原子跃迁频率时(f>fo)，光电池的输出信号和微波的调制信号同频反相，经过伺服电路产生一个负δv纠偏电压，使10mhz压控晶体振荡器输出频率变低；当微波探测信号的中心频率低于原子跃迁频率时(f<fo)，光电池输出信号和微波调制信号同频同相，经伺服电路产生一个正δv纠偏电压，使10mhz压控晶体振荡器输出频率变高；当微波探测信号的中心频率等于87rb原子0－0跃迁频率时(f＝fo)时，光电池的输出信号频率是微波调制频率的2倍，经过伺服电路的同步鉴相不产生纠偏电压。从而将10mhz压控晶体振荡器的输出频率锁在87rb原子的0－0跃迁共振点上。
压控晶体振荡器频率为ω(如10mhz)，综合内含有dds芯片(如ad9854)，经压控晶体振荡器输出的10mhz频率信号作参考，其输出信号频率为5.3125mhz，其频率转换系数b＝5.3125/10≈0.5，其具体大小受中央处理器控制。倍、混频率模块在频率补偿模块不起作用下，把压控晶体振荡器输出的10mhz频率经过射频倍频及微波倍频获得6840mhz信号，其频率转换系数a＝6840/10＝684。再与综合输出的5.3125mhz信号进行混频，获6834.6875mhz微波探询信号f，其大小与图7中共振跃迁模块中的原子基态超精细结构0-0跃迁的中心频率f0对应。
上述关系对应的计算公式为：f＝ω1a ω2b；
其中，ω1为压振晶体振荡器输出的固定频率信号，ω2为可调频率信号，其初始值与压振晶体振荡器输出的信号频率一致，a＝640；b＝0.5其a、b的值是不会发生变化的，要实现原子能级跃迁频率f0的动态探测，需要将f作用于滤光共振模块系统后，经光电池获得相应的量子鉴频光电信号传送至伺服模块，再在综合模块输出的参考信号作用下，在伺服中完成同步鉴相，再获得相应的量子纠偏信号作用于压控晶体振荡器，再使其输出的频率ω发生变化，以进一步使f发生变化，最终使f＝f0动态平衡。
如图7所示，由于a＝640、b＝0.5，所以当整个装置系统进入动态工作后，导致压控晶体振荡器输出频率ω发生变化，这样在公式f＝ω1a ω2b中，起主导作用的是倍、混频模块，而且会将ω的变化放大a＝640倍后再作用于滤光共振模块系统，这无疑给整个探测精确度大打折扣，其微波探询信号范围δfa所示。
具体的说，技术方案为：首先控制伺服输出基准电压信号给压振晶体振荡器，使其输出10mhz的固定频率信号ω1＝10mhz。这里的压控晶体振荡器在伺服模块基准电压作用下输出的频率是不变的。
压振晶体振荡器输出的ω1＝10mhz的固定频率信号一路输送至信号源模块，用以作信号源的外部时钟基准，固信号源在以压振晶体振荡器输出的10mhz的固定频率信号参考前提下，输出ω2频率信号至综合完成ω2b的生成，ω2的初始值与压振晶体振荡器输出的信号频率一致，即ω2＝10mhz，因为是压振晶体振荡器作外部时基参考，故ω2拥有和压振晶体振荡器输出的ω2＝10mhz频率一样的频率特性(如稳定性)。
伺服模块输出纠偏电压控制信号源输出信号频率。参照传统闭环锁定工作原理，为实现原子能级的动态探测，在本专利中信号源输出信号频率ω2的大小受伺服输出纠偏电压控制。
压振晶体振荡器输出的ω1＝10mhz的固定频率信号另一路输送至微波倍、混频模块。按照传统技术完成ω1a的倍频率，再与综合模块送来ω2b信号进行混频，最终获得探测用的微波信号f＝ω1a ω2b。
由上面的4点，我们可以注意到，最终的微波探询信号f＝ω1*a-ω2*b由ω1、ω2、a、b组成，由于系统设计是，a、b是固定的，且按照本专利的方案ω1亦是固定的，变化的只有ω1由f＝ω1a ω2b式子，我们可以看出变化的项是ω2b，而b的以值为0.5，很明显f的变化控制主要由ω*a(a＝640)，在ω2和ω能够在同一量级控制精度下本实施例中对f的变化控制将缩小1000倍。这样就能减小f＝ω1a ω2b中a的贡献，理想状态下，可以实现整个微波探询信号f的精度由综合模块中的频率转换系数b决定，这样就可以大大缩小原子能级跃迁动态探测的频率范围。
本发明提供了一种基于原子基态超精细结构参考的精密频谱基准方法，添加伺服模块输出纠偏电压，以提高输出基准频率的精度。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
本文用于企业家、创业者技术爱好者查询，结果仅供参考。
