[发明专利]具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟

说明书

一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，其构成包括混频光系统、探测光系统、物理系统、微波频率综合器、受控晶振及原子钟控制系统，通过在光探测阶段引入一个辅助的非弹性混频光，打破传统的单光束Λ构型非线性磁光旋转过程中存在的对探测光传播增长的限制，从而可以使非线性磁光旋转信号提高两个数量级，进而提高原子钟鉴频信号的信噪比和原子钟的频率稳定度。

技术领域

本发明涉及被动型光抽运气泡式铷原子钟，特别是一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟。

背景技术

气泡式脉冲光抽运铷原子钟其具有结构简单、运行可靠、体积小重量轻、频率稳定度高等优点，因此是下一代北斗卫星导航系统高性能星载钟的重要候选者之一。

对于脉冲运行原子钟，表征其频率稳定度的Allan方差可以表示为：

其中τ为取样时间，T_C为原子钟的工作周期，Q＝v₀/Δv为跃迁谱线的品质因子，Δv为拉姆齐条纹的半高全宽，v₀为钟跃迁频率，S/N为拉姆齐条纹的信噪比。拉姆齐条纹的信噪比越高，气泡式脉冲光抽运铷原子钟的稳定度也越高。林锦达等(中国专利：CN102799103A，具有高对比度鉴频信号的铷原子钟)和林海笑等(中国专利：CN106773612A，提高原子钟频率稳定度的系统及方法)中采用传统的单光束Λ构型非线性磁光旋转过程，但其存在一个由于能量对称性导致的对探测光传播增长的限制，它显著破坏了非线性磁光旋转效应，从而限制了原子钟的信噪比。

本发明提出一种具有高信噪比鉴频信号的原子钟系统，引入一个辅助的非弹性混频波来打破传统的单光束Λ构型非线性磁光旋转过程中对探测光传播增长的限制，从而可以使非线性磁光旋转信号增强两个数量级，进一步提高原子钟鉴频信号的信噪比(参考文献：Feng Zhou，Chengjie J.Zhu，Edward W.Hagley，Lu Deng，Symmetry-breakinginelastic wave-mixing atomic magnetometry[J].Sci Adv，2017，3(12)，e1700422.)。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，该铷原子钟通过引入一个辅助的非弹性混频波而可以使非线性磁光旋转信号增强两个数量级，原子钟跃迁谱线信噪比提高10倍，相应的频率稳定度由现有的1.4×10^-13τ^-1/2(0τ100s)提高50％进入10^-14量级。

本发明的技术解决方案如下：

一种具有高信噪比鉴频信号的铷原子钟，其构成包括混频光系统、探测光系统、物理系统、微波频率综合器、受控晶振和原子钟控制系统，上述部件的连接关系如下：

所述的混频光系统的输出光入射至所述的物理系统，所述的探测光系统的输出光入射至所述的物理系统，两束光与所述的物理系统中的原子发生相互作用后入射至所述的原子钟控制系统，所述的受控晶振的第一输出端提供了标准频率输出，所述的受控晶振的第二输出端输出原子钟频率信号至所述的微波频率综合器作为参考信号，经微波频率综合器输出的微波脉冲进入所述的物理系统与其中的原子发生相互作用；

所述的混频光系统的控制端与所述的原子钟控制系统的第一输出端相连，所述的探测光系统的控制端与所述的原子钟控制系统的第二输出端相连，所述的微波频率综合器的控制端与所述的原子钟控制系统的第三输出端相连，所述的受控晶振的输入端与所述的原子钟控制系统的第四输出端相连；