冷原子束的原子频标检测方法及系统实用新型专利

专利名称：冷原子束的原子频标检测方法及系统

专利类型：实用新型专利

专利申请号：CN202110741899.2

专利申请（专利权）人：清华大学
权利人地址：北京市海淀区清华园

专利发明（设计）人：王力军,吴晨菲,张建伟

专利摘要：本申请涉及一种冷原子束的原子频标检测方法及系统，属于原子频标技术领域。所述方法包括：生成冷原子束，冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，冷原子束中包括处于第一能级的第一原子和处于第二能级的第二原子，第一能级高于第二能级；利用检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，第一荧光信号是第一原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的，第二荧光信号是将第二原子泵浦至第一能级后，由第一能级跃迁至激发态能级再回落至第一能级产生的；根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号；根据原子跃迁概率信号对晶体振荡器的输出频率进行控制。本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测方法及系统，可以提高冷原子束的原子频标性能。

主权利要求：
1.一种冷原子束的原子频标检测方法，其特征在于，所述方法包括：生成冷原子束，所述冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，所述冷原子束中包括处于第一能级的第一原子和处于第二能级的第二原子，所述第一能级高于所述第二能级；
利用检测激光作用于所述冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，所述第一荧光信号是所述第一原子跃迁到激发态能级后回落至所述第一能级产生的，所述第二荧光信号是所述第二原子泵浦至所述第一能级后，由所述第一能级跃迁至所述激发态能级再回落至所述第一能级产生的；
根据所述第一荧光信号和所述第二荧光信号计算所述冷原子束的原子跃迁概率信号；
根据所述原子跃迁概率信号对晶体振荡器的输出频率进行控制；
其中，所述检测激光包括探测激光和泵浦激光，所述利用检测激光作用于所述冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，包括：利用所述探测激光作用于所述冷原子束，以使所述第一原子跃迁到所述激发态能级后从所述激发态能级回落至所述第一能级，并使所述第一原子从所述冷原子束中偏移，得到所述第一荧光信号以及中间冷原子束；
利用所述泵浦激光作用于所述中间冷原子束，以使所述第二原子泵浦到所述第一能级；
利用所述探测激光作用于所述中间冷原子束，以使所述第二原子从所述第一能级再跃迁至所述激发态能级，并从所述激发态能级回落至所述第一能级产生所述第二荧光信号；
所述根据所述第一荧光信号和所述第二荧光信号计算所述冷原子束的原子跃迁概率信号，包括：根据所述第一荧光信号的幅值和所述第二荧光信号的幅值计算所述冷原子束的原子跃迁概率信号。
2.一种冷原子束的原子频标检测系统，其特征在于，所述系统包括：冷原子束源，用于产生冷原子束，所述冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，所述冷原子束中包括处于第一能级的第一原子和处于第二能级的第二原子，所述第一能级高于所述第二能级；
激光发生器，用于产生检测激光，所述检测激光用于与所述冷原子束作用，得到第一荧光信号和第二荧光信号，所述第一荧光信号是所述第一原子跃迁到激发态能级后回落至所述第一能级产生的，所述第二荧光信号是所述第二原子泵浦至所述第一能级后，由所述第一能级跃迁至所述激发态能级再回落至所述第一能级产生的；
数据处理器，用于根据所述第一荧光信号和所述第二荧光信号计算所述冷原子束的原子跃迁概率信号；所述数据处理器，还用于根据所述第一荧光信号的幅值和所述第二荧光信号的幅值计算所述冷原子束的原子跃迁概率信号；
频率控制器，用于根据所述原子跃迁概率信号对晶体振荡器的输出频率进行控制；
其中，所述激光发生器包括：探测光激光器和泵浦光激光器，所述系统还包括分束器；
所述探测光激光器，用于发射探测激光，所述分束器设置于所述探测激光的光路上，用于将所述探测激光分为第一探测激光和第二探测激光；
所述泵浦光激光器，用于发射泵浦激光；
所述第一探测激光、所述泵浦光和所述第二探测激光依次垂直作用于所述冷原子束，形成激光作用区；
所述第一探测激光用于使所述第一原子跃迁到激发态能级后从所述激发态能级回落至所述第一能级，并使所述第一原子从所述冷原子中偏移，得到所述第一荧光信号以及中间冷原子束；
所述泵浦激光用于使所述中间冷原子束中所述第二原子泵浦到所述第一能级；
所述第二探测激光用于使所述第二原子从所述第一能级再跃迁至所述激发态能级，并从所述激发态能级回落至所述第一能级产生所述第二荧光信号；
所述系统还包括信号处理组件，所述信号处理组件包括：依次设置的后向反射器、第二透镜、第一透镜和光电探测器，其中，激光作用区位于所述第一透镜和所述第二透镜之间；
所述第一透镜、所述第二透镜和所述后向反射器用于使所述第一荧光信号和所述第二荧光信号会聚到所述光电探测器上；
所述光电探测器用于对所述第一荧光信号和所述第二荧光信号进行检测，并将检测到的所述第一荧光信号和所述第二荧光信号发送给所述数据处理器；
所述系统还包括：第一光学组件，所述第一光学组件设置于所述探测激光的出射光路上，用于对所述探测激光进行整形；
第二光学组件，所述第二光学组件设置于所述泵浦激光的出射光路上，用于对所述泵浦激光进行整形。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：反光器；
所述反光器设置于所述泵浦激光的出射光路上，所述反光器用于将所述泵浦激光反射至所述冷原子束上。 说明书 : 冷原子束的原子频标检测方法及系统技术领域[0001] 本发明涉及原子频标技术领域，特别是涉及一种冷原子束的原子频标检测方法及系统。背景技术[0002] 冷原子束的原子频标包括：检测冷原子束的荧光信号，并将该荧光信号作为纠偏信号发送给晶体振荡器，从而对晶体振荡器的频率进行控制，其中，被检测的冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的。在冷原子束频标过程中，纠偏信号会影响晶体振荡器输出频率的稳定性。[0003] 现有的冷原子束的原子频标检测方法是通过一束探测激光将激光频率锁定在原子的一个跃迁能级，以激发该能级上的原子产生荧光信号，并将该荧光信号作为纠偏信号来对晶体振荡器的输出频率进行控制，以实现晶体振荡器的稳定输出。[0004] 然而，由于荧光信号会受到激光频率、激光光强和原子束流通量变化等的影响而导致荧光信号的幅值波动，并带来信号噪声，从而影响荧光信号的信噪比，进而会影响晶体振荡器的输出频率的稳定性和冷原子束的原子频标性能。发明内容[0005] 基于此，本申请实施例提供了的冷原子束的原子频标检测方法及系统，可以提高冷原子束的原子频标性能。[0006] 第一方面，提供了冷原子束的原子频标检测方法，该方法包括：[0007] 生成冷原子束，冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，冷原子束中包括处于第一能级的第一原子和处于第二能级的第二原子，第一能级高于第二能级；[0008] 利用检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，第一荧光信号是第一原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的，第二荧光信号是将第二原子泵浦至第一能级后，由第一能级跃迁至激发态能级再回落至第一能级产生的；[0009] 根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号；[0010] 根据原子跃迁概率信号对晶体振荡器的输出频率进行控制。[0011] 在其中一个实施例中，检测激光包括探测激光和泵浦激光，利用检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，包括：[0012] 利用探测激光作用于冷原子束，以使第一原子跃迁到激发态能级后从激发态能级回落至第一能级，并使第一原子从冷原子束中偏移，得到第一荧光信号以及中间冷原子束；[0013] 利用泵浦激光作用于中间冷原子束，以使第二原子泵浦到第一能级；[0014] 利用探测激光作用于中间冷原子束，以使第二原子从所述第一能级再跃迁至激发态能级，并从激发态能级回落至第一能级产生第二荧光信号。[0015] 在其中一个实施例中，根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号，包括：[0016] 根据第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值计算冷原子束的原子跃迁概率信号。[0017] 第二方面，提供了一种冷原子束的原子频标系统，该系统包括：[0018] 冷原子束源，用于产生冷原子束，冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，冷原子束中包括处于第一能级的第一原子和处于第二能级的第二原子，第一能级高于第二能级；[0019] 激光发生器，用于产生检测激光，检测激光用于与冷原子束作用，得到第一荧光信号和第二荧光信号，第一荧光信号是第一原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的，第二荧光信号是将第二原子泵浦至第一能级，由第一能级跃迁至激发态能级再回落至第一能级产生的；[0020] 数据处理器，用于根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号；[0021] 频率控制器，用于根据原子跃迁概率信号对晶体振荡器的输出频率进行控制。[0022] 在其中一个实施例中，激光发生器包括：探测光激光器和泵浦光激光器，该系统还包括分束器；[0023] 探测光激光器，用于发射探测激光，分束器设置于探测激光的光路上，用于将探测激光分为第一探测激光和第二探测激光；[0024] 泵浦光激光器，用于发射泵浦激光；[0025] 第一探测激光、泵浦激光和第二探测激光依次垂直作用于冷原子束，形成激光作用区；[0026] 第一探测激光用于使第一原子跃迁到激发态能级后从激发态能级回落至第一能级，并使第一原子从冷原子束中偏移，得到第一荧光信号以及中间冷原子束；[0027] 泵浦激光用于使中间冷原子束中第二原子泵浦到第一能级；[0028] 第二探测激光用于使第二原子从所述第一能级再跃迁至激发态能级，并从激发态能级回落至第一能级产生第二荧光信号。[0029] 在其中一个实施例中，系统还包括：反光器；[0030] 反光器设置于泵浦激光的出射光路上，反光器用于将泵浦激光反射至冷原子束上。[0031] 在其中一个实施例中，数据处理器还用于：根据第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值计算冷原子束的原子跃迁概率信号。[0032] 在其中一个实施例中，系统还包括：信号处理组件，信号处理组件用于收集并检测第一荧光信号和第二荧光信号，并将检测到的第一荧光信号和第二荧光信号发送给数据处理器。[0033] 在其中一个实施例中，信号处理组件包括：依次设置的后向反射器、第二透镜、第一透镜和光电探测器，其中，激光作用区位于第一透镜和第二透镜之间；[0034] 第一透镜、第二透镜和后向反射器用于使第一荧光信号和第二荧光信号会聚到光电探测器上；[0035] 光电探测器用于对第一荧光信号和第二荧光信号进行检测，并将检测到的第一荧光信号和第二荧光信号发送给数据处理器。[0036] 在其中一个实施例中，该系统还包括：[0037] 第一光学组件，第一光学组件设置于探测激光的出射光路上，用于对探测激光进行整形；[0038] 第二光学组件，第二光学组件设置于泵浦激光的出射光路上，用于对泵浦激光进行整形。[0039] 本申请实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：[0040] 本申请实施例通过生成冷原子束，然后利用检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，再根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号，最后根据原子跃迁概率信号来对晶体振荡器的输出频率进行控制。其中，生成的冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，且冷原子束中的原子处于第一能级和第二能级，第一能级高于第二能级。第一荧光信号是第一能级原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的，第二荧光信号是第二能级原子跃迁至第一能级，并由第一能级跃迁至激发态能级后回落至第一能级产生的。相较于现有技术，本申请提供的冷原子束的原子频标检测方法是根据计算得到的冷原子束的原子跃迁概率信号对晶体振荡器的频率进行控制，由于原子跃迁概率信号不受光学系统中激光频率，光强的稳定度，原子的束流通量的变化的影响，因此可以避免由于荧光信号的幅值波动所带来信号噪声，能够提高晶体振荡器输出频率的稳定性，进而能够提高冷原子束的原子频标性能。附图说明[0041] 图1为本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测方法的流程图；[0042] 图2为本申请实施例提供的利用检测激光作用于冷原子束技术过程的流程图；[0043] 图3为本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测方法的另一流程图；[0044] 图4为本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统的结构示意图；[0045] 图5为本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统的另一结构示意图；[0046] 图6为本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统的另一结构示意图；[0047] 图7为本申请实施例提供的信号处理组件47的结构示意图；[0048] 图8为本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统的另一结构示意图。[0049] 附图标记说明：[0050] 40：冷原子束源；41：激光发生器；42：数据处理器；43：频率控制器；44：晶体振荡器；45：分束器；46：反光器；47：信号处理组件；48：第一光学组件；49：第二光学组件；401：冷原子束；411：探测光激光器；412：泵浦光激光器；471：后向反射器；472：第二透镜；473：第一透镜；474：光电探测器。具体实施方式[0051] 为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。[0052] 原子频标的出现，为时间标准的计量带来了革命性的变化，并获得了广泛的应用。随着社会的发展，人们对于时间的计量提出了更高的要求，冷原子束频标有着非常高的时间计量精度与稳定度，可以满足社会要求。[0053] 冷原子束频标包括：检测冷原子束中的荧光信号，并将该荧光信号作为纠偏信号发送给晶体振荡器，对晶体振荡器的频率进行控制，其中，被检测的冷原子束是经过微波场和分离振荡场作用的。在冷原子束频标过程中，纠偏信号会影响晶体振荡器的输出频率的性能。[0054] 现有的冷原子束的原子频标检测方法，是通过一束探测激光将激光频率锁定在原子的一个能级，以激发该能级上的原子产生荧光信号，并将该荧光信号作为纠偏信号来对晶体振荡器的输出频率进行控制，以实现晶体振荡器的稳定输出。[0055] 然而，由于荧光信号会受到激光频率、激光光强和原子束流通量变化等的影响而导致荧光信号的幅值波动，并带来信号噪声，从而影响荧光信号的信噪比，进而会影响晶体振荡器的输出频率的稳定性和冷原子束的原子频标性能。[0056] 有鉴于此，本申请实施例提供了一种冷原子束的原子频标检测方法，该方法可以提高冷原子束的原子频标性能。[0057] 在该冷原子束的原子频标检测方法中，通过生成冷原子束，然后利用检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，再根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号，最后根据原子跃迁概率信号来对晶体振荡器的输出频率进行控制。其中，生成的冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，且冷原子束中的原子处于第一能级和第二能级，第一能级高于第二能级。第一荧光信号是第一能级原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的，第二荧光信号是第二能级原子跃迁至第一能级，并由第一能级跃迁至激发态能级后回落至第一能级产生的。相较于现有技术，本申请提供的冷原子束的原子频标检测方法是根据计算得到的冷原子束的原子跃迁概率信号对晶体振荡器的频率进行控制，由于原子跃迁概率信号不受光学系统中激光频率，光强的稳定度，原子的束流通量的变化的影响，因此可以避免由于荧光信号的幅值波动所带来信号噪声，能够提高晶体振荡器输出频率的稳定性，进而能够提高冷原子束的原子频标性能。[0058] 请参考图1，其示出了本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测方法的流程图。如图1所示，该冷原子束的原子频标检测方法可以包括如下步骤：[0059] 步骤101、生成冷原子束。[0060] 其中，该生成的冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，且该冷原子束中包括处于第一能级的第一原子和处于第二能级的第二原子，其中，第一能级高于第二能级。[0061] 可选的，第一能级和第二能级分别对应冷原子束中原子的基态上能级和基态下能级；可选的，该冷原子束可以为铯原子束、铷原子束或其他冷原子束。[0062] 步骤102、利用检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号。[0063] 其中，第一荧光信号是第一原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的；第二荧光信号是将第二原子泵浦至第一能级后，由第一能级跃迁至激发态能级再回落至第一能级产生的。[0064] 步骤103、根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号。[0065] 需要说明的是，根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号可以是计算第一原子的原子跃迁概率信号，也可以是计算第二原子的原子跃迁概率信号。[0066] 在一个实施例中，根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号，包括：根据第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值计算冷原子束的原子跃迁概率信号。[0067] 在一个方面，计算第一原子跃迁概率为：计算第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值之和，得到总幅值，利用第一荧光信号的幅值除以总幅值，得到第一原子的跃迁概率。[0068] 在另一个方面，计算第二原子跃迁概率为：计算第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值之和，得到总幅值，利用第二荧光信号的幅值除以总幅值，得到第二原子的跃迁概率。[0069] 可选的，第一荧光信号的幅值可以为第一荧光信号的光子数或第一荧光信号的电压，第二荧光信号的幅值可以为第二荧光信号的光子数或第二荧光信号的电压。[0070] 步骤104、根据原子跃迁概率信号对晶体振荡器的输出频率进行控制。[0071] 在实际应用中，原子跃迁概率信号经过相敏检波产生纠偏信号对晶体振荡器的频率进行控制，以实现晶体振荡器的稳定输出。[0072] 请参考图2，本申请实施例提供了一种示例性地利用检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号的技术过程，其中，检测激光包括探测激光和泵浦激光，如图2所示，该技术过程可以包括以下步骤：[0073] 步骤201、利用探测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号以及中间冷原子束。[0074] 利用探测激光作用于冷原子束，以使第一原子跃迁到激发态能级后从激发态能级回落至第一能级，并使第一原子从冷原子束中偏移，得到第一荧光信号以及中间冷原子束。[0075] 在实际应用中，探测激光的频率接近或等于第一原子跃迁到激发态能级的原子跃迁频率，利用探测激光作用于冷原子束，可以使冷原子束中第一原子跃迁至激发态能级，其中激发态能级不稳定，第一原子又会从激发态能级回落至第一能级，并产生第一荧光信号，同时在探测激光的光压力的作用下，第一原子会偏离冷原子束，不再经过后续的泵浦激光和第二束探测激光，得到中间冷原子束。同时，由于探测激光的频率不满足第二原子的共振条件，冷原子束中的第二原子不与第一路探测激光的光场相互作用，不吸收探测激光，因此保持原行进方向继续运动。[0076] 步骤202、利用泵浦激光作用于中间冷原子束。[0077] 利用泵浦激光作用于中间冷原子束，以使第二原子泵浦到第一能级。[0078] 在实际应用中，泵浦激光的频率接近或等于将冷原子第二能级泵浦至第一能级的原子跃迁频率，利用泵浦激光作用于中间冷原子束，可以使第二原子从中第二能级泵浦至第一能级。[0079] 步骤203、利用探测激光作用于中间冷原子束，得到第二荧光信号。[0080] 利用探测激光作用于中间冷原子束，以使第二原子再跃迁至激发态能级，并从激发态能级回落至第一能级产生第二荧光信号。[0081] 在实际应用中，再利用一束探测激光作用于经过泵浦光作用的中间冷原子束，可以使从第二能级泵浦到第一能级的原子再跃迁到激发态能级，并从激发态能级回落至第一能级产生第二荧光信号。[0082] 请参考图3，其示出了本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测方法的另一流程图。该方法可以包括以下步骤：[0083] 步骤301、生成冷原子束。[0084] 步骤302、利用探测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号以及中间冷原子束。[0085] 步骤303、利用泵浦激光作用于中间冷原子束。[0086] 步骤304、利用探测激光作用于中间冷原子束，得到第二荧光信号。[0087] 步骤305、根据第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值计算冷原子束的原子跃迁概率信号。[0088] 步骤306、根据原子跃迁概率信号对晶体振荡器的输出频率进行控制。[0089] 在该冷原子束的原子频标检测方法中，通过生成冷原子束，然后利用检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，再根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号，最后根据原子跃迁概率信号来对晶体振荡器的输出频率进行控制。其中，生成的冷原子束是经过态制备和分离振荡场作用的，且冷原子束中的原子处于第一能级和第二能级，第一能级高于第二能级。第一荧光信号是第一能级原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的，第二荧光信号是将第二能级原子泵浦至第一能级，并由第一能级跃迁至激发态能级后回落至第一能级产生的。相较于现有技术，本申请提供的冷原子束的原子频标检测方法是根据计算得到的冷原子束的原子跃迁概率信号对晶体振荡器的频率进行控制，由于原子跃迁概率信号不受光学系统中激光频率，光强的稳定度，原子的束流通量的变化的影响，因此可以避免由于荧光信号的幅值波动所带来信号噪声，能够提高晶体振荡器输出频率的稳定性，进而能够提高冷原子束的原子频标性能。[0090] 请参考图4，其示出了本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统的结构示意图。如图4所示，该冷原子束的原子频标检测系统包括：冷原子束源40、激光发生器41、数据处理器42、频率控制器43和晶体振荡器44。[0091] 其中，冷原子束源40用于产生冷原子束401，该生成的冷原子束401是经过态制备和分离振荡场作用的，且该冷原子束401中包括处于第一能级的第一原子和处于第二能级的第二原子，其中，第一能级高于第二能级。[0092] 可选的，冷原子束源40可以为铯原子束源、铷原子束源或其他冷原子束源，可以产生相应的铯原子束、铷原子束或其他冷原子束。[0093] 需要说明的是，冷原子束401是在真空环境中产生和存在的。[0094] 激光发生器41，用于产生检测激光，检测激光作用于冷原子束401，得到第一荧光信号和第二荧光信号，第一荧光信号是第一原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的，第二荧光信号是将第二原子泵浦至第一能级后，由第一能级跃迁至激发态能级再回落至第一能级产生的。[0095] 其中，检测激光的频率与冷原子的能级跃迁频率对应。[0096] 数据处理器42，用于根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束401的原子跃迁概率信号。[0097] 需要说明的是，数据处理器42根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束401的原子跃迁概率信号，可以是计算第一原子的跃迁概率信号，也可以是计算第二原子的跃迁概率信号。[0098] 在一个实施例中，数据处理器42还用于：根据第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值计算冷原子束401的原子跃迁概率信号。[0099] 在一个方面，计算第一原子跃迁概率为：计算第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值之和，得到总幅值，利用第一荧光信号的幅值除以总幅值，得到第一原子的跃迁概率。[0100] 在另一个方面，计算第二原子跃迁概率为：计算第一荧光信号的幅值和第二荧光信号的幅值之和，得到总幅值，利用第二荧光信号的幅值除以总幅值，得到第二原子的跃迁概率。[0101] 可选的，第一荧光信号的幅值可以为第一荧光信号的光子数或第一荧光信号的电压，第二荧光信号的幅值可以为第二荧光信号的光子数或第二荧光信号的电压。[0102] 频率控制器43，用于根据原子跃迁概率信号对晶体振荡器的输出频率进行控制。[0103] 可选的，频率控制器43可以为伺服电路。[0104] 在实际应用中，原子跃迁概率信号经过相敏检波产生纠偏信号对晶体振荡器44的频率进行控制，以实现晶体振荡器44频率的稳定输出。[0105] 在一个实施例中，请参考图5，其示出了本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统的另一结构示意图。如图5所示，激光发生器41包括：探测光激光器411和泵浦光激光器412，该系统还包括分束器45。[0106] 探测光激光器411，用于发射探测激光，分束器45设置于探测激光的光路上，用于将探测激光分为第一探测激光和第二探测激光。[0107] 泵浦光激光器412，用于发射泵浦激光。[0108] 第一探测激光、泵浦激光和第二探测激光依次垂直作用于冷原子束401，形成激光作用区。[0109] 第一探测激光用于使第一原子跃迁到激发态能级后从激发态能级回落至第一能级，并使第一原子从冷原子束401中偏移，得到第一荧光信号。[0110] 泵浦光用于将第二原子泵浦到第一能级。[0111] 第二探测光用于使第二原子再跃迁至激发态能级，并从激发态能级回落至第一能级产生第二荧光信号。[0112] 在实际应用中，以铯原子为例，铯原子束流首先经过第一束探测激光的频率接近或等于铯原子从第一能级(4能级)跃迁到激发态能级(激发态5能级)的原子跃迁频率，由于第一能级的原子与探测光场共振，吸收探测光并自发辐射产生荧光信号，同时第一能级原子在探测激光的光压力的作用下，第一能级原子会偏离铯原子束，不再经过后续的泵浦光和第二束探测光，得到中间铯原子束。由于探测光的频率不满足第二能级原子的共振条件，铯原子束中的第二能级原子(3能级)不与第一路探测光场相互作用，不吸收探测光，因此保持原行进方向继续运动。泵浦激光的频率接近或等于铯原子跃迁频率使第二能级泵浦至第一能级的原子跃迁频率，利用泵浦激光作用于中间铯原子束，可以使铯原子束中第二原子泵浦至第一能级。再利用一束探测激光作用于经过泵浦激光作用的铯原子束，可以使第二原子从第二能级泵浦到第一能级的原子再跃迁到激发态能级，并从激发态能级回落至第一能级产生第二荧光信号。[0113] 以铷87原子为例，铷原子束流首先经过第一束探测激光的频率接近或等于铷原子从第一能级(2能级)跃迁到激发态能级(激发态3能级)的原子跃迁频率，由于第一能级的原子与探测光场共振，吸收探测激光并自发辐射产生荧光信号，同时第一能级原子在探测激光的光压力的作用下，第一能级原子会偏离铷原子束，不再经过后续的泵浦激光和第二束探测激光，得到中间铷原子束。由于探测激光的频率不满足第二能级原子的共振条件，铷原子束中的第二能级(1能级)原子不与第一路探测光场相互作用，不吸收探测激光，因此保持原行进方向继续运动。泵浦激光的频率接近或等于将铷原子第二能级泵浦至第一能级的原子跃迁频率，利用泵浦激光作用于中间铷原子束，可以使铷原子束中第二原子泵浦至第一能级。再利用一束探测激光作用于经过泵浦激光作用的铷原子束，可以使从第二能级跃迁到第一能级的原子再跃迁到激发态能级，并从激发态能级回落至第一能级产生第二荧光信号。[0114] 在一个实施例中，该系统还包括：多个反光器46。[0115] 可选的，反光器46可以为平面镜或其他可以反射激光的光学器件。[0116] 其中，一个反光器46设置于分束器45的出射光路上，用于反射第二探测激光，使第二探测激光垂直作用于冷原子束401。一个反光器46设置于泵浦激光的光路上，用于反射泵浦激光，使泵浦激光垂直作用于冷原子束401。[0117] 一个反光器46用于将泵浦激光反射至冷原子束上。通过反光器46可以形成泵浦激光的驻波场，经过该驻波场的冷原子束可以保持原行进方向继续运动。[0118] 在一个实施例中，请参考图6，其示出了本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统的结构示意图。如图6所示，该系统包括：信号处理组件47，信号处理组件47用于收集并检测第一荧光信号和第二荧光信号，并将检测到的第一荧光信号和第二荧光信号发送给数据处理器42。[0119] 在一个实施例中，请参考图7，其示出了本申请实施例提供的信号处理组件47的结构示意图。如图7所示，信号处理组件47具体包括：[0120] 依次设置的后向反射器471、第二透镜472、第一透镜473和光电探测器474，其中，激光作用区位于第一透镜473和第二透镜472之间。[0121] 第一透镜473、第二透镜472和后向反射器471用于使第一荧光信号和第二荧光信号会聚到光电探测器474上。光电探测器474用于对第一荧光信号和第二荧光信号进行检测，并将检测到的第一荧光信号和第二荧光信号发送给所述数据处理器42。[0122] 在实际应用中，第一透镜473、第二透镜472和后向反射器471用于将荧光会聚到光电探测器474上，产生荧光信号。激光作用区位于第一透镜473和第二透镜472之间，激光作用区中产生荧光经过第一透镜473、第二透镜472和后向反射器471的后最终会聚到光电探测器474上，以使光电探测器474检测到第一荧光信号和第二荧光信号。其中，第一透镜473、第二透镜472和后向反射器471可以通过改变相对位置，使荧光会聚到光电探测器上474，能够提高荧光信号的收集效率。[0123] 请参考图8，其示出了本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统的另一结构示意图。如图8所示，该系统还包括：第一光学组件48，第一光学组件48设置于探测激光的出射光路上，用于对探测激光进行整形。[0124] 第二光学组件49，第二光学组件49设置于泵浦激光的出射光路上，用于对泵浦激光进行整形。[0125] 可选的，第一光学组件48包括第一柱透镜组和第一狭缝，第二光学组件49包括第二柱透镜组和第二狭缝。[0126] 其中，第一柱透镜组和第二柱透镜组分别用于对探测激光和泵浦激光进行扩束；第一狭缝和第二狭缝分别用于调整探测激光和泵浦激光的光斑大小。[0127] 本申请实施例提供的冷原子束的原子频标检测系统，通过冷原子束源40生成冷原子束401，然后利用激光发生器41生成检测激光作用于冷原子束，得到第一荧光信号和第二荧光信号，再通过数据处理器42根据第一荧光信号和第二荧光信号计算冷原子束的原子跃迁概率信号，最后频率控制器43根据原子跃迁概率信号对晶体振荡器44的输出频率进行控制。其中，冷原子束401是经过态制备和分离振荡场作用的，冷原子束401包括处于第一能级的第一原子和处于第二能级的第二原子，且第一能级高于第二能级，第一荧光信号是第一原子跃迁到激发态能级后回落至第一能级产生的，第二荧光信号是将第二原子泵浦至第一能级后，由第一能级跃迁至激发态能级再回落至第一能级产生的。相较于现有技术，本申请提供的冷原子束的原子频标检测系统是根据计算得到的冷原子束401的原子跃迁概率信号对晶体振荡器的频率进行控制，由于原子跃迁概率信号不受光学系统中激光频率，光强的稳定度，原子的束流通量的变化影响，因此可以避免由于荧光信号的幅值波动所带来信号噪声，能够提高晶体振荡器44输出频率的稳定性，进而能够提高冷原子束的原子频标性能。[0128] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。[0129] 以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

专利地区：北京

专利申请日期：2021-06-30

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN113489489B