一种提升光抽运小铯钟稳定度性能的激光功率伺服方法与流程

本发明涉及使用激光进行检测的微波频率标准领域，具体为一种提升光抽运小铯钟稳定度性能的激光功率伺服方法。

背景技术：

1、光抽运小铯钟是一种守时型原子钟，其基本原理是：利用抽运激光与铯炉产生的铯原子束流的相互作用实现铯原子态的制备；随后铯原子束流经过分离振荡场与微波发生共振；接着利用检测激光与到达检测区域的铯原子束流相互作用实现对铯原子态的探测，铯原子的跃迁概率随着微波频率呈ramsey线型；依据得到的ramsey曲线进行电路系统伺服，输出一个恒定的频率信号(一般为10mhz)。基本的原理结构如图1所示。

2、在光抽运小铯钟当中，用到了抽运激光和检测激光，它们由一个稳频激光器产生。在实际应用场景下，两束激光的功率至少受到以下四个因素的影响：(1)环境温度；(2)光学器件性能；(3)机械应力；(4)激光频率控制。激光功率的稳定性，一方面直接影响原子钟的信号的大小，另一方面会造成光频移(交流斯塔克效应)，进而影响光抽运小铯钟的性能。

3、传统的光抽运小铯钟进行激光功率的伺服，应用的方法是在抽运激光和检测激光的光路末端增加两个光电二极管直接实现对激光功率的探测，并进行反馈伺服。然后在研究过程中，发现存在两个问题：1、环境温度以及一部分光学器件对激光功率的影响并未包含到控制环路当中；2、实际造成光频移的光是泄露进入到微波相互作用区域的荧光，控制激光功率的绝对值实际并未完全控制光频移。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种提升光抽运小铯钟稳定度性能的激光功率伺服方法。本发明实现了在光抽运小铯钟中，基于抽运相互作用区荧光和检测相互作用区荧光的对抽运激光和检测激光的功率伺服，并配合了对由激光稳频带来的激光功率波动的主动补偿方法。本发明在实际应用测试过程中，实现了对光抽运小铯钟频率稳定度的明显提升。

2、本发明的技术方案概括来讲：

3、1、主动伺服抽运激光功率，使得光抽运小铯钟光抽运相互作用区的荧光大小恒定；

4、2、主动伺服检测激光功率，使得光抽运小铯钟光检测相互作用区的荧光大小恒定；

5、3、检测相互作用区域的信号随微波频率变化呈现ramsey线型，既需用于检测光功率伺服，也需要用于微波频率锁定；

6、4、主动监测激光器工作电流，调节激光器温度控制参数，使得激光器工作电流稳定在一定范围内。

7、本发明的技术方案为：

8、一种提升光抽运小铯钟稳定度性能的激光功率伺服方法，其步骤包括：

9、1)在光抽运小铯钟的铯束管中的抽运相互作用区安装光电二极管pd3，用于探测所述抽运相互作用区的荧光信号；在所述光抽运小铯钟的铯束管中的检测相互作用区安装光电二极管pd4，用于探测所述检测相互作用区的荧光信号；所述抽运相互作用区为所述抽运激光信号和铯原子束流发生相互作用的区域，所述检测相互作用区为所述检测激光信号与铯原子束流发生相互作用的区域；

10、2)将光电二级管pd3、pd4产生的光电流分别经过放大、滤波之后，输入一个多通道的模数转换器adc进行数字化采集，然后将采集结果传输到处理器mcu中，所述处理器mcu依据pd3和pd4的荧光信号大小对抽运激光和检测激光进行伺服。

11、进一步的，所述处理器mcu将pd3、pd4采集的荧光信号与预设的参考信号进行比较，从而分别得到抽运激光功率和检测激光功率所需的功率纠偏量并发送给数模转换器dac，dac将抽运激光功率所需的功率纠偏量转换为模拟信号并输入光抽运小铯钟的aom的射频功率驱动器，用于通过控制该aom的射频功率实现对抽运激光功率的调节；以及dac将检测激光功率所需的功率纠偏量转换为模拟信号并输入光抽运小铯钟的相位延迟器的射频功率驱动器，用于通过控制该相位延迟器的射频功率，从而实现对检测激光功率的调节。

12、进一步的，所述处理器mcu依据pd3和pd4的荧光信号大小对抽运激光和检测激光在一个完整的伺服周期内的伺服流程为：

13、21)在t1时间内，将光抽运小铯钟微波源输出的微波频率设置为f1，通过光电二极管pd3采集得到电压信号sp，通过光电二极管pd4采集得到电压信号sa；其中，a点和b点是微波频率的调制点，调制点a对应的电压为sa，调制点b对应的电压为sb；

14、22)在t1时间结束时，依据sa对所述微波频率进行一次伺服；

15、23)在t3时间内，将所述微波频率设置为f2，通过光电二极管pd3继续采集电压信号sp，通过光电二极管pd4采集得到电压信号sb；

16、24)在t2时间结束时，依据sb对检测激光功率进行一次调整，调整量为sc-sb，依据sp对抽运激光功率进行一次调整，调整量为sp-spc；其中，spc为预设的抽运相互作用区的荧光信号，sc为预设的检测相互作用区的荧光信号。

17、进一步的，所述处理器mcu为stm32系列单片机。

18、本发明提供的提升光抽运小铯钟稳定度性能的激光功率伺服方法，其特征在于，除在光路当中分别直接探测抽运激光和检测激光的光电二极管pd1和pd2之外(其中，pd1用于探测该抽运激光的功率，pd2用于探测该检测激光的功率)，在光抽运小铯钟的铯束管中的抽运相互作用区和检测相互作用区安装光电二极管pd3和pd4。如图1所示，pd3用于探测抽运相互作用区的荧光信号，pd4用于探测检测相互作用区的荧光信号。

19、进一步的，利用光电二极管pd3和pd4分别对抽运激光和检测激光与铯原子束流发生相互作用后产生的荧光信号进行探测。光电二级管pd3和pd4产生的光电流经过采集电路放大、滤波之后，通过一个多通道的模数转换器实现数字化采集，并传输进入到中央处理器mcu中，mcu依据pd3和pd4的荧光信号大小对抽运激光和检测激光功率进行伺服。

20、进一步的，在mcu中，软件将采集得到的荧光信号的大小与预设的参考信号进行比较，从而分别得到抽运激光功率和检测激光功率所需的功率纠偏量。

21、进一步的，如图1所示，mcu将功率纠偏量输入dac并分别转换为控制aom输入射频功率和控制相位延迟期输入射频功率的模拟信号，aom的射频功率(rf1)直接决定aom输出的检测激光功率，相位延迟器的射频功率(rf2)直接决定经过相位延迟器之后抽运激光的偏振，配合偏振片的作用，决定了抽运激光的功率。

22、在光检测的小铯钟中，荧光信号还需要产生调整微波频率的误差信号，荧光信号随着微波频率的变化呈现ramsey线型，如图2所示，a点和b点是微波频率的调制点。检测激光的功率的方法，其特征在于，依据实际光抽运小铯钟物理系统的输出的ramsey信号的电压值大小，预设ramsey信号在a、b调制点处为所述预设参考信号的电压值sc，则根据a、b调制点实际测量得到的电压sa和sb，有，

23、ea∝sc-sa

24、eb∝sc-sb

25、得出ea和eb，分别作为微波频率和检测激光功率的误差信号。

26、sc是根据物理系统可以得到的ramsey信号的，实际大小预先测量并人为选定的常量，原子钟运行时ramsey曲线的a、b调制点的测量电压应当等于sc，若不同，则说明当前原子钟输出频率与原子跃迁频率不同，或者检测激光光功率发生变化导致测量电压值差生偏差。

27、进一步地，为了减少由于激光稳频给带来的激光功率的主动变化，通过模数转换器对激光器电流进行监控，使得激光器的工作电流稳定。

28、本发明的整个方法可以总结为：利用激光与原子束流相互作用产生的荧光，作为激光功率伺服的参考，如图1所示。产生的有益效果是：

29、1)对光抽运小铯钟束管内部的荧光强度进行了有效控制，避免了光频移对光抽运小铯钟输出信号频率的影响；

30、2)从激光的产生到产生荧光整个光路系统以及电路系统均包含在了控制环路之中，相比传统方式，减少了环境变化、光学器件污染老化、机械应力等控制环路外因素对激光功率伺服的影响；

31、3)对检测区域荧光功率变化进行控制，达到了对钟频率反馈信号，即ramsey信号大小的控制，有益于微波频率控制；

32、4)通过实验测试，在同样的系统平台下，采用本发明的激光功率伺服方法，可以有效提升光抽运小铯钟的长期频率稳定度(进入到e-15量级)，少量提升光抽运小铯钟的短期频率稳定度。