一种发射型分子钟系统

本发明涉及量子时钟领域，具体地说，是一种发射型分子钟系统。

背景技术：

1、半个世纪以来，以物质微观运动的量子跃迁作为时间频率标准的量子时钟，通过结合量子物理学与电子学，成为波谱学在技术应用上最突出的成就之一，并凭借着其超高的频率精确度和稳定度在众多的时间计量设备中脱颖而出。量子时钟的出现解决了超高精度时钟应用领域的频率稳定度低、精度差等问题，在军事、通讯、测量、射电天文学等方面已经得到了广泛的应用。

2、传统的量子时钟(磁选态型铯原子钟、光抽运型铷原子钟以及氢原子钟)虽然已经商业化，但由于体积庞大、结构复杂，因此在发展规模和应用需求上受到限制。而近几十年来，半导体技术和微电子工艺快速发展，使得在利用量子能级跃迁信号作为参考的微型精密测量设备的开发方面取得了令人瞩目的进展。世界上首款商业化的芯片级原子钟(chipscale atomic clock,csac)利用了相干布居囚禁共振(coherent population trapping,cpt)原理，摆脱了谐振器对体积的限制，再结合微机电系统(micro-electro-mechanicalsystems,mems)技术成功芯片化。而首款全电子的商业级芯片级分子钟(chip scalemolecular clock,csmc)以ocs(羰基硫)分子在231.061ghz处的转动吸收跃迁谱线作为时间基准，实现了与csac相近的性能，且体积和功耗更小，使得时基产品在太赫兹领域有了新的突破。

3、尽管当前芯片级量子时钟的进步巨大，但是在面临未来更复杂更多变的环境，仍需要不断地开发出新型的量子时钟以进一步减小系统的体积、功耗以及成本。发射型分子钟系统为这种新型量子时钟的研发提供了全新的视角，这种时钟通过外部相干探测诱导羰基硫(ocs)分子在12.162979ghz处产生瞬态响应信号，再利用外差检测技术将其转化为可利用的参考信号，并结合锁相环来伺服压控晶振，输出一个具有微观量子属性的高稳频率信号。这种设计很容易被拓展到与csmc相似的太赫兹领域。与传统的csac相比，它不需要磁屏蔽和加热装置，也不需要昂贵的激光二极管等器件，同时与csmc相比，它不需要不需要复杂的调制解调过程，同时能够有效避免辐射背景噪声的影响，因此在体积、功耗、成本以及频率稳定度等方面具有明显的优势。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种发射型分子钟系统。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种发射型分子钟系统，包括激发模块、气室模块、接收模块、锁相环模块、控制模块；

3、激发模块，包括频率综合器和开关，频率综合器将锁相环模块的压控晶体振荡器的输出信号综合到分子转动跃迁频率附近，开关用于控制产生微波脉冲探测信号，并经过耦合器件馈入气室模块的气室内；

4、气室模块，用于诱导其内填充的极性气相分子产生宏观极化，待微波脉冲关闭后，分子产生脉冲式响应信号并传输给接收模块；

5、接收模块，其中的开关保护下游的低噪声放大器不被饱和，低噪声放大器将微弱的脉冲式分子响应信号放大，而频率综合器则将压控晶体振荡器的输出信号综合到远离分子转动跃迁频率的位置，并与放大后的脉冲式分子响应信号在混频器处形成外差接收；

6、锁相环模块，用于将外差接收到的脉冲式分子响应信号作为参考，通过鉴相器与压控晶体振荡器的输出信号进行鉴相，将检测出的相位差信号转换成电压信号，随后通过环路滤波器生成直流控制信号，实时纠偏压控晶体振荡器，输出具有量子级稳定性的频率信号；

7、控制模块，其中的时序脉冲产生装置用于产生ttl脉冲，控制激发模块的开关和接收模块的开关通断，使各个模块在脉冲控制作用下协同工作。

8、进一步地，锁相环模块以接收模块中得到的脉冲式分子响应信号作为参考，使得系统最终输出信号频率达到量子级的稳定度，并且，锁相环模块中，压控晶体振荡器的输出信号同时作为激发模块中频率综合器以及接收模块中频率综合器的输入，实现分子钟系统的闭环运行。

9、进一步地，所述气室模块，包括气室、耦合器件、真空计；气室为圆柱形气室，测试时横向放置；发射端的耦合器件用于将激发模块中的微波脉冲探测信号馈入到气室内，接收端的耦合器件用于将脉冲式分子响应信号送入接收模块，发射端和接收端的耦合器件分别设置于圆柱形气室的两个底面；真空计则用于监测气室的真空度，确保能够提供一个充满极性气相分子的真空环境，实验时需要保持气室的压强在1～2pa。

10、进一步地，所述耦合器件为l型天线或喇叭天线。

11、进一步地，所述极性气相分子为羰基硫ocs，其纯度为99％，分子在j＝1→0的转动跃迁频率为12.162979ghz。

12、进一步地，所述控制模块，由时序脉冲产生装置控制开关b和开关d，使系统产生周期性的脉冲式分子响应信号；在一个完整的微秒级周期内，初始时段，开关b打开，开关d关闭，激发模块产生微波脉冲探测信号，随后开关b立即关闭，考虑到气室内分子作用时间，开关d需要延迟一小段时间后打开，保证后续电路安全的同时使得脉冲式分子响应信号能够传送到接收模块中。

13、本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)首次利用极性气相分子的转动跃迁发射谱线作为频率标准，与锁相环结合实现对压控晶体振荡器的输出频率稳定度的改善；2)有助于研究脉冲调制参考信号对时钟锁相环的影响，为下一代芯片级原子钟/分子钟系统的研制提供参考与借鉴。

技术特征：

1.一种发射型分子钟系统，其特征在于：包括激发模块(ⅰ)、气室模块(ⅱ)、接收模块(ⅲ)、锁相环模块(ⅳ)、控制模块(v)；

2.根据权利要求1所述的发射型分子钟系统，其特征在于，锁相环模块(ⅳ)以接收模块(ⅲ)中得到的脉冲式分子响应信号作为参考，使得系统最终输出信号频率达到量子级的稳定度，并且，锁相环模块(ⅳ)中，压控晶体振荡器(j)的输出信号同时作为激发模块(ⅰ)中频率综合器(a)以及接收模块(ⅲ)中频率综合器(f)的输入，实现分子钟系统的闭环运行。

3.根据权利要求1所述的发射型分子钟系统，其特征在于，所述气室模块(ⅱ)，包括气室、耦合器件、真空计；气室为圆柱形气室，测试时横向放置；发射端的耦合器件用于将激发模块(ⅰ)中的微波脉冲探测信号馈入到气室内，接收端的耦合器件用于将脉冲式分子响应信号送入接收模块(ⅲ)，发射端和接收端的耦合器件分别设置于圆柱形气室的两个底面；真空计则用于监测气室的真空度，确保能够提供一个充满极性气相分子的真空环境，实验时需要保持气室的压强在1～2pa。

4.根据权利要求3所述的发射型分子钟系统，其特征在于，所述耦合器件为l型天线或喇叭天线。

5.根据权利要求3所述的发射型分子钟系统，其特征在于，所述极性气相分子为羰基硫ocs，其纯度为99％，分子在j＝1→0的转动跃迁频率为12.162979ghz。

6.根据权利要求1所述的发射型分子钟系统，其特征在于：所述控制模块(v)，由时序脉冲产生装置(k)控制开关(b)和开关(d)，使系统产生周期性的脉冲式分子响应信号；在一个完整的微秒级周期内，初始时段，开关(b)打开，开关(d)关闭，激发模块产生微波脉冲探测信号，随后开关(b)立即关闭，考虑到气室内分子作用时间，开关(d)需要延迟一小段时间后打开，保证后续电路安全的同时使得脉冲式分子响应信号能够传送到接收模块中。

技术总结本发明公开了一种发射型分子钟系统。方案主要包括：激发模块，用来提供微波脉冲以激发气相分子；气室模块，用来储存极性气相分子；接收模块，用来将微弱的脉冲式分子响应信号放大并外差接收；锁相环模块，用来将具有量子级稳定性的分子响应信号作为参考实现对压控晶体振荡器的频率纠正；控制模块，用来产生TTL信号对激发模块的探测信号和响应信号接收的时间进行时序控制。本发明利用极性气相分子的转动能级跃迁发射谱线作为频率标准，实现对压控晶体振荡器的输出频率稳定度的改善，有助于研究脉冲调制参考信号对时钟锁相环的影响，并为下一代芯片级原子钟/分子钟系统的研制提供参考与借鉴。技术研发人员：孙铭,倪伊杰,吴毅,陈钱受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9