基本工作原理-Spectratime.PDF

Smart Rubidium Technology May, 2003 铷钟是如何工作的？ 基本工作原理 1 高级专利物理结构 3 巧妙的电子结构 4 基本工作原理 铷钟本质上由锁定在 Rb87 同位素基态的高稳定原子跃迁的压控晶振（VCXO ）构成。压控晶振的频率为传统标准 频率 20MHz ，而铷钟频率为微波范围6.834...GHz。这两钟频率通过频率综合和混频的稳相倍频设计达到准确匹配 。铷原子被限制在一个高温气泡中，该气泡置于一个与晶振 VCXO 微波功率相耦合的微波谐振腔中。 光抽运过程 气泡中的 Rb87 原子在基态的两个超精细能级（F＝1 和 F＝2）具有相等的几率。为了检测这两个能级间的钟跃迁 ，必须采用某种方法，即通过一个更高能态（P）将原子光抽运于仅一个能级上。图 1 显示了原子能级和与光抽运 过程有关的跃迁。 图 1 – 铷光抽运过程 ©SpectraTime Europe Headquarters North America Sales Offices sales@ +41.32.732.16.66 +1.512.470.3980 Understanding How the Smart Rubidium Technology Works 抽运光来自铷谐振灯，该灯释放出与吸收泡相交的 Rb87 原子光，经过滤，只剩下与两种基态能级之一的跃迁（线 A）相对应的光频率，进入主要吸收区。 抽运光将在较低超精细能抽运光将在较低超精细能级(F＝1)上的 Rb87 原子激励到暂时激发态 P 上，并以相等的几 率跃迁到两个基态能级（F＝1，2）。由于 F＝1 的原子连续被抽走，一段时间后，几乎所有原子被抽运到 F＝2 能 级上去，而不再进行吸收。 气泡后的光敏二极管检测所辐射的光强。当 F＝2 到 F＝1 钟跃迁的微波谐振场与作用区相耦合时，原子重新置于 F ＝1 上，则光吸收增强。气泡后辐射光强的吸收曲线可扫描检测谐振微波场。 信号反馈到综合检测器，其输出产生误差信号以校正晶振频率，使之倍乘的频率与最大原子谐振谱线吻合。 吸收泡中充满金属蒸汽（包括 Rb85、Rb87 同位素）和缓冲气。抽运光在入口，即一体化过滤泡进行过滤，被与 Rb87 谐振跃迁谱线之一（线 B）意外重合的 Rb85 原子所吸收。 缓冲气的基本功能是使铷原子不靠近泡壁，并限制其运动。因此实际上它们在与微波场的相互作用时间中被‘冷冻在 某一位置’，从而多普勒效应显著消除，产生窄线宽。 气泡外绕有所谓的 C 场线圈，它产生一个小的轴向静磁场以分离超精细线的塞曼子跃迁，并选择具有最小磁灵敏度 的钟跃迁。为了进一步减小磁灵敏度，整个物理部分置于嵌套的磁屏蔽中(如图 2 所示)。 图 2 – 铷气泡和微波腔 原理框图: 3 个模块 图 3 示出铷原子钟不同功能块的典型概括。铷钟由三个基本单元组成，两个光单元（包括铷吸收泡和微波腔）构成 原子谐振器，而电子部分由信号发生器和检测线路组成。 ©SpectraTime Europe Headquarters North America Sales Offices Page 2 of 5 sales@ +41.32.732.16.66 +1.512.470.3980 Understanding How the Smart Rubidium Technology Works