CN102111154B - 用于原子钟的激光稳频装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于原子钟的激光稳频装置，在底板上水平光轴方向从左到右依次设激光器、二分之一波片、第一偏振分光棱镜、内安装有基准原子源和第三光电探测器的磁屏蔽盒、第一八分之一波片、部分反射镜、第二八分之一波片、第二偏振分光棱镜，磁屏蔽盒上加工有接线孔、两侧壁同一条水平光轴方向加工有导光孔，底板上第二偏振分光棱镜的出射方向设第一光电探测器、反射方向设第二光电探测器，底板上设通过导线与第一光电探测器和第二光电探测器相连的减法器、通过导线与减法器相连的比例积分微分控制器、通过导线与第三光电探测器相连的微处理器，底板上还设置有通过导线分别与激光器、微处理器、比例积分微分控制器相连的可控开关。
Description
技术领域
本发明属于原子钟领域，特别涉及一种原子钟的激光稳频装置。
背景技术
在铷原子钟、铯原子钟中，为了使激光抽运原子产生粒子数反转，或者检测处于不同能级的原子数目，需要将激光器锁定于原子的某一能级上。通常采用的稳频方法是在激光器驱动电源加入调制信号，经过频率调制的激光信号注入到吸收光谱装置后被光电二极管接收转化为电压信号，此电压信号由相敏检波器得出误差信号反馈到激光器中对激光器进行频率稳定。这种稳频方法需要对激光频率进行调制，激光频率始终处于变化的状态，使得激光频率稳定度变差。由于激光器应用在原子钟中，要求激光器能够实现自动稳频功能，并且对激光的体积、可靠性都有严格的要求，现有的激光稳频装置均无法满足上述要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有激光稳频装置的不足，提供一种无调制激光、频率稳定的用于原子钟的激光稳频装置。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：在底板上水平光轴方向从左到右依次设置有激光器、二分之一波片、第一偏振分光棱镜、内安装有基准原子源和第三光电探测器的磁屏蔽盒、第一八分之一波片、部分反射镜、第二八分之一波片、第二偏振分光棱镜，磁屏蔽盒上加工有接线孔、两侧壁同一条水平光轴方向加工有导光孔，底板上第二偏振分光棱镜的出射方向设置有第一光电探测器、反射方向设置有第二光电探测器，底板上设置有输入端通过导线与第一光电探测器和第二光电探测器的输出端相连的减法器、输入端通过导线与减法器输出端相连的比例积分微分控制器、通过导线与第三光电探测器输出端相连的微处理器，底板上还设置有通过导线分别与激光器、微处理器、比例积分微分控制器相连的可控开关。
本发明的第一八分之一波片和第二八分之一波片镜面上真空蒸镀有8～12层硒化锌增透膜。
本发明的第一八分之一波片为零级波片，第一八分之一波片的快轴方向与第二八分之一波片的慢轴方向平行。
本发明的部分反射镜镜面上真空交替蒸镀有8～12层氧化锆和三氧化二铝反射膜、其反射率为80％～90％。
本发明的第一偏振分光棱镜和第二偏振分光棱镜消光比为500～1000∶1，镜面上真空蒸镀有8～12层硒化锌增透膜。
本发明的磁屏蔽盒为玻莫合金盒、屏蔽因子为500～1000。
本发明的二分之一波片为镜面上蒸镀有层硒化锌增透膜的零级波片。
本发明的第一光电探测器和第二光电探测器的转换因子为0.2v/mW。
本发明利用圆偏振光抽运原子使原子在不同能级上布居不同，从而使得原子吸收左旋圆偏振光、右旋圆偏振光产生差异，通过设置减法器将两个有差异的信号相减后，便获得反映激光频率是否处在相应的原子能级上的信号，此信号反馈到激光器中可实现激光器稳定在该能级上，同时利用激光诱发原子发出的荧光信号作为判断依据，当荧光信号最强时，激光频率已经处于原子能级上，这时用获得的鉴频信号输入到激光器中就能实现激光频率稳定。本发明解决了调制激光频率引起扰动的问题，提高了激光器的频率稳定度，具有自动化、小型化的特点。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
在图1中，本实施例的用于原子钟的激光稳频装置由激光器1、二分之一波片2、第一偏振分光棱镜3、基准原子源4、磁屏蔽盒5、第一八分之一波片6、部分反射镜7、第二八分之一波片8、第二偏振分光棱镜9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、第三光电探测器12、减法器13、比例积分微分控制器14、微处理器15、可控开关16、底板17联接构成。
在底板17上的左侧用螺纹紧固联接件固定联接有激光器1，本实施例的激光器1采用波长为852nm的分布反馈布拉格激光器。底板17上水平光轴方向激光器1的右侧用螺纹紧固联接件固定安装有二分之一波片2，该二分之一波片2采用中心频率为852nm的零级波片，二分之一波片2的镜面蒸镀有8层硒化锌增透膜。底板17上水平光轴方向二分之一波片2的右侧用螺纹紧固联接件固定安装有第一偏振分光棱镜3，第一偏振分光棱镜3的镜面蒸镀有10层硒化锌增透膜，第一偏振分光棱镜3的中心波长为852nm、消光比为800∶1。由激光器1输出的激光经过二分之一波片2和第一偏振分光棱镜3后分为两束：光功率较大的激光束输出到原子钟，光功率较小的激光束用于稳频。底板17上水平光轴方向第一偏振分光棱镜3的右侧用螺纹紧固联接件固定联接有磁屏蔽盒5，磁屏蔽盒5内用螺纹紧固联接件安装有基准原子源4，本实施例的磁屏蔽盒5为玻莫合金盒，其屏蔽因子达500～2000，磁屏蔽盒5用于减少地磁场对基准原子源4的干扰。在磁屏蔽盒5的左侧壁和右侧壁同一水平光轴方向上加工有导光孔，激光器1发出的激光从导光孔射出，磁屏蔽盒5的前侧壁上加工有接线孔，用于导线通过。稳频激光束经第偏振分光棱镜3后通过基准原子源4，由磁屏蔽盒5的导光孔输出。磁屏蔽盒5内基准原子源4前用螺纹紧固联接件安装有第三光电探测器12，本实施例的第三光电探测器12的转换因子为1.2v/mW，第三光电探测器12用于接收到基准原子源4发出的荧光信号，第三光电探测器12将接收基准原子源4的荧光信号进行自动稳频，作为判断激光器1是否处于相应频率的依据。底板17上水平光轴方向磁屏蔽盒5的右侧用螺纹紧固联接件上固定安装有第一八分之一波片6，第一八分之一波片6为零级波片，第一八分之一波片6的中心波长与激光器1发出的激光的中心波长相同，第一八分之一波片6镜面上蒸镀有10层硒化锌增透膜。底板17上水平光轴方向第一八分之一波片6的右侧用螺纹紧固联接件固定安装有部分反射镜7，本实施例的部分反射镜7镜面上真空交替蒸镀有10层氧化锆和三氧化二铝反射膜，其反射率为85％。底板17上水平光轴方向部分反射镜7的右侧用螺纹紧固联接件固定安装有第二八分之一波片8，第二八分之一波片8的结构与第一八分之一波片6的结构相同，第二八分之一波片8与第一八分之一波片6的旋转角相差90°，第一八分之一波片6的快轴方向与第二八分之一波片8的慢轴方向平行。穿过基准原子源4的激光经过第一八分之一波片6和部分反射镜7后，部分激光被部分反射镜7反射、再次通过第一八分之一波片6后变为圆偏振光，作为抽运光使用。其余激光经部分反射镜7透射后通过第二八分之一波片8后转换为线偏振光。底板17上水平光轴方向第二八分之一波片8的右侧用螺纹紧固联接件固定安装有第二偏振分光棱镜9，第二偏振分光棱镜9消光比为800∶1，镜面上真空蒸镀有10层硒化锌增透膜。线偏振光经过第二偏振分光棱镜9后分解为左旋圆偏振光及右旋圆偏振光。本发明底板17上的二分之一玻片2、第一偏振分光棱镜3、磁屏蔽盒5导光孔、第一八分之一波片6、部分反射镜7、第二八分之一波片8、第二偏振分光棱镜9的中心线均与激光器1位于同一条水平光轴上。底板17上第二偏振分光棱镜9的出射方向用螺纹紧固联接件固定安装有第一光电探测器10、反射方向用螺纹紧固联接件安装有第二光电探测器11，本实施例的第一光电探测器10和第二光电探测器11的转换因子均为0.2v/mW，第二偏振分光棱镜9分解的左旋圆偏振光及右旋圆偏振光分别被第一光电探测器10和第二光电探测器11接收并转换为电信号输出。底板17上用螺纹紧固联接件固定联接有减法器13，第一光电探测器10的输出端和第二光电探测器11的输出端通过导线与减法器13的输入端相连，第一光电探测器10的电信号和第二光电探测器11的电信号输入到减法器13中，减法器13将第一光电探测器11的电信号与第一光电探测器10的电信号相减后输出。底板17上减法器13左侧用螺纹紧固联接件固定联接有比例积分微分控制器14，本实施例的比例积分微分控制器14的P值为0.8、I值为0.5、D值为0.02、带宽为50kHz。减法器13的输出端通过导线与比例积分微分控制器14的输入端相连，减法器13的信号通过导线输出至比例积分微分控制器14。底板17上比例积分微分控制器14左侧用螺纹紧固联接件固定联接有微处理器15和可控开关16，比例积分微分控制器14的输出端通过导线与可控开关16的输入端相连，可控开关16通过导线分别与激光器1和微处理器15相连，微处理器15通过导线与第三光电探测器12的输出端相连。比例积分微分控制器14的输出信号作为激光器1的锁频信号输入到可控开关16，由微处理器15控制输出。微处理器15通过可控开关16控制激光器1的电流，连续扫描激光器1的频率，当第三光电探测器12接收到的荧光信号达到最大时，停止扫描，由微处理器15发出指令，打开控制开光16，使比例积分微分控制器14输出的稳频信号反馈到激光器1中，即可实现激光器1的自动锁定。
实施例2
本实施例的第一八分之一波片6镜面上蒸镀有8层硒化锌增透膜，第二八分之一波片8镜面上蒸镀有8层硒化锌增透膜。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例3
本实施例的第一八分之一波片6镜面上蒸镀有12层硒化锌增透膜，第二八分之一波片8镜面上蒸镀有12层硒化锌增透膜。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例4
本实施例的部分反射镜7镜面上真空交替蒸镀有8层氧化锆和三氧化二铝反射膜，其反射率为90％。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例5
本实施例的部分反射镜7镜面上真空交替蒸镀有12层氧化锆和三氧化二铝反射膜，其反射率为80％。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例6
本实施例的第一偏振分光棱镜3消光比为500∶1，镜面上真空蒸镀有8层硒化锌增透膜，第二偏振分光棱镜9消光比为500∶1，镜面上真空蒸镀有8层硒化锌增透膜。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
实施例7
本实施例的第一偏振分光棱镜3消光比为1000∶1，镜面上真空蒸镀有12层硒化锌增透膜，第二偏振分光棱镜9消光比为1000∶1，镜面上真空蒸镀有12层硒化锌增透膜。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。
本发明的工作过程如下：
激光器1发出的激光经过二分之一波片2和第偏振分光棱镜3后分为强度不同的两束激光：供原子钟使用的较强的激光和用于与基准原子源4作用稳定激光器1频率的较弱的激光，该较弱的激光依次通过基准原子源4、第一八分之一波片6、部分反射镜7、第二八分之一波片8，其中，一部分激光被部分反射镜7反射再次通过第一八分之一波片6并转换为圆偏振光抽运原子，使原子分布在不同能级上，另一部分激光从部分反射镜7透射后由第二八分之一波片8转换为线偏振光，该线偏振光通过第二偏振分光棱镜9后分解为左旋圆偏振光及右旋圆偏振光，并分别被第一光电探测器10和第二光电探测器11接收转换为电信号，输出至减法器13相减后由比例积分微分控制器14反馈到激光器1，实现激光器1激光频率稳定。同时，为了使激光器1的频率能够实现自动锁定，设置于基准原子源4旁的第三光电探测器12探测激光的荧光信号，微处理器15搜索激光最大频率点，通过判断第三光电探测器12接收到的荧光信号是否最大来设置激光器1处于要锁定的原子能级上，微处理器15输出的控制信号把二选一控制开关16打开，将鉴频信号输入到激光器1中，激光器1的激光频率即可锁定在该原子能级上。
本发明与原有的用于原子钟的激光频率稳定方法相比，可实现无调制的激光频率锁定，提高了激光器输出激光的频率稳定度，可以实现激光的自动频率稳定，由于各光学器件均处于同一直线上，易实现小型化，甚至是微型化，可用于光抽运铯束原子钟、激光抽运铷钟、芯片型原子钟中。
Claims (5)
1.一种用于原子钟的激光稳频装置，其特征在于：在底板(17)上水平光轴方向从左到右依次设置有激光器(1)、二分之一波片(2)、第一偏振分光棱镜(3)、内安装有基准原子源(4)和第三光电探测器(12)的磁屏蔽盒(5)、第一八分之一波片(6)、部分反射镜(7)、第二八分之一波片(8)、第二偏振分光棱镜(9)，磁屏蔽盒(5)上加工有接线孔、两侧壁同一条水平光轴方向加工有导光孔，底板(17)上第二偏振分光棱镜(9)的出射方向设置有第一光电探测器(10)、反射方向设置有第二光电探测器(11)，底板(17)上设置有输入端通过导线与第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的输出端相连的减法器(13)、输入端通过导线与减法器(13)输出端相连的比例积分微分控制器(14)、通过导线与第三光电探测器(12)输出端相连的微处理器(15)，底板(17)上还设置有通过导线分别与激光器(1)、微处理器(15)、比例积分微分控制器(14)相连的可控开关(16)；
上述的第一八分之一波片(6)为零级波片，第一八分之一波片(6)的中心波长与激光器(1)发出的激光的中心波长相同；第二八分之一波片(8)的结构与第一八分之一波片(6)的结构相同，第二八分之一波片(8)与第一八分之一波片(6)的旋转角相差90°，第一八分之一波片(6)的快轴方向与第二八分之一波片(8)的慢轴方向平行；二分之一波片(2)采用中心频率为852nm的零级波片，二分之一波片(2)的镜面蒸镀有8层硒化锌增透膜；
上述的第一光电探测器(10)和第二光电探测器(11)的转换因子均为0.2v/mW，同时第三光电探测器(12)的转换因子为1.2v/mW。
2.按照权利要求1所述的用于原子钟的激光稳频装置，其特征在于：所说的第一八分之一波片(6)和第二八分之一波片(8)镜面上真空蒸镀有8～12层硒化锌增透膜。
3.按照权利要求1所述的用于原子钟的激光稳频装置，其特征在于：所说的部分反射镜(7)镜面上真空交替蒸镀有8～12层氧化锆和三氧化二铝反射膜、其反射率为80％～90％。
4.按照权利要求1所述的用于原子钟的激光稳频装置，其特征在于：所说的第一偏振分光棱镜(3)和第二偏振分光棱镜(9)消光比为500～1000∶1，第一偏振分光棱镜(3)和第二偏振分光棱镜(9)的镜面上真空蒸镀有8～12层硒化锌增透膜。
5.按照权利要求1所述的用于原子钟的激光稳频装置，其特征在于：所说的磁屏蔽盒(5)为玻莫合金盒、屏蔽因子为500～2000。
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