CN103885324A - 一种基于全光稳频的光钟及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全光稳频的光钟及其制备方法。本发明的光钟包括一激光器，其特征在于所述激光器内部设有一量子滤光元件，用于经由所述量子滤光元件选频出的光频段的激光反馈回激光增益介质中；所述量子滤光元件的通带中心频率决定于所述量子滤光元件所用的原子、分子、或离子能级间跃迁频率；所述量子滤光元件的通带带宽至少为所述激光器的腔模距离2倍；所述激光器的增益带宽覆盖所述量子滤光元件的通带带宽对应的频率。本发明的光钟克服了各种传统滤光器不能提供精确量子频率标准的缺点，工作稳定，具有重要的应用价值。

Description

一种基于全光稳频的光钟及其制作方法

技术领域

本发明属于原子钟与量子频率标准技术领域，涉及一种无任何电反馈的全光稳频的光钟及其制作方法。

技术背景

目前的光频标，都是利用原子、分子或离子等量子跃迁能级间对本振激光的吸收谱信号，通过光电探测器收集到的误差电信号，经由电子线路反馈到本振激光器的频率控制单元，如激光驱动电流源、激光腔长控制压电陶瓷的电压等电路技术实现的。这些光频标的频率技术中都少不了电反馈技术。

此外，尽管在外腔反馈激光技术中利用了光的反馈，但这样的激光器其输出频率没有一个绝对的基于原子、分子或离子（此后文中简称原子）的量子参考标准，其输出频率值是随宏观物理量如腔长、温度等在波动变化的，因此不能作为频率标准使用，即不是原子钟。

总之，从已有文献资料上从来没有关于本发明这种不用任何电反馈的全光稳频锁定的光钟（即光波段的量子频率标准）的报道。

发明内容

本发明在完全不涉及电反馈的条件下，提供一种全光稳频锁定的光钟及其制作方法。本发明通过在激光器内部置入一个中心频率决定于量子滤光元件所选的原子、分子、或离子能级间跃迁频率的量子滤光元件，此量子滤光元件将经由原子能级间跃迁频率选频出的50兆赫兹带宽甚至更窄的光频段的激光反馈回激光增益介质中，实现全光反馈直接稳频，省去了各种电反馈带来的误差和不稳定因素。再结合光梳的频率传递后实现光钟。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种全光稳频锁定的光钟，其包括：

一带宽在50兆赫兹甚至更窄的量子滤光元件，其通带与原子跃迁能级之间量子跃迁完全对上。

一内置于激光器内部的带宽在50兆赫兹以下的量子滤光元件；

上述激光器的增益带宽能够与量子滤光元件的量子跃迁重合（即与量子滤光元件的通带重合）；

上述激光器的腔模间距，及其自由谱范围很小，小到确保量子滤光元件通带内有二个以上腔模。

上述激光器带有其自已的电流、温度、压电扫描控制电路，用于监测等。

上述稳频激光与倍频程光梳通过传统f－2f技术和光频锁相技术相互锁定，构成光钟。

本发明还提供了一种全光稳频锁定的光钟的制作方法，包括：

1）选用具有跃迁线宽50兆赫兹甚至更窄原子置于外加磁场中，磁场大小使得其跃迁上下能级的塞曼效应展宽刚好与量子滤光元件所选原子的谱线宽度相当。当光束经过原子与原子相互作用时是在一条线上，并在这条直线上的原子两端放上正交偏振的格兰泰勒棱镜对，正交偏振是指两棱镜的偏振方向正交，并分别放置到原子的两侧，这样构建一带宽在几十兆赫兹甚至更窄的量子滤光元件，此滤光元件的通带与量子跃迁谱完全对上，调节磁场和原子密度使得滤光元件透射最大化；

2）在一激光器内部，放置一个上述通带带宽在50兆赫兹以下的量子滤光元件；所述激光是指本领域技术人员根据公知技术一定能够找到或制备出满足此条件的激光器，包括气体激光、固体激光、半导体激光、光纤激光，对所述激光要求的基本条件是上述激光器的增益带宽能够覆盖住量子滤光元件的通带，也就是保证量子滤光元件的通带在上述激光器的增益带宽之内；

3）利用增加激光腔长等办法，使激光腔模间距减小，即其自由谱范围很小，具体小到确保量子滤光元件通带之内包含有有2个或2个以上腔模，这样在理论和实验上来保证通过激光模式之间的竞争使得任何事后都至少有一个激光模式输出。否则可能会没有激光输出，激光无法连续工作。

4）当激光器的一个腔模得到量子跃迁谱对应的窄带反馈后输出中心频率决定于量子跃迁线的稳频锁定的激光。由于环境条件变化会引起较长时间标度上的腔模漂移，此时锁定后的激光中心波长变化仍然在长时间标度上受限于量子滤光元件的通带中心附件的两个腔模间频率间距，快速1kHz左右的均匀快速调制扫描腔长，每秒近1000个周期平均后的输出激光频率值可以有效消除外界较长时间标度上的腔模漂移影响，这样得到输出激光每秒平均值完全决定于量子滤光元件的通带中心即原子跃迁频率的激光输出值，作为光波段的量子频率标准，与光梳结合，即将稳频激光与倍频程光梳通过传统f－2f技术和光频锁相技术相互锁定，用作光钟。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

本发明利用了一个通带带宽在50兆赫兹以下的量子滤光元件，此量子滤光元件有两个功能：第一个功能是极大地限制了光反馈的线宽，具体必须小到几十兆赫兹以下；第二个功能是其量子跃迁谱线提供了绝对值稳定的基于原子、分子、离子能级跃迁的一个量子频率标准参考。本发明这种特色克服各种传统滤光器不能提供精确量子频率标准的缺点，因此工作稳定，具有重要的应用价值。

附图说明

图1，本发明一种全光稳频锁定的光钟的实施例结构示意图。

图2，激光增益介质的增益带宽，滤光元件带宽与激光腔自由谱范围与腔模宽度示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明。

图1本发明一种全光稳频锁定的光钟的实施例结构示意图。该全光稳频锁定的光频量子频率标准包括：激光腔镜1、2，激光增益介质3，量子滤光元件4。对应图2中激光腔的腔模距离，即自由谱范围11，量子滤光元件带宽41，激光增益带宽31。激光腔镜1、2具有激光反馈功能，分别置于两端侧；激光增益介质3起到增益作用，量子滤光元件4的功能包括超窄带50兆赫兹以下的滤光和量子频率标准参考。

如图2，当滤光增益带宽31能够与量子滤光元件的带宽41重合时，利用通带带宽只有50兆赫兹甚至更小的量子滤光元件，其带宽41内至少有两个或两个以上激光谐振腔的腔模，为了满足这一特殊要求，激光的腔长可能需要很长。如，选用铷原子780nm的谱线，采用传统极化偏振激光谱类似的光路结构利用一部分分光来泵浦原子得到饱和滤光可以得到中心频率与原子跃迁完全对应的10MHz带宽滤光元件，那么，对应的激光腔长必需大于30米，当滤光宽带小于1MHz时，激光谐振腔的腔长必需大于300米，使得滤光元件通带内有至少两个腔模。为了系统的稳定和小型化，利用光纤作为谐振腔，由于较长光纤方便且利用损耗小，考虑折射率后用3000米长光纤可以与100kHz带宽滤光元件匹配，实现高精度激光频率标准，再与倍频程光梳通过传统f－2f技术和光频锁相技术相互锁定，与光梳结合，然后用作光钟。

必须注意，上述的量子滤光元件与传统的法拉第反常色散滤光器是不同的。第一，传统的法拉第反常色散滤光器中心通带太宽，达到几百兆赫兹以上，其中心并不在原子跃迁线中心，因此不能作为量子频率参考标准；第二，即使线宽较窄达到几百兆赫兹中心频率对着原子跃迁的激光态法拉第反常色散滤光器也因为其泵浦激光会引起巨大的光频移而不能作为量子频率参考校准。因此，本发明的特色是，对其中所利用的量子滤光元件有严格的要求：一是其通常带宽很窄，50兆赫兹带宽或更窄；二是其中心频率处是原子、分子或离子的确定跃迁谱线；三是其中心频率落在激光增益范围之内；四是其通带中心频率不受外界严重的频移影响，如多普勒频移和光频移等。上述严格条件是来确保输出的激光中心频率通过全光反馈稳频锁定在原子、分子或是离子某一跃迁谱线上，而不像一般的激光器的中心频率会外界宏观物理量的变化随机漂移。因此，非常明确，本发明中所述所利用的量子滤光元件的上述主要特征决定了量子滤光元件可以是非线性饱和法拉第反常色散滤光器、低温低磁场增益型原子滤光器、基于窄线宽原子跃迁谱的原子滤光器等满足上述要求的特殊滤光器。

本发明的特色还包括，激光腔的模间距，即自由谱范围必需小到确保量子滤光元件窄带宽之内至少有两个腔模，即腔长可能变得好几百米长，甚至更长。

上述实施例仅是为了说明本发明的工作原理，而非用于限制本发明的范围。具体地，本发明适用于铷原子、铯原子等碱金属原子等对应的基态与第一、第二激发态之间的跃迁能级来实现光频标，也适用于碱土金属钙、锶等原子来实现。本领域普通技术人员应当理解，对本发明技术方案进行修改或同等替换，并不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神与范围。

Claims (10)

1.一种基于全光稳频的光钟，包括一激光器，其特征在于所述激光器内部设有一量子滤光元件，用于经由所述量子滤光元件选频出的光频段的激光反馈回激光增益介质中；所述量子滤光元件的通带中心频率决定于所述量子滤光元件所用的原子、分子、或离子能级间跃迁频率；所述量子滤光元件的通带带宽至少为所述激光器的腔模距离2倍；所述激光器的增益带宽覆盖所述量子滤光元件的通带带宽对应的频率。

2.如权利要求1所述的光钟，其特征在于所述量子滤光元件的通带带宽小于50MHz。

3.如权利要求2所述的光钟，其特征在于所述量子滤光元件的通带带宽小于10MHz。

4.如权利要求1或2或3所述的光钟，其特征在于所述量子滤光元件的原子置于一外加磁场中，其磁场大小为使得该原子跃迁上下能级的塞曼效应展宽与滤光元件所用的原子、分子、或离子能级间跃迁谱线宽度相当，在光路上该原子两端设有偏振方向正交的一对格兰泰勒棱镜。

5.如权利要求1所述的光钟，其特征在于所述量子滤光元件为非线性饱和法拉第反常色散滤光器、或低温低磁场增益型原子滤光器、或基于窄线宽原子跃迁谱的原子滤光器。

6.如权利要求1所述的光钟，其特征在于所述激光器为气体激光器、半导体激光器或固体激光器。

7.一种基于全光稳频的光钟的制作方法，其步骤为：

1）选取量子滤光元件所用光源并调整所述量子滤光元件，使其通带中心频率为所用的原子、分子、或离子能级间跃迁频率；

2）根据所述量子滤光元件的通带频率和带宽，选取或制备一激光器；其中，所述激光器的增益带宽覆盖所述量子滤光元件的通带带宽，且所述量子滤光元件的通带带宽至少为所述激光器的腔模距离2倍；

3）将所述量子滤光元件置于所述激光器的谐振腔光路内，经由所述量子滤光元件选频出的光频段的激光反馈回所述激光器的激光增益介质中；

4）均匀快速调制扫描腔长，将激光频率平均值作为光波段的量子频率标准，与光梳结合，用作光钟。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述量子滤光元件的通带带宽小于50MHz。

9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于将所述量子滤光元件所用的原子置于一外加磁场中，调整磁场大小使得该原子跃迁上下能级的塞曼效应展宽与量子滤光元件所用的原子谱线宽度相当，并沿谐振腔光路在该原子两端放上正交偏振的格兰泰勒棱镜对。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于所述量子滤光元件为非线性饱和法拉第反常色散滤光器、或低温低磁场增益型原子滤光器、或基于窄线宽原子跃迁谱的原子滤光器；所述激光器为气体激光器、半导体激光器或固体激光器。

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