CN108508733B - 基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟，所述铷原子微波钟包括抽运光光源、铷原子气泡(3)和光电探测器，其中，所述抽运光光源发出的抽运光是由窄脉冲信号对激光器(1)的激光进行调制获得的宽谱激光，所述宽谱激光线宽为1GHz、且重频谱间隔为5MHz，所述窄脉冲信号的脉宽的范围为0.2ns～5ns，脉冲间隔为0.1μs～1μs。本发明通过脉冲调制技术展宽激光线宽并应用于铷原子微波钟的抽运光源上，可覆盖几乎所有不同速度群的原子，进而提高激光抽运的铷原子数目，提高铷原子微波钟的信噪比，以此实现的基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟具有更优的短期稳定度。

Description

基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟

【技术领域】

本发明属于微波原子钟与微波频率标准技术领域，具体涉及一种基于脉冲调制的宽谱激光抽运铷原子微波钟。

【背景技术】

作为二级频率标准，铷原子气泡微波钟因其体积小、功耗低、可靠性高等优点，被广泛应用于卫星导航定位、高速网络通信、精密测量等研究领域。现有的激光抽运铷原子微波钟利用半导体激光器纯光谱、窄线宽、高功率谱密度等优势，以半导体激光器取代无极放电灯作为抽运光源，可提高原子的利用率，从而提高系统的短期稳定度，并优化长稳性能。

但是，传统的激光抽运铷原子微波钟的抽运激光线宽较窄，一般为几百kHz到几MHz，而原子的多普勒展宽达到几百MHz，甚至GHz，因此激光只与其中约五十分之一的原子发生相互作用，原子的有效利用率较低，这就限制了系统的信噪比，进而限制了铷原子微波钟短期稳定度的进一步提高。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有的激光抽运铷原子微波钟的原子利用率的不足的缺陷，通过提高铷原子的利用率以提高微波钟的信噪比。

现有的激光抽运铷原子微波钟的信噪比的原因是其抽运光激光线宽较窄，仅能覆盖铷原子气室内约五十分之一的原子，导致铷原子的有效利用率非常低。由此出发，本发明的思路是通过基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟，以窄脉冲信号对激光进行脉冲调制，展宽其输出激光线宽到GHz线宽，使之与原子多普勒展宽水平相当，从而极大提高抽运的铷原子数目，以大幅提高铷原子气室的原子利用率，最终获得系统的高信噪比。

基于该思路，本发明采用窄脉冲调制展宽的宽谱激光作为抽运光，结合微波共振技术，提出一种基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟。

具体地，本发明提供一种基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟，所述铷原子微波钟包括抽运光光源、依序设置在所述光源光路上的铷原子气泡(3)和光电探测器，其特征在于所述抽运光光源发出的抽运光是由窄脉冲信号对激光器(1)的激光进行调制获得的宽谱激光，所述宽谱激光线宽为1GHz、且重频谱间隔为5MHz，所述窄脉冲信号的脉宽的范围为0.2ns～5ns，脉冲间隔为0.1μs～1μs。

在本发明中，所述窄脉冲信号的脉宽和脉冲间隔均可调，即该窄脉冲信号的脉宽可在0.2ns～5ns范围内、且脉冲间隔在0.1μs～1μs范围内可调。

在本发明中，所述窄脉冲信号对激光的调制可通过内调制或外调制实现。

内调制和外调制均为信号技术领域的现有技术。通常，内调制理解为通过信号对光源本身进行直接调制，通过偏置电流的变化或改变激光管的腔长等手段以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性，加载信号是在激光振荡过程中进行的。而外调制理解为外调制理解为通过给电光调制器加上外加调制信号，当激光经过电光调制器时，其振荡参数发生变化，从而改变激光器特性。

在本发明中，所述激光器(1)可采用稳频外腔半导体激光器或法拉第激光器，优选地可选用法拉第激光器。

法拉第激光器是一种利用法拉第反常色散原子滤光器作为选频器件的外腔反馈激光器，其输出频率可长时间连续稳定工作在原子滤光器最大透过峰处，对激光管的工作电流和温度均不敏感。因此，采用法拉第激光器的输出信号作为抽运光可解决传统激光抽运不能连续工作的问题。

根据一种优选的实施方式，所述铷原子微波钟还包括与光电探测器(5)连接的综合电源与控制系统(7)，所述窄脉冲信号由综合电源与控制系统(7)产生。

综合电源与控制系统是用于向铷原子微波钟提供所有电源驱动的集合，它通常包含实现激光器的电流、PZT压电陶瓷、温度驱动、微波驱动和脉冲产生的电路，属于本领域的现有技术，用于实现对激光器(1)、电光调制器(2)、铷原气室(3)。

进一步地，所述综合电源与控制系统(7)还具有集成的滤波伺服反馈电路。

作为一种优选的实施方式，所述铷原子微波钟还包括光电调6制器(2)，电光调制器(2)设置在激光器的光路上，通过所述窄脉冲信号对激光器(1)的激光进行展宽调制获得宽谱激光，该宽谱激光作为抽运光光源发出的抽运光。

本发明的基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟利用窄脉冲信号对激光进行调制展宽从而输出激光线宽，采用1ns脉宽的窄脉冲信号将激光光谱展宽为1GHz，而窄脉冲信号的0.2μs脉冲间隔对应5MHz的频谱间隔，以此作为抽运光与光路中的铷原子气室中的铷原子相互作用。由于提高了抽运光的光谱展宽和频谱间隔，使得铷原子气室中的几乎所有的铷原子被抽运到激发态，然后通过与光电检测器连接的综合电源与控制系统来控制晶振的输出频率，实现一种全新的基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟。

该微波钟也实现了一种提高铷原子微波钟稳定度的方法，首先利用1ns脉宽、0.2μs脉冲间隔且脉宽和脉冲间隔均可调的脉冲信号对激光进行调制展宽，得到线宽约1GHz、频谱间隔为5MHz的宽谱激光。

然后，以上述宽谱激光作为抽运光与铷原子气室中的铷原子发生相互作用，将铷原子从基态抽运到激发态获得脉冲激光，脉冲激光被光电探测器接收再经过综合电源与控制系统，实现滤波伺服反馈功能来精确控制压控晶振的输出频率。由于抽运光具有宽谱激光特性，因此被抽运到激发态的铷原子数量大幅增长，从而提高了信噪比和系统稳定度。

本发明通过脉冲调制技术展宽激光线宽并应用于铷原子微波钟的抽运光源上，可覆盖几乎所有不同速度群的原子，进而提高激光抽运的铷原子数目，提高铷原子微波钟的信噪比，以此实现的基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟具有更优的短期稳定度。相较传统的激光抽运铷原子微波钟，本发明所提出的基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟具有以下优点：

对激光进行由综合电源与控制系统产生的1ns脉宽、0.2μs脉冲间隔且均可调的脉冲信号对激光进行调制，将激光线宽展宽为1GHz，使之与原子多普勒展宽水平相当，频谱间隔为5MHz，从而覆盖几乎所有不同速度群的原子，提高抽运的铷原子数目。

本发明首次应用脉冲调制来展宽激光线宽，并应用于气泡铷原子微波钟的抽运光源上，获得了更高原子利用率、信噪比和稳定度，解决了至今国际上激光抽运气泡铷原子微波钟原子利用率低的难题。

【附图说明】

图1为实施例1的铷原子微波钟结构示意图；

图2为实施例2的铷原子微波钟结构示意图；

图3为实施例1的输出结果；

图4为现有技术的输出结果；

其中：1、激光器；2、电光调制器；3、铷原子气室；4、微波腔；5、光电控制器；6、窄脉冲信号；7、综合电源与控制系统；8、宽谱激光。

【具体实施方式】

以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。

实施例1

如图1所示的铷原子微波钟，按结构可分为三部分：(1)一套宽谱激光器，它是通过1ns脉宽、0.2μs脉冲间隔且脉宽和脉冲间隔均可调的窄脉冲信号6调制激光，以获得展宽至1GHz且重复频率为5MHz的宽谱激光8；(2)一套综合电源与控制系统7，用于产生1ns脉宽、0.2μs脉冲间隔且脉宽和脉冲间隔均可调的脉冲信号；(3)铷原子气泡微波钟的物理部分，包括设置在微波腔4内的铷原子气室3，并在微波腔4外部设置C场线圈，并将微波腔4安装在磁屏蔽盒中。

其中，为了获得长时间连续稳定的输出，宽谱激光器采用法拉第激光器实现的，以1ns脉宽、0.2μs脉冲间隔且均可调的脉冲调制法拉第激光器产生的激光，获得展宽到1GHz、频谱间隔为5MHz的宽谱激光作为抽运光源。

综合电源与控制系统的组成为本领域技术人员掌握的这事，它包括实现激光器的电流、PZT压电陶瓷、温度驱动、微波驱动和脉冲的产生、滤波伺服反馈电路等，以集成电路的形式构成。

基于该结构，本实施例的微波钟首先利用1ns脉宽，0.2μs脉冲间隔且均可调的脉冲信号对激光进行调制，实现一套激光线宽为1GHz，频谱间隔为5MHz的宽谱激光器，作为铷原子微波钟的抽运光。其中，1ns脉宽、0.2μs脉冲间隔且均可调的脉冲信号由综合电源与控制系统产生。脉宽的调节范围为0.2ns～5ns，脉冲间隔为0.1μs～1μs。将所得宽谱激光通过铷泡，与泡中的铷原子发生相互作用，将几乎所有的铷原子从基态抽运到激发态，作用后的脉冲激光被光电探测器探测到，结合综合电源与控制系统，实现滤波伺服反馈功能来精确控制压控晶振的输出频率，从而实现一种基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟。

其中，综合电源与控制系统的作用除了可产生所需要的脉冲信号，还具有铷泡的温控，微波，晶振，激光电流驱动等功能。且，综合电源与控制系统中的压控晶振输出10MHz微波信号，该信号经过倍频、综合和调制后，输出6834.68MHz的信号，激励铷原子基态(0,0)跃迁。

经过脉冲调制展宽后的激光器1输出宽谱激光2经过铷原子气室3与铷原子发生相互作用，将几乎所有的铷原子从基态抽运到激发态；作用后的脉冲激光被光电探测器5探测到；探测到的信号通过综合电源与控制系统6来精确控制压控晶振的输出频率，从而实现一种基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟。

图3表示根据本实施例的结构，在法拉第激光器产生的激光上加上脉冲调制信号后探测到的饱和谱给，幅值达到320mv。

作为对比，图4展示了以传统技术构建的微波钟在法拉第激光器产生的激光上未加脉冲调制信号时探测到的饱和谱，幅值为130mV。对比可知，加上脉冲调制信号后饱和谱的幅值增加了2.5倍，验证了本发明给激光加上脉冲调制信号，通过展宽激光的谱宽，提高了原子气室内相互作用的原子数目，从而提高了信号的幅值。

实施例2

如图2所示的铷原子微波钟，与实施例1结构相似，不同的是将由综合电源与控制系统7产生的窄脉冲信号加载在电光调制器2上而不是激光器1上，电光调节器2产生的宽谱激光3作为抽运光。

在本实施例中，窄脉冲调制展宽的抽运激光采用的是780nm激光。利用窄脉冲调制对法拉第激光器发出的激光线宽进行展宽，可抽运更多不同速度群的铷原子，从而提高系统的信噪比。

本领域技术人员也可以根据应用需要，选择其他波长的窄脉冲信号，如420nm、421nm和795nm。按照类似原理，脉冲调制展宽的抽运激光波长也可以选择852nm、894nm、456nm和459nm，在具有相同的基本结构中的铯原子气室中代替实施例1的铷原子气室，实现基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铯原子微波钟。

Claims (6)

1.基于窄脉冲调制展宽的宽谱激光抽运铷原子微波钟，所述铷原子微波钟包括抽运光光源、依序设置在所述光源光路上的铷原子气泡(3)和光电探测器，其特征在于所述抽运光光源发出的抽运光是由窄脉冲信号对激光器(1)的激光进行调制获得的宽谱激光，所述宽谱激光线宽为1GHz、且重频谱间隔为5MHz，所述窄脉冲信号的脉宽的范围为0.2ns～5ns，脉冲间隔为0.1μs～1μs，所述窄脉冲信号的脉宽和脉冲间隔均可调。

2.根据权利要求1所述的宽谱激光抽运铷原子微波钟，其特征在于所述窄脉冲信号对激光的调制是通过内调制或外调制实现的。

3.根据权利要求1所述的宽谱激光抽运铷原子微波钟，其特征在于所述激光器(1)是稳频外腔半导体激光器或法拉第激光器。

4.根据权利要求1所述的宽谱激光抽运铷原子微波钟，其特征在于所述铷原子微波钟还包括与光电探测器(5)连接的综合电源与控制系统(7)，所述窄脉冲信号由综合电源与控制系统(7)产生。

5.根据权利要求4所述的宽谱激光抽运铷原子微波钟，其特征在于所述综合电源与控制系统(7)具有滤波伺服反馈电路。

6.根据权利要求5所述的宽谱激光抽运铷原子微波钟，其特征在于所述铷原子微波钟还包括电光调制器(2)，电光调制器(2)通过所述窄脉冲信号对激光器(1)发出的激光进行展宽调制获得宽谱激光。

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