CN108536001A - 一种平衡差拍探测pop铷原子钟的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置,在DBR激光器激光出射方向设置有二分之一玻片及偏振分束镜，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向依次进入声光调制器、四分之一玻片、零度全反射镜再原路返回偏振分束镜，然后入射到第一45度全反射镜，第一45度全反射镜光出射方向依次设置有第一高消光比偏振片、物理系统、第二高消光比偏振片、第二45度全反射镜、第三45度全反射镜、无偏振分束镜，第一束偏振光和第二束偏振光在无偏振分束镜分别分束合并之后输入到平衡差拍探测器，然后将探测器的信号输入到数据采集卡；本探测方法、大幅度提高POP原子钟信号的信噪比、增强信号抵抗电流噪声能力，可推广应用到原子钟探测领域。

Description

一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置及方法

技术领域

本发明属于原子钟技术领域，具体涉及到一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置及方法。

背景技术

体积小、功耗低和性能高的原子钟的发展对基础科学研究和工业生产有着重要的积极意义，特别是在高分辨率的卫星导航上，相较于晶体振荡器，原子钟有着长期稳定度更好的优势。

POP铷原子钟兼备体积小、功耗低和性能高三大优点，近年被广泛研究。其基本原理是利用激光和微波与原子三能级系统相互作用，产生基态能级布局数差以及基态的相干，当微波频率恰好等于基态能级间距时，布局数差以及基态的相干最大，产生检测信号的峰值。利用这个特点将微波频率锁定，从而产生高稳定度的标准频率信号输出。检测信号的大小以及噪声水平与稳定度密切相关，不同的探测方法产生不同的检测信号。目前主流的检测方法有两种，微波探测和吸收法光探测。微波探测利用的是原子自发辐射的微波信号，虽然这种方法对激光的噪声不敏感，但是由于探测的微波频率低，其信号太弱，造成其短期稳定度很难突破10^^(-13)(@1s)。吸收法光探测由于其信号强以及对微波腔Q值要求低的特点被大量使用。但同时不足40％的Ramsey条纹对比度成了其短期稳定度提高的一个主要限制因素。偏振探测法利用原子双折射导致左右旋光经过原子时产生相位差的原理，能够使Ramsey条纹对比度接近100％，可以很好的克服吸收法光探测条纹对比度低的缺点，另外，在大失谐探测光的情况下，这种方法仍然可以得到超过80％对比度的Ramsey条纹，可以作为其中一种弱探测的方法，应用前景好，目前不少单位正在开展相关研究。但其信号相对较弱的缺点导致其很容易受激光产生的AM和FM-AM噪声的影响，进而影响原子钟稳定度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服偏振探测法信号弱导致其容易受激光产生的AM和FM-AM噪声的影响，进而影响原子钟稳定度的问题,提供一种设计合理、有效抑制AM和FM-AM噪声、大幅度提高POP原子钟信号的信噪比、增强信号抵抗微波腔加热产生电流噪声以及其他电路噪声能力的平衡差拍探测POP铷原子钟的装置及方法。

解决上述技术问题采用的技术方案是：在DBR激光器激光出射方向设置有二分之一玻片及偏振分束镜，激光经过偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向依次进入声光调制器、四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜反射后原路返回偏振分束镜，第二束线偏振光经过偏振分束镜后的光出射方向设置有第一45度全反射镜，第一45度全反射镜光出射方向依次设置有第一高消光比偏振片、物理系统、第二高消光比偏振片，第二高消光比偏振片光出射方向依次设置第二45度全反射镜、第三45度全反射镜，第三45度全反射镜的出射光进入无偏振分束镜，第一束偏振光和第二束偏振光在无偏振分束镜分别分束合并之后输入到平衡差拍探测器，平衡差拍探测器信号输出至数据采集卡。

本发明的物理系统为：微波腔内设置有原子气泡，微波腔外壁缠绕有磁场线圈，微波腔设置于磁屏蔽筒内。

利用上述的平衡差拍探测POP铷原子钟的装置探测铷原子钟的方法，包括以下步骤：

S1、对DBR激光器和铷原子气泡加热并控温。

S2、将DBR激光器系统频率锁定在⁸⁷Rb的D1线的基态F＝1到激发态F＝2上，磁场线圈通电。

S3、偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向进入声光调制器，声光调制器出射的-1级光进入四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜发射后沿原路返回偏振分束镜，经偏振分束镜出射的第二束线偏振光经过第一45度全反射镜和第一高消光比偏振片进入物理系统。

S4、打开微波源，向物理系统输入微波，微波和第二束线偏振光与铷原子相互作用，物理系统出射的第二束线偏振光依次进入第二高消光比偏振片、第二45度全反射镜、第三45度全反射镜、无偏振分束镜，第一束线偏振光和第一束线偏振光在无偏振分束镜分别分束合并后输入平衡差拍探测器，然后将探测器的输出信号输入到数据采集卡。

本发明的步骤S3中调节二分之一玻片的角度使第一束线偏振光光强是第二束线偏振光光强的15～20倍。

本发明的步骤S3中调节第一高消光比偏振片角度使第二线偏振光经过物理系统后未打开微波源之前出射强度为0。

利用上述的一种平衡差拍探测POP铷原子钟的方法，包括以下步骤：

S1、对DBR激光器和铷原子气泡加热并控温，其中DBR激光器控温在25℃、铷原子气泡控温在65℃，DBR激光器发射波长为795nm的线偏振光。

S2、将DBR激光器系统频率锁定在⁸⁷Rb的D1线的基态F＝1到激发态F＝2上，磁场线圈通直流电1mA，使原子气泡范围内的磁场为轴向的20mG。

S3、用光功率计测量偏振分束镜出射的两束激光光强，调节二分之一玻片，使第一束线偏振光光强是第二束线偏振光光强的20倍，调节第一高消光比偏振片和第二高消光比偏振片的角度，使透过一高消光比偏振片的激光光强不减弱，以及第二高消光比偏振片后的光强为0。

S4、打开微波源，向物理系统输入微波，微波和第二束线偏振光与铷原子相互作用，其中，微波源和声光调制器受统一时序信号控制，调节声光调制器的功率使抽运阶段的激光出射光强达到40mw，探测阶段的光强为0.8mw，微波以频率6.834685765GHz为中心，每周期1Hz的步长扫描，扫描范围5KHz，功率-28dBm。

本发明相比于现有技术具有以下优点：

现有的实验装置虽然简单，但都存在一些缺点：目前主要的检测方法有两种，微波探测和吸收法光探测，微波探测利用的是原子自发辐射的微波信号，虽然这种方法对激光的噪声不敏感，但是由于探测的微波频率低，其信号太弱，造成其短期稳定度很难突破10^^(-13)(@1s)；吸收法光探测由于其信号强以及对微波腔Q值要求低的特点被大量使用。但同时不足40％的Ramsey条纹对比度成了其短期稳定度提高的一个主要限制因素，偏振探测法利用原子双折射导致左右旋光经过原子时产生相位差的原理，能够使Ramsey条纹对比度接近100％，可以很好的克服吸收法光探测条纹对比度低的缺点，另外，在大失谐探测光的情况下，这种方法仍然可以得到超过80％对比度的Ramsey条纹。

附图说明

图1是本发明一个实施例的光路图。

图2是平衡差拍探测光路原理图，其中P_L是本地光功率，Ps是信号光功率，P₁和P₂是入射到平衡差拍探测器的两束线偏振光，D₁和D₂分别是平衡差拍探测器的两个探头。

图3是POP铷原子钟工作时序图，其中Tp是激光抽运时间，Td是激光探测时间，Tm是微波脉冲时间，T_f是原子自由演化时间。

图中：1、DBR激光器；2、二分之一玻片；3、偏振分束镜；4、声光调制器；5、四分之一玻片；6、零度全反射镜；7、第一45度全反射镜；8、第一高消光比偏振片；9、物理系统；10、第二高消光比偏振片；11、第二45度全反射镜；12、第三45度全反射镜；13、无偏振分束镜；14、平衡差拍探测器；15、数据采集卡。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本发明一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置,在DBR激光器1激光出射方向设置有二分之一玻片2及偏振分束镜3，激光经过偏振分束镜3后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜13，第二束线偏振光沿原方向依次进入声光调制器4、四分之一玻片5、零度全反射镜6，经过零度全反射镜6反射后原路返回偏振分束镜3，第二束线偏振光经过偏振分束镜3后的光出射方向设置有第一45度全反射镜7，第一45度全反射镜7光出射方向依次设置有第一高消光比偏振片8、物理系统9、第二高消光比偏振片10，第二高消光比偏振片10光出射方向依次设置第二45度全反射镜11、第三45度全反射镜12，第三45度全反射镜12的出射光进入无偏振分束镜13，无偏振分束镜为50:50分束镜。第一束偏振光和第二束偏振光在无偏振分束镜13分别分束合并之后输入到平衡差拍探测器14，然后将电压数据信号传输到数据采集卡15，本发明的物理系统9由原子气泡、微波腔、磁场线圈、磁屏蔽筒组成，原子气泡放置在微波腔内，微波腔外壁缠绕有磁场线圈，微波腔放置于磁屏蔽筒内，减少外界磁场对原子钟信号的干扰。

利用上述装置探测铷原子钟的方法，以扫描Ramsey条纹为实例，具体包括以下步骤：

S1、对DBR激光器1和铷原子气泡加热并控温，铷原子气泡。其中DBR激光器1控温在25℃、铷原子气泡控温在65℃，DBR激光器1发射波长为795nm的线偏振光，795nm激光与⁸⁷Rb原子相互之后极化效率更高，几乎可以达到780nm的两倍，有利于增强偏振光的偏转角度，进而增大POP的信号的强度。其中装有比例为1:1.6的氮气和氩气作为缓冲气体的铷原子气泡放置在TE011模式的微波腔内。

S2、将DBR激光器1系统频率锁定在⁸⁷Rb的D1线的基态F＝1到激发态F＝2上，磁场线圈通直流电1mA，使原子气泡范围内的磁场为轴向的20mG，轴向磁场为激光和铷原子相互作用提供量子化轴，并且使铷原子产生Zeeman能级分裂。

S3、用光功率计测量偏振分束镜3出射的两束激光光强，调节二分之一玻片2，使激光经过二分之一玻片2和偏振分束镜3后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜13，第二束线偏振光沿原方向进入声光调制器4，声光调制器4出射的-1级光进入四分之一玻片5、零度全反射镜6，经过零度全反射镜6发射后沿原路返回偏振分束镜3，经偏振分束镜3出射的第二束线偏振光经过第一45度全反射镜7和第一高消光比偏振片8进入物理系统9，其中，第一束线偏振光光强是第二束线偏振光光强的20倍，一方面抽运光的强度仍然足够，抽运效率足够高；另一方面，平衡差拍探测器探测的本地光信号足够强，调节第一高消光比偏振片8的角度，使激光都能够投射至物理系统，调节第二高消光比偏振片10的角度，使第二线偏振光经过物理系统9后未打开微波源之前的出射强度为0，高消光比可以使POP的Ramsey条纹信号对比度增大，同时抑制信号光的本底激光噪声。

S4、打开微波源，向物理系统9输入微波，微波和第二束线偏振光与铷原子相互作用，其中，微波源和声光调制器4受统一时序信号控制，如图3所示，一个时序周期由三个时间段分开，分别是：抽运阶段、Ramsey作用阶段，探测阶段，Ramsey作用阶段包括两个相同的微波脉冲阶段和分开脉冲阶段的原子自由演化阶段，首先入射一个强激光将原子从其中一个基态抽运至激发态，经弛豫回落至各个基态，由于其中一个基态一直处于抽运状态，所以其态上的原子数相对于另一基态少很多；然后是两个微波作用阶段和中间的自由演化阶段，这个阶段作用之后的原子状态和微波频率相关；最后是探测阶段，继续入射一束线偏振光与原子相互作用，与量子化轴平行的入射线偏振光可以等效为两束左旋和右旋光，根据原子双折射原理，左旋和右旋激光的折射率不同产生相位差，最后偏振方向发生变化，经过偏振片的线偏振光将其中由偏振方向变化引起的信号分离出来。

调节声光调制器4的功率使抽运阶段的激光出射光强达到40mw，探测阶段的光强为0.8mw，微波以频率6.834685765GHz为中心，每周期1Hz的步长扫描，扫描范围5KHz，功率-28dBm。DBR激光器1出射光强40mw是为了使激光抽运效率达到抽运的饱和光强，使抽运导致的原子数的起伏变化小，从而降低原子数变化引起的POP信号起伏，微波扫描的范围5KHz几乎是微波与原子相互作用的频率范围，能够扫描相对完整的Ramsey条纹。

物理系统9出射的第二束线偏振光依次进入第二高消光比偏振片10、第二45度全反射镜11、第三45度全反射镜12、无偏振分束镜13，第一束线偏振光和第一束线偏振光在无偏振分束镜13分别分束合并后输入平衡差拍探测器14，、探测器的信号再输入到数据采集卡15。

由于入射到平衡差拍探测器14的两束激光都同时具有本地光和信号光的一半之和，携带其共模噪声，经过平衡差拍技术处理后，信号的信噪比相较与POP信号光有了大幅度的提升，另外，信号绝对大小也会同时放大，增强了抵抗电路引入的噪声的能力，如图2所示，P_L是本地为与原子相互作用的线偏振光的功率，Ps是与原子相互作用的线偏振光的功率，P₁和P₂是经无偏振分束镜13之后分束合并后的光功率大小，由平衡差拍探测的知识知道，最后的输出交流电流为：

信噪比：

其中G是探测器交流放大倍数，e是电子电荷，η是探测器量子效率，ε和Δν是本地光与信号光的模式重合度和频率差，δ是分辨率带宽。

相较于直接探测的方法信号强度增大了倍，而信噪比相较于普通的差拍探测提高了倍。

Claims (6)

1.一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置,其特征在于：在DBR激光器激光出射方向设置有二分之一玻片及偏振分束镜，激光经过偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向依次进入声光调制器、四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜反射后原路返回偏振分束镜，第二束线偏振光经过偏振分束镜后的光出射方向设置有第一45度全反射镜，第一45度全反射镜光出射方向依次设置有第一高消光比偏振片、物理系统、第二高消光比偏振片，第二高消光比偏振片光出射方向依次设置第二45度全反射镜、第三45度全反射镜，第三45度全反射镜的出射光进入无偏振分束镜，第一束偏振光和第二束偏振光在无偏振分束镜分别分束合并之后输入到平衡差拍探测器，平衡差拍探测器信号输出至数据采集卡。

2.根据权利要求1所述的一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置，其特征在于所述的物理系统为：微波腔内设置有原子气泡，微波腔外壁缠绕有磁场线圈，微波腔设置于磁屏蔽筒内。

3.利用权利要求1～2任意一项所述的平衡差拍探测POP铷原子钟的装置探测铷原子钟的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、对DBR激光器和铷原子气泡加热并控温。

S2、将DBR激光器系统频率锁定在⁸⁷Rb的D1线的基态F＝1到激发态F＝2上，磁场线圈通电。

S3、偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向进入声光调制器，声光调制器出射的-1级光进入四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜发射后沿原路返回偏振分束镜，经偏振分束镜出射的第二束线偏振光经过第一45度全反射镜和第一高消光比偏振片进入物理系统。

S4、打开微波源，向物理系统输入微波，微波和第二束线偏振光与铷原子相互作用，物理系统出射的第二束线偏振光依次进入第二高消光比偏振片、第二45度全反射镜、第三45度全反射镜、无偏振分束镜，第一束线偏振光和第一束线偏振光在无偏振分束镜分别分束合并后输入平衡差拍探测器，然后将探测器的输出信号输入到数据采集卡。

4.根据权利要求3所述的一种平衡差拍探测POP铷原子钟的方法，其特征在于：所述的步骤S3中调节二分之一玻片的角度使第一束线偏振光光强是第二束线偏振光光强的15～20倍。

5.根据权利要求3所述的一种平衡差拍探测POP铷原子钟的方法，其特征在于：所述的步骤S3中调节第一高消光比偏振片角度使第二线偏振光经过物理系统后未打开微波源之前出射强度为0。

6.根据权利要求3所述的一种平衡差拍探测POP铷原子钟的方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、对DBR激光器和铷原子气泡加热并控温，其中DBR激光器控温在25℃、铷原子气泡控温在65℃，DBR激光器发射波长为795nm的线偏振光。

S2、将DBR激光器系统频率锁定在⁸⁷Rb的D1线的基态F＝1到激发态F＝2上，磁场线圈通直流电1mA，使原子气泡范围内的磁场为轴向的20mG。

S3、用光功率计测量偏振分束镜出射的两束激光光强，调节二分之一玻片，使第一束线偏振光光强是第二束线偏振光光强的20倍，调节第一高消光比偏振片和第二高消光比偏振片的角度，使透过一高消光比偏振片的激光光强不减弱，以及第二高消光比偏振片后的光强为0。

S4、打开微波源，向物理系统输入微波，微波和第二束线偏振光与铷原子相互作用，其中，微波源和声光调制器受统一时序信号控制，调节声光调制器的功率使抽运阶段的激光出射光强达到40mw，探测阶段的光强为0.8mw，微波以频率6.834685765GHz为中心，每周期1Hz的步长扫描，扫描范围5KHz，功率-28dBm。