CN108832926B - 一种集成化原子束型光频标 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成化原子束型光频标。该光频标包括电学机柜和光学机柜；所述电学机柜包括控制、测量和显示设备；所述电学机柜向光学机柜各设备供电，并且向光学机柜输出控制信号、频率锁定信号；所述光学机柜包括原子束管、激光器和超稳激光系统；所述光学机柜向电学机柜输出超稳谐振腔信号和原子光谱信号；所述原子束管为集成化的钙原子束密封管；所述激光器包括423nm激光器和657nm激光器。该光频标的设计回避了其他光频标系统面临的激光器多、系统复杂等问题，有望成为首款能够连续运行的商用守时型光频标。本发明光频标的设计原理清晰、具有科学性与工程可实现型，是光频标领域的前沿创新设计。
Description
技术领域
本发明涉及原子频标技术领域。更具体地，涉及一种集成化原子束型光频标。
背景技术
在原子频标研究领域，主要研究的对象为微波原子频标和光频标。目前实现商品化的为微波原子钟，包括氢钟、铷钟、铯束钟、铯喷泉钟等。这些原子钟产品化成熟，但核心的稳定度指标缺少提升空间。随着激光技术、激光冷却技术的发展，科学家们开展了光频标研究，并在指标上快速超越了微波原子频标，成为原子频标领域目前最前沿的研究方向。近些年，光频标技术日趋成熟，激光器、调制器等系统内器件越来越稳定，原子频标的连续工作时长逐渐增加。因此，研制具有长期连续运行能力的守时型原子频标，成为了一个新的研究方向，科研人员进行了大量投入。目前还没有任何一个团队宣称自己做出了可长期稳定运行的光频标，主要限制在于其系统大多复杂，需要的激光器数量多，对原子的操控复杂。
发明内容
基于以上背景技术，本发明提出一种集成化原子束型光频标，该光频标仅需要两套激光器，可靠性高。采用原子束方案，对原子操控的要求低，提高了鲁棒性。本发明光频标的设计原理清晰、具有科学性与工程可实现型，是光频标领域的前沿创新设计。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种集成化原子束型光频标，包括电学机柜和光学机柜；
所述电学机柜包括控制、测量和显示设备；所述电学机柜向光学机柜各设备供电，并且向光学机柜输出控制信号、频率锁定信号；
所述光学机柜包括原子束管、激光器和超稳激光系统；所述光学机柜向电学机柜输出超稳谐振腔信号和原子光谱信号；
所述原子束管为集成化的钙原子束密封管；
所述激光器包括423nm激光器和657nm激光器。
优选地，钙原子置于一个有探测光窗的真空系统内，原子受加热从原子炉内喷出，在经过探测光窗时与激光相互作用。
优选地，所述光学机柜分为上下两层光路；上层为钟跃迁激光，下层为光谱探测与锁定。
优选地，所述上层钟跃迁激光包括：657nm激光器、657nm激光移频及PDH压窄线宽；
657nm激光从657nm激光器出射后，首先要频率锁定到超稳谐振腔上，利用PDH技术进行激光线宽压窄；
657nm激光移频光路将657nm激光频率通过外调制方法移频到与原子跃迁共振，经过移频后的激光通过光纤或空间光的形式传递到下层光路。
优选地，所述下层光谱探测与锁定包括：423nm激光器及光与原子相互作用区；
423nm激光从423nm激光器出射后，经过空间光路耦合到光与原子相互作用区；从上层光路传递下来的657nm激光也耦合到光与原子相互作用区；在原子相互作用区内，激光从探测光窗打入钙原子束密封管，与钙原子束相互作用，测量得到原子荧光，经过伺服环路反馈锁定两台激光频率。
优选地，所述激光频率锁定后，将657nm激光直接输出，得到高稳定的激光频率标准信号。
优选地，所述光学机柜包括整体控温隔振装置。
本发明的有益效果如下：
搬运型光频标是当下和未来原子频标发展的主要方向，此方法基于碱土金属原子束方案，所用能级结构简单、激光器数目少，且所有激光器均有商业化产品，激光频率均有对应的原子跃迁频率可以锁定，这些因素使本发明设计在实际应用时具有极大的便利。
与现有技术相比，本发明的积极效果为：
创新性地提出一种集成化原子束型光频标，该光频标的设计回避了其他光频标系统面临的激光器多、系统复杂等问题，有望成为首款能够连续运行的商用守时型光频标。本发明光频标的设计原理清晰、具有科学性与工程可实现型，是光频标领域的前沿创新设计。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为钙原子能级结构图。
图2为本发明的集成化原子束型光频标的设计框图。
图3为本发明的集成化原子束型光频标各模块功能图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明实施例部分详细描述本发明光频标的设计过程。本发明所设计的光频标，采用热原子束三能级方案，物理系统体积小、激光器需求数量少；整体包含电学机柜和光学机柜两个部分，具有集成化、可搬运特性。
所述电学机柜包括控制、测量和显示设备；所述电学机柜向光学机柜各设备供电，并且向光学机柜输出控制信号、频率锁定信号；
所述光学机柜包括原子束管、激光器和超稳激光系统；所述光学机柜向电学机柜输出超稳谐振腔信号和原子光谱信号；
所述原子束管为集成化的钙原子束密封管；
所述激光器包括423nm激光器和657nm激光器。
其原理是：利用热原子束、三能级方案，简化物理系统体积、减少激光器需求数量；利用紧凑的激光光路设计，缩小光学部分整体体积；设计专用的电学机柜和光学机柜，集成光频标系统。
其中的光频标为钙原子光频标，原子能级结构如图1所示。所述的三能级方案，指钙原子基态(4s2)1S0，激发态(4s4p)1P1(m＝0)和激发态(4s4p)3P1(m＝0)；基态(4s2)1S0到激发态(4s4p)1P1(m＝0)跃迁对应423nm激光，基态(4s2)1S0到激发态(4s4p)3P1(m＝0)跃迁对应657nm激光。因此本方案激光器需求数量相对其他种类原子光频标少，本设计中共需要两套激光器，分别为423nm激光和657nm激光，对应钙原子基态(4s2)1S0到激发态(4s4p)1P1(m＝0)跃迁和基态(4s2)1S0到激发态(4s4p)3P1(m＝0)跃迁。
所述原子束，为光频标的物理系统，钙原子置于一个有探测光窗的真空系统内，原子受加热从原子炉内喷出，在经过探测光窗时与激光相互作用。所述物理系统体积小，指与各类冷原子频标相比具有体积小的优势，物理系统为集成化的钙原子束密封管。
所述电学机柜，用于放置各类控制、测量和显示设备，实现为原子束管、激光器和超稳激光系统等设备供电，探测激光与原子相互作用的荧光信号并显示，闭环锁定原子频标等。整个原子频标系统只需要一个220V外部输入电源，系统内设备供电均通过电学机柜分电完成。
如图2所示，所述光学机柜，细分为上下两层光路，上层为钟跃迁激光，下层为光谱探测与锁定。
如图3所示，所述上层钟跃迁激光，包含657nm激光器、657nm激光移频及PDH压窄线宽，激光从657nm激光器出射后，首先要频率锁定到超稳谐振腔上，利用PDH技术进行激光线宽压窄。谐振腔的共振频率为固定值，不可调节，通常与原子共振频率不同，因此还需要657nm激光移频光路，将激光频率通过外调制方法移动到与原子跃迁共振。由于这部分光学器件只处理来自657nm激光器的激光，因此放在同一层。经过移频后的激光通过光纤或空间光的形式传递到下层光路。
所述下层光谱探测与锁定，包含423nm激光源及光与原子相互作用区。423nm激光从激光器内产生，经过空间光路耦合到光与原子相互作用区；从上层光路传递下来的657nm激光也耦合到光与原子相互作用区。在光与原子相互作用区内，激光从探测光窗打入物理系统，与钙原子束相互作用，由光电探测器测量得到原子荧光，经过伺服环路反馈锁定两台激光频率。
所述激光频率锁定后，657nm激光即为稳定的光频标信号，可将其直接输出。
所述光学机柜，内部的光学元器件、镜架镜片、光路结构均是专用设计，元器件体积小、光程短，光学机柜还要有整体控温隔振设计，以实现集成化和可搬运。
所述电学机柜和光学机柜，之间有信号传递。电学机柜向光学机柜输出各种设备供电、控制信号、频率锁定信号，从光学机柜输入超稳谐振腔信号、原子光谱信号，实现整体运行。
本发明原理清晰，可实现性强，具有商品化优势，将可取代传统铯原子束微波频标，作为一种新型守时型原子频标。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种集成化原子束型光频标，其特征在于，包括电学机柜和光学机柜；
所述电学机柜包括控制、测量和显示设备；所述电学机柜向光学机柜各设备供电，并且向光学机柜输出控制信号、频率锁定信号；
所述光学机柜包括原子束管、激光器和超稳激光系统；所述光学机柜向电学机柜输出超稳谐振腔信号和原子光谱信号；
所述原子束管为集成化的钙原子束密封管；
所述激光器包括423nm激光器和657nm激光器。
2.根据权利要求1所述的光频标，其特征在于，钙原子置于一个有探测光窗的真空系统内，原子受加热从原子炉内喷出，在经过探测光窗时与激光相互作用。
3.根据权利要求1所述的光频标，其特征在于，所述光学机柜分为上下两层光路；上层为钟跃迁激光，下层为光谱探测与锁定。
4.根据权利要求3所述的光频标，其特征在于，所述上层钟跃迁激光包括：657nm激光器、657nm激光移频及PDH压窄线宽；
657nm激光从657nm激光器出射后，首先要频率锁定到超稳谐振腔上，利用PDH技术进行激光线宽压窄；
657nm激光移频光路将657nm激光频率通过外调制方法移频到与原子跃迁共振，经过移频后的激光通过光纤或空间光的形式传递到下层光路。
5.根据权利要求4所述的光频标，其特征在于，所述下层光谱探测与锁定包括：423nm激光器及光与原子相互作用区；
423nm激光从423nm激光器出射后，经过空间光路耦合到光与原子相互作用区；从上层光路传递下来的657nm激光也耦合到光与原子相互作用区；在原子相互作用区内，激光从探测光窗打入钙原子束密封管，与钙原子束相互作用，测量得到原子荧光，经过伺服环路反馈锁定两台激光频率。
6.根据权利要求5所述的光频标，其特征在于，所述激光频率锁定后，将657nm激光直接输出，得到高稳定的激光频率标准信号。
7.根据权利要求1所述的光频标，其特征在于，所述光学机柜包括整体控温隔振装置。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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