CN110333651B - 基于相干布居数囚禁模式锁定的激光原子钟 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于相干布居数囚禁模式锁定的激光原子钟，包括半导体激光器管芯(3)、准直透镜(11)、原子滤光器(4)、第一λ/4波片(5)、相干布居数囚禁气室6、第二λ/4波片(7)和部分反射镜(8)，所述原子滤光器(4)与相干布居数囚禁气室(6)具有相同的工作原子，调整半导体激光器管芯(3)外侧端面与部分反射镜(8)镜面之间的距离使工作原子基态两超精细结构跃迁频率等于激光器纵模间隔的整数倍。本发明利用相干布居数囚禁现象对激光器增益的调制实现对激光模式的自动锁定，使其频率间隔稳定的等于工作原子基态超精细结构的跃迁频率，所得输出信号的信噪比高，且对伺服电路系统的依赖性低，因此稳定性高。

Description

基于相干布居数囚禁模式锁定的激光原子钟

【技术领域】

本发明涉及激光与原子钟领域，特别是一种基于相干布居数囚禁模式被动锁定的激光原子钟。

【背景技术】

原子钟是提供时间频率标准的精密仪器设备，一般原子钟的工作原理是将一个微波频率或光波频率与探测到的工作原子的一个稳定的能级跃迁频率锁定，使得这个微波频率或光频率与作为基准的原子能级跃迁频率相等，并以这个锁定的微波频率作为原子钟输出的标准频率。这种情况下，原子钟的重要指标，即输出的标准频率的稳定性不仅依赖于工作原子本身对应的跃迁能级频率间隔的稳定性，而且很大程度上依赖于对跃迁频率峰值的探测以及伺服电路的锁定精度和噪声水平。

【发明内容】

本发明的目的是针对原子钟标准频率的锁定机制，避免输出标准频率的稳定性受到锁定电路和探测方法的影响，基于相干布居数囚禁现象对激光器增益的调制现象，利用增益峰值将激光模式自动锁定，使其频率间隔稳定的等于工作原子基态超精细结构的跃迁频率。本发明的思路是通过上述原理，用增益牵引的物理机制将激光输出模式自动锁定在相干布居数囚禁现象产生的两个透过峰峰顶，使输出激光的两个模式的频率差严格等于工作原子的基态两个超精细结构的跃迁频率差，此时两个激光纵模的拍频即为原子钟的输出标准频率。

因此，本发明的目的是提供一种信号的信噪比高、对伺服电路系统的依赖性低、稳定性高的自动精确锁定的激光原子钟。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于相干布居数囚禁模式锁定的激光原子钟，所述激光原子钟包括依序设置在光路上的半导体激光二极管3、准直透镜11、原子滤光器4、第一λ/4波片5和部分反射镜8，其特征在于在第一λ/4波片5和部分反射镜8之间还依序设置具有轴向磁场的相干布居数囚禁气室6和第二λ/4波片7，其中，所述原子滤光器4与相干布居数囚禁气室6具有相同的工作原子，半导体激光二极管3的输出波长对应所述工作原子能级跃迁谱线，第二λ/4波片7的快慢轴方向与第一λ/4波片5正交或平行，通过调整半导体激光二极管3外侧端面与部分反射镜8镜面之间的距离，使所述工作原子基态两超精细结构跃迁频率等于激光器纵模间隔的整数倍；

经准直透镜11准直后，半导体激光二极管3的光谱成分经原子滤光器4滤光，得到两个频率间隔等于原子基态超精细能级跃迁频率的线偏振光，经第一λ/4波片5转换为两个圆偏振光场，然后进入相干布居数囚禁气室6、与所述气室内的工作原子发生相干布居数囚禁效应，所得输出的透过光谱具有两个多普勒吸收峰，所述吸收峰与所述线偏振光场的透过峰形状相同、方向相反，且所述吸收峰的顶部出现宽度等于原子跃迁自然增宽的窄线宽透过峰，通过使原子滤光器4的多普勒透过谱与相干布居数囚禁气室6的多普勒吸收谱相抵消，得到线宽等于工作原子自然增宽的透过峰；首先调整激光原子钟的整体物理腔长，即半导体二极管(3)外侧端面与输出反射镜(8)镜面的距离，使谐振腔的纵模频率间隔的整数倍等于上述透过峰的间隔，以保证有两个激光纵模刚好对准两个透过峰，因此在腔内具有最低损耗。而后调整激光二极管3的驱动电流使腔内纵模中仅对应相干布居数囚禁气室6的透射峰的两个模式增益大于损耗，从而使仅纵模频率间隔对应基态原子超精细能级跃迁频率的这两个激光模式在腔内形成稳定的激光振荡。

在本发明中，通过调节原子滤光器4和相干布居数囚禁气室6的温度使原子滤光器4的多普勒透过峰与相干布居数囚禁气室6的多普勒吸收峰大小相同方向相反，从而使原子滤光器4的透过谱与相干布居数囚禁气室6的吸收谱相抵消。

在本发明中，原子滤光器属于本领域现有技术，其结构参见中国发明专利申请CN201110421511.7公开的单透射峰原子滤光器，或参考CN 201110283995.3公开的原子激发态反常色散原子滤光器。

优选地，所述工作原子是铷87、铷85、或铯133，但本领域技术人员可根据激光原子钟的设计需求，选择其他工作原子。

根据一种优选的实施方式。所述激光原子钟还包括用于支撑各部件的底座1、用于支撑半导体激光二极管3的激光器固定支架2和用于支撑部分反射镜8的输出镜固定支架10。

进一步优选地，所述底座1、激光器固定支架2和输出镜固定支架10用低温度系数材料制成。

所述低温度系数材料可选自低膨胀系数合金、低膨胀系数陶瓷或低膨胀系数石英等材料。优选地，低膨胀系数合金例如选用铟钢。

在本发明中，为了半导体二极管底侧反射端面与输出镜8形成激光原子钟的谐振腔，且降低半导体二极管输出面反射对谐振模式的影响，优选地，半导体激光二极管3外侧端面镀高反膜，内侧面镀增透膜。则半导体激光二极管3作为增益光源，激光原子钟的谐振腔由半导体激光二极管的外侧高反射面和输出镜8组成，两者之间的距离为激光原子钟的谐振腔长度。

优选地，调整激光原子钟的整体物理腔长，使谐振腔的纵模频率间隔的整数倍等于上述透过峰的间隔，以保证有两个激光纵模刚好对准两个透过峰，因此在腔内具有最低损耗。

在本发明中，调整激光原子钟谐振腔的整体物理腔长使纵模频率间隔的倍数等于所述工作原子基态超精细结构的频率差。

在本发明中，所述原子滤光器4包括沿光路轴向顺序放置的，加以轴向磁场的原子气室和检偏器。半导体激光二极管3的输出激光进入原子滤光器4后由于法拉第旋光效应，所得透射光谱具有只允许频率间隔为所述工作原子跃迁波长的两个频率的激光纵模通过且通过的谱线宽度为多普勒增宽的宽度的特性。

根据一种优选的实施方式，部分反射镜8连接压电陶瓷和反馈电路以调整腔长和补偿腔长的漂移。

作为一种替代的实施方式，可以用高反镜替代部分反射镜8，使得腔内增益提高。这样，激光不再从原输出镜8输出，而是从激光二极管一侧输出。

本发明的激光原子钟的工作原理如下：

半导体激光二极管3的外侧端面镀高反膜，内侧面镀增透膜，其意义是使外侧端面与输出镜8形成有效谐振腔，而尽量减少激光二极管输出面的影响。调整原子钟激光器的整体物理腔长，使原子滤波器和CPT气室中工作原子的超精细跃迁频率刚好等于谐振腔纵模频率间隔的整数倍，从而保证有两个激光纵模光场可以通过原子滤波器。使其输出光场经过原子滤波器后被滤除多余激光谐振腔纵模，且通过的两个纵模间隔等于原子滤波器中的气室内的工作原子的基态超精细结构频率差，因此透过光谱如图2A所示，只允许频率间隔为工作原子跃迁波长的激光纵模通过，通过的谱线宽度为多普勒增宽的宽度。

通过原子滤光器后输出为两个间隔等于原子基态超精细跃迁频率的线偏振光，在经过第一λ/4波片3转换为两个圆偏振光，圆偏振光进入加了轴向磁场且工作原子与原子滤波器相同的相干布居数囚禁气室6而发生相干布居数囚禁效应，所得透过光谱如图2B所示。由于相干布居数囚禁气室6与原子滤波器采用同一种工作原子，因此只要适当控制两气室的温度，就可以使图2A的多普勒透过峰和图2B的多普勒吸收峰形状相同方向相反。此外，由于相干布居数囚禁作用，使得图2B吸收峰顶处多了宽度等于原子跃迁自然增宽的窄线宽透过峰。

适当调节相干布居数囚禁气室6与原子滤波器的气室的温度，使图2A多普勒透过峰和图2B多普勒吸收峰大小相同方向相反，将可以使谐振腔内原子滤波器的透过谱和相干布居数囚禁(CPT)气室的吸谱作用相抵消。

因此，谐振腔内激光一个往返的整体透过谱将由相干布居数囚禁效应得到的线宽等于工作原子自然增宽的透过峰决定，如图2C所示。

适当调整激光二极管3的驱动电流使腔内增益模式仅对应CPT透射峰的两个模式增益大于损耗，则只有对应基态原子超精细能级跃迁频率的这两个激光模式可以在腔内形成稳定的激光振荡，而且由于均匀增宽导致的增益竞争或牵引效应使得激光模式趋向于振荡在CPT透过光谱的中心，且线宽小于原子基态超精细结构跃迁的自然增宽线宽。

本发明以原子滤光器和CPT效应联合调制腔内损耗的方法，使得激光模式只能振荡在对应工作原子相应的超精细能级跃迁频率。由于系统透过线宽为基态超精细结构的自然增宽，使激光输出模式线宽得到物理锁定和压窄，且频率间隔严格等于基态超精细结构的跃迁频率。因此，只要谐振腔腔长所决定的纵模中有两个模式对应系统的两个透过峰，或者两个激光模式的振荡频率在图2C所示的透过峰范围内。基于均匀增宽的增益竞争和牵引机制，两个激光模式将被自动锁定在谱线中心位置，其他纵模将不能振荡。而输出激光的拍频将严格等于工作原子基态超精细结构的跃迁频率，所以这两个震荡模式的拍频可以经光电探测器检测作为原子钟标准频率。

在本发明中，为了使两个激光器纵模正好落在图2C的透过谱范围内，激光谐振腔的腔长需要调整和锁定，腔体的支撑结构需要选用低温度系数的材料制成。输出反射镜纵向位置可调，并用压电陶瓷连接，可用电压对位置进行精细调整和锁定。锁定电压经反馈电路锁定腔长使输出光场处于透过谱线图2C的峰值处。系统运行中输出光强的峰值位置即输出的两个纵模的振荡频率将自动地处于损耗最小即增益最大的位置，也就是图2C中两个透过峰的峰值位置。为保证谐振腔的稳定性可以将谐振腔整体放置于真空环境中并整体控温。

【附图说明】

图1为本发明的激光原子钟结构示意图；

图2A为原子滤波器的透过光谱；

图2B为相干布居数囚禁(CPT)气室的透过光谱；

图2C为原子滤波器和相干布居数囚禁两个系统的串联后的透过光谱，即整个谐振腔内激光一个往返的透过光谱。

【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所示的激光原子钟，包括底座1、被固定支架2支撑在底座1上的半导体激光二极管3、准直透镜11和原子滤波器4、第一λ/4波片5、相干布居数囚禁气室6、第二λ/4波片7和连接了压电陶瓷9、被输出镜固定支架10支撑的部分反射镜8，这些器件都设置在同一光通路上。

其中，为了使半导体激光二极管3在谐振腔作用下产生的两个激光器纵模落在想要的透过谱范围内，采用铟钢制作底座1和激光器固定支架2。

半导体激光二极管3其外侧端面镀高反膜，内侧面镀增透膜。本实施例中，以⁸⁷Rb作为工作原子，用其D₁线做为原子激发谱线，则半导体激光二极管3的输出波长应对应工作原子能级跃迁谱线，即激光输出波长应在795纳米附近，输出光为线偏振光。

原子滤光器4的结构包括原子气室和检偏器，其工作原子为⁸⁷Rb。半导体激光二极管3的输出经过原子滤光器4后，其透过光谱如图2A所示，为两个频率间隔等于⁸⁷Rb原子基态超精细结构跃迁频率的线偏振光。

使该输出线偏振光经过第一λ/4波片5，得到两个圆偏振光。

在相干布居数囚禁气室6内加轴向磁场，其后设置第二λ/4波片，并使其光快慢轴方向与第一λ/4波片正交或平行。部分反射镜8与压电陶瓷9连接，并通过输出镜固定支架10支撑在底座1上。

调整半导体激光二极管3的外侧端面与输出镜端面距离使⁸⁷Rb基态两超精细结构跃迁频率(6.8GHz)刚好等于激光器纵模间隔的整数倍。当给半导体激器管芯加驱动电流后，由于激光器输出端镀有增透膜，因此其并不形成激光振荡，而是输出一个宽的荧光。经原子滤光器后其透过谱如图2A所示。

然后被第一λ/4波片将其转换为两个圆偏振光场，进入CPT气室，与气室中的⁸⁷Rb原子发生相干布居数囚禁效应，其透过谱如图2B所示。图2B多普勒吸收峰与图2A多普勒透过峰大小相同方向相反。

与原子滤波器透过谱相叠加后，CPT气室的透过光谱如图2C所示。然后，光场进入第二λ/4波片。由于第二λ/4波片与第一λ/4波片快慢轴正交或平行，光场还原为线偏振光。

该线偏振光经过输出反射镜8的反射，返回并再次经过第二λ/4波片，再次转换为圆偏振光又通过CPT气室，且旋转方向与上一次正向通过CPT气室时相反或相同，即自旋量子数等于1或-1。在两次通过时光子自旋量子数不同的情况下，即一个等于1另一个等于-1时可以避免原子在远端能级上的积累，增强CPT作用的效率。理论上要求是两对圆偏振光对同一群原子的作用时间有一个相当于原子钟微波频率(这里是6.8GHz)的π位相差的延迟，即要求光场通过后经反射镜反射回到气室中相同位置的时间是(2n+1)3.4×10^-9秒，这一作用在气室物理长度远小于6.8G微波波长时效果最好，这可以通过调整气室位置使CPT作用达到最强。

光场经过CPT气室二次滤波后，再次经过第一λ/4波片被还原为线偏振光，并透过原子滤光器回到激光器。这一过程形成经过系统滤波的正反馈，整个系统增益谱线与图2C相同。

因此，只要适当调整激光器驱动电流，既可以仅使对应增益谱两个峰值处的激光模式达到振荡阈值，且其他模式不振荡。此时激光输出模式即被系统增益锁定在间隔为严格等于原子基态超精细结构跃迁频率的两个增益峰值处，而输出激光的拍频即为本系统的原子钟频率。

实施例2

与实施例1相同设置，区别是将工作原子换为铯133，激光二极管输出波长改为894nm，与工作原子銫133的D1月前谱线对应并用高反镜替代实施例1的部分反射镜8。这样，半导体激光二极管3的激光输出经过原子滤光器4和第一λ/4波片5后，得到两个圆偏振光，然后进入CPT气室，与气室中的铯133原子发生相干布居数囚禁效应，然后，光场进入第二λ/4波片，还原为线偏振光。

该线偏振光经过高反镜的反射，返回并再次经过第二λ/4波片，再次转换为圆偏振光又通过CPT气室，最后从激光二极管一侧获得激光输出。

本发明利用相干布居数囚禁现象对激光器增益的调制实现对激光模式的自动锁定，使其频率间隔稳定的等于工作原子基态超精细结构的跃迁频率，所得输出信号的信噪比高，且对伺服电路系统的依赖性低，因此稳定性高。

Claims (9)

1.基于相干布居数囚禁模式锁定的激光原子钟，所述激光原子钟包括依序设置在光路上的半导体激光二极管(3)、准直透镜(11)、原子滤光器(4)、第一λ/4波片(5)和部分反射镜(8)，其特征在于在第一λ/4波片(5)和部分反射镜(8)之间还依序设置具有轴向磁场的相干布居数囚禁气室(6)和第二λ/4波片(7)，其中，所述原子滤光器(4)与相干布居数囚禁气室(6)具有相同的工作原子，半导体激光二极管(3)的输出波长对应所述工作原子能级跃迁谱线，第二λ/4波片(7)的快慢轴方向与第一λ/4波片(5)正交或平行，通过调整半导体激光二极管(3)外侧端面与部分反射镜(8)镜面之间的距离，使所述工作原子基态两超精细结构跃迁频率等于激光器纵模间隔的整数倍；

半导体激光二极管(3)的输出光经准直透镜(11)准直后，原子滤光器(4)滤光，得到两个频率间隔等于原子基态超精细能级跃迁频率的线偏振光，经第一λ/4波片(5)转换为两个圆偏振光场，然后进入相干布居数囚禁气室(6)、与所述气室内的工作原子发生相干布居数囚禁效应，所得输出的透过光谱具有两个吸收峰，通过调节原子滤光器(4)和相干布居数囚禁气室(6)的温度，使所述吸收峰与所述线偏振光的透过峰形状相同、方向相反，且所述吸收峰的顶部出现宽度等于原子跃迁自然增宽的窄线宽透过峰；通过使原子滤光器(4)的透过谱与相干布居数囚禁气室(6)的吸收谱相抵消，得到线宽等于工作原子自然增宽的透过峰；然后调整半导体激光二极管(3)的驱动电流使腔内纵模中仅对应相干布居数囚禁气室(6)的透射峰的两个模式增益大于损耗，进而使纵模频率间隔对应基态原子超精细能级跃迁频率的这两个激光模式在腔内形成稳定的激光振荡。

2.根据权利要求1所述的激光原子钟，其特征在于所述工作原子是铷87、铷85、或铯133。

3.根据权利要求1所述的激光原子钟，其特征在于所述激光原子钟还包括用于支撑各部件的底座(1)、用于支撑半导体激光二极管(3)的激光二极管固定支架(2)和用于支撑部分反射镜(8)的输出镜固定支架(10)。

4.根据权利要求3所述的激光原子钟，其特征在于所述底座(1)、激光二极管固定支架(2)和输出镜固定支架(10)用低温度系数材料制成。

5.根据权利要求4所述的激光原子钟，其特征在于所述低温度系数材料选自低膨胀合金、低膨胀陶瓷或低膨胀石英。

6.根据权利要求1所述的激光原子钟，其特征在于半导体激光二极管(3)作为增益光源，其外侧端面镀高反膜，内侧面镀增透膜。

7.根据权利要求1所述的激光原子钟，其特征在于调整激光原子钟谐振腔的整体物理腔长使纵模频率间隔的倍数等于所述工作原子基态超精细结构的频率差。

8.根据权利要求1所述的激光原子钟，其特征在于所述原子滤光器(4)包括沿光路轴向顺序放置的加以轴向磁场的原子气室和检偏器。

9.根据权利要求1所述的激光原子钟，其特征在于部分反射镜(8)连接压电陶瓷和反馈电路以调整腔长和补偿腔长的漂移。

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