CN110488594A

CN110488594A - 基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟及其制备方法

Info

Publication number: CN110488594A
Application number: CN201910738468.3A
Authority: CN
Inventors: 商浩森; 郭涛; 洪叶龙; 陈景标
Original assignee: Zhejiang Faraday Laser Technology Co ltd
Current assignee: Zhejiang Faraday Laser Technology Co ltd; Peking University
Priority date: 2019-08-12
Filing date: 2019-08-12
Publication date: 2019-11-22

Abstract

本发明公布了一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟及其制备方法，采用高频率稳定度的调制转移谱稳频的窄线宽激光作为抽运激光和探测激光，包括：窄线宽激光器；第一～第五半波片；第一～第五偏振分光棱镜；相位调制器；带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡；高速光电探测器；激光鉴相及高速伺服控制电路；激光驱动电源；声光调制器；铯原子束管；荧光探测器；微波信号源；钟鉴相及伺服控制电路。本发明提供的高性能的光抽运小铯钟光显著提高钟跃迁谱线信噪比和钟频率稳定度，降低光频移的影响。

Description

基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟及其制备方法

技术领域

本发明属于微波原子钟及微波量子频率标准技术领域，尤其涉及一种采用调制转移谱稳频的高性能窄线宽激光作为抽运激光和探测激光的光抽运小铯钟微波量子频率标准及其制备方法。

背景技术

作为一级频率标准，小型化铯原子微波钟(小铯钟)已经被广泛应用在守时授时、定位导航、时间同步、深空探测等领域，其在量子频率标准技术领域具有举足轻重的地位。频率稳定度是衡量原子钟性能重要甚至最重要的指标，对于面向应用的光抽运小铯钟更是如此，光抽运小铯钟的频率稳定度在很大程度上决定于抽运激光和探测激光的性能。

目前国际上通常采用DBR和DFB等线宽较宽的激光器，并结合饱和吸收谱或极化谱等稳频技术，将稳频后的激光作为光抽运小铯钟的抽运激光与探测激光，但这种线宽较宽的达到几兆赫兹的激光器会给钟系统引入频率噪声和衍生强度噪声，限制了钟跃迁谱线信噪比的提高。此外，饱和吸收谱稳频技术通常需要对激光器进行内调制，这样也会引入额外的频率噪声，且稳频激光频率稳定度受限于反馈环路带宽以及剩余多普勒背景；极化谱稳频技术也存在锁定参考零点随光功率等参数变化的问题，同时该稳频技术也受限于反馈环路带宽；所以目前通常采用的激光器和稳频技术限制了光抽运小铯钟频率稳定度和频率准确度指标的进一步提升。

发明内容

为了突破光抽运小铯钟信噪比、频率稳定度和频率准确度受限于稳频激光线宽和频率稳定度的瓶颈，本发明采用高频率稳定度的调制转移谱稳频的窄线宽激光作为光抽运小铯钟的抽运激光和探测激光，以提高钟跃迁谱线的信噪比，从而实现了高频率稳定度高性能的光抽运小铯钟，并提供一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，包括：窄线宽激光器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第五半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第四偏振分光棱镜、第五偏振分光棱镜、相位调制器、带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡、高速光电探测器、激光鉴相及高速伺服控制电路、激光驱动电源、声光调制器、铯原子束管、荧光探测器、微波信号源、钟鉴相及伺服控制电路。

窄线宽激光器依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；

第一偏振分光棱镜之后分为两路：激光稳频光路和铯原子束管光路；激光稳频光路为依次连接第二半波片和第二偏振分光棱镜；铯原子束管光路为依次连接第四半波片、第四偏振分光棱镜、第五半波片、第五偏振分光棱镜；

第二偏振分光棱镜之后分为两束：光强较强一束依次经第三半波片和相位调制器被第三偏振分光棱镜反射至带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡中；光强较弱一束依次经带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡和第三偏振分光棱镜，被高速光电探测器接收；

高速光电探测器信号输入至激光鉴相及高速伺服反馈控制电路，并依次连接激光驱动电源和相位调制器；

第五偏振分光棱镜之后分成两束：第一束经声光调制器移频输出-1级衍射光作为抽运激光；第二束输出作为探测激光；

抽运激光和探测激光与铯原子束管中的铯原子束流垂直相互作用，荧光信号由荧光探测器收集并依次连接钟鉴相及伺服控制电路和微波信号源；

由窄线宽激光器发出窄线宽激光，依次经第一半波片和第一偏振分光棱镜匹配调节分光功率并将激光分成两束，一束用于激光稳频光路，另一束用于铯原子束管光路。其中，用于激光稳频光路的激光，依次由第二半波片和第二偏振分光棱镜将激光分成光强不等的两束，光强较强的一束经相位调制后与带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡内的铯原子相互作用，光强较弱的一束与铯原子相互作用后被高速光电探测器接收，输入到激光鉴相及高速伺服控制电路中，产生的伺服信号用于控制激光驱动电源，从而实现高频率稳定度窄线宽激光。

用于铯原子束管光路的高频率稳定度窄线宽激光，依次由第四半波片和第四偏振分光棱镜分成两束，两束激光光强依次由第四半波片、第四偏振分光棱镜、第五半波片、第五偏振分光棱镜匹配调节，其中一束激光经声光调制器移频输出-1级衍射光，作为小铯钟系统的抽运激光，其频率对应铯原子6S_1/2F＝4–6P_3/2F’＝4跃迁，另一束输出作为小铯钟系统的探测激光，对应铯原子6S_1/2F＝4–6P_3/2F’＝5跃迁。由铯原子束管喷出准直铯原子束流，铯原子束流与抽运激光垂直相互作用，使处于6S_1/2F＝4态的铯原子全部被抽运至6S_1/2F＝3态，然后经过铯原子束管中的双作用区(Ramsey)微波谐振腔，由微波信号源产生对应铯原子基态跃迁频率的微波信号，经铯原子束管中的微波谐振腔馈入以激励铯原子，探测激光探测6S_1/2F＝4态的粒子数变化，经与铯原子相互作用后，由荧光探测器探测循环跃迁自发辐射荧光信号，得到钟跃迁谱线；在钟鉴相及伺服控制电路中对钟跃迁谱线进行调制解调，得到伺服信号并用于控制微波信号源的频率，由微波信号源输出高频率稳定度的钟信号，从而实现一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟。

进一步，带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡包括高磁导率磁屏蔽筒、加热材料、保温材料，以加热原子泡提供足够的饱和蒸气压并减小外界磁场和温度波动对量子参考谱线的影响。激光在与铯原子泡和铯原子束管中的原子相互作用前，利用光斑扩束器扩大光斑，以提高谱线信号信噪比。

进一步，激光鉴相及高速伺服控制电路用于射频调制信号的产生、误差信号解调滤波鉴相、高速伺服反馈控制等。伺服信号反馈至激光驱动电源和窄线宽激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现高速全带宽锁定，锁定的伺服信号反馈环路带宽远大于激光线宽。

窄线宽激光器可以是窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，也可以是其他窄线宽激光器。

相位调制器可以为声光调制器、电光调制器或激光相位调制器件。

本发明的另一个目的在于提出一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟的实现方法。

本发明的基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟的实现方法，具体包括以下步骤：

1)激光驱动电源驱动窄线宽激光器发出窄线宽激光，依次由第一半波片和第一偏振分光棱镜匹配调节分光功率并将激光分成两束，一束用于激光稳频光路，一束用于铯原子束管光路；

2)步骤1)中分束后其中的用于激光稳频光路的激光，依次由第二半波片和第二偏振分光棱镜将激光分成光强不等的两束，光强较强的一束作为泵浦激光，光强较弱的一束作为探测激光，两束激光(泵浦激光和探测激光)反向重合，与带磁屏蔽和加热保温材料铯原子泡内的铯原子相互作用，由高速光电探测器接收探测激光；

3)由激光鉴相及高速伺服控制电路产生调制信号驱动相位调制器，对泵浦激光进行相位调制，并将光电探测器信号输入至激光鉴相及高速伺服控制电路进行解调滤波鉴相，得到误差信号，该信号经高速伺服反馈电路反馈至激光驱动电源和激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现激光频率的高速全带宽锁定；

4)步骤1)中分束后其中的用于铯原子束管光路的激光，经第四偏振分光棱镜分成两束，两束激光的功率由第四半波片、第四偏振分光棱镜、第五半波片和第五偏振分光棱镜根据钟系统参数要求匹配调节，其中一束经声光调制器移频输出-1级衍射光作为抽运激光，其频率对应铯原子6S_1/2F＝4-6P_3/2F’＝4跃迁线，另一束作为探测激光，其频率对应铯原子6S_1/2F＝4-6P_3/2F’＝5跃迁线；

5)由铯原子束管喷射出高准直铯原子束流，并与探测激光垂直相互作用，由荧光探测器探测得到铯原子循环跃迁自发辐射荧光信号，然后再由抽运激光与铯原子束流垂直相互作用，将处于6S_1/2F＝4态的铯原子全部抽运至6S_1/2F＝3态。由微波信号源施加对应铯原子基态跃迁频率的微波信号，馈入铯原子束管中的微波谐振腔，扫描微波信号频率，荧光探测得到钟跃迁谱线信号；

6)由钟鉴相及伺服控制电路产生调制信号调制微波信号频率，并将得到的钟跃迁谱线输入至钟鉴相及伺服控制电路进行解调滤波鉴相，经伺服控制电路反馈控制微波信号源的频率，由微波信号源输出钟信号，从而实现基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟。

步骤1)中，采用干涉滤光片外腔半导体激光技术实现窄线宽激光或其他窄线宽半导体激光。

在步骤2)中，带磁屏蔽和加热保温材料的铯原子泡，加热材料可以是加热片，由外部温控电路驱动实现高精度温度控制。

步骤3)中，激光稳频方式采用快速相位调制的调制转移谱稳频技术，激光锁定反馈环路带宽远大于激光线宽。

在步骤5)中，微波信号可以由微波信号源直接产生，也可以由晶体振荡器经频率综合后产生。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟及其制备方法，首次将调制转移谱稳频的窄线宽激光运用到光抽运小铯钟中，作为抽运激光和探测激光，光抽运小铯钟具有独特的技术和性能优点，基于窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光技术、调制转移谱稳频技术、快速相位调制反馈技术，结合调制转移谱稳频激光的高频率稳定度、窄线宽的优点，几倍甚至数量级的提升光抽运小铯钟钟跃迁谱线的信噪比，降低光频移的影响，从而接近量级地提高钟频率稳定度和频率准确度，有望成为目前频率稳定度指标最好的光抽运小铯钟。同时，整套光抽运小铯钟系统只需要一套激光器便能同时产生两束用于抽运和探测的高性能窄线宽激光。该发明能够突破光抽运小铯钟受限于稳频激光线宽与频率稳定度的瓶颈，显著提高钟跃迁谱线信噪比和钟频率稳定度，降低光频移的影响，以此实现高性能的光抽运小铯钟。

附图说明

图1为本发明基于调制转移谱稳频的光抽运小铯钟实施例的结构示意图；

其中：1—调制转移谱稳频用的窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器、2—第一半波片、3—第一偏振分光棱镜、4—第二半波片、5—第二偏振分光棱镜、6—第三半波片、7—相位调制器、8—带磁屏蔽及加热保温材料原子泡、9—第三偏振分光棱镜、10—高速光电探测器、11—激光鉴相及高速伺服控制电路、12—激光驱动电源、13—第四半波片、14—第四偏振分光棱镜、15—第五半波片、16—第五偏振分光棱镜、17—声光调制器、18—铯原子束管、19—荧光探测器、20—微波信号源、21—钟鉴相及伺服控制电路。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1，本实施例的基于调制转移谱稳频的光抽运小铯钟包括：调制转移谱稳频用的窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器1、第一半波片2、第二半波片4、第三半波片6、第四半波片13、第五半波片15、第一偏振分光棱镜3、第二偏振分光棱镜5、第三偏振分光棱镜9、第四偏振分光棱镜14、第五偏振分光棱镜16、相位调制器7、带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡8、高速光电探测器10、激光鉴相及高速伺服控制电路11、激光驱动电源12、声光调制器17、铯原子束管18、荧光探测器19、微波信号源20、钟鉴相及伺服控制电路21。激光驱动电源12驱动窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器1发出窄线宽激光，经第一半波片2和第一偏振分光棱镜3将激光分成两束，一束用于激光稳频光路，一束用于铯原子束管光路。

用于激光稳频光路的窄线宽激光，由第二半波片4和第二偏振分光棱镜5将激光分成光强较弱和较强的两束，光强较强的一束经相位调制器8相位调制后与光强较弱的一束激光反向重合，并与带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡10中的铯原子相互作用，其中相位调制器8的驱动信号由激光鉴相及高速伺服控制电路11产生，作用后由高速光电探测器12收集光强较弱的一束激光，将探测器信号输入到激光鉴相及高速伺服控制电路11中进行解调滤波鉴相，得到误差信号，经激光鉴相及高速伺服控制电路11控制激光驱动电源12，得到高频率稳定度窄线宽激光。

稳频后的高频率稳定度窄线宽激光经第四半波片13和第四偏振分光棱镜14分成两束，一束作为探测激光，另一束经声光调调制17移频输出-1级衍射光作为抽运激光，两束激光的功率由第四半波片13、第四偏振分光棱镜14、第五半波片15和第五偏振分光棱镜16根据钟系统参数要求匹配调节。抽运激光和探测激光与由铯原子束管18喷出的准直铯原子束流相互作用，探测激光相互作用后由荧光探测器19收集自发辐射荧光信号，抽运激光将处于6S_1/2F＝4态的铯原子全部抽运至6S_1/2F＝3态，再由微波信号源20产生微波信号并馈入铯原子束管18中的铯原子束管中的微波谐振腔以激励铯原子，使其跃迁至6S_1/2F＝4态，扫描微波信号频率得到钟跃迁谱线，由钟鉴相及伺服控制电路21产生调制信号调制微波信号频率，并将钟跃迁谱线信号输入至钟鉴相及伺服控制电路21中进行解调滤波鉴相，得到的伺服信号经伺服控制电路反馈控制微波信号源20的频率，由微波信号源20输出高频率稳定度的钟信号，从而实现一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟。

具体地，在本发明实施例中的基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟的特征是采用了窄线宽激光器，并结合了调制转移稳频技术和快速相位调制反馈技术，本发明在此情形下与已有的光抽运小铯钟采用宽线宽激光器和激光稳频反馈技术有本质的区别。

本发明具体实施时，带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡包括高磁导率磁屏蔽筒、加热材料、保温材料，用于加热原子泡，提供足够的饱和蒸气压并减小外界磁场和温度波动对量子参考谱线的影响。

激光在与铯原子泡和铯原子束管中的原子相互作用前，利用光斑扩束器扩大光斑，以提高谱线信号信噪比。

激光鉴相及高速伺服控制电路包括射频调制信号的产生、误差信号解调滤波鉴相、高速伺服反馈控制等功能。伺服信号反馈至激光驱动电源和激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现高速全带宽锁定，锁定反馈环路带宽远大于激光线宽。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，其特征在于，采用窄线宽激光器，并结合调制转移谱稳频技术和快速相位调制反馈技术，将稳频后的单台高稳定度窄线宽激光同时输出作为光抽运小铯钟的抽运激光和探测激光，以此实现高性能的光抽运小铯钟；所述基于调制转移谱稳频的光抽运小铯钟包括：调制转移谱稳频用的窄线宽激光器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第五半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、第四偏振分光棱镜、第五偏振分光棱镜、相位调制器、带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡、高速光电探测器、激光鉴相及高速伺服控制电路、激光驱动电源、声光调制器、铯原子束管、荧光探测器、微波信号源、钟鉴相及伺服控制电路；

窄线宽激光器依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜之后分为两路：激光稳频光路和铯原子束管光路；

激光稳频光路是依次连接第二半波片和第二偏振分光棱镜；铯原子束管光路是依次连接第四半波片、第四偏振分光棱镜、第五半波片、第五偏振分光棱镜；

抽运激光和探测激光与铯原子束管中的铯原子束流垂直相互作用，荧光信号由荧光探测器收集并依次连接钟鉴相及伺服控制电路和微波信号源。

2.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，其特征是，由所述窄线宽激光器发出窄线宽激光，依次经第一半波片和第一偏振分光棱镜匹配调节分光功率并将激光分成两束，一束用于激光稳频光路，另一束用于铯原子束管光路；其中，用于激光稳频光路的激光，依次由第二半波片和第二偏振分光棱镜将激光分成光强不等的两束，光强较强的一束经相位调制后与带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡内的铯原子相互作用，光强较弱的一束与铯原子相互作用后被高速光电探测器接收，输入到激光鉴相及高速伺服控制电路中，产生的伺服信号用于控制激光驱动电源，从而实现高频率稳定度窄线宽激光。

3.如权利要求2所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，其特征是，用于铯原子束管光路的高频率稳定度窄线宽激光，依次由第四半波片和第四偏振分光棱镜分成两束，两束激光光强依次由第四半波片、第四偏振分光棱镜、第五半波片、第五偏振分光棱镜匹配调节，其中一束激光经声光调制器移频输出-1级衍射光，作为小铯钟系统的抽运激光，其频率对应铯原子6S_1/2 F＝4–6P_3/2 F’＝4跃迁，另一束输出作为小铯钟系统的探测激光，对应铯原子6S_1/2 F＝4–6P_3/2 F’＝5跃迁。

4.如权利要求3所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，其特征是，由铯原子束管喷出准直铯原子束流，铯原子束流与抽运激光垂直相互作用，使处于6S_1/2 F＝4态的铯原子全部被抽运至6S_1/2 F＝3态，然后经过铯原子束管中的双作用区微波谐振腔，由微波信号源产生对应铯原子基态跃迁频率的微波信号，经铯原子束管中的微波谐振腔馈入以激励铯原子，探测激光探测6S_1/2 F＝4态的粒子数变化，经与铯原子相互作用后，由荧光探测器探测循环跃迁自发辐射荧光信号，得到钟跃迁谱线；在钟鉴相及伺服控制电路中对钟跃迁谱线进行调制解调，得到伺服信号并用于控制微波信号源的频率，由微波信号源输出高频率稳定度的钟信号。

5.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，其特征是，带磁屏蔽及加热保温材料铯原子泡还包括高磁导率磁屏蔽筒、加热材料、保温材料，用于加热铯原子泡。

6.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，其特征是，激光在与铯原子泡和铯原子束管中的原子相互作用前，通过利用光斑扩束器扩大光斑，提高谱线信号信噪比。

7.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，其特征是，伺服信号反馈至激光驱动电源和窄线宽激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现高速全带宽锁定，锁定的伺服信号反馈环路带宽远大于激光线宽。

8.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟，其特征是，窄线宽激光器为窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器；和/或，相位调制器为声光调制器、电光调制器或激光相位调制器件。

9.一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟的实现方法，包括以下步骤：

2)步骤1)中分束后其中用于激光稳频光路的激光，依次由第二半波片和第二偏振分光棱镜将激光分成光强不等的两束，光强较强的一束作为泵浦激光，光强较弱的一束作为探测激光；泵浦激光和探测激光反向重合，与带磁屏蔽和加热保温材料铯原子泡内的铯原子相互作用，由高速光电探测器接收探测激光；

4)步骤1)中分束后其中用于铯原子束管光路的激光，经第四偏振分光棱镜分成两束，

两束激光的功率由第四半波片、第四偏振分光棱镜、第五半波片和第五偏振分光棱镜根据钟系统参数要求匹配调节，其中一束经声光调制器移频输出-1级衍射光作为抽运激光；

另一束作为探测激光；

5)由铯原子束管喷射出高准直铯原子束流，并与探测激光垂直相互作用，由荧光探测器探测得到铯原子循环跃迁自发辐射荧光信号，然后再由抽运激光与铯原子束流垂直相互作用，将铯原子全部进行抽运；由微波信号源施加对应铯原子基态跃迁频率的微波信号，

馈入铯原子束管中的微波谐振腔，扫描微波信号频率，荧光探测得到钟跃迁谱线信号；

6)由钟鉴相及伺服控制电路产生调制信号调制微波信号频率，并将得到的钟跃迁谱线输入至钟鉴相及伺服控制电路进行解调滤波鉴相，经伺服控制电路反馈控制微波信号源的频率，由微波信号源输出钟信号；

通过上述步骤，实现基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟。

10.如权利要求9所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运小铯钟的实现方法，其特征是，步骤1)中，采用干涉滤光片外腔半导体激光技术实现窄线宽激光或其他窄线宽半导体激光；步骤2)中，带磁屏蔽和加热保温材料的铯原子泡的加热材料是加热片，由外部温控电路驱动实现高精度温度控制；步骤3)中，激光稳频方式采用快速相位调制的调制转移谱稳频技术，激光锁定反馈环路带宽远大于激光线宽；和/或，步骤5)中，微波信号由微波信号源直接产生，或由晶体振荡器经频率综合后产生。