CN110515290B - 一种提高光抽运铯束原子钟性能的激光稳频方法与光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高光抽运铯束原子钟性能的激光稳频方法与光学系统。本方法为：将检测出的光抽运原子钟的荧光信号分为两路，其中一路荧光信号经反馈纠偏回路输入到光抽运原子钟的微波腔；另一路荧光信号输入激光器稳频模块的光谱输入端，所述激光器输出激光依次通过隔离器(1)、延迟波片(6)和偏振分光镜(7)，分成两束，一束作为检测光进入光抽运原子钟检测区，另一束通过透镜聚焦进入声光调制器(9)进行移频输出后再由透镜准直成平行光，作为抽运光射入光抽运原子钟抽运区。本发明只增加了一个AOM器件，减少了两套复杂的饱和吸收谱光路和一台激光器，既降低了整钟的系统复杂度，也降低了成本，同时增加了系统可靠性。

Description

一种提高光抽运铯束原子钟性能的激光稳频方法与光学系统

技术领域

本发明涉及基于原子束的微波段频率标准领域，具体为一种提高光抽运铯束原子钟性能的激光稳频方法与光学系统。

背景技术

原子钟的本质是输出一个稳定度极高的频率，光抽运铯束原子钟的基本原理为：在一个真空磁屏蔽铯束管里面，铯原子从高温加热的铯炉里喷出来，通过准直器形成原子束，原子束依次通过激光抽运区、微波作用区、激光检测区，然后探测检测区的荧光信号强度变化，通过调制解调的方式，得到原子钟频率的偏离信息，最后利用伺服控制电路进行反馈纠偏，实现钟频率的闭环锁定，获得稳定度极高的钟频率输出。整机结构示意图，如图1(a)所示。

在光抽运铯钟系统里，要求抽运激光和检测激光都进行激光稳频，即把它们的频率分别锁定到特定的铯原子能级跃迁谱线上，如图1(b)所示，并且要求激光系统能够持续几年的连续稳频工作。两个激光的频率和功率稳定度，以及光学系统的稳定性，通过影响检测区荧光信号的信噪比等，最终影响原子钟的性能。

传统光抽运铯钟里，一般采用两台激光器，在整机光学系统里，搭建两套饱和吸收谱光路系统，然后分别进行激光稳频。然而在研究过程中，发现存在三个问题：1、简单的饱和吸收谱系统对环境温度和磁场等因素敏感，若要克服环境的影响，就需要增加饱和吸收谱系统的控温措施和磁屏蔽结构等，导致整机的系统复杂度增加，降低系统可靠性；2、饱和吸收谱有六个峰，如图3所示，谱峰多间隔近，信号强度差别很大，很容易受环境振动影响导致抽运光和检测光跳锁或失锁，另外，该光学系统结构也不容易进行两台激光器的功率控制；3、在铯钟结构里，理论上原子束和激光是设计成垂直相互作用，不存在一级多普勒频移，然而实际上难免会有所偏差，激光和原子束不是完全垂直，导致通过饱和吸收谱稳频的激光和原子束不能保证达到最佳的共振效果，影响激光检测效率，最终影响铯钟的性能。

发明内容

本发明克服了光抽运铯束原子钟系统里，基于饱和吸收谱进行激光稳频的不足，提供了一种能提高光抽运铯束频标性能的激光稳频方法和整机的光学系统结构，本发明具有结构简单、不受环境影响的特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案概括来讲：

1、采用原子束荧光谱(以下简称束谱)进行检测激光稳频；

2、采用声光调制器(Acoustic-optical modulator，AOM)移频技术获得抽运激光的光学系统结构。

本发明的技术方案为：

一种提高光抽运原子钟性能的激光稳频方法，其特征在于，将检测出的光抽运原子钟的荧光信号分为两路，其中一路荧光信号经反馈纠偏回路输入到光抽运原子钟的微波腔，用于对光抽运原子钟进行反馈纠偏；另一路荧光信号输入激光器稳频模块的光谱输入端，所述激光器输出激光依次通过隔离器1、延迟波片6和偏振分光镜7，分成两束，一束作为检测光进入光抽运原子钟检测区，另一束通过透镜聚焦进入声光调制器9进行移频输出后再由透镜准直成平行光，然后将该平行光作为抽运光射入光抽运原子钟抽运区。

进一步的，抽运光的功率正比于施加在声光调制器9上的用于移频的射频信号的功率，用于实现抽运光功率控制。

进一步的，声光调制器9将输入光信号向低移频251MHz±3MHz。

一种提高光抽运原子钟性能的激光稳频光学系统，其特征在于，包括一台激光器，激光器稳频模块的光谱输入端用于与光抽运原子钟检测区的的荧光信号输出端连接；所述激光器输出激光依次通过隔离器1、延迟波片6和偏振分光镜7，分成两束，一束作为检测光进入光抽运原子钟检测区，另一束通过透镜聚焦进入声光调制器9进行移频输出后再由透镜准直成平行光，然后将该平行光作为抽运光射入光抽运原子钟抽运区。

进一步的，声光调制器9将输入光信号向低移频251MHz±3MHz；所述延迟波片6为液晶延迟波片，用于实现检测光功率控制。

进一步的，所述激光器包括温度控制模块、电流控制模块和稳频模块；所述稳频模块产生的正弦波调制信号经过加法器后输入到电流控制模块的电流调节输入端，实现激光频率的调制产生荧光束谱信号并输入到激光器稳频模块光谱输入端；稳频模块对该荧光束谱信号经过放大、带通滤波后与参考信号相乘，再经过一个低通滤波器，滤出荧光束谱信号的一次微分信号后输入PID单元，PID单元将计算得到的激光频率的反馈纠偏信号经过加法器输入到电流模块，实现激光频率的锁定；其中，参考信号与荧光束谱信号中的调制信号同频同相。

进一步的，所述光抽运原子钟为基于原子束的微波原子钟。

进一步的，所述光抽运原子钟为光抽运铷束原子钟、磁选态光检测原子钟或光抽运铯束原子钟。

一种光抽运铯束原子钟，包括铯束管，铯束管的荧光信号输出端与铯束管的反馈纠偏回路连接，其特征在于，铯束管的荧光信号输出端与激光器稳频模块的光谱输入端连接；所述激光器输出激光依次通过隔离器1、延迟波片6和偏振分光镜7，分成两束，一束作为检测光进入铯束管检测区，另一束通过透镜聚焦进入声光调制器9进行移频输出后再由透镜准直成平行光，然后将该平行光作为抽运光射入铯束管抽运区。

进一步的，荧光信号输出端经过功率分配器分成两路，一路与所述微波伺服控制模块连接，另一路与所述激光器稳频模块的光谱输入端连接；所述反馈纠偏回路包括一微波伺服控制模块、压控晶振模块和倍频综合模块；其中，铯束管的荧光信号输出端依次经所述微波伺服控制模块、压控晶振模块、倍频综合模块与铯束管连接。

事实上，铯束管内检测区的荧光信号，既包含了钟频率的偏离信息，也包含了检测光频率的偏离信息。具体来说，原子束在微波区与微波作用之后，进入检测区，与检测光发生共振相互作用，产生荧光，并通过光电探测器转换成电压信号。当扫描微波区的微波频率时，该荧光信号就是Ramsey谱线，用于原子钟频率的纠偏锁定；若扫描检测光的频率，该荧光信号就是束谱，激光频率与铯原子跃迁能级(基态F＝4到激发态F’＝5)完全共振的时候，荧光信号达到最强，整个束谱信号跟激光频率的失谐呈现洛仑兹线型，如图3所示。

本发明就是通过一次微分稳频的方式，把检测光频率直接锁定到束谱峰值位置。

对于抽运光，由于束谱中的抽运光锁定谱线信噪比不高，故不能进行类似的束谱稳频，不过，考虑到抽运光的频率比检测光频率理论上固定低251MHz，本发明中采用AOM移频的方式，把检测光分出一束来，通过AOM移频251MHz，作为抽运光，只要检测光稳频之后，由于AOM移频频率固定，抽运光频率自然跟着锁定。

本发明的光抽运铯束原子钟里的整个激光系统可以总结为：单激光束谱稳频加AOM移频模式，如图2所示。这样做的有益效果是：

1)只增加了一个AOM器件，相比较传统的饱和吸收谱稳频方法，减少了两套复杂的饱和吸收谱光路和一台激光器，既降低了整钟的系统复杂度，也降低了成本，同时增加了系统可靠性；

2)采用束谱稳频之后，由于束谱来源于铯束管内部的真空环境，信号非常稳定，对外界的环境干扰不敏感，同时，如图3所示，锁定检测光的束谱信号信噪比高，与相邻谱线距离大，不易失锁，实验证明，当激光器锁在束谱上之后，不管测量多长时间，甚至人为增加振动干扰，激光器都不会失锁，很好的满足激光器的长期连续稳频工作要求；

3)当检测光锁定到束谱峰值位置后，激光频率就时刻保持着和原子束呈完全共振状态，就算光学系统受环境温度变化影响，由于热胀冷缩导致检测光与原子束不是理想的完全垂直，检测光也依然维持着最佳的检测效率，有利于保持原子钟性能的稳定；

4)可以在实现检测光和抽运光频率锁定的同时，很方便的进行它们各自的功率控制，且不增加额外光学器件；

5)通过实验数据测试，在同样光强、炉温等其他条件下，采用传统双激光加饱和吸收谱稳频模式，获得的Ramsey信号信噪比约为6000，而改为单激光束谱稳频加AOM移频模式后，Ramsey信号的信噪比能达到18000左右，相应的光抽运铯原子钟的频率稳定度，提高了约3倍。

附图说明

图1是传统光抽运铯钟的基本结构图及其相关原子能级图；

(a)传统光抽运铯钟的基本结构图，(b)铯钟的相关原子能级图；

图2是本发明提供的高性能光抽运铯钟结构图；

图3是铯原子荧光束谱信号与饱和吸收谱信号的对比；

图4是激光器温度控制、电流控制及稳频电路实现框图；

图5是频分复用模式下光抽运铯钟的闭环反馈与激光稳频的闭环反馈的电路实现框图。

其中，1-光隔离器；2-高透低反镜；3-全反镜；4-半透半反镜；5-光电管；6-液晶延迟波片；7-偏振分光镜；8-透镜；9-声光调制器(AOM)。

具体实施方式

下面结合附图和在光抽运铯束原子钟里的具体实施实例对本发明进一步说明，但附图中的实例不构成对本发明的任何限制。

在光抽运铯钟系统里，铯束管内部为真空环境，用钛泵维持高真空度；铯炉经过加热到100摄氏度左右，铯原子以215m/s的速度(最概然速度)从准直器口喷出，形成铯原子束；铯原子束一开始均匀分布在基态F＝3和F＝4两个子能级上，经过抽运区之后，全部被激光抽运到基态F＝3子能级上；然后进入Ramsey分离振荡场，也就是微波区，微波频率由10MHz钟频率进行倍频综合得到，当铯原子与微波相互作用之后，部分原子会跃迁到基态F＝4子能级上，跃迁概率与微波频率的失谐有关，微波频率失谐越小，即越接近基态F＝3到F＝4之间的跃迁频率时，回到基态F＝4子能级的原子越多；然后原子束进入检测区，只有处于F＝4子能级的原子能与检测光发生相互作用，产生荧光，通过分析荧光的强度，就可以获得微波频率的偏离信息，即钟频率的偏离信息。

在传统光抽运铯钟系统里，采用两个独立的饱和吸收谱光路，分别对抽运光和检测光进行频率锁定，如图1所示。每套饱和吸收谱系统都外置于铯束管之外，包含激光器、隔离器、高透低反镜、全反镜、半透半反镜、光电管等多个光学元件，体积大，复杂度高，获得的饱和吸收谱易受环境影响。

在本发明中，我们把两套饱和吸收谱系统，替换成一台激光器加一个AOM，整个原子钟系统结构如图2所示，其中反馈纠偏回路电路系统结构与图1所示的传统光抽运铯钟结构相同，均包含压控晶振(10MHz)、倍频综合、微波伺服三个电路模块；压控晶振输出的频率经过倍频综合模块，变成约9.192GHz的微波，进入铯束管；然后在铯束管检测区获得的荧光信号，包含了微波频率的偏离信息，也就等同于压控晶振的偏离信息；把荧光信号输出到微波伺服模块，获得压控晶振的反馈纠偏信号，输出到压控晶振的压控输入端，实现压控晶振频率的闭环锁定。与传统光抽运铯钟结构不同的地方在于光学系统结构：激光器输出激光依次通过隔离器1、液晶延迟波片6(可以实现电控其透射光的偏振态，比如美国Thorlabs公司的液晶可变延迟器：型号LCC1413-C、LCC1411-C)，进入偏振分光镜7，分成两束，反射的那一束作为检测光，约2mW，进入铯束管检测区，透射的那一束通过透镜聚焦，进入声光调制器(AOM)9，向低移频251MHz(实际过程中可能偏差正负3MHz左右，受检测光和抽运光的平行程度决定)，然后再由透镜8准直成平行光，作为抽运光，约1mW，经全反镜3射入铯束管抽运区。新的结构，将荧光信号经过功率分配器，分成两路，一路给微波伺服控制模块，与传统结构相同，另一路输入给激光器稳频模块的光谱输入端，这样做之后，除了光学系统更简单之外，锁定检测光频率的荧光束谱，来自于真空的铯束管内部，不受外界环境影响，稳定性高，且束谱中心频率就是检测光需要锁定的频率。

饱和吸收谱和束谱的对比，如图3所示。可以看到，束谱的信噪比高，锁定效果更好；相邻谱峰的距离大，不易锁错峰或失锁。

检测光的稳频，其电路实现原理与传统结构的饱和吸收谱稳频一致，都采用一次微分的方式。如图4所示，激光器电路包含温度控制模块、电流控制模块和稳频模块三个部分。激光频率受其工作电流影响，电调率约为800MHz/mA。稳频模块产生正弦波调制信号，经过加法器之后输入到电流控制模块的电流调节输入端(SMA接口)，实现激光频率的调制，调制频率约为19kHz，调制深度约为3uA，即激光频率以19kHz的频率，在2.4MHz范围内来回波动；由调制激光产生的荧光束谱信号，将带有调制信号成分，将该荧光束谱信号接入到激光器稳频模块光谱输入端(SMA接口)，经过放大、带通滤波(中心频率为19kHz左右)，然后与参考信号相乘(参考信号与荧光束谱信号中的调制信号同频同相)，再经过一个低通滤波器，滤出荧光束谱信号的一次微分信号，即误差信号，经过PID运算处理之后，得到激光频率的反馈纠偏信号，经过加法器输入到电流模块，实现激光频率的锁定。整个激光稳频过程都靠单片机实现自动化控制。

由于在光抽运铯钟系统里，钟频率的反馈纠偏，也是利用检测区的荧光信号，通过给微波频率加上一个方波调制，然后对荧光信号进行同步检波，再通过低通滤波器，获得钟频率的反馈纠偏信号；电路实现上与激光稳频的区别不大，区别在于一个是方波调制，一个是正弦波调制。为了避免钟频率的闭环反馈与检测光稳频之间的互相干扰，本发明里采用频分复用的方式，即检测光采用约19kHz的高频调制，微波频率采用约19Hz的低频调制(可以不限定为19Hz，只要保证激光调制频率比微波调制频率高2～3个数量级即可)，两者相差近3个数量级，在频谱上完全分开，可以利用不同的带通滤波器，获得各自的频率纠偏信号，具体电路系统框图如图5所示。

新的光学系统，很容易在实现激光稳频的同时，进行抽运光和检测光的功率控制，本质上是要对抽运区和检测区的荧光信号强度进行控制。对于抽运光而言，其功率正比于施加在AOM上的251MHz射频信号的功率，所以，可以通过反馈调节射频信号的功率，实现抽运光功率的稳定控制。对于检测光而言，可以通过液晶延迟波片和偏振分光镜的组合，来实现检测光功率的反馈调节。

经过本发明的改进之后，光抽运铯束原子钟的稳定度，从1.2E-12@100s提高到了3.5E-13@100s，天稳达到2E-14以内，总体性能提到了约3倍。

最后，需要指出，本发明并不限于光抽运铯束原子钟系统，也可以是诸如光抽运铷束原子钟、磁选态光检测原子钟等基于原子束的微波原子钟系统，都可以通过本发明，提高激光器的稳频效果，实现钟性能的提升。

Claims (10)

1.一种提高光抽运原子钟性能的激光稳频方法，其特征在于，将检测出的光抽运原子钟的荧光信号分为两路，其中一路荧光信号经反馈纠偏回路输入到光抽运原子钟的微波腔，用于对光抽运原子钟进行反馈纠偏；另一路荧光信号输入激光器稳频模块的光谱输入端，所述激光器输出激光依次通过隔离器(1)、延迟波片(6)和偏振分光镜(7)，分成两束，一束作为检测光进入光抽运原子钟检测区，另一束通过透镜聚焦进入声光调制器(9)进行移频输出后再由透镜准直成平行光，然后将该平行光作为抽运光射入光抽运原子钟抽运区。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，抽运光的功率正比于施加在声光调制器(9)上的用于移频的射频信号的功率。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，声光调制器(9)将输入光信号向低移频251MHz±3MHz。

4.一种提高光抽运原子钟性能的激光稳频光学系统，其特征在于，包括一台激光器，激光器稳频模块的光谱输入端用于与光抽运原子钟检测区的荧光信号输出端连接；所述激光器输出激光依次通过隔离器(1)、延迟波片(6)和偏振分光镜(7)，分成两束，一束作为检测光进入光抽运原子钟检测区，另一束通过透镜聚焦进入声光调制器(9)进行移频输出后再由透镜准直成平行光，然后将该平行光作为抽运光射入光抽运原子钟抽运区。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，声光调制器(9)将输入光信号向低移频251MHz±3MHz；所述延迟波片(6)为液晶延迟波片。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述激光器包括温度控制模块、电流控制模块和稳频模块；所述稳频模块产生的正弦波调制信号经过加法器后输入到电流控制模块的电流调节输入端，实现激光频率的调制产生荧光束谱信号并输入到激光器稳频模块光谱输入端；稳频模块对该荧光束谱信号经过放大、带通滤波后与参考信号相乘，再经过一个低通滤波器，滤出荧光束谱信号的一次微分信号后输入PID单元，PID单元将计算得到的激光频率的反馈纠偏信号经过加法器输入到电流模块，实现激光频率的锁定；其中，参考信号与荧光束谱信号中的调制信号同频同相。

7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述光抽运原子钟为基于原子束的微波原子钟。

8.如权利要求4或7所述的系统，其特征在于，所述光抽运原子钟为光抽运铷束原子钟、磁选态光检测原子钟或光抽运铯束原子钟。

9.一种光抽运铯束原子钟，包括铯束管，铯束管的荧光信号输出端与铯束管的反馈纠偏回路连接，其特征在于，铯束管的荧光信号输出端与激光器稳频模块的光谱输入端连接；所述激光器输出激光依次通过隔离器(1)、延迟波片(6)和偏振分光镜(7)，分成两束，一束作为检测光进入铯束管检测区，另一束通过透镜聚焦进入声光调制器(9)进行移频输出后再由透镜准直成平行光，然后将该平行光作为抽运光射入铯束管抽运区。

10.如权利要求9所述的光抽运铯束原子钟，其特征在于，所述反馈纠偏回路包括一微波伺服控制模块、压控晶振模块和倍频综合模块；荧光信号输出端经过功率分配器分成两路，一路与所述微波伺服控制模块连接，另一路与所述激光器稳频模块的光谱输入端连接；其中，铯束管的荧光信号输出端依次经所述微波伺服控制模块、压控晶振模块、倍频综合模块与铯束管连接。

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