CN110768097A - 基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟及其制备方法，包括窄线宽激光器、扩束器、半波片、偏振分光棱镜、相位调制器、用于激光稳频的铷原子泡、高速光电探测器、混频器、高速伺服反馈电路、射频信号源、激光驱动电源、凸透镜、声光调制器、用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡、晶振频综和控制电路部分；由射频信号源产生调制信号，输入相位调制器对泵浦激光进行相位调制，同时产生解调信号与来自光电探测器的信号进行混频解调，得到误差信号，再经高速伺服反馈电路控制激光驱动电源，实现基于调制转移谱的高稳定度窄线宽激光。将稳频后的激光作为光抽运铷原子钟的抽运激光，得到高性能的光抽运铷原子钟。

Description

基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟及其制备方法

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，采用调制转移谱稳频的高性能窄线宽激光作为光抽运铷原子钟的抽运激光和探测激光，以实现一种高性能的光抽运铷原子钟。

背景技术

铷原子频标虽然只能是一种二级频标，但其量子部分的结构十分简单，便于制作和大批量生产，便于小型化且价格低廉，因此虽然它只能作为二级频标，但却具有广泛的应用。频率稳定度是衡量原子钟性能最重要的指标，因此基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟的频率稳定度也是其最重要的指标之一，其中抽运激光和探测激光的性能在很大程度上决定了其频率稳定度，因而提升抽运激光和探测激光的性能就能极大的提升铷原子钟的指标。

目前国际上通常采用线宽较宽的激光器，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激光抽运铷原子钟的抽运激光与探测激光，但线宽较宽的激光器会给钟系统引入频率噪声，制约了钟跃迁谱线信噪比的提高。此外，饱和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，且稳频激光稳定度受限于反馈环路带宽；极化谱稳频技术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激光抽运铷原子钟稳定度指标的进一步提升。

发明内容

为了突破激光抽运铷原子钟信噪比和稳定度受限于激光线宽和稳定度的瓶颈，本发明采用使用基于调制转移谱稳频的窄线宽激光作为光抽运铷原子钟的抽运激光，以提高钟跃迁谱线的信噪比，从而实现高稳定度高性能的光抽运铷原子钟，进而提供了一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟的制备方法。

本发明提供一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟。调制转移光谱技术是一种激光外调制光谱技术，通过非线性介质的四波混频作用，将信号从调制光束向另一束未进行调制的光束转移的光谱技术。由于调制转移谱具有高信噪比的特性，相比于饱和吸收谱或极化谱等稳频技术可更好地降低激光频率噪声。将稳频后的激光作为光抽运铷原子钟的抽运激光，可以突破光抽运铷原子钟信噪比和稳定度受限于激光线宽和稳定度的瓶颈。

本发明中，基于调制转移谱的抽运激光的实现为由射频信号源产生调制信号，输入相位调制器对抽运激光进行相位调制，同时产生解调信号与来自光电探测器的信号在混频器中进行混频解调，得到误差信号。

本发明提供的基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟包括：窄线宽激光器、光斑扩束器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、相位调制器、用于激光稳频的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料)、高速光电探测器、光电探测器、混频器、高速伺服反馈电路、射频信号源、激光驱动电源、声光调制器、用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料及微波腔)、晶振频综及控制电路部分。

窄线宽激光器连接第一光斑扩束器，第一光斑扩束器随后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；之后分成两路，其中一路用做激光稳频光路，另一路用于获得钟跃迁谱线光路。用于激光稳频光路的激光依次连接第二半波片和第二偏振分光棱镜被分为光强不等的两路，光强较强的一路连接第三半波片而后连接相位调制器，相位调制器连接射频信号源，之后连接第四半波片及第三偏振分光棱镜，随后连接用于激光稳频的铷原子泡，光强较弱的探测光也经此原子泡进入高速光电探测器，混频器连接射频信号源。而后高速光电探测器随后依次连接混频器，高速伺服反馈电路，激光驱动电源，完成激光频率稳定系统。另一路用于获得钟跃迁谱线的激光连接声光调制器，进入用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料及微波腔)进行抽运，随后通过光电探测器进行探测获得钟跃迁谱线，用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料及微波腔)连接晶振频综及控制电路部分。

上述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟在工作时，由窄线宽激光器发出窄线宽激光，经第一光斑扩束器扩大光斑后，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，一束用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡光路。其中，用于激光稳频光路的激光，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器调制后照射进用于激光稳频的铷原子泡中，光强较弱的一束与用于激光稳频的铷原子泡中的铷原子相互作用后被高速光电探测接收，对高速光电探测器信号进行调制解调，得到误差信号，经高速伺服反馈电路控制激光驱动电源，从而实现高稳定度窄线宽激光。

另一路用于获得钟跃迁谱线的激光连接声光调制器进行移频，打入用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料及微波腔)进行抽运，微波信号经微波谐振腔馈入激励经过抽运光作用的铷原子，经过微波信号作用后得到钟跃迁谱线并通过光电探测器进行探测，将钟跃迁谱线调制解调并反馈控制晶振，从而得到高稳定度的钟信号输出，从而实现一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟。

进一步，第三半波片用于调节泵浦光的偏振方向使其与相位调制晶体主轴方向一致，以减小剩余幅度调制的影响。第四半波片用于调节泵浦光的偏振方向，使其经过第三偏振分光棱镜完全反射至原子泡中。

进一步，射频信号源同时产生调制信号和解调信号，调制信号输入到相位调制器中，解调信号输入到混频器中与来自高速光电探测器的信号进行混频，得到误差信号，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。

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。

激光驱动电源、射频信号源、铷原子泡温控电路、高速伺服反馈电路、晶振频综及控制电路可以为分立电路器件，也可以为集成电路器件。

光斑扩束器可以为分立凹凸透镜组合成的光斑扩束器，也可以为凹凸透镜集合成的扩束器件。

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铷原子钟的制备方法。

本发明的基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟的实现方法，具体包括以下步骤：

1)激光器发出窄线宽激光，经第一光斑扩束器扩大光斑后，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，一束用于获得钟跃迁谱线光路；

2)用于激光稳频光路的激光，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，两束激光反向重合，与用于激光稳频的铷原子泡相互作用，高速光电探测器接收探测激光；

3)由射频信号源产生调制信号，输入相位调制器对泵浦激光进行相位调制，同时产生解调信号与来自光电探测器的信号在混频器中进行混频解调，得到误差信号；

4)产生的误差信号经过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；

5)稳频的窄线宽激光经过声光调制器后打入用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡中进行抽运；

6)微波信号经微波谐振腔馈入激励铷原子，通过光电探测器探测从用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡中透射的激光信号，得到钟跃迁谱线，将钟跃迁谱线调制解调并反馈控制晶振频率，实现基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟；

在步骤1)中，激光器可以是窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器。

在步骤2)中，用于激光稳频和获得钟跃迁信号的铷原子泡，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。

本发明特有的技术和性能优点：

本发明创新地将调制转移谱稳频的窄线宽激光运用到光抽运铷原子钟中，作为抽运激光和探测激光，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稳定度、窄线宽的优点，几倍甚至数量级的提升光抽运铷原子钟的钟跃迁谱线的信噪比，从而接近量级地提高钟稳定度，有望成为国际上稳定度指标最好的激光抽运铷原子钟。该发明能够突破光抽运铷原子钟受限于稳频激光线宽与稳定度的瓶颈，显著提高钟跃迁谱线信噪比和钟稳定度，以此实现高性能的光抽运铷原子钟。

附图说明

图1为本发明基于调制转移谱稳频的光抽运铷原子钟实施例的结构示意图；

其中：1—窄线宽外腔半导体半导体激光器、2—光斑扩束器、3—第一半波片、4—第一偏振分光棱镜、5—第二半波片、6—第二偏振分光棱镜、7—第三半波片、8—相位调制器、9—第四半波片、10—用于激光稳频的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料)、11—第三偏振分光棱镜、12—高速光电探测器、13—混频器、14—高速伺服反馈电路、15—射频信号源、16—激光驱动电源、17—声光调制器、18—用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料及微波腔)、19—光电探测器、20—晶振频综及控制电路部分；其中实线为光路部分，虚线部分为电路部分。

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铷原子钟包括：窄线宽激光器1、光斑扩束器2、第一半波片3、第二半波片5、第三半波片7、第四半波片9、第一偏振分光棱镜4、第二偏振分光棱镜6、第三偏振分光棱镜11、相位调制器8、用于激光稳频的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料)10、高速光电探测器12、混频器13、高速伺服反馈电路14、射频信号源15、激光驱动电源16、声光调制器17、用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料及微波腔)18、光电探测器19、晶振频综及控制电路部分20。由窄线宽激光器1发出窄线宽激光，经第一光斑扩束器2扩大光斑后，由第一半波片3和第一偏振分光棱镜4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，一束用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡。用于激光稳频光路的激光由第二半波片5和第二偏振分光棱镜6将激光分成光强不等的两束，光强较强的一束经相位调制器8相位调制后与用于激光稳频的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料)10中的铷原子相互作用，调制信号由射频信号源15产生，光强较弱的一束与铷原子相互作用后被高速光电探测12接收。第三半波片7用于调节泵浦光的偏振方向使其与相位调制器8的主轴方向一致，第四半波片9用于调节泵浦光的偏振方向使其经过第三偏振分光棱镜11完全反射进入铷原子泡10中。探测器信号输入到混频器13中，解调信号由射频信号源15产生，得到误差信号，经高速伺服反馈电路14控制激光驱动电源16，实现高稳定度窄线宽激光。

另一路稳频后的激光连接声光调制器17进行移频，打入用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料及微波腔)18对其中的铷原子进行抽运，晶振频综及控制电路部分20中产生的微波信号经微波谐振腔馈入激励经过抽运光作用的铷原子，调节微波腔频率到标准频率，得到的钟跃迁谱线，并通过光电探测器19进行探测，之后在晶振频综及控制电路部分20进行调制解调并反馈控制晶振，得到高稳定度的钟信号输出，从而实现一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟。

在本发明实施例中的基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟具体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激光抽运铷原子钟采用宽线宽激光器和激光稳频反馈技术具有本质的区别。

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 (9)

1.一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟，其特征是，

所述光抽运铷原子钟包括：窄线宽激光器、光斑扩束器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、相位调制器、用于激光稳频的铷原子泡、高速光电探测器、光电探测器、混频器、高速伺服反馈电路、射频信号源、激光驱动电源、声光调制器、用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡、晶振频综及控制电路部分；所述用于激光稳频的铷原子泡包含保温磁屏蔽材料；所述用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡包含保温磁屏蔽材料及微波腔；

窄线宽激光器连接第一光斑扩束器，第一光斑扩束器随后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；之后分成两路，其中一路为激光稳频光路，另一路用于获得钟跃迁谱线光路；

用于激光稳频光路的激光依次连接第二半波片和第二偏振分光棱镜后，被分为不同光强的两路：

光强较强的一路连接第三半波片而后连接相位调制器，相位调制器连接射频信号源，之后连接第四半波片及第三偏振分光棱镜，随后连接用于激光稳频的铷原子泡；光强较弱的探测光经所述用于激光稳频的铷原子泡进入高速光电探测器，混频器连接射频信号源；高速光电探测器随后依次连接混频器、高速伺服反馈电路、激光驱动电源，完成激光频率稳定系统；

用于获得钟跃迁谱线光路的激光连接声光调制器，进入用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡进行抽运，随后通过光电探测器进行探测获得钟跃迁谱线，用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡连接晶振频综及控制电路部分；

所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟由所述射频信号源产生调制信号，输入相位调制器对泵浦激光进行相位调制，同时产生解调信号与来自光电探测器的信号在混频器中进行混频解调，得到误差信号，再经高速伺服反馈电路控制激光驱动电源，从而实现基于调制转移谱稳频的高稳定度窄线宽抽运激光；稳频的窄线宽激光经过声光调制器后打入用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡中进行抽运，微波信号经微波谐振腔馈入激励铷原子，通过光电探测器探测从用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡中透射的激光信号，得到钟跃迁谱线，将钟跃迁谱线调制解调并反馈控制晶振频率，实现基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟。

2.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟，其特征是，所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟在工作时，由窄线宽激光器发出窄线宽激光，经第一光斑扩束器扩大光斑后，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，一束用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡光路。

3.如权利要求2所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟，其特征是，用于激光稳频光路的激光，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器调制后照射进用于激光稳频的铷原子泡中；光强较弱的一束与用于激光稳频的铷原子泡中的铷原子相互作用后被高速光电探测接收，对高速光电探测器信号进行调制解调，得到误差信号，经高速伺服反馈电路控制激光驱动电源，实现高稳定度窄线宽激光。

4.如权利要求3所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟，其特征是，经由声光调制器对激光进行移频，打入用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡中对铷原子进行抽运。

5.如权利要求4所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟，其特征是，微波信号经微波谐振腔馈入激励经过抽运光作用的铷原子，经过微波信号作用，得到钟跃迁谱线；将钟跃迁谱线调制解调并反馈控制晶振，得到高稳定度的光抽运铷原子钟信号输出。

6.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟，其特征是，通过第三半波片调节泵浦光的偏振方向，使其与相位调制晶体主轴方向一致；通过第四半波片调节泵浦光的偏振方向，使其经过第三偏振分光棱镜完全反射至原子泡中。

7.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟，其特征是，射频信号源同时产生调制信号和解调信号，调制信号输入到相位调制器中，解调信号输入到混频器中与来自高速光电探测器的信号进行混频，得到误差信号，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。

8.如权利要求1所述基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟，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，或其他窄线宽激光器；和/或，

激光驱动电源、射频信号源、铷原子泡温控电路、高速伺服反馈电路、晶振频综和控制电路分别为分立电路器件或为集成电路器件；和/或，

光斑扩束器为分立凹凸透镜组合成的光斑扩束器或凹凸透镜集合成的扩束器件。

9.一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

1)由激光器发出窄线宽激光，经第一光斑扩束器扩大光斑后，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，一束用于获得钟跃迁谱线光路；

2)用于激光稳频光路的激光，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，两束激光反向重合，与用于激光稳频的铷原子泡相互作用，高速光电探测器接收探测激光；

3)由射频信号源产生调制信号，输入相位调制器对泵浦激光进行相位调制，同时产生解调信号与来自光电探测器的信号在混频器中进行混频解调，得到误差信号；

4)产生的误差信号经过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；

5)稳频的窄线宽激光经过声光调制器后打入用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡中进行抽运；

6)微波信号经微波谐振腔馈入激励铷原子，通过光电探测器探测从用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡中透射的激光信号，得到钟跃迁谱线，将钟跃迁谱线调制解调并反馈控制晶振频率，即实现基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟。