CN110783814B - 不同波长间调制转移探测的小型钙原子束光钟及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于不同波长间调制转移探测的钙原子束光钟及制备方法，提出应用于热原子束的不同波长之间调制转移探测方法，在结合热原子束能级转移探测方案的基础上，对钟激光进行相位调制，并由不同波长的探测激光探测调制转移信号，得到直接用于频率锁定的高信噪比、无多普勒背景的色散型钟跃迁调制转移谱信号，从而实现高稳定度的小型钙原子束光钟。本发明能够突破传统热原子光频原子钟钟跃迁谱线信噪比低、多普勒背景严重的瓶颈问题，充分发挥调制转移谱稳频技术高信噪比的优势，相比于现有的小型钙原子束光钟，本发明具有更高的频率稳定度。

Description

不同波长间调制转移探测的小型钙原子束光钟及制备方法

技术领域

本发明属于光频原子钟及光频量子频率标准技术领域，涉及钙原子束光钟技术，尤其涉及一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟及其制备方法。

背景技术

随着光频原子钟的发展，其稳定度和不确定度指标已经全面超越了微波原子钟，基于光频原子钟的秒定义也逐渐被提上议程。因此，从应用角度看，光频原子钟的小型化是目前光频原子钟领域研究发展的重要趋势，小型钙原子束光钟因具有体积小、可搬运、信噪比高、系统复杂程度低等优点，拥有巨大的研究、应用和市场前景。

为了实现高稳定度的小型钙原子束光钟，在保证钟跃迁谱线线宽的基础上，需要进一步地提高小型钙原子束光钟的信噪比。目前国际上实现小型钙原子束光钟的普遍方案，是采用我们首次提出的运用于热原子束的能级转移探测技术[提高小型原子束光频原子钟性能的方法及设备,专利号：ZL20051010130745.0]，基于拉比(Rabi)或拉姆塞(Ramsey)的探测方式，得到钟跃迁谱线信号。但通常这样的小型钙原子束光钟，基态钙原子的有效利用率还是有待提高，并且钟跃迁谱线存在信噪比相对较低、较大的多普勒背景、钟环路的调制频率和带宽较低等问题，且采用锁定精度不高的饱和吸收谱稳频技术，这都不利于小型化钙原子束光钟稳定度指标的提高。

发明内容

为了解决上述实现小型钙原子束光钟钟跃迁谱线多普勒背景严重、信噪比差、钟环路的调制频率和带宽较低等问题，本发明提出钙原子不同波长之间的调制转移探测方法，从而进一步提升钟环路的调制频率和带宽、提高钟跃迁谱线信号信噪比，以实现高稳定度的小型钙原子束光钟。

本发明创新性地将消多普勒背景的调制转移谱首次直接运用到小型钙原子束光钟中，结合热原子束的能级转移探测方案，对657nm钟跃迁激光进行高频相位调制，高频相位调制的调制频率设置在谱线线宽的0.7倍左右，通过原子将调制信息从657nm钟激光转移到423nm或者431nm探测激光上，提升钟环路的调制频率和带宽、获得高信噪比消多普勒的色散型误差信号，直接用于伺服反馈钟跃迁激光频率，以极大提高光钟的信噪比和稳定度，从而实现一种全新的基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟及其制备方法。

对于传统的基于热原子束能级转移探测方案的小型钙原子束光钟，因钟跃迁几率相对较低，大部分基态原子并没有贡献于钟跃钱谱线而是形成较大的多普勒背景，这样不仅限制了钟跃迁谱线的信噪比还影响了钟激光频率的锁定。本发明首次创新性地将调制转移谱技术应用到热原子束不同跃迁能级之间，利用调制转移谱调制频率和带宽高、高信噪比、无多普勒背景的优势，将钟激光的调制信息转移到跃迁几率更高的其他能级进行探测，提升钟环路的调制频率和带宽，以大大提高钟跃迁谱线信号的信噪比。

本发明的一个目的在于提供一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟。

本发明的一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟包括：窄线宽钟激光系统，声光调制器，钙原子束管真空系统，蓝光探测系统，光电信号探测系统，综合电路系统，相位调制器。

窄线宽钟激光系统用于输出窄线宽钟激光，依次连接声光调制器和相位调制器；

声光调制器用于对窄线宽钟激光进行移频，使钟激光频率对应钙原子¹S₀-³P₁跃迁；

相位调制器为高速的相位调制器，用于对移频后的钟激光进行相位调制；

钙原子束管真空系统为全密封钙原子束管，钙原子束流与经过相位调制器后的钟激光垂直相互作用，然后与由蓝光探测系统输出的稳频蓝光激光垂直相互作用；

蓝光探测系统用于输出稳频蓝光激光，其频率锁定在对应钙原子的¹S₀-¹P₁能级的423nm跃迁或对应³P₁-³P₀能级的431nm跃迁的原子谱线或者外部频率参考上；

光电信号探测系统用于探测稳频蓝光与钙原子束管真空系统后窗的钙原子相互作用后的蓝光谱线信号，其连接综合电路系统，将探测到的信号进行解调滤波；

综合电路系统同时连接窄线宽激光系统、声光调制器和相位调制器。用于产生扫描信号和伺服信号，对窄线宽钟激光的频率进行扫描，并产生驱动相位调制器的高速调制信号，以及对来自光电信号探测系统的谱线进行解调滤波产生反馈信号，并反馈至声光调制器中。上述小型钙原子束光钟在工作时，将657nm的钟激光锁定在超高精细度光学谐振腔上，由窄线宽钟激光系统实现窄线宽钟激光输出，同时将对应钙原子的¹S₀-¹P₁能级跃迁的423nm或对应³P₁-³P₀能级跃迁的431nm探测激光锁定在原子谱线或者外部频率参考上，由蓝光探测系统输出稳频蓝光激光。由声光调制器对钟激光进行移频使其对应钙原子¹S₀-³P₁跃迁，利用高速的相位调制器对钟激光进行相位调制并进行频率扫描，在以Rabi或Ramsey激励方式与钙原子束真空系统中的钙原子相互作用后，再由蓝光探测激光与原子相互作用，此时原子将调制信号转移到蓝光探测激光上。上述高速的相位调制的调制频率设置在钟跃迁谱线线宽的0.7倍左右。对由光电探测系统探测到的蓝光谱线信号在综合电路系统中进行调制解调，得到色散型的钟跃迁调制转移谱谱线，由综合电路系统产生伺服信号来反馈钟激光频率，以此得到高信噪比高稳定度的小型钙原子束光钟。

窄线宽钟激光和蓝光探测激光与钙原子束垂直相互作用，以此消除一阶多普勒效应的影响。钙原子束管真空系统为全密封钙原子束管，相比于动态法兰钙原子束管，该束管体积更小，更易搬运。

进一步，在相位调制器光路上还设置有半波片(图中未标示)，用来匹配钟激光的偏振方向与相位调制器的主轴方向，使其方向一致，以减小剩余幅度调制效应的影响。

窄线宽钟激光系统输出窄线宽的657nm激光，可以由657nm激光锁定在超高精细度光学谐振腔上实现。

蓝光探测系统输出用于探测钙原子钟跃迁的基态或者激发态布居数变化的蓝光激光，可以是对应钙原子¹S₀-¹P₁态跃迁的423nm激光，也可以是对应钙原子³P₁-³P₀态跃迁的431nm激光。蓝光激光频率可以锁定在原子谱线或者外部参考上，如原子、分子、FP腔等。

光电信号探测系统可以是光电倍增管，也可以是光电探测器。

综合电路系统的功能包括，窄线宽钟激光系统驱动电源、信号发生器、调制解调电路和高速伺服反馈电路、温度控制电路、真空电源和总体控制电路。

本发明的另一个目的在于提出一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟的制备方法，利用调制转移谱调制热原子束光钟跃迁几率低的钟激光相位，由原子将钟激光的调制信息转移到跃迁几率更高的其他能级进行探测，提升钙原子束光钟环路的调制频率和带宽，并消除多普勒背景本底，以大大提高钟跃迁谱线信号的信噪比。

本发明的一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟的实现方法，具体包括：

1)将窄线宽钟激光系统输出的657nm钟激光利用声光调制器进行声光移频，使钟激光频率对应钙原子¹S₀-³P₁跃迁，并由综合电路系统产生扫描信号，对657nm钟激光频率进行扫描，以拉比Rabi或拉姆塞Ramsey激励方式使得钟激光与钙原子束管真空系统中的钙原子相互作用。

2)由蓝光探测系统输出稳频蓝光与钙原子束管真空系统后窗的钙原子相互作用，由光电信号探测系统探测相互作用后的蓝光谱线信号，该谱线信号为拉比Rabi或拉姆塞Ramsey谱线信号。

3)由综合电路系统产生调制信号驱动高速的相位调制器，对钟激光进行相位调制，经调制后的钟激光与钙原子相互作用后，经四波混频效应，钙原子将调制信息转移到蓝光激光上，被光电信号探测系统探测到。这里的高频相位调制的调制频率设置在钟跃迁谱线线宽的0.7倍左右。

4)将光电探测系统探测到的信号输入到综合电路中进行解调，得到色散型的钟跃迁调制转移谱信号，该信号经综合电路系统中的高速伺服反馈电路产生伺服信号，反馈至声光调制器中，以控制钟激光的频率，实现钟激光频率的锁定。

5)再结合飞秒光学频率梳，实现高性能的小型钙原子束光钟。

如步骤1)中，Rabi作用方式为双向饱和谱猫眼结构，Ramsey作用方式为四行波猫眼结构；

如步骤2)中，蓝光激光与钟激光在束流方向上的空间距离和相位调制频率相关，这里的高频相位调制的调制频率设置在钟跃迁谱线线宽的0.7倍左右，调制频率越高，所需空间距离也应越短；

如步骤3)中，相位调制频率与步骤2)中的蓝光谱线信号线宽在同一数量级。

与现有技术相比，本发明的特有的技术和性能优点：

本发明创新地提出应用于热原子束的不同波长之间调制转移探测方法，在结合热原子束能级转移探测方案的基础上，提升钟环路的调制频率和带宽，进一步地提高钟跃迁谱线的信噪比和钟稳定度，从而实现高稳定度小型化钙原子束光钟。这里调制转移谱高频相位调制的调制频率设置在钟跃迁谱线线宽的0.7倍左右，调制频率越高，所需空间距离也应越短。钟跃迁谱线线宽反比于拉比谱的作用时间或者拉姆塞作用区的原子漂移时间。举拉比谱为例来说，对于3mm长的拉比作用区，650米/秒速度钙原子的作用时间是4.6微秒，对应的钟跃迁谱线线宽大约200kHz，因此，相位调制的调制频率可以高达0.7×200kHz＝140kHz。考虑到原子从钟跃迁作用区漂移到探测区需要时间，可将调制频率调节到10kHz。举拉姆塞谱为例来说，对于总长5厘米长的拉姆塞作用区，650米/秒速度钙原子的总作用时间是77微秒，对应的钟跃迁谱线线宽大约13kHz，因此，相位调制的调制频率可以高达0.7×13kHz＝9kHz。考虑到原子从钟跃迁作用区漂移到探测区需要时间，可将调制频率调节到5kHz。这样的调制解调频率，远远高于传统小光钟的钟环路的调制频率和带宽。因此，本发明在原理和技术上彻底改变了小型热原子束光频标的实施路径和方法，通过极大地提高信噪比实现高精密的钟跃迁调制转移光谱，有望将结构简单的小型钙原子束光钟的稳定度提升到与光晶格钟相当的水平。本发明提出的不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟主要优点包括：

1、创新性地提出应用于热原子束的不同波长之间调制转移探测技术方法，并结合热原子束的能级转移探测技术，提升钟环路的调制频率和带宽，进一步提高钟跃迁谱线信噪比，从原理上提高小型钙原子束光钟的稳定度。

2、传统热原子光钟需要先获得钟跃迁谱线再进行调制解调，才能得到误差信号，而且通常这样的误差信号存在多普勒本底，不利于频率的高精度锁定。本发明可以有效地消除多普勒背景，提高热原子束光钟的锁定精度。

3、该发明可以直接得到用于钟频率锁定的色散型误差信号，不需要外部锁相放大器等复杂的调制解调电路，可有效减小系统体积和复杂度，并在一定程度上减小系统电路噪声引入的干扰。

4、该发明不只局限于钙原子的调制转移探测，还可应用在其他热原子束光钟上，比如镁、锶、铷、铯等。

因此，本发明提出的不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟具有钟跃迁谱线信噪比高的优势，提升钟环路的调制频率和带宽，同时消除多普勒背景并直接获得色散型误差信号，不需要外部锁相放大器等复杂的调制解调电路，有效减小系统体积及复杂度，并减小系统电路引入的噪声干扰，得到钟激光频率的高精度锁定，极大提高光钟的信噪比和稳定度。

附图说明

图1为本发明一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟实施例的结构示意图；

其中：1—窄线宽钟激光系统，2—声光调制器，3—钙原子束管真空系统，4—蓝光探测系统，5—光电信号探测系统，6—综合电路系统，7—相位调制器。

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所示，本实施例的不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟包括：窄线宽钟激光系统1，声光调制器2，钙原子束管真空系统3，蓝光探测系统4，光电信号探测系统5，综合电路系统6，相位调制器7。将657nm的钟激光锁定在超高精细度光学谐振腔上，由窄线宽钟激光系统1实现窄线宽钟激光输出，同时将对应钙原子的¹S₀-¹P₁能级跃迁的423nm或对应³P₁-³P₀能级跃迁的431nm探测激光锁定在外部频率参考上，由蓝光探测系统4输出稳频蓝光激光。由声光调制器2对钟激光进行移频使其对应钙原子¹S₀-³P₁跃迁，利用相位调制器7对钟激光进行相位调制，在以拉比Rabi或拉姆塞Ramsey激励方式与钙原子束真空系统3中的钙原子垂直相互作用后，再由蓝光探测激光与钙原子束垂直相互作用，此时原子将调制信号转移到蓝光探测激光上。对由光电探测系统5探测到的蓝光谱线信号在综合电路系统6中进行解调，得到色散型的钟跃迁调制转移谱谱线，由综合电路系统6产生伺服信号来反馈钟激光频率，实现钟激光频率的锁定。必须注意到，这里调制转移谱钟的高频相位调制的调制频率设置的上线可以高达到钟跃迁谱线线宽的0.7倍左右，调制频率越高，所需空间距离也应越短，但是必须综合考虑钟作用区到探测区这段时间带来的影响，以及具体应用的是拉比谱还是拉姆塞谱技术。这样综合考虑后的调制解调频率，远远高于传统小光钟的钟环路的调制频率和带宽，能极大提高信噪比。

具体地，在本发明实施例中的不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟的特征是对钟激光进行相位调制，经非线性四波混频效应，由不同波长的探测激光探测调制转移效应，并产生色散型的钟跃迁谱线，本发明在此情形下与已有的小型钙原子束光钟直接钟激光激励并由探测激光探测布居数变化得到吸收型拉比Rabi或拉姆塞Ramsey钟跃迁谱线有本质的区别。另外，本发明并不局限于实现钙原子束光钟，也适用于镁、锶、铯、铷等束流型光频原子钟。

上述基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟，可通过如下步骤制备实现：

1)将窄线宽钟激光系统1输出的657nm钟激光利用声光调制器2进行声光移频，使钟激光频率对应钙原子¹S₀-³P₁跃迁，并由综合电路系统6产生扫描信号，对657nm钟激光频率进行扫描，以拉比Rabi或拉姆塞Ramsey激励方式使得钟激光与钙原子束管真空系统3中的钙原子相互作用。

2)由蓝光探测系统4输出稳频蓝光与钙原子束管真空系统3后窗的钙原子相互作用，由光电信号探测系统5探测相互作用后的蓝光谱线信号，该谱线信号为拉比Rabi或拉姆塞Ramsey谱线信号。

3)由综合电路系统6产生调制信号驱动高速的相位调制器7，对钟激光进行相位调制，经调制后的钟激光与原子相互作用后，经四波混频效应，原子将调制信息转移到蓝光激光上，被光电信号探测系统5探测到。这里的高频相位调制的调制频率设置在钟跃迁谱线线宽的0.7倍左右。

4)将光电探测系统5探测到的信号输入到综合电路6中进行调制解调，得到色散型的钟跃迁调制转移谱信号，该信号经高速伺服反馈电路产生伺服信号，反馈至声光调制器2中，以控制钟激光的频率，实现钟激光频率的锁定。

5)再结合飞秒光学频率梳(图中未标示)，实现高性能的小型钙原子束光钟。

具体实施时，步骤1)中，Rabi作用方式为双向饱和谱猫眼结构，Ramsey作用方式为四行波猫眼结构；步骤2)中，蓝光激光与钟激光在束流方向上的空间距离和相位调制频率相关，这里的高频相位调制的调制频率设置在钟跃迁谱线线宽的0.7倍左右，调制频率越高，所需空间距离也应越短；步骤3)中，相位调制频率与步骤2)中的蓝光谱线信号线宽在同一数量级。

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 (10)

1.一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟的制备方法，利用调制转移谱高速调制钙原子束光钟的钟激光相位，而将钟激光的调制信息转移到跃迁几率更高的其他跃迁能级进行探测，提升钙原子束光钟环路的调制频率和带宽，大大提高钟跃迁谱线信号的信噪比；包括如下步骤：

1)将窄线宽钟激光系统输出的657nm钟激光，利用声光调制器进行声光移频，使得钟激光频率对应钙原子¹S₀-³P₁跃迁，并由综合电路系统产生扫描信号，对657nm钟激光的频率进行扫描，通过激励使钙原子束管真空系统中的钙原子跃迁至钟跃迁上能级；

2)由蓝光探测系统输出稳频蓝光，稳频蓝光与钙原子束管真空系统后窗的钙原子相互作用；由光电信号探测系统探测相互作用后的蓝光谱线信号；

3)由综合电路系统产生调制信号，驱动高速的相位调制器，对钟激光进行相位调制；经调制后的钟激光与钙原子相互作用后，经四波混频效应，钙原子将调制信息转移到蓝光激光上，由光电信号探测系统探测得到；

4)将光电探测系统探测到的信号输入到综合电路中进行解调，得到色散型的钟跃迁调制转移谱信号，该信号经高速伺服反馈电路产生伺服信号，反馈至声光调制器中，以控制钟激光的频率，实现钟激光频率的锁定；

5)再通过飞秒光学频率梳实现高性能的小型钙原子束光钟。

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，步骤1)所述激励的方式是采用拉比Rabi或拉姆塞Ramsey激励方式；步骤2)由光电信号探测系统探测相互作用后的蓝光谱线信号为拉比Rabi或拉姆塞Ramsey谱线信号。

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征是，Rabi激励方式为双向饱和谱猫眼结构；Ramsey激励方式为四行波猫眼结构。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，步骤3)中，高频相位调制的调制频率为钟跃迁谱线线宽的0.7倍；调制频率同时和蓝光激光与钟激光在束流方向上的空间距离相关，调制频率越高，所需空间距离越短。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征是，步骤3)中，相位调制频率与步骤2)中的蓝光谱线信号线宽在同一数量级。

6.一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟，其特征是，包括：窄线宽钟激光系统，声光调制器，钙原子束管真空系统，蓝光探测系统，光电信号探测系统，综合电路系统和相位调制器；

窄线宽钟激光系统依次连接声光调制器和相位调制器；综合电路系统同时连接窄线宽激光系统、声光调制器和相位调制器；光电信号探测系统连接综合电路系统；钙原子束管真空系统中的钙原子束流与经过相位调制器后的钟激光垂直相互作用，然后与由蓝光探测系统输出的稳频蓝光激光垂直相互作用；

窄线宽钟激光系统用于输出窄线宽钟激光；

声光调制器用于对窄线宽钟激光进行移频，使其频率对应钙原子¹S₀-³P₁跃迁；

相位调制器为高速的相位调制器，用于对移频后的钟激光进行相位调制；

钙原子束管真空系统为全密封钙原子束管；

蓝光探测系统用于输出稳频蓝光激光，其频率锁定在对应钙原子的¹S₀-¹P₁能级的423nm跃迁或对应³P₁-³P₀能级的431nm跃迁的探测激光锁定在原子谱线或者外部频率参考上；

光电信号探测系统用于探测稳频蓝光与钙原子束管真空系统后窗的钙原子相互作用后的蓝光谱线信号；

综合电路系统可作为窄线宽钟激光系统驱动电源、信号发生器、调制解调电路和高速伺服反馈电路、温度控制电路、真空电源和/或总体控制电路，用于产生扫描信号，对657nm钟激光的频率进行扫描，并产生驱动相位调制器的高速调制信号，产生伺服信号来反馈钟激光频率。

7.如权利要求6所述的小型钙原子束光钟，其特征是，将657nm的钟激光锁定在超高精细度光学谐振腔上；由窄线宽钟激光系统实现窄线宽钟激光输出，通过高速相位调制的钟激光激励，使钙原子束管真空系统中的钙原子跃迁至钟跃迁上能级；再由蓝光探测系统输出稳频探测激光与原子相互作用，钙原子将调制信号转移到蓝光探测激光上。

8.如权利要求6所述的小型钙原子束光钟，其特征是，窄线宽钟激光和蓝光探测激光与钙原子束垂直相互作用，用于消除一阶多普勒效应的影响。

9.如权利要求6所述的小型钙原子束光钟，其特征是，蓝光探测系统输出用于探测钙原子钟跃迁的基态或激发态布居数变化的蓝光激光，所述蓝光激光为对应钙原子¹S₀-¹P₁态跃迁的423nm激光，或是对应钙原子³P₁-³P₀态跃迁的431nm激光；蓝光激光频率锁定在原子谱线或外部参考上。

10.如权利要求6所述的小型钙原子束光钟，其特征是，光电信号探测系统为光电倍增管或光电探测器。

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