CN110850703B - 基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟，所述高稳光频原子钟包括双频法拉第半导体激光器、半波片和第三偏振分光棱镜(10)、调制转移谱稳频模块(11)、伺服反馈电路(12)、高频探测器(13)频谱分析仪(14)和频率计数器(15)，双频法拉第半导体激光器包括激光二极管(1)、准直透镜(2)、法拉第原子滤光器和激光腔镜(7)，输出激光中的一束进入调制转移谱稳频模块，另一束进入分别进行观测双波长激光拍频信号频谱和计数。通过调整温度和磁场条件，本发明的透射谱可以获得两个稳定且透射率相近的透射峰，实现双波长激光器的稳定输出。本发明的原子钟能够摆脱光梳，秒稳定度优于10‑14。

Description

基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟
【技术领域】
本发明属于原子钟技术领域，具体涉及一种基于利用法拉第原子滤光器选频来实现双波长半导体激光器的高稳光频原子钟。
【背景技术】
1967年，由于国际单位秒定义在铯原子基态能级间微波跃迁频率上，由此以来，铯原子微波频率标准得到关注和持续发展，人们对铯原子频率标准(铯原子钟)做了大量的工作。铯原子微波频率标准由光、微波共振物理单元和电路单元组成。微波频率产生和控制电路通过光电探测器的信号对微波源实现控制；微波钟需要微波源和光学系统，稳定度最好达到10-12。
近几年，光频原子钟成为世界计量科学研究的新热点.根据报道，最新研制出的光频原子钟的稳定度达10的负19次方。但是基于光频标的射频信号产生通常需要借助光梳把光频传递到微波频段。不得忽略的是，飞秒光梳结构复杂、成本高，使用过程中还需要不断维护。
双波长激光器是一种能够在一个装置中产生两个激光波长的激光器。当双波长激光装置工作在两个近距离波长时，能够产生微波频率下的拍频信号，可以用作电子信号处理系统中的微波信号源。理论分析表明，激光两相邻纵模拍频频率的稳定度与激光频率稳定度相同。曾有报道，基于激光频率与纵模频率间隔的对应关系，通过精密锁相控制技术将两相邻纵模的拍频频率锁定在射频频率标准上，以控制激光谐振腔腔长，实现锁定激光频率的目的。
相干布居囚禁(CPT)原子钟是一种基于CPT效应的原子钟， CPT效应是发生在三能级原子系统的一种非线性量子相干现象，因为铷或铯原子D2线跃迁上能级结构复杂，造成CPT信号弱，所以一般选取铷或铯原子D1线跃迁。由于当其中的法拉第滤光器只允许频率间隔为工作原子跃迁波长的两个频率的激光纵模通过时，整个系统才能工作，且要求CPT原子气室多普勒吸收峰与法拉第滤光器多普勒透过峰大小相同方向相反，所以其工作条件非常苛刻，很难实现。并且基于相干布居数囚禁模式锁定的激光原子钟输出激光的频率稳定度较差，从而这种激光原子钟的频率稳定度也较差，现有技术能够实现的频率稳定度约为10的-7次方。
【发明内容】
本发明的目的提供一种新型的基于双频法拉第半导体激光器实现的高稳光频原子钟。由于法拉第原子滤光器在适当温度和磁场条件下时，其透射谱包含两个透射率相近的透射峰，从而实现在半导体激光内腔选出两个激光模式，最终实现激光器的双波长输出。将双频激光器输出的其中一个频率经调制转移谱进行稳频，从而同时提高两个波长激光的频率稳定性，得到高稳定度的光频原子钟，由于两个波长能够产生微波频率下的拍频信号，可以用作信号处理系统中的微波信号源。本发明首次利用双频法拉第半导体激光器这种创新型结构和原理来实现高稳光频原子钟，通过原理和结构改进摆脱光梳，直接由光频信号拍频得到微波信号，且秒稳定度优于10-14，比当前最好的微波钟稳定度提升两个量级。
基于上述思路，本发明提供基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟，所述高稳光频原子钟包括双频法拉第半导体激光器、设置在所述双频法拉第半导体激光器输出端光路上的半波片9和第三偏振分光棱镜10、调制转移谱稳频模块11、伺服反馈电路12、高频探测器13频谱分析仪14和频率计数器15，
其中，所述双频法拉第半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管1、准直透镜2、法拉第原子滤光器、激光腔镜7和压电陶瓷8，其中在所述激光二极管1的输出光端面镀增透膜；所述法拉第原子滤光器包括依序设置的第一偏振分光棱镜3、碱金属原子气室4和第二偏振分光棱镜6 ，通过永磁体5向碱金属原子气室4施加轴向静磁场，且第一偏振分光棱镜3与第二偏振分光棱镜6 的位置关系为正交；
所述激光二极管1发出相干光束经过准直透镜2准直为平行光，所述平行光经过第一偏振分光棱镜3 后得到与激光二极管1出射方向相同的水平偏振光或垂直偏振光，入射碱金属原子气室4后被选模，经第二偏振分光棱镜6 到达激光腔镜7；通过调节激光腔镜7与入射光之间的角度，使得激光腔镜7的反射光与入射光共线反向，所述反射光经第二偏振分光棱镜6 、原子气室4、第一偏振分光棱镜3、准直透镜2后返回到半导体激光二极管1，在激光腔镜7与半导体激光二极管1的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大至超过激光器振荡阈值，使第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处输出双波长激光；
所述双频法拉第半导体激光器的输出激光中的一束进入调制转移谱稳频模块11、对激光的一个波长进行稳频，另一束进入高频探测器13并连接到频谱分析仪14和频率计数器15分别进行观测双波长激光拍频信号频谱和计数。
在本发明中，所述碱金属原子气室内充铷原子或铯原子。
根据一种优选的实施方式，在激光腔镜7上设置压电陶瓷8，通过压电陶瓷8调节所述谐振腔的腔长。
本发明的双频法拉第半导体激光器的透射谱包含两个透射率相近的透射峰，且所述两个透射峰间距为5GHz-10GHz。
根据另一种优选的实施方式，增益介质可以有多种选择，例如采用端面镀了增透膜的固体增益介质替代半导体激光二极管作为增益介质。
根据另一种优选的实施方式，可以用充缓冲气体原子气室替代真空原子气室，从而增加透射谱带宽。
作为一种特别优选的实施方式，碱金属原子气室4内充铯原子，原子气室温度为36-51℃，通过永磁体5向原子气室施加300-350高斯磁场。
作为另一种特别优选的实施方式，碱金属原子气室4内充5乇氩气作为缓冲气体，原子气室温度为43-55℃，通过永磁体5向原子气室施加500-700高斯磁场。
可选地，还可以在激光二极管1的另一面镀高反膜。
在本发明中，调制转移谱稳频模块、伺服反馈电路、增透膜、高反膜均为本领域常规技术，本领域技术人员可以根据现有技术的教导实现；高频探测器、频谱分析仪和频率计数器可以购买获得，或根据现有技术的教导实现。
理论分析表明，激光两纵模拍频频率的稳定度与激光频率稳定度相同(详见中国激光第34卷第9期《基于纵模拍频控制的激光稳频技术》)。通过调制转移谱模块对所述双波长激光的一个频率进行锁定，也即相当于同时锁定两个频率。将所述双波长激光打入高频探测器进行拍频，最后将拍频信号接入频谱分析仪进行观测和频率计数器进行计数。
在本发明中，对于双频法拉第半导体激光器，通过改变半导体激光二极管的放置位置可以获得水平或垂直方向的出射光，在满足第一偏振分光棱镜3与第二偏振分光棱镜6为正交位置关系的情况下，本发明的双频法拉第半导体激光器有两种实现方式：
第一种，激光二极管1发出水平偏振的相干光束，经过准直透镜准直成为平行光，入射至第一偏振分光棱镜后获得水平偏振光，该水平偏振光经过原子气室4选模，被选模的入射光偏振方向转换成垂直偏振光，未被选模的入射光偏振方向依然是水平偏振光。因此，被选模的得到的垂直偏振光入射至第二偏振分光棱镜后到达激光腔镜7，而未被选模的水平偏正光第二偏振分光棱镜6 反射输出。通过调整激光腔镜7与被选模的入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，反射光全部沿原光路返回到半导体激光二极管，在由半导体激光二极管输出光端面与激光腔镜组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第二偏振分光棱镜反射输出的光直接输出作为输出激光。
另一种，区别在于改变激光二极管1的放置位置，使之发出垂直方向相干光束，被准直为垂直平行光后入射至第一偏振分光棱镜后获得垂直偏振光。由于镀增透膜的激光二极管1发出的垂直偏振相干光束含有部分水平偏振光，这部分水平偏振光经过第一偏振分光棱镜3 时被反射输出。透过第一偏振分光棱镜的垂直光作为入射光，经过原子气室4被选模，被选模的入射光偏振方向转换成水平偏振光，因此被选模的光透过第二偏振分光棱镜6到达激光腔镜7，通过调整激光腔镜7与被选模入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，然后反射光全部沿原光路返回到半导体激光二极管1，在由半导体激光二极管1输出光端面与激光腔镜7组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第一偏振分光棱镜反射输出的光直接输出作为输出激光。
本发明通过实验证实，通过调整温度和磁场条件，本发明的法拉第原子滤光器的透射谱可以获得两个稳定且透射率相近的透射峰，从而选出两个激光模式，实现双波长激光器的稳定输出。
进一步地，本发明还证实通过改变法拉第原子滤光器中原子气室的温度和磁场条件，可以改变所述法拉第原子滤光器的两个透射峰对应的频率，从而改变选出的两个激光模式，实现双频半导体激光器输出频率的可调谐性。
进一步地，本发明的原子钟能够摆脱光梳，也同时实现了光学频率标准向射频频率标准的传递，直接由光频信号拍频得到微波信号，且秒稳定度优于10-14(详见《CompactRb optical frequency standardwith 10-15stability》Review of ScientificInstruments 88,103106(2017))，比现在最好的微波钟稳定度好两个量级。
与现有技术相比，本发明利用对双波长法拉第半导体激光器的一个频率进行调制转移谱稳频，进而相当于对两个频率同时锁定，实现了一种双波长法拉第半导体激光器实现的高稳光频原子钟。由于两个波长能够产生微波频率下的拍频信号，可以用作信号处理系统中的微波信号源。通过这种创造性的结构改进，使得本发明的系统能够摆脱光梳，也同时实现了光学频率标准向射频频率标准的传递，直接由光频信号拍频得到微波信号，且秒稳定度优于10-14，比当前最好的微波钟稳定度提高两个量级。
由于本发明采用的法拉第原子滤光器工作在适当温度和磁场条件下时，法拉第原子滤光器的透射谱包含两个稳定且透射率相近的透射峰，确保了腔镜反馈输出双波长法拉第半导体激光器的波长分别对应法拉第原子滤光器的双透射峰，且长期稳定工作。镀了增透膜的激光二极管没有内腔模的竞争，其输出频率对外界环境因素、二极管的工作温度、二极管的工作电流等因素的波动噪声有很好的免疫能力，双波长激光能够长期连续地工作在法拉第原子滤光器透射谱的双透射峰对应的频率上。当改变所述法拉第原子滤光器中原子气室的温度和磁场条件时，可以改变所述法拉第原子滤光器的两个透射峰对应的频率，从而改变选出的两个激光模式，实现双波长半导体激光器输出波长的可调谐性。
【附图说明】
图1为实施例1的基于铯原子852nm双频法拉第半导体激光器的高温光频原子钟；
图2为实施例2的铯原子852nm双频法拉第半导体激光器的高温光频原子钟；
图3为实施例1的铯原子852nm法拉第原子滤光器的透射谱；
图4为实施例1的铯原子852nm双频法拉第半导体激光器与单频852nm干涉滤光片外腔半导体激光器的拍频信号；
图5为实施例1的铯原子852nm双频法拉第半导体激光器输出两个激光模式的拍频信号中心频率与铯原子气室温度的变化关系；
图6为实施例1的铯原子852nm双频法拉第半导体激光器输出双波长激光的拍频信号线宽与法拉第原子滤光器温度的变化关系；
图7为实施例3的铯原子852nm法拉第原子滤光器的透射谱。
其中：1、镀了增透膜的激光二极管，2、准直透镜，3、第一偏振分光棱镜，4、铯原子气室，5、永磁铁，6、第二偏振分光棱镜，7、激光腔镜，8、压电陶瓷，9、半玻片，10、第三偏振分光棱镜，1、调制转移谱稳频模块，12、伺服反馈电路，13、高频探测器，14、频谱分析仪，15、频率计数器。
【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
基于铯原子852nm双频法拉第半导体激光器的高温光频原子钟如图1所示，包括双频法拉第半导体激光器、设置在所述双频法拉第半导体激光器输出端光路上的半波片9和第三偏振分光棱镜10、调制转移谱稳频模块11、伺服反馈电路12、高频探测器13频谱分析仪14和频率计数器15。其中，双频法拉第半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管1、准直透镜2、第一偏振分光棱镜3、长3厘米、直径1.5厘米的圆柱形的铯原子气室4、第二偏振分光棱镜6、激光腔镜7和设置在激光腔镜7上的压电陶瓷8，其中，铯原子气室外设置永磁体5，铯原子气室4、永磁体5和位于两侧的偏振分光棱镜构成铯原子法拉第原子滤光器。在激光二极管1的输出光端面镀增透膜、另一面镀高反膜，并将第一、第二偏振分光棱镜放置为正交关系。
工作时，镀增透膜的激光二极管1发出水平偏振的相干光束，经过准直透镜2被准直为平行光，该平行光作为铯原子法拉第原子滤光器的入射光，经过第一偏振分光棱镜3后依然是水平偏振光，再被铯原子气室4选模。被选模的入射光偏振方向转换成垂直偏振光，未被选模的入射光偏振方向不变、依然是水平偏振光，因此，被选模的垂直偏振光透过第二偏振分光棱镜6到达激光腔镜7，而未被选模的水平偏振光被第二偏振分光棱镜6反射输出。
调整激光腔镜7与被选模的垂直偏正光入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，被激光腔镜7反射的光全部沿原路返回到镀增透膜的半导体激光二极管1，在由半导体激光二极管1输出光端面与激光腔镜7组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第二偏振分光棱镜6反射输出的光直接输出作为输出激光。
输出激光中的一束进入调制转移谱稳频模块11，对激光的一个波长进行稳频，从而同时实现两个激光波长的频率稳定；输出激光中的另一束进入高频探测器13并同时连接到频谱分析仪14和频率计数器15，分别进行观测双波长激光拍频信号频谱和计数。
这样，在36-51℃温度和300-350高斯磁场条件下，验证了本实施例的铯原子法拉第原子滤光器的透射谱包含两个稳定且透射率相近的透射峰，从而选出两个激光模式，实现铯原子852nm双波长激光器的稳定输出。调整铯原子法拉第原子滤光器中铯原子气室的温度和磁场条件，可以改变这两个透射峰对应的频率，从而改变选出的两个激光模式，实现铯原子852nm双波长半导体激光器输出波长的可调谐性。
基于结构改进，本实施例的原子钟能够摆脱光梳，直接由光频信号拍频得到微波信号，实现秒稳定度优于10-14，比现在最好的微波钟稳定度好两个量级。
铯原子852nm法拉第原子滤光器的透射谱如图3所示，横坐标是频率，纵坐标是透射率，左图对应铯原子852nm基态F＝3跃迁的透射谱，右图对应铯原子852nm基态F＝4跃迁的透射谱。其中，第一组图可以看出基态F＝3和基态F＝4频率间隔9.19GHz。第二组图对应温度43℃、磁场330高斯时，铯原子852nm法拉第原子滤光器的透射谱包含基态F＝3跃迁和基态F＝4跃迁处的两个透射峰。第三组图对应温度57℃、磁场330高斯时的透射峰，虽然包含很多小峰，但F＝4和F＝3明显分别有两个最高的峰，也可以输出双频激光。但是57℃时，最高双峰位置频率偏离原子共振跃迁处，不能用调制转移谱锁定激光频率，所以最终经过验证只有铯原子气室36-51℃、300- 350高斯磁场条件下能够有效实现双频激光输出。
铯原子852nm双频法拉第半导体激光器与单频852nm干涉滤光片外腔半导体激光器的拍频信号如图4所示。横坐标是频率，纵坐标是信号强度，由于本实施例的铯原子852nm双频法拉第半导体激光器输出两个激光波长，分别对应基态F＝3和F＝4跃迁，将单频852nm干涉滤光片外腔半导体激光器波长调节到与基态F＝4对应，如图所示，出现四个拍频信号，从左到右依次是：单频852nm干涉滤光片外腔半导体激光器与铯原子852nm双频法拉第半导体激光器F＝4 激光模式的拍频信号；第一个信号与第三个信号的拍频信号；铯原子852nm双频法拉第半导体激光器F＝3激光模式与F＝4激光模式的拍频信号；单频852nm干涉滤光片外腔半导体激光器与铯原子852nm 双频法拉第半导体激光器F＝3激光模式的拍频信号。
由此可见，本实施例的铯原子852nm双频法拉第半导体激光器实现了双波长输出，而且分别对应铯原子852nm法拉第原子滤光器的透射谱包含基态F＝3跃迁和基态F＝4跃迁处的两个透射峰。
考察铯原子852nm双频法拉第半导体激光器输出两个激光模式的拍频信号中心频率与铯原子气室温度的变化关系，如图5所示。横坐标铯原子气室温度，纵坐标频率。
由图5可见，通过调整铯原子气室的温度，双波长激光两个模式间隔会随温度变化，从而实现铯原子852nm双频法拉第半导体激光器输出波长的可调谐性。
进一步考察的铯原子852nm双频法拉第半导体激光器输出双波长激光的拍频信号线宽与铯原子气室温度的变化关系，如图6所示。横坐标铯原子气室温度，纵坐标线宽。
由图6可见，通过调整铯原子气室温度，双波长激光两个模式激光线宽会发生一定变化，但基本处于约1kHz，证明了铯原子852nm 双频法拉第半导体激光器在36-51℃温度和300-350高斯磁场条件下输出激光的窄线宽特性。
实施例2
如图2所示的基于铯原子852nm双频法拉第半导体激光器的高温光频原子钟，用于说明另一种第一、第二偏振分光棱镜的位置关系。
与实施例1不同的是改变了激光二极管的设置方向使其输出光为垂直偏振的相干光束，并使第一偏振分光棱镜的设置方向随激光二极管二改变(同时为了保持第二偏振分光棱镜与之正交，第二偏振分光棱镜的放置角度也随之改变)。
这样，镀增透膜的激光二极管1的发出的垂直偏振的相干光束经准直透镜准直后成为垂直偏振光，使垂直偏振光入射至第一偏振分光棱镜后，出射的依然是垂直偏振光，由于所述镀了增透膜的激光二极管1发出的垂直偏振相干光束中含有部分水平偏振光，这部分水平偏振光经过第一偏振分光棱镜3时被反射输出。第一偏振分光棱镜出射的垂直光作为入射光，经过原子气室4被选模，被选模的入射光偏振方向转换成水平偏振光，因此被选模的光透过第二偏振分光棱镜6 到达激光腔镜7，通过调整激光腔镜7与被选模入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，然后反射光全部沿原光路返回到半导体激光二极管1，在由半导体激光二极管1输出光端面与激光腔镜7组成的谐振腔中振荡、放大到超过激光器振荡阈值，使得被第一偏振分光棱镜反射输出的光直接输出作为输出激光。
实施例3
与实施例1相同结构和位置关系的高温光频原子钟，区别在于铯原子气室内充5乇氩气作为缓冲气体，在磁场500-700高斯、温度从 43-55℃条件下验证其透射谱如图7所示，确认同样可以获得稳定的双频激光输出。
以上实施例表明铯原子852nm双频法拉第半导体激光器中所用的频率控制单元是包含基态F＝3跃迁和基态F＝4跃迁处的两个透射峰的铯原子852nm法拉第原子滤光器，本发明首次利用这种创新型结构和原理来实现双波长半导体激光器，与已有的双波长激光器波长存在基于本质的区别。
应当指出的是，本发明并不限于采用激光二极管作为增益介质，也包括其它的端面镀了增透膜固体增益介质。本发明也不限于铯原子，同样适用于各种具有双透射峰碱金属原子滤光器对应的所有可能谱线。

Claims (5)

1.基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟，所述高稳光频原子钟包括双频法拉第半导体激光器、设置在所述双频法拉第半导体激光器输出端光路上的半波片(9)和第三偏振分光棱镜(10)、调制转移谱稳频模块(11)、伺服反馈电路(12)、高频探测器(13)频谱分析仪(14)和频率计数器(15)，
所述双频法拉第半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管(1)、准直透镜(2)、法拉第原子滤光器和激光腔镜(7)，其特征在于在所述激光二极管(1)的输出光端面镀增透膜；所述法拉第原子滤光器包括依序设置的第一偏振分光棱镜(3)、碱金属原子气室(4)和第二偏振分光棱镜(6 )，通过永磁体(5)向碱金属原子气室(4)施加轴向静磁场，且第一偏振分光棱镜(3)与第二偏振分光棱镜(6 )的位置关系为正交；所述法拉第原子滤光器中，碱金属原子气室(4)内充铯原子，原子气室温度为36-51℃，通过永磁体(5)向原子气室施加300-350高斯磁场；
所述激光二极管(1)发出相干光束经过准直透镜(2)准直为平行光，所述平行光经过第一偏振分光棱镜(3 )后得到与激光二极管(1)出射方向相同的水平偏振光或垂直偏振光，入射碱金属原子气室(4)后被选出两个激光模式，经第二偏振分光棱镜(6 )到达激光腔镜(7)；通过调节激光腔镜(7)与入射光之间的角度，使得激光腔镜(7)的反射光与入射光共线反向，所述反射光经第二偏振分光棱镜(6 )、原子气室(4)、第一偏振分光棱镜(3)、准直透镜(2)后返回到半导体激光二极管(1)，在激光腔镜(7)与半导体激光二极管(1)的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大至超过激光器振荡阈值，使第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处输出双频激光；
所述双频法拉第半导体激光器的输出激光中的一束进入调制转移谱稳频模块(11)、对激光的一个波长进行稳频，另一束进入高频探测器(13)并连接到频谱分析仪(14)和频率计数器(15)分别进行观测双波长激光拍频信号频谱和计数。
2.根据权利要求1所述的高稳光频原子钟，其特征在于在激光腔镜(7)上设置压电陶瓷(8)，通过压电陶瓷(8)调节所述谐振腔的腔长。
3.根据权利要求1所述的高稳光频原子钟，其特征在于所述双频法拉第半导体激光器的透射谱包含两个透射率相近的透射峰，且所述两个透射峰间距为5GHz-10GHz。
4.根据权利要求1所述的高稳光频原子钟，其特征在于所述法拉第原子滤光器中，碱金属原子气室(4)内充5乇氩气作为缓冲气体，原子气室温度为43-55℃，通过永磁体(5)向原子气室施加500-700高斯磁场。
5.根据权利要求1所述的高稳光频原子钟，其特征在于在激光二极管(1)激光二极管(1)的另一面镀高反膜。
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