CN111208724B - 基于微型原子气室的芯片主动光钟及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于微型原子气室的芯片主动光钟及其实现方法，包括：泵浦激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、激光相位调制器、微型原子气室、光电探测模块、综合电路控制系统和泵浦激光器驱动电源；本发明采用微型原子气室同时作为四能级主动光钟光学谐振腔和主动光钟量子参考系综，极大程度减小主动光钟系统的尺寸，同时有效减小因系统的分立结构引起的不稳定度因素对钟激光性能的限制，从而实现高性能的芯片主动光钟。

Description

基于微型原子气室的芯片主动光钟及其实现方法

技术领域

本发明属于光频原子钟及光量子频率标准技术领域，尤其涉及一种采用微型原子气室端壁直接作为主动光钟光学谐振腔，从而实现芯片级尺寸的主动光钟及其实现方法。

背景技术

光频原子钟(以下称光钟)是目前能够产生最准确最稳定频率信号的科学装置，最好的光钟稳定度和不确定度指标都已经进入到10^-18量级。利用其突出的优异性能，光钟可在基础科学研究诸如精密物理测量、引力波暗物质探测等传统技术手段所不能实现的领域得到应用，甚至可以用于发现和认知物理新现象新规律。除此之外，光钟还可被广泛应用在守时授时、导航定位等领域。

传统光钟普遍采用被动的工作方式，依靠外部控制电路将窄线宽钟激光锁定在量子参考系综的量子跃迁谱线上。但由于腔体热噪声限制了钟激光的线宽，被动光钟指标的进一步提升仍存在较大困难。而且性能优异的被动光钟通常都存在系统体积庞大、系统结构复杂的问题，这都给光钟的应用带来挑战。主动光钟基于坏腔弱光反馈的受激辐射放大原理，可极大程度降低腔体热噪声对输出钟激光频率的扰动，克服目前光钟对本振钟激光线宽的依赖，从而实现高频率稳定度窄线宽的钟激光输出。为了实现主动光钟激光的受激辐射输出，需要在钟跃迁上下能级之间形成粒子数反转，这通常需要施加额外的激光束进行光泵浦。在现有技术[基于四能级量子系统的主动激光频率标准，专利号：ZL201210034325.2]中，为了避免由泵浦光引入的光频移效应，采用四能级方案，即钟跃迁和泵浦光稳频用量子跃迁是两组不同的能级。

但在实施过程中发现，在现有技术中，主动光钟光学谐振腔和钟量子参考原子气室都是彼此相互独立的，分立的系统结构不仅增大了系统尺寸，使高性能光钟的实验室外应用面临挑战，而且分立的系统结构增加了系统的不稳定度的因素，影响最终输出钟激光的性能，例如给钟量子参考原子气室加热时，高温导致的原子气室壁的热膨胀量和光学谐振腔的热膨胀量是不一样的，这将使得钟激光的性能受多因素影响。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明采用微型原子气室同时作为四能级主动光钟光学谐振腔和主动光钟量子参考系综，来实现主动光钟系统，通过器件的集成极大程度减小主动光钟系统的尺寸，同时有效减小因系统的分立结构引起的不稳定度因素对钟激光性能的限制，从而实现高性能的芯片主动光钟，并提供一种基于微型原子气室的芯片主动光钟的实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种基于微型原子气室的芯片主动光钟。

本发明的基于微型原子气室的芯片主动光钟包括：泵浦激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、激光相位调制器、微型原子气室、光电探测模块、综合电路控制系统和泵浦激光器驱动电源。

泵浦激光器依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；

第一偏振分光棱镜后分为两路：泵浦激光稳频光路和主动光钟泵浦光路；泵浦激光稳频光路依次连接第二半波片和第二偏振分光棱镜；主动光钟泵浦光路连接微型原子气室平面镜一端；

第二偏振分光棱镜之后分为两路：光强较强一束经激光相位调制器被第三偏振分光棱镜反射至微型原子气室中；光强较弱一束依次经微型原子气室和第三偏振分光棱镜，被光电探测模块接收；

光电探测模块连接综合电路控制系统，由综合电路控制系统对光电探测模块信号进行调制解调，并产生伺服信号伺服泵浦激光器驱动电源；

综合电路控制系统连接激光相位调制器和泵浦激光器驱动电源，并由其产生驱动控制信号；

由泵浦激光器发出泵浦激光，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，一束用于泵浦激光稳频光路，另一束用于主动光钟泵浦光路。泵浦激光稳频光路经第二半波片和第二偏振分光棱镜匹配调节分光功率并将激光分成两束，光强较强的一束经激光相位调制器后，被第三偏振分光棱镜反射至微型原子气室中；光强较弱的一束依次通过微型原子气室和第三偏振分光棱镜后被光电探测模块接收。主动光钟泵浦光路的激光从微型原子气室镀有对钟激光部分反射率的平面镜一端入射，调节光路使激光与微型原子气室光学谐振腔共振。光电探测模块连接综合电路控制系统，对光电探测模块信号进行调制解调，产生伺服反馈控制信号，对泵浦激光频率进行稳定控制，然后由微型原子气室输出主动光频标信号，结合芯片光梳，从而实现一种基于微型原子气室的芯片主动光钟。

进一步，所述微型原子气室是毫米量级的石英玻璃泡，至少四面可以通光；其中两个对面为平面和凸面，镀上钟激光部分反射率的介质膜，分别作为钟光学谐振腔的平面镜和凹面镜；与光学谐振腔相邻的另外两个对面均为平面，镀上泵浦激光和钟激光的增透膜。

进一步，所述光学谐振腔的腔模线宽远大于微型原子气室中的量子参考介质的线宽；光学谐振腔平面镜端壁包含用于调节腔长的压电陶瓷，通过压电陶瓷施加外力改变光学谐振腔腔长，并进一步优化并锁定光学谐振腔腔长，使输出主动光钟的激光达到最优性能。

进一步，泵浦激光稳频和钟量子频率参考可以共用同一微型原子气室，也可以采用不同微型原子气室；当共用同一微型原子气室时，在微型原子气室处，泵浦激光稳频光路和主动光钟泵浦光路空间上互相垂直。

进一步，微型原子气室外部包括磁屏蔽和控温装置，减小外界剩余磁场和温度波动对量子频率参考的影响；泵浦激光器可以是窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，也可以是其他激光器。

进一步，所述泵浦激光稳频方式可以是饱和吸收谱稳频，可以是极化谱稳频，也可以是调制转移谱稳频等方式的一种。

进一步，量子参考介质是下列中的一种：碱土金属原子、碱金属气体原子、具有窄线宽谱线的离子或分子。

本发明的另一个目的在于提出一种基于微型原子气室的芯片主动光钟的实现方法。

本发明的基于微型原子气室的芯片主动光钟的实现方法，具体包括以下步骤：

1)将所述微型原子气室加热到特定温度，以产生足够的原子饱和蒸汽压；由所述泵浦激光器发出泵浦激光，并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，一束用于钟泵浦光路；

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，与所述微型原子气室中的量子参考介质相互作用，由光电探测模块收集探测激光；

3)由所述综合电路控制系统产生调制信号，输入激光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模块的信号在综合电路控制系统中进行解调，得到误差信号控制所述泵浦激光驱动电源，稳定泵浦激光的频率；

4)用于钟泵浦光路的激光，经反射镜调节，与所述微型原子气室的光学谐振腔共振，输出主动光频标信号；

5)主动光频标信号与芯片光梳相结合，构成芯片主动光钟；

在步骤2)中，泵浦激光与探测激光从所述微型原子气室镀有泵浦激光和钟激光增透膜的平面入射。

在步骤2)中，光电探测模块可以是光电探测器，也可以是光电倍增管。

在步骤4)中，调节所述微型原子气室光学谐振腔平面镜端壁上的压电陶瓷，以改变光学谐振腔腔长，优化并使输出主动光钟的激光达到最优性能。

与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：

本发明于国际上首次提出芯片主动光钟及方法，采用微型原子气室同时作为四能级主动光钟光学谐振腔和主动光钟量子参考系综，主要的优点和积极效果包括以下几方面：

(一)本发明芯片主动光钟采用毫米量级的微型原子气室端壁直接作为主动光钟光学谐振腔，相比于以前大体积的方案，钟激光腔长有效减小一个量级以上，原子气室体积减小三个数量级以上，坏腔系数有效提高，可进一步极大减小热噪声对腔长的影响，从而提高输出钟激光的频率稳定度；

(二)与其他主动光钟方案完全不同，本发明直接采用热膨胀系数很小的石英玻璃作为主动光钟光学谐振腔的腔体材料，可再进一步减小热噪声对腔长的扰动；

(三)与现有技术的主动光钟方案完全不同，本方案将主动光钟光学谐振腔和主动光钟量子参考系综集成到同一微型原子气室上，相比于现有技术分立结构的方案，本发明可有效减小系统整体尺寸，通过光学器件的集成化，可实现芯片级的主动光频标，通过与芯片光学频率梳相结合，构成高性能的芯片主动光钟。

附图说明

图1为本发明基于微型原子气室的芯片主动光钟实施例的结构示意图；

其中：1-窄线宽外腔半导体激光器、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-电光调制器、7-微型铯原子气室、8-第三偏振分光棱镜、9-高速光电探测器、10-综合电路控制系统、11-泵浦激光器驱动电源。

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，本公开实施例的基于微型原子气室的铯原子四能级芯片主动光钟包括：窄线宽外腔半导体激光器1、第一半波片2、第一偏振分光棱镜3、第二半波片4、第二偏振分光棱镜5、电光调制器6、微型铯原子气室7、第三偏振分光棱镜8、高速光电探测器9、综合电路控制系统10、泵浦激光器驱动电源11、输出主动光频标信号12。

其中，所述窄线宽外腔半导体激光器1由泵浦激光器驱动电源11驱动发出455nm或459nm泵浦激光，经第一半波片2和第一偏振分光棱镜3匹配调节分光功率并将激光分成两束，一束用于泵浦激光稳频光路，另一束用于主动光钟泵浦光路。泵浦激光稳频光路经第二半波片4和第二偏振分光棱镜5匹配调节分光功率并将激光分成两束：光强较强的一束经所述电光调制器6相位调制后，被第三偏振分光棱镜8反射至所述微型铯原子气室7中；光强较弱的一束依次通过所述微型铯原子气室7和第三偏振分光棱镜8后，被高速光电探测器9接收。高速光电探测器信号输入至所述综合电路控制系统10中进行调制解调，产生伺服反馈控制信号，对所述窄线宽外腔半导体激光器1频率进行稳定控制。调节主动光钟泵浦光路，泵浦激光从所述微型原子气室光学谐振腔平面镜端入射，微调使泵浦激光与光学谐振腔共振，出射波长为1359nm或1469nm所述主动光频标信号12，并调节所述微型原子气室光学谐振腔平面镜端壁上的压电陶瓷，以改变光学谐振腔腔长，优化并使输出主动光频标信号12达到最优性能。通过与芯片光梳相结合，构成铯原子四能级芯片主动光钟。

具体地，在本发明实施例中的基于微型原子气室的芯片主动光钟的特征是采用了微型石英玻璃原子气室同时作为主动光钟光学谐振腔和主动光钟的钟激光量子参考，实现高性能芯片主动光钟，本发明在此情形下与已有的主动光钟采用尺寸较大且分立的主动光钟钟激光量子参考和光学谐振腔结构相比，具有本质的区别。

本发明具体实施时，所述微型原子气室外部充少量纯铯原子蒸气，加热温度大于150℃；

泵浦激光波长可以是455nm，也可以是459nm；

激光相位调制器可以是电光调制器，可以是声光调制器，也可以是其他相位调制器；

微型原子气室中的量子参考介质也可以是铷原子等碱金属气体原子、碱土金属原子或其他具有窄线宽谱线的离子或分子。

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)

1.一种基于微型原子气室的芯片主动光钟，其特征是，包括：泵浦激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、激光相位调制器、微型原子气室、光电探测模块、综合电路控制系统和泵浦激光器驱动电源；

泵浦激光器依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；泵浦激光器用于发出泵浦激光；第一半波片和第一偏振分光棱镜用于匹配调节分光功率并将激光分成两束；一束用于泵浦激光稳频光路，另一束用于主动光钟泵浦光路；

泵浦激光稳频光路依次连接第二半波片和第二偏振分光棱镜；主动光钟泵浦光路连接微型原子气室平面镜一端；第二半波片和第二偏振分光棱镜用于匹配调节分光功率并将激光分成两束，光强较强一束和光强较弱一束；

光强较强一束经激光相位调制器由第三偏振分光棱镜反射至微型原子气室中；光强较弱一束依次经微型原子气室和第三偏振分光棱镜，被光电探测模块接收；

主动光钟泵浦光路的激光从微型原子气室的平面镜一端入射，调节光路使激光与微型原子气室光学谐振腔共振；

光电探测模块连接综合电路控制系统，由综合电路控制系统对光电探测模块信号进行调制解调，并产生伺服信号伺服泵浦激光器驱动电源；

综合电路控制系统连接激光相位调制器和泵浦激光器驱动电源，并由其产生驱动控制信号；

由微型原子气室输出主动光频标信号，结合芯片光梳，从而实现一种基于微型原子气室的芯片主动光钟。

2.如权利要求1所述基于微型原子气室的芯片主动光钟，其特征是，所述微型原子气室为毫米量级的石英玻璃泡，至少四面可以通光；其中两个对面为平面和凸面，镀上钟激光部分反射率的介质膜，分别作为钟光学谐振腔的平面镜和凹面镜；与光学谐振腔相邻的另外两个对面均为平面，镀上泵浦激光和钟激光的增透膜。

3.如权利要求1所述基于微型原子气室的芯片主动光钟，其特征是，所述光学谐振腔的腔模线宽远大于所述微型原子气室中的量子参考介质的线宽。

4.如权利要求3所述基于微型原子气室的芯片主动光钟，其特征是，光学谐振腔平面镜端壁包含用于调节腔长的压电陶瓷，通过压电陶瓷施加外力改变光学谐振腔腔长，进一步优化并锁定光学谐振腔腔长。

5.如权利要求1所述基于微型原子气室的芯片主动光钟，其特征是，泵浦激光稳频和钟量子频率参考可以共用同一微型原子气室，也可以采用不同原子气室；当共用同一微型原子气室时，在微型原子气室处，泵浦激光稳频光路和主动光钟泵浦光路空间上互相垂直。

6.如权利要求1所述基于微型原子气室的芯片主动光钟，其特征是，微型原子气室外部包括磁屏蔽和控温装置，用于减小外界剩余磁场和温度波动对量子频率参考的影响；微型原子气室中的量子参考介质是下列中的一种：碱土金属原子、碱金属气体原子、具有窄线宽谱线的离子或分子。

7.如权利要求1所述基于微型原子气室的芯片主动光钟，其特征是，泵浦激光器为窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器；和/或，泵浦激光稳频方式为饱和吸收谱稳频、极化谱稳频、调制转移谱稳频方式中的一种。

8.一种基于微型原子气室的芯片主动光钟的实现方法，采用包括：泵浦激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、激光相位调制器、微型原子气室、光电探测模块、综合电路控制系统和泵浦激光器驱动电源，通过以下步骤实现：

1)将微型原子气室进行加热，产生足够的原子饱和蒸汽压；由泵浦激光器发出泵浦激光，并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，一束用于钟泵浦光路；

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，与微型原子气室中的量子参考介质相互作用，由光电探测模块收集探测激光；

3)由综合电路控制系统产生调制信号，输入激光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模块的信号在综合电路控制系统中进行解调，得到误差信号控制所述泵浦激光驱动电源，稳定泵浦激光的频率；

4)调节所述微型原子气室光学谐振腔平面镜端壁上的压电陶瓷，改变光学谐振腔腔长；用于钟泵浦光路的激光经反射镜调节与微型原子气室的光学谐振腔共振，输出主动光频标信号；

5)将主动光频标信号与芯片光梳相结合，构成芯片主动光钟。

9.如权利要求8所述基于微型原子气室的芯片主动光钟的实现方法，其特征是，在步骤2)中泵浦激光与探测激光从所述微型原子气室镀有泵浦激光和钟激光增透膜的平面入射。

10.如权利要求8所述基于微型原子气室的芯片主动光钟的实现方法，其特征是，光电探测模块采用光电探测器或光电倍增管。

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