CN111413859B - 基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及控制方法。该碘分子光钟的电源控制系统生成脉冲调制信号传至激光系统生成脉冲信号，经隔离器对后方光路的光反馈隔离，隔离器之后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；激光稳频光路为依次连接的第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜之后分两束：光强较强一束作为泵浦激光依次经格兰泰勒棱镜、第三半波片和电光相位调制器，被第三偏振分光棱镜反射至光路倍增系统；光强较弱一束作为探测激光光路倍增系统和第三偏振分光棱镜，被高速光电探测器接收后输入至激光鉴相及高速伺服反馈控制电路，产生电源控制系统的伺服信号。

Description

基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法

技术领域

本发明涉及光频原子钟及光频量子频率标准技术领域，特别涉及一种基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。

背景技术

碘分子是一种简单的双原子分子，在500-650nm的可见光波段约有5000条吸收谱线，特别是在532nm附近，碘分子有上百条的强吸收谱线。由于532nm的碘吸收跃迁为基态吸收，相比于其他临近波段吸收系数更大，谱线宽度较窄，因此532nm碘分子频标在可见光波段具有极好的频率稳定度，在1s取样时间上的频率稳定度阿仑偏差可达到5×10-14，成为复现米定义的推荐标准之一。

在现有技术[如“532nm碘分子光频标”，臧二军等，《中国激光》第32卷第2期，第203-208页]中，公开了一种碘分子稳频的532nm固体激光频标装置，它的目的是提供一种以碘分子的振转跃迁中的超精细成分作为自然基准而实现的分子频标。该技术方案相比于原子或离子频标，结构相对简单，耗资较少，较易实现，并且具有极好的短期频率稳定度。但其不足之处是：利用单频的激光输出，使得只有极少一部分横向速度近零速的碘分子才贡献于跃迁谱线的稳频信号，碘分子的有效利用率非常低，限制了碘分子光钟频率稳定度指标的进一步提高。此外，由于分子跃迁吸收较弱，为了提高碘分子的有效利用率，通常把碘分子吸收池的长度设计为几十厘米甚至几米，应用时控制温度难度高、系统体积大。若激光束和碘分子相互作用的吸收长度较短，则无法获得高信噪比的误差控制信号，十分不利于碘分子光钟频率稳定度的进一步提高。

发明内容

本发明所解决的第一个技术问题是针对现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种通过对532nm脉冲调制宽谱激光系统施加脉冲调制信号来生成一种包含多个频率成分的脉冲调制宽谱梳齿型532nm激光系统，使其与几乎所有不同横向速度群的碘分子相互作用，让碘分子吸收池中更多的碘分子都能参与对跃迁谱线稳频信号的贡献，可成百上千倍地提高碘分子的有效利用率，进而实现极高信噪比，从而接近量级地提高激光频率稳定度并基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。本发明所解决的第二个技术问题是针对现有技术中为提高碘分子的有效利用率而将碘分子吸收池的长度设计为几十厘米甚至几米，导致应用时控制温度难度高、系统体积大的问题，提供一种在实现接近量级地提高激光频率稳定度，在提升碘分子光钟超精细谱线信噪比的基础上，碘分子吸收池的长度就大大缩短，实现小型化碘分子光钟的基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。本发明所解决的第三个技术问题是为其它吸收较弱分子频标提供了一种提高分子有效利用率，进而提高超精细谱线信噪比的思路和发展方向，未来分子频标领域具有更广阔应用前景的并基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。本发明所解决的第四个技术问题是针对现有技术中存在的利用电光相位调制器对激光进行电光相位调制的过程中，还伴随着少许的幅度调制，这种幅度调制会对频率锁定后的激光频率造成频移，若剩余幅度调制随时间发生变化，则该频移将会引起激光频率随时间发生起伏，造成激光频率锁定后的长期频率稳定度变差问题，而提供一种为降低剩余幅度调制的影响，采用主动温度反馈方式实现对电光相位调制器中剩余幅度调制变化的控制，在碘分子吸收池前后两端分别放置第一四孔光阑和第二四孔光阑，可以有效地解决碘分子吸收池两端窗口片上的多次透射及反射棱镜的多次反射带来的杂散光问题并基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。

本发明的技术解决方案是所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特殊之处在于，包括532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统、隔离器、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、用于改变激光偏振方向进而对剩余幅度调制起到抑制作用的格兰泰勒棱镜、电光相位调制器、碘分子吸收池光路倍增系统、高速光电探测器、用于射频调制信号的产生、误差信号解调滤波鉴相、高速伺服反馈控制的激光鉴相及高速伺服控制电路、电源控制系统；所述电源控制系统生成脉冲调制信号，并将所述脉冲调制信号传输至532nm激光，发送给激光系统，激光系统在脉冲调制信号的作用下生成梳齿型532nm激光脉冲信号，其中，梳齿型532nm激光脉冲信号的任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，与对应温度吸收池中分子谱的多普勒展宽匹配，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽；激光系统之后连接隔离器，用于对后方光路的光反馈进行隔离；隔离器之后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜之后分为两路：激光稳频光路和稳频激光出射光路；激光稳频光路为依次连接的第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜之后分为两束：光强较强的一束作为泵浦激光依次经格兰泰勒棱镜、第三半波片和电光相位调制器后，被第三偏振分光棱镜反射至碘分子吸收池光路倍增系统中；光强较弱的一束作为探测激光经碘分子吸收池光路倍增系统和第三偏振分光棱镜，被高速光电探测器接收；高速光电探测器信号输入至激光鉴相及高速伺服反馈控制电路，并依次连接电源控制系统和电光相位调制器；产生的伺服信号用于控制电源控制系统，从而实现高频率稳定度的激光输出。

进一步的，所述激光系统由窄线宽激光器和倍频系统组成；窄线宽激光器采用Nd:YAG固体激光器，激光由Nd:YAG激光经倍频得到，其具有开环频率和功率稳定性、窄的线宽和精密频率的调谐特性；或使用半导体532nm激光，532nm激光由Nd:YAG激光经倍频得到。

进一步的，所述碘分子吸收池光路倍增系统包括第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜、碘分子吸收池及温度控制模块；其中，碘分子吸收池是由石英玻璃密封烧制而成的圆柱体，分为碘泡和冷指两个部分；温度控制模块由温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料组成，半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻设置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；温度控制模块为制冷碘分子吸收池提供足够的饱和蒸气压并减小外界温度波动对量子参考谱线的影响；泵浦激光与探测激光反向共轴通过所述光路倍增系统，经过三次折叠光路，实现四倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度。

进一步的，所述碘分子吸收池光路倍增系统还包括用于解决碘分子吸收池两端窗口片上的多次透射及反射棱镜的多次反射带来杂散光问题而在碘分子吸收池前后两端分别设置的第一四孔光阑和第二四孔光阑。

进一步的，所述激光鉴相及高速伺服控制电路包括用于产生射频调制信号的信号源、对高速光电探测器信号进行混频解调的混频器、产生伺服信号的高速伺服反馈电路；信号源产生的射频调制信号分为两路，一路输入至电光相位调制器中对泵浦激光进行相位调制，另一路输入至混频器中，与高速光电探测器信号进行混频解调后得到误差信号；误差信号通过高速伺服反馈电路后，产生的伺服信号反馈至电源控制系统的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现高速全带宽锁定。

进一步的，所述任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调进一步包括：碘分子饱和谱线宽为400kHz，梳齿之间的频率间隔大于两倍的谱线线宽。

本发明的另一技术解决方案是所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特殊之处在于包括532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统、隔离器、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、电光相位调制器、碘分子吸收池光路倍增系统、高速光电探测器、激光鉴相及高速伺服控制电路、电源控制系统、外部激光调制器，所述电源控制系统生成脉冲调制信号上，并将所述脉冲调制信号分两路，分别施加到外部激光调制器和传输532nm激光发送给激光系统，激光系统在脉冲调制信号的作用下生成具有多个频率成分的梳齿型532nm激光脉冲信号，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，另一束作为稳频激光出射光路；梳齿型532nm激光脉冲信号的任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，与对应温度吸收池中分子谱的多普勒展宽匹配，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽；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并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，泵浦激光与探测激光这两束激光反向重合；其中，具有多个频率成分的光强较强的一束经电光相位调制后与碘分子吸收池光路倍增系统内的所有速度群的碘分子相互作用，具有多个频率成分的光强较弱的一束与所有速度群的碘分子相互作用后被高速光电探测器接收，高速光电探测器信号输入到激光鉴相及高速伺服控制电路中，并依次连接电源控制系统和电光相位调制器，产生的伺服信号用于控制电源控制系统，从而实现高频率稳定度的激光输出。

本发明的再一技术解决方案是所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光碘分子光钟的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

⑴电源控制系统将生成的脉冲调制信号传输至532nm脉冲调制宽谱激光系统，532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统是在脉冲调制信号的作用下生成任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽的梳齿型532nm激光信号；

⑵具有多个频率成分的梳齿型532nm激光信号，经隔离器后依次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，一束作为稳频激光出射光路；

⑶分束后其中用于激光稳频光路的激光，依次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，泵浦激光与探测激光这两束激光反向重合，与碘分子吸收池光路倍增系统中的几乎所有速度群的碘分子相互作用，由高速光电探测器接收探测激光；

⑷碘分子吸收池光路倍增系统，泵浦激光与探测激光反向共轴入射，通过第一反射棱镜、第二反射棱镜和第三反射棱镜三次折叠光路，实现了4倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度；

⑸由激光鉴相及高速伺服控制电路产生调制信号驱动电光相位调制器，对泵浦激光进行相位调制，并将高速光电探测器信号输入至激光鉴相及高速伺服控制电路进行解调滤波鉴相，得到误差信号，所述误差信号经高速伺服反馈电路反馈至电源控制系统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，进而实现基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟。

本发明的再一技术解决方案是所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光碘分子光钟的控制方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

⑴电源控制系统将生成的脉冲调制信号传输至532nm脉冲调制宽谱激光系统，532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统在脉冲调制信号的作用下生成任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽的梳齿型532nm激光信号；

⑵具有多个频率成分的梳齿型532nm激光，经隔离器后依次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，一束作为稳频激光出射光路；

⑶分束后其中用于激光稳频光路的激光，依次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，泵浦激光与探测激光这两束激光反向重合，与碘分子吸收池光路倍增系统中的几乎所有速度群的碘分子相互作用，由高速光电探测器接收探测激光；

⑷碘分子吸收池光路倍增系统中，泵浦激光与探测激光反向共轴入射，通过第一反射棱镜、第二反射棱镜和第三反射棱镜三次折叠光路，实现了4倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度；

⑸激光鉴相及高速伺服反馈控制电路包含用于产生射频调制信号的信号源、对高速光电探测器信号进行混频解调的混频器、产生伺服信号的高速伺服反馈电路；由信号源产生调制信号驱动电光相位调制器，对泵浦激光进行相位调制，并将高速光电探测器信号输入至混频器中进行混频解调，得到误差信号，所述误差信号经高速伺服反馈电路反馈至电源控制系统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，进而实现基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟。

进一步的：步骤⑴所述脉冲调制宽谱梳齿型激光系统由窄线宽激光器和倍频系统组成；窄线宽激光器采用Nd:YAG固体激光器，激光由Nd:YAG激光经倍频得到，其具有开环频率和功率稳定性、窄的线宽和精密频率的调谐特性；或，使用半导体532nm激光，532nm激光由Nd:YAG激光经倍频得到。

进一步的，步骤⑶所述温度控制模块包括温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料，用于实现对碘分子吸收池的高精度温度控制；半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻设置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中，用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；步骤⑶所述激光稳频光路采用快速相位调制的调制转移谱稳频技术。

与现有技术相比，本发明的有益效果:

⑴本发明基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，通过对532nm脉冲调制宽谱激光系统施加脉冲调制信号来生成梳齿型532nm激光信号，该梳齿型532nm激光信号包含多个频率成分，与几乎所有不同横向速度群的碘分子相互作用，使碘分子吸收池中更多的碘分子都能参与对跃迁谱线稳频信号的贡献，成百上千倍地提高碘分子的有效利用率，进而实现数量级的提升碘分子光钟超精细谱线的信噪比，从而接近量级地提高激光频率稳定度。

⑵针对现有技术中为提高碘分子的有效利用率而将碘分子吸收池的长度设计为几十厘米甚至几米，导致应用时控制温度难度高、系统体积大的问题，本发明在实现上述数量级的提升碘分子光钟超精细谱线信噪比的基础上，碘分子吸收池的长度就大大缩短，以实现小型化的碘分子光钟，为更多的应用开辟市场。

⑶本发明不仅实现了碘分子光钟频率稳定度指标的进一步提高，还为其他吸收较弱的分子频标(如甲烷、二氧化碳等)提供了一种提高分子有效利用率，进而提高超精细谱线信噪比的思路和发展方向，未来的分子频标领域将会具有更广阔的应用前景。

⑷本发明的泵浦激光与探测激光反向共轴通过所述光路倍增系统，经过三次折叠光路，实现四倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度；由于本发明极大地提升了信号强度，区别于传统方案，即使不用折叠光路，或大大缩短碘分子吸收池的长度也是可行的。

附图说明

图1是本发明基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟(内部调制)实施例的结构示意图；

图2是本发明基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟(外部调制)实施例的结构示意图；

图3是本发明基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟实施例中碘分子吸收池光路倍增系统的结构示意图。

主要组件符号说明：

激光系统1 隔离器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

格兰泰勒棱镜7 第三半波片8 电光相位调制器9

光路倍增系统10 第四半波片11 第三偏振分光棱镜12

高速光电探测器13 激光鉴相及高速伺服控制电路14 电源控制系统15

外部激光调制器16 第一反射棱镜301 第二反射棱镜302

第三反射棱镜303 碘分子吸收池304 第一四孔光阑305

第二四孔光阑306 温度控制模块307

具体实施方式

本发明下面将结合附图作进一步详述：

图1、图3示出了本发明的第一实施例。

请参阅图1所示，对532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统1采用内部调制的调制方式，基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟包括：施加脉冲调制信号的532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统1、隔离器2、第一半波片3、第二半波片5、第三半波片8、第四半波片11、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12、格兰泰勒棱镜7、电光相位调制器9、碘分子吸收池光路倍增系统10、高速光电探测器13、激光鉴相及高速伺服控制电路14、电源控制系统15。电源控制系统15生成脉冲调制信号，并将此脉冲调制信号传输至532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统1；532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统1在脉冲调制信号的作用下生成任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1-5MHz可调，总频谱宽度为400MHz-50GHz可调，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽的梳齿型532nm激光信号；

具有多个频率成分的梳齿型532nm激光，经隔离器2后依次由第一半波片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，一束作为稳频激光出射光路；

用于激光稳频光路的一束激光，由第二半波片5和第二偏振分光棱镜6将激光分成光强较弱和较强的两束。具有多个频率成分的光强较强的一束经电光相位调制器9相位调制后与光强较弱的一束激光反向重合，并与碘分子吸收池光路倍增系统10中的所有速度群的碘分子相互作用。其中，电光相位调制器9的驱动信号由激光鉴相及高速伺服控制电路14产生，作用后由高速光电探测器13接收光强较弱的一束激光，将光电探测信号输入到激光鉴相及高速伺服控制电路14中进行解调滤波鉴相，得到误差信号，经激光鉴相及高速伺服控制电路14控制电源控制系统15，得到高频率稳定度的激光输出。

请参阅图3所示，基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟中的碘分子吸收池光路倍增系统10包括：第一反射棱镜301、第二反射棱镜302、第三反射棱镜303、碘分子吸收池304、第一4孔光阑305、第二4孔光阑306、温度控制模块307。经第二偏振分光棱镜6分束后的光强较强的一束激光与光强较弱的一束激光反向共轴入射，通过第一反射棱镜301、第二反射棱镜302和第三反射棱镜303三次折叠光路，实现了4倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度。为了避免杂散光的影响，在碘分子吸收池304前后两端分别放置第一四孔光阑305和第二四孔光阑306。温度控制模块307用于对碘分子吸收池304进行高精度温度控制。

本实施例中，碘分子吸收池光路倍增系统中的温度控制模块由温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料组成，用于对碘分子吸收池进行制冷，提供足够的饱和蒸气压并减小外界温度波动对量子参考谱线的影响。

激光鉴相及高速伺服控制电路14包括用于产生射频调制信号的信号源、对高速光电探测器信号进行混频解调的混频器、产生伺服信号的高速伺服反馈电路；信号源产生的射频调制信号分为两路，一路输入至电光相位调制器中对泵浦激光进行相位调制，另一路输入至混频器中，与高速光电探测器信号进行混频解调后得到误差信号；误差信号通过高速伺服反馈电路后，产生的伺服信号反馈至电源控制系统的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现高速全带宽锁定。

请参阅图1、图3所示，所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光碘分子光钟的控制方法，包括以下步骤：

⑴电源控制系统15将生成的脉冲调制信号传输至532nm脉冲调制宽谱激光系统1，532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统1是在脉冲调制信号的作用下生成任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽的梳齿型532nm激光信号；

⑵具有多个频率成分的梳齿型532nm激光，经隔离器2后依次由第一半波片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，一束作为稳频激光出射光路；

⑶分束后，其中用于激光稳频光路的激光，依次由第二半波片5和第二偏振分光棱镜6将激光分成光强不等的两束，光强较强的一束作为泵浦激光，光强较弱的一束作为探测激光，泵浦激光与探测激光这两束激光反向重合，与带温度控制模块307的碘分子吸收池光路倍增系统10中的几乎所有速度群的碘分子相互作用，由高速光电探测器13接收探测激光；

⑷带温度控制模块307的碘分子吸收池光路倍增系统10，泵浦激光与探测激光反向共轴入射，通过第一反射棱镜301、第二反射棱镜302和第三反射棱镜303三次折叠光路，实现了四倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度；

⑸激光鉴相及高速伺服反馈控制电路14包含用于产生射频调制信号的信号源、对高速光电探测器信号进行混频解调的混频器、产生伺服信号的高速伺服反馈电路；由信号源产生调制信号驱动电光相位调制器9，对泵浦激光进行相位调制，并将高速光电探测器13信号输入至混频器中进行混频解调，得到误差信号，所述误差信号经高速伺服反馈电路反馈至电源控制系统15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，进而实现基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟。

本实施例中，步骤⑴所述脉冲调制宽谱梳齿型激光系统1由窄线宽激光器和倍频系统组成；窄线宽激光器采用Nd:YAG固体激光器，激光由Nd:YAG激光经倍频得到，其具有开环频率和功率稳定性、窄的线宽和精密频率的调谐特性；或，使用半导体532nm激光，532nm激光由Nd:YAG激光经倍频得到。

本实施例中，步骤⑶所述温度控制模块307包括温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料，用于实现对碘分子吸收池的高精度温度控制；半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻放置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；步骤⑶所述激光稳频光路采用快速相位调制的调制转移谱稳频技术。

图2、图3示出了本发明的第二实施例。

请参阅图2、图3所示，对532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统1采用外部调制的调制方式，电源控制系统15产生的脉冲调制信号施加在外部激光调制器16上，例如电光调制器等，其它过程与第一实施例图1所示内部调制方式相同，此处不再赘述。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，包括532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统、隔离器、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、用于改变激光偏振方向进而对剩余幅度调制起到抑制作用的格兰泰勒棱镜、电光相位调制器、碘分子吸收池光路倍增系统、高速光电探测器、用于射频调制信号的产生、误差信号解调滤波鉴相、高速伺服反馈控制的激光鉴相及高速伺服控制电路、电源控制系统；所述电源控制系统生成脉冲调制信号，并将所述脉冲调制信号传输至532nm激光，发送给激光系统，激光系统在脉冲调制信号的作用下生成梳齿型532nm激光脉冲信号，其中，梳齿型532nm激光脉冲信号的任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，与对应温度吸收池中分子谱的多普勒展宽匹配，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽；激光系统之后连接隔离器，用于对后方光路的光反馈进行隔离；隔离器之后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜之后分为两路：激光稳频光路和稳频激光出射光路；激光稳频光路为依次连接的第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜之后分为两束：光强较强的一束作为泵浦激光依次经格兰泰勒棱镜、第三半波片和电光相位调制器后，被第三偏振分光棱镜反射至碘分子吸收池光路倍增系统中；光强较弱的一束作为探测激光经碘分子吸收池光路倍增系统和第三偏振分光棱镜，被高速光电探测器接收；高速光电探测器信号输入至激光鉴相及高速伺服反馈控制电路，并依次连接电源控制系统和电光相位调制器；产生的伺服信号用于控制电源控制系统，从而实现高频率稳定度的激光输出；所述碘分子吸收池光路倍增系统包括第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜、碘分子吸收池及温度控制模块；其中，碘分子吸收池是由石英玻璃密封烧制而成的圆柱体，分为碘泡和冷指两个部分；温度控制模块由温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料组成，半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻设置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；温度控制模块为制冷碘分子吸收池提供足够的饱和蒸气压并减小外界温度波动对量子参考谱线的影响；泵浦激光与探测激光反向共轴通过所述光路倍增系统，经过三次折叠光路，实现四倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度。

2.根据权利要求1所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述激光系统由窄线宽激光器和倍频系统组成；窄线宽激光器采用Nd:YAG固体激光器，激光由Nd:YAG激光经倍频得到，其具有开环频率和功率稳定性、窄的线宽和精密频率的调谐特性；或使用半导体532nm激光，532nm激光由Nd:YAG激光经倍频得到。

3.根据权利要求1所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述碘分子吸收池光路倍增系统还包括用于解决碘分子吸收池两端窗口片上的多次透射及反射棱镜的多次反射带来杂散光问题而在碘分子吸收池前后两端分别设置的第一四孔光阑和第二四孔光阑。

4.根据权利要求1所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述激光鉴相及高速伺服控制电路包括用于产生射频调制信号的信号源、对高速光电探测器信号进行混频解调的混频器、产生伺服信号的高速伺服反馈电路；信号源产生的射频调制信号分为两路，一路输入至电光相位调制器中对泵浦激光进行相位调制，另一路输入至混频器中，与高速光电探测器信号进行混频解调后得到误差信号；误差信号通过高速伺服反馈电路后，产生的伺服信号反馈至电源控制系统的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现高速全带宽锁定。

5.根据权利要求1所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调进一步包括：碘分子饱和谱线宽为400kHz，梳齿之间的频率间隔大于两倍的谱线线宽。

6.一种基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，包括532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统、隔离器、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、电光相位调制器、碘分子吸收池光路倍增系统、高速光电探测器、激光鉴相及高速伺服控制电路、电源控制系统、外部激光调制器，所述电源控制系统生成脉冲调制信号上，并将所述脉冲调制信号分两路，分别施加到外部激光调制器和传输532nm激光发送给激光系统，激光系统在脉冲调制信号的作用下生成具有多个频率成分的梳齿型532nm激光脉冲信号，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，另一束作为稳频激光出射光路；梳齿型532nm激光脉冲信号的任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，与对应温度吸收池中分子谱的多普勒展宽匹配，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽；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并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，泵浦激光与探测激光这两束激光反向重合；其中，具有多个频率成分的光强较强的一束经电光相位调制后与碘分子吸收池光路倍增系统内的所有速度群的碘分子相互作用，具有多个频率成分的光强较弱的一束与所有速度群的碘分子相互作用后被高速光电探测器接收，高速光电探测器信号输入到激光鉴相及高速伺服控制电路中，并依次连接电源控制系统和电光相位调制器，产生的伺服信号用于控制电源控制系统，从而实现高频率稳定度的激光输出；所述碘分子吸收池光路倍增系统包括第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜、碘分子吸收池及温度控制模块；其中，碘分子吸收池是由石英玻璃密封烧制而成的圆柱体，分为碘泡和冷指两个部分；温度控制模块由温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料组成，半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻设置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；温度控制模块为制冷碘分子吸收池提供足够的饱和蒸气压并减小外界温度波动对量子参考谱线的影响；泵浦激光与探测激光反向共轴通过所述光路倍增系统，经过三次折叠光路，实现四倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度。

7.一种基于脉冲调制宽谱梳齿型激光碘分子光钟的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

⑴电源控制系统将生成的脉冲调制信号传输至532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统，532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统在脉冲调制信号的作用下生成任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽的梳齿型532nm激光信号；

⑵具有多个频率成分的梳齿型532nm激光，经隔离器后依次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，一束作为稳频激光出射光路；

⑶分束后其中用于激光稳频光路的激光，依次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，泵浦激光与探测激光这两束激光反向重合，与碘分子吸收池光路倍增系统中的几乎所有速度群的碘分子相互作用，由高速光电探测器接收探测激光；所述碘分子吸收池光路倍增系统包括第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜、碘分子吸收池及温度控制模块；其中，碘分子吸收池是由石英玻璃密封烧制而成的圆柱体，分为碘泡和冷指两个部分；温度控制模块由温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料组成，半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻设置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；温度控制模块为制冷碘分子吸收池提供足够的饱和蒸气压并减小外界温度波动对量子参考谱线的影响；泵浦激光与探测激光反向共轴通过所述光路倍增系统，经过三次折叠光路，实现四倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度；

⑷碘分子吸收池光路倍增系统中，泵浦激光与探测激光反向共轴入射，通过第一反射棱镜、第二反射棱镜和第三反射棱镜三次折叠光路，实现了4倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度；

⑸激光鉴相及高速伺服反馈控制电路包含用于产生射频调制信号的信号源、对高速光电探测器信号进行混频解调的混频器、产生伺服信号的高速伺服反馈电路；由信号源产生调制信号驱动电光相位调制器，对泵浦激光进行相位调制，并将高速光电探测器信号输入至混频器中进行混频解调，得到误差信号，所述误差信号经高速伺服反馈电路反馈至电源控制系统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，进而实现基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟。

8.根据权利要求7所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光碘分子光钟的控制方法，其特征在于，步骤⑴所述脉冲调制宽谱梳齿型激光系统由窄线宽激光器和倍频系统组成；窄线宽激光器采用Nd:YAG固体激光器，激光由Nd:YAG激光经倍频得到，其具有开环频率和功率稳定性、窄的线宽和精密频率的调谐特性；或，使用半导体532nm激光，532nm激光由Nd:YAG激光经倍频得到。

9.根据权利要求7所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光碘分子光钟的控制方法，其特征在于，步骤⑶所述温度控制模块包括温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料，用于实现对碘分子吸收池的高精度温度控制；半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻设置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中，用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；步骤⑶所述激光稳频光路采用快速相位调制的调制转移谱稳频技术。

Images