CN113050404A - 基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及实现方法，包括：电源控制系统、420nm脉冲调制宽谱多频激光系统、调制转移谱稳频系统、激光探测模块、激光鉴相及高速伺服控制电路；通过对钟激光系统施加脉冲调制信号，生成一种包含多个频率成分的宽谱梳齿型激光；该宽谱梳齿型激光与不同速度群的铷原子相互作用，得到更多对钟跃迁谱线有贡献的铷原子，提高原子利用效率，从而大幅提高信噪比，有效提升铷原子光钟的稳定度。

Description

基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及实现方法

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，尤其涉及一种脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及其实现方法。

背景技术

在碱金属元素中，铷原子相对的具有熔点低、储量高、易提取等优势，一般采用热原子气室加热到室温以上就能够制备足够的饱和蒸汽压用于实现原子钟系统。此外，铷原子谱线简单，对于钟跃迁信号，可以有更多的原子参与贡献。正因如此，铷原子是原子钟最常用的量子参考之一。

在现有技术(脉冲宽谱钟激光探测的原子束光钟及其实现方法，专利号：ZL201910823353.4)和(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，专利号：ZL202010343402.7)中，均公开了一种利用脉冲调制宽谱激光的方法，提升原子或分子的利用率，使更多的原子或分子参与到对钟跃迁谱线的贡献，以大幅提高超精细谱线的信噪比，进而提升原子钟系统的稳定度指标。但是，前者原子束光钟由于采用的是真空管结构，原子束流中原子的飞行速度可达到几百米每秒，即使采取一定的措施，如光阑准直等，依旧会存在原子束的横向发散等问题，限制了原子的利用效率；后者碘分子光钟所采用的碘分子在500-650nm可见光波段约有5000条吸收谱线，因其谱线过于复杂，在所要探测的谱线处对应的分子数目很小，即只有很小一部分碘分子参与对目标信号的贡献，因此限制了系统的稳定度指标。

以上两种现有技术都采用了脉冲调制的方法提升系统的稳定度指标，但是都存在一定的缺陷：前者原子束光钟存在的问题是，非零速原子由于多普勒效应而不能与钟激光有效相互作用，有效贡献的原子只占到3％左右，如此低的原子利用率极大的限制了原子束型光钟量子参考谱线信噪比的提高，从而限制了频率稳定度指标的进一步提高。后者碘分子光钟的缺陷是：所采用的碘分子在500-650nm可见光波段有着约5000条吸收谱线，因其谱线过于复杂，分子在所要探测的谱线处，对应的数目则很小，分子只有很小一部分对目标信号有贡献，因此限制了信号强度和系统的稳定度指标。

发明内容

本发明创新地提出了一种脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及其实现方法，提高原子利用率，提升系统稳定度指标。本发明也可应用到不同的碱金属原子的不同谱线，提高其他碱金属原子光频标的频率稳定度指标。

本发明解决的第一个问题是针对现有技术中只有少数基态原子贡献于跃迁谱线，导致原子利用率低，进而限制系统稳定度指标进一步提升的技术问题，通过对420nm钟激光系统施加脉冲调制信号，生成一种包含多个频率成分的宽谱梳齿型激光。该宽谱梳齿型激光与不同速度群的铷原子相互作用，使得更多的铷原子都能参与到对钟跃迁谱线的贡献中，大大提高了原子的利用效率，从而大幅度提高了信噪比，进而量级地提升铷原子光钟的稳定度。本发明解决的第二个问题是本发明所指出的方法不仅适用于420nm铷原子光钟，也可以利用到不同的碱金属原子的不同谱线当中，为提高其他碱金属原子光频标的频率稳定度指标提供了新的思路和方法。

本发明的技术方案是：

一种脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及其实现方法，将多频激光信号用于原子钟，通过对钟激光系统施加脉冲调制信号，生成一种包含多个频率成分的宽谱梳齿型激光；该宽谱梳齿型激光与不同速度群的铷原子相互作用，使得更多的铷原子能参与到对钟跃迁谱线的贡献中，大大提高原子的利用效率，从而大幅度提高信噪比，进而量级地提升铷原子光钟的稳定度。

本发明不仅适用于420nm铷原子光钟，还可以利用到不同的碱金属原子的不同谱线当中。碱金属原子包括铷原子和其他碱金属原子(锂原子、钠原子、钾原子、铯原子等碱金属原子)；碱金属原子采用铷原子时，脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟实现方法具体包括如下步骤：

1)通过电源控制系统为420nm宽谱激光器施加脉冲调制信号，从而得到频谱宽度1GHz至50GHz可调，任意两梳齿之间频谱间隔5MHz至20MHz可调，且单根梳齿线宽小于铷原子钟跃迁能级线宽的420nm脉冲调制宽谱多频激光信号；该脉冲调制宽谱多频激光信号适用于不同速度群原子；

2)将该420nm宽谱多频激光信号用于获得钟跃迁谱线光路：

宽谱多频激光信号经过第一半波片、第一偏振分光棱镜分成强弱不同的两束激光信号，较弱的一束作为探测光，较强的一束作为泵浦光；泵浦光经第二半波片、格兰泰勒棱镜后通过电光相位调制器进行相位调制，之后通过第三半波片与第二偏振分光棱镜与探测光反相重合，两束光在铷原子气室内与铷原子进行相互作用，探测光射入激光探测模块的高速光电探测器中；

3)步骤2)中具体由射频信号源产生调制信号驱动电光相位调制器，对泵浦光进行相位调制，同时，产生解调信号与高速光电探测器测得的探测信号进行滤波和混频处理，进而得到误差信号，该误差信号传递给激光鉴相及高速伺服控制电路，用于控制电源系统及420nm宽谱激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，进而实现基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟。

进一步地，本发明具体实施时对铷原子气室进行了控保温和磁屏蔽处理；步骤2)采用带温度控制的铷原子气室，其中的温度控制方法包括采用温控电路、加热片、热敏电阻及保温材料来实现对于铷原子气室的精确控温。

具体实施时，本发明还提供一种基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟，包括：电源控制系统、420nm脉冲调制宽谱多频激光系统、调制转移谱稳频系统、激光探测模块、激光鉴相及高速伺服控制电路。其中：

电源控制系统，用于为420nm脉冲调制宽谱激光系统提供一种施加了脉冲调制的电源信号，进而得到系统所需的420nm脉冲调制宽谱多频激光信号，此处的脉冲调制的电源信号可采用内部调制或外部调制两种方法实现；

420nm脉冲调制宽谱多频激光系统，在电源控制系统脉冲调制信号的作用下产生420nm脉冲调制宽谱梳齿型激光信号。其所产生的宽谱梳齿型激光信号为频谱宽度1GHz至50GHz可调，任意两梳齿之间频谱间隔5MHz至20MHz可调，且单根的梳齿线宽小于铷原子钟跃迁能级线宽的420nm激光信号；

调制转移谱稳频系统包括：第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、格兰泰勒棱镜、电光相位调制器、带温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室；420nm脉冲调制宽谱多频激光信号经第一半波片、第一偏振分光棱镜分成两束：光强较弱的一束作为探测光射入带温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室，之后经过第二偏振分光棱镜射入激光探测系统；光强较强的一束作为泵浦光，经格兰泰勒棱镜、电光相位调制器和第二偏振分光棱镜后与探测光反向重合，射入铷原子气室，与探测光一起与铷原子进行相互作用；

激光探测模块为高速光电探测器，探测信号与解调信号进行滤波、放大和混频处理后，所得到的误差信号传给激光鉴相及高速伺服控制电路；

激光鉴相及高速伺服控制电路对电源控制系统和420nm脉冲调制宽谱多频激光系统的420nm宽谱激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口进行控制。

脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟的总体工作过程为：电源控制系统为420nm宽谱激光器输出的420nm激光施加脉冲调制信号，生成针对不同速度群原子的420nm脉冲调制宽谱多频激光信号。420nm脉冲调制宽谱多频激光信号传递给调制转移谱稳频系统，经图1中第一半波片、第一偏振分光棱镜分成两束光，较弱的一束作为探测信号，经带有温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室后被激光探测系统接收，较强的一束作为泵浦光，经第二半波片、格兰泰勒棱镜后，通过电光相位调制器进行相位调制，调制后的泵浦激光信号通过第二偏振分光棱镜后与较弱的探测光反相重合，两束反相重合的光信号在铷原子气室内与原子进行相互作用，激光探测系统在接收到信号后，经过滤波、放大、混频处理后将误差信号传递给激光鉴相及高速伺服控制电路，激光鉴相及高速伺服控制电路通过产生的伺服信号控制电源系统及激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，从而实现基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟。

进一步，本发明所提到激光器，可以是窄线宽外腔半导体干涉滤光片激光器(如420nm宽谱激光器)，但是不限于此，也可以是其他激光器。

进一步，调制转移谱稳频系统除了上述的光路系统之外，还包括射频信号源，用于产生调制信号对通过电光调制器的泵浦光进行相位调制，同时产生解调信号，用于与高速光电探测器测得的探测信号进行混频，从而得到误差信号；

进一步，由于热对流和热辐射会使得铷原子气室的温度产生波动，进而造成的原子数密度波动会限制系统的稳定度，并且外界的环境磁场会引起系统的频移变化，综合以上因素，本发明具体实施时对铷原子气室进行了控保温和磁屏蔽处理。

进一步，电光相位调制器在进行相位调制的过程中会存在一定的剩余幅度调制，剩余幅度调制会使得系统在锁定之后激光频率产生漂移，进而降低光钟系统的稳定度指标。为了减小剩余幅度调制带来的影响，本发明在电光相位调制器前采用了格兰泰勒棱镜，配合第二半波片调整泵浦光的偏振方向，同时，本发明采用的一种主动温度反馈控制方式，皆有助于抑制剩余幅度调制对系统稳定度带来的影响。

进一步，第一半波片配合第一偏振分光棱镜进行调节，改变探测光和泵浦光两束的分光比；第二半波片匹配格兰泰勒棱镜调节泵浦光的偏振方向，从而减小电光相位调制器带来的剩余幅度调制；第三半波片用于调节泵浦光的偏振方向，使其经过第二偏振分光棱镜后可以完全反射进入铷原子气室中。

进一步，激光探测模块为高速光电探测器，探测器测得的信号在经过滤波、放大处理后与解调信号进行混频，从而得到误差信号传递给伺服反馈控制电路，伺服反馈电路再对电源、激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口进行反馈控制，从而实现系统的高速锁定。

进一步，本发明中所采用的铷原子仅作为一种思路的参考，具体实施环节并不仅限于铷原子，诸如锂原子、钠原子、钾原子、铯原子等碱金属原子同样适用于本发明中所列的方法。

与现有技术相比，本发明的创新点和新颖性是：

1、本发明提供了一种基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及其实现方法，通过对420nm钟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、覆盖不同速度群原子的420nm脉冲调制宽谱多频激光信号，其可以与不同速度群的铷原子进行相互作用，使更多的铷原子参与到对钟跃迁谱线的贡献中，以大幅度地提高系统的信噪比，从而接近量级地提升铷原子光钟的稳定度指标。同时，国际上目前并没有将多频激光用于原子钟当中的文献和专利，本专利是在国际上首次提出将多频激光信号用于原子钟领域。

2、本发明不仅可以实现铷原子光钟频率稳定度指标的提高，还可以用于诸如锂原子、钠原子、钾原子、铯原子等其他不同碱金属原子，以及除了调制转移谱之外其他的不同谱线中，比如饱和吸收谱、极化谱等不同谱线。为提高原子利用率，进而提高谱线信噪比提供新思路。

附图说明

图1为本发明基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟实施例的系统实现流程图；

其中：1—电源控制系统、2—420nm脉冲调制宽谱多频激光系统、3—调制转移谱稳频系统、4—激光探测模块、5—激光鉴相及高速伺服控制电路。

图2为本发明基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟实施例中调制转移谱稳频系统的结构示意图；

其中：301—第一半波片、302—第一偏振分光棱镜、303—带温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室、304—第二偏振分光棱镜、305—第二半波片、306—格兰泰勒棱镜、307—电光相位调制器、308—第三半波片。

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。

本发明提供一种脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟及其实现方法，通过对钟激光系统施加脉冲调制信号，生成一种包含多个频率成分的宽谱梳齿型激光；该宽谱梳齿型激光与不同速度群的碱金属原子相互作用，使得更多的碱金属原子，且都能参与到对钟跃迁谱线的贡献中，大大提高原子的利用效率，从而大幅度提高信噪比，进而量级地提升碱金属原子光钟的稳定度；该方法同样为其他碱金属原子钟提供了新的思路，如锂原子、钠原子、钾原子等；

脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟实现方法具体包括如下步骤：

1)通过电源控制系统为420nm宽谱激光器施加脉冲调制信号，从而得到频谱宽度1GHz至50GHz可调，任意两梳齿之间频谱间隔5MHz至20MHz可调，且单根梳齿线宽小于铷原子钟跃迁能级线宽的420nm脉冲调制宽谱多频激光信号；该脉冲调制宽谱多频激光信号适用于不同速度群原子；

2)将该420nm宽谱多频激光信号用于获得钟跃迁谱线光路：

宽谱多频激光信号经过第一半波片、第一偏振分光棱镜分成强弱不同的两束激光信号，较弱的一束作为探测光，较强的一束作为泵浦光；泵浦光经第二半波片、格兰泰勒棱镜后通过电光相位调制器进行相位调制，之后通过第三半波片与第二偏振分光棱镜与探测光反相重合，两束光在铷原子气室内与铷原子进行相互作用，探测光射入激光探测模块的高速光电探测器中；

3)步骤2)中具体由射频信号源产生调制信号驱动电光相位调制器，对泵浦光进行相位调制，同时，产生解调信号与高速光电探测器测得的探测信号进行滤波和混频处理，进而得到误差信号，该误差信号传递给激光鉴相及高速伺服控制电路，用于控制电源系统及420nm宽谱激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，进而实现基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟。

进一步地，本发明具体实施时对铷原子气室进行了控保温和磁屏蔽处理；步骤2)采用带温度控制的铷原子气室，其中的温度控制方法包括采用温控电路、加热片、热敏电阻及保温材料来实现对于铷原子气室的精确控温。

具体实施时，本发明还提供一种基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟。如图1所示，基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟包括：

电源控制系统1、420nm脉冲调制宽谱多频激光系统2、调制转移谱稳频系统3、激光探测模块4、激光鉴相及高速伺服控制电路5，其中调制转移谱稳频系统3如图2，包括第一半波片301、第一偏振分光棱镜302、带温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室303、第二偏振分光棱镜304、第二半波片305、格兰泰勒棱镜306、电光相位调制器307、第三半波片308。

电源控制系统1产生脉冲调制信号，并将此信号传递给420nm脉冲调制宽谱激光系统2，420nm宽谱激光信号在脉冲信号的调制作用下生成频谱宽度1GHz至50GHz可调，任意两梳齿之间频谱间隔5MHz至20MHz可调，且单根梳齿线宽小于铷原子钟跃迁能级线宽，可以适用于不同速度群原子的420nm脉冲调制宽谱多频激光信号；

用于获得钟跃迁谱线的420nm脉冲调制宽谱多频激光信号传递给调制转移谱稳频系统3，如图2，激光信号经第一半波片301、第一偏振分光棱镜302分成两束：光强较弱的一束作为探测光射入带温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室303；光强较强的一束作为泵浦光，经格兰泰勒棱镜306、电光相位调制器307和第二偏振分光棱镜304后与探测光反向重合，射入带温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室303，反相重合的探测光与泵浦光在铷原子气室303内与铷原子进行相互作用，之后探测光经过第二偏振分光棱镜304射入激光探测模块4，被高速光电探测器接收；

调制转移谱稳频系3统除了上述的光路之外，还包括射频信号源，用于产生调制信号对通过电光相位调制器7的泵浦光进行相位调制，同时产生解调信号，用于与高速光电探测器测得的探测信号进行混频，从而得到误差信号；

该误差信号传递给激光鉴相及高速伺服控制电路5，通过激光鉴相及高速伺服控制电路再对电源、激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口进行反馈控制，实现系统的高速锁定，从而实现一种基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟。

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范围内，各种替换和修改都是可能的。上述的替换包括不同波长的替换，如将420nm替换成和分子跃迁谱线可以对应的任何其他波长。上述的替换包括不同原子的替换，如将铷原子替换成其它具有合适波长跃迁谱线可以对应的任何其他原子。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)

1.一种脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟的实现方法，将多频激光信号用于原子钟，通过对钟激光系统施加脉冲调制信号，生成一种包含多个频率成分的宽谱梳齿型激光；该宽谱梳齿型激光与不同速度群的铷原子相互作用，得到更多对钟跃迁谱线有贡献的铷原子，提高原子利用效率，从而大幅提高信噪比，有效提升铷原子光钟的稳定度；包括如下步骤：

1)通过电源控制系统为420nm宽谱激光器施加脉冲调制信号，得到频谱宽度可调、任意两梳齿之间频谱间隔可调、且单根梳齿线宽小于铷原子钟跃迁能级线宽的420nm脉冲调制宽谱多频激光信号；该脉冲调制宽谱多频激光信号适用于不同速度群原子；

2)将该420nm宽谱多频激光信号用于获得钟跃迁谱线光路：

宽谱多频激光信号经过第一半波片、第一偏振分光棱镜分成强弱不同的两束激光信号，较弱的一束作为探测光，较强的一束作为泵浦光；

泵浦光经第二半波片、格兰泰勒棱镜后通过电光相位调制器进行相位调制，之后通过第三半波片与第二偏振分光棱镜与探测光反相重合；两束光在铷原子气室内与铷原子进行相互作用，探测光射入激光探测模块的高速光电探测器中；

所述铷原子气室具体采用带温度控制的铷原子气室；对铷原子气室进行控保温和磁屏蔽处理；

3)步骤2)中由射频信号源产生调制信号驱动电光相位调制器对泵浦光进行相位调制的同时，产生解调信号与高速光电探测器测得的探测信号进行滤波和混频处理，进而得到误差信号，该误差信号传递给激光鉴相及高速伺服控制电路，用于控制电源系统及420nm宽谱激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，进而实现基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟。

2.如权利要求1所述脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟的实现方法，其特征是，所述方法还可利用到其他碱金属原子的不同谱线中；其他碱金属原子包括锂原子、钠原子、钾原子、铯原子。

3.如权利要求1所述脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟的实现方法，其特征是，步骤2)采用带温度控制的铷原子气室，所述温度控制方法包括采用温控电路、加热片、热敏电阻及保温材料实现对铷原子气室的精确控温。

4.如权利要求1所述脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟的实现方法，其特征是，步骤1)中，通过电源控制系统为420nm宽谱激光器施加脉冲调制信号得到的脉冲调制宽谱多频激光信号的频谱宽度为1GHz至50GHz可调；任意两梳齿之间频谱间隔为5MHz至20MHz可调。

5.一种基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟，包括：电源控制系统、420nm脉冲调制宽谱多频激光系统、调制转移谱稳频系统、激光探测模块、激光鉴相及高速伺服控制电路；其中：

电源控制系统用于为420nm脉冲调制宽谱激光系统提供施加了脉冲调制的电源信号，进而得到420nm脉冲调制宽谱多频激光信号；

420nm脉冲调制宽谱多频激光系统用于在电源控制系统脉冲调制信号的作用下产生频谱宽度可调，任意两梳齿之间频谱间隔可调，且单根的梳齿线宽小于铷原子钟跃迁能级线宽的420nm脉冲调制宽谱梳齿型激光信号；

调制转移谱稳频系统包括：第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、格兰泰勒棱镜、电光相位调制器、带温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室；第一半波片用于配合第一偏振分光棱镜进行调节，改变探测光和泵浦光两束的分光比；第二半波片用于匹配格兰泰勒棱镜调节泵浦光的偏振方向，减小电光相位调制器带来的剩余幅度调制；第三半波片用于调节泵浦光的偏振方向，使其经过第二偏振分光棱镜后完全反射进入铷原子气室中；420nm脉冲调制宽谱多频激光信号经第一半波片、第一偏振分光棱镜分成两束：光强较弱的一束作为探测光射入带温度控制和磁屏蔽结构的铷原子气室，之后经过第二偏振分光棱镜射入激光探测系统；光强较强的一束作为泵浦光，经格兰泰勒棱镜、电光相位调制器和第二偏振分光棱镜后与探测光反向重合，射入铷原子气室，与探测光一起与铷原子进行相互作用；

激光探测模块采用高速光电探测器，用于将探测信号与解调信号进行滤波、放大和混频处理后，得到误差信号并传给激光鉴相及高速伺服控制电路；

激光鉴相及高速伺服控制电路用于对电源控制系统和激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口进行控制。

6.如权利要求5所述基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟，其特征是，所述电源控制系统施加脉冲调制的电源信号采用内部调制方法或外部调制方法。

7.如权利要求5所述基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟，其特征是，所述420nm脉冲调制宽谱多频激光系统产生的宽谱梳齿型激光信号为频谱宽度1GHz至50GHz可调，任意两梳齿之间频谱间隔5MHz至20MHz可调。

8.如权利要求5所述基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟，其特征是，420nm脉冲调制宽谱多频激光系统包括窄线宽外腔半导体干涉滤光片滤光器。

9.如权利要求5所述基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟，其特征是，调制转移谱稳频系统还包括射频信号源，用于产生调制信号对通过电光调制器的泵浦光进行相位调制，同时产生解调信号，用于与高速光电探测器测得的探测信号进行混频，得到误差信号；

和/或，在电光相位调制器前采用格兰泰勒棱镜，配合第二半波片调整泵浦光的偏振方向。

10.如权利要求5所述基于脉冲调制宽谱多频激光的铷原子光钟，其特征是，激光探测模块采用高速光电探测器；和/或，铷原子气室进行控保温和磁屏蔽处理，采用主动温度反馈控制方式。

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