CN113138550B - 基于主动光钟的好坏腔双波长光频标的产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供基于主动光钟的掺钕钇铝石榴石1064nm与铯原子1359nm的好坏腔双波长光频标的产生装置，包括法珀腔(3)、808nm泵浦激光器(1)和459nm泵浦激光器(12)，法珀腔(3)中有Nd：YAG晶体(5)和封闭室(6)；808nm激光入射至Nd：YAG晶体，辐射出1064nm的激光；459nm激光封闭室(6)中铯原子气体从基态能级激发至7P1/2能级，并自发辐射1359nm荧光，最终从第二腔镜(8)输出属于好腔工作模式的1064nm激光和属于坏腔工作模式的1359nm激光。本发明在室温下实现亚毫赫兹量级的1064nm好腔激光信号和毫赫兹级1359nm坏腔激光信号并具有长期稳定度。

Description

基于主动光钟的好坏腔双波长光频标的产生装置
【技术领域】
本发明涉属于激光技术领域和时间频率标准技术领域，特别涉及一种基于主动光钟的掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)1064nm与铯原子(Cs)1359nm的好坏腔双波长光频标的产生装置和方法。
【背景技术】
原子钟是以原子内部能级间的量子跃迁频率作为参考，通过将晶体振荡器或激光频率锁定至原子跃迁频率，输出标准频率信号的系统，具有非常高的频率准确度。由于时间频率是7个基本单位制中测量不确定度最小的物理量，因此在国际单位制定义上出现了通过物理常数的定义，将其它基本单位通过一定的物理关系转化为频率后进行测量的趋势，如长度、电压等。因此，原子钟的应用非常广泛，不仅在导航定位中，在物理精密测量，如物理理论验证(如爱因斯坦相对论中时间延缓效应的验证)、火山监测、深空探测、引力测量等前沿科学领域也有着重要应用。原子钟的研制对于国家发展来说也具有重要的战略意义，全球卫星导航定位系统的核心是原子钟，其准确度和稳定度直接影响导航定位系统的定位精度。同时随着空间原子钟的发展，卫星轨道的精确控制、深空导航以及航天器的对接等科研及军事行动也得以实现。
原子频率标准按照工作方式可以分为被动型和主动型。传统的激光频率标准，由于输出激光频率是通过鉴频或鉴相技术被动式地锁定在一种量子体系的能级跃迁谱线上，因此都属于被动式的。目前被动式光钟的稳定度主要受限于探测原子谱线的本振激光线宽，在被动式光钟里，本振激光是通过PDH技术锁在一个超稳的谐振腔上来压窄线宽的。由于谐振腔具有难以避免的热噪声，从而限制了激光线宽。而为了抑制腔体的布朗运动，超稳腔通常工作在极低温环境中来降低热噪声，这又极大地增加了系统的复杂性，所以进一步压窄本振激光的线宽从而提高被动型光钟的稳定度仍然面临巨大的挑战。主动型原子频标与被动型频标不同，采用激发态的原子振荡器直接产生固定频率的信号，频率值决定于原子自身的性质，在原理上可以输出线宽远比原子谱的自然线宽小的激光，突破目前激光频率标准的一些限制，并可实现激光频率标准装置的小型化。主动光钟可以通过不同原子体系实现，自原理提出以来，主动光钟系统也在不同原子体系中得以验证。基于热原子气室，四能级主动光频标和法拉第主动光频标均实现百赫兹的输出线宽。锶原子光晶格钟系统坏腔模式下的超辐射现象，实现了基于698nm超窄钟跃迁的超辐射脉冲信号，输出线宽在几十赫兹量级，并且得到了10-16量级的短期稳定度。与此同时，主动光钟系统的相关理论也不断得到完善。然而目前为止，尚未实现连续且长期稳定的主动光钟信号，这一瓶颈极大地限制了主动光钟的应用领域。
中国发明专利申请CN 201811188592.9公开了一种基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法，其两次利用双波长好坏腔激光系统中坏腔激光的腔牵引抑制效应，消除剩余腔牵引效应对主动光频标长期稳定度影响的方案，将腔牵引的抑制效应放大到主谐振腔坏腔系数的平方倍，通过伺服反馈系统两次锁定主谐振腔腔长，达到双波长好坏腔系统中主动光频标对腔模抖动免疫的效果，最终通过1064nm好腔激光的二次锁腔技术，实现了超窄线宽的1470nm坏腔激光信号输出。
然而，该现有技术虽然引入光学频率梳作为频率传递元件，可以将坏腔激光的腔牵引效应抑制坏腔系数的平方倍，但是由于引入了光学频率梳，增加了系统的体积，飞秒光梳的波长覆盖范围较大，增加了光梳的体积，进而增加了整体系统的体积，不利于可搬运性。此外，该技术方案中采用碱金属铯原子的1470nm跃迁作为坏腔激光信号，该跃迁能级对应的受激辐射信号，在达到稳态时对应该跃迁能级的上下能级的反转布局数较小，实现的激光输出功率较弱。(参考T.Shi,D.Pan,J.Chen,Realization of phase locking ingood-bad-cavity active optical clock,Optics Express 27(16),p.22040,2019.)。
【发明内容】
本发明的目的是克服现有技术缺陷，进一步降低剩余腔牵引效应对1359nm主动光频标的影响，并且实现室温下长期稳定的主动光钟信号，选用1359nm跃迁可提高坏腔激光的输出功率，提出一种新的基于主动光钟的Nd：YAG 1064nm与Cs 1359nm的好坏腔双波长光频标的产生装置，可以在室温下实现线宽为毫赫兹量级的工作在坏腔模式下的1359nm激光，最终获得双波长光频标输出。
为了实现上述目的，本发明提供一种基于主动光钟的掺钕钇铝石榴石1064nm与铯原子1359nm的好坏腔双波长光频标的产生装置，其特征在于所述装置包括设置在同一光路上的法珀腔(3)、设置在法珀腔(3)左侧的808nm泵浦激光器(1)和设置在法珀腔(3)右侧的459nm泵浦激光器(12)，所述法珀腔(3)与459nm泵浦激光器(12)之间设置多色镜(10)；
所述法珀腔(3)的两端设置第一腔镜(4)和第二腔镜(8)，第一腔镜(4)镀808nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的反射膜，第二腔镜(8)镀459nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的部分反射膜；
所述法珀腔(3)中设有位于第一腔镜(4)和第二腔镜(8)之间的Nd：YAG晶体(5)；
Nd：YAG晶体(5)与第二腔镜(8)之间设置充有铯原子气体为增益介质的封闭室(6)；
所述产生装置还包括双色分光镜(16)和超稳谐振腔(14)，双色分光镜(16)设置在多色镜(10)的反射光光路上，所述超稳谐振腔(14)将双色分光镜(16)输出的好腔信号锁定在超稳谐振腔(14)上并反馈控制第一腔镜(4)；
工作时，808nm泵浦激光器(1)发出泵浦激光通过第一腔镜(4)，经所述808nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的反射膜后从左侧进入法珀腔(3)入射至Nd：YAG晶体(5)，将Nd：YAG晶体(5)激发至激发态并受激辐射出1064nm的激光；
经饱和吸收谱锁定的459nm泵浦激光器(12)发出泵浦激光通过第二腔镜(8)，经所述459nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的部分反射膜后从右侧进入法珀腔(3)，入射至封闭室(6)，将封闭室(6)中所述铯原子气体从基态能级激发至7P1/2能级，并自发辐射1359nm荧光，在法珀腔(3)作用下形成激光自激振荡，达到阈值后从第二腔镜(8)输出双波长好坏腔信号(9)，所述双波长好坏腔信号(9)包括属于好腔工作模式的1064nm激光和属于坏腔工作模式的1359nm激光；
所述双波长好坏腔信号(9)经过多色镜(10)反射后入射到双色分光镜(16)，经双色分光镜(16)得到好腔信号(15)和坏腔信号(17)，将所述好腔信号(15)锁定在超稳谐振腔(14)上，用于反馈控制第一腔镜(4)，稳定法珀腔的腔长，并对输出的坏腔信号(17)进行测量。
在本发明中，术语“左侧”和“右侧”仅用于描述法珀腔中的一侧和另一侧，而非用于限定，其中，左侧是朝向808nm激光器(1)的一侧，而右侧是朝向459nm激光器(12)的一侧。
在本发明中，当封闭室(6)中充铯原子气体时，为了确保459nm泵浦激光器(12)输出的激光能够入射法珀腔(3)，且由法珀腔(3)输出的双波长好坏腔信号(9)能够被反射至双色分光镜(16)，多色镜(10)镀对459nm波长激光的高透膜和对1359nm与1064nm波长激光的高反膜。
为了获得好腔工作模式的1064nm激光和坏腔工作模式的1359nm激光，所述铯原子气体温度为85-100℃。
优选地，本发明的产生装置还包括锁定459nm激光器(12)输出频率的饱和吸收谱稳频系统(13)。
在本发明中，808nm泵浦激光(2)的光强是0.5-1W，在该光强范围内，聚焦在晶体上的808nm泵浦激光的产热较少，因此可以保证输出的1064nm激光为单纵模输出，特别优选地使用1W光强；而经过饱和吸收谱稳频系统(13)稳频率的459nm泵浦激光(11)的光强是10-30mW，更优选地10-20mW。由于459nm激光器的管子功率较低，导致现有的459nm激光器的最大输出功率约30mW，因此在本发明中选择了10-20mW的459nm泵浦激光(11)。本领域技术人员也可以采用更高的光强，或根据蓝光激光器的输出功率选择适当的光强。
更优选地，通过饱和吸收谱稳频系统(13)，将459nm激光器(12)输出激光(11)的稳频到铯原子6S1/2-7P1/2跃迁谱线上。
根据一种优选的实施方式，所述封闭室(6)是填充铯原子的玻璃泡或真空室。
根据另外的实施方式，可以以锂原子、钠原子、钾原子或铷原子替代铯原子。
在本发明中，优选地采用Pound-Drever-Hall稳频方法将好腔激光(15)的频率锁定于超稳谐振腔(14)上。
在本发明中，增透膜的透射率优选地尽可能高，例如采用透射率99％的增透膜。增透膜的透过率越高，反射率越低，腔细度越小，在自由光谱范围一定的情况下，腔模线宽越大，腔模线宽与腔细度之间的关系为：腔模线宽＝自由光谱范围/腔细度。相应地，腔模线宽越大，坏腔系数越大，坏腔系数＝腔模线宽/增益线宽(增益线宽假设不变)，坏腔系数越大，腔牵引抑制系数越大，1359nm坏腔激光的频率受腔牵引的影响越小，1359nm坏腔激光线宽越窄。本领域技术人员可根据细度要求、自由光谱范围和腔模线宽确定反射膜的反射率。
与现有技术相比，本发明提出的基于Nd：YAG 1064nm与Cs1359nm的好坏腔双波长主动光频标的产生装置具有以下特点：
(1)通过好坏腔双波长主动光频标能将主动光频标的坏腔模式和被动光频标的PDH稳频系统相结合，从而在室温下实现毫赫兹量级超窄线宽的光频标输出。
本发明验证了采用PDH稳频技术稳定1064nm激光，实现线宽为百毫赫兹量级的1064nm好腔激光信号，由于1064nm好腔激光信号与1359nm坏腔激光信号共腔输出，且1359nm坏腔激光相比于1064nm好腔激光具有更强的腔牵引抑制效应，因此1359nm坏腔激光的线宽可以在线宽为百毫赫兹量级的1064nm好腔激光信号的基础上进一步压窄，压窄系数取决于坏腔系数，即取决于腔镜1和腔镜2的透过率，透过率越高，腔模线宽越大，坏腔系数越大，1359nm坏腔激光的线宽越窄。坏腔系数可以高达100，因此，1359nm坏腔激光的线宽可以压窄至毫赫兹量级，避免了采用低温PDH稳频装置带来的系统复杂性，使1359nm坏腔激光的稳定度在PDH稳频的基础上再提高两个量级；
(2)好坏腔双波长主动光频标方案通过谐振腔的锁定保证输出信号可以长期保持相对频率稳定，首次实现具有长期稳定度指标，长期频率稳定度可达10-19量级的主动光频标系统，比现有技术提高一个量级；
(3)通过增益介质的选择与腔镜镀膜的精确控制首次实现好坏腔共腔的双波长激光系统。该系统具有稳定的好坏腔信号输出，且可独立控制并在输出端分别探测；
(4)在腔内未加入任何选频器件的情况下，通过增大谐振腔损耗与增加谐振腔的稳定性实现单纵模的1064nm输出，且输出线宽低至10kHz。
以上特点决定了本发明获得的好坏腔双波长主动光频标输出的激光具有非常好的频率稳定度和准确度，通过对谐振腔的精细调节及腔镜的镀膜设计，实现好坏腔激光同时受激辐射。通过进一步和超稳腔及PDH技术相结合稳定法珀腔的腔长，有望在常温下实现mHz线宽的光钟系统，同时具有长期稳定性，从而打破现有光频原子钟发展的技术瓶颈。
【附图说明】
图1为本发明实施例的坏腔系统的铯原子能级结构示意图。
图2为本发明实施例的好腔系统的Nd：YAG晶体能级结构示意图。
图3为本发明实施例的好坏腔双波长主动光频标示意图。
图4为本发明实施例中基于Nd：YAG 1064nm与Cs 1359nm的好坏腔双波长主动光频标产生装置的结构示意图。
其中：1、808nm泵浦激光器，2、808nm泵浦激光，3、法珀腔，4、腔镜，5、Nd：YAG晶体，6、封闭室，7、铯原子气体，8、腔镜，9、双波长好坏腔信号，10、多色镜，11、459nm泵浦激光，12、459nm泵浦激光器，13、饱和吸收谱稳频系统，14、超稳谐振腔，15、好腔信号，16、双色分光镜，17、坏腔信号。
【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
本实施例采用铯原子介质-法珀腔系统为坏腔系统，以Nd：YAG晶体-法珀腔系统为好腔系统，其能级结构图分别如图1、2所示。从低能级到高能级依次为第一、第二、第三和第四能级。
基于Nd：YAG 1064nm与Cs 1359nm的好坏腔双波长主动光频标的基本原理简述如下：
(1)以铯原子气体作为增益介质，通过459nm激光器将铯原子由基态泵浦至7P1/2激发态后，跃迁至7S1/2态，并在7S1/2与6P1/2态之间形成粒子数反转；
(2)第三能级7S1/2态上的原子通过自发辐射跃迁到第六能级6P1/2态，发射出1359.2nm荧光，在法珀腔中来回振荡产生受激辐射。当受激辐射超过阈值达到实现激光的自激振荡的输出条件后，在腔内形成稳定的激光振荡，最后输出对应能级7S1/2态和6P1/2态之间跃迁的1359.2nm的激光信号(图1中以红线标注)。由于对应此信号的腔膜线宽大于增益介质线宽(如图3左所示)，因此法珀腔工作为坏腔模式，输出激光称为坏腔信号；
(3)采用808nm半导体激光器将基态Nd3+离子泵浦至4F5/2及4H9/2泵浦能带，随后激发态钕离子通过无辐射跃迁快速弛豫到4F3/2能态，同时4I11/2态也通过无辐射跃迁至基态而抽空。由此，4F3/2与4I11/2之间形成粒子数反转并受激辐射出1064nm激光信号(如图2所示)。由于对应此信号的腔膜线宽小于增益介质线宽(如图3右所示)，因此法珀腔工作为好腔模式，输出激光称为好腔信号。
基于该原理，构造如图4所示的基于Nd：YAG 1064nm与Cs 1359nm的好坏腔双波长主动光频标的产生装置。
法珀腔3、808nm泵浦激光器1和459nm泵浦激光器12泵浦设置在同一光路上。
法珀腔3具有第一腔镜4和第二腔镜8，第一腔镜4镀808nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的反射膜，第二腔镜8镀459nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的部分反射膜；所述法珀腔3中设有Nd：YAG晶体5；Nd：YAG晶体5的右侧设有充有铯原子为增益介质的封闭室6，温度保持在85-100℃。
808nm泵浦激光器1用于提供808nm泵浦激光2，光强为1W。808nm泵浦激光2正入射到法珀腔3的第一腔镜4上。808nm激光2通过808nm激光增透膜和1359nm与1064nm激光的反射膜之后入射到Nd：YAG晶体5上，在4F3/2与4I11/2能级之间形成粒子数反转，并受激辐射出1064nm的激光信号。
另一方面，利用饱和吸收谱11锁定为459nm泵浦激光器12的输出频率以提供泵浦用的459nm激光11，光强为20mW。459nm激光11经多色镜10后正入射到法珀腔3的第二腔镜8上，经459nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的部分反射膜之后入射到充铯原子的封闭室6中，与增益介质即铯原子气体7相互作用，将处于第一能级6S1/2态上原子泵浦到第二能级7P1/2态上。处于第二能级7P1/2态的原子自发辐射而向下跃迁，经过一定时间后形成第三能级7S1/2态和第六能级6P1/2态之间的粒子数反转。第三能级7S1/2态上的原子自发辐射跃迁到第六能级6P1/2态上，自发辐射1359.2nm荧光。1359.2nm荧光在法珀腔作用下形成激光自激振荡，达到阈值之上后从第二腔镜12处输出1359.2nm激光。
双波长好坏腔信号9通过经过多色镜10反射后被双色分光镜16分为两束，其中，对于1064nm的激光，法珀腔的线宽小于增益介质线宽，因此属于好腔工作模式15；而对于1359nm的激光，法珀腔的线宽大于增益介质线宽，因此属于坏腔工作模式17。对坏腔信号17输出并进行测量。好腔信号15通过锁定在超稳谐振腔14上，反馈控制第一腔镜4。
由此可以看出，在本发明中，采用了铯原子作为四能级量子系统，结合主动光钟技术与双波长好坏腔技术，通过掺钕钇铝石榴石1064nm好腔激光的PDH稳频装置，压窄好腔激光的线宽，同时利用坏腔激光的腔牵引抑制效应，进一步压窄铯原子1359nm坏腔激光的线宽，在特定的增益介质温度和光强范围内最终实现高性能的亚赫兹线宽的1064nm好腔激光和毫赫兹线宽的1359nm坏腔激光双波长光频标信号输出，该双波长激光均可以作为频率标准使用，且本发明的结构更简单、无需使用光梳、装置体积更小、可搬运性强。
此外，本发明选择铯原子1359nm激光作为坏腔激光信号，与现有技术中采用1470nm激光作为坏腔激光信号相比，由于铯原子7S1/2-6P1/21359nm跃迁的激光功率大于铯原子7S1/2-6P3/21470nm跃迁的激光功率，因此可以提高坏腔激光的输出功率。

Claims (7)

1.一种基于主动光钟的掺钕钇铝石榴石1064nm与铯原子1359nm的好坏腔双波长光频标的产生装置，其特征在于所述装置包括设置在同一光路上的法珀腔(3)、设置在法珀腔(3)左侧的808nm泵浦激光器(1)和设置在法珀腔(3)右侧的459nm泵浦激光器(12)，所述法珀腔(3)与459nm泵浦激光器(12)之间设置多色镜(10)；
所述法珀腔(3)的两端设置第一腔镜(4)和第二腔镜(8)，第一腔镜(4)镀808nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的反射膜，第二腔镜(8)镀459nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的部分反射膜；
所述法珀腔(3)中设有位于第一腔镜(4)和第二腔镜(8)之间的Nd：YAG晶体(5)；Nd：YAG晶体(5)与第二腔镜(8)之间设置充有铯原子气体为增益介质的封闭室(6)；
所述产生装置还包括双色分光镜(16)和超稳谐振腔(14)，双色分光镜(16)设置在多色镜(10)的反射光光路上，所述超稳谐振腔(14)将双色分光镜(16)输出的好腔信号锁定在超稳谐振腔(14)上并反馈控制第一腔镜(4)；
808nm泵浦激光器(1)发出808nm泵浦激光(2)通过第一腔镜(4)，经所述808nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的反射膜后从左侧进入法珀腔(3)入射至Nd：YAG晶体(5)，将Nd：YAG晶体(5)激发至激发态并受激辐射出1064nm的激光；
经饱和吸收谱锁定的459nm泵浦激光器(12)发出泵浦激光通过第二腔镜(8)，经所述459nm激光的增透膜和1359nm与1064nm激光的部分反射膜后从右侧进入法珀腔(3)，入射至封闭室(6)，将封闭室(6)中所述铯原子气体从基态能级激发至7P1/2能级，并自发辐射1359nm荧光，在法珀腔(3)作用下形成激光自激振荡，达到阈值后从第二腔镜(8)输出双波长好坏腔信号(9)，所述双波长好坏腔信号(9)包括属于好腔工作模式的1064nm激光和属于坏腔工作模式的1359nm激光；
所述双波长好坏腔信号(9)经过多色镜(10)反射后入射到双色分光镜(16)，经双色分光镜(16)得到好腔信号(15)和坏腔信号(17)，将所述好腔信号(15)锁定在超稳谐振腔(14)上，用于反馈控制第一腔镜(4)，稳定法珀腔的腔长，并对输出的坏腔信号(17)进行测量。
2.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于所述多色镜(10)镀对459nm波长激光的高透膜和对1359nm与1064nm波长激光的高反膜。
3.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于所述铯原子气体温度为85-100℃。
4.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于所述产生装置还包括锁定459nm激光器(12)输出频率的饱和吸收谱稳频系统(13)。
5.根据权利要求1所述的产生装置，其特征在于通过饱和吸收谱稳频系统(13)，将459nm激光器(12)输出激光(11)的稳频到铯原子6S1/2-7P1/2跃迁谱线上。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述封闭室(6)是填充铯原子的真空室。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于通过Pound-Drever-Hall稳频方法将好腔激光(15)的频率锁定于超稳谐振腔(14)上。
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