CN114442468A - 一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统 - Google Patents

一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，包括激光发生装置、饱和吸收稳频模块、第一分束装置、第二分束装置、第三分束装置、第四分束装置、第五分束装置、第六分束装置、第一调制模块、第二调制模块、第三调制模块和第四调制模块；多个分束装置均用于对出射光束进行透射或反射；反射光束能够进入该调制模块内，且反射光束出调制模块后的路径与入射光束进入调制模块前的路径相同；激光发生装置输出的光束先后经第一分束装置和第二分束装置透射，经第三分束装置反射后进入到第二调制模块，经第二调制模块反射后，被第三分束装置透射，经第四分束装置分为两束，一光束为冷却光下，另一光束为探测光。本装置结构简单，光路得到简化。

Description

一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统
技术领域
本发明涉及原子钟领域，具体涉及一种用于冷原子钟的光路装置，尤其涉及一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统。
背景技术
时钟是人类最早发明的物品之一，通过时钟可持续量测时间间隔，有些自然的时间间隔(如日、闰月及年)可以用观测而得，较短的时间间隔就需要利用时钟。数千年计时设备的原理也有大幅变化，日晷是利用在物体在一平面上影子的变化来计时，计算时间间隔的仪器也有许多种，包括最广为人知的沙漏。配合日晷的水钟可能是最早的计时仪器。
随着科学技术的不断发展，从14世纪到19世纪中叶的500年间，人们首先采用古老的摆轮钟代替了自然钟，然后在钟摆装置的基础上逐渐发展出日益精密的机械钟表，使机械钟的计时精度达到基本满足人们日常计时需要的水平。从20世纪30年代开始，随着晶体振荡器的发明，小型化、低能耗的石英晶体钟表代替了机械钟，广泛应用在电子计时器和其它各种计时领域，一直到现在，成为人们日常生活中所使用的主要计时装置。
石英晶体钟虽能够满足人们在日常生活的计时需求，但将其运用在航空航天、通信和导航定位等高科技科学领域，其性能远远达不到所需要求。
在20世纪五十年代，科学家拉姆赛提出了分离振荡法。分离振荡法可以把原子的振荡频率给提取出来，以此来作为计时器的运动周期。该方法十分的稳定，而且十分的高效。由此，原子钟应运而生。自从原子钟诞生以后，世界各国的科技进步十分明显，GPS与北斗系统都用上了该技术。随着科学家对原子钟的深入探索和研究，发现原子本身的热运动没有办法消除，所以相对的误差还是会出现。这就导致了，随着距离或时间等某一条件的增加，所出现的误差会变大。经过科学家的不断努力，终于找到了用激光来冷却原子的方法，从而来消除原子本身的热运动。绝对零度就能实现将原子冻住，保持静止不动。经过科学家实验，当零下273.15度的时候，原子就能被冻住了。这也就是冷原子钟的原理。
冷原子钟是激光冷却与囚禁技术与量子频标技术的结合，相比于热原子钟，冷原子钟具有极高的频率精度，从而广泛应用于守时授时、深空探测等领域。冷原喷泉钟是冷原子钟的一个典型代表。
申请号为CN202011086764.9的发明专利具体公开了，“一种喷泉式冷原子钟，即一方面通过将原子能态选择机制改变为光抽运选态，可以将原子选态结构与荧光探测结构合二为一，进而可以去除常用于喷泉式冷原子钟的选态微波腔结构，使物理系统结构的整体高度得到大幅下降，有效减小了原子钟的体积和重量，利于移动和推广使用，另一方面由于光抽运选态大幅提升了原子利用率，使用于微波探询的原子数成倍提升，提高了谱线信噪比，进而使因高度下降而导致谱线线宽增宽带来的指标影响被抵消，可保证准确度和稳定度指标潜力与当前喷泉式冷原子钟相当，不会因高度的降低而影响原子钟性能。”
申请号为CN202110957063.6的发明专利具体公开了，“一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置，包括光纤耦合器、HP旋转组合模块与猫眼双次通过声光调制模块，用于冷原子喷泉钟的稳频主激光经保偏光纤传输后由光纤耦合器准直输出到自由空间，经HP旋转组合模块进行分光，分为探测光、向上和向下冷却光，探测光、向上和向下冷却光分别进入三个猫眼双次通过声光调制模块做激光的频率和幅度控制后，通过1/4波片和1/2波片组合后再入射到对应的光纤耦合器耦合进入保偏光纤，进而分别用作冷原子喷泉钟所需的探测光、向上和向下冷却光。本发明具有约束光路走向，降低光高，提升冷原子喷泉钟光路稳定性的优点。本发明还提供一种应用于冷原子喷泉钟的小型化主激光光路装置的调整方法。”
冷原子喷泉钟的光学系统主要为物理系统提供各种频率的相干光场，用于原子的冷却、泵浦和探测等操作。一般利用饱和吸收稳频技术，将激光发生装置的频率锁定到原子跃迁能级上；然后再利用声光频移技术，对光的频率进行移动，最终产生重泵浦光、泵浦光、冷却光和探测光。申请号为CN202110957063.6专利中的激光光路装置，与现有技术中的光路装置相比较，在光路的复杂性方面并未做出明显改善，且该激光光路只能分为探测光、向上和向下冷却光。
此外，现有技术中的光路装置普遍使用至少两台激光发生装置，多个声光调制器，导致光路比较复杂；另外，多个声光调制器在变频抛射时，采用单次通过布局，即激光只通过该声光调制器一次，其分离出来的光束的功率会发生变化，影响原子的分布。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，包括激光发生装置和饱和吸收稳频模块，还包括第一分束装置、第二分束装置、第三分束装置、第四分束装置、第五分束装置、第六分束装置、第一调制模块、第二调制模块、第三调制模块和第四调制模块；多个分束装置均用于对出射光束进行透射或反射；反射光束能够进入该调制模块内，且反射光束出调制模块后的路径与入射光束进入调制模块前的路径相同；激光发生装置输出的光束先后经第一分束装置和第二分束装置透射，经第三分束装置反射后进入到第二调制模块，经第二调制模块反射后，被第三分束装置透射，经第四分束装置分为两束，其中一光束为冷却光下，另一光束为探测光。本装置结构简单，光路得到简化，通过一个激光发生装置输出光束，经过多个分束装置和调制模块的处理，即可得到重泵浦光、泵浦光、冷却光和探测光五种光束，冷却光和探测光通过一个调制模块即可得到；第一调制模块和第二调制模块均采用光双次通过布局，保证后续光路不会随第一调制模块和第二调制模块移频量的变化而变化。
本发明解决技术问题，采用的技术方案如下：
一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，包括激光发生装置和饱和吸收稳频模块，还包括第一分束装置、第二分束装置、第三分束装置、第四分束装置、第五分束装置、第六分束装置、第一调制模块、第二调制模块、第三调制模块和第四调制模块；
多个分束装置均用于对出射光束进行透射或反射；
多个调制模块均用于对入射光束进行移频，并形成反射光束，反射光束能够进入该调制模块内，且反射光束出调制模块后的路径与入射光束进入调制模块前的路径相同；
激光发生装置输出的光束先后经第一分束装置和第二分束装置透射，经第三分束装置反射后进入到第二调制模块，经第二调制模块反射后，被第三分束装置透射，经第四分束装置分为两束，其中一光束为冷却光下，另一光束为探测光。
进一步的，激光发生装置输出的光束经第一分束装置分为二束，其中一光束进入饱和吸收稳频模块，另外一光束经第二分束装置反射进入到第一调制模块后，经第一调制模块反射至第二分束装置，并透射第二分束装置到达第五分束装置，且经第五分束装置分为两束，其中一光束作为冷却光上，另一光束经过第六分束装置进入到第三调制模块，且由第三调制模块反射至第六分束装置，并由第六分束装置反射后形成泵浦光。
进一步的，激光发生装置输出的光束先后经第一分束装置、第二分束装置和第三分束装置透射，经过第四调制模块后，输出为重泵浦光。
进一步的，第一分束装置包括1/2波片和偏振分束器，第一分束装置、第二分束装置、第三分束装置、第四分束装置、第五分束装置和第六分束装置的结构相同，首次经过第一分束装置、第二分束装置、第三分束装置、第四分束装置、第五分束装置或第六分束装置的光束，均需要先经过1/2波片，再经过偏振分束器。
进一步的，第一调制模块包括依次设置的声光调制器、透镜、1/4波片与反射镜，第一调制模块、第二调制模块和第三调制模块的结构相同，首次进入第一调制模块、第二调制模块或第三调制模块的光束，均需要先经过声光调制器，反射镜用于反射光束，形成反射光。
进一步的，第四调制模块为电光调制器。
进一步的，还包括反射机构，反射机构能够改变出射光束的射出方向。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明所提供的一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，首先，激光发生装置输出的光束依次被第一分束装置和第二分束装置透射后，再经第三分束装置反射进入到第二调制模块。光束依次经过第二调制模块的声光调制器、透镜和1/4波片，最终焦点落在第二调制模块的反射镜上，光束经反射镜反射后，依次经过1/4波片、透镜和声光调制器，其反射路径与入射路径重合。再由第三分束装置透射经过第四分束装置，第四分束装置将光束分为透射光和反射光，其中，透射光为冷却光下，反射光为探测光。通过一个调制模块能够产生冷却光和探测光，减少了调制模块的使用个数，简化了光路布局，从而实现小型化设计。
其次，激光发生装置输出的光束被第一分束装置透射后，再经第二分束装置反射进入到第一调制模块，最终焦点落在第一调制模块的反射镜上，再次进入到第一调制模块，最终，经第二分束装置和第五分束装置透视后，形成冷却光上。第一调制模块和第二调制模块均采用双通过布局。即：光束进入到第一调制模块或第二调制模块后，经反射镜反射，光束再次进入到第一调制模块或第二调制模块，在原子后冷却和上抛阶段，保证后续光路不会随着AOM1和AOM2移频量的变化而变化。
最后，本装置设置有一个激光发生装置和一个饱和吸收稳频模块，即可获取五种光束，且通过饱和吸收稳频模块能够将激光发生装置的频率锁定到原子跃迁能级上，减少了光学器件的使用数量，有利于进行小型化设计。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是本发明提供的一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统的原理示意图；
图2是通过现有的冷87Rb原子喷泉钟得到的87Rb原子D2线饱和吸收光谱；
图3是87Rb原子D2的能级图和对应的不同的能级图。
图标：110、激光发生装置；120、饱和吸收稳频模块；130、第一分束装置；131、1/2波片；133、偏振分束器；140、第二分束装置；150、第三分束装置；160、第四分束装置；170、第五分束装置；180、第六分束装置；190、第一调制模块；191、声光调制器；193、透镜；195、1/4波片；197、反射镜；200、第二调制模块；210、第三调制模块；220、第四调制模块；230、反射机构。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面结合图1至图3对本发明作详细说明。
实施例1
请参考图1所示，一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，包括激光发生装置110和饱和吸收稳频模块120，还包括第一分束装置130、第二分束装置140、第三分束装置150、第四分束装置160、第五分束装置170、第六分束装置180、第一调制模块190、第二调制模块200、第三调制模块210和第四调制模块220。多个分束装置用于反射和/或透射出射光，多个调制模块均用于对进入到该调制模块内的入射光束进行移频，并能够对入射光束进行反射形成反射光束，反射光束能够进入该调制模块内，且反射光束出调制模块后的路径与入射光束进入调制模块前的路径相同。激光发生装置110发出的光束经过多个分束装置的透射或反射，和调制模块移频后，能够获取到冷原子钟所需要的五种光束。
具体的，第一分束装置130包括1/2波片131和偏振分束器133。第一分束装置130、第二分束装置140、第三分束装置150、第四分束装置160、第五分束装置170和第六分束装置180的结构相同。多个分束装置均用于提供准直光束的偏振分束功能和偏振分束器133反射方向的俯仰和水平偏转的调节功能。首次经过第一分束装置130、第二分束装置140、第三分束装置150、第四分束装置160、第五分束装置170或第六分束装置180的光束，均需要先经过1/2波片131，再经过偏振分束器133。
具体的，第一调制模块190包括依次设置的声光调制器191、透镜193、1/4波片195与反射镜197。第一调制模块190、第二调制模块200和第三调制模块210的结构相同，多个调制模块均用于对入射光束的频率和幅度进行控制。首次进入第一调制模块190、第二调制模块200或第三调制模块210的光束，均需要依次经过声光调制器191、透镜193和1/4波片195，聚焦在反射镜197上，反射镜197能够将光束反射，形成反射光，反射光依次通过1/4波片195、透镜193、和声光调制器191，反射光经过声光调制器191后的路径与入射光经过声光调制器191前的路径相同。
具体的，还包括反射机构230，反射机构230能够改变出射光束的射出方向。通过反射机构230改变出射光书的射出方向，能够对光路的布局更加合理化。在本实施方式中反射机构230为反射镜片。
冷原子钟所需要的五种光束的路径如下：
激光发生装置110输出的光束经第一分束装置130分为二束，其中一光束进入饱和吸收稳频模块120，饱和吸收稳频模块120用于锁定激光发生装置110的频率，使其频率在原子跃迁能级上。另外一光束经第二分束装置140反射进入到第一调制模块190后，经第一调制模块190反射至第二分束装置140，并透射第二分束装置140到达第五分束装置170，且经第五分束装置170分为透射光束和反射光束，其中透射光束作为冷却光上。反射光束经过第六分束装置180进入到第三调制模块210，且由第三调制模块210反射至第六分束装置180，并由第六分束装置180反射后形成泵浦光。
激光发生装置110输出的光束先后经第一分束装置130和第二分束装置140透射，经第三分束装置150反射后进入到第二调制模块200，经第二调制模块200反射后，被第三分束装置150透射，经第四分束装置160分为透射光束和反射光束，其中透射光束为冷却光下，反射光束为探测光。由于冷却光和探测光的频率差别比较小，大约在十几MHz，在一个声光调制器的带宽范围内，所以，通过第二调制模块200即可得到两种不同的光束，减少了光学器件的使用。
激光发生装置110输出的光束先后经第一分束装置130、第二分束装置140和第三分束装置150透射，经过第四调制模块220后，输出为重泵浦光。在本实施方式中，第四调制模块220为电光调制器。
实施例2
在现有技术中，冷原子喷泉钟的光学系统主要为物理系统提供各种频率的相干光场，用于原子的冷却、泵浦和探测等操作。针对具体的冷87Rb原子喷泉钟，各个光束的输出频率如图2所示。激光波长对应于铷87原子的D2能级谱线，波长约为780.24nm。其中，冷却光的频率红失谐于循环跃迁能级|Fg＝2>→|Fe＝3>，失谐量为3Γ-15Γ(Γ为铷87D2线自然线宽，约为6MHz)可以对原子产生辐射压力，用于构建磁光阱和光学黏团；重泵浦光频率共振于能级|Fg＝1>→|Fe＝2>，可以保证冷却的持续进行；泵浦光频率共振于能级|Fg＝2>→|Fe＝2>，可以实现|Fg＝1>和|Fg＝2>能态布局数之间的转移；探测光的频率共振于循环跃迁能级|Fg＝2>→|Fe＝3>，通过循环跃迁发出的荧光，得到基态|Fg＝2>的布局数信息。在后冷却阶段，对冷却光的频率要进行扫频操作。
本申请方案对于冷87Rb原子喷泉钟，将780nm激光发生器的输出频率，利用饱和吸收稳频技术，锁定到铷87Rb原子的D2线|Fg＝2>→|Fe＝1&3>交叉峰上。相比于|Fg＝2>→|Fe＝2&3>，该交叉峰也具备较好的信噪比，可以保证激光器锁频的稳定性，如图3所示。四个调制模块的AOM和EOM的移频量和布局如表1所示。
表格1声/电光调制器参数说明
Figure BDA0003536942690000061
Figure BDA0003536942690000071
其中，在冷却和后冷却阶段，AOM2的频率量为+96.9～+66.9MHz；在探测阶段，AOM2的频率量为106MHz。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，包括激光发生装置(110)和饱和吸收稳频模块(120)，其特征在于：还包括第一分束装置(130)、第二分束装置(140)、第三分束装置(150)、第四分束装置(160)、第五分束装置(170)、第六分束装置(180)、第一调制模块(190)、第二调制模块(200)、第三调制模块(210)和第四调制模块(220)；
多个分束装置均用于对出射光束进行透射或反射；
多个调制模块均用于对入射光束进行移频，并形成反射光束，反射光束能够进入该调制模块内，且反射光束出调制模块后的路径与入射光束进入调制模块前的路径相同；
激光发生装置(110)输出的光束先后经第一分束装置(130)和第二分束装置(140)透射，经第三分束装置(150)反射后进入到第二调制模块(200)，经第二调制模块(200)反射后，被第三分束装置(150)透射，经第四分束装置(160)分为两束，其中一光束为冷却光下，另一光束为探测光。
2.根据权利要求1所述的一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，其特征在于：激光发生装置(110)输出的光束经第一分束装置(130)分为二束，其中一光束进入饱和吸收稳频模块(120)，另外一光束经第二分束装置(140)反射进入到第一调制模块(190)后，经第一调制模块(190)反射至第二分束装置(140)，并透射第二分束装置(140)到达第五分束装置(170)，且经第五分束装置(170)分为两束，其中一光束作为冷却光上，另一光束经过第六分束装置(180)进入到第三调制模块(210)，且由第三调制模块(210)反射至第六分束装置(180)，并由第六分束装置(180)反射后形成泵浦光。
3.根据权利要求1所述的一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，其特征在于：激光发生装置(110)输出的光束先后经第一分束装置(130)、第二分束装置(140)和第三分束装置(150)透射，经过第四调制模块(220)后，输出为重泵浦光。
4.根据权利要求1所述的一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，其特征在于：第一分束装置(130)包括1/2波片(131)和偏振分束器(133)，第一分束装置(130)、第二分束装置(140)、第三分束装置(150)、第四分束装置(160)、第五分束装置(170)和第六分束装置(180)的结构相同，首次经过第一分束装置(130)、第二分束装置(140)、第三分束装置(150)、第四分束装置(160)、第五分束装置(170)或第六分束装置(180)的光束，均需要先经过1/2波片(131)，再经过偏振分束器(133)。
5.根据权利要求1所述的一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，其特征在于：第一调制模块(190)包括依次设置的声光调制器(191)、透镜(193)、1/4波片(195)与反射镜(197)，第一调制模块(190)、第二调制模块(200)和第三调制模块(210)的结构相同，首次进入第一调制模块(190)、第二调制模块(200)或第三调制模块(210)的光束，均需要先经过声光调制器(191)，反射镜(197)用于反射光束，形成反射光。
6.根据权利要求1所述的一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，其特征在于：第四调制模块(220)为电光调制器。
7.根据权利要求1-4任一项权利要求所述的一种用于冷原子喷泉钟的小型化光学系统，其特征在于：还包括反射机构(230)，反射机构(230)能够改变出射光束的射出方向。
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