CN114624987A - 一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟 - Google Patents
一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：包括激光谐振腔，该激光谐振腔内插入相干涉滤光单元和相干布居数囚禁单元，实现对振荡模式的控制和锁定，进而使两个振荡模式的激光场频率差严格等于所选择的工作原子的基态超精细能跃迁级频。利用干涉滤光和相干布居数囚禁单元的组合滤波效应实现基准频率提取，从而实现激光原子钟。本方案公开的激光原子钟方案，基准频率由物理机制锁定，是一种输出信号的信噪比高、对伺服电路系统的依赖性低、稳定性高的新型原子钟方案。
Description
技术领域
本发明为一种基于相干滤波和相干布居数囚禁效应的激光原子钟，属于原子钟、量子电子学、光电子学领域。提出了一种获得原子钟基准频率的新方案。
背景技术
原子钟是提供时间频率标准的精密仪器设备，并正在科研领域、国防建设，乃至人民日常生活中起到越来越重要的作用。一般原子钟的工作原理是将一个微波频率或光波频率与探测到的工作原子的一个稳定的能级跃迁频率锁定，使得这个微波频率或光频率与作为基准的原子能级跃迁频率相等，并以这个锁定的微波频率作为原子钟输出的标准频率。这种情况下，原子钟的重要指标，即输出的标准频率的稳定性不仅依赖于工作原子本身对应的跃迁能级频率间隔的稳定性和跃迁谱线宽度，而且很大程度上依赖于对跃迁谱线峰值的探测精度以及伺服电路的锁定精度和噪声水平。
本发明的方案是针对原子钟标准频率的提取和锁定机制所提出的，其目的是避免输出标准频率的稳定性受到锁定电路和探测方法的影响。
发明人的另一项发明ZL201910634621.8提出了一种应用法拉第原子滤波器和CPT单元实现标准频率提取的方案，但是在结构上和成本还不是最佳状态。
针对上述问题，本发明进行改进。
发明内容
本发明提出一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，解决了现有技术中存在的上述问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种应用相干滤光和相干布居数囚禁(CPT)原理的激光原子钟，其特征在于：包括激光谐振腔，该激光谐振腔内插入相干涉滤光单元和相干布居数囚禁单元，以实现对振荡模式的控制和锁定，进而使两个振荡模式的激光场频率差严格等于所选择的工作原子的基态超精细能级频率差；利用两个单元的组和滤波效应实现基准频率锁定，从而实现激光原子钟。
通过上述方案可知，其基本结构可以视为在一个外腔半导体激光器的谐振腔中插入相干滤波和CPT两个单元，以实现对振荡模式的控制和锁定，使谐振腔仅允许两个激光模式振荡，而两个振荡模式的激光场频率差严格等于所选择的工作原子的基态超精细能级频率差，从而实现激光原子钟。
优选地，激光谐振腔的增益由一个半导体激光器提供，半导体激光器作为激光原子钟的增益介质，激光器向内面镀增透膜，输出光由准直透镜准直，反射光则经准直透镜耦合进入激光器获得增益。
通过上述方案可知，本发明用增益牵引的物理机制将激光输出模式自动锁定在相干滤波和相干布居数囚禁效应的串联作用产生的两个透过峰峰顶，使输出激光的两个模式的频率差严格等于工作原子的基态两个超精细结构能级的跃迁频率，此时两个激光纵模的拍频即为原子钟的输出标准频率。
优选地，所述的相干滤波单元包括一个F-P标准具和一个干涉滤光片，两者的串联滤波光谱形成两个透过峰，透过峰中心频率对准具有Λ能级结构的碱金属工作原子的跃迁频率ω1和ω2。
优选地，所述F-P标准具谐振腔长由ω1和ω2的频率差经计算得出，使标准具的腔模间隔等于ω1和ω2的频率差。
优选地，所述干涉滤光单元中的干涉滤光片的功能是带通滤波，使通过F-P标准具的梳状光谱只有对准ω1和ω2的两个梳齿透过，即仅使在这两个频率附近的光场可以通过。
优选地，所述相干布居数囚禁单元包括原子气室和两个λ/4波片，光场经第一个λ/4波片转换成元偏振光，在气室内与工作原子作用产生相干布居数囚禁效应；第二个λ/4波片与第一个光轴正交，使光场经反射再次通过两个λ/4波片后偏振方向能够跟入射光相同。
优选地，所述的相干布居数囚禁单元置于一个磁屏蔽罩中，以保证系统不受外部磁场干扰。
优选地，所述的原子气室工作原子采用碱金属原子，典型原子为87Rb或133Cs，并充有缓冲气体。
优选地，原子气室加轴向磁场，并加控温系统控制温度，以保证原子蒸汽浓度和CPT透过峰稳定性。
优选地，激光原子钟的激光谐振腔的底座和支撑结构由低温度系数材料制成并整体控温，保证谐振腔参数的稳定性。
综上所述的技术方案，根据相干布居数囚禁效应，在具有图1.所示Λ能级结构的碱金属原子中，典型地以铯原子和铷原子为例。如图1.所示其基态超级细结构两能级之间的跃迁频率一般被用作原子钟的基准频率。ω1和ω2分别为两个超精细结构基态到激发态的跃迁频率，对应铯原子的D1线，波长为894nm，而对应铷原子的D1线波长为795nm。以铷原子钟为例，当两个激励光场的圆频率严格等于ω1和ω2时，基态的两个超精细能级上的粒子将不会被激发到激发态能级，即所谓相干布居数囚禁现象。此时粒子将被囚禁在基态的两个能级上，通过原子气室的光子将不再被吸收，透过光出现一个线宽极窄的透过峰，荧光则出现一条暗线，即CPT谱线。根据CPT基本原理，对激发光场的要求是，两激励光场必须是相同方向旋转的圆偏振相干光场，两光场的激光振荡频率差严格等于原子基态两个超精细结构能级的跃迁频率Δν。根据这一原理基本要求，如果两个圆偏振激光场通过87Rb原子气室，当两光场相干锁定，且激光频率差严格等于Δν时，两光场将有最大透过率。
且透过峰线宽仅与自然增宽和激励光场强度相关而不受多普勒增宽影响。因此谱线将非常窄。本申请所提出激光原子钟正是利用这一CPT效应，使激光谐振腔内符合CPT效应的两个激光模式具有更低的损耗，从而只有两个模式实现振荡。而且由于CPT原理对激励光的要求，两激光场必须相干，如果两个光场为激光器的两个纵模，则两个纵模将处于模式锁定状态。而且根据激光锁模原理，两纵模光场相位锁定增益相关，光场强度也趋于平衡，因而更加有利于CPT效应的建立和增强和两个激光模式的锁定。
综上所述，本发明的有益效果在于：
本方案公开的一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，本发明用增益牵引的物理机制将激光输出模式自动锁定在相干滤波和相干布居数囚禁效应的串联作用产生的两个透过峰峰顶，使输出激光的两个模式的频率差严格等于工作原子的基态两个超精细结构能级的跃迁频率，此时两个激光纵模的拍频即为原子钟的输出标准频率，基于以上原理提出一种输出信号的信噪比高、对伺服电路系统的依赖性低、稳定性高的，基于物理机制自动精确锁定的激光原子钟方案。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为原子的Λ三能级结构的示意图。
图2为本发明的激光原子钟谐振腔装置图。
图3为干涉滤光单元的透过光谱的示意图。
图4为CPT单元透过光谱的示意图。
图5为经过相干滤波和CPT单元后的透过光谱的示意图。
图6为减小激光谐振腔对纵模的频率牵引效应的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-6，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参考图1-5，本发明公开了一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，提出的激光原子钟利用激光谐振腔和相干滤波与原子相干布居数囚禁的综合效应，使谐振腔内产生两个拍频恒等于工作原子超精细能级跃迁频率的激光纵模振荡。两纵模由物理机制锁定，避免了传统原子钟在基准频率探测和锁定技术受到的电路系统稳定性、可靠性和噪声的影响。为原子钟技术发展开辟了一条新的道路。
具体实施方案如下：
本发明提出的激光原子钟系统具体设计如图2所示，其基本结构可以视为在一个外腔半导体激光器的谐振腔中插入相干滤波和CPT两个单元，以实现对振荡模式的控制和锁定，使谐振腔仅允许两个激光模式振荡，而两个振荡模式的激光场频率差严格等于所选择的工作原子的基态超精细能级频率差，从而实现激光原子钟。
图2中半导体激光器作为激光原子钟的增益介质，它的输出光首先进入相干滤波单元选择可透射光谱，其透射光谱则应与CPT工作单元所选择的工作原子的跃迁谱相对应。仍然以87Rb原子为例，其中半导体激光器波长选择为795nm，增益谱范围要求覆盖CPT两个激励光场的光谱范围。由于半导体激光管的出射面镀增透膜，出射光为覆盖两激励光场ω1和ω2的增益谱的荧光场。光场经准直透镜准直后进入相干滤波单元，而干涉滤光单元有两个光学元件，首先是一个F-P标准具，它的作用形成一个梳状透射谱，要求是梳齿间隔为87Rb原子基态超精细能级跃迁频率。根据F-P谐振腔原理，可以直接计算出F-P腔长。l约为2.2cm。通过调整标准具倾角和控温可以将透过谱的两个梳齿对准激励光频率ω1和ω2。在标准具后放置干涉滤光片，其透过光谱视为仅允许对应ω1和ω2的梳齿范围的光场透过，如图3所示，其余梳齿对应的光场则被滤除。
图3：图中梳齿状实线为F-P标准具透过谱，虚线为干涉滤光片透过谱。
联合形成干涉滤光单元透射谱，只允许对准ω1和ω2的两个梳齿对应的光场透过。
光场经过相干滤光单元后，透过光场的光谱为图3中的对应ω1和ω2的两个梳齿形状。而后进入图2.所示的CPT单元。整个CPT单元置于一个磁屏蔽罩内，以隔绝外部磁场干扰。CPT单元中的原子气室充有工作原子87Rb，气室控温并加有轴向磁场。半导体激光器输出一般为线偏振光，进入CPT单元后，首先进入第一个λ/4波片，将与激励光场相对应的两个频率的线偏振光转化为圆偏振光。与ω1和ω2相对应的两个圆偏振光场与原子气室中的工作原子相作用，原子将吸收激励光跃迁到激发态，因此会形成两个对应于ω1和ω2，线宽取决于多普勒效应的吸收峰(见图4.)。当两光场中心频率差等于工作原子基态超精细能级跃迁频率，并符合相干条件时，产生CPT效应。此时，原子被囚禁在基态，不再吸收光场能量，对应吸收峰峰顶处将如图4.所示出现两个相当于CPT谐振线宽的透射峰。
显然，图3中的两个透射峰，与图4中两个吸收峰位置相同。透过峰和吸收峰相抵消，两个激励光场在单程透过相干滤波和CPT两个单元后，透过谱线如图5所示，为两个线宽相当于CPT谱线宽度的透过峰。
透过光场经过第二个λ/4波片后转换成为与入射光偏振方向相同的线偏振光，然后到达输出镜。输出镜的反射率应适当降低，与半导体激光器远端面反射镜形成一个所谓坏腔，其目的是降低谐振腔的Q值或细度，使激光谐振腔模式的线宽大于CPT透过峰的宽度，其相互关系如图6所示。这一设计目的是减小激光谐振腔对纵模的频率牵引效应，使谐振腔对激光原子钟的频率稳定性的影响尽量小。
图6中：谐振腔纵模线宽大于CPT透过峰宽度，以减小谐振腔对频率稳定性的影响。
光场经输出镜反射沿原路径返回，反向通过CPT单元。光场再次通过第一个λ/4波片后转换成与入射光偏振方向相同的线偏振光，反向通过干涉滤波单元后经透镜耦合回到半导体激光器被放大，并反射完成腔内的一次循环。在此基础上，将腔长调整，使谐振腔频率间隔ΔνL＝C/2nL(L为谐振腔腔长)与原子基态超精细能级跃迁频率Δν的关系符合式的关系：Δν＝nΔνL。并通过输出镜连接的PZT对腔长进行精确调整，使其符合图6所示的谐振腔模式与透过峰关系。此时，通过谐振腔的正反馈，以及CPT要求的光场相干性要求；同时调整半导体激光器的增益，使两对应纵模增益达到阈值，而其他模式增益小于阈值，谐振腔内将建立起两个相位锁定的纵模振荡。而纵模间隔刚好等于气室工作原子87Rb基态超精细能级跃迁频率。而且由于增益竞争，纵模振荡频率将趋向于振荡在图5所示CPT的峰顶处，实现基于激光增益竞争的模式自动锁定。这一过程将使输出两纵模光场频率间隔精确等于87Rb基态超精细能级跃迁频率，也正是原子钟要提取的基准频率。而这两个模式的相干和锁定会使两者的强度和增益相关联，进而使得两个激光纵模强度趋于一致。这一现象会更有利于CPT效应的建立，提高两激光纵模的频率稳定性。在激光原子钟谐振腔内稳定的双纵模激光场建立后，测量两个输出模式激光场的拍频，即可获得激光原子钟的基准频率。
实施例二：
将实施例一中CPT单元气室中的工作原子换为133Cs，半导体激光器的波长改为894nm，对准铯原子的D1线。其他设计与实施例一相同，可以制造铯原子为工作原子的激光原子钟。
这一基准频率的获得与传统方法的不同主要是在于：提取过程和原理上不再依赖于对原子跃迁频率的探测精度和微波信号与探测信号的锁定电路的稳定性、可靠性和锁定精度。两个激光纵模直接由物理过程锁定。这是激光原子钟方案与传统原子钟的不同之处，为原子钟基准频率的提取开辟了一条新的道路。同时，由于激光原子钟输出是两个激光纵模，其强度、信噪比将大大好于传统方式检测的信号，并且其稳定性和可靠性不再依赖于探测和锁定电路，直接由物理过程决定，因此很可能具有更好的稳定性指标。而与本项目团队此前申请的另一项发明ZL201910634621.8专利相比较，本发明以相干滤光单元代替法拉第原子滤光器，大大降低了系统的复杂性和元器件成本，使系统更容易实现。并避免了原子滤光单元强磁场对系统的影响。有利于系统的稳定工作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：包括激光谐振腔，该激光谐振腔内插入相干涉滤光单元和相干布居数囚禁单元，实现对振荡模式的控制和锁定。进而使两个振荡模式的激光场频率差严格等于所选择的工作原子的基态超精细能级频率差。
2.根据权利要求1所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：激光谐振腔的增益由一个半导体激光器提供，半导体激光器作为激光原子钟的增益介质，激光器向内面镀增透膜，输出光由准直透镜准直，反射光则经准直透镜耦合进入激光器获得增益。
3.根据权利要求2所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：所述的相干滤波单元包括一个F-P标准具和一个干涉滤光片，两者的串联滤波光谱形成两个透过峰，透过峰中心频率对准具有Λ能级结构的碱金属工作原子的跃迁频率ω1和ω2。
4.根据权利要求3所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：所述F-P标准具谐振腔长由ω1和ω2的频率差经计算得出，使标准具的腔模间隔等于ω1和ω2的频率差。
5.根据权利要求2或3所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：所述干涉滤光单元中的干涉滤光片的功能是带通滤波，使通过F-P标准具的梳状光谱只有对准ω1和ω2的两个梳齿透过，仅使在这两个频率附近的光场可以通过。
6.根据权利要求1所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：所述相干布居数囚禁单元包括原子气室和两个λ/4波片，光场经第一个λ/4波片转换成元偏振光，在气室内与工作原子作用产生相干布居数囚禁效应；第二个λ/4波片与第一个光轴正交，使光场经反射再次通过两个λ/4波片后偏振方向能够跟入射光相同。
7.根据权利要求1或6所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：所述的相干布居数囚禁单元置于一个磁屏蔽罩中，以保证系统不受外部磁场干扰。
8.根据权利要求6或7所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：所述的原子气室工作原子采用碱金属原子，典型原子为87Rb或133Cs，并充有缓冲气体。
9.根据权利要求8所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：原子气室加轴向磁场，并加控温系统控制温度，以保证原子蒸汽浓度和CPT透过峰稳定性。
10.根据权利要求1所述一种应用相干滤光和相干布居数囚禁原理的激光原子钟，其特征在于：激光原子钟的激光谐振腔的底座和支撑结构由低温度系数材料制成并整体控温，保证谐振腔参数的稳定性。
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2022
- 2022-02-28 CN CN202210190956.7A patent/CN114624987A/zh active Pending
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