CN114665366A - 主被动相结合的光钟稳定系统及时间计量装置 - Google Patents

主被动相结合的光钟稳定系统及时间计量装置 Download PDF

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CN114665366A CN202210178224.6A CN202210178224A CN114665366A CN 114665366 A CN114665366 A CN 114665366A CN 202210178224 A CN202210178224 A CN 202210178224A CN 114665366 A CN114665366 A CN 114665366A
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潘多
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Abstract

本申请提供一种主被动相结合的光钟稳定系统及时间计量装置，该系统包括：主动光钟、腔锁定组件和被动光钟；主动光钟包括泵浦激光系统和主动光钟谐振腔，泵浦激光系统用于出射第一激光，并将第一激光出射至主动光钟谐振腔，以在主动光钟谐振腔内形成相干受激辐射以产生主动光钟信号；被动光钟用于产生被动光钟信号，并出射至腔锁定组件；腔锁定组件通过第一电信号对被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号出射至主动光钟谐振腔，并获取主动光钟谐振腔对调制光信号进行反射的反射光信号对应的第二电信号，根据第一电信号和第二电信号混频得到第一误差信号，再根据第一误差信号调节主动光钟谐振腔的腔长。本申请提高了主动光钟的长期稳定性。

Description

主被动相结合的光钟稳定系统及时间计量装置
技术领域
本申请涉及光学量子频率标准技术领域，尤其涉及一种主被动相结合的光钟稳定系统及时间计量装置。
背景技术
量子频率标准是指能够利用量子跃迁频率产生标准频率信号的标准。基于该量子频率标准的实现，可以得到用来进行频率和时间测量的计量装置。光频原子钟是目前常用的能够实现该量子频率标准的计量装置。该光频原子钟利用激光与原子的钟跃迁能级相互作用，通过现有技术手段以产生最准确、最稳定频率的光信号。
现有技术中，主动光钟是光频原子钟的一个重要研究方向。主动光钟通过光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射，从而产生光频标。由于主动光钟系统是工作在深度的坏腔模式中，其输出频率对谐振腔产生的布朗热噪声具有天然的免疫作用，可极大程度降低腔体热噪声对输出钟激光频率的扰动，克服目前被动光钟对本振钟激光线宽的依赖。因此，主动光钟理论上可实现超窄线宽光频标，为其它精密测量提供不同频段的窄线宽激光光源，从而推动光频精密测量领域的发展。
但是，主动光钟谐振腔漂移，会使主动光钟的长期稳定性较差。
发明内容
本申请提供一种主被动相结合的光钟稳定系统，用以解决主动光钟的长期稳定性较差问题。
一方面，本申请提供一种主被动相结合的光钟稳定系统，包括：主动光钟、腔锁定组件和被动光钟；
其中，所述主动光钟包括泵浦激光系统和主动光钟谐振腔，所述泵浦激光系统用于出射第一激光，并将所述第一激光出射至所述主动光钟谐振腔，以在所述主动光钟谐振腔内形成相干受激辐射以产生主动光钟信号；
所述被动光钟用于产生被动光钟信号，并将所述被动光钟信号出射至所述腔锁定组件；
所述腔锁定组件用于通过第一电信号对所述被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号出射至所述主动光钟谐振腔，并获取所述主动光钟谐振腔对所述调制光信号进行反射的反射光信号对应的第二电信号，根据所述第一电信号和所述第二电信号混频得到第一误差信号，根据所述第一误差信号调节所述主动光钟谐振腔的腔长。
可选地，所述腔锁定组件包括电光调制器、第一半波片，第一偏振分光棱镜、四分之一波片、信号发生器、高速光电探测器、混频器以及控制电路；
其中，所述电光调制器分别与所述被动光钟、所述信号发生器连接，所述混频器分别与所述高速光电探测器、所述信号发生器以及所述控制电路连接；
所述信号发生器用于产生所述第一电信号，并将所述第一电信号传输至所述电光调制器和所述混频器；
所述电光调制器用于通过所述第一电信号对所述被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号经所述第一半波片出射至所述第一偏振分光棱镜；
所述第一偏振分光棱镜用于将所述调制光信号透射至所述四分之一波片，所述调制光信号通过所述四分之一波片出射至所述主动光钟谐振腔内，所述调制光信号在所述主动光钟谐振腔中振荡，并被反射成为反射光信号，所述反射光信号经所述四分之一波片出射至所述第一偏振分光棱镜；
所述第一偏振分光棱镜还用于将所述反射光信号反射至所述高速光电探测器；
所述高速光电探测器用于探测所述反射光信号对应的第二电信号，并将所述第二电信号传输至所述混频器；
所述混频器用于将所述第一电信号和所述第二电信号进行混频，得到所述第一误差信号，并将所述第一误差信号传输至所述控制电路；
所述控制电路根据所述第一误差信号调节所述主动光钟谐振腔的腔长。
可选地，所述主动光钟谐振腔包括第一腔镜、第一量子参考系统、第二腔镜以及压电陶瓷，其中，所述第一量子参考系统设置在所述第一腔镜和所述第二腔镜之间，所述压电陶瓷与所述第二腔镜连接；
所述第一量子参考系统用于形成相干受激辐射，以产生主动光钟信号；
所述控制电路具体用于根据所述第一误差信号提供所述压电陶瓷的伺服控制电压，以使得所述压电陶瓷移动以调节所述主动光钟谐振腔的腔长。
可选地，所述第一腔镜和所述第二腔镜在所述第一激光所对应波长处镀有增透膜。
可选地，所述第一腔镜和所述第二腔镜在所述被动光钟信号所对应波长处镀有反射膜。
所述第一腔镜和所述第二腔镜在所述主动光钟信号的波长处镀有反射膜，以使所述主动光钟信号波长的腔模带宽大于所述第一量子参考系统中的钟跃迁线宽，以形成坏腔。
可选地，所述被动光钟包括钟激光系统、第二半波片、第二偏振分光棱镜、声光调制器、第三半波片、第三偏振分光棱镜、超稳激光锁定系统和第二量子参考系统；其中
所述钟激光系统用于出射第二激光，所述第二激光通过所述第二半波片和所述第二偏振分光棱镜后，被分成第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光通过所述声光调制器出射至所述第三半波片，并经过所述第三半波片出射至所述第三偏振分光棱镜，所述第二偏振光出射至所述超稳激光锁定系统；
所述超稳激光锁定系统用于根据所述第二偏振光所探测的误差信号闭环反馈控制所述钟激光系统；
所述第三偏振分光棱镜用于将所述第一偏振光分成第三偏振光和第四偏振光，所述第四偏振光出射至所述第二量子参考系统；
所述第二量子参考系统与所述声光调制器连接，所述第二量子参考系统根据所述第四偏振光所探测的原子谱线闭环反馈控制所述声光调制器；
经过反馈控制的所述第三偏振光为出射至所述腔锁定组件的被动光钟信号。
可选地，所述被动光钟为光晶格钟或离子光钟或原子束型光钟。
可选地，所述主动光钟的量子体系为热原子或冷原子或离子，所述量子体系的能级结构为二能级体系或三能级体系或四能级体系，所述量子体系用于所述第一量子参考。
另一方面，本申请提供一种时间计量装置，所述时间计量装置包括如上所述的主被动相结合的光钟稳定系统。
本申请提供的主被动相结合的光钟稳定系统，包括：主动光钟、腔锁定组件和被动光钟，该主动光钟包括泵浦激光系统和主动光钟谐振腔。通过被动光钟产生被动光钟信号，并将被动光钟信号出射至腔锁定组件，由腔锁定组件通过第一电信号对被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号出射至主动光钟谐振腔，并获取主动光钟谐振腔对调制光信号进行反射得到的的反射光信号对应的第二电信号，再根据第一电信号和第二电信号混频得到第一误差信号，最后根据第一误差信号调节主动光钟谐振腔的腔长，从而补偿主动光钟谐振腔的漂移，使得主动光钟谐振腔的长期稳定度与被参考的被动光钟一致。在此基础上，由于主动光钟对腔牵引效应具有抑制作用，因此，使主动光钟的长期不稳定度在被动光钟的基础上降低两个量级，从而提高了主动光钟的长期稳定性。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为本申请实施例提供的主被动相结合的光钟稳定系统的结构示意图；
图2为本申请另一实施例提供的主被动相结合的光钟稳定系统的结构示意图。
通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
下面可以参考附图描述本申请各示例。因此，本领域普通技术人员将认识到，在不背离本申请的范围和精神的情况下，可以对本文描述的各示例进行各种改变、等同和/或替换。在附图描述中，相似的组件可以用相似的附图标记来表示。
本申请中，表述“具有”、“可以具有”、“包括”和“包含”、或者“可以包括”和“可以包含”在本文中可以用于指示存在对应的特征(例如，诸如数值、功能、操作或组件等元素)，但不排除附加特征的存在。
本申请中，这里使用的表述“A或B”、“A和/或B中的至少一个”、或者“A和/或B中的一个或多个”等可以包括相关列出项中一个或多个的所有组合。例如，术语“A或B”、“A和B中的至少一个”、“A或B中的至少一个”可指代以下所有情况：(1)包括至少一个A，(2)包括至少一个B，(3)包括至少一个A和至少一个B。
本申请中使用的术语用于描述本申请示例的目的，而不是为了限制本申请的范围。除非另有指示，否则单数形式的术语可以包括复数形式。除非本文另有定义，本文使用的所有术语(含技术或科学术语)可以具有本领域技术人员通常理解的相同含义。还要理解的是，词典中定义或常用的术语也应被解释为相关技术的惯用方式，而不应理想化或过于正式使用，除非在本申请各示例中明确如此定义。在一些情况下，即使术语是在本申请中定义的术语，该术语也不应解释为排除本申请的示例。
原子钟作为能够输出量子频率标准、当今最精密的科学仪器设备，对促进时间秒的重新定义、卫星导航定位、精密科学测量、物理理论(爱因斯坦相对论中时间延缓效应)验证、火山监测、量子模拟、深度绘测、引力测量等领域的应用具有重要作用。特别的，由于以光频跃迁作为参考谱线的光频原子钟(光钟)，比用微波跃迁作为参考谱线的微波原子钟能够实现更优越的准确度和稳定度，而且飞秒光梳的迅速推广使得光学频率标准信号(光频标)的应用变为现实，因此，近年来国内外对光钟的研究火热，研究成果不断更新。
目前，实现光频标大都基于传统的被动光钟技术，通用的方法是将激光器输出的频率稳定在精密设计的被动光学谐振腔上，以此实现更准确的共振频率，进而得到高度相干的光频标信号。被动光钟的本振激光通过Pound-Drever-Hall(PDH)技术，将激光锁定在超稳谐振腔上来压窄激光线宽。但是，由于谐振腔具有难以避免的布朗热噪声，限制了激光线宽进一步压窄。然而，若是为了抑制谐振腔腔体的布朗运动，需要将谐振腔设置在极低温的环境中工作，以降低热噪声极限，这会极大地增加系统的复杂性。
为了突破被动光频标的限制，提出主动光钟的概念。主动光钟通过光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射，从而产生光频标。由于主动光钟系统是工作在深度的坏腔模式中，其输出频率对谐振腔产生的布朗热噪声具有天然的免疫作用，可极大程度降低腔体热噪声对输出钟激光频率的扰动，克服目前光钟对本振钟激光线宽的依赖，并且主动光钟的短期稳定性相比被动光钟具有绝对优势。因此，主动光钟理论上可实现超窄线宽光频标，为其它精密测量提供不同频段的窄线宽激光光源，从而推动光频精密测量领域的发展。
虽然主动光钟对谐振腔产生的布朗热噪声具有天然的免疫作用，突破传统被动光钟PDH稳频系统的热噪声极限，但是由于没有锁定主动光钟谐振腔腔长，主动光钟谐振腔会产生漂移，使主动光钟的长期稳定性较差。
目前，现有技术能够实现的，长期稳定性最好的光钟是被动光钟。为解决主动光钟长期稳定性受限于谐振腔漂移的问题，本申请提出一种可以提升主动光钟长期稳定性的主被动相结合的光钟稳定系统，该系统通过将主动光钟谐振腔参考在被动光钟上，从而补偿主动光钟谐振腔的漂移，使得主动光钟谐振腔的长期稳定性与被参考的被动光钟一致。在此基础上，由于主动光钟对腔牵引效应具有抑制作用，使主动光钟的长期不稳定度在被动光钟的基础上降低了两个量级，从而提高了主动光钟的长期稳定性。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案以及本申请的技术方案如何解决上述技术问题进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本申请的实施例进行描述。
图1为本申请实施例提供的主被动相结合的光钟稳定系统的结构示意图。如图1所示，本申请提供的光钟稳定系统包括：主动光钟100、腔锁定组件200和被动光钟300。其中，主动光钟100包括泵浦激光系统101和主动光钟谐振腔102。
腔锁定组件200能够根据被动光钟300出射的被动光钟信号，来控制主动光钟谐振腔102的腔长，从而补偿主动光钟谐振腔102的漂移，使得主动光钟谐振腔102的长期稳定度与用于参考的被动光钟一致。
首先，根据被动光钟信号走向从被动光钟300开始，至腔锁定组件200，再到主动光钟100结束的方向进行说明。
被动光钟300用于产生被动光钟信号，并将被动光钟信号出射至腔锁定组件200。
可选地，被动光钟为光晶格钟或离子光钟或原子束型光钟。
其中，光晶格钟是一种原子钟，所谓原子钟就是以原子中电子的振动为振子的时钟，如果振动的频率在光波段，时钟就称为光钟，光晶格钟是光钟的一种。例如镱原子开发出的光晶格钟理论上300亿年才会产生1秒误差，每天仅误差10-18方秒。
单离子光钟是目前精度最高的原子钟之一,已经实现了不确定度和稳定度指标均达到E-18量级，例如钙离子光钟。
原子束型光钟是目前兼具可搬运和优良稳定度指标的光钟类型。例如，美国国家标准技术研究院Andrew Ludlow小组采用应用于热原子束的能级转移探测的方案，通过对激发态3P1态的能级探测，实现了高信噪比的拉姆塞光谱，并实现频率稳定度小于10-16量级的钙原子束光频标。
可见，作为被动光钟的光晶格钟、离子光钟以及原子束型光钟的不确定度和稳定度指标都已经达到目前的最佳水平，因此，选用被动光钟为主动光钟提供被动光钟信号。
腔锁定组件200用于通过第一电信号对被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号出射至主动光钟谐振腔102，并获取主动光钟谐振腔102对调制光信号进行反射的反射光信号对应的第二电信号，根据第一电信号和第二电信号混频得到第一误差信号，根据第一误差信号调节主动光钟谐振腔102的腔长。
具体地，腔锁定组件200产生第一电信号，并通过第一电信号对由被动光钟300出射的被动光钟信号进行调制，得到调制后的调制光信号，并将调制光信号出射至主动光钟谐振腔102。调制光信号在主动光钟谐振腔102中振荡，并被反射成为反射光信号，该反射光信号携带了主动光钟谐振腔的信息。然后反射光信号出射至腔锁定组件200，腔锁定组件200接收反射光信号后，将反射光信号转换为第二电信号，并根据第一电信号和第二电信号混频得到第一误差信号，最后，再根据第一误差信号调节主动光钟谐振腔102的腔长。
其次，对本申请产生主动光钟信号的过程进行说明。
主动光钟100包括泵浦激光系统101和主动光钟谐振腔102。泵浦激光系统101用于出射第一激光，并将第一激光出射至主动光钟谐振腔102，以在主动光钟谐振腔102内形成相干受激辐射以产生主动光钟信号。
可选地，主动光钟谐振腔为低热膨胀系数材料加工而成。
通过上述的腔锁定组件200和被动光钟300的工作，主动光钟谐振腔102的腔长被调整，补偿了主动光钟谐振腔的漂移。该主动光钟谐振腔102产生的主动光钟信号，提供了超窄线宽光频标，可以为精密测量提供窄线宽激光光源。
本申请实施例提供的主被动相结合的光钟稳定系统，包括：主动光钟100、腔锁定组件200和被动光钟300，该主动光钟100包括泵浦激光系统101和主动光钟谐振腔102。通过被动光钟300产生被动光钟信号，并将被动光钟信号出射至腔锁定组件200，腔锁定组件200通过第一电信号对对被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号出射至主动光钟谐振腔102，调制光信号在主动光钟谐振腔中振荡，被反射成为反射光信号并出射至腔锁定组件200，腔锁定组件200获取反射光信号对应的第二电信号，再根据第一电信号和第二电信号混频得到第一误差信号，根据第一误差信号调节主动光钟谐振腔102的腔长，从而补偿主动光钟谐振腔的漂移，使得主动光钟谐振腔的长期稳定度与被参考的被动光钟一致。在此基础上，由于主动光钟对腔牵引效应具有抑制作用，使主动光钟的长期不稳定度在被动光钟的基础上降低两个量级，从而提高了主动光钟的长期稳定性。
图2为本申请另一实施例提供的主被动相结合的光钟稳定系统的结构示意图。本申请实施例在图1所示的基础上，对光钟稳定系统的结构和功能进行详细说明。如图2所示，主动光钟谐振腔包括第一腔镜2、第一量子参考3、第二腔镜4和压电陶瓷5；腔锁定组件包括电光调制器9、第一半波片8、第一偏振分光棱镜7、四分之一波片6、信号发生器10、高速光电探测器11、混频器12和控制电路13；被动光钟包括：钟激光系统14、第二半波片15、第二偏振分光棱镜16、声光调制器18、第三半波片19、第三偏振分光棱镜20、超稳激光锁定系统17和第二量子参考系统21。
首先，对本申请被动光钟提供被动光钟信号的原理进行详细说明。
本申请提供的钟激光系统14、第二半波片15、第二偏振分光棱镜16、声光调制器18、第三半波片19、第三偏振分光棱镜20，可以为如图2所示的位置关系依次设置；也可以根据实际需要设置在底座上，构成机械结构的连接，本申请不做具体限制。
其中，钟激光系统14用于出射第二激光，第二激光通过第二半波片15和第二偏振分光棱镜16后，被分成第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光通过声光调制器18出射至第三半波片19，并经过第三半波片19出射至第三偏振分光棱镜20，第二偏振光出射至超稳激光锁定系统17；超稳激光锁定系统17用于根据第二偏振光所探测的误差信号闭环反馈控制钟激光系统15。
具体地，钟激光系统14出射第二激光，通过设置第二半波片15的位置，例如预先将第二半波片15旋转到合适的位置，可实现第二偏振分光棱镜16将第二激光分为光强比例合适的两路，分别为第一偏振光和第二偏振光。本申请对第二半波片和第二偏振棱镜的位置设置不做具体限制，只要能够将第二激光分为光强比例合适的两路即可。
其中，第一偏振光通过声光调制器18出射至第三半波片19，并经过第三半波片19出射至第三偏振分光棱镜20。
声光调制器是一种常用的移频部件，能够在一定范围内调节激光频率，可将激光频率与原子跃迁频率相对应，以用于探测原子的跃迁能级。
其中，第二偏振光被打入超稳激光锁定系统17以反馈控制钟激光系统14，也即，超稳激光锁定系统17将钟激光系统14参考到超稳激光锁定系统18中超稳的光学谐振腔上，由此压窄钟激光系统出射的激光线宽。
具体地，超稳激光锁定系统包含超稳光学腔和锁定环路所包含的组件，其是在量子频标领域常用的激光稳频方法，即PDH(Pound-Drever-Hall)激光稳频技术，超稳激光锁定系统可以根据第二偏振光在超稳激光锁定系统内所探测到的误差信号闭环反馈控制钟激光系统，实现压窄第一偏振光的线宽，以探测极窄的原子谱线。
第三偏振分光棱镜20用于将第一偏振光分成第三偏振光和第四偏振光，第四偏振光出射至第二量子参考系统21；第二量子参考系统21与声光调制器18连接，第二量子参考系统21根据第四偏振光所探测的原子谱线闭环反馈控制声光调制器18；经过反馈控制的第三偏振光为出射至腔锁定组件的被动光钟信号。
具体地，通过设置第三半波片19的位置，例如预先将第三半波片19旋转到合适的位置，可实现第三偏振分光棱镜20将第一偏振光分为光强比例合适的两路，分别为第三偏振光和第四偏振光。本申请对第三半波片19和第三偏振棱镜20的位置设置不做具体限制，只要能够将第一偏振光分为光强比例合适的两路即可。
其中，第二量子参考系统21中包含量子参考和锁定环路所包含的组件，由第四偏振光探测其量子参考的原子跃迁谱线，并通过锁定环路来反馈控制声光调制器，由此将第三偏振光的频率与原子跃迁频率相锁定。此时，第三偏振光即为被动光钟信号，将其出射至腔锁定组件的电光调制器9，为腔锁定组件提供稳定的被动光钟信号。
其次，对本申请腔锁定组件的具体工作原理进行详细说明。
腔锁定组件包括电光调制器9、第一半波片8，第一偏振分光棱镜7、四分之一波片6、信号发生器10、高速光电探测器11、混频器12以及控制电路13；其中，电光调制器9分别与信号发生器10连接，混频器12分别与高速光电探测器11、信号发生器10以及控制电路13连接。
具体地，电光调制器9分别与所述被动光钟、信号发生器10连接，混频器12分别与高速光电探测器11和信号发生器10以及控制电路13连接。另外，电光调制器9、第一半波片8、第一偏振分光棱镜7、四分之一波片6，可以为如图2所示的位置关系依次设置；也可以根据实际需要设置在底座上，构成机械结构的连接，本申请不做具体限制。
其中，信号发生器10用于产生第一电信号，并将第一电信号传输至电光调制器9和混频器12；电光调制器9用于通过第一电信号对被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号经第一半波片8出射至第一偏振分光棱镜7。
具体地，信号发生器10产生第一电信号并将其传输至电光调制器9和混频器12。电光调制器9通过第一电信号对由被动光钟出射的被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号经第一半波片8出射至第一偏振分光棱镜7。
其中，利用电光效应实现的调制叫电光调制。电光调制的物理基础是电光效应，即是某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。调制晶体是电光调制器的核心部件。电光调制器是利用电光效应工作的光调制器，其中，将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置称为调制器；电光调制属于外调制，即在激光器外的光路中进行调制。
其中，第一偏振分光棱镜7用于将调制光信号透射至四分之一波片6，调制光信号通过四分之一波片6出射至主动光钟谐振腔内。
具体地，通过设置第一半波片8的位置，例如预先将第一半波片8旋转到合适的位置，可实现第一偏振分光棱镜7将调制光信号完全透射至四分之一波片6。调制光信号通过四分之一波片6后，出射至主动光钟谐振腔内。本申请对第一半波片8和第一偏振分光棱镜7的位置设置不做具体限制，只要将调制光信号完全透射至四分之一波片6即可。
其中，调制光信号在主动光钟谐振腔中振荡，并被反射成为反射光信号，反射光信号经四分之一波片6出射至第一偏振分光棱镜7。
其中，第一腔镜和第二腔镜在被动光钟信号所对应波长处镀有反射膜。其中，调制光信号和被动光钟信号的波长相同。
具体地，调制光信号出射至主动光钟谐振腔后在腔内振荡，而主动光钟谐振腔的第一腔镜2和第二腔镜4在被动光钟信号所对应的波长处镀有反射膜，由于调制光信号和被动光钟信号的波长相同，因此，调制光信号被主动光钟谐振腔反射成为反射光信号，其中，反射光信号携带有主动光钟谐振腔的信息，反射光信号经四分之一波片6出射至第一偏振分光棱镜7。
第一偏振分光棱镜7还用于将反射光信号反射至高速光电探测器11；高速光电探测器11用于探测反射光信号对应的第二电信号，并将第二电信号传输至混频器12。
具体地，通过设置四分之一波片6的位置，例如预先将四分之一波片6旋转到合适的位置，可实现第一偏振分光棱镜将反射光信号完全反射至高速光电探测器11。而高速光电探测器11探测反射光信号对应的第二电信号，并将第二电信号传输至混频器12。本申请对四分之一波片6和第一偏振分光棱镜7的位置设置不做具体限制，只要能将反射光信号完全反射至高速光电探测器11即可。
混频器12用于将第一电信号和第二电信号进行混频，得到第一误差信号，并将第一误差信号传输至控制电路13；控制电路13根据第一误差信号调节主动光钟谐振腔的腔长。
具体地，混频器12对信号发生器10传输的第一电信号和高速光电探测器11传输的第二电信号进行混频，得到第一误差信号，并将第一误差信号传输至控制电路13。控制电路13根据第一误差信号产生伺服信号，为压电陶瓷5提供伺服控制电压，以使压电陶瓷5移动，由于压电陶瓷5与第二腔镜4连接，因此，第二腔镜4随着压电陶瓷5的移动而移动，进而调节主动光钟谐振腔的腔长，补偿主动光钟谐振腔的漂移。
最后，对本申请主动光钟的具体工作原理进行详细说明。
主动光钟包括泵浦激光系统和主动光钟谐振腔，主动光钟谐振腔包括第一腔镜2、第一量子参考系统3、第二腔镜4以及压电陶瓷5，其中，第一量子参考系统3设置在第一腔镜2和第二腔镜4之间，压电陶瓷5与第二腔镜4连接。
具体地，压电陶瓷5与第二腔镜4连接，第一量子参考系统3设置在第一腔镜2和第二腔镜4之间。其中，泵浦激光系统1、第一腔镜2、第一量子参考系统3、第二腔镜4，可以为如图2所示的位置关系依次设置，也可以根据实际需要设置在底座上，构成机械结构的连接，本申请不做具体限制。
泵浦激光系统1用于出射第一激光，并将第一激光出射至主动光钟谐振腔；第一量子参考系统3用于形成相干受激辐射，以产生主动光钟信号。
具体地，泵浦激光系统1出射第一激光至主动光钟谐振腔，经第一量子参考系统3产生相干受激辐射，以产生主动光钟信号。
可选地，主动光钟的量子体系为热原子或冷原子或离子，量子体系的能级结构为二能级体系或三能级体系或四能级体系，量子体系用于第一量子参考。其中，热原子可以为热原子气室、热原子束等，冷原子可以是光学黏团、光晶格、囚禁离子等。
可选地，第一腔镜2和第二腔镜4在主动光钟信号的波长处镀有反射膜，以使主动光钟信号波长的腔模带宽大于第一量子参考系统3中的钟跃迁线宽，以形成坏腔。
可选地，第一腔镜2和第二腔镜4在第一激光所对应波长处镀有增透膜。
具体地，由泵浦激光系统1出射第一激光后，需经第一腔镜2才能到达主动光钟谐振腔内，因此，第一腔镜2和第二腔镜4在第一激光的波长处镀有增透膜，使第一激光尽可能出射至主动光钟谐振腔。
控制电路13具体用于根据第一误差信号提供压电陶瓷5的伺服控制电压，以使得压电陶瓷5移动以调节主动光钟谐振腔的腔长。
具体地，反馈控制组件中的控制电路13根据第一误差信号为压电陶瓷5提供伺服控制电压，以使压电陶瓷5移动，由于压电陶瓷5与第二腔镜4连接，因此，第二腔镜4随着压电陶瓷5的移动而移动，进而调节主动光钟谐振腔的腔长。
本申请实施例通过将主动光钟的谐振腔参考在被动光钟上，从而补偿主动光钟谐振腔的漂移，使得主动光钟谐振腔的长期稳定度与用于参考的被动光钟一致。在此基础上，由于主动光钟对腔牵引效应具有抑制作用，使主动光钟的长期不稳定度在被动光钟的基础上降低两个量级。因此，提高了主动光钟的长期稳定性。
另一个方面，本申请实施例还提供了一种时间计量装置，所述时间计量装置包括如上任一实施例所述的光钟稳定系统。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims (10)

1.一种主被动相结合的光钟稳定系统，其特征在于，所述系统包括：主动光钟、腔锁定组件和被动光钟；其中
所述主动光钟包括泵浦激光系统和主动光钟谐振腔，所述泵浦激光系统用于出射第一激光，并将所述第一激光出射至所述主动光钟谐振腔，以在所述主动光钟谐振腔内形成相干受激辐射以产生主动光钟信号；
所述被动光钟用于产生被动光钟信号，并将所述被动光钟信号出射至所述腔锁定组件；
所述腔锁定组件用于通过第一电信号对所述被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号出射至所述主动光钟谐振腔，并获取所述主动光钟谐振腔对所述调制光信号进行反射的反射光信号对应的第二电信号，根据所述第一电信号和所述第二电信号混频得到第一误差信号，根据所述第一误差信号调节所述主动光钟谐振腔的腔长。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述腔锁定组件包括电光调制器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、四分之一波片、信号发生器、高速光电探测器、混频器以及控制电路；
其中，所述电光调制器分别与所述被动光钟、所述信号发生器连接，所述混频器分别与所述高速光电探测器、所述信号发生器以及所述控制电路连接；
所述信号发生器用于产生所述第一电信号，并将所述第一电信号传输至所述电光调制器和所述混频器；
所述电光调制器用于通过所述第一电信号对所述被动光钟信号进行调制，并将调制后的调制光信号经所述第一半波片出射至所述第一偏振分光棱镜；
所述第一偏振分光棱镜用于将所述调制光信号透射至所述四分之一波片，所述调制光信号通过所述四分之一波片出射至所述主动光钟谐振腔内，所述调制光信号在所述主动光钟谐振腔中振荡，并被反射成为反射光信号，所述反射光信号经所述四分之一波片出射至所述第一偏振分光棱镜；
所述第一偏振分光棱镜还用于将所述反射光信号反射至所述高速光电探测器；
所述高速光电探测器用于探测所述反射光信号对应的第二电信号，并将所述第二电信号传输至所述混频器；
所述混频器用于将所述第一电信号和所述第二电信号进行混频，得到所述第一误差信号，并将所述第一误差信号传输至所述控制电路；
所述控制电路根据所述第一误差信号调节所述主动光钟谐振腔的腔长。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述主动光钟谐振腔包括第一腔镜、第一量子参考系统、第二腔镜以及压电陶瓷，其中，所述第一量子参考系统设置在所述第一腔镜和所述第二腔镜之间，所述压电陶瓷与所述第二腔镜连接；
所述第一量子参考系统用于形成相干受激辐射，以产生主动光钟信号；
所述控制电路具体用于根据所述第一误差信号提供所述压电陶瓷的伺服控制电压，以使得所述压电陶瓷移动以调节所述主动光钟谐振腔的腔长。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一腔镜和所述第二腔镜在所述第一激光所对应波长处镀有增透膜。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一腔镜和所述第二腔镜在所述被动光钟信号所对应波长处镀有反射膜。
6.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述第一腔镜和所述第二腔镜在所述主动光钟信号的波长处镀有反射膜，以使所述主动光钟信号波长的腔模带宽大于所述第一量子参考系统中的钟跃迁线宽，以形成坏腔。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述被动光钟包括钟激光系统、第二半波片、第二偏振分光棱镜、声光调制器、第三半波片、第三偏振分光棱镜、超稳激光锁定系统和第二量子参考系统；其中
所述钟激光系统用于出射第二激光，所述第二激光通过所述第二半波片和所述第二偏振分光棱镜后，被分成第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光通过所述声光调制器出射至所述第三半波片，并经过所述第三半波片出射至所述第三偏振分光棱镜，所述第二偏振光出射至所述超稳激光锁定系统；
所述超稳激光锁定系统用于根据所述第二偏振光所探测的误差信号闭环反馈控制所述钟激光系统；
所述第三偏振分光棱镜用于将所述第一偏振光分成第三偏振光和第四偏振光，所述第四偏振光出射至所述第二量子参考系统；
所述第二量子参考系统与所述声光调制器连接，所述第二量子参考系统根据所述第四偏振光所探测的原子谱线闭环反馈控制所述声光调制器；
经过反馈控制的所述第三偏振光为出射至所述腔锁定组件的被动光钟信号。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述被动光钟为光晶格钟或离子光钟或原子束型光钟。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述主动光钟的量子体系为热原子或冷原子或离子，所述量子体系的能级结构为二能级体系或三能级体系或四能级体系，所述量子体系用于所述第一量子参考系统。
10.一种时间计量装置，其特征在于，所述时间计量装置包括如权利要求1至9任一项所述的主被动相结合的光钟稳定系统。
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