CN114967407A - 用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统，系统包括激光二极管、光隔离器、第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、抽运光路模块、探测光路模块；抽运光路模块包括第一透镜、第二透镜、第一声光调制器、第一透镜组、第一部分反射镜、第一光探测器、第一光功率稳定电路；探测光路模块包括第三透镜、第四透镜、第二声光调制器、第二透镜组、第二部分反射镜、第二光探测器、第二光功率稳定电路。本发明集成化光学系统可以同时实现光源保护、激光移频、激光扩束，以及光功率稳定，为小型光抽运束型原子钟提供一个高性能、高稳定和结构紧凑的激光系统实现方法。

Description

用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统。

背景技术

原子钟作为一种精密时间频率仪器，其基本原理是以原子能级之间的量子跃迁频率为参考，将晶体振荡器频率锁定到该跃迁频率上，从而产生高稳定的时间频率信号。原子钟包含多种类型，热气室型原子钟因其构造简单、可靠的优势成为目前工程化最为成功的原子钟，但其存在长期频率稳定度欠佳、频率漂移率大等不足。相较之下，热束型原子钟具有频率准确度高、中长期频率稳定度好，以及频率漂移率低等优点，是最有潜力在工程上得到广泛应用的高性能小型原子钟之一。

小型光抽运束型原子钟便是以热原子束作为工作量子样品，采用激光进行原子态制备和钟跃迁探测的一种热束型原子钟。光学系统是此类原子钟的重要组成，负责提供制备原子态所需的抽运光和探测钟跃迁所需的探测光，其性能和体积直接关系到原子钟整钟的性能和体积。光束质量不佳的抽运光会导致原子制备效率低，而未被抽运原子会在探测区与探测光相互作用，诱导产生附加背景噪声；光束质量不佳的探测光更会直接地增加钟信号噪声，恶化整钟频率稳定度性能；此外，抽运光和探测光的光功率波动会导致小型光抽运束型原子钟中长期频率稳定度和频率漂移性能变差。

因此，如何提供一种同时实现激光光源保护、激光移频、激光扩束，以及光功率稳定的集成化光学系统成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统，所述集成化光学系统包括：激光二极管、光隔离器、第一二分之一波片、第一偏振分光棱镜、抽运光路模块、探测光路模块；

所述激光二极管发出的激光依次经过所述光隔离器、所述第一二分之一波片和所述第一偏振分光棱镜之后分成第一路光和第二路光，分别进入所述抽运光路模块和所述探测光路模块；

所述抽运光路模块包括：第一透镜、第二透镜、第一声光调制器、第一透镜组、第一部分反射镜、第一光探测器、第一光功率稳定电路，所述第一声光调制器设置在所述第一透镜和所述第二透镜之间；

所述第一路光经过所述第一透镜会聚至所述第一声光调制器后产生零级光和衍射光，其中，所述衍射光是所述抽运光路模块中的抽运光，所述抽运光经过所述第二透镜和所述第一透镜组扩束，形成扩束后的准直抽运光束，所述第一部分反射镜采样一部分所述抽运光进入所述第一光探测器，所述第一光探测器的输出馈入到所述第一光功率稳定电路，所述第一光功率稳定电路的输出馈入到所述第一声光调制器；

所述探测光路模块包括：第三透镜、第四透镜、第二声光调制器、第二透镜组、第二部分反射镜、第二光探测器、第二光功率稳定电路，所述第二声光调制器设置在所述第三透镜和所述第四透镜之间；

所述第二路光经过所述第三透镜会聚至所述第二声光调制器后产生零级光和衍射光，其中，所述零级光是所述探测光路模块中的探测光，所述探测光经过所述第四透镜和所述第二透镜组扩束，形成扩束后的准直探测光束，所述第二部分反射镜采样一部分所述探测光进入所述第二光探测器，所述第二光探测器的输出馈入到所述第二光功率稳定电路，所述第二光功率稳定电路的输出馈入到所述第二声光调制器。

在本发明的一个实施例中，所述第一声光调制器的内部晶体位于所述第一透镜的焦点处，所述第二声光调制器的内部晶体位于所述第三透镜的焦点处。

本发明的有益效果：

本发明的集成化光学系统将激光光源保护、激光移频，激光扩束，以及光功率稳定一体化完成。该光学系统能够产生光束准直度高、光束直径与原子束几何尺寸匹配效果好、杂散光少的高质量抽运光和探测光，可有效抑制背景噪声，增加钟信号的信噪比。同时，该光学系统还具备光功率稳定功能，可有效抑制激光相对强度噪声，有利于提升光抽运束型原子钟的中长期频率稳定度性能。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种光功率稳定电路的结构示意图。

图标：

激光二极管-1；光隔离器-2；第一二分之一波片-3；第一偏振分光棱镜-4；第一透镜-51；第一声光调制器-52；第二透镜-53；第二透镜组-54；第一部分反射镜-55；第一光探测器-56；第一光功率稳定电路-57；第二二分之一波片-501；第二偏振分光棱镜-502；第一反射镜-503；第五透镜-504；第六透镜-505；第二反射镜-506；第三透镜-61；第二声光调制器-62；第四透镜-63；第四透镜组-64；第二部分反射镜-65；第二光探测器-66；第二光功率稳定电路-67；第三二分之一波片-601；第三反射镜-602；第三偏振分光棱镜-603；第四反射镜-604；第五反射镜-605；第七透镜-606；第八透镜-607；束源产生装置-7；荧光收集器-8；伺服电路-9；压控晶体振荡器-10；微波信号源-11；物理系统-12；原子束-13；微波腔-14。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统的结构示意图，图2是本发明实施例提供的另一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统的结构示意图，图1中的实线为激光路径，虚线为电子线路，点线为原子束行进路径。本实施例提供一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统，该集成化光学系统包括：激光二极管1、光隔离器2、第一二分之一波片3、第一偏振分光棱镜4、抽运光路模块5、探测光路模块6，抽运光路模块5包括第一透镜51、第一声光调制器52、第二透镜53、第一透镜组54、第一部分反射镜55(即部分反射部分透射镜)、第一光探测器56、第一光功率稳定电路57，第一声光调制器52设置在第一透镜51和第二透镜53之间，第一透镜组54包括第五透镜504、第六透镜505，探测光路模块6包括第三透镜61、第二声光调制器62、第四透镜63、第二透镜组64、第二部分反射镜65(即部分反射部分透射镜)、第二光探测器66、第二光功率稳定电路67，第二声光调制器62设置在第三透镜61和第四透镜63之间，第二透镜组64包括第七透镜606、第八透镜607，其中：

激光二极管1发出的激光依次经过光隔离器2、第一二分之一波片3和第一偏振分光棱镜4之后分别进入抽运光路模块5和探测光路模块6；

抽运光路模块5中，利用第一透镜51将入射的第一路光40会聚至第一声光调制器52的内部晶体处，产生零级光和衍射光，其中，衍射光是抽运光路模块5中的抽运光50。抽运光路模块5的抽运光50经过第二透镜53和第一透镜组54扩束，形成满足小型光抽运束型原子钟所需的准直抽运光束。第一部分反射镜55采样一部分抽运光进入第一光探测器56，另一部分抽运光入射到光抽运束型原子钟的物理系统12中，与束源产生装置7产生的高准直原子束13进行互作用，以实现原子能级制备。同时，第一光探测器56的输出馈入到第一光功率稳定电路57，第一光功率稳定电路57的输出馈入到第一声光调制器52。在所述抽运光路模块5中，第一声光调制器52的内部晶体位于第一透镜51的焦点处，并且第一声光调制器52的角度可以微调，第一透镜51、第二透镜53以及第一透镜组54的位置可以微调，以分别实现预期移频效果和最佳激光扩束效果；

探测光路模块6中，第二路光41通过第二声光调制器62产生零级光和衍射光，其中，零级光是探测光路模块6中的探测光60；探测光路模块6的探测光60经过第三透镜61和第二透镜组64扩束，形成满足小型光抽运束型原子钟所需的准直探测光束。第二部分反射镜65采样一部分探测光进入第二光探测器66，另一部分探测光入射到物理系统12中，与在微波腔14中完成钟跃迁的铯原子互作用后，发出钟跃迁荧光信号。所述荧光信号经荧光收集器8收集后输出到伺服电路9。伺服电路9对所述钟跃迁荧光信号进行处理，得到频率误差信号，根据频率误差信号得到校正电压，并将所述校正电压施加到压控晶体振荡器10的压控端，控制微波信号源11的输出频率始终稳定在铯原子基态的钟跃迁频率处。同时，第二光探测器66的输出馈入到第二光功率稳定电路67，第二光功率稳定电路67的输出馈入到第二声光调制器62。在所述探测光路模块6中，第二声光调制器62的角度可以微调，第三透镜61、第四透镜63以及第二透镜组64的位置可以微调，以分别实现预期移频效果和最佳激光扩束效果；

具体地，束源产生装置7为铯原子束源产生装置，用于产生高准直的铯原子束。

具体地，激光二极管1为光束准直后的半导体激光二极管，例如一台852nm的分布反馈式半导体激光二极管。

具体地，光束准直后的激光二极管产生波长为852nm的线偏振光，该准直光束经过光隔离器2实施保护后（光隔离器2对反向传输的激光具有隔离的作用），可防止激光二极管损坏。通过所述光隔离器2的准直光束经过第一二分之一波片3以及第一偏振分光棱镜4之后分成两路光：第一路光40和第二路光41。所述两路光的功率分配比例可通过旋转第一二分之一波片3予以调节。其中，第一路光40入射至光抽运小铯钟的抽运光路模块，该光路模块的作用是将铯原子基态能级

上的原子全部制备到基态能级

上。第二路光41入射至光抽运小铯钟的探测光路模块，该光路模块的作用是探测铯原子钟跃迁

。

对于抽运光路模块，第一路光40经过第一透镜51进行会聚，第一透镜51的焦距优选为80 mm，会聚激光经过第一声光调制器52后产生0级光和移频251 MHz的-1级光，所述-1级光是抽运光路模块的抽运光50，所述251 MHz的射频信号由第一光功率稳定电路57产生，且第一声光调制器52的内部晶体位于第一透镜51的焦点处。所述抽运光功率可通过旋转第二偏振分光棱镜502前的第二二分之一波片501进行调节，调节至第一部分反射镜55的反射光功率≤3 mW即可。抽运光50经过第一反射镜503后入射到第二透镜53实现初步准直扩束，第二透镜53的焦距优选为160 mm。

初步准直扩束后的抽运光50经过第一透镜组54进行二次扩束，所述第一透镜组54由第五透镜504和第六透镜505组成，其中第五透镜504与第六透镜505的焦距分别优选为-30 mm与80 mm。二次扩束后，抽运光50的光束直径约为6 mm。扩束后的抽运光50经过第二反射镜506后入射至第一部分反射镜55，所述第一部分反射镜55的透射率与反射率之比为3:7，其中反射光进入光抽运小铯钟的物理系统12中，与原子束13发生互作用，完成铯原子基态能级制备。第一光探测器56接收所述第一部分反射镜55的透射抽运光，具体地，当所述透射抽运光入射到第一光探测器56上时，光信号实时转换为电信号，并馈入至第一光功率稳定电路57的输入端。所述第一光功率稳定电路57将输入电流信号转换成电压信号，所述电压信号与低噪声低漂移的参考电压进行实时比较，输出误差信号，该误差信号经过比例—积分电路处理后得到校正信号。通过校正信号实时调整衰减器，以实现对251 MHz射频信号功率的动态控制，最终同时达到移频和抽运光功率稳定的目的。

对于探测光路模块，第二路光41经过第三透镜61进行会聚，第三透镜61的焦距优选为80 mm，会聚激光依次经过第三反射镜602和第二声光调制器62后，产生0级光和移频251 MHz的-1级光，所述0级光是探测光路模块的探测光60，所述251 MHz的射频信号由第二光功率稳定电路67产生，且第二声光调制器62的内部晶体位于第三透镜61的焦点处。所述探测光功率可通过旋转第三偏振分光棱镜603前的第三二分之一波片601进行调节，调节至第二部分反射镜65的反射光功率≤2mW即可。探测光60经过第四反射镜604和第五反射镜605后入射到第四透镜63实现初步准直扩束，第四透镜63的焦距优选为160 mm。

初步准直扩束后的探测光60经过第二透镜组64进行二次扩束，所述第二透镜组64由第七透镜606和第八透镜607组成，其中第七透镜606和第八透镜607的焦距分别优选为-30 mm与80 mm。二次扩束后，探测光60的光束直径约为6 mm。扩束后的探测光60入射至第二部分反射镜65，所述第二部分反射镜65的透射率与反射率之比为3:7，其中反射光进入光抽运小铯钟的物理系统12中，与原子束13发生互作用，完成铯原子钟跃迁探测。第二光探测器66接收所述第二部分反射镜65的透射探测光，具体地，当所述透射抽探测光入射到第二光探测器66上时，光信号实时转换为电信号，并馈入至第二光功率稳定电路67的输入端。所述第二光功率稳定电路67将输入电流信号转换成电压信号，所述电压信号与低噪声低漂移的参考电压进行实时比较，输出误差信号，该误差信号经过比例—积分电路处理后得到校正信号。通过校正信号实时调整衰减器，以实现对251 MHz射频信号功率的动态控制，最终同时达到移频和探测光功率稳定的目的。

在一个具体实施例中，请参见图3，第一/二光功率稳定电路57/67完全相同，以第一光稳定电路57为例，包括比较器、电阻R1、比例—积分控制器、电阻R2、电容C1和衰减器，比较器的正相输入端连接光探测器56，比较器的负相输入端连接参考电压端V_ref，比较器的输出端连接电阻R1的第一端，电阻R2的第一端连接比例—积分控制器的负相输入端和电阻R1的第二端，比例—积分控制器的正相输入端接地，电阻R2的第二端连接电容C1的第一端，电容C1的第二端和比例—积分控制器的输出端连接衰减器的第一输入端，衰减器的第二输入端连接射频信号端，衰减器的输出端连接第一声光调制器52。具体地，光探测器56将光信号转换成电流信号，电流信号的大小由光功率决定，再由光功率稳定电路将电流信号转换为电压信号，其值记为V_light，该电压信号与低噪声低漂移的参考电压V_ref通过比较器进行比较后产生一个误差信号V_err，误差信号经过一个比例—积分控制器得到校正信号V_cor，该校正信号为校正电压。通过校正信号实时调整衰减器，以实现对251 MHz射频信号功率的动态控制，最终同时达到移频和探测光功率稳定的目的。

本发明的激光光源利用光隔离器防止激光二极管损坏；

本发明的激光扩束利用两级扩束匹配原子束尺寸，利于提高原子利用率和增加钟信号信噪比。同时，本发明每个透镜的前后位置都可以进行微调，最大程度增加激光光束的准直度；

本发明的激光移频及光功率稳定利用声光调制器实现对激光工作频率的调控和激光功率波动的抑制，既保证了小型光抽运束型原子钟的正常工作，也可有效降低相对光功率噪声，改善原子钟频率稳定度性能。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种用于小型光抽运束型原子钟的集成化光学系统，其特征在于，所述集成化光学系统包括：激光二极管(1)、光隔离器(2)、第一二分之一波片(3)、第一偏振分光棱镜(4)、抽运光路模块(5)、探测光路模块(6)；

所述激光二极管(1)发出的激光依次经过所述光隔离器(2)、所述第一二分之一波片(3)和所述第一偏振分光棱镜(4)之后分成第一路光(40)和第二路光(41)，分别进入所述抽运光路模块(5)和所述探测光路模块(6)；

所述抽运光路模块(5)包括：第一透镜(51)、第一声光调制器(52)、第二透镜(53)、第一透镜组(54)、第一部分反射镜(55)、第一光探测器(56)、第一光功率稳定电路(57)，所述第一声光调制器(52)设置在所述第一透镜(51)和所述第二透镜(53)之间；

所述第一路光(40)经过所述第一透镜(51)会聚至所述第一声光调制器(52)后产生零级光和衍射光，其中，所述衍射光是所述抽运光路模块(5)中的抽运光(50)，所述抽运光(50)经过所述第二透镜(53)和所述第一透镜组(54)扩束，形成扩束后的准直抽运光束，所述第一部分反射镜(55)采样一部分所述抽运光(50)进入所述第一光探测器(56)，所述第一光探测器(56)的输出馈入到所述第一光功率稳定电路(57)，所述第一光功率稳定电路(57)的输出馈入到所述第一声光调制器(52)；

所述探测光路模块(6)包括：第三透镜(61)、第二声光调制器(62)、第四透镜(63)、第二透镜组(64)、第二部分反射镜(65)、第二光探测器(66)、第二光功率稳定电路(67)，所述第二声光调制器(62)设置在所述第三透镜(61)和所述第四透镜(63)之间；

所述第二路光(41)光经过所述第三透镜(61)会聚至所述第二声光调制器(62)后产生零级光和衍射光，其中，所述零级光是所述探测光路模块(6)中的探测光(60)，所述探测光(60)经过所述第四透镜(63)和所述第二透镜组(64)扩束，形成扩束后的准直探测光束，所述第二部分反射镜(65)采样一部分所述探测光(60)进入所述第二光探测器(66)，所述第二光探测器(66)的输出馈入到所述第二光功率稳定电路(67)，所述第二光功率稳定电路(67)的输出馈入到所述第二声光调制器(62)。

2.根据权利要求1所述的集成化光学系统，其特征在于，所述第一声光调制器(52)的内部晶体位于所述第一透镜(51)的焦点处，所述第二声光调制器(62)的内部晶体位于所述第三透镜(61)的焦点处。

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