CN116184801A - 基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟及制备方法。本发明的钙原子束光钟包括657nm窄线宽激光器、偏振分光棱镜、高速声光调制器、PDH激光稳频系统、第一信号源、第一伺服反馈控制系统、第一混频器、第一放大器、第二放大器、高速电光调制器、431nm窄线宽激光器、第二伺服反馈控制系统、第二信号源、第二混频器、高速光电探测器、钙原子炉、原子束管以及功分器。本发明的钙原子束光钟信噪比高，并且稳定度能够得到近量级的提升。
Description
技术领域
本发明涉及光学频率标准技术领域，特别涉及一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟及制备方法。
背景技术
在众多的元素中，碱土金属原子的能级结构相对复杂，其外层有两个价电子，双电子产生的自旋单重态和三重态容易实现量子超控，因此在原子物理中经常被研究，并作为光频域原子钟的主要原子。其中，钙原子无法实现十分有效的激光冷却，并且钙原子的跃迁频率已经有很成熟的激光源，所以常常作为小型原子束光钟研究的选择。
对于钙原子束光钟，一种方法是直接探测657nm钟跃迁谱线，然而在这种方法中，由于657nm原子谱线线宽约为400Hz，能级寿命约为0.4ms，较长的能级寿命导致657nm激光与原子相互作用时间内单个原子所辐射的荧光光子数远远小于1，限制了信号幅度，使得信噪比较低；另一种方法是通过423nm激光对657nm钟激光实现转移探测，在这种方法中，因423nm跃迁与657nm跃迁享有一个共同的基态，所以令钙原子先与423nm激光相互作用，利用423nm跃迁的荧光信号来提取钟跃迁谱线信号，虽然423nm激光与单个原子相互作用辐射产生的荧光光子数可达几百个，可以提高谱线信噪比，但是由于两条跃迁线共用一个基态，423nm荧光背景噪声会影响657nm谱线的信噪比，因此这种方法对谱线的信噪比改善有限。
发明内容
本发明提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟，该钙原子束光钟的信噪比高，并且相较于其他传统的钙原子束光钟其稳定度能够得到近量级的提高。
本发明提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的制备方法，该制备方法能够制备出上述的钙原子束光钟，并且制备方法简单，适合广泛推广以及应用。
本发明提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟，其中，包括：657nm窄线宽激光器、偏振分光棱镜、高速声光调制器、PDH激光稳频系统、第一信号源、第一伺服反馈控制系统、第一混频器、第一放大器、第二放大器、高速电光调制器、431nm窄线宽激光器、第二伺服反馈控制系统、第二信号源、第二混频器、高速光电探测器、钙原子炉、原子束管以及功分器；
其中，所述钙原子炉喷射钙原子形成钙原子束，所述原子束管套设于所述钙原子束的外部，所述原子束管具有原子束管前窗以及原子束管后窗，所述原子束管前窗靠近所述钙原子炉；
所述657nm窄线宽激光器的出光端朝向所述偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜出射的657nm反射光进入所述PDH激光稳频系统，所述PDH激光稳频系统的信号输出端与所述657nm窄线宽激光器的信号输入端连接；所述偏振分光棱镜出射的657nm透射光经所述高速声光调制器进入所述原子束管前窗与所述原子束管前窗的钙原子相互作用；
所述431nm窄线宽激光器出射的431nm窄线宽激光经所述高速电光调制器进入所述原子束管后窗与所述原子束管后窗的钙原子相互作用，产生荧光信号；
所述高速光电探测器被配置为探测并转化所述荧光信号以得到电信号，所述高速光电探测器的电信号输出端与所述功分器连接；
所述功分器的第一信号输出端与所述第一放大器的信号输入端连接，所述第一放大器的信号输出端与所述第一混频器的第一信号输入端连接，所述第一信号源的第一信号输出端与所述第一混频器的第二信号输入端连接，所述第一混频器的信号输出端与所述第一伺服反馈控制系统的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制系统的信号输出端与所述第一信号源的信号输入端连接，所述第一信号源的第二信号输出端与所述高速声光调制器的信号输入端连接；
所述功分器的第二信号输出端与所述第二放大器的信号输入端连接，所述第二放大器的信号输出端与所述第二混频器的第一信号输入端连接，所述第二信号源的第一信号输出端与所述第二混频器的第二信号输入端连接，所述第二混频器的信号输出端与所述第二伺服反馈控制系统的信号输入端连接，所述第二伺服反馈控制系统的信号输出端与所述431nm激光器的信号输入端连接，所述第二信号源的第二信号输出端与所述高速电光调制器的信号输入端连接。
如上所述的钙原子束光钟，其中，还包括第一高反镜，所述第一高反镜用于使经所述高速声光调制器调制后的657nm透射光射入所述原子束管前窗。
如上所述的钙原子束光钟，其中，还包括第二高反镜，所述第二高反镜用于使经所述高速电光调制器调制后的431nm窄线宽激光射入所述原子束管后窗。
如上所述的钙原子束光钟，其中，所述高速声光调制器的调制频率与所述高速电光调制器的调制频率不同。
如上所述的钙原子束光钟，其中，所述高速声光调制器的调制频率为100kHz。
如上所述的钙原子束光钟，其中，所述高速电光调制器的调制频率为10kHz。
如上所述的钙原子束光钟，其中，所述657nm窄线宽激光器和/或所述431nm窄线宽激光器选自窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器或窄线宽光栅激光器。
如上所述的钙原子束光钟，其中，所述原子束管前窗与所述原子束管后窗之间的距离为2-30cm。
如上所述的钙原子束光钟，其中，所述第一伺服反馈控制系统、所述第二伺服反馈控制系统、所述第一放大器、所述第二放大器、所述第一混频器以及所述第二混频器各自独立地选自分立电路器件或集成电路器件。
本发明还提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的制备方法，其中，所述制备方法用于制备如上所述的钙原子束光钟，包括以下步骤：
钙原子炉喷射钙原子形成钙原子束，原子束管套设于所述钙原子束外部；
经657nm窄线宽激光器出光端出射的657nm窄线宽激光经偏振分光棱镜后得到657nm反射光以及657nm透射光，所述657nm反射光进入所述PDH激光稳频系统进行稳频控制，所述PDH激光稳频系统反馈控制所述657nm窄线宽激光器；所述657nm透射光经所述高速声光调制器进入所述原子束管前窗与所述原子束管前窗的钙原子相互作用；
经所述431nm窄线宽激光器出射的431nm窄线宽激光经所述高速电光调制器进入所述原子束管后窗与所述原子束管后窗的钙原子相互作用，产生荧光信号；
所述高速光电探测器探测并转化所述荧光信号以得到电信号，所述电信号经所述功分器后得到第一电信号以及第二电信号；
所述第一电信号经所述第一放大器放大后进入所述第一混频器，在第一混频器中与来自所述第一信号源的第一解调信号进行混频得到第一误差信号，第一伺服反馈控制系统根据第一误差信号反馈控制所述第一信号源，所述第一信号源调整所述高速声光调制器的调制频率；
所述第二电信号经所述第二放大器放大后进入所述第二混频器，在所述第二混频器中与来自所述第二信号源的第二解调信号进行混频得到第二误差信号，所述第二伺服反馈控制系统根据所述第二误差信号反馈控制所述431nm激光器，所述第二信号源调整所述高速电光调制器的调制频率。
本发明的基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟，采用431nm钙原子跃迁线，原子经657nm激光泵浦后再与431nm激光相互作用，谱线与基态原子无关，所以可以消除基态原子引入的荧光背景噪声，从而获得超高的信噪比，同时，由于系统是将激光参考至钙原子的跃迁谱线上，一方面避免了参考至光学腔上，能够避免因为温度的变化、机械振动等因素使得光学腔在长期运行下产生一定漂移的现象，提高了系统的长期稳定度；另一方面避免了参考至分子上再移频，从而避免了由于分子谱线较宽所导致的难以获得满足高性能指标需求的信噪比。
本发明的基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的制备方法，能够制备出上述的钙原子束光钟，并且其制备方法简单，适合广泛推广以及应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面对本发明实施例或相关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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明一些实施方式中探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的结构示意图。
附图标记说明：
1：657nm窄线宽激光器；
2：偏振分光棱镜；
3：高速声光调制器；
4：PDH激光稳频系统；
5：第一信号源；
6：第一伺服反馈控制系统；
7：第一混频器；
8：第一放大器；
9：第二放大器；
10：高速电光调制器；
11：431nm窄线宽激光器；
12：第二伺服反馈控制系统；
13：第二信号源；
14：第二混频器；
15：高速光电探测器；
16：钙原子炉；
17：原子束管；
18：功分器；
19：第一高反镜；
20：第二高反镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一些实施方式中基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的结构示意图。如图1所示，本发明的第一方面提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟，其中，包括：657nm窄线宽激光器1、偏振分光棱镜2、高速声光调制器3、PDH激光稳频系统4、第一信号源5、第一伺服反馈控制系统6、第一混频器7、第一放大器8、第二放大器9、高速电光调制器10、431nm窄线宽激光器11、第二伺服反馈控制系统12、第二信号源13、第二混频器14、高速光电探测器15、钙原子炉16、原子束管17以及功分器18；
其中，钙原子炉16喷射钙原子形成钙原子束，原子束管17套设于钙原子束的外部，原子束管17具有原子束管前窗以及原子束管后窗，原子束管前窗靠近钙原子炉16；
657nm窄线宽激光器1的出光端朝向偏振分光棱镜2，偏振分光棱镜2出射的657nm反射光进入PDH激光稳频系统4，PDH激光稳频系统4的信号输出端与657nm窄线宽激光器1的信号输入端连接；偏振分光棱镜2出射的657nm透射光经高速声光调制器3进入原子束管前窗与原子束管前窗的钙原子相互作用；
431nm窄线宽激光器11出射的431nm窄线宽激光经高速电光调制器10进入原子束管后窗与原子束管后窗的钙原子相互作用，产生荧光信号；
高速光电探测器15被配置为探测并转化荧光信号以得到电信号，高速光电探测器15的电信号输出端与功分器18连接；
功分器18的第一电信号输出端与第一放大器8的信号输入端连接，第一放大器8的信号输出端与第一混频器7的第一信号输入端连接，第一信号源5的第一信号输出端与第一混频器7的第二信号输入端连接，第一混频器7的信号输出端与第一伺服反馈控制系统6的信号输入端连接，第一伺服反馈控制系统6的信号输出端与第一信号源5的信号输入端连接，第一信号源5的第二信号输出端与高速声光调制器3的信号输入端连接；
功分器18的第二信号输出端与第二放大器9的信号输入端连接，第二放大器9的信号输出端与第二混频器14的第一信号输入端连接，第二信号源13的第一信号输出端与第二混频器14的第二信号输入端连接，第二混频器14的第一信号输出端与第二伺服反馈控制系统12的信号输入端连接，第二伺服反馈控制系统12的信号输出端与431nm窄线宽激光器11的信号输入端连接，第二信号源13的第二信号输出端与高速电光调制器10的信号输入端连接。
本发明的钙原子炉16用于喷射钙原子，钙原子形成钙原子束，原子束管17套设在钙原子束的外部，原子束管17具有靠近盖钙原子炉16的原子束管前窗以及远离钙原子炉16的原子束管后窗。
本发明中，657nm窄线宽激光器1用于发射657nm窄线宽激光，657nm窄线宽激光经657nm窄线宽激光器1的出光端出射，进入偏振分光棱镜2，经偏振分光棱镜2分光后分别得到657nm透射光以及657nm反射光，其中，657nm反射光进入PDH激光稳频系统4产生稳频信号，并对657nm窄线宽激光器1进行反馈控制，从而将激光信号参考到光学腔上，实现657nm窄线宽激光的压窄以及超稳锁定；657nm透射光经高速声光调制器3调制后进入原子束管前窗，与原子束管前窗的钙原子相互作用。
本发明中，431nm窄线宽激光器11用于发射431nm窄线宽激光，431nm窄线宽激光经高速电光调制器10调制后进入原子束管后窗，与原子束管后窗的钙原子相互作用，从而产生荧光信号。
该荧光信号被高速光电探测器15接收且探测后转化为电信号，电信号经高速光电探测器15的电信号输出端输出，经功分器18的信号输入端进入功分器18中，经功分器18分成第一电信号以及第二电信号。
第一电信号经功分器18的第一信号输出端输出，经第一放大器8的信号输入端进入第一放大器8，经第一放大器8放大后，从第一放大器8的信号输出端输出，经第一混频器7的第一信号输入端进入第一混频器7，同时第一信号源5产生的第一解调信号经第一信号源5的第一信号输出端输出，经第一混频器7的第二信号输入端进入第一混频器7，在第一混频器7中，第一电信号与第一解调信号进行混频得到第一误差信号，第一误差信号经第一混频器7的信号输出端输出，经第一伺服反馈控制系统6的信号输入端进入第一伺服反馈控制系统6，第一伺服反馈控制系统6根据第一误差信号反馈控制第一信号源5，第一信号源5进一步对高速声光调制器3的调制频率进行实时动态调整，从而将657nm激光信号初步锁定到钙原子657nm跃迁线上。
第二电信号经功分器18的第二信号输出端输出，经第二放大器9的信号输入端进入第二放大器9，经第二放大器9放大后，从第二放大器9的信号输出端输出，经第二混频器14的第一信号输入端进入第二混频器14，同时第二信号源13产生的第二解调信号经第二信号源13的第一信号输出端输出，经第二混频器14的第二信号输入端进入第二混频器14，在第二混频器14中，第二电信号与第二解调信号进行混频得到第二误差信号，第二误差信号经第二混频器14的信号输出端输出，经第二伺服反馈控制系统12的信号输入端进入第二伺服反馈控制系统12，第二伺服反馈控制系统12根据第二误差反馈控制431nm窄线宽激光器11；第二信号源13产生的调制信号经第二信号源13的第二信号输出端输出，经高速电光调制器10的信号输入端输入，实现对高速电光调制器10的控制，从而改变431nm窄线宽激光的调制频率。
本发明的钙原子束光钟中，在431nm窄线宽激光锁定之后，原子束管后窗处探测到的荧光信号信噪比将会提升，使得高速光电探测器15探测得到的荧光信号更稳定，第一混频器7根据第一放大器8提供的更加稳定并且携带荧光谱线信息的第一电信号进行混频，得到更准确的第一误差信号并传递给第一伺服反馈控制系统6，第一伺服反馈控制系统6继续对第一信号源5进行反馈控制，通过431nm窄线宽激光的锁定，从而对657nm窄线宽激光进行更加精准的移频控制。
同时，在657nm窄线宽激光锁定情况被优化后，高速光电探测器15探测得到的荧光信号也会更加稳定，谱线信噪比再进一步提升，第二混频器14将包含荧光谱线信息的第二电信号与第二信号源13提供的第二解调信号进行混频，得到更加准确和稳定的第二误差信号，第二伺服反馈控制系统12通过更新后的第二误差信号对431nm窄线宽激光器11进行反馈控制，从而优化431nm窄线宽激光的锁定情况。
本发明通过上面两个步骤的循环往复，作为钟激光的657nm窄线宽激光锁定后，会使得作为探测激光的431nm窄线宽激光锁定情况得到优化，反过来更稳定的431nm探测激光也会使得657nm钟激光得到更加精准的移频控制，二者相辅相成，将此锁定方法命名为“咬合锁定”，进而实现基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟。本发明的钙原子束光钟为其他的原子束光钟提供了新的思路。
本发明中，PDH激光稳频系统4采用PDH(Pound-Drever-Hall)激光稳频技术对657nm窄线宽激光器1输出的657nm窄线宽激光进行压窄，并且将657nm窄线宽激光参考至超稳光学频率腔上。在一些实施方式中，PDH激光稳频系统4为集成化的PDH激光稳频系统，具体结构可以为本领域常用的PDH激光稳频系统4的结构。
本发明中，可以分别设置反射镜使经高速声光调制器3调制后的657nm透射光射入原子束管前窗以及使高速电光调制器10调制后的431nm窄线宽激光射入原子束管后窗。
具体地，可以使钙原子束光钟还包括第一高反镜19，经高速声光调制器3调制后的657nm透射光经第一高反镜19反射，改变光路方向后，射入原子束管前窗。
还可以使钙原子束光钟还包括第二高反镜20，经高速电光调制器10调制后的431nm窄线宽激光经第二高反镜20反射，改变光路方向后，射入原子束管后窗。
本发明中对第一高反镜19以及第二高反镜20不做特别限定，可以使用本领域常用的反射镜，本发明中第一高反镜19以及第二高反镜20可以相同，也可以不相同。
本发明对657nm窄线宽激光器1不做特别限定，可以选用本领域常用的657nm窄线宽激光器1，例如，657nm窄线宽激光器1可以为能够发射657nm激光的窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器或窄线宽光栅激光器。
本发明对431nm窄线宽激光器11不做特别限定，可以选用本领域常用的431nm窄线宽激光器11，例如，431nm窄线宽激光器11可以为能够发射431nm激光的窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器或窄线宽光栅激光器。
本发明对第一伺服反馈控制系统6、第二伺服反馈控制系统12、第一放大器8、第二放大器9、第一混频器7以及第二混频器14不做特别限定，可以为本领域常用的第一伺服反馈控制系统6、第二伺服反馈控制系统12、第一放大器8、第二放大器9、第一混频器7以及第二混频器14。
在本发明的一些实施方式中，第一伺服反馈控制系统6、第二伺服反馈控制系统12、第一放大器8、第二放大器9、第一混频器7以及第二混频器14可以分别为分立电路器件，也可以分别为集成电路器件。
本发明中，第一信号源5以及第二信号源13可以分别为信号发生器。
本发明中，第一伺服反馈控制系统6以及第二伺服反馈控制系统12可以相同，也可以不相同，第一放大器8以及第二放大器9可以相同，也可以不相同，第一混频器7以及第二混频器14可以相同，也可以不相同，第一信号源5和第二信号源13可以相同，也可以不相同。
在本发明的一些实施方式中，高速声光调制器3的调制频率与高速电光调制器10的调制频率不同。
示例性地，高速声光调制器3的调制频率为100kHz，高速电光调制器10的调制频率为10kHz。
本发明中，可以根据钙原子束光钟的具体试验条件设定原子束管前窗以及原子束管后窗之间的距离，以期更好的提高钙原子束光钟的稳定性。在本发明的一些实施方式中，原子束管前窗与原子束管后窗之间的距离为2-30cm。
本发明中，原子束管前窗与原子束管后窗之间的距离指的是，原子束管前窗的中轴线与原子束管后窗的中轴线之间的距离。
本发明的第二方面提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的制备方法，用于制备上述的钙原子束光钟，包括以下步骤：
钙原子炉16喷射钙原子形成钙原子束，原子束管17套设于钙原子束外部；
经657nm窄线宽激光器1出光端出射的657nm窄线宽激光经偏振分光棱镜2后得到657nm反射光以及657nm透射光，657nm反射光进入PDH激光稳频系统4进行稳频控制，PDH激光稳频系统4反馈控制657nm窄线宽激光器1；657nm透射光经高速声光调制器3进入原子束管前窗与原子束管前窗的钙原子相互作用；
经431nm窄线宽激光器11出射的431nm窄线宽激光经高速电光调制器10进入原子束管后窗与原子束管后窗的钙原子相互作用，产生荧光信号；
高速光电探测器15探测并转化荧光信号以得到电信号，电信号经功分器18后得到第一电信号以及第二电信号；
第一电信号经第一放大器8放大后进入第一混频器7，在第一混频器7中与来自第一信号源5的第一解调信号进行混频得到第一误差信号，第一伺服反馈控制系统6根据第一误差信号反馈控制第一信号源，第一信号源调整高速声光调制器3的调制频率；
第二电信号经第二放大器9放大后进入第二混频器14，在第二混频器14中与来自第二信号源13的第二解调信号进行混频得到第二误差信号，第二伺服反馈控制系统12根据第二误差信号反馈控制431nm窄线宽激光器11，第二信号源13调整高速电光调制器10的调制频率。
本发明的钙原子束光钟的制备方法具体包括：加热钙原子炉16，使钙原子炉16喷射钙原子以形成钙原子束，套设在钙原子束外部的原子束管17包括靠近钙原子炉16的原子束管前窗以及远离钙原子炉16的原子束管后窗。
打开657nm窄线宽激光器1，使657nm窄线宽激光器1发射657nm窄线宽激光，使657nm窄线宽激光进入偏振分光棱镜2，经偏振分光棱镜2分光后分别得到657nm透射光以及657nm反射光，其中，657nm反射光进入PDH激光稳频系统4并对657nm窄线宽激光器1进行反馈控制，从而将激光信号参考到PDH激光稳频系统4内部的光学腔上，实现657nm激光的线宽压窄以及超稳锁定；657nm透射光经高速声光调制器3调制后进入原子束管前窗，与原子束管前窗的钙原子相互作用。
打开431nm窄线宽激光器11，使431nm窄线宽激光器11发射431nm窄线宽激光，431nm窄线宽激光经高速电光调制器10调制后进入原子束管后窗，与原子束管后窗的钙原子相互作用，从而产生荧光信号。
利用高速光电探测器15在原子束管后窗处接收且探测荧光信号，并将荧光信号转化为电信号，使用功分器18将电信号分成第一电信号以及第二电信号。
第一电信号经第一放大器8放大后进入第一混频器7，同时第一信号源5为第一混频器7提供第一解调信号，在第一混频器7中，第一电信号与第一解调信号进行混频得到第一误差信号，第一伺服反馈控制系统6根据第一误差信号反馈控制第一信号源5，第一信号源5进一步对高速声光调制器3输出的调制信号进行实时动态调整，从而将657nm激光信号初步锁定到钙原子657nm跃迁谱线上。
第二电信号经第二放大器9放大后进入第二混频器14，同时第二信号源13为第二混频器14提供第二解调信号，在第二混频器中，第二电信号与第二解调信号进行混频得到第二误差信号，第二伺服反馈控制系统12根据第二误差信号反馈控制431nm窄线宽激光11器；第二信号源13产生的调制信号输入至高速电光调制器10，从而实现对431nm窄线宽激光的调制。
本发明的基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的制备方法，采用431nm钙原子跃迁线，原子经657nm激光泵浦至上能级后再与431nm激光相互作用，谱线与基态原子无关，所以可消除基态原子引入的荧光背景噪声，从而获得超高的信噪比，同时，由于该方法是将激光参考至钙原子的跃迁谱线上，一方面避免了参考至光学腔上，能够避免因为温度的变化、机械振动等因素使得光学腔在长期运行下产生一定的漂移的现象，提高了系统的长期稳定度；另一方面避免了参考至分子上再移频，从而避免了由于分子谱线较宽所产生的难以获得满足高性能指标需求的信噪比。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟，其特征在于，包括：657nm窄线宽激光器、偏振分光棱镜、高速声光调制器、PDH激光稳频系统、第一信号源、第一伺服反馈控制系统、第一混频器、第一放大器、第二放大器、高速电光调制器、431nm窄线宽激光器、第二伺服反馈控制系统、第二信号源、第二混频器、高速光电探测器、钙原子炉、原子束管以及功分器；
其中，所述钙原子炉喷射钙原子形成钙原子束，所述原子束管套设于所述钙原子束的外部，所述原子束管具有原子束管前窗以及原子束管后窗，所述原子束管前窗靠近所述钙原子炉；
所述657nm窄线宽激光器的出光端朝向所述偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜出射的657nm反射光进入所述PDH激光稳频系统，所述PDH激光稳频系统的信号输出端与所述657nm窄线宽激光器的信号输入端连接；所述偏振分光棱镜出射的657nm透射光经所述高速声光调制器进入所述原子束管前窗与所述原子束管前窗的钙原子相互作用；
所述431nm窄线宽激光器出射的431nm窄线宽激光经所述高速电光调制器进入所述原子束管后窗与所述原子束管后窗的钙原子相互作用，产生荧光信号；
所述高速光电探测器被配置为探测并转化所述荧光信号以得到电信号，所述高速光电探测器的电信号输出端与所述功分器连接；
所述功分器的第一信号输出端与所述第一放大器的信号输入端连接，所述第一放大器的信号输出端与所述第一混频器的第一信号输入端连接，所述第一信号源的第一信号输出端与所述第一混频器的第二信号输入端连接，所述第一混频器的信号输出端与所述第一伺服反馈控制系统的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制系统的信号输出端与所述第一信号源的信号输入端连接，所述第一信号源的第二信号输出端与所述高速声光调制器的信号输入端连接；
所述功分器的第二信号输出端与所述第二放大器的信号输入端连接，所述第二放大器的信号输出端与所述第二混频器的第一信号输入端连接，所述第二信号源的第一信号输出端与所述第二混频器的第二信号输入端连接，所述第二混频器的信号输出端与所述第二伺服反馈控制系统的信号输入端连接，所述第二伺服反馈控制系统的信号输出端与所述431nm激光器的信号输入端连接，所述第二信号源的第二信号输出端与所述高速电光调制器的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的钙原子束光钟，其特征在于，还包括第一高反镜，所述第一高反镜用于使经所述高速声光调制器调制后的657nm透射光射入所述原子束管前窗。
3.根据权利要求1或2所述的钙原子束光钟，其特征在于，还包括第二高反镜，所述第二高反镜用于使经所述高速电光调制器调制后的431nm窄线宽激光射入所述原子束管后窗。
4.根据权利要求1-3任一项所述的钙原子束光钟，其特征在于，所述高速声光调制器的调制频率与所述高速电光调制器的调制频率不同。
5.根据权利要求1-4任一项所述的钙原子束光钟，其特征在于，所述高速声光调制器的调制频率为100kHz。
6.根据权利要求1-5任一项所述的原子束光钟，其特征在于，所述高速电光调制器的调制频率为10kHz。
7.根据权利要求1-6任一项所述的钙原子束光钟，其特征在于，所述657nm窄线宽激光器和/或所述431nm窄线宽激光器选自窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器或窄线宽光栅激光器。
8.根据权利要求1-7任一项所述的钙原子束光钟，其特征在于，所述原子束管前窗与所述原子束管后窗之间的距离为2-30cm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的钙原子束光钟，其特征在于，所述第一伺服反馈控制系统、所述第二伺服反馈控制系统、所述第一放大器、所述第二放大器、所述第一混频器以及所述第二混频器各自独立地选自分立电路器件或集成电路器件。
10.一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于制备权利要求1-9任一项所述的钙原子束光钟，包括以下步骤：
钙原子炉喷射钙原子形成钙原子束，原子束管套设于所述钙原子束外部；
经657nm窄线宽激光器出光端出射的657nm窄线宽激光经偏振分光棱镜后得到657nm反射光以及657nm透射光，所述657nm反射光进入所述PDH激光稳频系统进行稳频控制，所述PDH激光稳频系统反馈控制所述657nm窄线宽激光器；所述657nm透射光经所述高速声光调制器进入所述原子束管前窗与所述原子束管前窗的钙原子相互作用；
经所述431nm窄线宽激光器出射的431nm窄线宽激光经所述高速电光调制器进入所述原子束管后窗与所述原子束管后窗的钙原子相互作用，产生荧光信号；
所述高速光电探测器探测并转化所述荧光信号以得到电信号，所述电信号经所述功分器后得到第一电信号以及第二电信号；
所述第一电信号经所述第一放大器放大后进入所述第一混频器，在第一混频器中与来自所述第一信号源的第一解调信号进行混频得到第一误差信号，第一伺服反馈控制系统根据第一误差信号反馈控制所述第一信号源，所述第一信号源调整所述高速声光调制器的调制频率；
所述第二电信号经所述第二放大器放大后进入所述第二混频器，在所述第二混频器中与来自所述第二信号源的第二解调信号进行混频得到第二误差信号，所述第二伺服反馈控制系统根据所述第二误差信号反馈控制所述431nm激光器，所述第二信号源调整所述高速电光调制器的调制频率。
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