一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟及其控制方法与流程

本发明属于原子钟与频率标准技术领域，具体涉及一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟及其控制方法。

背景技术：

随着半导体激光器技术的迅速发展以及半导体激光器性能的不断提高，半导体激光器被广泛应用于激光光谱、激光冷却、原子分子物理、光频原子钟等基础研究领域。自由运转的半导体激光器的输出频率是一个随时间变化的不规则量，受温度、电流等参数波动的影响，频率会产生大的漂移和增宽。伴随光频原子钟等基础研究领域对更高稳定度的追求，对激光器的性能也提出了更高的要求，要求激光器的输出频率更加稳定。为了提高激光频率的稳定系，可以依靠一个高稳定的参考频率源对激光腔进行自动频率微调，在动态平衡中保持输出激光频率不变。这种参考频率源可以是一个高稳定的无源腔，也可以是原子或分子的谱线。为了实现激光频率的长期稳定度，需要将激光频率锁定在原子的跃迁谱线上。

常用的激光稳频技术主要有饱和吸收谱技术、极化谱技术等非线性光谱技术。其中，饱和吸收谱技术是最常见的激光稳频方法，但它需要在激光频率上加调制信号，再由稳频电路解调后产生误差信号反馈到激光器。由于加了调制信号，使得激光输出频率和幅度受影响，引入额外的噪声。极化谱技术是一种不需要调制机制即可产生误差信号的原子光谱技术，但其较宽的带宽会引入更高的低频噪声，同时实际零点值会随着光功率等因素的变化而发生改变，因而也受到了一定限制。

技术实现要素：

为了克服饱和吸收谱和极化谱等稳频技术的不足，本发明提供一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟及其控制方法，采用调制转移谱技术，调制频率在射频频段，同时结合相敏检测技术实现外差探测，有效地避免低频噪声的干扰，提高误差信号的信噪比，实现高性能的碱金属小光钟。

本发明的一个目的在于提出一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟。

本发明的基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟包括：激光器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一偏振分光棱镜、碱金属原子、玻璃泡、第二偏振分光棱镜、相位调制器、磁屏蔽盒、光电探测器、混频器、信号发生器、伺服反馈电路和激光电源；其中，玻璃泡中充有碱金属原子和缓冲气体，玻璃泡置于磁屏蔽盒中；激光电源驱动激光器发出激光；激光经过第一半波片由第一偏振分光棱镜分成强度不相等的两束激光，通过旋转第一半波片与第一偏振分光棱镜之间的角度，调节两束激光的强度；强度较弱的激光作为探测光，强度较强的激光作为泵浦光，泵浦光和探测光的偏振方向互相垂直；探测光经过第二半波片进入玻璃泡中；信号发生器为相位调制器提供驱动信号，泵浦光经过相位调制器，相位调制器对泵浦光进行相位调制，使得泵浦光在主频的基础上具有两个边带；泵浦光经第三半波片和第二偏振分光棱镜反射后进入玻璃泡；相位调制器与第三半波片的位置可互换；在玻璃泡中，泵浦光的主频和两个边带与探测光的主频，以碱金属原子为介质发生相互作用，通过非线性的四频混频效应，泵浦光的两个边带被调制到探测光上，从而探测光具有主频和两个边带；探测光经第二偏振分光棱镜由光电探测器接收，探测光的边带与主频拍频；拍频信号传输至混频器，信号发生器为混频器提供参考信号，与拍频信号进行调制解调，从而解调出高性能的调制转移谱信号；调制转移谱信号通过伺服反馈电路反馈回激光电源，从而将激光器发出的激光波长锁定在碱金属原子的跃迁谱上。

第二半波片与第二偏振分光棱镜结合，通过旋转第二半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，调节从第二偏振棱镜出射的探测光的光强，即探测器探测到的探测光的光强。第三半波片和第二偏振分光棱镜相结合，通过旋转第三半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，调节经过第二偏振分光棱镜反射至玻璃泡中的泵浦光的光强。

进一步，在泵浦光的光路上设置有第四半波片，第四半波片将线偏振的泵浦光的偏振方向调至与相位调制器的光轴方向平行，从而保证纯相位调制过程的发生，以避免剩余幅度调制等机制的影响。

进一步，本发明还包括第一衰减器和第二衰减器，分别放置在探测光与泵浦光未进入玻璃泡的光路上，分别改变探测光和泵浦光的光强。

玻璃泡为圆柱形壳体，两端面平整，不会引起激光光斑的变形；玻璃泡中充有碱金属原子和缓冲气体；碱金属原子为铷、铯、钾和钠中的一种；缓冲气体采用惰性气体，如氩、氪或氙。玻璃泡的外壁绕有加热元件，加热元件采用加热片；通过温控电路控制加热元件的加热，实现对玻璃泡温度的精确控制。

激光器采用超窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器。

相位调制器采用声光调制器或电光调制器。

本发明的另一个目的在于提供一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟的控制方法。

本发明的基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟的控制方法，包括以下步骤：

1)将碱金属原子和缓冲气体充入玻璃泡中，将玻璃泡置于磁屏蔽盒内，并在玻璃泡的外壁缠绕加热元件；

2)激光电源驱动激光器发出激光，激光经过第一半波片由第一偏振分光棱镜分成强度不相等的两束激光，通过调节第一半波片与第一偏振分光棱镜之间的角度，调节两束激光的强度，强度较弱的激光作为探测光，强度较强的激光作为泵浦光，泵浦光和探测光的偏振方向互相垂直；

3)探测光经过第二半波片进入玻璃泡中，第二半波片与第二偏振分光棱镜结合，通过旋转第二半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，调节从第二偏振棱镜出射的探测光的光强，即探测器探测到的探测光的光强；

4)信号发生器为相位调制器提供驱动信号，泵浦光经过相位调制器，相位调制器对泵浦光进行相位调制，使得泵浦光在主频的基础上具有两个边带，泵浦光经第三半波片和第二偏振分光棱镜反射后进入玻璃泡，第三半波片和第二偏振分光棱镜相结合，通过旋转第三半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，调节经过第二偏振分光棱镜反射至玻璃泡中的泵浦光的光强，相位调制器与第三半波片的位置可互换；

5)在玻璃泡中，泵浦光的主频和两个边带与探测光的主频，以碱金属原子为介质发生相互作用，通过非线性的四频混频效应，泵浦光的两个边带被调制到探测光上，从而探测光具有主频和两个边带；

6)探测光经第二偏振分光棱镜由光电探测器接收，探测光的边带与主频拍频；

7)拍频信号传输至混频器，信号发生器为混频器提供参考信号，与拍频信号进行调制解调，从而解调出高性能的调制转移谱信号；

8)调制转移谱信号通过伺服反馈电路反馈回激光电源，从而将激光器发出的激光波长锁定在碱金属原子的跃迁谱上。

其中，在步骤1)中，碱金属原子为铷、铯、钾和钠中的一种；缓冲气体采用惰性气体，如氩、氪或氙。

在步骤2)中，激光电源控制激光器的工作温度和电流，并调节激光器腔长的压电陶瓷的电压。

在步骤4)中，相位调制器的调制频率与展宽后的碱金属原子的吸收谱在同一量级。

在步骤4)中，进一步，在泵浦光的光路上设置有第四半波片，第四半波片将线偏振的泵浦光的偏振方向调至与相位调制器的光轴方向平行，从而保证纯相位调制过程的发生，以避免剩余幅度调制等机制的影响。

进一步，在探测光与泵浦光未进入玻璃泡的光路上，分别设置第一衰减器和第二衰减器，分别独立控制，优化探测光和泵浦光的光强，使得混频器解调出的调制转移谱信号的中心频率处的斜率最大，使激光波长的锁定效果达到最优。

本发明的优点：

本发明集成应用四方面技术：超窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器、调制转移谱、窄线宽碱金属原子跃迁谱线和快速相位调制反馈，创新性地实现高稳定度的小型激光频率标准，将激光器发出的激光波长锁定在碱金属原子的跃迁谱上，线宽小于50khz，也超过国际上所有各种不同原子的微波钟稳定度；探测光和泵浦光的光强可以独立控制，通过优化激光光强，使解调出的误差信号中心频率处的斜率最大，更好地实现激光频率的锁定；调制转移谱技术可以有效地避免低频噪声的干扰，同时具有更加平坦的背底；本发明集成创新带来性能指标上的飞跃式提升，所实现的高稳定度的小型激光频率标准，秒级稳定度达到10^-14，其稳定度指标上超过目前国际上碱金属原子所有的其他波段光频量子频率标准和长度标准两个数量级。

附图说明

图1为本发明的基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟的实施例一的示意图；

图2为本发明的基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟的实施例二的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

实施例一

如图1所示，本实施例的基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟包括：激光器1、第一半波片2、第二半波片4、第三半波片12、第一偏振分光棱镜3、碱金属原子、玻璃泡6、第二偏振分光棱镜9、相位调制器13、磁屏蔽盒7、光电探测器16、混频器17、信号发生器18、伺服反馈电路19和激光电源20；其中，玻璃泡外壁缠绕加热元件8，玻璃泡6中充有碱金属原子和缓冲气体，玻璃泡6置于磁屏蔽盒7中；激光电源20驱动激光器1发出激光；激光经过第一半波片2由第一偏振分光棱镜3分成强度不相等的两束激光，通过调节第一偏振分光棱镜3第一偏振分光棱镜3之间的角度，控制两束激光的强度；强度较弱的激光作为探测光，强度较强的激光作为泵浦光，泵浦光和探测光的偏振方向互相垂直；探测光从第一偏振分光棱镜3透射，经过第二半波片4进入玻璃泡6中；信号发生器18为相位调制器13提供驱动信号，泵浦光从第一偏振分光棱镜3反射，再由第二高反镜11反射后，经过泵浦光经第三半波片12，进入相位调制器13，相位调制器13对泵浦光进行相位调制，使得泵浦光在主频的基础上具有两个边带；通过旋转第二半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，使得从第二偏振分光棱镜透射的探测光达到最大，而反射光最小；经第三高反镜15反射，再经第二偏振分光棱镜9反射后进入玻璃泡6，通过旋转第三半波片12与第二偏振分光棱镜9之间的角度，使得经第二偏振分光棱镜反射后进入至玻璃泡中的泵浦光的光强最大，而透射光最小；在玻璃泡6中，泵浦光的主频和两个边带与探测光的主频，以碱金属原子为介质发生相互作用，通过非线性的四频混频效应，泵浦光的两个边带被调制到探测光上，从而探测光具有主频和两个边带；探测光从第二偏振分光棱镜9透射，经第一高反镜10反射后，由光电探测器16接收，探测光的边带与主频拍频；拍频信号传输至混频器17，信号发生器18为混频器17提供参考信号，与拍频信号进行调制解调，从而解调出高性能的调制转移谱信号；调制转移谱信号通过伺服反馈电路19反馈回激光电源20。

在本实施例中，碱金属原子采用铷原子。铷原子是计量学领域中具有非常突出地位的一种原子：一方面在微波量子频率标准(原子钟)方面，同位素铷85原子用来实现3.0ghz的微波原子钟，同位素铷87原子可以用于实现6.8ghz的微波原子钟；另一方面在光频量子频率标准和长度标准方面，铷原子在780nm，双光子778nm，光通信波段的1529nm，都提供了很好的量子频率参考。

激光器1采用超窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，输出激光波长为420nm或421nm；激光的输出波长为420nm时，激光的频率通过伺服反馈电路19锁定在铷原子基态5s1/2到第二激发态6p3/2的跃迁谱线上；激光的输出波长为421nm时，激光的频率通过伺服反馈电路19锁定在铷原子基态5s1/2到第二激发态6p1/2的跃迁谱线上。

本实施例的基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟的控制方法，包括以下步骤：

1)将铷原子和100乇氩气充入玻璃泡6中，将玻璃泡置于磁屏蔽盒7内，并在玻璃泡的外壁缠绕加热元件8，温控电路对加热元件8进行加热，精确控制玻璃泡6的温度；

2)激光电源驱动激光器发出激光，激光经过第一半波片2由第一偏振分光棱镜3分成强度不相等的两束激光，通过旋转第一半波片2与第一偏振分光棱镜3之间的角度，调节两束激光的强度，强度较弱的激光作为探测光，强度较强的激光作为泵浦光，泵浦光和探测光的偏振方向互相垂直；

3)探测光从第一偏振分光棱镜3透射，经过第二半波片4进入玻璃泡6中，第二半波片与第二偏振分光棱镜结合，通过旋转第二半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，调节从第二偏振棱镜透射的探测光的光强，即探测器探测到的探测光的光强；

4)信号发生器18为相位调制器13提供驱动信号，泵浦光从第一偏振分光棱镜3反射，再由第二高反镜11反射后，经过泵浦光经第三半波片12，进入相位调制器13，相位调制器13对泵浦光进行相位调制，使得泵浦光在主频的基础上具有两个边带；经第三高反镜15反射，再经第二偏振分光棱镜9反射后进入玻璃泡6，第三半波片12和第二偏振分光棱镜9相结合，通过旋转第三半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，调节经过第二偏振分光棱镜反射进入至玻璃泡中的泵浦光的光强；

5)在玻璃泡中，泵浦光的主频和两个边带与探测光的主频，以铷原子为介质发生相互作用，通过非线性的四频混频效应，泵浦光的两个边带被调制到探测光上，从而探测光具有主频和两个边带；

6)探测光从第二偏振分光棱镜9透射，经第一高反镜10反射后，由光电探测器16接收，探测光的边带与主频拍频；

7)拍频信号传输至混频器17，信号发生器18为混频器提供参考信号，与拍频信号进行调制解调，从而解调出高性能的调制转移谱信号；

8)调制转移谱信号通过伺服反馈电路19反馈回激光电源20的电流端和压电陶瓷端，从而将激光器1的输出频率锁定在420nm或421nm的原子跃迁谱线上。

实施例二

本实施例中，在探测光与泵浦光未进入玻璃泡的光路上分别放置第一衰减器5和第二衰减器14，分别独立控制探测光和泵浦光的光强，通过优化泵浦光和探测光的光强，使得混频器17解调出的误差信号中心频率处的斜率最大，使激光频率的锁定效果达到最优。并且，在泵浦光的光路上设置有第四半波片21，第四半波片将线偏振的泵浦光的偏振方向调至与相位调制器的光轴方向平行，从而保证纯相位调制过程的发生，以避免剩余幅度调制等机制的影响其他同实施例一。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。