一种基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法与流程

本发明属于原子钟与频率标准技术领域，具体涉及一种基于二次锁腔技术的双波长主动光钟及其实现方法。

背景技术：

精密时间频率标准，即原子钟，在精密测量、信息网络时间同步、国际标准时间的协调、全球导航定位系统等领域有着重要应用，因此在计量领域，原子钟一直是重点研究方向之一。尤其是近十年来，光学频率计量领域发展迅速，目前光频原子钟的性能已经超越了微波原子钟，采用光晶格和单离子陷俘技术所实现的光频原子钟(光钟)的稳定度和准确度已达到了10^-18量级，比目前用来定义秒的铯原子喷泉钟具有更低的不确定度，有取代微波原子钟对秒进行重新定义的可能。尤其是光梳和光纤的发展极大的促进了光学频率标准(光频标)的应用，可以精确地将光频的精度传递到微波波段，从而实现记录和显示。

虽然现有的光频原子钟已经取得了很大的进展，但都是基于被动式的工作原理，将本振激光的频率通过电子伺服环路锁定在原子参考频率上。被动光钟里用到的pound-drever-hall(pdh)稳频系统结构复杂，其中高精细度法布里珀罗谐振腔腔长抖动导致的频率漂移(频漂)很难进一步抑制，锁频激光系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声，而为了抑制这种频漂，有些超腔需工作在极低温的环境中，将光频标线宽压窄至毫赫兹量级仍面临着巨大挑战。

为了突破传统被动光频标的限制，北京大学于2005年首次提出了主动光频标的新概念和原理：一种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的新型光频标，可实现超窄线宽光频标，突破传统光频原子钟在超稳谐振腔方面的限制。由于利用量子参考系统受激辐射直接输出钟跃迁信号，而不再需要被动的将激光频率锁定到量子参考上，输出激光具有对腔长噪声的免疫特性，频率稳定性由原子自身决定，且线宽可远小于传统激光器输出激光线宽而达到毫赫兹量级，同时可以大大降低腔牵引效应的影响，减少外界环境对输出激光稳定性的影响，从而突破传统光钟的技术瓶颈。高性能的主动光频标既可以作为独立的激光频率标准，也可以由光梳或法布里珀罗腔传递，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。

目前采用热原子实现的四能级主动光钟已证实了可以有效的抑制腔牵引效应，进而减小腔长热噪声对输出激光频率的影响，但是由于没有锁定主动光钟谐振腔(主谐振腔)腔长，腔长受外界噪声影响大，输出的坏腔激光仍然受限于剩余腔牵引效应的影响，使输出激光线宽不能进一步压窄，不能作为光学频率标准使用，没有充分发挥主动光钟的优势。

技术实现要素：

为了克服四能级主动光钟的剩余腔牵引效应对输出光频标的影响，常温下实现具有量子极限线宽且输出频率对腔长抖动免疫的主动光频标，需保证主谐振腔腔长的稳定，因此本发明提出了一种基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法，抑制剩余腔牵引效应的影响，发挥主动光钟的性能优势。首先，实现主谐振腔中好坏腔激光同时输出(参考论文“主动光频标发端十年及未来展望”)，其中好腔激光分为两路，一路结合现有被动光钟本振激光的pdh稳频技术，使主谐振腔腔长初步稳定在超稳光学谐振腔(超腔)上，即好腔激光频漂与超腔一致，在此基础上，利用坏腔激光的腔牵引抑制效应，使坏腔激光频漂比pdh稳频的好腔激光降低两个量级；然后，把上述坏腔激光作为超窄线宽激光源，将光学频率梳(光梳)的重复频率锁定在坏腔激光上，实现光梳重复频率的频漂与坏腔激光一致；接下来，通过拍频，将好腔激光的另外一路锁定在对应于好腔激光波长的光梳梳齿上，进而实现好腔激光的频漂与光梳重复频率的频漂一致，即与坏腔激光一致；最后，用上一步好腔激光二次稳定主谐振腔腔长，即将主谐振腔腔长锁定在超窄线宽坏腔激光源上，再次利用坏腔激光的腔牵引抑制效应，使输出坏腔激光的频漂再降低两个量级，减小甚至消除由于主谐振腔剩余腔牵引效应对主动光频标的影响，常温下实现具有毫赫兹量级量子极限线宽以及优异长期稳定度的主动光频标；本发明提出了一种基于二次锁腔技术，两次利用双波长好坏腔激光系统中坏腔激光的腔牵引抑制效应，消除剩余腔牵引效应对主动光频标长期稳定度影响的方案，将腔牵引的抑制效应放大到主谐振腔坏腔系数的平方倍，通过伺服反馈系统两次锁定主谐振腔腔长，达到双波长好坏腔系统中主动光频标对腔模抖动免疫的效果。

本发明的技术方案为：

一种基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟，其特征在于，包括双波长好坏腔系统、第一双色镜17和第二双色镜18，该双波长好坏腔系统同时输出的双波长好坏腔激光通过第一双色镜17导出后经第二双色镜18分离为好腔激光和坏腔激光；好腔激光依次经过第二半波片19、第二偏振分光棱镜20、相位调制器21、第三偏振分光棱镜22和四分之一波片23后耦合进入参考腔24中，参考腔24的反射信号再依次经过该四分之一波片23、该第三偏振分光棱镜22后输入第一光电探测器25，第一光电探测器25的输出端与该第一混频器27的一输入端连接，第一信号发生器26分别与该相位调制器21和该第一混频器27，为该相位调制器21提供驱动信号以及为该第一混频器27提供参考信号，该第一混频器27对该第一光电探测器25输入的信号、该参考信号进行混频相敏解调后获得鉴频信号并将其通过第二伺服反馈电路28反馈回该双波长好坏腔系统的主谐振腔的压电陶瓷片6上。

进一步的，所述双波长好坏腔系统包括主谐振腔、用于泵浦该主谐振腔中好坏腔增益介质的第一激光器1和第二激光器10，第二激光器10输出的激光依次经隔离器12、第一半波片13、第一偏振分光棱镜14分为强弱两束，其中较弱一束输入调制转移谱稳频模块15进行调制转移谱稳频得到调制转移谱信号，并将该调制转移谱信号经第一伺服反馈电路16反馈给第二激光器10，用于稳定第二激光器10的频率，较强一束作为坏腔激光的泵浦光经该第一双色镜17输入该主谐振腔，用于泵浦坏腔增益介质输出坏腔激光；该主谐振腔包括主谐振腔腔镜，以及位于主谐振腔腔镜之间的好腔激光增益介质7、坏腔激光增益介质，主谐振腔腔镜上设置有压电陶瓷片6。

进一步的，所述双波长好坏腔系统还包括一磁屏蔽盒9，该主谐振腔位于磁屏蔽盒9内；所述坏腔激光增益介质位于碱金属原子气室8内；主谐振腔腔镜包括平面镜4以及平凹镜5，该平面镜4上设置有压电陶瓷片6。

进一步的，经第二双色镜18分离出坏腔激光通过第四偏振分光棱镜29后分为两束，一束作为坏腔激光输出，另一束通过第二光电探测器30将光信号转换成电信号并输入快速傅里叶变换光谱分析仪31。

进一步的，还包括一超稳飞秒光学频率梳32，超稳飞秒光学频率梳32的零频fceo信号锁定在微波原子钟提供的频率参考上；该超稳飞秒光学频率梳32输出一重复频率fk的光和一重复频率为fg的光，重复频率fk与所述坏腔激光频率相同或近似，重复频率fg与所述好腔激光频率相同或近似；重复频率fk的光与所述坏腔激光分别输入到第五偏振分光棱镜34得到拍频信号fb；将信号fb经第三光电探测器35转换后输入到第一锁相环37，该第一锁相环37与第二信号发生器36连接，用于接收第二信号发生器36输入的射频标准信号，第一锁相环37输出的误差信号经第三伺服反馈电路38稳定超稳飞秒光学频率梳32的重复频率；重复频率fg的光与第二偏振分光棱镜20输出的所述好腔激光分别输入到第六偏振分光棱镜39得到拍频信号fb’，将信号fb’经第四光电探测器40转换后输入到第二锁相环42，该第二锁相环42与第三信号发生器41连接，用于接收第三信号发生器41输入的射频标准信号，第二锁相环42输出的误差信号通过第四伺服反馈电路43调整主谐振腔腔长。

一种基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟的实现方法，其步骤包括：

1)将双波长好坏腔系统同时输出的双波长好坏腔激光进行分离，分别输出好腔激光和坏腔激光；

2)将好腔激光分为两路，一路结合被动光钟本振激光的pdh稳频技术，使该双波长好坏腔系统的主谐振腔的腔长初步稳定在超稳光学谐振腔上，即好腔激光频漂与超稳光学谐振腔一致，在此基础上，利用坏腔激光的腔牵引抑制效应，初步实现坏腔激光的频率稳定；

3)将坏腔激光作为超窄线宽激光源，将光学频率梳的重复频率锁定在坏腔激光上，实现光梳重复频率的频漂与坏腔激光一致；然后通过拍频，将好腔激光的另外一路锁定在对应于好腔激光波长的光梳梳齿上，进而实现好腔激光的频漂与光梳重复频率的频漂一致，即与坏腔激光一致。

进一步的，所述步骤3)的实现方法为：将一超稳飞秒光学频率梳32的零频fceo信号锁定在微波原子钟提供的频率参考上；该超稳飞秒光学频率梳32输出一重复频率fk的光和一重复频率为fg的光，重复频率fk与所述坏腔激光频率相同或近似，重复频率fg与所述好腔激光频率相同或近似；重复频率fk的光与所述坏腔激光分别输入到第五偏振分光棱镜34得到拍频信号fb；将信号fb经第三光电探测器35转换后输入到第一锁相环37，该第一锁相环37根据该信号fb与第二信号发生器36输入的射频标准信号产生误差信号，并将该误差信号经第三伺服反馈电路38稳定光梳的重复频率；重复频率fg的光与第二偏振分光棱镜20输出的所述好腔激光分别输入到第六偏振分光棱镜39得到拍频信号fb’，将信号fb’经第四光电探测器40转换后输入到第二锁相环42，该第二锁相环42根据信号fb’与第三信号发生器41输入的射频标准信号，生成误差信号并将其通过第四伺服反馈电路43调整主谐振腔腔长。

进一步的，所述步骤1)中，双波长好坏腔激光首先通过第一双色镜导出，再通过第二双色镜实现好坏腔激光的分离。

进一步的，所述步骤2)中，好腔激光经过第二半波片和第二偏振分光棱镜分成强度不等的两束激光，其中一束用于pdh稳频初步锁定主谐振腔腔长，该束激光首先通过电光调制器进行相位调制，调制过的光场在载波两侧出现一对位相相反的边带，第一信号发生器为第一相位调制器提供驱动信号，通过第三偏振分光棱镜分为两束，透射光通过四分之一波片耦合进入参考腔中，参考腔的反射信号再次经过该四分之一波片，并经过第三偏振分光棱镜，由第一光电探测器接收，第一信号发生器为第一混频器提供参考信号，与第一光电探测器接收的信号在第一混频器中混频相敏解调后获得鉴频信号，即pdh信号；该pdh信号通过第二伺服反馈电路反馈回主谐振腔的压电陶瓷片上，使好腔激光频率锁定在参考腔的共振频率上，实现主谐振腔腔长的初步稳定以及好腔激光的线宽压窄；坏腔激光依次通过第二双色镜、第四偏振分光棱镜后，反射光进入第二光电探测器，将光信号转换成电信号，探测器连接快速傅里叶变换分析仪用于测量坏腔激光的线宽。

本发明的目的之一在于结合pdh稳频方法，将双波长好坏腔系统中的好腔激光锁定在超稳光学谐振腔24上，稳定主谐振腔腔长，再利用坏腔激光的腔牵引抑制效应，使输出坏腔激光的线宽和频漂比pdh稳频的好腔激光降低两个量级，减小剩余腔牵引效应对主动光频标的影响。

本发明基于双波长好坏腔主动光钟原理实现坏腔激光短期稳定度及线宽压窄的方法包括：第一激光器、第一激光电源、一体化殷钢谐振腔腔体、四点镀膜的主谐振腔腔镜-平面镜以及平凹镜、压电陶瓷片、好腔激光增益介质、碱金属原子气室、磁屏蔽盒、第二激光器、第二激光电源、隔离器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、调制转移谱稳频模块、第一伺服反馈电路、第一双色镜、第二双色镜、第二半波片、第二偏振分光棱镜、相位调制器、第三偏振分光棱镜、四分之一波片、高精细度法布里珀罗参考腔、第一光电探测器、第一信号发生器、第一混频器、第二伺服反馈电路、第四偏振分光棱镜、第二光电探测器、快速傅里叶变换光谱分析仪。

其中，碱金属原子气室中均充有纯碱金属原子，玻璃泡外接温控系统加热并置于磁屏蔽盒中；主谐振腔腔镜内嵌于一体化的殷钢中，增加腔体的稳定性，其中两面谐振腔腔镜通过四点镀膜，可以控制双波长激光信号分别工作于好腔范围和坏腔范围；

1)第一激光电源用于驱动第一激光器输出激光，用于泵浦主谐振腔中好腔激光增益介质，输出好腔激光。

2)第二激光电源用于驱动第二激光器输出激光，通过调制转移谱方法稳频:第二激光器发出的激光经过第一半波片和第一偏振分光棱镜，旋转第一半波片与第一偏振分光棱镜之间的角度可以调节两束激光的强度，强光作为碱金属原子气室8中坏腔增益介质的泵浦光，弱光输入到调制转移谱稳频模块15，用于调制转移谱稳频，稳定主动光钟坏腔泵浦激光10的频率，得到高性能的调制转移谱信号；调制转移谱信号通过第一伺服反馈电路反馈回第二激光电源，从而将第二激光器的激光频率锁定在原子跃迁谱线上。以上步骤实现了坏腔激光泵浦光的稳频。

3)第二激光器发出的激光经调制转移谱稳频后泵浦碱金属原子气室中的原子，通过主谐振腔的弱反馈在碱金属原子跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射，输出坏腔激光。

4)步骤1)到步骤3)实现了主谐振腔中双波长好坏腔激光的同时输出，然后通过第一双色镜和第二双色镜实现好坏腔激光的分离，好腔激光分为两路，其中一路好腔激光通过pdh稳频技术锁定在线宽为0.6hz、频漂为0.01hz/s的高精细度法布里珀罗参考腔上，实现好腔激光线宽压窄并初步稳定主谐振腔腔长，使主谐振腔腔长抖动与参考腔一致，具体方法如下：双波长好坏腔激光通过第一双色镜(对坏腔激光与好腔激光都是高反)被导出，再通过第二双色镜(对坏腔激光高反，对好腔激光高透)实现好坏腔激光的分离，好腔激光经过第二半波片和第二偏振分光棱镜分成强度不等的两束激光，通过旋转第二半波片与第二偏振分光棱镜之间的角度，调节两束激光的强度，反射光用于pdh稳频初步锁定主谐振腔腔长，激光首先通过电光调制器进行相位调制，调制过的光场在载波两侧出现一对位相相反的边带，第一信号发生器为第一相位调制器提供驱动信号，通过第三偏振分光棱镜分为两束，透射光通过四分之一波片耦合进入高精细度法布里珀罗参考腔中，参考腔的反射信号再次经过四分之一波片，并经过第三偏振分光棱镜，由第一光电探测器接收，第一信号发生器为第一混频器提供参考信号，与第一光电探测器接收的信号在第一混频器中混频相敏解调后获得鉴频信号，即pdh信号。第三偏振分光棱镜与四分之一波片的作用是让参考腔反射光导入第一光电探测器。pdh信号通过第二伺服反馈电路反馈回主谐振腔的压电陶瓷片上，通过高精度的反馈控制，使好腔激光频率锁定在参考腔的共振频率上，实现主谐振腔腔长的初步稳定以及好腔激光的线宽压窄。

5)坏腔激光通过第二双色镜以及第四偏振分光棱镜后，反射光进入第二光电探测器，将光信号转换成电信号，探测器连接快速傅里叶变换分析仪用于测量坏腔激光的线宽，由于双波长好坏腔激光中的坏腔激光具有腔牵引抑制效应，即对腔长抖动有一定的免疫作用，因此输出坏腔激光频漂比经过pdh稳频的好腔激光低两个量级，并且输出线宽也比pdh稳频的好腔激光窄两个量级。

本发明的目的之二在于基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟，结合超稳飞秒光梳，将已经锁定在高精细度法布里珀罗参考腔上的主谐振腔再次锁定在目的一中输出的坏腔激光上，再次利用坏腔激光的腔牵引抑制效应，使最终输出坏腔激光的线宽和频漂比目的一中的坏腔激光降低两个量级，大大减小甚至消除剩余腔牵引效应对主动光频标长期稳定度影响，达到双波长好坏腔系统中坏腔激光对腔模抖动免疫的效果。

本发明基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟的实现方法包括：目的一中用到的所有光学元件和仪器、超稳飞秒光梳、微波钟、第五偏振分光棱镜、第三光电探测器、第二信号发生器、第一锁相环、第三伺服反馈电路、第六偏振分光棱镜、第四光电探测器、第三信号发生器、第二锁相环、第四伺服反馈电路。

1)飞秒光梳的波长范围应覆盖好坏腔激光的波长范围，其中超稳飞秒光学频率梳32的零频fceo信号锁定在微波原子钟提供的频率参考上：采用1f-2f干涉(自参考技术)来提取飞秒光梳的零频fceo信号，当零频fceo信号与微波频率标准鉴相时，输出一个相位误差信号，用这个相位误差信号改变激光泵浦光强，就可调整fceo信号，使它与微波频率标准同相，然后精密控制它。

2)进一步，当零频fceo信号锁定后，用目的一中输出的坏腔激光作为光学频率参考frefo锁定光梳的重复频率fr：光梳中第k个梳齿为fk，fk与主动光频标frefo频率接近，并拍频得到fb,那么fk＝frefo±fb(正负号由fk与frefo的大小关系确定，通过此公式得到拍频信号fb)。frefo是已知的光频标准,如果精确控制fb,那么fk也就精确控制了。让fb信号以射频标准为参考，与第二信号发生器36产生的射频标准一并送入锁相控制环一，锁相控制环鉴别它们之间的相位后产生误差信号，通过第三伺服反馈电路控制装在光梳激光器压电陶瓷片上的腔镜来调整腔长,从而精确控制重复频率fr。

3)进一步，将经过第二偏振分光棱镜的好腔激光透射光锁定在光梳的重复频率fr上(方法与上述光梳重复频率的锁定类似)：光梳中第k’个梳齿为fk’，fk’与好腔激光频率fg接近，并拍频得到拍频信号fb’,那么fg＝fk’±fb’(正负号由fk’与fg的大小关系确定)。fk’作为光梳的一个梳齿，其频率抖动与初步稳定的坏腔激光一致，如果精确控制fb’,那么好腔激光fg也就精确控制了。让fb’信号以射频标准为参考，与射频标准一并送入第二锁相控制环，锁相控制环鉴别它们之间的相位后产生误差信号，通过第四伺服反馈电路快速反馈，控制装在主谐振腔压电陶瓷上的腔镜一来调整主谐振腔腔长,从而精确控制好腔激光频率，即将好腔激光再次锁定在目的一中初步稳定的坏腔激光上。

由于坏腔激光的腔牵引抑制效应，最终输出的主动光频标的频标频漂还会在目的一中好腔激光的基础上降低两个量级，通过二次锁腔技术，实现主动光频标的频漂比高精细度法布里珀罗参考腔降低四个量级的结果，大大减小甚至消除剩余腔牵引效应对主动光频标长期稳定度的影响，室温下实现具有量子极限线宽的主动光频标。

本发明的优点：

本发明集成应用四方面技术：双波长好坏腔主动光钟、pdh稳频技术、光梳重复频率锁定技术以及快速相位调制反馈技术。创新性地实现了具有毫赫兹量子极限线宽、对腔长噪声免疫的主动光学频标，最终将主动光频标的频漂降低到10^-6hz/s，消除剩余腔牵引效应对双波长好坏腔主动光钟系统中坏腔激光的影响；通过四点镀膜，并选择合适的好坏腔增益介质(好腔增益介质可以是nd：yag晶体，坏腔增益介质是碱金属原子气室8中包含的原子，比如铯原子)，实现输出的双波长激光分别工作在好坏腔范围；采用pdh稳频技术，将主谐振腔腔长锁定在高精细度法布里珀罗参考腔上，利用坏腔激光的腔牵引抑制效应，初步实现坏腔激光的频率稳定；将光学频率梳作为传输媒介，把光梳的重复频率锁定在初步稳定的坏腔激光上，再将初步稳定的好腔激光锁定在光梳的一个与好腔激光波长相近的梳齿上，利用快速相位反馈技术再次锁定主谐振腔腔长，再次利用双波长信号中坏腔激光的腔牵引抑制效应，将最终输出的主动光频标的频漂减小到坏腔激光腔牵引抑制系数的平方倍，实现室温下秒级稳定度为10^-16、长期稳定度优于10^-18、频率漂移为10^-6hz/s的主动光频标，从而突破传统光钟的技术瓶颈，该主动光频标既可以作为独立的激光频率标准，也可以由光梳或法布里珀罗腔传递为其它精密测量提供不同频段的窄线宽激光光源。

附图说明

图1为本发明的基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法的实施例一的示意图；

图2为本发明的基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法的实施例二的示意图。

其中，1-第一激光器、2-第一激光电源、3-一体化殷钢谐振腔腔体、4-四点镀膜的主谐振腔腔镜-平面镜、5-平凹镜、6-压电陶瓷片、7-好腔激光增益介质、8-碱金属原子气室、9-磁屏蔽盒、10-第二激光器、11-第二激光电源、12-隔离器、13-第一半波片、14-第一偏振分光棱镜、15-调制转移谱稳频模块、16-第一伺服反馈电路、17-第一双色镜、18-第二双色镜、19-第二半波片、20-第二偏振分光棱镜、21-相位调制器、22-第三偏振分光棱镜、23-四分之一波片、24-高精细度法布里珀罗参考腔、25-第一光电探测器、26-第一信号发生器、27-第一混频器、28-第二伺服反馈电路、29-第四偏振分光棱镜、30-第二光电探测器、31-快速傅里叶变换光谱分析仪、32-超稳飞秒光学频率梳、33-微波原子钟、34-第五偏振分光棱镜、35-第三光电探测器、36-第二信号发生器、37-第一锁相环、38-第三伺服反馈电路、39-第六偏振分光棱镜、40-第四光电探测器、41-第三信号发生器、42-第二锁相环、43-第四伺服反馈电路。

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，本实施例的基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法包括：第一激光器1、第一激光电源2、一体化殷钢谐振腔腔体3、四点镀膜的主谐振腔腔镜-平面镜4以及平凹镜5、压电陶瓷片6、好腔激光增益介质7、碱金属原子气室8、磁屏蔽盒9、第二激光器10、第二激光电源11、隔离器12、第一半波片13、第一偏振分光棱镜14、调制转移谱稳频模块15、第一伺服反馈电路16、第一双色镜17、第二双色镜18、第二半波片19、第二偏振分光棱镜20、相位调制器21、第三偏振分光棱镜22、四分之一波片23、高精细度法布里珀罗参考腔24、第一光电探测器25、第一信号发生器26、第一混频器27、第二伺服反馈电路28、第四偏振分光棱镜29、第二光电探测器30、快速傅里叶变换光谱分析仪31。其中平面镜4对第一激光器1和第二激光器10输出的激光波长为高透，对输出的好腔激光与坏腔激光波长为高反；平凹镜5对第二激光器10输出激光波长为高透，对第一激光器输出激光波长不作要求，对好腔激光波长为高反，对坏腔激光反射率较低，该反射率影响坏腔系数。

其中，第一激光器1和第二激光器10分别为808nm半导体激光器和459nm窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器；四点镀膜的平面镜4镀有808nm高透、1064nm和1470nm高反，平凹镜5镀有459nm高透、1064nm高反、对1470nm的反射率为50％，可以控制1064/1470nm双波长好坏腔激光分别工作于好腔范围和坏腔范围；好腔激光增益介质7为nd:yag晶体，碱金属原子气室8中充有纯铯原子，并且原子气室外接温控系统加热置于磁屏蔽盒9中；主谐振腔腔镜内嵌于一体化的殷钢谐振腔腔体3中，增加腔体的稳定性。

1)第一激光器电源2用于驱动第一激光器1输出808nm激光，用于泵浦主谐振腔中好腔激光增益介质7，输出1064nm好腔激光；

2)第二激光器电源11用于驱动第二激光器10输出459nm激光，并通过调制转移谱方法稳频:第二激光器10输出的459nm激光经过第一半波片13和第一偏振分光棱镜14，通过旋转第一半波片13和第一偏振分光棱镜14之间的角度，调节两束激光的强度，强光作为坏腔激光的泵浦光，弱光用于459nm坏腔激光泵浦光的调制转移谱稳频，稳定第二激光器10的频率；调制转移谱信号通过第一伺服反馈电路16反馈回第二激光电源11，从而将第二激光器10的激光频率锁定在铯原子6²s1/2(f＝4)-7²p1/2(f＝3)的跃迁谱线上。以上步骤实现了459nm坏腔激光泵浦光的稳频；

3)第二激光器10发出的459nm激光经调制转移谱稳频后泵浦碱金属原子气室8中的铯原子，通过主谐振腔的弱反馈在铯原子跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射，输出1470nm坏腔激光；

4)步骤1)到步骤3)实现了主谐振腔中1064/1470nm双波长好坏腔激光的同时输出，然后通过第一双色镜17和第二双色镜18实现好坏腔激光的分离，1064nm好腔激光分为两路，其中一路通过pdh稳频技术锁定在线宽为0.6hz、频漂为0.01hz/s的高精细度法布里珀罗参考腔24上，实现1064nm好腔激光线宽压窄并初步稳定主谐振腔腔长，使主谐振腔腔长抖动与参考腔24一致，具体方法如下：1064/1470nm双波长好坏腔激光通过第一双色镜17被导出，再通过第二双色镜18实现好坏腔激光的分离，好腔激光经过第二半波片19与第二偏振分光棱镜20分成强度不等的两束激光，通过旋转第二半波片19与第二偏振分光棱镜20之间的角度，调节两束激光的强度，其中经过第二偏振分光棱镜20的反射光用于pdh稳频初步锁定主谐振腔腔长，激光首先通过相位调制器21进行相位调制，调制过的光场在载波两侧出现一对位相相反的边带，第一信号发生器26为相位调制器21提供驱动信号，通过第三偏振分光棱镜22分为两束，透射光通过四分之一波片23耦合进入高精细度法布里珀罗参考腔24中，参考腔的反射信号再次经过四分之一波片23，并经过第三偏振分光棱镜22，由第一光电探测器25，第一信号发生器26为第一混频器27提供参考信号，与第一光电探测器25接收的信号在第一混频器27中混频相敏解调后获得鉴频信号，即pdh信号。第三偏振分光棱镜22与四分之一波片23的作用是让参考腔反射光导入第一光电探测器25。pdh信号通过第二伺服反馈电路28反馈回主谐振腔的压电陶瓷片6上，通过高精度的反馈控制，使1064nm好腔激光频率锁定在参考腔的共振频率上，实现主谐振腔腔长的初步稳定以及1064nm好腔激光的线宽压窄；

5)1470nm坏腔激光通过第二双色镜18以及第四偏振分光棱镜29后，反射光进入第二光电探测器30，将光信号转换成电信号，探测器连接快速傅里叶变换光谱分析仪31用于测量1470nm坏腔激光的线宽，由于坏腔激光具有腔牵引抑制效应，即对腔长抖动有一定的免疫作用，因此输出1470nm坏腔激光频漂与线宽比经过pdh稳频的1064nm好腔激光低两个量级。

实施例二

如图2所示，本发明基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法包括：实施例一中用到的所有光学元件和仪器、超稳飞秒光学频率梳32、微波原子钟33、第五偏振分光棱镜34、第三光电探测器35、第二信号发生器36、第一锁相环37、第三伺服反馈电路38、第六偏振分光棱镜39、第四光电探测器40、第三信号发生器41、第二锁相环42、第四伺服反馈电路43。

1)其中光梳的波长范围应覆盖1000-1500nm，其中零频fceo信号锁定在微波原子钟提供的频率参考上：采用1f-2f干涉(自参考技术)来提取光梳的零频fceo信号，当零频fceo信号与微波频率标准鉴相时，输出一个相位误差信号，用这个信号改变激光泵浦光强，就可调整fceo信号，使它与微波频率标准同相，然后精密控制它。

2)进一步，当零频fceo信号锁定后，用实施例一中输出的1470nm主动光频标作为光学频率参考frefo控制光梳的重复频率fr：光梳中第k个梳齿为fk，fk与1470nm主动光频标frefo频率接近，并拍频得到fb,那么fk＝frefo±fb(正负号由fk与frefo的大小关系确定)。frefo是已知的光频标，如果精确控制fb,那么fk也就精确控制了。让fb信号以射频标准为参考，与射频标准一并送入第一锁相环37，锁相控制环鉴别它们之间的相位后产生误差信号，通过第三伺服反馈电路38控制装在光梳激光器pzt上的腔镜来调整腔长,从而精确控制光梳的重复频率fr。

3)进一步，将经过第三偏振分光棱镜20的1064nm好腔激光透射光锁定在光梳的重复频率fr上(方法与上述光梳重复频率的锁定类似)：光梳中第k’个梳齿为fk’，fk’与1064nm好腔激光fg频率接近，并拍频得到fb’,那么fg＝fk’±fb’(正负号由fk’与fg的大小关系确定)。fk’作为光梳的一个梳齿，其频率抖动与初步稳定的1470nm坏腔激光一致，如果精确控制fb’,那么1064nm好腔激光fg也就精确控制了。让fb’信号以射频标准为参考，与射频标准一并送入第二锁相环42，第二锁相环42鉴别它们之间的相位后产生误差信号，通过第四伺服反馈电路43快速反馈，控制装在主谐振腔压电陶瓷6上的腔镜一来调整主谐振腔腔长,从而精确控制1064nm好腔激光频率，即将1064nm好腔激光再次锁定在实施例一中初步稳定的1470nm坏腔激光上。由于坏腔激光的腔牵引抑制效应，最终输出的1470nm主动光频标的频标频漂还会在实施例一1064nm好腔激光的基础上降低两个量级，通过二次锁定，实现1470nm主动光频标的频漂比高精细度法布里珀罗参考腔小四个量级，大大减小甚至消除剩余腔牵引效应对主动光频标长期稳定度影响，室温下实现具有量子极限线宽的主动光频标，而且实现的1470nm跃迁波长处于通信波段，因此可以作为窄线宽的通信波段光学频率标准，极大的提高通信速率和准确性。

在本实施例中，坏腔激光的泵浦光选用的是459nm激光。这里坏腔激光抽运光也可选择其他波长，如420nm、421nm。坏腔激光增益介质这里选用的是铯原子，也可以选用铷原子实现1064/1367nm以及1064/1529nm双波长好坏腔主动光频标，同样可以实现按照类似原理，在相同的基本结构中用铷泡代替铯泡，室温下实现具有量子极限线宽、不受剩余腔牵引效应影响的主动光频标。

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。