基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟

1.本发明属于原子钟技术领域，具体涉及一种基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟。


背景技术：

2.分离振荡场方法使原子或者离子通过两段分离的微波场获得线宽窄、信号对比度高的量子跃迁几率测量信号，广泛应用于喷泉钟、铯束原子钟、氢原子钟、汞离子钟、脉冲光抽运铷钟等原子频率标准。具体地，脉冲抽运铷钟在经过原子选态后，与具有一定时间间隔的两个微波脉冲作用，可在一段微波场内实现分离场振荡；同时，脉冲激光抽运铷钟采用光抽运对原子选态，为了避免光频移和光对极化原子布居数的影响，一般需要采用声光调制器作为光开关，保证原子与微波作用的过程中几乎不存在光场。
3.然而，声光调制器具有以下缺点：
4.1.声光调制器驱动的功耗很大，功率通常大于十瓦，这为脉冲激光抽运铷钟的轻量化和空间应用带来不便；
5.2.声光调制器对光偏振变化敏感，环境温度的波动会影响入射至声光调制器的光线偏振角度，从而影响声光调制器衍射光的强度，给原子钟的长期性能造成隐患；
6.3.声光调制器对入射光的角度要求苛刻，激光器老化会引起光线角度的变化，导致声光调制器衍射效率的大幅降低，给原子钟的长期、连续运行带来隐患。
7.可见，如何降低脉冲激光抽运铷钟功耗，提升其长期频率稳定度、寿命和连续运行能力是本领域亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

8.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
9.本发明提供一种基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟，其特征在于，包括：外腔半导体激光器、电压切换模块、分束模块、稳频模块、扩束模块、物理系统、频率变换模块和伺服模块，所述频率变换模块包括晶体振荡器；其中，
10.所述外腔半导体激光器，用于产生激光光束，并在所述电压切换模块的控制下周期性地使所述激光光束的频率在第一频率和第二频率之间跳变；
11.所述分束模块，用于将所述激光光束分成第一子光束和第二子光束；
12.所述稳频模块，用于与所述第一子光束相互作用，产生稳频误差信号，并通过所述电压切换模块对所述外腔半导体激光器进行周期性地频率锁定；
13.所述扩束模块，用于对所述第二子光束进行扩束处理；
14.所述频率变换模块，用于生成微波脉冲信号；
15.所述物理系统，用于将扩束后的第二子光束、所述微波脉冲信号及自身的
85
rb原子作用后，产生原子鉴频信号；
16.所述伺服模块，用于根据所述原子鉴频信号生成误差信号，以控制所述晶体振荡器的输出频率。
17.在本发明的一个实施例中，原子钟光抽运时，所述激光光束频率被设定为第一频率，即
85
rb基态f＝3吸收峰所在频率；原子钟进行微波作用时，所述激光光束频率被设定为第二频率，即
87
rb饱和吸收峰所在频率。
18.在本发明的一个实施例中，所述外腔半导体激光器包括：激光二极管、透镜、闪耀光栅和压电陶瓷，所述电压切换模块包括：单刀双掷模拟开关，且所述单刀双掷模拟开关与所述压电陶瓷连接；其中，
19.所述激光二极管，用于在电流源的驱动下产生激光光束；
20.所述透镜，用于对所述激光光束进行准直；
21.所述压电陶瓷，用于根据所述单刀双掷模拟开关的状态调节所述闪耀光栅的位置；
22.所述闪耀光栅，用于改变外腔半导体激光器的腔长，实现对激光频率的连续无跳模的调谐。
23.在本发明的一个实施例中，所述分束模块包括：半波片和偏振分束器；其中，
24.所述半波片，用于调整所述激光光束的偏振角度；
25.所述偏振分束器，用于将所述激光光束分成第一子光束和第二子光束，所述第一子光束与所述第二子光束之间的夹角为90
°
；
26.所述稳频模块沿所述第一子光束的光路设置，用于产生稳频误差信号，并使所述单刀双掷模拟开关对所述外腔半导体激光器进行频率锁定。
27.在本发明的一个实施例中，所述稳频模块包括真空玻璃气室，所述真空玻璃气室内充制有自然铷金属；
28.其中，所述自然铷金属包括同位素
87
rb与
85
rb。
29.在本发明的一个实施例中，所述扩束模块包括扩束镜。
30.在本发明的一个实施例中，所述频率变换模块还包括：微波开关和频率综合器；其中，
31.所述频率综合器，用于对所述晶体振荡器的频率进行变换，并产生微波信号；
32.所述微波开关，用于根据所述微波信号生成微波脉冲信号。
33.在本发明的一个实施例中，所述晶体振荡器的频率为5mhz、10mhz或100mhz，所述微波信号的频率为3.035ghz。
34.在本发明的一个实施例中，所述原子钟包括微波腔和吸收泡，所述微波腔的谐振频率为3.035ghz，所述吸收泡为真空密封的玻璃气室、且充制有
85
rb金属及缓冲气体。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
35.1、本发明提供一种基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟，包括：外腔半导体激光器，用于产生激光光束，并在电压切换模块的控制下周期性地使激光光束的频率在第一频率和第二频率之间跳变；分束模块，用于将激光光束分成第一子光束和第二子光束；稳频模块，用于与第一子光束相互作用，产生稳频误差信号，并通过电压切换模块对外腔半导体激光器进行周期性地频率锁定；扩束模块，用于对第二子光束进行扩束处理；频率变换模块，用于生成微波脉冲信号；物理系统，用于将扩束后的第二子光束、微波脉冲信号及自身
的
85
rb原子作用后，产生原子鉴频信号；伺服模块，用于根据原子鉴频信号生成误差信号，以控制晶体振荡器的输出频率。上述系统无需使用声光调制器进行移频和开关光源，具有功耗低、可靠性高、激光噪声小的优点。
36.2、本发明提供的脉冲光抽运铷钟光学系统采用
87
rb原子饱和吸收谱进行稳频，采用
85
rb原子跃迁几率信号控制晶振输出，与现有技术中心连续光抽运铷钟相比，光频移将减小两个数量级以上。此外，本发明在原子钟进行微波作用时周期性的实施激光频率自动锁定过程，具有原子钟占空比高的特点。
37.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
38.图1是本发明实施例提供的基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟的一种结构示意图；
39.图2是本发明实施例提供的基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟的另一种结构示意图；
40.图3是本发明实施例提供的
85
rb及
87
rb吸收及光频移响应曲线图；
41.图4是本发明实施例提供的原子钟的一种工作时序图。
具体实施方式
42.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。
43.图1和图2是本发明实施例提供的基于激光跳频的脉冲光抽运铷钟光学的结构示意图。请参见图1-2，本发明实施例提供一种基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟1，包括：外腔半导体激光器10、电压切换模块20、分束模块30、稳频模块40、扩束模块50、物理系统70、频率变换模块60和伺服模块80，频率变换模块60包括晶体振荡器601；其中，
44.外腔半导体激光器10，用于产生激光光束，并在电压切换模块的控制下周期性地使激光光束的频率在第一频率和第二频率之间跳变；
45.分束模块30，用于将激光光束分成第一子光束和第二子光束；
46.稳频模块40，用于与第一子光束相互作用，产生稳频误差信号，并通过电压切换模块对外腔半导体激光器进行周期性地频率锁定；
47.扩束模块50，用于对第二子光束进行扩束处理；
48.频率变换模块60，用于生成微波脉冲信号；
49.物理系统70，用于将扩束后的第二子光束、微波脉冲信号及自身的
85
rb原子作用后，产生原子鉴频信号；
50.伺服模块80，用于根据原子鉴频信号生成误差信号，以控制晶体振荡器601的输出频率。
51.本实施例中，基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟1包括：外腔半导体激光器10、电压切换模块20、分束模块30、稳频模块40、扩束模块50、物理系统70、频率变换模块60和伺服模块80。具体来说，外腔半导体激光器10首先产生激光光束，激光光束的波长可以为780.2nm，在电压切换模块20的控制下，使激光光束的频率在第一频率与第二频率之间跳
变；然后，分束模块30将激光光束分成第一子光束和第二子光束，第一子光束进入稳频模块40，稳频模块40产生的稳频误差信号通过电压切换模块20实现激光频率锁定，与此同时，第二子光束经扩束模块50的扩束处理之后进入物理系统70，物理系统70使频率变换模块60产生的微波脉冲信号、第二子光束与自身的
85
rb原子作用，得到原子鉴频信号，原子鉴频信号进入伺服模块80，最终产生误差信号来控制频率变换模块60中晶体振荡器601的输出频率。
52.可见，与现有技术相比，本发明实施例提供的上述脉冲光抽运铷钟光学系统1无需使用声光调制器进行移频和开关光源，具有功耗低、可靠性高、激光噪声小的优点。
53.可选地，物理系统70与光作用时，所述激光光束频率被设定为第一频率，即
85
rb基态f＝3吸收峰所在频率；物理系统与微波作用时，所述激光光束频率被设定为第二频率，即
87
rb饱和吸收峰所在频率。
54.应当理解，物理系统70与光场、微波场作用的过程可以分为两个时间窗口，即：光抽运窗口和微波作用窗口。外腔半导体激光器10产生的激光光束在第一频率和第二频率之间快速跳变，其中，在光抽运窗口开始时，激光频率被调谐到
85
rb基态f＝3吸收峰，在微波作用窗口开始时，激光频率被锁定到
87
rb饱和吸收峰。
55.请继续参见图2，外腔半导体激光器10包括：激光二极管101、透镜102、闪耀光栅103和压电陶瓷104，电压切换模块20包括：单刀双掷模拟开关201，且单刀双掷模拟开关201与压电陶瓷104连接；其中，
56.激光二极管101，用于在电流源的驱动下产生激光光束；
57.透镜102，用于对激光光束进行准直；
58.压电陶瓷104，用于根据单刀双掷模拟开关调节闪耀光栅103的位置；
59.闪耀光栅103，用于对准直后的激光光束进行衍射，得到频率调节后的激光光束。
60.本实施例中，外腔半导体激光器10由激光二极管101、透镜102、闪耀光栅103和压电陶瓷104组成。可选地，激光二极管101的型号为dl7140，其在电流源105的驱动下产生激光光束，激光光束通过透镜102准直，光束直径约为1mm。进步一地，电压切换模块20包括单刀双掷模拟开关201，型号为max4718，且单刀双掷模拟开关201的两端分别与电压源202和压电陶瓷104连接，由于闪耀光栅103后设置有压电陶瓷104，因此当单刀双掷模拟开关201位置改变时，压电陶瓷104的驱动电压发生跳变，进而改变闪耀光栅103的位置，达到调节激光频率的目的，得到频率调节后的激光光束。
61.可选地，如图2所示，分束模块30包括：半波片301和偏振分束器302；其中，
62.半波片301，用于调整激光光束的偏振角度；
63.偏振分束器302，用于将激光光束分成第一子光束和第二子光束，第一子光束与第二子光束之间的夹角为90
°
；
64.稳频模块40沿第一子光束的光路设置，用于产生稳频误差信号，并通过单刀双掷模拟开关201对外腔半导体激光器10进行周期性地频率锁定。
65.具体地，分束模块30包括半波片301和偏振分束器302，频率调节后的激光光束经过半波片301和偏振分束器302分为两束，得到第一子光束及第二子光束，其中，第一子光束进入稳频模块40，稳频模块40产生的稳频误差信号通过上述单刀双掷模拟开关201实现外腔半导体激光器10的激光频率锁定。
66.本实施例中，物理系统70包括微波腔和吸收泡，微波腔的谐振频率为3.035ghz，吸
收泡为真空密封的玻璃气室、且充制有
85
rb金属及缓冲气体。
67.具体地，物理系统70可以包括谐振频率为3.035ghz的微波腔和吸收泡，吸收泡为真空密封的玻璃圆柱玻璃气室，长度和直径均为20mm，吸收泡中充制10mg纯
85
rb金属、以及20torr氩气和氮气混合气体，二者比例为p
ar
/p
n2
＝1.5。
68.可选地，基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟1中，扩束模块50包括扩束镜。
69.可选地，频率变换模块60还包括：微波开关602和频率综合器603；其中，
70.频率综合器603，用于对晶体振荡器601的频率进行上变换，并产生微波信号；
71.微波开关602，用于根据微波信号生成微波脉冲信号。
72.本实施例中，第二子光束经扩束后进入物理系统70，对
85
rb原子进行光抽运和原子鉴频信号探测。频率变换模块60中，晶体振荡器601的频率为5mhz、10mhz或者100mhz，通过频率综合器603进行频率变换后，产生3.035ghz的微波信号，微波信号经过微波开关602控制后，产生微波脉冲信号；进一步地，频率变换模块60产生微波脉冲信号，物理系统70内的铷原子与第二子光束和微波脉冲信号作用后，产生原子鉴频信号，而后原子鉴频信号进入伺服模块80，产生的误差信号可以控制晶体振荡器601的输出频率。
73.本实施例中，稳频模块40包括真空玻璃气室，真空玻璃气室内充制有自然铷金属；
74.其中，自然铷金属包括同位素
87
rb与
85
rb。
75.如图2所示，本实例采用
87
rb实施饱和吸收谱进行稳频、采用
85
rb原子与光场、微波场相互作用产生鉴频信号控制晶体振荡器601输出。饱和吸收稳频模块40中包含有一个长度50mm、直径14mm且真空封装的参考泡，参考泡中包含自然铷金属，即包括同位素
87
rb与
85
rb，其中，同位素
87
rb的丰度为27.8％，同位素
85
rb丰度为72.2％。极化原子自由演化及微波脉冲与原子相互作用时，通过饱和吸收稳频技术将激光频率锁定于
87
rbf＝2
→f‘
＝2,3饱和吸收峰，此时激光频率与
85
rb吸收峰相差约1.3ghz，因此激光不会影响
85
rb原子布局数；此外，从
85
rb的光频移系数可以看到，将激光频率锁定于
87
rb f＝2
→
f’＝2,3饱和吸收峰时，光频移系数约等于0，也就是说，原子与微波作用过程中不会产生光频移。
76.图3是本发明实施例提供的原子钟的一种工作时序图。如图3所示，当光抽运时，上述脉冲光抽运铷钟光学系统1通过单刀双掷模拟开关201断开激光频率锁定环路、并将电压源与压电陶瓷104连接，由于激光光束的频率与压电陶瓷104的电压成正比、电压源输出电压与本周期内饱和吸收稳频输出电压v0相差恒定0.3v(对应激光频率变化1.3ghz)，所以可以实现激光频率变化1.3ghz。激光光束的频率完成跳频后，原子就会吸收激光信号，通过探测原子对激光的吸收强度就得到
85
rb基态原子的跃迁几率随频率失谐的变化曲线。
77.当抽运时间大于2ms时，
85
rb原子被全部抽运到基态f＝2态，
85
rb将不会再吸收激光。此时，单刀双掷模拟开关201断开与电压源的连接、并重新与稳频模块40连接，然后通过数字自动锁频技术实现第一子光束频率的自动锁定，频率自动锁定过程小于5ms。与此同时，给物理系统70馈入两个间隔4ms、脉宽0.5mm的π/2微波脉冲信号，实施分离振荡场技术。当第二个微波脉冲信号与原子作用完成后，再重新通过单刀双掷模拟开关关闭饱和吸收稳频环路、并连接电压源进行激光跳频操作。上述过程周而复始即可实现脉冲激光抽运铷钟连续稳定的运行。
78.通过上述实施例可知，本发明的有益效果在于：
79.1、本发明提供一种基于激光跳频实现的脉冲激光抽运铷钟，包括：外腔半导体激
光器，用于产生激光光束，并在电压切换模块的控制下周期性地使激光光束的频率在第一频率和第二频率之间跳变；分束模块，用于将激光光束分成第一子光束和第二子光束；稳频模块，用于与第一子光束相互作用，产生稳频误差信号，并通过电压切换模块对外腔半导体激光器进行周期性地频率锁定；扩束模块，用于对第二子光束进行扩束处理；频率变换模块，用于生成微波脉冲信号；物理系统，用于将扩束后的第二子光束、微波脉冲信号及自身的
85
rb原子作用后，产生原子鉴频信号；伺服模块，用于根据原子鉴频信号生成误差信号，以控制晶体振荡器的输出频率。上述系统无需使用声光调制器进行移频和开关光源，具有功耗低、可靠性高、激光噪声小的优点。
80.2、本发明提供的脉冲光抽运铷钟光学系统采用
87
rb原子饱和吸收谱进行稳频，采用
85
rb原子跃迁几率信号控制晶振输出，与现有技术连续光抽运铷钟相比，光频移将减小两个数量级以上。此外，本发明在原子钟进行微波作用时周期性的实施激光频率自动锁定过程，具有原子钟占空比高的特点。
81.在本发明的描述中，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。
82.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。
83.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述，然而，在实施所要求保护的本技术过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。
84.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。