一种光学原子钟微波钟信号产生方法和装置与流程

本申请涉及原子钟，尤其涉及一种光学原子钟微波钟信号产生方法和装置。

背景技术：

1、原子钟是目前最准确和最稳定的时频测量工具，在精密测量、基本物理原理验证、卫星导航定位和高速网络通信等领域有着广泛应用。光学原子钟凭借其钟跃迁激光的高频率和窄线宽天然优势在性能指标上远远领先于传统微波原子钟。然而光学原子钟的钟激光信号频率高达数百太赫兹，现有的电子设备无法实现直接测量，需借助光学频率梳来完成光频钟跃迁信号的分频，获得光学原子钟的微波钟信号。目前，基于传统飞秒锁模激光器的光学频率梳已经广泛应用于光学原子钟，但其价格昂贵、体积庞大、控制系统复杂，严重制约了光学原子钟的工程化应用。

2、近年来，基于高品质回音壁光学微腔的微腔光梳研究逐渐兴起，其有望取代传统光频梳，推动光学原子钟的小型化与实用化发展。目前，应用于光学原子钟的微腔光梳都需要通过倍频程光谱实现“f-2f”自参考锁定。要产生直接覆盖一个倍频程的光谱输出，对于微腔光梳的色散匹配和制造工艺都具有极高的难度，全世界仅有极少数实验室能实现这种微腔光梳的制备。另一种扩展微腔光梳光谱，产生倍频程的方法是在高度非线性材料中实现超连续光谱，但其要求输入光具有较高的功率阈值，对非线性材料的相位匹配要求也极其苛刻，实现难度极高。

3、因此，对于仅可达到三分之二倍频程光谱的微腔光梳，如何实现与光学原子钟钟激光信号的锁定，产生光学原子钟的微波钟信号，是值得研究的。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种光学原子钟微波钟信号产生方法和装置，解决了现有技术的微腔光梳与光学原子钟锁定不适用于光谱仅为三分之二倍频程光梳的问题。

2、第一方面，本申请实施例提供一种光学原子钟微波钟信号产生方法，包含步骤：

3、获得重复频率处于光电探测器工作带宽内的脉冲，所述脉冲的输出光谱为覆盖三分之二倍频程的梳状光谱；所述梳状光谱覆盖光学原子钟的钟激光波长；

4、获得所述脉冲的脉冲重复频率；

5、选取所述输出光谱中低频区第n梳齿激光的三倍频信号后与高频区第m梳齿激光的倍频信号进行拍频获得第一拍频信号，其中3n＝2m；

6、通过第一拍频信号获得载波包络相位偏移频率，将载波包络相位偏移频率锁定于脉冲重复频率；

7、选取所输出光谱中最接近钟激光频率的第k梳齿激光与钟激光拍频获得第二拍频信号；

8、将第二拍频信号锁定于脉冲重复频率。

9、在其中一个实施例中，获取第n梳齿激光的三倍频信号，包含步骤：

10、将第n梳齿激光分成两部分；

11、第一部分低频激光通过倍频晶体产生倍频激光；

12、所述倍频激光与第二部分低频激光和频。

13、在其中一个实施例中，所述第k梳齿激光，是以下任意一种：

14、为微腔光梳中光频最接近钟激光频率的梳齿激光；

15、微腔光梳经过非线性频率变换后光频最接近钟激光频率的梳齿激光；

16、微腔光梳中光频最接近钟激光信号经过非线性频率变换后激光频率的梳齿激光。

17、第二方面，本申请实施例还提供一种微腔光梳，锁定于光学原子钟，用于实现第一方面任意一项实施例所述光学原子钟微波钟信号产生方法，包含泵浦光源、微腔振荡器、倍频组件、光电探测器、第一锁相环和第二锁相环。所述泵浦光源，用于输出泵浦激光进入微腔振荡器。所述微腔振荡器，用于产生脉冲激光信号，经过波导耦合输出，激光光谱覆盖三分之二倍频程。所述倍频组件，用于接收微腔振荡器发送的低频激光并产生倍频激光。所述光电探测器，用于产生拍频信号；还用于探测微腔光梳的脉冲重复频率。所述第一锁相环，用于实现脉冲重复频率和载波包络相位偏移频率的锁定。所述第二锁相环，用于实现脉冲重复频率和第二拍频信号的锁定。所述第一锁相环和所述第二锁相环共同作用，实现脉冲重复频率锁定于钟激光。

18、在其中一个实施例中，所述倍频组件包含第一倍频晶体、第二倍频晶体和和频晶体。所述第一倍频晶体，用于接收部分第n梳齿激光并产生倍频激光。所述第二倍频晶体，用于接收第m梳齿激光并产生倍频激光。所述和频晶体，用于接收部分第n梳齿激光产生的倍频激光并与另一部分第n梳齿激光和频产生和频激光。

19、在其中一个实施例中，所述第一光电探测器，用于接收第n梳齿激光的三倍频激光和第m梳齿激光的倍频激光并进行拍频获得载波包络相位偏移信号。所述第二光电探测器，用于接收所述微腔振荡器产生的脉冲激光信号，探测脉冲重复频率，并分别发送至第一锁相环和第二锁相环。所述第三光电探测器，用于接收微腔振荡器产生的脉冲激光信号并与钟激光信号进行拍频。

20、在其中一个实施例中，所述泵浦光源为窄线宽的连续激光器，输出激光通过波导耦合进入微腔振荡器。

21、在其中一个实施例中，所述微腔振荡器为回音壁光学微腔，腔内光场调制，实现非线性效应与色散以及增益与损耗的双重平衡。

22、在其中一个实施例中，所述光学原子钟还包括激光器、原子吸收泡及反馈控制回路。原子吸收泡通过反馈控制回路与激光器连接，通过原子吸收泡和反馈控制回路锁定钟激光频率。

23、在其中一个实施例中，所述第二光电探测器通过第一分频器和第二分频器分别输送分频信号至第一锁相环和第二锁相环。

24、本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：

25、本申请基于输出光谱仅覆盖三分之二倍频程的微腔光梳，采用“2f-3f”自参考方法，实现了光梳载波包络相位偏移信号的提取与锁定。微腔光梳的脉冲重复频率精确锁定到了光学原子钟的钟激光上，实现了光学到微波信号的精准传递，微腔光梳的脉冲重复频率作为高稳定度光学原子钟的微波钟信号，可远距离传输，供普通用户使用。本发明可实现光学原子钟的芯片化和实用化，显著降低相关时频产品的制造复杂度和推广应用成本，可广泛拓展光学原子钟的应用场景，推动时频产业的发展进步。

技术特征：

1.一种光学原子钟微波钟信号产生方法，其特征在于，包含步骤：

2.根据权利要求1所述光学原子钟微波钟信号产生方法，其特征在于，获取第n梳齿激光的三倍频信号，包含步骤：

3.根据权利要求1所述光学原子钟微波钟信号产生方法，其特征在于，所述第k梳齿激光，是以下任意一种：

4.一种微腔光梳，其特征在于，锁定于光学原子钟，用于实现权利要求1-3任意一项所述光学原子钟微波钟信号产生方法，包含泵浦光源、微腔振荡器、倍频组件、光电探测器、第一锁相环和第二锁相环；

5.根据权利要求4所述微腔光梳，其特征在于，所述倍频组件包含第一倍频晶体、第二倍频晶体和和频晶体；

6.根据权利要求4所述微腔光梳，其特征在于，所述光电探测器包含第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器；

7.根据权利要求4所述光学原子钟，其特征在于，所述泵浦光源为窄线宽的连续激光器，输出激光通过波导耦合进入微腔振荡器。

8.根据权利要求4所述微腔光梳，其特征在于，所述微腔振荡器为回音壁光学微腔，腔内光场调制，实现非线性效应与色散以及增益与损耗的双重平衡。

9.根据权利要求4所述微腔光梳，其特征在于，所述光学原子钟还包括激光器、原子吸收泡及反馈控制回路；

10.根据权利要求4所述微腔光梳，其特征在于，所述第二光电探测器通过第一分频器和第二分频器分别输送分频信号至第一锁相环和第二锁相环。

技术总结
本申请公开了一种光学原子钟微波钟信号产生方法和装置，解决了现有技术的微腔光梳与光学原子钟锁定不适用于光谱仅为三分之二倍频程光梳的问题。方法包含步骤：获得微腔光梳脉冲；获得脉冲重复频率；选取所述输出光谱中低频区梳齿激光的三倍频信号后与高频区梳齿激光的倍频信号进行拍频获得拍频信号；通过拍频信号获得载波包络相位偏移频率，通过锁相环将载波包络相位偏移频率锁定于脉冲重复频率；选取输出光谱中最接近钟激光频率的梳齿激光与钟激光拍频获得拍频信号；将第二拍频信号锁定于脉冲重复频率。本申请实现了光学到微波信号的精准传递，可广泛拓展光学原子钟的应用场景，推动时频产业的发展进步。

技术研发人员：赵环,薛潇博,苏亚北,陈星,吴晨菲,丁余东,王暖让,张璐
受保护的技术使用者：北京无线电计量测试研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5