一种应用于锶原子光钟的激光器系统及激光产生方法

1.本发明涉及光学领域，具体涉及一种应用于锶原子光钟的激光器系统及激光产生方法。


背景技术：

2.原子光频标是精密测量领域的研究热点，目前在频率不确定度和稳定度上已超越微波原子频标，有望成为下一代时间频率标准。在光频标领域，锶原子光钟具有重要研究地位，是一种基于光晶格技术的中性原子光钟，是目前稳定度和不确定度最好的光钟之一。锶原子光钟不仅在时间频率计量领域有重要价值，还是开展精密测量研究的最前沿平台。其中可移动光钟、空间光钟是开展精密测量研究重要前提，能极大地扩展精密测量研究领域。光钟要实现可移动化、空间化，就需要系统高度集成并且可以抗振动，能够长时间鲁棒稳定工作。
3.在锶原子光钟中，需要通过原子激光冷却方法制备超冷原子样品，并装载到光晶格中，对原子进行囚禁束缚，消除原子运动对跃迁谱线导致的多普勒频移和展宽效应，最后用超窄线宽激光进行钟跃迁探询。整个光钟运行过程需要六个波长的激光，包括461nm一级冷却光，679nm、707nm重泵浦激光、689nm二级冷却光、698nm钟跃迁探询激光和813nm光晶格激光，每个波长的激光都有特定的线宽、特定的频率值和特定的功率需求。由于激光主要集中在短波长并且波长值非常特殊，目前报道的常用锶原子光钟激光器系统通过半导体激光方案实现，包含了多台外腔半导体激光器的激光系统。此外，为了提高锶原子光钟的精度，钟激光还需要1397nm波长的激光输出且能稳定在只兼容红外的最新一代超稳腔上，然后通过倍频得到698nm钟跃迁探询激光；高功率的813nm光晶格激光是为了降低ase噪声的，需要用到钛宝石激光器。所以整个激光系统体积十分庞大并且对振动等环境变化十分敏感，激光器容易跳模造成失锁，难以长时间稳定运行。所以，能实现能够抗振动的集成化小型激光系统是实现高精度锶原子光钟可移动化、空间化十分关键的技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种应用于锶原子光钟的激光器系统及激光产生方法，用光纤激光器方案实现包括461nm、679nm、707nm、689nm、698nm、813nm和1397nm七个波长的激光，每个波长的激光都是单频窄线宽、频率可调谐，满足实验频率和功率需求，整体具有集成化、抗振动特点，可以实现高精度锶原子光钟的可移动功能。
5.本发明的目的在于提供光纤激光器系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种应用于锶原子光钟的激光器系统，所述种子激光器有七个，包括多个种子激光器、光纤放大器、光纤合束器、光纤分束器和非线性晶体，其中种子激光器二、种子激光器三输出的激光合束并经非线性晶体一和频后输出波长为813nm激光；种子激光器一输出的激光和上述813nm激光合束并经非线性晶体五和频后输出波长为461nm激光；
8.种子激光器四输出的激光分成四束，其中一束和上述813nm激光合束并经非线性晶体六差频后输出波长为1397nm激光，再经非线性晶体七倍频后输出波长为698nm激光；另外三束分别和种子激光器五、种子激光器六、种子激光器七输出的激光合束，再经非线性晶体和频后分别输出波长为679nm激光、689nm激光、707nm激光。
9.进一步方案，所述种子激光器一、种子激光器五、种子激光器六和种子激光器七均掺镱光纤激光器，其中种子激光器一的激光波长为1064nm，种子激光器五的激光波长为1043nm，种子激光器六的激光波长为1067nm，种子激光器七的激光波长为1110nm；
10.所述种子激光器二为掺饵光纤激光器，其激光波长为1534nm；
11.所述种子激光器三、种子激光器四均为掺铥光纤激光器，其中种子激光器三的激光波长为1731nm，种子激光器四的激光波长为1947nm。
12.进一步方案，所述种子激光器一的输出端连接有掺镱光纤放大器，种子激光器二的输出端连接有掺饵光纤放大器，种子激光器三的输出端连接有掺铥光纤放大器一、种子激光器四的输出端连接有掺铥光纤放大器二；
13.所述非线性晶体为ppln晶体或ppln波导。
14.更进一步方案，所述掺饵光纤放大器和掺铥光纤放大器一的输出端通过光纤合束器一与非线性晶体一连接，所述非线性晶体一的输出端连接有光纤分束器二，光纤分束器二将该路激光分成三路输出，其中第一路直接输出为813nm激光；第二路与所述掺镱光纤放大器的输出端一同与光纤合束器五连接，光纤合束器五与非线性晶体五连接；第三路与所述掺铥光纤放大器二的输出端一同与光纤合束器六连接，光纤合束器六通过非线性晶体六与非线性晶体七连接；
15.所述掺铥光纤放大器二的输出端连接有光纤分束器一，光纤分束器一将该激光光束分成四路输出的，其中一路与光纤分束器二分出的一路激光进行合束；第二路和种子激光器五的输出端一同与光纤合束器二连接，第三路和种子激光器六的输出端一同与光纤合束器三连接，第四路和种子激光器七的输出端一同与光纤合束器四连接；所述光纤合束器二、光纤合束器三、光纤合束器四的输出端分别连接有一非线性晶体进行激光和频。
16.本发明的另一个发明目的是提供一种应用于锶原子光钟的激光产生方法，其包括以下步骤：
17.(1)选择掺饵光纤激光器和掺铥光纤激光器一的波长，对二者发出的激光进行和频，并使和频后产生的激光波长为813nm；
18.(2)将该波长为813nm激光和一个掺镱光纤激光器进行和频，使得产生的激光波长为461nm；
19.(3)将步骤(1)产生的波长为813nm激光和掺铥光纤激光器二进行差频，使得产生的激光波长为1397nm；
20.(4)对波长为1397nm激光进行倍频，产生激光波长为698nm；
21.(5)将步骤(3)中掺铥光纤激光器二产生的激光通过分束器分成四路，其中三路分别与三个发出不同波长激光的掺镱光纤激光器进行和频，分别产生波长为679、689、707nm激光。
22.进一步方案，所述掺镱光纤激光器和掺铥光纤激光器的激光进行和频的公式为：
[0023][0024]
式中，λy表示掺镱光纤激光器发出的激光波长、λ
t
表示掺铥光纤激光器发出的激光波长，i表示编号。
[0025]
更进一步方案，步骤(1)中掺饵光纤激光器的激光波长为1534nm、掺铥光纤激光器一的激光波长为1731nm；
[0026]
步骤(2)中掺镱光纤激光器的激光波长为1064nm；
[0027]
步骤(3)中掺铥光纤激光器二的激光波长为1947nm；
[0028]
步骤(5)中三个发出不同波长激光的掺镱光纤激光器的激光波长分别为1043nm、1067nm、1110nm。
[0029]
进一步方案，所述和频、倍频、差频均采用非线性器件利用非线性过程进行频率变化来扩展激光波长的范围，所述非线性器件为ppln晶体或ppln波导。
[0030]
优选方案为，所述步骤(1)、(2)中均是采用ppln晶体和频产生的波长为813nm、461nm激光；
[0031]
步骤(5)中掺铥光纤激光器二和三个发出不同波长激光的掺镱光纤激光器是采用ppln波导进行和频的。
[0032]
进一步方案，所述掺镱光纤激光器、掺饵光纤激光器和掺铥光纤激光器均为窄线宽单频光纤激光器，其线宽小于99khz量级，并且具有频率调谐机构。
[0033]
本技术用光纤激光器系统实现了包括461nm、679nm、707nm、689nm、698nm、813nm和1397nm七个波长的激光，每个波长的激光都是单频窄线宽、频率可调谐，满足实验频率和功率需求，整体具有集成化、抗振动特点，可以实现高精度锶原子光钟的可移动功能。
[0034]
本技术的光纤激光器系统可应用于锶原子光钟上，是用光纤激光器方案实现锶原子光钟所需的所有波长激光，在频率、功率和ase噪声方面都满足高精度光钟实验原子制备和陷俘的需求。本技术中使用了七个波长的光纤种子光，波长经过设计可以复用产生多个不同波长的激光，通过光纤放大器和非线性频率变化，最终形成锶原子光钟运行过程中所需要的各种波长的激光。
[0035]
本技术中整个激光器系统具有极高的集成性，同时光纤本身没有空间光路，使得系统具有更好的抗振特性，对实现高精度锶原子光钟的可移动性起到极大作用，可以推动光钟开展外场应用研究。
附图说明
[0036]
图1为本发明的原理示意图。
[0037]
图中，1-种子激光器一；2-种子激光器二；3-种子激光器三；4-种子激光器四；5-种子激光器五；6-种子激光器六；7-种子激光器七；8-掺镱光纤放大器；9-掺饵光纤放大器；10-掺铥光纤放大器一；11-掺铥光纤放大器二；12-光纤分束器一；13-光纤合束器一；14-非线性晶体一；15-光纤合束器二；16-光纤合束器三；17-光纤合束器四；18-光纤分束器二；19-非线性晶体二；20-非线性晶体三；21-非线性晶体四；22-光纤合束器五；23-光纤合束器六；24-非线性晶体五；25-非线性晶体六；26-非线性晶体七。
具体实施方式
[0038]
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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0039]
实施例一：
[0040]
一种应用于锶原子光钟的激光器系统，本实施例中具体包括七个种子激光器、四个光纤放大器、六个光纤合束器、二个光纤分束器和七个非线性晶体，其中种子激光器二2、种子激光器三3输出的激光合束并经非线性晶体一14和频后输出波长为813nm激光；种子激光器一1输出的激光和上述813nm激光合束并经非线性晶体五24和频后输出波长为416nm激光；
[0041]
种子激光器四4输出的激光分成四束，其中一束和上述813nm激光合束并经非线性晶体六25差频后输出波长为1397nm激光，再经非线性晶体七26倍频后输出波长为698nm激光；另外三束分别和种子激光器五5、种子激光器六6、种子激光器七7输出的激光合束，再经非线性晶体和频后分别输出波长为679nm激光、689nm激光、707nm激光。
[0042]
光纤激光器能产生的波长主要与其有源光纤掺杂物质相关，目前商用光纤激光器可以产生的波长范围有：
[0043]
掺镱光纤激光器λy＝1018nm～1156nm，
[0044]
掺饵光纤激光器λb＝1530nm～1596nm，
[0045]
掺铥光纤激光器λ
t
＝1730nm～2050nm。
[0046]
从波长范围来看，现有的掺杂光纤激光器都无法直接产生锶原子光钟所使用的激光波长。故需要采用非线性器件利用非线性过程可以进行频率变化扩展波长范围。其中非线性频率变化包括倍频、和频、差频。
[0047]
利用掺镱光纤激光器和掺铥光纤激光器进行激光和频，可以产生激光波长范围覆盖641nm～739nm，所以可以用波长为λ
y1/y2/y3
三台掺镱光纤激光器分别和波长为λ
t1/t2/t3
三台掺铥光纤激光器和频，能产生λ
1/2/3
＝679nm/689nm/707nm三个波长的激光。而利用一台掺饵光纤激光器波长为λe和一台掺铥光纤激光器波长为λ
t4
进行和频，可以产生激光波长范围覆盖812nm～879nm，理论上是可以产生813nm波长激光。所以选择合适波长的掺饵光纤激光器和掺铥光纤激光器一，如掺饵光纤激光器的激光波长为1534nm、掺铥光纤激光器一的激光波长为1731nm，对这两激光进行和频，则产生的激光波长为813nm。
[0048]
本实施例中，所述种子激光器一、种子激光器五、种子激光器六和种子激光器七均掺镱光纤激光器，其中种子激光器一的激光波长为1064nm，种子激光器五的激光波长为1043nm，种子激光器六的激光波长为1067nm，种子激光器七的激光波长为1110nm；
[0049]
种子激光器二为掺饵光纤激光器，其激光波长为1534nm；种子激光器三、种子激光器四均为掺铥光纤激光器，其中种子激光器三的激光波长为1731nm，种子激光器四的激光波长为1947nm。
[0050]
进一步方案，所述种子激光器一的输出端连接有掺镱光纤放大器，种子激光器二的输出端连接有掺饵光纤放大器，种子激光器三的输出端连接有掺铥光纤放大器一、种子激光器四的输出端连接有掺铥光纤放大器二；
[0051]
所述非线性晶体为ppln晶体或ppln波导。实际过程中，根据最终激光需要功率大小来选择ppln晶体或ppln波导，如锶原子光钟中461nm激光和813nm激光需要瓦量级功率，则非线性器件选择ppln晶体；而679/689/707nm激光需要几十毫瓦到百毫瓦功率，非线性器件选择ppln波导。
[0052]
具体如图1所示，一种应用于锶原子光钟的激光器系统，有七种光纤种子光是由七种种子激光器产生，其中种子激光器一1为掺镱光纤激光器，产生波长为1064nm光纤种子光，为单频窄线宽输出，其波长可通过掺镱光纤激光器中的温度及设置的压电陶瓷(pzt)进行调谐，再通过掺镱光纤放大器8放大功率到3w以上。
[0053]
种子激光器二2为掺饵光纤激光器，产生波长为1534nm光纤种子光，通过掺饵光纤放大器9放大功率到10w以上；种子激光器三为掺铥光纤激光器，产生波长为1731nm光纤种子光，通过掺铥光纤放大器一10放大功率到10w以上；这二者放大后的激光通过光纤合束器一13后经非线性晶体一14(为ppln晶体)产生约功率3w的813nm激光；经过光纤分束器二18分成三路，其中一路功率1w的直接输出，第二路功率1w的激光与功率3w的1064nm激光通过非线性晶体五(ppln晶体)24和频产生500mw的461nm激光；第三约1w激光与1947nm激光经非线性晶体六25差频产生1397nm激光。
[0054]
1947nm光纤种子光经过掺铥光纤放大器二13放大功率至2w以上,通过光纤分束一器12分为四路：第一路与约0.2w的1043nm激光通过非线性晶体二(ppln波导)19和频产生679nm激光；第二路与约0.5w的1067nm激光合束通过非线性晶体三(ppln波导)20产生689激光；第三路与约0.2w的1110nm光纤激光合束通过非线性晶体四(ppln波导)21产生707nm激光；第四路约300mw通过光纤合束器六23与1.5w的813nm激光合束，通过非线性晶体六(ppln差频波导)25产生约300mw的1397nm激光，随后通过非线性晶体六(ppln倍频波导)26产生698nm探询激光。
[0055]
实施例二：
[0056]
一种应用于锶原子光钟的激光产生方法，其包括以下步骤：
[0057]
(1)选择掺饵光纤激光器和掺铥光纤激光器一的波长，对二者发出的激光进行和频，并使和频后产生的激光波长为813nm；
[0058]
(2)将该波长为813nm激光和一个掺镱光纤激光器进行和频，使得产生的激光波长为461nm；
[0059]
(3)将步骤(1)产生的波长为813nm激光和掺铥光纤激光器二进行差频，使得产生的激光波长为1397nm；
[0060]
(4)对波长为1397nm激光进行倍频，产生激光波长为698nm；
[0061]
(5)将步骤(3)中掺铥光纤激光器二产生的激光通过分束器分成四路，其中三路分别与三个发出不同波长激光的掺镱光纤激光器进行和频，分别产生波长为679、689、707nm激光。
[0062]
进一步方案，其中掺镱光纤激光器和掺铥光纤激光器的激光进行和频的公式为：
[0063][0064]
式中，λy表示掺镱光纤激光器发出的激光波长、λ
t
表示掺铥光纤激光器发出的激光波长，i表示数量。
[0065]
根据上述公式，用波长为λ
y1/y2/y3
三台掺镱光纤激光器分别和波长为λ
t1/t2/t3
三台掺铥光纤激光器和频，产生λ
1/2/3
＝679nm/689nm/707nm三个波长的激光。
[0066]
我们利用一台掺饵光纤激光器波长为λe和一台掺铥光纤激光器波长为λ
y4
进行和频，可以产生激光波长范围覆盖812nm～879nm，调整后，选择掺饵光纤激光器的激光波长为1534nm、掺铥光纤激光器一的激光波长为1731nm；则产生813nm波长激光。
[0067]
在产生813nm波长激光后，可以利用该波长激光和一台掺镱光纤激光器进行和频，产生461nm激光，则根据公式计算出掺镱光纤激光器波长λ
y4
的值，λ
y4
＝1065nm，具体如下：
[0068][0069]
此外，在有813nm波长激光后，还可以利用该波长激光和一台掺铥光纤激光器进行差频，产生1397nm激光，
[0070][0071]
λ
t4
＝1945nm
[0072]
则掺铥光纤激光器二的激光波长为1945nm，再通过倍频过程产生698nm激光。
[0073]
将λ
t4
波长的掺铥光纤激光器出光通过分束器分成四路，也用于产生679/689/707nm三个波长的激光，可以简化激光器数量，只需使用四台掺镱光纤激光器、一台掺铥光纤激光器和两台掺铥光纤激光器即可实现，其中λ
t1/t2/t3
＝λ
t4
＝1945nm，则λ
y1
＝1043nm，λ
y2
＝1067nm，λ
y1
＝1110nm。即三个发出不同波长激光的掺镱光纤激光器的激光波长分别为1043nm、1067nm.、1110nm。
[0074]
进一步方案，所述和频、倍频、差频均采用非线性器件利用非线性过程进行频率变化来扩展激光波长的范围，所述非线性器件为ppln晶体或ppln波导。
[0075]
由于锶原子光钟中461nm激光和813nm激光需要瓦量级功率，和频使用的光纤激光器作为种子光，先经过放大器放大后，再使用非线性器件，非线性器件选择为ppln晶体；所以步骤(1)、(2)中均是采用ppln晶体和频产生的波长为813nm、461nm激光。
[0076]
而679/689/707nm激光器需要几十毫瓦到百毫瓦功率，非线性器件使用ppln波导。所以步骤(5)中掺铥光纤激光器二和三个发出不同波长激光的掺镱光纤激光器是采用ppln波导进行和频的。
[0077]
进一步方案，由于锶原子光钟所需的光需要为连续输出的窄线宽单频激光，频率要可以进行调谐，所以使用的光纤激光器均为窄线宽单频光纤激光器，线宽在几十khz量级及以下，并且需要有频率调谐机构。
[0078]
虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
[0079]
故以上所述仅为本技术的较佳实施例，并非用来限定本技术的实施范围；即凡依本技术的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本技术权利要求的保护范围。