一种环形腔激光原子钟的制作方法

1.本发明属于原子钟、量子电子学、激光技术的交叉领域，特别是涉及一种环形腔激光原子钟。

背景技术：

2.原子钟在卫星定位导航、深空探测、科学研究、授时计时，乃至人们日常生活中都在占有越来越重要的地位。原子钟技术已经成为关系世界科学技术进步和发展，关系到整个人类日常生活便捷，水平提高的关键基础性技术。传统原子钟技术包括被动微波钟如铷钟和铯钟，主动氢钟，原子喷泉钟，以及进来发展很快的光频原子钟。传统常用原子钟一般为被动型微波钟，原理是应用某种方法探测所选定原子的所选定能级的跃迁频率，并以此为基准，提供原子钟的标准信号输出。而对所选定原子和能级的要求是跃迁能级寿命尽量长，从而所获得的跃迁谱线线宽窄，不确定性尽量小。现有一般被动原子钟采用碱金属作为工作原子，典型的采用
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rb或
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cs原子。并规定用
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cs的基态超精细能级跃迁频率f＝9192631770hz作为秒的定义。铷和铯原子具有λ能级系统如图1，通常选择以原子非常稳定的基态超精细能级之间的跃迁频率作为原子钟的频率标准。基于这一工作原理的被动式微波原子钟其工作稳定性不仅取决于原子能级本身的稳定性，还取决于对原子能级的探测以及输出的微波频率与探测到的原子跃迁频率的锁定。而探测和锁定的电路工作稳定性和噪声也会影响这类传统原子钟系统工作的稳定性。
3.为使原子钟避免受到电子线路问题的影响，提高原子钟和稳定性指标，我研究团队提出了激光原子钟方案。这一方案利用激光锁模和cpt原理结合，使原子钟基准频率由物理机制锁定，从而避免了传统原子钟工作参数受到电子线路影响的问题。为原子钟未来研究和发展开辟了一条新路。
4.在本研究团队申请的另一项激光原子钟专利zl201910634621.8提出了用驻波腔实现激光原子钟的方案。但驻波腔有一个不能回避的问题是，返回光场与正向传输光场相位匹配问题，如果气室中光路较长，气室长度大于两纵模拍频波长，则光场相干会减弱cpt单元的滤光效应，如为此减小气室长度，则为保证工作原子数量，会要求气室工作温度升高，影响整个系统的工作稳定性。
5.针对上述问题，本发明进行改进。

技术实现要素：

6.本发明提出一种环形腔激光原子钟，解决了现有技术使用过程中存在的上述问题。
7.本发明的技术方案是这样实现的：
8.一种环形腔激光原子钟，其特征在于：包括采用环形行波腔，在该环形行波腔内插入半导体激光增益介质、滤波单元和cpt单元，使谐振腔内只有两个频率间隔等于工作原子基态超精细能级跃迁频率的纵模振荡；检测输出两激光模式的拍频获得频率基准信号，实
现激光原子钟。
9.作为优选项，环形行波腔由三个反射镜，或四个及以上反射镜组成，腔内置入光隔离器，使激光仅能单方向传输，形成行波腔。
10.本发明公开了一种用于实现激光原子钟的环形腔系统，系统如图2所示：环形行波腔由三个反射镜组成，亦可根据需要设计为由三个以上反射镜组成环形腔，例如图3所示为一个四反射镜组成的环形谐振腔，其优点在于由于输出镜反射角度接近于垂直，腔长调整和锁定仅需要调节输出镜位置，避免了由于三腔镜环形腔腔长调节对光路的影响，导致其中两反射镜需要联调的问题。
11.本发明的三个反射镜和四个反射镜或更多反射镜组成的环形腔实现激光原子钟的物理原理基本相同。如图1和图2所示，在谐振腔内插入一个半导体增益介质(图中ld)，其功能相当于半导体激光放大器，或将半导体激光器两个端面镀增透膜。荧光场正向输出后经过滤波单元，滤波单元可以采用法拉第原子滤波器或相干滤波器件组，目的是选出与工作原子所具有的λ能级如图1所示的跃迁激励光ω1和ω2相对应的光场，光场通过滤波单元后，其透过谱如图4所示。
12.作为优选项，半导体激光增益介质用透镜准直输出，沿环形行波腔传输一周后经透镜耦合回到半导体激光增益介质。
13.作为优选项，半导体增益介质两端面镀增透膜；在光场反馈回到增益介质之前置放一个λ/2波片，并通过调整其角度使反馈光偏振面与出射光一致。
14.作为优选项，环形谐振腔腔长设计应使谐振腔纵模间隔与工作原子基态超精细能级跃迁频率成倍数关系；即要求原子基态超精细能级跃迁频率是谐振腔纵模间隔的n倍，n为正整数。
15.作为优选项，所述滤波单元采用法拉第原子滤光器，或是干涉滤光组和系统。
16.作为优选项，所述cpt单元原子气室内的工作原子为碱金属原子，碱金属原子包括是
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rb和
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cs，气室充有缓冲气体。
17.作为优选项，所述的环形行波腔的两个反射镜与支架间安装压电陶瓷，两压电陶瓷联动，以在对腔长进行微小调整过程中保证谐振腔光场回路的正确和稳定。
18.作为优选项，腔内形成的两纵模光场通过输出镜输出，输出镜适当选择较高透过率，使谐振腔模式线宽大于大于cpt透过峰线宽。以减弱谐振腔对纵模的牵引效应影响。
19.综上所述的技术方案，为解决背景技术指出的问题本发明提出一个环形行波腔系统，由于正反馈光场不再反方向传输，只要适当调整环形谐振腔长度既可以实现光场在整个气室中的相位匹配。解决了驻波腔中cpt系统的相位匹配问题，增强了cpt系统的作用和滤波效应，同时将激光增益介质从驻波放大改为行波放大，避免了驻波本身在增益介质中的空间烧孔效应，提高了运行模式的增益竞争能力，有利于更好地抑制谐振腔其他纵模的振荡，可使激光原子钟工作更稳定，性能进一步提高。
20.综上所述技术方案可知，光场经过滤波单元后进入cpt单元，cpt单元透过谱则如图5所示，对应ω1和ω2的两个吸收峰顶端各有一个cpt效应形成的透过峰，这是一个非常窄的透过峰谱可以达到50hz或更窄，图4和图5的透过和吸收相抵消留下的是经滤波和cpt单元综合效应形成的两个很窄的透过峰如图6所示。透过光场经过滤波单元和cpt单元串联滤波，仅对应ω1和ω2附近的线宽极窄的光场被允许通过，经过环形腔的腔镜反射回到半
导体光放大介质的另一侧，并由腔内置入的1/2λ波片将偏振面转到与ld一致，再经透镜耦合进入ld激光增益介质。此时正反馈光场被限制在如图6所示的范围内。如果此时将腔长调整为，对应ω1和ω2的光场在沿环形腔传输一周后刚好是波长整数倍，则两个透过峰对应的光场将被不断放大，形成激光振荡，这也正好对应环形腔的两个纵向模式。而振荡的两个激光模式由于增益竞争效应趋向于振荡在ω1和ω2对应的中心频率处。光场经过在环形谐振腔内多次循环放大，建立起两个激光纵模振荡。实际上根据谐振腔理论，谐振腔存在一系列纵向模式，此时令ω1和ω2的频率差等于纵模间隔的整数倍。即令，δν＝nδv
l
，其中谐振腔纵模间隔式中c为光速，l为物理腔长。而保证由滤波和cpt单元串联选出的光场与激光纵模的两个模式相吻合，而又将其它模式滤除，使腔内只有与ω1和ω2相对应的两个模式振荡。而根据cpt效应，两模式之间的频率间隔正等于图1所示工作原子基态超精细能级的跃迁频率，即传统原子钟作为基准频率的频率信号。只要探测两个激光输出模式的拍频就可以直接获得激光原子钟的基准频率。环形腔内由于加入了隔离器，因此只能单向传输，与驻波腔相比免去了反向传输的相位匹配的问题，使整个气室中符合cpt激励要求的光场相长干涉，进一步加强了cpt单元的相干滤波效应。同时cpt效应对激励光场的相干性要求，使两光场趋于相干锁定，并使两纵模振荡频率间隔精确等于工作原子基态超精细能级跃迁频率。基于此机制应用3腔镜或4腔镜环形腔可以更好地实现激光原子钟，提升原激光原子钟的性能。
21.综上所述，本发明的有益效果在于：
22.本方案公开了的一种环形腔激光原子钟，应用激光场建立过程中增益牵引效应的物理机制将激光纵模相关锁定。避免了传统原子钟技术中探测和锁定电路带来的不稳定因素，因而有利于提高原子钟的性能。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为原子的λ三能级结构的示意图。
25.图2为本发明的3腔镜激光原子钟环形谐振腔装置图。
26.图3为4腔镜激光原子钟环形谐振腔装置图。
27.图4为法拉第原子滤光单元或干涉滤光单元的透过光谱的示意图。
28.图5为cpt单元透过光谱的示意图。
29.图6为经过原子滤波或相干滤波单元串联cpt单元后的透过光谱的示意图。
30.图7干涉滤光组件示意图
31.图8干涉滤波组件与激励光ω1、ω2光谱关系示意图。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图1-7，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作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。
33.实施例一
34.本发明公开了一种3腔镜环形腔激光原子钟，
35.3腔镜激光原子钟的环形腔如图2所示，环形腔采用3反射镜，腔内插入半导体激光增益二极管(ld)，ld的增益光谱涵盖
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rb原子d1跃迁的ω1和ω2激励光，输出波长在795nm附近，出光面和进光面用准直透镜与谐振腔模式耦合。ld输出光场经透镜准直，进入法拉第原子滤波单元，滤波后光场如图4所示，此时由于法拉第原子滤光器的工作原理，线偏振光场将旋转90
°
出射，偏振面与ld输出光正交。而后光场进入cpt单元，由第一个波片转换成中心频率为ω1和ω2两个圆偏振光场并与气室内的
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rb原子产生cpt效应，使具有相干性且对准ω1和ω2的两个如图6所示的窄线宽光场透过，其他光谱成分则被吸收。而后经第二个波片转换成与cpt单元入射光正交的线偏振光，光场经过输出镜部分光场输出，同时部分反射；进入光隔离器单元；经过隔离器单元后，光场偏振面旋转45
°
。在光路上置入一个1/2λ波片，将偏振面方向旋转到与ld出射光相同，经过反射镜3和1的反射回到ld的入射方向，而后经入射面透镜耦合进入ld放大后由出射面输出，完成一个激光谐振腔内的循环。多次循环放大后将产生两个稳定的激光纵模振荡，纵模间隔恒等于
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rb原子基态超精细能级的跃迁频率。接收并测量输出激光两纵模的拍频，即可获得激光原子钟的基准频率。实际应用时将基准频率转换为典型应用的10mhz或5mhz输出即可。
36.在以上设计中还需要将环形谐振腔物理腔长调整使其符合的要求，同时给环形谐振腔反射镜2和3加上压电陶瓷(pzt)以精细控制环形腔的腔长。由于是环形腔，两反射镜位置需要联合调整以保证谐振腔的光路正确。pzt由电反馈系统控制。此外，环形腔及支架应用低膨胀系数材料制成以降低热效应带来的腔长不稳定。
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rb气室内充有缓冲气体，缓冲气体可选择氩和氖以降低温度对cpt谐振频率的影响。气室加轴向磁场，单独控温，并进行磁屏蔽。整体系统在控温和减震情况下工作。
37.实施例二
38.在以上环形腔基础上将3反射镜改为4反射镜，如图3所示，增加一个反射镜，并令输出镜面的反射尽量接近垂直，此时小范围沿输出镜法线方向精细调整位置时对环形腔光路的改变可以忽略。这时对环形腔腔长的调整可以由对输出镜位置的调整实现，不再需要对其他腔镜进行联合调整，可简化调整和控制腔长的复杂性，有利于激光原子钟性能的提高。
39.实施例三
40.将以上实施例一和实施例二中法拉第原子滤光器和cpt单元中气室内的工作原子改为
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cs,将ld的输出光波长选择为894nm，对准铯原子的d1线，应用同上述实施例相同的环形腔结构，可以实现铯原子的激光原子钟。
41.实施例四：
42.将以上各实施例中的法拉第原子滤光器换成干涉滤光系统，如图7所示，其中f-p腔设计为自由光谱区或透过的梳状谱频率间隔等于工作原子的基态超精细能级跃迁频率，经调整使其中两个梳齿透过谱中心频率对准ω1和ω2，再置入一个干涉滤光片，设计为如
图8所示仅允许两个对应ω1和ω2的梳齿透过，透过光谱相对关系如图8所示，将不需要的光谱成分滤除。其滤波作用将与法拉第原子滤波器相当。环形腔内其他设置不变，即可实现激光原子钟功能。
43.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种环形腔激光原子钟，其特征在于：包括采用环形行波腔，在该环形行波腔内插入半导体激光增益介质、滤波单元和cpt单元，使谐振腔内只有两个频率间隔等于工作原子基态超精细能级跃迁频率的纵模振荡；检测输出两激光模式的拍频获得频率基准信号，实现激光原子钟。2.根据权利要求1所述一种环形腔激光原子钟，其特征在于：环形行波腔由三个反射镜，或四个及以上反射镜组成，腔内置入光隔离器，使激光仅能单方向传输，形成行波腔。3.根据权利要求2所述一种环形腔激光原子钟，其特征在于：半导体激光增益介质用透镜准直输出，在沿环形行波腔内传输一周后经透镜耦合回到半导体激光增益介质。4.根据权利要求3所述一种环形腔激光原子钟，其特征在于：半导体增益介质两端面镀增透膜；在光场反馈回到增益介质之前置放一个λ/2波片，并通过调整其角度使反馈光偏振面与出射光一致。5.根据权利要求2或3所述一种环形腔激光原子钟，其特征在于：环形谐振腔腔长设计应使谐振腔纵模间隔应与工作原子基态超精细能级跃迁频率成倍数关系；即要求原子基态超精细能级跃迁频率是谐振腔纵模间隔的n倍，n为正整数。6.根据权利要求1所述一种环形腔激光原子钟，其特征在于：所述滤波单元采用法拉第原子滤光器，或是干涉滤光组合系统。7.根据权利要求1或6所述一种环形腔激光原子钟，其特征在于：所述cpt单元原子气室内的工作原子为碱金属原子，包括是
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rb和
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cs，气室充有缓冲气体。8.根据权利要求2所述一种环形腔激光原子钟，其特征在于：所述的环形行波腔的两个反射镜与支架间安装压电陶瓷，两压电陶瓷联动，以保证在对腔长进行微小调整过程中保证谐振腔光场回路的正确和稳定。

技术总结

本发明涉及一种环形腔激光原子钟，其特征在于：包括采用环形行波腔，在该环形行波腔内插入半导体激光增益介质、滤波单元和CPT单元，使谐振腔内只有两个频率间隔等于工作原子基态超精细能级跃迁频率的纵模振荡；检测输出两激光模式的拍频获得频率基准信号，实现激光原子钟。本方案公开的一种环形腔激光原子钟，应用激光场建立过程中增益牵引效应的物理机制将激光纵模相关锁定。避免了传统原子钟技术中探测和锁定电路带来的不稳定因素，因而有利于提高原子钟的性能。提高原子钟的性能。提高原子钟的性能。