一种能够降低激光噪声的POP铷原子钟

一种能够降低激光噪声的pop铷原子钟
技术领域
1.本发明涉及气泡式原子钟，特别是涉及一种能够降低激光噪声的pop铷原子钟。

背景技术：

2.原子钟是量子物理学与电子学高度结合的产物，是波谱学在技术应用上最突出的成就之一。其中应用最为广泛的铷原子钟，具有体积小、价格低、预热快、功耗小等特点，是一种传统的实用性原子频标。传统铷原子钟的抽运光源是通过无极放电
87
rb灯和
85
rb滤光泡组合实现的，抽运光的光强和光谱线型函数随着时间有着复杂的慢变化，使传统铷原子钟的中长期稳定度变差。铷灯泡产生的光频移在10
‑
10
量级，被认为是限制铷原子钟稳定度的最主要因素之一。
3.为了提高铷原子钟的稳定度，人们开展了许多新型方案和物理机理的铷原子钟的研究，其中脉冲光抽运(pop)铷原子钟取得了非常好的指标。pop铷原子钟采用光抽运、微波共振及钟跃迁探测三者在时间上相互分离的方案，原子与微波相互作用时，没有抽运光场的存在，原子处于一个纯的二能级系统，理论上可以消除原子钟的光频移，提高原子钟的中长期稳定度。
4.在pop原子钟，光频移远小于传统铷原子钟，但是光频移并没有完全消失。剩余的光频移，主要来源于探寻机理的不同过程：在光抽运阶段，不完全抽运形成的剩余相干；在微波探寻阶段，激光关断不彻底引入的交流斯达克频移；在探测阶段，激光通过共振铷泡后，通过强度噪声
‑
强度噪声以及频率噪声
‑
强度噪声转化机理，恶化原子钟的稳定度。最终，激光强度噪声，对原子钟短期稳定度的贡献在10
‑
13
量级，激光的功率起伏对pop铷原子钟的影响在10
‑
14
‑
10
‑
15
量级，成为限制pop铷原子钟稳定度的主要因素。
5.为了降低激光功率起伏和强度噪声的影响，进一步提高铷原子钟的稳定度，需要稳定抽运和探测激光的功率。激光功率的稳定普遍通过控制光路上的外部调制器件来实现，如声光调制器或者电光调制器，从而稳定输出激光束的功率。实验上需要将激光分成两路，一路用来稳定激光功率，一路激光用于实验探测，结构复杂，且两路光的功率起伏并不同步，从而导致激光功率稳定环内的起伏并不能实际的反应实验光路的功率起伏。

技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种能够降低激光噪声的pop铷原子钟。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.一种能够降低激光噪声的pop铷原子钟，包括：光学系统、物理系统、探测系统以及偏振器件；
9.光学系统，用于产生激光；
10.所述偏振器件，位于光学系统到物理系统的激光光路上，用于对光学系统发出的激光进行起偏，产生的线偏振光射入所述物理系统、与所述物理系统铷泡内的铷原子相互作用；
11.所述探测系统，包括激光分束片、第一探测器、第二探测器、信号采集处理器、伺服环路、压控晶振以及频率综合器；所述激光分束片，位于所述物理系统的输出光路上，用于将物理系统输出的光分为两路；所述第一探测器和所述第二探测器分别位于所述激光分束片分出的两路光路中，用于分别对所述激光分束片分出的两路光信号进行探测；所述信号采集处理器，用于采集所述第一探测器输出的第一信号和所述第二探测器输出的第二信号，并将所述第一信号和所述第二信号的差除以所述第一信号和所述第二信号的和，得到法拉第旋转角度；所述伺服环路基于所述法拉第旋转角度计算反馈电压信号，并将所述反馈电压信号反馈到所述压控晶振上，晶振为所述频率综合器的本地参考频率；所述频率综合器的输出微波馈入到物理系统与铷泡内的铷原子相互作用。
12.可选的，所述光学系统包括激光器、分束器、饱和吸收光谱、激光锁频模块、偏振分光棱镜、声光调制器、1/4波片、全反射镜和物理系统前反射镜；激光器的输出激光经整形隔离后，通过分束器分成光强相对弱的第一束激光和光强相对强的第二束激光，所述第一束激光依次输入饱和吸收光谱和激光锁频模块，激光锁频模块将误差信号反馈到激光控制部分，以实现激光频率的锁定；第二束激光经过偏振分光棱镜入射到声光调制器，之后经过1/4波片入射到全反射镜，经全反射镜的反射后，再次经过1/4波片、声光调制器以及物理系统前反射镜输入到物理系统。
13.可选的，所述物理系统包括磁屏蔽筒、轴向磁场筒、微波腔、铷泡和微波天线，所述铷泡放置在所述微波腔中，所述微波腔放置在所述轴向磁场筒中，所述轴向磁场筒放置于所述磁屏蔽筒中；所述频率综合器的输出微波通过所述微波腔上的天线馈入到所述微波腔与所述铷泡内的铷原子相互作用。
14.可选的，所述激光器采用780nm或者795nm的半导体激光器。
15.可选的，所述偏振器件采用消光比100000：1的吸收型偏振片。
16.可选的，所述激光分束片采用沃拉斯顿棱镜。
17.可选的，所述激光分束片与所述偏振器件的光轴角度成45度。
18.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的pop铷原子钟在物理系统的激光输入光路上设置了偏振器件，在物理系统的激光输出光路上设置了激光分束片，并设置第一探测器、第二探测器来采集被激光分束片分出的两路光信号，通过将两路光信号的差除以两路光信号的和得到法拉第旋转角度，基于法拉第旋转角度计算反馈电压信号，并将反馈电压信号反馈到所述压控晶振上。由于本发明采用两个探测器的输出差除以两个探测器的输出和计算得到了法拉第旋转角度，消除了激光功率的影响，因此大大降低了激光的强度噪声和功率起伏对原子钟稳定度的影响。
附图说明
19.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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本发明实施例提供的能够降低激光噪声的pop铷原子钟的结构示意图；
21.图2(a)为本发明实施例中抽运和微波探寻阶段的
87
rb原子能级图，图2(b)为本发
明实施例中探测阶段的
87
rb原子能级图；
22.图3(a)为本发明实施例中吸收法对应的ramsey条纹图，图3(b)为本发明实施例中差分法对应的ramsey条纹图；
23.图4为采用本发明提供的pop铷原子钟获得的ramsey条纹图；
24.图5为本发明提供的pop铷原子钟与传统pop铷原子钟的激光功率稳定度的对比图。
25.1、光学系统，2、物理系统，3、探测系统，11、激光器，12、分束器，13、饱和吸收光谱，14、激光锁频模块，15、偏振分光棱镜，16声光调制器，17、1/4波片，18、全反射镜，19、声光调制器射频源，21、物理系统前反射镜，22、偏振器件，23、磁屏蔽筒，24、轴向磁场筒，25、微波腔，26、铷泡，27、微波天线，31、频率综合器，32、压控晶振，33、伺服环路，34、信号采集处理器，35、第一探测器，36、第二探测器，37、激光分束片。
具体实施方式
26.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。
27.本发明的目的是提供一种能够降低激光噪声的pop铷原子钟。
28.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
29.参见图1，本实施例提供了一种能够降低激光噪声的pop铷原子钟，该pop铷原子钟包括：光学系统1、物理系统2、探测系统3以及偏振器件22。
30.光学系统1，包括激光器11、分束器12、饱和吸收光谱13、激光锁频模块14、偏振分光棱镜15、声光调制器16、1/4波片17、全反射镜18和物理系统前反射镜21；激光器11的输出激光经整形隔离后，通过分束器12分成光强相对弱的第一束激光和光强相对强的第二束激光，第一束激光输入饱和吸收光谱13，饱和吸收光谱电压输入到激光锁频模块14，激光锁频模块14将误差信号反馈到激光控制部分，以实现激光频率的锁定；第二束激光经过偏振分光棱镜15入射到声光调制器16，之后经过1/4波片17入射到全反射镜18，经全反射镜18的反射后，再次经过1/4波片17、声光调制器16以及物理系统前反射镜21输入到物理系统2。
31.偏振器件22，位于光学系统1到物理系统2的激光光路上，用于对光学系统1发出的激光进行起偏，产生的线偏振光射入物理系统2、与物理系统2铷泡26内的铷原子相互作用；
32.物理系统2包括磁屏蔽筒23、轴向磁场筒24、微波腔25、铷泡26和微波天线27，铷泡26放置在微波腔25中，微波腔25放置在轴向磁场筒24中，轴向磁场筒24放置于磁屏蔽筒23中；频率综合器31的输出微波通过微波腔25上的天线27馈入到微波腔25与铷泡26内的铷原子相互作用。
33.探测系统3，包括激光分束片37、第一探测器35、第二探测器36、信号采集处理器34、伺服环路33、压控晶振32以及频率综合器31；激光分束片37，位于物理系统2的输出光路上，用于将物理系统2输出的光分为两路；第一探测器35和第二探测器36分别位于激光分束片37分出的两路光路中，用于分别对激光分束片37分出的两路光信号进行探测；信号采集
处理器34，用于采集第一探测器35输出的第一信号和第二探测器36输出的第二信号，并将第一信号和第二信号的差除以第一信号和第二信号的和，得到法拉第旋转角度；伺服环路33基于法拉第旋转角度计算反馈电压信号，并将反馈电压信号反馈到压控晶振32上，晶振为频率综合器31的本地参考频率；频率综合器31的输出微波馈入到物理系统2与铷泡26内的铷原子相互作用。
34.作为本实施例的一种优选的实施方式，激光器11采用780nm或者795nm的半导体激光器。
35.作为本实施例的一种优选的实施方式，偏振器件22采用消光比100000：1的吸收型偏振片。
36.作为本实施例的一种优选的实施方式，激光分束片37采用沃拉斯顿棱镜。
37.作为本实施例的一种优选的实施方式，激光分束片37与偏振器件22的光轴角度成45度。
38.本发明将激光器11输出的小部分激光经过饱和吸收光谱13锁定到铷原子的跃迁频率上，大部分激光双次经过声光调制器16后，输入到物理系统2。激光经过物理系统2前的偏振片，变为线偏振光，与物理系统2中的铷原子相互作用。调节探测系统3中沃拉斯顿棱镜的角度，使其光轴与物理系统2入射光的偏振成45度，此时两个探测器探测的光强相同。打开整个原子钟的时序控制信号和频率综合器31，同时扫描微波频率综合器31的频率，用数据采集板卡对两个探测器的输出电压进行处理，将两个探测器的输出差除以两个探测器的输出和，获得旋转角度的ramsey条纹。通过伺服模块计算反馈电压，控制本地压控晶振32的电压，实现铷原子钟的闭环锁定。
39.假设探测光沿z轴传播，初始偏振方向在s平面里与x轴成0
°
，以左旋和右旋圆偏振为基矢，输入的探测偏振光可以表示为：
[0040][0041]
其中e0表示激光的振幅，k为波矢，w为激光的频率，和表示x轴和y轴的单位矢量。经过放置在磁场中的铷原子气室后，光的两个圆偏振具有不同的折射率，引起输出光的偏振发生旋转，即引发磁致光旋转效应(法拉第旋转效应)。在通常情况下，认为两个圆偏振光的衰减率相同，铷泡后的透射光可以表示为：
[0042][0043]
其中β表示衰减率，表示线偏振光的旋转角度。
[0044]
沃拉斯顿棱镜与入射光的偏振成45
°
，沃拉斯顿棱镜两个光轴矢量可以表示为φ为45度。采用两个相同的探测器进行探测，两个探测器的和(吸收法)为：
[0045][0046]
对于差分探测方法，此时两个探测器的差为：
[0047][0048]
探测光的旋转角度可以用公式(4)除以公式(3)得到：
[0049]
2δθ≈sin(2δθ)＝(p1‑
p2)/(p1+p2)
ꢀꢀ
(5)
[0050]
差分探测旋转角度公式(5)与吸收法公式(3)相比，消除了分子中的激光振幅e0和分母中的激光振幅e0，即采用该方法求取磁致旋光角度时，消除了激光功率的影响；同时采用两个相同的探测器，还可以将激光和探测器的共同噪声减掉，从而大大降低激光频率起伏对原子钟的影响。
[0051]
为了验证本发明的有益效果，对本发明进行了测试。测试中采用的铷原子能级如图2所示，参见图2(a)，激光波长采用795nm铷原子的d1线，在pop铷原子钟，首先是脉冲抽运激光将基态f＝2能级上原子抽运到f＝1基态上，实现原子数反转，然后是两个6.834ghz微波脉冲与原子的ramsey相互作用，最后是一束弱的探测光探测f＝2，m
f
＝0的原子布局数，获得原子钟信号。参见图2(b)，在探测阶段，通过探测5s
1/2
，f＝2，m
f
＝0到5p
1/2
，f’＝2，m
f
＝
‑
1和5p
1/2
，f’＝2，m
f
＝1，即σ
+
和σ
‑
两束圆偏振光与原子相互作用不同的散系数引起线偏振光的旋转角度变化，从而消除了激光功率的影响。当然，在抽运和探测阶段也可以选择其他的原子能级。
[0052]
图3是测量得到的ramsey条纹，微波脉冲面积为π/2，拉姆齐条纹的半高线宽是150hz，图3(a)为测量的两个光电探测器的和即通常的吸收法测量的ramsey条纹，图3(b)为测量的两个光电探测器的差(差分法)。图4为实验上获得的旋转角度的ramsey条纹，与吸收法具有相同的线宽。
[0053]
图5为测量的激光功率的阿兰方差，从图5可以看到本发明的激光功率稳定度要好于吸收法，随着时间的拉长，效果越明显，在万秒级旋转角度方法比吸收法提高了近1.3个量级，其激光功率的漂移率降低了近2个量级。可见本发明提供的pop铷原子钟可以大幅降低激光功率的起伏。
[0054]
本发明由于在计算法拉第旋转角度时并没有用到激光振幅，因此消除了激光功率的影响，大大降低了激光的强度噪声和功率起伏对原子钟稳定度的影响；同时采用两个相同的探测器，还可以将激光和探测器的共同噪声减掉，从而大大降低激光频率起伏对原子钟的影响。
[0055]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：

1.一种能够降低激光噪声的pop铷原子钟，其特征在于，包括：光学系统、物理系统、探测系统以及偏振器件；光学系统，用于产生激光；所述偏振器件，位于光学系统到物理系统的激光光路上，用于对光学系统发出的激光进行起偏，产生的线偏振光射入所述物理系统、与所述物理系统铷泡内的铷原子相互作用；所述探测系统，包括激光分束片、第一探测器、第二探测器、信号采集处理器、伺服环路、压控晶振以及频率综合器；所述激光分束片，位于所述物理系统的输出光路上，用于将物理系统输出的光分为两路；所述第一探测器和所述第二探测器分别位于所述激光分束片分出的两路光路中，用于分别对所述激光分束片分出的两路光信号进行探测；所述信号采集处理器，用于采集所述第一探测器输出的第一信号和所述第二探测器输出的第二信号，并将所述第一信号和所述第二信号的差除以所述第一信号和所述第二信号的和，得到法拉第旋转角度；所述伺服环路基于所述法拉第旋转角度计算反馈电压信号，并将所述反馈电压信号反馈到所述压控晶振上，晶振为所述频率综合器的本地参考频率；所述频率综合器的输出微波馈入到物理系统与铷泡内的铷原子相互作用。2.根据权利要求1所述的能够降低激光噪声的pop铷原子钟，其特征在于，所述光学系统包括激光器、分束器、饱和吸收光谱、激光锁频模块、偏振分光棱镜、声光调制器、1/4波片、全反射镜和物理系统前反射镜；激光器的输出激光经整形隔离后，通过分束器分成光强相对弱的第一束激光和光强相对强的第二束激光，所述第一束激光输入饱和吸收光谱，饱和吸收光谱电压输入到激光锁频模块，激光锁频模块将误差信号反馈到激光控制部分，以实现激光频率的锁定；第二束激光经过偏振分光棱镜入射到声光调制器，之后经过1/4波片入射到全反射镜，经全反射镜的反射后，再次经过1/4波片、声光调制器以及物理系统前反射镜输入到物理系统。3.根据权利要求1所述的能够降低激光噪声的pop铷原子钟，其特征在于，所述物理系统包括磁屏蔽筒、轴向磁场筒、微波腔、铷泡和微波天线，所述铷泡放置在所述微波腔中，所述微波腔放置在所述轴向磁场筒中，所述轴向磁场筒放置于所述磁屏蔽筒中；所述频率综合器的输出微波通过所述微波腔上的天线馈入到所述微波腔与所述铷泡内的铷原子相互作用。4.根据权利要求2所述的能够降低激光噪声的pop铷原子钟，其特征在于，所述激光器采用780nm或者795nm的半导体激光器。5.根据权利要求1所述的能够降低激光噪声的pop铷原子钟，其特征在于，所述偏振器件采用消光比100000：1的吸收型偏振片。6.根据权利要求1所述的能够降低激光噪声的pop铷原子钟，其特征在于，所述激光分束片采用沃拉斯顿棱镜。7.根据权利要求1或5所述的能够降低激光噪声的pop铷原子钟，其特征在于，所述激光分束片与所述偏振器件的光轴角度成45度。

技术总结

本发明公开了一种能够降低激光噪声的POP铷原子钟。该POP铷原子钟包括：光学系统、物理系统、探测系统和偏振器件。偏振器件，位于光学系统到物理系统的激光光路上；探测系统，包括激光分束片、第一探测器、第二探测器、信号采集处理器、伺服环路、压控晶振以及频率综合器；激光分束片，位于物理系统的输出光路上，用于将物理系统输出的光分为两路；第一探测器和第二探测器分别位于激光分束片分出的两路光路中；信号采集处理器将两探测器输出的差除以两探测器输出的和，得到法拉第旋转角度；伺服环路基于法拉第旋转角度计算反馈电压信号，并将反馈电压信号反馈到压控晶振上。本发明降低了激光的强度噪声和功率起伏对原子钟稳定度的影响。响。响。