[发明专利]基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟及其制备方法

说明书

本发明公布了一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟及其制备方法，包括窄线宽激光器、扩束器、半波片、偏振分光棱镜、相位调制器、用于激光稳频的铷原子泡、高速光电探测器、混频器、高速伺服反馈电路、射频信号源、激光驱动电源、凸透镜、声光调制器、用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡、晶振频综和控制电路部分；由射频信号源产生调制信号，输入相位调制器对泵浦激光进行相位调制，同时产生解调信号与来自光电探测器的信号进行混频解调，得到误差信号，再经高速伺服反馈电路控制激光驱动电源，实现基于调制转移谱的高稳定度窄线宽激光。将稳频后的激光作为光抽运铷原子钟的抽运激光，得到高性能的光抽运铷原子钟。

技术领域

本发明属于微波原子钟及微波量子频率标准技术领域，采用调制转移谱稳频的高性能窄线宽激光作为光抽运铷原子钟的抽运激光和探测激光，以实现一种高性能的光抽运铷原子钟。

背景技术

铷原子频标虽然只能是一种二级频标，但其量子部分的结构十分简单，便于制作和大批量生产，便于小型化且价格低廉，因此虽然它只能作为二级频标，但却具有广泛的应用。频率稳定度是衡量原子钟性能最重要的指标，因此基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟的频率稳定度也是其最重要的指标之一，其中抽运激光和探测激光的性能在很大程度上决定了其频率稳定度，因而提升抽运激光和探测激光的性能就能极大的提升铷原子钟的指标。

目前国际上通常采用线宽较宽的激光器，并结合饱和吸收谱或极化谱等稳频技术，将稳频后的激光作为激光抽运铷原子钟的抽运激光与探测激光，但线宽较宽的激光器会给钟系统引入频率噪声，制约了钟跃迁谱线信噪比的提高。此外，饱和谱稳频技术通常需要对激光器进行内调制，这样也会引入额外的频率噪声，且稳频激光稳定度受限于反馈环路带宽；极化谱稳频技术存在锁定参考零点随光功率等参数变化的问题，同时该稳频技术也受限于反馈环路带宽；所以目前通常采用的激光器和稳频技术限制了激光抽运铷原子钟稳定度指标的进一步提升。

发明内容

为了突破激光抽运铷原子钟信噪比和稳定度受限于激光线宽和稳定度的瓶颈，本发明采用使用基于调制转移谱稳频的窄线宽激光作为光抽运铷原子钟的抽运激光，以提高钟跃迁谱线的信噪比，从而实现高稳定度高性能的光抽运铷原子钟，进而提供了一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟的制备方法。

本发明提供一种基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟。调制转移光谱技术是一种激光外调制光谱技术，通过非线性介质的四波混频作用，将信号从调制光束向另一束未进行调制的光束转移的光谱技术。由于调制转移谱具有高信噪比的特性，相比于饱和吸收谱或极化谱等稳频技术可更好地降低激光频率噪声。将稳频后的激光作为光抽运铷原子钟的抽运激光，可以突破光抽运铷原子钟信噪比和稳定度受限于激光线宽和稳定度的瓶颈。

本发明中，基于调制转移谱的抽运激光的实现为由射频信号源产生调制信号，输入相位调制器对抽运激光进行相位调制，同时产生解调信号与来自光电探测器的信号在混频器中进行混频解调，得到误差信号。

本发明提供的基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟包括：窄线宽激光器、光斑扩束器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、相位调制器、用于激光稳频的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料)、高速光电探测器、光电探测器、混频器、高速伺服反馈电路、射频信号源、激光驱动电源、声光调制器、用于获得钟跃迁谱线的铷原子泡(包含保温磁屏蔽材料及微波腔)、晶振频综及控制电路部分。