[发明专利]基于微型原子气室的芯片主动光钟及其实现方法

说明书

本发明公布了一种基于微型原子气室的芯片主动光钟及其实现方法，包括：泵浦激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、激光相位调制器、微型原子气室、光电探测模块、综合电路控制系统和泵浦激光器驱动电源；本发明采用微型原子气室同时作为四能级主动光钟光学谐振腔和主动光钟量子参考系综，极大程度减小主动光钟系统的尺寸，同时有效减小因系统的分立结构引起的不稳定度因素对钟激光性能的限制，从而实现高性能的芯片主动光钟。

技术领域

本发明属于光频原子钟及光量子频率标准技术领域，尤其涉及一种采用微型原子气室端壁直接作为主动光钟光学谐振腔，从而实现芯片级尺寸的主动光钟及其实现方法。

背景技术

光频原子钟(以下称光钟)是目前能够产生最准确最稳定频率信号的科学装置，最好的光钟稳定度和不确定度指标都已经进入到10^-18量级。利用其突出的优异性能，光钟可在基础科学研究诸如精密物理测量、引力波暗物质探测等传统技术手段所不能实现的领域得到应用，甚至可以用于发现和认知物理新现象新规律。除此之外，光钟还可被广泛应用在守时授时、导航定位等领域。

传统光钟普遍采用被动的工作方式，依靠外部控制电路将窄线宽钟激光锁定在量子参考系综的量子跃迁谱线上。但由于腔体热噪声限制了钟激光的线宽，被动光钟指标的进一步提升仍存在较大困难。而且性能优异的被动光钟通常都存在系统体积庞大、系统结构复杂的问题，这都给光钟的应用带来挑战。主动光钟基于坏腔弱光反馈的受激辐射放大原理，可极大程度降低腔体热噪声对输出钟激光频率的扰动，克服目前光钟对本振钟激光线宽的依赖，从而实现高频率稳定度窄线宽的钟激光输出。为了实现主动光钟激光的受激辐射输出，需要在钟跃迁上下能级之间形成粒子数反转，这通常需要施加额外的激光束进行光泵浦。在现有技术[基于四能级量子系统的主动激光频率标准，专利号：ZL201210034325.2]中，为了避免由泵浦光引入的光频移效应，采用四能级方案，即钟跃迁和泵浦光稳频用量子跃迁是两组不同的能级。

但在实施过程中发现，在现有技术中，主动光钟光学谐振腔和钟量子参考原子气室都是彼此相互独立的，分立的系统结构不仅增大了系统尺寸，使高性能光钟的实验室外应用面临挑战，而且分立的系统结构增加了系统的不稳定度的因素，影响最终输出钟激光的性能，例如给钟量子参考原子气室加热时，高温导致的原子气室壁的热膨胀量和光学谐振腔的热膨胀量是不一样的，这将使得钟激光的性能受多因素影响。

发明内容

为解决上述现有技术的不足，本发明采用微型原子气室同时作为四能级主动光钟光学谐振腔和主动光钟量子参考系综，来实现主动光钟系统，通过器件的集成极大程度减小主动光钟系统的尺寸，同时有效减小因系统的分立结构引起的不稳定度因素对钟激光性能的限制，从而实现高性能的芯片主动光钟，并提供一种基于微型原子气室的芯片主动光钟的实现方法。

本发明的一个目的在于提出一种基于微型原子气室的芯片主动光钟。

本发明的基于微型原子气室的芯片主动光钟包括：泵浦激光器、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、激光相位调制器、微型原子气室、光电探测模块、综合电路控制系统和泵浦激光器驱动电源。

泵浦激光器依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；

第一偏振分光棱镜后分为两路：泵浦激光稳频光路和主动光钟泵浦光路；泵浦激光稳频光路依次连接第二半波片和第二偏振分光棱镜；主动光钟泵浦光路连接微型原子气室平面镜一端；

第二偏振分光棱镜之后分为两路：光强较强一束经激光相位调制器被第三偏振分光棱镜反射至微型原子气室中；光强较弱一束依次经微型原子气室和第三偏振分光棱镜，被光电探测模块接收；

光电探测模块连接综合电路控制系统，由综合电路控制系统对光电探测模块信号进行调制解调，并产生伺服信号伺服泵浦激光器驱动电源；