[发明专利]基于极化调制的铷双光子跃迁光频标

说明书

本发明公开基于极化调制的铷双光子跃迁光频标，包括激光器，激光器的输出激光依次通过隔离器、半波片后入射偏振分束器，由偏振分束器分成第一透射光与第一反射光，第一反射光用于与光梳拍频比对以及频率输出，第一透射光通过光纤耦合为高斯光进入激光控制模块，激光控制模块输出零级光，零级光经偏振调制模块调制为圆偏振光入射量子鉴频模块，圆偏振光的偏振态半个周期内是左旋圆偏振，另外半个周期是右旋圆偏振，量子鉴频模块输出双光子跃迁信号到稳频模块，稳频模块分别与激光器的压电控制端和电流端口连接。本发明可以提高此光频标的短期频率稳定度。

技术领域

本发明涉及到原子频标技术领域，更具体涉及基于极化调制的铷双光子跃迁光频标。

背景技术

原子频标是以原子稳定的跃迁谱线做频率参考的一种高精度时间频率基准，其在导航、定位、通信、交通电力、军事国防和科学研究等领域应用广泛。目前商用的原子频标均是以微波波段的原子跃迁谱线作参考即微波频标，包括铷原子频标、铯原子频标和氢原子频标。进入二十一世纪以来，基于原子光频跃迁的光频标准则进入了快速发展期，其不确定度已经达到了E-18的水平，比目前性能最好的铯喷泉钟高了近两个量级。但是这些基于离子阱和光晶格的光频标通常需要复杂的系统来实现原子囚禁和钟子跃迁谱线探寻，因此往往只能在实验室环境下实现其功能，限制了应用范围。

近年来气泡型铷原子光频标技术逐步进入科研人员的视野，其采用铷气泡技术规避了光频标复杂的原子囚禁系统，并以精度更高的光频双光子跃迁作为频率参考，因此兼具小型化和高性能的特点。其原理如图1所示，铷原子发生5S_1/2到5D_5/2的光频禁戒跃迁，根据双光子跃迁选择定则，铷原子能发生基态F＝2到激发态F＝4、3、2、1的跃迁，且经计算得知跃迁几率依次减小。铷原子发生双光子跃迁后会发生5D_5/2到6P_3/2到5S_1/2的级联跃迁，在6P_3/2到5S_1/2的过程中会释放420nm的蓝色荧光，利用光电倍增管收集并通过放大器放大，可以得到用于观察双光子跃迁的荧光信号。

实验中可以只使用一台中心频率为778nm的激光器，通过反射镜或者高反膜产生两束反平行的激光激发铷原子发生双光子跃迁，在得到双光子跃迁信号后，将激光器频率锁定在跃迁几率最大的F＝2到F＝4双光子跃迁谱线峰值的中心频率处，然后进行参数优化，得到稳定的双光子光频标。

目前已知的文献中，均使用线偏振光激发铷的双光子跃迁。如图2所示，线偏振光激发的双光子跃迁(Δm_F＝0)对应的综合一阶塞曼频移量为0(可根据线偏光下所有双光子跃迁路径和相应跃迁几率得出)。圆偏振光也能激发双光子跃迁(Δm_F＝±2，正负号分别对应左右旋光)，理论计算表明圆偏光激发的双光子跃迁几率是线偏光对应的1.5倍左右，相应的跃迁信号强度也会增强为原来的1.5倍，但圆偏振光作用下，双光子跃迁对应的综合一阶塞曼频移量不为0，不利于得到高频率稳定度的光频标。如果在使用圆偏光提高信噪比的同时还能消除一阶塞曼频移，铷原子双光子光频标短期频率稳定度将得到提升。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供基于极化调制的铷双光子跃迁光频标，解决一阶塞曼频移的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于极化调制的铷双光子跃迁光频标，包括激光器，激光器的输出激光依次通过隔离器、半波片后入射偏振分束器，由偏振分束器分成第一透射光与第一反射光，第一反射光用于与光梳拍频比对以及频率输出，第一透射光通过光纤耦合为高斯光进入激光控制模块，激光控制模块输出零级光，零级光经偏振调制模块调制为圆偏振光入射量子鉴频模块，圆偏振光的偏振态半个周期内是左旋圆偏振，另外半个周期是右旋圆偏振，量子鉴频模块输出双光子跃迁信号到稳频模块，稳频模块分别与激光器的压电控制端和电流端口连接。