[发明专利]一种10mHz极窄线宽激光器及其实现方法

说明书

本发明公布了一种10mHz极窄线宽激光器及其实现方法，将类光栅速度谱技术应用在钙原子束或镱、铯等原子束光钟上产生极窄的谱线，随后通过高速伺服反馈给激光器，以此实现10mHz极窄线宽的激光器。10mHz极窄线宽激光器包括：657nm激光器、分光棱镜、超稳光学参考腔锁定系统、声光调制器、电光调制器组、原子炉、永磁铁组、激光系统、光电探测器、锁相放大器、声光调制器驱动和高速伺服反馈控制电路；所述激光系统采用423nm激光系统或431nm激光系统。采用本发明提供的技术方案，可将拉姆塞谱线信噪比相比传统方式提高近30倍，并将激光频率稳定至10mHz量级。

技术领域

本发明属于激光稳频技术领域，涉及一种10mHz极窄线宽激光器及其实现方法，利用多个电光调制器对激光器进行调制，使其光谱显现为类光栅谱，以此抽运钙原子束或镱、铯等原子束，提高原子利用率，从而实现高信噪比的拉姆塞谱线，并将该谱线用于激光频率稳定，以实现线宽极窄的激光器。

背景技术

超稳激光器以其优异的频率稳定性参与了基础物理研究和先进应用技术的飞速发展。例如引力波探测，超低相位噪声微波源等最新研究进展验证了超稳激光在突破传统物理边界方面的巨大作用。

目前，亚赫兹线宽级别的超稳激光器实现最常见的实现方法是通过将激光器锁定在超稳光学谐振腔来实现，这样实现的超稳激光器短期稳定度指标很好，但长期稳定度指标却恶化，解决方法是将超稳激光锁定到原子谱线上以提高长期稳定度。以此方法实现的光学时钟(光钟)即通过预稳定的激光来探测极窄的原子跃迁谱线，将几乎不受干扰的量子态和高相位相干性的激光器在这种方式的结合下，使光学时钟达到前所未有的10^-19测量精度，使得频率成为最精准的物理测量量。光学时钟促进了在光学领域重新对于秒的定义，广义相对论检验和基于时钟网络的全球位势动态变化的监测。但是，采用上述技术实现的光钟结构复杂、体积较大、并对环境要求苛刻，只能在实验室的环境中运行，难以搬运移动，不便于使用。

发明内容

本发明提出一种10mHz极窄线宽激光器及其实现方法，将类光栅速度谱技术应用在钙原子束(或镱、铯等原子束)光钟上产生极窄的谱线，随后通过高速伺服反馈给激光器，以此实现10mHz极窄线宽的激光器。

本发明提出的一种10mHz极窄线宽的激光器的组成包括：657nm激光器、分光棱镜、超稳光学参考腔锁定系统、声光调制器、电光调制器组、钙原子炉、永磁铁组、激光系统、光电探测器、锁相放大器、声光调制器驱动、高速伺服反馈控制电路。通过多个电光调制器调制，使得其光谱显现为类光栅谱，以此抽运钙原子，提高原子利用率，从而实现高信噪比的拉姆塞谱线，并将该谱线用于激光频率稳定，由此实现极窄线宽的激光器。上述极窄线宽的激光器实现方法并不局限于钙原子束光钟，也可应用于其他束管光钟如镱、铯等原子束。在钙原子束光钟的条件下，激光系统可采用423nm激光系统或431nm激光系统。

以下以钙原子束光钟为例，657nm用于激发钙原子；分光棱镜用于将激光分为反射光束信号和透射光束信号；超稳光学参考腔锁定系统用于锁定657nm激光器；锁相放大器用于产生调制信号输给声光调制器驱动；声光调制器驱动用于将调制信号加给声光调制器，驱动声光调制器；声光调制器用于调制通过声光调制器的激光，并将锁在超稳光学参考腔锁定系统上的激光频率与原子频率对应；电光调制器组用于将激光光谱显现为类光栅型；钙原子炉用于喷射出钙原子束；设置在钙原子束途径地方的永磁铁用于分裂钙原子的磁子能级，以利用更多钙原子；设置在激光系统附近的永磁铁用于产生汉勒效应以增加荧光探测强度；激光系统用于探测得到拉姆塞谱原子谱线；光电探测器用于探测原子发出的荧光信号，并将荧光信号转化为带有调制信息的电信号且输出给锁相放大器；锁相放大器用于对带有调制信息的电信号进行解调，得到的误差信号输送给高速伺服反馈控制电路；高速伺服反馈控制电路用于反馈控制声光调制器驱动以控制声光调制器，进一步压窄激光线宽。