CN112152079A - 调制转移谱稳频dfb激光的光抽运小铯钟及实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种基于调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟及实现方法，包括调制转移谱稳频DFB激光***、分光平片、声光调制器、小铯钟的真空物理***和小铯钟的综合电路***；将调制转移谱稳频的DFB激光作为抽运光和探测光，真空物理***产生的微波激励场与铯原子进行拉姆塞相互作用，扫描微波激励场的频率，探测激光探测基态铯原子的粒子数，得到钟跃迁谱线信号；综合电路***采集到钟跃迁谱线信号，经调制解调伺服控制电路反馈给综合电路***中的晶体振荡器，得到高频率稳定度的钟信号。
Description
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，涉及一种调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟及实现方法。
背景技术
铯原子微波钟广泛应用于卫星定位、高精密光谱和守时授时等领域，在量子频率标准领域起到至关重要的地位。商用光抽运小铯钟在卫星导航地面站、数字通信同步网及长波导航路基站等领域的作用也将大为可观。光抽运商用小铯钟的频率稳定性与光抽运激光的频率稳定性密切相关，解决激光稳频关键技术难题对提高商用小铯钟的整体性能必不可少。
光抽运小铯钟的***主要由激光、物理***和电路***组成，其中激光部分若是处于自由运转状态，激光器的腔长会受温度、气压及振动的影响导致频率随时间发生漂移。目前用于光抽运小铯钟的激光部分通常采用半导体激光器结合饱和谱稳频技术或极化谱稳频技术得到稳频激光。饱和谱稳频技术通常对激光器频率进行内调制，调制噪声会影响激光工作电流和温度的变化，其得到的饱和谱背景中有一定的直流本底，且整个饱和谱处于漂动状态，从而影响激光频率的稳定性；相较于饱和谱稳频技术，极化谱稳频技术有效地消除了部分多普勒背景的漂移，直接提高了激光的短期稳定性和频率锁定效果，但其在低频波段的稳频效果较差，同时，环路带宽会影响锁频范围，导致锁频范围较窄。因此，目前商用的光抽运小铯钟中激光器和稳频***的选用限制了小铯钟的频率稳定度和准确度的进一步提升。
中国发明专利申请CN201910738468.3公开的基于调制转移谱稳频窄线宽激光的光抽运小铯钟主要是针对调制转移谱稳频外腔半导体激光器窄线宽激光的光抽运小铯钟，其功能受限于外腔式结构的窄线宽激光器对温度和机械振动很敏感，容易出现模式跳变，需要特殊的智能控制技术才能实现长期的频率锁定。另中国发明专利申请CN2019109616524公开的一种应用轴对称多级磁铁的光抽运铯原子钟主要是通过轴对称六级磁铁束光学***对铯原子进行空间聚焦的方式解决原子利用效率的问题。
发明内容
为了解决商用光抽运小铯钟的频率稳定度和频率准确度受限于长期稳频的高性能激光器及其相关的激光探测钟信号的信噪比的问题，本发明提供一种调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟及实现方法，首次创新性地提出采用调制转移谱技术对结构紧凑、抗震能力较强且适合长时间工作的DFB激光进行稳频，得到超高性能且可以连续锁频光抽运小铯钟的抽运光和探测光，从而近数量级地提高小铯钟信号的信噪比，实现一种超高性能指标且可以长期连续运转的光抽运小铯钟。
调制转移谱稳频DFB激光***是利用DFB激光器和调制转移谱稳频***两个模块得到频率稳定的DFB激光，是在DFB激光器的基础上增加了稳频***。本发明将调制转移谱稳频DFB激光应用在光抽运小铯钟中，其技术优势体现在：首先，在现有的学术文献和发明专利中，没有出现过利用调制转移谱稳频的DFB激光来实现激光抽运小铯钟，本发明提出的是一种新颖的调制转移谱稳频的DFB激光来作为抽运激光和探测激光的光抽运小铯钟，对于小铯钟信号的信噪比有数量级的提高；其次，在现有的调制转移谱稳频技术中得到的激光频率波动在百kHz量级，本发明的DFB激光经调制转移谱稳频***后得到的反馈信号直接施加给DFB激光器来实现较大带宽范围内的频率噪声压制，实现更低频率噪声的连续频率锁定稳频DFB激光，其激光频率波动最优可以达到几十Hz量级，较现有技术提高了四个数量级，在技术参数上取得显著的进步。再次，相比于外腔半导体激光器，DFB激光器体积小且性能稳定，控温集成在一起比较方便，其纵模间隔达到百GHz量级，对于降低商用小铯钟的体积、重量和功耗具有特殊的优势。最后，本发明提出的基于调制转移谱稳频的DFB激光适用性很强，可以应用在原子磁力仪、激光陀螺仪等精密仪器以及精密光谱研究等基础研究领域。
相比于CN201910738468.3公开的基于调制转移谱稳频窄线宽激光的光抽运小铯钟，本发明DFB激光体积小不受振动影响、温度非常容易控制、无跳模间隔高达300GHz，结合调制转移谱技术以后，频率波动最优可达到几十Hz量级。
本发明的调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟包括：调制转移谱稳频DFB激光***、分光平片、声光调制器、小铯钟的真空物理***和小铯钟的综合电路***。其中小铯钟的真空物理***为光抽运小铯钟提供量子频率参考；小铯钟的综合电路***包括晶体振荡器、调制解调伺服控制电路。调制转移谱稳频DFB激光***连接分光平片，DFB稳频激光经分光平片之后分为两束，一束经声光调制器移频后作为抽运激光，另一束作为探测激光，抽运激光和探测激光两束光进入小铯钟的真空物理***，小铯钟的真空物理***连接小铯钟的综合电路***。
具体地，调制转移谱稳频DFB激光***输出的DFB稳频激光通过分光平片分为两束激光，一束经声光调制器移频至负一级衍射光，作为小铯钟的真空物理***的抽运激光，对应铯原子6S1/2F＝4—6P3/2F’＝4的跃迁，另一束光作为小铯钟的真空物理***的探测激光，对应铯原子的6S1/2F＝4—6P3/2F’＝5的跃迁。抽运激光将处于6S1/2F＝4态的小铯钟的真空物理***中的铯原子全部抽运至6S1/2F＝3态，小铯钟的真空物理***产生的微波激励场与铯原子进行拉姆塞相互作用，使处于6S1/2F＝3态的原子跃迁到6S1/2F＝4态。探测激光对6S1/2F＝4态铯原子的粒子数进行探测，得到钟跃迁谱线信号；钟跃迁谱线信号由小铯钟的综合电路***进行采集，由小铯钟的综合电路***中的调制解调伺服控制电路反馈给小铯钟的综合电路***中晶体振荡器，得到超高稳定度的稳定控制，从而实现一种可以长期连续运转的调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟。
其中，DFB激光器的驱动电源有激光电流反馈端口及其他高速响应端口，DFB激光器有外部调制响应端口，使其能够通过外部输入信号的方式实现对激光频率的更高精度控制，在现有技术中，激光电流及其他高速响应端口响应带宽低，DFB激光器的外部调制响应端口能够将较宽范围内的频率噪声进行压制。当DFB激光经过调制转移谱稳频***后得到的反馈信号直接施加给DFB激光器来实现较大带宽范围内的频率噪声压制，进而实现高速稳定的信号反馈机制，实现更低频率噪声且连续频率锁定的DFB激光。
优选地，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟***中DFB激光器可以是DBR(Distributed Bragg Reflector)半导体激光器等。
优选地，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟中声光调制器可以是电光调制器等移频器件。
优选地，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟中，为了使激光和原子束流充分相互作用，可以在抽运激光和探测激光在进入小铯钟的真空物理***前通过扩束器扩大光斑尺寸使其完全覆盖原子束流，提高钟谱线信号信噪比。
本发明的另一个目的在于提供调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟的实现方法，具体实施步骤如下：
1)激光电源驱动基于调制转移谱稳频DFB激光器输出DFB稳频激光，经过分光平片分为两束激光，一束经声光调制器移频至负一级衍射光作为小铯钟的真空物理***的抽运光，另一束光作为小铯钟的真空物理***的探测光；
2)探测激光与小铯钟的真空物理***中的铯原子垂直相互作用，由荧光探测器探测得到铯原子循环跃迁自发辐射信号，抽运激光对处于6S1/2F＝4态的原子全部抽运至6S1/ 2F＝3态；
3)小铯钟的真空物理***产生的微波激励场与原子进行拉姆塞相互作用，使处于6S1/2F＝3态的原子跃迁到6S1/2F＝4态；
4)扫描微波激励场的频率，荧光探测得到的钟跃迁谱线信号由小铯钟的综合电路***进行采集，并由小铯钟的综合电路***中的调制解调伺服控制电路反馈给小铯钟的综合电路***中晶体振荡器，得到超高稳定度的频率控制，从而实现一种可以长期连续运转的调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟。
在步骤1)中，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟***中DFB激光器可以是DBR(Distributed Bragg Reflector)半导体激光器等。
在步骤1)中，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟***中声光调制器可以是电光调制器等移频器件；
在步骤2)中，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟中，为了使激光和原子束流充分相互作用，可以在抽运激光和探测激光在进入小铯钟的真空物理***前通过扩束器扩大光斑尺寸使其完全覆盖原子束流，提高谱线信号信噪比。
在步骤3)中，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟中，微波激励场可以由微波信号源直接产生。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟***装置及实现方法，其技术优势体现在：
1.在现有的学术文献和发明专利中，没有出现过利用调制转移谱稳频的DFB激光来实现激光抽运小铯钟，本发明提出的是一种新颖的调制转移谱稳频的DFB激光来作为抽运激光和探测激光的光抽运小铯钟，对于小铯钟信号的信噪比有数量级的提高；
2.在现有的调制转移谱稳频技术中得到的激光频率波动在百kHz量级("Frequency stabilization of DFB laser via modulation transfer spectroscopy,"Proc.SPIE 10256,Second International Conference on Photonics and OpticalEngineering,102560P)，本发明的DFB激光经调制转移谱稳频***后得到的反馈信号直接施加给DFB激光器来实现较大带宽范围内的频率噪声压制，实现更低频率噪声的连续频率锁定稳频DFB激光，其激光频率波动最优可以达到几十Hz量级，较现有技术提高了四个数量级，在技术参数上取得显著的进步。
3.相比于外腔半导体激光器，DFB激光器体积小且性能稳定，控温集成在一起比较方便，其纵模间隔达到百GHz量级，对于降低商用小铯钟的体积、重量和功耗具有特殊的优势。
4.本发明提出的调制转移谱稳频的DFB激光适用性很强，可以应用在原子磁力仪、激光陀螺仪等精密仪器以及精密光谱研究等基础研究领域。
本发明结合DFB激光器、调制转移谱稳频技术和大带宽反馈技术可以光抽运小铯钟钟跃迁谱线信噪比提升数个数量级，实现一种超高性能指标且可以长期连续运转的光抽运小铯钟。本发明能够突破商用光抽运小铯钟受限于长期稳频的高性能激光器及其相关的激光探测钟信号的信噪比的瓶颈，进一步实现高性能的商用光抽运小铯钟。
附图说明
图1为本发明实施例中的调制转移谱稳定DFB激光频率的小铯钟***的结构示意图；
其中：1—调制转移谱稳频 DFB激光***、2—分光平片、3—声光调制器、4_—小铯钟的真空物理***和5—小铯钟的综合电路***。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
本发明提供的调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟包括：调制转移谱稳频DFB激光***、分光平片、声光调制器、小铯钟的真空物理***和小铯钟的综合电路***。具体实施时，调制转移谱稳频DFB激光***输出的DFB稳频激光通过分光平片分为两束激光，一束经声光调制器移频至负一级衍射光，作为小铯钟的真空物理***的抽运激光，对应铯原子6S1/2F＝4—6P3/2F’＝4的跃迁，另一束光作为小铯钟的真空物理***的探测激光，对应铯原子的6S1/2F＝4—6P3/2F’＝5的跃迁。抽运激光将处于6S1/2F＝4态的小铯钟的真空物理***中的铯原子全部抽运至6S1/2F＝3态，小铯钟的真空物理***产生的微波激励场与铯原子进行拉姆塞相互作用，使处于6S1/2F＝3态的原子跃迁到6S1/2F＝4态。探测激光对6S1/2F＝4态铯原子的粒子数进行探测，得到钟跃迁谱线信号；钟跃迁谱线信号由小铯钟的综合电路***进行采集，由小铯钟的综合电路***中的调制解调伺服控制电路反馈给小铯钟的综合电路***中晶体振荡器，得到超高稳定度的稳定控制，从而实现一种可以长期连续运转的调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟。
其中，DFB激光器的驱动电源有激光电流反馈端口及其他低速响应端口，DFB激光器有外部调制响应端口，其能够通过外部输入信号的方式实现对激光频率更高精度控制，在现有技术中，激光电流及其他低速响应端口响应带宽低，DFB激光器的外部调制响应端口能够将较宽范围内的频率噪声进行压制。当DFB激光经过调制转移谱稳频***后得到的反馈信号直接施加给DFB激光器来实现较大带宽范围内的频率噪声压制，进而实现高速稳定的信号反馈机制，实现更低频率噪声且连续频率锁定的DFB激光。
具体实施时，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟***中DFB激光器可以是DBR半导体激光器等。
具体实施时，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟中声光调制器可以是电光调制器等移频器件。
具体实施时，调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟中，为了使激光和原子束流充分相互作用，可以在抽运激光和探测激光在进入小铯钟的真空物理***前通过扩束器扩大光斑尺寸使其完全覆盖原子束流，提高钟谱线信号信噪比。
为使得本发明的上述特征和优点更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图详细说明如下。图1为本发明实施例子的调制转移谱稳频DFB激光的小铯钟***的结构示意图；。调制转移谱稳频DFB激光的小铯钟***包括：调制转移谱稳频DFB激光***1、分光平片2、声光调制器3、小铯钟的真空物理***4和小铯钟的综合电路***5。
调制转移谱稳频DFB激光***1输出激光通过分光平片2分为两束激光，一束经声光调制器3移频至负一级衍射光作为小铯钟的真空物理***4的抽运激光，对应铯原子6S1/ 2F＝4—6P3/2F’＝4的跃迁，另一束光作为小铯钟的真空物理***4的探测激光，对应铯原子的6S1/2F＝4—6P3/2F’＝5的跃迁。抽运激光对小铯钟的真空物理***4中处于6S1/2F＝4态的原子抽运至6P3/2F’＝4态，6P3/2F’＝4态的原子自发辐射到6S1/2F＝3态和6S1/2F＝4态,原子在持续抽运下处于6S1/2F＝4态的原子抽运至6S1/2F＝3态。小铯钟的真空物理***4产生的微波激励场与原子进行拉姆塞相互作用，使处于6S1/2F＝3态的原子跃迁到6S1/2F＝4态。探测激光对6S1/2F＝4态的粒子数进行探测，得到的钟跃迁谱线信号由小铯钟的综合电路***5进行采集，由小铯钟的综合电路***5中的调制解调伺服控制电路反馈给小铯钟的综合电路***5中晶体振荡器，得到超高稳定度的稳定控制，从而实现一种可以长期连续运转的基于调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟。
本发明具体实施时，DFB激光经过调制转移谱稳频***后得到的反馈信号直接施加给DFB激光器来实现较大带宽范围内的频率噪声压制。稳频后的探测光和抽运光可以分别进行光强控制，通过优化光强比例，得到最大的误差信号，方便***的激光频率锁定；光抽运小铯钟***中稳频的DFB激光器可以是DBR半导体激光器等。光抽运小铯钟中声光调制器可以是电光调制器等移频器件。为了使激光和原子束流充分相互作用，可以在抽运激光和探测激光在进入小铯钟的真空物理***前通过扩束器扩大光斑使其完全覆盖原子束流，提高谱线信号信噪比。
最后需要注意的是，上述实施例仅是为了说明本发明的工作原理，而非用于限制本发明的范围。具体地，为了提供商用型稳定激光器稳频***，发明适用于基于调制转移谱稳频DFB激光或DBR激光，为本领域技术人员所熟知，因此不再赘述。本领域技术人员应当理解，对本发明技术方案进行修改或同等替换，并不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神与范围。因此，本发明的保护范围以权利要求书所限定者为准。
Claims (10)
1.一种调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟的实现方法，包括如下步骤：
1)激光电源驱动调制转移谱稳频DFB激光器输出DFB稳频激光，经过分光平片分为两束激光；一束激光经声光调制器移频至负一级衍射光，作为小铯钟的真空物理***的抽运光；另一束激光作为小铯钟的真空物理***的探测光；
2)探测激光与小铯钟的真空物理***中的铯原子垂直相互作用，由荧光探测器探测得到铯原子循环跃迁自发辐射信号；抽运激光将处于6S1/2F＝4态的铯原子全部抽运至6S1/2F＝3态；
3)小铯钟的真空物理***产生的微波激励场与铯原子进行拉姆塞相互作用，使处于6S1/2F＝3态的铯原子跃迁到6S1/2F＝4态；
4)扫描微波激励场的频率，荧光探测得到钟跃迁谱线信号，由小铯钟的综合电路***进行采集；并由小铯钟的综合电路***中的调制解调伺服控制电路反馈给小铯钟的综合电路***中的晶体振荡器，得到超高稳定度的频率控制；
通过上述步骤，实现一种可长期连续运转的调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟。
2.如权利要求1所述调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟的实现方法，其特征是，在步骤1)中，调制转移谱稳频DFB激光器采用调制转移谱稳频DBR半导体激光器。
3.如权利要求1所述调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟的实现方法，其特征是，在步骤1)中，声光调制器采用移频器件，包括电光调制器。
4.如权利要求1所述调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟的实现方法，其特征是，在步骤2)中，在抽运激光和探测激光在进入小铯钟的真空物理***前，通过扩束器扩大光斑尺寸，使得完全覆盖原子束流，激光和原子束流充分相互作用，从而提高谱线信号信噪比。
5.如权利要求1所述调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟的实现方法，其特征是，在步骤3)中，微波激励场由微波信号源直接产生。
6.一种调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟，其特征是，包括：调制转移谱稳频DFB激光***、分光平片、声光调制器、小铯钟的真空物理***和小铯钟的综合电路***；其中，调制转移谱稳频的DFB激光***用于发出DFB稳频激光；小铯钟的真空物理***用于为光抽运小铯钟提供量子频率参考；小铯钟的综合电路***包括晶体振荡器和调制解调伺服控制电路；
调制转移谱稳频DFB激光***连接分光平片；调制转移谱稳频的DFB激光***发出的DFB稳频激光经分光平片之后分为两束，一束经声光调制器移频后作为抽运激光，另一束作为探测激光；抽运激光和探测激光进入小铯钟的真空物理***，真空物理***连接综合电路***；
真空物理***产生的微波激励场与铯原子进行拉姆塞相互作用，使铯原子跃迁；探测激光对跃迁态铯原子的粒子数进行探测，得到钟跃迁谱线信号；综合电路***采集到钟跃迁谱线信号，由综合电路***中的调制解调伺服控制电路反馈给综合电路***中的晶体振荡器，得到超高稳定度的频率控制，即构成可长期连续运转的调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟。
7.如权利要求6所述调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟，其特征是，DFB稳频激光通过分光平片分为两束激光，一束激光经声光调制器移频至负一级衍射光，作为小铯钟的真空物理***的抽运激光，对应铯原子6S1/2F＝4—6P3/2F’＝4的跃迁；另一束激光作为小铯钟的真空物理***的探测激光，对应铯原子的6S1/2F＝4—6P3/2F’＝5的跃迁；抽运激光将处于6S1/2F＝4态的小铯钟的真空物理***中的铯原子全部抽运至6S1/2F＝3态，真空物理***产生的微波激励场与铯原子进行拉姆塞相互作用，使处于6S1/2F＝3态的原子跃迁到6S1/2F＝4态；探测激光对6S1/2F＝4态铯原子的粒子数进行探测，得到钟跃迁谱线信号。
8.如权利要求6所述调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟，其特征是，DFB激光器的驱动电源设有激光电流反馈端口及高速响应端口，DFB激光器设有外部调制响应端口，使得能够通过外部输入信号的方式实现对激光频率的更高精度控制，将较宽范围内的频率噪声进行压制；当DFB激光经过调制转移谱稳频***后，得到的反馈信号直接施加给DFB激光器来实现较大带宽范围内的频率噪声压制，进而实现高速稳定的信号反馈机制，实现更低频率噪声且连续频率锁定的DFB激光。
9.如权利要求6所述调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟，其特征是，DFB激光器为DBR半导体激光器；和/或，声光调制器为电光调制器移频器件。
10.如权利要求6所述调制转移谱稳频DFB激光的光抽运小铯钟，其特征是，在抽运激光和探测激光进入真空物理***前，通过扩束器扩大光斑尺寸，使得完全覆盖原子束流。
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