[发明专利]一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟及其控制方法

说明书

本发明公开了一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟及其控制方法。本发明集成应用四方面技术：超窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器、调制转移谱、窄线宽碱金属原子跃迁谱线和快速相位调制反馈，创新性地实现高稳定度的小型激光频率标准，将激光器发出的激光波长锁定在碱金属原子的跃迁谱上；探测光和泵浦光的光强可以独立控制，更好地实现激光频率的锁定；调制转移谱技术可以有效地避免低频噪声的干扰，同时具有更加平坦的背底；本发明集成创新带来性能指标上的飞跃式提升，所实现的高稳定度的小型激光频率标准，秒级稳定度达到10^‑14，其稳定度指标上超过目前国际上碱金属原子所有的其他波段光频量子频率标准和长度标准两个数量级。

技术领域

本发明属于原子钟与频率标准技术领域，具体涉及一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟及其控制方法。

背景技术

随着半导体激光器技术的迅速发展以及半导体激光器性能的不断提高，半导体激光器被广泛应用于激光光谱、激光冷却、原子分子物理、光频原子钟等基础研究领域。自由运转的半导体激光器的输出频率是一个随时间变化的不规则量，受温度、电流等参数波动的影响，频率会产生大的漂移和增宽。伴随光频原子钟等基础研究领域对更高稳定度的追求，对激光器的性能也提出了更高的要求，要求激光器的输出频率更加稳定。为了提高激光频率的稳定系，可以依靠一个高稳定的参考频率源对激光腔进行自动频率微调，在动态平衡中保持输出激光频率不变。这种参考频率源可以是一个高稳定的无源腔，也可以是原子或分子的谱线。为了实现激光频率的长期稳定度，需要将激光频率锁定在原子的跃迁谱线上。

常用的激光稳频技术主要有饱和吸收谱技术、极化谱技术等非线性光谱技术。其中，饱和吸收谱技术是最常见的激光稳频方法，但它需要在激光频率上加调制信号，再由稳频电路解调后产生误差信号反馈到激光器。由于加了调制信号，使得激光输出频率和幅度受影响，引入额外的噪声。极化谱技术是一种不需要调制机制即可产生误差信号的原子光谱技术，但其较宽的带宽会引入更高的低频噪声，同时实际零点值会随着光功率等因素的变化而发生改变，因而也受到了一定限制。

发明内容

为了克服饱和吸收谱和极化谱等稳频技术的不足，本发明提供一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟及其控制方法，采用调制转移谱技术，调制频率在射频频段，同时结合相敏检测技术实现外差探测，有效地避免低频噪声的干扰，提高误差信号的信噪比，实现高性能的碱金属小光钟。

本发明的一个目的在于提出一种基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟。

本发明的基于调制转移谱稳频的碱金属小光钟包括：激光器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一偏振分光棱镜、碱金属原子、玻璃泡、第二偏振分光棱镜、相位调制器、磁屏蔽盒、光电探测器、混频器、信号发生器、伺服反馈电路和激光电源；其中，玻璃泡中充有碱金属原子和缓冲气体，玻璃泡置于磁屏蔽盒中；激光电源驱动激光器发出激光；激光经过第一半波片由第一偏振分光棱镜分成强度不相等的两束激光，通过旋转第一半波片与第一偏振分光棱镜之间的角度，调节两束激光的强度；强度较弱的激光作为探测光，强度较强的激光作为泵浦光，泵浦光和探测光的偏振方向互相垂直；探测光经过第二半波片进入玻璃泡中；信号发生器为相位调制器提供驱动信号，泵浦光经过相位调制器，相位调制器对泵浦光进行相位调制，使得泵浦光在主频的基础上具有两个边带；泵浦光经第三半波片和第二偏振分光棱镜反射后进入玻璃泡；相位调制器与第三半波片的位置可互换；在玻璃泡中，泵浦光的主频和两个边带与探测光的主频，以碱金属原子为介质发生相互作用，通过非线性的四频混频效应，泵浦光的两个边带被调制到探测光上，从而探测光具有主频和两个边带；探测光经第二偏振分光棱镜由光电探测器接收，探测光的边带与主频拍频；拍频信号传输至混频器，信号发生器为混频器提供参考信号，与拍频信号进行调制解调，从而解调出高性能的调制转移谱信号；调制转移谱信号通过伺服反馈电路反馈回激光电源，从而将激光器发出的激光波长锁定在碱金属原子的跃迁谱上。