[发明专利]一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法

说明书

本发明涉及原子钟技术领域，具体涉及一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，即当光频原子钟采用基于微腔光梳技术来产生所需光学频率梳信号时，可通过将微腔光频梳信号进行扩谱使得其光谱宽度达到一个倍频程后实现光频梳信号的自参考锁定，从而实现重复频率与经原子系统稳频的钟激光之间的直接锁定。本发明基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法，降低了光钟系统对于微腔光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，同时本方法仅需要一套微腔光梳系统和两路锁相环，系统复杂度低，具有良好的工程化前景，另外微腔光梳毫米级的尺寸和可片上集成的特性赋予了光频原子钟实现小型化甚至芯片化的潜力，极大地拓展光钟的应用前景。

技术领域

本发明涉及原子钟技术领域，具体涉及一种基于微腔光梳的光频原子钟的实现方法。

背景技术

原子钟通过将理论上只与原子能级有关的超稳定极窄线宽原子跃迁频率锁定到晶振上输出稳定度极高的标准频率信号，传统的微波原子钟都是利用原子超精细能级间的跃迁频率作为钟跃迁频率，如作为一级频标的铯原子喷泉钟就是将高稳晶振输出频率与铯原子频率为9.192631770GHz的超精细能级跃迁锁定。而光频原子钟则直接将处在光频段高达几百THz的原子跃迁频率经过光学频率梳分频到微波频段，从而将光频段原子跃迁频率的稳定度传递到微波频段，由于原子钟相对不稳定度与钟跃迁频率成反比，而光频原子钟利用的光频段跃迁频率比传统微波原子钟利用的微波频段跃迁频率高出4个数量级，因此光频原子钟的稳定度和不确定度指标已经全面超越了传统的微波原子钟。

光频原子钟的光频跃迁频率高达数百THz，不能直接通过电子器件直接精确测量，因此现有的光频原子钟都是利用锁模激光器(如Ti:sapphire锁模激光器、掺Er光纤锁模激光器和Er:Yb:Glass锁模激光器等)产生的飞秒光学频率梳来完成光频钟跃迁频率的分频，从而将其稳定度传递到微波频段。

光学频率梳本质上是极窄脉冲激光信号，它在频域上表现为一组频率间隔相等且相位锁定的激光谱线的合集，如图1所示。梳齿间频率间隔即光梳重复频率为f_rep，光梳整体初始偏置频率即初始频率为f_ceo，因此光学频率梳的每一根处在光频频段的梳齿频率都可以用射频频段的初始频率f_ceo和重复频率f_rep表示出来：f_n＝f_ceo+nf_rep，其中而n为正整数，这就使得光学频率梳就像一把以重复频率f_rep为刻度的频率尺，可以用来度量光学频段的频率。在光梳初始频率f_ceo与重复频率f_rep锁定的同时再通过锁相环将特定光学频率与光梳梳齿锁定，即可实现光学频率与重复频率f_rep之间的相干链接，从而将光学频率的稳定度映射到射频频段的重复频率f_rep上。

典型的光频原子钟系统是通过传统锁模激光器产生的飞秒光学频率梳来实现钟频光频率到微波频率间相干链接的，由锁模激光器产生的光学频率梳可以达到超过倍频程的谱宽，因此可以利用f-2f方案来探测初始频率f_ceo，进而将其通过锁相环与重复频率f_rep锁定实现整个光梳的自参考稳频。虽然基于锁模激光器的光学频率梳已经广泛应用于光频原子钟的工程化，但是锁模激光器昂贵的价格、较大的体积和较高的功耗都是制约着光频原子钟走向小型化和实用化的重要因素。现有的光钟体积都在百L甚至m³量级，因此现阶段的光频原子钟大多都是作为时间频率标准处在实验室阶段，难以广泛应用。

微腔光学频率梳技术的出现为克服传统锁模激光器在体积和功耗方面的劣势提供了优良的解决方案，与传统锁模激光器不同，微腔光学频率梳是利用毫米量级尺寸的光学微腔中局域化强光场激发非线性四波混频(FWM)效应产生的锁模光梳信号。相比于传统的锁模激光器，微腔光学频率梳在体积、功耗和系统复杂度方面具备巨大的优势，同时光学微腔制备工艺与传统半导体工艺高度兼容，赋予了其与电子芯片实现片上集成的潜力。微腔光梳是实现光频原子钟小型化甚至芯片化的重要技术路径。