一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟及其制备方法

1.本发明涉及光学频率标准技术领域，特别涉及一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟及其制备方法。背景技术：2.由于碱土元素(或类碱土元素)最外层有两个价电子，会产生位于光频段跃迁的长寿命自旋三重态，因此碱土金属通常被选择作为光频原子钟(又称为光钟)的量子参考。碱土元素产生的三重态一方面能够提供窄线宽的跃迁能级，有利于实现窄线宽的精细光谱以用于光频原子钟的量子频率参考，此外该三重态可与其他能态通过量子操控的方式进行粒子数的转移，便于实现激光冷却与陷俘、重泵浦等操作。3.以碱土元素中钙元素为例，钙原子的自旋单重态和自旋三重态跃迁分别位于激光器技术已经相当成熟的蓝光波段和红光波段，为钙原子束光钟的实现奠定了基础。现如今普遍使用转移探测技术制备钙原子束光钟，其原理是由于657nm跃迁与423nm跃迁享有一个共同的基态，因此可以利用423nm跃迁的荧光信号来提取钟跃迁信号，以得到钙原子束光钟。4.在转移探测技术中，通常使用偏频锁定或内调制锁定的方法将探测光直接稳定在所对应原子跃迁的中心频率上。虽然偏频锁定方法，不需对探测光进行调制，但是难以保证探测光的锁定精度；而内调制锁定方法需要对激光器进行内调制，在对激光器进行内调制的过程中容易引入探测激光的功率和频率噪声，对钟跃迁谱线的探测及锁定带来影响，恶化光钟的稳定度。技术实现要素：5.本发明提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟，该原子束光钟稳定性高，应用范围广。6.本发明提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟的制备方法，该制备方法能够制备出稳定的原子束光钟。7.本发明提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟，其中，包括：657nm超稳激光系统、钙原子炉、原子束管、423nm窄线宽激光器、半波片、偏振分光棱镜、电光调制器、第一光电探测器、信号放大器、混频器、第一伺服反馈控制电路、声光调制器、第二光电探测器、信号源以及第二伺服反馈控制电路；8.其中，所述钙原子炉喷射钙原子形成钙原子束，所述原子束管套设于所述钙原子束外部，所述原子束管沿喷射方向依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗；9.所述423nm窄线宽激光器的出光端朝向所述半波片，所述半波片的出光端朝向所述偏振分光棱镜；10.所述信号源的第一信号输出端与所述电光调制器的信号输入端连接，所述偏振分光棱镜出射的423nm透射光经所述电光调制器进入所述原子束管前窗，产生第一荧光信号；11.所述第一光电探测器的信号输出端与所述信号放大器的信号输入端连接，所述信号放大器的信号输出端与所述混频器的第一信号输入端连接，所述信号源的第二信号输出端与所述混频器的第二信号输入端连接；12.所述第一光电探测器被配置为探测并转化所述第一荧光信号以得到电信号，所述电信号依次经过所述第一光电探测器、所述信号放大器以及所述混频器的处理后得到误差信号；13.所述混频器的信号输出端与所述第一伺服反馈控制电路的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制电路的信号输出端与所述423nm窄线宽激光器的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制电路根据所述误差信号对所述423nm窄线宽激光器进行反馈控制；14.所述657nm超稳激光系统的出光端朝向所述声光调制器，所述声光调制器出射的657nm出射光进入所述原子作用区；15.所述偏振光分光棱镜出射的423nm反射光进入所述原子束管后窗，得到第二荧光信号；16.所述第二光电探测器的信号输出端与所述第二伺服反馈控制电路的信号输入端连接，所述第二伺服反馈控制电路的信号输出端与所述声光调制器的信号输入端连接，所述第二光电探测器被配置为探测所述第二荧光信号，所述第二伺服反馈控制电路用于根据所述第二荧光信号调控所述声光调制器。17.如上所述的原子束光钟，其中，所述信号源包括信号发生器。18.如上所述的原子束光钟，其中，还包括第一反射镜，所述第一反射镜用于使所述423nm透射光射入所述原子束管前窗。19.如上所述的原子束光钟，其中，还包括第二反射镜，所述第二反射镜用于使经声光调制器调制后的所述657nm激光射入所述原子作用区。20.如上所述的原子束光钟，其中，还包括第三反射镜，所述第三反射镜用于使所述423nm反射光射入所述原子束管后窗。21.如上所述的原子束光钟，其中，所述423nm窄线宽激光器选自窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器或窄线宽光栅外腔半导体激光器。22.如上所述的原子束光钟，其中，还包括分光镜，所述声光调制器的出光端朝向所述分光镜，657nm激光经所述声光调制器进入所述分光镜，所述分光镜出射的657nm反射光进入所述原子作用区。23.本发明提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟的制备方法，其中，所述制备方法用于制备如上所述的原子束光钟，包括以下步骤：24.钙原子炉喷射钙原子形成喷射形成钙原子束，原子束管套设于钙原子束外部，所述原子束管沿喷射方向依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗；25.经423nm窄线宽激光器出光端出射的423nm激光依次通过半波片、偏振分光棱镜得到423nm透射光以及423nm反射光；26.电光调制器根据信号源提供的调制信号对所述423nm透射光进行调制，使调制后的所述423nm透射光进入所述原子束管前窗，形成荧光信号；27.使用第一光电探测器探测所述第一荧光信号并且将所述第一荧光信号转化为电信号，所述电信号依次经过所述第一光电探测器以及信号放大器进入所述混频器，所述混频器将信号源提供的解调信号与所述电信号进行混频处理得到误差信号；28.第一伺服反馈控制电路根据所述误差信号对所述423nm窄线宽激光器进行反馈控制；29.使用声光调制器对657nm超稳激光系统出光端出射的657nm激光进行调制，使所述调制后的657nm激光进入所述原子作用区；30.使所述423nm反射光进入所述原子束管后窗，得到第二荧光信号；31.使用第二光电探测器探测所述第二荧光信号，所述第二荧光信号经过所述第二光电探测器进入所述第二伺服反馈控制电路，所述第二伺服反馈控制电路根据所述第二荧光信号调控所述声光调制器。32.如上所述的原子束光钟的制备方法，其中，所述信号源包括信号发生器。33.如上所述的原子束光钟的制备方法，其中，还包括使用分光镜对所述声光调制器出射的657nm激光进行分光得到657nm反射光，所述657nm反射光进入所述原子作用区。34.本发明的探测光应用外调制锁定的原子束光钟，423nm透射光进入原子束管前窗之前经电光调制器进行调制，使用电光调制器对423nm透射光进行调制的操作能够避免向系统中引入额外的频率噪声，有利于提升423nm激光的稳定性，进而有利于形成稳定度更高的原子束光钟。35.本发明的探测光应用外调制锁定的原子束光钟的制备方法，使用电光调制器对423nm透射光进行外调制，能够避免引入额外的频率噪声，提高423nm激光的稳定性，通过转移探测的方式锁定657nm钟激光信号，进而有利于形成稳定度更高的原子束光钟。附图说明36.为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面对本发明实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。37.图1为本发明一些实施方式中探测光应用外调制锁定的原子束光钟的结构示意图。38.附图标记说明：39.1：657nm超稳激光系统；40.2：钙原子炉；41.3：423nm窄线宽激光器；42.4：半波片；43.5：偏振分光棱镜；44.6：电光调制器；45.7：信号源；46.8：第一光电探测器；47.9：信号放大器；48.10：混频器；49.11：第一伺服反馈控制电路；50.12：声光调制器；51.13：第二光电探测器；52.14：第二伺服反馈控制电路；53.15：第一反射镜；54.16：第二反射镜；55.17：原子束管。具体实施方式56.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。57.图1为本发明一些实施方式中探测光应用外调制锁定的原子束光钟的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟，包括：657nm超稳激光系统1、钙原子炉2、原子束管17、423nm窄线宽激光器3、半波片4、偏振分光棱镜5、电光调制器6、第一光电探测器8、信号放大器9、混频器10、第一伺服反馈控制电路11、声光调制器12、第二光电探测器13、信号源7以及第二伺服反馈控制电路14；58.其中，钙原子炉2喷射钙原子形成钙原子束，原子束管17套设于钙原子束外部，原子束管17沿喷射方向依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗；59.423nm窄线宽激光器3的出光端朝向半波片4，半波片4的出光端朝向偏振分光棱镜5；60.信号源7的第一信号输出端与电光调制器6的信号输入端连接，偏振分光棱镜5出射的423nm透射光经电光调制器6进入原子束管前窗，形成第一荧光信号；61.第一光电探测器8的信号输出端与信号放大器9的信号输入端连接，信号放大器9的信号输出端与混频器10的第一信号输入端连接，信号源7的第二信号输出端与混频器10的第二信号输入端连接；第一光电探测器8被配置为探测并转化第一荧光信号以得到电信号，该电信号依次经过第一光电探测器8、信号放大器9以及混频器10的处理后得到误差信号；62.混频器10的信号输出端与第一伺服反馈控制电路11的信号输入端连接，第一伺服反馈控制电路11的信号输出端与423nm窄线宽激光器3的信号输入端连接，第一伺服反馈控制电路11根据误差信号对423nm窄线宽激光器3进行反馈控制；63.657nm超稳激光系统1的出光端朝向声光调制器12，声光调制器12出射的657nm出射光进入原子作用区；64.偏振分光棱镜5出射的423nm反射光进入原子束管后窗，得到第二荧光信号；65.第二光电探测器13的信号输出端与第二伺服反馈控制电路14的信号输入端连接，第二伺服反馈控制电路14的信号输出端与声光调制器12的信号输入端连接，第二光电探测器13被配置为探测第二荧光信号，第二伺服反馈控制电路14用于根据第二荧光信号调控声光调制器12。66.本发明的钙原子炉2用于喷射钙原子，钙原子形成钙原子束，原子束管17套设在钙原子束的外部，原子束管17沿原子的喷射方向上依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗。可以理解，原子束管前窗靠近钙原子炉2的喷射口，原子束管后窗远离钙原子炉2的喷射口，原子作用区位于原子束管前窗与原子束管后窗之间。67.本发明中，423nm窄线宽激光器3用于发射423nm窄线宽激光，423nm窄线宽激光从423nm窄线宽激光器3的出光端出射进入半波片4，经半波片4的出光端出射进入偏振分光棱镜5，经偏振分光棱镜5分光后得到423nm透射光以及423nm反射光。68.信号源7的第一信号输出端输出的调制信号经电光调制器6的信号输入端进入电光调制器6，电光调制器6根据第一信号对423nm透射光进行调制，423nm透射光经电光调制器6调制后进入原子束管前窗，在原子束管前窗中，423nm透射光对应原子的跃迁谱线，并且得到第一荧光信号。69.该第一荧光信号被第一光电探测器8接收且探测后转化为电信号，电信号从第一光电探测器8的信号输出端输出经信号放大器9的信号输入端进入信号放大器9进行放大，放大后的电信号从信号放大器9的信号输出端输出经混频器10的第一信号输入端进入混频器10中，信号源7的第二信号输出端输出的解调信号经混频器10的第二信号输入端进入混频器10中，混频器10将解调信号与电信号进行混频，得到误差信号。70.误差信号从混频器10的信号输出端输出经第一伺服反馈控制电路11的信号输入端进入第一伺服反馈控制电路11，第一伺服反馈控制电路11根据误差信号对423nm窄线宽激光器3进行反馈控制，从而实现423nm窄线宽激光的外部调制以及锁定。71.本发明的657nm超稳激光系统1，是一种工作原理为pdh激光稳频技术、用于形成极窄线宽657nm激光的集成光电系统。657nm超稳激光系统1所形成的657nm激光是一种超稳的657nm极窄线宽激光。本发明中，657nm激光从657nm超稳激光系统1的出光端出射进入声光调制器12，经声光调制器12调制后进入原子作用区，与原子作用区中的原子相互作用。72.423nm反射光进入原子束管后窗，与657nm激光作用后的原子继续作用形成第二荧光信号；73.在原子束管后窗处使用第二光电探测器13接收第二荧光信号，并将第二荧光信号转化为电信号，携带第二荧光信号信息的电信号从第二光电探测器13的信号输出端输出，经第二伺服反馈控制电路14的信号输入端进入第二伺服反馈控制电路14，第二伺服反馈控制电路14根据接收到的信号得到调控信号，调控信号从第二伺服反馈控制电路14的信号输出端输出经声光调制器12的信号输入端进入声光调制器，使声光调制器12对657nm激光进行调控。74.本发明对钙原子炉2不做特别限定，凡是能够喷射钙原子形成钙原子束的器件都属于本发明的保护范围之内。75.本发明对用于探测原子的跃迁谱线的形式不做特别限定，可以选用本领域常用的谱线探测方法，例如，多普勒谱、饱和谱或拉姆塞谱。76.本发明对657nm超稳激光系统1不做特别限定，凡是能够形成超稳的657nm窄线宽激光的器件都属于本发明的保护范围之内。在一些实施方式中，657nm超稳激光系统1包括：657nm窄线宽激光器、657nm电光调制器、657nm偏振分光棱镜、λ/4波片、光学腔、657nm光电探测器以及657nm伺服反馈控制电路；其中，657nm窄线宽激光器发射的原始657nm激光经657nm电光调制器调制后依次进入657nm偏振分光棱镜、λ/4波片以及光学腔得到携带光学腔信息的657nm反射光，使用657nm光电探测器对657nm反射光信号进行探测，657nm反射光信号经657光电探测器进入657nm伺服反馈控制电路，657nm伺服反馈控制电路根据光学腔信息对657nm窄线宽激光器进行调控，以得到657nm激光。77.本发明对423nm窄线宽激光器3不做特别限定，凡是能够发射423nm窄线宽激光的器件都属于本发明的保护范围之内。在一些实施方式中，423nm窄线宽激光器3选自窄线宽光栅外腔半导体激光器或窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器。78.本发明对原子束管17、半波片4、偏振分光棱镜5、电光调制器6、信号源7、第一光电探测器8、信号放大器9、混频器10、第一伺服反馈控制电路11、声光调制器12、第二光电探测器13以及第二伺服反馈控制电路14都不做特别限定，可以选用本领域常用的原子束管17、半波片4、偏振分光棱镜5、电光调制器6、信号源7、第一光电探测器8、信号放大器9、混频器10、第一伺服反馈控制电路11、声光调制器12、第二光电探测器13以及第二伺服反馈控制电路14。在一些实施方式中，第一伺服反馈控制电路11、第二伺服反馈控制电路14、信号放大器9以及混频器10可以为集成电路器件，也可以为分立电路器件；信号源7可以为信号发生器。79.本发明中，第二光电探测器13与第一光电探测器8可以相同，也可以不相同，第二伺服反馈控制电路14与第一伺服反馈控制电路11可以相同，也可以不相同。80.本发明的原子束光钟，423nm透射光进入原子束管前窗之前使用电光调制器6对423nm透射光进行外调制的操作可以避免向原子束光钟中引入额外的频率噪声，有利于形成稳定度指标更高的原子束光钟。尤其是，所形成的钙原子束光钟不仅稳定性好，综合性能优异，而且能够进行搬运，使得钙原子束光钟能够在实验室外运行，有利于拓宽钙原子束光钟的应用范围。81.可以理解，当原子使用包括锶原子在内的其他原子时，只需要相应的改变激光的波长即可。82.本发明中，可以通过设置反射镜使423nm透射光射入原子束管前窗，使423nm反射光射入原子束光后窗，使调制后的657nm激光射入原子作用区。83.具体地，可以使原子束光钟还包括第一反射镜15，经偏振分光棱镜5出射的423nm透射光射入第一反射镜15，第一反射镜15对423nm透射光进行反射，改变423nm透射光的光路方向，使423nm透射光射入原子束管前窗84.可以使原子束光钟还包括第二反射镜16，经声光调制器12出射的657nm激光射入第二反射镜16，第二反射镜16对调制后的657nm激光进行反射，改变调制后的657nm激光的光路方向，使调制后的657nm激光射入原子作用区。85.可以使原子束光钟还包括第三反射镜，经偏振光分光棱镜5出射的423nm反射光射入第三反射镜，第三反射镜对423nm反射光进行反射，改变423nm反射光的光路方向，使423nm反射光射入所述原子束管前窗。86.本发明中对第一反射镜15、第二反射镜16以及第三反射镜不做特别限定，可以使用本领域常用的反射镜，本发明中第一反射镜15、第二反射镜16以及第三反射镜可以相同，也可以不相同。87.在本发明的一些实施方式中，原子束光钟还包括分光镜，声光调制器12的出光端朝向分光镜，657nm激光经声光调制器12进入分光镜，分光镜出射的657nm反射光进入原子作用区。88.本发明中，经声光调制器12出光端出射的657nm激光进入分光镜，经分光镜分光后的657nm反射光进入原子作用区与原子相互作用，经分光镜分光后的657nm透射光可以用于实际应用。89.本发明的第二方面提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟的制备方法，该制备方法用于制备上述的原子束光钟，包括以下步骤：90.s1：钙原子炉2喷射钙原子形成钙原子束，原子束管17套设于钙原子束外部，原子束管17沿喷射方向依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗；91.s2：经423nm窄线宽激光器3出光端出射的423nm激光依次通过半波片4、偏振分光棱镜5得到423nm透射光以及423nm反射光；92.电光调制器6根据信号源7提供的调制信号对423nm透射光进行调制，使调制后的423nm透射光进入原子束管前窗，产生第一荧光信号；93.使用第一光电探测器8探测并转化第一荧光信号，得到电信号，电信号依次经过第一光电探测器8以及信号放大器9进入混频器10，混频器10将信号源7提供的解调信号与电信号进行混频处理得到误差信号；94.第一伺服反馈控制电路11根据误差信号对423nm窄线宽激光器3进行反馈控制；95.s3：使用声光调制器12对657nm超稳激光系统1出光端出射的657nm激光进行调制，使调制后的657nm激光进入原子作用区；96.s4：使423nm反射光进入原子束管后窗，得到第二荧光信号；97.s5：使用第二光电探测器13探测包含钟信息的第二荧光信号，第二荧光信号经过第二光电探测器13进入第二伺服反馈控制电路14，第二伺服反馈控制电路14根据第二荧光信号调控声光调制器12。98.具体地，s1包括：加热钙原子炉2，使钙原子炉2喷射钙原子以形成钙原子束，套设在钙原子束外部的原子束管17沿原子束喷射方向依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗。99.s2包括：打开423nm窄线宽激光器3，使423nm窄线宽激光器3出射423nm窄线宽激光，使423nm窄线宽激光依次通过半波片4以及偏振分光棱镜5，偏振分光棱镜5会对进入的423nm窄线宽激光进行分光，使423nm窄线宽激光分为423nm透射光以及423nm反射光两束光线；100.然后使423nm透射光射入电光调制器6中，电光调制器6根据信号源7提供的调制信号对423nm透射光进行调制，将经电光调制器6调制后的423nm透射光射入步骤s1中的原子束管前窗，产生第一荧光信号；101.接着使用第一光电探测器8探测并且转化原子束管前窗中产生的第一荧光信号得到电信号，然后利用信号放大器9对电信号进行放大，将放大后的电信号输入至混频器10中，混频器10将信号源提供的解调信号与放大后的电信号进行混频处理，得到误差信号；102.将误差信号输入至第一伺服反馈控制电路11，第一伺服反馈控制电路11根据误差信号对423nm窄线宽激光器3进行反馈控制，从而得到更加稳定的423nm窄线宽激光，进而得到更加稳定的423nm透射光以及423nm反射光。103.s3包括：打开657nm超稳激光系统1，使657nm超稳激光系统1发射657nm激光，然后将657nm激光射入声光调制器12，利用声光调制器12对657nm激光进行调制，接着令调制后的657nm激光射入原子作用区，调制后的657nm激光与原子作用区中的原子相互作用；104.s4包括：使423nm反射光进入原子束管后窗，423nm反射光会与657nm激光作用后的原子继续作用，形成第二荧光信号；105.s5包括：使用第二光电探测器13探测第二荧光信号，第二荧光信号经过第二光电探测器13进入第二伺服反馈控制电路14，第二伺服反馈控制电路14根据第二荧光信号调制声光调制器12。106.本发明的原子束光钟的制备方法，在423nm窄线宽激光器3的外部，使用电光调制器6对423nm透射光进行调制，能够避免向原子束光钟中引入额外的噪声频率，有利于提高原子束光钟的稳定性，并且该制备方法，操作简单，有利于广泛使用。107.在本发明的一些实施方式中，原子束光钟的制备方法，还包括使用分光镜对声光调制器12出射的657nm激光进行分光得到657nm反射光，657nm反射光进入原子作用区。108.本发明中，经声光调制器12出光端出射的657nm激光进入分光镜，经分光镜分光后的657nm反射光进入原子作用区与原子相互作用，经分光镜分光后的657nm透射光可以用于实际应用。通过此设置，能够实现对657nm激光实时调控，输出稳定性更高的657nm激光。109.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。