一种基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟及其实现方法

1.本发明涉及光学频率标准技术领域，特别涉及一种基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟及其实现方法。背景技术：2.光频原子钟(光钟)是通过将预稳定的激光来探测极窄的原子跃迁谱线形成的。在光钟的形成过程中，几乎不受干扰的量子态和高相位相干性的激光器相结合，能够产生高稳定度的激光源。现如今，光钟在基础物理研究和先进应用技术方面等研究进展中发挥着巨大的作用，促进了在光学领域对于秒的重新定义。其中，先进应用技术方面包括引力波探测、超低相位噪声微波源、广义相对论检验和基于时钟网络的全球位势动态变化的检测等。3.然而，现有的冷原子光钟具有体积庞大以及系统结构复杂的缺点，因而难以搬离实验室并实现室外应用，限制了冷原子光钟在与时频相关领域的发展。虽然热原子束光钟相较于现有冷原子光钟体积更小，可以搬运，但是现有的热原子束光钟还存在稳定性较差的缺点。技术实现要素：4.本发明提供一种基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟，稳定度高，应用范围广泛。5.本发明提供一种基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟的实现方法，该实现方法能够得到稳定的原子束光钟。6.本发明提供一种基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟，其中，包括：包括：657nm激光器、超稳激光稳频系统、第一分光镜、光放大器、光斑缩束装置、声光调制器、钙原子炉、423nm激光器、第二分光镜、原子束管、光电探测器以及伺服反馈控制电路；7.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，所述原子束管沿钙原子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；8.所述423nm激光器的出光端朝向所述第一分光镜，所述第一分光镜出射的423nm透射光进入所述原子束管前窗，产生423nm钙原子跃迁谱线，用于将423nm激光器锁定在原子谱线上；9.所述657nm激光器的出光端朝向所述第二分光镜，所述第二分光镜的反射光出光端朝向所述超稳激光稳频系统，所述超稳激光稳频系统的信号输出端与所述657nm激光器的伺服信号输入端连接；10.所述第二分光镜的透射光出光端朝向所述光放大器，所述光放大器的出光端朝向所述声光调制器，所述声光调制器的出光端朝向所述光斑缩束装置，所述第二分光镜的透射光出光端出射的657nm透射光依次经光放大器、声光调制器以及所述光斑缩束装置进入所述原子作用区，产生657nm钟跃迁谱线；11.所述第一分光镜出射的423nm反射光进入所述原子束管后窗，得到钟跃迁信号；12.所述光电探测器的信号输出端与所述伺服反馈控制电路的信号输入端连接，所述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，所述光电探测器被配置为探测并转化所述钟跃迁信号以得到误差信号，所述伺服反馈控制电路用于根据所述误差信号反馈控制所述声光调制器。13.如上所述的原子束光钟，其中，还包括第一反射镜，所述光斑缩束装置出射的657nm透射光经m次反射形成4束657nm透射光，4束657nm透射光分别进入所述原子作用区，m≥3。14.如上所述的原子束光钟，其中，4束657nm透射光相互平行。15.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所述423nm透射光射入所述原子束管前窗。16.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反射光垂直进入所述原子束管后窗。17.如上所述的原子束光钟，其中，还包括第三分光镜，所述声光调制器的出光端朝向所述第三分光镜，657nm激光经所述声光调制器进入所述第三分光镜，所述第三分光镜出射的657nm透射光进入所述光斑缩束装置。18.本发明还提供一种基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟的实现方法，其中，所述实现方法用于实现如上所述的原子束光钟，包括以下步骤：19.钙原子炉喷射钙原子形成钙原子束，原子束管套设于所述钙原子束外部，所述原子束管沿钙原子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；20.经423nm激光器的出光端出射的423nm激光进入第一分光镜，得到423nm透射光以及423nm反射光；21.使所述423nm透射光进入所述原子束管前窗，得到423nm钙原子跃迁谱线；22.经657nm激光器的出光端出射的657nm激光进入第二分光镜，得到657nm透射光以及657nm反射光；23.所述657nm反射光进入所述超稳激光稳频系统得到误差信号，根据所述误差信号对所述657nm激光器进行锁定；24.所述657nm透射光依次经所述光放大器、所述声光调制器以及所述光斑缩束装置进入所述原子作用区，产生657nm钟跃迁谱线；25.使所述423nm反射光进入所述原子束管后窗，得到钟跃迁信号；26.使用光电探测器探测并转化所述钟跃迁信号得到误差信号，所述误差信号经光电探测器的信号输出端进入伺服反馈控制电路，所述伺服反馈控制电路根据误差信号反馈控制声光调制器。27.如上所述的原子束光钟的实现方法，其中，还包括，使所述光斑缩束装置出射的657nm透射光经m次反射形成4束657nm透射光，4束657nm透射光分别进入所述原子作用区，m≥3。28.如上所述的原子束光钟的实现方法，其中，4束657nm透射光相互平行。29.如上所述的原子束光钟的实现方法，其中，还包括使用第三分光镜对所述声光调制器出射的657nm激光进行分光，经第三分光镜出射的657nm透射光进入所述光斑缩束装置。30.本发明的基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟，光斑缩束装置能够对依次经光放大器、声光调制器处理后的657nm透射光进行缩束处理，得到光斑面积为微米量级的657nm透射光，光斑面积为微米量级的657nm透射光进入原子作用区中，能够与原子作用区中的钙原子相互作用纳秒量级的时间，从而实现相互作用的渡越时间(657nm透射光与原子作用区的钙原子相互作用的渡越时间)与原子的速率分布精确匹配，有利于大幅度提升原子束光钟内非零速原子的利用效率和谱线的信噪比，降低原子束光钟量子投影的噪声极限，提高原子束光钟的稳定性。31.本发明的基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟的实现方法，使用光斑缩束装置依次对经光放大器、声光调制器处理后的657nm透射光进行缩束，并结合拉姆塞谱光谱技术，压缩拉姆塞谱光谱脉冲宽度至纳秒量级，以精准匹配原子的速率分布与激光相互作用的渡越时间，提升原子利用效率和谱线信噪比，降低光钟量子投影噪声极限，提高原子束光钟的稳定性。附图说明32.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。33.图1为本发明一些实施方式中基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟的结构示意图。34.附图标记说明：35.1：657nm激光器；36.2：超稳激光稳频系统；37.3：第一分光镜；38.4：光放大器；39.5：光斑缩束装置；40.6：声光调制器；41.7：钙原子炉；42.8：423nm激光器；43.9：第二分光镜；44.10：光电探测器；45.11：伺服反馈控制电路；46.12：第一反射镜；47.13：第二反射镜。具体实施方式48.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。49.图1为本发明一些实施方式中基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟，包括：657nm激光器1、超稳激光稳频系统2、第一分光镜3、光放大器4、光斑缩束装置5、声光调制器6、钙原子炉7、423nm激光器8、第二分光镜9、原子束管、光电探测器10以及伺服反馈控制电路11；50.其中，钙原子炉7喷射钙原子形成钙原子束，原子束管套设于钙原子束外部，原子束管沿钙原子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；51.423nm激光器8的出光端朝向第一分光镜3，第一分光镜3出射的423nm透射光进入原子束管前窗，产生423nm钙原子跃迁谱线，用于将423nm激光器锁定在原子谱线上；52.657nm激光器1的出光端朝向第二分光镜9，第二分光镜9的反射光出光端朝向超稳激光稳频系统2，超稳激光稳频系统2的信号输出端与657nm激光器1的伺服信号输入端连接；53.第二分光镜9的透射光出光端朝向光放大器4，光放大器4的出光端朝向声光调制器6，声光调制器6的出光端朝向光斑缩束装置5，第二分光镜9的透射光出光端出射的657nm透射光依次经光放大器4、声光调制器6以及光斑缩束装置5进入原子作用区，产生657nm钟跃迁谱线；54.第一分光镜3出射的423nm反射光进入原子束管后窗，得到钟跃迁信号；55.光电探测器10的信号输出端与伺服反馈控制电路11的信号输入端连接，伺服反馈控制电路11的信号输出端与声光调制器6的信号输入端连接，光电探测器10被配置为探测并转化钟跃迁信号以得到误差信号，伺服反馈控制电路11用于根据误差信号反馈控制声光调制器6。56.本发明的钙原子炉7用于喷射钙原子，形成钙原子束。原子束管套设于钙原子束的外部，原子束管沿原子的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。可以理解，原子束管前窗靠近钙原子炉7的喷射口，原子束管后窗远离钙原子炉7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。57.本发明中，423nm激光器8用于发射423nm激光，423nm激光从423nm激光器8的出光端出射进入第一分光镜3，经第一分光镜3分光后得到423nm透射光以及423nm反射光。其中，423nm透射光进入原子束管前窗，产生423nm钙原子跃迁谱线，用于将423nm激光器锁定在原子谱线上。58.本发明的657nm激光器1用于发射657nm激光，657nm激光从657nm激光器1的出光端出射进入第二分光镜9，经第二分光镜9分光后得到657nm透射光以及657nm反射光。59.本发明的超稳激光稳频系统2，是一种工作原理为pdh激光稳频技术、用于提高657nm激光稳定性的集成电光路系统。本发明中，657nm反射光进入超稳激光稳频系统2中，经超稳激光稳频系统2处理后得到伺服信号，伺服信号经超稳激光稳频系统2的信号输出端输出，从657nm激光器1的信号输入端进入657nm激光器1，对657nm激光器1进行预稳频锁定，以出射高稳定度的窄线宽657nm激光。60.657nm透射光进入光放大器4提升光强，经光放大器4的出光端出射进入声光调制器6进行调制，然后从声光调制器6的出光端出射并进入光斑缩束装置5进行缩束处理，使657nm透射光的光斑面积为微米量级，光斑面积为微米量级的657nm透射光进入原子作用区与原子作用区中的钙原子相互作用，用于产生钟跃迁谱线。61.423nm反射光进入原子束管后窗，与原子束管后窗中的钙原子相互作用探测钟跃迁信号。62.在原子束管后窗处使用光电探测器10探测钟跃迁信号，将探测得的信号转化为误差信号并从光电探测器10的信号输出端输出，经伺服反馈控制电路11的信号输入端进入伺服反馈控制电路11，伺服反馈控制电路11根据接收到的误差信号得到伺服控制电压，伺服控制电压从伺服反馈控制电路11的信号输出端输出经声光调制器6的信号输入端进入声光调制器6，使声光调制器6对657nm激光进行反馈控制。63.本发明对钙原子炉7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。64.本发明超稳激光稳频系统2不做特别限定，凡是能够使657nm激光器1出射超稳的657nm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，超稳激光稳频系统2包括：657nm电光调制器、657nm偏振光分光棱镜、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反射光经657nm电光调制器调制后依次进入657nm偏振光分光棱镜、λ/4波片以及光学腔得到657nm超稳反射光，使用657nm光电探测器对657nm超稳反射光信号进行探测并将测得的信号转化为657nm误差信号，657nm误差信号经657nm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该误差信号对657nm激光器1进行调控，以得到超稳的窄线宽657nm激光。65.本发明对657nm激光器1、第一分光镜3、光放大器4、光斑缩束装置5、声光调制器6、423nm激光器8、第二分光镜9、原子束管、光电探测器10以及伺服反馈控制电路11不做特别限定，可以选用本领域常用的657nm激光器1、第一分光镜3、光放大器4、光斑缩束装置5、声光调制器6、423nm激光器8、第二分光镜9、原子束管、光电探测器10以及伺服反馈控制电路11。66.本发明的原子束光钟，光斑缩束装置5能够将依次经光放大器4、声光调制器6处理后的657nm透射光进行缩束处理，得到光斑面积为微米量级的657nm透射光，光斑面积为微米量级的657nm透射光进入原子作用区中，能够与原子作用区中的钙原子相互作用纳秒量级的时间，从而实现相互作用的渡越时间(657nm透射光与钙原子相互作用的渡越时间)与原子的速率分布精确匹配，有利于大幅度提升原子束光钟内非零速原子的利用效率和谱线的信噪比，降低原子束光钟量子投影的噪声极限，提高原子束光钟的稳定性。67.尤其是，所形成的基于拉姆塞谱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，使得基于拉姆塞谱的钙原子束光钟能够在实验室外运行，有利于拓宽基于拉姆塞谱的钙原子束光钟的应用范围。68.可以理解，本发明的基于纳秒脉冲拉姆塞谱原子束光钟不限于钙原子束，也能够适用于其他原子束，例如，镱原子束、铯原子束等。69.在本发明的一些实施方式中，原子束光钟还包括第一反射镜12，光斑缩束装置5出射的657nm透射光经m次反射形成4束657nm透射光，4束657nm透射光分别进入原子作用区，m≥3。70.本发明中，利用第一反射镜12对光斑缩束装置5出射的657nm透射光进行反射，改变光斑缩束装置5出射的657nm透射光的光路方向，形成4束657nm透射光，4束657nm透射光分别进入原子作用区，4束657nm透射光与原子作用区中的钙原子相互作用，形成拉姆塞谱形式的657nm钟跃迁谱线。71.如图1所示，在本发明的一些实施方式中，使用七个第一反射镜12改变657nm透射光的光路方向形成4束相互平行的657nm透射光，4束657nm透射光分别进入原子作用区与423nm钙原子跃迁谱线上的钙原子相互作用，用于形成稳定的基于拉姆塞谱的原子束光钟。72.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反射光射入原子束管后窗。73.例如，原子束光钟还包括第二反射镜13，第二反射镜13用于改变423nm透射光的光路方向，使423nm透射光射入原子束管前窗。74.原子束光钟还包括第三反射镜，第三反射镜用于改变423nm反射光的光路方向，使423nm反射光射入原子束管后窗。75.本发明中对第一反射镜12、第二反射镜13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12、第二反射镜13以及第三反射镜可以相同，也可以不相同。76.在本发明的一些实施方式中，原子束光钟还包括第三分光镜，声光调制器6的出光端朝向第三分光镜，657nm激光经声光调制器6进入第三分光镜，第三分光镜出射的657nm透射光进入光斑缩束装置5。77.本发明中，经声光调制器6出光端出射的657nm激光进入第三分光镜，经第三分光镜分光后的657nm透射光进入光斑缩束装置5，经第三分光镜分光后的657nm反射光可以用于实际应用。78.本发明中，第三分光镜可以选用本领域常用的分光镜，第三分光镜可以与第二分光镜13、第一分光镜11相同，也可以与第二分光镜13、第一分光镜11不同。79.本发明的第二方面提供一种基于纳秒脉冲拉姆塞谱的原子束光钟的实现方法，该实现方法用于实现上述的原子束光钟，包括以下步骤：80.钙原子炉7喷射钙原子形成钙原子束，原子束管套设于钙原子束外部，原子束管沿钙原子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；81.经423nm激光器8的出光端出射的423nm激光进入第一分光镜3，得到423nm透射光以及423nm反射光；82.使423nm透射光进入原子束管前窗，得到423nm钙原子跃迁谱线，用于将423nm激光器锁定在原子谱线上；83.经657nm激光器1的出光端出射的657nm激光进入第二分光镜9，得到657nm透射光以及657nm反射光；84.657nm反射光进入超稳激光稳频系统2得到误差信号，根据误差信号对657nm激光器1进行锁定；85.657nm透射光依次经光放大器4、声光调制器6以及光斑缩束装置5进入原子作用区，产生657nm钟跃迁谱线；86.使423nm反射光进入原子束管后窗，得到钟跃迁信号；87.使用光电探测器探测10并转化钟跃迁信号得到误差信号，误差信号经光电探测器10的信号输出端进入伺服反馈控制电路11，伺服反馈控制电路11根据误差信号反馈控制声光调制器6。88.具体地，该实现方法包括：给钙原子炉7加热升温，使钙原子炉7喷射钙原子以形成钙原子束，套设于钙原子束外部的原子束管沿原子的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；89.启动423nm激光器8，使423nm激光器8发射的423nm激光进入第一分光镜3，第一分光镜3会对423nm激光进行分光，使423nm激光分为423nm透射光以及423nm反射光两束光线；90.然后使423nm透射光进入原子束管前窗，得到423nm钙原子跃迁谱线，用于将423nm激光器锁定在原子谱线上；91.启动657nm激光器1，使657nm激光器1发射的657nm激光进入第二分光镜9，第二分光镜9会对657nm激光进行分光，使657nm激光分为657nm透射光以及657nm反射光两束光线；92.然后使657nm反射光进入超稳激光稳频系统2，得到误差信号，然后根据误差信号对657nm激光器1进行锁定，以得到稳定的窄线宽657nm激光；93.稳定的657nm激光经第二分光镜9分光，得到稳定的657nm透射光，稳定的657nm透射光进入光放大器4以提升光强，然后经声光调制器6调制后，进入光斑缩束装置5缩小657nm透射光的光斑面积至微米量级，将调制以及缩束处理后的657nm透射光射入原子作用区，657nm透射光与原子作用区的钙原子相互作用，产生657nm钟跃迁谱线；94.使423nm反射光进入原子束管后窗，在原子束管后窗中，423nm反射光与钙原子作用，得到钟跃迁信号；95.使用光电探测器10探测钟跃迁信号，光电探测器10将探测到的钟跃迁信号转化为误差信号，并将误差信号输入至伺服反馈控制电路11，伺服反馈控制电路11根据误差信号能够实现对声光调制器6的反馈控制。96.本发明的原子束光钟的实现方法，使用光斑缩束装置5对依次经光放大器4、声光调制器6处理后的657nm透射光进行缩束处理，得到光斑面积为微米量级的657nm透射光，光斑面积为微米量级的657nm透射光进入原子作用区中，通过压缩拉姆塞谱脉冲宽度至纳秒量级，以精准匹配原子的速率分布与激光相互作用的渡越时间，提升原子利用效率和信噪比，降低光钟量子投影噪声极限，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。97.在本发明的一些实施方式中，原子束光钟的实现方法还包括，使光斑缩束装置5出射的657nm透射光经m次反射形成4束657nm透射光，4束657nm透射光分别进入原子作用区，m≥3。98.本发明中，利用第一反射镜12对光斑缩束装置5出射的657nm透射光进行反射，改变光斑缩束装置5出射的657nm透射光的光路方向，形成4束657nm透射光，4束657nm透射光分别进入原子作用区，4束657nm透射光与原子作用区中的钙原子相互作用，形成拉姆塞谱形式的657nm钟跃迁谱线，以此能够进一步的改善原子束光钟的稳定性。99.在本发明的一些实施方式中，原子束光钟的实现方法，还包括使用第三分光镜对声光调制器6出射的657nm激光进行分光，经第三分光镜出射的657nm透射光进入光斑缩束装置5。100.本发明中，经声光调制器6出光端出射的657nm激光进入第三分光镜，经第三分光镜分光后的657nm透射光进入光斑缩束装置5，经第三分光镜分光后的657nm反射光可以用于实际应用。101.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。