基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟及制备方法

本发明涉及光学频率标准，特别涉及一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟及制备方法。

背景技术：

1、在众多的元素中，碱土金属原子的能级结构相对复杂，其外层有两个价电子，双电子产生的自旋单重态和三重态容易实现量子超控，因此在原子物理中经常被研究，并作为光频域原子钟的主要原子。其中，钙原子无法实现十分有效的激光冷却，并且钙原子的跃迁频率已经有很成熟的激光源，所以常常作为小型原子束光钟研究的选择。

2、对于钙原子束光钟，一种方法是直接探测657nm钟跃迁谱线，然而在这种方法中，由于657nm原子谱线线宽约为400hz，能级寿命约为0.4ms，较长的能级寿命导致657nm激光与原子相互作用时间内单个原子所辐射的荧光光子数远远小于1，限制了信号幅度，使得信噪比较低；另一种方法是通过423nm激光对657nm钟激光实现转移探测，在这种方法中，因423nm跃迁与657nm跃迁享有一个共同的基态，所以令钙原子先与423nm激光相互作用，利用423nm跃迁的荧光信号来提取钟跃迁谱线信号，虽然423nm激光与单个原子相互作用辐射产生的荧光光子数可达几百个，可以提高谱线信噪比，但是由于两条跃迁线共用一个基态，423nm荧光背景噪声会影响657nm谱线的信噪比，因此这种方法对谱线的信噪比改善有限。

技术实现思路

1、本发明提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟，该钙原子束光钟的信噪比高，并且相较于其他传统的钙原子束光钟其稳定度能够得到近量级的提高。

2、本发明提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的制备方法，该制备方法能够制备出上述的钙原子束光钟，并且制备方法简单，适合广泛推广以及应用。

3、本发明提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟，其中，包括：657nm窄线宽激光器、偏振分光棱镜、高速声光调制器、pdh激光稳频系统、第一信号源、第一伺服反馈控制系统、第一混频器、第一放大器、第二放大器、高速电光调制器、431nm窄线宽激光器、第二伺服反馈控制系统、第二信号源、第二混频器、高速光电探测器、钙原子炉、原子束管以及功分器；

4、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的外部，所述原子束管具有原子束管前窗以及原子束管后窗，所述原子束管前窗靠近所述钙原子炉；

5、所述657nm窄线宽激光器的出光端朝向所述偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜出射的657nm反射光进入所述pdh激光稳频系统，所述pdh激光稳频系统的信号输出端与所述657nm窄线宽激光器的信号输入端连接；所述偏振分光棱镜出射的657nm透射光经所述高速声光调制器进入所述原子束管前窗与所述原子束管前窗的钙原子相互作用；

6、所述431nm窄线宽激光器出射的431nm窄线宽激光经所述高速电光调制器进入所述原子束管后窗与所述原子束管后窗的钙原子相互作用，产生荧光信号；

7、所述高速光电探测器被配置为探测并转化所述荧光信号以得到电信号，所述高速光电探测器的电信号输出端与所述功分器连接；

8、所述功分器的第一信号输出端与所述第一放大器的信号输入端连接，所述第一放大器的信号输出端与所述第一混频器的第一信号输入端连接，所述第一信号源的第一信号输出端与所述第一混频器的第二信号输入端连接，所述第一混频器的信号输出端与所述第一伺服反馈控制系统的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制系统的信号输出端与所述第一信号源的信号输入端连接，所述第一信号源的第二信号输出端与所述高速声光调制器的信号输入端连接；

9、所述功分器的第二信号输出端与所述第二放大器的信号输入端连接，所述第二放大器的信号输出端与所述第二混频器的第一信号输入端连接，所述第二信号源的第一信号输出端与所述第二混频器的第二信号输入端连接，所述第二混频器的信号输出端与所述第二伺服反馈控制系统的信号输入端连接，所述第二伺服反馈控制系统的信号输出端与所述431nm激光器的信号输入端连接，所述第二信号源的第二信号输出端与所述高速电光调制器的信号输入端连接。

10、如上所述的钙原子束光钟，其中，还包括第一高反镜，所述第一高反镜用于使经所述高速声光调制器调制后的657nm透射光射入所述原子束管前窗。

11、如上所述的钙原子束光钟，其中，还包括第二高反镜，所述第二高反镜用于使经所述高速电光调制器调制后的431nm窄线宽激光射入所述原子束管后窗。

12、如上所述的钙原子束光钟，其中，所述高速声光调制器的调制频率与所述高速电光调制器的调制频率不同。

13、如上所述的钙原子束光钟，其中，所述高速声光调制器的调制频率为100khz。

14、如上所述的钙原子束光钟，其中，所述高速电光调制器的调制频率为10khz。

15、如上所述的钙原子束光钟，其中，所述657nm窄线宽激光器和/或所述431nm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激光器。

16、如上所述的钙原子束光钟，其中，所述原子束管前窗与所述原子束管后窗之间的距离为2-30cm。

17、如上所述的钙原子束光钟，其中，所述第一伺服反馈控制系统、所述第二伺服反馈控制系统、所述第一放大器、所述第二放大器、所述第一混频器以及所述第二混频器各自独立地选自分立电路器件或集成电路器件。

18、本发明还提供一种基于探测光与钟激光咬合锁定的钙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钙原子束光钟，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；

20、经657nm窄线宽激光器出光端出射的657nm窄线宽激光经偏振分光棱镜后得到657nm反射光以及657nm透射光，所述657nm反射光进入所述pdh激光稳频系统进行稳频控制，所述pdh激光稳频系统反馈控制所述657nm窄线宽激光器；所述657nm透射光经所述高速声光调制器进入所述原子束管前窗与所述原子束管前窗的钙原子相互作用；

21、经所述431nm窄线宽激光器出射的431nm窄线宽激光经所述高速电光调制器进入所述原子束管后窗与所述原子束管后窗的钙原子相互作用，产生荧光信号；

22、所述高速光电探测器探测并转化所述荧光信号以得到电信号，所述电信号经所述功分器后得到第一电信号以及第二电信号；

23、所述第一电信号经所述第一放大器放大后进入所述第一混频器，在第一混频器中与来自所述第一信号源的第一解调信号进行混频得到第一误差信号，第一伺服反馈控制系统根据第一误差信号反馈控制所述第一信号源，所述第一信号源调整所述高速声光调制器的调制频率；

24、所述第二电信号经所述第二放大器放大后进入所述第二混频器，在所述第二混频器中与来自所述第二信号源的第二解调信号进行混频得到第二误差信号，所述第二伺服反馈控制系统根据所述第二误差信号反馈控制所述431nm激光器，所述第二信号源调整所述高速电光调制器的调制频率。

25、本发明的基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟，采用431nm钙原子跃迁线，原子经657nm激光泵浦后再与431nm激光相互作用，谱线与基态原子无关，所以可以消除基态原子引入的荧光背景噪声，从而获得超高的信噪比，同时，由于系统是将激光参考至钙原子的跃迁谱线上，一方面避免了参考至光学腔上，能够避免因为温度的变化、机械振动等因素使得光学腔在长期运行下产生一定漂移的现象，提高了系统的长期稳定度；另一方面避免了参考至分子上再移频，从而避免了由于分子谱线较宽所导致的难以获得满足高性能指标需求的信噪比。

26、本发明的基于探测光与钟激光咬合锁定的钙原子束光钟的制备方法，能够制备出上述的钙原子束光钟，并且其制备方法简单，适合广泛推广以及应用。