一种光梳与原子束直接作用的光钟及其实现方法

本技术涉及光学频率标准，尤其涉及一种光梳与原子束直接作用的光钟及其实现方法。

背景技术：

1、随着原子物理的发展，人们发现原子跃迁时辐射的电磁波具有稳定不变的周期，将这一周期用于定义时间标准，可以有效提高时间标准的准确度与稳定度。将原子跃迁谱线作为频率参考锁定光梳的频率，可使光梳获得可与原子跃迁相比拟的精确度和稳定度，进而得到具有相应精确度和稳定度的光钟，实现时间标准的准确定义。

2、现有技术中，通常采用超稳激光探测原子谱线，以此将超稳激光锁定至原子共振谱线形成光频标信号。随后将光梳锁定至光频标信号，从而将光频稳定度传递至微波，形成光钟。

3、然而，现有技术中通常采用的超稳激光是由超稳激光器产生的，超稳激光器结构复杂、体积大，而且运行不稳定，这就导致光钟体积庞大，也增大了光钟的复杂程度和不稳定性，限制了光钟的性能。

技术实现思路

1、本技术提供一种光梳与原子束直接作用的光钟及其实现方法，用于解决现有技术中的光钟体积庞大、结构复杂以及运行不稳定的问题。

2、第一方面，本技术提供一种光梳与原子束直接作用的光钟，包括：光梳，用于发出光谱宽度为第一谱宽的宽谱光；滤光器，用于对所述宽谱光进行滤光，获取与原子跃迁频率相对应的光梳梳齿信号；声光调制器，用于对所述光梳梳齿信号进行调制；原子炉，用于发出原子束；反射镜，用于将调制后的光梳梳齿信号进行反射，形成四束平行的激光，并使所述四束平行的激光分别通过所述原子束，以激发原子钟跃迁；激光器，用于发出探测激光；分光镜，用于将所述探测激光分为两束，其中一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之前打入所述原子束，另一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之后打入所述原子束，与钟跃迁的上能级原子或者下能级原子相互作用，产生荧光信号；光电探测器，用于探测所述荧光信号，并将所述荧光信号加载到混频器中；所述混频器，用于对所述荧光信号进行解调，以获取误差信号；伺服反馈电路，用于根据所述误差信号生成伺服信号，并将所述伺服信号反馈给所述光梳；所述光梳，还用于根据所述伺服信号对所述光梳梳齿信号进行处理，以将所述光梳梳齿信号的频率锁定在所述原子跃迁频率上，得到既包含光信号也包含微波信号的输出信号。

3、在一种具体实施方式中，所述滤光器为透过波长为657nm的光信号的滤波片。

4、在一种具体实施方式中，所述激光器为423nm激光器或者431nm激光器。

5、在一种具体实施方式中，当所述激光器为423nm激光器，所述探测激光为423nm激光时，所述分光镜具体用于：将所述探测激光分为两束，其中一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之前打入所述原子束，另一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之后打入所述原子束，与钟跃迁的下能级原子相互作用，产生荧光信号；或者当所述激光器为431nm激光器，所述探测激光为431nm激光时，所述探测激光不经分光镜分光，直接在所述四束平行的激光通过所述原子束之后打入所述原子束，与钟跃迁的上能级原子相互作用，产生荧光信号。

6、在一种具体实施方式中，所述原子束为钙原子束。

7、第二方面，本技术提供一种光梳与原子束直接作用的光钟的实现方法，包括：触发光梳发出光谱宽度为第一谱宽的宽谱光；触发滤光器对所述宽谱光进行滤光，获取与原子跃迁频率相对应的光梳梳齿信号；触发声光调制器对所述光梳梳齿信号进行调制；触发原子炉发出原子束；触发反射镜将调制后的光梳梳齿信号进行反射，形成四束平行的激光，并使所述四束平行的激光分别通过所述原子束，以激发原子钟跃迁；触发激光器发出探测激光；触发分光镜将所述探测激光分为两束，其中一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之前打入所述原子束，另一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之后打入所述原子束，与钟跃迁的上能级原子或者下能级原子相互作用，产生荧光信号；触发光电探测器探测所述荧光信号，并将所述荧光信号加载到混频器中；触发所述混频器对所述荧光信号进行解调，以获取误差信号；触发伺服反馈电路根据所述误差信号生成伺服信号，并将所述伺服信号反馈给所述光梳；触发所述光梳根据所述伺服信号对所述光梳梳齿信号进行处理，以将所述光梳梳齿信号的频率锁定在所述原子跃迁频率上，得到既包含光信号也包含微波信号的输出信号。

8、在一种具体实施方式中，所述滤光器为透过波长为657nm的光信号的滤波片。

9、在一种具体实施方式中，所述激光器为423nm激光器或者431nm激光器。

10、在一种具体实施方式中，当所述激光器为423nm激光器，所述探测激光为423nm激光时，所述触发分光镜将所述探测激光分为两束，其中一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之前打入所述原子束，另一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之后打入所述原子束，与钟跃迁的上能级原子或者下能级原子相互作用，产生荧光信号，包括：触发分光镜将所述探测激光分为两束，其中一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之前打入所述原子束，另一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之后打入所述原子束，与钟跃迁的下能级原子相互作用，产生荧光信号；或者当所述激光器为431nm激光器，所述探测激光为431nm激光时，所述触发分光镜将所述探测激光分为两束，其中一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之前打入所述原子束，另一束在所述四束平行的激光通过所述原子束之后打入所述原子束，与钟跃迁的上能级原子或者下能级原子相互作用，产生荧光信号，包括：触发所述探测激光直接在所述四束平行的激光通过所述原子束之后打入所述原子束，与钟跃迁的上能级原子相互作用，产生荧光信号。

11、在一种具体实施方式中，所述原子束为钙原子束。

12、本技术提供一种光梳与原子束直接作用的光钟及其实现方法，该光钟包括：光梳，用于发出光谱宽度为第一谱宽的宽谱光；滤光器，用于对该宽谱光进行滤光，获取与该原子跃迁频率相对应的光梳梳齿信号；声光调制器，用于对该光梳梳齿信号进行调制；原子炉，用于发出原子束；反射镜，用于将调制后的光梳梳齿信号进行反射，形成四束平行的激光，并使该四束平行的激光分别通过该原子束，以激发原子钟跃迁；激光器，用于发出探测激光；分光镜，用于将该探测激光分为两束，其中一束在该四束平行的激光通过该原子束之前打入该原子束，另一束在该四束平行的激光通过该原子束之后打入该原子束，与钟跃迁的上能级原子或者下能级原子相互作用，产生荧光信号；光电探测器，用于探测该荧光信号，并将该荧光信号加载到混频器中；混频器，用于对该荧光信号进行解调，以获取误差信号；伺服反馈电路，用于根据该误差信号生成伺服信号，并将该伺服信号反馈给光梳；光梳，还用于根据该伺服信号对该光梳梳齿信号进行处理，以将该光梳梳齿信号的频率锁定在该原子跃迁频率上，得到既包含光信号也包含微波信号的输出信号。相较于现有技术，本技术采用滤光器对光梳发出的宽谱光进行滤光，获取与原子跃迁频率相对应的光梳梳齿信号，并通过调制光梳梳齿信号得到可以激发原子钟跃迁的激光，实现了用体积小、结构简单且稳定性高的光梳代替超稳激光器提供激发光源，解决了因超稳激光器导致的光钟体积庞大、结构复杂以及运行不稳定的问题，有效降低了光钟的复杂程度，实现了小型化、结构简单和高稳定性的光钟。