一种无腔牵引主动光钟及其实现方法

本发明属于激光技术及原子钟领域，具体涉及一种无腔牵引主动光钟及其实现方法。

背景技术：

1、激光是二十世纪最伟大的发明之一，由于其方向性、高亮度、单色性和高度相干性，已经成为科学、工业和医疗应用中最通用的工具。具有超窄线宽的超稳定激光器对精密光谱学和基础物理测量非常需要的，比如说，基于超稳激光的光频原子钟可以探测到毫米尺度的引力红移、利用超稳激光的双激光干涉仪可以探测到由双黑洞合并引起的时空涟漪、利用超稳激光的陀螺仪可以探测到10-16厘米量级的地球旋转引起的光程变化。在所有这些应用中，需要使pound-drever-hall(pdh)技术将激光器锁定到超高精细度的光学谐振腔上。这一技术虽然可以将激光线宽压窄至mhz量级，但是其需要高精细度的超稳谐振腔。超稳谐振腔往往需要采用单晶硅材料，甚至放置于超低温环境。超稳腔的使用，不仅会导致整套系统的造价昂贵、系统复杂，而且不能从本质上解决谐振腔的腔长热噪声问题。即使是最稳定的谐振腔，pdh技术稳频后的超稳激光也会受到不可避免的腔长抖动的影响，也就是受到腔牵引的影响。

2、对于高度依赖超稳激光的原子钟，其作为目前测量精度最高的仪器，在众多领域得到了广泛的应用，例如卫星导航定位、空间科学宇宙探测、物理原理的验证、信息网络、国际单位制定义及量子化、国家守时与授时等。目前，工作在光频波段的光频原子钟，其频率稳定度和频率准确度上已经超越了最好的微波钟近两个数量级，进入10-19量级，其优异的性能使得原子钟成为空间基础科学研究的重要基础，并为卫星的超高精度导航定位等众多应用提供了技术支撑。总之，原子钟作为当今最精密的科学仪器设备，无论是在现代科学发展，还是国民经济，都占有举足轻重的地位，其发展意义重大。

3、目前，两类性能最好的光钟均为被动型光钟，分别是基于中性原子囚禁的光晶格钟和基于离子囚禁的离子光钟。为了探测线宽在mhz量级的原子跃迁谱线，本振钟激光的线宽必须足够窄，通常超窄线宽的激光源才能够精密探测到窄带宽的钟跃迁谱线。目前主要通过pound-drever-hall(pdh)技术稳频获取超窄线宽激光源作为本振钟激光，系统复杂，造价昂贵，钟激光最终也受腔牵引的影响。除此之外，光晶格钟冷却系统复杂，需要塞曼减速光、一级冷却光、二维准直光、锁频光、二级冷却光、晶格光、抽运光等多套激光器，光路极其复杂，且真空系统同样复杂，这就导致了其系统繁杂、体积庞大，重量大，可靠性也会受到影响。由于光晶格钟的脉冲工作模式，目前得到的钟激光输出也是脉冲型的，可靠性与连续运转性能有待技术升级改善。

4、与被动光钟相比，主动光钟不需要外部频率参考，直接将布居数反转的原子相干受激辐射信号作为光学频率标准输出，输出的光频标信号具有极好的相位相干性。但是，现有的主动光钟虽然在一定程度上将腔长热噪声抑制了几十倍甚至上万倍，但其系统结构仍然包括腔。腔的存在就决定了输出激光的频率不可能完全不受腔长热噪声的影响。除了腔长热噪声的问题，现有的高性能主动光钟依赖于原子束方案、光晶格方案或者热原子方案。对于原子束和光晶格方案，由于实验中通常利用mot(magneto-optical trap，磁光阱)冷却或者om(optical molasses，光学粘胶)冷却，需要对冷却光、重泵光、泵浦光等进时序控制，因此存在脉冲输出模式的难题，且其功率微弱到只有皮瓦量级。对于热原子方案，由于原子的运动速度过大，因此使得多普勒频移、多普勒展宽、碰撞频移、碰撞展宽等因素导致钟激光性能恶化，严重影响钟激光的频率不稳定度和准确度。

技术实现思路

1、为了克服现有的超稳激光受腔牵引影响的问题，为了克服被动光钟受限于腔长热噪声的问题、现有原子束/光晶格主动光钟存在的脉冲型工作模式、系统复杂、输出功率低的问题以及热原子主动光钟受限于多普勒频移、多普勒展宽、碰撞频移、碰撞展宽等因素的问题，本发明提出一种无腔牵引主动光钟及其实现方法，该方案为一种原创思想与技术，采用各向同性冷却技术结合四能级主动光钟方案，大大减小了系统的复杂度，性能可靠，能够直接实现无腔牵引的主动光钟激光信号，提升主动光钟的性能指标，实现“中国原创”的可连续运行的无腔牵引主动光钟。

2、本发明的目的是提出一种无腔牵引主动光钟及其实现方法。相比于传统激光，该系统无需超稳谐振腔，主动光钟的频率不受腔的影响；相比于被动光钟，系统结构简单可靠、而且可以彻底消除腔长热噪声的影响；相比于光晶格囚禁型主动光钟、原子束型主动光钟，可以大大提高主动光钟输出功率到百微瓦量级；又可以减小热原子碰撞频移、多普勒频移的影响，提升主动光钟的频率不稳定度和准确度。

3、本发明首次给出一种基于无腔牵引主动光钟方案：(1)在一个长度50-100cm，直径2cm的长条形原子气室中充入碱金属原子作为实现主动光钟的增益介质；(2)在长条形原子气室侧面均匀涂抹对冷却光、重泵光、泵浦光以及主动光钟信号均高反射的漫反射材料。冷却光、重泵光通过光纤耦合到长条形原子气室内，通过各向同性激光冷却过程使得气室内的碱金属原子被冷却；(3)泵浦光由长条形原子气室一端打入，在泵浦光的激励下，冷却的碱金属原子受激辐射产生主动光钟激光信号，并达到稳定输出；(4)该主动光钟激光信号经过微波转换模块转化到微波频段，达到可以实用的阶段。

4、具体地，为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

5、一种无腔牵引主动光钟，在结构上包括冷却激光系统、重泵激光系统、泵浦激光系统、冷原子物理系统、光波微波转换系统。冷却激光系统包括：冷却光稳频模块1、冷却光激光器2、移频模块3；重泵激光系统包括：重泵光稳频模块4、重泵光激光器5；冷原子物理系统包括：长条形原子气室17、磁屏蔽模块18、真空维持模块19；泵浦激光系统包括：泵浦光稳频模块20、泵浦光激光器21；光波微波转换系统包括：微波转换模块23。其中，稳频模块用于对激光器进行频率稳定。

6、冷却光激光器2出射的激光通过移频模块3进行合适的频率移动后作为冷却光，经由第一半波片6和第一偏振分光棱镜7后分为两束激光，分别称为第一激光与第二激光。与此同时，重泵光激光器5出射的激光作为重泵光经过第二半波片8和第一偏振分光棱镜7后也分为两束激光，分别称之为第三激光与第四激光。在这里，通过调节激光的角度，使得第一激光与第三激光严格重合，重合后的激光称为第五激光。第五激光经过第三半波片9和第二偏振分光棱镜10后均分为两束，分别称之为第七激光(包括冷却光和重泵光)与第八激光(包括冷却光和重泵光)。第七激光耦合进多模一分二第一光纤11打入长条形原子气室17中，第八激光耦合进多模一分二第二光纤12打入长条形原子气室17中。类似地，第二激光与第四激光严格重合，重合后的激光称为第六激光。第六激光经过第四半波片13和第三偏振分光棱镜14后均分为两束，分别称之为第九激光(既包括冷却光，也包括重泵光)与第十激光(既包括冷却光，也包括重泵光)。第九激光耦合进多模一分二第三光纤15打入长条形原子气室17中，第十激光耦合进多模一分二第四光纤16打入长条形原子气室17中。系统中，半波片与偏振分光棱镜的组合均用于调整激光的功率。

7、对冷却光、重泵光具有高反射率的漫反射材料均匀地涂覆于圆长条形原子气室17上构成漫反射材料图层，使得冷却光、重泵光在长条形原子气室17内来回反射，从而达到冷却原子的效果。磁屏蔽模块18为长条形原子气室17提供磁屏蔽效果。真空维持模块19为长条形原子气室17提供真空环境。在冷却光、重泵光的作用下，长条形原子气室17内的原子被冷却，形成长条形的冷原子团来作为主动光钟的增益介质。

8、泵浦光激光21由泵浦光稳频模块20进行频率稳定。泵浦光激光器21出射的激光作为泵浦光由长条形原子气室的一端打入，泵浦上述得到的冷原子团，进而使得冷原子受激辐射产生主动光钟激光信号。该信号经过滤光片22，滤光片22用于滤除除主动光钟激光信号之外的杂散光。最终，纯净的主动光钟激光信号输入至微波转换模块23获得微波信号，产生的微波信号即达到实用的阶段。

9、进一步地，冷却光激光器2、重泵光激光器5、泵浦光激光器21，需要满足相应的冷却、重泵及泵浦光的功率需求；

10、进一步地，冷却光稳频模块1、重泵光稳频模块4、泵浦光稳频模块20的稳频方式包括但不限于：饱和吸收谱稳频、调制转移谱稳频、极化谱稳频、波长调制稳频、频率-电压转换稳频、双色谱稳频。

11、进一步地，长条形原子气室17的材质可以是石英玻璃、高硼硅玻璃等。

12、进一步地，原子气室可以由长条形换为球形等其它形状。

13、进一步地，长条形原子气室17外壁上均匀涂覆漫反射材料，如硫酸钡涂料，使之对于冷却光激光器2和重泵光激光器5发出的激光具有高反射率。同时，需要注意留出后续插入光纤以及主动光钟激光信号出射的透光窗口。

14、进一步地，长条形原子气室17内所充入原子可以是碱金属原子，包括但不限于铷原子、铯原子，甚至可以冲入氮气、氩气等缓冲气体。

15、进一步地，冷却光激光器2、重泵光激光器5、光纤、半波片、偏振分光棱镜对应的波长应该对应于长条形原子气室17中充入的原子；

16、进一步地，以铷87原子为例，当冷却光激光器2输出的波长对应780nm时，冷却光稳频模块1需要将冷却光激光器2的频率稳定到铷原子d2跃迁线基态5s1/2f＝1到第一激发态5p3/2f’＝2的超精细跃迁频率。

17、进一步地，移频模块3应使得激光频率对铷原子基态到第一激发态的d2跃迁线5s1/2f＝1→5p3/2f’＝2为红失谐。其移频大小在2倍自然线宽(2γ)至3倍自然线宽(3γ)时效果较佳。冷却光最终的频率相对于铷87原子d2跃迁线基态5s1/2f＝1到第一激发态5p3/2f’＝2的超精细跃迁频率红失谐2γ～3γ，用于冷却长条形原子气室17内所充入的铷87原子。

18、进一步地，重泵光稳频模块4应使得重泵光激光器5的频率对应于铷87原子d2跃迁线基态5s1/2f＝2到第一激发态5p3/2f’＝1的超精细跃迁频率。这会使得在重泵光的作用下，处于f＝2态的原子重新参与到冷却过程中。

19、进一步地，泵浦光激光器21的波长应该对应于420nm，且泵浦光稳频模块20应使得泵浦光激光器21的频率铷87原子5s1/2f＝2→6p3/2f’＝3的超精细跃迁频率，用于泵浦冷原子。

20、进一步地，第一光纤11、第二光纤12、第三光纤15、第四光纤16为一分二多模光纤。具体操作中，不拘泥于四根光纤，可以合理设置光纤数量，以达到最佳的效果。

21、进一步地，真空维持模块19应该保证长条形原子气室17内的真空优于e-4pa量级，以保证良好的冷却效果。

22、进一步地，滤光片22应该可以根据具体情况，合理设置滤波波长，使得只有目标的主动光钟激光信号通过。

23、进一步地，将冷却光激光器2的输出频率锁定到交叉峰或者其它峰上，通过合理设移频模块3的移频大小以及合理设置重泵光激光器5的频率锁定，也可以实现冷却效果。

24、本发明的优点：

25、无腔牵引主动光钟技术基于新机理、新方法，思想与技术均原创。除了原创性，也具有三大特色优势：(1)系统不需要使用腔，彻底消除了腔长热噪声的影响，使得输出激光完全不取决于腔，与传统的被动光钟相比有着显著的优势；(2)实现连续运行，不需要复杂的时序控制，可以输出连续主动光钟信号；(3)采用各向同性激光冷却，不需要外加磁场，结构简单，集成化容易，可靠性高，具有很强的环境适应性。基于该发明，可实现“中国原创”的可连续运行的无腔牵引的冷原子主动光钟。