一种基于光栅磁光阱冷却的芯片主动光钟及其实现方法

本发明属于激光，具体涉及一种基于光栅磁光阱冷却的芯片主动光钟及其实现方法。

背景技术：

1、近百年来，光学原子(分子)频率参考在科研和工程中发挥了重要作用，提供了实现精确测量的标准。自从1958年激光的概念首次提出以来，科学界就在探寻使用激光来改进时间测量精度的办法。目前，光频原子钟(下称光钟)的性能已超过微波原子钟，已被广泛应用在基础物理研究、光通信等关键领域，最好的光钟频率稳定度与频率不确定度都进入了10-19量级，并正在布署未来用光钟进行秒重新定义的路线图。其中，小型化的芯片光钟能够集成在可移动设备中，尤其是在军事领域有着尤为重要的应用。高稳定度的芯片光钟能够用于惯性导航系统和全球定位导航系统，为无人机、军事载具、手持军用装置等提供更高精度的导航和定位精度，也可用于移动通讯系统的同步，从而实现高强度的通讯加密。

2、传统的光钟均为被动光钟，需要外部量子频率参考，通过伺服反馈电路将本振激光的频率锁定在该量子频率参考上，从而稳定本振激光的频率。被动光钟的本振激光工作在好腔区域，腔模线宽远小于增益线宽，腔长热噪声直接影响输出光频标信号的频率，从而影响被动光钟的短期频率稳定度。相比之下，主动光钟不需要外部频率参考，将原子的受激辐射信号直接作为频率标准，并工作在坏腔区域，增益线宽远小于腔模线宽，光频标信号频率取决于量子参考的中心频率，对腔牵引效应有着天然抑制作用，短期频率稳定度更好。综上，主动光钟相比于被动光钟有腔牵引抑制、窄线宽、优异的短期频率稳定度、系统简单的优势，具有广泛的应用前景。且主动光钟系统结构简单，更易于小型化，而目前的芯片主动光钟仍主要以热原子作为谐振腔的增益介质，热原子的布朗热运动会带来多普勒效应和原子间的碰撞效应，使受激辐射产生的光学频率标准信号发生频率漂移，导致主动光钟的频率稳定度变差。如果能将增益介质换成冷原子团，将原子的速度减慢，就能够大幅抑制多普勒频移和碰撞频移现象，进一步提高芯片主动光钟的频率稳定度。

3、麦克斯韦方程组的建立预言了光压的存在，而激光能够达到很高的能量密度，实现了用光操控微观粒子的设想。当激光的频率略小于原子的跃迁频率(即“红失谐”)，由于多普勒效应，与光子相向运动的、具有一定速度的基态原子将吸收该光子跃迁到激发态，受到一个阻尼力，而该原子返回基态时自发辐射光子的方向是随机的，在统计上看，即原子被减速了，达到冷却的目的。磁光阱是一种冷原子装置，其首先利用红失谐激光冷却原子，再进一步利用非均匀磁场和陷阱光对原子的共同作用，将原子捕获并囚禁，形成冷原子团。传统的磁光阱需要手动配置光路，将多束激光按特定的位置、方向和偏振旋向射入磁光阱中，组成陷阱光。这样的磁光阱体积庞大、光路复杂，不适合用于紧凑的芯片级系统。近年来，出现了一种新型的光栅磁光阱，将衍射光栅结构蚀刻在硅基芯片的表面上，制成一种光栅芯片，只需将一束圆偏振激光垂直照射在光栅芯片的蚀刻面处，就能自动产生另外三束(或三束以上)圆偏振光，与入射激光共同组成陷阱光。光栅磁光阱的发明大幅降低了冷原子装置的光路复杂度、体积与功耗，同时，其性能与传统的六光束磁光阱相当。但是如何将光栅磁光阱及相关元件集成于硅基芯片上，实现小体积、低功耗的冷原子芯片主动光钟是目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于光栅磁光阱冷却的芯片主动光钟及其实现方法。本发明将光栅磁光阱与微腔光梳、分布式布拉格反射(dbr)窄线宽激光器、芯片电光调制器、薄膜光电探测器等微型光电元器件结合起来，实现小体积、低功耗的冷原子芯片主动光钟。

2、本发明利用三个饱和吸收谱稳频的dbr激光器分别产生冷却激光、重泵激光和泵浦激光，其中，冷却激光和重泵激光配合光栅磁光阱，用于冷却并囚禁原子，在原子气室中形成冷原子团；泵浦激光激发冷原子，其产生的受激辐射信号直接作为光学频率标准信号输出，与微腔光梳拍频后实现芯片主动光钟。与传统的冷原子光钟相比，本发明极大地减小了系统的体积，能够集成于芯片上，以适合紧凑、便携式设备的应用场景；与目前的芯片微波原子钟相比，本发明的稳定度指标更高。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于光栅磁光阱冷却的芯片主动光钟，以铯原子为例，其包括：

4、第一dbr激光器1，中心波长为852nm，用于产生窄线宽的冷却激光，对应铯原子从6s1/2态到6p3/2态的冷却泵浦能级跃迁。

5、第一激光控制器2，用于控制第一dbr激光器1的温度、电流，从而控制第一dbr激光器1的输出频率，并能够对输出频率进行扫描；同时，用于接收饱和吸收谱电信号，计算第一dbr激光器1的频率误差，从而将第一dbr激光器1的输出频率锁定在铯原子6s1/2-(f＝4)→6p3/2(f’＝5)的冷却泵浦能级跃迁频率上。

6、第一光束调节装置3，将第一dbr激光器1的输出激光分为两束，一束作为冷却激光，另一束用于饱和吸收谱稳频。

7、第二dbr激光器4，中心波长为852nm，用于产生窄线宽的重泵激光，对应铯原子从6s1/2态到6p3/2态的冷却重泵能级跃迁。

8、第二激光控制器5，用于控制第二dbr激光器4的温度、电流，从而控制第二dbr激光器4的输出频率，并能够对输出频率进行扫描；同时，用于接收饱和吸收谱电信号，计算第二dbr激光器4的频率误差，从而将第二dbr激光器4的输出频率锁定在铯原子6s1/2-(f＝3)→6p3/2(f’＝4)的冷却重泵能级跃迁频率上。

9、第二光束调节装置6，将第二dbr激光器4的输出激光分为两束，一束作为重泵激光，另一束用于饱和吸收谱稳频。

10、第三dbr激光器7，中心波长为455nm，用于产生窄线宽的泵浦激光，对应铯原子从6s1/2态到7p3/2态的泵浦能级跃迁。

11、第三激光控制器8，用于控制第三dbr激光器7的温度、电流，从而控制第三dbr激光器7的输出频率，并能够对输出频率进行扫描；同时，用于接收饱和吸收谱电信号，计算第三dbr激光器7的频率误差，从而将第三dbr激光器7的输出频率锁定在铯原子6s1/2-(f＝4)→7p3/2(f”＝3)的泵浦能级跃迁频率上。

12、第三光束调节装置9，将第三dbr激光器7的输出激光分为两束，一束作为泵浦激光，另一束用于饱和吸收谱稳频。

13、饱和吸收谱装置10，用于分别接收第一光束调节装置3、第二光束调节装置6、第三光束调节装置9的分出的光，三束激光从三个不同的方向(x、y、z)进入饱和吸收谱装置10，通过原子与激光的相互作用，产生饱和吸收谱光信号，并通过薄膜光电探测器转换为电信号后，分别反馈至对应的第一激光控制器2、第二激光控制器5、第三激光控制器8作为频率参考，实现饱和吸收谱稳频。

14、芯片电光调制器11，用于对冷却激光的频率产生一个-10mhz的红失谐，从而实现对原子气室18中的铯原子的激光减速。

15、第一偏振分光棱镜12，用于将冷却激光和重泵激光合束，产生冷却、重泵混合激光。

16、扩束透镜13和准直透镜14，用于扩大冷却、重泵混合激光的光束直径，同时保持光束仍为平行光。

17、λ/4波片15，用于调整冷却、重泵混合激光的偏振状态为圆偏振。

18、亥姆霍兹线圈磁屏蔽室16，在线圈中通过适当电流，用于抵消外界环境的磁场，避免外部磁场对光栅磁光阱内部非均匀磁场的干扰对冷却效果造成影响。

19、反亥姆霍兹线圈17，用于产生光栅磁光阱中的非均匀磁场，使铯原子的能级发生塞曼分裂。两线圈相互平行且共轴，其中通过的电流大小相同、方向相反，使轴线中点处的磁场强度为零，沿着轴向或径向，磁场强度线性增大，并且关于轴线中点中心对称的两个位置的磁场方向相反。

20、原子气室18，内充有适当的纯铯原子作为增益介质，一侧窗口为平面(下称前窗口)，一侧窗口为凸面(下称后窗口)。两个窗口处均镀有对455nm波长高透，对1359nm波长具有一定反射率的介质膜，充当谐振腔的平面腔镜和平凹腔镜。冷却、重泵混合激光从平行于两个窗口的侧面进入，铯原子在冷却激光的作用下完成6s1/2(f＝4)→6p3/2(f’＝5)的冷却泵浦能级跃迁，并且被减速；重泵激光令铯原子完成6s1/2(f＝3)→6p3/2(f’＝4)的冷却重泵能级跃迁，防止铯原子聚集在6s1/2(f＝3)态，从而减弱与冷却激光的作用。在气室的中心，反亥姆霍兹线圈17产生的非均匀磁场的强度为零，同时也是陷阱光的交点。经过减速的铯原子被磁光阱捕获、囚禁在中心点，形成冷原子团。在垂直于两个窗口的方向，455nm泵浦激光从前窗口进入，冷原子团在泵浦激光的泵浦下，发生从6s1/2态到7p3/2态的泵浦能级跃迁。被泵浦到7p3/2态的铯原子通过自发辐射掉落到7s1/2态，从而建立起铯原子7s1/2态与6p1/2态这两个目标能级之间的布居数反转。铯原子由于自发辐射，发生7s1/2态到6p1/2态的目标能级跃迁，产生1359nm的荧光信号。所述谐振腔将泵浦铯原子后产生的荧光信号不断放大，直到形成1359nm波长的受激辐射信号光，该受激辐射信号即作为本主动光钟的光学频率标准信号(下称光频标信号)，透过后窗口输出。

21、光栅芯片19，表面蚀刻有衍射光栅结构，经过扩束的冷却、重泵混合激光垂直入射在表面上，通过衍射产生三束冷却、重泵衍射光，其波矢量方向类似于正四面体的三个棱边，偏振旋向均与入射激光相反，与入射激光组成陷阱光。陷阱光的交点位于原子气室18的中心，与反亥姆霍兹线圈17产生的非均匀磁场配合，在原子气室18的中心形成冷原子团。

22、微腔光梳20，用于产生一系列相等频率间隔的梳齿光信号，将光频进行下转换，从而实现光频标信号的测量。

23、第二偏振分光棱镜21，用于将平凹腔镜9输出的1359nm光频标信号和微腔光梳20产生的梳齿光信号进行合束，产生拍频光信号。

24、薄膜光电探测器22，用于接收拍频光信号，并将其转换为电信号。

25、频率计数器23，用于接收来自第二薄膜光电探测器22的拍频电信号并进行处理，输出时钟信号，实现芯片主动光钟。

26、其中，所述冷却泵浦能级跃迁、冷却重泵能级跃迁、泵浦能级跃迁和目标能级跃迁的选择，需根据碱金属原子的类型和所需光频标信号的目标波长来具体考虑，同时需满足，冷却泵浦能级跃迁和冷却重泵能级跃迁的组合需保证原子不会堆积于同一态上，实现总体的“循环跃迁”效果；冷却泵浦能级跃迁和冷却重泵能级跃迁的上能级不能与目标能级跃迁的下能级重合，否则将很难实现目标能级的布居数反转。

27、其中，所述饱和吸收谱装置10内包含的原子类型与原子气室18中的相同。

28、其中，所述原子气室18的前窗口、后窗口组成的谐振腔参数经过计算，令其腔模线宽远大于原子气室18中铯原子的增益线宽，即工作在坏腔区域。

29、其中，所述冷原子芯片主动光钟还包括所述饱和吸收谱装置10的外部设置磁屏蔽模块以及加热、保温和控温的模块，从而隔绝外界磁场和温度波动对铯原子跃迁频率的影响，提高饱和吸收谱稳频性能。

30、其中，所述冷原子芯片主动光钟还包括芯片电光调制器11由一个驱动芯片产生的微波信号驱动。

31、其中，所述冷原子芯片主动光钟还包括亥姆霍兹线圈磁屏蔽室16、反亥姆霍兹线圈17连接到一个可调电流源电路，能够分别控制通过各个线圈的电流。

32、此外，本发明还提供一种基于光栅磁光阱冷却的芯片主动光钟的实现方法，具体包括如下步骤：

33、步骤s1：所述第一dbr激光器1通过所述第一激光控制器2调节其频率与铯原子6s1/2→6p3/2跃迁共振，并对其进行扫频，调整第一光束调节装置3使部分输出激光进入饱和吸收谱装置10，产生的饱和吸收谱电信号反馈至第一激光控制器2，用于将852nm冷却激光的频率锁定在铯原子6s1/2(f＝4)→6p3/2(f’＝5)的冷却泵浦能级跃迁上；

34、步骤s2：所述第二dbr激光器4通过所述第二激光控制器5调节其频率与铯原子6s1/2→6p3/2跃迁共振，并对其进行扫频，调整第二光束调节装置6使部分输出激光进入饱和吸收谱装置10，产生的饱和吸收谱电信号反馈至第二激光控制器5，用于将852nm重泵激光的频率锁定在铯原子6s1/2(f＝3)→6p3/2(f’＝4)的冷却重泵能级跃迁上；

35、步骤s3：所述第三dbr激光器7通过所述第二激光控制器5调节其频率与铯原子6s1/2→7p3/2跃迁共振，并对其进行扫频，调整第三光束调节装置9使部分输出激光进入饱和吸收谱装置10，产生的饱和吸收谱电信号反馈至第二激光控制器5，用于将455nm泵浦激光的频率锁定在铯原子6s1/2(f＝4)→7p3/2(f”＝3)的泵浦能级跃迁上；

36、步骤s4：调整加载在芯片电光调制器11上的微波驱动信号，使通过芯片电光调制器11的冷却激光产生恒定的-10mhz红失谐；

37、步骤s5：经过移频的冷却激光和重泵激光在第一偏振分光棱镜12上合束，产生冷却、重泵混合激光；

38、步骤s6：冷却、重泵混合激光通过扩束透镜13和准直透镜14扩大光束的直径，使光束的截面面积大致能覆盖到光栅芯片19的整个表面，从而提高冷却效率；

39、步骤s7：冷却、重泵混合激光从平行于原子气室18的两个窗口的侧面进入气室内，由于多普勒效应，与红失谐冷却激光的光子相向运动的、具有一定速度的铯原子将吸收该光子，完成冷却泵浦能级跃迁，从6s1/2(f＝4)态跃迁至6p3/2(f’＝5)态；随后通过自发辐射，掉落至6s1/2(f＝4)态和6s1/2(f＝3)态；根据动量守恒，吸收了相向运动的光子的铯原子会被减速，而自发辐射光子的速度方向是随机的，即在统计上看，自发辐射对原子速度的改变量为零，因此，铯原子受到减速的总体效果；

40、步骤s8：处于6s1/2(f＝3)态的铯原子被重泵激光激发，完成冷却重泵能级跃迁至6p3/2(f’＝4)态，并通过自发辐射返回6s1/2(f＝4)态，从而防止铯原子在6s1/2(f＝3)态聚集，减弱与冷却激光的作用；

41、步骤s9：调整通过亥姆霍兹线圈磁屏蔽室16的电流，使其内部的磁场强度为零，避免外界磁场的干扰；

42、步骤s10：在反亥姆霍兹线圈17上加适当的电流，并且两个线圈的电流方向相反，从而在原子气室18中形成所需的非均匀磁场；

43、步骤s11：冷却、重泵混合激光透过原子气室18，垂直入射到光栅芯片19的表面上，产生三束正四面体形的冷却、重泵衍射光，与入射激光组成陷阱光，陷阱光的交点位于原子气室18的中心点；

44、步骤s12：原子气室18中的铯原子位于反亥姆霍兹线圈17产生的非均匀磁场中，对于不同位置的原子，其塞曼子能级的偏移量不同，对于冷却激光的失谐量也不同。同时，根据选择定则，激发态塞曼子能级的磁量子数对于吸收的圆偏振光子的旋向有要求。当铯原子偏离原子气室18的中心点时，会选择性地吸收更多朝向中心点运动的光子，持续地受到一个朝向中心点的力，从而达到将经过减速的铯原子进一步捕获、囚禁的效果，最终在中心点处形成冷原子团；

45、步骤s13：由第三dbr激光器7产生的455nm泵浦激光垂直透过原子气室18的前窗口，进入谐振腔，照射在冷原子团上，将冷原子团中的铯原子从6s1/2态泵浦到7p3/2态，完成泵浦能级跃迁；7p3/2态的铯原子通过自发辐射掉落到7s1/2态，最终建立起铯原子7s1/2态与6p1/2态这两个目标能级之间的布居数反转，并通过自发辐射完成目标能级跃迁，产生1359nm的荧光信号；

46、步骤s14：在所述冷原子团的增益下，在所述原子气室18的前窗口和后窗口组成的谐振腔的增强作用下，同时，在所述455nm泵浦光功率达到合适值时，对于1359nm荧光信号的增益大于损耗，实现1359nm受激辐射信号光；

47、步骤s15：所述1359nm受激辐射信号光即作为主动光钟的光频标信号，从原子气室18的后窗口输出；

48、步骤s16：所述光频标信号在所述第二偏振分光棱镜21中，与所述微腔光梳20产生的梳齿光信号进行合束，生成拍频光信号；

49、步骤s17：所述拍频光信号进入所述第二薄膜光电探测器22，转换为拍频电信号，输入数字频率计数器23中，经过一系列数字运算后，输出时间信号，实现芯片主动光钟。

50、其中，所述方法还包括：所述饱和吸收谱装置10和原子气室18中的原子类型可以改为铷原子；所述芯片电光调制器对冷却激光的频移量可以改为-12mhz；所述第一dbr激光器1的冷却激光可以改为780nm，并锁定至铷原子5s1/2(f＝2)→5p3/2(f’＝3)的冷却泵浦能级跃迁频率上；所述第二dbr激光器4的重泵激光可以改为780nm，并锁定至铷原子5s1/2(f＝1)→5p3/2(f’＝2)的冷却重泵能级跃迁频率上；所述第三dbr激光器7的泵浦激光可以改为421nm，并锁定至铷原子5s1/2(f＝3)→6p1/2(f”＝2)的泵浦能级跃迁频率上，从而冷却原子气室18中的铷原子，形成冷原子团，并且在铷原子6s1/2态与5p1/2态这两个目标能级之间实现布居数反转，通过自发辐射完成目标能级跃迁，输出中心波长为1324nm的光频标信号，实现冷原子芯片主动光钟的步骤。

51、与现有技术相比，本发明的积极效果为：

52、以铯原子为例，本发明利用852nm冷却激光和重泵激光，配合光栅磁光阱冷却、捕获并囚禁铯原子，在原子气室中形成冷原子团，并将冷原子团作为增益介质，通过455nm泵浦激光，将铯原子泵浦到7p3/2态，经过自发辐射，在铯原子7s1/2态与6p1/2态之间建立布居数反转，通过谐振腔的腔反馈，使对应铯原子7s1/2态与6p1/2态跃迁的自发辐射不断放大，达到激光阈值后输出1359nm受激辐射信号，输出激光直接作为光频标信号使用。由于主动光钟工作在坏腔区域，其增益线宽远小于腔模线宽，能大大抑制腔牵引效应对短期频率稳定度的影响，与传统被动光钟相比，无需复杂的高精度伺服电路来稳定谐振腔腔长，减小了系统的体积与功耗。同时，由于增益介质为冷原子团，抑制了碰撞频移与多普勒频移对光频标信号的影响，进一步提高了主动光钟的稳定度。与传统的冷原子光钟相比，本发明以光路简单、体积小、功耗低的光栅磁光阱为核心部件，配合主动光钟技术和各种微型光电元器件，能够将冷原子光钟系统集成于芯片上，适合于便携式应用场景；与现有的芯片微波原子钟相比，稳定度指标更高。本发明具有重要的应用价值，能够为可移动设备提供长时间、高精度授时的频率参考。