一种基于铯原子的双波段光学-微波原子钟及其实现方法

本发明属于原子钟，具体涉及一种基于铯原子钟的双波段光学-微波原子钟及其实现方法。

背景技术：

1、时间/频率是目前能够被测量的最准确的物理量，原子钟作为实现时频测量的高精密仪器，具有重要应用。比如，通过频率比对进行基础物理研究(广义相对论验证、暗物质探测、超轻暗物质探测、物理常数随时间的变化)、秒的现定义以及重新定义、建立量子传感网络、时频传递等。这些广泛的应用促进了原子钟技术和种类的飞速发展，从微波钟到光钟，甚至核钟、脉冲星天文钟，原子钟种类层出不穷，通过光频比对，已经证明了光晶格钟、离子光钟是目前性能最优的原子钟，但即便如此，科学家们还是在极力丰富原子钟的种类，高电离钟、单分子离子钟、分子晶格钟、氢原子晶格钟、汞原子晶格钟、铟离子钟等，甚至是自然含量稀缺的钍229核钟、毫秒波脉冲星天文钟等，原子钟的类型还在层出不穷，用于探索自然界的奥秘，丰富人类的现有认知，尤其是扩展量子精密测量的应用范围。

2、虽然原子钟种类繁多，但是目前实现秒定义的原子钟还是铯原子微波钟，2026年将确定用光钟进行秒定义的路线图。铯原子钟以其独特的优势，早在1955年由英国国家物理实验室研制成功了世界上第一台基于铯原子的原子束钟，实现后不久，于1967年，第十三届国际计量大会上将1秒定义在铯原子基态超精细能级跃迁频率上，铯原子成为一级时间计量标准的参考。而现如今，微波原子钟的精度已经不能满足某些应用需求，用光钟进行秒定义修改的工作正在如火如荼的开展，光晶格钟、离子光钟可能会成为秒重新定义的基准钟。但是，由于秒定义的三种方案还未最终确定，且有可能采用微波钟、光钟齐头并进的方式，通过确定权重来实现秒定义的过渡以及重新建立。

3、因此，如何利用微波钟的实用优势，同时，又能利用光钟的性能优势，是一件极具挑战且应用广阔的事情。

技术实现思路

1、由于独特的性能优势，以铯原子作为量子参考实现的原子钟意义重大，与光晶格钟和离子钟不同，基于热铯原子实现的光钟不需要超稳本振和超冷原子量子参考，具有体积小、系统简单，且长时间连续运行优势。由于光频中心跃迁频率远高于微波，因此，其短期频率稳定度优于微波钟，更适用于目前对高性能光频标的需求。此外，将上述小体积高性能光钟应用于光抽运小铯钟的抽运光和探测光，可以降低激光频率噪声，从而获得性能优异的微波钟。综上，本发明创新性的利用铯原子量子参考，实现了微波和光学两种不同波段的原子钟，且两个波段即可以随意切换输出，也可以同时输出，微波原子钟和光频原子钟分别具有更加优异的长期频率稳定度和短期频率稳定度，实现了一种基于铯原子的双波段光学-微波原子钟。

2、本发明要解决的技术问题是：如何提供一种基于铯原子的双波段光学-微波原子钟，要求其技术方案简单可靠，系统体积小巧、结构简单、操作方便，且能实现微波和光学两个波段的任意切换或者同时输出，扩展基于铯原子的实用化微波原子钟和小型化高性能光频原子钟的应用范围。

3、为解决上述技术问题，本发明提供一种基于铯原子钟的双波段光学-微波原子钟，其包括：

4、本振激光源1，可以是外腔半导体激光器，也可以是dbr激光器，用于产生波长与铯原子从6s1/2态到6p3/2态跃迁频率对应的852nm的本振激光；

5、第一半波片2和第一偏振分光棱镜3，用于对所述本振激光源1输出的激光经过第一分光棱镜3后的反射光和透射光的功率进行调节，经过第一偏振分光棱镜3的反射光用作激光频率稳定，经过第一偏振分光棱镜3的透射光用于下一步应用；

6、第一反射镜4，用于接收从偏振分光棱镜3反射的852nm波长的本振激光；

7、调制转移谱稳频系统5，用于产生调制转移谱误差信号，稳定本振激光频率，将本振激光的频率锁定到铯原子6s1/2(f＝4)到6p3/2(f＝5)的超精细跃迁能级上；

8、第二半波片6和第二偏振分光棱镜7，用于对所述本振激光源1输出的激光经过第二偏振分光棱镜7后反射光和透射光的功率进行调节，经过第一偏振分光棱镜3的反射光用作激光频率稳定，经过第一偏振分光棱镜3的透射光用于下一步应用；

9、第二反射镜8，用于将对所述稳频后的本振激光源1输出的激光经过第二分光棱镜7后的透射光，与光学频率梳9的一根频率最相近的第n根梳齿拍频，拍频信号作为频率标准信号输出；

10、光学频率梳9，用于将稳频后的本振激光源1输出的激光进行频率下转化，其中激光的频率为fl，与光学频率梳9中频率接近的一个光谱成分拍频，即第n根梳齿，得到拍频频率fb，微波锁相技术可以严格控制拍频频率fb和光梳的初始频率f0，因此，光梳的重复频率fr与fb、fl和f0有关，且由工作原理知，fr的稳定度和精确度由激光频率fl决定，以此实现了光学频率向微波频率的高精度传递，形成基于铯原子的光学原子钟；

11、第三半波片10和第三偏振分光棱镜11，用于将经过第三偏振分光棱镜11后的反射光和透射光的功率进行调节；

12、声光调制器12，用于将稳频后的本振激光源输出的激光进行移频，移频大小为251mhz，作为光抽运小铯钟的抽运光使用，抽运光频率对应铯原子6s1/2(f＝4)到6p3/2(f＝4)的超精细跃迁能级，将铯原子基态6s1/2(f＝4)的原子全部抽运到6s1/2(f＝3)；

13、第一全反镜13，用于将所述抽运光沿原路全反射，加强光抽运效果；

14、铯炉14，用于提供铯原子束流；

15、微波谐振腔15，用于微波与铯原子相互作用；

16、微波源16，用于产生拉姆塞微波激励场，将铯原子从基态6s1/2(f＝3)抽运到6s1/2(f＝4)；

17、第三反射镜17，用于将经过第三偏振分光棱镜11后反射的光反射，作为光抽运小铯钟的探测光使用，探测在拉姆塞微波激励场作用下基态6s1/2(f＝4)上的粒子数变化；

18、第二全反镜18，用于将所述抽运光沿原路全反射，加强探测光信号强度；

19、探测器19，用于探测微波原子钟的跃迁拉姆塞谱线；

20、光抽运小铯钟整机电路20，用于对微波源16的频率进行锁定，使微波源16输出原子钟信号，形成基于铯原子的微波原子钟；

21、其中，所述光学频率梳9的初始频率f0，即可以通过微波锁相技术锁定在外部微波源上，也可以锁定在所述的光抽运小铯钟输出的微波原子钟信号上。

22、此外，本发明还提一种基于铯原子钟的双波段光学-微波原子钟的实现方法，具体包括如下步骤：

23、步骤s1：所述本振激光源1通过所述调制转移谱稳频系统5，对本振激光频率进行锁定，将本振激光的频率锁定到铯原子6s1/2(f＝4)到6p3/2(f＝5)的超精细跃迁能级上；

24、步骤s2：所述稳频后的本振激光源1与所述光学频率梳9的一根频率相近的第n根梳齿拍频，用于实现光学频率下转换，拍频信号为微波信号，可直接应用，所述光学频率梳的重复频率fr的稳定度和精确度由所述稳频后的本振激光的频率fl决定，以此实现了光学频率向微波频率的高精度传递，形成基于铯原子的光学原子钟；

25、步骤s3：所述声光调制器12将稳频后的本振激光源输出的激光移频，频率对应铯原子6s1/2(f＝4)到6p3/2(f＝4)的超精细跃迁能级，作为光抽运小铯钟的抽运光使用，将铯原子基态6s1/2(f＝4)的原子全部抽运到6s1/2(f＝3)；

26、步骤s4：所述铯炉14输出铯原子束流，在所述微波谐振腔15中，使铯原子与所述微波源16产生的拉姆塞微波激励场相互作用，将铯原子从基态6s1/2(f＝3)抽运到6s1/2(f＝4)；

27、步骤s5：所述稳频后的本振激光源输出的激光作为光抽运小铯钟的探测光，探测在拉姆塞微波激励场作用下基态6s1/2(f＝4)上的粒子数变化；

28、步骤s6：所述探测器19探测钟跃迁拉姆塞谱线，通过所述光抽运小铯钟整机电路20对所述微波源16输出的微波信号频率进行锁定，使所述微波源16输出原子钟信号，形成基于铯原子的微波原子钟。

29、与现有技术相比，本发明的积极效果为：

30、本发明创新性的利用目前实现秒定义铯原子，分别作为微波原子钟和光学原子钟的量子参考，实现了微波和光学两种不同波段的原子钟，且两个波段即可以随意切换，也可以同时输出。与光晶格钟和离子钟性比，基于热铯原子实现的光钟不需要超稳本振和超冷原子量子参考，具有体积小、系统简单，且长时间连续运行优势；与传统的微波光抽运小铯钟相比，将光钟输出的激光应用于光抽运小铯钟的抽运光和探测光，可以降低激光频率噪声，从而获得频率稳定度更高的微波钟。并且，本发明只需要一个本振激光源，结构简单、操作方便、性能优异、成本低廉，实现了一种基于铯原子的双波段光学-微波原子钟，且微波原子钟和光频原子钟分别具有更加优异的长期频率稳定度和短期频率稳定度。本方明实用性极强，广泛扩展了基于铯原子的实用化微波原子钟和小型化高性能光频原子钟的应用范围。