本發(fā)明屬于原子鐘與頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘及其控制方法。

背景技術(shù)：

隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的迅速發(fā)展以及半導(dǎo)體激光器性能的不斷提高，半導(dǎo)體激光器被廣泛應(yīng)用于激光光譜、激光冷卻、原子分子物理、光頻原子鐘等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。自由運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體激光器的輸出頻率是一個(gè)隨時(shí)間變化的不規(guī)則量，受溫度、電流等參數(shù)波動(dòng)的影響，頻率會(huì)產(chǎn)生大的漂移和增寬。伴隨光頻原子鐘等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域?qū)Ω叻€(wěn)定度的追求，對(duì)激光器的性能也提出了更高的要求，要求激光器的輸出頻率更加穩(wěn)定。為了提高激光頻率的穩(wěn)定系，可以依靠一個(gè)高穩(wěn)定的參考頻率源對(duì)激光腔進(jìn)行自動(dòng)頻率微調(diào)，在動(dòng)態(tài)平衡中保持輸出激光頻率不變。這種參考頻率源可以是一個(gè)高穩(wěn)定的無(wú)源腔，也可以是原子或分子的譜線。為了實(shí)現(xiàn)激光頻率的長(zhǎng)期穩(wěn)定度，需要將激光頻率鎖定在原子的躍遷譜線上。

常用的激光穩(wěn)頻技術(shù)主要有飽和吸收譜技術(shù)、極化譜技術(shù)等非線性光譜技術(shù)。其中，飽和吸收譜技術(shù)是最常見的激光穩(wěn)頻方法，但它需要在激光頻率上加調(diào)制信號(hào)，再由穩(wěn)頻電路解調(diào)后產(chǎn)生誤差信號(hào)反饋到激光器。由于加了調(diào)制信號(hào)，使得激光輸出頻率和幅度受影響，引入額外的噪聲。極化譜技術(shù)是一種不需要調(diào)制機(jī)制即可產(chǎn)生誤差信號(hào)的原子光譜技術(shù)，但其較寬的帶寬會(huì)引入更高的低頻噪聲，同時(shí)實(shí)際零點(diǎn)值會(huì)隨著光功率等因素的變化而發(fā)生改變，因而也受到了一定限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服飽和吸收譜和極化譜等穩(wěn)頻技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘及其控制方法，采用調(diào)制轉(zhuǎn)移譜技術(shù)，調(diào)制頻率在射頻頻段，同時(shí)結(jié)合相敏檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)外差探測(cè)，有效地避免低頻噪聲的干擾，提高誤差信號(hào)的信噪比，實(shí)現(xiàn)高性能的堿金屬小光鐘。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘。

本發(fā)明的基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘包括：激光器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第一偏振分光棱鏡、堿金屬原子、玻璃泡、第二偏振分光棱鏡、相位調(diào)制器、磁屏蔽盒、光電探測(cè)器、混頻器、信號(hào)發(fā)生器、伺服反饋電路和激光電源；其中，玻璃泡中充有堿金屬原子和緩沖氣體，玻璃泡置于磁屏蔽盒中；激光電源驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出激光；激光經(jīng)過(guò)第一半波片由第一偏振分光棱鏡分成強(qiáng)度不相等的兩束激光，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第一半波片與第一偏振分光棱鏡之間的角度，調(diào)節(jié)兩束激光的強(qiáng)度；強(qiáng)度較弱的激光作為探測(cè)光，強(qiáng)度較強(qiáng)的激光作為泵浦光，泵浦光和探測(cè)光的偏振方向互相垂直；探測(cè)光經(jīng)過(guò)第二半波片進(jìn)入玻璃泡中；信號(hào)發(fā)生器為相位調(diào)制器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，泵浦光經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器，相位調(diào)制器對(duì)泵浦光進(jìn)行相位調(diào)制，使得泵浦光在主頻的基礎(chǔ)上具有兩個(gè)邊帶；泵浦光經(jīng)第三半波片和第二偏振分光棱鏡反射后進(jìn)入玻璃泡；相位調(diào)制器與第三半波片的位置可互換；在玻璃泡中，泵浦光的主頻和兩個(gè)邊帶與探測(cè)光的主頻，以堿金屬原子為介質(zhì)發(fā)生相互作用，通過(guò)非線性的四頻混頻效應(yīng)，泵浦光的兩個(gè)邊帶被調(diào)制到探測(cè)光上，從而探測(cè)光具有主頻和兩個(gè)邊帶；探測(cè)光經(jīng)第二偏振分光棱鏡由光電探測(cè)器接收，探測(cè)光的邊帶與主頻拍頻；拍頻信號(hào)傳輸至混頻器，信號(hào)發(fā)生器為混頻器提供參考信號(hào)，與拍頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而解調(diào)出高性能的調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)；調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)通過(guò)伺服反饋電路反饋回激光電源，從而將激光器發(fā)出的激光波長(zhǎng)鎖定在堿金屬原子的躍遷譜上。

第二半波片與第二偏振分光棱鏡結(jié)合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第二半波片與第二偏振分光棱鏡之間的角度，調(diào)節(jié)從第二偏振棱鏡出射的探測(cè)光的光強(qiáng)，即探測(cè)器探測(cè)到的探測(cè)光的光強(qiáng)。第三半波片和第二偏振分光棱鏡相結(jié)合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第三半波片與第二偏振分光棱鏡之間的角度，調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)第二偏振分光棱鏡反射至玻璃泡中的泵浦光的光強(qiáng)。

進(jìn)一步，在泵浦光的光路上設(shè)置有第四半波片，第四半波片將線偏振的泵浦光的偏振方向調(diào)至與相位調(diào)制器的光軸方向平行，從而保證純相位調(diào)制過(guò)程的發(fā)生，以避免剩余幅度調(diào)制等機(jī)制的影響。

進(jìn)一步，本發(fā)明還包括第一衰減器和第二衰減器，分別放置在探測(cè)光與泵浦光未進(jìn)入玻璃泡的光路上，分別改變探測(cè)光和泵浦光的光強(qiáng)。

玻璃泡為圓柱形殼體，兩端面平整，不會(huì)引起激光光斑的變形；玻璃泡中充有堿金屬原子和緩沖氣體；堿金屬原子為銣、銫、鉀和鈉中的一種；緩沖氣體采用惰性氣體，如氬、氪或氙。玻璃泡的外壁繞有加熱元件，加熱元件采用加熱片；通過(guò)溫控電路控制加熱元件的加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃泡溫度的精確控制。

激光器采用超窄線寬干涉濾光片外腔半導(dǎo)體激光器。

相位調(diào)制器采用聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘的控制方法。

本發(fā)明的基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘的控制方法，包括以下步驟：

1)將堿金屬原子和緩沖氣體充入玻璃泡中，將玻璃泡置于磁屏蔽盒內(nèi)，并在玻璃泡的外壁纏繞加熱元件；

2)激光電源驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出激光，激光經(jīng)過(guò)第一半波片由第一偏振分光棱鏡分成強(qiáng)度不相等的兩束激光，通過(guò)調(diào)節(jié)第一半波片與第一偏振分光棱鏡之間的角度，調(diào)節(jié)兩束激光的強(qiáng)度，強(qiáng)度較弱的激光作為探測(cè)光，強(qiáng)度較強(qiáng)的激光作為泵浦光，泵浦光和探測(cè)光的偏振方向互相垂直；

3)探測(cè)光經(jīng)過(guò)第二半波片進(jìn)入玻璃泡中，第二半波片與第二偏振分光棱鏡結(jié)合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第二半波片與第二偏振分光棱鏡之間的角度，調(diào)節(jié)從第二偏振棱鏡出射的探測(cè)光的光強(qiáng)，即探測(cè)器探測(cè)到的探測(cè)光的光強(qiáng)；

4)信號(hào)發(fā)生器為相位調(diào)制器提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，泵浦光經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器，相位調(diào)制器對(duì)泵浦光進(jìn)行相位調(diào)制，使得泵浦光在主頻的基礎(chǔ)上具有兩個(gè)邊帶，泵浦光經(jīng)第三半波片和第二偏振分光棱鏡反射后進(jìn)入玻璃泡，第三半波片和第二偏振分光棱鏡相結(jié)合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第三半波片與第二偏振分光棱鏡之間的角度，調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)第二偏振分光棱鏡反射至玻璃泡中的泵浦光的光強(qiáng)，相位調(diào)制器與第三半波片的位置可互換；

5)在玻璃泡中，泵浦光的主頻和兩個(gè)邊帶與探測(cè)光的主頻，以堿金屬原子為介質(zhì)發(fā)生相互作用，通過(guò)非線性的四頻混頻效應(yīng)，泵浦光的兩個(gè)邊帶被調(diào)制到探測(cè)光上，從而探測(cè)光具有主頻和兩個(gè)邊帶；

6)探測(cè)光經(jīng)第二偏振分光棱鏡由光電探測(cè)器接收，探測(cè)光的邊帶與主頻拍頻；

7)拍頻信號(hào)傳輸至混頻器，信號(hào)發(fā)生器為混頻器提供參考信號(hào)，與拍頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而解調(diào)出高性能的調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)；

8)調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)通過(guò)伺服反饋電路反饋回激光電源，從而將激光器發(fā)出的激光波長(zhǎng)鎖定在堿金屬原子的躍遷譜上。

其中，在步驟1)中，堿金屬原子為銣、銫、鉀和鈉中的一種；緩沖氣體采用惰性氣體，如氬、氪或氙。

在步驟2)中，激光電源控制激光器的工作溫度和電流，并調(diào)節(jié)激光器腔長(zhǎng)的壓電陶瓷的電壓。

在步驟4)中，相位調(diào)制器的調(diào)制頻率與展寬后的堿金屬原子的吸收譜在同一量級(jí)。

在步驟4)中，進(jìn)一步，在泵浦光的光路上設(shè)置有第四半波片，第四半波片將線偏振的泵浦光的偏振方向調(diào)至與相位調(diào)制器的光軸方向平行，從而保證純相位調(diào)制過(guò)程的發(fā)生，以避免剩余幅度調(diào)制等機(jī)制的影響。

進(jìn)一步，在探測(cè)光與泵浦光未進(jìn)入玻璃泡的光路上，分別設(shè)置第一衰減器和第二衰減器，分別獨(dú)立控制，優(yōu)化探測(cè)光和泵浦光的光強(qiáng)，使得混頻器解調(diào)出的調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)的中心頻率處的斜率最大，使激光波長(zhǎng)的鎖定效果達(dá)到最優(yōu)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明集成應(yīng)用四方面技術(shù)：超窄線寬干涉濾光片外腔半導(dǎo)體激光器、調(diào)制轉(zhuǎn)移譜、窄線寬堿金屬原子躍遷譜線和快速相位調(diào)制反饋，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的小型激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，將激光器發(fā)出的激光波長(zhǎng)鎖定在堿金屬原子的躍遷譜上，線寬小于50khz，也超過(guò)國(guó)際上所有各種不同原子的微波鐘穩(wěn)定度；探測(cè)光和泵浦光的光強(qiáng)可以獨(dú)立控制，通過(guò)優(yōu)化激光光強(qiáng)，使解調(diào)出的誤差信號(hào)中心頻率處的斜率最大，更好地實(shí)現(xiàn)激光頻率的鎖定；調(diào)制轉(zhuǎn)移譜技術(shù)可以有效地避免低頻噪聲的干擾，同時(shí)具有更加平坦的背底；本發(fā)明集成創(chuàng)新帶來(lái)性能指標(biāo)上的飛躍式提升，所實(shí)現(xiàn)的高穩(wěn)定度的小型激光頻率標(biāo)準(zhǔn)，秒級(jí)穩(wěn)定度達(dá)到10^-14，其穩(wěn)定度指標(biāo)上超過(guò)目前國(guó)際上堿金屬原子所有的其他波段光頻量子頻率標(biāo)準(zhǔn)和長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘的實(shí)施例一的示意圖；

圖2為本發(fā)明的基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘的實(shí)施例二的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

實(shí)施例一

如圖1所示，本實(shí)施例的基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘包括：激光器1、第一半波片2、第二半波片4、第三半波片12、第一偏振分光棱鏡3、堿金屬原子、玻璃泡6、第二偏振分光棱鏡9、相位調(diào)制器13、磁屏蔽盒7、光電探測(cè)器16、混頻器17、信號(hào)發(fā)生器18、伺服反饋電路19和激光電源20；其中，玻璃泡外壁纏繞加熱元件8，玻璃泡6中充有堿金屬原子和緩沖氣體，玻璃泡6置于磁屏蔽盒7中；激光電源20驅(qū)動(dòng)激光器1發(fā)出激光；激光經(jīng)過(guò)第一半波片2由第一偏振分光棱鏡3分成強(qiáng)度不相等的兩束激光，通過(guò)調(diào)節(jié)第一偏振分光棱鏡3第一偏振分光棱鏡3之間的角度，控制兩束激光的強(qiáng)度；強(qiáng)度較弱的激光作為探測(cè)光，強(qiáng)度較強(qiáng)的激光作為泵浦光，泵浦光和探測(cè)光的偏振方向互相垂直；探測(cè)光從第一偏振分光棱鏡3透射，經(jīng)過(guò)第二半波片4進(jìn)入玻璃泡6中；信號(hào)發(fā)生器18為相位調(diào)制器13提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，泵浦光從第一偏振分光棱鏡3反射，再由第二高反鏡11反射后，經(jīng)過(guò)泵浦光經(jīng)第三半波片12，進(jìn)入相位調(diào)制器13，相位調(diào)制器13對(duì)泵浦光進(jìn)行相位調(diào)制，使得泵浦光在主頻的基礎(chǔ)上具有兩個(gè)邊帶；通過(guò)旋轉(zhuǎn)第二半波片與第二偏振分光棱鏡之間的角度，使得從第二偏振分光棱鏡透射的探測(cè)光達(dá)到最大，而反射光最??；經(jīng)第三高反鏡15反射，再經(jīng)第二偏振分光棱鏡9反射后進(jìn)入玻璃泡6，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第三半波片12與第二偏振分光棱鏡9之間的角度，使得經(jīng)第二偏振分光棱鏡反射后進(jìn)入至玻璃泡中的泵浦光的光強(qiáng)最大，而透射光最??；在玻璃泡6中，泵浦光的主頻和兩個(gè)邊帶與探測(cè)光的主頻，以堿金屬原子為介質(zhì)發(fā)生相互作用，通過(guò)非線性的四頻混頻效應(yīng)，泵浦光的兩個(gè)邊帶被調(diào)制到探測(cè)光上，從而探測(cè)光具有主頻和兩個(gè)邊帶；探測(cè)光從第二偏振分光棱鏡9透射，經(jīng)第一高反鏡10反射后，由光電探測(cè)器16接收，探測(cè)光的邊帶與主頻拍頻；拍頻信號(hào)傳輸至混頻器17，信號(hào)發(fā)生器18為混頻器17提供參考信號(hào)，與拍頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而解調(diào)出高性能的調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)；調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)通過(guò)伺服反饋電路19反饋回激光電源20。

在本實(shí)施例中，堿金屬原子采用銣原子。銣原子是計(jì)量學(xué)領(lǐng)域中具有非常突出地位的一種原子：一方面在微波量子頻率標(biāo)準(zhǔn)(原子鐘)方面，同位素銣85原子用來(lái)實(shí)現(xiàn)3.0ghz的微波原子鐘，同位素銣87原子可以用于實(shí)現(xiàn)6.8ghz的微波原子鐘；另一方面在光頻量子頻率標(biāo)準(zhǔn)和長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)方面，銣原子在780nm，雙光子778nm，光通信波段的1529nm，都提供了很好的量子頻率參考。

激光器1采用超窄線寬干涉濾光片外腔半導(dǎo)體激光器，輸出激光波長(zhǎng)為420nm或421nm；激光的輸出波長(zhǎng)為420nm時(shí)，激光的頻率通過(guò)伺服反饋電路19鎖定在銣原子基態(tài)5s1/2到第二激發(fā)態(tài)6p3/2的躍遷譜線上；激光的輸出波長(zhǎng)為421nm時(shí)，激光的頻率通過(guò)伺服反饋電路19鎖定在銣原子基態(tài)5s1/2到第二激發(fā)態(tài)6p1/2的躍遷譜線上。

本實(shí)施例的基于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的堿金屬小光鐘的控制方法，包括以下步驟：

1)將銣原子和100乇氬氣充入玻璃泡6中，將玻璃泡置于磁屏蔽盒7內(nèi)，并在玻璃泡的外壁纏繞加熱元件8，溫控電路對(duì)加熱元件8進(jìn)行加熱，精確控制玻璃泡6的溫度；

2)激光電源驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)出激光，激光經(jīng)過(guò)第一半波片2由第一偏振分光棱鏡3分成強(qiáng)度不相等的兩束激光，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第一半波片2與第一偏振分光棱鏡3之間的角度，調(diào)節(jié)兩束激光的強(qiáng)度，強(qiáng)度較弱的激光作為探測(cè)光，強(qiáng)度較強(qiáng)的激光作為泵浦光，泵浦光和探測(cè)光的偏振方向互相垂直；

3)探測(cè)光從第一偏振分光棱鏡3透射，經(jīng)過(guò)第二半波片4進(jìn)入玻璃泡6中，第二半波片與第二偏振分光棱鏡結(jié)合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第二半波片與第二偏振分光棱鏡之間的角度，調(diào)節(jié)從第二偏振棱鏡透射的探測(cè)光的光強(qiáng)，即探測(cè)器探測(cè)到的探測(cè)光的光強(qiáng)；

4)信號(hào)發(fā)生器18為相位調(diào)制器13提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)，泵浦光從第一偏振分光棱鏡3反射，再由第二高反鏡11反射后，經(jīng)過(guò)泵浦光經(jīng)第三半波片12，進(jìn)入相位調(diào)制器13，相位調(diào)制器13對(duì)泵浦光進(jìn)行相位調(diào)制，使得泵浦光在主頻的基礎(chǔ)上具有兩個(gè)邊帶；經(jīng)第三高反鏡15反射，再經(jīng)第二偏振分光棱鏡9反射后進(jìn)入玻璃泡6，第三半波片12和第二偏振分光棱鏡9相結(jié)合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)第三半波片與第二偏振分光棱鏡之間的角度，調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)第二偏振分光棱鏡反射進(jìn)入至玻璃泡中的泵浦光的光強(qiáng)；

5)在玻璃泡中，泵浦光的主頻和兩個(gè)邊帶與探測(cè)光的主頻，以銣原子為介質(zhì)發(fā)生相互作用，通過(guò)非線性的四頻混頻效應(yīng)，泵浦光的兩個(gè)邊帶被調(diào)制到探測(cè)光上，從而探測(cè)光具有主頻和兩個(gè)邊帶；

6)探測(cè)光從第二偏振分光棱鏡9透射，經(jīng)第一高反鏡10反射后，由光電探測(cè)器16接收，探測(cè)光的邊帶與主頻拍頻；

7)拍頻信號(hào)傳輸至混頻器17，信號(hào)發(fā)生器18為混頻器提供參考信號(hào)，與拍頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，從而解調(diào)出高性能的調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)；

8)調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)通過(guò)伺服反饋電路19反饋回激光電源20的電流端和壓電陶瓷端，從而將激光器1的輸出頻率鎖定在420nm或421nm的原子躍遷譜線上。

實(shí)施例二

本實(shí)施例中，在探測(cè)光與泵浦光未進(jìn)入玻璃泡的光路上分別放置第一衰減器5和第二衰減器14，分別獨(dú)立控制探測(cè)光和泵浦光的光強(qiáng)，通過(guò)優(yōu)化泵浦光和探測(cè)光的光強(qiáng)，使得混頻器17解調(diào)出的誤差信號(hào)中心頻率處的斜率最大，使激光頻率的鎖定效果達(dá)到最優(yōu)。并且，在泵浦光的光路上設(shè)置有第四半波片21，第四半波片將線偏振的泵浦光的偏振方向調(diào)至與相位調(diào)制器的光軸方向平行，從而保證純相位調(diào)制過(guò)程的發(fā)生，以避免剩余幅度調(diào)制等機(jī)制的影響其他同實(shí)施例一。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。