一種基于全光穩頻的光鐘及其制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于全光穩頻的光鐘及其制備方法。本發明的光鐘包括一激光器，其特征在于所述激光器內部設有一量子濾光元件，用于經由所述量子濾光元件選頻出的光頻段的激光反饋回激光增益介質中；所述量子濾光元件的通帶中心頻率決定于所述量子濾光元件所用的原子、分子、或離子能級間躍遷頻率；所述量子濾光元件的通帶帶寬至少為所述激光器的腔模距離2倍；所述激光器的增益帶寬覆蓋所述量子濾光元件的通帶帶寬對應的頻率。本發明的光鐘克服了各種傳統濾光器不能提供精確量子頻率標準的缺點，工作穩定，具有重要的應用價值。
【專利說明】一種基于全光穩頻的光鐘及其制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于原子鐘與量子頻率標準【技術領域】，涉及一種無任何電反饋的全光穩頻的光鐘及其制作方法。
技術背景
[0002]目前的光頻標，都是利用原子、分子或離子等量子躍遷能級間對本振激光的吸收譜信號，通過光電探測器收集到的誤差電信號，經由電子線路反饋到本振激光器的頻率控制單元，如激光驅動電流源、激光腔長控制壓電陶瓷的電壓等電路技術實現的。這些光頻標的頻率技術中都少不了電反饋技術。
[0003]此外，盡管在外腔反饋激光技術中利用了光的反饋，但這樣的激光器其輸出頻率沒有一個絕對的基于原子、分子或離子(此后文中簡稱原子)的量子參考標準，其輸出頻率值是隨宏觀物理量如腔長、溫度等在波動變化的，因此不能作為頻率標準使用，即不是原子鐘。
[0004]總之，從已有文獻資料上從來沒有關于本發明這種不用任何電反饋的全光穩頻鎖定的光鐘(即光波段的量子頻率標準)的報道。
【發明內容】
[0005]本發明在完全不涉及電反饋的條件下，提供一種全光穩頻鎖定的光鐘及其制作方法。本發明通過在激光器內部置入一個中心頻率決定于量子濾光元件所選的原子、分子、或離子能級間躍遷頻率的量子濾光元件，此量子濾光元件將經由原子能級間躍遷頻率選頻出的50兆赫茲帶寬甚至更窄的光頻段的激光反饋回激光增益介質中，實現全光反饋直接穩頻，省去了各種電反饋帶來的誤差和不穩定因素。再結合光梳的頻率傳遞后實現光鐘。
[0006]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]一種全光穩頻鎖定的光鐘，其包括:
[0008]一帶寬在50兆赫茲甚至更窄的量子濾光元件，其通帶與原子躍遷能級之間量子躍遷完全對上。
[0009]—內置于激光器內部的帶寬在50兆赫茲以下的量子濾光兀件；
[0010]上述激光器的增益帶寬能夠與量子濾光元件的量子躍遷重合(即與量子濾光元件的通帶重合);
[0011]上述激光器的腔模間距，及其自由譜范圍很小，小到確保量子濾光元件通帶內有二個以上腔模。
[0012]上述激光器帶有其自已的電流、溫度、壓電掃描控制電路，用于監測等。
[0013]上述穩頻激光與倍頻程光梳通過傳統f 一 2f技術和光頻鎖相技術相互鎖定，構成光鐘。
[0014]本發明還提供了一種全光穩頻鎖定的光鐘的制作方法，包括:
[0015]I)選用具有躍遷線寬50兆赫茲甚至更窄原子置于外加磁場中，磁場大小使得其躍遷上下能級的塞曼效應展寬剛好與量子濾光元件所選原子的譜線寬度相當。當光束經過原子與原子相互作用時是在一條線上，并在這條直線上的原子兩端放上正交偏振的格蘭泰勒棱鏡對，正交偏振是指兩棱鏡的偏振方向正交，并分別放置到原子的兩側，這樣構建一帶寬在幾十兆赫茲甚至更窄的量子濾光元件，此濾光元件的通帶與量子躍遷譜完全對上，調節磁場和原子密度使得濾光元件透射最大化；
[0016]2)在一激光器內部，放置一個上述通帶帶寬在50兆赫茲以下的量子濾光元件；所述激光是指本領域技術人員根據公知技術一定能夠找到或制備出滿足此條件的激光器，包括氣體激光、固體激光、半導體激光、光纖激光，對所述激光要求的基本條件是上述激光器的增益帶寬能夠覆蓋住量子濾光元件的通帶，也就是保證量子濾光元件的通帶在上述激光器的增益帶寬之內；
[0017]3)利用增加激光腔長等辦法，使激光腔模間距減小，即其自由譜范圍很小，具體小到確保量子濾光元件通帶之內包含有有2個或2個以上腔模，這樣在理論和實驗上來保證通過激光模式之間的競爭使得任何事后都至少有一個激光模式輸出。否則可能會沒有激光輸出，激光無法連續工作。
[0018]4)當激光器的一個腔模得到量子躍遷譜對應的窄帶反饋后輸出中心頻率決定于量子躍遷線的穩頻鎖定的激光。由于環境條件變化會引起較長時間標度上的腔模漂移，此時鎖定后的激光中心波長變化仍然在長時間標度上受限于量子濾光元件的通帶中心附件的兩個腔模間頻率間距，快速IkHz左右的均勻快速調制掃描腔長，每秒近1000個周期平均后的輸出激光頻率值可以有效消除外界較長時間標度上的腔模漂移影響，這樣得到輸出激光每秒平均值完全決定于量子濾光元件的通帶中心即原子躍遷頻率的激光輸出值，作為光波段的量子頻率標準，與光梳結合，即將穩頻激光與倍頻程光梳通過傳統f - 2f技術和光頻鎖相技術相互鎖定，用作光鐘。
[0019]與現有技術相比，本發明的積極效果為:
[0020]本發明利用了一個通帶帶寬在50兆赫茲以下的量子濾光元件，此量子濾光元件有兩個功能:第一個功能是極大地限制了光反饋的線寬，具體必須小到幾十兆赫茲以下；第二個功能是其量子躍遷譜線提供了絕對值穩定的基于原子、分子、離子能級躍遷的一個量子頻率標準參考。本發明這種特色克服各種傳統濾光器不能提供精確量子頻率標準的缺點，因此工作穩定，具有重要的應用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1，本發明一種全光穩頻鎖定的光鐘的實施例結構示意圖。
[0022]圖2，激光增益介質的增益帶寬，濾光元件帶寬與激光腔自由譜范圍與腔模寬度示意圖。
【具體實施方式】
[0023]下面通過實施例并結合附圖，對本發明作進一步說明。
[0024]圖1本發明一種全光穩頻鎖定的光鐘的實施例結構示意圖。該全光穩頻鎖定的光頻量子頻率標準包括:激光腔鏡1、2，激光增益介質3，量子濾光元件4。對應圖2中激光腔的腔模距離，即自由譜范圍11，量子濾光元件帶寬41，激光增益帶寬31。激光腔鏡1、2具有激光反饋功能，分別置于兩端側；激光增益介質3起到增益作用，量子濾光元件4的功能包括超窄帶50兆赫茲以下的濾光和量子頻率標準參考。
[0025]如圖2，當濾光增益帶寬31能夠與量子濾光元件的帶寬41重合時，利用通帶帶寬只有50兆赫茲甚至更小的量子濾光元件，其帶寬41內至少有兩個或兩個以上激光諧振腔的腔模，為了滿足這一特殊要求，激光的腔長可能需要很長。如，選用銣原子780nm的譜線，采用傳統極化偏振激光譜類似的光路結構利用一部分分光來泵浦原子得到飽和濾光可以得到中心頻率與原子躍遷完全對應的IOMHz帶寬濾光元件，那么，對應的激光腔長必需大于30米,當濾光寬帶小于IMHz時,激光諧振腔的腔長必需大于300米,使得濾光元件通帶內有至少兩個腔模。為了系統的穩定和小型化，利用光纖作為諧振腔，由于較長光纖方便且利用損耗小，考慮折射率后用3000米長光纖可以與IOOkHz帶寬濾光元件匹配，實現高精度激光頻率標準，再與倍頻程光梳通過傳統f - 2f技術和光頻鎖相技術相互鎖定，與光梳結合，然后用作光鐘。
[0026]必須注意，上述的量子濾光元件與傳統的法拉第反常色散濾光器是不同的。第一，傳統的法拉第反常色散濾光器中心通帶太寬，達到幾百兆赫茲以上，其中心并不在原子躍遷線中心，因此不能作為量子頻率參考標準；第二，即使線寬較窄達到幾百兆赫茲中心頻率對著原子躍遷的激光態法拉第反常色散濾光器也因為其泵浦激光會引起巨大的光頻移而不能作為量子頻率參考校準。因此，本發明的特色是，對其中所利用的量子濾光元件有嚴格的要求:一是其通常帶寬很窄，50兆赫茲帶寬或更窄；二是其中心頻率處是原子、分子或離子的確定躍遷譜線；三是其中心頻率落在激光增益范圍之內；四是其通帶中心頻率不受外界嚴重的頻移影響，如多普勒頻移和光頻移等。上述嚴格條件是來確保輸出的激光中心頻率通過全光反饋穩頻鎖定在原子、分子或是離子某一躍遷譜線上，而不像一般的激光器的中心頻率會外界宏觀物理量的變化隨機漂移。因此，非常明確，本發明中所述所利用的量子濾光元件的上述主要特征決定了量子濾光元件可以是非線性飽和法拉第反常色散濾光器、低溫低磁場增益型原子濾光器、基于窄線寬原子躍遷譜的原子濾光器等滿足上述要求的特殊濾光器。
[0027]本發明的特色還包括，激光腔的模間距，即自由譜范圍必需小到確保量子濾光元件窄帶寬之內至少有兩個腔模，即腔長可能變得好幾百米長，甚至更長。
[0028]上述實施例僅是為了說明本發明的工作原理，而非用于限制本發明的范圍。具體地，本發明適用于銣原子、銫原子等堿金屬原子等對應的基態與第一、第二激發態之間的躍遷能級來實現光頻標，也適用于堿土金屬鈣、鍶等原子來實現。本領域普通技術人員應當理解，對本發明技術方案進行修改或同等替換，并不能使修改后的技術方案脫離本發明技術方案的精神與范圍。
【權利要求】
1.一種基于全光穩頻的光鐘，包括一激光器，其特征在于所述激光器內部設有一量子濾光元件，用于經由所述量子濾光元件選頻出的光頻段的激光反饋回激光增益介質中；所述量子濾光元件的通帶中心頻率決定于所述量子濾光元件所用的原子、分子、或離子能級間躍遷頻率；所述量子濾光元件的通帶帶寬至少為所述激光器的腔模距離2倍；所述激光器的增益帶寬覆蓋所述量子濾光元件的通帶帶寬對應的頻率。
2.如權利要求1所述的光鐘，其特征在于所述量子濾光元件的通帶帶寬小于50MHz。
3.如權利要求2所述的光鐘，其特征在于所述量子濾光元件的通帶帶寬小于10MHz。
4.如權利要求1或2或3所述的光鐘，其特征在于所述量子濾光元件的原子置于一外加磁場中，其磁場大小為使得該原子躍遷上下能級的塞曼效應展寬與濾光元件所用的原子、分子、或離子能級間躍遷譜線寬度相當，在光路上該原子兩端設有偏振方向正交的一對格蘭泰勒棱鏡。
5.如權利要求1所述的光鐘，其特征在于所述量子濾光元件為非線性飽和法拉第反常色散濾光器、或低溫低磁場增益型原子濾光器、或基于窄線寬原子躍遷譜的原子濾光器。
6.如權利要求1所述的光鐘，其特征在于所述激光器為氣體激光器、半導體激光器或固體激光器。
7.一種基于全光穩頻的光鐘的制作方法，其步驟為: 1)選取量子濾光元件所用光源并調整所述量子濾光元件，使其通帶中心頻率為所用的原子、分子、或離子能級間躍遷頻率； 2)根據所述量子濾光元件的通帶頻率和帶寬，選取或制備一激光器；其中，所述激光器的增益帶寬覆蓋所述量子濾光元件的通帶帶寬，且所述量子濾光元件的通帶帶寬至少為所述激光器的腔模距離2倍； 3)將所述量子濾光元件置于所述激光器的諧振腔光路內，經由所述量子濾光元件選頻出的光頻段的激光反饋回所述激光器的激光增益介質中； 4)均勻快速調制掃描腔長，將激光頻率平均值作為光波段的量子頻率標準，與光梳結合，用作光鐘。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述量子濾光元件的通帶帶寬小于50MHz。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特征在于將所述量子濾光元件所用的原子置于一外加磁場中，調整磁場大小使得該原子躍遷上下能級的塞曼效應展寬與量子濾光元件所用的原子譜線寬度相當，并沿諧振腔光路在該原子兩端放上正交偏振的格蘭泰勒棱鏡對。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于所述量子濾光元件為非線性飽和法拉第反常色散濾光器、或低溫低磁場增益型原子濾光器、或基于窄線寬原子躍遷譜的原子濾光器；所述激光器為氣體激光器、半導體激光器或固體激光器。
【文檔編號】H03L7/26GK103885324SQ201410074671
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月3日 優先權日:2014年3月3日
【發明者】陳景標, 莊偉
申請人:北京大學