本技術(shù)涉及原子鐘，特別是涉及一種光抽運銣原子束鐘的實現(xiàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、作為目前最為精確的時間頻率產(chǎn)生裝置，原子鐘讓人類的時間計量標(biāo)準(zhǔn)從天文時時代進入了原子時時代。作為一種重要資源，原子鐘廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位、守時授時、通訊、電力等軍民用領(lǐng)域。其中，銣原子鐘作為目前應(yīng)用最為廣泛的一種原子鐘，具有體積小、功耗低、可靠性高、價格低廉等優(yōu)勢。傳統(tǒng)的、技術(shù)成熟度高且實用型的銣原子鐘均采用銣87光譜燈作為抽運光源，同時采用銣85原子氣室進行濾光。然而，譜燈的光譜密度低，抽運效率受到極大限制，原子利用率僅為千分之幾，限制銣原子鐘的穩(wěn)定度進一步提高；此外，傳統(tǒng)的譜燈抽運銣原子鐘由于不得不采用雙原子氣室，體積和功耗也相對較大，難以小型化，集成化。

2、激光器技術(shù)的成熟使得激光成為銣原子鐘抽運光源的新類型，激光抽運銣原子鐘應(yīng)用而生。激光抽運銣原子鐘與譜燈抽運銣原子鐘的最主要差別是用半導(dǎo)體激光器代替譜燈作為抽運光源。由于半導(dǎo)體激光器具有亮度高、單色性好及線寬窄等特點，可以得到更高的抽運效率，更高的原子利用率及更低的透射本底，因此可以獲得更強的微波共振信號和更低的光噪聲，大大提高信噪比，所以具有更高的頻率穩(wěn)定度。

3、目前，常用的半導(dǎo)體激光器有垂直腔面發(fā)射(vcsel)激光器、分布反饋(dfb)激光器、分布布拉格反射(dbr)激光器及外腔半導(dǎo)體(ecdl)激光器等等。

4、但是，雖然垂直腔面發(fā)射(vcsel)激光器具備集成化、體積小、價格低等優(yōu)勢，但其由于本征腔長小，模式多，因此光強不穩(wěn)定，頻率噪聲高且線寬大，達到百mhz量級，作為銣原子鐘的抽運光源并未提升其穩(wěn)定度性能。對于分布反饋(dfb)激光器和分布布拉格反射(dbr)激光器，強度噪聲和頻率噪聲相對于垂直腔面發(fā)射(vcsel)激光器有較大改善，但線寬也達到了mhz量級。對于外腔半導(dǎo)體(ecdl)激光器，相對于其他三種類型的激光器，具有最好的噪聲性能，線寬通常在百khz水平，然而該激光器是由半導(dǎo)體激光管之外再附加一個腔長更長、精細(xì)度更高的外腔構(gòu)成的，因此需要精確的對準(zhǔn)和模式匹配，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，分立元件不易集成化，穩(wěn)定性和連續(xù)運行可靠性低，這些缺點限制了外腔半導(dǎo)體激光器在激光抽運銣原子鐘的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、基于此，有必要針對上述技術(shù)問題，提供一種光抽運銣原子束鐘的實現(xiàn)裝置及方法，能夠顯著提升激光抽運銣原子束鐘性能。

2、一種光抽運銣原子束鐘的實現(xiàn)裝置，包括：

3、波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器，用于輸出基頻激光；

4、頻率轉(zhuǎn)換器，用于接收所述基頻激光，并轉(zhuǎn)換為倍頻抽運光；

5、銣原子束鐘物理模塊，用于產(chǎn)生與倍頻抽運光方向垂直的銣原子束流，吸收所述倍頻抽運光，并進行銣原子態(tài)制備；

6、第二光電探測器，用于探測透過完成銣原子態(tài)制備的銣原子束鐘物理模塊的倍頻抽運光的強度變化，并輸出微波與原子共振的吸收光譜信號；

7、微波共振信號解調(diào)模塊，用于接收所述吸收光譜信號，并解調(diào)產(chǎn)生調(diào)諧信號；

8、微波頻率綜合器，用于接收所述調(diào)諧信號，輸出在銣原子束鐘物理模塊中產(chǎn)生諧振的微波信號，將微波頻率鎖定在銣原子基態(tài)子能級的躍遷頻率上，并輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。

9、在一個實施例中，所述銣原子束鐘物理模塊包括：

10、銣原子束準(zhǔn)直槍，用于產(chǎn)生序貫而出的與倍頻抽運光方向垂直并與倍頻抽運光相互作用的銣原子束流；

11、微波饋入天線，用于接收所述微波頻率綜合器產(chǎn)生的微波信號，并饋入到微波諧振腔內(nèi)；

12、微波諧振腔，用于使所述微波饋入天線輸入的微波信號產(chǎn)生諧振，并與所述銣原子束準(zhǔn)直槍產(chǎn)生的銣原子束流發(fā)生共振相互作用，以使銣原子束流吸收倍頻抽運光，改變倍頻抽運光的強度，實現(xiàn)銣原子態(tài)制備；

13、銣原子回收盒，用于吸收發(fā)生共振相互作用以后的銣原子束流的剩余銣原子；

14、磁場線圈，用于產(chǎn)生與倍頻抽運光方向平行的均勻外加磁場，所述磁場為銣原子束流提供量子化軸方向。

15、在一個實施例中，所述銣原子束鐘物理模塊還包括：磁屏蔽筒；

16、所述磁屏蔽筒設(shè)在銣原子束準(zhǔn)直槍、微波饋入天線、微波諧振腔、銣原子回收盒以及磁場線圈的外側(cè)，用于屏蔽地磁場及雜散磁場，降低剩余磁場對原子超精細(xì)能級結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定影響。

17、在一個實施例中，所述頻率轉(zhuǎn)換器包括：

18、光功率放大器，用于接收所述基頻激光，并進行功率放大，得到大功率基頻激光；

19、光學(xué)倍頻器，用于接收所述大功率基頻激光，并進行倍頻處理，得到包含基頻光和倍頻光的混合光；

20、帶通濾波片，用于接收所述混合光，并濾除所述基頻光，得到光譜純正的倍頻光；

21、分光器，用于接收所述倍頻光，并分為透射光和反射光；

22、銣原子光譜穩(wěn)頻模塊，用于接收所述反射光，并產(chǎn)生第一驅(qū)動信號；

23、激光器驅(qū)動控制模塊，用于接收所述第一驅(qū)動信號，并對所述波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器進行頻率調(diào)諧，以將所述倍頻光的頻率鎖定在銣原子基態(tài)能級與第一激發(fā)態(tài)能級的躍遷頻率上；

24、縮束器，用于接收所述透射光，并進行光束直徑縮小，得到倍頻抽運光。

25、在一個實施例中，所述倍頻抽運光的光束直徑小于所述銣原子束鐘物理模塊產(chǎn)生的銣原子束流的直徑，以使光束直徑區(qū)域內(nèi)的倍頻抽運光均與銣原子束流相互作用，從而降低所述第二光電探測器的背景光強。

26、在一個實施例中，所述頻率轉(zhuǎn)換器還包括：

27、聲光調(diào)制器，用于將所述倍頻光轉(zhuǎn)換為零級光與移頻光，并將所述零級光輸出至所述分光器；

28、第一光電探測器，用于接收所述移頻光，并將所述移頻光信號轉(zhuǎn)換為電信號；

29、光功率穩(wěn)定模塊，用于接收所述電信號，并對所述聲光調(diào)制器的驅(qū)動功率進行控制和穩(wěn)定。

30、在一個實施例中，波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器包括：半導(dǎo)體增益芯片和硅基光子波導(dǎo)芯片外腔；

31、所述半導(dǎo)體增益芯片和所述硅基光子波導(dǎo)芯片外腔通過光場模式轉(zhuǎn)換器高效率耦合以實現(xiàn)芯片化集成。

32、一種光抽運銣原子束鐘的實現(xiàn)方法，采用所述的一種光抽運銣原子束鐘的實現(xiàn)裝置，包括：

33、獲取入射基頻激光，并將所述基頻激光轉(zhuǎn)換為倍頻抽運光；

34、根據(jù)所述倍頻抽運光進行銣原子態(tài)制備；

35、根據(jù)透過完成銣原子態(tài)制備的銣原子束鐘物理模塊的倍頻抽運光的強度變化情況，輸出微波與原子共振的吸收光譜信號，并對吸收光譜解調(diào)產(chǎn)生調(diào)諧信號；

36、根據(jù)所述調(diào)諧信號，將微波頻率鎖定在銣原子基態(tài)子能級的躍遷頻率上，實現(xiàn)閉環(huán)鎖定并輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號。

37、在一個實施例中，將所述基頻激光轉(zhuǎn)換為倍頻抽運光，包括：

38、根據(jù)所述基頻激光，依次進行功率放大、倍頻處理以及濾光處理，得到倍頻光；

39、根據(jù)所述倍頻光，得到透射光和反射光；

40、根據(jù)所述反射光，產(chǎn)生第一驅(qū)動信號，并對所述波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器進行頻率調(diào)諧，以將所述倍頻光的頻率鎖定在基態(tài)能級與第一激發(fā)態(tài)能級的躍遷頻率上；

41、根據(jù)所述透射光，進行光束直徑縮小，得到倍頻抽運光。

42、在一個實施例中，所述波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器包括：半導(dǎo)體增益芯片和硅基光子波導(dǎo)芯片外腔；

43、對所述波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器進行波長調(diào)諧包括：調(diào)節(jié)所述半導(dǎo)體增益芯片的泵浦電流，和/或利用熱光效應(yīng)控制所述硅基光子波導(dǎo)芯片外腔的溫度。

44、上述光抽運銣原子束鐘的實現(xiàn)裝置及方法，設(shè)計了一種基于波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器的銣原子束鐘，具有如下有益效果：

45、1、采用線寬極窄、頻率噪聲極低的波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器，能大幅提高抽運效率和原子利用率，提升光抽運銣原子束鐘的短期頻率穩(wěn)定度；

46、2、采用波導(dǎo)芯片集成半導(dǎo)體激光器可集成化、芯片化，具備高可靠性與低功耗特性，能大幅降低光抽運銣原子束鐘的體積和功耗；

47、3、相比傳統(tǒng)光抽運銣原子鐘采用原子氣室(即工作物質(zhì)銣原子蒸氣充制在一個透明玻璃泡內(nèi)，銣原子氣體之間由于劇烈的熱運動而相互碰撞)的方式，本技術(shù)采用銣原子束流的方式，大大降低了銣原子之間熱運動導(dǎo)致的碰撞頻移，提高了頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度的性能，實現(xiàn)了長期穩(wěn)定。