一种喷泉式光钟及其实现方法 |
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| 申请号 | CN202210780029.0 | 申请日 | 2022-07-04 | 公开(公告)号 | CN115061353B | 公开(公告)日 | 2024-03-19 |
| 申请人 | 北京大学; | 发明人 | 陈景标; 潘多; 刘天宇; 赵天; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种喷泉式光钟及其实现方法。本发明的喷泉式光钟包括：698nm钟激光单元、声光调制单元、锶 原子 炉、冷却激光单元、461nm探测激光单元、光电探测器、光束调节单元以及伺服 电路 单元。该喷泉式光钟能够提供稳定的钟 信号 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种喷泉式光钟，其特征在于，包括：698nm钟激光单元、声光调制单元、锶原子炉、冷却激光单元、461nm探测激光单元、光电探测器、光束调节单元以及伺服电路单元； |
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| 说明书全文 | 一种喷泉式光钟及其实现方法技术领域背景技术[0002] 光频原子钟(光钟)是通过预稳定的激光来探测极窄的原子跃迁谱线形成的。本质是将几乎不受干扰的量子态与高相位相干性的激光器相结合，以产生高稳定度的激光源。现如今，光钟在基础物理研究和先进应用技术方面发挥着巨大的作用，例如，促进了秒在光学领域的重新定义、引力波探测、超低相位噪声微波源、广义相对论检验等。 [0003] 然而，现有的冷原子束光钟具有体积庞大以及系统结构复杂的缺点，因而难以搬离实验室并实现室外应用，这限制了冷原子束光钟在与时频相关领域的发展。虽然现有的热原子束光钟可以在很大程度上克服冷原子束光钟体积庞大、难以搬运的缺陷，但是依旧存在稳定性较差的缺点。 发明内容[0004] 本发明提供一种喷泉式光钟，相较于现有光钟能够提高光学拉姆塞谱的作用时间，从而压窄探测谱线线宽，并将其用于激光频率锁定。经过计算，能够极大提高光频原子‑18钟的稳定度，使光频原子钟的秒稳达到10 量级，高于现今指标最好的光晶格钟一个量级以上。 [0005] 本发明提供一种喷泉式光钟的实现方法，该实现方法能够得到高稳定度的喷泉式光钟。 [0006] 本发明提供一种喷泉式光钟，其中，包括：698nm钟激光单元、声光调制单元、锶原子炉、冷却激光单元、461nm探测激光单元、光电探测器、光束调节单元以及伺服电路单元； [0007] 其中，所述698nm钟激光单元产生698nm激光出射至所述声光调制单元，所述698nm激光单元出光端出射的698nm激光经声光调制单元后得到第一激光； [0008] 所述光束调节单元设置在所述第一激光的光路上，所述第一激光经所述光束调节单元得到第二激光，且所述第二激光和所述第一激光平行； [0009] 所述冷却激光单元的出光端朝向所述锶原子炉喷射形成的的锶原子束，经所述冷却激光单元出光端出射的激光对所述锶原子束中的锶原子进行冷却并形成光学黏团，所述光学黏团以速度v为初速度，在重力的影响下上升下降与所述第一激光以及所述第二激光相互作用形成拉姆塞谱线后进入荧光探测区； [0011] 所述光电探测器的信号输出端与所述伺服电路单元的信号输入端连接，所述伺服电路的信号输出端与所述声光调制单元的信号输入端连接，所述光电探测器被配置为探测所述包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号，所述伺服电路单元将包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号转化为误差信号，并依据误差信号产生伺服信号以反馈控制所述声光调制单元。 [0012] 如上所述的喷泉式光钟，其中，所述第一激光和/或所述第二激光选自脉冲型激光或连续型激光。 [0013] 如上所述的喷泉式光钟，其中，若所述第一激光和所述第二激光与所述光学黏团相互作用均形成π/2脉冲，则所述光学黏团与所述第一激光以及所述第二激光共相互作用4次形成拉姆塞谱线后进入荧光探测区。 [0014] 如上所述的喷泉式光钟，其中，若所述第一激光与所述光学黏团相互作用形成π/2脉冲，所述第二激光与所述光学黏团相互作用形成π脉冲，则所述光学黏团与所述第一激光相互作用2次，与所述第二激光相互作用1次形成拉姆塞谱线后进入荧光探测区。 [0015] 如上所述的喷泉式光钟，其中，还包括：第一光学谐振腔； [0016] 所述第一光学谐振腔位于所述第一激光的光路上，所述第一光学谐振腔用于使所述第一激光和所述光学黏团相互作用。 [0017] 如上所述的喷泉式光钟，其中，还包括：第二光学谐振腔； [0018] 所述第二光学谐振腔位于所述第二激光的光路上，所述第二光学谐振腔用于使所述第二激光和所述光学黏团相互作用。 [0019] 如上所述的喷泉式光钟，其中，所述光学黏团向上运动的速度为1‑10m/s。 [0020] 如上所述的喷泉式光钟，其中，所述光学黏团包含1*105‑1*108个原子。 [0021] 如上所述的喷泉式光钟，其中，所述第一光学谐振腔和/或所述第二光学谐振腔的细度为50‑5000。 [0022] 本发明提供一种喷泉式光钟的实现方法，其中，所述实现方法用于实现如上所述的喷泉式光钟，包括以下步骤：698nm钟激光单元出射的激光进入声光调制单元得到第一激光，所述第一激光经光束调节单元得到第二激光，所述第二激光和所述第一激光平行； [0023] 冷却激光单元出射的激光对锶原子炉喷射的锶原子进行冷却并形成光学黏团，所述光学黏团以速度v为初速度，在重力的影响下上升下降与所述第一激光以及所述第二激光相互作用形成拉姆塞谱线后进入荧光探测区； [0024] 461nm探测激光单元出射的461nm激光用于与荧光探测区的锶原子相互作用，以探测得到包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号； [0025] 使用光电探测器探测包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号，并将所述包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号输入至伺服电路单元，所述伺服电路单元将包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号转化为误差信号，并依据所述误差信号产生伺服信号以反馈控制声光调制单元。 [0026] 本发明的喷泉式光钟，通过调整光学黏团的速度v及第一激光与第二激光的光斑大小及光强以调整渡越时间，一方面能够提高拉姆塞谱的自由运转时间，得到窄线宽的拉姆塞谱；另一方面有利于调整锶原子与第一激光及第二激光相互作用时间，使更多的锶原子与激光相互作用，有利于提高谱线的信噪比，因此本发明的喷泉式光钟具有较为优异的稳定性。 [0027] 本发明的喷泉式光钟的实现方法，通过调整光学黏团的速度v及第一激光与第二激光的光斑大小及光强以调整渡越时间，一方面能够提高拉姆塞谱的自由运转时间，得到窄线宽的拉姆塞谱；另一方面有利于调整锶原子与第一激光及第二激光相互作用时间，使更多的锶原子相互作用，有利于提高谱线的信噪比，因此本发明的喷泉式光钟的实现方法能够提高喷泉式光钟的稳定性。附图说明 [0028] 为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面对本发明实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。 [0029] 图1为本发明一些实施方式中的喷泉式光钟的结构示意图； [0030] 图2为本发明另一些实施方式中的喷泉式光钟的结构示意图。 [0031] 附图标记说明： [0032] 1：698nm钟激光单元； [0033] 2：声光调制单元； [0034] 3：锶原子炉； [0035] 4：冷却激光单元； [0036] 5：461nm探测激光单元； [0037] 6：第一激光； [0038] 7：原子冷却区； [0039] 8：相互作用区； [0040] 9：荧光探测区； [0041] 10：第一反射镜； [0042] 11：光束调节单元； [0043] 12：第二反射镜； [0044] 13：第二激光； [0045] 14：光电探测器； [0046] 15：伺服电路单元； [0047] 16：第一光学谐振腔； [0048] 17：第二光学谐振腔。 具体实施方式[0049] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 [0050] 图1为本发明一些实施方式中喷泉式光钟的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种喷泉式光钟，包括：698nm钟激光单元1、声光调制单元2、锶原子炉3、冷却激光单元4、461nm探测激光单元5、光电探测器14、光束调节单元11以及伺服电路单元15； [0051] 其中，698nm钟激光单元1的出光端朝向声光调制单元2，698nm钟激光单元1出光端出射的698nm激光经声光调制单元2后得到第一激光6； [0052] 光束调节单元11设置在第一激光6的光路上，第一激光6经光束调节单元11得到第二激光13，第二激光13和第一激光6平行； [0053] 冷却激光单元4的出光端朝向锶原子炉3喷射形成的锶原子束，经冷却激光单元4出光端出射的激光对锶原子进行冷却并形成光学黏团，光学黏团以速度v为初速度，在重力的影响下上升下降与第一激光6以及第二激光13相互作用形成拉姆塞谱线后进入荧光探测区9； [0054] 461nm探测激光单元5的出光端出射的461nm激光与荧光探测区9的锶原子相互作用，以探测得到包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号； [0055] 光电探测器14的信号输出端与伺服电路单元15的信号输入端连接，伺服电路单元15的信号输出端与声光调制单元2的信号输入端连接，光电探测器14被配置为探测包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号，伺服电路单元15将包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号转化为误差信号，并依据误差信号产生伺服信号以反馈控制声光调制单元2。 [0056] 本发明的698nm钟激光单元1包括698nm激光与超腔锁定模块，用于输出频率稳定在内部超腔上的698nm激光，该698nm激光是一种超窄线宽激光，698nm激光从698nm钟激光单元1的出光端输出进入声光调制单元2，698nm激光经声光调制单元2调制移频以使激光频率匹配原子跃迁谱线，从声光调制单元2出射得到第一激光6。 [0057] 本发明中，光束调节单元11包括激光衰减器和激光缩束装置，光束调节单元11用于调整第一激光6的光强与光斑大小，得到第二激光13以匹配受重力影响速度改变的原子，为获得原子与第一激光作用相同的渡越时间，并且第一激光6与第二激光13相互平行以获得拉姆塞谱。 [0058] 本发明中，冷却激光单元4包括461nm激光器以及461nm稳频模块、679nm激光器以及679nm稳频模块、707nm激光器以及707nm稳频模块、689nm激光器以及689nm稳频模块。冷却激光单元4用于分别输出461nm激光、679nm激光、707nm激光以及689nm激光。461nm激光、679nm激光、707nm激光以及689nm激光分别从冷却激光单元4出光端出射，用于对锶原子炉3喷射形成的锶原子束管中的锶原子进行冷却并形成具有向上速度的光学黏团；光学黏团会向上运动与第一激光6以及第二激光13相互作用形成拉姆塞谱线，相互作用后的光学黏团会进入荧光探测区9。可以理解，光学黏团先以一定的加速度上升至顶点后，然后以自由落体的方式下落，光学黏团在上升和下降的过程中，其运动轨迹类似喷泉的形状。本发明中，光学黏团与第一激光6以及第二激光13接触时的速度并不是恒定不变的。 [0059] 本发明中，461nm探测激光单元5包括461nm激光器以及稳频模块，461nm探测激光单元5用于发射461nm激光，461nm激光经461nm探测激光单元5的出光端输出，与荧光探测区9的锶原子相互作用，以得到包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号。 [0060] 光电探测器14接收到包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号，包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号经光电探测器14的信号输出端输出，经伺服电路单元15的信号输入端输入至伺服电路单元15，在伺服电路单元15中，包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号与解调信号进行混频转化为误差信号，伺服电路单元15根据误差信号对声光调制单元2进行反馈控制，得到参考于原子跃迁谱线的698nm激光。 [0061] 本发明中，第一激光6和/或第二激光13可以是连续型激光，也可以是脉冲型激光。当第一激光6和/或第二激光13是连续型激光时，第一激光6和/或第二激光13的光斑面积可以为1μm‑1cm，功率可以为10mW‑1W；当第一激光6和/或第二激光13是脉冲型激光时，第一激光6和/或第二激光13的光斑面积可以为1μm‑10cm，脉冲能量可以为1μJ‑1mJ。 [0062] 本发明对声光调制单元2不做特别限定，凡是能够对698nm激光进行调制并移频与原子跃迁谱线匹配得到第一激光6的结构都属于本发明的保护范围之内。在一些实施方式中，声光调制单元2包括声光调制器以及驱动电路。本发明对锶原子炉3不做特别限定，只要能够用于出射锶原子的器件都属于本发明的保护范围之内。 [0063] 本发明对伺服电路单元15不做特别限定，可以选用本领域常用的伺服电路单元15。在一些实施方式中，伺服电路单元15包括调制模块、解调模块以及反馈控制模块。调制模块用于输出调制信号，解调模块用于输出解调信号，光电探测器14探测到的包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号在转换为电信号后与解调信号进行混频得到误差信号，误差信号通过反馈控制模块进行调整后输送至声光调制单元2中的驱动电路以控制声光调制器，实现对 698nm激光的伺服控制。 [0064] 本发明对光电探测器14不做特别限定，可以选用本领域常用到的光电探测器14。 [0065] 如图1所示，本发明中，可以将第一激光6与光学黏团相互作用的区域称为相互作用区8，本发明对相互作用区8不做特别限定，只要能够使第一激光6与光学黏团相互作用即可。在本发明的一些实施方式中，相互作用区8包含能够产生水平方向匀强磁场的磁铁线圈，在相互作用区8的外围可以包裹磁屏蔽材料，相互作用区8的高度可以为0.1‑10m。 [0066] 本发明中，可以将冷却激光单元4出射的激光对锶原子进行冷却的区域称为原子冷却区7。 [0067] 本发明不限定相互作用区8、原子冷却区7以及荧光探测区9的具体位置，只要能够实现其功能即可。在一些实施方式中，为了更加便捷的使光学黏团与第一激光6以及第二激光13相互作用形成拉姆塞谱线，最终形成包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号，相互作用区8、荧光探测区9以及原子冷却区7，可以自上而下依次垂直分布。 [0068] 如图1所示，本发明的原子束光钟还包括：用于改变第一激光6光路方向的第一反射镜10以及用于改变第二激光13光路方向的第二反射镜12。在一些实施方式中，第一激光6进入相互作用区8，然后从相互作用区8出射进入第一反射镜10，第一反射镜10改变第一激光6的光路方向，使第一激光6进入光束调节单元11，光束调节单元11对第一激光6的脉冲进行调整得到第二激光13，经光束调节单元11出射的第二激光13射向第二反射镜12，第二反射镜12改变第二激光13的光路方向，使第二激光13进入相互作用区8。在相互作用区8中，光学黏团向上向下的运动过程中，分别与第一激光6与第二激光13相互作用，形成拉姆塞谱线。 [0069] 本发明对第一反射镜10、第二反射镜12以及光束调节单元11不做特别限定，可以选用本领域常用的第一反射镜10、第二反射镜12以及光束调节单元11。本发明中，第一反射镜10与第二反射镜12可以相同，也可以不同。 [0070] 本发明的喷泉式光钟，通过使光学黏团喷射进入相互作用区8与第一激光6以及第二激光13相互作用形成拉姆塞谱线，能够压窄探测谱线的线宽，得到具有更为优异的稳定性的喷泉式光钟。本发明的喷泉式光钟的品质因数比现有的喷泉式微波钟的品质因数提升‑18了5个数量级，并且经计算，本发明得到的喷泉式光钟的秒稳能够达到10 量级，高于目前最先进的光钟一个量级以上。 [0071] 值得一提的是，系统中激光器数目的减少使得本发明的喷泉式光钟相比于传统的冷原子光钟在系统的稳定性和连续运行时长上具有显著优势。 [0072] 可以理解，本发明的喷泉式光钟不局限于锶原子，还可以采用其他碱土金属原子，例如汞原子或镱原子。 [0073] 如图1所示，在本发明的一些实施方式中，若第一激光6和第二激光13与光学黏团相互作用均形成π/2脉冲，则光学黏团与第一激光6以及第二激光13共相互作用4次形成拉姆塞谱线后进入荧光探测区9。 [0074] 可以理解，使第一激光6和第二激光13分别与光学黏团相互作用两次(即光学黏团上升过程与第一激光6和第二激光13相互作用一次，光学黏团下降过程与第一激光6和第二激光13相互作用一次)形成拉姆塞谱线，随后进入荧光探测区9。 [0075] 图2为本发明一些实施方式中原子束光钟的结构示意图。如图2所示，在本发明的一些实施方式中，第一激光6与光学黏团相互作用形成π/2脉冲，第二激光13与光学黏团相互作用形成π脉冲，则光学黏团与第一激光6相互作用2次，与第二激光13相互作用1次形成拉姆塞谱线后进入荧光探测区9。 [0076] 可以理解，使第一激光6与光学黏团相互作用两次，使第二激光13与光学黏团相互作用一次(即光学黏团上升过程与第一激光6与第二激光13相互作用一次，光学黏团下降过程与第一激光6相互作用一次)形成拉姆塞谱线，随后进入荧光探测区9。 [0077] 如图1所示，在本发明的一些实施方式中，还包括：第一光学谐振腔16； [0078] 第一光学谐振腔16位于第一激光6的光路上，第一光学谐振腔16用于使第一激光6和光学黏团相互作用。 [0079] 本发明中，第一光学谐振腔16能够增大第一激光6与光学黏团相互作用的激光场强，提高光学黏团中的原子的利用效率，进而提高喷泉式光钟的稳定性。 [0080] 如图1所示，在本发明的一些实施方式中，还包括：第二光学谐振腔17； [0081] 第二光学谐振腔17位于第二激光13的光路上，第二光学谐振腔17用于使第二激光13和光学黏团相互作用。 [0082] 本发明中，第二光学谐振腔17能够增大第二激光13与光学黏团相互作用的激光场强，提高光学黏团中的原子的利用效率，进而提高喷泉式光钟的稳定性。 [0083] 本发明对第一光学谐振腔16以及第二光学谐振腔17不做特别限定，可以选用本领域常用的光学谐振腔，例如，第一光学谐振腔16和/或第二光学谐振腔17的细度为50‑5000。本发明中，第一光学谐振腔16以及第二光学谐振腔17可以相同，也可以不相同。 [0084] 在本发明的一些实施方式中，为了进一步提高喷泉式光钟的稳定性，可以对光学5 黏团进行具体的限定。具体地，光学黏团向上运动的速度为1‑10m/s；光学黏团包含1*10 ‑ 8 1*10个原子。 [0085] 本发明中，也可以对光学黏团在上升或下落过程中依次通过第一激光6和第二激光13的时间间隔进行进一步限定，以进一步提高喷泉式光钟的稳定性。具体的，光学黏团在上升或下落过程中依次通过第一激光6和第二激光13的时间间隔为0.1‑1.5s。 [0086] 本发明的第二方面提供一种喷泉式光钟的实现方法，该实现方法用于实现上述的原子束光钟，包括以下步骤： [0087] 698nm钟激光单元1出射的激光进入声光调制单元2得到第一激光6，第一激光6经光束调节单元11得到第二激光13，第二激光13和第一激光6平行； [0088] 冷却激光单元4出射的激光对锶原子炉3喷射的锶原子进行冷却并形成光学黏团，光学黏团以速度v为初速度，在重力的影响下上升下降与第一激光6以及第二激光13相互作用形成拉姆塞谱线后进入荧光探测区9； [0089] 461nm探测激光单元5出射的461nm激光用于与荧光探测区9的锶原子作用，以探测得到包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号； [0090] 使用光电探测器14探测包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号，并将包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号输入至伺服电路单元15，伺服电路单元15用于将来自光电探测器14的包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号转化为误差信号，并根据误差信号反馈控制声光调制单元2。 [0091] 具体包括：打开698nm钟激光单元1，使698nm钟激光单元1发射的698nm激光从698nm钟激光单元1的出光端出射，进入声光调制单元2，声光调制单元2对698nm激光进行调制，得到第一激光6，第一激光6进入光束调节单元11并经光束调节单元11调节，得到第二激光13，其中，第一激光6和第二激光13平行； [0092] 同时打开冷却激光单元4与锶原子炉3，锶原子炉3喷射的锶原子与冷却激光单元4出射的461nm激光、679nm激光、707nm激光以及689nm激光分别进行相互作用，实现锶原子的冷却，得到具有向上速度的光学黏团；光学黏团会向上运动与第一激光6以及第二激光13相互作用形成拉姆塞谱线，然后光学黏团会进入荧光探测区9。 [0093] 461nm探测激光单元5出射的461nm激光与荧光探测区9的锶原子相互作用，得到包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号； [0094] 使用光电探测器14探测包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号，并且将探测到的包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号输入至伺服电路单元15，伺服电路单元15将包含钟跃迁信息的拉姆塞谱信号转化为误差信号，并根据误差信号产生伺服信号以反馈控制声光调制单元2。 [0095] 本发明的喷泉式光钟的实现方法，通过使光学黏团喷射进相互作用区8与第一激光6以及第二激光13相互作用，一方面能够提高拉姆塞谱的自由运转时间，得到窄线宽的拉姆塞谱；另一方面有利于调整锶原子与第一激光6及第二激光13相互作用时间，使激光与更多的锶原子相互作用，有利于提高谱线的信噪比，因此本发明的喷泉式光钟的实现方法能够提高喷泉式光钟的稳定性。本发明的实现方法，操作简单，能够进行广泛应用。 [0096] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |
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