一种气泡型热铷原子钟光钟

技术领域

本发明属于导航技术领域，涉及一种气泡型热铷原子钟光钟。

背景技术

全球导航卫星系统是目前应用最广泛、使用最方便的导航、定位与授时的手段，是国家重要信息基础和战略设施，是体现国家综合国力的重要标志。在卫星导航系统中，精确的导航主要依赖于精确的时间。原子钟是目前最准确和最稳定的时频测量工具，在精密测量、基本物理原理验证、卫星导航定位和高速网络通信等领域有着广泛应用。

传统微波钟由于受限于钟跃迁频率的大小，其频率稳定度很难进一步提高。近年来基于光频跃迁的原子钟(简称光钟)发展迅速。与微波原子钟相比，而光频较微波频率要高出4～5个量级，光钟的钟跃迁谱线Q值更高、光频跃迁的环境敏感性更低。因此，光钟在频率性能指标方面具有更大的优势和潜力。目前试验室光钟主要基于激光冷却原子和超稳腔稳频技术，复杂度高、体积和重量大、可靠性低，难以满足未来天基时空基准、国家综合PNT、激光星间链路与时频传递以及精密测量等领域对小型化高可靠实用型光钟的应用需求。

现有的实验室光钟在走向工程化应用中面临光钟整体技术复杂度高、可靠性低、难以小型化的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种气泡型热铷原子钟光钟，无需采用激光冷却技术即可消除多普勒频移，复杂度大幅降低，可实现小型化实用型铷原子光钟。

本发明的技术解决方案是：

本发明公开了一种气泡型热铷原子钟光钟，包括：光纤激光器、光纤隔离器、光纤分束器、光功率放大与倍频波导组件、铷原子泡结构、光电倍增管、低噪声前置放大器、伺服器、电光相位调制器和比例积分微分控制器；其中，光纤激光器产生的光信号经过光纤隔离器后被光纤分束器分为两路激光信号，一路激光信号输出，另一路激光信号由电光相位调制器进行相位调制后，再经过光功率放大与倍频波导组件进行光功率放大和倍频后得到激励激光；激励激光入射到铷原子泡结构，在光场模式匹配的双向激励激光信号的作用下，铷原子发生双光子跃迁并辐射荧光信号；荧光信号通过光电倍增管检测并转换为电信号，然后经低噪声前置放大器放大后进入伺服器，伺服器利用调制参考信号将检测到的荧光信号处理生成误差信号，误差信号通过比例积分微分控制器反馈控制光纤激光器，从而实现高频率稳定度的激光信号输出。

在上述原子钟光钟中，所述铷原子泡结构，包括光纤准直器、透镜、铷原子泡和猫眼光学结构；其中，激励激光经过光纤准直器处理后，经过透镜进行光线聚焦后进入铷原子泡，穿过铷原子泡的光束经猫眼光学结构反射后，重新入射到铷原子泡内，双向传播的光束在铷原子泡内光路重合，实现光场模式匹配，铷原子发生双光子跃迁并辐射荧光信号。

在上述原子钟光钟中，所述猫眼光学结构，包括第一窄带滤光片F1、偏振器、分束器BS、第一透镜Lens1、第一曲面反射镜M1、第二透镜Lens2、光电倍增管PMT和第二曲面反射镜M2；其中，第一透镜Lens1、第一曲面反射镜M1分别位于距离铷原子泡的一端X1处和X2处，激光经过窄带滤光片F1、偏振器和分束器BS后，入射到铷原子泡内，产生透射光，透射光经过第一透镜Lens1和第一曲面反射镜M1后重新入射到铷原子泡内，相向传播的两束激光共同激发铷原子产生5S

在上述原子钟光钟中，所述猫眼光学结构，还包括第二窄带滤光片F2，第二窄带滤光片F2位于第二透镜Lens2与光电倍增管PMT之间，用于滤除背景杂散光信号。

在上述原子钟光钟中，X1＝14～16mm；X2＝40～45mm。

在上述原子钟光钟中，所述光功率放大与倍频波导组件包括光功率放大器和倍频波导器，其中，光功率放大器采用两级光功率放大结构，激光经过第一级放大将功率由2～9mW放大至100～120mW，又经过第二级放大将功率放大至1～1.5W后，再经过倍频波导器进行倍频后输出。

在上述原子钟光钟中，所述光功率放大与倍频波导组件，包括第一耦合器、第一隔离器、掺铒增益光纤、波分复用器、第一泵浦激光管、第二隔离器、双包层铒镱共掺增益光纤、泵浦合束器、第二泵浦激光管、第三隔离器、第二耦合器和周期性极化铌酸锂PPLN光波导；其中，激光经过第一耦合器和第一隔离器输入到掺铒增益光纤，同时采用第一泵浦激光管通过波分复用器进行背向泵浦的方式实现激光功率的第一级放大；经过第一级放大后的激光通过第二隔离器进入双包层铒镱共掺增益光纤，同时采用第二泵浦激光管通过泵浦合束器进行背向泵浦的方式实现激光功率的第二级放大；完成两级光功率放大后的激光经过第三隔离器和第二耦合器，进入PPLN光波导进行倍频，获得倍频激光输出。

在上述原子钟光钟中，所述光功率放大器，还包括输入光探测器和输出光探测器，其中，在第一耦合器设置输入光探测器，第二耦合器设置输出光探测器，用以实时监控输入和输出激光的光功率。

在上述原子钟光钟中，所述倍频波导器采用基于周期性极化铌酸锂光波导实现光学二倍频。

在上述原子钟光钟中，所述光功率放大器所采用的泵浦激光管为半导体激光二极管，泵浦方式为背向泵浦

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明本发明基于铷原子5S

(2)本发明采用基于原子泡储存热铷原子技术和通信C波段窄线宽光纤激光器技术，无需采用高精细度超稳光学腔对激光器进行预稳频，整体技术方案的复杂度大幅降低，可实现小型化实用型铷原子光钟。

(3)相比于目前实验室冷原子光钟通常采用的基于磁光阱的激光冷却与陷俘原子技术以及超稳光学腔激光预稳频技术方案，本发明提出的气泡型热铷光钟技术方案无需复杂的原子冷却激光系统和激光预稳频用超稳光学腔，整体技术方案更简洁，具有可靠性高、易于工程实现、可小型化的重要优点，可满足未来天基时空基准、国家综合PNT、激光星间链路与时频传递以及精密测量等领域对小型化高可靠实用型光钟的应用需求。

附图说明：

图1为本发明一种气泡型铷原子光钟总体技术方案图；

图2为本发明激光光功率放大与光波导二倍频技术方案示意图；

图3为本发明铷原子双光子跃迁与荧光收集光路设计结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作原理和工作过程做进一步解释和说明。

如图1所示，本发明公开了一种气泡型热铷原子钟光钟，包括：光纤激光器、光纤隔离器、光纤分束器、光功率放大与倍频波导组件、铷原子泡结构、光电倍增管、低噪声前置放大器、伺服器、电光相位调制器和比例积分微分控制器；其中，光纤激光器产生的光信号经过光纤隔离器后被光纤分束器分为两路激光信号，一路激光信号输出，另一路激光信号由电光相位调制器进行相位调制后，再经过光功率放大与倍频波导组件进行光功率放大和倍频后得到激励激光；激励激光入射到铷原子泡结构，在光场模式匹配的双向激励激光信号的作用下，铷原子发生双光子跃迁并辐射荧光信号；荧光信号通过光电倍增管检测并转换为电信号，然后经低噪声前置放大器放大后进入伺服器，伺服器利用调制参考信号将检测到的荧光信号处理生成误差信号，误差信号通过比例积分微分控制器反馈控制光纤激光器，从而实现高频率稳定度的激光信号输出。

其中，铷原子泡结构，包括光纤准直器、透镜、铷原子泡和猫眼光学结构；其中，激励激光经过光纤准直器处理后，经过透镜进行光线聚焦后进入铷原子泡，穿过铷原子泡的光束经猫眼光学结构反射后，重新入射到铷原子泡内，双向传播的光束在铷原子泡内光路重合，实现光场模式匹配，铷原子发生双光子跃迁并辐射荧光信号。

其中，猫眼光学结构，包括第一窄带滤光片F1、偏振器、分束器BS、第一透镜Lens1、第一曲面反射镜M1、第二透镜Lens2、光电倍增管PMT、第二窄带滤光片F2和第二曲面反射镜M2；其中，第一透镜Lens1、第一曲面反射镜M1分别位于距离铷原子泡的一端X1处和X2处，激光经过窄带滤光片F1、偏振器和分束器BS后，入射到铷原子泡内，透射光经过第一透镜Lens1和第一曲面反射镜M1后重新入射到铷原子泡内，相向传播的两束激光共同激发铷原子产生5S1/2能级跃迁至5D5/2能级的双光子跃迁，铷原子泡一侧的荧光信号经第二透镜Lens2聚焦后由光电倍增管PMT收集，另一侧则由第二曲面反射镜M2反射后，再由第二透镜Lens2聚焦于光电倍增管PMT有效探测面上。其中，X1＝14～16mm；X2＝40～45mm。第二窄带滤光片F2位于第二透镜Lens2与光电倍增管PMT之间，用于滤除背景杂散光信号。

其中，光功率放大与倍频波导组件包括光功率放大器和倍频波导器，其中，光功率放大器采用两级光功率放大结构，激光经过第一级放大将功率由2～9mW放大至100～120mW，又经过第二级放大将功率放大至1～1.5W后，再经过倍频波导器进行倍频后输出。倍频波导器采用基于周期性极化铌酸锂光波导实现光学二倍频。光功率放大器所采用的泵浦激光管为半导体激光二极管，泵浦方式为背向泵浦。

其中，光功率放大与倍频波导组件，包括第一耦合器、第一隔离器、掺铒增益光纤、波分复用器、第一泵浦激光管、第二隔离器、双包层铒镱共掺增益光纤、泵浦合束器、第二泵浦激光管、第三隔离器、第二耦合器、周期性极化铌酸锂PPLN光波导、输入光探测器和输出光探测器；其中，激光经过第一耦合器和第一隔离器输入到掺铒增益光纤，同时采用第一泵浦激光管通过波分复用器进行背向泵浦的方式实现激光功率的第一级放大；经过第一级放大后的激光通过第二隔离器进入双包层铒镱共掺增益光纤，同时采用第二泵浦激光管通过泵浦合束器进行背向泵浦的方式实现激光功率的第二级放大；完成两级光功率放大后的激光经过第三隔离器和第二耦合器，进入PPLN光波导进行倍频，获得倍频激光输出。在第一耦合器设置输入光探测器，第二耦合器设置输出光探测器，用以实时监控输入和输出激光的光功率。

实施例

本发明提供了一种可实现小型化的气泡型热铷原子钟光钟的技术方案。基本原理是铷原子同时吸收两个778nm光子从基态5S

本发明的技术方案主要包括两大关键技术：激光光功率放大与二倍频技术和铷原子5S

激光光功率放大与二倍频技术

要实现铷原子5S

1556nm激光通过采用基于周期性极化铌酸锂(PPLN)光波导实现光学二倍频，从而获得778nm激光。PPLN光波导通过周期性改变铌酸锂晶体的畴结构实现π相位反转，以保持基波和生成谐波间的匹配相位关系，使得每个周期的总的相位失配为零，从而确保高效的谐波生成。单个泵浦光进入PPLN波导，当泵浦光位于PPLN光波导倍频过程的准相位匹配波长处时，泵浦光才能发生倍频过程而产生新的倍频光，泵浦光光子湮灭并产生倍频光光子。由于光波导结构能够把光能量约束在截面积非常小的波导区域内，有效地提高了光功率密度，因而利用周期性极化的铌酸锂光波导进行光学倍频，可以实现1556nm激光高效率倍频至778nm激光。

铷原子5S

为获得铷原子5S

铷原子由5S

气泡型热铷原子光钟整体技术方案如图1所示。中心波长1556nm的光纤激光器首先经过光纤隔离器，然后由10:90的光纤分束器一分为二，一路输出，另一路由波导电光晶体调制器进行相位调制，然后进行光功率放大后进行光学波导二倍频得到778nm的激励激光。778nm激光由光纤准直器输出，经透镜聚集后入射到铷原子泡，穿过铷原子泡的778nm光束经猫眼光学结构反射后，重新入射到铷原子泡内，双向传播的778nm光束在铷原子泡内光路重合，实现光场模式匹配。铷原子同时吸收正反方向的一个光子，完成双光子跃迁，由5S

激光光功率放大与二倍频技术方案如图2所示。激光光功率放大器基于两级光功率放大的结构设计。1556nm激光经过耦合器和隔离器输入到输入到掺铒增益光纤，同时采用泵浦激光管通过波分复用器进行背向泵浦的方式来实现1556nm激光功率的第一级放大。然后，1556nm激光功通过光隔离器进入双包层铒镱共掺增益光纤，同时采用泵浦激光管通过波分复用器进行背向泵浦的方式来实现1556nm激光功率的第二级放大。完成两级光功率放大后的1556nm激光经过隔离器和耦合器，然后进入PPLN光波导进行二倍频，从而获得778nm激光输出。在输入端和输出端分别设置一个输入光探测器和输出光探测器，用以实时监控输入和输出激光的光功率。通过两级光功率放大可将输入的1556nm激光的功率从几个mW放大至1W以上。激光二倍频采用基于周期性极化铌酸锂(PPLN)光波导来实现，光功率放大后的1556nm激光进入周期性极化铌酸锂(PPLN)光波导即可输出778nm激光。由于光波导结构能够把光能量约束在截面积非常小的波导区域内，有效地提高了光功率密度，因而可以获得很高的倍频效率。

铷原子双光子跃迁与荧光收集光路设计结构如图3所示。从光纤出射的778nm激光通过准直(COL)、780nm窄带滤光片(F1)、偏振器(Polarizer)和分束器(BS)后，向右入射到铷原子泡(Rb Cell)，透射光经过基于透镜(Lens1)和曲面反射镜(M1)构成的猫眼逆反射器后向左重新入射到铷原子泡(Rb Cell)，相向传播的两束激光共同激发铷原子产生5S1/2能级跃迁至5D5/2能级的双光子跃迁。光电探测器(PD1)和(PD2)分别用来监测入射和反射的778nm激光光强大小。通过探测铷原子6P3/2-5S1/2自发辐射产生的420nm荧光信号即可获得铷原子778nm双光子跃迁的情况。420nm荧光收集光学结构设置在垂直于778nm激光传播的光路上。为了提高荧光收集立体角，铷原子泡一侧的荧光经透镜组(Lens2)聚焦后由光电倍增管(PMT)进行检测，相对一侧的荧光则由曲面反射镜(M2)反射后，再由透镜组(Lens2)聚焦后由光电倍增管(PMT)进行检测。另外，在光电倍增管(PMT)之前可采用中心波长420nm的窄带光学滤光片(F2 420nm)来滤除778nm的背景杂散光信号。

上述实施例只是对本发明的解释，而不能作为对本发明的限制，因此凡是与本发明思路类似的实施方式或用于其他类似结构但思路与本发明类似的实施方式均在本发明的保护范围内。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。