基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法技术

本发明专利技术涉及基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及控制方法。该碘分子光钟的电源控制系统生成脉冲调制信号传至激光系统生成脉冲信号，经隔离器对后方光路的光反馈隔离，隔离器之后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；激光稳频光路为依次连接的第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜之后分两束：光强较强一束作为泵浦激光依次经格兰泰勒棱镜、第三半波片和电光相位调制器，被第三偏振分光棱镜反射至光路倍增系统；光强较弱一束作为探测激光光路倍增系统和第三偏振分光棱镜，被高速光电探测器接收后输入至激光鉴相及高速伺服反馈控制电路，产生电源控制系统的伺服信号。

【技术实现步骤摘要】
基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法
本专利技术涉及光频原子钟及光频量子频率标准
，特别涉及一种基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。
技术介绍
碘分子是一种简单的双原子分子，在500-650nm的可见光波段约有5000条吸收谱线，特别是在532nm附近，碘分子有上百条的强吸收谱线。由于532nm的碘吸收跃迁为基态吸收，相比于其他临近波段吸收系数更大，谱线宽度较窄，因此532nm碘分子频标在可见光波段具有极好的频率稳定度，在1s取样时间上的频率稳定度阿仑偏差可达到5×10-14，成为复现米定义的推荐标准之一。在现有技术[如“532nm碘分子光频标”，臧二军等，《中国激光》第32卷第2期，第203-208页]中，公开了一种碘分子稳频的532nm固体激光频标装置，它的目的是提供一种以碘分子的振转跃迁中的超精细成分作为自然基准而实现的分子频标。该技术方案相比于原子或离子频标，结构相对简单，耗资较少，较易实现，并且具有极好的短期频率稳定度。但其不足之处是：利用单频的激光输出，使得只有极少一部分横向速度近零速的碘分子才贡献于跃迁谱线的稳频信号，碘分子的有效利用率非常低，限制了碘分子光钟频率稳定度指标的进一步提高。此外，由于分子跃迁吸收较弱，为了提高碘分子的有效利用率，通常把碘分子吸收池的长度设计为几十厘米甚至几米，应用时控制温度难度高、系统体积大。若激光束和碘分子相互作用的吸收长度较短，则无法获得高信噪比的误差控制信号，十分不利于碘分子光钟频率稳定度的进一步提高。专利技术内容本专利技术所解决的第一个技术问题是针对现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供一种通过对532nm脉冲调制宽谱激光系统施加脉冲调制信号来生成一种包含多个频率成分的脉冲调制宽谱梳齿型532nm激光系统，使其与几乎所有不同横向速度群的碘分子相互作用，让碘分子吸收池中更多的碘分子都能参与对跃迁谱线稳频信号的贡献，可成百上千倍地提高碘分子的有效利用率，进而实现极高信噪比，从而接近量级地提高激光频率稳定度并基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。本专利技术所解决的第二个技术问题是针对现有技术中为提高碘分子的有效利用率而将碘分子吸收池的长度设计为几十厘米甚至几米，导致应用时控制温度难度高、系统体积大的问题，提供一种在实现接近量级地提高激光频率稳定度，在提升碘分子光钟超精细谱线信噪比的基础上，碘分子吸收池的长度就大大缩短，实现小型化碘分子光钟的基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。本专利技术所解决的第三个技术问题是为其它吸收较弱分子频标提供了一种提高分子有效利用率，进而提高超精细谱线信噪比的思路和发展方向，未来分子频标领域具有更广阔应用前景的并基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。本专利技术所解决的第四个技术问题是针对现有技术中存在的利用电光相位调制器对激光进行电光相位调制的过程中，还伴随着少许的幅度调制，这种幅度调制会对频率锁定后的激光频率造成频移，若剩余幅度调制随时间发生变化，则该频移将会引起激光频率随时间发生起伏，造成激光频率锁定后的长期频率稳定度变差问题，而提供一种为降低剩余幅度调制的影响，采用主动温度反馈方式实现对电光相位调制器中剩余幅度调制变化的控制，在碘分子吸收池前后两端分别放置第一四孔光阑和第二四孔光阑，可以有效地解决碘分子吸收池两端窗口片上的多次透射及反射棱镜的多次反射带来的杂散光问题并基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟及其控制方法。本专利技术的技术解决方案是所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特殊之处在于，包括532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统、隔离器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、用于改变激光偏振方向进而对剩余幅度调制起到抑制作用的格兰泰勒棱镜、电光相位调制器、碘分子吸收池光路倍增系统、高速光电探测器、用于射频调制信号的产生、误差信号解调滤波鉴相、高速伺服反馈控制的激光鉴相及高速伺服控制电路、电源控制系统；所述电源控制系统生成脉冲调制信号，并将所述脉冲调制信号传输至532nm激光，发送给激光系统，激光系统在脉冲调制信号的作用下生成梳齿型的532nm激光脉冲信号，其中，梳齿形532nm激光脉冲信号的任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，与对应温度吸收池中分子谱的多普勒展宽匹配，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽；激光系统之后连接隔离器，用于对后方光路的光反馈进行隔离；隔离器之后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜之后分为两路：激光稳频光路和稳频激光出射光路；激光稳频光路为依次连接的第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜之后分为两束：光强较强的一束作为泵浦激光依次经格兰泰勒棱镜、第三半波片和电光相位调制器后，被第三偏振分光棱镜反射至碘分子吸收池光路倍增系统中；光强较弱的一束作为探测激光经碘分子吸收池光路倍增系统和第三偏振分光棱镜，被高速光电探测器接收；高速光电探测器信号输入至激光鉴相及高速伺服反馈控制电路，并依次连接电源控制系统和电光相位调制器；产生的伺服信号用于控制电源控制系统，从而实现高频率稳定度的激光输出。进一步的，所述激光系统由窄线宽激光器和倍频系统组成；窄线宽激光器采用Nd:YAG固体激光器，激光由Nd:YAG激光经倍频得到，其具有开环频率和功率稳定性、窄的线宽和精密频率的调谐特性；或使用半导体532nm激光，532nm激光由Nd:YAG激光经倍频得到。进一步的，所述碘分子吸收池光路倍增系统包括第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜、碘分子吸收池及温度控制模块；其中，碘分子吸收池是由石英玻璃密封烧制而成的圆柱体，分为碘泡和冷指两个部分；温度控制模块由温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料组成，半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻设置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；温度控制模块为制冷碘分子吸收池提供足够的饱和蒸气压并减小外界温度波动对量子参考谱线的影响；泵浦激光与探测激光反向共轴通过所述光路倍增系统，经过三次折叠光路，实现四倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度。进一步的，所述碘分子吸收池光路倍增系统还包括用于解决碘分子吸收池两端窗口片上的多次透射及反射棱镜的多次反射带来杂散光问题而在碘分子吸收池前后两端分别设置的第一四孔光阑和第二四孔光阑。进一步的，所述激光鉴相及高速伺服控制电路包括用于产生射频调制信号的信号源、对高速光电探测器信号进行混频解调的混频器、产生伺服信号的高速伺服反馈电路；信号源产生的射频调制信号分为两路，一路输入至电光相位调制器中对泵浦激光进行相位调制，另一路输入至混频器中，与高速光电探测器信号进行混频解调后得到误差信号；误差信号通过高速伺服反馈电路后，产生的伺服信号反馈至电源控制系统的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现高速全带宽锁定。进一步的，所述任一两相邻梳齿之间的频谱间隔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，包括532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统、隔离器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、用于改变激光偏振方向进而对剩余幅度调制起到抑制作用的格兰泰勒棱镜、电光相位调制器、碘分子吸收池光路倍增系统、高速光电探测器、用于射频调制信号的产生、误差信号解调滤波鉴相、高速伺服反馈控制的激光鉴相及高速伺服控制电路、电源控制系统；所述电源控制系统生成脉冲调制信号，并将所述脉冲调制信号传输至532nm激光，发送给激光系统，激光系统在脉冲调制信号的作用下生成梳齿型的532nm激光脉冲信号，其中，梳齿形532nm激光脉冲信号的任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，与对应温度吸收池中分子谱的多普勒展宽匹配，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽；激光系统之后连接隔离器，用于对后方光路的光反馈进行隔离；隔离器之后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜之后分为两路：激光稳频光路和稳频激光出射光路；激光稳频光路为依次连接的第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜之后分为两束：光强较强的一束作为泵浦激光依次经格兰泰勒棱镜、第三半波片和电光相位调制器后，被第三偏振分光棱镜反射至碘分子吸收池光路倍增系统中；光强较弱的一束作为探测激光经碘分子吸收池光路倍增系统和第三偏振分光棱镜，被高速光电探测器接收；高速光电探测器信号输入至激光鉴相及高速伺服反馈控制电路，并依次连接电源控制系统和电光相位调制器；产生的伺服信号用于控制电源控制系统，从而实现高频率稳定度的激光输出。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，包括532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光系统、隔离器、第一半波片、第二半波片、第三半波片、第四半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜、用于改变激光偏振方向进而对剩余幅度调制起到抑制作用的格兰泰勒棱镜、电光相位调制器、碘分子吸收池光路倍增系统、高速光电探测器、用于射频调制信号的产生、误差信号解调滤波鉴相、高速伺服反馈控制的激光鉴相及高速伺服控制电路、电源控制系统；所述电源控制系统生成脉冲调制信号，并将所述脉冲调制信号传输至532nm激光，发送给激光系统，激光系统在脉冲调制信号的作用下生成梳齿型的532nm激光脉冲信号，其中，梳齿形532nm激光脉冲信号的任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调，总频谱宽度为400MHz～50GHz可调，与对应温度吸收池中分子谱的多普勒展宽匹配，且单根梳齿线宽小于跃迁能级线宽；激光系统之后连接隔离器，用于对后方光路的光反馈进行隔离；隔离器之后依次连接第一半波片和第一偏振分光棱镜；第一偏振分光棱镜之后分为两路：激光稳频光路和稳频激光出射光路；激光稳频光路为依次连接的第二半波片和第二偏振分光棱镜；第二偏振分光棱镜之后分为两束：光强较强的一束作为泵浦激光依次经格兰泰勒棱镜、第三半波片和电光相位调制器后，被第三偏振分光棱镜反射至碘分子吸收池光路倍增系统中；光强较弱的一束作为探测激光经碘分子吸收池光路倍增系统和第三偏振分光棱镜，被高速光电探测器接收；高速光电探测器信号输入至激光鉴相及高速伺服反馈控制电路，并依次连接电源控制系统和电光相位调制器；产生的伺服信号用于控制电源控制系统，从而实现高频率稳定度的激光输出。


2.根据权利要求1所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述激光系统由窄线宽激光器和倍频系统组成；窄线宽激光器采用Nd:YAG固体激光器，激光由Nd:YAG激光经倍频得到，其具有开环频率和功率稳定性、窄的线宽和精密频率的调谐特性；或使用半导体532nm激光，532nm激光由Nd:YAG激光经倍频得到。


3.根据权利要求1所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述碘分子吸收池光路倍增系统包括第一反射棱镜、第二反射棱镜、第三反射棱镜、碘分子吸收池及温度控制模块；其中，碘分子吸收池是由石英玻璃密封烧制而成的圆柱体，分为碘泡和冷指两个部分；温度控制模块由温控电路、半导体制冷片、热敏电阻及保温材料组成，半导体制冷片和保温材料依次包裹在碘分子吸收池外部，热敏电阻设置在半导体制冷片下方靠片宽中心的位置，热敏电阻和半导体制冷片用导线连接至温控电路中用于测温并对碘分子吸收池进行制冷；温度控制模块为制冷碘分子吸收池提供足够的饱和蒸气压并减小外界温度波动对量子参考谱线的影响；泵浦激光与探测激光反向共轴通过所述光路倍增系统，经过三次折叠光路，实现四倍碘分子吸收池长度的实际吸收长度。


4.根据权利要求3所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述碘分子吸收池光路倍增系统还包括用于解决碘分子吸收池两端窗口片上的多次透射及反射棱镜的多次反射带来杂散光问题而在碘分子吸收池前后两端分别设置的第一四孔光阑和第二四孔光阑。


5.根据权利要求1所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述激光鉴相及高速伺服控制电路包括用于产生射频调制信号的信号源、对高速光电探测器信号进行混频解调的混频器、产生伺服信号的高速伺服反馈电路；信号源产生的射频调制信号分为两路，一路输入至电光相位调制器中对泵浦激光进行相位调制，另一路输入至混频器中，与高速光电探测器信号进行混频解调后得到误差信号；误差信号通过高速伺服反馈电路后，产生的伺服信号反馈至电源控制系统的快速反馈端口和慢速反馈端口，实现高速全带宽锁定。


6.根据权利要求1所述基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，所述任一两相邻梳齿之间的频谱间隔为1～5MHz可调进一步包括：碘分子饱和谱线宽为400kHz，梳齿之间的频率间隔大于两倍的谱线线宽。


7.一种基于脉冲调制宽谱梳齿型激光的碘分子光钟，其特征在于，包括532nm脉冲调制宽谱梳齿型激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景标，商浩森，关笑蕾，何进，李春来，潘俊，胡国庆，
申请(专利权)人：深港产学研基地北京大学香港科技大学深圳研修院，
类型：发明
国别省市：广东;44