一种基于积分球漫反射原理的铷原子光钟及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于积分球漫反射原理的铷原子光钟及其实现方法。本发明专利技术的铷原子光钟，包括原子气室，其特征在于，所述原子气室为双层球形结构，所述双层球形结构是内层的表面上选取两个区域作为原子气室的进光孔和出光孔，所述内层的表面上除去所选两区域外涂有高反射率的漫反射涂料。通过这种设计，可以充分利用积分球的漫反射原理在原子气室内形成均匀的光场，从而使得铷原子冷却下来，在极大程度上消除了热原子系统存在的碰撞频移对系统稳定度指标的影响。稳定度指标的影响。稳定度指标的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于积分球漫反射原理的铷原子光钟及其实现方法


[0001]本专利技术涉及光学频率标准
，尤其涉及一种基于积分球漫反射原理的铷原子光钟及其实现方法。

技术介绍

[0002]在众多的量子频率参考碱金属原子中，铷原子具有量子结构简单、容易提取、便于大批量制作和生产的特点。同时，铷原子又具有熔点低、储量丰富的优势，所以铷原子也是原子钟领域最常用的量子参考之一。
[0003]此外，铷原子不仅可以用来制作铷原子微波钟，作为二级频率标准，还可以用于实现光频原子钟。比如国际上得到广泛认可的基于调制转移谱稳频的420nm铷原子光频标，还有目前热原子光频标里稳定度效果最好的基于双共振谱稳频的780nm铷原子光频标，都是采用铷原子作为量子参考实现的光学频率标准。
[0004]但是目前铷原子光钟也面临着一些问题，因为必须要对原子气室进行充分的加热才可以使原子气室内的原子数密度达到需求，因此，热原子方案中存在的碰撞频移在很大程度上限制了系统的稳定度指标。
[0005]积分球是一种内壁涂有漫反射涂料的空心球形腔体，又称为光度球，其内壁涂有高反射效率的漫反射涂料，而且其几何结构为球形，对于射入其中的光线可以进行充分的漫反射，最终形成均匀的光场，并且入射光的入射角度、空间分布等都不会对输出光束的强度及均匀度造成影响。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种基于积分球漫反射原理的铷原子光钟及其实现方法，本专利技术通过将积分球的漫反射原理应用于小型铷原子钟的原子气室设计当中，将传统的原子气室由圆柱形设计成双层球形结构，内壁与外壁之间为真空结构，在原子气室内壁涂有反射率大于98％的漫反射涂料，并且留有两个“窗口”不涂漫反射涂料，分别作为进光孔和出光孔，在原子气室内部充入铷原子，这样便得到了改进型的原子气室。通过这种设计，可以充分利用积分球的漫反射原理在原子气室内形成均匀的光场，从而使得铷原子冷却下来，在极大程度上消除了热原子系统存在的碰撞频移对系统稳定度指标的影响。
[0007]此外因为探测光和泵浦光在原子气室内进行了多次的漫反射，与铷原子进行了更充分的相互作用，减小渡越增宽的影响，也在一定程度上提高了系统的信噪比，使得原子钟的稳定度指标得到大幅度的提高。
[0008]相比于目前的技术方案，本专利技术专利有着以下的优势：
[0009]第一个优势是通过将积分球独特的几何结构和漫反射原理应用于铷原子光钟的原子气室设计中，实现了原子的冷却，极大程度上减小了碰撞频移带来的影响，从而大幅度提升了系统的短期稳定度指标。
[0010]第二个优势是由于探测光和泵浦光在原子气室内进行了充分的漫反射，与气室内的铷原子进行了更加充分的相互作用，系统的信噪比大大提高，使得铷原子光钟的系统稳定度指标得到了近数量级地提高。
[0011]第三个优势是在原子气室的设计中，采用了双层真空的结构，因为真空结构有着很好的隔热特性，所以对于原子气室的保温效果有了极大的提升，使得控温精度更高。
[0012]本专利技术的技术方案是：
[0013]一种基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟，将积分球特有的漫反射原理应用于铷原子光钟的原子气室设计中，将原子气室设计成双层的球形结构，内层与外层之间抽成真空，由于真空结构有着很好的保温和隔热效果，使得原子气室对于环境温度的变化有了更好的抑制效果。内层的表面涂上具有高反射率的漫反射涂料，其中留有两个小“窗口”不涂漫反射涂料，作为原子气室的进光孔和出光孔，这样设计的好处是利用了积分球漫反射的原理，使得射入原子气室的激光可以在原子气室内进行充分的漫反射，形成一个均匀的光场。
[0014]第一激光器射出激光信号，经隔离器半波片，被偏振分光棱镜分成两束激光，一束用于调制转移谱稳频系统，另一束作为钟激光直接输出，用于调制转移谱稳频的激光信号再次被偏振分光棱镜分成两束，一束作为探测光直接射入原子气室与原子进行相互作用后射入高速光电探测器，另一束作为泵浦光，经电光相位调制器进行调制后与探测光反相重合在原子气室内与原子进行相互作用，与此同时，一束冷却光由第二激光器射出并与探测光一起射入原子气室，通过漫反射形成的光场与原子相互作用从而使铷原子被冷却下来。高速光电探测器在收到光信号后，将其转化为电信号，电路系统对该电信号和射频信号源产生的解调信号进行滤波、放大、混频处理后生成误差信号，并将误差信号传递给激光鉴相及高速伺服控制电路，激光鉴相及高速伺服控制电路根据该误差信号产生的伺服信号控制第一激光器的电源系统及第一激光器的快速反馈端口和慢速反馈端口，从而实现基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟。
[0015]基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟实现方法具体包括如下步骤：
[0016]1)第一激光器1输出一束420nm的激光信号，经隔离器2和第一半波片3后，被第一偏振分光棱镜4分成两束，一束作为钟激光输出，另一束用于调制转移谱稳频系统；通过半波片3可以调节激光的偏振方向并与偏振分光棱镜4配合，改变分光比。
[0017]2)用于调制转移谱稳频系统的激光被第二偏振分光棱镜5分成两束，一束作为泵浦光，另一束作为探测光，作为探测光的一束经过第三偏振分光棱镜15后从进光孔射入基于积分球漫反射原理的改进型原子气室9，在基于积分球漫反射原理的改进型原子气室9中进行充分的漫反射，与气室中的铷原子进行相互作用后从出光孔射出，经过第四偏振分光棱镜10后射入高速光电探测器11；
[0018]3)另一束作为泵浦光的激光信号经过格兰泰勒棱镜6、第二半波片7后射向电光相位调制器8(EOM)，被电光相位调制器8调制后的泵浦光经过第四偏振分光棱镜10后与探测光反向重合，从出光孔射入基于积分球漫反射原理的改进型原子气室9，与探测光一起在气室内进行充分的漫反射，并且与气室内的铷原子进行充分的相互作用；
[0019]4)第二激光器14输出一束780nm的激光信号作为冷却光，经第三偏振分光棱镜15反射后与探测光一起射入基于积分球漫反射原理的改进型原子气室9，在气室中经过漫反
射形成一个均匀的光场，原子在光场中被冷却光冷却下来；
[0020]5)高速光电探测器11接收到探测信号后将其转化为电信号，步骤3)中由射频信号源产生调制信号驱动电光相位调制器8，对泵浦光进行相位调制，同时，射频信号源产生解调信号与高速光电探测器测11得的探测信号经电路系统进行滤波和混频处理(电路系统为公知系统，图中未示出)，进而得到误差信号，该误差信号传递给激光鉴相及高速伺服控制电路12产生伺服信号，用于控制第一激光器1的电源系统及420nm宽谱第一激光器1的快速反馈端口和慢速反馈端口，对第一激光器1进行稳频，进而实现基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟。快速反馈端口根据该伺服信号对第一激光器1的电流进行控制，慢速反馈端口根据该伺服信号对第一激光器1的腔长进行控制，即控制第一激光器1的压电陶瓷器。
[0021]进一步地，尽管双层真空结构有着更好的保温和隔热效果，但是本专利技术具体实施时同样对基于积分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于积分球漫反射原理的铷原子光钟，包括原子气室，其特征在于，所述原子气室为双层球形结构，所述双层球形结构是内层的表面上选取两个区域作为原子气室的进光孔和出光孔，所述内层的表面上除去所选两区域外涂有高反射率的漫反射涂料。2.根据权利要求1所述的铷原子光钟，其特征在于，所述双层球形结构的内层与外层之间抽成真空。3.根据权利要求1所述的铷原子光钟，其特征在于，还包括第一激光器(1)、隔离器(2)、第一半波片(3)、第一偏振分光棱镜(4)、第二偏振分光棱镜(5)、格兰泰勒棱镜(6)、第二半波片(7)、电光相位调制器(8)、第三偏振分光棱镜(15)、高速光电探测器(11)、激光鉴相及高速伺服控制电路(12)、电源系统(13)、第二激光器(14)、第四偏振分光棱镜(10)；其中，第一激光器(1)输出的激光信号经隔离器(2)和第一半波片(3)后入射到第一偏振分光棱镜(4)分成两束输出，一束作为钟激光输出，另一束用于调制转移谱稳频系统；用于调制转移谱稳频系统的激光经第二偏振分光棱镜(5)分成两束，一束作为泵浦光，另一束作为探测光；作为探测光的一束经过第三偏振分光棱镜(15)后从所述进光孔射入原子气室，从所述出光孔出射的光经过第四偏振分光棱镜(10)后射入高速光电探测器(11)；作为泵浦光的激光信号依次经过格兰泰勒棱镜(6)、第二半波片(7)后射向电光相位调制器(8)，经所述电光相位调制器(8)调制后的泵浦光经过第四偏振分光棱镜(10)后与所述探测光反向重合，从出光孔射入所述原子气室；第二激光器(14)输出的激光信号作为冷却光，经第三偏振分光棱镜(15)反射入所述原子气室；高速光电探测器(11)将接收到的光信号转化为电信号并发送给数据处理单元，数据处理单元根据所述电信号和射频信号源产生的解调信号生成误差信号并发送给激光鉴相及高速伺服控制电路(12)；激光鉴相及高速伺服控制电路(12)根据该误差信号生成伺服信号控制第一宽谱激光器输出。4.根据权利要求3所述的铷原子光钟，其特征在于，所述激光鉴相及高速伺服控制电路(12)将产生的伺服信号分别发送给第一激光器(1)的电源系统(13)及第一激光器(1)的快速反馈端口和慢速反馈端口。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景标，赵天，史田田，刘珍峰，陈德朗，
申请(专利权)人：浙江法拉第激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：