一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟及其制备方法。本发明专利技术的原子束光钟包括657nm超稳激光系统、钙原子炉、原子束管、423nm窄线宽激光器、半波片、偏振分光棱镜、电光调制器、第一光电探测器、信号放大器、混频器、第一伺服反馈控制电路、声光调制器、第二光电探测器、信号源以及第二伺服反馈控制电路。本发明专利技术的原子束光钟，能够避免引入额外的频率噪声，稳定性高。稳定性高。稳定性高。

An atomic beam clock with external modulation locking for probe light application and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光学频率标准
，特别涉及一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟及其制备方法。

技术介绍

[0002]由于碱土元素(或类碱土元素)最外层有两个价电子，会产生位于光频段跃迁的长寿命自旋三重态，因此碱土金属通常被选择作为光频原子钟(又称为光钟)的量子参考。碱土元素产生的三重态一方面能够提供窄线宽的跃迁能级，有利于实现窄线宽的精细光谱以用于光频原子钟的量子频率参考，此外该三重态可与其他能态通过量子操控的方式进行粒子数的转移，便于实现激光冷却与陷俘、重泵浦等操作。
[0003]以碱土元素中钙元素为例，钙原子的自旋单重态和自旋三重态跃迁分别位于激光器技术已经相当成熟的蓝光波段和红光波段，为钙原子束光钟的实现奠定了基础。现如今普遍使用转移探测技术制备钙原子束光钟，其原理是由于657nm跃迁与423nm跃迁享有一个共同的基态，因此可以利用423nm跃迁的荧光信号来提取钟跃迁信号，以得到钙原子束光钟。
[0004]在转移探测技术中，通常使用偏频锁定或内调制锁定的方法将探测光直接稳定在所对应原子跃迁的中心频率上。虽然偏频锁定方法，不需对探测光进行调制，但是难以保证探测光的锁定精度；而内调制锁定方法需要对激光器进行内调制，在对激光器进行内调制的过程中容易引入探测激光的功率和频率噪声，对钟跃迁谱线的探测及锁定带来影响，恶化光钟的稳定度。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟，该原子束光钟稳定性高，应用范围广。
[0006]本专利技术提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟的制备方法，该制备方法能够制备出稳定的原子束光钟。
[0007]本专利技术提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟，其中，包括：657nm超稳激光系统、钙原子炉、原子束管、423nm窄线宽激光器、半波片、偏振分光棱镜、电光调制器、第一光电探测器、信号放大器、混频器、第一伺服反馈控制电路、声光调制器、第二光电探测器、信号源以及第二伺服反馈控制电路；
[0008]其中，所述钙原子炉喷射钙原子形成钙原子束，所述原子束管套设于所述钙原子束外部，所述原子束管沿喷射方向依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗；
[0009]所述423nm窄线宽激光器的出光端朝向所述半波片，所述半波片的出光端朝向所述偏振分光棱镜；
[0010]所述信号源的第一信号输出端与所述电光调制器的信号输入端连接，所述偏振分光棱镜出射的423nm透射光经所述电光调制器进入所述原子束管前窗，产生第一荧光信号；
[0011]所述第一光电探测器的信号输出端与所述信号放大器的信号输入端连接，所述信号放大器的信号输出端与所述混频器的第一信号输入端连接，所述信号源的第二信号输出端与所述混频器的第二信号输入端连接；
[0012]所述第一光电探测器被配置为探测并转化所述第一荧光信号以得到电信号，所述电信号依次经过所述第一光电探测器、所述信号放大器以及所述混频器的处理后得到误差信号；
[0013]所述混频器的信号输出端与所述第一伺服反馈控制电路的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制电路的信号输出端与所述423nm窄线宽激光器的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制电路根据所述误差信号对所述423nm窄线宽激光器进行反馈控制；
[0014]所述657nm超稳激光系统的出光端朝向所述声光调制器，所述声光调制器出射的657nm出射光进入所述原子作用区；
[0015]所述偏振光分光棱镜出射的423nm反射光进入所述原子束管后窗，得到第二荧光信号；
[0016]所述第二光电探测器的信号输出端与所述第二伺服反馈控制电路的信号输入端连接，所述第二伺服反馈控制电路的信号输出端与所述声光调制器的信号输入端连接，所述第二光电探测器被配置为探测所述第二荧光信号，所述第二伺服反馈控制电路用于根据所述第二荧光信号调控所述声光调制器。
[0017]如上所述的原子束光钟，其中，所述信号源包括信号发生器。
[0018]如上所述的原子束光钟，其中，还包括第一反射镜，所述第一反射镜用于使所述423nm透射光射入所述原子束管前窗。
[0019]如上所述的原子束光钟，其中，还包括第二反射镜，所述第二反射镜用于使经声光调制器调制后的所述657nm激光射入所述原子作用区。
[0020]如上所述的原子束光钟，其中，还包括第三反射镜，所述第三反射镜用于使所述423nm反射光射入所述原子束管后窗。
[0021]如上所述的原子束光钟，其中，所述423nm窄线宽激光器选自窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器或窄线宽光栅外腔半导体激光器。
[0022]如上所述的原子束光钟，其中，还包括分光镜，所述声光调制器的出光端朝向所述分光镜，657nm激光经所述声光调制器进入所述分光镜，所述分光镜出射的657nm反射光进入所述原子作用区。
[0023]本专利技术提供一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟的制备方法，其中，所述制备方法用于制备如上所述的原子束光钟，包括以下步骤：
[0024]钙原子炉喷射钙原子形成喷射形成钙原子束，原子束管套设于钙原子束外部，所述原子束管沿喷射方向依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗；
[0025]经423nm窄线宽激光器出光端出射的423nm激光依次通过半波片、偏振分光棱镜得到423nm透射光以及423nm反射光；
[0026]电光调制器根据信号源提供的调制信号对所述423nm透射光进行调制，使调制后的所述423nm透射光进入所述原子束管前窗，形成荧光信号；
[0027]使用第一光电探测器探测所述第一荧光信号并且将所述第一荧光信号转化为电信号，所述电信号依次经过所述第一光电探测器以及信号放大器进入所述混频器，所述混
频器将信号源提供的解调信号与所述电信号进行混频处理得到误差信号；
[0028]第一伺服反馈控制电路根据所述误差信号对所述423nm窄线宽激光器进行反馈控制；
[0029]使用声光调制器对657nm超稳激光系统出光端出射的657nm激光进行调制，使所述调制后的657nm激光进入所述原子作用区；
[0030]使所述423nm反射光进入所述原子束管后窗，得到第二荧光信号；
[0031]使用第二光电探测器探测所述第二荧光信号，所述第二荧光信号经过所述第二光电探测器进入所述第二伺服反馈控制电路，所述第二伺服反馈控制电路根据所述第二荧光信号调控所述声光调制器。
[0032]如上所述的原子束光钟的制备方法，其中，所述信号源包括信号发生器。
[0033]如上所述的原子束光钟的制备方法，其中，还包括使用分光镜对所述声光调制器出射的657nm激光进行分光得到657nm反射光，所述657nm反射光进入所述原子作用区。
[0034]本专利技术的探测光应用外调制锁定的原子束光钟，423nm透射光进入原子束管前窗之前经电光调制器进行调制，使用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种探测光应用外调制锁定的原子束光钟，其特征在于，包括：657nm超稳激光系统、钙原子炉、原子束管、423nm窄线宽激光器、半波片、偏振分光棱镜、电光调制器、第一光电探测器、信号放大器、混频器、第一伺服反馈控制电路、声光调制器、第二光电探测器、信号源以及第二伺服反馈控制电路；其中，所述钙原子炉喷射钙原子形成钙原子束，所述原子束管套设于所述钙原子束外部，所述原子束管沿喷射方向依次包括原子束管前窗、原子作用区以及原子束管后窗；所述423nm窄线宽激光器的出光端朝向所述半波片，所述半波片的出光端朝向所述偏振分光棱镜；所述信号源的第一信号输出端与所述电光调制器的信号输入端连接，所述偏振分光棱镜出射的423nm透射光经所述电光调制器进入所述原子束管前窗，产生第一荧光信号；所述第一光电探测器的信号输出端与所述信号放大器的信号输入端连接，所述信号放大器的信号输出端与所述混频器的第一信号输入端连接，所述信号源的第二信号输出端与所述混频器的第二信号输入端连接；所述第一光电探测器被配置为探测并转化所述第一荧光信号以得到电信号，所述电信号依次经过所述第一光电探测器、所述信号放大器以及所述混频器的处理后得到误差信号；所述混频器的信号输出端与所述第一伺服反馈控制电路的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制电路的信号输出端与所述423nm窄线宽激光器的信号输入端连接，所述第一伺服反馈控制电路根据所述误差信号对所述423nm窄线宽激光器进行反馈控制；所述657nm超稳激光系统的出光端朝向所述声光调制器，所述声光调制器出射的657nm出射光进入所述原子作用区；所述偏振分光棱镜出射的423nm反射光进入所述原子束管后窗，得到第二荧光信号；所述第二光电探测器的信号输出端与所述第二伺服反馈控制电路的信号输入端连接，所述第二伺服反馈控制电路的信号输出端与所述声光调制器的信号输入端连接，所述第二光电探测器被配置为探测所述第二荧光信号，所述第二伺服反馈控制电路用于根据所述第二荧光信号调控所述声光调制器。2.根据权利要求1所述的原子束光钟，其特征在于，所述信号源包括信号发生器。3.根据权利要求1
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2任一项所述的原子束光钟，其特征在于，还包括第一反射镜，所述第一反射镜用于使所述423nm透射光射入所述原子束管前窗。4.根据权利要求1
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3任一项所述的原子束光钟，其特征在于，还包括第二反射镜，所述第二反射镜用于使经所述声光调制器调制后的所述657nm激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景标，潘多，刘天宇，赵天，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：