本技術涉及原子(zi)鐘，特別是涉及一種(zhong)光抽(chou)運銣原子(zi)束(shu)鐘的實(shi)現裝(zhuang)置及方法。

背景技術：

1、作(zuo)為(wei)目前最為(wei)精(jing)確的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間頻率(lv)產生裝置，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)讓人類(lei)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間計量標(biao)準從(cong)天文時(shi)(shi)時(shi)(shi)代進入了原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)時(shi)(shi)時(shi)(shi)代。作(zuo)為(wei)一種重(zhong)要資源，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)廣泛應(ying)用(yong)于衛星(xing)導航定位、守(shou)時(shi)(shi)授時(shi)(shi)、通訊(xun)、電力等(deng)軍民(min)用(yong)領域。其中，銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)作(zuo)為(wei)目前應(ying)用(yong)最為(wei)廣泛的(de)(de)(de)(de)一種原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)，具有體積(ji)小、功耗低(di)、可(ke)靠性高(gao)、價格低(di)廉等(deng)優勢。傳統的(de)(de)(de)(de)、技術成熟度高(gao)且(qie)實用(yong)型(xing)的(de)(de)(de)(de)銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)均采(cai)用(yong)銣(ru)87光(guang)(guang)譜(pu)燈作(zuo)為(wei)抽運光(guang)(guang)源，同時(shi)(shi)采(cai)用(yong)銣(ru)85原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)氣室進行濾光(guang)(guang)。然而，譜(pu)燈的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)譜(pu)密度低(di)，抽運效率(lv)受到極(ji)大(da)限(xian)制，原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)利用(yong)率(lv)僅為(wei)千分之幾，限(xian)制銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)穩(wen)定度進一步提高(gao)；此外(wai)，傳統的(de)(de)(de)(de)譜(pu)燈抽運銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)由于不得不采(cai)用(yong)雙原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)(zi)氣室，體積(ji)和功耗也相對(dui)較大(da)，難以小型(xing)化(hua)(hua)，集(ji)成化(hua)(hua)。

2、激(ji)(ji)光(guang)器技術(shu)的(de)(de)(de)成熟使得(de)激(ji)(ji)光(guang)成為銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)抽(chou)運光(guang)源(yuan)(yuan)的(de)(de)(de)新類型，激(ji)(ji)光(guang)抽(chou)運銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)應用(yong)而生。激(ji)(ji)光(guang)抽(chou)運銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)與(yu)譜(pu)燈抽(chou)運銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)的(de)(de)(de)最主要差別是用(yong)半導(dao)體(ti)激(ji)(ji)光(guang)器代替(ti)譜(pu)燈作為抽(chou)運光(guang)源(yuan)(yuan)。由于半導(dao)體(ti)激(ji)(ji)光(guang)器具有亮度(du)高(gao)、單色性好(hao)及線寬窄等特點，可以(yi)(yi)得(de)到(dao)更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)抽(chou)運效率，更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)子(zi)利用(yong)率及更(geng)低的(de)(de)(de)透射(she)本底，因此可以(yi)(yi)獲得(de)更(geng)強(qiang)的(de)(de)(de)微波共振(zhen)信號(hao)和更(geng)低的(de)(de)(de)光(guang)噪(zao)聲，大大提高(gao)信噪(zao)比，所以(yi)(yi)具有更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)頻率穩(wen)定度(du)。

3、目前，常用的半(ban)導體(ti)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)有垂直腔面發(fa)射(she)(vcsel)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)、分布反饋(dfb)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)、分布布拉格反射(she)(dbr)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)及外腔半(ban)導體(ti)(ecdl)激(ji)光(guang)(guang)器(qi)等(deng)(deng)等(deng)(deng)。

4、但(dan)(dan)是，雖然(ran)垂(chui)直腔(qiang)面發(fa)射(she)(vcsel)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)具備集成(cheng)化、體(ti)積小(xiao)、價格低(di)等優(you)勢，但(dan)(dan)其由(you)于(yu)本征腔(qiang)長(chang)小(xiao)，模式多，因此光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)強不穩(wen)定，頻率噪(zao)聲高且線寬(kuan)大，達(da)到百(bai)mhz量(liang)級，作為(wei)銣原子(zi)鐘的(de)抽運光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)并未提(ti)升其穩(wen)定度性(xing)(xing)(xing)能(neng)。對于(yu)分布反饋(kui)(dfb)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)和(he)(he)分布布拉(la)格反射(she)(dbr)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)，強度噪(zao)聲和(he)(he)頻率噪(zao)聲相對于(yu)垂(chui)直腔(qiang)面發(fa)射(she)(vcsel)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)有(you)較大改善，但(dan)(dan)線寬(kuan)也達(da)到了mhz量(liang)級。對于(yu)外(wai)腔(qiang)半(ban)導體(ti)(ecdl)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)，相對于(yu)其他三種(zhong)類型的(de)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)，具有(you)最好的(de)噪(zao)聲性(xing)(xing)(xing)能(neng)，線寬(kuan)通常在(zai)百(bai)khz水(shui)平，然(ran)而該激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)是由(you)半(ban)導體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)管之外(wai)再附加一個腔(qiang)長(chang)更(geng)長(chang)、精(jing)細度更(geng)高的(de)外(wai)腔(qiang)構(gou)成(cheng)的(de)，因此需要精(jing)確(que)的(de)對準(zhun)和(he)(he)模式匹(pi)配，系統結構(gou)更(geng)為(wei)復雜(za)，分立(li)元(yuan)件不易集成(cheng)化，穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)和(he)(he)連續(xu)運行可靠性(xing)(xing)(xing)低(di)，這(zhe)些缺點(dian)限(xian)制了外(wai)腔(qiang)半(ban)導體(ti)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器(qi)(qi)(qi)(qi)在(zai)激(ji)(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)抽運銣原子(zi)鐘的(de)廣泛應用。

技術實現思路

1、基(ji)于此，有必(bi)要(yao)針(zhen)對上述技術(shu)問題(ti)，提(ti)供一種光(guang)抽(chou)運(yun)銣原子(zi)束鐘的實現裝(zhuang)置及方法，能(neng)夠顯著提(ti)升(sheng)激光(guang)抽(chou)運(yun)銣原子(zi)束鐘性能(neng)。

2、一種光(guang)抽運銣原子束鐘(zhong)的(de)實現裝置(zhi)，包括：

3、波導芯片集(ji)成半導體(ti)激光器，用(yong)于(yu)輸(shu)出基頻(pin)激光；

4、頻率轉(zhuan)換(huan)器(qi)，用于接收所述基頻激光，并轉(zhuan)換(huan)為倍頻抽運光；

5、銣(ru)原(yuan)(yuan)子束鐘物理(li)模(mo)塊，用于(yu)產生與倍頻抽(chou)運光方向垂(chui)直的銣(ru)原(yuan)(yuan)子束流，吸收所述(shu)倍頻抽(chou)運光，并進行(xing)銣(ru)原(yuan)(yuan)子態(tai)制備；

6、第二光(guang)電探測(ce)器(qi)，用于探測(ce)透過完成銣(ru)原子(zi)態制備的(de)(de)銣(ru)原子(zi)束鐘物理模塊的(de)(de)倍頻抽(chou)運光(guang)的(de)(de)強度(du)變(bian)化，并輸出微波與原子(zi)共振的(de)(de)吸收光(guang)譜信號；

7、微波共振(zhen)信號解(jie)調模塊，用于接收所述吸收光譜信號，并解(jie)調產生調諧信號；

8、微波(bo)頻率(lv)綜合器(qi)，用于接收所述調諧信號(hao)，輸(shu)出在銣(ru)原子(zi)束鐘物理(li)模(mo)塊中產生諧振的微波(bo)信號(hao)，將微波(bo)頻率(lv)鎖定在銣(ru)原子(zi)基態子(zi)能(neng)級(ji)的躍遷頻率(lv)上，并輸(shu)出標準頻率(lv)信號(hao)。

9、在一個實施例(li)中，所(suo)述(shu)銣原子束鐘物(wu)理模塊包括：

10、銣(ru)原子束(shu)準直槍，用于產生序(xu)貫而出的(de)與倍頻抽運(yun)光方向垂直并與倍頻抽運(yun)光相互作(zuo)用的(de)銣(ru)原子束(shu)流；

11、微(wei)(wei)波(bo)(bo)饋入(ru)天線(xian)，用(yong)于接收所述微(wei)(wei)波(bo)(bo)頻(pin)率綜合器(qi)產生的微(wei)(wei)波(bo)(bo)信號，并饋入(ru)到(dao)微(wei)(wei)波(bo)(bo)諧振腔內；

12、微波(bo)諧振腔(qiang)，用于使(shi)所述(shu)微波(bo)饋入天線輸入的(de)微波(bo)信(xin)號產生(sheng)諧振，并(bing)與所述(shu)銣(ru)原(yuan)(yuan)子束準直槍產生(sheng)的(de)銣(ru)原(yuan)(yuan)子束流(liu)發生(sheng)共振相互作用，以使(shi)銣(ru)原(yuan)(yuan)子束流(liu)吸收倍(bei)頻抽運光，改(gai)變倍(bei)頻抽運光的(de)強(qiang)度，實現(xian)銣(ru)原(yuan)(yuan)子態制(zhi)備(bei)；

13、銣原(yuan)子(zi)回收(shou)盒，用(yong)于(yu)吸(xi)收(shou)發生共振相(xiang)互作(zuo)用(yong)以后的銣原(yuan)子(zi)束流(liu)的剩余(yu)銣原(yuan)子(zi)；

14、磁場(chang)線圈，用于產(chan)生與倍頻抽運光方向(xiang)(xiang)平行的均勻外加磁場(chang)，所述磁場(chang)為(wei)銣原子束(shu)流提供量子化軸方向(xiang)(xiang)。

15、在一個實(shi)施例中(zhong)，所(suo)述(shu)銣原(yuan)子束鐘物理模塊還包括(kuo)：磁屏蔽筒；

16、所(suo)述磁(ci)屏(ping)蔽(bi)筒設在銣原(yuan)子束準直槍、微波饋入天線、微波諧振(zhen)腔、銣原(yuan)子回收盒以及磁(ci)場(chang)線圈的(de)外側，用于屏(ping)蔽(bi)地磁(ci)場(chang)及雜散磁(ci)場(chang)，降(jiang)低剩余磁(ci)場(chang)對原(yuan)子超精細能級結構的(de)不穩(wen)定影響(xiang)。

17、在一(yi)個(ge)實施例中，所述頻率轉換(huan)器(qi)包括(kuo)：

18、光功率(lv)放大(da)器，用于接收所述基頻(pin)激光，并進行功率(lv)放大(da)，得到大(da)功率(lv)基頻(pin)激光；

19、光(guang)(guang)學(xue)倍頻(pin)器(qi)，用于接(jie)收所述大功率基頻(pin)激光(guang)(guang)，并進(jin)行(xing)倍頻(pin)處理，得到包含基頻(pin)光(guang)(guang)和倍頻(pin)光(guang)(guang)的混合光(guang)(guang)；

20、帶通濾(lv)波片，用于(yu)接收(shou)所述混(hun)合光(guang)，并(bing)濾(lv)除所述基頻光(guang)，得到光(guang)譜純正的(de)倍頻光(guang)；

21、分(fen)(fen)光(guang)器，用于接收(shou)所述倍頻光(guang)，并(bing)分(fen)(fen)為透射光(guang)和反射光(guang)；

22、銣原子光(guang)譜穩(wen)頻模塊，用于接收所述反射光(guang)，并產(chan)生(sheng)第一(yi)驅動信(xin)號；

23、激(ji)光(guang)器驅(qu)動(dong)控制模(mo)塊，用(yong)于(yu)接收所(suo)述第一驅(qu)動(dong)信號，并對(dui)所(suo)述波導(dao)芯片集成半導(dao)體激(ji)光(guang)器進行(xing)頻(pin)率調諧，以將所(suo)述倍頻(pin)光(guang)的頻(pin)率鎖定在銣(ru)原子基態能(neng)級與第一激(ji)發(fa)態能(neng)級的躍遷頻(pin)率上；

24、縮束(shu)器，用于接收所述透射光(guang)，并進行(xing)光(guang)束(shu)直徑縮小(xiao)，得到倍頻抽運光(guang)。

25、在(zai)一個(ge)實施(shi)例中，所(suo)述(shu)倍(bei)頻(pin)抽運(yun)光(guang)的光(guang)束(shu)直徑(jing)小于所(suo)述(shu)銣原(yuan)子束(shu)鐘物理模塊產生的銣原(yuan)子束(shu)流的直徑(jing)，以使(shi)光(guang)束(shu)直徑(jing)區(qu)域內(nei)的倍(bei)頻(pin)抽運(yun)光(guang)均與銣原(yuan)子束(shu)流相互作用，從而降低所(suo)述(shu)第(di)二(er)光(guang)電探測器的背景光(guang)強(qiang)。

26、在一個(ge)實施例中，所述頻率轉換器還包括：

27、聲光(guang)調制(zhi)器(qi)，用(yong)于將(jiang)所述倍頻光(guang)轉(zhuan)換為零(ling)級光(guang)與(yu)移頻光(guang)，并將(jiang)所述零(ling)級光(guang)輸出至(zhi)所述分光(guang)器(qi)；

28、第一光(guang)電探測器，用于接收(shou)所述(shu)移(yi)頻光(guang)，并將所述(shu)移(yi)頻光(guang)信號轉換為電信號；

29、光功率穩(wen)定(ding)模塊，用于(yu)接(jie)收(shou)所述(shu)(shu)電信號(hao)，并(bing)對所述(shu)(shu)聲(sheng)光調制器的驅動功率進行控制和穩(wen)定(ding)。

30、在一個實施例中，波導(dao)(dao)芯(xin)片(pian)集成半(ban)導(dao)(dao)體(ti)激(ji)光器包括：半(ban)導(dao)(dao)體(ti)增益芯(xin)片(pian)和硅基光子波導(dao)(dao)芯(xin)片(pian)外腔；

31、所述半(ban)導體(ti)增益芯片和所述硅基光(guang)子波(bo)導芯片外腔通過光(guang)場模式轉換器高效(xiao)率(lv)耦合以(yi)實現芯片化集成(cheng)。

32、一種(zhong)光(guang)抽(chou)運銣(ru)原子(zi)(zi)束(shu)鐘的實(shi)現方法，采用所述的一種(zhong)光(guang)抽(chou)運銣(ru)原子(zi)(zi)束(shu)鐘的實(shi)現裝置，包括：

33、獲取入射(she)基頻激(ji)光，并將所(suo)述(shu)基頻激(ji)光轉換為倍頻抽運(yun)光；

34、根據(ju)所述倍頻抽(chou)運光進行銣(ru)原子態制備(bei)；

35、根據透過完成銣原(yuan)子態(tai)制備的(de)(de)銣原(yuan)子束鐘物理模(mo)塊(kuai)的(de)(de)倍頻抽運(yun)光的(de)(de)強度變化情況，輸出微波與(yu)原(yuan)子共(gong)振的(de)(de)吸收(shou)光譜(pu)信(xin)號(hao)，并對吸收(shou)光譜(pu)解調(diao)產生調(diao)諧信(xin)號(hao)；

36、根據所述調諧(xie)信(xin)號(hao)，將(jiang)微波頻率鎖(suo)定在(zai)銣原(yuan)子基態子能級的躍遷頻率上，實現閉環鎖(suo)定并輸出(chu)標準頻率信(xin)號(hao)。

37、在一個實(shi)施例(li)中，將所述基頻(pin)激光轉(zhuan)換為倍頻(pin)抽(chou)運光，包括：

38、根據所述基頻激光，依次進(jin)行功(gong)率放大、倍(bei)頻處理以及(ji)濾(lv)光處理，得到倍(bei)頻光；

39、根據所述(shu)倍頻光，得到透射光和(he)反射光；

40、根據所(suo)(suo)述(shu)反射光(guang)，產生第(di)一驅動信(xin)號，并(bing)對所(suo)(suo)述(shu)波導芯片(pian)集成半導體激光(guang)器進行頻率調諧，以將(jiang)所(suo)(suo)述(shu)倍頻光(guang)的(de)頻率鎖定在基態能(neng)級與(yu)第(di)一激發態能(neng)級的(de)躍遷頻率上；

41、根(gen)據所(suo)述透(tou)射(she)光，進行(xing)光束(shu)直徑縮小，得到倍(bei)頻抽運光。

42、在一個實施例中(zhong)，所述波(bo)導芯片集成半導體(ti)激(ji)光器包括(kuo)：半導體(ti)增益芯片和硅基光子(zi)波(bo)導芯片外(wai)腔(qiang)；

43、對所述波導芯片集成半導體(ti)激光器進(jin)行波長調諧包括：調節所述半導體(ti)增益芯片的(de)泵(beng)浦電流(liu)，和/或利(li)用熱光效應控制所述硅基光子波導芯片外腔(qiang)的(de)溫度。

44、上述(shu)光抽運(yun)銣原(yuan)子束鐘(zhong)的(de)實現(xian)裝置及方法，設計了一種基于波導芯片集成(cheng)半導體激光器(qi)的(de)銣原(yuan)子束鐘(zhong)，具有如下有益(yi)效果：

45、1、采用線寬極窄、頻(pin)率(lv)噪聲極低的波導(dao)芯片集成半導(dao)體激光(guang)器，能大幅提高(gao)抽(chou)運效率(lv)和原子利(li)用率(lv)，提升光(guang)抽(chou)運銣原子束鐘的短(duan)期頻(pin)率(lv)穩定度；

46、2、采(cai)用波導(dao)芯片(pian)集成半導(dao)體激光器可(ke)集成化、芯片(pian)化，具(ju)備高可(ke)靠性與低功(gong)耗(hao)特性，能(neng)大幅降(jiang)低光抽運銣原(yuan)子束鐘的(de)體積和功(gong)耗(hao)；

47、3、相(xiang)比傳(chuan)統光抽運(yun)銣(ru)原子鐘采(cai)用(yong)原子氣(qi)室(即(ji)工作(zuo)物質銣(ru)原子蒸氣(qi)充(chong)制(zhi)在(zai)一個透明玻(bo)璃泡內，銣(ru)原子氣(qi)體之(zhi)間(jian)由(you)于劇烈(lie)的(de)(de)熱運(yun)動而相(xiang)互碰(peng)撞(zhuang))的(de)(de)方(fang)式(shi)，本技術采(cai)用(yong)銣(ru)原子束流的(de)(de)方(fang)式(shi)，大大降低了銣(ru)原子之(zhi)間(jian)熱運(yun)動導(dao)致(zhi)的(de)(de)碰(peng)撞(zhuang)頻(pin)移，提高了頻(pin)率(lv)準確度和(he)頻(pin)率(lv)穩定(ding)(ding)度的(de)(de)性能，實現了長期穩定(ding)(ding)。