一种基于小型化窄线宽激光器的小型铷原子光频标的制作方法

1.本发明属于激光技术领域，具体涉及一种基于小型化窄线宽半导体激光器的小型铷原子光频标。


背景技术：

2.时间频率对科技发展、经济生产、国家安全等方面有着重要意义，在国家工业制造、军事装备、信息通讯等领域扮演重要角色，其中，原子钟是时间频率体系的核心部件。根据工作频率的不同，原子钟可分为微波原子钟和光频原子钟(又可称为光频标)。光频标具有更高的工作频率，因此可以实现更高的频率稳定度和准确度，但由于系统复杂，目前性能优异的光频标具有体积庞大、系统复杂、成本高昂、不易搬运等问题，一般在实验室条件下运行，不利于实际应用，因此实现体积小、系统简单、成本低、易搬运的小型化光频标具有重要的应用价值，是近十年来国际量子技术领域的重大科学研究前沿之一。
3.随着光子元件小型化和集成化的发展，激光器逐渐往微型化发展，研制高性能的微型半导体激光器，并针对特定的小体积应用场景，逐步替代市售激光产品，将具有特别的前景。利用这种小型化、窄线宽、可调谐的外腔半导体激光器作为本振激光，可以很大程度上减少光频标系统的尺寸，进而实现更小体积的光频标。


技术实现要素：

4.为了实现更小体积的光频标系统，本发明提出一种基于小型化窄线宽激光器的小型铷原子光频标。其主要创新点在于，通过对所有器件进行高鲁棒性微小型集成处理，实现一种拇指大小的窄线宽外腔半导体激光器，下面简称“拇指激光器”，从而大幅减小光学系统的体积。所述拇指激光器是用窄带干涉滤光片作为选模元件的外腔半导体激光器，输出激光可拓展到多个波长，包括对应于碱金属原子铷、铯跃迁的780nm和852nm激光输出。这种激光器具有小型化、线宽窄、稳定度高的优点。在此基础上，利用高信噪比的调制转移谱技术和高带宽快速反馈机制，可以将激光频率直接锁定在原子超精细跃迁谱线上，这种方法不需要借助pound-drever-hall(pdh)稳频技术，摆脱了对超高真空维持、超高精度温控的超高精细度光学谐振腔的依赖，有效降低系统复杂程度、体积和成本，使光频标小型化、可搬运成为可能；由此搭建的一体化稳频系统可以实现体积更小、频率稳定度更优的光频标。
5.基于上述思路，本发明提供一种基于窄线宽拇指激光器的小型铷原子光频标，所述拇指激光器为频率对应于铷原子跃迁谱线、窄线宽、稳定性好的小型化780nm半导体激光器，利用调制转移谱技术实现激光器的频率锁定，将铷原子的应用从微波钟拓展到光频标，在保证系统小型化可搬运的同时，发挥光频标稳定度性能指标高的优势，实现秒级稳定度指标超越微波钟的小型化光频标。具体采用以下技术方案：
6.所述小型化铷原子光频标在结构上包括：780nm窄线宽拇指激光器(即小型化窄线宽激光器)、调制转移谱稳频系统和电子伺服反馈控制系统。
7.所述780nm窄线宽拇指激光器为外腔半导体激光器在结构上包括：激光二极管、准
直透镜、干涉滤光片、部分反射镜、压电陶瓷，以及温度控制单元。采用窄带干涉滤光片作为选模元件，输出腔镜后安装压电陶瓷，实现对谐振腔腔长的控制。激光输出的腔镜可以兼容平面镜与角锥棱镜。采用高鲁棒性微小型集成技术对上述所有器件(包括控温元件)进行小型化处理，最终实现体积小于5.4cm3的拇指激光器。其优势在于线宽窄、频率响应速度快，具有与传统光纤激光器相当甚至更佳的性能。通过调节干涉滤光片可以实现对应铷原子超精细能级d2线跃迁、波长为780nm的激光输出。输出激光通过隔离器后，由半波片和偏振分光棱镜进行分光，其中一束作为输出的光频标，另一束进入调制转移谱系统进行稳频。
8.用于稳频的激光经过半波片和偏振分光棱镜后再分为两束，其中一束功率较大，用作泵浦光，另一束功率较小，用作探测光。探测光经过铷原子气室后，打入光电探测器；泵浦光经过一个半波片，保证其偏振方向与电光调制器中的电光晶体主轴平行。随后，泵浦光进入电光调制器进行相位调制，调制后的泵浦光经过反射镜和偏振分光棱镜的反射打入原子气室，与偏振方向正交、传播方向相反的探测光在气室内重合，两束激光在气室内原子的作用下发生非线性四波混频，实现调制的转移，探测光因此携带上调制信号并输出，透过偏振分光棱镜后被光电探测器所探测。光电探测器接收到探测光信号后，将光信号转化为电信号，并进入电子伺服反馈系统。
9.进入伺服反馈系统的探测信号先通过低通滤波器与高通滤波器滤除部分噪声，再经过放大器进行信号放大。电光调制器的驱动信号来源于信号发生器，除此之外，信号发生器还产生一个与该驱动信号频率相同的参考信号。将参考信号与放大后的电信号一同输入到混频器中进行混频，解调后的色散型调制转移谱信号作为误差信号，输入到比例积分微分反馈电路中，经过运算处理后，输出伺服反馈信号。最终将输出信号反馈给半导体激光器的驱动电流、压电陶瓷和激光头，从而实现频率的稳定。
10.所用调制转移谱稳频系统的光学部分和电学部分均为一体化系统，从而实现结构紧凑的小型化光频标。
11.进一步地，本技术方案中采用的窄线宽拇指激光器反馈腔镜可以采用平面镜或者角锥反射镜。
12.进一步地，本技术方案所采用的激光器谐振腔腔镜、激光二极管、半波片、偏振分光棱镜、反射镜等光学器件的端面所镀膜均对应780nm。
13.进一步地，对铷原子气室设置保温与磁屏蔽装置，以减少环境温度与外部磁场对参考原子的影响。
14.进一步地，对电光调制器进行保温，防止温度波动对电光调制器调制效率的影响。
15.进一步地，光电探测器前设置聚焦透镜，使得光尽可能多的被探测器接收。
16.进一步地，混频器后设置低通滤波器，抑制掉高频分量后进入快速伺服反馈系统。
17.进一步地，自主研发的一体化稳频系统可以实现自动锁定与失锁后自动锁定。
18.进一步地，所述小型化窄线宽激光器可以通过调节干涉滤光片角度改变输出波长，若将输出波长调谐至455nm、459nm、852nm、894nm等对应铯原子能级跃迁的波长,调制转移谱光路中采用铯原子气室，则可以实现小型化的铯原子光频标。
19.与现有技术相比，本发明提出的基于小型化窄线宽激光器的铷原子光频标的积极效果为：
20.采用输出激光波长对应原子跃迁谱线的小型集成化拇指激光器可以得到输出稳
定的窄线宽激光器；利用一体化的调制转移谱系统进行激光频率稳定，具有灵敏度高、分辨率高、无多普勒背景等优点；采用高频调制的方法，将激光频率噪声转移到高频，减少了低频噪声的影响。此外，调制转移谱稳频技术避免了pdh稳频装置结构复杂、成本高昂的问题，有利于实现小型化、易搬运的铷原子光频标，在实际应用中具有重要的价值。
附图说明
21.图1为小型化窄线宽激光器的结构示意图。
22.图2为基于小型化窄线宽激光器的铷原子光频标结构示意图。
23.附图标记：101-激光二极管，102-准直透镜，103-干涉滤光片，104-部分反射镜，105-压电陶瓷；1-小型化窄线宽激光器，a-一体化光学系统，2-隔离器，3-第一半波片，4-第一偏振分光棱镜，5-第二半波片，6-第二偏振分光棱镜，7-第三半波片，8-电光调制器，9-第一反射镜，10-第二反射镜，11-铷原子气室，12-第三偏振分光棱镜，13-光电探测器，b-一体化电学系统，14-信号发生器，15-信号放大器，16-混频器，17-比例积分微分电路。
具体实施方式
24.以下实施例用于非限制性地解释本发明的技术方案。
25.所述小型化铷原子光频标在结构上包括：小型化窄线宽780nm半导体激光器、调制转移谱稳频系统和电子伺服反馈控制系统。
26.所述小型化窄线宽780nm半导体激光器1为外腔半导体激光器，在结构上包括激光二极管101、准直透镜102、干涉滤光片103、部分反射镜104和压电陶瓷105。其中，窄带干涉滤光片103为激光器的选模元件，部分反射镜104作为反馈腔镜，并且用于激光输出。部分反射镜104后安装压电陶瓷105，实现对谐振腔腔长的控制，部分反射镜104可以为平面镜或角锥棱镜。通过对所有器件(包括控温元件)进行小型集成化处理，最终实现的激光器体积小于5.4cm3。通过调节干涉滤光片103可以实现对应铷原子超精细能级d2线跃迁、波长为780nm的激光输出。输出激光通过隔离器2后，由第一半波片3和第一偏振分光棱镜4组合实现所需比例的分光，其中一束用于激光输出作为光频标，另一束进入调制转移谱系统进行稳频。
27.用于稳频的激光经过第二半波片5和第二偏振分光棱镜6后再分为两束，其中一束功率较大，用作泵浦光，另一束功率较小，用作探测光。第二半波片5与第二偏振分光棱镜6的组合也是用于将光按照一定比例分束。探测光由第二反射镜10反射，经过铷原子气室11后，打入光电探测器13；泵浦光经过第三半波片7控制线偏光的偏振方向，保证偏振方向与电光调制器8中的电光晶体主轴平行。随后，泵浦光进入电光调制器8进行相位调制，调制后的泵浦光经过第一反射镜9和第三偏振分光棱镜12的反射打入铷原子气室11，与偏振方向正交、传播方向相反的探测光在气室11内重合，两束激光在气室11内原子的作用下发生非线性四波混频，实现调制的转移，探测光因此携带上调制信号并输出，透过偏振分光棱镜12后被光电探测器13所探测。
28.光电探测器13接收到探测光信号后，将光信号转化为电信号，并进入电子伺服反馈系统。电光调制器8的驱动信号来源于信号发生器14，除此之外，信号发生器14还产生一个与该驱动信号频率相同的参考信号。将参考信号与放大后的电信号一同输入到混频器16
中进行混频，解调后的色散型调制转移谱信号作为误差信号，输入到比例积分微分电路17中，经过运算处理后，输出伺服反馈信号。最终将输出信号反馈给小型化窄线宽半导体激光器1的驱动电流、压电陶瓷和激光头，从而实现频率的稳定。其中，在采用信号发生器14产生驱动信号与参考信号时，通过观察误差信号的斜率，使其最大，从而确定最佳的频率。进行相位调制时，通过合理设置电光调制器调制相位与解调相位，实现最佳的色散型误差信号，用于稳频。
29.进一步地，小型化窄线宽激光器1中所用的部分反射镜104可以采用平面镜或者角锥反射镜，角锥反射镜的优势在于，提高激光器的稳定性。
30.进一步地，对铷原子气室11设置保温与磁屏蔽装置，以减少环境温度与外部磁场对参考原子的影响。
31.进一步地，对电光调制器8进行保温，防止温度波动对电光调制器8调制效率的影响。
32.进一步地，光电探测器13前设置聚焦透镜，使得光尽可能多的被接收。
33.进一步地，在光电探测器13后设置低通滤波器、高通滤波器与信号放大器，以减少其他频率噪声的影响，并对信号进行放大。
34.进一步地，混频器后设置低通滤波器，抑制掉解调信号中的高频分量后进入电子伺服反馈系统。
35.进一步地，所用调制转移谱稳频系统的光学部分和电学部分均为一体化系统，从而实现结构紧凑的小型化光频标。
36.进一步地，所述小型化窄线宽激光器1可以通过调节干涉滤光片角度改变输出波长，若将输出波长调谐至455nm、459nm、852nm、894nm等对应铯原子能级跃迁的波长,并将调制转移谱光路中的铷原子气室11替换为铯原子气室，则可以实现小型化的铯原子光频标。
37.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制。在不脱离本发明所附权利要求书的精神和范围内，本领域的技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，具体要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

技术特征：
1.一种基于小型化窄线宽激光器的小型铷原子光频标，其特征在于，包括小型化窄线宽激光器(1)、调制转移谱稳频系统和电子伺服反馈控制系统；所述小型化窄线宽激光器(1)输出的目标波长激光依次隔离器(2)、第一半波片(3)和第一偏振分光棱镜(4)后分为两束，其中一束作为光频标输出，另一束作为稳频激光输入所述调制转移谱稳频系统；所述调制转移谱稳频系统包括第二半波片(5)、第二偏振分光棱镜(6)、第三半波片(7)、电光调制器(8)、原子气室(11)和光电探测器(13)；所述稳频激光依次经第二半波片(5)、第二偏振分光棱镜(6)后分为两束，其中一束作为泵浦光，另一束作为探测光输入原子气室(11)；所述泵浦光经第三半波片(7)输入电光调制器(8)中进行相位调制，调制后的泵浦光输入原子气室(11)，在原子气室(11)内与偏振方向正交、传播方向相反的探测光重合，发生非线性四波混频，实现调制的转移，使得探测光携带上调制信号并输出到光电探测器(13)；光电探测器(13)将接收的探测光转化为电信号并输入所述电子伺服反馈系统；所述电子伺服反馈系统包括信号发生器(14)、信号放大器(15)、混频器(16)和比例积分微分电路(17)；所述电信号经信号放大器(15)放大后输入混频器(16)；信号发生器(14)产生同频的驱动信号和参考信号，将驱动信号发送给电光调制器(8)，将参考信号输入到混频器(16)；混频器(16)对输入的电信号和参考信号进行混频、解调得到色散型调制转移谱信号作为误差信号，输入到比例积分微分电路(17)中进行运算处理得到伺服反馈信号反馈给所述小型化窄线宽激光器(1)进行稳频。2.根据权利要求1所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述小型化窄线宽激光器(1)为外腔半导体激光器，包括沿光路方向依次设置的激光二极管(101)、准直透镜(102)、干涉滤光片(103)、部分反射镜(104)和压电陶瓷(105)；其中，干涉滤光片(103)为选模元件，部分反射镜(104)作为反馈腔镜并用于激光输出；部分反射镜(104)后安装压电陶瓷(105)，实现对谐振腔腔长的控制。3.根据权利要求2所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述部分反射镜(104)为平面镜或角锥棱镜。4.根据权利要求1所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述探测光由第二反射镜(10)反射入原子气室(11)；调制后的泵浦光依次第一反射镜(9)、第三偏振分光棱镜(12)的反射打入原子气室(11)。5.根据权利要求1～4任一所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述目标波长为780nm；所述原子气室(11)为铷原子气室。6.根据权利要求1～4任一所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述目标波长为780nm，则所述原子气室(11)为铷原子气室。7.根据权利要求1～4任一所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述目标波长为455nm、459nm、852nm或894nm，则所述原子气室(11)为铯原子气室。8.根据权利要求1所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述泵浦光经第三半波片(7)后偏振方向与电光调制器(8)中的电光晶体主轴平行。9.根据权利要求1所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述原子气室(11)设置保温与磁屏蔽装置，以减少环境温度与外部磁场对参考原子的影响。
10.根据权利要求1所述的小型铷原子光频标，其特征在于，所述调制转移谱稳频系统的光学部分和电学部分均为一体化系统。

技术总结
本发明公开了一种基于小型化窄线宽激光器的小型铷原子光频标，其特征在于，包括小型化窄线宽激光器、调制转移谱稳频系统和电子伺服反馈控制系统；小型化窄线宽激光器输出的目标波长激光依次隔离器、第一半波片和第一偏振分光棱镜后分为两束，其中一束作为光频标输出，另一束作为稳频激光输入所述调制转移谱稳频系统；所述调制转移谱稳频系统将稳频激光分为两束，其中一束作为泵浦光，另一束作为探测光输入原子气室；所述泵浦光相位调制输入原子气室，与探测光重合发生非线性四波混频，使得探测光携带上调制信号并输出到光电探测器转化为电信号并输入所述电子伺服反馈系统；电子伺服反馈系统生成伺服反馈信号反馈给小型化窄线宽激光器进行稳频。窄线宽激光器进行稳频。窄线宽激光器进行稳频。


技术研发人员：陈景标 秦晓敏 史田田
受保护的技术使用者：温州激光与光电子协同创新中心
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/28