一种用于双光抽运铯束原子钟的反抽运激光稳频方法及系统与流程
本发明涉及原子频率标准和激光稳频，具体涉及一种用于双光抽运铯束原子钟的反抽运激光稳频方法及系统。
背景技术：
1、铯束原子钟通常包括铯炉、原子束准直结构、光抽运区、微波作用区和光检测区，是时间频率基准领域的核心器件。为提高参与跃迁的有效原子数，可在频率对应f=4→f'=4跃迁的抽运光之外，引入频率对应f=3→f'=3或f=3→f'=4跃迁的反抽运光，形成双光抽运结构，以提升原子钟的信号强度与性能。
2、双光抽运工作模式要求抽运光与反抽运光分别保持在各自工作频率。现有实现方式通常为两台激光器配置外置原子气泡饱和吸收谱、调制转移谱等外置稳频装置，该方式需要额外的原子气泡、分束和探测光路、伺服系统，器件数量多、装置体积大，不利于系统小型化与集成化；已有单光抽运铯束原子钟稳频方案，主要利用检测区原子束荧光谱稳定检测光，并通过移频获得f=4→f'=4抽运光。该类方案仅针对单路抽运光的稳频设计，没有给出双光抽运模式下独立反抽运光的抽运区原位稳频手段，无法直接适配双光抽运工作模式。
3、在双光抽运铯束原子钟的正常工作光路中，抽运光与反抽运光同向合束，在抽运区内空间重合并横向穿过具有角发散的铯原子束。原子束中存在沿两束光传播方向具有不同横向速度分量的原子速度群，固定抽运光频率并扫描反抽运光频率时，两束光对这些速度群产生同符号的多普勒选择；同一速度群同时满足抽运跃迁和反抽运跃迁共振条件时，可在多普勒展宽背景上形成双光协同共振荧光峰。同时，f=4→f'=4抽运光使部分原子经自发辐射转移至 f=3基态，补充反抽运跃迁的初态原子布居，从而增强反抽运光对应的原子束荧光响应。因此，双光条件下形成的荧光谱兼具布居增强和同一速度群联合选择两种作用，可形成多峰、高对比度、窄线宽的协同共振特征谱，该谱线是双光抽运工作过程的伴生谱，无需为产生稳频谱线另行设置外部光谱光路。
4、但现有公开技术未给出对上述原子束双光协同多峰谱进行通道辨识，并将其中与反抽运工作跃迁对应的目标峰作为反抽运激光闭环工作频率参考的技术方案，无法直接利用抽运区原位的双光协同荧光谱实现反抽运光的稳频，也未能充分利用双光协同谱峰窄化、增强的优势提升稳频性能。
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种用于双光抽运铯束原子钟的反抽运激光稳频方法及系统。
2、本发明公开了一种用于双光抽运铯束原子钟的反抽运激光稳频方法，包括：
3、将抽运光与反抽运光进行同向合束，使合束后的两束光入射至铯原子束的抽运区并在同一空间作用区域内重合，共同作用于具有角发散特性的铯原子束；
4、利用所述抽运光完成原子布居转移以补充反抽运跃迁对应的基态原子布居，同时使所述抽运光与所述反抽运光共同对同一横向速度群的原子产生同符号多普勒速度选择，在单光原子束荧光谱的基础上形成多个强度增强、线宽窄化的双光协同共振荧光峰；
5、依据各双光协同共振荧光峰对应的联合共振通道及相对频率关系，选定与反抽运工作跃迁对应的目标共振峰；
6、对所述反抽运光施加周期性频率调制，将抽运区采集到的荧光信号与同频且解调相位可调的参考信号进行同步解调，得到对应所述目标共振峰的一次微分误差信号；
7、根据所述一次微分误差信号反馈调节所述反抽运光的频率，将所述反抽运光的频率锁定于所述目标共振峰，锁定过程以抽运区内产生的双光协同荧光信号为频率基准。
8、作为本发明的进一步改进，所述抽运光对应铯原子62s1/2(f=4)→62p3/2(f′=4)跃迁，所述目标共振峰包含62s1/2(f=4)→62p3/2(f′=4)抽运跃迁与62s1/2(f=3)→62p3/2(f′=3)反抽运跃迁的联合共振通道；以零横向速度原子的f=3→f'=3跃迁频率为反抽运光失谐量零点，所述目标共振峰对应零失谐量位置。
9、作为本发明的进一步改进，所述抽运光对应铯原子62s1/2(f=4)→62p3/2(f′=4)跃迁，所述目标共振峰包含62s1/2(f=4)→62p3/2(f′=4)抽运跃迁与62s1/2(f=3)→62p3/2(f′=4)的联合共振通道；以零横向速度原子的62s1/2(f=3)→62p3/2(f′=3)跃迁频率为反抽运光失谐量零点，所述目标共振峰对应正失谐201.3mhz位置，且所述目标共振峰与62s1/2(f=4)→62p3/2(f′=3)抽运跃迁、62s1/2(f=3)→62p3/2(f′=3)反抽运跃迁对应的速度群联合共振通道发生频率简并。
10、作为本发明的进一步改进，首次选定目标共振峰前执行初次标定，其具体包括：分别在关闭所述抽运光和开启所述抽运光的条件下扫描所述反抽运光的频率，对应获得单光原子束荧光光谱和双光协同荧光光谱；根据相对于单光原子束荧光光谱的谱峰增强、谱峰窄化特征，结合双光协同荧光光谱中各峰的相对位置关系，识别所述目标共振峰；完成初次标定后保存目标峰对应的工作参数，后续选定目标共振峰时在保存的目标峰工作参数范围内进行局部寻峰和闭环锁定。
11、作为本发明的进一步改进，所述周期性频率调制施加于所述反抽运激光器的驱动电流控制端和/或温度控制端；抽运区采集的荧光信号依次经放大、带通滤波、同步检波和低通滤波处理后得到所述一次微分误差信号，将所述一次微分误差信号输入比例积分微分控制单元，以反馈调节所述反抽运光的频率。
12、作为本发明的进一步改进，产生所述抽运光的抽运激光器输出分为两路：一路输出对应铯原子f=4→f'=4跃迁的抽运光入射至抽运区；另一路输出经声光移频器向高频移频251.1mhz后，作为对应f=4→f'=5跃迁的检测光入射至铯束原子钟的检测区；利用检测区原子束荧光光谱将所述检测光锁定于f=4→f'=5跃迁，同步获得频率稳定于f=4→f'=4跃迁的所述抽运光。
13、本发明还公开了一种用于双光抽运铯束原子钟的反抽运激光稳频系统，包括抽运激光器、反抽运激光器、合束单元、抽运区荧光探测器、一次微分稳频模块以及频率控制模块；
14、所述抽运激光器用于输出抽运光，所述反抽运激光器用于输出反抽运光；
15、所述合束单元用于对所述抽运光与所述反抽运光进行同向合束，使两束光入射至铯原子束的抽运区后在同一空间作用区域内重合，共同作用于具有角发散特性的铯原子束，以形成多个强度增强、线宽窄化的双光协同共振荧光峰；
16、所述抽运区荧光探测器设置于抽运区，用于采集作用区域产生的荧光信号；
17、所述一次微分稳频模块用于对所述反抽运光施加周期性频率调制，并将所述抽运区荧光探测器输出的荧光信号与同频且解调相位可调的参考信号进行同步解调，输出对应选定目标共振峰的一次微分误差信号；
18、所述目标共振峰依据各共振峰对应的联合共振通道及相对频率关系选定；
19、所述频率控制模块用于根据所述一次微分误差信号反馈调节所述反抽运激光器的输出频率，将所述反抽运光的频率锁定于所述目标共振峰；系统运行时以抽运区内产生的双光协同荧光信号为频率基准，不接入独立于所述铯原子束外置的原子气泡光谱装置的输出信号。
20、作为本发明的进一步改进，所述抽运区荧光探测器包括荧光收集光学元件和光电探测器件，所述光电探测器件为光电二极管、雪崩光电二极管或光电倍增管中的任意一种；所述一次微分稳频模块包括调制信号发生单元、放大电路、带通滤波电路、解调相位可调的同步检波电路、低通滤波电路和比例积分微分控制单元。
21、作为本发明的进一步改进，还包括分束单元、声光移频器、检测区原子束荧光谱稳频模块和检测区荧光探测器；所述抽运激光器的输出经所述分束单元分为两路，一路直接输出对应铯原子f=4→f'=4跃迁的抽运光，另一路经所述声光移频器向高频移频251.1mhz后输出对应f=4→f'=5跃迁的检测光；
22、所述检测区原子束荧光谱稳频模块根据检测区荧光探测器的输出，将所述检测光锁定于f=4→f'=5跃迁，同步获得频率稳定于f=4→f'=4跃迁的抽运光。
23、本发明还公开了一种双光抽运铯束原子钟，包括铯炉、铯束管以及上述的反抽运激光稳频系统；
24、所述铯束管内沿铯原子束的传播方向依次设置有抽运区、微波作用区和检测区；
25、所述反抽运激光稳频系统的合束单元输出的同向合束光入射至所述抽运区，所述反抽运激光稳频系统的抽运区荧光探测器对应设置于所述抽运区，用于采集抽运区内产生的双光协同荧光信号。
26、与现有技术相比，本发明的有益效果为：
27、本发明利用双光抽运正常工作过程中抽运区产生的原子束荧光光谱作为反抽运激光的稳频频率基准，无需额外设置专用的原子气泡光谱光路以产生反馈频率参考，有效简化了系统结构，减少了器件数量与调试环节。
28、本发明通过抽运光的原子布居转移补充作用，结合抽运光与反抽运光对同一横向速度群原子的联合多普勒选择作用，共同形成强度增强、线宽窄化的双光协同共振峰；与仅有反抽运光时的原子束宽谱相比，可显著减小原子束角发散造成的多普勒展宽对锁频特征的影响，提升稳频的信噪比与精度。
29、本发明基于多峰谱对应的联合共振通道及相对频率关系识别目标工作峰，可准确对应f=3→f′=3或f=3→f′=4反抽运工作频率，有效避免了仅凭扫描窗口内峰序号识别目标峰造成的识别歧义，提升了目标峰定位的可靠性与环境适应性。
30、本发明的稳频频率参考由铯束钟实际抽运区内的原子束与工作光场直接形成，反抽运光的频率锁定条件与双光抽运的实际工作条件直接对应，不存在独立外置参考装置引入的系统偏差，稳频结果与工作工况的匹配度更高。
31、本发明的一次微分调制、同步解调和反馈执行环节均可采用成熟模拟电路或数字控制方式实现，系统无需限定特定的调制频率、调制深度或伺服器件型号，实现方式灵活，器件选型自由度高，便于工程化落地。