一种基于积分球漫反射原理的铷原子光钟及其实现方法与流程

1.本发明涉及光学频率标准技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明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，本发明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。
7.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。
8.相比于目前的技术方案，本发明专利有着以下的优势：
9.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。
10.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。
11.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。
12.本发明的技术方案是：
13.一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。
14.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。
15.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：
16.1)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。
17.2)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；
18.3)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；
19.4)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；
20.5)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。
21.进一步地，尽管双层真空结构有着更好的保温和隔热效果，但是本发明具体实施时同样对基于积分球漫反射原理的改进型原子气室进行了控保温和磁屏蔽处理，双层的真空结构使得系统的控温更加精确，保温性能更好，更大程度上降低了环境温度变化对于原子气室的影响。
22.具体实施时，本发明提供了一种基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟，包括：第一激光器、隔离器、第一半波片、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、格兰泰勒棱镜、第二半波片、电光相位调制器、第三偏振分光棱镜、基于积分球漫反射原理的改进型原子气室、高速光电探测器、激光鉴相及高速伺服控制电路、电源系统、第二激光器、第四偏振分光棱镜。
23.系统实现基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟总体过程为：
24.第一激光器射出420nm激光信号，经隔离器、第一半波片后被第一偏振分光棱镜分成两束激光信号，一束用于调制转移谱稳频系统，另一束作为420nm钟激光直接输出，用于调制转移谱稳频的激光信号被第二偏振分光棱镜分成两束，一束作为探测光，从进光孔直接射入基于积分球漫反射原理的改进型原子气室与铷原子进行相互作用，之后从出光孔射出，射向高速光电探测器，另一束作为泵浦光，经通过格兰泰勒棱镜和第二半波片后，射入电光相位调制器进行调制，与探测光反相重合后从出光孔射入基于积分球漫反射原理的改进型原子气室，与入射光一起在气室内与原子进行相互作用，与此同时，第二激光器发出一束780nm的激光信号作为冷却光，通过第四偏振分光棱镜后与探测光完全重合，通过进光孔射入基于积分球漫反射原理的改进型原子气室，在气室内进行充分的漫反射形成均匀的冷却光场，原子被冷却光冷却下来。射频信号源产生调制信号驱动电光相位调制器，对泵浦光进行相位调制，同时，产生解调信号与高速光电探测器测得的信号经过电路系统进行滤波和混频处理，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，激光鉴相及高速伺服控制电路通过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。
25.进一步，基于积分球漫反射原理的改进型原子气室为双层玻璃结构，内层与外层之间为真空结构，这样做是为了对原子气室进行更好的保温，使原子气室对于外界环境温度的变化有着更好的抑制效果，进而保证气室内原子温度恒定，提升系统的控温精度。
26.进一步，本发明所提出的基于积分球漫反射原理的改进型原子气室，其内表面所涂的漫反射处理可以是白色水基硫酸钡反射材料，但是不限于此，也可以为其他具有高衍
射效率的漫反射材料，比如在内表面镀银等。
27.进一步，基于积分球漫反射原理的改进型原子气室进光孔和出光孔的位置不限于本专利附图中的角度，本专利仅仅是通过这样的例子进行说明，但需要注意的是，进光孔与出光孔之间需要形成一定的角度，这样做是为了防止激光信号从进光孔射入后，在没有进行充分漫反射的情况下便直接从出光孔射出，避免冷却光不能充分将原子冷却，探测光与泵浦光不能充分与原子进行反应。
28.进一步，在调制转移谱稳频系统中，电光相位调制器在进行相位调制的过程中会存在一定的剩余幅度调制，本发明在电光相位调制器前加入了格兰泰勒棱镜，配合第二半波片调整泵浦光的偏振方向，减小了剩余幅度调制带来的影响。
29.进一步，调制转移谱稳频系统除了上述的光路系统之外，还包括射频信号源，用于产生调制信号对通过电光调制器的泵浦光进行相位调制，同时产生解调信号，用于与高速光电探测器测得的探测信号进行混频，从而得到误差信号。
30.与现有技术相比，本发明的技术创新性是：
31.1、本发明提供了一种基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟及其实现方法，通过将积分球特有的漫反射原理应用于铷原子光钟原子气室的设计中，使得气室内的原子被冷却光冷却下来，有效地抑制了碰撞频移对于系统稳定度的影响，从而近数量级地提升了铷原子光钟的系统稳定度指标。
32.2、本发明通过独特的双层真空原子气室结构，实现了原子冷却的同时，使得铷原子光钟的原子气室有了更好的保温效果，因为真空结构有着较好的隔热特性，所以这样的设计极大提升了系统对于原子气室的控温精度，使得系统对于环境温度的变化有了更好的抑制效果。
33.3、本发明所实现的基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟不仅仅使得现有的铷原子光钟实现了更加精确的控温保温，对于热原子间碰撞带来的频移也有了很大程度上的避免，大幅度提高了铷原子光钟的系统稳定度指标，也为其他小型原子钟的发展提供了新的思路和方向。
附图说明
34.图1为本发明基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟的光路图；
35.其中：1—第一激光器、2—隔离器、3—第一半波片、4—第一偏振分光棱镜、5—第二偏振分光棱镜、6—格兰泰勒棱镜、7—第二半波片、8—电光相位调制器、9—基于积分球漫反射原理的改进型原子气室、10—第四偏振分光棱镜、11—高速光电探测器、12—激光鉴相及高速伺服控制电路、13—电源系统、14—第二激光器、15—第三偏振分光棱镜。
具体实施方式
36.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
37.如图1所示，基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟包括：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、基于积分球漫反射原理的改进型原子气室9、第四偏振分光棱镜10、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、第三偏振分
光棱镜15。
38.第一激光器1射出420nm激光信号，经隔离器2、第一半波片3后被第一偏振分光棱镜4分成两束激光信号，一束用于调制转移谱稳频系统，另一束作为420nm钟激光直接输出，用于调制转移谱稳频的激光信号被第二偏振分光棱镜5分成两束，一束作为探测光，从进光孔直接射入基于积分球漫反射原理的改进型原子气室9与铷原子进行相互作用，之后从出光孔射出，射向高速光电探测器11，另一束作为泵浦光，经通过格兰泰勒棱镜6和第二半波片7后，射入电光相位调制器8进行调制，与探测光反相重合后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与原子进行相互作用，与此同时，第二激光器14发出一束780nm的激光信号作为冷却光，通过第三偏振分光棱镜15与探测光完全重合，通过进光孔射入基于积分球漫反射原理的改进型原子气室9，在气室内进行充分的漫反射形成均匀的冷却光场，原子被冷却光冷却下来。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，产生解调信号与高速光电探测器11测得的信号通过电路系统进行滤波和混频处理，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，激光鉴相及高速伺服控制电路12通过误差信号产生的伺服信号控制第一激光器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，从而实现基于积分球漫反射原理改进型铷原子光钟。
39.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。上述的替换包括不同激光器的替换，原子气室内壁所采用的漫反射材料的替换，包括原子气室内不同碱金属原子的替换，包括原子气室进光孔、出光孔位置、角度的替换，根据不同系统、不同光学频率标准所需的任何位置都是可以的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。