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1、(10)申请公布号 CN 103885324 A (43)申请公布日 2014.06.25 CN 103885324 A (21)申请号 201410074671.2 (22)申请日 2014.03.03 G04F 5/14(2006.01) H03L 7/26(2006.01) (71)申请人 北京大学 地址 100871 北京市海淀区颐和园路 5 号北 京大学 (72)发明人 陈景标 庄伟 (74)专利代理机构 北京君尚知识产权代理事务 所 ( 普通合伙 ) 11200 代理人 陈美章 (54) 发明名称 一种基于全光稳频的光钟及其制作方法 (57) 摘要 本发明公开了一种基于全光稳频的光。
2、钟及其 制备方法。 本发明的光钟包括一激光器， 其特征在 于所述激光器内部设有一量子滤光元件， 用于经 由所述量子滤光元件选频出的光频段的激光反馈 回激光增益介质中 ； 所述量子滤光元件的通带中 心频率决定于所述量子滤光元件所用的原子、 分 子、 或离子能级间跃迁频率 ； 所述量子滤光元件 的通带带宽至少为所述激光器的腔模距离 2 倍 ； 所述激光器的增益带宽覆盖所述量子滤光元件的 通带带宽对应的频率。本发明的光钟克服了各种 传统滤光器不能提供精确量子频率标准的缺点， 工作稳定， 具有重要的应用价值。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 (19)中华人民共。
3、和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103885324 A CN 103885324 A 1/1 页 2 1. 一种基于全光稳频的光钟， 包括一激光器， 其特征在于所述激光器内部设有一量子 滤光元件， 用于经由所述量子滤光元件选频出的光频段的激光反馈回激光增益介质中 ； 所 述量子滤光元件的通带中心频率决定于所述量子滤光元件所用的原子、 分子、 或离子能级 间跃迁频率 ； 所述量子滤光元件的通带带宽至少为所述激光器的腔模距离 2 倍 ； 所述激光 器的增益带宽覆盖所述量子滤光元件的通带带宽对应的频率。 2. 如权利要求 1 。
4、所述的光钟， 其特征在于所述量子滤光元件的通带带宽小于 50MHz。 3. 如权利要求 2 所述的光钟， 其特征在于所述量子滤光元件的通带带宽小于 10MHz。 4. 如权利要求 1 或 2 或 3 所述的光钟， 其特征在于所述量子滤光元件的原子置于一 外加磁场中， 其磁场大小为使得该原子跃迁上下能级的塞曼效应展宽与滤光元件所用的原 子、 分子、 或离子能级间跃迁谱线宽度相当， 在光路上该原子两端设有偏振方向正交的一对 格兰泰勒棱镜。 5. 如权利要求 1 所述的光钟， 其特征在于所述量子滤光元件为非线性饱和法拉第反常 色散滤光器、 或低温低磁场增益型原子滤光器、 或基于窄线宽原子跃迁谱的原子。
5、滤光器。 6. 如权利要求 1 所述的光钟， 其特征在于所述激光器为气体激光器、 半导体激光器或 固体激光器。 7. 一种基于全光稳频的光钟的制作方法， 其步骤为 ： 1） 选取量子滤光元件所用光源并调整所述量子滤光元件， 使其通带中心频率为所用的 原子、 分子、 或离子能级间跃迁频率 ； 2） 根据所述量子滤光元件的通带频率和带宽， 选取或制备一激光器 ； 其中， 所述激光器 的增益带宽覆盖所述量子滤光元件的通带带宽， 且所述量子滤光元件的通带带宽至少为所 述激光器的腔模距离 2 倍 ； 3） 将所述量子滤光元件置于所述激光器的谐振腔光路内， 经由所述量子滤光元件选频 出的光频段的激光反馈回。
6、所述激光器的激光增益介质中 ； 4） 均匀快速调制扫描腔长， 将激光频率平均值作为光波段的量子频率标准， 与光梳结 合， 用作光钟。 8. 如权利要求 7 所述的方法， 其特征在于所述量子滤光元件的通带带宽小于 50MHz。 9. 如权利要求 7 或 8 所述的方法， 其特征在于将所述量子滤光元件所用的原子置于一 外加磁场中， 调整磁场大小使得该原子跃迁上下能级的塞曼效应展宽与量子滤光元件所用 的原子谱线宽度相当， 并沿谐振腔光路在该原子两端放上正交偏振的格兰泰勒棱镜对。 10. 如权利要求 7 所述的方法， 其特征在于所述量子滤光元件为非线性饱和法拉第反 常色散滤光器、 或低温低磁场增益型原。
7、子滤光器、 或基于窄线宽原子跃迁谱的原子滤光器 ； 所述激光器为气体激光器、 半导体激光器或固体激光器。 权 利 要 求 书 CN 103885324 A 2 1/3 页 3 一种基于全光稳频的光钟及其制作方法 技术领域 0001 本发明属于原子钟与量子频率标准技术领域， 涉及一种无任何电反馈的全光稳频 的光钟及其制作方法。 技术背景 0002 目前的光频标， 都是利用原子、 分子或离子等量子跃迁能级间对本振激光的吸收 谱信号， 通过光电探测器收集到的误差电信号， 经由电子线路反馈到本振激光器的频率控 制单元， 如激光驱动电流源、 激光腔长控制压电陶瓷的电压等电路技术实现的。 这些光频标 的频。
8、率技术中都少不了电反馈技术。 0003 此外， 尽管在外腔反馈激光技术中利用了光的反馈， 但这样的激光器其输出频率 没有一个绝对的基于原子、 分子或离子 （此后文中简称原子） 的量子参考标准， 其输出频率 值是随宏观物理量如腔长、 温度等在波动变化的， 因此不能作为频率标准使用， 即不是原子 钟。 0004 总之， 从已有文献资料上从来没有关于本发明这种不用任何电反馈的全光稳频锁 定的光钟 （即光波段的量子频率标准） 的报道。 发明内容 0005 本发明在完全不涉及电反馈的条件下， 提供一种全光稳频锁定的光钟及其制作方 法。 本发明通过在激光器内部置入一个中心频率决定于量子滤光元件所选的原子、。
9、 分子、 或 离子能级间跃迁频率的量子滤光元件， 此量子滤光元件将经由原子能级间跃迁频率选频出 的 50 兆赫兹带宽甚至更窄的光频段的激光反馈回激光增益介质中， 实现全光反馈直接稳 频， 省去了各种电反馈带来的误差和不稳定因素。再结合光梳的频率传递后实现光钟。 0006 为实现上述目的， 本发明采用如下技术方案 ： 0007 一种全光稳频锁定的光钟， 其包括 ： 0008 一带宽在 50 兆赫兹甚至更窄的量子滤光元件， 其通带与原子跃迁能级之间量子 跃迁完全对上。 0009 一内置于激光器内部的带宽在 50 兆赫兹以下的量子滤光元件 ； 0010 上述激光器的增益带宽能够与量子滤光元件的量子跃。
10、迁重合 （即与量子滤光元件 的通带重合） ； 0011 上述激光器的腔模间距， 及其自由谱范围很小， 小到确保量子滤光元件通带内有 二个以上腔模。 0012 上述激光器带有其自已的电流、 温度、 压电扫描控制电路， 用于监测等。 0013 上述稳频激光与倍频程光梳通过传统f2f技术和光频锁相技术相互锁定， 构成 光钟。 0014 本发明还提供了一种全光稳频锁定的光钟的制作方法， 包括 ： 0015 1） 选用具有跃迁线宽 50 兆赫兹甚至更窄原子置于外加磁场中， 磁场大小使得其 说 明 书 CN 103885324 A 3 2/3 页 4 跃迁上下能级的塞曼效应展宽刚好与量子滤光元件所选原子的。
11、谱线宽度相当。 当光束经过 原子与原子相互作用时是在一条线上， 并在这条直线上的原子两端放上正交偏振的格兰泰 勒棱镜对， 正交偏振是指两棱镜的偏振方向正交， 并分别放置到原子的两侧， 这样构建一带 宽在几十兆赫兹甚至更窄的量子滤光元件， 此滤光元件的通带与量子跃迁谱完全对上， 调 节磁场和原子密度使得滤光元件透射最大化 ； 0016 2） 在一激光器内部， 放置一个上述通带带宽在 50 兆赫兹以下的量子滤光元件 ； 所 述激光是指本领域技术人员根据公知技术一定能够找到或制备出满足此条件的激光器， 包 括气体激光、 固体激光、 半导体激光、 光纤激光， 对所述激光要求的基本条件是上述激光器 的增。
12、益带宽能够覆盖住量子滤光元件的通带， 也就是保证量子滤光元件的通带在上述激光 器的增益带宽之内 ； 0017 3） 利用增加激光腔长等办法， 使激光腔模间距减小， 即其自由谱范围很小， 具体小 到确保量子滤光元件通带之内包含有有 2 个或 2 个以上腔模， 这样在理论和实验上来保证 通过激光模式之间的竞争使得任何事后都至少有一个激光模式输出。 否则可能会没有激光 输出， 激光无法连续工作。 0018 4） 当激光器的一个腔模得到量子跃迁谱对应的窄带反馈后输出中心频率决定于 量子跃迁线的稳频锁定的激光。由于环境条件变化会引起较长时间标度上的腔模漂移， 此 时锁定后的激光中心波长变化仍然在长时间标。
13、度上受限于量子滤光元件的通带中心附件 的两个腔模间频率间距， 快速1kHz左右的均匀快速调制扫描腔长， 每秒近1000个周期平均 后的输出激光频率值可以有效消除外界较长时间标度上的腔模漂移影响， 这样得到输出激 光每秒平均值完全决定于量子滤光元件的通带中心即原子跃迁频率的激光输出值， 作为光 波段的量子频率标准， 与光梳结合， 即将稳频激光与倍频程光梳通过传统 f 2f 技术和光 频锁相技术相互锁定， 用作光钟。 0019 与现有技术相比， 本发明的积极效果为 ： 0020 本发明利用了一个通带带宽在 50 兆赫兹以下的量子滤光元件， 此量子滤光元件 有两个功能 ： 第一个功能是极大地限制了光。
14、反馈的线宽， 具体必须小到几十兆赫兹以下 ； 第二个功能是其量子跃迁谱线提供了绝对值稳定的基于原子、 分子、 离子能级跃迁的一个 量子频率标准参考。 本发明这种特色克服各种传统滤光器不能提供精确量子频率标准的缺 点， 因此工作稳定， 具有重要的应用价值。 附图说明 0021 图 1， 本发明一种全光稳频锁定的光钟的实施例结构示意图。 0022 图 2， 激光增益介质的增益带宽， 滤光元件带宽与激光腔自由谱范围与腔模宽度示 意图。 具体实施方式 0023 下面通过实施例并结合附图， 对本发明作进一步说明。 0024 图 1 本发明一种全光稳频锁定的光钟的实施例结构示意图。该全光稳频锁定的光 频量。
15、子频率标准包括 ： 激光腔镜 1、 2， 激光增益介质 3， 量子滤光元件 4。对应图 2 中激光腔 的腔模距离， 即自由谱范围11， 量子滤光元件带宽41， 激光增益带宽31。 激光腔镜1、 2具有 说 明 书 CN 103885324 A 4 3/3 页 5 激光反馈功能， 分别置于两端侧 ； 激光增益介质 3 起到增益作用， 量子滤光元件 4 的功能包 括超窄带 50 兆赫兹以下的滤光和量子频率标准参考。 0025 如图 2， 当滤光增益带宽 31 能够与量子滤光元件的带宽 41 重合时， 利用通带带宽 只有 50 兆赫兹甚至更小的量子滤光元件， 其带宽 41 内至少有两个或两个以上激光。
16、谐振腔 的腔模， 为了满足这一特殊要求， 激光的腔长可能需要很长。如， 选用铷原子 780nm 的谱线， 采用传统极化偏振激光谱类似的光路结构利用一部分分光来泵浦原子得到饱和滤光可以 得到中心频率与原子跃迁完全对应的 10MHz 带宽滤光元件， 那么， 对应的激光腔长必需大 于 30 米， 当滤光宽带小于 1MHz 时， 激光谐振腔的腔长必需大于 300 米， 使得滤光元件通带 内有至少两个腔模。 为了系统的稳定和小型化， 利用光纤作为谐振腔， 由于较长光纤方便且 利用损耗小， 考虑折射率后用3000米长光纤可以与100kHz带宽滤光元件匹配， 实现高精度 激光频率标准， 再与倍频程光梳通过传。
17、统 f 2f 技术和光频锁相技术相互锁定， 与光梳结 合， 然后用作光钟。 0026 必须注意， 上述的量子滤光元件与传统的法拉第反常色散滤光器是不同的。 第一， 传统的法拉第反常色散滤光器中心通带太宽， 达到几百兆赫兹以上， 其中心并不在原子跃 迁线中心， 因此不能作为量子频率参考标准 ； 第二， 即使线宽较窄达到几百兆赫兹中心频率 对着原子跃迁的激光态法拉第反常色散滤光器也因为其泵浦激光会引起巨大的光频移而 不能作为量子频率参考校准。 因此， 本发明的特色是， 对其中所利用的量子滤光元件有严格 的要求 ： 一是其通常带宽很窄， 50 兆赫兹带宽或更窄 ； 二是其中心频率处是原子、 分子或离。
18、 子的确定跃迁谱线 ； 三是其中心频率落在激光增益范围之内 ； 四是其通带中心频率不受外 界严重的频移影响， 如多普勒频移和光频移等。上述严格条件是来确保输出的激光中心频 率通过全光反馈稳频锁定在原子、 分子或是离子某一跃迁谱线上， 而不像一般的激光器的 中心频率会外界宏观物理量的变化随机漂移。 因此， 非常明确， 本发明中所述所利用的量子 滤光元件的上述主要特征决定了量子滤光元件可以是非线性饱和法拉第反常色散滤光器、 低温低磁场增益型原子滤光器、 基于窄线宽原子跃迁谱的原子滤光器等满足上述要求的特 殊滤光器。 0027 本发明的特色还包括， 激光腔的模间距， 即自由谱范围必需小到确保量子滤光元 件窄带宽之内至少有两个腔模， 即腔长可能变得好几百米长， 甚至更长。 0028 上述实施例仅是为了说明本发明的工作原理， 而非用于限制本发明的范围。具体 地， 本发明适用于铷原子、 铯原子等碱金属原子等对应的基态与第一、 第二激发态之间的跃 迁能级来实现光频标， 也适用于碱土金属钙、 锶等原子来实现。 本领域普通技术人员应当理 解， 对本发明技术方案进行修改或同等替换， 并不能使修改后的技术方案脱离本发明技术 方案的精神与范围。 说 明 书 CN 103885324 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103885324 A 6 。