[发明专利]灯泵铷气体激光抽运铷泡输出标准频率的方法及铷原子钟

说明书

技术领域

本发明涉及原子钟与频率标准技术，具体涉及一种灯泵铷气体激光抽运铷泡输出标准频率的方法及铷原子钟，属于激光技术领域。

背景技术

经过半个世纪的发展，国际上气泡型铷原子钟利用铷原子谱灯进行光抽运和光检测的铷原子钟已经达到了性能极限。为了突破铷原子钟已经达到的性能极限，克服铷原子谱灯光抽运铷原子钟时的低信噪比、低抽运效率以及抽运谱灯的光强和光谱线型随时间变化带来的原子钟频率稳定度的恶化，现有技术通过采用半导体激光代替铷谱灯进行光抽运和光检测。

由于利用激光抽运和检测的铷原子钟所利用的半导体激光器工作在铷原子794.8纳米(D₁)或780纳米(D₂)谱线上，增益带宽达到了数个纳米(nm)的宽度。为了使半导体激光器在铷原子钟系统上得到应用，必须通过稳频技术调节半导体激光器的输出波长，使半导体激光器能够与铷原子的794.8纳米(D₁)或780纳米(D₂)谱中的一条跃迁线共振并使半导体激光器锁定在该谱线上，例如：锁定在铷87原子的基态5s ²S_1/2F＝1能级到激发态5p ²P_3/2F＝2能级跃迁频率上。进一步地，即使半导体激光器锁定在铷谱线上，半导体激光器仍然会由于振动、温度变化等原因失锁并且其工作频率漂移以致离开铷原子谱线，最终导致没有人工的再次干预检查就无法自动重新将半导体激光器锁定在所需的铷谱线上，这对于半导体激光抽运铷原子钟作自主应用时是个无法克服的限制。半导体激光器的上述缺陷给半导体激光抽运铷原子钟带来极大的系统长期工作稳定性的隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灯泵铷气体激光抽运铷泡输出标准频率的方法及铷原子钟，提高抽运铷原子钟的信噪比、抽运效率，并克服频率稳定度漂移等缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种灯泵铷气体激光抽运铷泡输出标准频率的方法，包括：

将铷气体无极灯滤光后作为泵浦光源对原子汽室中的铷气体原子进行泵浦实现布局数反转后在激光谐振腔作用下形成灯泵铷气体激光；

利用所述灯泵铷气体激光对设置在微波腔内的铷泡进行激光抽运，并利用所述灯泵铷气体激光检测抽运后的所述铷原子在所述微波腔中与微波场相互作用发生跃迁的跃迁几率，根据测量到的跃迁几率锁定馈入所述微波腔的微波频率，使所述微波腔内的微波频率锁定在原子的钟跃迁频率上，从而提供标准频率输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种铷原子钟，包括：

依次设置的铷气体无极灯、滤光装置、聚焦透镜，用于产生在第一激发态到基态之间跃迁谱线的泵浦光源；

带压电陶瓷的激光谐振腔，所述激光谐振腔的一端靠近所述聚焦透镜设置有激光高反泵浦光投射镜，所述激光谐振腔的另一端靠近压电陶瓷设置有耦合透镜；

设置于所述激光谐振腔内的原子汽室，所述原子汽室内充有与所述铷气体无极灯内的铷蒸汽气体，并混合有用于与所述原子汽室内的铷气体原子碰撞的其他气体原子和/或气体分子，形成灯泵铷气体激光；

设置于微波腔体内的带有直流磁场和磁屏蔽的充有缓冲气体的铷泡，利用所述灯泵铷气体激光对所述铷泡进行抽运，并利用所述灯泵铷气体激光检测抽运后的铷原子在所述微波腔中与微波场相互作用发生跃迁的跃迁几率，根据测量到的跃迁几率锁定馈入所述微波腔的微波频率，使所述馈入微波腔内的微波频率锁定在原子的钟跃迁频率上，并提供标准频率输出。

上述本发明提供的灯泵铷气体激光抽运铷泡输出标准频率的方法及铷原子钟，与已有的利用半导体激光抽运的气泡型铷原子钟相比，本发明通过利用灯泵铷气体激光在铷的跃迁谱线展宽谱上，容易锁定在所需的输出频率上；由于灯泵铷气体激光的频率在失锁的状态下仍然是工作在铷跃迁谱线展宽谱上，因此即使灯泵铷气体激光的频率发生失锁，也可以快速地将灯泵铷气体激光锁定在所需的输出频率上；此外，由于铷气体无极灯有着预期二十年的寿命，进一步保证了本发明所述的用灯泵铷气体激光抽运的铷原子钟的长寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有铷原子能级的结构示意；

图2为本发明灯泵铷气体激光抽运铷泡输出标准频率的方法实施例的流程示意图；