[发明专利]一种基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法

说明书

本发明公开一种基于二次锁腔技术的双波长好坏腔主动光钟及其实现方法。本发明提出了一种基于二次锁腔技术，两次利用双波长好坏腔激光系统中坏腔激光的腔牵引抑制效应，消除剩余腔牵引效应对主动光频标长期稳定度影响的方案，将腔牵引的抑制效应放大到主谐振腔坏腔系数的平方倍，通过伺服反馈系统两次锁定主谐振腔腔长，达到双波长好坏腔系统中主动光频标对腔模抖动免疫的效果。

技术领域

本发明属于原子钟与频率标准技术领域，具体涉及一种基于二次锁腔技术的双波长主动光钟及其实现方法。

背景技术

精密时间频率标准，即原子钟，在精密测量、信息网络时间同步、国际标准时间的协调、全球导航定位系统等领域有着重要应用，因此在计量领域，原子钟一直是重点研究方向之一。尤其是近十年来，光学频率计量领域发展迅速，目前光频原子钟的性能已经超越了微波原子钟，采用光晶格和单离子陷俘技术所实现的光频原子钟(光钟)的稳定度和准确度已达到了10^-18量级，比目前用来定义秒的铯原子喷泉钟具有更低的不确定度，有取代微波原子钟对秒进行重新定义的可能。尤其是光梳和光纤的发展极大的促进了光学频率标准(光频标)的应用，可以精确地将光频的精度传递到微波波段，从而实现记录和显示。

虽然现有的光频原子钟已经取得了很大的进展，但都是基于被动式的工作原理，将本振激光的频率通过电子伺服环路锁定在原子参考频率上。被动光钟里用到的Pound-Drever-Hall(PDH)稳频系统结构复杂，其中高精细度法布里珀罗谐振腔腔长抖动导致的频率漂移(频漂)很难进一步抑制，锁频激光系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声，而为了抑制这种频漂，有些超腔需工作在极低温的环境中，将光频标线宽压窄至毫赫兹量级仍面临着巨大挑战。

为了突破传统被动光频标的限制，北京大学于2005年首次提出了主动光频标的新概念和原理：一种通过光学谐振腔的弱反馈在原子跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射的新型光频标，可实现超窄线宽光频标，突破传统光频原子钟在超稳谐振腔方面的限制。由于利用量子参考系统受激辐射直接输出钟跃迁信号，而不再需要被动的将激光频率锁定到量子参考上，输出激光具有对腔长噪声的免疫特性，频率稳定性由原子自身决定，且线宽可远小于传统激光器输出激光线宽而达到毫赫兹量级，同时可以大大降低腔牵引效应的影响，减少外界环境对输出激光稳定性的影响，从而突破传统光钟的技术瓶颈。高性能的主动光频标既可以作为独立的激光频率标准，也可以由光梳或法布里珀罗腔传递，为其它精密测量提供不同频段的窄线宽激光光源，从而推动光频精密测量领域的发展。

目前采用热原子实现的四能级主动光钟已证实了可以有效的抑制腔牵引效应，进而减小腔长热噪声对输出激光频率的影响，但是由于没有锁定主动光钟谐振腔(主谐振腔)腔长，腔长受外界噪声影响大，输出的坏腔激光仍然受限于剩余腔牵引效应的影响，使输出激光线宽不能进一步压窄，不能作为光学频率标准使用，没有充分发挥主动光钟的优势。

发明内容