[发明专利]不同波长间调制转移探测的小型钙原子束光钟及制备方法

说明书

本发明公布了一种基于不同波长间调制转移探测的钙原子束光钟及制备方法，提出应用于热原子束的不同波长之间调制转移探测方法，在结合热原子束能级转移探测方案的基础上，对钟激光进行相位调制，并由不同波长的探测激光探测调制转移信号，得到直接用于频率锁定的高信噪比、无多普勒背景的色散型钟跃迁调制转移谱信号，从而实现高稳定度的小型钙原子束光钟。本发明能够突破传统热原子光频原子钟钟跃迁谱线信噪比低、多普勒背景严重的瓶颈问题，充分发挥调制转移谱稳频技术高信噪比的优势，相比于现有的小型钙原子束光钟，本发明具有更高的频率稳定度。

技术领域

本发明属于光频原子钟及光频量子频率标准技术领域，涉及钙原子束光钟技术，尤其涉及一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟及其制备方法。

背景技术

随着光频原子钟的发展，其稳定度和不确定度指标已经全面超越了微波原子钟，基于光频原子钟的秒定义也逐渐被提上议程。因此，从应用角度看，光频原子钟的小型化是目前光频原子钟领域研究发展的重要趋势，小型钙原子束光钟因具有体积小、可搬运、信噪比高、系统复杂程度低等优点，拥有巨大的研究、应用和市场前景。

为了实现高稳定度的小型钙原子束光钟，在保证钟跃迁谱线线宽的基础上，需要进一步地提高小型钙原子束光钟的信噪比。目前国际上实现小型钙原子束光钟的普遍方案，是采用我们首次提出的运用于热原子束的能级转移探测技术[提高小型原子束光频原子钟性能的方法及设备,专利号：ZL20051010130745.0]，基于拉比(Rabi)或拉姆塞(Ramsey)的探测方式，得到钟跃迁谱线信号。但通常这样的小型钙原子束光钟，基态钙原子的有效利用率还是有待提高，并且钟跃迁谱线存在信噪比相对较低、较大的多普勒背景、钟环路的调制频率和带宽较低等问题，且采用锁定精度不高的饱和吸收谱稳频技术，这都不利于小型化钙原子束光钟稳定度指标的提高。

发明内容

为了解决上述实现小型钙原子束光钟钟跃迁谱线多普勒背景严重、信噪比差、钟环路的调制频率和带宽较低等问题，本发明提出钙原子不同波长之间的调制转移探测方法，从而进一步提升钟环路的调制频率和带宽、提高钟跃迁谱线信号信噪比，以实现高稳定度的小型钙原子束光钟。

本发明创新性地将消多普勒背景的调制转移谱首次直接运用到小型钙原子束光钟中，结合热原子束的能级转移探测方案，对657nm钟跃迁激光进行高频相位调制，高频相位调制的调制频率设置在谱线线宽的0.7倍左右，通过原子将调制信息从657nm钟激光转移到423nm或者431nm探测激光上，提升钟环路的调制频率和带宽、获得高信噪比消多普勒的色散型误差信号，直接用于伺服反馈钟跃迁激光频率，以极大提高光钟的信噪比和稳定度，从而实现一种全新的基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟及其制备方法。

对于传统的基于热原子束能级转移探测方案的小型钙原子束光钟，因钟跃迁几率相对较低，大部分基态原子并没有贡献于钟跃钱谱线而是形成较大的多普勒背景，这样不仅限制了钟跃迁谱线的信噪比还影响了钟激光频率的锁定。本发明首次创新性地将调制转移谱技术应用到热原子束不同跃迁能级之间，利用调制转移谱调制频率和带宽高、高信噪比、无多普勒背景的优势，将钟激光的调制信息转移到跃迁几率更高的其他能级进行探测，提升钟环路的调制频率和带宽，以大大提高钟跃迁谱线信号的信噪比。

本发明的一个目的在于提供一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟。

本发明的一种基于不同波长之间调制转移探测的小型钙原子束光钟包括：窄线宽钟激光系统，声光调制器，钙原子束管真空系统，蓝光探测系统，光电信号探测系统，综合电路系统，相位调制器。

窄线宽钟激光系统用于输出窄线宽钟激光，依次连接声光调制器和相位调制器；

声光调制器用于对窄线宽钟激光进行移频，使钟激光频率对应钙原子¹S₀-³P₁跃迁；