[发明专利]一种光频原子钟

说明书

本发明涉及原子钟技术领域，公开了一种光频原子钟，即当光频原子钟采用基于微腔光梳技术来产生所需光学频率梳信号时，可通过锁相环将两束经稳频的激光分别与在所述光学频率梳信号的频谱上最近的一根梳齿频率进行锁定，从而实现重复频率与两激光频差的直接锁定，而无需像典型光频原子钟系统那样需先通过对梳齿频率进行倍频处理来自参考锁定初始频率，由此在微波频率输出过程中，只要求重复频率处于普通光电探测器的工作带宽内且使光学频率梳信号的光谱宽度覆盖两束稳频激光即可，而不需要光谱宽度达到一个倍频程，极大地降低了光钟系统对于光梳谱宽的要求，从而使得微腔光梳能够应用于光钟系统，利于对光频原子钟进行小型化甚至芯片化设计。

技术领域

本发明属于原子钟技术领域，具体地涉及一种光频原子钟。

背景技术

原子跃迁频率理论上只与原子能级有关，并且不会随着时间而改变，原子钟通过将线宽极窄和稳定度极高的原子跃迁频率的稳定度映射到微波频段，从而建立起基于原子能级的时间频率标准。原子钟频率稳定度的理论表达式可如下所示：

式中，σ_y(t)表示原子钟频率稳定度，χ表示原子钟跃迁谱线线型的常数，υ表示原子钟跃迁频率，Δυ表示原子钟跃迁谱线线宽，S_N表示探测信号信噪比，t_C表示测量周期，τ表示测量时间。由上式可知，原子钟相对稳定度与钟跃迁频率(即原子钟跃迁频率υ)成反比，传统的微波原子钟的钟跃迁频率都在微波频段，如铯原子钟跃迁频率为9.192631770GHz，铷原子钟跃迁频率为6.834684211GHz。随着科学技术领域的发展，传统的原子钟性能逐渐难以满足需求，因此钟跃迁频率在光学频段的光频原子钟成为了进一步提高原子钟频标性能的重要技术路径。光频原子钟的跃迁频率比传统微波原子钟的跃迁频率高出4个数量级，此外光频钟跃迁能级差比传统微波钟跃迁能级差更大，因此相对于传统微波原子钟而言，光频原子钟的稳定度得到了大幅的提升，迄今为止性能最好的原子光频钟的频率稳定度已经达到了10^-18量级。

但是光频原子钟需要完成对光频钟跃迁的测量，并且将其稳定度传递到微波频段，现有被广泛采用的成熟方案是利用锁模激光器产生的飞秒光学频率梳来完成光频钟跃迁与输出微波钟信号之间的相干链接。

光学频率梳本质上是一种脉冲激光信号，它在频域上表现为一组频率间隔相等且相位锁定的激光谱线的合集，如图1所示，脉冲的重复频率f_rep即为各频率梳齿间的频率间隔。在色散介质中，脉冲群速度与相速度的差异导致了载波-包络相位差Δφ，从而造成了光学频率梳存在一个整体初始偏置频率f_ceo＝f_repΔφ/2π，因此光学频率梳的每一根频率梳齿的频率都可以用初始频率f_ceo和重复频率f_rep表示出来：f_k＝f_ceo+kf_rep，其中,初始频率f_ceo和重复频率f_rep都处在射频频段，而k可以达到10⁶量级，这就使得光学频率梳就像一把以重复频率为刻度的频率尺，而其频率量程高达百THz(光学频段)。

典型的光频原子钟系统构成如图2所示，其是通过传统锁模激光器产生的飞秒光学频率梳来实现钟频光频率到微波频率间相干链接的，系统工作原理为：通过第三光电探测器PD3实现对光学频率梳信号的重复频率f_rep的数值探测；通过将第k₁个光梳梳齿频率倍频后与第2k₁个光梳梳齿频率进行拍频得到光梳初始频率然后通过第一个锁相环PLL1控制锁模激光器的泵浦功率，使光梳初始频率f_ceo锁定到重复频率f_rep上，得到通过第二个锁相环PLL2控制锁模激光器的腔长使光梳第k₂个光梳梳齿频率锁定到光频钟跃迁频率f_r上，得到：