一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置及方法制造方法及图纸

一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置,在DBR激光器激光出射方向设置有二分之一玻片及偏振分束镜，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向依次进入声光调制器、四分之一玻片、零度全反射镜再原路返回偏振分束镜，然后入射到第一45度全反射镜，第一45度全反射镜光出射方向依次设置有第一高消光比偏振片、物理系统、第二高消光比偏振片、第二45度全反射镜、第三45度全反射镜、无偏振分束镜，第一束偏振光和第二束偏振光在无偏振分束镜分别分束合并之后输入到平衡差拍探测器，然后将探测器的信号输入到数据采集卡；本探测方法、大幅度提高POP原子钟信号的信噪比、增强信号抵抗电流噪声能力，可推广应用到原子钟探测领域。

Device and method for detecting POP rubidium atomic clock by balanced beat detection

A balanced beat detector for detecting POP rubidium atomic clocks is provided with a half-glass plate and a polarization beam splitter in the direction of laser emission of a DBR laser. The first beam of linearly polarized light is reflected to a non-polarized beam splitter, and the second beam of linearly polarized light is sequentially entered along the original direction into an acoustooptic modulator, a quarter-glass plate, and a zero-degree full mirror and returned to the original path. The polarization beam splitter is then incident on the first 45 degree full reflector. The first 45 degree full reflector is provided with the first high extinction ratio polarizer, the physical system, the second high extinction ratio polarizer, the second 45 degree full reflector, the third 45 degree full reflector, the unpolarized beam splitter, the first polarized beam and the second polarized beam in turn. After beam splitting and merging, the polarization-free beam splitter is input to the balanced beat detector, and then the signal of the detector is input to the data acquisition card.

【技术实现步骤摘要】
一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置及方法
本专利技术属于原子钟
，具体涉及到一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置及方法。
技术介绍
体积小、功耗低和性能高的原子钟的发展对基础科学研究和工业生产有着重要的积极意义，特别是在高分辨率的卫星导航上，相较于晶体振荡器，原子钟有着长期稳定度更好的优势。POP铷原子钟兼备体积小、功耗低和性能高三大优点，近年被广泛研究。其基本原理是利用激光和微波与原子三能级系统相互作用，产生基态能级布局数差以及基态的相干，当微波频率恰好等于基态能级间距时，布局数差以及基态的相干最大，产生检测信号的峰值。利用这个特点将微波频率锁定，从而产生高稳定度的标准频率信号输出。检测信号的大小以及噪声水平与稳定度密切相关，不同的探测方法产生不同的检测信号。目前主流的检测方法有两种，微波探测和吸收法光探测。微波探测利用的是原子自发辐射的微波信号，虽然这种方法对激光的噪声不敏感，但是由于探测的微波频率低，其信号太弱，造成其短期稳定度很难突破10^(-13)(@1s)。吸收法光探测由于其信号强以及对微波腔Q值要求低的特点被大量使用。但同时不足40％的Ramsey条纹对比度成了其短期稳定度提高的一个主要限制因素。偏振探测法利用原子双折射导致左右旋光经过原子时产生相位差的原理，能够使Ramsey条纹对比度接近100％，可以很好的克服吸收法光探测条纹对比度低的缺点，另外，在大失谐探测光的情况下，这种方法仍然可以得到超过80％对比度的Ramsey条纹，可以作为其中一种弱探测的方法，应用前景好，目前不少单位正在开展相关研究。但其信号相对较弱的缺点导致其很容易受激光产生的AM和FM-AM噪声的影响，进而影响原子钟稳定度。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服偏振探测法信号弱导致其容易受激光产生的AM和FM-AM噪声的影响，进而影响原子钟稳定度的问题,提供一种设计合理、有效抑制AM和FM-AM噪声、大幅度提高POP原子钟信号的信噪比、增强信号抵抗微波腔加热产生电流噪声以及其他电路噪声能力的平衡差拍探测POP铷原子钟的装置及方法。解决上述技术问题采用的技术方案是：在DBR激光器激光出射方向设置有二分之一玻片及偏振分束镜，激光经过偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向依次进入声光调制器、四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜反射后原路返回偏振分束镜，第二束线偏振光经过偏振分束镜后的光出射方向设置有第一45度全反射镜，第一45度全反射镜光出射方向依次设置有第一高消光比偏振片、物理系统、第二高消光比偏振片，第二高消光比偏振片光出射方向依次设置第二45度全反射镜、第三45度全反射镜，第三45度全反射镜的出射光进入无偏振分束镜，第一束偏振光和第二束偏振光在无偏振分束镜分别分束合并之后输入到平衡差拍探测器，平衡差拍探测器信号输出至数据采集卡。本专利技术的物理系统为：微波腔内设置有原子气泡，微波腔外壁缠绕有磁场线圈，微波腔设置于磁屏蔽筒内。利用上述的平衡差拍探测POP铷原子钟的装置探测铷原子钟的方法，包括以下步骤：S1、对DBR激光器和铷原子气泡加热并控温。S2、将DBR激光器系统频率锁定在87Rb的D1线的基态F＝1到激发态F＝2上，磁场线圈通电。S3、偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向进入声光调制器，声光调制器出射的-1级光进入四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜发射后沿原路返回偏振分束镜，经偏振分束镜出射的第二束线偏振光经过第一45度全反射镜和第一高消光比偏振片进入物理系统。S4、打开微波源，向物理系统输入微波，微波和第二束线偏振光与铷原子相互作用，物理系统出射的第二束线偏振光依次进入第二高消光比偏振片、第二45度全反射镜、第三45度全反射镜、无偏振分束镜，第一束线偏振光和第一束线偏振光在无偏振分束镜分别分束合并后输入平衡差拍探测器，然后将探测器的输出信号输入到数据采集卡。本专利技术的步骤S3中调节二分之一玻片的角度使第一束线偏振光光强是第二束线偏振光光强的15～20倍。本专利技术的步骤S3中调节第一高消光比偏振片角度使第二线偏振光经过物理系统后未打开微波源之前出射强度为0。利用上述的一种平衡差拍探测POP铷原子钟的方法，包括以下步骤：S1、对DBR激光器和铷原子气泡加热并控温，其中DBR激光器控温在25℃、铷原子气泡控温在65℃，DBR激光器发射波长为795nm的线偏振光。S2、将DBR激光器系统频率锁定在87Rb的D1线的基态F＝1到激发态F＝2上，磁场线圈通直流电1mA，使原子气泡范围内的磁场为轴向的20mG。S3、用光功率计测量偏振分束镜出射的两束激光光强，调节二分之一玻片，使第一束线偏振光光强是第二束线偏振光光强的20倍，调节第一高消光比偏振片和第二高消光比偏振片的角度，使透过一高消光比偏振片的激光光强不减弱，以及第二高消光比偏振片后的光强为0。S4、打开微波源，向物理系统输入微波，微波和第二束线偏振光与铷原子相互作用，其中，微波源和声光调制器受统一时序信号控制，调节声光调制器的功率使抽运阶段的激光出射光强达到40mw，探测阶段的光强为0.8mw，微波以频率6.834685765GHz为中心，每周期1Hz的步长扫描，扫描范围5KHz，功率-28dBm。本专利技术相比于现有技术具有以下优点：现有的实验装置虽然简单，但都存在一些缺点：目前主要的检测方法有两种，微波探测和吸收法光探测，微波探测利用的是原子自发辐射的微波信号，虽然这种方法对激光的噪声不敏感，但是由于探测的微波频率低，其信号太弱，造成其短期稳定度很难突破10^(-13)(@1s)；吸收法光探测由于其信号强以及对微波腔Q值要求低的特点被大量使用。但同时不足40％的Ramsey条纹对比度成了其短期稳定度提高的一个主要限制因素，偏振探测法利用原子双折射导致左右旋光经过原子时产生相位差的原理，能够使Ramsey条纹对比度接近100％，可以很好的克服吸收法光探测条纹对比度低的缺点，另外，在大失谐探测光的情况下，这种方法仍然可以得到超过80％对比度的Ramsey条纹。附图说明图1是本专利技术一个实施例的光路图。图2是平衡差拍探测光路原理图，其中PL是本地光功率，Ps是信号光功率，P1和P2是入射到平衡差拍探测器的两束线偏振光，D1和D2分别是平衡差拍探测器的两个探头。图3是POP铷原子钟工作时序图，其中Tp是激光抽运时间，Td是激光探测时间，Tm是微波脉冲时间，Tf是原子自由演化时间。图中：1、DBR激光器；2、二分之一玻片；3、偏振分束镜；4、声光调制器；5、四分之一玻片；6、零度全反射镜；7、第一45度全反射镜；8、第一高消光比偏振片；9、物理系统；10、第二高消光比偏振片；11、第二45度全反射镜；12、第三45度全反射镜；13、无偏振分束镜；14、平衡差拍探测器；15、数据采集卡。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明，但本专利技术不限于这些实施例。实施例1在图1中，本专利技术一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置,在DBR激光器1激光出射方向设置有二分之一玻片2及偏振分束镜3，激光经过偏振分束镜3后分为两束偏本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置,其特征在于：在DBR激光器激光出射方向设置有二分之一玻片及偏振分束镜，激光经过偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向依次进入声光调制器、四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜反射后原路返回偏振分束镜，第二束线偏振光经过偏振分束镜后的光出射方向设置有第一45度全反射镜，第一45度全反射镜光出射方向依次设置有第一高消光比偏振片、物理系统、第二高消光比偏振片，第二高消光比偏振片光出射方向依次设置第二45度全反射镜、第三45度全反射镜，第三45度全反射镜的出射光进入无偏振分束镜，第一束偏振光和第二束偏振光在无偏振分束镜分别分束合并之后输入到平衡差拍探测器，平衡差拍探测器信号输出至数据采集卡。

【技术特征摘要】
1.一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置,其特征在于：在DBR激光器激光出射方向设置有二分之一玻片及偏振分束镜，激光经过偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向依次进入声光调制器、四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜反射后原路返回偏振分束镜，第二束线偏振光经过偏振分束镜后的光出射方向设置有第一45度全反射镜，第一45度全反射镜光出射方向依次设置有第一高消光比偏振片、物理系统、第二高消光比偏振片，第二高消光比偏振片光出射方向依次设置第二45度全反射镜、第三45度全反射镜，第三45度全反射镜的出射光进入无偏振分束镜，第一束偏振光和第二束偏振光在无偏振分束镜分别分束合并之后输入到平衡差拍探测器，平衡差拍探测器信号输出至数据采集卡。2.根据权利要求1所述的一种平衡差拍探测POP铷原子钟的装置，其特征在于所述的物理系统为：微波腔内设置有原子气泡，微波腔外壁缠绕有磁场线圈，微波腔设置于磁屏蔽筒内。3.利用权利要求1～2任意一项所述的平衡差拍探测POP铷原子钟的装置探测铷原子钟的方法，其特征在于包括以下步骤：S1、对DBR激光器和铷原子气泡加热并控温。S2、将DBR激光器系统频率锁定在87Rb的D1线的基态F＝1到激发态F＝2上，磁场线圈通电。S3、偏振分束镜后分为两束偏振方向垂直的线偏振光，第一束线偏振光反射到无偏振分束镜，第二束线偏振光沿原方向进入声光调制器，声光调制器出射的-1级光进入四分之一玻片、零度全反射镜，经过零度全反射镜发射后沿原路返回偏振分束镜，经偏振分束镜出射的第二束线偏振光经过第一45度全反射镜和第一高消光比偏振片进入物理系统。S4、打开微波源，向物理系统输入微波，微波和第二束线偏振光与铷原子相互作用...

【专利技术属性】
技术研发人员：王柯穆，杜志静，薛文祥，郝强，张首刚，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61