基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟制造技术

本发明专利技术提供基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟，所述高稳光频原子钟包括双频法拉第半导体激光器、半波片和第三偏振分光棱镜(10)、调制转移谱稳频模块(11)、伺服反馈电路(12)、高频探测器(13)频谱分析仪(14)和频率计数器(15)，双频法拉第半导体激光器包括激光二极管(1)、准直透镜(2)、法拉第原子滤光器和激光腔镜(7)，输出激光中的一束进入调制转移谱稳频模块，另一束进入分别进行观测双波长激光拍频信号频谱和计数。通过调整温度和磁场条件，本发明专利技术的透射谱可以获得两个稳定且透射率相近的透射峰，实现双波长激光器的稳定输出。本发明专利技术的原子钟能够摆脱光梳，秒稳定度优于10

High stable optical frequency atomic clock based on dual frequency Faraday semiconductor laser

【技术实现步骤摘要】
基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟
本专利技术属于原子钟
，具体涉及一种基于利用法拉第原子滤光器选频来实现双波长半导体激光器的高稳光频原子钟。
技术介绍
1967年，由于国际单位秒定义在铯原子基态能级间微波跃迁频率上，由此以来，铯原子微波频率标准得到关注和持续发展，人们对铯原子频率标准(铯原子钟)做了大量的工作。铯原子微波频率标准由光、微波共振物理单元和电路单元组成。微波频率产生和控制电路通过光电探测器的信号对微波源实现控制；微波钟需要微波源和光学系统，稳定度最好达到10-12。近几年，光频原子钟成为世界计量科学研究的新热点.根据报道，最新研制出的光频原子钟的稳定度达10的负19次方。但是基于光频标的射频信号产生通常需要借助光梳把光频传递到微波频段。不得忽略的是，飞秒光梳结构复杂、成本高，使用过程中还需要不断维护。双波长激光器是一种能够在一个装置中产生两个激光波长的激光器。当双波长激光装置工作在两个近距离波长时，能够产生微波频率下的拍频信号，可以用作电子信号处理系统中的微波信号源。理论分析表明，激光两相邻纵模拍频频率的稳定度与激光频率稳定度相同。曾有报道，基于激光频率与纵模频率间隔的对应关系，通过精密锁相控制技术将两相邻纵模的拍频频率锁定在射频频率标准上，以控制激光谐振腔腔长，实现锁定激光频率的目的。相干布居囚禁(CPT)原子钟是一种基于CPT效应的原子钟，CPT效应是发生在三能级原子系统的一种非线性量子相干现象，因为铷或铯原子D2线跃迁上能级结构复杂，造成CPT信号弱，所以一般选取铷或铯原子D1线跃迁。由于当其中的法拉第滤光器只允许频率间隔为工作原子跃迁波长的两个频率的激光纵模通过时，整个系统才能工作，且要求CPT原子气室多普勒吸收峰与法拉第滤光器多普勒透过峰大小相同方向相反，所以其工作条件非常苛刻，很难实现。并且基于相干布居数囚禁模式锁定的激光原子钟输出激光的频率稳定度较差，从而这种激光原子钟的频率稳定度也较差，现有技术能够实现的频率稳定度约为10的-7次方。
技术实现思路
本专利技术的目的提供一种新型的基于双频法拉第半导体激光器实现的高稳光频原子钟。由于法拉第原子滤光器在适当温度和磁场条件下时，其透射谱包含两个透射率相近的透射峰，从而实现在半导体激光内腔选出两个激光模式，最终实现激光器的双波长输出。将双频激光器输出的其中一个频率经调制转移谱进行稳频，从而同时提高两个波长激光的频率稳定性，得到高稳定度的光频原子钟，由于两个波长能够产生微波频率下的拍频信号，可以用作信号处理系统中的微波信号源。本专利技术首次利用双频法拉第半导体激光器这种创新型结构和原理来实现高稳光频原子钟，通过原理和结构改进摆脱光梳，直接由光频信号拍频得到微波信号，且秒稳定度优于10-14，比当前最好的微波钟稳定度提升两个量级。基于上述思路，本专利技术提供基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟，所述高稳光频原子钟包括双频法拉第半导体激光器、设置在所述双频法拉第半导体激光器输出端光路上的半波片9和第三偏振分光棱镜10、调制转移谱稳频模块11、伺服反馈电路12、高频探测器13频谱分析仪14和频率计数器15，其中，所述双频法拉第半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管1、准直透镜2、法拉第原子滤光器、激光腔镜7和压电陶瓷8，其中在所述激光二极管1的输出光端面镀增透膜；所述法拉第原子滤光器包括依序设置的第一偏振分光棱镜3、碱金属原子气室4和第二偏振分光棱镜5，通过永磁体5向碱金属原子气室4施加轴向静磁场，且第一偏振分光棱镜3与第二偏振分光棱镜5的位置关系为正交；所述激光二极管1发出相干光束经过准直透镜2准直为平行光，所述平行光经过第一偏振分光棱镜1后得到与激光二极管1出射方向相同的水平偏振光或垂直偏振光，入射碱金属原子气室4后被选模，经第二偏振分光棱镜5到达激光腔镜7；通过调节激光腔镜7与入射光之间的角度，使得激光腔镜7的反射光与入射光共线反向，所述反射光经第二偏振分光棱镜5、原子气室4、第一偏振分光棱镜3、准直透镜2后返回到半导体激光二极管1，在激光腔镜7与半导体激光二极管1的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大至超过激光器振荡阈值，使第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处输出双波长激光；所述双频法拉第半导体激光器的输出激光中的一束进入调制转移谱稳频模块11、对激光的一个波长进行稳频，另一束进入高频探测器13并连接到频谱分析仪14和频率计数器15分别进行观测双波长激光拍频信号频谱和计数。在本专利技术中，所述碱金属原子气室内充铷原子或铯原子。根据一种优选的实施方式，在激光腔镜7上设置压电陶瓷8，通过压电陶瓷8调节所述谐振腔的腔长。本专利技术的双频法拉第半导体激光器的透射谱包含两个透射率相近的透射峰，且所述两个透射峰间距为5GHz-10GHz。根据另一种优选的实施方式，增益介质可以有多种选择，例如采用端面镀了增透膜的固体增益介质替代半导体激光二极管作为增益介质。根据另一种优选的实施方式，可以用充缓冲气体原子气室替代真空原子气室，从而增加透射谱带宽。作为一种特别优选的实施方式，碱金属原子气室4内充铯原子，原子气室温度为36-51℃，通过永磁体5向原子气室施加300-350高斯磁场。作为另一种特别优选的实施方式，碱金属原子气室4内充5乇氩气作为缓冲气体，原子气室温度为43-55℃，通过永磁体5向原子气室施加500-700高斯磁场。可选地，还可以在激光二极管1的另一面镀高反膜。在本专利技术中，调制转移谱稳频模块、伺服反馈电路、增透膜、高反膜均为本领域常规技术，本领域技术人员可以根据现有技术的教导实现；高频探测器、频谱分析仪和频率计数器可以购买获得，或根据现有技术的教导实现。理论分析表明，激光两纵模拍频频率的稳定度与激光频率稳定度相同(详见中国激光第34卷第9期《基于纵模拍频控制的激光稳频技术》)。通过调制转移谱模块对所述双波长激光的一个频率进行锁定，也即相当于同时锁定两个频率。将所述双波长激光打入高频探测器进行拍频，最后将拍频信号接入频谱分析仪进行观测和频率计数器进行计数。在本专利技术中，对于双频法拉第半导体激光器，通过改变半导体激光二极管的放置位置可以获得水平或垂直方向的出射光，在满足第一偏振分光棱镜3与第二偏振分光棱镜5为正交位置关系的情况下，本专利技术的双频法拉第半导体激光器有两种实现方式：第一种，激光二极管1发出水平偏振的相干光束，经过准直透镜准直成为平行光，入射至第一偏振分光棱镜后获得水平偏振光，该水平偏振光经过原子气室4选模，被选模的入射光偏振方向转换成垂直偏振光，未被选模的入射光偏振方向依然是水平偏振光。因此，被选模的得到的垂直偏振光入射至第二偏振分光棱镜后到达激光腔镜7，而未被选模的水平偏正光第二偏振分光棱镜5反射输出。通过调整激光腔镜7与被选模的入射光的角度，使得激光腔镜7的反射光与被选模入射光共线反向，反射光全部沿原光路返回到半导体激光二极管，在由半导体激光二极管输出光端面与激光腔镜组成的谐振腔中振荡、放大到超过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟，所述高稳光频原子钟包括双频法拉第半导体激光器、设置在所述双频法拉第半导体激光器输出端光路上的半波片(9)和第三偏振分光棱镜(10)、调制转移谱稳频模块(11)、伺服反馈电路(12)、高频探测器(13)频谱分析仪(14)和频率计数器(15)，/n其特征在于所述双频法拉第半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管(1)、准直透镜(2)、法拉第原子滤光器和激光腔镜(7)，其特征在于在所述激光二极管(1)的输出光端面镀增透膜；所述法拉第原子滤光器包括依序设置的第一偏振分光棱镜(3)、碱金属原子气室(4)和第二偏振分光棱镜(5)，通过永磁体(5)向碱金属原子气室(4)施加轴向静磁场，且第一偏振分光棱镜(3)与第二偏振分光棱镜(5)的位置关系为正交；/n所述激光二极管(1)发出相干光束经过准直透镜(2)准直为平行光，所述平行光经过第一偏振分光棱镜(1)后得到与激光二极管(1)出射方向相同的水平偏振光或垂直偏振光，入射碱金属原子气室(4)后被选出两个激光模式，经第二偏振分光棱镜(5)到达激光腔镜(7)；通过调节激光腔镜(7)与入射光之间的角度，使得激光腔镜(7)的反射光与入射光共线反向，所述反射光经第二偏振分光棱镜(5)、原子气室(4)、第一偏振分光棱镜(3)、准直透镜(2)后返回到半导体激光二极管(1)，在激光腔镜(7)与半导体激光二极管(1)的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大至超过激光器振荡阈值，使第一偏振分光棱镜或第二偏振分光棱镜处输出双频激光；/n所述双频法拉第半导体激光器的输出激光中的一束进入调制转移谱稳频模块(11)、对激光的一个波长进行稳频，另一束进入高频探测器(13)并连接到频谱分析仪(14)和频率计数器(15)分别进行观测双波长激光拍频信号频谱和计数。/n...

【技术特征摘要】
1.基于双频法拉第半导体激光器的高稳光频原子钟，所述高稳光频原子钟包括双频法拉第半导体激光器、设置在所述双频法拉第半导体激光器输出端光路上的半波片(9)和第三偏振分光棱镜(10)、调制转移谱稳频模块(11)、伺服反馈电路(12)、高频探测器(13)频谱分析仪(14)和频率计数器(15)，
其特征在于所述双频法拉第半导体激光器包括依序设置在光路上的激光二极管(1)、准直透镜(2)、法拉第原子滤光器和激光腔镜(7)，其特征在于在所述激光二极管(1)的输出光端面镀增透膜；所述法拉第原子滤光器包括依序设置的第一偏振分光棱镜(3)、碱金属原子气室(4)和第二偏振分光棱镜(5)，通过永磁体(5)向碱金属原子气室(4)施加轴向静磁场，且第一偏振分光棱镜(3)与第二偏振分光棱镜(5)的位置关系为正交；
所述激光二极管(1)发出相干光束经过准直透镜(2)准直为平行光，所述平行光经过第一偏振分光棱镜(1)后得到与激光二极管(1)出射方向相同的水平偏振光或垂直偏振光，入射碱金属原子气室(4)后被选出两个激光模式，经第二偏振分光棱镜(5)到达激光腔镜(7)；通过调节激光腔镜(7)与入射光之间的角度，使得激光腔镜(7)的反射光与入射光共线反向，所述反射光经第二偏振分光棱镜(5)、原子气室(4)、第一偏振分光棱镜(3)、准直透镜(2)后返回到半导体激光二极管(1)，在激光腔镜(7)与半导体激光二极管(1)的输出光端面构成的谐振腔中振荡、放大至超过激光器振荡阈值，使第一偏振分...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈景标，常鹏媛，洪叶龙，
申请(专利权)人：浙江法拉第激光科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33