一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统。该系统包括ULE腔体，ULE腔体内集成三个独立参考腔，镱离子光钟的冷却光、泵浦光和淬灭光合束后经过第一电光调制器后透射第一偏振分束棱镜，再依次经过第一四分之一波片和第一透镜后由第一高反镜反射后入射ULE腔体内的第一F

【技术实现步骤摘要】
一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统


[0001]本技术涉及激光稳频
，更具体的涉及一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统，应用于精密测量、激光物理、频标、量子信息等需要激光频率稳定的领域。

技术介绍

[0002]近年来，随着激光技术的快速发展，促使其在很多领域得到了广泛应用，尤其在原子或分子与激光相互作用的实验中，如原子与分子物理、激光光谱、光频标、量子信息等诸多领域，均对激光频率的稳定性具有较高的要求。在光频标实验中，需要多路频率稳定的激光与囚禁的离子或者中性原子进行相互作用，涉及的冷却、泵浦、淬灭激光的短期和长期稳定度均要求远小于其自然线宽(一般小于20MHz)。为了进一步提高离子的冷却效率，需要尽可能大的提高激光频率的稳定性。而大部分商用的半导体激光器无法直接满足实验要求，需要在实验技术上进行频率稳定操作。目前在光频标中常用的激光稳频方式主要包括基于超稳腔的Pound
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Drever
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Hall(PDH)稳频、传输腔的波长调制稳频以及基于波长计的误差反馈控制稳频等。而对于钟跃迁信号，自然线宽大部分小于1Hz，只有PDH稳频技术可实现线宽的进一步压窄，是实现亚赫兹量级激光线宽的最有效途径，并且参考腔材料必须为对温度具有超低膨胀系数的ULE材料或者液氮冷却下的单晶硅材料。此外，实验要求激光频率锁定具备抗干扰能力，即当外界环境(如温度、振动)发生变化时，激光器频率依然能够锁定。
[0003]PDH技术利用了电光相位调制产生的频率边带作为相位参考来测量激光在参考腔内的相位，具有响应快、噪声低的特点。然而，大家目前广泛采用的PDH稳频技术，每一束激光的频率稳定都需要配备一套对应的电光调制器(EOM)及驱动器来实现激光参考到超稳腔的相位调制，调相晶体由本地振荡器驱动以产生相应的调相边带，并且还需要一个模拟移相器或数字移相器来补偿本地振荡器信号和光电检测器的输出信号之间的相位差。这些配件比较昂贵，不仅增加激光稳频系统的成本，而且每一套配件会占用较大的空间，不利于设备的小型化和集成化。
[0004]针对本技术应用背景的已有技术方案，我们仍然采用PDH稳频技术，此技术已为成熟和广泛使用的技术，我们不再赘述。简单介绍如下：频率为ω的激光由激光器输出后首先经格兰泰勒棱镜对激光的偏振进行提纯后，经过电光调制器(EOM)，对激光光场进行射频电光相位调制，然后将调制后的激光信号经过偏振分束棱镜(PBS)与四分之一波片(λ/4)进入光学腔，与光学腔谐振，腔反射出来的信号由光电探测器(PD)接收，然后送入混频器(Mixer)相敏解调后获得鉴频信号。鉴频信号接入LB1005高速伺服控制器(High
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Speed Servo Controller)进行比例积分运算处理后，再反馈到激光器的压电陶瓷、电流源或者声光调制器等其他响应器件，进行频率补偿，最终实现将普通激光锁定在超稳光学腔上。此过程形成闭环控制，误差反馈以维持激光器频率稳定。

技术实现思路

[0005]为克服现有技术的不足之处，本技术提出了一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统，本技术仅用一套参考腔系统和极少的EOM便可实现镱离子光钟所有激光频率稳定的需求，最主要的是能够达到亚赫兹量级超窄激光线宽的设计要求。
[0006]本技术的上述目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统，包括ULE腔体，其特征在于，ULE腔体内设置有第一F
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P腔，1108nm水平偏振光、935nm水平偏振光和760nm水平偏振光合束后经过第一电光调制器后透射第一偏振分束棱镜，再依次经过第一四分之一波片和第一透镜后由第一高反镜反射后入射第一F
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P腔，第一F
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P腔内耦合的激光一部分沿第一F
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P腔入射光的反方向返回第一高反镜，再经第一高反镜反射后依次经过第一透镜和第一四分之一波片，再经第一偏振分束棱镜反射后根据波长分束后入射对应的光电探测器；第一F
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P腔内耦合的激光另一部分沿入射第一F
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P腔入射光的方向出射第一F
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P腔，再根据波长分束后入射对应的CCD相机。
[0008]如上所述ULE腔体内还设置有第二F
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P腔，第二F
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P腔和第一F
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P腔垂直，
[0009]934nm水平偏振光经过第二电光调制器后透射第二偏振分束棱镜，再依次经过第二四分之一波片和第五透镜后入射第二F
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P腔，第二F
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P腔内耦合的激光一部分沿第二F
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P腔的入射光的反方向返回并依次经过第五透镜和第二四分之一波片，再经第二偏振分束棱镜反射后经过第六透镜入射第四光电探测器，第二F
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P腔内耦合的激光另一部分沿第二F
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P腔的入射光方向出射第二F
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P腔后入射第四CCD相机。
[0010]如上所述ULE腔体内还设置有第三F
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P腔，第三F
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P腔、第二F
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P腔和第一F
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P腔两两正交，
[0011]871nm水平偏振光经过第三电光调制器后透射第三偏振分束棱镜，再依次经过第三四分之一波片和第七透镜后，再经第三高反镜反射后入射第三F
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P腔，第三F
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P腔内耦合的激光一部分沿第三F
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P腔的入射光的反方向返回第三高反镜，再经第三高反镜反射后依次经过第七透镜和第三四分之一波片，再经第三偏振分束棱镜反射后经过第八透镜入射第五光电探测器，第三F
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P腔内耦合的激光另一部分沿第三F
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P腔的入射光方向出射第三F
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P腔后入射第五CCD相机。
[0012]如上所述一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统还包括1108nm待稳激光器、935nm待稳激光器、760nm待稳激光器、934nm待稳激光器和871nm待稳激光器，
[0013]1108nm待稳激光器的出射光经过第一光纤耦合头、第一二分之一波片、第一格兰泰勒棱镜后生成1108nm水平偏振光，
[0014]935nm待稳激光器的出射光经过第二光纤耦合头、第二二分之一波片、第二格兰泰勒棱镜后生成935nm水平偏振光，
[0015]760nm待稳激光器的出射光经过第三光纤耦合头、第三二分之一波片、第三格兰泰勒棱镜后生成760nm水平偏振光，
[0016]934nm待稳激光器的出射光经过第四光纤耦合头、第四二分之一波片、第四格兰泰勒棱镜后生成934nm水平偏振光，
[0017]871nm待稳激光器的出射光经过第五光纤耦合头、第五二分之一波片、第五格兰泰勒棱镜后生成871nm水平偏振光。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统，包括ULE腔体(1)，其特征在于，ULE腔体(1)内设置有第一F
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P腔(101)，1108nm水平偏振光、935nm水平偏振光和760nm水平偏振光合束后经过第一电光调制器(EOM1)后透射第一偏振分束棱镜(PBS1)，再依次经过第一四分之一波片(Q1)和第一透镜(L1)后由第一高反镜(R1)反射后入射第一F
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P腔(101)，第一F
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P腔(101)内耦合的激光一部分沿第一F
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P腔(101)入射光的反方向返回第一高反镜(R1)，再经第一高反镜(R1)反射后依次经过第一透镜(L1)和第一四分之一波片(Q1)，再经第一偏振分束棱镜(PBS1)反射后根据波长分束后入射对应的光电探测器；第一F
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P腔(101)内耦合的激光另一部分沿入射第一F
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P腔(101)入射光的方向出射第一F
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P腔(101)，再根据波长分束后入射对应的CCD相机。2.根据权利要求1所述一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统，其特征在于，所述ULE腔体(1)内还设置有第二F
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P腔(102)，第二F
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P腔(102)和第一F
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P腔(101)垂直，934nm水平偏振光经过第二电光调制器(EOM2)后透射第二偏振分束棱镜(PBS2)，再依次经过第二四分之一波片(Q2)和第五透镜(L5)后入射第二F
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P腔(102)，第二F
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P腔(102)内耦合的激光一部分沿第二F
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P腔(102)的入射光的反方向返回并依次经过第五透镜(L5)和第二四分之一波片(Q2)，再经第二偏振分束棱镜(PBS2)反射后经过第六透镜(L6)入射第四光电探测器(PD4)，第二F
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P腔(102)内耦合的激光另一部分沿第二F
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P腔(102)的入射光方向出射第二F
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P腔(102)后入射第四CCD相机(CCD4)。3.根据权利要求2所述一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统，其特征在于，所述ULE腔体(1)内还设置有第三F
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P腔(103)，第三F
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P腔(103)、第二F
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P腔(102)和第一F
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P腔(101)两两正交，871nm水平偏振光经过第三电光调制器(EOM3)后透射第三偏振分束棱镜(PBS3)，再依次经过第三四分之一波片(Q3)和第七透镜(L7)后，再经第三高反镜(R3)反射后入射第三F
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P腔(103)，第三F
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P腔(103)内耦合的激光一部分沿第三F
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P腔(103)的入射光的反方向返回第三高反镜(R3)，再经第三高反镜(R3)反射后依次经过第七透镜(L7)和第三四分之一波片(Q3)，再经第三偏振分束棱镜(PBS3)反射后经过第八透镜(L8)入射第五光电探测器(PD5)，第三F
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P腔(103)内耦合的激光另一部分沿第三F
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P腔(103)的入射光方向出射第三F
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P腔(103)后入射第五CCD相机(CCD5)。4.根据权利要求3所述一种集成化的用于可搬运镱离子光钟的激光稳频系统，其特征在于，还包括1108nm待稳激光器、935nm待稳激光器、760nm待稳激光器、934nm待稳激光器和871nm待稳激光器，1108nm待稳激光器的出射光经过第一光纤耦合头(C1)、第一二分之一波片(H1)、第一格兰泰勒棱镜(G1)后生成1108nm水平偏振光，935nm待稳激光器的出射光经过第二光纤耦合头(C2)、第二二分之一波片(H2)、第二格兰泰勒棱镜(G2)后生成935nm水平偏振光，760nm待稳激光器的出射光经过第三光纤耦合头...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵虎，乐虹伶，管桦，黄垚，高克林，
申请(专利权)人：中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，
类型：新型
国别省市：