[發明專利]基于極化調制的銣雙光子躍遷光頻標

有效

• 申請號: 202010921498.0
• 申請日: 2020-09-04
• 公開（公告）號: CN112039523B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發明（設計）人: 李豆;王鵬飛;康松柏
• 申請（專利權）人: 中國科學院精密測量科學與技術創新研究院
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所(普通合伙) 42001
• 代理人: 李鵬;王敏鋒

本發明公開基于極化調制的銣雙光子躍遷光頻標，包括激光器，激光器的輸出激光依次通過隔離器、半波片后入射偏振分束器，由偏振分束器分成第一透射光與第一反射光，第一反射光用于與光梳拍頻比對以及頻率輸出，第一透射光通過光纖耦合為高斯光進入激光控制模塊，激光控制模塊輸出零級光，零級光經偏振調制模塊調制為圓偏振光入射量子鑒頻模塊，圓偏振光的偏振態半個周期內是左旋圓偏振，另外半個周期是右旋圓偏振，量子鑒頻模塊輸出雙光子躍遷信號到穩頻模塊，穩頻模塊分別與激光器的壓電控制端和電流端口連接。本發明可以提高此光頻標的短期頻率穩定度。

技術領域

本發明涉及到原子頻標技術領域，更具體涉及基于極化調制的銣雙光子躍遷光頻標。

背景技術

原子頻標是以原子穩定的躍遷譜線做頻率參考的一種高精度時間頻率基準，其在導航、定位、通信、交通電力、軍事國防和科學研究等領域應用廣泛。目前商用的原子頻標均是以微波波段的原子躍遷譜線作參考即微波頻標，包括銣原子頻標、銫原子頻標和氫原子頻標。進入二十一世紀以來，基于原子光頻躍遷的光頻標準則進入了快速發展期，其不確定度已經達到了E-18的水平，比目前性能最好的銫噴泉鐘高了近兩個量級。但是這些基于離子阱和光晶格的光頻標通常需要復雜的系統來實現原子囚禁和鐘子躍遷譜線探尋，因此往往只能在實驗室環境下實現其功能，限制了應用范圍。

近年來氣泡型銣原子光頻標技術逐步進入科研人員的視野，其采用銣氣泡技術規避了光頻標復雜的原子囚禁系統，并以精度更高的光頻雙光子躍遷作為頻率參考，因此兼具小型化和高性能的特點。其原理如圖1所示，銣原子發生5S_1/2到5D_5/2的光頻禁戒躍遷，根據雙光子躍遷選擇定則，銣原子能發生基態F＝2到激發態F＝4、3、2、1的躍遷，且經計算得知躍遷幾率依次減小。銣原子發生雙光子躍遷后會發生5D_5/2到6P_3/2到5S_1/2的級聯躍遷，在6P_3/2到5S_1/2的過程中會釋放420nm的藍色熒光，利用光電倍增管收集并通過放大器放大，可以得到用于觀察雙光子躍遷的熒光信號。

實驗中可以只使用一臺中心頻率為778nm的激光器，通過反射鏡或者高反膜產生兩束反平行的激光激發銣原子發生雙光子躍遷，在得到雙光子躍遷信號后，將激光器頻率鎖定在躍遷幾率最大的F＝2到F＝4雙光子躍遷譜線峰值的中心頻率處，然后進行參數優化，得到穩定的雙光子光頻標。

目前已知的文獻中，均使用線偏振光激發銣的雙光子躍遷。如圖2所示，線偏振光激發的雙光子躍遷(Δm_F＝0)對應的綜合一階塞曼頻移量為0(可根據線偏光下所有雙光子躍遷路徑和相應躍遷幾率得出)。圓偏振光也能激發雙光子躍遷(Δm_F＝±2，正負號分別對應左右旋光)，理論計算表明圓偏光激發的雙光子躍遷幾率是線偏光對應的1.5倍左右，相應的躍遷信號強度也會增強為原來的1.5倍，但圓偏振光作用下，雙光子躍遷對應的綜合一階塞曼頻移量不為0，不利于得到高頻率穩定度的光頻標。如果在使用圓偏光提高信噪比的同時還能消除一階塞曼頻移，銣原子雙光子光頻標短期頻率穩定度將得到提升。

發明內容

本發明的目的在于針對上述問題，提供基于極化調制的銣雙光子躍遷光頻標，解決一階塞曼頻移的問題。

為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：

基于極化調制的銣雙光子躍遷光頻標，包括激光器，激光器的輸出激光依次通過隔離器、半波片后入射偏振分束器，由偏振分束器分成第一透射光與第一反射光，第一反射光用于與光梳拍頻比對以及頻率輸出，第一透射光通過光纖耦合為高斯光進入激光控制模塊，激光控制模塊輸出零級光，零級光經偏振調制模塊調制為圓偏振光入射量子鑒頻模塊，圓偏振光的偏振態半個周期內是左旋圓偏振，另外半個周期是右旋圓偏振，量子鑒頻模塊輸出雙光子躍遷信號到穩頻模塊，穩頻模塊分別與激光器的壓電控制端和電流端口連接。