基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置及方法

摘要

本发明公布了一种基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置及方法，利用热原子的多普勒效应以及坏腔区域谐振腔的光学弱反馈机制，实现原子超精细能级间隔测量，能够提升测量原子超精细能级间隔的精度。装置包括：泵浦激光源的频率稳定单元、四能级主动光钟谐振腔单元、超精细能级间隔测量单元；通过调制转移稳频和坏腔区域的光学弱反馈，对坏腔区域原子受激辐射输出光频率成分直接进行分析，对被测能态的超精细能级间隔标定，量子参考系统受激辐射直接输出钟跃迁信号，具有更窄的量子极限线宽。本发明可扩展到其他碱金属四能级主动光钟系统上，丰富原子超精细能级的测量数量和精度。

权利要求

1.一种基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置，包括：泵浦激光源的频率稳定单元、四能级主动光钟谐振腔单元、超精细能级间隔测量单元，并依次相连接；

泵浦激光源的频率稳定单元包括：泵浦激光源、泵浦激光源驱动电路、光隔离器、半波片、偏振分光棱镜、反射镜、调制转移谱稳频模块、伺服反馈电路；

四能级主动光钟谐振腔单元包括：一体化谐振腔腔体、压电陶瓷片、谐振腔腔镜-平面镜、增益介质-碱金属原子气室、谐振腔腔镜-平凹镜、加热保温模块、磁屏蔽模块；

超精细能级间隔测量单元包括测量模块；

泵浦激光源的频率稳定单元中，泵浦激光源与泵浦激光源驱动电路相连接，并由泵浦激光源驱动电路控制；隔离器用于防止激光反馈，影响泵浦激光源输出频率；半波片与偏振分光棱镜结合，通过改变半波片的角度，调节从偏振分光棱镜透射到谐振腔的泵浦激光源的光强；经偏振分光棱镜反射的激光经反射镜、调制转移谱稳频模块、伺服反馈电路，将误差信号反馈回泵浦激光源驱动电路，实现泵浦激光源的频率稳定；

四能级主动光钟谐振腔单元中：压电陶瓷片的形变量大于钟激光波长的一半；谐振腔腔镜-平面镜和谐振腔腔镜-平凹镜分别内嵌于一体化谐振腔腔体中；一体化谐振腔腔体置于磁屏蔽盒中；谐振腔腔镜-平面镜和谐振腔腔镜-平凹镜的镀膜参数均使得原子增益线宽小于腔模线宽；增益介质-碱金属原子气室中充有纯铯原子，增益介质-碱金属原子气室内置于一体化谐振腔腔体中；一体化谐振腔腔体内部抽真空；一体化谐振腔腔体外部放置加热保温模块，用于使原子温度变化范围小于0.01℃；保温模块外面放置磁屏蔽模块；增益介质-碱金属原子气室用作钟激光的增益介质，放置在玻璃泡中；玻璃泡为圆柱形壳体，两端面平整；玻璃泡中充有碱金属原子或碱金属原子和缓冲气体；

超精细能级间隔测量单元中，测量模块包括探测器和频率计数器；所述探测器用于探测两个受激辐射钟激光的拍频信号；所述频率计数器采用铯钟作为外部参考源，用于对探测到的输出钟激光信号所携带的频率成分进行精密测量，实现基于四能级主动光钟的原子超精细能级间隔测量。

2.如权利要求1所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置，其特征是，泵浦激光源的频率稳定单元中的泵浦激光源采用窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器。

3.如权利要求1所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置，其特征是，四能级主动光钟谐振腔单元中的一体化谐振腔腔体的材料采用具有超低热膨胀系数的单晶硅或微晶玻璃。

4.如权利要求1所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置，其特征是，放置增益介质-碱金属原子气室的玻璃泡中充的碱金属原子为铷、铯、钾中的一种；缓冲气体采用惰性气体。

5.如权利要求1所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置，其特征是，放置一体化谐振腔腔体的磁屏蔽盒的制作材料为四层坡莫合金。

6.一种基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量方法，利用基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置实现超精细能级间隔测量；所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置，包括：泵浦激光源的频率稳定单元、四能级主动光钟谐振腔单元、超精细能级间隔测量单元，并依次相连接；泵浦激光源的频率稳定单元包括：泵浦激光源、泵浦激光源驱动电路、光隔离器、半波片、偏振分光棱镜、反射镜、调制转移谱稳频模块、伺服反馈电路；四能级主动光钟谐振腔单元包括：一体化谐振腔腔体、压电陶瓷片、谐振腔腔镜-平面镜、增益介质-碱金属原子气室、谐振腔腔镜-平凹镜、加热保温模块、磁屏蔽模块；超精细能级间隔测量单元包括测量模块；

超精细能级间隔测量方法包括以下步骤：

1)将作为主动光钟增益介质的碱金属原子或碱金属原子和缓冲气体充入玻璃泡中；将玻璃泡置于谐振腔内，并在谐振腔外部进行加热并控温；在谐振腔的最外层放置磁屏蔽盒，隔绝外界磁场波动对增益介质的影响；

2)用泵浦激光源驱动电路驱动泵浦激光源输出激光；

激光首先经过光隔离器防止光反馈，再经过半波片和偏振分光棱镜；通过改变半波片的角度调节经过偏振分光棱镜的透射光和反射光的强度；

强透射光作为主动光钟增益介质的泵浦光，弱反射光输入到调制转移谱稳频模块，得到高性能的调制转移谱信号；

调制转移谱信号通过伺服反馈电路反馈回泵浦激光源的控制器和激光头，锁定激光频率，由此实现泵浦光的稳频；

泵浦光的频率选择下能级的一个超精细能级到上能级的两个超精细能级交叉峰的跃迁，用来锁定四能级主动光钟的泵浦源频率，使得泵浦光上能级的被测量超精细能级上均有粒子数；

3)在待测量超精细能级间隔的超精细能级上，上能级的原子自发辐射降落到钟激光的上能级上，利用主动光钟谐振腔的弱反馈机制，在跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射，由此输出携带多个频率成分的钟激光信号；

4)通过改变压电陶瓷片的驱动电压调节谐振腔腔长，进而改变谐振腔腔模频率，使携带多个频率成分的钟激光的增益都大于谐振腔总损耗；

5)将携带多个频率成分的钟激光信号送入到测量模块中进行频率间隔测量，并将测量的频率值乘以泵浦光与钟激光的波长比，处理后的频率值即为泵浦光上能级的超精细能级间隔。

7.如权利要求6所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量方法，其特征是，步骤

1)中，作为增益介质的碱金属原子为铷、铯、钾中的一种；缓冲气体采用惰性气体氩、氪或氙。

8.如权利要求6所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量方法，其特征是，步骤

2)中，通过泵浦激光源驱动电路控制激光器的工作温度和电流，并调节激光器腔长的压电陶瓷的电压。

9.如权利要求6所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量方法，其特征是，步骤

3)中，增益介质的原子的增益线宽小于腔模线宽，谐振腔的腔镜反射率使得钟激光工作在坏腔区域。

10.如权利要求6所述基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量方法，其特征是，在四能级量子系统的钟跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射输出，主动光钟坏腔范围内原子间的弱耦合协作受激使得不同速度群的原子均受激辐射输出主动光频标信号，提取并测量主动光频标信号的频率成分，由此实现利用四能级主动光钟直接测量碱金属原子超精细能级之间的频率间隔。

说明书

基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置及方法

技术领域

[0001] 本发明属于光频原子钟与精密测量技术领域，涉及原子超精细能级间隔测量技术，具体涉及一种基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置及其实现方法。

背景技术

[0002] 原子超精细能级结构的精密测量可以对各种超精细能级结构计算的理论方法作出严格检验，通过测量原子超精细能级间隔可以精密计算相应的超精细耦合常数，其在量子电动力学理论的检验、激光冷却与陷俘、高分辨率光谱和精密测量等方面具有重要应用价值，其中对碱金属铯原子超精细能级常数的精密测量，在原子宇称不守恒实验检测方面具有重要意义。

[0003] 目前多个研究小组开展了关于碱金属原子，尤其是铯、铷、钾原子的超精细能级间隔测量，为了在实验上获得原子激发态之间跃迁的超精细能级分裂，现有常用的方法有双共振吸收光谱、直接激励双光子谱、多普勒双光子谱、双共振光抽运光谱等，也可以利用飞秒光学频率梳对原子的超精细能级频率间隔直接测量。然而，通常激光器频率扫描时的非线性效应、外界温度变化带来的光学参考腔的频率漂移会不可避免地影响测量精度，并且采用双共振谱测量需要用到两个激光器，电光调制器用于对探测光进行频率调制，所以驱动电光调制器的信号源的频率精度决定了谱线的线宽，使得超精细耦合常数的测量精度难以进一步提高。

发明内容

[0004] 为了克服上述现有方法存在的问题，本发明提供一种全新的基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置及方法，利用热原子的多普勒效应以及坏腔区域谐振腔的光学弱反馈机制，实现原子超精细能级间隔测量，能够提升测量原子超精细能级间隔的精度。

[0005] 本发明通过将四能级系统的泵浦光锁定到特定的超精细跃迁能级，结合原子的多普勒效应及跃迁选择定则，使被测量的泵浦光上能级的对应超精细能级上都有粒子数，之后被测量能态上的原子经自发辐射掉落到钟激光辐射的上能级，最后利用主动光钟坏腔范围内谐振腔的弱反馈机制，在四能级量子系统的钟跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射输出，由于多普勒效应，两个速度群的原子对钟激光输出都有贡献，因此通过测量钟激光包含的频率成分或直接测量其拍频信号的频率，同时考虑到四能级主动光钟系统的泵浦光与钟激光的波长比，就可以精确测量泵浦光上能级的超精细能级间隔。

[0006] 现有传统的实验测量方法通常涉及双共振光谱，实验中需要两个激光器，并对探测光进行频率调制，调制频率的精度直接影响测量光谱的线宽；双共振谱的线宽在MHz量级，增加了实验测量的统计误差，使得测量精度难以进一步提高；而本发明所提出的基于四能级主动光钟实现超精细能级间隔的测量装置和方法，对坏腔区域原子受激辐射输出光频率成分直接进行分析，进而对被测能态的超精细能级间隔标定，利用主动光钟坏腔区域原子之间的弱耦合协作受激行为，量子参考系统受激辐射直接输出钟跃迁信号，具有更窄的量子极限线宽，因此，本发明的测量方法可以大大提高超精细能级间隔的测量精度；并且输出频率具有较好的腔牵引抑制效应，所以对外界温度变化引起的腔长变化不敏感。同时该方法也可以普适地扩展到碱金属四能级主动光钟系统上，丰富超精细能级间隔的测量数量。

[0007] 本发明的核心是：基于四能级主动光钟系统，泵浦光频率通过稳频模块，锁定在碱金属原子基态的一个超精细能级F到第二激发态的两个超精细能级F1’和F2’交叉线F12’的跃迁频率上(其中F比F1’的量子数大1，F和F2’的量子数相等)，第二激发态的两个超精细能级F1’和F2’之间的频率间隔既是本发明需测量的超精细能级间隔Δν，F到F1’的跃迁波长为λ。同一种类的碱金属原子作为四能级主动光钟的增益介质(以下统称为原子)，由于多普勒效应，不同速度群的原子感受的泵浦光频率不同，同时由选择定则知，基态的一个超精细能级F上的原子可以被分别激发到第二激发态的两个超精细能级F1’和F2’上：(1)与泵浦光同向运动，速度为υ与泵浦λ×Δν浦光的原子，感受到的泵浦光频率对应F-F1’的超精细能级跃迁；(2)与泵浦光反向运动，速度为υ与泵浦λ×Δν浦光的原子，感受到的泵浦光频率对应F-F2’的超精细能级跃迁；这两个速度群的原子都可以自发辐射到四能级量子系统钟跃迁能级的上能级F”，利用主谐振腔的弱反馈机制，在钟跃迁能级间形成粒子数反转，最终受激辐射掉落到四能级量子系统钟跃迁能级的下能级F”’，输出主动光频标信号，波长为λ’。由于两个速度群的原子对钟跃迁信号都有贡献，因此受激辐射的主动光频标信号具有两个频率成分，其频率差Δ率为：Δν×(λ/λ’)，通过测量频率差Δ通可以反推第二激发态的两个超精细能级F1’和F2’之间的频率间隔Δν，最终实现基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置及方法。上述能级跃迁如图1所示。

[0008] 本发明的技术方案是：

[0009] 一种基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置，包括：泵浦激光源的频率稳定单元、四能级主动光钟谐振腔单元、超精细能级间隔测量单元。

[0010] 泵浦激光源的频率稳定单元包括：泵浦激光源、泵浦激光源驱动电路、光隔离器、半波片、偏振分光棱镜、反射镜、调制转移谱稳频模块、伺服反馈电路，其中，泵浦激光源驱动电路连接泵浦激光源，调制转移谱稳频模块连接伺服反馈电路，伺服反馈电路连接泵浦源驱动电路，其他元器件依次按顺序摆放：泵浦激光源后面放置光隔离器、半波片、偏振分光棱镜、反射镜、调制转移谱稳频模块和伺服反馈电路；四能级主动光钟谐振腔单元包括：一体化谐振腔腔体、压电陶瓷片、谐振腔腔镜-平面镜、增益介质-碱金属原子气室、谐振腔腔镜-平凹镜、加热保温模块、磁屏蔽模块，其中压电陶瓷片连接在一体化谐振腔腔体上，谐振腔腔镜-平面镜连接在压电陶瓷片上，谐振腔腔镜-平凹镜连接在一体化谐振腔腔体上，增益介质-碱金属原子气室放置在一体化谐振腔腔体内部，加热保温模块放置在一体化谐振腔腔体外部，磁屏蔽模块放置在加热保温模块外部；超精细能级间隔测量单元包括：测量模块。

[0011] 泵浦激光源的频率稳定单元中，泵浦激光源选用窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，泵浦激光源与泵浦激光源驱动电路相连接，并由泵浦激光源驱动电路控制；光隔离器用于防止激光反馈，影响泵浦激光源输出频率；半波片与偏振分光棱镜结合，通过旋转半波片与偏振分光棱镜之间的角度，调节从偏振分光棱镜透射到一体化谐振腔腔体的光强，即泵浦光的光强；经偏振分光棱镜反射的激光经反射镜、调制转移谱稳频模块、伺服反馈电路，将误差信号反馈回泵浦激光源驱动电路，实现泵浦激光源的频率稳定。

[0012] 四能级主动光钟谐振腔单元的一体化谐振腔腔体的材料选用具有超低热膨胀系数的单晶硅或微晶玻璃，减小外界环境温度变化带来的谐振腔腔长的变化；压电陶瓷片的形变量大于钟激光波长的一半，满足腔模频率变化范围大于一个自由光谱范围的要求；谐振腔腔镜-平面镜和谐振腔腔镜-平凹镜分别内嵌于一体化谐振腔腔体中，增加谐振腔的机械稳定性；增益介质-碱金属原子气室中充有纯铯原子，增益介质-碱金属原子气室内置于一体化谐振腔腔体中，一体化谐振腔腔体内部抽真空，减小空气抖动对钟激光的影响；一体化谐振腔腔体外部放置加热保温模块，使原子温度变化范围小于0.01℃，减小原子与原子之间以及原子与原子气室之间碰撞引入的频移与展宽；保温模块外面放置磁屏蔽模块，减小外部磁场波动引起的塞曼频移与展宽。

[0013] 超精细能级间隔测量单元包括：测量模块由探测器和频率计数器，频率计数器采用铯钟作为外部参考源，对输出钟激光所携带的频率成分进行精密测量。

[0014] 仔细设计谐振腔腔镜-平面镜和谐振腔腔镜-平凹镜的镀膜参数，使原子增益线宽小于腔模线宽(坏腔激光工作区域，可参考文献：J.Chen,“Active optical clock,”Chin.Sci.Bull 54,pp.348-352(2009))，从而使需要测量的钟激光工作在坏腔区域，相比于好腔区域的激光具有腔牵引抑制优势，有利于压窄钟激光线宽；

[0015] 增益介质-碱金属原子气室作为钟激光的增益介质，放置在玻璃泡中，玻璃泡为圆柱形壳体，两端面平整，不会引起激光光斑的变形；玻璃泡中充有碱金属原子或碱金属原子和缓冲气体；碱金属原子为铷、铯、钾中的一种；缓冲气体采用惰性气体，如氩、氪或氙，整个主谐振腔(一体化谐振腔腔体)外接温控精度小于0.01℃的温控系统(加热保温模块)用于加热并保温，减小碰撞频移与增宽；

[0016] 一体化谐振腔腔体置于磁屏蔽盒中，磁屏蔽盒选用四层坡莫合金制造，减小外界磁场变化带来的塞曼频移与增宽；

[0017] 进一步，泵浦激光源选用超窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，激光器输出的激光经调制转移谱稳频，可以减小泵浦光带来的线宽展宽。

[0018] 更进一步，控制泵浦光对应的四能级量子系统的跃迁频率，使所需测量态的所有超精细能级上都有粒子数，测量模块由探测器和频率计数器组成，其中探测器用于探测两个受激辐射钟激光的拍频信号，频率计数器用于对探测到的信号进行测量，并采用铯原子微波钟作为频率计数器的外部参考，实现一种基于四能级主动光钟的原子超精细能级间隔测量。

[0019] 本发明的另一个目的在于提供一种基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置的实现方法。

[0020] 本发明的基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置的实现方法，包括以下步骤：

[0021] 1)将作为主动光钟增益介质的碱金属原子或碱金属原子和缓冲气体充入玻璃泡中，将玻璃泡置于谐振腔内，并在谐振腔外部进行加热并控温，在谐振腔的最外层放置磁屏蔽盒，隔绝外界磁场波动对增益介质的影响；

[0022] 2)泵浦激光源驱动电路用于驱动泵浦激光源输出激光，首先经过光隔离器防止光反馈，再经过半波片和偏振分光棱镜，旋转半波片与偏振分光棱镜之间的角度可以调节透射光和反射光的强度，强透射光作为主动光钟增益介质的泵浦光，弱反射光输入到调制转移谱稳频模块，得到高性能的调制转移谱信号，调制转移谱信号通过伺服反馈电路反馈回激光器的控制器和激光头，实现激光器的激光频率锁定。以上步骤实现了泵浦光的稳频。

[0023] 为了实现泵浦光上能级的被测量超精细能级上都有粒子数，泵浦光的频率不能正好对应原子的跃迁能级，这里选用的是下能级的一个超精细能级到上能级的两个超精细能级交叉峰的跃迁，用来锁定四能级主动光钟的泵浦源频率。

[0024] 3)稳频的泵浦光使得需要测量超精细能级间隔的超精细能级上都有粒子数；上能级的原子自发辐射降落到钟激光的上能级上，利用主动光钟谐振腔的弱反馈机制，在跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射，由此输出携带多个频率成分的钟激光信号；

[0025] 步骤2)中经过偏振分光棱镜的透射光经调制转移谱稳频后，泵浦作为主动光钟增益介质的碱金属原子，由于热原子具有速度分布，利用多普勒效应，具有一定速度的、和泵浦光同向和反向运动的原子群，感受到的泵浦光频率正好对应不同超精细能级，根据跃迁选择定则，使得需要测量超精细能级间隔的超精细能级上都有粒子数，然后上能级的原子自发辐射降落到钟激光的上能级上，最终利用主动光钟谐振腔的弱反馈机制在跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射，实现携带多个频率成分的钟激光信号输出。

[0026] 4)通过改变压电陶瓷片的驱动电压，调节谐振腔腔长，进而改变谐振腔腔模频率，使携带多个频率成分的钟激光的增益都大于谐振腔总损耗。

[0027] 5)携带多个频率成分的钟激光信号送入到测量模块中进行频率间隔测量，并将测量的频率值乘以泵浦光与钟激光的波长比，处理后的频率值即为泵浦光上能级的超精细能级间隔。

[0028] 其中，在步骤1)中，作为增益介质的碱金属原子为铷、铯、钾中的一种；缓冲气体采用惰性气体，如氩、氪或氙。

[0029] 在步骤2)中，泵浦激光源驱动电路控制激光器的工作温度和电流，并调节激光器腔长的压电陶瓷的电压。

[0030] 在步骤3)中，谐振腔的腔镜反射率较低，保证钟激光工作在坏腔区域，即增益介质的原子的增益线宽小于腔模线宽，最终决定输出激光频率的是原子，具有腔牵引抑制效应。

[0031] 利用热原子的多普勒效应以及跃迁选择定则，使需要被测量的碱金属原子第二激发态的两个超精细能级上都有粒子数，结合主动光钟坏腔范围内原子间的弱耦合协作受激行为，使两个速度群的原子都可以受激辐射输出主动光频标信号，对主动光频标信号的频率成分进行提取并测量，最终利用四能级主动光钟直接测量碱金属原子第二激发态的两个超精细能级之间的频率间隔。

[0032] 相比于传统的超精细能级测量技术，本发明应用并结合调制转移谱稳频技术、坏腔区域谐振腔弱反馈技术以及热原子多普勒效应，本发明不同于传统的双共振谱测量或直接测量的方法，创新应用主动光钟增益介质-原子之间的弱耦合协作受激行为，通过选择合适的四能级主动光钟泵浦光的频率，利用多普勒效应和跃迁选择定则，两个速度群的原子对钟激光输出都有贡献，并利用量子参考系统受激辐射直接输出钟跃迁信号，使得钟激光输出信号中存在两个频率成分，通过直接测量钟激光的频率成分，或者间接测量两个频率成分的拍频频率，并将频率差乘以泵浦光波长和钟激光波长之比，可以精确测量出四能级主动光钟泵浦光上能级的超精细能级间隔。具有窄量子极限线宽的优势和腔牵引抑制优势，可实现更高的测量精度。

[0033] 本发明提出的基于四能级主动光钟的原子超精细能级间隔测量装置及方法主要有以下优点：

[0034] 1.本发明创新应用并结合多方面技术实现原子超精细能级间隔的测量，包括：调制转移谱稳频技术、坏腔区域谐振腔弱反馈技术、热原子多普勒效应，创新性的利用四能级主动光钟实现了原子超精细能级间隔的测量；

[0035] 2.和传统的利用双共振谱测量或直接测量的方法不同，本发明创新应用主动光钟增益介质-原子之间的弱耦合协作受激行为，量子参考系统受激辐射直接输出钟跃迁信号，具有窄量子极限线宽的优势，因此，本发明提出的方法可以大大提高原子超精细能级间隔的测量精度；

[0036] 3.由于钟激光工作在坏腔区域，其输出频率具有较好的腔牵引抑制效应，所以对外界温度改变引起的腔长变化不敏感；

[0037] 因此，本发明实现的测量方法具有更高的测量精度，而且测量系统结构简单，同时该方法也可以普适地扩展到其他碱金属四能级主动光钟系统上，丰富国际上超精细能级间隔的测量数量、提高测量精度。

附图说明

[0038] 图1为本发明提供的基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置的相关能级跃迁图；

[0039] 其中，1表示四能级主动光钟系统中基态的一个超精细能级F；3，4分别表示第二激发态的两个超精细能级F1’和F2’；2表示F到F1’和F2’交叉线的跃迁；5表示四能级量子系统钟跃迁能级的上能级；7表示四能级量子系统钟跃迁能级的下能级；6表示主动光频标信号。

[0040] 图2为本发明的基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置的实施例的结构示意图；

[0041] 其中，1—泵浦激光源；2—泵浦激光源驱动电路；3—光隔离器；4—半波片；5—偏振分光棱镜；6—反射镜；7—调制转移谱稳频模块；8—伺服反馈电路；9—压电陶瓷片；10—主动光钟谐振腔(主谐振腔)腔镜-平面镜；11—主动光钟增益介质-碱金属原子气室；12—主谐振腔腔镜-平凹镜；13—加热保温模块；14—磁屏蔽模块；15—测量模块。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

[0043] 本发明提供一种全新的基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置及其实现方法，利用热原子的多普勒效应以及坏腔区域谐振腔的光学弱反馈机制，实现原子超精细能级间隔测量，能够提升测量原子超精细能级间隔的精度。

[0044] 本发明通过调制转移稳频和坏腔区域的光学弱反馈技术，利用多普勒效应和跃迁选择定则，使被测量的超精细能级上都有粒子数，结合坏腔区域原子之间的弱耦合协作受激行为，使不同速度群的原子受激发射输出钟激光信号，利用量子参考系统的跃迁频率直接测量超精细能级间隔。相比于其他方法，本发明首次利用量子参考系统受激辐射直接输出的具有不同频率成分的钟激光测量超精细能级间隔，量子极限线宽很窄；钟激光工作在坏腔区域，具有腔牵引抑制效；可以普适地扩展到其他碱金属四能级主动光钟系统上，丰富原子超精细能级的测量数量和精度。

[0045] 图1为本发明提供的基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置的相关能级跃迁图；其中，1表示四能级主动光钟系统中基态的一个超精细能级F；3，4分别表示第二激发态的两个超精细能级F1’和F2’；2表示F到F1’和F2’交叉线的跃迁；5表示四能级量子系统钟跃迁能级的上能级；7表示四能级量子系统钟跃迁能级的下能级；6表示主动光频标信号。

[0046] 图2所示为本发明基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置的实施例的结构，本实施例的基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置包括：泵浦激光源1、泵浦激光源驱动电路2、光隔离器3、半波片4、偏振分光棱镜5、反射镜6、调制转移谱稳频模块7、伺服反馈电路8、压电陶瓷片9、主动光钟谐振腔(主谐振腔)腔镜-平面镜10、主动光钟增益介质-碱金属原子气室11、主谐振腔腔镜-平凹镜12、一体化谐振腔腔体、加热保温模块13、磁屏蔽模块14、测量模块15。

[0047] 其中，主动光钟增益介质-碱金属原子气室11中充有纯铯原子，主谐振腔腔镜10和12内嵌于一体化谐振腔腔体中，谐振腔腔体的材料选用具有超低热膨胀系数的单晶硅或微晶玻璃，减小外界环境温度变化带来的谐振腔腔长的变化；碱金属原子气室11内置于谐振腔腔体中，谐振腔腔体内部抽真空，减小空气抖动对坏腔激光的影响；腔体外部放置加热保温模块13，使原子温度变化范围小于0.01℃，减小原子与原子之间以及原子与原子气室之间碰撞引入的频移与展宽；保温模块外面放置磁屏蔽模块14，减小外部磁场波动引起的塞曼频移与展宽；仔细设计主谐振腔镀膜参数，使原子增益线宽远小于腔模线宽，从而使钟激光工作在坏腔区域；压电陶瓷片9的带宽大于30kHz，满足腔模频率变化范围大于一个自由光谱范围的要求；半波片4与偏振分光棱镜5结合，通过旋转半波片与偏振分光棱镜之间的角度，调节从偏振分光棱镜透射到主谐振腔的光强，即泵浦光的光强；泵浦激光源1选用窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，由泵浦激光源驱动电路2控制，激光器输出的激光经调制转移谱稳频模块7稳频，减小泵浦光带来的钟激光线宽增宽；测量模块15由探测器和频率计数器组成，频率计数器采用铯钟作为外部参考源，对输出钟激光所携带的频率成分进行精密测量。

[0048] 在本实施例中，主动光钟增益介质-碱金属原子采用铯133原子，并基于四能级主动光钟测量铯133原子7P1/2态超精细能级F＝3与F＝4之间的频率间隔。由于铯原子电子结构相对简单，时间基准秒的就定义在铯133原子的基态超精细能级跃迁频率上，其在计量领域具有突出的地位，所以本实施例选用铯133原子；目前，多个研究组开展了关于关于铯原子激发态的超精细能结构测量，但是关于铯原子7P1/2态超精细能级结构的测量只有两个研究单位分别于1962年和2018年进行了报道，实验数据的精度有待提高，所以本实施例测量铯133原子7P1/2态超精细能级F＝3与F＝4之间的频率间隔。

[0049] 泵浦激光源1采用超窄线宽干涉滤光片外腔半导体激光器，输出激光波长为459nm，并且泵浦激光源激光的频率通过调制转移谱稳频模块7、伺服反馈电路8锁定在
459nm泵浦光锁定在基态6S1/2F＝4到第一激发态7P1/2F’＝3&4交叉峰的跃迁线上，由于热原子具有速度分布，不同速度群的原子感受的459nm泵浦光频率不同，由选择定则知，两个速度群的基态6S1/2的原子可以被分别泵浦到7P1/2态的两个超精细能级F’＝3和F’＝4上(超精细能级间隔为Δν)：(1)与泵浦光同向运动，速度为υ1～+459.3nm×Δν/2的速度群原子，感受到的泵浦光频率对应6S1/2F＝4-7P1/2F’＝3的跃迁；(2)与459nm泵浦光反向运动，速度为υ
2～-459.3nm×Δν/2的速度群原子，感受到的泵浦光频率对应6S1/2F＝4-7P1/2F’＝4的跃迁；这两个速度群的原子都可以自发辐射到7S1/2F”＝4超精细能级，利用坏腔区域的谐振腔弱反馈机制，最终在在7S1/2和6P3/2能级间形成粒子数反转，受激辐射输出对应7S1/2F”＝4-
6P3/2F”’＝5的1470nm钟激光，那么这两个速度群的原子受激辐射光谱的频率差Δf为：Δν*(459nm/1470nm)，通过测量频率差Δf可以反推7P1/2态的超精细能级间隔Δν，最终利用四能级主动光钟的多普勒频移测量铯原子7P1/2态超精细能级结构。

[0050] 本实施例的基于四能级主动光钟的超精细能级间隔测量装置及其实现方法，包括以下步骤：

[0051] 1)将主动光钟增益介质-碱金属铯原子充入玻璃泡中，将玻璃泡置于一体化谐振腔腔体内，并在一体化谐振腔外部放置加热保温模块13进行加热并控温，在最外层放置磁屏蔽模块14，减小外界磁场波动对增益介质铯原子的影响；

[0052] 2)泵浦激光源驱动电路2用于驱动泵浦激光源1输出激光，首先经过隔离器3防止光反馈，再经过第一半波片4和偏振分光棱镜5，旋转第一半波片4与偏振分光棱镜5之间的角度可以调节透射光和反射光的强度，强透射光用于泵浦主谐振腔中的铯原子，弱反射光输入到调制转移谱稳频模块7，得到高性能的调制转移谱信号，调制转移谱信号通过伺服反馈电路8反馈回泵浦激光源驱动电路2，从而将激光器的激光频率锁定在铯133原子基态6S1/2F＝4到第一激发态7P1/2F’＝3&4交叉峰的跃迁谱线上。以上步骤实现了泵浦光源的稳频。

[0053] 3)步骤2)中经过偏振分光棱镜5的透射光经调制转移谱稳频后，泵浦碱金属原子气室11中的铯原子，通过主谐振腔的弱反馈在铯原子跃迁能级之间形成多原子相干受激辐射，输出携带两个频率成分的钟激光。

[0054] 4)通过改变压电陶瓷片9的驱动电压，调节谐振腔腔长，进而改变谐振腔腔模频率，使携带多个频率成分的钟激光的增益都大于谐振腔总损耗。

[0055] 5)携带多个频率成分的钟激光信号送入到测量模块15中进行频率间隔测量，并将测量的频率值乘以泵浦光与钟激光的波长比，处理后的频率值即为泵浦光上能级的超精细能级间隔。

[0056] 其中，在步骤1)中，主动光钟增益介质-碱金属原子为纯铯133原子，也可以是铷87和85原子加缓冲气体，缓冲气体采用惰性气体，如氩、氪或氙。

[0057] 在步骤2)中，泵浦激光源驱动电路2控制泵浦激光源1的工作温度和电流，并调节激光器腔长的压电陶瓷的电压。

[0058] 在步骤3)中，主谐振腔的腔镜反射率很低，保证1470nm激光工作在坏腔区域，即原子的增益线宽远小于腔模线宽，最终决定激光器输出频率的是原子，相比于传统激光器具有更小的量子极限线宽。

[0059] 最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。比如相同的装置和方法可应用于铷、钾、钠等碱金属原子。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。