張盛楠,涂建輝,崔敬忠,陳景標(biāo)

(1.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 量子電子學(xué)研究所,北京 100871；2.北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871；3.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730000)

0 引言

原子鐘是目前最準(zhǔn)確和最穩(wěn)定的時(shí)頻測(cè)量工具,在精密測(cè)量、基本物理原理驗(yàn)證、衛(wèi)星導(dǎo)航定位和高速網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[1-2]。傳統(tǒng)的銣原子微波鐘,因其系統(tǒng)小巧易搬運(yùn),在很多領(lǐng)域應(yīng)用甚廣。目前,商用的銣原子微波鐘秒頻率穩(wěn)定度在10-11～10-12水平[3-4],由于受限于鐘躍遷頻率的大小,其頻率穩(wěn)定度很難進(jìn)一步提高。而光頻較微波頻率要高出4～5個(gè)量級(jí),因此光鐘具有更高的準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度[5-6]。近些年來光鐘的發(fā)展非常迅速,秒穩(wěn)已進(jìn)入10-16量級(jí)[7-9],優(yōu)于目前性能最優(yōu)的微波鐘兩個(gè)量級(jí)左右。在所有用于實(shí)現(xiàn)光鐘的原子樣品中,銣原子是非常常用的。主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①銣原子的熔點(diǎn)僅為39 ℃,相比高熔點(diǎn)的原子可降低系統(tǒng)的功耗；②銣原子通常存儲(chǔ)在小體積的原子氣室中,因此可簡化系統(tǒng)的復(fù)雜度；③與銣原子躍遷頻率對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體激光器已相當(dāng)成熟,可直接用于銣原子的激發(fā)。因此,銣原子光頻標(biāo)不僅具有較好的短期頻率穩(wěn)定度性能,還能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和工程化。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本文選取85Rb 5S1/2→ 6P3/2作為鐘躍遷(6P3/2自然線寬為1.45 MHz[10]),420 nm干涉濾光片型半導(dǎo)體激光器作為光源[11],利用調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻技術(shù)[12-16],直接將420 nm半導(dǎo)體激光穩(wěn)定在5S1/2F=3 → 6P3/2F′=4超精細(xì)躍遷線上,實(shí)現(xiàn)小型超穩(wěn)銣原子光頻標(biāo)系統(tǒng)。這里采用調(diào)制轉(zhuǎn)移譜技術(shù)來進(jìn)行穩(wěn)頻,主要考慮到其具有高靈敏度、高分辨率、無多普勒背景等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)激光頻率的高精度鎖定[12,17]。實(shí)驗(yàn)原理圖和裝置圖分別如圖1和圖2所示。

注：ECDL為外腔半導(dǎo)體激光器；PBS為偏振分光棱鏡；EOM為電光調(diào)制器；Rb cell為銣泡；DDS為直接數(shù)字頻率合成信號(hào)發(fā)生器；PD為探測(cè)器；DBM為雙平衡混頻器；PID為比例積分微分電路

圖1 銣原子光頻標(biāo)實(shí)驗(yàn)原理圖

注：Laser為激光器；SIG為信號(hào)發(fā)生器；Mixer為混頻器；Amp為放大器；L-P為低通濾波；PD為探測(cè)器；PBS為偏振分光棱鏡；P為半波片；M為反射鏡；Driver為激光器驅(qū)動(dòng)電源；PID為比例積分微分電路；ISO為光學(xué)隔離器

圖2 銣原子光頻標(biāo)實(shí)驗(yàn)裝置

420 nm激光器采用的是干涉濾光片型外腔半導(dǎo)體激光器,洛倫茲線寬為24 kHz,出光功率為13 mW。420 nm激光經(jīng)過PBS分成兩束,其中一束用于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻,另一束用于其他實(shí)驗(yàn)。用于調(diào)制轉(zhuǎn)移譜穩(wěn)頻的激光功率約為3 mW,再次經(jīng)過PBS分成兩束不同功率的激光,垂直偏振的作為泵浦光,功率為2.7 mW；平行偏振的作為探測(cè)光,功率為300 μW。泵浦光經(jīng)過電光調(diào)制器(New Focus Model 4002)進(jìn)行相位調(diào)制,在銣泡中與探測(cè)光共同和銣原子發(fā)生作用。探測(cè)光被光電探測(cè)器(Thorlabs PDA8A/M)探測(cè)到,并與參考信號(hào)進(jìn)行混頻,解調(diào)出高信噪比的調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)作為誤差信號(hào),通過伺服反饋電路(Vescent D2-125)鎖定激光器的輸出頻率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)上,通過優(yōu)化泵浦光和探測(cè)光功率、銣泡的工作溫度等參數(shù),得到85Rb 5S1/2F=3→ 6P3/2的飽和吸收譜及其對(duì)應(yīng)的調(diào)制轉(zhuǎn)移譜,如圖3所示。為了讓調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)的斜率達(dá)到最大,需要優(yōu)化泵浦光功率、探測(cè)光功率、銣泡溫度等參數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)得到,在泵浦光功率為1.2 mW,探測(cè)光功率為300 μW,銣泡的溫度為165 ℃參數(shù)條件下,調(diào)制轉(zhuǎn)移譜信號(hào)的斜率最大。同時(shí)研究了不同溫度下系統(tǒng)的秒穩(wěn)和十秒穩(wěn),在165 ℃條件下,這兩個(gè)指標(biāo)都是最優(yōu)的,因此最終選擇了165 ℃。

圖3 85Rb 420 nm飽和吸收譜和調(diào)制轉(zhuǎn)移譜

根據(jù)飽和吸收譜左邊兩個(gè)峰之間的頻率間隔為19.8 MHz,標(biāo)定調(diào)制轉(zhuǎn)移譜譜線(對(duì)應(yīng)最左邊的信號(hào)F=3→F′=4)線寬為3.5 MHz。將此信號(hào)作為誤差信號(hào),通過寬帶伺服電路反饋給激光器的電流端和PZT端,實(shí)現(xiàn)激光的頻率鎖定。誤差信號(hào)鎖定前后的對(duì)比如圖4(a)所示。其中,插入的圖是鎖定2 h誤差信號(hào)的頻率波動(dòng)。從圖中可以看出,鎖定前誤差信號(hào)的幅值為670 mV,鎖定后誤差信號(hào)變成一條很細(xì)的直線,幅度波動(dòng)為20 μV,對(duì)應(yīng)激光頻率起伏是300 Hz?？梢?激光頻率得到了很好的鎖定。同時(shí)為了研究環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響,測(cè)量了實(shí)驗(yàn)室溫度18 h的變化,如圖4(b)所示。

圖4 誤差信號(hào)鎖定前后幅度的對(duì)比及實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度變化

圖5 誤差信號(hào)鎖定效果及銣原子光頻標(biāo)Allan方差

3 結(jié)語

在接下來的工作中,主要從以下幾個(gè)方面來提高系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度：①通過優(yōu)化伺服電路參數(shù),提高環(huán)路帶寬,從而提高系統(tǒng)的短期頻率穩(wěn)定度。②采取控溫、隔振等措施,減小外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。③增加激光功率穩(wěn)定裝置,減小由于功率抖動(dòng)帶來的頻率抖動(dòng),從而提高系統(tǒng)的長期頻率穩(wěn)定度。此外,我們將搭建第二套相同的系統(tǒng),通過兩套之間的拍頻,重新評(píng)估系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度。