史田田,潘多,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)與新型光纖通信系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 100871)

0 引言

原子鐘,即精密時間頻率標(biāo)準(zhǔn),在精密測量、信息網(wǎng)絡(luò)時間同步、國際原子時的守時和校準(zhǔn)、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。因此在計量領(lǐng)域,原子鐘一直是重點研究方向之一。以光頻躍遷作為參考譜線的光頻原子鐘,比用微波躍遷作為參考譜線的微波原子鐘的工作頻率高4～5個量級,具有更優(yōu)越的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度指標(biāo),目前光晶格鐘和單離子光鐘已經(jīng)實現(xiàn)了10-18量級的頻率不確定度和穩(wěn)定度指標(biāo)[1-2],但傳統(tǒng)的光鐘多為被動式的,其腔模線寬一般遠(yuǎn)大于增益線寬,輸出激光頻率主要受諧振腔腔長抖動的影響,而且超穩(wěn)、超窄線寬激光器的控制系統(tǒng)龐大復(fù)雜、容易受外界環(huán)境干擾,鎖頻激光系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度最終受限于由布朗運動導(dǎo)致的腔長熱噪聲,因此,如果原理上有突破,光鐘發(fā)展可能有大的飛躍。

為了突破被動光頻標(biāo)的限制,我們創(chuàng)新性的提出了主動光鐘[3-4]的概念,主動光鐘方案提出后受到了國際同行的關(guān)注,多個研究組對其進(jìn)行了實驗驗證和引用,并進(jìn)行了基于不同原子體系的主動光鐘方案研究[5-9]。經(jīng)過實驗和理論驗證：二能級原子束型主動光鐘的性能受限于二階Doppler頻移；光晶格囚禁的三能級主動光鐘囚禁的原子數(shù)少,輸出光功率極弱,實驗上不易實現(xiàn),而且泵浦光還會引入較大光頻移問題；基于激光冷卻與囚禁的光晶格主動光鐘輸出的是脈沖型激光；而四能級主動光鐘可以將泵浦光與受激輻射的相關(guān)能級分離,降低泵浦光對主動光鐘受激輻射相關(guān)原子能級和輸出光頻率的影響。綜合考慮以上因素,本研究小組開展了基于銫原子四能級量子系統(tǒng)的主動光鐘研究。

1 主動光鐘

主動式光頻標(biāo),利用量子參考系統(tǒng)受激輻射直接輸出鐘躍遷信號,其輸出線寬可遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)激光器輸出激光的線寬,同時,其輸出激光的中心頻率決定于量子躍遷頻率而非腔模中心頻率,可以抑制腔牽引效應(yīng),輸出頻率受到諧振腔長度噪聲的影響明顯減小,由此可突破光鐘發(fā)展的技術(shù)瓶頸,達(dá)到毫赫茲量級的量子極限線寬[10]。目前北京大學(xué)光頻標(biāo)研究組已經(jīng)在實驗上實現(xiàn)了銫原子四能級主動光鐘[11-14]的初步研制,輸出線寬均在百赫茲量級,且驗證了腔牽引效應(yīng)的抑制作用。

雖然四能級主動光鐘可以有效地抑制腔牽引效應(yīng),減小腔長熱噪聲對輸出頻率的影響,但是由于沒有鎖定腔長,1 470 nm鐘激光仍然受限于剩余腔牽引效應(yīng),使輸出激光線寬不能進(jìn)一步壓窄。為了實現(xiàn)主動光鐘鐘激光量子極限線寬,需保證諧振腔腔長的穩(wěn)定,因此相繼提出了“好壞腔雙波長主動光頻標(biāo)”[15-17]的實驗方案,實現(xiàn)毫赫茲量級的主動光頻標(biāo)輸出。

2 好壞腔雙波長主動光頻標(biāo)

采用好壞腔雙波長主動光頻標(biāo)的實驗方法，通過搭建兩套一體化雙波長主動光鐘系統(tǒng)，分別測試了好壞腔信號的輸出功率特性、線寬特性以及腔牽引特性等，再結(jié)合PDH穩(wěn)頻技術(shù)，用好腔激光穩(wěn)定主動光鐘諧振腔腔長，可以真正發(fā)揮主動光頻標(biāo)的性能優(yōu)勢。

2.1 實驗原理

主動光鐘最主要的特點和優(yōu)勢在于其被顯著壓制的腔牽引效應(yīng),這保證了其輸出頻率受諧振腔腔長噪聲的影響小,為了獲得盡量窄的輸出線寬,首先要保證主動光鐘的諧振腔本身的腔長已經(jīng)鎖定,在此基礎(chǔ)上,利用主動光鐘的腔牽引效應(yīng)抑制機制將諧振腔長度噪聲帶來的影響進(jìn)一步弱化,才能獲得足夠窄的主動光鐘輸出線寬。在現(xiàn)有的被動光鐘本振激光的鎖定技術(shù)中,利用室溫環(huán)境下的超腔,PDH穩(wěn)頻技術(shù)已經(jīng)可以將激光的輸出線寬壓窄到1 Hz以下。結(jié)合PDH穩(wěn)頻技術(shù),本課題組提出了好壞腔雙波長主動光頻標(biāo)的實驗方案,可進(jìn)一步壓窄鐘激光信號的輸出線寬。

圖1為1 064 nm/1 470 nm好壞腔雙波長主動光鐘的實驗原理圖。主諧振腔選用合適鍍膜的腔鏡,其中M1為平面鏡,鍍有1 064 nm和1 470 nm高反以及808 nm和459 nm高透,M2為曲率半徑r=500 mm的平凹鏡,鍍有1 064 nm高反,對1 470 nm的反射率為70%,考慮到Cs泡和Nd:YAG晶體的損耗,計算得到1 064 nm和1 470 nm信號分別工作在好腔區(qū)域和深度壞腔區(qū)域。Nd:YAG晶體和Cs泡作為好腔和壞腔的增益介質(zhì),共用一個主諧振腔,用808 nm半導(dǎo)體激光器端面泵浦Nd:YAG晶體輸出1 064 nm好腔激光信號；同時,經(jīng)過飽和譜穩(wěn)頻的459 nm 激光作為泵浦光激勵銫原子氣室輸出1 470 nm壞腔主動光鐘信號。1 064 nm和1 470 nm雙波長信號經(jīng)過特殊鍍膜的鏡子,將好壞腔信號分離,其中1 064 nm好腔信號結(jié)合PDH穩(wěn)頻技術(shù)鎖定在線寬為1 Hz的超腔上,實現(xiàn)主諧振腔腔長的穩(wěn)定；由于壞腔系統(tǒng)具有對腔牽引效應(yīng)的抑制特性,1 470 nm鐘激光可在1 064 nm好腔信號PDH穩(wěn)頻的基礎(chǔ)上輸出線寬進(jìn)一步壓窄1～2個量級,實現(xiàn)毫赫茲量級的鐘激光輸出線寬。

注：PZT為壓電陶瓷；SAS為飽和吸收光譜；PD為探測器

國際上最新報道的實驗結(jié)果表明,通過PDH穩(wěn)頻技術(shù)可實現(xiàn)線寬小于10 mHz的窄線寬激光[18-19],隨著光鐘技術(shù)的不斷提高,激光線寬是目前被動型光鐘穩(wěn)定度進(jìn)一步提高的主要制約,此技術(shù)仍存在一些已知的局限性：激光線寬由諧振腔的穩(wěn)定性決定,而諧振腔本身受腔鏡及腔體自身的布朗熱噪聲限制,穩(wěn)定性難以進(jìn)一步提高。若想實現(xiàn)毫赫茲量級的窄線寬激光,超腔需工作在極地溫度[18-19],這極大地增加了PDH鎖頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和實現(xiàn)難度。而基于雙波長好壞腔主動光鐘方案實現(xiàn)的主動光頻標(biāo),在常溫下就可實現(xiàn)同等量級的窄線寬激光輸出,可以克服目前光鐘發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。

2.2 實驗進(jìn)展

目前在實驗上已經(jīng)實現(xiàn)了雙波長激光輸出,完成了對實驗結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計及搭建,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,實驗裝置如圖2所示。并分別測試了1 064 nm和1 470 nm好壞腔信號的輸出特性,包括輸出功率特性、線寬與腔牽引特性等。搭建兩套一體化雙波長主動光鐘系統(tǒng),通過合適鍍膜的鏡子分別得到1 064 nm和1 470 nm好壞腔信號,并實驗測試1 064 nm和1 470 mn好壞腔激光輸出功率隨808 nm和459 nm泵浦光功率的變化曲線,如圖3所示,其中1 064 nm和1 470 nm好壞腔信號隨其泵浦光功率的增加而增加。通過兩套系統(tǒng)拍頻測得1 064 nm好腔信號的洛倫茲擬合線寬為15.4 kHz,即1 064 nm好腔激光的輸出線寬為10.9 kHz,用同樣的辦法測得1 470 nm壞腔信號的輸出線寬331 Hz。由于腔長沒有鎖定,1 470 nm鐘激光信號仍然受剩余腔牽引效應(yīng)的影響,輸出線寬遠(yuǎn)大于計算得到的72 mHz量子極限線寬,接下來利用PDH穩(wěn)頻技術(shù)將雙波長中的1 064 nm好腔信號線寬壓窄到1 Hz,在此基礎(chǔ)上利用1 470 nm壞腔主動光鐘信號的腔牽引抑制效應(yīng),輸出線寬將優(yōu)于1 064 nm好腔信號兩個數(shù)量級,最終實現(xiàn)毫赫茲量級的鐘激光線寬。

圖2 1 064 nm/1 470 nm好壞腔雙波長主動光頻標(biāo)實物圖

圖3 1 064 nm/1 470 nm輸出功率隨808 nm/459 nm泵浦光功率的變化圖

3 結(jié)語

好壞腔雙波長方案利用主動式光鐘對腔牽引效應(yīng)的抑制特性,并與被動式光鐘的PDH穩(wěn)頻技術(shù)結(jié)合,可以使系統(tǒng)的穩(wěn)定度在PDH穩(wěn)頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高。經(jīng)過初步的實驗探索,我們在實驗上已經(jīng)實現(xiàn)了1 064 nm/1 470 nm好壞腔雙波長主動光鐘信號輸出,并測試了好壞腔輸出信號的相關(guān)特性,為接下來利用PDH穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)腔長奠定了基礎(chǔ),最終實現(xiàn)對諧振腔宏觀噪聲不敏感的高性能主動光鐘。