好壞腔雙波長(zhǎng)主動(dòng)光頻標(biāo)的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展

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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871)

0 引言

原子鐘,即精密時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn),在精密測(cè)量、信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步、國(guó)際原子時(shí)的守時(shí)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(jì)量領(lǐng)域,原子鐘一直是重點(diǎn)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(gè)量級(jí),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(shí)現(xiàn)了10-18量級(jí)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(dòng)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(zhǎng)抖動(dòng)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(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的腔長(zhǎng)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(dòng)光頻標(biāo)的限制,我們創(chuàng)新性的提出了主動(dòng)光鐘[3-4]的概念,主動(dòng)光鐘方案提出后受到了國(guó)際同行的關(guān)注,多個(gè)研究組對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和引用,并進(jìn)行了基于不同原子體系的主動(dòng)光鐘方案研究[5-9]。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證：二能級(jí)原子束型主動(dòng)光鐘的性能受限于二階Doppler頻移；光晶格囚禁的三能級(jí)主動(dòng)光鐘囚禁的原子數(shù)少,輸出光功率極弱,實(shí)驗(yàn)上不易實(shí)現(xiàn),而且泵浦光還會(huì)引入較大光頻移問題；基于激光冷卻與囚禁的光晶格主動(dòng)光鐘輸出的是脈沖型激光；而四能級(jí)主動(dòng)光鐘可以將泵浦光與受激輻射的相關(guān)能級(jí)分離,降低泵浦光對(duì)主動(dòng)光鐘受激輻射相關(guān)原子能級(jí)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(jí)量子系統(tǒng)的主動(dòng)光鐘研究。

1 主動(dòng)光鐘

主動(dòng)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(hào),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(shí),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(zhǎng)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(jí)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(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了銫原子四能級(jí)主動(dòng)光鐘[11-14]的初步研制,輸出線寬均在百赫茲量級(jí),且驗(yàn)證了腔牽引效應(yīng)的抑制作用。

雖然四能級(jí)主動(dòng)光鐘可以有效地抑制腔牽引效應(yīng),減小腔長(zhǎng)熱噪聲對(duì)輸出頻率的影響,但是由于沒有鎖定腔長(zhǎng),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(shí)現(xiàn)主動(dòng)光鐘鐘激光量子極限線寬,需保證諧振腔腔長(zhǎng)的穩(wěn)定,因此相繼提出了“好壞腔雙波長(zhǎng)主動(dòng)光頻標(biāo)”[15-17]的實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)現(xiàn)毫赫茲量級(jí)的主動(dòng)光頻標(biāo)輸出。

2 好壞腔雙波長(zhǎng)主動(dòng)光頻標(biāo)

采用好壞腔雙波長(zhǎng)主動(dòng)光頻標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方法，通過搭建兩套一體化雙波長(zhǎng)主動(dòng)光鐘系統(tǒng)，分別測(cè)試了好壞腔信號(hào)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(dòng)光鐘諧振腔腔長(zhǎng)，可以真正發(fā)揮主動(dòng)光頻標(biāo)的性能優(yōu)勢(shì)。

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

主動(dòng)光鐘最主要的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)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(zhǎng)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(dòng)光鐘的諧振腔本身的腔長(zhǎng)已經(jīng)鎖定,在此基礎(chǔ)上,利用主動(dòng)光鐘的腔牽引效應(yīng)抑制機(jī)制將諧振腔長(zhǎng)度噪聲帶來的影響進(jìn)一步弱化,才能獲得足夠窄的主動(dòng)光鐘輸出線寬。在現(xiàn)有的被動(dòng)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(zhǎng)主動(dòng)光頻標(biāo)的實(shí)驗(yàn)方案,可進(jìn)一步壓窄鐘激光信號(hào)的輸出線寬。

圖1為1 064 nm/1 470 nm好壞腔雙波長(zhǎng)主動(dòng)光鐘的實(shí)驗(yàn)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(duì)1 470 nm的反射率為70%,考慮到Cs泡和Nd:YAG晶體的損耗,計(jì)算得到1 064 nm和1 470 nm信號(hào)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(gè)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(hào)；同時(shí),經(jīng)過飽和譜穩(wěn)頻的459 nm 激光作為泵浦光激勵(lì)銫原子氣室輸出1 470 nm壞腔主動(dòng)光鐘信號(hào)。1 064 nm和1 470 nm雙波長(zhǎng)信號(hào)經(jīng)過特殊鍍膜的鏡子,將好壞腔信號(hào)分離,其中1 064 nm好腔信號(hào)結(jié)合PDH穩(wěn)頻技術(shù)鎖定在線寬為1 Hz的超腔上,實(shí)現(xiàn)主諧振腔腔長(zhǎng)的穩(wěn)定；由于壞腔系統(tǒng)具有對(duì)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(hào)PDH穩(wěn)頻的基礎(chǔ)上輸出線寬進(jìn)一步壓窄1～2個(gè)量級(jí),實(shí)現(xiàn)毫赫茲量級(jí)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(cè)器

國(guó)際上最新報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過PDH穩(wěn)頻技術(shù)可實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)毫赫茲量級(jí)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(shí)現(xiàn)難度。而基于雙波長(zhǎng)好壞腔主動(dòng)光鐘方案實(shí)現(xiàn)的主動(dòng)光頻標(biāo),在常溫下就可實(shí)現(xiàn)同等量級(jí)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(shí)驗(yàn)進(jìn)展

目前在實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了雙波長(zhǎng)激光輸出,完成了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)及搭建,提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。并分別測(cè)試了1 064 nm和1 470 nm好壞腔信號(hào)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(zhǎng)主動(dòng)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(hào),并實(shí)驗(yàn)測(cè)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(hào)隨其泵浦光功率的增加而增加。通過兩套系統(tǒng)拍頻測(cè)得1 064 nm好腔信號(hào)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(cè)得1 470 nm壞腔信號(hào)的輸出線寬331 Hz。由于腔長(zhǎng)沒有鎖定,1 470 nm鐘激光信號(hào)仍然受剩余腔牽引效應(yīng)的影響,輸出線寬遠(yuǎn)大于計(jì)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(zhǎng)中的1 064 nm好腔信號(hào)線寬壓窄到1 Hz,在此基礎(chǔ)上利用1 470 nm壞腔主動(dòng)光鐘信號(hào)的腔牽引抑制效應(yīng),輸出線寬將優(yōu)于1 064 nm好腔信號(hào)兩個(gè)數(shù)量級(jí),最終實(shí)現(xiàn)毫赫茲量級(jí)的鐘激光線寬。

圖2 1 064 nm/1 470 nm好壞腔雙波長(zhǎng)主動(dòng)光頻標(biāo)實(shí)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(yǔ)

好壞腔雙波長(zhǎng)方案利用主動(dòng)式光鐘對(duì)腔牽引效應(yīng)的抑制特性,并與被動(dòng)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(shí)驗(yàn)探索,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了1 064 nm/1 470 nm好壞腔雙波長(zhǎng)主動(dòng)光鐘信號(hào)輸出,并測(cè)試了好壞腔輸出信號(hào)的相關(guān)特性,為接下來利用PDH穩(wěn)頻技術(shù)穩(wěn)腔長(zhǎng)奠定了基礎(chǔ),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振腔宏觀噪聲不敏感的高性能主動(dòng)光鐘。