好坏腔双波长主动光频标的实验进展

史田田,潘多,陈景标

(1.北京大学 信息科学技术学院 量子电子学研究所,北京 100871；2.北京大学 信息科学技术学院 区域光纤通信网与新型光纤通信系统国家重点实验室,北京 100871)

0 引言

原子钟,即精密时间频率标准,在精密测量、信息网络时间同步、国际原子时的守时和校准、全球导航定位系统等领域有着重要应用。因此在计量领域,原子钟一直是重点研究方向之一。以光频跃迁作为参考谱线的光频原子钟,比用微波跃迁作为参考谱线的微波原子钟的工作频率高4～5个量级,具有更优越的准确度和稳定度指标,目前光晶格钟和单离子光钟已经实现了10-18量级的频率不确定度和稳定度指标[1-2],但传统的光钟多为被动式的,其腔模线宽一般远大于增益线宽,输出激光频率主要受谐振腔腔长抖动的影响,而且超稳、超窄线宽激光器的控制系统庞大复杂、容易受外界环境干扰,锁频激光系统的频率稳定度最终受限于由布朗运动导致的腔长热噪声,因此,如果原理上有突破,光钟发展可能有大的飞跃。

为了突破被动光频标的限制,我们创新性的提出了主动光钟[3-4]的概念,主动光钟方案提出后受到了国际同行的关注,多个研究组对其进行了实验验证和引用,并进行了基于不同原子体系的主动光钟方案研究[5-9]。经过实验和理论验证：二能级原子束型主动光钟的性能受限于二阶Doppler频移；光晶格囚禁的三能级主动光钟囚禁的原子数少,输出光功率极弱,实验上不易实现,而且泵浦光还会引入较大光频移问题；基于激光冷却与囚禁的光晶格主动光钟输出的是脉冲型激光；而四能级主动光钟可以将泵浦光与受激辐射的相关能级分离,降低泵浦光对主动光钟受激辐射相关原子能级和输出光频率的影响。综合考虑以上因素,本研究小组开展了基于铯原子四能级量子系统的主动光钟研究。

1 主动光钟

主动式光频标,利用量子参考系统受激辐射直接输出钟跃迁信号,其输出线宽可远远小于传统激光器输出激光的线宽,同时,其输出激光的中心频率决定于量子跃迁频率而非腔模中心频率,可以抑制腔牵引效应,输出频率受到谐振腔长度噪声的影响明显减小,由此可突破光钟发展的技术瓶颈,达到毫赫兹量级的量子极限线宽[10]。目前北京大学光频标研究组已经在实验上实现了铯原子四能级主动光钟[11-14]的初步研制,输出线宽均在百赫兹量级,且验证了腔牵引效应的抑制作用。

虽然四能级主动光钟可以有效地抑制腔牵引效应,减小腔长热噪声对输出频率的影响,但是由于没有锁定腔长,1 470 nm钟激光仍然受限于剩余腔牵引效应,使输出激光线宽不能进一步压窄。为了实现主动光钟钟激光量子极限线宽,需保证谐振腔腔长的稳定,因此相继提出了“好坏腔双波长主动光频标”[15-17]的实验方案,实现毫赫兹量级的主动光频标输出。

2 好坏腔双波长主动光频标

采用好坏腔双波长主动光频标的实验方法，通过搭建两套一体化双波长主动光钟系统，分别测试了好坏腔信号的输出功率特性、线宽特性以及腔牵引特性等，再结合PDH稳频技术，用好腔激光稳定主动光钟谐振腔腔长，可以真正发挥主动光频标的性能优势。

2.1 实验原理

主动光钟最主要的特点和优势在于其被显著压制的腔牵引效应,这保证了其输出频率受谐振腔腔长噪声的影响小,为了获得尽量窄的输出线宽,首先要保证主动光钟的谐振腔本身的腔长已经锁定,在此基础上,利用主动光钟的腔牵引效应抑制机制将谐振腔长度噪声带来的影响进一步弱化,才能获得足够窄的主动光钟输出线宽。在现有的被动光钟本振激光的锁定技术中,利用室温环境下的超腔,PDH稳频技术已经可以将激光的输出线宽压窄到1 Hz以下。结合PDH稳频技术,本课题组提出了好坏腔双波长主动光频标的实验方案,可进一步压窄钟激光信号的输出线宽。

图1为1 064 nm/1 470 nm好坏腔双波长主动光钟的实验原理图。主谐振腔选用合适镀膜的腔镜,其中M1为平面镜,镀有1 064 nm和1 470 nm高反以及808 nm和459 nm高透,M2为曲率半径r=500 mm的平凹镜,镀有1 064 nm高反,对1 470 nm的反射率为70%,考虑到Cs泡和Nd:YAG晶体的损耗,计算得到1 064 nm和1 470 nm信号分别工作在好腔区域和深度坏腔区域。Nd:YAG晶体和Cs泡作为好腔和坏腔的增益介质,共用一个主谐振腔,用808 nm半导体激光器端面泵浦Nd:YAG晶体输出1 064 nm好腔激光信号；同时,经过饱和谱稳频的459 nm 激光作为泵浦光激励铯原子气室输出1 470 nm坏腔主动光钟信号。1 064 nm和1 470 nm双波长信号经过特殊镀膜的镜子,将好坏腔信号分离,其中1 064 nm好腔信号结合PDH稳频技术锁定在线宽为1 Hz的超腔上,实现主谐振腔腔长的稳定；由于坏腔系统具有对腔牵引效应的抑制特性,1 470 nm钟激光可在1 064 nm好腔信号PDH稳频的基础上输出线宽进一步压窄1～2个量级,实现毫赫兹量级的钟激光输出线宽。

注：PZT为压电陶瓷；SAS为饱和吸收光谱；PD为探测器

国际上最新报道的实验结果表明,通过PDH稳频技术可实现线宽小于10 mHz的窄线宽激光[18-19],随着光钟技术的不断提高,激光线宽是目前被动型光钟稳定度进一步提高的主要制约,此技术仍存在一些已知的局限性：激光线宽由谐振腔的稳定性决定,而谐振腔本身受腔镜及腔体自身的布朗热噪声限制,稳定性难以进一步提高。若想实现毫赫兹量级的窄线宽激光,超腔需工作在极地温度[18-19],这极大地增加了PDH锁频系统结构的复杂性和实现难度。而基于双波长好坏腔主动光钟方案实现的主动光频标,在常温下就可实现同等量级的窄线宽激光输出,可以克服目前光钟发展的主要技术瓶颈。

2.2 实验进展

目前在实验上已经实现了双波长激光输出,完成了对实验结构的一体化设计及搭建,提高了系统稳定性,实验装置如图2所示。并分别测试了1 064 nm和1 470 nm好坏腔信号的输出特性,包括输出功率特性、线宽与腔牵引特性等。搭建两套一体化双波长主动光钟系统,通过合适镀膜的镜子分别得到1 064 nm和1 470 nm好坏腔信号,并实验测试1 064 nm和1 470 mn好坏腔激光输出功率随808 nm和459 nm泵浦光功率的变化曲线,如图3所示,其中1 064 nm和1 470 nm好坏腔信号随其泵浦光功率的增加而增加。通过两套系统拍频测得1 064 nm好腔信号的洛伦兹拟合线宽为15.4 kHz,即1 064 nm好腔激光的输出线宽为10.9 kHz,用同样的办法测得1 470 nm坏腔信号的输出线宽331 Hz。由于腔长没有锁定,1 470 nm钟激光信号仍然受剩余腔牵引效应的影响,输出线宽远大于计算得到的72 mHz量子极限线宽,接下来利用PDH稳频技术将双波长中的1 064 nm好腔信号线宽压窄到1 Hz,在此基础上利用1 470 nm坏腔主动光钟信号的腔牵引抑制效应,输出线宽将优于1 064 nm好腔信号两个数量级,最终实现毫赫兹量级的钟激光线宽。

图2 1 064 nm/1 470 nm好坏腔双波长主动光频标实物图

图3 1 064 nm/1 470 nm输出功率随808 nm/459 nm泵浦光功率的变化图

3 结语

好坏腔双波长方案利用主动式光钟对腔牵引效应的抑制特性,并与被动式光钟的PDH稳频技术结合,可以使系统的稳定度在PDH稳频系统的基础上进一步提高。经过初步的实验探索,我们在实验上已经实现了1 064 nm/1 470 nm好坏腔双波长主动光钟信号输出,并测试了好坏腔输出信号的相关特性,为接下来利用PDH稳频技术稳腔长奠定了基础,最终实现对谐振腔宏观噪声不敏感的高性能主动光钟。