緊湊光學原子鐘和基於回音壁模式光學諧振器中的參數化非線性光學混頻的應用的製作方法
2023-07-30 04:50:56
緊湊光學原子鐘和基於回音壁模式光學諧振器中的參數化非線性光學混頻的應用的製作方法
【專利摘要】本發明提供了基於由非線性光學材料製成的光學諧振器和非線性波混頻的技術和設備，以生成相對於原子參考被穩定的光梳。
【專利說明】2用。原子躍遷(例如，銫或銣中的鹼超精細波振蕩器或設備可在頻率上被穩定至原子
製成的光學諧振器提供非線性波混頻和原和設備。
封皆振器、雷射器、雷射鎖定結構、以及原子光學材料形成且基於所述光學非線性引起3並產生雷射，該雷射基於所述非線性波混義產生所述光頻梳；雷射器鎖定機構將所述:備包括提供原子躍遷或分子躍遷的原子或的光來產生攜帶所述原子躍遷或分子躍遷客、反饋電路、以及第二光學檢測器，其中第&輸出光以產生第一檢測器輸出；反饋電路反饋電路耦合至所述雷射器或所述光學諧[0009]在另一方面，提供了一種生成相對於原子頻率參考穩定的射頻(RF)信號或微波信號的方法。該方法包括:引導雷射至光學諧振器中，以在所述光學諧振器內以至少兩個不同的光學諧振器模式產生受限雷射，所述至少兩個不同的光學諧振器模式以所述光學諧振器的自由譜範圍(FSR)或所述FSR的諧波分離；將所述光學諧振器內的所述受限雷射耦合出作為光學諧振器輸出，所述光學諧振器輸出具有與所述至少兩個不同的光學諧振器模式相對應的兩個光學譜分量；相對於原子頻率參考鎖定所述光學諧振器，以穩定所述光學諧振器輸出中的與所述至少兩個不同的光學諧振器模式相對應的所述兩個光學譜分量；以及引導所述光學諧振器輸出至所述光電檢測器內，以產生在所述兩個光學譜分量間頻率差的頻率的檢測器信號，所述檢測器信號相對於所述原子頻率參考被穩定。
[0010]在另一方面，提供了一種生成光梳和相對於原子頻率參考穩定所述光梳的方法。該方法包括:操作雷射器，以產生雷射；引導所述雷射至光學諧振器內，所述光學諧振器具有光學非線性並以充足的功率支持光學回音壁模式，以基於所述光學諧振器中的非線性波混頻生成不同頻率的光梳信號；相對於彼此鎖定所述雷射器和所述光學諧振器；以及相對於原子頻率參考鎖定所述雷射器或所述光學諧振器以穩定不同頻率的所述光梳。
[0011]在又一方面，提供了一種設備，其包括:光學諧振器、雷射器、光學耦合器、以及原子參考設備，其中光學諧振器由展現光學非線性的晶體材料形成並被配置成支持回音壁模式的回音壁模式諧振器；雷射器是可調諧的並產生雷射；光學耦合器將所述雷射耦合至所述光學諧振器內，所述光學諧振器基於所述晶體材料的光學非線性產生不同頻率的光梳並將所述光學諧振器內的光從所述光學諧振器耦合回到所述雷射器，以導致所述雷射器被注入鎖定至所述光學諧振器；原子參考設備包括提供原子躍遷或分子躍遷的原子或分子並被耦合以接收從所述光學諧振器耦合出的光，以產生攜帶所述原子躍遷或分子躍遷的信息的輸出光。該設備還包括第一光學檢測器、反饋電路、以及第二光學檢測器，其中第一光學檢測器接收來自所述離子參考設備的所述輸出光，以產生第一檢測器輸出；反饋電路接收所述第一檢測器輸出並產生反饋信號，所述反饋電路耦合至所述雷射器或所述光學諧振器中的至少之一，以應用所述反饋信號來穩定所述雷射器或所述光學諧振器中的所述至少之一；以及第二光學檢測器接收通過所述光學耦合器耦合出所述光學諧振器的光，以將不同頻率的所述光梳變換成第二檢測器信號，所述第二檢測器信號在頻率上相對於所述原子參考設備的所述原子躍遷或分子躍遷被穩定。
[0012]在附圖、說明書和權利要求中詳細描述了這些及其他方面和實施。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1A、圖1B、圖1C和圖1D示出了被穩定至原子參考的光梳生成設備的一個示例；
[0014]圖2A、圖2B、圖3、圖4A、圖4B、圖5A和圖5B示出了 WGM諧振器和光學耦合設計的示例；
[0015]圖6示出了基於沒有OEO環路的非線性WGM諧振器的RF振蕩器；
[0016]圖7、圖8和圖9示出了基於非線性WGM諧振器的RF或微波振蕩器的示例；
[0017]圖10-圖15示出了用於生成光梳信號的樣本非線性WGM諧振器的測量；
[0018]圖16示出了用於通過使用外反射器將雷射器鎖定至諧振器的示例；以及
[0019]圖17、圖18、圖19、圖20和圖21示出了被穩定至原子參考的不同光梳生成設備。【具體實施方式】
[0020]光梳是具有周期性頻率或譜分量或光學諧波的光學信號，並且其特徵為各個頻率分量的光學頻率、或頻率分量中至少之一的光學頻率和頻率分量的頻率間隔或重複頻率的組合。本文中描述的設備和技術包括基於或相對於原子頻率參考或時鐘信號，使在通過來自雷射器的雷射提供的合適的光泵浦下、基於非線性光學諧振器(例如，晶體回音壁模式諧振器)中的超參數化振蕩和/或四波混頻生成的光梳的重複頻率穩定的設備和技術。本文中描述的實施示例可使用用於穩定光梳的一個原子頻率參考或用於提供兩個不同頻率鎖定點或穩定點以實現光梳信號的更健壯的穩定性的兩個不同原子頻率參考。這種被穩定的光梳信號表示相關原子頻率參考或時鐘，並且對於各種實際應用可被當作原子鐘。這種被穩定的光梳信號可通過光檢測器檢測，光電檢測器將光梳信號變換成RF或微波信號。根據光電檢測器和相應的電路系統的帶寬，RF或微波信號可包括與相鄰的頻率分量之間的頻率間隔和/或此頻率間隔的其他頻率諧波對應的RF或微波頻率。光電檢測器及其相應的電路系統可配置為在RF或微波信號中選擇一個或多個RF或微波頻率。
[0021]本文中描述的設備和技術使用光學處理來利用光域中的原子或分子中的光學原子或分子躍遷(即，原子鐘)的高精度和相對於原子鐘穩定光學信號(例如，光梳)。被穩定的光學信號然後通過光電檢測器變換到RF或微波域，以獲得具有原子鐘的頻率精度或穩定性的RF或微波信號。這種光學穩定和將光域變換至RF或微波域的方案可通過在不使用光梳信號的情況下生成具有至少兩個不同光學譜分量的光學信號實施，其中該至少兩個不同光學譜分量具有與期望的RF或微波頻率對應的頻率分離。在不需要光梳信號的情況下，非線性光學諧振器可由不呈現光學非線性的光學諧振器替換。本文中提供的一個示例是將在兩個雷射載波頻率的兩個不同雷射器鎖定至原子頻率參考，其中兩個雷射載波頻率的頻率差被設置為期望的RF或微波頻率。
[0022]下面的部分描述了基於用於生成光梳的非線性光學諧振器中的非線性光波混頻的實施。非線性光學諧振器可成各種光學諧振器配置。非線性回音壁模式諧振器可以是特別有利的，部分因為這種諧振器可被製造為具有高Q值，以在低功率級提供有效的非線性波混頻並可以緊湊形式封裝或集成到RF晶片上。其他諧振器配置中的非線性光學諧振器(如Fabry-Perot諧振器)還可用於實施本文中描述的設備和技術。
[0023]在一些實施中，適當選擇的光學諧波(「光梳」)生成在光學晶體回音壁模式諧振器中並被注入至原子參考(例如，原子蒸氣室、原子阱、或原子束)中，以產生攜帶原子參考頻率的信息的輸出光學信號。該輸出的光學信號用於生成反饋信號，其中該反饋信號用於穩定雷射器和光學晶體回音壁模式諧振器之一或這兩者。例如，在諧波的適當偏振製備的情況下，來自原子參考的光的光學檢測在光電二極體處執行，並且反饋從來自光電二極體的輸出的被處理的RF信號生成並被反饋至雷射器、或諧振器本身，其中該雷射器用於光學地泵浦諧振器。該反饋用於實現光梳的穩定，其中光梳可在快速光電二極體上被解調，以產生被鎖定至原子參考的具有頻率穩定性的RF或微波信號。因此，該具有原子參考的基於回音壁模式(WGM)諧振器的超參數化振蕩器可將原子躍遷的穩定性傳遞至快速光電二極體上的光學線的RF拍。
[0024]使用非線性WGM諧振器生成光梳和將生成的光梳鎖定至原子參考的組合可用於提供緊湊、低成本和可高度適應的具有原子參考精度的RF或微波振蕩器。例如，這種設備可用作基於所使用的原子參考中的光學躍遷的原子鐘並可配置成緊湊尺寸且工作在低功率下。
[0025]原子參考可以基於原子或分子躍遷的各種配置實施。例如，名為「Atomic clockbased on an opto-electronic oscillator (基於光電振蕩器的原子鐘)」的第 6, 762, 869號美國專利描述了具有頻率鎖定機制以將振蕩器的振蕩頻率穩定至原子頻率參考的光電振蕩器(例如，原子蒸氣室)的示例。作為另一示例，名為「Tunable single sidebandmodulators based on electro-optic optical whispering gallery mode resonators andtheir applicat1n (基於電光光學回音壁模式諧振器的可調諧的邊帶調製器及其應用)」的第8，159，736號美國專利描述了由電光材料形成的、基於回音壁模式諧振器中的可調諧單邊帶(SSB)調製並且在光電環路的光學部分中使用原子蒸氣室穩定RF或微波振蕩的光電振蕩器的示例。上面提到的美國專利的公開通過引用被併入作為本文的公開的一部分。
[0026]原子室中的原子(例如，鹼蒸氣，例如銣或銫)可用於提供用於使本文中描述的設備穩定的穩定的原子頻率參考。這種穩定的原子頻率參考可以各種方式生成。例如，具體光學原子躍遷處的吸收峰可直接用作這種穩定的原子參考，其中原子蒸氣室的這種躍遷處的光學透射(或者，可替代地，吸收)可被測量，以指示信號的頻率或光學諧振器諧振或雷射器的頻率偏移。作為另一示例，基於被稱為電磁感應透明的量子幹涉效應的與三個能量級相關聯的原子躍遷也可用作這種穩定的原子頻率參考。在銣或銫中，兩個基態超精細級和公共的激發態可用於提供原子參考，其中兩個基態超精細級之間的頻率差對應於期望的RF或微波頻率。這種原子的不例包括兩個超精細基態之間具有約9.2GHz間隙的豔和兩個超精細基態之間具有6.SGHz間隙的銣。通常，兩個基態在缺少光學泵浦的情況下通過公共的激發態彼此隔離。如果僅存在一個光學場並且該光學場與兩個光學躍遷中的任一個諧振，則所有的電子將最終從與這個光學場諧振的、與原子躍遷相關聯的一個基態轉移至不與這個光學場諧振的另一基態。這將使原子室對這個光學場透明。如果第二光學場同時施加至另一原子躍遷並且與第一光學場相干，則這兩個基態不再彼此隔離。當這兩個施加的光學場精確地與兩個原子躍遷諧振時，發生量子力學的相干布居數囚禁(coherent populat1ntrapping)，在量子力學的相干布居數囚禁中兩個基態彼此量子力學地幹涉以形成不同相疊加態並變為與公共的激發態去耦合。在這種情況下，疊加態與激發態之間不存在可允許的偶極矩，因此兩個基態中的任一個的沒有電子可被光學地激發至激發態。因此，原子室變為對分別與共享公共激發態的兩個原子躍遷諧振的兩個光學場透明。當施加的兩個光學場中的任一個被調諧以遠離其相應的諧振時，處於基態的原子再次變為光學地吸收。此電磁感應透明導致相對於同時施加的兩個光學場的任一個的頻率失諧的窄傳輸譜峰。此信號可被用作用於穩定WGM諧振器、或雷射器、或這兩者的反饋。
[0027]圖1A、圖1B、圖1C和圖1D示出了示例性光梳生成設備的結構和操作，其中光梳生成設備基於非線性光學WGM諧振器被穩定至原子參考。該設備包括可調諧的雷射器1，例如產生通過光學耦合器2 (例如可以是用於光學消逝耦合的稜柱耦合器)耦合到非線性光學WGM諧振器100的雷射的二極體雷射器或半導體雷射器。非線性光學WGM諧振器100由呈現光學非線性的晶體材料形成並且諧振器100配置為支持光學回音壁模式。雷射器I被操作為生成雷射的充足雷射功率，該雷射在諧振器100內耦合到用於非線性光波混頻的閾值對於原子室200中的原子參考被穩定的諧)的諧振偏移，以減少或使從具體原子頻率光學諧振器100在頻率方面可調諧，並且諧
0置實現。例如，諧振器100的溫度可用於對如，諸如擠壓器的機械致動器或壓電致動皆振器100可由電光材料製成，以使得可施振器。
器輸出為誤差信號，其指示光學諧振器100I較低抖動調製使光學諧振器100的諧振抖制在通過光電檢測器24產生的檢測器信號子頻率參考的漂移的量和方向。設置有振鬥動頻率的振蕩信號，該振蕩信號被施加至氧的雷射載波的抖動調製。光學諧振器:享共同激發態的兩個原子躍遷的兩個基態內的雷射在諧振器100的非線性材料內經:波頻率0的雷射的能量導致參數化放大，路，第二束沿著具有第二鏡M2的第二光路。第二分束器BS2用於組合兩個束，以致使兩個束空間重疊和光學幹涉來產生第一輸出束至第三反射器M3和第二輸出束至第四鏡M4。幹涉儀10的BS2處的兩個輸出束為分別與兩個不同光學躍遷諧振的在兩個不同光學頻率的兩個光學信號，其中該兩個不同光學躍遷與上述的共享相同公共激發態的兩個基態相關聯。偏振旋轉器(例如，半波片)可被放置在兩個束之一中，以使一個束的偏振旋轉90度，因此兩個束正交偏振。兩個正交偏振束然後在偏振分束器(PBS)處彼此組合和重疊成組合束，該組合束進入原子室20。原子室20中的兩個正交偏振的束與用於電磁感應透明的上述共享公共激發態的兩個原子躍遷諧振:一個束與一個躍遷諧振而另一個束與另一個躍遷諧振。原子室20的光學透射被引導通過光學偏振器22，然後被引導至光學檢測器24。線性偏振器22被定向為相對於兩個正交偏振束的任一偏振成45度，以允許兩個束到達光學檢測器24。
[0035]在圖1A中，晶體回音壁模式諧振器100中的四波混頻和超參數化振蕩生成可調諧的光梳5。光梳5的頻率穩定性由諧振器100的諧振器模式的頻率穩定性給出。因此，光梳模式之間的頻率分離因各種因素(例如，諧振器100中的熱過程)隨時間漂移。為了實現光梳諧波之間的穩定的頻率差，光梳可鎖定至具有絕對頻率穩定性的參考，例如來自原子室20的頻率參考。
[0036]諧振器100可製造為具有自由譜範圍(FSR)的結構，以使得m*FSR= ω KF，其中RF頻率ωκρ是原子或分子(例如，鹼或其他類型的原子/離子)的基態超精細躍遷的RF頻率，m是整數。因此，RF頻率coKF可等於或為諧振器100的FSR的諧波。原子/離子的基態應該具有時鐘躍遷並且應該在利用雙色光詢問時展示電磁感應透明現象。諧振器100利用來自雷射器I的雷射被泵浦並應該與原子室20中所關心的光學原子躍遷和諧振模式之一諧振。雷射器CW光的功率應足夠強大，以超過諧振器100中的光學超參數化振蕩的閾值。雷射器I應通過注入鎖定、PDH鎖定或其他鎖定技術被鎖定至合適的諧振模式。
[0037]如圖1A所示，生成的光梳輸出5可使用一個或多個Mach-Zehnder幹涉儀進行處理，以分離光梳頻率分量，從而使得與原子/離子的兩個光學超精細躍遷諧振的兩個光學分量遵循不同的光路。空間分離的光梳諧波的偏振應改變至線性正交或圓形反向旋轉。然後雷射束應被引導至原子室20。
[0038]在圖1A的設備的操作中，用於將光梳鎖定至原子室20中的原子參考的誤差信號通過測量由相反地偏振光學諧波在其與原子室20中的原子樣本相互作用期間獲取的相對相移生成。誤差信號的特徵譜寬度等於電磁感應透明諧振的譜寬度。
[0039]在圖1A的設備和本文中描述的其他設備中，晶體回音壁模式諧振器100中的四波混頻(FWM)的非線性過程呈現立方非線性，例如氟化鈣或其他非線性材料。參考圖1D，在FWM中，高精細度或高QWGM諧振器100中的大場密度將處於雷射載波頻率ω的兩個泵浦光子轉變成處於ω +和《_的兩個邊帶光子，即信號光子和閒頻光子(idler photon)。生成的處於ω +和《_的光子的頻率總和因能量守恆定律等於處於雷射載波頻率ω的泵浦光的頻率的兩倍。
[0040]光學諧振器是支持被稱為回音壁(「WG」)模式的一組特殊的諧振模式的光學回音壁模式(「WGM」)諧振器。這些WG模式表示因邊界處的總內部反射被局限在接近諧振器表面的內部區域中的光學場。例如，電介質球體可用於形成WGM諧振器,其中WGM模式表不因球體邊界處的總內部反射被限制在接近球體赤道周圍的表面的內部區域中的光學場。直徑.面102為圓形橫截面。呢模式存在於球體、表面在赤道面102周圍的球體曲率提供沿:。球體100的偏心率通常較低。
丨0。諧振器200可通過繞沿短橢圓軸線1012八中的球形諧振器，圖28中的面也具有圓3 28中的面102為非球形類球體的、且在類00的偏心率為(產並且通常較高，球體的一部分並沿2方向提供比球形外表所在的面(例如，27或0面)的幾何形狀為I直於軸線101 (2),並且呢模式在諧振器
丨性1(通諧振器300，其中外表輪廓基本呈錐不。類似於圖1和圖2的幾何體，夕卜表面在由率，以限制和支持呢模式。這種非球形、每線。注意，圖3中的面102為圓形橫截面，用於光學濾波和光電振蕩器。
I'高諧振對比度(50%及更大)的晶體1(通諧文體積和極窄的單光子諧振，可基於小寬帶宣非線性效應。作為示例，下文中報告觀察,0得到越小體積的高0 二氧化矽微球體。譜振器的非線性材料的一個示例是氟化鈣-線光刻應用中的使用而在各種應用中非常I勺超純晶體，並且其可商業獲得。根據最近)50111 \極小散射可被投射到與0在1013水
七子邊緣的位置進行預測，並產生甚至更小和吸收都存在並且它們在實際諧振器中減殘留表面不均勻性產生的散射。在傳統光；於用於表面散射的波導模式的估計產
八1203製成的其他晶體材料製造的1(通諧振型。
[0056]在低光級實現有效非線性光學相互作用從一開始就是非線性光學的主要目標之一。因為在長時間段內將光限制在小體積內導致增加的非線性光學相互作用，所以光學諧振器對實現該目標貢獻顯著。光學回音壁模式(WGM)諧振器尤其適於該目的。高品質因數(Q)和小模式體積的特徵已導致在由非晶材料製成的WGM諧振器中觀察到低閾值的發射雷射和有效非線性波混頻。
[0057]光學超參數化振蕩(被稱為光纖光學器件中的調製不穩定性)通常被材料的小非線性阻礙，因此需要高功率光脈衝用於其觀察。儘管CaF2的非線性甚至小於熔融二氧化矽的非線性，但是能夠利用低功率連續波泵浦光觀察到由諧振器的高Q (Q>5xl09)導致的諧振模式之間的強非線性相互作用。由於該相互作用生成了新的場。
[0058]通過在快速光電二極體上混合泵浦和生成的邊帶產生的微波信號的頻率是穩定的並且不具有可能因自相位調製和交叉相位調製效應發生的頻移。相反地，在例如相干原子媒介中，振蕩頻率偏移以補償因交叉相位調製效應(交流Stark偏移)導致的頻率不匹配。在我們的系統中，振蕩頻率由模式結構給出，因此振蕩頻率可通過改變諧振器尺寸而被調諧。不同於用非晶材料和液體製造的諧振器，高Q晶體諧振器允許更好地區分三階非線性過程和觀察純超參數化振蕩信號。因此，超振蕩器作為全光學次要頻率參考適合多個應用。
[0059]超參數化振蕩可用受激拉曼散射(SRS)和其他非線性效應遮蔽。例如，具有WGM二氧化矽微諧振器的SRS實驗中的光學泵浦線附近的次級線的觀察被解釋為泵浦與在諧振器中生成的兩個拉曼波之間的四波混頻，而非基於媒介的電子Kerr非線性的四光子參數化過程。各種受激非線性過程中的相互影響也已經在液滴球形微腔中被研究和觀察。
[0060]偏振選擇規則和WGM的幾何體選擇規則允許觀察到僅由於晶體WGM諧振器中的晶體的電子非線性導致的非線性過程。下面考慮具有具有對稱軸線的柱對稱性的氟石WGM諧振器。立方晶體中的線性折射率是一致的和各向同性的，因此模式的通常描述對諧振器有效。WGM的TE族和TM族分別具有與對稱軸線平行和正交的偏振方向。如果光學泵浦光被發送到TE模式，拉曼信號不能在相同的模式族中生成，因為在立方晶體(例如CaF2)中僅存在一個具有對稱性F2g的三重簡併拉曼活性振動。最後，在超高Q晶體諧振器中，由於材料以及幾何彌散，拉曼失諧頻率處的自由譜範圍(FSR)的值與載波頻率處的FSR不同之處在於超過模式譜寬度的量。因此，拉曼信號和載波之間的頻率混合被強烈抑制。TE模式族中的任何場生成僅由於電子非線性，並且拉曼散射發生在TM模式中。
[0061]考慮三個腔模式:一個模式幾乎與泵浦雷射器諧振，另外兩個模式幾乎與生成的光學邊帶諧振。分析從下面用於腔內的慢振幅的等式開始。
【權利要求】
1.一種設備，包括： 光學諧振器，由展現光學非線性的光學材料形成並基於由所述光學非線性導致的非線性波混頻產生光頻梳； 雷射器，能夠調諧並產生雷射，所述雷射基於所述非線性波混頻與所述光學諧振器的所述光學材料相互作用，以產生所述光頻梳； 雷射器鎖定機構，將所述雷射器鎖定至所述光學諧振器； 原子參考設備，包括提供原子躍遷或分子躍遷的原子或分子，並被耦合以接收從所述光學諧振器耦合出的光，以產生攜帶所述原子躍遷或分子躍遷的信息的輸出光； 第一光學檢測器，接收來自所述原子參考設備的所述輸出光，以產生第一檢測器輸出； 反饋電路，接收所述第一檢測器輸出並產生反饋信號，所述反饋電路被耦合至所述雷射器或所述光學諧振器中至少之一，以應用所述反饋信號來穩定所述雷射器或所述光學諧振器中的所述至少之一；以及 第二光學檢測器，接收通過所述光學耦合器從所述光學諧振器耦合出的光，以將所述光頻梳變換成第二檢測器信號，所述第二檢測器信號在頻率上相對於所述原子參考設備的所述原子躍遷或分子躍遷被穩定。
2.如權利要求1所述的設備，其中： 所述光學諧振器為光學回音壁模式諧振器。
3.如權利要求1所述的設備，其中： 所述光學諧振器由非線性晶體材料製成。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述雷射器和所述光學諧振器通過注入鎖定被相互鎖定，所述雷射鎖定機構包括光學耦合器，所述光學耦合器將所述雷射耦合至所述光學諧振器中並將光從所述光學諧振器耦合出回到所述雷射器，以將所述雷射器注入鎖定至所述光學諧振器。
5.如權利要求1所述的設備，其中所述雷射鎖定機構包括鎖定電路，所述鎖定電路將所述雷射器和所述光學諧振器相互鎖定。
6.如權利要求5所述的設備，其中所述鎖定電路為Pound-Drever-Hall(PDH)電路。
7.如權利要求1所述的設備，包括： 光學Mach-Zehnder幹涉儀，耦合在所述原子參考設備與所述光學諧振器之間，並被耦合以接收從所述光學諧振器耦合出的所述光，並且在將從所述光學諧振器耦合出的所述光處理為與所述原子參考設備中的第一原子躍遷諧振的第一光學束和與所述原子參考設備中的不同的第二原子躍遷諧振的第二光學束之後，將從所述光學諧振器耦合出的所述光引導至所述原子參考設備， 其中，所述第一原子躍遷和所述第二原子躍遷與所述原子參考設備的所述原子躍遷或分子躍遷相關聯。
8.如權利要求7所述的設備，其中所述雷射器被調製為產生雷射，所述雷射具有與用於穩定所述雷射器或所述光學諧振器的所述反饋信號相關的抖動調製。
9.如權利要求1所述的設備，其中所述原子參考設備包括原子蒸氣室。
10.如權利要求1所述的設備，其中所述原子參考設備包括原子阱。
11.如權利要求1所述的設備，其中所述原子參考設備包括原子束。
12.—種設備,包括: 光學諧振器，展現光學非線性並被配置為支持光學回音壁模式的回音壁模式諧振器； 雷射器，能夠調諧並產生雷射； 光學耦合器，將所述雷射耦合至所述光學諧振器中，以基於所述光學諧振中的非線性波混頻生成不同頻率的光梳信號； 原子參考設備，包括提供作為頻率參考的原子躍遷或分子躍遷的原子或分子；以及鎖定電路，在頻率上相對於所述原子參考設備的所述原子躍遷或分子躍遷鎖定所述光學諧振器或所述雷射器中至少之一，以穩定不同頻率的所述光梳。
13.如權利要求12所述的設備，其中所述鎖定電路將來自所述光學諧振器的光引導回所述雷射器，以將所述雷射器相對於所述光學諧振的模式注入鎖定。
14.如權利要求13所述的設備，其中所述鎖定電路包括光學耦合器，所述光學耦合器將光耦合出所述光學諧振器，並將耦合的所述光引導回所述雷射器。
15.如權利要求12所述的設備，其中所述鎖定電路包括Pound-Drever-Hall(TOH)電路。
16.一種生成相對於原子頻率參考被穩定的射頻(RF)信號或微波信號的方法，包括: 引導雷射至光學諧振器中，以在所述光學諧振器內以至少兩個不同的光學諧振器模式產生受限雷射，所述至少兩個不同的光學諧振器模式以所述光學諧振器的自由譜範圍(FSR)或所述FSR的諧波分離； 將所述光學諧振器內的所述受限雷射耦合出作為光學諧振器輸出，所述光學諧振器輸出具有與所述至少兩個不同的光學諧振器模式相對應的兩個光學譜分量； 相對於原子頻率參考鎖定所述光學諧振器，以使所述光學諧振器輸出中的與所述至少兩個不同的光學諧振器模式相對應的所述兩個光學譜分量穩定；以及 引導所述光學諧振器輸出至光電檢測器中，以產生在所述兩個光學譜分量間頻率差的頻率的檢測器信號，所述檢測器信號相對於所述原子頻率參考被穩定。
17.如權利要求16所述的方法，包括: 操作第一雷射器，以產生所述雷射的在第一雷射載波頻率的第一部分，所述第一雷射載波頻率與所述光學諧振器的第一光學諧振器模式相對應； 鎖定所述第一雷射器至所述光學諧振器的所述第一光學諧振器模式； 操作分離的第二雷射器，以產生所述雷射的在第二雷射載波頻率的第二部分，所述第二雷射載波頻率與所述光學諧振器的第二光學諧振器模式相對應；以及鎖定所述第二雷射器至所述光學諧振器的所述第二光學諧振器模式。
18.如權利要求17所述的方法，包括: 相對於彼此鎖定所述第一雷射器和所述第二雷射器。
19.如權利要求16所述的方法，包括: 配置所述光學諧振器作為非線性光學諧振器，以通過所述光學諧振器內的非線性波混頻生成光頻梳，其中生成的所述光頻梳包括至少兩個不同的光學諧振器模式。
20.如權利要求19所述的方法，包括: 引導所述光學諧振器輸出的光至所述原子頻率參考中，以生成誤差信號；以及使用所述誤差信號，以相對於所述原子頻率參考鎖定所述光學諧振器。
21.如權利要求20所述的方法，包括: 處理所述光學諧振器輸出的所述光，以生成在第一光學頻率的第一束和在不同的第二光學頻率的第二束，所述第一束與所述原子頻率參考中的第一原子躍遷諧振，所述第二束與所述原子頻率參考中的第二原子躍遷諧振，所述第二原子躍遷與所述第一原子躍遷共享公共的激發態；以及 使用通過所述第一原子躍遷和所述第二原子躍遷產生的電磁感應透明，以生成所述誤差?目號。
22.如權利要求16所述的方法，包括: 操作雷射器，以生成所述雷射； 在引導所述雷射至所述光學諧振器中之前，分開所述雷射的一部分，以穿過所述原子頻率參考來生成誤差信號；以及 使用所述誤差信號，以相對於所述原子頻率參考鎖定所述光學諧振器。
23.一種生成光梳和相對於原子頻率參考穩定所述光梳的方法，包括: 操作雷射器，以產生激 光； 引導所述雷射至光學諧振器中，所述光學諧振器展現光學非線性並以充足的功率支持光學回音壁模式，以基於所述光學諧振中的非線性波混頻生成不同頻率的光梳信號；相對於彼此鎖定所述雷射器和所述光學諧振器；以及 相對於原子頻率參考鎖定所述雷射器或所述光學諧振器，以穩定不同頻率的所述光梳。
24.如權利要求23所述的方法，包括: 基於從所述光學諧振器至所述雷射器的光學反饋通過注入鎖定相對於彼此鎖定所述雷射器和所述光學諧振器。
25.如權利要求23所述的方法，包括: 通過Pound-Drever-Hall (PDH)電路相對於彼此鎖定所述雷射器和所述光學諧振器。
26.如權利要求23所述的方法，包括: 基於原子蒸氣或分子蒸氣中的電磁感應透明相對於原子頻率參考鎖定所述雷射器或所述光學諧振器。
27.如權利要求23所述的方法，包括: 提供與所述原子頻率參考不同的第二原子頻率參考；以及 相對於所述原子頻率參考和所述第二原子頻率參考鎖定所述雷射器或所述光學諧振器。
28.—種設備,包括: 光學諧振器，由展現光學非線性的晶體材料形成並被配置成支持回音壁模式的回音壁模式諧振器； 雷射器，能夠調諧並產生雷射； 光學耦合器，將所述雷射耦合至所述光學諧振器中，所述光學諧振器基於所述晶體材料的光學非線性產生不同頻率的光梳，以及將所述光學諧振器內的光從所述光學諧振器耦合出回到所述雷射器，以將所述雷射器注入鎖定至所述光學諧振器；原子參考設備，包括提供原子躍遷或分子躍遷的原子或分子並被耦合以接收從所述光學諧振器耦合出的光，以產生攜帶所述原子躍遷或分子躍遷的信息的輸出光； 第一光學檢測器，從所述離子參考設備接收所述輸出光，以產生第一檢測器輸出； 反饋電路，接收所述第一檢測器輸出並產生反饋信號，並且耦合至所述雷射器或所述光學諧振器中的至少之一，以應用所述反饋信號來使所述雷射器或所述光學諧振器中的所述至少之一穩定；以及 第二光學檢測器，接收通過所述光學耦合器耦合出所述光學諧振器的光，以將不同頻率的所述光梳變換成第二檢測器信號，所述第二檢測器信號在頻率上相對於所述原子參考設備的所述原子躍 遷或分子躍遷被穩定。
【文檔編號】H01S3/08GK104040808SQ201280042568
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年7月2日 優先權日:2011年6月30日
【發明者】阿納託利·A·薩夫琴科夫, 魯特·梅爾基, 安德烈·B·馬茨科, 大衛·賽德爾 申請人:Oe電波公司