[發明專利]一種微波周期性On-Off調制VCSEL實現Ramsey-CPT原子頻標的方法及裝置

有效

• 申請號: 201010169079.2
• 申請日: 2010-05-05
• 公開（公告）號: CN101847994A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發明（設計）人: 鄧威;云恩學;張奕;顧思洪
• 申請（專利權）人: 中國科學院武漢物理與數學研究所
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務所 42001
• 代理人: 王敏鋒

1.一種微波周期性On-Off調制VCSEL實現Ramsey-CPT原子頻標的方法，其步驟是：

A.將電流源輸出連接到直流偏置單元的直流輸入端，將微波源輸出通過微波開關連接到直流偏置單元的高頻RF輸入端，直流偏置單元將直流與微波耦合，得到經過微波調制的電流，將電流送入激光器，產生多邊帶相干激光，相鄰邊帶間距由耦合微波頻率決定，各邊帶幅度滿足貝塞爾函數形式，通過耦合微波功率進行調節，選擇調制指數為1.6，使正負一級邊帶光功率最大，輸出激光光強通過衰減片調節，輸出激光偏振方向由λ/4波片調節，改變λ/4波片的角度，使經過λ/4波片輸出的激光為所需的圓偏振激光；

B.將圓偏振雙色光入射到原子樣品泡，與堿金屬原子相互作用，通過光檢測裝置檢測透過原子樣品泡的透射光強，通過控制設備控制電流源，使其進行直流掃描以改變激光器輸出激光的基頻，同時記錄透射光強的大小，得到多色光與原子三能級相互作用產生的多個吸收峰，掃描結束后，設置電流源的輸出為最大吸收峰處對應的電流值；

C.對電流源輸出的電流進行調制，對探測光強進行解調，得到吸收峰對應的微分曲線，根據微分曲線反饋直流，使直流輸出對應于最大吸收峰的位置，此時激光器輸出激光的正負一級邊帶的頻率f₁與f₂對應于原子三能級結構模型中兩基態與激發態之間的躍遷頻率v₁與v₂；

D.控制微波開關，得到周期性微波脈沖，實現激光-原子周期性相互作用，每個周期t₀內包含兩個脈沖，第一個脈沖與第二個脈沖的持續時間分別為τ₁、τ₂，兩個脈沖之間的間隔時間為T，第二個脈沖和后一個周期內的第一個脈沖之間的時間間隔為T′，τ₁、τ₂時刻微波開關控制微波導通，調制激光器輸出基頻為f₀，間隔為Δf/2的多邊帶激光，其中正負一級邊帶f₁和f₂與原子相互作用制備CPT態以及產生Ramsey-CPT干涉，T時刻微波開關控制微波關斷，激光器輸出單色光，激光頻率失諧，遠離樣品原子的CPT共振和任何單光子共振，此段時間內原子自由演化，T′時刻微波關斷，用于消除前一個周期的影響，通過控制設備控制微波源掃描微波頻率，改變激光器輸出正負一級邊帶的頻率差，即改變Raman失諧量，記錄透射光強的大小，經過信號處理，獲得窄線寬、高信噪比的Ramsey-CPT條紋；

E.控制設備控制微波源，進行微波頻率調制，對探測光強進行同步解調，得到Ramsey-CPT干涉條紋對應的微分曲線，將中心條紋作為原子頻標的鑒頻信號，將微波頻率鎖定于中心條紋的中心位置，實現原子頻標高穩定的頻率輸出。

2.一種實現權利要求1所述的Ramsey-CPT原子頻標的裝置，該裝置包括：微波開關(3)、激光產生裝置(5)、物理系統(6)、以及激光探測裝置(7)，其特征在于：電流源(1)輸出與直流偏置器件(4)的直流偏置輸入端相連，微波源(2)輸出端與微波開關(3)相連，直流偏置器件(4)是一個三端口器件，兩個輸入端分別與直流源(1)和微波開關(3)相連，輸出端連接到激光產生裝置(5)，電流源(1)和微波源(2)通過直流偏置器件(4)給連接在輸出端口上的激光產生裝置(5)提供偏置電流和微波調制，激光產生裝置(5)輸出的激光經過物理系統(6)入射至激光探測裝置(7)，控制設備(8)分別與電流源(1)、微波源(2)、微波開關(3)以及激光探測裝置(7)的輸出相連，控制設備(8)采集并處理激光探測裝置(7)輸出的電壓信號，控制電流源(1)和微波源(2)的輸出和微波開關(3)的通斷。

3.根據權利要求2所述的一種Ramsey-CPT原子頻標的裝置，其特征在于：所述的激光產生裝置(5)包括垂直腔表面發射激光器(11)，激光器溫控(12)，衰減片(13)，λ/4波片(14)，垂直腔表面發射激光器(11)分別與直流偏置器件(4)輸出端口和激光器溫控(13)相連，垂直腔表面發射激光器(11)發出的激光通過衰減片(13)、λ/4波片(14)后輸出。

4.根據權利要求2所述的一種Ramsey-CPT原子頻標的裝置，其特征在于：所述的物理系統(6)包括原子樣品泡(21)、磁場線圈(22)、磁屏蔽層(23)以及物理系統溫控(24)，原子樣品泡(21)為充有87Rb原子和緩沖氣體的密封玻璃泡，原子樣品泡(21)外層為磁場線圈(22)和磁屏蔽層(23)，物理系統溫控(24)為原子樣品泡(21)提供穩定的工作溫度，激光產生裝置(5)生成調制的多色光沿原子樣品泡(21)和磁場線圈(22)軸向通過，用于制備CPT態。