[發(fā)明專利]一種微波周期性O(shè)n-Off調(diào)制VCSEL實(shí)現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法及裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010169079.2
• 申請(qǐng)日: 2010-05-05
• 公開（公告）號(hào): CN101847994A
• 公開（公告）日: 2010-09-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄧威;云恩學(xué);張奕;顧思洪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所
• 主分類號(hào): H03L7/26
• 分類號(hào): H03L7/26
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所 42001
• 代理人: 王敏鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及原子頻標(biāo)領(lǐng)域，更具體涉及一種微波On-Off實(shí)現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法，同時(shí)還涉及一種實(shí)現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置。該方法及裝置可應(yīng)用于原子頻標(biāo)，尤其是微型化高性能的芯片級(jí)原子頻標(biāo)(CSAC)，也可用于及磁強(qiáng)計(jì)等精密測(cè)量設(shè)備，在精密測(cè)量中有廣泛應(yīng)用前景。

背景技術(shù)

微波對(duì)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生相干多色光，由正負(fù)一級(jí)邊帶組成的雙色光與原子相互作用可制備出相干布居囚禁(CPT)態(tài)，由此獲得電磁感應(yīng)透明(EIT)現(xiàn)象。EIT譜線可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)窄于制備CPT激光的線寬，達(dá)到與原子微波躍遷譜線相媲美的程度。高分辨EIT譜線能敏感地反映出微波頻率出現(xiàn)的偏離，將其微分曲線作為本振頻率偏差的鑒頻信號(hào)，反饋至本振頻率進(jìn)行鎖定，從而得到標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。這就是連續(xù)光作用的被動(dòng)型CPT原子頻標(biāo)(以下簡(jiǎn)稱CPT原子頻標(biāo))的基本工作原理。其工作過程為：通過掃描激光的基頻，得到原子躍遷的多普勒展寬的原子共振吸收譜線，將激光頻率鎖定在共振吸收譜線的中心，接著掃描耦合在激光器上的微波頻率，得到EIT譜線，將微波頻率鎖定在CPT峰的中心，得到高穩(wěn)定度的原子頻標(biāo)頻率輸出。CPT原子頻標(biāo)具有低功耗，易小型化等特點(diǎn)，為空間、功耗受限的極端條件下需要的高穩(wěn)定度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)提供了有力的工具。微型化CPT原子頻標(biāo)的物理系統(tǒng)還可作為高分辨率磁場(chǎng)探頭，精確測(cè)量微弱磁場(chǎng)強(qiáng)度的空間和時(shí)間的變化。

CPT原子頻標(biāo)采用連續(xù)激光和原子相互作用的工作方式，而Ramsey-CPT原子頻標(biāo)是將CPT共振與Ramsey干涉相結(jié)合，是一種利用脈沖激光和原子相互作用的新型原子頻標(biāo)。該頻標(biāo)通過一只VCSEL產(chǎn)生雙色光與原子相互作用，首先將原子制備到CPT態(tài)，再利用脈沖光產(chǎn)生Ramsey干涉效應(yīng)，掃描耦合在激光上的微波頻率，會(huì)得到比連續(xù)光作用得到的EIT譜線更窄、信噪比更高的Ramsey干涉條紋信號(hào)。將干涉條紋的微分曲線作為糾偏信號(hào)，反饋給本振頻率即可實(shí)現(xiàn)原子頻標(biāo)?；赗amsey-CPT干涉原理的原子頻標(biāo)能夠獲得比CPT原子頻標(biāo)更優(yōu)的時(shí)間頻率輸出，其頻率穩(wěn)定度可以優(yōu)于CPT原子頻標(biāo)一個(gè)量級(jí)以上，并且具有更小的光頻移。但是目前已有的Ramsey-CPT原子頻標(biāo)用聲光調(diào)制器(AOM)作為光開關(guān)產(chǎn)生脈沖激光，由于AOM體積較大、功耗較高，限制了Ramsey-CPT原子頻標(biāo)向微型化和低功耗原子頻標(biāo)方向的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供了一種微波周期性on-off實(shí)現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法。該方法改進(jìn)了Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置，提高了CPT原子頻標(biāo)的穩(wěn)定度，突破了Ramsey-CPT原子頻標(biāo)實(shí)現(xiàn)微型化和微功耗的原理限制與關(guān)鍵技術(shù)。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是在于提供了一種Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置。該裝置設(shè)計(jì)獨(dú)特、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)微型化和低功耗，該裝置不僅可用于原子頻標(biāo)，而且還可以應(yīng)用于磁強(qiáng)計(jì)以及高分辨的光譜線測(cè)量等研究。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施：

在CPT原子頻標(biāo)基礎(chǔ)上，通過微波周期性on-off調(diào)制VCSEL實(shí)現(xiàn)原子與光周期性相互作用。微波導(dǎo)通時(shí)雙色激光將原子制備到CPT態(tài)，微波關(guān)斷時(shí)激光與原子失諧而不發(fā)生明顯的相互作用，此段時(shí)間內(nèi)CPT態(tài)自由演化，當(dāng)微波再次導(dǎo)通期間，由于CPT態(tài)與激光的Raman頻率存在相位差，CPT態(tài)的原子與入射光場(chǎng)相互進(jìn)行調(diào)制，在透射光強(qiáng)上可以觀察到干涉條紋，這就是Ramsey-CPT干涉。該方法通過電子學(xué)方法控制微波on-off實(shí)現(xiàn)了Ramsey-CPT干涉，不僅能實(shí)現(xiàn)比CPT原子頻標(biāo)穩(wěn)定度更高的原子頻標(biāo)，而且保持了CPT原子頻標(biāo)易小型化、低功耗的優(yōu)點(diǎn)。

一種微波On-Off調(diào)制VCSEL實(shí)現(xiàn)小型化Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法，其步驟是：

A.將電流源輸出連接到直流偏置單元(Bias-Tee)的直流輸入端，將微波源輸出通過微波開關(guān)連接到Bias-Tee的高頻RF輸入端。Bias-Tee將直流與微波耦合，得到經(jīng)過微波調(diào)制的電流，其直流偏置大小和微波頻率及功率均可控制。將此電流送入激光器，產(chǎn)生相干的多邊帶激光。相鄰邊帶間距由耦合微波頻率調(diào)節(jié)，各邊帶幅度由微波功率調(diào)節(jié)，滿足貝塞爾函數(shù)形式，選擇調(diào)制指數(shù)約為1.6，使正負(fù)一級(jí)邊帶光功率最大。輸出激光光強(qiáng)通過衰減片調(diào)節(jié)，輸出激光偏振方向由λ/4波片調(diào)節(jié)以產(chǎn)生所需的圓偏振激光。