[發明專利]一種實現高對比度CPT反相探測的方法和裝置

在審

• 申請號: 202011170537.4
• 申請日: 2020-10-28
• 公開（公告）號: CN112242843A
• 公開（公告）日: 2021-01-19
• 發明（設計）人: 李青林;云恩學;郝強;劉國賓;高玉平;張首剛
• 申請（專利權）人: 中國科學院國家授時中心
• 主分類號: H03L7/26
• 分類號: H03L7/26
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發明提供了一種實現高對比度CPT反相探測的方法，首先提供一束相對相位為φ的相干雙色光，將相干雙色光入射到原子氣室并與原子相互作用，把原子制備到CPT態；當原子制備到CPT穩態后，將相干雙色光的相對相位切換到反相φ+π狀態，使得CPT暗態變化到CPT亮態；采集原子氣室的透射光，獲得電磁感應吸收形式的CPT信號。本發明能夠有效提升CPT原子鐘的頻率穩定度。

技術領域

本發明屬于原子鐘、原子磁強計領域，具體涉及一種CPT反相探測技術。

背景技術

相干布局囚禁(CPT)是一種量子干涉效應。基于該效應可實現原子鐘、磁強計等精密測量器件。

以原子鐘的應用為例，基于相干布局囚禁的被動型CPT原子鐘(以下簡稱CPT鐘)因為其不需要微波腔的特點，可以小型化甚至芯片化，在體積、功耗和重量上表現出巨大的優勢，可應用于微小衛星編隊組網、無人機、便攜GNSS接收機、水下勘測等領域。

現有的小型和芯片CPT鐘為了減小系統體積、功耗和重量，通常采用比較簡單的單一圓偏振相干雙色光與原子系統相互作用制備CPT方案。該方案中，相干雙色光將堿金屬原子基態兩超精細能級(鐘躍遷態)耦合到同一激發態，當雙色光頻差調諧到兩鐘態的鐘躍遷共振頻率時，原子被備制到相干暗態，即CPT態，此時原子不再吸收入射光，在透射光強上表現為一條極窄的亮線。利用CPT共振譜線可以對本振進行鑒頻，最終輸出頻率標準，實現原子鐘。

但由于在傳統單一圓偏振光方案中極化暗態的存在，即當單一圓偏振相干雙色光和堿金屬原子相互作用時，原子布居泄漏到極化暗態，使得參與鐘躍遷的原子布居數大為減少，導致鐘躍遷的CPT信號對比度一般只有1～5％。這里定義對比度(C)為CPT共振譜線的幅度與本底幅度之比。

根據CPT原子鐘頻率穩定度公式式中，τ代表積分時間，RIN為激光的相對強度噪聲，ν_hf是實驗原子基態兩超精細能級的頻差，q值為品質因子，q＝C/Δ，C代表CPT信號的對比度，定義為CPT共振譜線的幅度與本底幅度之比；Δ是CPT信號的半高全寬(FWHM)。由公式可以看出在其他參數一定的情況下，頻率穩定度與CPT信號對比度(或q值)成反比。因此，采用單一圓偏振相干雙色光的傳統方案中較低的對比度(或q值)限制了CPT鐘頻率穩定度的進一步的提升。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明提供一種實現高對比度CPT反相探測的方法，在微型化傳統CPT原子頻標方案的基礎上增加一個微波相位調制，通過相干雙色光相對相位的控制，使制備到CPT穩態的原子經過與相對相位反相的相干雙色光作用后，獲得電磁感應吸收(EIA)形式的CPT共振譜線，從而獲得高對比度和高q值的鑒頻信號，有效提升CPT原子鐘的頻率穩定度。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括以下步驟：

1)提供一束相對相位為φ的相干雙色光，其中φ為任意相位；

2)將相干雙色光入射到原子氣室并與原子相互作用，把原子制備到CPT態；當相對相位為φ的相干雙色光將原子制備到CPT穩態后，將相干雙色光的相對相位從φ切換到反相狀態，即φ+π，使得處于穩態的CPT暗態轉變為CPT亮態，進而逐漸進入新的CPT穩態；

3)采集原子氣室的透射光，獲得電磁感應吸收形式的CPT信號。

所述CPT暗態的制備階段時長為τ₁，反相階段的時長為τ₂，時長τ₁取值為數毫秒，時長τ₂取值為毫秒至亞毫秒量級。