[發(fā)明專利]連續(xù)式CPT態(tài)制備與差分探測的方法及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110679500.2
• 申請日: 2021-06-18
• 公開（公告）號: CN113406876B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張首剛;李青林;云恩學;郝強;劉國賓;高玉平
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院國家授時中心
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 西北工業(yè)大學專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發(fā)明提供了一種連續(xù)式CPT態(tài)制備與差分探測的方法及系統(tǒng)，將相干雙色光轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的圓偏振光和線偏振光，將圓偏振光作為制備光，與量子共振系統(tǒng)中的⁸⁷Rb原子發(fā)生相互作用，完成第一階段的CPT態(tài)制備；將線偏振光作為探測光，分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光左旋圓偏振光和右旋圓偏振光同時與量子共振系統(tǒng)中的⁸⁷Rb原子相互作用，與制備光制備的CPT態(tài)分別產(chǎn)生相干相長和相干相消的量子干涉效應，得到相干相長和相干相消的CPT信號，兩者相減獲得差分CPT信號。本發(fā)明能夠提高CPT原子鐘穩(wěn)定度，同時讓裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高系統(tǒng)可靠性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及原子鐘、磁強計、量子精密譜等精密測量領(lǐng)域，尤其是一種CPT態(tài)制備與差分探測的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

相干布局囚禁(CPT)是一種量子干涉效應，通過相干雙色光與量子共振系統(tǒng)相互作用，將兩基態(tài)耦合到同一激發(fā)態(tài)，當相干雙色光頻差嚴格等于兩基態(tài)躍遷頻率時，量子共振系統(tǒng)被制備到CPT態(tài)。處于CPT態(tài)的量子共振系統(tǒng)對入射光變得透明，不再吸收光。此時探測透射光光強，將出現(xiàn)極窄的CPT共振譜線，該譜線可以用于應用于原子鐘、磁強計、量子精密譜等精密測量領(lǐng)域。

以被動型CPT原子鐘為例，基于被動型的CPT原子鐘，因其不需要微波腔的特點，可以實現(xiàn)小型化甚至芯片化CPT原子鐘，是下一代北斗導航、無人機巡航、便攜式GNSS接收機、潛艇和水下資源勘測等應用的理想選擇。

當前的芯片CPT原子鐘通常采用單一圓偏振相干雙色光的方案，原子利用率較低，導致CPT對比度偏低(約為1～5％，所述的對比度定義為CPT信號幅度與本底幅度之比)，這在一定程度上限制了CPT原子鐘的頻率穩(wěn)定度在E-10τ^-1/2的水平。在實際應用中，CPT對比度還有較大的提升空間，以滿足需要體積、功耗、重量受限而又更高精度時間的應用，例如微納衛(wèi)星組網(wǎng)編隊、車載武器、潛艇和水下資源勘測、微PNT等應用。

目前的高性能CPT原子鐘，采用較為復雜的垂直線偏振光(lin⊥lin)、推挽式光抽運(PPOP)和雙調(diào)制(DM)等方案，可以提高CPT信號對比度(≥10％)，短期頻率穩(wěn)定度在E-13τ^-1/2的水平。即便如此，因其采用光強變化探測方式存在較大的共模噪聲，如激光強度噪聲(AM噪聲)、激光頻率抖動通過吸收譜線轉(zhuǎn)換的幅度抖動引起的幅度噪聲(FM-AM噪聲)、微波功率噪聲等，限制了CPT鐘頻率穩(wěn)定度的進一步提升，尚未達到CPT原子鐘的散粒噪聲極限預測的E-14τ^-1/2的水平。另外，因其采用較為復雜的構(gòu)型和裝置，犧牲了CPT鐘最大的優(yōu)點——微小型化。

因而挖掘和提升CPT原子鐘的性能極限潛力，使其接近甚至達到散彈噪聲極限，同時推進高性能CPT鐘的小型化甚至微型化，顯得十分必要。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種連續(xù)式CPT態(tài)制備與差分探測的方法，能夠提高CPT原子鐘穩(wěn)定度，同時讓裝置結(jié)構(gòu)更加緊湊，提高系統(tǒng)可靠性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種連續(xù)式CPT態(tài)制備與差分探測的方法，將相干雙色光轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的圓偏振光和線偏振光，將圓偏振光作為制備光，與量子共振系統(tǒng)中的⁸⁷Rb原子發(fā)生相互作用，完成第一階段的CPT態(tài)制備；將線偏振光作為探測光，分解為左旋圓偏振光和右旋圓偏振光左旋圓偏振光和右旋圓偏振光同時與量子共振系統(tǒng)中的⁸⁷Rb原子相互作用，與制備光制備的CPT態(tài)分別產(chǎn)生相干相長和相干相消的量子干涉效應，得到相干相長和相干相消的CPT信號，兩者相減獲得差分CPT信號。