【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及原子鐘，尤其涉及的是一種相干布居數囚禁冷原子鐘裝置及其控制方法。
技術介紹
1、相干布居數囚禁（coherent?population?trapping，cpt）冷原子鐘是一種可以提供高精準頻率標準的量子器件，在授時、導航定位、時間同步等領域具有廣泛應用。cpt冷原子鐘由激光系統、冷原子和控制系統組成，其原理為利用拉曼激光將原子布居數囚禁在被稱為相干暗態的量子疊加態上，并采用拉姆塞方案進行頻率檢測和鎖定。
2、對于常規的單光束cpt冷原子鐘，在磁光阱捕獲的冷原子團自由下落過程中實施拉姆塞干涉，具體為第一個cpt脈沖將冷原子團制備到相干暗態，經過一段時間的自由演化，再由第二個cpt脈沖讀出拉姆塞干涉條紋，從而得到精準的原子躍遷參考。對于拉姆塞干涉，自由演化時間越長，所得到的干涉條紋越尖銳，進而得到更高的頻率精度。但由于原子團會受重力下落，通常在幾十毫秒的自由演化時間內移動距離達到厘米量級，這要求單束cpt光具有較大的直徑以覆蓋前后脈沖時間內的原子團，這樣，不僅需要很大的激光截面直徑，還會在提高條紋尖銳程度的同時引入了更大的激光噪聲，導致限制了cpt冷原子鐘精度的進一步提高。
3、因此，現有技術還有待于改進和發展。
技術實現思路
1、鑒于上述現有技術的不足，本專利技術的目的在于提供一種相干布居數囚禁冷原子鐘裝置及其控制方法，以解決現有單光束cpt冷原子鐘需要很大的激光截面直徑以及引入了更大的激光噪聲的問題。
2、本專利技術的技術方案如下
3、第一方面，本專利技術提供了一種相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其包括：
4、拉曼光產生與控制模塊，用于產生頻率差可調且可控開關的拉曼激光；
5、空間光束分離與控制模塊，與所述拉曼光產生與控制模塊連接，所述空間光束分離與控制模塊用于將所述拉曼激光在豎直方向分束為探測激光與制備激光，并將所述探測激光與所述制備激光合束為拉曼激光束組輸出；其中，所述制備激光與所述探測激光的分離間距為拉姆塞序列自由演化時間中原子團的下落高度；
6、磁光阱模塊，用于捕獲和冷卻原子團；
7、差分探測模塊，位于所述空間光束分離與控制模塊的出光側，所述差分探測模塊用于將所述拉曼激光束組分束為信號激光與參考激光，并將所述參考激光與所述信號激光進行差分探測并處理后輸出拉姆塞信號；其中，所述信號激光為與所述磁光阱模塊中的原子團作用后的激光。
8、本專利技術的進一步設置，所述拉曼光產生與控制模塊包括：相位調制器、分束模塊、聲光調制器、射頻開關、第一凸透鏡、四分之一波片與第一反射鏡；其中，
9、所述相位調制器用于接入輸入激光，并對輸入激光進行相位調制，以產生頻率差可調的拉曼激光；
10、所述分束模塊通過光纖與所述相位調制器連接，以及通過光纖所述空間光束分離與控制模塊連接，所述分束模塊用于將所述拉曼激光分束為比例可調的兩束激光，并將其中一束拉曼激光輸入至所述聲光調制器；
11、所述聲光調制器與所述射頻開關連接，所述聲光調制器根據所述射頻開關輸出的射頻信號輸出衍射光束，所述衍射光束依次經所述第一凸透鏡與所述四分之一波片后到達所述第一反射鏡，并由所述第一反射鏡反射，經所述分束模塊輸出頻率差可調且可控開關的拉曼激光；
12、所述射頻開關接入拉姆塞序列信號，以控制所述射頻信號的開或關。
13、本專利技術的進一步設置，所述分束模塊包括：半波片與偏振分束器；
14、所述半波片通過光纖與所述相位調制器連接，用于調節拉曼激光的偏振方向；
15、所述偏振分束器位于所述半波片的出光側，以及位于所述聲光調制器的輸入光側，用于將所述拉曼激光分束為兩束激光，并將其中一束拉曼激光輸入至所述聲光調制器。
16、本專利技術的進一步設置，所述空間光束分離與控制模塊包括：光闌、第一分束器、第一反射鏡組、第二反射鏡組、合束器與第三反射鏡組；其中，
17、所述光闌通過光纖與所述分束模塊連接，所述光闌用于調節所述拉曼激光的光斑尺寸；
18、所述分束器位于所述光闌的出光側，用于將所述拉曼激光分束為探測激光與制備激光，其中，所述制備激光經所述第一反射鏡組到達所述合束器，所述探測激光經所述第二反射鏡組到達所述合束器；
19、所述合束器位于所述第一反射鏡組的與所述第二反射鏡組的出光側，以及位于所述第三反射鏡組的入光側，所述合束器將所述探測激光與所述制備激光合束為拉曼激光束組并經所述第三反射鏡組輸入至所述差分探測模塊；
20、其中，通過調節所述第一反射鏡組與所述第二反射鏡組之間高度以對所述制備激光與所述探測激光的分離間距進行調節。
21、本專利技術的進一步設置，所述第一反射鏡組包括：第二反射鏡、第三反射鏡與第一光開關；
22、所述第二反射鏡位于所述第一分束器的第一出光側，所述制備激光依次經所述第二反射鏡、所述第一光開關、所述第三反射鏡到達所述合束器；
23、所述第二反射鏡組包括：第四反射鏡、第五反射鏡與第二光開關；
24、所述第四反射鏡位于所述第一分束器的第二出光側，所述探測激光依次經所述第四反射鏡、第二光開關與所述第五反射鏡到達所述合束器；
25、所述第三反射鏡組包括：第六反射鏡與第七反射鏡；
26、所述第六反射鏡位于所述合束器的出光側，所述拉曼激光束組依次經所述第六反射鏡與所述第七反射鏡入射至所述差分探測模塊。
27、本專利技術的進一步設置，所述差分探測模塊包括：第二分束器、第八反射鏡、第九反射鏡、第十反射鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡、第一探頭、第二探頭與信號處理單元；其中，
28、所述第二分束器位于所述空間光束分離與控制模塊的出光側，且與所述第八反射鏡位于同一水平面，所述磁光阱位于所述第二分束器與所述第八反射鏡之間；所述第九反射鏡位于所述第二分束器的第一出光側，所述磁光阱模塊位于所述第二分束器的第二出光側，所述第三凸透鏡位于所述第二分束器的第三出光側；所述第二凸透鏡位于所述第十反射鏡的反射光路上；所述第一探頭位于所述第二凸透鏡的出光側，所述第二探頭位于所述第三凸透鏡的出光側；
29、所述第二分束器將所述拉曼激光束組分束為信號激光與參考激光；所述信號激光與所述磁光阱模塊中的原子團作用后經所述第八反射鏡反射回所述第二分束器，并經所述第三凸透鏡聚焦至所述第二探頭；所述參考激光依次經所述第九反射鏡與所述第十反射鏡輸入至所述第二凸透鏡，并經所述第二凸透鏡聚焦后輸入至所述第一探頭；
30、所述信號處理單元分別與所述第一探頭以及所述第二探頭連接，用于將所述第一探頭探測的第一采集信號與所述第二探頭探測的第二采集信號進行差分探測并處理并輸出拉姆塞信號。
31、本專利技術的進一步設置，所述磁光阱模塊包括磁光阱與真空腔體；所述磁光阱具有通孔，所述通孔位于所述第二分束器的出光側；所述真空腔體位于所述第二分束器與所述第八反射鏡之間。
【技術保護點】
1.一種相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述拉曼光產生與控制模塊包括：相位調制器、分束模塊、聲光調制器、射頻開關、第一凸透鏡、四分之一波片與第一反射鏡；其中，
3.根據權利要求2所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述分束模塊包括：半波片與偏振分束器；
4.根據權利要求2所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述空間光束分離與控制模塊包括：光闌、第一分束器、第一反射鏡組、第二反射鏡組、合束器與第三反射鏡組；其中，
5.根據權利要求4所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述第一反射鏡組包括：第二反射鏡、第三反射鏡與第一光開關；
6.根據權利要求1所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述差分探測模塊包括：第二分束器、第八反射鏡、第九反射鏡、第十反射鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡、第一探頭、第二探頭與信號處理單元；其中，
7.根據權利要求6所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述磁光阱模塊包括
8.一種基于權利要求1-7任一項所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置的控制方法，其特征在于，包括步驟：
9.根據權利要求8所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置的控制方法，其特征在于，在控制輸入激光、射頻信號與拉姆塞序列輸入至所述拉曼光產生與控制模塊，以通過拉姆塞序列控制射頻信號的開啟與關閉，使得拉曼光產生與控制模塊輸出頻率差可調且可控開關的拉曼激光的步驟中，所述拉曼激光的輸出激光頻率為所述輸入激光的頻率減去或加上兩倍所述射頻信號的頻率。
10.根據權利要求8所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置的控制方法，其特征在于，在控制所述空間光束分離與控制模塊將所述拉曼激光在豎直方向分束為探測激光與制備激光，并將所述探測激光與所述制備激光合束為拉曼激光束組輸入至所述差分探測模塊的步驟中，采用第一光開關序列控制所述制備激光的開啟與關閉，并采用第二光開關序列控制所述探測激光的開啟與關閉，以對所述制備激光與所述探測激光的時序間隔進行調節。
...【技術特征摘要】
1.一種相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，包括：
2.根據權利要求1所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述拉曼光產生與控制模塊包括：相位調制器、分束模塊、聲光調制器、射頻開關、第一凸透鏡、四分之一波片與第一反射鏡；其中，
3.根據權利要求2所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述分束模塊包括：半波片與偏振分束器；
4.根據權利要求2所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述空間光束分離與控制模塊包括：光闌、第一分束器、第一反射鏡組、第二反射鏡組、合束器與第三反射鏡組；其中，
5.根據權利要求4所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述第一反射鏡組包括：第二反射鏡、第三反射鏡與第一光開關；
6.根據權利要求1所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述差分探測模塊包括：第二分束器、第八反射鏡、第九反射鏡、第十反射鏡、第二凸透鏡、第三凸透鏡、第一探頭、第二探頭與信號處理單元；其中，
7.根據權利要求6所述的相干布居數囚禁冷原子鐘裝置，其特征在于，所述磁光阱模塊...
【專利技術屬性】
技術研發人員：何海華，譚智，鹿博，韓成銀，李朝紅，
申請(專利權)人：深圳大學，
類型：發明
國別省市：
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