本發明專利技術公布了一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的方法及裝置，方法包括A、電流與微波耦合至激光管使其輸出多色相干激光；B、周期性切換微波頻率改變多色激光的頻率分布，頻率分布滿足CPT共振時制備出CPT態原子，失諧時激光與原子沒有作用，再次共振時已有的CPT原子與激光場進行Ramsey-CPT干涉；C、利用Ramsey-CPT干涉條紋作為微波鑒頻信號實現原子鐘。本發明專利技術輸入激光器的微波頻率周期性改變而功率保持不變，克服了周期性通斷微波方案造成輸入激光器功率突變，導致輸出激光頻率波動問題。因此，所獲得的原子鐘具有更優的性能。應用本方案可實現小型和微型原子鐘。
【技術實現步驟摘要】
—種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的裝置及方法
本專利技術涉及原子鐘領域,具體涉及一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的裝置，還涉及一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的方法。適用于小型和微型原子鐘的制造。
技術介紹
被動型CPT原子鐘由于具有可微型化的優勢被廣泛研究，目前已有商品化的微型CPT原子鐘。被動型CPT原子鐘通常利用微波調制電流注入垂直腔面發射激光器(VCSEL)產生相干雙色光與原子的三能級系統相互作用，當兩個入射光場的頻率等于原子的躍遷頻率，且頻率差等于原子基態兩超精細能級的頻率差，即Raman共振時，兩個單光子躍遷發生干涉，原子會被制備到相干疊加態，即CPT態。常規CPT原子鐘就是采用伴隨CPT態的EIT信號作為微波鑒頻信號而實現，這種原子鐘的頻率穩定度在ΙΟ—11 τ -1/2水平。通過Ramsey-CPT干涉可以獲得線寬比CPT信號更窄的干涉條紋，將其作為微波鑒頻信號可以實現頻率穩定度在10_13 τ _1/2水平的原子鐘。然而目前已經實施的Ramsey-CPT原子鐘方案其光學系統體積太大，不適合轉化成實用的原子鐘產品。雖然已經出現通過微波周期性通斷實現小型實用Ramsey-CPT原子鐘方案，但是微波通斷導致輸入VCSEL的微波功率在通斷瞬間發生劇烈變化，造成VCSEL輸出激光波長在通斷過程出現長時間振蕩，降低了激光質量，因而所實現的原子鐘的性能有所變差。通過周期性切換微波頻率調制VCSEL實現的Ramsey-CPT原子鐘，由于切換微波頻率時，可以通過調節切換之后輸出的微波功率，避免了切換瞬間出現的VCSEL輸出激光波長振蕩，克服了微波通斷所造成的問題，因此能夠獲得性能更優的小型Ramsey-CPT原子鐘。通過該方案還可以實現芯片級的Ramsey-CPT原子鐘。
技術實現思路
本專利技術的目的就在于克服現有技術存在的問題，提供一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的裝置,該裝置結構簡單,相比采用微波通斷實現的Ramsey-CPT原子鐘體積和功耗并沒有增加，但性能更優。本專利技術的目的還在于提供一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的方法，能夠獲得信噪比更好的Ramsey-CPT信號，更適合實現高性能的芯片級原子鐘。本專利技術的目的可通過下列技術方案實現:一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的裝置，控制設備1、單刀雙擲開關2、兩臺微波源(3、4)、電壓轉電流電路5、BiaS-Tee6、激光產生器7、原子吸收泡8、光檢測裝置9。控制設備I的信號輸出端分別與電壓轉電流電路5的輸入端、單刀雙擲開關2的控制端、第一微波源和第二微波源的觸發端相連,第一微波源和第二微波源的輸出端分別與單刀雙擲開關2的兩個輸入端相連，Bias-Tee6的電流和微波輸入端分別與電壓轉電流電路5的輸出端和單刀雙擲開關2的輸出端相連，Bias_Tee6的輸出與激光產生器7的輸入相連，激光產生器7輸出的激光經過原子吸收泡8之后入射至光檢測裝置9，光檢測裝置9的輸出與控制設備I的輸入相連。其中:控制設備:裝有NI PC1-6220和NI PC1-4461數據采集模塊的計算機。利用NI PC1-4461采集光檢測裝置的輸出信號并輸出模擬信號至電壓轉電流電路，利用NIPC1-6220輸出數字信號至單刀雙擲開關和第一微波源。單刀雙擲開關=Min1-CircuitS的ZASWA-2-50DR+，用于切換耦合至VCSEL的微波。微波源(3、4):兩臺Agilent的E8257D，微波源的輸出頻率疊加有2FSK調制，微波源I掃描頻率時觸發信號來自于控制設備。第一微波源和第二微波源的輸出連接至單刀雙擲開關的兩個輸入。電壓轉電流電路:由于VCSEL的阻抗不是恒定不變，因此采用電流而不是電壓來驅動。控制設備輸出的模擬信號經過電壓轉電流電路之后連接至VCSEL的輸入。如圖6所/Jn οBias-Tee:用于將電壓轉電流電路的輸出和單刀雙擲開關的輸出耦合至VCSEL。采用 Min1-Circuits 的 ZNBT-60-lW+Bias-Tee。激光產生器:包括U-L-M Photonics生產的單模795nm VCSEL和1/4玻片。其中VCSEL包含一個熱敏電阻和TEC，用于將VCSEL溫度控制在40度附近。如圖7示。原子吸收泡:包括樣品泡、螺線管線圈和磁屏蔽桶。其中樣品泡的長度和直徑分別為40mm和25mm。泡內的工作原子為87Rb,同時充有總壓力20Torr、比例1:2的緩沖氣體N2和CH4。樣品泡表面貼有熱敏電阻和功率管，用于將其溫度控制在65度附近。螺線管線圈為樣品泡在沿光的傳播方向上提供了 Β=24 μ T磁場，為原子與光作用提供量子化軸。磁屏蔽桶屏蔽環境磁場對系統的干擾。如圖8所示。光檢測裝置:由光電池構成,型號為Thorlabs的PDA36A。一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的方法，其步驟是:控制設備通過程序控制輸出模擬電壓，經過電壓轉電流電路輸出穩定的電流，將此電路作為電流源。第一微波源和第二微波源的輸出連接到單刀雙擲開關，單刀雙擲開關的控制信號由控制設備產生，其中設定第一微波源輸出的微波頻率為第二微波源輸出的微波頻率為3GHz，，第一微波源和第二微波源輸出的微波功率分別為7dBm和3dBm，其中第一微波源的輸出功率通過觀測Doppler吸收峰調節得到，第二微波源的輸出功率通過觀測切換瞬間光檢信號的振蕩時間調節得到。電流源輸出的電流與單刀雙擲開關輸出的微波通過直流偏置器件Bias-Tee耦合，得到經過微波幅度調制的電流，將此電流作為VCSEL的輸入。當單刀雙擲開關輸出的微波來自于第一微波源的輸出時，VCSEL發出多邊帶線偏振光，其中心頻率為電流源輸出的電流單獨作用VCSEL時VCSEL輸出頻率(fC1 )，邊帶間距為第一微波源的輸出頻率，邊帶幅度滿足貝塞爾函數形式，選擇調制指數為1.6，使正負一級邊帶光功率最大。其中正負一級邊帶頻率(fQ+Af/2，f0-Af/2)近似對應圖2中的由87Rb原子的Dl線構成的三能級系統中的單光子躍遷頻率(f1; f2)，頻率差與原子基態兩超精細能級的頻率差近似相等。當單刀雙擲開關輸出的微波來自于第二微波源的輸出時，VCSEL同樣發出多邊帶線偏振光，但是正負一級邊帶頻率(fo+SGHz，&-3GHZ )已偏離單光子躍遷頻率(f1;f2)，此時原子不會被制備到CPT態，同時由于切換瞬間微波功率沒有劇烈變化，激光波長的振蕩明顯較小了。VCSEL輸出激光偏振方向由λ/4波片調節以產生所需的圓偏振激光。圓偏振激光的正負一級邊帶構成的圓偏振雙色激光與堿金屬原子吸收泡相互作用，通過光檢測裝置檢測透射光強。控制設備通過程序對電流源的輸出電流掃描，從而改變VCSEL發出的圓偏振激光的中心頻率(f；)，當單刀雙擲開關輸出的微波來自于第一微波源的輸出時，通過光檢測裝置得到堿金屬原子對激光吸收的多普勒吸收峰，如圖3所示。掃描完成后，將電流源的輸出電流固定在最大吸收峰對應電流Itl處。為了能夠將電流源的輸出電流鎖定在最大吸收峰對應的電流Itl處，對該輸出電流進行持續反饋，具體方法是在該輸出電流上疊加一個90nA-110nA的音頻調制信本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種切換微波頻率實現Ramsey?CPT原子鐘的裝置，包括原子吸收泡（8），其特征在于，還包括單刀雙擲開關（2），分別與第一微波源（3）和第二微波源（4）連接；控制設備（1），用于按照預定時序控制單刀雙擲開關（2）切換第一微波源（3）和第二微波源（4）的輸出信號到Bias?Tee（6），用于控制電壓轉電流電路（5）輸出電流信號；Bias?Tee（6），用于將控制電壓轉電流電路（5）輸出電流信號與第一微波源（3）或第二微波源（4）的輸出信號進行耦合輸出到激光產生器（7）；激光產生器（7），根據Bias?Tee（6）輸出的信號產生激光入射到原子吸收泡（8）；光檢測裝置（9），用于將入射到原子吸收泡（8）之后的激光的光信號轉換成電信號輸出到控制設備。
【技術特征摘要】
1.一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的裝置，包括原子吸收泡(8)，其特征在于，還包括 單刀雙擲開關(2)，分別與第一微波源(3)和第二微波源(4)連接； 控制設備(1)，用于按照預定時序控制單刀雙擲開關(2)切換第一微波源(3)和第二微波源(4)的輸出信號到Bias-Tee (6),用于控制電壓轉電流電路(5)輸出電流信號； Bias-Tee (6),用于將控制電壓轉電流電路(5)輸出電流信號與第一微波源(3)或第二微波源(4)的輸出信號進行耦合輸出到激光產生器(7)； 激光產生器(7)，根據Bias-Tee (6)輸出的信號產生激光入射到原子吸收泡(8)；光檢測裝置(9)，用于將入射到原子吸收泡(8)之后的激光的光信號轉換成電信號輸出到控制設備。2.根據權利要求1所述的一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的裝置，其特征在于，所述的激光產生器(7)包括VCSEL、用于控制VCSEL溫度的第一溫度控制器和放置在VCSEL的激光出射方向的1/4玻片。3.根據權利要求1所述的一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的裝置，其特征在于，所述的原子吸收泡(8)包括樣品泡、用于控制樣品泡溫度的第二溫度控制器、設置在樣品泡外部磁屏蔽筒和設置在樣品泡外部的螺線管線圈。4.根據權利要求1所述的一種切換微波頻率實現Ramsey-CPT原子鐘的裝置，其特征在于，所述的第二微波源(4)輸出的頻率為3GHz。5.一種利用權利要求1所述裝置實現Ramsey-CPT原子鐘的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、控制激光產生器7中的VCSEL的溫度為40度，控制原子吸收泡的溫度為65度，為原子吸收泡在沿激光傳播方向上提供Β=24 μ T磁場； 步驟2、一...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李鐸，田原，顧思洪，
申請(專利權)人：中國科學院武漢物理與數學研究所，
類型：發明
國別省市：
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