一种实现高对比度CPT反相探测的方法和装置与流程

一种实现高对比度cpt反相探测的方法和装置
技术领域
[0001]
本发明属于原子钟、原子磁强计领域，具体涉及一种cpt反相探测技术。


背景技术：

[0002]
相干布局囚禁(cpt)是一种量子干涉效应。基于该效应可实现原子钟、磁强计等精密测量器件。
[0003]
以原子钟的应用为例，基于相干布局囚禁的被动型cpt原子钟(以下简称cpt钟)因为其不需要微波腔的特点，可以小型化甚至芯片化，在体积、功耗和重量上表现出巨大的优势，可应用于微小卫星编队组网、无人机、便携gnss接收机、水下勘测等领域。
[0004]
现有的小型和芯片cpt钟为了减小系统体积、功耗和重量，通常采用比较简单的单一圆偏振相干双色光与原子系统相互作用制备cpt方案。该方案中，相干双色光将碱金属原子基态两超精细能级(钟跃迁态)耦合到同一激发态，当双色光频差调谐到两钟态的钟跃迁共振频率时，原子被备制到相干暗态，即cpt态，此时原子不再吸收入射光，在透射光强上表现为一条极窄的亮线。利用cpt共振谱线可以对本振进行鉴频，最终输出频率标准，实现原子钟。
[0005]
但由于在传统单一圆偏振光方案中极化暗态的存在，即当单一圆偏振相干双色光和碱金属原子相互作用时，原子布居泄漏到极化暗态，使得参与钟跃迁的原子布居数大为减少，导致钟跃迁的cpt信号对比度一般只有1～5％。这里定义对比度(c)为cpt共振谱线的幅度与本底幅度之比。
[0006]
根据cpt原子钟频率稳定度公式式中，τ代表积分时间，rin为激光的相对强度噪声，ν
hf
是实验原子基态两超精细能级的频差，q值为品质因子，q＝c/δ，c代表cpt信号的对比度，定义为cpt共振谱线的幅度与本底幅度之比；δ是cpt信号的半高全宽(fwhm)。由公式可以看出在其他参数一定的情况下，频率稳定度与cpt信号对比度(或q值)成反比。因此，采用单一圆偏振相干双色光的传统方案中较低的对比度(或q值)限制了cpt钟频率稳定度的进一步的提升。


技术实现要素：

[0007]
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种实现高对比度cpt反相探测的方法，在微型化传统cpt原子频标方案的基础上增加一个微波相位调制，通过相干双色光相对相位的控制，使制备到cpt稳态的原子经过与相对相位反相的相干双色光作用后，获得电磁感应吸收(eia)形式的cpt共振谱线，从而获得高对比度和高q值的鉴频信号，有效提升cpt原子钟的频率稳定度。
[0008]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
[0009]
1)提供一束相对相位为φ的相干双色光，其中φ为任意相位；
[0010]
2)将相干双色光入射到原子气室并与原子相互作用，把原子制备到cpt态；当相对相位为φ的相干双色光将原子制备到cpt稳态后，将相干双色光的相对相位从φ切换到反
相状态，即φ+π，使得处于稳态的cpt暗态转变为cpt亮态，进而逐渐进入新的cpt稳态；
[0011]
3)采集原子气室的透射光，获得电磁感应吸收形式的cpt信号。
[0012]
所述cpt暗态的制备阶段时长为τ
1
，反相阶段的时长为τ
2
，时长τ
1
取值为数毫秒，时长τ
2
取值为毫秒至亚毫秒量级。
[0013]
本发明采用2个探测窗口，窗口时长分别为t
w1
和t
w2
，t
w1
探测窗口位于cpt暗态制备阶段的结束前，t
w2
探测窗口位于反相阶段开始后，2个探测窗口的延时分别为t
d1
和t
d2
，t
d1
时长为数毫秒，t
d2
的时长小于等于500μs；t
w1
探测窗口用于判断cpt暗态是否已经进入稳态，t
w2
探测窗口用于探测并获得高q值的电磁感应吸收形式的cpt信号。
[0014]
本发明还提供一种实现高对比度cpt反相探测的装置，包括直流电源、微波源、相位调制器、微波耦合器、激光器、四分之一波片、原子气室和探测器。
[0015]
所述的直流电源通过微波耦合器为激光器供电；所述的微波源通过相位调制器实现相位的调制，并通过耦合器为激光器提供调制微波；激光器发出的线偏振相干双色光通过一个四分之一波片得到圆偏振的相干双色光，相干双色光进入原子气室与原子相互作用，把原子备制到cpt态；当相对相位为同相的相干双色光将原子制备到cpt稳态后，通过相位调制器实现相干双色光的相对相位从同相切换到反相状态，使得同相相干双色光制备到稳态的cpt暗态变化到cpt亮态，原子气室的透射光被探测器探测，获得电磁感应吸收形式的cpt信号。
[0016]
所述微波源的微波频率取实验原子基态两超精细能级频差ν
hf
的1/n，n取任意正整数。
[0017]
本发明的有益效果是：
[0018]
1.通过采用适当的微波相位调制和工作时序设计，可以获得电磁感应吸收(eia)形式的cpt共振谱线，显著提高cpt信号的对比度和q值。本发明应用于原子钟，可进一步提升cpt原子钟的频率稳定度，也可应用于磁强计，提升其磁场探测灵敏度。
[0019]
2.本发明装置相比于传统的单一圆偏振光方案仅在电子学方面增加一个体积和功耗都很小的相位调制器。既提高cpt原子钟的频率稳定度，同时又能保持了传统方案在体积和功耗方面的优势，能够实现高性能芯片cpt原子钟和芯片磁强计。
附图说明
[0020]
图1为本发明提供的一种实现高对比度cpt的原理意图。
[0021]
图2为本发明提供的一种实现高对比度cpt的物理系统装置结构图。
[0022]
图3为本发明提供的一种实现高对比度cpt信号的工作时序设计图。
[0023]
图4为本发明获得的典型较高对比度的电磁感应吸收(eia)形式的cpt信号示意图，其中用传统方法获得的电磁感应透明(eit)形式的cpt信号作为对照。
[0024]
图中，1—直流电源，2—微波源，3—相位调制器，4—微波耦合器bias-tee，5—dbr激光器，6—四分之一波片，7—原子气室，8—探测器。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
[0026]
本发明提供一种实现高对比度cpt反相探测的方法，包括以下步骤：
[0027]
1)提供一束相对相位为φ的相干双色光，其中φ为任意的初始相位。
[0028]
2)将相干双色光入射到原子气室并与原子相互作用，把原子制备到cpt态；当相对相位为φ的相干双色光将原子制备到cpt稳态后，将相干双色光的相对相位从φ切换到反相状态，即φ+π，使得前一相对相位为φ的相干双色光制备到稳态的cpt暗态原子变化到cpt亮态；
[0029]
3)采集原子气室的透射光，获得电磁感应吸收形式的cpt信号。
[0030]
所述cpt暗态的制备阶段时长为τ
1
，反相阶段的时长为τ
2
，时长τ
1
取值为数毫秒，时长τ
2
取值为毫秒至亚毫秒量级。
[0031]
本发明采用2个探测窗口，窗口时长分别为t
w1
和t
w2
，t
w1
探测窗口位于cpt暗态制备阶段的结束前，t
w2
探测窗口位于反相阶段开始后，2个探测窗口的延时分别为t
d1
和t
d2
，t
d1
时长为数毫秒，t
d2
的时长小于等于500μs；t
w1
探测窗口用于判断cpt暗态是否已经进入稳态，t
w2
探测窗口用于探测并获得高q值的电磁感应吸收形式的cpt信号。
[0032]
本发明还提供一种实现高对比度cpt反相探测的装置，包括直流电源、微波源、相位调制器、微波耦合器、激光器、四分之一波片、原子气室和探测器。
[0033]
所述的直流电源通过微波耦合器为激光器供电；所述的微波源通过相位调制器实现相位的调制，并通过耦合器为激光器提供调制微波；激光器发出的线偏振相干双色光通过一个四分之一波片得到圆偏振的相干双色光，相干双色光进入原子气室与原子相互作用，把原子备制到cpt态；当相对相位为同相的相干双色光将原子制备到cpt稳态后，通过相位调制器实现相干双色光的相对相位从同相切换到反相状态，使得同相相干双色光制备到稳态的cpt暗态变化到cpt亮态，原子气室的透射光被探测器探测，获得电磁感应吸收形式的cpt信号。
[0034]
所述微波源的微波频率取实验原子基态两超精细能级频差ν
hf
的1/n，n取任意正整数。
[0035]
下面以充有
87
rb碱金属原子和惰性气体的原子气室为例对本发明进行详细说明。
[0036]
如图2所示，直流电源1和经过相位调制器3调制的微波源2的微波通过微波耦合器bias-tee4耦合后驱动dbr激光器5产生相干双色光。其中，微波频率可以取实验原子基态两超精细能级频差ν
hf
，也可以取ν
hf
/2、ν
hf
/3、ν
hf
/4
…
，本实施例取ν
hf
/2。经过相位调制器对微波相位进行0到π/2的周期性变换，对应相干双色光的相位差也在0到π之间进行周期性切换。dbr激光器产生线偏振相干双多光，其中
±
1级边带是实验所需的相干双色光。经过一个四分之一波片后转为圆偏振光，这里以左旋圆偏振光为例。左旋圆偏振光进入原子气室7与
87
rb原子相互作用，把原子备制到cpt态。
[0037]
当相对相位为φ(初始相位)的相干双色光将原子制备到cpt稳态后，通过相位调制器实现相干双色光的相对相位从φ迅速切换到反相φ+π状态，使得前一相对相位为φ的相干双色光制备到稳态的cpt暗态变化到cpt亮态，即由电磁感应透明(eit)变化到电磁感应吸收(eia)。与原子相互作用后的左旋圆偏振光被探测器8探测接收，获得电磁感应吸收(eia)形式的cpt信号。
[0038]
如图3所示的工作时序示意图中，包括频率步进扫描触发时序、相位调制时序和探测时序。每个周期长度为t
cycle
，其包含两部分：第1阶段为cpt暗态的制备阶段，时长为τ
1
，微
波相位设置为某一固定值(图中示意为度)，用于将原子制备到cpt暗态的稳态，因而时间需要足够长，大约在数毫秒。第2阶段为反相探测阶段，时长为τ
2
，微波相位迅速的跳变到对应于相干双色光的相对相位由φ变到反相的φ+π状态(其中φ为初始相位)，用于将稳态的cpt暗态变为cpt亮态。由于该阶段相位跳变引起的瞬态效应导致的cpt信号会随着相互作用时间的增加而演化进入新的cpt暗态，导致cpt对比度恢复到较低的水平。因而该阶段时长τ
2
可以相对于备制到cpt稳态的时间τ
1
短一些，τ
2
可短至毫秒甚至亚毫秒量级，使其不进入新的cpt暗态，同时在相对于τ
1
＝τ
2
的情况下，可缩短调制周期时长t
cycle
。减小调制周期时长t
cycle
，有利于原子钟使用较高频率的调制解调技术，减小1/f噪声，提高cpt的信噪比。
[0039]
本发明采用2个探测窗口：t
w1
和t
w2
，他们分别位于cpt暗态制备阶段的结束端和反相探测阶段的开始端，延时分别为t
d1
和t
d2
，其中t
d1
为数毫秒，t
d2
的范围在0～500μs，前者用于判断cpt暗态是否已经进入稳态，后者用于探测并获得较高q值的电磁感应吸收形式的cpt信号。
[0040]
如图4所示的cpt共振谱线示意图中，探测t
w1
和t
w2
窗口，分别获得电磁感应透明(eit)和电磁感应吸收(eia)形式的cpt共振谱线。其中位于中间的eit透射尖峰和eia吸收尖峰为cpt钟跃迁，即|m
f
＝0>
→
|m
′
f
＝0>，其中m
f
和m
′
f
为两基态子能级的磁量子数，后者的对比度要远高于前者。通过衡量cpt原子钟频率稳定度的q值，可以看到，电磁感应吸收(eia)形式的cpt信号相对于传统的cpt信号至少提升2倍以上。因而本发明可在不增加现有小型和芯片型cpt钟光学物理器件的基础上，仅仅通过电子学的相位调制器和时序控制，大幅度提高cpt信号的对比度和q值，这将有效提高cpt原子钟的频率稳定度。
[0041]
从图4中还可以看到，除钟跃迁之外的两个cpt信号的对比度也得到较大幅度提升，他们是|m
f
≠0>
→
|m
′
f
≠0>非钟跃迁，因其间距在一定范围内是正比于磁场强度，可用于测量磁场，实现磁强计。该发明获得q值较大幅度提升的eia形式的磁敏感跃迁信号，因而可应用于磁强计并显著提升磁场探测的灵敏度。
[0042]
以上所述仅为本申请发明的最佳实施例而已，并不用于限制本发明的适用范围。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，同等替换和改进，均应包含在本申请发明的权利要求保护范围之内。