一种实现高对比度CPT反相探测的方法和装置

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

根据CPT原子钟频率稳定度公式

发明内容

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。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

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；

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；

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。

所述CPT暗态的制备阶段时长为τ

本发明采用2个探测窗口，窗口时长分别为t

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。

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。

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

本发明的有益效果是：

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。

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

图1为本发明提供的一种实现高对比度CPT的原理意图。

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。

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。

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。

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

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。

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：

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。

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；

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。

所述CPT暗态的制备阶段时长为τ

本发明采用2个探测窗口，窗口时长分别为t

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。

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。

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

下面以充有

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

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。

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

本发明采用2个探测窗口：t

如图4所示的CPT共振谱线示意图中，探测t

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

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。