芯片原子钟及小型Ramsey-CPT原子钟方案研究

摘要

相干布居囚禁（CoherentPopulationTrapping,CPT）原子钟利用双色光与原子作用获得作为微波频率鉴频信号的CPT共振信号，是一种不需要微波谐振腔的微波原子钟。因为不需要微波腔而易于实现小体积、低功耗原子钟，因此CPT原子钟具有很强的应用竞争力。目前，小型CPT原子钟和芯片CPT原子钟都已经进入应用市场，并正在获得越来越广泛的应用。团队长期开展CPT原子钟研究，获得许多有价值的研究成果，已经研制出小型CPT原子钟和芯片CPT原子钟。本论文作者攻博期间随团队开展了CPT原子钟相关研究，以增强CPT原子钟应用竞争力为目标，本人的研究工作集中在改善小型和芯片CPT原子钟输出频率性能方面，所取得的研究成果主要包括： （1）左、右旋圆偏振光干涉相长共振增强CPT原子钟方案。 目前CPT原子钟产品采用单一左旋（或右旋）圆偏振光与原子作用实现CPT共振，这所导致一部分原子被抽运至极化暗态，极化暗态的原子对CPT共振没有贡献，造成有效工作原子数量的损失。但是，如果左、右圆偏振光同时与原子作用则产生影响CPT共振效率的量子干涉。设计的方案通过合适安排左、右旋圆偏振光的光程差而获得它们分别产生CPT共振之间的理想位相差，因此获得干涉相长、共振增强CPT信号，并应用于实现原子钟。完成了该方案实验研究，所实现的原子钟频率稳定度得到3倍的改善，该方案适合实现芯片CPT原子钟。 （2）切换激光器驱动电流幅度Ramsey-CPT原子钟方案。 Ramsey干涉与CPT共振相结合能获得窄线宽Ramsey-CPT干涉谱线，利用比CPT谱线线宽更窄的Ramsey-CPT谱线作为微波频率鉴频信号，可以实现频率稳定度更高的原子钟。实施Ramsey干涉通常需要大尺度空间展开，造成原子钟体积过大，难以实现具有应用竞争力的原子钟。在团队已完成的切换调制激光器的微波功率而实现一种Ramsey-CPT原子钟方案研究基础上，设计了切换激光器驱动电流强度的Ramsey-CPT原子钟方案，并完成了实验研究。研究结果表明：相比于微波功率切换过程Ramsey-CPT信号中产生较强噪声，电流强度切换产生的噪声较弱，因此所获得的Ramsey-CPT信号质量更好一些。该方案适合实现小型Ramsey-CPT原子钟。

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