原子振荡器、检测相干布居俘获共振的方法和磁传感器技术

一种原子振荡器，包括封装了碱性金属原子的碱性金属单元；发出激光的光源；检测已经通过碱性金属单元的光的光检测器；和设置在碱性金属单元和光检测器之间的偏光器。通过调制光源以产生边带和将具有边带的激光注入到碱性金属单元中，根据作为两种类型共振光的量子干涉效应的光吸收特性的相干布居俘获(coherent population trapping)共振，来控制光源中的调制频率。在与激光传播方向平行的方向上，将磁场施加到碱性金属单元，而进入碱性金属单元的激光具有线性偏振，其不平行于偏光器的偏振方向。

【技术实现步骤摘要】
原子振荡器、检测相干布居俘获共振的方法和磁传感器
技术介绍
1.
本公开一般涉及到原子振荡器，检测CPT(相干布居俘获)共振的方法和磁传感器。2.现有技术原子钟(原子振荡器)是非常精确的时钟。正在研究用于降低原子钟尺寸的技术。原子钟是一种基于包括在碱性金属或类似物中的电子的跃迁能的振荡器。尤其是，如果没有任何干扰影响该工艺，则发现碱性金属原子的电子跃迁能非常精确。因此，能获得与晶体振荡器相比已经改善了超过几个数量级的频率稳定性。存在几种类型的原子振荡器。例如，现有技术中具有微波振荡器结构的原子振荡器尺寸大且需要大量电能。另一方面，CPT(相干布居俘获)型原子振荡器提供频率稳定性，比现有技术中的晶体振荡器高三个数量级的精确性。而且，CPT型原子振荡器的尺寸和功耗都有希望能降低。在2007年制造了CPT型原子振荡器的原型，并且自2011年Symmetricom，Inc.，U.S.A已经出售CPT型原子振荡器的产品。美国专利6993058披露了一种CPT检测器和用于检测CPT的方法。所述CPT检测器包括量子吸收器、检偏镜(polarizationanalyzer)和检测器。所述量子吸收器包括具有耦合到共用高能态的第一和第二低能态的材料。在第一低能态和共用高能态之间和在第二低能态和共用高能态之间的跃迁由具有预定的偏振状态的电磁辐射诱发。检偏镜阻挡预定的偏振状态的电磁辐射，同时通过具有与预定的偏振垂直的偏振状态的电磁辐射。用已经通过量子吸收器的生成的电磁辐射的一部分照射检偏镜。检测器生成与离开检偏镜的电磁辐射的强度有关的信号。日本公开的专利申请No.2010-263593披露一种原子振荡器的光学系统，所述光学系统通过利用光和微波的双共振方法和利用由两种共振光产生的量子干涉效应的相干布居俘获(CPT)方法的一种通过使用光学吸收特性调节振荡频率。所述光学系统包括：发射共振光的光源；布置在光源发射侧的充气电池(gascell)，在其中密封了气态的金属原子并通过金属原子气体传输共振光；检测通过金属原子气体传输的光的光检测单元；和阻挡至少一部分从金属原子气体发射到光检测单元的荧光的荧光阻挡单元，其被布置在金属原子气体和光检测单元之间。日本专利No.4801044披露了一种用于调制原子钟信号的方法和相应的原子钟。激光束(L1，L2)在振幅上被脉冲调制以照射(A)交互介质。进行电流脉冲(Sr)和在所述电流脉冲之前的脉冲(Sr-l到Sr-p)的检测(B)。脉冲通过线性组合被叠加(C)以便生成频谱带宽被最小化的补偿原子钟信号(SHC)。本专利技术可用于带有脉冲探寻(interrogation)的原子钟，所述脉冲探寻的交互介质由热原子或激光冷却的原子构成。P.M.Anisimov等人的“InfluenceoftransversemagneticfieldsanddepletionofworkinglevelsonthenonlinearresonanceFaradayeffect”,JournalofExperimentalandTheoreticalPhysics(实验和理论物理杂志)，2003年11月，97卷，第5期，868到874页披露了在87Rb蒸汽中在D1-线F=2到F’=1的跃迁处在相干布居俘获条件下研究的非线性共振法拉第效应。研究了横向磁场对于非线性光学法拉第旋转的影响。对于垂直于电磁波偏振的横向磁场，提出了一种与实验数据非常符合的理论模型。基于所获得的结果发现了提供最大灵敏性的最优强度。实验上和理论上研究了工作级耗尽(workingleveldepletion)对于在开放系统中的法拉第旋转的参数的影响。在实验中通过使用附加的激光关闭该系统来增加灵敏性和扩大所测场的动态范围。G.Kazakov等人的“Pseudoresonancemechanismofall-opticalfrequency-standardoperation”，Phys.Rev.A72，063408(2005)基于相干布居俘获效应和在探针辐射(proberadiation)的最大吸收时的信号辨别的有悖常理的组合提出了对于全光频率标准设计的方式。此种标准的短期稳定性可以达到的级别。本申请所使用的数据可以在D.A.Steck在2012年12月18日的http:／／steck.us／alkalidata／得到。
技术实现思路
本专利技术的至少一个实施例的总的目的是提供一种原子振荡器，检测CPT共振的方法和提供频率高稳定性的磁传感器。在本专利技术的一个实施例中，原子振荡器包括其中封装了碱性金属原子的碱性金属单元；发出进入碱性金属单元的激光的光源；检测通过碱性金属单元的光的光检测器；和设置在碱性金属单元和光检测器之间的偏光器。通过调制光源以产生边带和将具有作为边带的两种不同波长的激光注入到碱性金属单元中，根据作为两种类型共振光的量子干涉效应的光吸收特性的相干布居俘获共振，来控制光源中的调制频率，其中在平行于激光传播方向的方向上将磁场施加到碱性金属单元，进入到碱性金属单元的激光具有线性偏振，并且激光偏振方向不平行于偏光器的偏振方向。在本专利技术的另一实施例中，一种在原子振荡器中检测相干布居俘获共振的方法，该原子振荡器包括其中封装了碱性金属原子的碱性金属单元，发出进入到碱性金属单元的激光的光源，检测通过碱性金属单元的光的光检测器，和被设置在碱性金属单元和光检测器之间的偏光器，其中，通过调制光源以产生边带和将具有作为边带的两种不同波长的激光注入到碱性金属单元中产生量子干涉效应，根据作为两种类型共振光的量子干涉效应的光吸收特性的相干布居俘获共振，来控制光源的调制频率，并且在平行于激光传播方向的方向上将磁场施加到碱性金属单元，其中该方法包括将具有线性偏振的激光注入到碱性金属单元中；和通过光检测器检测通过碱性金属单元的激光。激光的偏振方向不平行于偏光器的偏振方向。在本专利技术的再一实施例中，磁传感器包括其中封装了碱性金属原子的碱性金属单元；发出进入碱性金属单元的激光的光源；检测通过碱性金属单元的光的光检测器；和被设置在碱性金属单元和光检测器之间的偏光器。通过调制光源以产生边带和将具有作为边带的两种不同波长的激光注入到碱性金属单元中，根据作为两种类型共振光的量子干涉效应的光吸收特性的相干布居俘获共振，来控制光源的调制频率，其中进入到碱性金属单元的激光具有线性偏振，激光的偏振方向不平行于偏光器的偏振方向，和磁通量的密度响应于相干布居俘获共振在与激光传播方向平行的方向上被检测。根据本专利技术，提供了一种具有频率高稳定性的CPT型原子振荡器、检测CPT共振的方法和磁传感器。附图说明当结合附图阅读时根据下文具体描述实施例的其他目的和进一步特征是显而易见的，附图中：图1是示出CPT共振实例的示意图；图2是示出根据第一实施例的原子振荡器实例的结构图；图3是铯133D1线数据实例的示意图；图4是示出激光通过碱性金属单元传输一方面的示意图；图5是示出在通过光检测器检测的光的频率和强度之间的相关性实例的相关图；图6是示出根据第一实施例的原子振荡器一方面的示意图；图7是示出根据第一实施例的原子振荡器另一方面的示意图；图8是示出通过碱性金属单元的激光传输的另一方面的示意图；图9是示出通过线性偏振激发的CPT本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原子振荡器，包括：其中封装了碱性金属原子的碱性金属单元；发出进入到碱性金属单元的激光的光源；检测通过碱性金属单元的光的光检测器；和设置在碱性金属单元和光检测器之间的偏光器，其中通过调制光源以产生边带和将具有作为边带的两种不同波长的激光注入到碱性金属单元中，根据作为两种类型共振光的量子干涉效应的光吸收特性的相干布居俘获共振，来控制光源中的调制频率，其中在与激光的传播方向平行的方向上将磁场施加到碱性金属单元，进入到碱性金属单元的激光具有线性偏振，且激光偏振方向不与偏光器的偏振方向相同。

【技术特征摘要】
2013.02.14 JP 2013-026436;2014.01.16 JP 2014-006071.一种原子振荡器，包括：其中封装了碱性金属原子的碱性金属单元；发出进入到碱性金属单元的激光的光源；检测通过碱性金属单元的光的光检测器；和设置在碱性金属单元和光检测器之间的偏光器，其中通过调制光源以产生边带和将具有作为边带的两种不同波长的激光注入到碱性金属单元中，根据作为两种类型共振光的量子干涉效应的光吸收特性的相干布居俘获共振，来控制光源中的调制频率，其中在与激光的传播方向平行的方向上将磁场施加到碱性金属单元，进入到碱性金属单元的激光具有线性偏振，且激光偏振方向不与偏光器的偏振方向相同，使得具有有助于相干布居俘获共振的波长并且与碱性金属原子相互作用的注入激光通过所述偏光器，并且具有有助于相干布居俘获共振的波长但是不与碱性金属原子相互作用的注入激光、以及具有无助于相干布居俘获共振的波长的注入激光不通过所述偏光器。2.如权利要求1所述的原子振荡器，其中以脉冲序列形式调制进入到碱性金属单元的激光的强度。3.如权利要求1所述的原子振荡器，其中通过设置在光源和碱性金属单元之间的光强度调制器，以脉冲序列形式调制进入到碱性金属单元的激光的强度。4.如权利要求1所述的原子振荡器，其中所述偏光器是第二偏光器，将第一偏光器设置在光源和碱性金属单元之间，且第一偏光器的偏振方向不与第二偏光器的偏振方向平行。5.如权利要求4所述的原子振荡器，其中第二偏光器的偏振方向和与第一偏光器的偏振方向垂直的方向之间的角度小于15度。6.如权利要求1所述的原子振荡器，其中有助于相干布居俘获共振的进入到碱性金属单元的激光的偏振方向在碱性金属单元中旋转。7.如权利要求1所述的原子振荡器，其中磁场中的磁通量密度大于16μT。8.如权利要求2所述的原子振荡器，其中磁场中磁通量的密度是其中T是脉冲序列的周期长度，h是普朗克常数，gI是核磁g因数和μB是波尔磁子。9.如权利要求1至8中任一项所述的原子振荡器，其中封装在碱性金属单元中的碱性金属是铷、铯、钠和钾中的一种。10.一种在原子振荡器中检测相干布居俘获共振的方法，该原子振荡器包括封装了碱性金属原子的碱性金属单元，发出进入到碱性金属单元中的激光的光源，检测已经通过碱性金属单元的光的光检测器，和被设置在碱性金属单元和光检测器之间的偏光器，其中通过调制光源以产生边带和将具有作为边带的两种不同波长的激光注入到碱性金属单元中，根据作为两种类型共振光的量子干涉效应的光吸收特性的相干布居俘获共振，来控制光源中的调制频率，其中在与激光传播方向平行的方向上，将磁场施加到碱性金属单元，该方法包括：将具有线性偏振的激光注入到碱性金属单元中；和通过光检测器检测已经通过碱性金属单元的激光，其中激光偏振方向不平行于偏光器的偏振方向，其中，具有有助于相干布居俘获共振的波长并且与碱性金属原子相互作用的注入激光通过所述偏光器，并且具有有助于相干布居俘获共振的波长但是不与碱性金属原子相互作用的注入激光、以及具有无助于相干布居俘获共振的波长的注入激光不通过所述偏光器。11.如权利要求10所述的检测...

【专利技术属性】
技术研发人员：矢野雄一郎，五箇繁善，
申请(专利权)人：株式会社理光，公立大学法人首都大学东京，
类型：发明
国别省市：日本;JP