连续式CPT态制备与差分探测的方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种连续式CPT态制备与差分探测的方法及系统，将相干双色光转变为连续的圆偏振光和线偏振光，将圆偏振光作为制备光，与量子共振系统中的

【技术实现步骤摘要】
连续式CPT态制备与差分探测的方法及系统


[0001]本专利技术涉及原子钟、磁强计、量子精密谱等精密测量领域，尤其是一种CPT态制备与差分探测的方法及系统。

技术介绍

[0002]相干布局囚禁(CPT)是一种量子干涉效应，通过相干双色光与量子共振系统相互作用，将两基态耦合到同一激发态，当相干双色光频差严格等于两基态跃迁频率时，量子共振系统被制备到CPT态。处于CPT态的量子共振系统对入射光变得透明，不再吸收光。此时探测透射光光强，将出现极窄的CPT共振谱线，该谱线可以用于应用于原子钟、磁强计、量子精密谱等精密测量领域。
[0003]以被动型CPT原子钟为例，基于被动型的CPT原子钟，因其不需要微波腔的特点，可以实现小型化甚至芯片化CPT原子钟，是下一代北斗导航、无人机巡航、便携式GNSS接收机、潜艇和水下资源勘测等应用的理想选择。
[0004]当前的芯片CPT原子钟通常采用单一圆偏振相干双色光的方案，原子利用率较低，导致CPT对比度偏低(约为1～5％，所述的对比度定义为CPT信号幅度与本底幅度之比)，这在一定程度上限制了CPT原子钟的频率稳定度在E
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的水平。在实际应用中，CPT对比度还有较大的提升空间，以满足需要体积、功耗、重量受限而又更高精度时间的应用，例如微纳卫星组网编队、车载武器、潜艇和水下资源勘测、微PNT等应用。
[0005]目前的高性能CPT原子钟，采用较为复杂的垂直线偏振光(lin
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lin)、推挽式光抽运(PPOP)和双调制(DM)等方案，可以提高CPT信号对比度(≥10％)，短期频率稳定度在E
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13τ
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的水平。即便如此，因其采用光强变化探测方式存在较大的共模噪声，如激光强度噪声(AM噪声)、激光频率抖动通过吸收谱线转换的幅度抖动引起的幅度噪声(FM
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AM噪声)、微波功率噪声等，限制了CPT钟频率稳定度的进一步提升，尚未达到CPT原子钟的散粒噪声极限预测的E
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14τ
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的水平。另外，因其采用较为复杂的构型和装置，牺牲了CPT钟最大的优点——微小型化。
[0006]因而挖掘和提升CPT原子钟的性能极限潜力，使其接近甚至达到散弹噪声极限，同时推进高性能CPT钟的小型化甚至微型化，显得十分必要。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种连续式CPT态制备与差分探测的方法，能够提高CPT原子钟稳定度，同时让装置结构更加紧凑，提高系统可靠性。
[0008]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种连续式CPT态制备与差分探测的方法，将相干双色光转变为连续的圆偏振光和线偏振光，将圆偏振光作为制备光，与量子共振系统中的
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Rb原子发生相互作用，完成第一阶段的CPT态制备；将线偏振光作为探测光，分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时与量子共振系统中的
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Rb原子相互作用，与制备光制备的CPT态分别产
生相干相长和相干相消的量子干涉效应，得到相干相长和相干相消的CPT信号，两者相减获得差分CPT信号。
[0009]本专利技术提供实现上述方法的一种连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias
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Tee、激光器、偏振片、四分之一波片、消偏振分束棱镜、原子气室、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias
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Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过第一偏振片转变为线偏振光，线偏振光通过四分之一波片转变为右旋圆偏振的制备光，并由消偏振分束棱镜透射进入原子气室，与
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Rb原子相互作用完成CPT态制备；与
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Rb原子相互作用后的制备光通过第二偏振片转变为线偏振的探测光，经反射镜反射回来再次进入原子气室，与
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Rb原子相互作用后透射至消偏振分束棱镜，经由消偏振分束棱镜，探测光的透射光与制备光空间分离；探测光的透射光经过二分之一波片和偏振分束棱镜，其正交偏振分量得到空间分离，得到两束相干光，两束相干光分别通过第一探测器和第二探测器获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器将两者相减得到差分CPT信号。
[0010]所述的四分之一波片的快轴与第一偏振片的偏振方向成
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45
°
夹角。
[0011]本专利技术提供实现上述方法的另一种连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias
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Tee、激光器、偏振片、消偏振分束棱镜、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias
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Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过偏振片转变为线偏振光，线偏振光入射原子气室，与
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Rb原子相互作用，透射的线偏振光经过消偏振分束棱镜空间分离为两束光，一部分透射后通过八分之一波片，被反射镜反射回来，转变为右旋圆偏振光再次进入原子气室与
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Rb相互作用；另一部分反射光经过二分之一波片和偏振分束棱镜，其正交偏振分量得到空间分离，得到两束相干光，两束相干光分别通过第一探测器和第二探测器获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器将两者相减得到差分CPT信号。
[0012]所述的八分之一波片的快轴和线偏振光偏振方向成
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45
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夹角。
[0013]本专利技术提供实现上述方法的第三种连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias
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Tee、激光器、偏振片、四分之一波片、消偏振分束棱镜、原子气室、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias
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Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过偏振片转变为线偏振光，线偏振光经过第一四分之一波片转变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经过消偏振分束棱镜透射进入原子气室，与
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Rb原子相互作用，出射的右旋圆偏振光经过第二四分之一波片再次转变为线偏振光，线偏振光经过第二偏振分束棱镜分为透射的探测光和反射光；反射光依次经过第一反射镜、第二二分之一波片、第二偏振片、第二反射镜、和消偏振分束棱镜后反射进入原子气室与
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Rb原子再次相互作用，其中，消偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜、第一反射镜和第二反射镜共同构成了两次同向传播的反射回本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种连续式CPT态制备与差分探测的方法，其特征在于，将相干双色光转变为连续的圆偏振光和线偏振光，将圆偏振光作为制备光，与量子共振系统中的
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Rb原子发生相互作用，完成第一阶段的CPT态制备；将线偏振光作为探测光，分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时与量子共振系统中的
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Rb原子相互作用，与制备光制备的CPT态分别产生相干相长和相干相消的量子干涉效应，得到相干相长和相干相消的CPT信号，两者相减获得差分CPT信号。2.一种实现权利要求1所述方法的连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias
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Tee、激光器、偏振片、四分之一波片、消偏振分束棱镜、原子气室、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，其特征在于，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias
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Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过第一偏振片转变为线偏振光，线偏振光通过四分之一波片转变为右旋圆偏振的制备光，并由消偏振分束棱镜透射进入原子气室，与
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Rb原子相互作用完成CPT态制备；与
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Rb原子相互作用后的制备光通过第二偏振片转变为线偏振的探测光，经反射镜反射回来再次进入原子气室，与
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Rb原子相互作用后透射至消偏振分束棱镜，经由消偏振分束棱镜，探测光的透射光与制备光空间分离；探测光的透射光经过二分之一波片和偏振分束棱镜，其正交偏振分量得到空间分离，得到两束相干光，两束相干光分别通过第一探测器和第二探测器获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器将两者相减得到差分CPT信号。3.根据权利要求2所述的连续式CPT态制备与差分探测的系统，其特征在于，所述的四分之一波片的快轴与第一偏振片的偏振方向成
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夹角。4.一种实现权利要求1所述方法的连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias
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Tee、激光器、偏振片、消偏振分束棱镜、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，其特征在于，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias
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Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过偏振片转变为线偏振光，线偏振光入射原子气室，与
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Rb原子相互作用，透射的线偏振光经过消偏振分束棱镜空间分离为两束光，一部分透射后通过八分之一波片，被反射镜反射回来，转变为右旋圆偏振光再次进入原子气室与
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Rb相互作用；另一部分反射光经过二分之一波片和偏振分束棱镜，其正交偏振分量得到空间分离，得到两束相干光，两束相干光分别通过第一探测器和第二探测器获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器将两者相减得到差分CPT信号。5.根据权利要求4所述的连续式CPT态制备与差分探测的系统，其特征在于，所述的八分之一波片的快轴和线偏振光偏振方向成
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夹角。6.一种实现权利要求1所述方法的连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、...

【专利技术属性】
技术研发人员：张首刚，李青林，云恩学，郝强，刘国宾，高玉平，
申请(专利权)人：中国科学院国家授时中心，
类型：发明
国别省市：