[发明专利]连续式CPT态制备与差分探测的方法及系统

说明书

本发明提供了一种连续式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⁸⁷Rb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⁸⁷Rb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。本发明能够提高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。

技术领域

本发明涉及原子钟、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。

背景技术

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。

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。

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-10τ^-1/2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。

目前的高性能CPT原子钟，采用较为复杂的垂直线偏振光(lin⊥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-13τ^-1/2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-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-14τ^-1/2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。

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。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种连续式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。

本发明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⁸⁷Rb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⁸⁷Rb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。