[发明专利]一种微波周期性On-Off调制VCSEL实现Ramsey-CPT原子频标的方法及装置

摘要

本发明公开了一种微波On-Off调制VCSEL实现Ramsey-CPT原子钟的方法及装置，其步骤是：A、直流与微波耦合至激光管，扫描直流得到多个吸收峰并锁定直流；B、通断微波实现等效激光脉冲，扫描微波获得Ramsey-CPT条纹；C、锁定微波得到稳定频率输出。其装置是：电流源与Bias-Tee相连，微波源通过微波开关与Bias-Tee相连，Bias-Tee连接到激光产生装置，输出激光经过物理系统后至激光探测装置，控制设备分别与电流源、微波源、微波开关及激光探测装置相连。本发明通过微波On-Off实现激光-原子周期性相互作用，相比传统CPT方案有更优越的鉴频曲线，实现稳定度更高的原子钟。相比用较大体积和功耗的AOM实现的Ramsey-CPT原子钟，本发明结构简单，方法独特，易于微型化，攻克了芯片化Ramsey-CPT原子钟的关键技术。

主权项

一种微波周期性On-Off调制VCSEL实现Ramsey-CPT原子频标的方法，其步骤是：A.将电流源输出连接到直流偏置单元的直流输入端，将微波源输出通过微波开关连接到直流偏置单元的高频RF输入端，直流偏置单元将直流与微波耦合，得到经过微波调制的电流，将电流送入激光器，产生多边带相干激光，相邻边带间距由耦合微波频率决定，各边带幅度满足贝塞尔函数形式，通过耦合微波功率进行调节，选择调制指数为1.6，使正负一级边带光功率最大，输出激光光强通过衰减片调节，输出激光偏振方向由λ/4波片调节，改变λ/4波片的角度，使经过λ/4波片输出的激光为所需的圆偏振激光；B.将圆偏振双色光入射到原子样品泡，与碱金属原子相互作用，通过光检测装置检测透过原子样品泡的透射光强，通过控制设备控制电流源，使其进行直流扫描以改变激光器输出激光的基频，同时记录透射光强的大小，得到多色光与原子三能级相互作用产生的多个吸收峰，扫描结束后，设置电流源的输出为最大吸收峰处对应的电流值；C.对电流源输出的电流进行调制，对探测光强进行解调，得到吸收峰对应的微分曲线，根据微分曲线反馈直流，使直流输出对应于最大吸收峰的位置，此时激光器输出激光的正负一级边带的频率f1与f2对应于原子三能级结构模型中两基态与激发态之间的跃迁频率v1与v2；D.控制微波开关，得到周期性微波脉冲，实现激光-原子周期性相互作用，每个周期t0内包含两个脉冲，第一个脉冲与第二个脉冲的持续时间分别为τ1、τ2，两个脉冲之间的间隔时间为T，第二个脉冲和后一个周期内的第一个脉冲之间的时间间隔为T′，τ1、τ2时刻微波开关控制微波导通，调制激光器输出基频为f0，间隔为Δf/2的多边带激光，其中正负一级边带f1和f2与原子相互作用制备CPT态以及产生Ramsey-CPT干涉，T时刻微波开关控制微波关断，激光器输出单色光，激光频率失谐，远离样品原子的CPT共振和任何单光子共振，此段时间内原子自由演化，T′时刻微波关断，用于消除前一个周期的影响，通过控制设备控制微波源扫描微波频率，改变激光器输出正负一级边带的频率差，即改变Raman失谐量，记录透射光强的大小，经过信号处理，获得窄线宽、高信噪比的Ramsey-CPT条纹；E.控制设备控制微波源，进行微波频率调制，对探测光强进行同步解调，得到Ramsey-CPT干涉条纹对应的微分曲线，将中心条纹作为原子频标的鉴频信号，将微波频率锁定于中心条纹的中心位置，实现原子频标高稳定的频率输出。