CN100587629C - 利用相干布居俘获调制原子钟信号的方法以及相应的原子钟 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调制原子钟信号的方法和对应的原子钟。在振幅上脉冲调制激光束(L₁、L₂)以照射(A)互作用介质。进行当前脉冲(S_r)以及所述当前脉冲之前的脉冲(S_r-1至S_r-p)的检测(B)。通过线性组合叠加(C)所述脉冲以产生谱宽为最小的补偿原子钟信号(S<SB>HC</SB>)。本发明可应用于带有脉冲式询问的原子钟，其中互作用介质具有热或激光冷却原子。

Description

利用相干布居俘获调制原子钟信号的方法以及相应的原子钟

技术领域

本发明涉及利用相干布居俘获调制原子钟信号的方法以及相应的原子钟。

背景技术

从现有技术已知带有相干布居俘获的原子钟，它们称为CPT(coherent population trapping，“相干布居俘获”)钟。

通常如图1a中所示，原子钟使用互作用介质，互作用介质一般是通过本机振荡器LO和合成器S产生的无线电信号激励的铯或铷原子形成的并且分别对铷和铯是通过6.8GHz和9.2GHz的微波信号形成。在图1b示出的两个能级e和f之间激励互作用介质的原子。如果互作用是连续的，激励模式称为Rabi询问模式，而如果询问基于由死时间隔开的两次短互作用，则称为Ramsey模式。

互作用得到的响应信号具有和激励信号的共振相对应的振幅。可以通过光吸收、磁选择、荧光或磁检测来检测响应信号。

根据响应信号自动控制本机振荡器的系统在该振荡器的输出端提供周期信号Su，Su的精度和频率稳定性和共振频率e→f不相上下。

回到上面说明的自动控制总原理，CPT钟还使用一种由两个激光波照射的互作用介质并实现连续询问模式。

在一种现有实施方式中，该由钠构成的互作用介质空间上按30cm的距离隔成两个不同的互作用区。

这些激光束能产生1.772MHz下的Raman跃迁共振，由于这些互作用区中产生的互作用Ramsey条纹图案的中央条纹的宽度为650Hz。

对于这种类型的原子钟的更详细说明可以有用地参照论文“Obsevation of Ramsey Fringes using a simulated，ResonanceRaman Transition in a Sodium Atomic Beam”(T.E.Thomas，P.R.Hemmer，和S.Ezekiel，Research Laboratory of Electronics，Massachusetts Institute of Technology，Cambridge，Massachusetts02139以及C.C.Leiby，Jr.，R.H.Picard和C.R.Willis，Rome AirDevelopment Center，Hanscom Air Force Base，Massachusetts 01731，PHYSICAL REVIEW LETTERS Volume 48，Number 13，29March1982)。

通常，CRT型原子钟利用两个相位相干激光波在连续模式下进行询问。每个激光波利用原子2→e和2→f的光跃迁是近共振的并且两个波的频率之间的差接近原子基准频率f→e。如果f→e对应于共振，在对应于黑状态的状态f和e的相干叠加情况下俘获互作用介质的原子。可观察到激光波吸收的振幅的下降和荧光信号振幅上的下降。原子状态的相干叠加还和一种磁化关联，该磁化在微波域中产生在跃迁频率e→f下振荡的电磁波。

共振时荧光的吸收或发射最小并且电磁波场在最大振幅下发射。原子钟信号对应于通过吸收、荧光或微波检测到的信号振幅上的变化，该变化是激光波频率上的差值的函数。

在所有目前已知类型的CPT原子钟中，互作用介质的询问是连续的，激光波连续地和互作用介质的原子交互作用。

但是，在上述类型的原子钟中，由于互作用介质的原子的光饱和，激光波过密照射互作用介质造成结果的共振线变宽。

该缺点损害原子钟信号的频率稳定性。

为此，目前的CPT原子钟试图仅仅通过减小所使用的激光束对互作用介质的照射强度来解决上述技术问题。

这种类型的措施不解决上述技术问题，因为它实际上使从交互作用得到的低振幅的原子钟信号变得更难以检测。

上述低振幅原子钟信号是在受损害的信噪比条件下检测的，这再次损害原子钟的频率稳定性。

发明内容

本发明的目的是补救原子钟，尤其CPT钟等的互作用介质的光饱和技术问题，同时保持不受损的信噪比条件。

本发明还寻求通过对当前CPT原子钟中经互作用媒介的询问产生的响应信号的特殊处理，提高Ramsey模式中的干涉条纹的对比度并且减小振幅上的慢变化或原子钟信号的漂移，这些慢变化或漂移尤其是因为操作参数例如询问互作用介质的激光器的频率和振幅上不可避免的波动造成的。

最后，本发明还涉及实现一种生成CPT钟信号的方法和对应的CPT钟，以使这种类型的钟从钟的工业生产角度是小型化的，其中互作用得的体积不超过几个mm³。

依据本发明的利用相干布居俘获生成原子钟信号的方法使用第一和第二相位相干激光波，每个波实质上和一种互作用介质的原子的光跃迁共振。和原子的相干布居俘获对应的原子状态的相干叠加提供一种响应信号，该响应信号具有共振极值振幅并表示对应于作为第一和第二相位相干激光波频率上的差值的函数检测到的信号振幅上的变化的原子钟信号。

该方法特别在于，它至少利用几个相继的脉冲通过高强度和低强度之间确定的形状因子同步地调制第一和第二激光波的强度，当前脉冲期间产生的响应信号取决于该当前脉冲之前的至少一个脉冲期间产生的原子状态并且取决于隔离这些脉冲的低强度期间原子状态的演变。

检测响应信号并且通过线性组合使当前脉冲期间产生的响应信号和该当前脉冲之前的至少一个脉冲期间产生的响应信号叠加，以产生谱宽为最小的合成补偿原子钟信号。

依据本发明的带有脉冲式询问的原子钟包括至少一个用来产生第一和第二相位相关激光束的光询问模块，每个激光束基本上和互作用介质的原子的光跃迁共振；一个含有该互作用介质、在该第一和第二相位相关激光束照射下操作的互作用室，以产生具有共振极值振幅的并且对应于信号振幅上的变化的响应信号，其中该振幅变化是作为第一和第二相位相关激光束的频率上的差值的函数检测的；以及一个用于检测该响应信号、和该响应信号的波长和振幅适配的模块。

该方法特别在于，它还包括一个用于在高、低强度之间脉冲调制第一和第二激光束的强度的单元。该调制单元位于第一和第二激光束的路径上并位于互作用室的上游，以同步地产生第一和第二脉冲式激光束。第一或第二激光束分别和该互作用介质之间的相互作用基本上限制在每个对应于高强度级的相继脉冲的持续期间，并且当前脉冲期间产生的响应信号取决于该当前脉冲之前至少一个脉冲期间产生的原子状态并且取决于隔开这些脉冲的低强度级期间该原子状态的演变。

该检测模块还包括通过线性组合相加该当前脉冲期间产生的响应信号和该当前脉冲之前的至少一个脉冲期间产生的响应信号的模块。该通过线性组合进行相加的模块产生谱宽为最小的合成补偿原子钟信号。

依据本发明的带有相干布居俘获的方法和原子钟用于工业实现总尺寸非常小的从而尤其可用于空间应用的机载时间保持或频率基准装置。

附图说明

通过阅读说明书并且通过参照附图会帮助更好地理解该方法和该钟，除了图1a和1b涉及现有技术外附图中：

图2a仅作为例子示出实现依据本发明的方法的基本步骤的流程图；

图2b仅作为例子示出依据本发明的方法的一种应用于单个激光波和激励互作用介质的射频信号的变型的基本步骤的流程图；

图2c仅作为例子示出：1)可以用来实现依据图2a或2b所说明的方法的脉冲式激光束脉冲信号的时序图，以及2)检测互作用元件的输出后得到的响应信号的时序图；

图3仅作为例子示出依据本发明的主题的CPT型或其它类型的原子钟的功能图，该钟能实现连同图2a、2b和2c说明的方法；

图4a作为例子在一优选的非限制性实施例中示出用于处理检测后的响应信号的模块的详图，该处理响应信号的模块尤其适于进行专用数字处理；

图4b作为例子示出在连续的响应信号脉冲的采样值上(更具体地在当前脉冲和该当前脉冲之前的至少一个脉冲上)进行操作的时序图，在上述采样值上进行的这些操作尤其能在完成这些操作后明显改变谱纯度以及所得到的合成补偿原子钟信号的对比度；以及

图4c作为例子示出在对当前脉冲和该当前脉冲之前的至少一个脉冲期间产生的响应信号施加线性组合叠加后在图3中示出的专用处理模块的输出上得到的与两个激光束之间的频率差的无对应的Raman无对应振幅/频率图以及Ramsey条纹图案。

具体实施方式

现参照图2a、2b和2c说明依据本发明的利用相干布居俘获生成原子钟信号的方法。

总体上应注意根据CPT原子钟操作模式的原则，依据本发明的方法是在相位相关第一激光波L₁和第二激光波L₂的基础上进行的。

参照图1b，上述每个激光波基本上和互作用介质原子的光跃迁共振，激光波L₁和L₂一般认为在真空或空气中按频率f₁和f₂以及它们对应的波长下发射，上述激光波的频率差用Δf₁₂表示。激光波L₁和L₂最好在正交方式下环形地或直线地极化。

和图1b中所示的原子的相干布居俘获对应的原子状态的相干叠加产生微波域中的响应信号，该响应信号具有共振极值振幅并代表和该响应信号的振幅上的变化相对应的原子钟信号，其中该振幅上的变化是作为相位相关第一和第二激光波L₁和L₂的频率差值Δf₁₂的函数检测的。

尤其应理解，第一和第二波与该互作用介质的交互作用模式物理上对应于现有技术已知的连续互作用模式。

但是并且尤其根据依据本发明的方法的特别方面，所述方法包括至少在步骤A中利用相继的脉冲通过由高、低强度级确定的形状因子同步地调制第一和第二激光波L₁、L₂的强度。

图2a示出在步骤A中通过连续脉冲同步地调制激光波L₁和L₂，这些连续脉冲相对于增加的时标t具有序号(rank)r，r-1，...，r-p。

常规地，认为当前脉冲具有序号r，紧靠着该当前脉冲的前一个脉冲的序号为r-1，并且前面的相继脉冲具有相继的直至r-p的居先的序号。

还应理解在相同的光径上叠加激光波L₁和L₂，这明显地在后面的说明中予以解释的条件下使它们得到相干的和同相的调制激光波脉冲。

从而应理解第一或第二激光波L₁、L₂(尤其在脉冲形式下)分别和互作用介质之间的交互作用基本限制在和高能量级对应的每个相继脉冲S_r、S_r-1至S_r-p的持续时间之内。

这样，当前脉冲，即上述序号为r的脉冲，期间产生的响应信号取决于该当前脉冲之前的至少一个脉冲，即前面的序号为r-1至r-p的脉冲，期间产生的原子状态，并且取决于该原子状态在隔开上述脉冲的低能量级期间的演变。

在通过连续脉冲调制第一和第二激光波L₁、L₂的强度并且当然在用这样产生的激光波脉冲照射互作用介质之后，依据本发明的方法尤其特别地包括在步骤B中进行检测，以及在步骤C中通过线性组合叠加该当前脉冲期间产生的响应信号，用S_r标记的并且具有与该照射脉冲相对应的序号r的响应信号，和该当前脉冲之前至少一个脉冲产生的响应信号，以产生谱宽为最小的合成补偿原子钟信号。

在图2a里，检测操作在步骤B中示出，所述响应信号由序号为r的对应响应信号S_r以及先前的相继响应信号S_r-1至S_r-p构成。

在图2a的步骤C中表示通过线性组合的叠加操作并由下面的线性组合公式给出：

$S_{\mathrm{HC}}=\underset{k=r-p}{\overset{k=r}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_k\&times;S_k$

在上面的公式中，注意S_HC代表通过上述线性组合得到的合成补偿原子钟信号，C_k代表施加在每个相继响应信号脉冲S_k上的正和/或负加权系数。

常规地并且如后面参照依据本发明的主题的CPT原子钟更详细地说明那样，为了修正和补偿最后得到的原子钟信号，对于序号k＝r的当前脉冲可把其加权系数C_k取为等于1，从而例如对该当前脉冲之前的脉冲的各加权系数相继取成等于不同的负值。可以实验地确定线性组合相加的最后的序号k＝r或者该序号可以取成参数。

实现依据本发明的方法不受两个激光波L₁和L₂的调制以及CPT交互作用的限制。

按照依据本发明的方法的一种特别有益的实施例，如图2b中说明那样，所述方法还包括用射频信号MW代替激励互作用介质的激光波之一，在图2b中替代激光波L₂，该射频信号的频率大致等于该互作用介质原子的e→f的跃迁频率。

如图2b的步骤A中说明那样，在该变型中该依据本发明的方法包括通过连续脉冲调制保留的激光波L₁或者调制该保留的激光波L₁以及射频信号MW。

参照图2c，注意利用脉冲串进行对激光波L₁和L₂或射频信号MW的脉冲调制是有益的，调制脉冲的频率在0.2Hz和10⁴Hz之间。

参照上述图2c和时间轴t，对于给定的脉冲串，每个脉冲的高能量级的持续时间为h而低能量级的持续时间为b。

在这些条件下，图2c的点1处示出的调制激光波脉冲的频率范围以及具有相继的序号r、r-1、r-p的响应信号的频率范围在不同的h和b的值下是由值1/h+b给出的，并且值h/h+b定义的形状因子在10^-6和10^-1之间。

应清楚地理解，可以通过准确地具有图2c的点1处示出的上述时间和/或频率特性的电子控制信号得到在点1处示出的调制激光波脉冲I。

关于把序号为r的当前脉冲和该当前脉冲之前的脉冲隔开的或者把调制脉冲串中任何序号为r-1到r-p的先前脉冲隔开的时间间隔b的选择，注意该间隔b短于两个时钟级之间存在的超精细相干的生存期。

关于图1b，应注意所涉及的时钟级为级e和f，这确定了合成的原子钟信号的频率，并且该生存期基本取决于相关的互作用介质。

依据本发明的方法的特别方面之一尤其在于，可以在包括包含在元件中的热原子群体或者冷的尤其激光冷却原子组成的群体的互作用介质的基础上进行所述方法。

在这二种情况下，询问过程有益地包括带有至少两个脉冲的Ransey询问模式。

就实现上述互作用介质的方法而言，注意在蒸气或喷气形式下传送热原子。通过使热原子和正确地与这些原子的光跃迁匹配的激光波交互作用得到激光冷却原子。激光波引入的辐射压力会快速地减小原子的动能。从而在300K的温度下得到具有约为1cm/s(对应于10^-6K的温度)的非常低的漂移速度的冷却原子的样本，该漂移速度远比热原子的大约每秒几百米的速度低。

不详细说明允许一个或两个脉冲调制激光束交互作用的原子激光冷却元件的实施例，这种实施例在现有技术上是已知的。可以有用地参照按CNRS署名在2730845编号下公布的法国专利申请。

在冷却过程中，注意原子的动能或者原子动能上的变化和从300K的初始值到10^-6K的温度下降成比例，其比例系数取决于波耳兹曼常数。

用来检测响应信号尤其是连续响应信号脉冲S_r至S_r-p的过程最好从包括作为询问信号的频率的函数的光吸收、光荧光和微波检测的检测进程组中选择。

尽管如上面的说明提出那样，询问模式最好是带有至少两个脉冲的Ramsey询问模式，应理解可以根据选定的互作用介质的性质在各种情况下进行依据本发明的方法。从而该检测过程是作为上述询问信号的频率通过光吸收、光荧光和微波检测的检测过程。

下面的表通过指出用来执行本方法的原子源、询问过程或模式以及检测相应时钟信号的过程来确定能实现依据本发明的方法的原子钟类型。

参照上述表中时应注意CPT型原子钟能实现依据图2a的本发明方法，而光泵激元件中的铷型原子钟能实现依据图2b的本发明方法。

现参照图3以及后面的附图更详细地说明依据本发明的主题的带有脉冲式询问的原子钟。

通常，应注意依据本发明的主题的带有脉冲式询问的原子钟的体系结构对应图3中示出的体系结构。

具体地，这种类型的钟包括光部分SO中的光询问模块1，以产生第一和第二相位相干激光束L₁、L₂。如前面叙述那样，每个上述激光束实质上和互作用介质原子的光跃迁共振。

该带有脉冲式询问的原子钟还包括由上述互作用介质构成的互作用室3。

注意互作用室3可常规地由一个对激光束L₁、L₂透明的机壳构成，并且当然可以由产生交互介质即热和/或激光冷却原子的任何器件构成。

询问模块1产生两个激光束L₁和L₂，它们的频率差等于共振频率，例如对于铯为9.2GHz和对于铷为6.8GHz的微波频率。

在铯的情况下，激光二极管的频率约为用于线D₂的852nm和用于线D₁的894nm。

上述激光线可用于上面的说明中所描述的CPT交互作用。

由于激励状态下超精细间距更大，线D₁的跃迁看起来是更有利的，因为这减小对相邻跃迁泄漏造成的原子损失并且减小光的位移。

也能使用线D₂位于780nm和线D₁位于795nm的铷原子，可以方便地利用市场上可买到的激光二极管达到对应的频率f₂和f₁。

可以利用各种过程产生两个辐射即激光束L₁和L₂，它们诱发对互作用介质原子的群体相关俘获。激光束L₁和L₂之间的频率差等于钟的频率，即原子钟信号的频率。为了防止对干涉现象的任何破坏，激光束L₁和L₂的相位间的相位差必须展现尽可能小的波动。这些激光束所需的发射功率约为1毫瓦。

在一特定实施例中，注意可以从单个激光源产生询问光，对该光源施加边带调制类型的几GHz下的调频，边带之间的距离对应于钟的频率。上述带有相位相干的二条线和这样得到的调制信号一样好。

接着在常规方式下物理叠加二条线或激光束L₁和L₂，从而在把它们施加到互作用介质上之前它们遵循相同的光径并且受到相同的连续相位移位。

至于要实现依据图2b中示出的变型的本发明的方法，注意在常规方式下对互作用室3施加射频信号MW，MW可以和或不和脉冲调制的保持激光波L₁同步调制。

注意可以从耐热玻璃或石英室产生互作用元件3。

另外，为了消除由进入Lamb-Dicke状态通过多普勒效应产生的线的加宽，可以添加缓冲气体。严格监视磁和热环境以防止会影响所形成的原子钟的精度和长期稳定性的频率移置上的任何变化。

带有脉冲式询问的原子钟还在检测部分SD中包括检测响应信号的模块4，响应信号是按激光束L₁和L₂照射互作用媒体后室3的互作用介质发出的信号定义的。为了发出响应信号的电子版本，检测模块4明显地适应响应信号的波长和振幅。

更具体地，检测响应信号的模块可以包括实现上面的表中说明的检测过程的模块。

根据依据本发明的带有脉冲式询问的原子钟的一个尤其特别的方面，所述钟包括用于在高、低强度级之间脉冲调制第一和第二激光束L₁和L₂的强度的模块2。

明显地，如图3中所示，调制模块2在光部分SO中定位在第一和第二激光束的处于互作用元件3的上游的路径上，以便根据图2a同步产生能照射室3中含有的互作用介质的第一和第二脉冲式激光束，或者根据图2b产生调制的保留的激光波L₁和调制的或非调制的射频信号MW。

由于脉冲式的第一和第二激光束或射频信号对上述互作用介质的照射，上述激光束和互作用介质之间的交互作用基本上限制在每个对应于高强度级的相继脉冲的持续时间内。

从而，在例如序号为r的当前脉冲期间产生的响应信号取决于该当前脉冲之前至少一个脉冲，即前面的说明中提到的序号r-1至r-p的脉冲，期间产生的原子状态，并且当然取决于原子状态在隔开这些脉冲的低强度级期间的演变。

另外，如图3中所示，用于检测响应信号的模块4后面可以跟随有处理模块5，处理模块5接收响应信号的电子版本并且通过当前脉冲期间产生的响应信号和该当前脉冲之前的至少一个脉冲期间即先前的相继脉冲期间产生的响应信号的线性组合进行相加处理。这样通过线性组合进行处理的模块S产生其频宽为最小的合成补偿原子钟信号并且建立能控制本机振荡器6的频率的校正信号S_c。

在图3中，处理模块5实际上把校正信号S_c发送到安装在模拟部分SA中的并例如包括本机振荡器LO和合成器S的模块6，模块6一方面发出供外部用户作为频率基准使用的频控周期信号Su并且另一方面发出控制光询问模块1的信号S_co。

该控制信号S_co例如可以包括能控制前面的说明中所提到的边带调制过程的频率基准，以便例如从单个激光源得到两个激光束L₁和L₂。注意上述控制信号S_co还能把该单个激光源和/或激光束L₁和L₂的波长和/或频率控制在选定的值上，并且还能控制射频信号MW的生成。

该控制过程的实施例不详细说明，因为它对应于现有技术已知的实施例。

明显地，并如图3中示出那样，依据本发明的带有脉冲式询问的原子钟装备着控制单元7，它可以包括通过总线链路和所有模块例如脉冲调制模块2、检测响应信号的模块4、当然还有处理模块5和充当本地振荡器LO和/或合成器S的模块6连接的微计算机。

可以理解，控制模块7尤其能使上述所有模块同步并且还能控制例如通过控制单元7制作的电子控制信号产生的调制脉冲串，用于控制调制模块2。

注意用来对第一和第二激光束L₁、L₂的强度进行脉冲调制的模块2可以包括声光调制器、电光调制器或者任何其它调制光信号的强度的构件，其响应时间足够简短以提供这种调制。若需要，设置射频调制器以便调制射频信号MW。

更具体地，注意低强度级对应于每个激光束的或者射频信号的基本为零的强度，它们完全由上述调制模块2吸收。

现参照图4a和4b更详细地说明处理模块5通过响应信号的线性组合的相加。

应理解，通常上述处理模块5接收检测模块4发出的电子信号形式的响应信号。

为了处理接收到的连续脉冲，处理模块5如图4a中所示可以有益地包括一个对当前脉冲和该当前脉冲之前的至少一个脉冲交互作用期间产生的响应信号进行采样的模块50，上述采样模块50和对用于调制激光束L₁和L₂的模块2的控制同步地触发。

采样模块50后面最好跟随有用于存储在上述每个脉冲交互作用期间产生的响应信号的采样值的模块51。

最后，存储模块51可以跟随有能计算存储的采样值的线性组合的模块52，从而可以产生前面的说明中提到的补偿原子钟信号S_HC。根据该信号，例如通过积分器形成的模块53向例如由本机振荡器LO和合成器S组成的模块6发出校正信号S_c。

合成器S能产生其频率接近跃迁e→f的共振频率的微波信号。

最后，控制单元7可有益地包括含有控制该组件的程序的工作站或微计算机，从而同步调制模块2、检测响应信号的模块4、前面针对图4a说明的处理模块5以及当然还有包括前面说明的本机振荡器和合成器的模块6。

具体地，在一非限制性实施例中，注意到可以有益地把控制单元7编程成利用控制软件包在预定的时刻读取存储模块51中存储的采样值。

具体地，在这些条件下，控制单元7可以包含一个用来分类这些存储的采样值的程序，以便为每个脉冲S_r至S_r-p确定用于前述连续脉冲的每一个的采样值的最大和/或最小值。

这样，在依据本发明的原子钟的一非限制性实施例中，注意如图4b中的点2处所示处理过程可有益地对于序号为r的当前脉冲S_r确定该脉冲的具有最大值的采样值，该最大值用M_r表示，接着对前面序号为r-1至r-p的相继脉冲确定每个所述脉冲中对应的采样值组里的最小值。

由此，用m_r-1表示该当前脉冲的前一个脉冲的对应最小值(该前一个脉冲的序号为r-1)，接着对前面的序号r-2至r-p的脉冲用相继的值m_r-2至m_r-p表示对应的最小值。

根据依据本发明的带有脉冲式询问的原子钟的一优选的非限制性实施例，注意样本值的线性组合可以接着在于加上序号为r的当前脉冲的采样值中的最大值并减去图4b中示出前面的序号为r-1至r-p的脉冲中的相继最小值或它们的均值。

应理解该分类程序可以接着相对于每个脉冲的原点进行分类处理，这些原点相继地用O_r，O_r-1，O_r-p表示。

这样，由于通过图3、4a和4b示出的处理模块5完成的处理过程，应具体地理解序号为r的当前脉冲的最大值M_r提供检测到的响应信号的最大振幅值，而减去代表各自局部最小值的相继采样值能扣除表示室3中含有的互作用介质引入的偏移和扰动的采样值，以便得到因此频宽最小的补偿原子钟信号，并且由于消除了表示系统整体的偏移的连续或慢变化的分量该信号的对比度明显改善。

明显地并且为了提高处理展宽和在处理模块5的数字部分中实时地得到响应，可以用为此目的编程的专用信号处理器替代模块51、52和53。

下面参照图4C提供由于实现依据本发明的主题的带有脉冲式询问的方法和原子钟所得到的结果的理论和试验证明。

取CPT型带有热原子的原子钟，其中互作用介质免除缓冲气体，从时钟信号得到的振荡线的宽度(相对于振荡峰值处最大振幅3分贝的宽度)对于约几GHz的中央频率约为几KHz。这样的线宽对于把这种类型的原子钟用作为基准钟过宽。这可以通过没有缓冲气体的事实加以解释，互作用介质的原子受到过快的漂移位移，这加宽多普勒效应造成的共振现象并且限制跃迁时间，而且最终限制这样形成的无线电共振器的品质。

如果，另一方面，在相同类型的钟中使用缓冲气体并达到Lamb-Dicke状态，则原子钟信号的线宽主要由基本状态中的相干的松弛以及激光饱和引起的加宽限制。迄今已达到约100Hz的线宽。利用上述钟信号的光或微波检测，在1秒钟的积分后已经测到用户信号Su的频率的约为5到15的10^-12的短期稳定性。长期稳定性基本上由与缓冲气体的碰撞引起的频率波动限制。和Raman无对应相关的相应频率移置直接和缓冲气体的压力关联，而该压力部分地是交互介质并且从而该元件的温度的函数。

这种类型的钟中的共振信号和钟信号的线宽Δf_CPT具有式(1)给出的值。

Δf_CPT＝Δf_TT+Δf_collision+Δf_Doppler+Δf_saturation    (1)

该式中：

-Δf_TT描述互作用介质原子穿过激光束跃迁时间有限造成的加宽。

对于连续询问，Δf_TT按1/T变化，其中T代表原子和激光波之间的交互作用时间。

对于遵照依据本发明的带有脉冲询问的方法和钟的实施例的脉冲式询问，Δf_TT按1/2b变化，其中b代表脉冲串的两个相继脉冲之间的死时间。

-Δ_fcollision是因原子间的碰撞减弱相干引起的线加宽；

-Δ_fCoppler是一阶多普勒效应引起的加宽；

-Δf_saturation是由和照射互作用介质的激光束的实际强度关联的饱和加宽。

对于CPT原子钟，当交互介质包括流式热原子时：

-由于存在缓冲气体可忽略Δf_Doppler和Δf_TT；

-可以通过调整激光功能减小Δf_saturation，尽管这损害信噪比，如前面绪言部分中对带有连续询问的现有技术器件的说明中提到那样；

-Δf_collision是形成所得到的原子钟信号的线加宽的主要来源。

图4C示出依据本发明的使用带有脉冲式询问的方法的实施例，其中互作用介质在存在着用氮形成的缓冲气体情况下包括热铯原子。该图示出作为两个激光波的频率差Δf₁₂的非对应的函数的补偿的钟信号S_HC的振幅。

图4C的x轴以KHz为单元相对于Raman非对应的原点处的0值划定。距离δ代表由于缓冲气体的存在引入的非对应。可以使用二种缓冲气体例如氮和氩引入相反符号的碰撞移置来减小该频率偏差。

参照上述图4C，注意对于y轴上按毫伏测量的最大振幅，由于所采用的处理以及当然激光束L₁和L₂的脉冲调制，振荡宽度保持低到25Hz。如果另一方面并且遵照依据本发明的主题的带有脉冲式询问的方法和原子钟的一种尤其特别的方面，互作用介质由激光冷却原子构成，在本说明书前面提到的条件下原子的速度减小，即漂移速度约比热原子慢1,000倍。

在这些条件下，从而能在不使用缓冲气体情况下得到照射激光束和互作用介质间的长交互时间，因此能取消前面相对图4C提到的共振移置δ并且加宽碰撞引起的频率。

这样，对于带有脉冲式询问的钟，按如下处置带有冷原子的CPT原子钟的上述参数：

-由于冷的激光冷却原子的低速度，可忽略Δf_Doppler和Δf_TT；

-如果冷原子的密度足够低，还可忽略Δf_collision。

在这方面铷原子看起来比铯原子更有益，因为碰撞移置至少低50倍。

从而注意通过饱和Δf_saturation的加宽，它限制了其互作用介质是由激光冷却原子构成的原子钟的线宽。

另外，如果遵照依据本发明的方法进行询问过程，即通过脉冲式询问，则能明显地减小饱和效应的分布同时持续检测足够强度的即具有满意的信噪比的那些信号。

Claims (12)

1.一种利用相干布居俘获从第一和第二相位相干激光波生成原子钟信号的方法，每个波和互作用介质的一种原子光跃迁共振，对应于原子的相干布居俘获的原子状态的相干叠加提供响应信号，该响应信号具有共振极值振幅并代表对应于作为第一和第二相位相干激光波频率差值的函数的检测到的信号振幅上的变化的原子钟信号，其中所述方法至少在于：

利用相继的脉冲通过在高、低强度级之间确定的形状因子同步地调制第一和第二激光波的强度，第一或第二激光波分别和该互作用介质之间的交互作用限制在和高强度级对应的每个相继脉冲的持续时间内，当前脉冲期间产生的响应信号取决于该当前脉冲之前的至少一个脉冲期间产生的原子状态并且取决于将当前脉冲和在该当前脉冲之前的至少一个脉冲隔离的低强度级期间原子状态的演变；以及检测并且通过线性组合叠加当前脉冲期间产生的响应信号和该当前脉冲之前的至少一个脉冲期间产生的响应信号，以产生谱宽为最小的合成补偿原子钟信号。

2.如权利要求1所述的方法，其中通过脉冲串进行脉冲调制，调制脉冲的频率在0.2Hz和10⁴Hz之间。

3.如权利要求1或2所述的方法，其中调制脉冲具有10^-6和10^-1之间的形状因子。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中把所述当前脉冲和所述在该当前脉冲之前的脉冲隔开的低强度级的持续时间短于两个时钟级之间存在的超精细相干的生存期。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中所述互作用介质由多个热原子或激光冷却原子形成。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中检测所述的原子钟信号的步骤是从包括作为第一和第二相位相干激光波的频率差的函数的光吸收、荧光和微波检测的检测过程组中选择的一种检测过程。

7.如权利要求1或2所述的方法，其中所述方法在于用射频信号替代用于激励互作用介质的激光波中的一个，该射频信号的频率等于互作用介质原子的跃迁频率，所述方法在于通过连续脉冲调制保留的激光波或者调制保留的激光波和该射频信号。

8.一种带有脉冲式询问的原子钟，包括：至少一个用来产生第一和第二相位相干激光束的光询问装置，每个激光束和互作用介质原子的光跃迁共振；一个含有在操作中在该第一和第二相位相干激光束照射下的该互作用介质的互作用室，以产生具有共振极值振幅并且对应于作为第一和第二相位相干激光束的频率差的函数的检测的信号振幅上的变化的响应信号；检测所述响应信号的装置，所述检测装置和该响应信号的波长及振幅适配，其中所述原子钟还包括在高、低强度级之间脉冲调制第一和第二激光束的强度的装置，所述调制装置在所述第一和第二激光束的路径上位于所述互作用室的上游以同步产生第一和第二脉冲式激光束，第一或第二激光束分别和该互作用介质之间的交互作用限制在对应于高强度级的每个相继脉冲持续时间内，当前脉冲期间产生的所述响应信号取决于该当前脉冲之前的至少一个脉冲期间产生的原子状态并且取决于将当前脉冲和在该当前脉冲之前的至少一个脉冲隔离的低强度级期间原子状态的演变，并且其中所述检测装置还包括通过线性组合使该当前脉冲期间产生的响应信号和该当前脉冲之前至少一个脉冲期间产生的响应信号相加的装置，所述通过线性组合相加的装置使能产生谱宽为最小的合成补偿原子钟信号。

9.如权利要求8所述的原子钟，其中所述在高、低强度级之间脉冲调制第一和第二激光束的强度的装置包括至少一个声光调制器。

10.如权利要求8或9所述的原子钟，其中所述检测装置还包括用于对当前脉冲和该当前脉冲之前的至少一个脉冲的交互作用期间产生的响应信号进行采样的装置；以及用于存储每个脉冲的交互期间产生的响应信号的采样值的装置。

11.如权利要求10所述的原子钟，其中所述检测装置还包括读出所述存储装置中存储的在预定时刻采样的值的装置，以及计算所存储的采样值的线性组合以产生所述补偿的原子钟信号的装置。

12.如权利要求8或9中任一权利要求所述的原子钟，其中用射频信号替代一个激光束，通过连续脉冲串调制保留的激光束或者调制保留的激光束和射频信号。

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