CN104685788A - 相干布居捕获共振的原子振荡器和询问方法 - Google Patents
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Abstract
一种原子振荡器包括：碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子；光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量；以及控制器，该控制器通过对光源进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带、使该具有不同波长的激光束进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率，其中边带包括第二阶边带或者更高阶边带。
Description
技术领域
本发明涉及相干布居捕获(CPT)共振的原子振荡器和询问方法。
背景技术
传统上，原子时钟(或者原子振荡器)被称为提供非常精确时间的时钟。最近，对小型化原子时钟的研究和开发活跃。原子时钟可以被看作是根据原子中的电子的转移能量将诸如碱金属原子的原子的电磁波频谱的微波区域内的电子转移频率用作频率标准的振动器。特别是，在没有外部影响的情况下，能够由碱金属原子中的电子的转移能获得非常精确的时间值。这种类型的原子时钟的频率稳定性比现有晶体振荡器的频率的稳定性优几个数量级。例如，请参见日本专利No.4,801,044；“The MAC-A Miniature Atomic Clock”by R.Lutwak,P.Vlitas,M.Varghese,M.Mescher,D.K.Serkland and G.M.Peake,Joint Meeting of the IEEE International Frequency Control Symposium and thePrecise Time and Time Interval(PTTI)Systems and Applications Meeting,Vancouver,BC,Canada,pp.752-757(2005)；以及“Investigations onContinuous and Pulsed Interrogation for a CPT Atomic Clock”by N.Castagna,R.Boudot,S.Guérandel,E.De Clercq,N.Dimarcq and A.Clairon,IEEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,Vol.56,No.2,Feb.2009。
存在一些类型的原子时钟。例如，采用微波谐振器的传统类型需要大装置尺寸和高功率消耗。然而，CPT(相干布居捕获)原子时钟能提供比现有晶体振荡器优3个数量级的非常高的频率稳定性。此外，CPT原子时钟能提供小装置尺寸和低功率消耗。CPT原子时钟样机产于2007年，并且Symmetricom已经在2011年市售这种类型的芯片规模的原子时钟(CSAC)的产品。
尽管上述CPT原子时钟具有比采用微波谐振器的传统原子时钟低的功率消耗，但是上述CPT原子时钟的功率消耗接近115mw。如果考虑到原子时钟实际上用于电池驱动的便携式应用中，则上述CPT原子时钟的功率消耗值仍然非常高。因此，需要低于30mW的较低功率消耗的改进型原子时钟或者振荡器。
发明内容
在一个方面中，本发明提供了一种适于降低功率消耗的CPT谐振的原子振荡器和询问方法。
在一个实施例中，本发明提供了一种原子振荡器，包括：碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子；光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量；以及控制器，该控制器被配置来通过对光源上的载波进行频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带；使该具有不同波长的激光束对进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率，其中边带包括第二阶边带或者更高阶边带。
附图说明
图1是用于解释激光强度的分布的示意图。
图2是示出根据本发明第一实施例的原子振荡器的配置的示意图。
图3是用于解释133Cs(铯－133原子)的D1线的示意图。
图4是用于解释第一阶、第二阶和第三阶边带的示意图。
图5是示出连续询问模式下的CPT谐振的观察结果的示意图。
图6是示出脉冲询问模式下的CPT谐振的观察结果的示意图。
图7是用于解释连续询问模式下RF功率与对比度之间的关联的示意图。
图8是用于解释脉冲询问模式下RF功率与对比度之间的关联的示意图。
图9是用于解释连续询问模式下激光强度与频率偏移之间的关联的示意图。
图10是用于解释脉冲询问模式下激光强度与频率偏移之间的关联的示意图。
图11是用于解释根据本发明第二实施例的原子振荡器中的脉冲激光束的波形的示意图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明实施例。
[第一实施例]
通过研究根据现有技术的上述CPT原子时钟，发现包括微波振荡器和PLL(锁相环)的与微波有关的电路消耗CPT原子时钟的功率的一半以上。具体地说，当CPT原子时钟以RF(射频)频带工作时，几GHz(吉赫兹)频带的CPT原子时钟的功率消耗主要由开关损失导致。开关损失P由下面的公式1表示。
[公式1]
P=fRFCV2
其中fRF表示RF驱动的频率，C表示寄生电容，并且V表示射频的幅值。根据公式1，用于降低与微波有关的电路的功率消耗的可能方法包括：降低RF频率fRF；降低寄生电容C；以及降低射频的幅值V。
根据本实施例的原子振荡器适合在上述方法中采用降低RF频率fRF的方法降低原子振荡器的功率消耗。具体地说，布置根据本实施例的原子振荡器，以利用诸如第二阶边带或者第三阶边带的更高阶边带谐波(边带)降低作为基波的RF频率fRF，使得可以降低功率消耗。
通常，如果更高阶边带用于原子振荡器，则产生CPT询问所需波长的激光束的效率可能降低，并且因此CPT谐振的对比度可能降低。对原子振荡器要求高频稳定性。特别是当将原子振荡器用作各种无线电通信装置的基站的时间标准源时，原子振荡器的短期频率稳定性是重要的。在这方面，艾伦偏差(Allan deviation)用于测量频率稳定性，并且下面的公式2表示短期频率稳定性σy(τ)。
[公式2]
其中τ是观察时间，S/N是表示RF频率fRF下的强度与噪声的比的S(信号)/N(噪声)比，并且Q表示原子谐振的谐振Q值。此外，Q由下面的公式3表示。
[公式3]
其中FWHM(半最大值全宽度)是在RF频率fRF下对应于激光功率分布的最大强度的一半的激光的线宽，并且在本实施例中，FWHM还可以被称为对比度Ct。图1示出激光强度分布(激光频谱)。
根据上述描述，公式2中的短期频率稳定性σy(τ)也可以由下面的公式4表示。
[公式4]
由公式4显而易见，根据原子谐振的谐振Q值和对比度Ct(S/N比)，确定短期频率稳定性σy(τ)。即，通过升高原子谐振的谐振Q值或者对比度Ct，可以使短期频率稳定性σy(τ)减小。在发生CPT谐振时，通过增强激光束的强度，可以获得大谐振幅值。然而，同时，由于功率展宽效应，线宽将增大。因此，作为一般规则，在增大Q值的方案与增大对比度Ct(S/N比)的方案之间可能存在性能折衷。
根据本实施例的原子振荡器采用对更高阶边带内的对比度的降低进行补偿并且降低功率消耗的激光束的脉冲询问，使得原子振荡器的稳定性升高。
在两个能级之间激发诸如铯原子的交互介质的原子，并且如果交互作用是连续的，则该激发模式被称为“连续询问模式”(或者“Rabi询问”)，并且如果相互作用基于静寂时间分离的两个短相互作用，则被称为“脉冲询问模式”。在这方面，脉冲询问模式能实现Ramsey询问，因此，可以实现使谐振线宽缩窄并且减小光偏移。有几种方法获得脉冲激光束。在采用直接控制激发激光的驱动电流的直接调制方法中，在调制时，激光束的输出波长显著变化。直接调制方法不能用于原子振荡器。
在本实施例中，利用声光调制器(AOM)执行由激光源发出的激光束获得脉冲激光束的调制。
[原子振荡器]
接着，将参考图2描述根据本实施例的原子振荡器的配置。如图2所示，本实施例的原子振荡器包括：激光源110、准直透镜120、AOM(声光调制器)130、偏振器131、碱金属室140、以及光电检测器(光电二极管)150。
激光源110是用于激发碱金属室140内的原子的激光。在本实施例中，垂直腔面发射激光器(VCSEL)用作激光源110。根据本实施例的激光源110能够发出波长为895nm的激光束。激光源110发出的激光束的该波长几乎等于133Cs(铯－133原子)的D1线。VCSEL是能够以低功耗发出激光束的小尺寸芯片，并且有利的是，将VCSEL用作激光源110使得能够进一步降低原子振荡器的功率消耗。
碱金属室140设置为圆柱形，其具有例如22.5mm的直径以及20.0mm的光路长度。该碱金属室140内充入碱金属原子Cs和作为缓冲气体的氮气N2。原子Cs和氮气N2封闭在碱金属室140内。碱金属室140的内部空间的压力保持在1.3kpa的压力。
在本实施例中，激光源110发出的激光束通过准直透镜120、AOM 130、以及偏振器131，使得束直径约为5mm的偏振激光束进入碱金属室140。入射到碱金属室140的输入激光束穿过碱金属室140，并且从碱金属室140出来的输出激光束进入光电检测器150。光电检测器150由光电二极管制成，并且设置该光电检测器150，以检测入射到光电检测器150的激光束的光量等。
在本实施例中，激光源110发出的激光束在进入碱金属室140之前被AOM 130调制为脉冲激光束。配置AOM 130，以执行高速调制，并且经过AOM 130调制的脉冲激光束可以具有方波型式的波形。
在本实施例中，为了使激光源110发出的激光束的波长稳定，设置锁定放大器161，以执行锁定检测，并且将指出锁定检测结果的信号输出到电流驱动器162，使得根据锁定检测结果控制电流驱动器162供给的用于驱动作为激光源110的VCSEL的电流量。对锁定放大器161和电流驱动器162的这种控制进行配置，以使碱金属室140内的碱金属原子的光吸收特性最大。作为激光源110的VCSEL的温度保持在恒定温度。为了执行锁定放大器161和电流驱动器162的这种操作，函数发生器163分别连接到锁定放大器161和电流驱动器162。
为了观察显示对磁场最小可能变化(least possible change)的CPT谐振，布置碱金属室140，使得亥姆霍兹线圈(未示出)对碱金属室140施加32μT的静态磁场“B”，并且通过使得塞曼分裂，选择性地确定CPT谐振。塞曼分裂(或者塞曼效应)是在存在静态磁场的情况下，将频谱线分裂为几个分量的效应。为了消除地球磁力等产生的外部磁场，碱金属室140和亥姆霍兹线圈被磁屏蔽覆盖，并且安装在温度容器141内。碱金属室140的温度保持在恒温。在本实施例中，碱金属室140的温度保持在30℃与55℃范围内的温度。例如，优选地，使碱金属室140的温度保持在42.00℃，在该42.00℃，CPT谐振的对比度最大。
设置偏振器131，以产生线性偏振激光束，作为询问CPT谐振的激光束，从而避免塞曼子能级偏差。如图3所示，根据本实施例，在原子振荡器中观察到两个CPT谐振：(F＝3,m＝-1)，(F＝4,m＝1)；和(F＝3,m＝1)，(F＝4,m＝-1)重叠的谐振。
此外，在根据本实施例的原子振荡器中，在AOM 130将由激光源110发出的激光束产生脉冲激光束后，将对应于脉冲激光束的主衍射光束送到碱金属室140。设置AOM驱动器165，以控制AOM 130的操作。例如，配置AOM驱动器165，使得脉冲激光束的上升时间的额定值为65ns，其脉冲周期为1.00kHz，并且其占空比为50％。在这种情况下，脉冲激光束的每个脉冲的下降沿和上升沿之间的时间间隔为500μs。将抽样/保持电路171设置为检测CPT Ramsey询问(或者CPT谐振)的检测器。抽样/保持电路171在紧接在脉冲激光束的每个脉冲的上升沿后的10μs的时间获取或者采集谐振波形，并且抽样/保持电路171的波形获取时间是5.0μs。将光电检测器150检测到的表示光量的输出信号分别送到抽样/保持电路171和锁定放大器172，并且还通过抽样/保持电路171和锁定放大器172，将其送到控制单元173(可以由个人计算机(PC)形成)。配置控制单元173，以响应光电检测器150的输出信号，将控制信号输出到模拟信号发生器174。配置模拟信号发生器174，以响应来自控制单元173的控制信号将FM(调频)信号输出到锁定放大器172。Cs标准单元175被设置为基准频率源，并且连接到模拟信号发生器174。为了执行原子振荡器的上述操作，脉冲发生器166分别连接到抽样/保持电路171和AOM驱动器165。
为了在根据本实施例的原子振荡器中观察CPT谐振，需要利用具有不同波长(或者不同频率)的激光束对照射碱金属室140内的碱金属原子。
按照惯例，通过对激光源上的载波执行FM调制并且使用获得的如图4中的(a)所示的第一阶边带，获得具有不同波长的激光束对。
另一方面，布置根据本实施例的原子振荡器，以通过利用产生如图4中的(b)和(c)所示的第二阶和第三阶边带的AOM 130对激光源110上的载波执行FM调制，获得具有不同波长的激光束对。因此，如果在根据本实施例的原子振荡器中使用第二阶边带，则能够将该原子振荡器的调制频率(RF频率)降低到使用第一阶边带的传统情况下的调制频率的一半。如果在根据本实施例的原子振荡器中使用第三阶边带，则能够将该原子振荡器的调制频率(RF频率)降低到使用第一阶边带的传统情况下的调制频率的三分之一。
具体地说，如下面的表1所示，RF频率当在传统情况下使用第一阶边带时接近4.6GHz，而RF频率当在根据本实施例的原子振荡器内使用第二阶边带时接近2.3GHz。此外，RF频率当在根据本实施例的原子振荡器内使用第三阶边带时接近1.53GHz。从上面的公式1可以看出，开关损失P与RF频率fRF的振幅成正比，并且如果使用第二阶或者第三阶边带，则能够降低RF频率fRF，并且因此，能够降低功率消耗。
[表1]
接着，将描述使用第二阶或者第三阶边带的CPT询问时的谐振线宽特性。下面可以将诸如第二阶边带或者第三阶边带的更高阶谐波称为更高阶边带。图5示出连续询问模式下的CPT谐振的观察结果。在图5中，垂直轴表示CPT谐振的信号电平，而水平轴表示从中心频率失谐的频率量。图5所示的信号电平由归一化信号电平表示。表2示出当分别在连续询问模式(CW)下和脉冲询问模式(PL)下采用第一级边带、第二阶边带和第三阶边带时对比度、FWHM等的观察结果。
表2
在上面的表2的观察结果中，采用使对比度最大的RF功率值。当采用第一阶边带时需要CPT询问的RF频率是4.596325GHz，而当采用第二阶边带时需要CPT询问的RF频率是2.298162GHz。即，当采用第二阶边带时，可以观察到被降低到采用第一阶边带时的RF频率的一半的RF频率的CPT谐振。同样，当采用第三阶边带时需要的CPT询问的RF频率是1.532108GHz。当采用第三阶边带时，可以观察到具有被降低到采用第一阶边带时的RF频率的三分之一的RF频率的CPT谐振。
在连续询问模式下的CPT谐振中，采用更高阶边带导致线宽FWHM稍许减小，并且导致Q值稍许升高。可以认为这种现象因为激光的功率展宽效应而发生。功率展宽效应是激光的线宽FWHM与激光强度本身成正比的效应。激光强度越高导致线宽越大。采用更高阶边带导致对CPT谐振起作用的波长分量的激光强度降低，并且导致激光强度降低。因此，可以理解的是线宽FWHM因为激光强度的降低而变窄。
接着，图6示出脉冲询问模式下的CPT Ramsey谐振的观察结果。在图6中，垂直轴表示CPT谐振的信号电平，而水平轴表示从中心频率失谐的频率量。图6所示的信号电平被表示为归一化信号电平。在脉冲询问模式下，采用更高阶边带时的Q值几乎保持不变。可以认为在脉冲询问模式下禁止功率展宽效应，并且线宽FWHM不取决于激光强度。
图7和8示出RF功率与对比度之间的关联性。具体地说，图7示出连续询问模式下的RF功率与对比度之间的关联性，而图8示出脉冲询问模式下的RF功率与对比度之间的关联性。如图7和8所示，在RF功率中存在分别在连续询问模式下和脉冲询问模式下对比度都变得最大的点。采用更高阶边带的CPT询问中的最大对比度由采用第一阶边带的CPT询问中的最大对比度降低。这是因为对CPT谐振起作用的波长分量的比值根据调制因数变化。在连续询问模式下，第一阶边带情况下对比度最大时的RF功率值接近0.32mW，而第二阶或者第三阶边带情况下对比度最大时的RF功率值接近0.50mW。送到作为激光源110的VCSEL的RF功率是1mW或者更低，并且与样机的电路有关的微波的功率消耗是66mW。因此，可以认为与电路有关的微波的98％的或者更高的功率消耗由开关损失导致。
在根据本实施例的原子振荡器中，采用更高阶边带的CPT询问。具体地说，在采用第二阶边带的情况下，与电路有关的微波的功率消耗是28.5(＝57/2)mW，原子振荡器的功率消耗为79.5(＝51+28.5)mW，并且功率消耗降低26.4％。在采用第三阶边带的情况下，与电路有关微波的功率消耗是19(＝57/3)mW，原子振荡器的功率消耗为70(＝51+19)mW，并且功率消耗降低35.2％。因此，能够显著降低根据本实施例的原子振荡器的功率消耗。
在采用根据本实施例的更高阶边带的CPT询问中(图8)，将第二阶边带情况与第三阶边带情况互相比较。第三阶边带情况下的对比度高于第二阶边带情况下的对比度。CPT询问水平(interrogation level)F’＝3和F’＝4之间的差是1.167GHz，并且在第三阶边带情况下，这些CPT询问水平非常靠近RF频率。因此，说明CPT询问水平F’＝3和F’＝4二者的CPT询问可能同时发生。
根据Q值和对比度的积确定原子振荡器的短期频率稳定性。如上面的表2所示，如果将连续询问模式下第一阶情况下的Q值和对比度的积(品质因数)看作基准水平(＝1.0)，则脉冲询问模式下第三阶情况下的Q值和对比度的积(品质因数)大于该基准水平的2.97倍。因此，将脉冲询问模式与采用更高阶边带组合能够使RF频率降低，并且能够有效降低功率消耗，且能够提高短期频率稳定性。
接着，将描述光偏移(light shift)。光偏移是CPT谐振的中心频率根据激光束的光量偏移的现象。光偏移是CPT原子振荡器的长期频率稳定性降低的主要因素。已知在连续询问模式情况下，CPT谐振频率相对于激光强度线性偏移。而且，据报道，光偏移量根据CPT谐振不需要的边带变化。
图9和图10示出CPT谐振中的光强度与频率偏移的关联性。具体地说，图9示出连续询问模式下，激光强度和频率偏移之间的关联性，而图10示出脉冲询问模式下，激光强度和频率偏移的关联性。下面的表3示出当分别在连续询问模式(CW)下和脉冲询问模式(PL)下采用第二阶边带、第二阶边带和第三阶边带时光偏移量值(等于频率偏移相对于激光强度的梯度)和相对光偏移值(通过使光偏移量除以RF频率获得)。下面的表3中的相对光偏移分别等于图9和图10中的关联性图的梯度。
[表3]
在连续询问模式(CW)下，第二阶和第三阶情况下的光偏移量比第一阶情况下的光偏移量大2至3倍，并且第二阶情况下的光偏移量比第三阶的光偏移量大。显然，这种现象的原因是存在CPT谐振不需要的边带。第二阶和第三阶情况下的相对光偏移接近第一阶情况下的相对光偏移的6倍。
另一方面，在脉冲询问模式(PL)下，CPT Ramsey谐振的光偏移量小于连续询问模式情况下的光偏移量。具体地说，脉冲询问模式下的光偏移量是连续询问模式下的光偏移量的1/20至1/30，并且脉冲询问模式能够显著降低光偏移量。
此外，在脉冲询问模式下，更高阶情况下的光偏移量大于第一阶情况下的光偏移量的约三倍，并且第二阶情况下的光偏移量几乎与第三阶情况下的光偏移量相同。更高阶情况下的相对光偏移量大于第一阶情况下的光偏移量的6至10倍。
如上所述，采用更高阶边带的脉冲询问模式情况下的光偏移量可以小于采用第一阶边带的连续询问模式情况下的光偏移量。具体地说，采用第三阶边带的脉冲询问模式情况下的相对光偏移可以小于采用第一阶边带的连续询问模式情况下的相对光偏移的1/3。
因此，在根据本实施例的原子振荡器中，采用第三阶边带的脉冲询问模式情况下的相对光偏移可以小于采用第一阶边带的连续询问模式情况下的相对光偏移的1/3，而其Q值能够增大到比采用第一阶边带的连续询问模式情况下的Q值大5倍。此外，能够将采用第三阶边带的脉冲询问模式情况下的与RF有关的电路的功率消耗降低到采用第一阶边带的连续询问模式情况下的与RF有关的电路的功率消耗的三分之一，并且能够将其短期频率稳定性提高到采用第一阶边带的连续询问模式情况下的短期频率稳定性的2.97倍。
在上述实施例中，例如，在图2所示的原子振荡器中，控制器可以由AOM130、锁定放大器161、电流驱动器162、函数发生器166、抽样/保持电路171、锁定放大器172、控制单元173、模拟信号发生器174、以及Cs标准电路175实现，使得配置该控制器，以通过对激光源上的载波执行频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带；配置该控制器，以使具有不同波长的激光束对进入碱金属室内；以及配置该控制器，以通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率。
在上述实施例中，已经描述了由铯原子形成碱金属室140内的碱金属原子的情况。作为一种选择，碱金属室140内的碱金属原子可以由铷原子代替铯原子形成。激光源110发出的激光束的波长可以落入893.6nm-895.6nm、851.3nm-853.3nm、794.0nm-796.0nm、以及779.2nm-781.2nm中的任何一个范围内。此外，上面描述的碱金属原子(铯原子和铷原子)之外的诸如钠原子或者钾原子的碱金属原子可以代之用作碱金属室140内的碱金属原子。
在上述实施例中，已经示出了或者采用第二阶边带对或者采用第三阶边带对的情况。作为一种选择，可以配置原子振荡器，以使用包括位于一端的第二阶边带中的一个和位于另一端的第三阶边带中的一个的更高阶边带对。此外，可以配置原子振荡器，以使用包括位于一端的第一阶边带中的一个和位于另一端的第三阶边带中的一个的边带对。此外，可以配置原子振荡器，以使用包括位于一端的第一阶边带中的一个和位于第二阶边带中的一个的边带对。此外，可以配置原子振荡器，以将作为载波的激光基波和第三阶边带用作边带对。在前文中，假定边带对包括作为边带对中的一个的下边频和作为边带对中的另一个的上边频。即使当第四阶或者更高阶边带用作边带时，也能够获得与上述相同的有利效果。
[第二实施例]
接着，描述本发明的第二实施例。在根据本实施例的原子振荡器中，根据第一实施例的原子振荡器中的AOM 130(图2)由液晶元件代替。在本实施例中，激光源110发出的激光束在进入碱金属室140内之前由液晶元件调制为脉冲激光束。液晶元件的尺寸比AOM 130小，液晶元件的功率消耗小于AOM 130的功率消耗，并且可以实现进一步降低原子振荡器的功率消耗和小型化。在根据本实施例的原子振荡器中，根据第一实施例的原子振荡器中的AOM驱动器165(图2)由液晶驱动器替换，并且设置液晶驱动器，以控制液晶元件的操作。利用液晶元件，可以容易地生产采用CPT询问的芯片级原子振荡器或者时钟(CSAC)。
在本实施例中，液晶元件由透明型向列液晶和两个偏振板形成。通过将偏振板的偏振面互相相对旋转90度，由激光源110发出的激光束产生脉冲激光束。图11示出根据本实施例的原子振荡器中的液晶元件获得的脉冲激光束的波形。在本实施例中，执行液晶元件的开启/关闭控制，并且液晶元件获得的脉冲激光束可以具有几乎三角波形式的波形，代替矩形波形式的波形。具体地说，在图11所示的脉冲激光束的波形中，开关频率为150Hz，上升时间为2.65ms，并且下降时间为218μs。根据本实施例的原子振荡器也可以与根据第一实施例的原子振荡器实现相同的有利效果。
根据本发明，可以提供适于降低功率消耗的原子振荡器和CPT谐振的询问方法。
根据本发明的原子振荡器并不局限于上述实施例，并且可以进行各种变型和修改，而不脱离本公开的范围。
本申请基于并且要求2012年8月30日提交的日本专利申请No.2012-190180的优先权的好处，在此通过引用合并该专利申请的全部内容。
Claims (20)
1.一种原子振荡器，包括：
碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子；
光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；
光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量；以及
控制器，该控制器被配置来通过对光源进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带，使该具有不同波长的激光束对进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率，
其中边带包括第二阶边带或者更高阶边带。
2.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中该边带包括第三阶边带。
3.一种原子振荡器，包括：
碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子；
光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；
光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量；以及
控制器，该控制器被配置来通过对光源进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带，使该具有不同波长的激光束对进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率，
其中该具有不同波长的激光束对包括第一阶边带中的一个和第二阶或者更高阶边带中的一个。
4.一种原子振荡器，包括：
碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子；
光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；
光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量；以及
控制器，该控制器被配置来通过对光源上进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带，使作为载波的基波激光和作为边带的该激光束对进入碱金属室；并且通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率，
其中该边带包括第三阶或者更高阶边带。
5.根据权利要求1至4中的任何一项所述的原子振荡器，其中进入碱金属室内的激光束是脉冲激光束。
6.根据权利要求5所述的原子振荡器，其中该脉冲激光束具有矩形波形式的波形。
7.根据权利要求5所述的原子振荡器，其中该脉冲激光束具有三角波形式的波形。
8.根据权利要求5或者7所述的原子振荡器，其中控制器被配置来通过利用液晶元件对光源发出的激光束进行调制，产生该脉冲激光束。
9.根据权利要求1至8中的任何一项所述的原子振荡器，其中该光源由发出激光的表面构成。
10.根据权利要求1至9中的任何一项所述的原子振荡器，其中该激光束具有落入893.6nm-895.6nm、851.3nm-853.3nm、794.0nm-796.0nm、以及779.2nm-781.2nm中的任何一个范围内的波长。
11.一种原子振荡器的CPT谐振的询问方法，该原子谐振器包括：碱金属室，在该碱金属室内封闭碱金属原子；光源，该光源被配置来利用激光束照射碱金属室内的原子；以及光电检测器，该光电检测器被配置来检测激光束通过碱金属室进入光电检测器的光量，该询问方法包括：
通过对光源进行载波频率调制，产生包括具有不同波长的激光束对的边带；
使该具有不同波长的激光束对进入碱金属室；并且
通过谐振激光束对的量子干扰效应，根据原子的光吸收特性，控制调制频率，
其中边带包括第二阶或者更高阶边带。
12.根据权利要求11所述的方法，其中该边带包括第三阶边带。
13.根据权利要求11所述的询问方法，其中该具有不同波长的激光束对包括第一阶边带中的一个和第二阶或者更高阶边带中的一个。
14.根据权利要求11所述的询问方法，其中使步骤包括使作为载波的基波激光和边带中的一个进入碱金属室，并且该边带包括第三阶或者更高阶边带。
15.根据权利要求11至14中的任何一项所述的询问方法，其中进入碱金属室内的激光束是脉冲激光束。
16.根据权利要求15所述的询问方法，其中该脉冲激光束具有矩形波形式的波形。
17.根据权利要求15所述的询问方法，其中该脉冲激光束具有三角波形式的波形。
18.根据权利要求15或者17所述的询问方法，其中产生步骤包括通过利用液晶元件对光源发出的激光束进行调制，产生该脉冲激光束。
19.根据权利要求11至18中的任何一项所述的询问方法，其中该光源由发出激光的表面构成。
20.根据权利要求11至19中的任何一项所述的询问方法，其中该激光束具有落入893.6nm-895.6nm、851.3nm-853.3nm、794.0nm-796.0nm、以及779.2nm-781.2nm中的任何一个范围内的波长。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Tokyo, Japan Patentee after: Ricoh Co.,Ltd. Patentee after: Legal person of Tokyo Metropolitan Public University Address before: Tokyo, Japan Patentee before: Ricoh Co.,Ltd. Patentee before: TOKYO METROPOLITAN University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20171103 Termination date: 20200828 |