CN111912535A - 一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法及系统，该方法包括：原子囚禁和冷却，获得冷原子团；原子初态制备；冷原子团进入干涉区，控制实验时序通过三个拉曼光脉冲与冷原子团相互作用实现原子干涉；原子团进入探测区进行双能级探测获得原子干涉条纹；设置两束

拉曼脉冲相位差，使相对布居数置于条纹半高宽处获得条纹相位抖动；扣除拉曼光功率噪声、量子投影噪声以及技术噪声的贡献获得拉曼光相对相位噪声带来的影响；改变干涉过程中原子自由演化时间重复上述步骤，根据Leeson模型以及不同实验时序下的传递函数求解方程组获得拉曼光相位噪声谱。解决现有相位噪声测量技术中需定期校准等问题，提高测试准确性并提供自校准功能。

Description

一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法及系统

技术领域

本发明涉及噪声测试技术领域，具体是一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法及系统。

背景技术

在原子钟以及重力仪等基于原子干涉技术的量子精密测量领域，本地振荡器的相位噪声是影响测试灵敏度的重要噪声源。在原子钟运行过程中，本地振荡器的相位噪声会恶化原子钟的频率稳定度(Dick效应)；在冷原子干涉仪中，拉曼光的相位噪声同样会造成干涉条纹的相位抖动，从而降低系统测试灵敏度。

上述本地振荡器及拉曼光的相位噪声带来的影响在本质都是由于冷原子跃迁概率对相位噪声的敏感响应造成的，从而恶化系统测试稳定度或者灵敏度。

因此，业内急需一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法的新型技术。

发明内容

本发明提供一种基于原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法及系统，用于克服现有技术中自校准功能缺失等缺陷，并具有潜在的高准确度特性，通过原子对相位抖动的敏感响应，实现基于冷原子干涉技术的拉曼光相位噪声的测试，较传统的信号分析仪测试，具有自校准的功能。

为实现上述目的，本发明提供一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，包括以下步骤：

步骤1，打开冷却光和回泵光，开启梯度磁场，实现原子囚禁和冷却，获得冷原子团；

步骤2，利用受激拉曼跃迁或微波选态实现原子团初态制备至预定原子能级；

步骤3，冷原子团自由下落或抛射进入干涉区，在此过程中根据选定的实验时序依次使得冷原子团与脉宽分别为

脉冲、π脉冲、

脉冲拉曼光三次相互作用，实现原子干涉；

步骤4，在探测区对干涉后的原子进行双能级探测，获得干涉条纹；

步骤5，通过设置两个拉曼光

脉冲之间的相位差，使得原子团的相对布居数放置在干涉条纹顶点处，通过单点测试该处相对布居数阿兰方差以获得技术噪声比例因子，根据技术噪声比例因子可获得干涉条纹任意处的技术噪声；

步骤6，通过设置两个拉曼光

脉冲之间的相位差，使得原子团的相对布居数放置在干涉条纹半高宽处，通过单点测试获得此处的相位抖动阿兰方差；

步骤7，根据测量获得的相位抖动阿兰方差以及通过测试标定的技术噪声、量子投影噪声和拉曼功率噪声带来的影响，获得拉曼光相对相位噪声对条纹抖动的贡献；

步骤8，改变原子团在干涉过程中自由演化时间，并重复步骤1～8，通过多次测试获得不同选定时序条件下干涉条纹相位抖动，根据Leeson模型及不同实验时序下的传递函数，推导出拉曼光相位噪声谱。

为实现上述目的，本发明还提供一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试系统，在竖直方向包括：

原子冷却区，包括梯度磁场线圈、冷却光和回泵光输入装置、真空环境下的冷却腔，以对原子团进行囚禁和冷却；

干涉区，包括位于原子冷却区正下方或正上方的竖直通道，竖直通道内部与冷却腔相连，用于为原子团与拉曼光发生相互作用实现原子干涉提供场所；

探测区，包括原子双能级探测装置，包括正对竖直通道底部原子团的水平探测光、回泵光的扩束装置以及光电接收装置，用于接收原子团发出的荧光信号，以获得干涉条纹；

实验台，包括处理器和存储器，所述存储器存储有基于冷原子干涉的相位噪声测试程序，所述处理器在运行所述程序时执行上述方法中的步骤；

真空设备，包括离子泵、吸气剂以及真空阀门，用于维持冷却区、干涉区及探测区内部真空环境；

真空设备外部还设置有用于提供量子化轴的偏置磁场线圈，用于在原子干涉区形成均匀偏置磁场，提供系统的量子化轴；在偏置磁场线圈外围还设置有磁屏蔽结构，用来屏蔽地磁场对原子能级的影响。

本发明提供的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法及系统，与传统的信号分析仪或相噪分析仪测试相位噪声方法相比，该方案中的技术噪声、量子投影噪声和拉曼光功率噪声带来的影响，均可通过系统自身标定，从而实现自校准，不需要像传统的电子测量仪器一样必须借助其他设备定期进行校准，为基于量子系统的相位噪声测试开拓了新的应用环境。在一些应用场景中，拉曼光是通过对电光晶体进行相位调制产生的，此时拉曼光的相位噪声主要取决于微波驱动源的性能，因此该方法可推广至微波信号的相位噪声测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法中技术噪声标定的实验验证图；

图2为实施例一中不同自由演化时间下的传递函数仿真结果；

图3为实施例一中原子干涉条纹实验图；

图4为本发明实施例二提供的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试系统的原理示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例一

如图1～4所示，本实施例提供一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，包括以下步骤：

步骤1，打开冷却光和回泵光，开启梯度磁场，实现原子囚禁和冷却，获得冷原子团；

步骤2：利用受激拉曼跃迁或微波选态实现冷原子团初态制备至预定原子能级；可根据不同的原子种类设定具体的原子能级；

步骤3，冷原子团自由下落或抛射进入干涉区，在此过程中根据选定的时间间隔依次使得冷原子团与脉宽分别为

脉冲、π脉冲、

脉冲的拉曼光三次相互作用，实现原子干涉；

步骤4，在探测区对干涉后的原子进行双能级探测，获得干涉条纹；

步骤5，通过设置两个拉曼光

脉冲之间的相位差，使得原子团的相对布居数放置在干涉条纹顶点处，通过单点多次测试该处相对布居数阿兰方差以获得技术噪声比例因子，根据技术噪声比例因子可获得干涉条纹任意处的技术噪声贡献；

技术噪声主要由探测噪声和电子学噪声构成，其大小与原子团布居数的大小成正比，可以表示为σ_Tech(P_i)＝P_i*k。其中k表示在不同条纹位置处(P_i)的布居数与其抖动的比例因子，实验中可以通过测试获得。如图1所示为实验中测试所得的比例因子与布居数的关系曲线，可见在条纹的顶点处，比例因子对于布居数最为不敏感，因此每次改变自由演化时间测量之前，通过此处获得在不同实验条件下的比例因子，从而获得在条纹任意位置处的技术噪声带来的影响σ(P_i)。

步骤6，通过设置两个拉曼光

脉冲之间的相位差，使得原子团的相对布居数放置在干涉条纹半高宽处，通过单点测试获得此处的相位抖动阿兰方差；

在测试过程中，将测试点放置在干涉条纹半高宽处(干涉条纹最大幅值与最小幅值之差的一半对应的位置)，以获得最大的测试灵敏度，因此量子投影噪声带来的布居数抖动为

步骤7，根据测量获得的相位抖动阿兰方差以及通过测试标定的技术噪声、量子投影噪声和拉曼功率噪声带来的影响，获得拉曼光相对相位噪声对条纹抖动的贡献；量子投影噪声和拉曼功率噪声带来的影响均能通过测试标定获得；

步骤8，改变原子团在干涉过程中自由演化时间，并重复步骤1～7，通过多次测试获得不同选定时序条件下干涉条纹相位抖动，根据Leeson模型及不同实验时序条件下的传递函数，求解出拉曼光相位噪声谱。

本发明利用原子对相位抖动的敏感响应，提出了一种基于冷原子干涉技术的拉曼光相位噪声测试方法。同时，由于在大多数的应用中，拉曼光是由电光调制晶体产生，其相位噪声取决于外部的微波源性能，因此该应用可扩展至微波源相位噪声的测试。与传统的信号分析仪测试相比，该方法具有自校准的功能。

优选地，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11，通过激光光源部分打开冷却光和回泵光，开启梯度磁场，在磁光阱部分对原子进行冷却和囚禁；

这里的激光光源部分可理解为激光光源设备，通过不同的控制开关能够控制冷却光和回泵光的打开与关断，梯度磁场由外部反亥姆霍兹线圈通电流获得；这里的磁光阱部分可理解为磁光阱设备；

步骤12，关闭梯度磁场，通过调整冷却光功率及频率实现偏振梯度冷却，获得温度在5～10μK之间、原子数为10⁸量级的冷原子团。

优选地，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21，打开拉曼光或微波开关，通过设置脉宽宽度为π脉冲，将原子状态抽运至预定能级；

步骤22，打开吹散光，将除预定能级之外其余子能级上的原子吹掉；完成原子初态制备。

优选地，所述步骤3包括以下步骤：

步骤31，打开拉曼光开关，控制输入第一个拉曼光

矩形脉冲后关闭；

步骤32，原子团自由演化时间T后，再次打开拉曼开关，控制输入第二个拉曼光π矩形脉冲后关闭；

步骤33，原子团自由演化时间T后，再次打开拉曼开关，控制输入第三个拉曼光

矩形脉冲后关闭；

优选地，所述步骤4包括以下步骤：

步骤41：原子团进入探测区后，打开探测光，测试能级1上原子总数N1，然后关闭探测光；

步骤42：打开回泵光，将所有原子泵浦到能级1，然后关闭回泵光；

步骤43：打开探测光，测试原子总数N1+N2，然后关闭探测光；

最终获得的原子干涉条纹表达为：

P_i＝A+C*cos(φ_i+φ₀) (1)

其中P_i表示原子团在能级1上的相对布居数即跃迁概率：N1/(N1+N2)，A为干涉条纹的偏置，C为条纹对比度，φ_i表示在不同干涉条纹位置处的两束拉曼光之间的相对相位差，φ₀表示两束拉曼光之间的初始相位差。

优选地，所述步骤5包括以下步骤：

步骤51，设置第一个拉曼

脉冲与第三个拉曼

脉冲之间的相位差φ_i，使得相对布居数放置在干涉条纹顶点处测试W次，获得W个测试结果P_j，通过计算获得干涉条纹顶部相位抖动阿兰方差σ(P_Top)以获得技术噪声比例因子k：

其中σ(P_Top)为干涉条纹顶点处布居数抖动的阿兰方差，根据W次测试结果P_j由以下公式获得：

P_Top为条纹顶点处相对布居数W次测试结果P_j的平均值，由以下公式计算获得：

W为单点测量次数，取正整数，且W>100，W的取值决定了测试总时长，通常为100～300次，每次测试获得的测试结果为P_j；

步骤52，根据下面的公式(3)获得干涉条纹任意位置P_i处的技术噪声：

σ_Tech(P_i)＝P_i*k (3)

其中σ_Tech(P_i)为技术噪声引起的在P_i处的布居数抖动阿兰方差，P_i为步骤4测试获得的原子团的相对布居数，k为步骤51中获得的技术噪声比例因子。

优选地，所述步骤6包括以下步骤：

设置第一个拉曼脉冲与第三个拉曼脉冲之间的相位差，使得相对布居数放置在干涉条纹半高宽处，进行单点多次测试以获得最大的测试灵敏度，即可得到相位抖动阿兰方差σ_φ为：

其中，σ_P其为条纹中心测试获得的布居数抖动阿兰方差，其大小是所有噪声项贡献之和，包括量子投影噪声、拉曼光功率噪声、技术噪声以及拉曼光相对相位噪声贡献之和，C为条纹对比度。

在本方案一实施例中，参见图3，横坐标为第一个拉曼脉冲与第三个拉曼脉冲之间的相位差，单位为弧度，纵坐标为原子的相对布居数，在干涉条纹顶点处取测试点：相位差为6，布居数为0.85；在干涉条纹半高宽处取测试点：相位差为4.3，布居数为0.45。

优选地，所述步骤7中干涉条纹相位抖动阿兰方差是由量子投影噪声、拉曼光功率噪声、技术噪声及拉曼光相对相位噪声共同引起的，其关系为：

σ_φ ²(τ)＝σ_QPN ²(τ)+σ_Pow ²(τ)+σ_Tech ²(τ)+σ_Pha ²(τ) (6)

其中，σ_QPN ²(τ)为量子投影噪声引起的干涉条纹抖动，σ_Pow ²(τ)为拉曼光功率噪声引起的干涉条纹抖动，σ_Tech ²(τ)为技术噪声引起的干涉条纹抖动，σ_Pha ²(τ)为拉曼光相对相位噪声引起的干涉条纹抖动。因此，通过测试干涉条纹相位抖动，同时扣除其余三项噪声的影响，便可获得由于相位噪声带来的相位抖动值，据此推出拉曼光相位噪声性能。在测试过程中，我们将测试点放置在干涉条纹半高宽处，以获得最大的测试灵敏度。其中量子投影噪声带来的影响σ_QPN(τ)表示为

N代表参与到干涉过程中的总的原子数，因此在10⁸原子数目以及C＝0.5条件下，量子投影噪声引起的相位抖动约为0.1mrad，相较于其他噪声项，其贡献可以忽略不计；拉曼光功率抖动会影响原子两个基态能级之间的反转效率，最终导致条纹相位变化，拉曼光功率抖动带来的影响可以表示为：

其中A_{Rabi_1}和A_{Rabi_3}分别代表干涉过程中第一个拉曼光脉冲和第三个拉曼光脉冲诱发原子团发生拉比振荡的反转效率，可通过实验测试拉比振荡曲线获得，

表示拉曼光功率相对起伏，也可通过实验测试获得；

由于σ_QPN ²(τ)可忽略不计，σ_Tech ²(τ)通过步骤4测量获得，σ_Pha ²(τ)可通过测量拉曼光功率起伏标定获得，由此通过测试由式(6)可获得σ_Pha ²(τ)。

优选地，所述步骤8包括以下步骤：

步骤81，由于拉曼光的相对相位噪声导致的干涉条纹抖动可表示为：

其中H_φ(ω)为系统传递函数，S_φ(ω)为拉曼光相对相位噪声谱；对于三脉冲时序下进行拉曼型原子干涉仪，干涉条纹相位对于拉曼光相对相位抖动的响应用灵敏度函数表征，表示在无限小拉曼光相对相位抖动条件下，原子跃迁概率的变化，表示为在时域上的函数，系统在频域上的传递函数是灵敏度函数的傅里叶变换模的平方，基于此将由于拉曼光的相对相位噪声导致的干涉条纹抖动表示为上述公式(8)；

矩形拉曼光脉冲的传递函数表达式为：

其中：ω＝2πf，单位为弧度，Ω_R为有效拉比频率，T为自由演化时间，τ_R为

脉冲持续时间；

图2所示为传递函数幅值随着偏置频率的变化曲线，可见在低频(远小于拉比频率

)处，传递函数呈现等幅振荡性质，并且振荡周期与测试周期有关；在高频(大于拉比频率

)处，呈现指数衰减趋势，且衰减特性与拉比脉冲形状息息相关。因此，传递函数与原子干涉仪工作时序息息相关，可以通过改变实验时序实现对拉曼光相位噪声分段测试。

根据传递函数的理论仿真结果，选取特定的冷原子干涉实验时序，获得相应的传递函数。经过单点多次测试干涉条纹获得相位抖动，扣除其余噪声(量子投影噪声、拉曼光功率噪声及技术噪声)的影响，则可以获得由于拉曼光相位噪声导致的干涉条纹相位抖动：

σ_Pha ²(τ)＝σ_φ ²(τ)-σ_QPN ²(τ)-σ_Pow ²(τ)-σ_Tech ²(τ)

步骤82，根据Leeson模型，振荡器的相位噪声谱可以由不同的幂律函数的叠加表示：

其中：α代表不同的相位噪声类型，h_α代表不同噪声类型的幅值大小，f为频率，单位为Hz。重复上述步骤，结合公式(6)、(8)、(9)、(10)即可获得拉曼光相对相位噪声谱。具体计算过程如下：重复上述步骤改变原子自由演化时间，从而改变传递函数，获得方程组，根据实验次数设置对应的未知数h_α以及幂律类型求解方程组得到拉曼光相对相位噪声谱。相比于传统的利用信号分析仪获得的结果，该方法具有自校准功能以及更高的潜在准确性。

实施例二

如图4所示，在实施例一的基础上，本实施例提供一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试系统，在竖直方向上包括：

原子冷却区，包括梯度磁场线圈、冷却光和回泵光输入装置、真空环境下的冷却腔，以对原子团进行囚禁和冷却；

干涉区，包括位于原子冷却区正下方或正上方的竖直通道，竖直通道内部与冷却腔相连，用于为原子团与拉曼光发生相互作用实现原子干涉提供场所；

探测区，包括原子双能级探测装置，包括正对竖直通道底部原子团的水平探测光、回泵光的扩束装置以及光电接收装置，用于接收原子团发出的荧光信号，以获得干涉条纹；

实验台，包括处理器和存储器，所述存储器存储有基于冷原子干涉技术的相位噪声测试程序，所述处理器在运行所述程序时执行任意实施例一所述方法中的步骤；

真空设备，包括离子泵、吸气剂以及真空阀门，用于维持冷却区、干涉区及探测区内部真空环境；

真空设备外部还设置有用于提供量子化轴的偏置磁场线圈，用于在原子干涉区形成均匀偏置磁场，提供系统的量子化轴；在偏置磁场线圈外围还设置有磁屏蔽结构，用来屏蔽地磁场对原子能级的影响。

本方案基于冷原子干涉仪实验系统，利用三脉冲、拉曼型原子干涉仪干涉条纹对拉曼光相位噪声敏感响应特性，测试拉曼光相对相位噪声性能。物理系统包括原子冷却区、干涉区和探测区。其中冷却区利用磁光阱技术对原子实现冷却及囚禁，冷原子团自由下落或抛射进入干涉区。为了减小外界磁场对原子跃迁能级的影响，干涉区外安装两层磁屏蔽，磁屏蔽内部的剩余磁场小于100nT；系统的量子化轴由偏置磁场线圈提供，且要求偏置磁场在干涉区均匀分布。原子团与拉曼光在设定的时序下相互作用以后，进入探测区，经过原子双能级探测，获得原子的相对布居数，即跃迁概率。激光与原子相互作用是在真空环境内进行的，系统真空度小于或等于1×10^-8Pa，系统真空环境由离子泵维持。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，打开冷却光和回泵光，开启梯度磁场，实现原子囚禁和冷却，获得冷原子团；

步骤2，利用受激拉曼跃迁或微波选态实现冷原子团初态制备至预定原子能级；

步骤3，冷原子团自由下落或抛射至干涉区，根据选定的实验时序依次使得冷原子团与脉宽分别为

脉冲、π脉冲、

脉冲拉曼光三次相互作用，实现原子干涉；

步骤4，在探测区对干涉后的原子进行双能级探测，获得干涉条纹；

步骤5，通过设置两个拉曼光

脉冲之间的相位差，使得原子团的相对布居数放置在所述干涉条纹顶点处，通过单点多次测试该处相对布居数阿兰方差以获得技术噪声比例因子，根据技术噪声比例因子可获得干涉条纹任意处的技术噪声贡献；

步骤6，通过设置两个拉曼光

脉冲之间的相位差，使得原子团的相对布居数放置在所述干涉条纹半高宽处，通过单点测试获得此处的相位抖动阿兰方差；

步骤7，根据测量获得的相位抖动阿兰方差以及通过测试标定的技术噪声、量子投影噪声和拉曼功率噪声带来的影响，获得拉曼光相对相位噪声对条纹抖动的贡献；

步骤8，改变原子团在干涉过程中自由演化时间，并重复步骤1～7，通过多次测试获得不同选定时序条件下干涉条纹相位抖动，根据Leeson模型及不同实验时序条件下的传递函数，求解出拉曼光相位噪声谱。

2.如权利要求1所述的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤1包括以下步骤：

步骤11，通过激光光源部分打开冷却光和回泵光，开启梯度磁场，在磁光阱部分对原子进行冷却和囚禁；

步骤12，关闭梯度磁场，通过调整冷却光功率及频率实现偏振梯度冷却，获得温度在5～10μK、原子数为10⁸量级的冷原子团。

3.如权利要求1所述的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤2包括以下步骤：

步骤21，打开拉曼光或微波开关，通过设置脉宽宽度为π脉冲，将原子状态抽运至预定能级；

步骤22，打开吹散光，将除预定能级之外其余子能级上的原子吹掉；完成原子初态制备。

4.如权利要求1所述的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤31，打开拉曼光开关，控制输入第一个拉曼光

矩形脉冲后关闭；

步骤32，原子团自由演化时间T后，再次打开拉曼开关，控制输入第二个拉曼光π矩形脉冲后关闭；

步骤33，原子团自由演化时间T后，再次打开拉曼开关，控制输入第三个拉曼光

矩形脉冲后关闭。

5.如权利要求1所述的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤4包括以下步骤：

步骤41：原子团进入探测区后，打开探测光，测试能级1上原子总数N1，然后关闭探测光；

步骤42：打开回泵光，将所有原子泵浦到能级1；然后关闭回泵光；

步骤43：打开探测光，测试原子总数N1+N2；然后关闭探测光；

最终获得的原子干涉条纹表达为：

P_i＝A+C*cos(φ_i+φ₀) (1)

其中P_i表示原子团在能级1上的相对布居数即N1/(N1+N2)，即跃迁概率，A为干涉条纹的偏置，C为条纹对比度，φ_i表示在不同干涉条纹位置处的两束拉曼光之间的相对相位差，φ₀表示两束拉曼光之间的初始相位差。

6.如权利要求1所述的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤5包括以下步骤：

步骤51，设置第一个拉曼

脉冲与第三个拉曼

脉冲之间的相位差φ_i，使得相对布居数放置在干涉条纹顶点处测试W次，获得W个测试结果P_j，计算获得干涉条纹顶部相位抖动阿兰方差σ(P_Top)以获得技术噪声比例因子k：

其中σ(P_Top)为干涉条纹顶点处布居数抖动的阿兰方差，根据W次测试结果P_j由公式

获得；

P_Top为条纹顶点处相对布居数W次测试结果P_j的平均值，

W>100；

步骤52，根据下面的公式(3)获得干涉条纹任意位置P_i处的技术噪声：

σ_Tech(P_i)＝P_i×k (3)

其中σ_Tech(P_i)为技术噪声引起的在P_i处的布居数抖动阿兰方差，P_i为步骤4测试获得的原子团的相对布居数，k为步骤51中获得的技术噪声比例因子。

7.如权利要求1所述的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤6包括以下步骤：

设置第一个拉曼脉冲与第三个拉曼脉冲之间的相位差，使得相对布居数放置在干涉条纹半高宽处，进行单点多次测试以获得最大的测试灵敏度，即可得到相位抖动阿兰方差σ_φ为：

其中，σ_P为条纹半高宽处测试获得的布居数抖动阿兰方差，其大小是所有噪声项包括量子投影噪声、拉曼光功率噪声、技术噪声以及拉曼光相对相位噪声贡献之和，C为条纹对比度。

8.如权利要求1所述的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤7中干涉条纹相位抖动阿兰方差是由量子投影噪声、拉曼光功率噪声、技术噪声及拉曼光相对相位噪声共同引起的，其关系为：

σ_φ ²(τ)＝σ_QPN ²(τ)+σ_Pow ²(τ)+σ_Tech ²(τ)+σ_Pha ²(τ) (6)

其中，σ_QPN ²(τ)为量子投影噪声引起的干涉条纹抖动、σ_Pow ²(τ)为拉曼光功率噪声引起的干涉条纹抖动，σ_Tech ²(τ)为技术噪声引起的干涉条纹抖动，σ_Pha ²(τ)为拉曼光相对相位噪声引起的干涉条纹相位抖动；其中量子投影噪声带来的影响σ_QPN(τ)表示为

N代表参与到干涉过程中的总的原子数，因此在10⁸原子数目下量子投影噪声引起的相位抖动约为0.1mrad量级，相较于其他噪声项，其贡献可以忽略不计；拉曼光功率抖动带来的影响可以表示为：

其中A_{Rabi_1}和A_{Rabi_3}分别代表干涉过程中第一个拉曼光脉冲和第三个拉曼光脉冲诱发原子团发生拉比振荡的反转效率，可通过实验测试拉比震荡曲线获得，

表示拉曼光功率相对起伏；

由于σ_QPN ²(τ)可忽略不计，σ_Tech ²(τ)通过步骤4测量获得，σ_Pow ²(τ)可通过测量拉曼光功率起伏标定获得，由此通过测试由式(6)可获得σ_Pha ²(τ)。

9.如权利要求1所述的基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试方法，其特征在于，所述步骤8包括以下步骤：

步骤81，由于拉曼光的相对相位噪声导致的干涉条纹相位抖动表示为：

其中H_φ(ω)为系统传递函数，S_φ(ω)为拉曼光相对相位噪声谱，通过计算可得矩形拉曼光脉冲的传递函数表达式为：

其中：ω＝2πf，单位为弧度，Ω_R为有效拉比频率，T为自由演化时间，τ_R为

脉冲持续时间；

步骤82，根据Leeson模型，振荡器的相位噪声谱由不同的幂律函数的叠加表示：

其中：α代表不同的相位噪声类型，h_α代表不同噪声类型的幅值大小，f为频率，单位为Hz。

10.一种基于冷原子干涉的拉曼光相位噪声测试系统，其特征在于，在竖直方向上包括：

原子冷却区，包括梯度磁场线圈、冷却光和回泵光输入装置、真空环境下的冷却腔，以实现对原子团进行囚禁和冷却；

干涉区，包括位于原子冷却区正下方或正上方的竖直通道，竖直通道内部与冷却腔相连，用于为原子团与拉曼光发生相互作用实现原子干涉提供场所；

探测区，包括原子双能级探测装置，包括正对竖直通道底部原子团的水平探测光、回泵光的扩束装置以及光电接收装置，用于接收原子团发出的荧光信号，以获得干涉条纹；

实验台，包括处理器和存储器，所述存储器存储有基于冷原子干涉的相位噪声测试程序，所述处理器在运行所述程序时执行所述权利要求1～9任一项所述方法中的步骤；

真空设备，包括离子泵、吸气剂以及真空阀门，用于维持冷却区、干涉区及探测区内部真空环境；

真空设备外部还设置有用于提供量子化轴的偏置磁场线圈，用于在原子干涉区形成均匀偏置磁场，提供系统的量子化轴；在偏置磁场线圈外围还设置有磁屏蔽结构，用来屏蔽地磁场对原子能级的影响。

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