CN112304442A - 双调制cpt差分探测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种双调制CPT差分探测方法及系统，首先产生左右旋偏振和相位同步调制的相干双色光，与量子共振系统相互作用，将量子系统制备到CPT态；通过偏振和相位的差分时序设计和控制，线偏振双色光与制备到CPT态的量子系统相互作用，其左右旋偏振分量分别产生干涉相长和干涉相消的CPT，之后透射光经由偏振转换与分束器进行空间分离，分别被光电探测器探测，得到差分CPT信号。本发明探测系统结构紧凑，探测对比度高，共模噪声低。
Description
技术领域
本发明属于原子钟、原子磁强计、原子光谱等精密测量技术领域，具体涉及一种CPT差分探测技术。
背景技术
相干布居囚禁(CPT)是一种量子干涉效应。基于被动型CPT构型的原子传感器件，因其无需微波腔的特点，已经用于实现小型化甚至微型化的原子钟、原子磁强计等，是深空探索、无人机、城市与地下救援、水下潜艇和勘测等应用的理想选择，同时也是微型自主定位导航守时(μPNT)系统的核心部件。
以被动型CPT原子钟为例，目前被动型CPT原子钟(以下简称CPT钟)，通常采用单一的圆偏振双色光(譬如左旋σ+σ+)与碱金属原子相互作用来制备CPT原子态，当双色光的频差等于碱金属原子基态超精细能级分裂时，将发生量子干涉效应，原子系综被制备到CPT态，此时原子不再吸收入射光，透射光光强增加，扫描双色光的频差，即可得到CPT信号。此CPT信号作为本地振荡器的鉴频信号，将本振锁定，最终输出频率标准信号，实现原子钟。
一方面，在小型和微型CPT钟构型里，通常采用单一圆偏振双色光与原子系综相互作用，会将相当多的原子布居数抽运到|mF|＝I+1/2的Zeeman磁子能级上(极化暗态)，其中：mF为磁量子数，I为核自旋量子数。该极化暗态的存在，使得参与钟跃迁(|2S1/2，F＝I-1/2，mF＝0>→|2S1/2，F＝I+1/2，mF＝0>，简记为|mF＝0>→|m′F＝0>)的原子布居数大为减少，即原子利用率低，因而使得圆偏振双色光作用的CPT(σ+σ+-CPT)钟跃迁信号对比度仅为1～5％。这里对比度定义为C＝A/B，其中A、B分别为CPT信号的幅度与本底。根据原子钟频率稳定度的公式：
其中RIN、q、νhf分别为激光相对强度噪声、品质因子和钟跃迁频率，且品质因子q定义为：CPT信号对比度(C)与半高全宽(Δ)的比值，即q＝C/Δ，可知在线宽一定的情况下，原子钟频率稳定度反比于CPT信号对比度。因而目前CPT较低的信号对比度，成为CPT原子钟性能提升的主要限制因素，这也是目前芯片CPT钟频率稳定度限制在E-10@1s的水平主要原因。
另一方面，在当前实验室探索的高对比度CPT原子钟里面，为了获得高对比，一般都采用了较为复杂的光路构型，其系统体积、功耗、重量、复杂性都大幅度增加，牺牲了CPT原子钟的最大优点——小型化和微型化；同时由于其采用的双色光构型和探测方式存在较大的共模噪声，如激光强度(AM)噪声、激光频率通过吸收谱线转换的幅度噪声(FM-AM)、微波功率噪声等，限制了CPT钟频率稳定度的进一步提升。譬如双调制CPT构型(DM-CPT)，采用相干双色光的相对相位与偏振同步调制的方式，可获得钟跃迁最大且对比度增加到10％左右的CPT信号，尽管其有可小型化的特点，但是其探测光强幅度的方式决定了CPT信号有较大的本底，存在较大的激光AM噪声、激光FM-AM噪声、微波功率噪声等，限制了CPT原子钟频率稳定度性能的进一步提高。
发明内容
为了克服现有技术CPT共振对比度较低、共模噪声较大的不足，本发明提供一种双调制CPT差分探测方法，探测系统结构紧凑，探测对比度高，共模噪声低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双调制CPT差分探测方法，包括以下步骤：
1)提供一束相干双色光，双色光的相对相位根据要求在φ+0到φ+π之间切换，φ为初始的任意相位；
2)通过偏振方向旋转，使得相干双色光按照设定规律产生左旋圆偏振、右旋圆偏振或线偏振；
3)将按照设定时序变化的不同圆偏振且相位在φ+0到φ+π之间同步切换的相干双色光与量子共振系统相互作用，即实现双调制CPT，量子共振系统被制备到钟跃迁幅度最大的CPT态；
4)将相干双色光的偏振切换到线偏振，其构成分量左、右旋圆偏振同时与量子共振系统相互作用，与前一阶段制备的CPT态分别产生干涉增强和干涉相消的量子干涉效应；
5)将透射出量子共振系统的相干双色光进行偏振变换，即线偏振变为左旋或右旋圆偏振，将其空间分离为相互正交的线偏振双色光，通过光电转换分别得到干涉增强和干涉相消的CPT信号；
6)将干涉增强和干涉相消的CPT信号相减，得到差分CPT信号。
所述CPT的获取方式是连续激光作用或脉冲激光作用。
所述的脉冲激光作用具体是在双调制的时序之后加入一段无光时间，使量子共振系统自由演化，再加入线偏振方向的相干双色光探测脉冲与量子共振系统相互作用，经历所述的步骤4)～步骤6)，即实现差分信号的Ramsey-CPT输出。
所述的无光时间长度为量子共振系统两基态的相干时间。
本发明获得的钟跃迁差分CPT信号应用于CPT原子钟，非钟跃迁差分CPT信号应用于原子磁强计，钟跃迁差分CPT信号和非钟跃迁差分CPT信号都能够应用于原子光谱精密测量。
本发明还提供实现上述方法的一种双调制CPT差分探测装置，包括直流源、耦合器、相位调制器、微波信号源、激光器、二分之一波片、偏振调制器、四分之一波片、量子共振系统、偏振分束器和减法器。
所述的直流电流源通过耦合器为激光器供电；所述的微波信号源通过相位调制器实现相位的调制，并通过耦合器为激光器提供调制微波；激光器发出的相干双色光通过一个二分之一波片和偏振调制器，得到偏振可动态控制的相干双色光，再依次经过一个四分之一波片、量子共振系统、第二个四分之一波片、第二个二分之一波片和偏振分束器，将相干双色光空间分离，得到相互正交的线偏振双色光，通过两个光电探测器，分别探测得到干涉增强、干涉相消的CPT信号，输入减法器得到差分CPT信号。
所述的量子共振系统包含两基态到同一激发态的CPT共振能级结构，采用H、Li、Na、K、Rb、Cs、Hg+、Ca+、Yb+、Ba+或C-60粒子；粒子处于气态热原子、气态冷原子、气态原子束、离子、分子或等离子体状态。
所述的量子共振系统采用主动CPT或被动CPT。
所述的偏振分束器采用偏振分束棱镜、沃拉斯顿棱镜或Glan-Taylor棱镜，偏振分束棱镜的消光比为～103，沃拉斯顿棱镜或Glan-Taylor棱镜的消光比为～105。
本发明的有益效果是：
1.采用双调制(DM-CPT)和干涉相长、干涉相消探测技术，通过对相干双色光的相对相位和偏振方向的操控，可获得电磁感应透明(EIT)和电磁感应吸收(EIA)信号。
2.通过双调制(DM-CPT)结合差分探测技术，信号对比度提升一个量级以上。
3.通过差分探测CPT，激光强度噪声(AM)、激光频率通过吸收谱线转换的幅度噪声(FM-AM)、微波强度等共模噪声得到有效抑制。
4.结构紧凑，并可微型化。采用的偏振调制器可以用体积和功耗都极小的液晶偏振片来实现，可用于芯片CPT钟，提升其频率稳定度，实现高性能芯片原子钟。
附图说明
图1是本发明的原理示意图。
图2是本发明的装置示意图。
图3是本发明的工作时序示意图，其中双调制的调制个数仅为示意。
图4是本发明的不同时刻下的双色光偏振作用构型、原子布居数分布示意图，其中t1、t2、tlin分别为第一左旋脉冲、第一右旋脉冲、线偏振脉冲作用刚结束前的某一时刻。
图5是本发明获得的典型电磁感应透明(EIT)和电磁感应吸收(EIA)信号示意图。
图6是本发明获得的典型差分CPT信号示意图。
图中，1-激光器驱动直流电流源；2-耦合器；3-相位调制器；4-产生双色光所需要的微波信号源；5-高调制带宽(大于3.4GHz)激光器；6-二分之一波片(λ/2)；7-偏振调制器；8-四分之一波片(λ/4)；9-量子共振系统；10-四分之一波片(λ/4)；11-二分之一波片(λ/2)；12-偏振分束器；13-光电探测器一；14-光电探测器二；15-电子学减法器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
CPT是一种量子干涉效应，在原子钟方面的应用，有主动CPT和被动CPT，常用原子有Na、K、Rb、Cs等，可以是热原子、冷原子、离子、原子束等状态，原子钟的工作方式有连续激光作用和脉冲激光作用等，本发明以基于连续激光与87Rb原子相互作用的汽泡型被动CPT原子钟为例描述本发明的具体实施方式，但是本发明不局限于此，适用范围覆盖上述所有构型。
由于产生CPT需要的相干双色光，可以通过拍频锁定两激光器、外调制(如EOM、AOM等)、内调制(即直接调制激光器)等方式获得。其中内调制所用的微波频率可以是钟跃迁频率νhf或者νhf/2、νhf/3、νhf/4等。本发明以微波频率为νhf/2直接调制激光器产生的相干双色光为例来说明。
本发明的实现包括相干双色光源、相位调制器、偏振调制器、量子共振系统、偏振转换与分束器、平衡探测器、数据采集器。通过相位调制器和偏振控制器，首先产生左右旋偏振和相位同步调制的相干双色光，与量子共振系统相互作用，将量子系统制备到CPT态；紧接着通过偏振和相位的差分时序设计和控制，线偏振双色光与制备到CPT态的量子系统相互作用，其左右旋偏振分量分别产生干涉相长和干涉相消的CPT。之后透射光经由偏振转换与分束器进行空间分离，分别被两个性能相近的光电探测器(平衡探测器)探测，最终得到干涉相长的电磁感应透明(EIT)信号、干涉相消的电磁感应吸收(EIA)信号、以及差分探测的CPT信号。
本发明所述的相干双色光源是产生使量子共振系统两基态到同一激发态的CPT共振的相干激励，通过拍频锁定两激光器、外调制(如电光调制器EOM、声光调制器AOM)或内调制(即直接调制激光器)方式获得。
本发明所述的相位调制器对双色光的频差相位进行动态控制，实现对双色光的频差相位的同相或反相调制，采用移相器、直接数字频率合成器(DDS)或锁相环(PLL)。
本发明所述的偏振调制器动态控制相干双色光的偏振方向，并获得左旋圆偏振、右旋圆偏振、线偏振方向的相干双色光，该器件由液晶偏振器、电光调制器EOM实现。
本发明所述的量子共振系统包含两基态到同一激发态的CPT共振能级结构，采用氢原子(H)、碱金属(Li、Na、K、Rb、Cs)、Hg+、Ca+、Yb+、Ba+或富勒烯C-60粒子，粒子处于气态热原子、气态冷原子、气态原子束、离子、分子或等离子体状态。量子共振系统包含微波腔，构成主动CPT；或者省去微波腔，即被动CPT。
本发明所述的偏振转换与分束器将左右旋圆偏振双色光转换为正交的线偏振双色光，同时将双色光的两个正交线偏振分量进行空间分离。该部件包含四分之一波片(λ/4)、二分之一波片(λ/2)、偏振分束器，其中偏振分束器通过一般消光比(～103)的偏振分束棱镜，或高消光比(～105)的沃拉斯顿棱镜(Wollaston Prism)、Glan-Taylor棱镜来实现。
本发明获得CPT的方式是连续激光作用，即CW-CPT；或者是脉冲激光作用，来获得线宽更窄的差分CPT信号，实现Ramsey-CPT。这只需要在双调制的时序之后，加入一段无光时间(其长度一般为量子共振系统两基态的相干时间)，使量子共振系统自由演化，紧接着再加入线偏振方向的相干双色光探测脉冲，即可实现差分形式的Ramsey-CPT，获得信噪比更高、线宽更窄的CPT信号。
本发明获得的高对比度的钟跃迁|mF＝0>→|m′F＝0>差分信号可以应用于CPT原子钟，实现高性能原子钟；获得的高对比度的非钟跃迁|mF≠0>→|m′F≠0>差分信号可以应用于原子磁强计，提升其探测灵敏度；该方法获得的高信噪比CPT信号，可以实现量子共振系统的共振频率和跃迁幅度的精确标定，实现精密谱测量。
本发明提供的双调制CPT差分探测方法包括以下步骤：
1)提供一束相干双色光，双色光的相对相位根据要求在φ+0到φ+π之间切换；
2)通过偏振方向旋转，使得相干双色光按照设定规律产生左旋圆偏振、右旋圆偏振和线偏振；
3)将按照设定时序变化的不同圆偏振且相位在φ+0到φ+π之间同步切换的相干双色光与量子共振系统相互作用，即实现双调制CPT，量子共振系统被制备到钟跃迁幅度最大的CPT态；
4)在若干次交替变化的圆偏振后，量子共振系统被制备到钟跃迁幅度最大的CPT态，将相干双色光的偏振切换到线偏振，其构成分量左、右旋圆偏振同时与量子共振系统相互作用，与前一阶段制备的CPT态分别产生干涉增强和干涉相消的量子干涉效应；线偏振持续时长为10μs～10ms；
5)将透射出量子共振系统的相干双色光进行偏振变换，即线偏振变为左旋或右旋圆偏振，将其空间分离为相互正交的线偏振双色光，通过光电转换分别得到干涉增强和干涉相消的CPT信号；
6)将干涉增强和干涉相消的CPT信号相减，得到差分CPT信号。
如图2所示，本发明的实施例提供一种差分探测DM-CPT物理系统。
该系统中，驱动激光器的直流电流源1、微波信号源4通过耦合器2为激光系统5提供工作电流和调制微波，其中电流源调谐激光器输出激光的波长到合适位置，发生原子共振；激光系统5发射的多色光中，其±1级边带构成制备CPT态需要的相干双色光，而其它频率成分不与原子系统发生明显的相互作用，仅仅作为探测的本底。相位调制器3对微波号源4进行相位调制，可根据设计需求在
到
之间进行切换，对应于相干双色光的相对相位在φ+0到φ+π之间切换，其中
φ为初始的任意相位。
相干双色光通过第1个λ/2波片6和偏振调制器7，得到偏振可动态控制的相干双色光。经过第1个λ/4波片8，相干双色光的偏振可根据需要产生左旋圆偏振、右旋圆偏振或线偏振双色光。
设置两个阶段的时序，如图3所示，控制不同偏振和相位的相干双色光与量子共振系统9相互作用。
第1阶段为双调制CPT阶段，将原子系综制备到钟跃迁幅度最大的CPT态。该阶段左右旋圆偏振相干双色光交替作用，且其相对相位在φ+0到φ+π之间同步切换，经过适当的作用时间后，量子共振系统被制备到钟跃迁幅度最大的CPT态；此阶段对应图3中的τ1、τ2、τ3、τ4，其中圆偏振两次交替切换仅仅是示意；左/右旋圆偏振相干双色光持续时间在微秒至毫秒量级，可以相等(τ1＝τ2＝τ3＝τ4)，也可以不相等(τ1≠τ2≠τ3≠τ4)。
第2阶段为相干相消制备CPT并探测阶段：将相干双色光的偏振方向切换到线偏振，此阶段对应图3中的τlin，线偏振相干双色光持续时长为10μs～10ms；其构成分量左、右旋圆偏振同时与量子共振系统相互作用，与前一阶段制备的CPT态分别产生干涉增强和干涉相消的量子干涉效应。
与原子相互作用后的相干双色光，经过第2个λ/4波片10，将偏振变为第1个λ/4波片8之前的状态，接着经过第2个λ/2波片11和偏振分束器12，将透射光空间分离为相互正交的线偏振双色光。通过第1个光电探测器13和第2个光电探测器14分别探测干涉增强、干涉相消的CPT信号。最后通过电子学减法器15得到差分CPT信号。
为了消除极化暗态导致的低CPT对比度问题，本发明采用DM-CPT构型来增加钟跃迁的CPT对比度。该方法利用左右旋圆偏振双色光交替的抽运原子布居，消除了极化暗态，同时采用与偏振同步的相位调制，这里通过相位调制器3来实现，让左右旋圆偏振双色光各自制备的CPT态干涉相长，最终使得钟跃迁的CPT对比度增加。
本发明更进一步，采用差分探测，消除了CPT共振的本底，使得CPT对比度提升一个量级，同时抑制了激光强度、FM-AM、微波功率等噪声。如图3所示的本发明的工作时序，经过几个左右旋圆偏振交替的抽运周期后(图中示意了2个周期)，本发明控制入射双色光的偏振方向，立即变为线偏振双色光。因为线偏振光可分解为两个左右旋圆偏振双色光的叠加，各分量的幅度减为之前的一半。考虑到此时微波相位设置为0度，此双色光与之前已经制备到CPT态的原子相互作用，可分为如下两部分：
双色光其中的一个偏振分量，以右旋圆偏振(σ+)双色光为例，它与已制备的CPT态是干涉相长的，即后者仍是前者的暗态，不吸收光，表现为透射增强，即为电磁感应透明(EIT)。
而另一正交偏振分量——左旋圆偏振(σ―)双色光与已制备的CPT态是干涉相消的，即后者不是前者的暗态，将吸收光，表现吸收增强，即为电磁感应吸收(EIA)。
在量子共振系统之后，由于本发明采用了第2个λ/4波片10，将两部分光，即左右旋圆偏振转换成相互正交的线偏振双色光后，通过第2个λ/2波片11和偏振分束器12，进行空间分离并分别探测。其中第1个光电探测器13和第2个光电探测器14分别探测EIT和EIA形式的CPT信号。通过减法器15对两个光电信号进行相减，最终得到差分的CPT信号。该差分CPT信号可作为原子钟的鉴频曲线，锁定本振，输出原子频率标准。
Claims (9)
1.一种双调制CPT差分探测方法，其特征在于包括以下步骤：
1)提供一束相干双色光，双色光的相对相位根据要求在φ+0到φ+π之间切换，φ为初始的任意相位；
2)通过偏振方向旋转，使得相干双色光按照设定规律产生左旋圆偏振、右旋圆偏振或线偏振；
3)将按照设定时序变化的不同圆偏振且相位在φ+0到φ+π之间同步切换的相干双色光与量子共振系统相互作用，即实现双调制CPT，量子共振系统被制备到钟跃迁幅度最大的CPT态；
4)将相干双色光的偏振切换到线偏振，其构成分量左、右旋圆偏振同时与量子共振系统相互作用，与前一阶段制备的CPT态分别产生干涉增强和干涉相消的量子干涉效应；
5)将透射出量子共振系统的相干双色光进行偏振变换，即线偏振变为左旋或右旋圆偏振，将其空间分离为相互正交的线偏振双色光，通过光电转换分别得到干涉增强和干涉相消的CPT信号；
6)将干涉增强和干涉相消的CPT信号相减，得到差分CPT信号。
2.根据权利要求1所述的双调制CPT差分探测方法，其特征在于：所述CPT的获取方式是连续激光作用或脉冲激光作用。
3.根据权利要求1所述的双调制CPT差分探测方法，其特征在于：所述的脉冲激光作用具体是在双调制的时序之后加入一段无光时间，使量子共振系统自由演化，再加入线偏振方向的相干双色光探测脉冲与量子共振系统相互作用，经历所述的步骤4)～步骤6)，即实现差分信号的Ramsey-CPT输出。
4.根据权利要求1所述的双调制CPT差分探测方法，其特征在于：所述的无光时间长度为量子共振系统两基态的相干时间。
5.根据权利要求1所述的双调制CPT差分探测方法，其特征在于：获得的钟跃迁差分CPT信号应用于CPT原子钟，非钟跃迁差分CPT信号应用于原子磁强计，钟跃迁差分CPT信号和非钟跃迁差分CPT信号都能够应用于原子光谱精密测量。
6.一种实现权利要求1所述方法的双调制CPT差分探测装置，包括直流源、耦合器、相位调制器、微波信号源、激光器、二分之一波片、偏振调制器、四分之一波片、量子共振系统、偏振分束器和减法器，其特征在于：所述的直流电流源通过耦合器为激光器供电；所述的微波信号源通过相位调制器实现相位的调制，并通过耦合器为激光器提供调制微波；激光器发出的相干双色光通过一个二分之一波片和偏振调制器，得到偏振可动态控制的相干双色光，再依次经过一个四分之一波片、量子共振系统、第二个四分之一波片、第二个二分之一波片和偏振分束器，将相干双色光空间分离，得到相互正交的线偏振双色光，通过两个光电探测器，分别探测得到干涉增强、干涉相消的CPT信号，输入减法器得到差分CPT信号。
7.根据权利要求6所述的双调制CPT差分探测装置，其特征在于：所述的量子共振系统包含两基态到同一激发态的CPT共振能级结构，采用H、Li、Na、K、Rb、Cs、Hg+、Ca+、Yb+、Ba+或C-60粒子；粒子处于气态热原子、气态冷原子、气态原子束、离子、分子或等离子体状态。
8.根据权利要求6所述的双调制CPT差分探测装置，其特征在于：所述的量子共振系统采用主动CPT或被动CPT。
9.根据权利要求6所述的双调制CPT差分探测装置，其特征在于：所述的偏振分束器采用偏振分束棱镜、沃拉斯顿棱镜或Glan-Taylor棱镜，偏振分束棱镜的消光比为～103，沃拉斯顿棱镜或Glan-Taylor棱镜的消光比为～105。
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