CN112305899B - Cpt相位调制与解调方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种CPT相位调制与解调方法，通过相位调制器调制微波信号源的相位，产生相位调制的微波，该微波耦合到相干双色光源，产生相对相位调制的相干双色光；相位调制的相干双色光与量子共振系统相互作用，量子系统被交替地制备到两反相CPT态，此时，相干双色光表现为两反相的色散型CPT信号；透射光经由光电探测器探测并转换为电信号。该电信号经过信号处理系统，得到CPT误差信号，用于本地振荡器的锁定，实现原子钟闭环。本发明能够降低原子钟对频率综合器的频率分辨率和调制速率的要求，提升原子钟的稳定性能和抗干扰性能。

Description

CPT相位调制与解调方法及系统
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
基于相干布居囚禁(CPT)这一量子干涉效应，可实现小型化和微型化的原子钟、原子磁强计等量子精密测量仪器。
我们以被动型CPT原子钟为例来说明本发明的应用背景。目前基于连续光作用CPT(连续CPT)原子钟，为了将本地振荡器(本振)的率锁定于原子系统，进而实现原子钟，可采用边锁定和调制与解调两种方式，前者因为信噪比较差而未被普遍采用，后者因为可以减小1/f噪声、大幅增加信噪比而被广泛使用。
该调制与解调方法是通过频率的调制与解调来实现的。即对连续CPT原子钟的微波进行频率调制，调制深度为CPT共振谱线的半高宽(～50Hz)，调制速率一般大于100Hz，然后相干双色光与量子共振系统发生相互作用，透射光经由光电探测器探测并转换为电信号，通过与频率调制同步的方波信号相乘并经过低通滤波器滤除高频分量，即实现同步解调，得到误差信号，从而驾驭本振频率，实现原子钟闭环。
该方法对微波源提出了较高的要求，即需要较高的频率分辨率和调制速率。尤其在体积、功耗、重量都有严格限制的芯片CPT原子钟里，芯片钟一般采用锁相环(PLL)和压控振荡器(VCO)来产生微波，对PLL的频率分辨率提出了较高要求，以半波(3.417GHz)调制的87Rb CPT钟为例，PLL需要对频率的分辨率不低于50Hz，且调制速率大于100Hz，位数不低于20bits，锁定时间需要小于10ms。
发明内容
为了克服现有技术频率调制与解调的不足，本发明提供一种CPT相位调制与解调方法，能够降低对频率分辨率和调制速率的要求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)提供一束相干双色光；
2)对相干双色光的相对相位进行调制，其调制深度为π/2；
3)将相位调制后的相干双色光与量子共振系统相互作用，量子共振系统交替地处于两反相的色散型CPT态；
4)将与量子共振系统相互作用后的相干双色光转换为电信号，解调后获取误差信号，反馈并锁定原子钟系统的本振频率，实现原子钟闭环。
所述的步骤2)中相对相位调制在φ+0到φ+π/2之间进行切换，φ为初始的任意相位。
所述的步骤2)中相对相位调制的调制周期与量子系统的基态横向弛豫时间有相同量级。
所述的步骤2)中相对相位调制的调制周期为1～100ms。
所述的步骤4)将光电信号通过模数转换器转换为数字信号，采集一个相位调制周期内相位切换时两个窗口内的信号，各自取平均后相减得到误差信号，误差信号经由比例积分微分算法处理后转换器为模拟误差信号，反馈并锁定本振频率，实现原子钟闭环；所述的两个窗口时长分别为tw1和tw2，tw1窗口位于相位切换前的CPT态初始时刻，tw2窗口位于相位切换时刻，tw1和tw2的时长小于等于1ms。
所述的步骤4)将光电信号与相位调制同步的方波信号相乘，经过低通滤波器滤除高频分量，实现同步解调，经由比例积分微分算法处理后得到误差信号，锁定本振频率，实现原子钟闭环。
本发明获得的钟跃迁，即|mF＝0>→|m′F＝0>，mF和m′F为两基态子能级的磁量子数，其CPT误差信号应用于CPT原子钟；非钟跃迁，即|mF≠0>→|m′F≠0>，其CPT误差信号应用于原子磁强计；钟跃迁CPT误差信号和非钟跃迁CPT误差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CPT相位调制与解调装置，包括直流源、耦合器、相位调制器、微波信号源、激光器、四分之一波片、量子共振系统、探测器和信号处理器。
所述的直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四分之一波片得到圆偏振的相干双色光，相干双色光与量子共振系统发生相互作用，透射光被探测器探测，光信号转换为电信号，最后通过信号处理器，得到相位调制与解调的CPT误差信号。
所述的量子共振系统采用主动CPT或被动CPT构型。
本发明的有益效果是：
1.采用相位调制与解调，对微波源降低了要求，即不需要较高的频率分辨率和调制速率，可使用功耗更低而频率分辨率不高的PLL芯片，从而实现功耗更低的芯片原子钟。
2.通过本发明获得的色散形状的CPT信号和误差信号，相对于现有的频率调制与解调方法，其鉴频斜率得到增加，因而本发明的信噪比得到改进，提升了原子钟的稳定性；同时其锁频带宽增加，使其不容易脱锁，提升了原子钟的抗干扰性能。
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。
图4是传统的频率调制与解调方法示意图。
图5是本发明获得的典型色散型的CPT信号示意图。
图6是本发明相位调制与解调获得的典型CPT误差信号示意图；作为对比，该图还给出了相同条件下通过频率调制与解调方法获得的误差信号。
图中，1-激光器驱动直流电流源；2-耦合器；3-相位调制器；4-微波信号源；5-高调制带宽(GHz量级)激光器；6-四分之一波片(λ/4)；7-量子共振系统；8-光电探测器；9-信号处理系统。
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H、Li、Na、K、Rb、Cs等，可以是热原子、冷原子、离子、原子束等状态，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。
本发明的原理是通过相位调制器调制微波信号源的相位，产生相位调制的微波，该微波耦合到相干双色光源，产生相对相位调制的相干双色光；相位调制的相干双色光，与量子共振系统相互作用，量子系统被交替地制备到两反相CPT态，此时，相干双色光表现为两反相的色散型CPT信号；透射光经由光电探测器探测并转换为电信号。该电信号经过信号处理系统，得到CPT误差信号，用于本地振荡器的锁定，实现原子钟闭环。
本发明实施例提供的CPT相位调制与解调方法包括以下步骤：
1)提供一束相干双色光；
2)对相干双色光的相对相位进行调制，其调制深度为π/2，即在φ+0到φ+π/2之间进行切换，其中φ为初始的任意相位，调制周期约为量子系统的基态横向弛豫时间，约为毫秒量级。
3)将相位调制的相干双色光与量子共振系统相互作用，量子共振系统交替地处于两个反相的色散型CPT态；
4)与量子共振系统相互作用后的相干双色光被光电探测器探测并转换为电信号，该光电信号，可以通过数字和模拟两种方式得到误差信号：(1)数字方式。该方式将光电信号通过模数转换器(AD)，将模拟信号转换为数字信号，通过采集一个相位调制周期内相位切换时两个窗口内的信号，各自取平均后，再相减即得到误差信号，误差信号经由比例积分微分算法(PID)处理后，通过数模转换器(DA)输出模拟的误差信号，反馈并锁定本振频率，实现原子钟；(2)模拟方式。该方式将光电信号与相位调制同步的方波信号相乘，并经过低通滤波器滤除高频分量，即实现同步解调，经由模拟的比例积分微分算法(PID)处理后得到误差信号，锁定本振频率，实现原子钟。
如图2所示，本发明的实施例还提供一种CPT相位调制与解调的物理系统。
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对微波信号源4进行相位调制，可根据设计需求在
Figure BDA0002746629050000041
到
Figure BDA0002746629050000042
之间切换，其中
Figure BDA0002746629050000043
为初始的任意相位，对应于相干双色光的相对相位在φ+0到φ+π/2之间进行切换，其中φ为初始的任意相位。
相干双色光通过一个λ/4波片6，得到圆偏振的相干双色光。
相位调制的圆偏振相干双色光，与量子共振系统7发生相互作用，量子系统交替地被制备为两反相的CPT态，此时相应地，相干双色光表现为两反相的色散型的CPT信号(如图5所示)；
与量子共振系统相互作用后的相干双色光被光电探测器8探测并转换为电信号，该光电信号送入信号处理系统9，可以通过数字和模拟两种方式得到误差信号。我们以数字方式为例来说明。该方式将光电信号通过模数转换器(AD)，将模拟信号转换为数字信号，通过采集一个相位调制周期内相位切换时两个窗口内的信号(图4中tw1和tw2)，对各自窗口内多次取样并进行平均，再相减即得到误差信号，如图6中实线所示。最后误差信号经由比例积分微分算法(PID)处理后，通过数模转换器(DA)输出模拟的误差信号，反馈并锁定本振频率，实现原子钟闭环。
本发明所述的相干双色光源是产生使量子共振系统由两基态到同一激发态的CPT共振相干激励，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为νhf/n，νhf为钟跃迁频率,n＝1,2,3…。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)来实现。
本发明所述的CPT相位调制与解调方法，其相干双色光的相对相位调制，可以是方波或正弦波调制。
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，构成被动CPT。
本发明所述的量子共振系统和相干双色光组成的构型，可以是圆偏振CPT(σσCPT)、平行线偏光CPT(lin//lin CPT)、垂直线偏光CPT(lin⊥lin CPT)、推挽CPT(Push-pull CPT)、双调制CPT(DM CPT)。
本发明获得的|mF＝0>→|m′F＝0>钟跃迁误差信号可以应用于CPT原子钟，实现芯片原子钟；获得的|mF≠0>→|m′F≠0>非钟跃迁误差信号可以应用于芯片原子磁强计；该方法获得的CPT误差信号，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。

Claims (8)

1.一种CPT相位调制与解调方法，其特征在于包括以下步骤：
1)提供一束相干双色光；
2)对相干双色光的相对相位进行调制，其调制深度为π/2；
3)将相位调制后的相干双色光与量子共振系统相互作用，量子共振系统交替地处于两反相的色散型CPT态；
4)将与量子共振系统相互作用后的相干双色光转换为电信号，解调后获取误差信号，反馈并锁定原子钟系统的本振频率，实现原子钟闭环；
所述的步骤4)将光电信号通过模数转换器转换为数字信号，采集一个相位调制周期内相位切换时两个窗口内的信号，各自取平均后相减得到误差信号，实现数字的同步解调；误差信号经由比例积分微分算法处理后转换器为模拟误差信号，反馈并锁定本振频率，实现原子钟闭环；所述的两个窗口时长分别为tw1和tw2，tw1窗口位于相位切换前的CPT态初始时刻，tw2窗口位于相位切换时刻，tw1和tw2的时长小于等于1ms。
2.根据权利要求1所述的CPT相位调制与解调方法，其特征在于：所述的步骤2)中相对相位调制在φ+0到φ+π/2之间进行切换φ为初始的任意相位。
3.根据权利要求1所述的CPT相位调制与解调方法，其特征在于：所述的步骤2)中相对相位调制的调制周期与量子系统的基态横向弛豫时间有相同量级。
4.根据权利要求1所述的CPT相位调制与解调方法，其特征在于：所述的步骤2)中相对相位调制的调制周期为1～100ms。
5.根据权利要求1所述的CPT相位调制与解调方法，其特征在于：所述的步骤4)将光电信号与相位调制同步的方波信号相乘，经过低通滤波器滤除高频分量，实现模拟的同步解调；经由比例积分微分算法处理后得到误差信号，锁定本振频率，实现原子钟闭环。
6.根据权利要求1所述的CPT相位调制与解调方法，其特征在于：获得的钟跃迁，即|mF＝0>→|m′F＝0>，mF和m′F为两基态子能级的磁量子数，其CPT误差信号应用于CPT原子钟；非钟跃迁，即|mF≠0>→|m′F≠0>，其CPT误差信号应用于原子磁强计；钟跃迁CPT误差信号和非钟跃迁CPT误差信号都能够应用于原子光谱精密测量。
7.一种实现权利要求1所述方法的CPT相位调制与解调装置，包括直流源、耦合器、相位调制器、微波信号源、激光器、四分之一波片、量子共振系统、探测器和信号处理器，其特征在于：所述的直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四分之一波片得到圆偏振的相干双色光，相干双色光与量子共振系统发生相互作用，透射光被探测器探测，光信号转换为电信号，最后通过信号处理器，得到相位调制与解调的CPT误差信号。
8.根据权利要求7所述的CPT相位调制与解调装置，其特征在于：所述的量子共振系统采用主动CPT或被动CPT构型。
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