專利名稱：利用相干群體俘獲調(diào)制原子鐘信號的方法以及相應(yīng)的原子鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
從現(xiàn)有技術(shù)已知帶有相干群體俘獲的原子鐘，它們稱為CPT(coherent population trapping，“相干群體俘獲”)鐘。
通常如圖1a中所示，原子鐘使用互作用介質(zhì)，互作用介質(zhì)一般是通過本機振蕩器LO和合成器S產(chǎn)生的無線電信號激勵的銫或銣原子形成的并且分別對銣和銫是通過6.8GHz和9.2GHz的微波信號形成。在圖1b示出的兩個能級e和f之間激勵互作用介質(zhì)的原子。如果互作用是連續(xù)的，激勵模式稱為Rabi詢問模式，而如果詢問基于由死時間隔開的兩次短互作用，則稱為Ramsey模式。
互作用得到的響應(yīng)信號具有和激勵信號的共振相對應(yīng)的振幅?？梢酝ㄟ^光吸收、磁選擇、熒光或磁檢測來檢測響應(yīng)信號。
根據(jù)響應(yīng)信號自動控制本機振蕩器的系統(tǒng)在該振蕩器的輸出端提供周期信號Su，Su的精度和頻率穩(wěn)定性和共振頻率e→f不相上下。
回到上面說明的自動控制總原理，CPT鐘還使用一種由兩個激光波照射的互作用介質(zhì)并實現(xiàn)連續(xù)詢問模式。
在一種現(xiàn)有實施方式中，該由鈉構(gòu)成的互作用介質(zhì)空間上按30cm的距離隔成兩個不同的互作用區(qū)。
這些激光束能產(chǎn)生1.772MHz下的Raman躍遷共振，由于這些互作用區(qū)中產(chǎn)生的互作用Ramsey條紋圖案的中央條紋的寬度為650Hz。
對于這種類型的原子鐘的更詳細說明可以有用地參照論文“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 Volume48，Number13，29March1982)。
通常，CRT型原子鐘利用兩個相位相干激光波在連續(xù)模式下進行詢問。每個激光波利用原子2→e和2→f的光躍遷是近共振的并且兩個波的頻率之間的差接近原子基準頻率f→e。如果f→e對應(yīng)于共振，在對應(yīng)于黑狀態(tài)的狀態(tài)f和e的相干疊加情況下俘獲互作用介質(zhì)的原子?？捎^察到激光波吸收的振幅的下降和熒光信號振幅上的下降。原子狀態(tài)的相干疊加還和一種磁化關(guān)聯(lián)，該磁化在微波域中產(chǎn)生在躍遷頻率e→f下振蕩的電磁波。
共振時熒光的吸收或發(fā)射最小并且電磁波場在最大振幅下發(fā)射。原子鐘信號對應(yīng)于通過吸收、熒光或微波檢測到的信號振幅上的變化，該變化是激光波頻率上的差值的函數(shù)。
在所有目前已知類型的CPT原子鐘中，互作用介質(zhì)的詢問是連續(xù)的，激光波連續(xù)地和互作用介質(zhì)的原子交互作用。
但是，在上述類型的原子鐘中，由于互作用介質(zhì)的原子的光飽和，激光波過密照射互作用介質(zhì)造成結(jié)果的共振線變寬。
該缺點損害原子鐘信號的頻率穩(wěn)定性。
為此，目前的CPT原子鐘試圖僅僅通過減小所使用的激光束對互作用介質(zhì)的照射強度來解決上述技術(shù)問題。
這種類型的措施不解決上述技術(shù)問題，因為它實際上使從交互作用得到的低振幅的原子鐘信號變得更難以檢測。
上述低振幅原子鐘信號是在受損害的信噪比條件下檢測的，這再次損害原子鐘的頻率穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是補救原子鐘，尤其CPT鐘等的互作用介質(zhì)的光飽和技術(shù)問題，同時保持不受損的信噪比條件。
本發(fā)明還尋求通過對當前CPT原子鐘中經(jīng)互作用媒介的詢問產(chǎn)生的響應(yīng)信號的特殊處理，提高Ramsey模式中的干涉條紋的對比度并且減小振幅上的慢變化或原子鐘信號的漂移，這些慢變化或漂移尤其是因為操作參數(shù)例如詢問互作用介質(zhì)的激光器的頻率和振幅上不可避免的波動造成的。
最后，本發(fā)明還涉及實現(xiàn)一種生成CPT鐘信號的方法和對應(yīng)的CPT鐘，以使這種類型的鐘從鐘的工業(yè)生產(chǎn)角度是小型化的，其中互作用得的體積不超過幾個mm3。
依據(jù)本發(fā)明的利用相干群體俘獲生成原子鐘信號的方法使用第一和第二相位相干激光波，每個波實質(zhì)上和一種互作用介質(zhì)的原子的光躍遷共振。和原子的相干群體俘獲對應(yīng)的原子狀態(tài)的相干疊加提供一種響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號具有共振極值振幅并表示對應(yīng)于作為第一和第二相位相干激光波頻率上的差值的函數(shù)檢測到的信號振幅上的變化的原子鐘信號。
該方法特別在于，它至少利用幾個相繼的脈沖通過高強度和低強度之間確定的形狀因子同步地調(diào)制第一和第二激光波的強度，當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號取決于該當前脈沖之前的至少一個脈沖期間產(chǎn)生的原子狀態(tài)并且取決于隔離這些脈沖的低強度期間原子狀態(tài)的演變。
檢測響應(yīng)信號并且通過線性組合使當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號和該當前脈沖之前的至少一個脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號疊加，以產(chǎn)生譜寬為最小的合成補償原子鐘信號。
依據(jù)本發(fā)明的帶有脈沖式詢問的原子鐘包括至少一個用來產(chǎn)生第一和第二相位相關(guān)激光束的光詢問模塊，每個激光束基本上和互作用介質(zhì)的原子的光躍遷共振；一個含有該互作用介質(zhì)、在該第一和第二相位相關(guān)激光束照射下操作的互作用室，以產(chǎn)生具有共振極值振幅的并且對應(yīng)于信號振幅上的變化的響應(yīng)信號，其中該振幅變化是作為第一和第二相位相關(guān)激光束的頻率上的差值的函數(shù)檢測的；以及一個用于檢測該響應(yīng)信號、和該響應(yīng)信號的波長和振幅適配的模塊。
該方法特別在于，它還包括一個用于在高、低強度之間脈沖調(diào)制第一和第二激光束的強度的單元。該調(diào)制單元位于第一和第二激光束的路徑上并位于互作用室的上游，以同步地產(chǎn)生第一和第二脈沖式激光束。第一或第二激光束分別和該互作用介質(zhì)之間的相互作用基本上限制在每個對應(yīng)于高強度級的相繼脈沖的持續(xù)期間，并且當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號取決于該當前脈沖之前至少一個脈沖期間產(chǎn)生的原子狀態(tài)并且取決于隔開這些脈沖的低強度級期間該原子狀態(tài)的演變。
該檢測模塊還包括通過線性組合相加該當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號和該當前脈沖之前的至少一個脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號的模塊。該通過線性組合進行相加的模塊產(chǎn)生譜寬為最小的合成補償原子鐘信號。
依據(jù)本發(fā)明的帶有相干群體俘獲的方法和原子鐘用于工業(yè)實現(xiàn)總尺寸非常小的從而尤其可用于空間應(yīng)用的機載時間保持或頻率基準裝置。


通過閱讀說明書并且通過參照附圖會幫助更好地理解該方法和該鐘，除了圖1a和1b涉及現(xiàn)有技術(shù)外附圖中圖2a僅作為例子示出實現(xiàn)依據(jù)本發(fā)明的方法的基本步驟的流程圖；圖2b僅作為例子示出依據(jù)本發(fā)明的方法的一種應(yīng)用于單個激光波和激勵互作用介質(zhì)的射頻信號的變型的基本步驟的流程圖；圖2c僅作為例子示出1)可以用來實現(xiàn)依據(jù)圖2a或2b所說明的方法的脈沖式激光束脈沖信號的時序圖，以及2)檢測互作用元件的輸出后得到的響應(yīng)信號的時序圖；圖3僅作為例子示出依據(jù)本發(fā)明的主題的CPT型或其它類型的原子鐘的功能圖，該鐘能實現(xiàn)連同圖2a、2b和2c說明的方法；圖4a作為例子在一優(yōu)選的非限制性實施例中示出用于處理檢測后的響應(yīng)信號的模塊的詳圖，該處理響應(yīng)信號的模塊尤其適于進行專用數(shù)字處理；圖4b作為例子示出在連續(xù)的響應(yīng)信號脈沖的采樣值上(更具體地在當前脈沖和該當前脈沖之前的至少一個脈沖上)進行操作的時序圖，在上述采樣值上進行的這些操作尤其能在完成這些操作后明顯改變譜純度以及所得到的合成補償原子鐘信號的對比度；以及圖4c作為例子示出在對當前脈沖和該當前脈沖之前的至少一個脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號施加線性組合疊加后在圖3中示出的專用處理模塊的輸出上得到的與兩個激光束之間的頻率差的無對應(yīng)的Raman無對應(yīng)振幅/頻率圖以及Ramsey條紋圖案。
具體實施例方式
現(xiàn)參照圖2a、2b和2c說明依據(jù)本發(fā)明的利用相干群體俘獲生成原子鐘信號的方法。
總體上應(yīng)注意根據(jù)CPT原子鐘操作模式的原則，依據(jù)本發(fā)明的方法是在相位相關(guān)第一激光波L1和第二激光波L2的基礎(chǔ)上進行的。
參照圖1b，上述每個激光波基本上和互作用介質(zhì)原子的光躍遷共振，激光波L1和L2一般認為在真空或空氣中按頻率f1和f2以及它們對應(yīng)的波長下發(fā)射，上述激光波的頻率差用Δf12表示。激光波L1和L2最好在正交方式下環(huán)形地或直線地極化。
和圖1b中所示的原子的相干群體俘獲對應(yīng)的原子狀態(tài)的相干疊加產(chǎn)生微波域中的響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號具有共振極值振幅并代表和該響應(yīng)信號的振幅上的變化相對應(yīng)的原子鐘信號，其中該振幅上的變化是作為相位相關(guān)第一和第二激光波L1和L2的頻率差值Δf12的函數(shù)檢測的。
尤其應(yīng)理解，第一和第二波與該互作用介質(zhì)的交互作用模式物理上對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)已知的連續(xù)互作用模式。
但是并且尤其根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的方法的特別方面，所述方法包括至少在步驟A中利用相繼的脈沖通過由高、低強度級確定的形狀因子同步地調(diào)制第一和第二激光波L1、L2的強度。
圖2a示出在步驟A中通過連續(xù)脈沖同步地調(diào)制激光波L1和L2，這些連續(xù)脈沖相對于增加的時標t具有序號(rank)r，r-1，...，r-p。
常規(guī)地，認為當前脈沖具有序號r，緊靠著該當前脈沖的前一個脈沖的序號為r-1，并且前面的相繼脈沖具有相繼的直至r-p的居先的序號。
還應(yīng)理解在相同的光徑上疊加激光波L1和L2，這明顯地在后面的說明中予以解釋的條件下使它們得到相干的和同相的調(diào)制激光波脈沖。
從而應(yīng)理解第一或第二激光波L1、L2(尤其在脈沖形式下)分別和互作用介質(zhì)之間的交互作用基本限制在和高能量級對應(yīng)的每個相繼脈沖Sr、Sr-1至Sr-p的持續(xù)時間之內(nèi)。
這樣，當前脈沖，即上述序號為r的脈沖，期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號取決于該當前脈沖之前的至少一個脈沖，即前面的序號為r-1至r-p的脈沖，期間產(chǎn)生的原子狀態(tài)，并且取決于該原子狀態(tài)在隔開上述脈沖的低能量級期間的演變。
在通過連續(xù)脈沖調(diào)制第一和第二激光波L1、L2的強度并且當然在用這樣產(chǎn)生的激光波脈沖照射互作用介質(zhì)之后，依據(jù)本發(fā)明的方法尤其特別地包括在步驟B中進行檢測，以及在步驟C中通過線性組合疊加該當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號，用Sr標記的并且具有與該照射脈沖相對應(yīng)的序號r的響應(yīng)信號，和該當前脈沖之前至少一個脈沖產(chǎn)生的響應(yīng)信號，以產(chǎn)生譜寬為最小的合成補償原子鐘信號。
在圖2a里，檢測操作在步驟B中示出，所述響應(yīng)信號由序號為r的對應(yīng)響應(yīng)信號Sr以及先前的相繼響應(yīng)信號Sr-1至Sr-p構(gòu)成。
在圖2a的步驟C中表示通過線性組合的疊加操作并由下面的線性組合公式給出SHC=Σk=r-pk=rCk×Sk]]>在上面的公式中，注意SHC代表通過上述線性組合得到的合成補償原子鐘信號，Ck代表施加在每個相繼響應(yīng)信號脈沖Sk上的正和/或負加權(quán)系數(shù)。
常規(guī)地并且如后面參照依據(jù)本發(fā)明的主題的CPT原子鐘更詳細地說明那樣，為了修正和補償最后得到的原子鐘信號，對于序號k＝r的當前脈沖可把其加權(quán)系數(shù)Ck取為等于1，從而例如對該當前脈沖之前的脈沖的各加權(quán)系數(shù)相繼取成等于不同的負值。可以實驗地確定線性組合相加的最后的序號k＝r或者該序號可以取成參數(shù)。
實現(xiàn)依據(jù)本發(fā)明的方法不受兩個激光波L1和L2的調(diào)制以及CPT交互作用的限制。
按照依據(jù)本發(fā)明的方法的一種特別有益的實施例，如圖2b中說明那樣，所述方法還包括用射頻信號MW代替激勵互作用介質(zhì)的激光波之一，在圖2b中替代激光波L2，該射頻信號的頻率大致等于該互作用介質(zhì)原子的e→f的躍遷頻率。
如圖2b的步驟A中說明那樣，在該變型中該依據(jù)本發(fā)明的方法包括通過連續(xù)脈沖調(diào)制保留的激光波L1或者調(diào)制該保留的激光波L1以及射頻信號MW。
參照圖2c，注意利用脈沖串進行對激光波L1和L2或射頻信號MW的脈沖調(diào)制是有益的，調(diào)制脈沖的頻率在0.2Hz和104Hz之間。
參照上述圖2c和時間軸t，對于給定的脈沖串，每個脈沖的高能量級的持續(xù)時間為h而低能量級的持續(xù)時間為b。
在這些條件下，圖2c的點1處示出的調(diào)制激光波脈沖的頻率范圍以及具有相繼的序號r、r-1、r-p的響應(yīng)信號的頻率范圍在不同的h和b的值下是由值1/h+b給出的，并且值h/h+b定義的形狀因子在10-6和10-1之間。
應(yīng)清楚地理解，可以通過準確地具有圖2c的點1處示出的上述時間和/或頻率特性的電子控制信號得到在點1處示出的調(diào)制激光波脈沖I。
關(guān)于把序號為r的當前脈沖和該當前脈沖之前的脈沖隔開的或者把調(diào)制脈沖串中任何序號為r-1到r-p的先前脈沖隔開的時間間隔b的選擇，注意該間隔b短于兩個時鐘級之間存在的超精細相干的生存期。
關(guān)于圖1b，應(yīng)注意所涉及的時鐘級為級e和f，這確定了合成的原子鐘信號的頻率，并且該生存期基本取決于相關(guān)的互作用介質(zhì)。
依據(jù)本發(fā)明的方法的特別方面之一尤其在于，可以在包括包含在元件中的熱原子群體或者冷的尤其激光冷卻原子組成的群體的互作用介質(zhì)的基礎(chǔ)上進行所述方法。
在這二種情況下，詢問過程有益地包括帶有至少兩個脈沖的Ransey詢問模式。
就實現(xiàn)上述互作用介質(zhì)的方法而言，注意在蒸氣或噴氣形式下傳送熱原子。通過使熱原子和正確地與這些原子的光躍遷匹配的激光波交互作用得到激光冷卻原子。激光波引入的輻射壓力會快速地減小原子的動能。從而在300K的溫度下得到具有約為1cm/s(對應(yīng)于10-6K的溫度)的非常低的漂移速度的冷卻原子的樣本，該漂移速度遠比熱原子的大約每秒幾百米的速度低。
不詳細說明允許一個或兩個脈沖調(diào)制激光束交互作用的原子激光冷卻元件的實施例，這種實施例在現(xiàn)有技術(shù)上是已知的?？梢杂杏玫貐⒄瞻碈NRS署名在2730845編號下公布的法國專利申請。
在冷卻過程中，注意原子的動能或者原子動能上的變化和從300K的初始值到10-6K的溫度下降成比例，其比例系數(shù)取決于波耳茲曼常數(shù)。
用來檢測響應(yīng)信號尤其是連續(xù)響應(yīng)信號脈沖Sr至Sr-p的過程最好從包括作為詢問信號的頻率的函數(shù)的光吸收、光熒光和微波檢測的檢測進程組中選擇。
盡管如上面的說明提出那樣，詢問模式最好是帶有至少兩個脈沖的Ramsey詢問模式，應(yīng)理解可以根據(jù)選定的互作用介質(zhì)的性質(zhì)在各種情況下進行依據(jù)本發(fā)明的方法。從而該檢測過程是作為上述詢問信號的頻率通過光吸收、光熒光和微波檢測的檢測過程。
下面的表通過指出用來執(zhí)行本方法的原子源、詢問過程或模式以及檢測相應(yīng)時鐘信號的過程來確定能實現(xiàn)依據(jù)本發(fā)明的方法的原子鐘類型。

參照上述表中時應(yīng)注意CPT型原子鐘能實現(xiàn)依據(jù)圖2a的本發(fā)明方法，而光泵激元件中的銣型原子鐘能實現(xiàn)依據(jù)圖2b的本發(fā)明方法。
現(xiàn)參照圖3以及后面的附圖更詳細地說明依據(jù)本發(fā)明的主題的帶有脈沖式詢問的原子鐘。
通常，應(yīng)注意依據(jù)本發(fā)明的主題的帶有脈沖式詢問的原子鐘的體系結(jié)構(gòu)對應(yīng)圖3中示出的體系結(jié)構(gòu)。
具體地，這種類型的鐘包括光部分SO中的光詢問模塊1，以產(chǎn)生第一和第二相位相干激光束L1、L2。如前面敘述那樣，每個上述激光束實質(zhì)上和互作用介質(zhì)原子的光躍遷共振。
該帶有脈沖式詢問的原子鐘還包括由上述互作用介質(zhì)構(gòu)成的互作用室3。
注意互作用室3可常規(guī)地由一個對激光束L1、L2透明的機殼構(gòu)成，并且當然可以由產(chǎn)生交互介質(zhì)即熱和/或激光冷卻原子的任何器件構(gòu)成。
詢問模塊1產(chǎn)生兩個激光束L1和L2，它們的頻率差等于共振頻率，例如對于銫為9.2GHz和對于銣為6.8GHz的微波頻率。
在銫的情況下，激光二極管的頻率約為用于線D2的852nm和用于線D1的894nm。
上述激光線可用于上面的說明中所描述的CPT交互作用。
由于激勵狀態(tài)下超精細間距更大，線D1的躍遷看起來是更有利的，因為這減小對相鄰躍遷泄漏造成的原子損失并且減小光的位移。
也能使用線D2位于780nm和線D1位于795nm的銣原子，可以方便地利用市場上可買到的激光二極管達到對應(yīng)的頻率f2和f1。
可以利用各種過程產(chǎn)生兩個輻射即激光束L1和L2，它們誘發(fā)對互作用介質(zhì)原子的群體相關(guān)俘獲。激光束L1和L2之間的頻率差等于鐘的頻率，即原子鐘信號的頻率。為了防止對干涉現(xiàn)象的任何破壞，激光束L1和L2的相位間的相位差必須展現(xiàn)盡可能小的波動。這些激光束所需的發(fā)射功率約為1毫瓦。
在一特定實施例中，注意可以從單個激光源產(chǎn)生詢問光，對該光源施加邊帶調(diào)制類型的幾GHz下的調(diào)頻，邊帶之間的距離對應(yīng)于鐘的頻率。上述帶有相位相干的二條線和這樣得到的調(diào)制信號一樣好。
接著在常規(guī)方式下物理疊加二條線或激光束L1和L2，從而在把它們施加到互作用介質(zhì)上之前它們遵循相同的光徑并且受到相同的連續(xù)相位移位。
至于要實現(xiàn)依據(jù)圖2b中示出的變型的本發(fā)明的方法，注意在常規(guī)方式下對互作用室3施加射頻信號MW，MW可以和或不和脈沖調(diào)制的保持激光波L1同步調(diào)制。
注意可以從耐熱玻璃或石英室產(chǎn)生互作用元件3。
另外，為了消除由進入Lamb-Dicke狀態(tài)通過多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的線的加寬，可以添加緩沖氣體。嚴格監(jiān)視磁和熱環(huán)境以防止會影響所形成的原子鐘的精度和長期穩(wěn)定性的頻率移置上的任何變化。
帶有脈沖式詢問的原子鐘還在檢測部分SD中包括檢測響應(yīng)信號的模塊4，響應(yīng)信號是按激光束L1和L2照射互作用媒體后室3的互作用介質(zhì)發(fā)出的信號定義的。為了發(fā)出響應(yīng)信號的電子版本，檢測模塊4明顯地適應(yīng)響應(yīng)信號的波長和振幅。
更具體地，檢測響應(yīng)信號的模塊可以包括實現(xiàn)上面的表中說明的檢測過程的模塊。
根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的帶有脈沖式詢問的原子鐘的一個尤其特別的方面，所述鐘包括用于在高、低強度級之間脈沖調(diào)制第一和第二激光束L1和L2的強度的模塊2。
明顯地，如圖3中所示，調(diào)制模塊2在光部分SO中定位在第一和第二激光束的處于互作用元件3的上游的路徑上，以便根據(jù)圖2a同步產(chǎn)生能照射室3中含有的互作用介質(zhì)的第一和第二脈沖式激光束，或者根據(jù)圖2b產(chǎn)生調(diào)制的保留的激光波L1和調(diào)制的或非調(diào)制的射頻信號MW。
由于脈沖式的第一和第二激光束或射頻信號對上述互作用介質(zhì)的照射，上述激光束和互作用介質(zhì)之間的交互作用基本上限制在每個對應(yīng)于高強度級的相繼脈沖的持續(xù)時間內(nèi)。
從而，在例如序號為r的當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號取決于該當前脈沖之前至少一個脈沖，即前面的說明中提到的序號r-1至r-p的脈沖，期間產(chǎn)生的原子狀態(tài)，并且當然取決于原子狀態(tài)在隔開這些脈沖的低強度級期間的演變。
另外，如圖3中所示，用于檢測響應(yīng)信號的模塊4后面可以跟隨有處理模塊5，處理模塊5接收響應(yīng)信號的電子版本并且通過當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號和該當前脈沖之前的至少一個脈沖期間即先前的相繼脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號的線性組合進行相加處理。這樣通過線性組合進行處理的模塊S產(chǎn)生其頻寬為最小的合成補償原子鐘信號并且建立能控制本機振蕩器6的頻率的校正信號Sc。
在圖3中，處理模塊5實際上把校正信號Sc發(fā)送到安裝在模擬部分SA中的并例如包括本機振蕩器LO和合成器S的模塊6，模塊6一方面發(fā)出供外部用戶作為頻率基準使用的頻控周期信號Su并且另一方面發(fā)出控制光詢問模塊1的信號Sco。
該控制信號Sco例如可以包括能控制前面的說明中所提到的邊帶調(diào)制過程的頻率基準，以便例如從單個激光源得到兩個激光束L1和L2。注意上述控制信號Sco還能把該單個激光源和/或激光束L1和L2的波長和/或頻率控制在選定的值上，并且還能控制射頻信號MW的生成。
該控制過程的實施例不詳細說明，因為它對應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)已知的明顯地，并如圖3中示出那樣，依據(jù)本發(fā)明的帶有脈沖式詢問的原子鐘裝備著控制單元7，它可以包括通過總線鏈路和所有模塊例如脈沖調(diào)制模塊2、檢測響應(yīng)信號的模塊4、當然還有處理模塊5和充當本地振蕩器LO和/或合成器S的模塊6連接的微計算機。
可以理解，控制模塊7尤其能使上述所有模塊同步并且還能控制例如通過控制單元7制作的電子控制信號產(chǎn)生的調(diào)制脈沖串，用于控制調(diào)制模塊2。
注意用來對第一和第二激光束L1、L2的強度進行脈沖調(diào)制的模塊2可以包括聲光調(diào)制器、電光調(diào)制器或者任何其它調(diào)制光信號的強度的構(gòu)件，其響應(yīng)時間足夠簡短以提供這種調(diào)制。若需要，設(shè)置射頻調(diào)制器以便調(diào)制射頻信號MW。
更具體地，注意低強度級對應(yīng)于每個激光束的或者射頻信號的基本為零的強度，它們完全由上述調(diào)制模塊2吸收。
現(xiàn)參照圖4a和4b更詳細地說明處理模塊5通過響應(yīng)信號的線性組合的相加。
應(yīng)理解，通常上述處理模塊5接收檢測模塊4發(fā)出的電子信號形式的響應(yīng)信號。
為了處理接收到的連續(xù)脈沖，處理模塊5如圖4a中所示可以有益地包括一個對當前脈沖和該當前脈沖之前的至少一個脈沖交互作用期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號進行采樣的模塊50，上述采樣模塊50和對用于調(diào)制激光束L1和L2的模塊2的控制同步地觸發(fā)。
采樣模塊50后面最好跟隨有用于存儲在上述每個脈沖交互作用期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號的采樣值的模塊51。
最后，存儲模塊51可以跟隨有能計算存儲的采樣值的線性組合的模塊52，從而可以產(chǎn)生前面的說明中提到的補償原子鐘信號SHC。根據(jù)該信號，例如通過積分器形成的模塊53向例如由本機振蕩器LO和合成器S組成的模塊6發(fā)出校正信號Sc。
合成器S能產(chǎn)生其頻率接近躍遷e→f的共振頻率的微波信號。
最后，控制單元7可有益地包括含有控制該組件的程序的工作站或微計算機，從而同步調(diào)制模塊2、檢測響應(yīng)信號的模塊4、前面針對圖4a說明的處理模塊5以及當然還有包括前面說明的本機振蕩器和合成器的模塊6。
具體地，在一非限制性實施例中，注意到可以有益地把控制單元7編程成利用控制軟件包在預(yù)定的時刻讀取存儲模塊51中存儲的采樣值。
具體地，在這些條件下，控制單元7可以包含一個用來分類這些存儲的采樣值的程序，以便為每個脈沖Sr至Sr-p確定用于前述連續(xù)脈沖的每一個的采樣值的最大和/或最小值。
這樣，在依據(jù)本發(fā)明的原子鐘的一非限制性實施例中，注意如圖4b中的點2處所示處理過程可有益地對于序號為r的當前脈沖Sr確定該脈沖的具有最大值的采樣值，該最大值用Mr表示，接著對前面序號為r-1至r-p的相繼脈沖確定每個所述脈沖中對應(yīng)的采樣值組里的最小值。
由此，用mr-1表示該當前脈沖的前一個脈沖的對應(yīng)最小值(該前一個脈沖的序號為r-1)，接著對前面的序號r-2至r-p的脈沖用相繼的值mr-2至mr-p表示對應(yīng)的最小值。
根據(jù)依據(jù)本發(fā)明的帶有脈沖式詢問的原子鐘的一優(yōu)選的非限制性實施例，注意樣本值的線性組合可以接著在于加上序號為r的當前脈沖的采樣值中的最大值并減去圖4b中示出前面的序號為r-1至r-p的脈沖中的相繼最小值或它們的均值。
應(yīng)理解該分類程序可以接著相對于每個脈沖的原點進行分類處理，這些原點相繼地用Or，Or-1，Or-p表示。
這樣，由于通過圖3、4a和4b示出的處理模塊5完成的處理過程，應(yīng)具體地理解序號為r的當前脈沖的最大值Mr提供檢測到的響應(yīng)信號的最大振幅值，而減去代表各自局部最小值的相繼采樣值能扣除表示室3中含有的互作用介質(zhì)引入的偏移和擾動的采樣值，以便得到因此頻寬最小的補償原子鐘信號，并且由于消除了表示系統(tǒng)整體的偏移的連續(xù)或慢變化的分量該信號的對比度明顯改善。
明顯地并且為了提高處理展寬和在處理模塊5的數(shù)字部分中實時地得到響應(yīng)，可以用為此目的編程的專用信號處理器替代模塊51、52和53。
下面參照圖4C提供由于實現(xiàn)依據(jù)本發(fā)明的主題的帶有脈沖式詢問的方法和原子鐘所得到的結(jié)果的理論和試驗證明。
取CPT型帶有熱原子的原子鐘，其中互作用介質(zhì)免除緩沖氣體，從時鐘信號得到的振蕩線的寬度(相對于振蕩峰值處最大振幅3分貝的寬度)對于約幾GHz的中央頻率約為幾KHz。這樣的線寬對于把這種類型的原子鐘用作為基準鐘過寬。這可以通過沒有緩沖氣體的事實加以解釋，互作用介質(zhì)的原子受到過快的漂移位移，這加寬多普勒效應(yīng)造成的共振現(xiàn)象并且限制躍遷時間，而且最終限制這樣形成的無線電共振器的品質(zhì)。
如果，另一方面，在相同類型的鐘中使用緩沖氣體并達到Lamb-Dicke狀態(tài)，則原子鐘信號的線寬主要由基本狀態(tài)中的相干的松弛以及激光飽和引起的加寬限制。迄今已達到約100Hz的線寬。利用上述鐘信號的光或微波檢測，在1秒鐘的積分后已經(jīng)測到用戶信號Su的頻率的約為5到15的10-12的短期穩(wěn)定性。長期穩(wěn)定性基本上由與緩沖氣體的碰撞引起的頻率波動限制。和Raman無對應(yīng)相關(guān)的相應(yīng)頻率移置直接和緩沖氣體的壓力關(guān)聯(lián)，而該壓力部分地是交互介質(zhì)并且從而該元件的溫度的函數(shù)。
這種類型的鐘中的共振信號和鐘信號的線寬ΔfCPT具有式(1)給出的值。
ΔfCPT＝ΔfTT+Δfcollision+ΔfDoppler+Δfsaturation(1)該式中—ΔfTT描述互作用介質(zhì)原子穿過激光束躍遷時間有限造成的加寬。
對于連續(xù)詢問，ΔfTT按1/T變化，其中T代表原子和激光波之間的交互作用時間。
對于遵照依據(jù)本發(fā)明的帶有脈沖詢問的方法和鐘的實施例的脈沖式詢問，ΔfTT按1/2b變化，其中b代表脈沖串的兩個相繼脈沖之間的死時間。
—Δfcollision是因原子間的碰撞減弱相干引起的線加寬；—ΔfCoppler是一階多普勒效應(yīng)引起的加寬；—Δfsaturation是由和照射互作用介質(zhì)的激光束的實際強度關(guān)聯(lián)的飽和加寬。
對于CPT原子鐘，當交互介質(zhì)包括流式熱原子時—由于存在緩沖氣體可忽略ΔfDoppler和ΔfTT；—可以通過調(diào)整激光功能減小Δfsaturation，盡管這損害信噪比，如前面緒言部分中對帶有連續(xù)詢問的現(xiàn)有技術(shù)器件的說明中提到那樣；—Δfcollision是形成所得到的原子鐘信號的線加寬的主要來源。
圖4C示出依據(jù)本發(fā)明的使用帶有脈沖式詢問的方法的實施例，其中互作用介質(zhì)在存在著用氮形成的緩沖氣體情況下包括熱銫原子。該圖示出作為兩個激光波的頻率差Δf12的非對應(yīng)的函數(shù)的補償?shù)溺娦盘朣HC的振幅。
圖4C的x軸以KHz為單元相對于Raman非對應(yīng)的原點處的0值劃定。距離δ代表由于緩沖氣體的存在引入的非對應(yīng)。可以使用二種緩沖氣體例如氮和氬引入相反符號的碰撞移置來減小該頻率偏差。
參照上述圖4C，注意對于y軸上按毫伏測量的最大振幅，由于所采用的處理以及當然激光束L1和L2的脈沖調(diào)制，振蕩寬度保持低到25Hz。如果另一方面并且遵照依據(jù)本發(fā)明的主題的帶有脈沖式詢問的方法和原子鐘的一種尤其特別的方面，互作用介質(zhì)由激光冷卻原子構(gòu)成，在本說明書前面提到的條件下原子的速度減小，即漂移速度約比熱原子慢1,000倍。
在這些條件下，從而能在不使用緩沖氣體情況下得到照射激光束和互作用介質(zhì)間的長交互時間，因此能取消前面相對圖4C提到的共振移置δ并且加寬碰撞引起的頻率。
這樣，對于帶有脈沖式詢問的鐘，按如下處置帶有冷原子的CPT原子鐘的上述參數(shù)—由于冷的激光冷卻原子的低速度，可忽略ΔfDoppler和ΔfTT；—如果冷原子的密度足夠低，還可忽略Δfcollision。
在這方面銣原子看起來比銫原子更有益，因為碰撞移置至少低50倍。
從而注意通過飽和Δfsaturation的加寬，它限制了其互作用介質(zhì)是由激光冷卻原子構(gòu)成的原子鐘的線寬。
另外，如果遵照依據(jù)本發(fā)明的方法進行詢問過程，即通過脈沖式詢問，則能明顯地減小飽和效應(yīng)的分布同時持續(xù)檢測足夠強度的即具有滿意的信噪比的那些信號。
權(quán)利要求
1.一種利用相干群體俘獲從第一和第二相位相干激光波生成原子鐘信號的方法，每個波基本上和互作用介質(zhì)的一種原子光躍遷共振，對應(yīng)于原子的相干群體俘獲的原子狀態(tài)的相干疊加提供響應(yīng)信號，該響應(yīng)信號具有共振極值振幅并代表對應(yīng)于作為第一和第二相位相干激光波頻率差值的函數(shù)的檢測到的信號振幅上的變化的原子鐘信號，其中所述方法至少在于利用相繼的脈沖通過高、低強度級之間的形狀因子同步地調(diào)制第一和第二激光波的強度，第一或第二激光波分別和該互作用介質(zhì)之間的交互作用基本上限制在和高強度級對應(yīng)的每個相繼脈沖的持續(xù)時間內(nèi)，當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號取決于該當前脈沖之前的至少一個脈沖期間產(chǎn)生的原子狀態(tài)并且取決于隔離所述脈沖的低強度級期間原子狀態(tài)的演變，以及檢測并且通過線性組合疊加當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號和該當前脈沖之前的至少一個脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號，以產(chǎn)生譜寬為最小的合成補償原子鐘信號。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中通過脈沖串進行脈沖調(diào)制，調(diào)制脈沖的頻率在0.2Hz和104Hz之間。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中調(diào)制脈沖具有10-6和10-1之間的形狀因子。
4.如權(quán)利要求1至3中任一權(quán)利要求所述的方法，其中把所述當前脈沖和該當前脈沖之前的所述脈沖隔開的低強度級的持續(xù)時間短于兩個時鐘級之間存在的超精細相干的生存期。
5.如權(quán)利要求1至4中任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述互作用介質(zhì)由多個熱或激光冷卻原子形成。
6.如權(quán)利要求1至5中任一權(quán)利要求所述的方法，其中檢測所述的鐘信號的步驟是從包括作為第一和第二相位相干激光波的頻率差的函數(shù)的光吸收、熒光和微波檢測的檢測過程組中選擇的一種檢測過程。
7.上述任一權(quán)利要求所述的方法，其中所述方法在于用射頻信號替代一個用于激勵互作用介質(zhì)的激光波，該射頻信號的頻率大致等于互作用介質(zhì)原子的躍遷頻率，所述方法在于通過連續(xù)脈沖調(diào)制保留的激光波或者調(diào)制保留的激光波和該射頻信號。
8.一種帶有脈沖式詢問的原子鐘，包括至少一個用來產(chǎn)生第一和第二相位相干激光束的光詢問裝置，每個激光束基本上和互作用介質(zhì)原子的光躍遷共振；一個含有在操作中在該第一和第二相位相干激光束照射下的該互作用介質(zhì)的互作用室，以產(chǎn)生具有共振極值振幅并且對應(yīng)于作為第一和第二相位相干激光束的頻率差的函數(shù)的檢測的信號振幅上的變化的響應(yīng)信號；以及檢測所述響應(yīng)信號的裝置，所述檢測裝置和該響應(yīng)信號的波長及振幅適配，其中所述原子鐘還包括在高、低強度級之間脈沖調(diào)制第一和第二激光束的強度的裝置，所述調(diào)制裝置在所述第一和第二激光束的路徑上位于所述互作用室的上游以同步產(chǎn)生第一和第二脈沖式激光束，第一或第二激光束分別和該互作用介質(zhì)之間的交互作用基本上限制在對應(yīng)于高強度級的每個相繼脈沖持續(xù)時間內(nèi)，當前脈沖期間產(chǎn)生的所述響應(yīng)信號取決于該當前脈沖之前的至少一個脈沖期間產(chǎn)生的原子狀態(tài)并且取決于隔離所述脈沖的低強度級期間原子狀態(tài)的演變，并且其中所述檢測裝置還包括通過線性組合使該當前脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號和該當前脈沖之前至少一個脈沖期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號相加的裝置，所述通過線性組合相加的裝置使能產(chǎn)生譜寬為最小的合成補償原子鐘信號。
9.如權(quán)利要求8所述的原子鐘，其中所述在高、低強度級之間脈沖調(diào)制第一和第二激光束的強度的裝置包括至少一個聲光調(diào)制器。
10.如權(quán)利要求8或9所述的原子鐘，其中所述檢測裝置還包括用于對當前脈沖和該當前脈沖之前的至少一個脈沖的交互作用期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號進行采樣的裝置，以及用于存儲每個脈沖的交互期間產(chǎn)生的響應(yīng)信號的采樣值的裝置。
11.如權(quán)利要求10所述的原子鐘，其中所述檢測裝置還包括讀出所述存儲裝置中存儲的在預(yù)定時刻采樣的值的裝置，以及計算所述存儲的采樣值的線性組合以產(chǎn)生所述補償?shù)脑隅娦盘柕难b置。
12.如權(quán)利要求8至11中任一權(quán)利要求所述的原子鐘，其中用射頻信號替定一個激光束，通過連續(xù)脈沖串調(diào)制保留的激光束或者調(diào)制保留的激光束和射頻信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種調(diào)制原子鐘信號的方法和對應(yīng)的原子鐘。在振幅上脈沖調(diào)制激光束(L
文檔編號H03L7/26GK1973248SQ200580014038
公開日2007年5月30日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者諾埃爾·迪馬克, 斯蒂芬尼·哥拉德爾, 托馬斯·扎諾恩, 大衛(wèi)·霍利維爾 申請人:國家科研中心