專利名稱：一種微波周期性O(shè)n-Off調(diào)制VCSEL實現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子頻標(biāo)領(lǐng)域，更具體涉及一種微波On-OfT實現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法，同時還涉及一種實現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置。該方法及裝置可應(yīng)用于原子 頻標(biāo)，尤其是微型化高性能的芯片級原子頻標(biāo)(CSAC)，也可用于及磁強(qiáng)計等精密測量設(shè)備， 在精密測量中有廣泛應(yīng)用前景。
背景技術(shù)：
微波對垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生相干多色光，由正負(fù)一級 邊帶組成的雙色光與原子相互作用可制備出相干布居囚禁(CPT)態(tài)，由此獲得電磁感應(yīng)透 明(EIT)現(xiàn)象。EIT譜線可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)窄于制備CPT激光的線寬，達(dá)到與原子微波躍遷譜線相媲 美的程度。高分辨EIT譜線能敏感地反映出微波頻率出現(xiàn)的偏離，將其微分曲線作為本振 頻率偏差的鑒頻信號，反饋至本振頻率進(jìn)行鎖定，從而得到標(biāo)準(zhǔn)頻率輸出。這就是連續(xù)光作 用的被動型CPT原子頻標(biāo)(以下簡稱CPT原子頻標(biāo))的基本工作原理。其工作過程為通 過掃描激光的基頻，得到原子躍遷的多普勒展寬的原子共振吸收譜線，將激光頻率鎖定在 共振吸收譜線的中心，接著掃描耦合在激光器上的微波頻率，得到EIT譜線，將微波頻率鎖 定在CPT峰的中心，得到高穩(wěn)定度的原子頻標(biāo)頻率輸出。CPT原子頻標(biāo)具有低功耗，易小型 化等特點，為空間、功耗受限的極端條件下需要的高穩(wěn)定度的時間頻率標(biāo)準(zhǔn)提供了有力的 工具。微型化CPT原子頻標(biāo)的物理系統(tǒng)還可作為高分辨率磁場探頭，精確測量微弱磁場強(qiáng) 度的空間和時間的變化。CPT原子頻標(biāo)采用連續(xù)激光和原子相互作用的工作方式，而Ramsey-CPT原子頻標(biāo) 是將CPT共振與Ramsey干涉相結(jié)合，是一種利用脈沖激光和原子相互作用的新型原子頻 標(biāo)。該頻標(biāo)通過一只VCSEL產(chǎn)生雙色光與原子相互作用，首先將原子制備到CPT態(tài)，再利 用脈沖光產(chǎn)生Ramsey干涉效應(yīng)，掃描耦合在激光上的微波頻率，會得到比連續(xù)光作用得到 的EIT譜線更窄、信噪比更高的Ramsey干涉條紋信號。將干涉條紋的微分曲線作為糾偏信 號，反饋給本振頻率即可實現(xiàn)原子頻標(biāo)?；赗amsey-CPT干涉原理的原子頻標(biāo)能夠獲得比 CPT原子頻標(biāo)更優(yōu)的時間頻率輸出，其頻率穩(wěn)定度可以優(yōu)于CPT原子頻標(biāo)一個量級以上，并 且具有更小的光頻移。但是目前已有的Ramsey-CPT原子頻標(biāo)用聲光調(diào)制器(AOM)作為光 開關(guān)產(chǎn)生脈沖激光，由于AOM體積較大、功耗較高，限制了 Ramsey-CPT原子頻標(biāo)向微型化和 低功耗原子頻標(biāo)方向的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種微波周期性οη-ο 實現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方 法。該方法改進(jìn)了 Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的結(jié)構(gòu)，簡化了實驗裝置，提高了 CPT原子頻標(biāo)的 穩(wěn)定度，突破了 Ramsey-CPT原子頻標(biāo)實現(xiàn)微型化和微功耗的原理限制與關(guān)鍵技術(shù)。本發(fā)明的另一個目的是在于提供了一種Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置。該裝置設(shè)計獨特、結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)微型化和低功耗，該裝置不僅可用于原子頻標(biāo)，而且還可以應(yīng)用于磁強(qiáng)計以及高分辨的光譜線測量等研究。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施在CPT原子頻標(biāo)基礎(chǔ)上，通過微波周期性οη-ο 調(diào)制VCSEL實現(xiàn)原子與光周期 性相互作用。微波導(dǎo)通時雙色激光將原子制備到CPT態(tài)，微波關(guān)斷時激光與原子失諧而不 發(fā)生明顯的相互作用，此段時間內(nèi)CPT態(tài)自由演化，當(dāng)微波再次導(dǎo)通期間，由于CPT態(tài)與激 光的Raman頻率存在相位差，CPT態(tài)的原子與入射光場相互進(jìn)行調(diào)制，在透射光強(qiáng)上可以觀 察到干涉條紋，這就是Ramsey-CPT干涉。該方法通過電子學(xué)方法控制微波οη-ο 實現(xiàn)了 Ramsey-CPT干涉，不僅能實現(xiàn)比CPT原子頻標(biāo)穩(wěn)定度更高的原子頻標(biāo)，而且保持了 CPT原子 頻標(biāo)易小型化、低功耗的優(yōu)點。一種微波On-Off調(diào)制VCSEL實現(xiàn)小型化Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法，其步驟是A.將電流源輸出連接到直流偏置單元(Bias-Tee)的直流輸入端，將微波源輸出 通過微波開關(guān)連接到Bias-Tee的高頻RF輸入端。Bias-Tee將直流與微波耦合，得到經(jīng)過 微波調(diào)制的電流，其直流偏置大小和微波頻率及功率均可控制。將此電流送入激光器，產(chǎn)生 相干的多邊帶激光。相鄰邊帶間距由耦合微波頻率調(diào)節(jié)，各邊帶幅度由微波功率調(diào)節(jié)，滿足 貝塞爾函數(shù)形式，選擇調(diào)制指數(shù)約為1.6，使正負(fù)一級邊帶光功率最大。輸出激光光強(qiáng)通過 衰減片調(diào)節(jié)，輸出激光偏振方向由λ/4波片調(diào)節(jié)以產(chǎn)生所需的圓偏振激光。B.將圓偏振雙色光送入原子樣品泡，與堿金屬原子相互作用，通過光檢測裝置檢 測透射光強(qiáng)。圖1所示為原子Λ三能級結(jié)構(gòu)模型與對應(yīng)的激光頻譜特性。調(diào)節(jié)激光器輸 入的直流電流，使激光器輸出基頻為fo激光，調(diào)節(jié)微波源產(chǎn)生的微波頻率為Δ 72，得到經(jīng) 微波調(diào)制后得到的多色光，其正負(fù)一級邊帶的頻率為&士 Δ f/2，分別對應(yīng)于原子Λ三能級 結(jié)構(gòu)模型中的與f2。通過控制設(shè)備控制電流源進(jìn)行直流掃描，改變激光器輸出激光的基 頻，同時記錄透射光強(qiáng)的大小，得到多色光與原子Λ三能級相互作用產(chǎn)生的多個吸收峰， 圖2所示為掃描直流得到的多個吸收峰。掃描結(jié)束后，設(shè)置電流源的輸出為最大吸收峰處 對應(yīng)的電流值。 C.對電流源輸出的電流進(jìn)行調(diào)制，對探測光強(qiáng)進(jìn)行解調(diào)，得到吸收峰對應(yīng)的微分 曲線。根據(jù)微分曲線反饋直流，使直流輸出對應(yīng)于最大吸收峰的位置。此時激光器輸出激 光的正負(fù)一級邊帶的頻率fi與f2對應(yīng)于原子Λ三能級結(jié)構(gòu)模型(圖1)中兩基態(tài)與激發(fā) 態(tài)之間的躍遷頻率V1與 。 D.控制微波開關(guān)，得到周期性微波脈沖，此時激光輸出為等效脈沖，以實現(xiàn)激 光_原子周期性相互作用。圖3所示為一個周期、內(nèi)微波脈沖時序以及對應(yīng)的輸出激光 頻率特性。每個周期、內(nèi)包含兩個脈沖，第一個脈沖與第二個脈沖的持續(xù)時間分別為τι、 τ 2，兩個脈沖之間的間隔時間為Τ，第二個脈沖和后一個周期內(nèi)的第一個脈沖之間的時間 間隔為T' , T1, τ2時刻微波開關(guān)控制微波導(dǎo)通，激光器被調(diào)制輸出基頻為&的多色光，其 中正負(fù)_級邊帶和f2與原子相互作用以制備CPT態(tài)并產(chǎn)生Ramsey干涉，T時刻微波開 關(guān)控制微波關(guān)斷，激光器輸出單色光，激光頻率失諧，原子自由演化，T'時刻微波斷，用于 消除前一個周期的影響，通過控制設(shè)備控制微波源掃描微波頻率，改變激光器輸出正負(fù)一 級邊帶的頻率差，即改變Raman失諧量，記錄透射光強(qiáng)，獲得Ramsey-CPT條紋。通過實驗確 定合適的脈沖時序，得到窄線寬、高信噪比的Ramsey-CPT干涉條紋。對于微波脈沖序列，設(shè)計合理的上升和下降沿，使得VCSEL的Chirp效應(yīng)對Ramsey-CPT的負(fù)面作用減至最小，這 是一個至為重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。圖4所示為在τι、τ2、Τ、Τ'分別為0. 2ms、2ms、0. 5ms、IOms 的情況下，通過微波On-Off實現(xiàn)的Ramsey-CPT干涉條紋 。E.控制設(shè)備控制微波源對微波頻率進(jìn)行調(diào)制，對探測光強(qiáng)進(jìn)行解調(diào)，得到 Ramsey-CPT干涉條紋對應(yīng)的微分曲線，將中心條紋作為鑒頻信號，將微波頻率鎖定于 Ramsey-CPT干涉條紋中心峰最大峰的位置，此時微波輸出頻率為Δ f/2滿足Raman共 振，通過對微波頻率的鎖定，實現(xiàn)原子頻標(biāo)穩(wěn)定的頻率輸出。也可以利用本方案實現(xiàn)的 Ramsey-CPT干涉條紋，得到較現(xiàn)有CPT磁強(qiáng)計更窄的磁敏感CPT譜線，實現(xiàn)對磁場的精密測 量。一種微波On-Off調(diào)制VCSEL實現(xiàn)小型化Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置，該裝置包 括電流源、微波源、微波開關(guān)、直流偏置器件(Bias-Tee)、激光產(chǎn)生裝置、物理系統(tǒng)、激光 探測裝置、控制設(shè)備。其連接關(guān)系是電流源輸出與直流偏置器件的直流偏置輸入端相連， 微波源輸出端與微波開關(guān)相連。通過微波開關(guān)產(chǎn)生周期性οη-ο 微波。直流偏置器件是 一個三端口器件，兩個輸入端分別與直流源和微波開關(guān)相連，輸出端連接到激光產(chǎn)生裝置。 電流源和微波源通過直流偏置器件給連接在輸出端口上的激光產(chǎn)生裝置提供偏置電流和 微波調(diào)制。激光產(chǎn)生裝置輸出的激光經(jīng)過物理系統(tǒng)入射至激光探測裝置。激光探測裝置探 測被物理系統(tǒng)吸收后透射的光強(qiáng)，光電池將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過電流轉(zhuǎn)電壓及放 大電路轉(zhuǎn)換為控制設(shè)備所能處理的電壓信號?？刂圃O(shè)備分別與電流源、微波源、微波開關(guān)以 及激光探測裝置的輸出相連。控制設(shè)備采集并處理激光探測裝置輸出的電壓信號，控制電 流源和微波源的輸出和微波開關(guān)的通斷。圖6所示為激光產(chǎn)生裝置框圖，所述的激光產(chǎn)生裝置包括垂直腔表面發(fā)射激光器 (VCSEL)，激光器溫控、衰減片、λ/4波片。其連接關(guān)系是垂直腔表面發(fā)射激光器分別與直 流偏置器件(Bias-Tee)輸出端口和激光器溫控相連，垂直腔表面發(fā)射激光器發(fā)出的激光 通過衰減片，λ/4波片后輸出。激光器溫控對激光器進(jìn)行控溫，保證激光器穩(wěn)定工作。衰 減片用于調(diào)節(jié)輸出激光的光強(qiáng)，λ/4波片用于改變輸出激光的偏振方向，可使垂直腔表面 發(fā)射激光器輸出的線性偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。圖7所示為物理系統(tǒng)框圖，包括原子樣品泡、磁場線圈、磁屏蔽層、物理系統(tǒng)溫控。 其連接關(guān)系是原子樣品泡為充有87Rb原子和緩沖氣體的密封玻璃泡，原子樣品泡外為磁 場線圈和磁屏蔽層。物理系統(tǒng)溫控為原子樣品泡提供穩(wěn)定的工作溫度。激光產(chǎn)生裝置生成 調(diào)制的多色光沿原子樣品泡和磁場線圈軸向通過，在這一過程中，光與原子相互作用，制備 CPT 態(tài)。圖8所示為控制設(shè)備框圖，包括數(shù)據(jù)采集硬件、計算機(jī)/微控制器信號輸出硬件、 通訊接口?？刂圃O(shè)備可為計算機(jī)或微控制器，包含硬件和軟件兩部分，硬件部分用于實現(xiàn)模 擬信號的輸入和輸出，進(jìn)行模擬信號和數(shù)字信號之間的轉(zhuǎn)換，對電流源及微波源等儀器進(jìn) 行控制，軟件部分用于數(shù)據(jù)的處理與反饋，并控制整個系統(tǒng)的工作流程。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點①通過微波周期性O(shè)n-Off調(diào)制VCSEL實現(xiàn)Ramsey-CPT干涉條紋，相比CPT原子 頻標(biāo)具有更窄的線寬和更高的信噪比。本方案可得到更優(yōu)越的鑒頻曲線，實現(xiàn)穩(wěn)定度更高 的原子頻標(biāo)。
②結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，只需在傳統(tǒng)連續(xù)光被動型CPT的基礎(chǔ)上加入微波開關(guān)，保 持了 CPT原子頻標(biāo)小型化，低功耗的優(yōu)點。與現(xiàn)有Ramsey-CPT方案相比，本發(fā)明通過周期 性微波οη-ο 實現(xiàn)激光-原子周期性相互作用，其效果等效于通過光開關(guān)儀器(AOM)產(chǎn)生 的激光脈沖與原子周期性相互作用。與用AOM產(chǎn)生激光脈沖實現(xiàn)的Ramsey-CPT原子頻標(biāo) 方案相比，本方案省掉了光開關(guān)儀器，節(jié)省了體積和功耗，芯片級尺寸的整機(jī)可以通過集成 電路和微加工工藝實現(xiàn)。本發(fā)明解決了芯片級Ramsey-CPT高性能原子頻標(biāo)(CSAC)的原理 限制與技術(shù)瓶頸。③信號處理過程中模擬信號數(shù)字化，減少了信號受到干擾的可能性，同時軟件的 運(yùn)用可以很方便的引入更多數(shù)據(jù)處理方式，提高了數(shù)據(jù)處理的靈活性。數(shù)字方式實現(xiàn)調(diào)制 解調(diào)，簡化了電路的實現(xiàn)。


圖1為一種典型的原子三能級結(jié)構(gòu)模型及與對應(yīng)的激光頻譜特性示意圖其中E1、E2、E3分別為原子的三個能級，V1為El與E3能級之間的躍遷頻率，V2為 E2與E3能級之間的躍遷頻率。fTCSa為VCSEL激光器輸出激光頻譜，其基頻為f；，f+1、f_i分 別為激光器的正負(fù)一級邊帶，分別對應(yīng)于躍遷頻率V1和v2。圖2為雙色光(調(diào)制指數(shù)為1. 6)與原子三能級結(jié)構(gòu)作用得到的吸收峰圖3為微波脈沖時序及對應(yīng)的輸出激光頻譜特性示意圖其中、為脈沖周期，T1 T1分別為兩脈沖的時間，T為脈沖間隔時間，T'為自由演 化時間。圖4為通過微波周期性O(shè)n-Off方法得到的Ramsey-CPT干涉條紋圖5為微波周期性O(shè)n-Off實現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置結(jié)構(gòu)示意圖其中1-電流源，2-微波源，3-微波開關(guān)，4-直流偏置器件(Bias-Tee)，5-激光產(chǎn) 生裝置，6-物理系統(tǒng)，7-激光探測裝置，8-控制設(shè)備。圖6為一種激光產(chǎn)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖其中l(wèi)l-VCSEL，12-激光器溫控，13-衰減片，14-λ/4波片。圖7為一種物理系統(tǒng)框圖其中21_原子樣品泡，22-磁場線圈，23-磁屏蔽材料。圖8為一種控制設(shè)備框圖其中24_物理系統(tǒng)溫控，31-數(shù)據(jù)采集卡，32-計算機(jī)/微控制器，33-信號輸出， 34-儀器控制卡。圖9為微波控制信號時序示意圖其中Sl為控制微波開關(guān)的信號，S2為微波調(diào)制的觸發(fā)信號，S3為微波掃描的觸發(fā) 信號。Ttl為控制信號的周期，每個Ttl周期內(nèi)輸出兩個周期的微波脈沖，、為微波脈沖的周 期，T1 T1分別為兩脈沖的時間，T為脈沖間隔時間，T'為自由演化時間。圖10為系統(tǒng)控制軟件流程圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，以87Rb原子 Ramsey-CPT原子頻標(biāo)為例，對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
一種微波On-Off調(diào)制VCSEL實現(xiàn)小型化Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法，其步驟是
1.激光探測裝置將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。控制設(shè)備通過數(shù)據(jù)采集硬件將模擬信號 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由計算機(jī)或微控制器讀取并處理。計算機(jī)或微控制器通過通訊接口控制 電流源和微波源。電流源的輸出電流和微波源輸出微波的頻率可由控制設(shè)備控制，均可以 做連續(xù)掃描，固定輸出，任意波形輸出。同時通過信號輸出硬件輸出開關(guān)信號和調(diào)制信號， 分別用于微波開關(guān)控制和微波調(diào)制。2.打開激光器溫控12和物理系統(tǒng)溫控24。對激光器和物理系統(tǒng)進(jìn)行控溫，使激光器溫度穩(wěn)定在40°C，物理系統(tǒng)溫度穩(wěn)定在70°C并等待溫度穩(wěn)定。給磁場線圈22通電。通 入的電流為2mA，產(chǎn)生大小約為IOOmG的磁場。打開電流源1和微波源2，連接微波開關(guān)3、 Bias-Tee4與VCSELl 1。設(shè)置電流源輸出電流為1. 2mA。調(diào)節(jié)衰減片13的角度，使透射光強(qiáng) 的大小處于光電池的線性工作區(qū)域。調(diào)節(jié)λ/4波片14的角度，使激光通過λ/4波片后變 為圓偏振光。打開控制設(shè)備，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備31采集激光探測裝置7輸出信號。3.將電流源1設(shè)為掃描模式，掃描范圍為1.1mA至1.3mA。微波源2輸出頻率設(shè) 為3. 417GHz，微波功率設(shè)為2. 5dbm。微波開關(guān)3設(shè)為打開狀態(tài)。打開微波輸出，并開始直 流掃描。通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備31可看到光電池輸出信號的多普勒吸收峰，如圖2?？刂瞥绦?尋找最大吸收峰的位置，再將電流源設(shè)為固定輸出模式，使光電池的輸出信號穩(wěn)定在最大 吸收峰的位置。4.將微波源2設(shè)為掃描模式，掃描范圍為3. 417341300GHz至3. 417346300GHz，步 長為2Hz，每個掃描點的停留時間為TO。調(diào)制方式為二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制(2FSK)調(diào)制，調(diào) 制深度AF為160Hz，調(diào)制周期為TO。微波開關(guān)控制信號的周期為t0，每個周期內(nèi)生成兩個 脈沖。圖9所示為微波開關(guān)信號和觸發(fā)信號時序。信號輸出設(shè)備33輸出的開關(guān)控制信號 (Switch)控制微波開關(guān)，掃描觸發(fā)信號(Sweep)、調(diào)制觸發(fā)信號(Mod)分別控制微波源的掃 描和調(diào)制。此控制信號控制微波源微波輸出(RFout)每TO周期基頻增加步長2Hz，同時有 周期為T0，調(diào)制深度為160Hz的調(diào)制，該輸出經(jīng)過微波開關(guān)后輸出隨微波開關(guān)控制信號通 斷的微波脈沖。5.通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備31采集光電池輸出信號，采樣率設(shè)為1Mbps，采樣精度為 14位。每TO周期的采樣結(jié)果中，取第二個脈沖和第四個脈沖緊鄰上升沿附近的結(jié)果，經(jīng) 過平均、濾波可得到不同調(diào)制下的Ramsey-CPT信號，將兩個的結(jié)果求差，即可得到微分的 Ramsey-CPT信號。掃描微波，記錄微分的Ramsey-CPT信號關(guān)于微波頻率(half of the Raman detuning)的變化曲線，即可得到Ramsey-CPT干涉條紋的微分曲線(如圖4)。6.根據(jù)微分信號對微波源輸出的頻率進(jìn)行反饋，達(dá)到根據(jù)穩(wěn)定微波頻率的目的， 通過對微波進(jìn)行分頻，便可實現(xiàn)符合要求的高穩(wěn)定度的原子頻標(biāo)頻率輸出。具體實施過程中，運(yùn)行于計算機(jī)32上的程序如圖10所示，該程序采用LabVIEW語 言實現(xiàn)，可由普通技術(shù)人員根據(jù)其基本知識均能編寫。部分的功能包括流程控制、信號的采 集和處理以及對儀器進(jìn)行控制。程序的具體流程如下1.啟動程序后，判斷溫控系統(tǒng)是否穩(wěn)定(過程A)，如果溫度未穩(wěn)定則繼續(xù)等待，如 果溫度穩(wěn)定則進(jìn)入初始化(過程B)。2.初始化數(shù)據(jù)采集卡(過程C)，設(shè)置采集卡的輸入范圍為-10V +10V，采樣速率 為10M，采樣方式為連續(xù)采樣。采集卡初始化完成后，采用連續(xù)方式從采集卡讀取數(shù)據(jù)(過程D)。3.初始化信號輸出卡(過程E)，設(shè)置輸出方式為三路數(shù)字信號輸出，分別用于控 制微波開關(guān)，微波源調(diào)制出發(fā)以及微波源掃描出發(fā)，輸出信號為TTL電平。初始化完畢后， 連續(xù)輸出控制信號(過程F)。4.打開GPIB通訊接口，配置電流源和微波源(過程G)。 5.配置微波源為固定輸出，微波調(diào)制及掃描信號關(guān)閉，配置電流源輸出為掃描模 式，開始直流掃描(過程H)，同時記錄采集得到的光強(qiáng)信號。6.直流掃描結(jié)束后，進(jìn)行直流鎖定(過程I)，查找采集得到光強(qiáng)信號中的最小值， 該點即為多普勒吸收峰的最低點，配置電流源將其輸出對應(yīng)于該點。7.等待直流穩(wěn)定(過程J)，若直流穩(wěn)定，則進(jìn)行微波掃描(過程K)。配置電流 源為固定輸出，打開微波調(diào)制及掃描信號，開始微波掃描(過程K)。同時記錄采集得到的 Ramsey-CPT的微分信號8.微波掃描結(jié)束后，進(jìn)行微波鎖定(過程L)，查找Ramsey-CPT微分信號中最大值 和最小值，該最大值最小值中間的范圍對應(yīng)Ramsey-CPT的中心峰，查找最大值和最小值之 間的過零點，該點對應(yīng)中心峰的最高點，配置微波源將其輸出對應(yīng)于該點并持續(xù)通過微分 信號反饋微波輸出頻率，實現(xiàn)頻率的鎖定。一種微波On-Off調(diào)制VCSEL實現(xiàn)小型化Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置該裝置包括電流源1、微波源2、微波開關(guān)3、直流偏置器件(Bias-Tee) 4、激光產(chǎn) 生裝置5、物理系統(tǒng)6、激光探測裝置7、控制設(shè)備8。所述的激光產(chǎn)生裝置5包括垂直腔表 面發(fā)射激光器(VCSEL) 11，激光器溫控12，衰減片13，λ /4波片14。所述的物理系統(tǒng)6包 括原子樣品泡21，磁場線圈22，磁屏蔽層23，以及物理系統(tǒng)溫控24。控制設(shè)備8包括數(shù)據(jù) 采集硬件31，計算機(jī)/微控制器32信號輸出硬件33，通訊接口 34。電流源1采用Keithley 6220精密電流源，其源和宿電流范圍IOOfA到100mA，內(nèi) 置RS-232、GPIB、觸發(fā)鏈路和數(shù)字I/O接口，控制設(shè)備通過GPIB接口控制其電流的輸出，可 以實現(xiàn)電流掃描或輸出固定的電流輸出。微波源2采用Agilent E8257D微波源，其微波輸出范圍為250kHz至20，具有8ns 上升/下降時間和20ns脈沖寬度，模塊化微波信號發(fā)生器可選擇性添加AM、FM、0M和/或 脈沖，控制設(shè)備8通過GPIB接口控制，微波開關(guān)3 采用 Mini-Circuits 的 ZYSWA-2-50DR。其具有 DC to 5GHz 的帶寬， 6ns建立時間。Bias-Tee 4 采用 MINI 公司 ZNBT-60-lW+Bias-Tee，其通帶頻率 6GHz。激光產(chǎn)生裝置5包含一個波長位于795nm附近的VCSEL 11，其輸出激光的波長和 輸入電流的大小有關(guān)，輸入電流越大，輸出激光的波長越長，頻率越低，其輸出激光的線寬 約為100MHz，激光器溫控12包含一個熱敏電阻和TEC用于對VCSEL的溫度進(jìn)行控制。物理系統(tǒng)6包括原子樣品泡21、磁場線圈22、磁屏蔽層23、物理系統(tǒng)溫控24，原 子樣品泡21內(nèi)充有原子(87Rb)和一定比例的緩沖氣體(氮氣和甲烷)，緩沖氣體壓強(qiáng)為 23.5ΤΟΠ·，氮氣和甲烷的壓力比為2 1。磁場線圈22采用銅絲繞制而成，磁場線圈通入 2mA的電流，產(chǎn)生的磁場大小約為100mG。磁屏蔽材料23采用坡鏌合金加工而成，位于磁場 線圈外，用于屏蔽外部磁場。物理系統(tǒng)溫控24包括加熱絲和熱敏電阻，用于原子樣品泡溫度的測量及控制。光檢測裝置7由光電池和電流轉(zhuǎn)電壓電路組成。光電池采用濱松s 1223，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過自制的電流轉(zhuǎn)電壓電路將光電池的電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。控制設(shè)備8采用的數(shù)據(jù)采集卡31為為NI公司的PCI-5122高速數(shù)字化儀， PCI-5122具有l(wèi)OOMS/s的采樣速率，14位高分辨率。計算機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡連接光檢測裝 置的輸出信號，實現(xiàn)對光檢測輸出信號的采集和模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換?？刂瓶?3采 用NI公司的PCI-6220，計算機(jī)與電流源和微波源之間采用GPIB通訊接口連接。普通計算 機(jī)32對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并配置電流源，微波源的輸出，以及控制卡33輸出的控制 信號。各裝置之間的連接關(guān)系如圖5所示電流源1輸出與直流偏置器件的直流偏置輸 入端相連，微波源2輸出端與微波開關(guān)3相連。通過微波開關(guān)產(chǎn)生周期性οη-ο 微波。直 流偏置器件是一個三端口器件，兩個輸入端分別與直流源1和微波開關(guān)3相連，輸出端連接 到激光產(chǎn)生裝置5。電流源1和微波源2通過直流偏置器件給連接在輸出端口上的激光產(chǎn) 生裝置5提供偏置電流和微波調(diào)制。激光產(chǎn)生裝置5輸出的激光經(jīng)過物理系統(tǒng)6入射至激 光探測裝置7。激光探測裝置7探測被物理系6統(tǒng)吸收后透射的光強(qiáng)，光電池將光信號轉(zhuǎn)換 為電信號，并通過電流轉(zhuǎn)電壓及放大電路轉(zhuǎn)換為控制設(shè)備所能處理的電壓信號?？刂圃O(shè)備8 分別與電流源1、微波源2、微波開關(guān)3以及激光探測裝置7的輸出相連?？刂圃O(shè)備8采集 并處理激光探測裝置7輸出的電壓信號，控制電流源1和微波源2的輸出和微波開關(guān)3的 通斷。激光產(chǎn)生裝置5的連接關(guān)系如圖6所示VCSEL 11分別與Bias-Tee 4輸出端口 和激光器溫控13相連，VCSEL 11發(fā)出的激光通過衰減片13，λ/4波片14后輸出。物理系統(tǒng)框圖如圖7所示為，其連接關(guān)系是原子樣品泡21為充有87Rb原子和緩 沖氣體的密封玻璃泡，原子樣品泡外為磁場線圈22和磁屏蔽層23。物理系統(tǒng)溫控24為原 子樣品泡提供穩(wěn)定的工作溫度。激光產(chǎn)生裝置5生成調(diào)制的多色光沿原子樣品泡和磁場線 圈軸向通過。圖8所示為控制設(shè)備框圖，其連接關(guān)系為數(shù)據(jù)采集卡31、控制信號輸出卡33、以 及GPIB通訊卡34均為PCI接口器件，安裝于計算機(jī)32的PCI接口上。數(shù)據(jù)采集卡31與 光檢測裝置7的輸出相連，光檢測裝置7輸出模擬電壓信號，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行離散采樣 并模數(shù)轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量，輸入計算機(jī)進(jìn)行處理?？刂菩盘栞敵龆嗦吠ㄟ^計算機(jī)軟件控制的 數(shù)字信號(圖9)，分別連接至微波開關(guān)3、微波源2的調(diào)制觸發(fā)端、微波源2掃描觸發(fā)端，用 于控制微波脈沖的產(chǎn)生，以及微波的調(diào)制和掃描。計算機(jī)32通過GPIB接口卡34連接至電 流源1和微波源2，實現(xiàn)電流源1和微波源2的受控輸出。
權(quán)利要求
一種微波周期性O(shè)n-Off調(diào)制VCSEL實現(xiàn)Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的方法，其步驟是A.將電流源輸出連接到直流偏置單元的直流輸入端，將微波源輸出通過微波開關(guān)連接到直流偏置單元的高頻RF輸入端，直流偏置單元將直流與微波耦合，得到經(jīng)過微波調(diào)制的電流，將電流送入激光器，產(chǎn)生多邊帶相干激光，相鄰邊帶間距由耦合微波頻率決定，各邊帶幅度滿足貝塞爾函數(shù)形式，通過耦合微波功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，選擇調(diào)制指數(shù)為1.6，使正負(fù)一級邊帶光功率最大，輸出激光光強(qiáng)通過衰減片調(diào)節(jié)，輸出激光偏振方向由λ/4波片調(diào)節(jié)，改變λ/4波片的角度，使經(jīng)過λ/4波片輸出的激光為所需的圓偏振激光；B.將圓偏振雙色光入射到原子樣品泡，與堿金屬原子相互作用，通過光檢測裝置檢測透過原子樣品泡的透射光強(qiáng)，通過控制設(shè)備控制電流源，使其進(jìn)行直流掃描以改變激光器輸出激光的基頻，同時記錄透射光強(qiáng)的大小，得到多色光與原子三能級相互作用產(chǎn)生的多個吸收峰，掃描結(jié)束后，設(shè)置電流源的輸出為最大吸收峰處對應(yīng)的電流值；C.對電流源輸出的電流進(jìn)行調(diào)制，對探測光強(qiáng)進(jìn)行解調(diào)，得到吸收峰對應(yīng)的微分曲線，根據(jù)微分曲線反饋直流，使直流輸出對應(yīng)于最大吸收峰的位置，此時激光器輸出激光的正負(fù)一級邊帶的頻率f1與f2對應(yīng)于原子三能級結(jié)構(gòu)模型中兩基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的躍遷頻率v1與v2；D.控制微波開關(guān)，得到周期性微波脈沖，實現(xiàn)激光-原子周期性相互作用，每個周期t0內(nèi)包含兩個脈沖，第一個脈沖與第二個脈沖的持續(xù)時間分別為τ1、τ2，兩個脈沖之間的間隔時間為T，第二個脈沖和后一個周期內(nèi)的第一個脈沖之間的時間間隔為T′，τ1、τ2時刻微波開關(guān)控制微波導(dǎo)通，調(diào)制激光器輸出基頻為f0，間隔為Δf/2的多邊帶激光，其中正負(fù)一級邊帶f1和f2與原子相互作用制備CPT態(tài)以及產(chǎn)生Ramsey-CPT干涉，T時刻微波開關(guān)控制微波關(guān)斷，激光器輸出單色光，激光頻率失諧，遠(yuǎn)離樣品原子的CPT共振和任何單光子共振，此段時間內(nèi)原子自由演化，T′時刻微波關(guān)斷，用于消除前一個周期的影響，通過控制設(shè)備控制微波源掃描微波頻率，改變激光器輸出正負(fù)一級邊帶的頻率差，即改變Raman失諧量，記錄透射光強(qiáng)的大小，經(jīng)過信號處理，獲得窄線寬、高信噪比的Ramsey-CPT條紋；E.控制設(shè)備控制微波源，進(jìn)行微波頻率調(diào)制，對探測光強(qiáng)進(jìn)行同步解調(diào)，得到Ramsey-CPT干涉條紋對應(yīng)的微分曲線，將中心條紋作為原子頻標(biāo)的鑒頻信號，將微波頻率鎖定于中心條紋的中心位置，實現(xiàn)原子頻標(biāo)高穩(wěn)定的頻率輸出。
2.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置，該裝置包括微波開關(guān) (3)、激光產(chǎn)生裝置(5)、物理系統(tǒng)(6)、以及激光探測裝置(7)，其特征在于電流源(1)輸 出與直流偏置器件(4)的直流偏置輸入端相連，微波源(2)輸出端與微波開關(guān)(3)相連，直 流偏置器件(4)是一個三端口器件，兩個輸入端分別與直流源(1)和微波開關(guān)(3)相連，輸 出端連接到激光產(chǎn)生裝置(5)，電流源(1)和微波源(2)通過直流偏置器件(4)給連接在 輸出端口上的激光產(chǎn)生裝置(5)提供偏置電流和微波調(diào)制，激光產(chǎn)生裝置(5)輸出的激光 經(jīng)過物理系統(tǒng)(6)入射至激光探測裝置(7)，控制設(shè)備⑶分別與電流源(1)、微波源(2)、 微波開關(guān)(3)以及激光探測裝置(7)的輸出相連，控制設(shè)備(8)采集并處理激光探測裝置 (7)輸出的電壓信號，控制電流源⑴和微波源⑵的輸出和微波開關(guān)(3)的通斷。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置，其特征在于所述的激光 產(chǎn)生裝置(5)包括垂直腔表面發(fā)射激光器(11)，激光器溫控(12)，衰減片(13)，X/4波片 (14)，垂直腔表面發(fā)射激光器(11)分別與直流偏置器件⑷輸出端口和激光器溫控(13)相連，垂直腔表面發(fā)射激光器(11)發(fā)出的激光通過衰減片(13)、X/4波片(14)后輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種Ramsey-CPT原子頻標(biāo)的裝置，其特征在于所述的物理 系統(tǒng)(6)包括原子樣品泡(21)、磁場線圈(22)、磁屏蔽層(23)以及物理系統(tǒng)溫控(24)，原 子樣品泡(21)為充有87Rb原子和緩沖氣體的密封玻璃泡，原子樣品泡(21)外層為磁場線 圈(22)和磁屏蔽層(23)，物理系統(tǒng)溫控(24)為原子樣品泡(21)提供穩(wěn)定的工作溫度，激 光產(chǎn)生裝置(5)生成調(diào)制的多色光沿原子樣品泡(21)和磁場線圈(22)軸向通過，用于制 備CPT態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微波On-Off調(diào)制VCSEL實現(xiàn)Ramsey-CPT原子鐘的方法及裝置，其步驟是A、直流與微波耦合至激光管，掃描直流得到多個吸收峰并鎖定直流；B、通斷微波實現(xiàn)等效激光脈沖，掃描微波獲得Ramsey-CPT條紋；C、鎖定微波得到穩(wěn)定頻率輸出。其裝置是電流源與Bias-Tee相連，微波源通過微波開關(guān)與Bias-Tee相連，Bias-Tee連接到激光產(chǎn)生裝置，輸出激光經(jīng)過物理系統(tǒng)后至激光探測裝置，控制設(shè)備分別與電流源、微波源、微波開關(guān)及激光探測裝置相連。本發(fā)明通過微波On-Off實現(xiàn)激光-原子周期性相互作用，相比傳統(tǒng)CPT方案有更優(yōu)越的鑒頻曲線，實現(xiàn)穩(wěn)定度更高的原子鐘。相比用較大體積和功耗的AOM實現(xiàn)的Ramsey-CPT原子鐘，本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，方法獨特，易于微型化，攻克了芯片化Ramsey-CPT原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)。
文檔編號H03L7/26GK101847994SQ201010169079
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月5日
發(fā)明者云恩學(xué), 張奕, 鄧威, 顧思洪 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所