[发明专利]一种微波周期性On-Off调制VCSEL实现Ramsey-CPT原子频标的方法及装置

权利要求书

1.一种微波周期性On-Off调制VCSEL实现Ramsey-CPT原子频标的方法，其步骤是：

A.将电流源输出连接到直流偏置单元的直流输入端，将微波源输出通过微波开关连接到直流偏置单元的高频RF输入端，直流偏置单元将直流与微波耦合，得到经过微波调制的电流，将电流送入激光器，产生多边带相干激光，相邻边带间距由耦合微波频率决定，各边带幅度满足贝塞尔函数形式，通过耦合微波功率进行调节，选择调制指数为1.6，使正负一级边带光功率最大，输出激光光强通过衰减片调节，输出激光偏振方向由λ/4波片调节，改变λ/4波片的角度，使经过λ/4波片输出的激光为所需的圆偏振激光；

B.将圆偏振双色光入射到原子样品泡，与碱金属原子相互作用，通过光检测装置检测透过原子样品泡的透射光强，通过控制设备控制电流源，使其进行直流扫描以改变激光器输出激光的基频，同时记录透射光强的大小，得到多色光与原子三能级相互作用产生的多个吸收峰，扫描结束后，设置电流源的输出为最大吸收峰处对应的电流值；

C.对电流源输出的电流进行调制，对探测光强进行解调，得到吸收峰对应的微分曲线，根据微分曲线反馈直流，使直流输出对应于最大吸收峰的位置，此时激光器输出激光的正负一级边带的频率f₁与f₂对应于原子三能级结构模型中两基态与激发态之间的跃迁频率v₁与v₂；

D.控制微波开关，得到周期性微波脉冲，实现激光-原子周期性相互作用，每个周期t₀内包含两个脉冲，第一个脉冲与第二个脉冲的持续时间分别为τ₁、τ₂，两个脉冲之间的间隔时间为T，第二个脉冲和后一个周期内的第一个脉冲之间的时间间隔为T′，τ₁、τ₂时刻微波开关控制微波导通，调制激光器输出基频为f₀，间隔为Δf/2的多边带激光，其中正负一级边带f₁和f₂与原子相互作用制备CPT态以及产生Ramsey-CPT干涉，T时刻微波开关控制微波关断，激光器输出单色光，激光频率失谐，远离样品原子的CPT共振和任何单光子共振，此段时间内原子自由演化，T′时刻微波关断，用于消除前一个周期的影响，通过控制设备控制微波源扫描微波频率，改变激光器输出正负一级边带的频率差，即改变Raman失谐量，记录透射光强的大小，经过信号处理，获得窄线宽、高信噪比的Ramsey-CPT条纹；

E.控制设备控制微波源，进行微波频率调制，对探测光强进行同步解调，得到Ramsey-CPT干涉条纹对应的微分曲线，将中心条纹作为原子频标的鉴频信号，将微波频率锁定于中心条纹的中心位置，实现原子频标高稳定的频率输出。

2.一种实现权利要求1所述的Ramsey-CPT原子频标的装置，该装置包括：微波开关(3)、激光产生装置(5)、物理系统(6)、以及激光探测装置(7)，其特征在于：电流源(1)输出与直流偏置器件(4)的直流偏置输入端相连，微波源(2)输出端与微波开关(3)相连，直流偏置器件(4)是一个三端口器件，两个输入端分别与直流源(1)和微波开关(3)相连，输出端连接到激光产生装置(5)，电流源(1)和微波源(2)通过直流偏置器件(4)给连接在输出端口上的激光产生装置(5)提供偏置电流和微波调制，激光产生装置(5)输出的激光经过物理系统(6)入射至激光探测装置(7)，控制设备(8)分别与电流源(1)、微波源(2)、微波开关(3)以及激光探测装置(7)的输出相连，控制设备(8)采集并处理激光探测装置(7)输出的电压信号，控制电流源(1)和微波源(2)的输出和微波开关(3)的通断。

3.根据权利要求2所述的一种Ramsey-CPT原子频标的装置，其特征在于：所述的激光产生装置(5)包括垂直腔表面发射激光器(11)，激光器温控(12)，衰减片(13)，λ/4波片(14)，垂直腔表面发射激光器(11)分别与直流偏置器件(4)输出端口和激光器温控(13)相连，垂直腔表面发射激光器(11)发出的激光通过衰减片(13)、λ/4波片(14)后输出。

4.根据权利要求2所述的一种Ramsey-CPT原子频标的装置，其特征在于：所述的物理系统(6)包括原子样品泡(21)、磁场线圈(22)、磁屏蔽层(23)以及物理系统温控(24)，原子样品泡(21)为充有87Rb原子和缓冲气体的密封玻璃泡，原子样品泡(21)外层为磁场线圈(22)和磁屏蔽层(23)，物理系统温控(24)为原子样品泡(21)提供稳定的工作温度，激光产生装置(5)生成调制的多色光沿原子样品泡(21)和磁场线圈(22)轴向通过，用于制备CPT态。