[发明专利]双调制CPT差分探测方法及系统

说明书

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。

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|m_F|＝I+1/2的Zeeman磁子能级上(极化暗态)，其中：m_F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(|²S_1/2，F＝I-1/2，m_F＝0→|²S_1/2，F＝I+1/2，m_F＝0，简记为|m_F＝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、ν_hf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：