芯片原子钟及小型Ramsey-CPT原子钟方案研究

发布时间：2020-08-13 22:04

【摘要】：相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子钟利用双色光与原子作用获得作为微波频率鉴频信号的CPT共振信号,是一种不需要微波谐振腔的微波原子钟。因为不需要微波腔而易于实现小体积、低功耗原子钟,因此CPT原子钟具有很强的应用竞争力。目前,小型CPT原子钟和芯片CPT原子钟都已经进入应用市场,并正在获得越来越广泛的应用。我们团队长期开展CPT原子钟研究,获得许多有价值的研究成果,已经研制出小型CPT原子钟和芯片CPT原子钟。本论文作者攻博期间随团队开展了CPT原子钟相关研究,以增强CPT原子钟应用竞争力为目标,本人的研究工作集中在改善小型和芯片CPT原子钟输出频率性能方面,所取得的研究成果主要包括:(1)左、右旋圆偏振光干涉相长共振增强CPT原子钟方案。目前CPT原子钟产品采用单一左旋(或右旋)圆偏振光与原子作用实现CPT共振,这所导致一部分原子被抽运至极化暗态,极化暗态的原子对CPT共振没有贡献,造成有效工作原子数量的损失。但是,如果左、右圆偏振光同时与原子作用则产生影响CPT共振效率的量子干涉。我们设计的方案通过合适安排左、右旋圆偏振光的光程差而获得它们分别产生CPT共振之间的理想位相差,因此获得干涉相长、共振增强CPT信号,并应用于实现原子钟。我们完成了该方案实验研究,所实现的原子钟频率稳定度得到3倍的改善,该方案适合实现芯片CPT原子钟。(2)切换激光器驱动电流幅度Ramsey-CPT原子钟方案。Ramsey干涉与CPT共振相结合能获得窄线宽Ramsey-CPT干涉谱线,利用比CPT谱线线宽更窄的Ramsey-CPT谱线作为微波频率鉴频信号,可以实现频率稳定度更高的原子钟。实施Ramsey干涉通常需要大尺度空间展开,造成原子钟体积过大,难以实现具有应用竞争力的原子钟。在团队已完成的切换调制激光器的微波功率而实现一种Ramsey-CPT原子钟方案研究基础上,我们设计了切换激光器驱动电流强度的Ramsey-CPT原子钟方案,并完成了实验研究。研究结果表明:相比于微波功率切换过程Ramsey-CPT信号中产生较强噪声,电流强度切换产生的噪声较弱,因此所获得的Ramsey-CPT信号质量更好一些。该方案适合实现小型Ramsey-CPT原子钟。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM935.115
【图文】：

2-4 激发态布居数和拉曼失谐的关系，计算参数 Ω=3×106Hz，ΓPT 原子钟工作原理CPT 原子钟装置T 原子钟的工作原理框图如图 2-5 所示，CPT 原子钟装置统和电子学电路系统。物理系统主要作用是使激光和原子PDSolenoid coilL AQWPMicrowavemodMicrowavedemodPLLV-I3.4GHzDCVCSELSample cellDC demodDC modMagnetic shieldBias-Tee

场强度可以用三角函数写作：0 0E (t )=E cos(2 t)，E0表示输出激光的强度，v0表示输出激光的频率。率为 vm的微波对直流电流进行调制后，受调制的电流驱动 V为调频多色光，可以用第一类贝塞尔函数表示：0 0( ) ( )cos2 ( )n f n f mE m E J m n t mf表示调制指数，与直流电流大小和调制的微波功率有关调制微波的频率，Jn(mf)是第一类贝塞尔函数。第 n 级边光强 In∝J2n(mf)，图 2-6 描述了 J2n(mf)随 mf的变化关系。可mf的增加，光功率从载波逐渐转移到高阶边带。对于半波=ωhfs/2π, ωhfs见图 2-3（a）），此时如果发生 CPT 现象，则多色差等于 Rb 原子两基态超精细能级之间对应的频率差。

3 小型和芯片 CPT 原子钟方案研究 原子钟由于可以不需要微波腔[27, 105-107]，通过微机电系m3的芯片级物理系统[92, 100, 108, 109]，配合专用集成电路工ated Circuit, ASIC）可以实现芯片级原子钟（Chip Sca CPT 原子钟的主要优势是可以实现具有广阔应用前景实现手表尺寸、纽扣电池供电，具有体积小、功耗低、应用价值。许多研究小组都在进行芯片原子钟的研究小型 CPT 原子钟和芯片 CPT 原子钟[35, 55, 113-118]。美国 Symmetricom 公司发布第一款如图 3-1 所示商用片原子钟就是基于 CPT 共振原理，其主要性能见表 3围获得了应用。我们团队也已经研制出图 3-2 所示3-2 是我们团队研制的芯片原子钟的基本性能指标。

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 田原;谭伯仲;杨晶;张奕;顾思洪;;Ramsey-CPT spectrum with the Faraday effect and its application to atomic clocks[J];Chinese Physics B;2015年06期

2 尹毅;张奕;谭伯仲;陈杰华;顾思洪;;芯片原子钟相干布居囚禁谱线特性研究[J];物理学报;2015年03期

3 汪中;;Review of chip-scale atomic clocks based on coherent population trapping[J];Chinese Physics B;2014年03期

4 刘类骥;赵海清;曹远洪;;一种芯片原子钟专用锁相倍频器研究与设计实现[J];宇航计测技术;2014年01期

5 杨晶;刘国宾;顾思洪;;平行线偏光激发CPT共振方案实验研究[J];物理学报;2012年04期

6 徐建;石雄;甘志银;刘胜;;被动型CPT原子钟光源系统的设计与实现[J];仪器仪表学报;2011年12期

7 曹远洪;何庆;杨林;;芯片原子钟——CPT钟研究进展[J];电讯技术;2010年06期

8 张首刚;;新型原子钟发展现状[J];时间频率学报;2009年02期

9 郭文阁;范琦;王鑫;姜海峰;张首刚;;相干布居囚禁原子钟技术及其进展[J];时间频率学报;2007年01期

10 彭科,张燕军,张为群,张一平,蔡勇,翟造成;SOHM-4型氢原子钟的设计改进与初步性能[J];时间频率学报;2004年01期

相关博士学位论文 前3条

1 李孝峰;小型光抽运铯束原子频率标准关键技术研究[D];中国科学院研究生院（国家授时中心）;2015年

2 徐建;被动型相干布居数囚禁原子钟系统关键技术研究[D];华中科技大学;2011年

3 张廷凯;相干布局数囚禁原子钟微型化研究[D];华中科技大学;2009年

本文编号：2792585