【摘要】：相干布居囚禁(coherent population trapping, CPT)原子鐘因其體積小,功耗低的特點(diǎn)在通信、時間同步、導(dǎo)航定位、實(shí)驗(yàn)研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前國外已生產(chǎn)出小型化和微型化CPT原子鐘產(chǎn)品,并已得到實(shí)際應(yīng)用,同時還發(fā)展出了一些改善CPT共振信號質(zhì)量進(jìn)而提高原子鐘的頻率穩(wěn)定度的新方案。為了研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的實(shí)用型CPT原子鐘,我們開展了小型化CPT原子鐘的工程轉(zhuǎn)化和新方案探索工作。本論文工作期間取得的主要進(jìn)展和研究成果如下： 為CPT原子鐘工程樣機(jī)設(shè)計(jì)、研制了一款物理系統(tǒng)。在該款物理系統(tǒng)中消除了之前研制的物理系統(tǒng)中存在的頻率跳變隱患,定型的物理系統(tǒng)體積18.4mL,功耗1.4W。采用所研制的物理系統(tǒng)的原子鐘已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn),產(chǎn)品的典型頻率穩(wěn)定度優(yōu)于4×10-11,τ1/2(1s≤τ≤100s),整體性能達(dá)到了國際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。 針對CPT原子鐘在不同溫度條件下的應(yīng)用設(shè)計(jì)、研制了一款物理系統(tǒng)。該款物理系統(tǒng)體積16mL,功耗1.6W,應(yīng)用該物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的原子鐘的環(huán)境溫度適應(yīng)范圍更大,這款產(chǎn)品現(xiàn)已獲得應(yīng)用。 研究了平行線偏振光激發(fā)CPT共振方案(lin//lin CPT方案)。lin//lin CPT方案消除了傳統(tǒng)圓偏振光方案(σ+-σ+CPT方案)中由于光抽運(yùn)作用形成的極化暗態(tài),增加了有效參與工作的原子數(shù)量。我們開展與σ+-σ+CPT方案的對比實(shí)驗(yàn),在較低的原子泡工作溫度下獲得了質(zhì)量更優(yōu)的用于原子鐘鑒頻信號的CPT共振微分信號,因此通過該方案可以實(shí)現(xiàn)體積與傳統(tǒng)方案CPT原子鐘相當(dāng),功耗更低,頻率穩(wěn)定度更好的原子鐘。 研究了偏振選擇CPT共振方案。該方案采用橢圓偏振光激發(fā)CPT共振,橢圓偏振光可以看作幅度不同的左右旋圓偏振光的線性疊加,利用原子對左右旋圓偏振光吸收強(qiáng)度不同壓制本底光噪聲幅度,由此獲得的CPT共振信號對比度(CPT信號幅度與本底光噪聲幅度的比值)大幅度改善,實(shí)驗(yàn)中采用本方案獲得的信號對比度與傳統(tǒng)CPT原子鐘方案的信號對比度相比約提高了6倍,因此采用該方案可望大幅度改善原子鐘的頻率穩(wěn)定度。 提出并研究了頻率切換Ramsey-CPT方案。該方案通過周期性地用微波信號調(diào)制垂直腔面發(fā)射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)的驅(qū)動電流,使VCSEL的出射光周期性地在多色光與單色光之間切換,這樣的激光與原子作用實(shí)現(xiàn)周期性地與原子CPT共振,從而實(shí)驗(yàn)記錄到了Ramsey-CPT條紋。由于不需要之前的常規(guī)Ramsey-CPT原子鐘方案中用于產(chǎn)生脈沖光的聲光調(diào)制器(acousto-optic modulator, AOM),該方案實(shí)現(xiàn)的物理系統(tǒng)體積大大減小,而對比兩種Ramsey-CPT原子鐘方案獲得的Ramsey-CPT條紋,應(yīng)用新方案實(shí)現(xiàn)的原子鐘頻率穩(wěn)定度預(yù)期改善46%。另外,與傳統(tǒng)CPT原子鐘相比,新Ramsey-CPT原子鐘方案的物理系統(tǒng)體積、功耗基本相同,而原子鐘電路只需增加一個微波開關(guān),所以體積、功耗也非常接近,因此采用所研究的方案可以實(shí)現(xiàn)體積功耗與傳統(tǒng)CPT原子鐘相當(dāng),頻率穩(wěn)定度優(yōu)于之前的常規(guī)Ramsey-CPT原子鐘的新型Ramsey-CPT原子鐘。 提出并研究了正交偏振探測-頻率切換Ramsey-CPT方案。該方案采用lin//lin雙ACPT共振構(gòu)型,頻率切換方案實(shí)現(xiàn)Ramsey,并在光信號探測上引入正交偏振探測方法,利用磁光旋轉(zhuǎn)效應(yīng)降低本底光噪聲。通過該方案我們已經(jīng)實(shí)驗(yàn)獲得了對比度為22%和線寬為280Hz的Ramsey-CPT條紋,與僅應(yīng)用頻率切換方案所獲得的Rasmey-CPT條紋相比,對比度提高為8倍。因?yàn)橹辉谖锢硐到y(tǒng)的器件設(shè)置上有所調(diào)整,并不需要增加體積,因此采用該方案可以實(shí)現(xiàn)性能更高的小型Ramsey-CPT原子鐘。
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【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院（武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：O431.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 杜潤昌;劉國賓;陳杰華;王謹(jǐn);劉朝陽;顧思洪;;相干布居數(shù)囚禁原子頻標(biāo)的實(shí)現(xiàn)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)研究[J];光譜學(xué)與光譜分析;2008年08期

2 杜潤昌;陳杰華;劉朝陽;顧思洪;;CPT原子頻標(biāo)實(shí)驗(yàn)研究[J];物理學(xué)報(bào);2009年09期

3 楊晶;劉國賓;顧思洪;;平行線偏光激發(fā)CPT共振方案實(shí)驗(yàn)研究[J];物理學(xué)報(bào);2012年04期

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本文編號：2291330