【摘要】：相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子鐘利用雙色光與原子作用獲得作為微波頻率鑒頻信號的CPT共振信號,是一種不需要微波諧振腔的微波原子鐘。因為不需要微波腔而易于實現(xiàn)小體積、低功耗原子鐘,因此CPT原子鐘具有很強的應用競爭力。目前,小型CPT原子鐘和芯片CPT原子鐘都已經(jīng)進入應用市場,并正在獲得越來越廣泛的應用。我們團隊長期開展CPT原子鐘研究,獲得許多有價值的研究成果,已經(jīng)研制出小型CPT原子鐘和芯片CPT原子鐘。本論文作者攻博期間隨團隊開展了CPT原子鐘相關研究,以增強CPT原子鐘應用競爭力為目標,本人的研究工作集中在改善小型和芯片CPT原子鐘輸出頻率性能方面,所取得的研究成果主要包括:(1)左、右旋圓偏振光干涉相長共振增強CPT原子鐘方案。目前CPT原子鐘產(chǎn)品采用單一左旋(或右旋)圓偏振光與原子作用實現(xiàn)CPT共振,這所導致一部分原子被抽運至極化暗態(tài),極化暗態(tài)的原子對CPT共振沒有貢獻,造成有效工作原子數(shù)量的損失。但是,如果左、右圓偏振光同時與原子作用則產(chǎn)生影響CPT共振效率的量子干涉。我們設計的方案通過合適安排左、右旋圓偏振光的光程差而獲得它們分別產(chǎn)生CPT共振之間的理想位相差,因此獲得干涉相長、共振增強CPT信號,并應用于實現(xiàn)原子鐘。我們完成了該方案實驗研究,所實現(xiàn)的原子鐘頻率穩(wěn)定度得到3倍的改善,該方案適合實現(xiàn)芯片CPT原子鐘。(2)切換激光器驅動電流幅度Ramsey-CPT原子鐘方案。Ramsey干涉與CPT共振相結合能獲得窄線寬Ramsey-CPT干涉譜線,利用比CPT譜線線寬更窄的Ramsey-CPT譜線作為微波頻率鑒頻信號,可以實現(xiàn)頻率穩(wěn)定度更高的原子鐘。實施Ramsey干涉通常需要大尺度空間展開,造成原子鐘體積過大,難以實現(xiàn)具有應用競爭力的原子鐘。在團隊已完成的切換調制激光器的微波功率而實現(xiàn)一種Ramsey-CPT原子鐘方案研究基礎上,我們設計了切換激光器驅動電流強度的Ramsey-CPT原子鐘方案,并完成了實驗研究。研究結果表明:相比于微波功率切換過程Ramsey-CPT信號中產(chǎn)生較強噪聲,電流強度切換產(chǎn)生的噪聲較弱,因此所獲得的Ramsey-CPT信號質量更好一些。該方案適合實現(xiàn)小型Ramsey-CPT原子鐘。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM935.115
【圖文】：

2-4 激發(fā)態(tài)布居數(shù)和拉曼失諧的關系，計算參數(shù) Ω=3×106Hz，ΓPT 原子鐘工作原理CPT 原子鐘裝置T 原子鐘的工作原理框圖如圖 2-5 所示，CPT 原子鐘裝置統(tǒng)和電子學電路系統(tǒng)。物理系統(tǒng)主要作用是使激光和原子PDSolenoid coilL AQWPMicrowavemodMicrowavedemodPLLV-I3.4GHzDCVCSELSample cellDC demodDC modMagnetic shieldBias-Tee

場強度可以用三角函數(shù)寫作：0 0E (t )=E cos(2 t)，E0表示輸出激光的強度，v0表示輸出激光的頻率。率為 vm的微波對直流電流進行調制后，受調制的電流驅動 V為調頻多色光，可以用第一類貝塞爾函數(shù)表示：0 0( ) ( )cos2 ( )n f n f mE m E J m n t mf表示調制指數(shù)，與直流電流大小和調制的微波功率有關調制微波的頻率，Jn(mf)是第一類貝塞爾函數(shù)。第 n 級邊光強 In∝J2n(mf)，圖 2-6 描述了 J2n(mf)隨 mf的變化關系�？蒻f的增加，光功率從載波逐漸轉移到高階邊帶。對于半波=ωhfs/2π, ωhfs見圖 2-3（a）），此時如果發(fā)生 CPT 現(xiàn)象，則多色差等于 Rb 原子兩基態(tài)超精細能級之間對應的頻率差。

3 小型和芯片 CPT 原子鐘方案研究 原子鐘由于可以不需要微波腔[27, 105-107]，通過微機電系m3的芯片級物理系統(tǒng)[92, 100, 108, 109]，配合專用集成電路工ated Circuit, ASIC）可以實現(xiàn)芯片級原子鐘（Chip Sca CPT 原子鐘的主要優(yōu)勢是可以實現(xiàn)具有廣闊應用前景實現(xiàn)手表尺寸、紐扣電池供電，具有體積小、功耗低、應用價值。許多研究小組都在進行芯片原子鐘的研究小型 CPT 原子鐘和芯片 CPT 原子鐘[35, 55, 113-118]。美國 Symmetricom 公司發(fā)布第一款如圖 3-1 所示商用片原子鐘就是基于 CPT 共振原理，其主要性能見表 3圍獲得了應用。我們團隊也已經(jīng)研制出圖 3-2 所示3-2 是我們團隊研制的芯片原子鐘的基本性能指標。

【參考文獻】

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本文編號：2792585