相干布居数囚禁原子频标的实现及相关实验参数研究

原子频标要求高信噪比和窄线宽的鉴频信号,但对于被动型相干囚禁态原子频标(CPT频标),改善鉴频信号信噪比以增加线宽为代价,因此选择合适的信噪比和线宽组合是研制CPT原子频标频标的重要环节。文章介绍了用桌面CPT频标系统地研究了鉴频信号与温度、光强等参数的关系所获得的研究结果,由此获得了合适选取的信噪比与线宽组合的依据。文章还给出了关于光源非理想偏振导致的消相干效应对CPT频标的影响所开展的实验结果。文章所提供的研究结果不仅帮助我们研制成功了CPT频标,而且对于CPT物理现象研究和其他CPT频标的研制也有参考价值。

基于相干滤波和相干布居数囚禁原理的激光原子钟

激光原子钟基于相干布居数囚禁(CPT)和激光器模式锁定的基本原理,其谐振腔内仅有两个模式可以振荡,而且这一设计可以使两个纵模振荡频率与特定工作原子的跃迁频率相等,且相互锁定。而且由于激光谐振腔内插入的干涉滤光单元和CPT单元的双重作用,使两个模式的频率间隔精确等于工作原子的基态超精细结构跃迁频率,并且在谐振腔模式中具有最高增益。通过对激光器腔长、增益,以及腔内插入单元的稳定控制,以此方法建成的激光器将有两个稳定的纵模输出,而两纵模之间的拍频将精确等于CPT系统工作原子的基态超精细能级的跃迁频率。直接检测两个纵模的拍频,就可以获得高稳定度的标准频率输出。而且由于其模式锁定过程是一个物理的自动牵引锁定过程,不再像一般原子钟那样依赖于锁定电路和对原子跃迁信号的探测和识别。因此有望获得更高的稳定度。其标准频率的信号强度,信噪比也会大大高于以往方法产生的原子钟输出信号。

相干布居数拍频信号与基态超精细子能级相干性关系的研究

相干布居数拍频(coherent population beating,CPB)现象,产生于一个Λ型三能级原子系统中,当双色相干激光场的频率差和两基态能级频率间隔近失谐的时候,原子在激发态能级上的布居数会产生一个弛豫振荡,且振荡频率等于失谐量.当将此现象运用于原子标准频率的提取时,CPB频标的稳定度与CPB信号的幅度及信噪比直接相关.本文理论推导了描述CPB现象的表达式,数值模拟并实验研究了87Rb基态超精细子能级的相干性对CPB信号的影响,通过控制与基态子能级共振相干激光场的抽运时间来控制能级的相干程度,观测不同相干程度对CPB信号质量的影响.研究结果表明CPB信号振荡的幅度与基态子能级相干程度成正比关系.要改善CPB信号信噪比、提高原子频标稳定度,建立、提高和保持基态超精细能级的相干性是关键.本文还讨论了CPB现象用于弱磁场测量及其他方面应用的可行性.

一种微型化制造的双腔结构芯片原子钟^(87)Rb蒸汽腔(英文)

碱金属蒸汽腔是芯片原子钟(CSACs)中重要的核心部件之一,其微型化制造具有重要的实用价值,同时也非常具有挑战性。采用MEMS技术批量化制作了具有双腔结构的芯片原子钟87Rb蒸汽腔阵列。在阳极键合过程中,通过原位化学反应产生纯净的87Rb元素蒸汽,缓冲气体(N2)采用反充的方法充入到87Rb蒸汽腔内以保证缓冲气体的压强可以精确的控制。所设计的双腔结构可以防止原位化学反应中产生的杂质阻挡光路,从而能够提高探测到的光信号的强度。通过原子钟桌面系统测试,得到了87Rb元素D1线的光学吸收谱和用于芯片原子钟锁频的误差信号,在90℃时,87Rb元素D1线纠偏信号的线宽(波峰与波谷间距)可达到0.53 kHz。测试结果表明,双腔结构的87Rb蒸汽腔满足芯片原子钟或其他芯片级原子器件的设计要求。

一种低功耗被动型CPT原子钟

介绍了一款新研制的被动型相干布局囚禁（CPT）原子钟样机及其主要性能。样机功耗约为4W，频率稳定度达到在τ〈8000s范围内优于6×10^-11τ^-1/2,10MHz输出频率在1Hz范围内的相位噪声达到-79．1dBc／Hz。所研制的CPT原子钟具有小型、低功耗的特点。

一种原子气室缓冲气体压强的测量方法

在被动型CPT(相干布居数囚禁)原子钟中,缓冲气体、C场主要作用是改善原子钟信号的特性,但同时会对碱金属原子能级产生扰动,引起CPT共振信号频率的偏移,通过建立被动型CPT原子钟频移量的理论模型,并基于被动型CPT原子钟建立频移量测量系统,对缓冲气体和C场等因素引起的频移量进行测量,并通过数值计算,得到被动型CPT原子钟气室缓冲气体压强。