[发明专利]一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置及方法

说明书

本发明公开了一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置及方法，对叠加在VCSEL驱动电流上的微波信号功率实施调制，同时对光检信号进行同步鉴相获得多普勒吸收谱线的极值随调频激光调制指数变化的信号，并转换成负反馈纠偏信号，利用获得的纠偏信号负反馈控制微波功率而稳定调频激光的调制指数。该装置结构简单，在现有的CPT原子频标装置中增加少量元件即可实现激光频率调制指数锁定功能，锁定后装置获得的CPT谱线信号最强，且减小了温度随机变化、微波器件老化等因素引起的CPT原子频标性能变化，可以提高CPT原子频标性能，适合应用于小型CPT原子频标。

技术领域

本发明属于原子频标技术领域，具体涉及被动型相干布居囚禁(CPT，CoherentPopulation Trapping)原子频标调制指数锁定装置及方法，通过该装置和方法可以提高CPT原子频标性能。

背景技术

CPT原子频标是一种体积小、功耗低、启动快的提供高稳定度、高准确度频率信号的设备，可满足导航、通信、精确定位、精密计时和精密测量等众多应用需求。

相干双色激光与碱金属原子相互作用，将原子基态两个超精细能级耦合到共同的激发态能级，当相干双色光的光频差严格等于原子基态两个超精细能级裂距时，部分原子不再吸收光子而被制备到CPT态。探测激光与原子作用后的光强获得原子对激光的吸收信号，用吸收信号中由CPT共振产生的电磁感应透明谱线作为微波鉴频信号，并转换为频率纠偏信号对压控晶振实施负反馈纠偏，从而获得高稳定度的原子钟输出频率信号，这就是CPT原子钟的基本原理。

利用微波信号调制的电流驱动垂直腔面发射激光器(VCSEL，Vertical CavitySurface Emitting Laser)获得相干多色光输出，利用相干多色光的±1阶边带组成的相干双色光与原子相互作用制备CPT态，当相干多色光中±1阶边带的功率占总光功率的比例最大时，且原子对多色光的吸收谱处于最大多普勒吸收谱线的极值处时，CPT原子频标工作于最大多普勒吸收谱线的极值处，这时实现的CPT谱线信号最强。相干多色光第n阶边带的光强其中I为VCSEL输出激光的总光强，m_f为激光频率调制指数，J_n(m_f)为第一类Bessel函数。计算结果说明：当m_f≈1.8时，±1阶边带的功率占总光功率的比例达到最大值，约为68％，此时获得的CPT谱线信号最强。CPT谱线信号强有利于实现高性能CPT原子频标。

m_f的值反映微波对电流的调制深度，当注入给VCSEL的电流值恒定时m_f由微波功率决定。环境温度的起伏及VCSEL老化等因素会导致激光电流的变化，而导致调制深度的变化；温度起伏及微波器件老化等因素会导致微波功率的变化，也会引起调制深度的变化，导致VCSEL输出的相干多色光在各频率成分光功率分布的变化，因此造成CPT原子频标性能变化。

通过主动控制微波功率可以控制调制深度，进而控制CPT原子频标性能。电调衰减器是一种对微波信号进行功率衰减的器件，利用微波电调衰减器对调制电流的微波功率进行低频浅调制，同时对物理系统获得的光检信号进行同步鉴相，可以获得最大多普勒吸收谱线极值处吸收信号幅度随调制深度的变化曲线，利用该曲线负反馈控制微波功率大小，将激光频率调制指数锁定在约1.8，此时相干多色光中±1阶边带的功率占总光功率的比例稳定在最大值，CPT原子频标可以获得较佳的性能。

发明内容

针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明的目的在于提供一种CPT原子频标激光频率调制指数锁定装置及方法。