[发明专利]一种双频探测相干布居囚禁原子钟及其工作方法

说明书

本发明公开了一种双频探测相干布居囚禁原子钟及其工作方法。所述的双频探测相干布居囚禁原子钟包括微波源，原子钟锁频控制系统，激光器，相干布居囚禁原子气室，不同频率光场的分离系统，光电探测器A，光电探测器B。所述的相干布居囚禁原子气室含有具有Λ型能级结构的原子的蒸汽。所述的不同频率光场的分离系统一端与所述的相干布居囚禁原子气室连接，另一端与光电探测器A和光电探测器B连接。本发明利用这两个频率‑光强信号的峰值位置的中间点作为δ₀＝ω_micro‑ω_cb＝0的频率基准点对原子钟频率进行锁定，可以有效地减小单光子失谐、激光功率波动等因素造成的原子钟频基准点的移动，从而获得具有更高频率稳定度的原子钟。

技术领域

本发明属于原子钟、原子频标领域，具体涉及一种双频探测相干布居囚禁原子钟及其工作方法。

背景技术

原子钟是一种能够长时间输出频率稳定的微波的装置。在技术实现上，产生微波的技术是成熟的，但是使微波源输出的微波长时间保持在一个特定频率是困难的；另一方面，调整微波频率的技术是成熟的，但是精确地测量一束微波的频率是困难的，这也意味着我们不能通过实时测量微波频率然后对其施加反馈的方法将微波频率稳定在某个值。被动型原子钟的基本原理是：处于一个物理系统的某一个特征频率的微波输入到这个物理系统中时，输入的这些微波会对物理系统产生影响，使系统中某些物理量发生显著的改变，通过探测这些物理量的一个或多个变化特征，就可以精确地测量输入微波的微波频率与物理系统特征频率之间的差值，进而通过成熟的微波频率调整技术对输入微波的微波频率进行调整和反馈，使输出微波的频率长时间保持在特征频率附近。相干布居囚禁原子钟的基本原理是：使用一束频率ω_micro的微波对激光器进行相位调制产生一系列频率间隔为ω_micro的激光，将这一系列激光入射到原子蒸汽中，其中频率为ω₁和ω₂(ω₁＝ω₂+Nω_microN为整数)的两束相干光与原子相互作用，产生相干布居囚禁效应，使得出射光光强发生改变。出射光光强作为微波的频率ω_micro的函数具有洛伦兹型的关系，当出射光光强达到最强时，相干光ω₁、ω₂的频率差等于原子的|b能级到|c能级跃迁频率：ω₁-ω₂＝Nω_micro＝ω_cb。由此，便可以通过光强的测量确定微波的频率与原子跃迁频率的差值δ₀＝Nω_micro-ω_cb，进而对微波的频率进行反馈与锁定，得到频率能长时间稳定在ω_cb的微波输出。

相干布居囚禁原子钟具有的一个技术困难是：微波频率与实际测量的物理量(在相干布居囚禁原子钟系统中是出射光光强)之间的函数关系会随着原子钟内部条件以及环境条件的改变而发生改变。对于相干布居囚禁原子钟，单光子失谐Δ＝ω₁-ω_ab≈ω₂-ω_ac、原子蒸汽的温度、输入激光功率、内部磁场强度等条件都会影响出射光光强与微波频率ω_mirco的函数关系，线型、线宽、峰值位置都会发生改变。出射光光强的峰值位置是相干布居囚禁原子钟锁定微波的频率ω_micro的关键特征。因为原子钟内部条件以及环境条件存在波动，峰值位置所对应的频率也会在原子跃迁频率ω_cb附近波动，进而造成频率锁定在峰值位置的微波产生频率波动，降低原子钟的精确度。目前大部分研究都是为了使这个峰更加稳定一些，但结果却不尽如人意。

发明内容

本发明提供了一种双频探测相干布居囚禁原子钟及其工作方法，该方法可以降低单光子失谐Δ＝ω₁-ω_ab≈ω₂-ω_ac、原子蒸汽的温度、输入激光功率、内部磁场强度的变化对原子钟输出微波的频率稳定度的影响，从而获得更高精确度。