[发明专利]CPT相位调制与解调方法及系统

说明书

本发明提供了一种CPT相位调制与解调方法，通过相位调制器调制微波信号源的相位，产生相位调制的微波，该微波耦合到相干双色光源，产生相对相位调制的相干双色光；相位调制的相干双色光与量子共振系统相互作用，量子系统被交替地制备到两反相CPT态，此时，相干双色光表现为两反相的色散型CPT信号；透射光经由光电探测器探测并转换为电信号。该电信号经过信号处理系统，得到CPT误差信号，用于本地振荡器的锁定，实现原子钟闭环。本发明能够降低原子钟对频率综合器的频率分辨率和调制速率的要求，提升原子钟的稳定性能和抗干扰性能。

技术领域

本发明属于原子钟、原子磁强计、原子光谱等精密测量技术领域，具体涉及一种CPT差分探测技术。

背景技术

基于相干布居囚禁(CPT)这一量子干涉效应，可实现小型化和微型化的原子钟、原子磁强计等量子精密测量仪器。

我们以被动型CPT原子钟为例来说明本发明的应用背景。目前基于连续光作用CPT(连续CPT)原子钟，为了将本地振荡器(本振)的率锁定于原子系统，进而实现原子钟，可采用边锁定和调制与解调两种方式，前者因为信噪比较差而未被普遍采用，后者因为可以减小1/f噪声、大幅增加信噪比而被广泛使用。

该调制与解调方法是通过频率的调制与解调来实现的。即对连续CPT原子钟的微波进行频率调制，调制深度为CPT共振谱线的半高宽(～50Hz)，调制速率一般大于100Hz，然后相干双色光与量子共振系统发生相互作用，透射光经由光电探测器探测并转换为电信号，通过与频率调制同步的方波信号相乘并经过低通滤波器滤除高频分量，即实现同步解调，得到误差信号，从而驾驭本振频率，实现原子钟闭环。

该方法对微波源提出了较高的要求，即需要较高的频率分辨率和调制速率。尤其在体积、功耗、重量都有严格限制的芯片CPT原子钟里，芯片钟一般采用锁相环(PLL)和压控振荡器(VCO)来产生微波，对PLL的频率分辨率提出了较高要求，以半波(3.417GHz)调制的⁸⁷Rb CPT钟为例，PLL需要对频率的分辨率不低于50Hz，且调制速率大于100Hz，位数不低于20bits，锁定时间需要小于10ms。

发明内容

为了克服现有技术频率调制与解调的不足，本发明提供一种CPT相位调制与解调方法，能够降低对频率分辨率和调制速率的要求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)提供一束相干双色光；

2)对相干双色光的相对相位进行调制，其调制深度为π/2；

3)将相位调制后的相干双色光与量子共振系统相互作用，量子共振系统交替地处于两反相的色散型CPT态；

4)将与量子共振系统相互作用后的相干双色光转换为电信号，解调后获取误差信号，反馈并锁定原子钟系统的本振频率，实现原子钟闭环。

所述的步骤2)中相对相位调制在φ+0到φ+π/2之间进行切换，φ为初始的任意相位。

所述的步骤2)中相对相位调制的调制周期与量子系统的基态横向弛豫时间有相同量级。

所述的步骤2)中相对相位调制的调制周期为1～100ms。

所述的步骤4)将光电信号通过模数转换器转换为数字信号，采集一个相位调制周期内相位切换时两个窗口内的信号，各自取平均后相减得到误差信号，误差信号经由比例积分微分算法处理后转换器为模拟误差信号，反馈并锁定本振频率，实现原子钟闭环；所述的两个窗口时长分别为t_w1和t_w2，t_w1窗口位于相位切换前的CPT态初始时刻，t_w2窗口位于相位切换时刻，t_w1和t_w2的时长小于等于1ms。