连续式cpt态制备与差分探测的方法及系统
技术领域
本发明涉及原子钟、磁强计、量子精密谱等精密测量领域，尤其是一种CPT态制备与差分探测的方法及系统。
背景技术
相干布局囚禁(CPT)是一种量子干涉效应，通过相干双色光与量子共振系统相互作用，将两基态耦合到同一激发态，当相干双色光频差严格等于两基态跃迁频率时，量子共振系统被制备到CPT态。处于CPT态的量子共振系统对入射光变得透明，不再吸收光。此时探测透射光光强，将出现极窄的CPT共振谱线，该谱线可以用于应用于原子钟、磁强计、量子精密谱等精密测量领域。
以被动型CPT原子钟为例，基于被动型的CPT原子钟，因其不需要微波腔的特点，可以实现小型化甚至芯片化CPT原子钟，是下一代北斗导航、无人机巡航、便携式GNSS接收机、潜艇和水下资源勘测等应用的理想选择。
当前的芯片CPT原子钟通常采用单一圆偏振相干双色光的方案，原子利用率较低，导致CPT对比度偏低(约为1～5％，所述的对比度定义为CPT信号幅度与本底幅度之比)，这在一定程度上限制了CPT原子钟的频率稳定度在E-10τ-1/2的水平。在实际应用中，CPT对比度还有较大的提升空间，以满足需要体积、功耗、重量受限而又更高精度时间的应用，例如微纳卫星组网编队、车载武器、潜艇和水下资源勘测、微PNT等应用。
目前的高性能CPT原子钟，采用较为复杂的垂直线偏振光(lin⊥lin)、推挽式光抽运(PPOP)和双调制(DM)等方案，可以提高CPT信号对比度(≥10％)，短期频率稳定度在E-13τ-1/2的水平。即便如此，因其采用光强变化探测方式存在较大的共模噪声，如激光强度噪声(AM噪声)、激光频率抖动通过吸收谱线转换的幅度抖动引起的幅度噪声(FM-AM噪声)、微波功率噪声等，限制了CPT钟频率稳定度的进一步提升，尚未达到CPT原子钟的散粒噪声极限预测的E-14τ-1/2的水平。另外，因其采用较为复杂的构型和装置，牺牲了CPT钟最大的优点——微小型化。
因而挖掘和提升CPT原子钟的性能极限潜力，使其接近甚至达到散弹噪声极限，同时推进高性能CPT钟的小型化甚至微型化，显得十分必要。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种连续式CPT态制备与差分探测的方法，能够提高CPT原子钟稳定度，同时让装置结构更加紧凑，提高系统可靠性。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种连续式CPT态制备与差分探测的方法，将相干双色光转变为连续的圆偏振光和线偏振光，将圆偏振光作为制备光，与量子共振系统中的87Rb原子发生相互作用，完成第一阶段的CPT态制备；将线偏振光作为探测光，分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光左旋圆偏振光和右旋圆偏振光同时与量子共振系统中的87Rb原子相互作用，与制备光制备的CPT态分别产生相干相长和相干相消的量子干涉效应，得到相干相长和相干相消的CPT信号，两者相减获得差分CPT信号。
本发明提供实现上述方法的一种连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias-Tee、激光器、偏振片、四分之一波片、消偏振分束棱镜、原子气室、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias-Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过第一偏振片转变为线偏振光，线偏振光通过四分之一波片转变为右旋圆偏振的制备光，并由消偏振分束棱镜透射进入原子气室，与87Rb原子相互作用完成CPT态制备；与87Rb原子相互作用后的制备光通过第二偏振片转变为线偏振的探测光，经反射镜反射回来再次进入原子气室，与87Rb原子相互作用后透射至消偏振分束棱镜，经由消偏振分束棱镜，探测光的透射光与制备光空间分离；探测光的透射光经过二分之一波片和偏振分束棱镜，其正交偏振分量得到空间分离，得到两束相干光，两束相干光分别通过第一探测器和第二探测器获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器将两者相减得到差分CPT信号。
所述的四分之一波片的快轴与第一偏振片的偏振方向成-45°夹角。
本发明提供实现上述方法的另一种连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias-Tee、激光器、偏振片、消偏振分束棱镜、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias-Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过偏振片转变为线偏振光，线偏振光入射原子气室，与87Rb原子相互作用，透射的线偏振光经过消偏振分束棱镜空间分离为两束光，一部分透射后通过八分之一波片，被反射镜反射回来，转变为右旋圆偏振光再次进入原子气室与87Rb相互作用；另一部分反射光经过二分之一波片和偏振分束棱镜，其正交偏振分量得到空间分离，得到两束相干光，两束相干光分别通过第一探测器和第二探测器获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器将两者相减得到差分CPT信号。
所述的八分之一波片的快轴和线偏振光偏振方向成-45°夹角。
本发明提供实现上述方法的第三种连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias-Tee、激光器、偏振片、四分之一波片、消偏振分束棱镜、原子气室、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias-Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过偏振片转变为线偏振光，线偏振光经过第一四分之一波片转变为右旋圆偏振光，右旋圆偏振光经过消偏振分束棱镜透射进入原子气室，与87Rb原子相互作用，出射的右旋圆偏振光经过第二四分之一波片再次转变为线偏振光，线偏振光经过第二偏振分束棱镜分为透射的探测光和反射光；反射光依次经过第一反射镜、第二二分之一波片、第二偏振片、第二反射镜、和消偏振分束棱镜后反射进入原子气室与87Rb原子再次相互作用，其中，消偏振分束棱镜、第二偏振分束棱镜、第一反射镜和第二反射镜共同构成了两次同向传播的反射回路系统，由第二偏振分束棱镜透射的线偏振光作为探测光经过二分之一波片和偏振分束棱镜，其正交偏振分量得到空间分离，得到两束相干光，两束相干光分别通过第一探测器和第二探测器获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器将两者相减得到差分CPT信号。
所述的第一四分之一波片的快轴与偏振片的偏振方向成-45°夹角，第二四分之一波片的快轴和第一四分之一波片的快轴相互正交。
本发明提供实现上述方法的第四种连续式CPT态制备与差分探测的系统，包括直流电源、微波信号源、微波耦合器Bias-Tee、激光器、偏振片、四分之一波片、消偏振分束棱镜、原子气室、反射镜、二分之一波片、偏振分束棱镜、探测器和减法器，所述的微波信号源生成的微波信号和直流电源提供的电流通过微波耦合器Bias-Tee耦合后驱动DBR激光器产生波长为795nm的线偏振相干双色光，相干双色光经过偏振片转变为线偏振光，线偏振光经过第二二分之一波片和第二偏振分束棱镜后分为两束线偏振光，其中透射的线偏振光直接进入原子气室与87Rb原子相互作用；另一束反射的线偏振光依次经过第一反射镜、第二反射镜、第一四分之一波片后转变为右旋圆偏振光，经过消偏振分束棱镜反射后再次进入原子气室与87Rb原子相互作用，其中，第二偏振分束棱镜、第一反射镜、第二反射镜和消偏振分束棱镜共同构成了反向传播的反射回路系统，正向传播的线偏振光由消偏振分束棱镜透射后作为探测光经过二分之一波片和偏振分束棱镜，其正交偏振分量得到空间分离，得到两束相干光，两束相干光分别通过第一探测器和第二探测器获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器将两者相减得到差分CPT信号。
所述的第一四分之一波片的快轴与线偏振光成-45°夹角。
所述的微波信号是87Rb原子基态两超精细能级间频差的整数倍，或者是ωhfs/N，N为大于等于2的整数。
本发明的有益效果是：
1.探测光与制备光制备的CPT态会发生相干相长和相干相消的量子干涉效应，可获得电磁感应透明(EIT)形式和电磁感应吸收(EIA)形式的CPT信号。
2.EIT形式和EIA形式的CPT信号相减得到差分CPT信号，利用差分探测可以极大降低相干多色光源中与工作原子无相互作用的失谐光在CPT信号中贡献的本底噪声，有效减小激光频率波动通过吸收谱线转换的幅度噪声(FM-AM)等共模噪声，增加CPT信号对比度，有助于改善CPT原子钟稳定度。
3.仅利用简易的λ/4波片、偏振片、分束棱镜和反射镜等光学组件，实现了时域上连续的单一圆偏振光和线偏振光方案。相比于通过调制得到的在时域上不连续的方案。该申请发明不需要复杂的时序设计，对信号采集卡要求低，还可以用模拟的调制与解调方法来获得高对比度和信噪比的CPT信号。
4.系统多采用无源光学组件代替有源器件构成了一种连续式CPT态制备与差分探测系统的装置。整个系统结构易于小型化甚至芯片化，且可靠性较高，可实现小型化高性能CPT原子钟。
附图说明
图1为本发明提供的连续式CPT态制备与差分探测系统原理流程图；
图2为本发明提供的多种实现连续式CPT态制备与差分探测系统装置图，其中，(a)为的正向圆偏振光和反向线偏振光的反向传播构型系统装置图，(b)为反向圆偏振光和正向线偏振光的反向传播构型系统装置图，(c)为正向圆偏振光和正向线偏振光的同向传播构型系统装置图，(d)为反向圆偏振光和正向线偏振光的反向传播构型系统装置图；
图3为本发明提供的能级构型示意图，其中，(a)为CPT态制备阶段(第一阶段)能级构型图，(b)为CPT态探测阶段(第二阶段)能级构型图；
图4为本发明提供的典型的CPT差分信号示意图，其中，(a)为典型的EIT和EIA信号图，(b)为典型的差分CPT信号图；
图中，1-直流电源，2-微波信号源，3-微波耦合器Bias-Tee，4-激光器，5-第一偏振片，6-第一四分之一波片，7-消偏振分束棱镜，8-原子气室，9-第二偏振片，10-第一反射镜，11-第一二分之一波片，12-第一偏振分束棱镜，13-第一探测器，14-第二探测器，15-减法器，16-八分之一波片，17-第二四分之一波片，18-第二偏振分束棱镜，19-第二二分之一波片，20-第二反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供了一种连续式CPT态制备与差分探测的方法及系统，利用λ/4波片、偏振片、分束棱镜和反射镜等光学组件，分别产生连续的圆偏振和线偏振的相干双色光。圆偏振相干双色光作为制备光，与量子共振系统中的原子发生相互作用，完成CPT态制备。线偏振相干双色光作为探测光，可分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，它们同时与量子共振系统相互作用，与制备光制备的CPT态分别产生相干相长和相干相消的量子干涉效应。差分探测法对探测光的透射光两分量分别进行探测，可以得到相干相长和相干相消的CPT信号，即电磁感应透明(EIT)形式和电磁感应吸收(EIA)形式的信号，两者相减获得差分CPT信号。利用差分探测可以有效降低系统的共模噪声，相比于传统单一圆偏振光方案，其信号对比度和信噪比有一个量级以上的提升，可用于改善CPT原子钟的稳定度；相比于其他高性能的复杂构型，本发明提供了紧凑的装置构型，在体积和功耗上占有优势，且可靠性高，可解决高性能CPT原子钟的小型化和微型化瓶颈。本发明中光与量子共振系统可发生多次相互作用，大幅提升CPT信号对比度，具有共模噪声低、小型化等优点，可应用于高性能CPT原子钟、磁强计、精密光谱等。
本发明提供的一种连续式CPT态制备与差分探测的方法。利用光学组件(分束器1)把相干光源装置产生的相干多色光中的相干双色光转变为连续的圆偏振光和线偏振光。其中，圆偏振光可以是左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光，本实施例以右旋圆偏振光为例。右旋圆偏振光作为制备光，与量子共振系统中的87Rb原子发生相互作用，完成第一阶段的CPT态制备。
线偏振光作为探测光，可分解为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光它们同时与量子共振系统中的87Rb原子相互作用，与制备光制备的CPT态分别产生相干相长和相干相消的量子干涉效应。
其中，系统中的右旋圆偏振光(线偏振光)是线偏振光(右旋圆偏振光)经过由分束器1和分束器2等光学组件构成的反射回路获得的。所述方法中获得的探测光与制备光在量子共振系统中空间上重合，并且两束光可同向或反向传播，其传播方向取决于光学组件的设置。根据两束光同向或者反向传播，先线偏振光后右旋圆偏振光或者先右旋圆偏振光后线偏振光的不同，由所述的分束器1和分束器2等光学组件可以构成的四种常见的反射回路，如图2中的(a)～(d)所示。
经由分束器，探测光通过量子共振系统的透射光与制备光空间分离。该空间分离的探测光的透射光，再经过另一偏振分束器被分离为正交偏振分量，利用平衡探测器对两分量分别探测并对其信号采集和处理，可以得到相干相长和相干相消的CPT信号，即电磁感应透明(EIT)形式和电磁感应吸收(EIA)形式的信号，两者相减获得差分CPT信号。
本发明提供了多种连续式CPT态制备与差分探测的系统，其一如图2(a)所示，微波信号源2生成的3.417GHz的微波信号和直流电源1的电流通过微波耦合器Bias-Tee 3耦合后驱动DBR激光器4产生波长为795nm的线偏振相干多色光。其中微波信号源2生成的微波信号可以是87Rb原子基态两超精细能级间频差(ωhfs)的整数倍，也可以是ωhfs/2，ωhfs/3，ωhfs/4…，本实施例取ωhfs/2，即3.417GHz。因为激光器采用的是ωhfs/2直接调制，故生成的相干多色光中只有±1级边带光才是所需的相干双色光(激光器的输出光是相干多色光，相干双色光包含在多色光之内，只有双色光才会与87Rb原子相互作用，多色光中的其他成分作为背景光存在，对于实验没有贡献。)。双色光经过第一偏振片5转变为线偏振光并可调节其光强大小，所述产生相干线偏振光的部分称为线偏振相干双色光源子系统。
其中，第一四分之一波片6的快轴与第一偏振片5偏振方向成-45°夹角。线偏振光通过第一四分之一波片6转变为右旋圆偏振的制备光，并由消偏振分束棱镜7透射进入原子气室8与87Rb原子相互作用完成CPT态制备。与87Rb原子相互作用后的制备光通过第二偏振片9转变为线偏振的探测光，经第一反射镜10反射回来再次进入原子气室8与87Rb原子相互作用。
为了便于描述，把圆偏振相干双色光(制备光)和87Rb原子相互作用制备CPT态的过程称为第一阶段；把线偏振相干双色光(探测光)87Rb原子发生相互作用并发生相干相长与相干相消的量子干涉效应的过程称为第二阶段。
在第一阶段中，如图3(a)所示，以制备光为右旋圆偏振相干双色光为例，它将两基态|1>和|2>耦合到共同的激发态|3>，即形成一个“Λ”构型的CPT共振。当相干双色光的频差严格等于87Rb原子基态两超精细能级的间距(ωhfs)时，原子体系被制备到CPT态，即原子布居囚禁在基态上，亦称为相干暗态，不再吸收入射光，表现为透射增强，此时完成第一阶段的CPT态制备。
在第二阶段中，如图3(b)所示，线偏振相干双色光(探测光)与87Rb原子体系发生相互作用。线偏振的探测光可分解为左、右旋圆偏振分量，它们同时与量子共振系统相互作用，分别组成两个“Λ”构型的CPT共振，即和由相关量子跃迁的Clebsch-Gordan系数和相干双色光的偏振方向可知，两个“Λ”构型制备的CPT态相位相反。因此探测光的右旋圆偏振分量与右旋圆偏振的制备光制备的CPT态产生相干相长的量子干涉效应，即电磁感应透明(EIT)；而左旋圆偏振分量则产生相干相消的量子干涉效应，即电磁感应吸收(EIA)。
所述的量子共振系统包含两基态到两激发态的“ΛΛ”型CPT共振能级结构，采用H、Li、Na、K、Rb、Cs、Hg+、Ca+、Yb+、Ba+或C-60粒子；粒子处于气态热原子、气态冷原子、气态原子束、离子、分子或等离子体状态。所述的量子共振系统采用被动CPT。量子系统与相干双色光的相互作用区间长度远小于钟跃迁波长。
经由消偏振分束棱镜7，探测光通过量子共振系统的透射光与制备光空间分离。经过第一二分之一波片11和第一偏振分束棱镜12，空间分离的探测光的透射光，其正交偏振分量得到空间分离。通过第一探测器13和第二探测器14分别探测分离后的两束相干光，可获得相干相长和相干相消的CPT信号，利用减法器15将两者相减得到差分CPT信号。以上所述的分离空间光偏振分量并进行差分探测得到差分CPT信号的过程称为差分探测子系统。
圆偏振的制备光和平行线偏振的探测光可以是独立的光源，也可以是同一光源。当制备光与探测光为同一光源时，第一次进入量子共振系统的光可以是制备光也可以是探测光；两束光可以是同向传播也可以反向传播；其中一束光(探测光或制备光)可以利用分束器或反射镜或其组合，作用于另一束光(制备光或探测光)来产生。
探测光与制备光在空间重合条件下，可以多次通过量子共振系统，与其多次发生相互作用，增加量子共振系统的利用效率，提升CPT信噪比。
探测光与制备光在空间重合条件下，可以多次通过量子共振系统，与其多次发生相互作用，增加量子共振系统的利用效率，提升CPT信噪比。
获得的钟跃迁差分CPT信号应用于CPT原子钟，非钟跃迁差分CPT信号应用于原子磁强计，钟跃迁差分CPT信号和非钟跃迁差分CPT信号都能够应用于原子光谱精密测量。
本发明提供了第二种连续式CPT态制备与差分探测的系统，如图2(b)所示，其线偏振相干双色光源子系统和差分探测子系统与图2(a)所述的子系统完全相同。所述的线偏振相干双色光源子系统产生的线偏振光作为入射光进入原子气室8与87Rb原子相互作用。透射的线偏振光经过消偏振分束棱镜7空间分离为两束光，一部分透射后送入八分之一波片16和第一反射镜10反射回来再次进入原子气室8与87Rb相互作用，其中，八分之一波片16的快轴和线偏振光偏振方向成-45°夹角，经过两次后八分之一波片16转变为右旋圆偏振光，再次进入原子气室8与87Rb相互作用。另一部分反射光进入由第一二分之一波片11、第一偏振分束棱镜12、第一探测器13、第二探测器14和减法器15共同组成的差分探测子系统完成差分探测，获得差分CPT信号。
其中图2(b)中圆偏振相干双色光(制备光)和87Rb原子相互作用制备CPT态和线偏振相干双色光(探测光)87Rb原子发生相互作用并发生相干相长与相干相消的量子干涉效应的过程和图2(a)中所述的制备CPT态的第一、二阶段相同。
相比于图2(a)中正向传播的圆偏振光和反向传播的线偏振光构型，所述的图2(b)中不同之处在于该系统采用的是正向传播的线偏振光与反向传播的圆偏振光构型。所述的图2(b)方案为图2(a)的可替代优选方案之一。
本发明提供了第三种连续式CPT态制备与差分探测的系统，如图2(c)所示，其线偏振相干双色光源子系统和差分探测子系统与图2(a)所述的子系统完全相同。所述的线偏振相干双色光源子系统产生的线偏振光经过第一四分之一波片6转变为右旋圆偏振光，其中，第一四分之一波片6的快轴与第一偏振片5的偏振方向成-45°夹角。右旋圆偏振光经过消偏振分束棱镜7透射进入原子气室8与87Rb原子相互作用。出射的右旋圆偏振光经过第二四分之一波片17再次转变为线偏振光，其中，第二四分之一波片17的快轴和第一四分之一波片6的快轴相互正交。线偏振光经过第二偏振分束棱镜18分为透射的探测光和反射光。反射光依次经过第一反射镜10，第二二分之一波片19，第二偏振片9，第二反射镜20和消偏振分束棱镜7后反射进入原子气室与87Rb原子再次相互作用。其中，消偏振分束棱镜7，第二偏振分束棱镜18，第一反射镜10和第二反射镜20共同构成了两次同向传播的反射回路系统。此时正向传播的右旋圆偏振光和正向传播的线偏振光两次与与87Rb原子相互作用完成制备CPT态的第一、二阶段。所述的由第二偏振分束棱镜透射的线偏振光作为探测光直接进入和图2(a)中相同的差分探测子系统完成差分探测，获得差分CPT信号。
相比于图2(a)中正向传播的圆偏振光和反向传播的线偏振光构型，所述的图2(c)中不同之处在于该系统采用是圆偏振光和线偏振光同向传播的构型。所述的图2(c)方案为图2(a)的可替代优选方案之一。
本发明提供了第四种连续式CPT态制备与差分探测的系统，如图2(d)所示，其线偏振相干双色光源子系统和差分探测子系统与图2(a)所述的子系统完全相同。所述线偏振相干双色光源子系统产生的线偏振光经过第二个二分之一波片19和第二偏振分束棱镜18后分为两束线偏振光。透射的线偏振光直接进入原子气室8与87Rb原子相互作用；另一束反射的线偏振光依次经过第一反射镜10，第二反射镜20，第一四分之一波片6后转变为右旋圆偏振光，经过消偏振分束棱镜7反射后再次进入原子气室8与87Rb原子相互作用，这里的第一四分之一波片6的快轴与线偏振光成-45°夹角。其中，第二偏振分束棱镜18，第一反射镜10，第二反射镜20和消偏振分束棱镜7共同构成了反向传播的反射回路系统。此时，正向传播的线偏振光和反向传播的右旋圆偏振光两次与87Rb原子相互作用完成制备CPT态的第一、二阶段。所述的正向传播的线偏振光由消偏振分束棱镜7透射后作为探测光直接进入和图2(a)中相同的差分探测子系统完成差分探测。
相比于图2(a)中正向传播的圆偏振光和反向传播的线偏振光构型，所述的图2(d)中不同之处在于该系统采用的是正向传播的线偏振光和反向传播的圆偏振光构型。所述的图2(d)方案为图2(a)的可替代优选方案之一。
图4是采用实施例图2(a)中的装置获得的典型CPT差分信号。从图4(a)和(b)中可以看出，相比于EIT形式的相干相长CPT信号和EIA形式的相干相消CPT信号，两者相减获得的差分CPT信号具有更高的信号幅度和信噪比，同时对AM、FM-AM等共模噪声抑制作用明显，有利于改善CPT原子钟的性能。
区别于平行线偏振光中“ΛΛ”型发生相干相消而不能制备CPT态的情况，本发明采用稳定性较高的无源光学组件代替有源调制器创新性地构建了时域上连续的右旋圆偏振光和线偏振光两次与87Rb原子相互作用的方案。本发明实现了前后两次CPT态的相干相长和相干相消，再结合差分探测法可得到差分CPT信号。该方法不需要时序设计，对数据采集卡输出端的要求较低。且相比于调制器，无源的光学组件稳定性更高。本发明不仅可以大幅度消除相干多色光中失谐光对CPT信号本底噪声的贡献，也有效抑制激光幅度噪声(AM)和激光频率波动通过吸收谱线转换的幅度噪声(FM-AM)等共模噪声，增加CPT信号对比度，有助于提高CPT原子钟性能，可应用于小型化甚至芯片化的CPT原子钟。
综上所述，以上所述仅为本发明的最佳实施例，并不用于限制本发明的适用范围。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，同等替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
