基于偏振选择探测的双调制高性能CPT原子钟研究

For the applications in a harsh circumstance, e.g., global navigation satellite system, deep space navigation, micro/nano-satellite navigation, etc, the coherent population trapping (CPT) clock, the only atomic clock fabricated to a chip scale at present, becomes a key breakthrough for the next generation satellite atomic clock due to its superiority on the reliability, size, weight, power consumption. Providing the compactness and low power consumption of the CPT clock, boosting its frequency stability to the shot-noise limitation is highly desired..This project will continue to study the double-modulation CPT atomic clock, and explore its limitation on the frequency stability, as well as the methods for miniaturization. With a novel configuration: polarization-selective detection the double-modulation CPT, we expect to increase the CPT contrast by a factor of 6, and boost its short-term frequency stability by 3 times at least to the level of 1E-13τ^(-1/2) (1~100s). In addition, by directly modulating a narrow linewidth semiconductor laser with giga-hertz microwave to produce a high-coherent bichromatic laser, we can shrink the atomic clock to a miniaturized level. Based on these methods, we can implement a high-performance CPT clock, which could be applied to the next generation miniaturized satellite atomic clock. Moreover, the micro-fabrication compatible design, would be a guide for chip-scale and high-performance atomic clock in a self-contained micro-technology for positioning, navigation, and timing system.

目前唯一实现芯片化的相干布局囚禁(CPT)原子钟，在全球卫星导航、深空导航、微纳卫星导航等苛刻环境的应用中，因其在可靠性、体积、重量、功耗方面的优势成为新一代星载原子钟研究热点。在保持CPT原子钟小型化前提下，提升其频率稳定性以接近散弹噪声极限是急需研究和解决的关键科学问题。.本项目将继续研究基于双调制的CPT原子钟系统，探索其频率稳定度极限和小型化方法。针对传统CPT对比度较低问题，提出偏振选择探测的双调制CPT原子钟新方案，在窄线宽条件下将其对比度提高6倍以上，使其短稳至少提升3倍，达到甚至优于1E-13τ^(-1/2) (1~100s)。针对高性能CPT原子钟难以小型化问题，提出基于微波直接调制的窄线宽激光器实现紧凑的相干双色光源。该方案研制的CPT原子钟，可望成为下一代星载高性能小型化原子钟。同时其微型化方案，将为自主式微型定位导航授时系统核心部件提供技术支撑。

目前唯一实现芯片化的相干布局囚禁(CPT)原子钟性，在全球卫星导航、深空导航、微纳卫星导航等苛刻环境的应用中，因其在可靠性、体积、重量、功耗方面的优势成为新一代星载原子钟研究热点。本项目针对现有芯片钟频率稳定性较低问题，基于双调制CPT构型，采用多种提升CPT 钟跃迁信号信噪比的原创方法，研究实现高性能小型化CPT原子钟的科学问题和关键技术。.主要研究内容如下：1）超低噪声微波频综。2）小型化相干双色光光源。3）高对比度双调制CPT构型。4）差分探测的双调制CPT构型。5）基于直接调制DBR激光器的小型化高性能CPT原子钟。.重要成果为：1） 搭建了高性能CPT原子钟研究平台，研究了高对比度的双调制CPT构型，同时原创性地提出了差分探测的双调制CPT原子钟，并申请了中国发明专利。2）搭建了高性能CPT原子钟需要的超低相噪微波频率综合器，为实现高性能小型化CPT原子钟奠定坚实基础。3）建立多能级原子体系与双色光的相互作用理论模型，分析影响CPT对比度的关键参数。实现原子钟闭环锁定，分析并抑制相关噪声，探索其频率稳定度极限。4）基于微波直接调制窄线宽激光器实现紧凑的相干双色光源，成功研制高性能CPT原子钟，获得国际一流的短期频率稳定度指标：3.5 E-13 τ^(-1/2)，（1s≤τ≤20s）。其具备的小型化甚至微型化优势，展示了高性能CPT原子钟在小型化方面的应用潜力，为国家自主微型PNT系统核心部件提供了核心支持。