利用法拉第效应和脉冲微波调制实现的Ramsey-CPT原子钟方案探索

The coherent population trapping (CPT) atomic clock not only has the advantages of small size and low power consumption, and keeps the advantage of high precision of atomic clocks. As a compact frequency reference with high accuracy, CPT atomic clock has been used and could find application extend. However, the scheme popularly employed for CPT atomic clocks has the shortcoming of strong background noise with CPT signal. If this shortcoming could be overcome, the performance of the atomic clock could be considerably improved. We propose a scheme which utilizes Faraday effect to eliminate the background noise, and introduces the Ramsey interference technology with the pulsed microwave modulation to obtain the narrower linewidth frequency discriminating signal. Through implementing the project, we will realize the discriminating signal with higher signal-to-noise ratio and narrower linewidth, and then apply this signal to lock the Ramsey-CPT atomic clock. Furthermore, we will study the related scientific mechanism, and predict the potential for atomic clock performance improvement.

CPT原子钟具有体积小、功耗低的优点，又保持原子钟精度高的优势，作为小型高精度频率源已经获得应用，其应用范围正在迅速扩展。然而，目前流行的CPT原子钟实现方案存在信号背景噪声强的缺点，如果能对此作出有效改进，可望获得性能更好的CPT原子钟。我们设计了一种CPT原子钟方案，该方案利用法拉第效应消除背景噪声，还将采用脉冲微波调制实现的 Ramsey干涉获得更窄的微波频率鉴频信号。本项目将开展该方案的实验研究，获得比流行方案所获CPT信号信噪比更高、线宽更窄的鉴频信号，并以此实现闭环锁定的Ramsey-CPT原子钟。此外，本项目还将对该方案所涉及的相关科学问题开展研究，从机理上对原子钟频率稳定度改善潜力作出科学预测。

CPT原子钟是一种小体积、低功耗和高精度的时间频率源，在微型导航定位授时终端、微小卫星和单兵作战系统等方面具有极大应用前景。当前CPT原子钟输出频率精度有一定改善空间，本项目就是开展这方面研究，旨在提出一种创新方案提高当前CPT原子钟输出频率精度，扩展其应用领域。.我们针对当前CPT原子钟方案存在的背景噪声大和线宽较宽的缺点，提出了利用法拉第效应消除CPT信号背景噪声，并采用脉冲微波调制实现的Ramsey干涉获得更窄的微波频率鉴频信号的新方案。利用新方案获得了信噪比更高的CPT信号以及线宽更窄的鉴频信号，并以此实现了闭环锁定的Ramsey-CPT原子钟。项目的主要研究内容包括Ramsey-CPT谱线宽与磁场强度关系，Ramsey-CPT谱信噪比，Ramsey-CPT谱光频移。. 通过项目实施，我们取得了如下重要成果：开展了连续椭圆偏振光与原子CPT共振的机理和实验研究，获得的CPT信号信噪比相比流行圆偏振光与原子CPT共振所获信号改善3倍，研究结果发表在Europhysics Letters 119(2)，2017；研究了左旋、右旋圆偏振光同时与原子CPT共振产生的CPT信号特性，并实验测量了应用该方案实现的原子钟短期频率稳定度，1s频率稳定度测试结果首次进入负11水平，研究结果发表在Review of Scientific Instruments, 88(11),2017；利用开关输入VCSEL激光器的微波实现Ramsey-CPT干涉，该技术可以取代常用的光开关AOM，从而有潜力实现小型化甚至微型化Ramsey-CPT原子钟，同时利用开关输入VCSEL激光器的电流实现Ramsey-CPT干涉，两种技术获得的鉴频信号线宽低至流行方案所获CPT信号的1/5，相关技术已申请了中国发明专利；利用法拉第效应方案只探测垂直分量，大部分光信号被偏振分析仪阻断，包括信号中VCSEL输出多色光中的无用光频，因而降低了信号中的激光功率噪声和散弹噪声，所获鉴频信号信噪比高于流行方案所获CPT信号至少5倍。. 所获研究成果为改善流行CPT原子钟频率稳定度提供了重要参考，同时促进了CPT原子钟理论研究的发展，例如光频移问题，法拉第效应的内在机理问题等。研究成果未来有较大可能性应用于芯片原子钟产品，扩展其应用领域。