PDF《曹远洪,何庆,杨林》

1、 ω R2 分别为|1〉 、| 2〉 到|3〉 的Rabi 频率.当抽运激光出现小的失谐量δυ时,| 3〉 能级的原子密度为[3] ρ

33 = ( ω R / 2Γ

2 ) (

1 +

2 δ ′μ μ ′) ( 2) 式中,ωR为低能到高能级(激发态)的Rabi 频率,Γ为自发辐射和碰撞引起的激发态衰减率,δ′μ μ ′ 为基态超精细跃迁密度矩阵非对角元的实部.CPT 钟共振时原子荧光辐射为暗态,对应透射光为亮态,但激光频率在CPT 共振频率附近扫描时,检测透射光强可得到如图2所示的CPT 信号.图2透射光中的CPT 信号Fig.2 The CPT signal in light transmission 图2中,大的吸收线对应于基态和激发态的跃迁,中间的小吸收峰则对应CPT 共振亮态,其线宽非常窄,一般在几百赫.这 个CPT 共振峰则用来作为原子钟的频率参考,可以得到高精度的频标信号.2.2 CPT 钟原子钟一般由样品原子系统(又称为量子物理系统)、产生激励外场和检测钟跃迁信号的电子学系统构成.同 样地,CPT 钟也主要由量子物理部分和电子学系统组成,简化的原理框图如图3所示.图3CPT 钟原理框图Fig.3 The principle diagram of CPT clock 根据图3, CPT 钟的量子物理系统包括VCSEL 激光光源、四分之一玻片、容纳铷或铯样品原子的吸收泡、光电池;

其电子学系统则由锁定VCSEL 的伺服环路和锁定VCXO 的伺服环路组成.其 中前者的锁定参考信号为基态到激发态的多普勒吸收峰,同步调制与解调信号在几十千赫量级;

后者的锁定参考信号则为CPT 共振信号,同步调制与解调信号在几十赫量级.产 生相干囚禁的两束激光一般采用对同一束激光进行深度调制而得到的两个边带来实现.在 CPT 钟的研究过程中需要重点关注的参数有CPT 钟输出频率稳定度、CPT 共振信号对比度(Contrast) 、 CPT 共振信号线宽、频移机制.其 中,频率稳定度是CPT 钟最主要的指标,其表达式为[4] ・

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1 ・ www. teleonline. cn 电讯技术2010 年σ(τ)= K

4 υ hf e I bg Δ υ Cτ -1/2 ( 3) 式中,K 是调制类型有关的常数,νhf 是超精细结构中心频率,C 为对比度即信号强度与背景强度的比值,e为电子的电量,Ibg 为背景电流强度.根 据式(3) 可知,要提高频率的稳定度,必须减小共振线的线宽Δν和背景电流,以及增大对比度C.CPT 共振信号对比度是为CPT 共振与背景电流比值,它 对CPT 共振的量子跃迁机制和原子密度有关.CPT 共振信号线宽是表征这个共振展宽特性的物理量,可表示为[4] Δ υ

1 2 = ( γ

2 + ω R /Γ )/π ( 4) 式中,γ2为原子基态相干驰豫率,ωR为表征荧光辐射强度的Rabi 频率.因 此,采用在吸收泡中充入缓冲气体来减小原子驰豫率,从而减小原子线宽.但 是,缓冲气体的加入会使原子频率偏离中心频率,原因是,缓冲气体分子与原子发生频繁的碰撞,对原子的电子运动状态的波函数产生一些扰动,从而使得能级产生微小的移动.同 时,CPT 钟工作时需要将原子加热到气化状态,也会产生碰撞频移,这两个频移可以用公式表示[5] Δ υ = P( β +δ Δ T +γ Δ T2 ) ( 5) 式中,β为充入氮气等缓冲气体气压系数,δ为与温度相关的线性比例系数,γ为与温度二次关系的系数.由 式(5) 可知,要减小碰撞频移,必须对吸收泡采取恒温措施,同时要选择合适的缓冲气体的压强.另外,使原子偶极矩发生空间取向变化而为钟跃迁提供量子化轴的C场及其它环境静磁场会导致原子参考频率产生一个较小的频率移动,这个频移量(Hz) 为[4] Δ υ B =