基于相干濾波和相干布居數(shù)囚禁原理的激光原子鐘

汪中，陳景標(biāo)

(北京大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系，北京 100871)

0 引言

原子鐘是提供時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)的精密儀器設(shè)備，并正在科研領(lǐng)域、國(guó)防建設(shè)，乃至人民日常生活中起到越來越重要的作用。一般原子鐘的工作原理[1]是將一個(gè)微波頻率或光波頻率與探測(cè)到的工作原子的一個(gè)穩(wěn)定的能級(jí)躍遷頻率鎖定，使得這個(gè)微波頻率或光頻率與作為基準(zhǔn)的原子能級(jí)躍遷頻率相等，并將基準(zhǔn)頻率轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)奈⒉l率作為原子鐘輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率。這種情況下，原子鐘的重要指標(biāo)，即輸出的標(biāo)準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定性不僅依賴于工作原子本身對(duì)應(yīng)的躍遷能級(jí)頻率間隔的穩(wěn)定性和躍遷譜線寬度，而且很大程度上依賴于對(duì)躍遷譜線峰值的探測(cè)以及伺服電路的鎖定精度和噪聲水平。

而我們所建議的方案是針對(duì)原子鐘標(biāo)準(zhǔn)頻率的提取和鎖定機(jī)制所提出的，其目的是避免輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率的穩(wěn)定性受到鎖定電路和探測(cè)方法的影響。具體做法是：基于相干布居數(shù)囚禁[2](CPT)效應(yīng)對(duì)激光器增益的調(diào)制現(xiàn)象，利用增益峰值將激光模式自動(dòng)鎖定，使其頻率間隔穩(wěn)定的等于工作原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)的躍遷頻率。本文的思路是通過上述原理，用增益牽引的物理機(jī)制將激光輸出模式自動(dòng)鎖定在相干布居數(shù)囚禁現(xiàn)象產(chǎn)生的兩個(gè)透過峰峰頂，使輸出激光的兩個(gè)模式的頻率差嚴(yán)格等于工作原子的基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的躍遷頻率，此時(shí)兩個(gè)激光縱模的拍頻即為原子鐘的輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率。……