双微波光子跃迁在POP铷原子频标中的应用研究

POP rubidium atomic clock based on the separation of the laser pumping, Ramsey interogation, and light detection eliminates the light-shift and cavity pulling shift, with a better long-term stability, making it a new candidate for on-board atomic clock. In this project, the two microwave photon transition will be first applied to POP rubidium atomic clock research, eliminating the positive frequency shift induced by buffer gas, greatly improving the accuracy, while reducing the impact of the stray magnetic field.This project uses a combination of theoretical and experimental methods, theoretically, in the rotating wave approximation, using the density matrix method of research the influence of two microwave photon transition frequency shift, phase, and detuning on POP rubidium atomic clock stability. Experimently, a new microwave cavity for dual microwave photon transition will be developed; the two microwave photon transition shift will eliminates the buffer gas shift, a better accuracy will be expected. Through the implementation of the project will enrich the types of POP rubidium atomic clock, and master features dual microwave photon transition.

POP铷原子钟采用时间上分离的激光脉冲抽运、Ramsey微波脉冲激励、光探测方案消除了光频移和腔牵引频移，获得更好的中长期稳定度，成为新型星载铷原子钟的技术储备。本项目率先将双微波光子跃迁技术应用于POP铷原子钟研究，抵消缓冲气体产生的正频移，从而可以大大提高其准确度，同时减小杂散磁场对原子钟的影响。本项目采用理论和实验相结合的方法，理论上，在旋转波近似下，采用密度矩阵方法，对双微波光子跃迁的频移、相位、以及失谐等对POP铷原子钟稳定度的影响进行研究。实验上，研制用于双微波光子跃迁的新型微波谐振腔，在与微波场谐振的同时，允许射频场的渗入；研究双微波光子跃迁频移与缓冲气体频移抵消时，POP铷原子钟的准确度。通过项目执行将丰富POP铷原子钟的种类，掌握双微波光子跃迁的特性。

本文研究了双微波光子跃迁在POP铷原子钟的应用，即将铷原子基态F=1,mF=-1到F=2,mF=1双微波光子跃迁应用于脉冲激光抽运、微波分离场与原子共振作用、及原子吸收信号光探测的POP铷原子钟。完成了项目研究内容，突破了关键技术，获得了双微波光子跃迁探测信号和Ramsey条纹，实现了原理样机的初步锁定。. 本项目，申请发明专利1项，正在写的发明专利1项；发表论文4篇，其中SCI收录2篇；培养了硕士2名，主要成果有：. 1）对缓冲气体引起的Doppler增宽和碰撞频移规律进行了研究，采用氩气和氮气作为缓冲气体，研究了缓冲气体比例对温度系数和原子钟信噪比的影响，获得了合适的缓冲气体比例；2）为实现双微波光子与原子相互作用，设计完成了新型双波长微波腔，使微波腔与铷原子双微波跃迁的微波场共振，同时允许射频场的通过。该微波谐振腔可以用于POP铷原子钟；3）设计研制频率和功率稳定可靠的小型激光系统，实现了激光的连续锁定以及原子钟的光抽运和光探测；4）在中心原子区域内实现了地磁场的屏蔽，屏蔽后磁场均匀度优于0.05%；5）研制了时序电路实现了POP铷原子钟的工作时序；研制了物理装置的控温电路，实现了铷泡的精确控温。