椭圆偏振光对CPT原子频标的影响

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CPT原子频标是一种利用激光与原子的三能级系统相互作用产生的相干布居囚禁机制实现的一种具有高精度、小体积、低功耗且计时准确的高精度计时工具。由于其具有简单的结构、较高的频率稳定度及精准度等优点,在国防、商业、民用等多种领域均有较高的应用价值。CPT原子频标的光学部分采用λ/4波片实现将线偏振激光转换成圆偏振光。然而在实际应用中,由于仪器精度等原因可能会出现光偏振方向与波片的光轴夹角偏离45°的情形,而使得激光通过波片后将被转换为椭圆偏振光。由于CPT原子频标对激光的偏振和激光强度等参量的改变具有一定程度的依赖性,其稳定度及准确度会受到激光性能的影响。因此,本论文以量子光学中的原子跃迁理论为基础,采用半经典密度矩阵的方法研究原子与光场间的相互作用,并通过数值模拟的方法,运用Mathematica软件绘制能够反映输出信号的二维及三维图形以便观察及具体分析,从而研究激光不同的椭圆偏振及各参量对CPT原子频标输出信号的影响。本文首先介绍了所涉及到的基本的理论基础,包括原子与光场相互作用的哈密顿量,偶极近似,椭圆偏振光,∧-型三能级原子的相干布居囚禁现象,∧-型三能级原子的密度矩阵方程,拉比频率及CPT原子频标的工作原理及基本结构等,然后研究了椭圆偏振光对以87Rb原子、133Cs原子为工作原子的CPT原子频标在射频场磁感应强度为零(B_=0)及不为零(B_≠0)两种情况的影响,并展开分析与讨论。研究结果表明:(1)在磁感应强度为零时,椭圆偏振光的强度、椭偏角的大小等各参量的改变,会引起CPT原子频标输出的荧光信号和微波信号强度的改变;(2)在磁感应强度不为零时,若激光强度等参量均不改变,只引入外加磁场,CPT原子频标输出信号的强度随磁感应强度的增大而明显降低;(3)如果外加磁场存在,椭圆偏振光的强度、椭偏角等各参量的改变同样会引起输出信号的变化。论文的研究结果对CPT原子频标进一步深入研究和其性能的优化具有一定的参考价值。
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