The atomic clock using a vapor cell is appropriate for many applications because it has simple, compact, and stable characteristics. The atomic clock is realized by the use of the atomic transitions between the ground state hyperfine levels. The two approaches have been used to implement a vapor cell atomic clock. One is the microwave-optical double resonance (MODR) technique and the other is the coherent population trapping (CPT) technique. We propose a pulsed optically pumped $(POP)^{87}$Rb atomic clock using a laser absorption in MODR technique and a carrier mode suppression of a phase modulated beam using an optical cavity in CPT technique.
We report an optical detection approach instead of the detection of a microwave decay method in a $(POP)^{87}$Rb vapor cell atomic clock for its compact setup. We present the data processing method which transfors the optical transmission signal into the clock transition signal in the optical detection approach. We obtained the FWHM of the clock transition signal which is 293 Hz by this data processing method when the microwave interrogation time $t_{m}$ is 3 ms and microwave power is -4 dBm. The line broadening of the clock transition signal versus the microwave interrogation time for the respective microwave optimum power was measured. In order to estimate the tolerance of the temperature variation of the temperature stabilization servo, we measured the fractional frequency stability versus temperature variation which is $6.6\times10^{-10} / \degC$. The measured frequency stability of our $(POP)^{87}Rb atomic clock was $2 \times10^{-11}$ $\tau_{\frac{-1}{2}}$ and the short-term stability could be improved by employing the more stable laser system and the more precise data processing method. And to enhance the long-term stability, the temperature variations of the laser diode and the components of the electronic systems should be greatly reduced.
We adopted an electro-optic modulator (EOM) approach to produce a phase-coherent laser beam, where the driving frequency of the EOM is half the hyperfine splitting of the $^{87}Rb$ ground state. Using the coherent side modes, we observed a CPT resonance signal from a rubidium vapor cell. However, the phase-coherent laser beam produced by the EOM operating at 3.4 GHz has a strong carrier mode which makes the light shift and deteriorate the S/N ratio of the CPT signal. In this work, to suppress the undesired strong carrier mode of the phase-modulated beam, a method using a Fabry-Perot (F-P) cavity as an optical filter is proposed. The intensity of the carrier mode is reduced by 70% using the F-P cavity without significant loss of the two first-order side modes. In this way, we could improve the contrast of the CPT signal by a factor of 1.4.
We believe that our techniques in the POP scheme and the CPT scheme can be used in a vapor cell atomic clock with its simplicity and for the enhancement of short-term stability of an atomic clock.
원자시계는 과학 기술 분야에서는 근본적인 물리 상수 측정, 상대론 검증, 정밀 분광학, 그리고 천체물리학 등을 구현하게 할 뿐만 아니라, 통신회사, 군사체계, 그리고 네비게이션 시스템 등에서 다양하게 이용되고 있다. 증기셀을 이용한 원자시계는 그 크기가 작고 구동이 간편하고 안정성이 좋아서 사용이 증대되고 있는데, 증기 셀을 이용한 원자시계는 크게 두가지 방식으로 구현되어 왔다. 그 중 하나는 광-마이크로파 이중 공명 방식 (MODR)이고 다른 하나는 결맞음 밀도 포획 (CPT) 방식 이다. 우리는 광-마이크로파 이중 공명 방식에서 레이저 흡수방식으로 펄스형 광펌핑을 이용한 루비듐 원자시계를 구현하였으며, 또한 결맞음 밀도 포획 방식에서 위상 결맞는 빛을 만드는 과정에서 불필요한 위상 변조된 빛의 주 모드를 광 공진기를 사용하여 제거하였다.
우리는 펄스형 광펌핑을 이용한 루비듐 원자시계를 구현하기 위해서 기존의 마이크로파 감소 측정 방식 대신에 레이저의 흡수 방식을 사용함으로써 장치를 소형화 시킬 수 있었다. 레이저 투과 신호를 시계 전이 신호로 변환 시켜주는 방식을 제안하였고, 마이크로파의 최적세기에서 마이크로파와 원자의 상호작용 시간을 바꾸어가며 시계전이선의 선폭이 커지는 것을 측정하였다. 또한 원하는 시계 안정도를 얻기 위해 필요한, 허용 가능한 온도 변화의 한계를 측정하여 온도 안정화 회로에 적용시켰다. 온도에 따른 상대 주파수 안정도는 $6.6\times10^{-10}/\degC$로 측정 되었다. 우리가 제작한 레이저 흡수방식을 사용한 원자시계의 성능은 $2 \times10^{-11}$ $\tau_{\frac{-1}{2}}$ 의 주파수 안정도를 보였다. 안정된 레이저 시스템을 사용하고 데이터 처리 방식을 개선하면 원자시계의 단기 안정도는 더 좋아질 것으로 기대한다. 또한 장기 안정도를 개선하기 위해서는 레이저 다이오드와 전자 장치들의 온도변화를 줄여야 한다.
우리는 전자-광 변조기에 의해 생성된 부 모드를 사용하여 루비듐 증기 셀에서 결맞음 밀도 포획에 의한 공명 신호를 얻었다. 이때 전자-광 변조기에 의해 생성된 강한 세기의 주 모드는 원자의 에너지 준위를 이동시키고 요동치게 만들기 때문에 결맞음 밀도 포획에 의한 공명 신호의 신호대 잡음비를 떨어뜨린다. 따라서 우리는 광 공진기를 필터로 사용하여 불필요한 주 모드를 제거 하는 방식을 제안하였다. 이 방식을 통해 부 모드의 세기는 변하지 않는 상태에서 주 모드의 세기는 70% 감소하였으며 이로 인해 결맞음 밀도 포획에 의한 공명 신호의 contrast를 1.4배 증가시켰다.
우리는 광-마이크로파 이중 공명 방식과 결맞음 밀도 포획 방식에서 각각 제안된 방법들이 장치를 소형화 하고 원자 시계의 단기 안정도를 향상 시키는데 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
