中文摘要：

本项目拟研究一种新的实现原子钟的方法。这一新方法基于相干布局数囚禁（CPT）失谐瞬态振荡现象。近期研究发现，在相干布局数囚禁中，当两个泵浦光频率差与基态二能级频率差有一个小失谐时，能级粒子数达到平衡之前会有一个瞬态驰豫振荡，其振荡频率严格等于两个泵浦激光的频率差相对于CPT基态二能级频率间隔的失谐频率。用两个泵浦激光的频率差与获得的CPT失谐瞬态振荡频率相加，即得到我们需要的原子钟标准频率。与传统原子钟相比较，本项目提出的新型原子钟方案具有以下优点，它不需要锁定微波源，因而不需要锁定电路。这可以大大简化原子钟结构，同时消除了锁定电路带来的不稳定因素，对微波源的稳定性要求也明显降低了。这一新型原子钟方法还将使原子钟可以耐受相对恶劣的外部环境工作条件；并使原子钟更加宜于小型化，更稳定，而且价格低廉。大大拓宽了原子钟的应用领域。本项目的成功将引领出原子钟研究的一个全新的发展方向。

结论摘要：

本课题对失谐相干布居数囚禁瞬态振荡现象，及基于这一现象的原子钟进行了理论与实验研究。不仅按计划实现了新型原子钟的运转，并且获得了秒稳E-11、千秒稳E-12的频率稳定度。经过理论上的深入研究，我们提出将这一现象定名为失谐相干粒子数拍频（DCPB）。并将这一现象与Ramsey条纹方法比较，发现其在鉴频、工作频域宽度和抗干扰能力方面具有明显优势，是一个非常具有潜力的新型原子钟方案。本课题研究中我们还对工作原子的选择比较，缓冲气体优化及温度漂移等一系列相关问题进行了研究。课题研究中供发表核心期刊论文3篇片，原子钟权威国际会议IFCS论文2篇。获国家发明专利2项。 DCPB现象发生在典型的Lambda三能级系统中。当两个泵浦激光场频率差与下能级超精细分裂间存在kHz量级的小失谐时，激发态粒子数将随时间以衰减振荡的形式变化，振荡频率恰好等于上述失谐量，亦即两光场差频与基态超精细跃迁频率的拍频。此时透过激光的光强将会产生与上能级粒子数成反比的震荡。而由于两光场差频等于微波源对VCSEL激光器的调制频率，因此DCPB振荡频率就是微波频率源与基态超精细分裂的拍频。用测量的DCPB频率漂移对微波源漂移进行补偿就可以获得以基态超精细分裂为基准的原子钟标准信号输出。本课题设计并实现了两种获取DCPB频率的具体实验方案。第一种方案中，我们将DCPB振荡信号进行整形，使其成为频率相等的方波信号，并使用由等精度频率测量法获取DCPB振荡信号频率。第二种方法则将振荡信号进行AD转换，而后进行频谱分析，进而找到振荡信号的中心频率。我们使用这两种方案对微波信号漂移进行补偿实现了DCPB原子钟的原子钟运转，并获得了较为理想的频率稳定度。鉴于我们的系统还只是桌面原理性实验装置， DCPB原子钟的性能应有进一步提高的潜力。我们在理论上对这一新的原子钟方案进行了研究和分析，找出了DCPB与Ramsey条纹方法的联系与区别，并研究比较了它们各自的特点和优劣。由于不需要为微波源设锁相环，没有捕捉带限制，DCPB方案有着更宽的鉴频区域，避免了失锁的问题。更重要的是，DCPB方法实现了一种直接以原子跃迁为标准进行频率测量的新方案，它可以广泛地用于原子钟研究，并可拓展到光频区域用于光频标和光梳的稳定，以及原子光谱、磁场测量等相关研究。