CN103281079A

CN103281079A - Cpt原子频标

Info

Publication number: CN103281079A
Application number: CN2013102524524A
Authority: CN
Inventors: 乔东海; 石红; 汤亮
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2013-09-04

Abstract

本发明公开了一种CPT原子频标，由电子学系统和物理封装构成，所述物理封装沿光路传递方向主要依次由激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器组成，其特征在于：所述转换光路包括连接光纤和自聚焦透镜，所述连接光纤连接激光器的输出端和自聚焦透镜，自聚焦透镜输出的平行光进入1/4波片。本发明将带尾纤的激光器与带尾纤的自聚焦透镜连接，可以使得激光器远离碱性原子泡气室，减少温度和磁场对其的影响；光纤的使用，可以减少光的损耗；并且自聚焦透镜可以产生平行光束，该光束经过1/4波片后易于得到圆偏振光。

Description

CPT原子频标

技术领域

本发明涉及一种原子钟装置，具体涉及一种CPT原子频标。

背景技术

随着电子技术和控制技术的飞速发展，对于原子钟的研究主要在两个方面：一方面是探索研制准确度和稳定度更高的原子钟。近年来，已经成功研制出许多不同种类的具备更高准确度和稳定度的新型原子钟，例如冷原子喷泉钟、离子阱钟、光钟等；另一方面是积极寻找实现高精度的小型工程原子钟的途径，以满足各种工程技术发展需要。氢钟、铯钟和铷钟等传统原子钟由于体积、功耗偏大，其应用形式为单独设备或内置于设备的部件，应用范围也基本上局限在高端设备或系统。而不需要传统微波腔的CPT（CPT, Coherent Population Trapping，相干布居囚禁）原子钟，因其体积、功耗可以较传统原子钟减小2-3个数量级，使得原子钟的便携化应用成为可能。

CPT原子钟是利用相干布居囚禁原理研制的微型化原子钟。相干布居囚禁是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象。利用激光良好的相干特性，在原子体系中制备相干布居囚禁态，可以实现芯片级的新型原子钟，是当前原子钟领域和导航领域的前沿技术。其优势是：一方面，不需要微波腔，可以明显减小体积；另一方面，采用受微波频率调制的激光器制备相干双色光，可以减少光频移。尽管CPT原子钟从1998年提出至今时间并不久，但其发展迅速，已显示出优越的性能，而且还有较大的改进空间。

现有技术中，CPT原子钟包括，激光器伺服电路，物理封装，射频伺服电路和微控制电路。物理封装的输出信号被微控制电路400提取、处理后，分别反馈给激光器伺服电路和射频伺服电路，所产生的误差信号分别校正物理封装的输入激光波长和微波信号，形成原子频标激光器伺服回路和射频伺服回路。其中的物理封装，通常由激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器构成，激光器发出的激光由转换光路转换成平行光，经1/4波片形成圆极偏振光后进入碱性原子泡气室，最后被光电控测器接收。其中，转换光路通常为透镜组，光束传递过程中会产生损耗；碱性原子泡气室设有偏置磁场，并保持在70℃-90℃的工作温度下。由于激光器与碱性原子泡气室的距离较近，会受到其温度和偏置磁场的影响，此外，光电探测器工作输出的电流也会产生磁场，对激光器的工作频率产生影响，因此，需要对CPT原子频标的结构进行改进，以减小上述影响。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种光束损耗较小、温漂现象和磁场影响较小、稳定度和准确度更高的CPT原子频标。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种CPT原子频标，由电子学系统和物理封装构成，所述物理封装沿光路传递方向主要依次由激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器组成，所述转换光路包括连接光纤和自聚焦透镜，所述连接光纤连接激光器的输出端和自聚焦透镜，自聚焦透镜输出的平行光进入1/4波片。

进一步的技术方案，所述连接光纤由连接激光器的尾纤和连接自聚焦透镜的尾纤连接构成。

上述技术方案中，所述电子学系统包括激光器伺服电路、射频伺服电路和微控制电路，所述物理封装中的光电探测器的输出信号端连接至微控制电路的输入端，微控制电路的输出端分别连接至激光器伺服电路和射频伺服电路，激光器伺服电路和射频伺服电路的输出端连接至激光器的控制端。

所述射频伺服电路包括可编程频率合成器、环路滤波器、压控振荡器和温补晶振。

上述技术方案中，所述的CPT原子频标是利用原子相干布居囚禁原理而实现的，也是目前从原理上可实现微型化的原子频标。激光器伺服环路用于锁定参考信号为基态到激发态的吸收峰；物理封装中，激光器发射的光通过自聚焦透镜出射平行光束，该平行光束再经过1/4波片，得到圆偏振光，该圆偏振光再进入碱性原子泡气室，最终被光电探测器吸收；射频伺服回路提供CPT谐振所需的微波信号，经物理封装后再反馈给微控制电路进行调节，以使射频伺服环路锁定参考信号为CPT谐振信号；微控制电路用于将光电探测器信号进行提取处理后，形成误差校正信号给激光器伺服电路和射频伺服电路。

优选的技术方案，所述激光器与所述碱性原子泡气室放在不同的封装外壳中。它们之间的光路传输是通过光纤实现的，光纤的长度可以根据应用需求而定。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、本发明将带尾纤的激光器与带尾纤的自聚焦透镜连接，可以使得激光器远离碱性原子泡气室，减少温度和磁场对其的影响；光纤的使用，可以减少光的损耗；并且自聚焦透镜可以产生平行光束，该光束经过1/4波片后易于得到圆偏振光。

2、由于设置了尾纤连接，根据需要，可以将激光器与碱性原子泡气室放在不同的封装外壳中，从而避免碱性原子泡气室的温度和磁场对激光器的干扰。

附图说明

图1是本发明实施例的系统示意图；

图2是实施例的原理图；

图3是实施例中碱性原子铷超精细能级跃迁图；

图4是实施例中碱性原子铯超精细能级跃迁图；

图5是实施例中碱性原子泡气室示意图；

图6是实施例中节距为1/4时，自聚焦透镜光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例1：

参见附图1所示，一种CPT原子频标，包括四部分：第一部分为激光器伺服电路100，用以调节进入激光器210的激光器直流偏置电压；第二部分为物理封装200，包括带尾纤220的激光器210、带尾纤220的自聚焦透镜230、1/4波片240、碱性原子泡气室250和光电探测器260，所述的激光器光束通过带尾纤220的自聚焦透镜230和1/4波片240后输出圆偏振光，该圆偏振光再经过碱性原子泡气室250到达光电探测器260；第三部分为射频伺服电路300，主要包括压控振荡器310、环路滤波器320、可编程频率合成器330和温补晶振340，用于提供激光器210所需的微波信号；第四部分为微控制电路400，微控制电路400将光电探测器信号提取处理后，形成误差校正信号反馈给激光器伺服电路100和射频伺服电路300。

其中，参见附图2，激光器伺服电路100包括衰减器110等。物理封装200的输出信号被微控制电路400提取、处理后，一路控制衰减器110调整进入激光器210的微波功率，以获得较好的CPT谐振峰；另一路通过直流偏置调节激光波长。

本实施例的主要工作原理是：首先将射频信号调制到激光器210上，产生入射激光；该光信号通过带尾纤220的自聚焦透镜230出射形成平行光束；该平行光束再经过1/4波片，得到圆偏振光；该圆偏振光再进入碱性原子泡气室250，在碱性原子泡气室250中，碱性原子被加热至一定的温度形成蒸汽，并与该圆偏振光发生作用。在碱性原子泡气室250周围，一个小的偏置磁场被用来分离出想要的m=0的原子态，以使碱性原子发生超精细能级分裂，并与入射的相干激光束产生CPT谐振；最后碱性原子泡气室250出来的光束被光电探测器260探测。

所述激光器210可以基于垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL，vertical-cavity surface-emitting lasers)。要驱动该VCSEL，需设置DC阈值电流。铯原子泡气室在外部激励以及磁场作用下，铯原子超精细能级分裂得到所需的频率，参阅图4。为了获得两个能级差为9.2GHz的超精细能级，一种最方便的方法就是将4.6GHz的微波信号源上调制到激光上，从而获得一个以±4.6 GHz为边带的FM调制信号。

带尾纤220的激光器210和带尾纤220的自聚焦透镜230相连，不仅可以减少光损耗，而且可以使得激光器210远离碱性原子泡气室250温度和偏置磁场的影响。

自聚焦透镜230通过带尾纤220的自聚焦透镜230实现，自聚焦透镜230是使用径向渐变折射率材料制成的透镜，其折射率分布是沿径向渐变的柱状光学透镜。参阅图6所示：当透镜长度取1/4节距时，将出射平行光束，利用这一特点可以用自聚焦透镜230来设计出平行光束的准直器。

激光器210出射的光束通过自聚焦透镜230后，转变为平行光束再进入所述1/4波片240。该1/4波片能产生λ／4附加光程差，使得透出波片的光为圆偏振光。

所述的碱性原子泡气室250可为铯原子泡气室或铷原子泡气室。

碱性原子泡气室250选用铯原子泡气室时，参见附图5所示：铯原子泡气室采用MEMS工艺并结合阳极键合方法制作，其体积仅为1mm³，其工艺流程为：第一步，先用KOH或深反应离子刻蚀法在硅片上刻蚀出1mm大小的方孔型，用于容纳铯原子样品；第二步，制作大小尺寸与硅片一样的Pyrex波片，用阳极键合方法把玻璃片与硅片紧贴在一起形成半封闭的吸收泡；第三步，在真空环境释放缓冲气体氛围，同时往吸收泡内注入样品原子或者采用BaN₆与CsCl在气泡室内发生化学反应的方法产生样品原子，实现铯原子泡气室充制。第四步，将大小相同的Pyrex玻片盖紧铯原子泡气室开口面，再利用阳极键合方法将两者紧贴，从而完成铯原子泡气室制作。

碱性原子泡气室250选用铷原子泡气室时，铷原子超精细能级分裂能级示意图如图3所示，其他制作过程同上。

光电探测器模块260是将光信号转变为实时的电信号的器件，即探测器中的电子直接吸收光子的能量，使运动状态发生变化而产生电信号。光电探测器260检测后形成误差信号反馈给控制系统实现原子频标频率的锁定。

所述第二部分物理封装200的实施利用圆片级的制作和组装方法完成，系统的每个层在圆片上做成阵列，通过键合方式将各层依次组装到一起，然后对整个进行划片得到原子频标物理系统。外部的磁屏蔽装置的实施可使用经退火、退磁处理过的坡莫合金制作，使得碱性原子泡气室得到磁屏蔽的效果，以减少空间杂散磁场和地磁场对于碱性原子跃迁频率的影响。

所述射频伺服电路300，如图2所示：包括压控振荡器310、环路滤波器320、可编程频率合成器330和温补晶振340。温补晶振340提供10M频率的基准信号，而微控制电路400对可编程频率合成器330初始化，使得射频伺服回路300锁定到CPT谐振频率上，以提供进入激光器210的微波信号。

所述微控制电路400，如图2所示：该电路用于将光电探测器信号进行提取处理后，形成误差校正信号给激光器伺服电路100和射频伺服电路300。

所述第一、三部分的实施：激光器伺服电路100和射频伺服电路300均为光电探测器260输出信号经微控制电路400提取后的调节电路。根据该反馈信息，微控制电路400将适当的调节激光器210的激励等，以使原子频标锁定。

Claims

1. 一种CPT原子频标，由电子学系统和物理封装构成，所述物理封装沿光路传递方向主要依次由激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器组成，其特征在于：所述转换光路包括连接光纤和自聚焦透镜，所述连接光纤连接激光器的输出端和自聚焦透镜，自聚焦透镜输出的平行光进入1/4波片。

2. 根据权利要求1所述的CPT原子频标，其特征在于：所述连接光纤由连接激光器的尾纤和连接自聚焦透镜的尾纤连接构成。

3. 根据权利要求1所述的CPT原子频标，其特征在于：所述电子学系统包括激光器伺服电路、射频伺服电路和微控制电路，所述物理封装中的光电探测器的输出信号端连接至微控制电路的输入端，微控制电路的输出端分别连接至激光器伺服电路和射频伺服电路，激光器伺服电路和射频伺服电路的输出端连接至激光器的控制端。

4. 根据权利要求3所述的CPT原子频标，其特征在于：所述射频伺服电路包括可编程频率合成器、环路滤波器、压控振荡器和温补晶振。

5. 根据权利要求1或2所述的CPT原子频标，其特征在于：所述激光器与所述碱性原子泡气室放在不同的封装外壳中。