CN110750044A - 一种可集成的cpt原子钟物理系统装置 - Google Patents

Abstract

一种可集成的CPT原子钟物理系统装置，包括激光束发射装置、透镜、衰减片、第一偏振片、第一λ/4波片、原子蒸汽腔芯片、第二λ/4波片、第二偏振片和光电探测器，激光束发射装置发出的线偏振圆形发散光束经过透镜和衰减片得到线偏振平行光束，又通过第一偏振片得到第一线偏振平行光束，再通过第一λ/4波片得到第一椭圆偏振平行光束，然后依次通过原子蒸汽腔芯片和第二λ/4波片后得到第二椭圆偏振平行光束，最后通过第二偏振片变成第二线偏振平行光束后传送到光电探测器转换成电流输出。本装置能将原子集中在“0‑0能级”，同时筛选掉不与原子发生作用的基频和高阶边带，提高信号的信噪比和对比度，而且可实现微型化被动型CPT原子钟。

Description

一种可集成的CPT原子钟物理系统装置

技术领域

本发明涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种可集成的CPT原子钟物理系统装，适用于制造微型CPT原子钟。

背景技术

原子钟是一种利用原子不同能级之间量子跃迁计量时间的工具。CPT共振是一种量子干涉现象，基于CPT原理的小型化和微型化原子钟近年来逐渐成为研究热点，由于其具有体积小、功耗低的特点，它在全球定位系统、网络通讯业、水下导航等领域具有广泛的应用前景。

物理系统是原子钟的核心部件，是实现原子钟的关键器件之一。物理系统中的汽泡内部含有碱金属原子和缓冲气体，并被加热到一定温度以产生碱金属原子蒸汽。缓冲气体为氮气、甲烷、氦气等气体或它们的混合气体，用来压窄谱线宽度、荧光淬灭、能级混杂等。碱金属原子为铯133(Cs-133)、铷87(Rb-87)或铷85(Rb-85)，它们的基态超精细子能级之间的共振用来鉴定注入微波的频率。如图1所示，在弱磁场下，原子的基态能级分裂成不同的磁子能级，由于两磁子能级m_F＝0的能级(“0-0”能级)对磁场不敏感，因此常用它们之间的跃迁频率υ₀₀作为原子钟鉴频频率。当微波频率扫过跃迁频率υ₀₀时，共振信号表现为探测光信号会出现一个凹陷或者凸起，利用本地振荡器产生微波，将此微波锁定到共振信号中凹陷或凸起所对应的中心跃迁频率上，就可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。

CPT原子钟是一种新型原子钟，也是目前已知的唯一可微型化的原子钟。应用MEMS工艺制造物理系统，ASIC工艺制造电子学系统，可以实现芯片CPT原子钟。

图2是传统的被动型CPT原子钟的物理系统装置示意图。一定功率的微波通过电容C与直流混合，混合的电信号注入垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL)来产生多边带光，该多边带光的基频受注入直流和激光器温度控制，相邻边带的频差等于微波频率，各边带光强度满足贝塞尔函数。CPT共振需其中两个边带激发，若为±1级边带光，则称为半宽调制激发；若为基频(0级)和+1(或-1)级边带光，称为全宽调制激发。四分之一波片(λ/4波片)3的作用是将VCSEL输出的线偏振激光转变成左旋(σ-)或右旋(σ+)圆偏振光。汽泡4置于可准确控温的环境中，为原子与激光相互作用提供所需的原子蒸汽。在对环境磁场作屏蔽的前提下，在汽泡4外设置螺线管(图2中未画出)产生平行于光传播方向的磁场。光电探测器5探测透过汽泡4的激光，并转变为光电流信号。

通过控制注入直流和激光管温度，使VCSEL输出光中激发CPT的两个边带分别激发两基态到同一激发态的电偶极跃迁(D1线或D2线跃迁)。调节微波频率从而改变两边带光的频率差，当频率差扫过超精细能级“0-0”共振频率时，光电探测器输出光电流将出现一个共振信号。处理该共振信号得到反馈控制微波频率的信号，实现闭环控制后，即可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。

上述传统的CPT原子钟采用单束的σ-或σ+圆偏振激光作为光源激发原子跃迁方案，这种方案的一个缺点是由于圆偏振激光对原子超精细分裂磁子能级的光抽运效应，使得原子累积在基态磁量子数最小(或最大)的磁子能级上，而这个能级对CPT暗态是没有贡献的，我们称之为极化暗态。图1说明了此现象，因此信号对比度(CPT共振增加的光电流信号幅度比上非共振的光电流信号幅度)不高。另外一个缺点是由于透射光中只有±1级边带携带CPT信息，其它频率成份作为光本底噪声被探测。这两个缺点使所获得的CPT信号质量较差，影响了CPT原子钟的性能。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种可集成的CPT原子钟物理系统装置，该装置能将原子集中在“0-0能级”，同时筛选掉不与原子发生作用的基频和高阶边带，只保留±1阶边带激发CPT共振信号，不仅可以大量减少光本底，提高信号的信噪比和对比度，而且，装置中的所有器件都利于集成，可实现微型化被动型CPT原子钟。

本发明可通过以下技术方案来实现：

一种可集成的CPT原子钟物理系统装置，包括激光束发射装置，还包括依次设置的透镜、衰减片、第一偏振片、第一λ/4波片、原子蒸汽腔芯片、第二λ/4波片、第二偏振片和光电探测器；

所述的激光束发射装置包括电容、电感和垂直腔面发射激光器，电容一端用于微波输入，另一端与垂直腔面发射激光器的阳极连接，电感一端用于电流输入，另一端与垂直腔面发射激光器的阳极连接，垂直腔面发射激光器的阴极与电气地连接；

所述的透镜、衰减片、第一偏振片、第一λ/4波片、原子蒸汽腔芯片、第二λ/4波片、第二偏振片和光电探测器依次设置在激光束发射装置发出的线偏振圆形发散光束的传播方向上；

所述的透镜、衰减片、第一偏振片、第一λ/4波片、原子蒸汽腔芯片、第二λ/4波片、第二偏振片和光电探测器的端面均与线偏振圆形发散光束的传输方向相垂直；

为了简单说明问题期间，以下对本发明所述的可集成的CPT原子钟物理系统装置均简称为本装置。

本装置的工作原理为：激光束发射装置发出的线偏振圆形发散光束经过透镜和衰减片得到线偏振平行光束，线偏振平行光束通过第一偏振片得到第一线偏振平行光束，第一线偏振平行光束通过第一λ/4波片得到第一椭圆偏振平行光束，第一椭圆偏振平行光束依次通过原子蒸汽腔芯片和第二λ/4波片后得到第二椭圆偏振平行光束，第二椭圆偏振平行光束经第二偏振片变成第二线偏振平行光束后传送到光电探测器转换成电流输出。

所述的线偏振圆形发散光束、线偏振平行光束、第一线偏振平行光束、第一椭圆偏振平行光束、第二椭圆偏振平行光束和第二线偏振平行光束的光束中心均重合。

所述的线偏振圆形发散光束的传播方向为X轴正轴方向，第一λ/4波片的光轴与X轴正轴方向是除45°角之外的其它任意0～90°夹角，第二λ/4波片的光轴与第一λ/4波片的光轴平行，第一偏振片和第二偏振片的光轴方向正交。

本发明采用椭圆偏振激发CPT共振的方案，它包含振幅不同的左右旋(σ+-σ-)圆偏光，采用如图3所示的双Λ构型，利用不同光强σ-和σ+圆偏振光同时与原子作用，可以消除上述极化暗态，若右旋光幅幅较大，稳态时抽运效果如图4所示。由于远离共振，基频和高阶边带光与原子蒸汽腔芯片不发生相互作用，经过原子蒸汽腔芯片后的光强和偏振方向基本不发生变化。与此同时，由于双色和双折射现象，原子蒸汽腔芯片对±1阶边带光的左右旋圆偏振光成分的吸收会存在差异，导致经过原子蒸汽腔芯片后两种光的相对强度和偏振方向均发生变化，因此能够筛选掉不与原子发生作用的基频和高阶边带，只保留±1阶边带激发CPT共振信号，这样不仅可以大量减少光本底，同时光路只需作微小改动，是实现小型化、微型化CPT原子钟的理想候选方案。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、能将原子集中在“0-0能级”，消除极化暗态；

2、滤除±1阶边带之外所有光本底，提高信号的信噪比和对比度；

3、所有器件都利于集成，可实现微型化被动型CPT原子钟。

附图说明

图1为单一圆偏振光抽运碱金属原子基态超精细结构塞曼能级布居图(以具有代表性的右旋偏振光抽运铷-87原子为例，能级上的直条表示纯圆偏振光抽运，稳态时能级布居数分布)。

图2为传统的被动型CPT原子钟的物理系统装置示意图。

图3为椭圆偏振激发CPT方案四能级抽运图(以具有代表性的铷-87原子为例)。

图4为椭圆偏振激发CPT方案碱金属原子基态超精细结构塞曼能级布居图(以具有代表性的铷-87原子为例，能级上的直条表示椭圆偏振光抽运，稳态时能级布居数分布)。

图5为本发明可集成的CPT原子钟物理系统装置示意图。

图6为本发明可集成的CPT原子钟物理系统装置的工作流程示意图。

图7为本发明获得的典型CPT共振谱线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

一种可集成的CPT原子钟物理系统装置，如图5所示，包括垂直腔面发射激光装置，还包括依次设置的透镜10、可调节衰减片11、第一偏振片12a、第一λ/4波片13a、原子蒸汽腔芯片14、第二λ/4波片13b和第二偏振片12b和光电探测器15；

所述的垂直腔面发射激光装置包括电容8、电感7和垂直腔面发射激光器9，电容8一端用于微波输入，另一端与垂直腔面发射激光器9的阳极连接，微波输入通过电容8耦合到垂直腔面发射激光器9；电感7一端与电流源6连接，用于电流输入，另一端与垂直腔面发射激光器9的阳极连接，垂直腔面发射激光器9的阴极与电气地连接，电流源6通过电感7给垂直腔面发射激光器9提供驱动电流；

垂直腔面发射激光装置发出的线偏振圆形发散光束16a通过透镜10和可调节衰减片11变为线偏振圆形平行光束16b，线偏振圆形平行光束16b通过第一偏振片12a后得到第一线偏振平行光束16c，第一线偏振平行光束16c通过第一λ/4波片13a得到第一椭圆圆形平行光束16d，第一椭圆圆形平行光束16d依次通过原子蒸汽腔芯片14和第二λ/4波片13b后得到第二椭圆圆形平行光束16e，第二椭圆圆形平行光束16e经过第二偏振片12b变成第二线偏振平行光束16f后传送到光电探测器15转换成电流输出，如图5所示。

线偏振圆形发散光束16a、线偏振圆形平行光束16b、第一线偏振平行光束16c、第一椭圆圆形平行光束16d、第二椭圆圆形平行光束16e、第二线偏振平行光束16f均位于同一平面。

线偏振圆形发散光束16a的传播方向为X轴正轴方向，第一偏振片12a的光轴与第二偏振片12b的光轴方向正交；第一λ/4波片13a的光轴与X轴方向呈0～90°内除去45°外的其它任意夹角，第二λ/4波片13b的光轴与第一λ/4波片13a的光轴平行，因此X轴方向上的线偏振光束经过第一λ/4波片13a后变为磁左旋和右旋圆偏振光组合的椭圆偏振光。磁左旋(或右旋)圆偏振光定义为光子的自旋方向反向(或同向)于量子化轴方向，故原子吸收一个磁左旋(或右旋)圆偏振光光子后轴向自旋角动量减小(或增加)η。

如图6所示，在第二步骤中，与传统被动型CPT原子钟中的方法相似，将垂直腔面发射激光器9发射的激光中+1阶边带光调节到与铷87原子|6²S_1/2，F＝1>和|6²P_1/2，F＝2>两能级的电偶极跃迁共振，-1阶边带光调节到与铷87原子|6²S_1/2，F＝2>和|6²P_1/2，F＝2>两能级的电偶极跃迁共振；第三步骤中，扫描微波输入的频率，光电探测器15的电流输出反应了CPT共振的强弱，该电流输出即为微波输入的频率鉴定信号，即实现鉴频。

本发明与传统被动型相干布居囚禁原子钟方案相比，获得的CPT共振信号有较好的信噪比和对比度，如图7所示，能有效地提高被动型相干布居囚禁原子钟的性能。

上述的实施方式只是本发明的一个具有代表性的特例，同领域的技术人员通过公知常识及本发明可以在不付出创造性劳动的情况下获得碱金属原子(铯133、铷87、铷85)、不同谱线(D1线和D2线)、不同调制方式(半宽调制和全宽调制)的实施办法。

Claims (2)

1.一种可集成的CPT原子钟物理系统装置，包括激光束发射装置，所述的激光束发射装置包括电容、电感和垂直腔面发射激光器，电容一端用于微波输入，另一端与垂直腔面发射激光器的阳极连接，电感一端用于电流输入，另一端与垂直腔面发射激光器的阳极连接，垂直腔面发射激光器的阴极与电气地连接；

其特征在于：

还包括依次设置的透镜、衰减片、第一偏振片、第一λ/4波片、原子蒸汽腔芯片、第二λ/4波片、第二偏振片和光电探测器；

所述的透镜、衰减片、第一偏振片、第一λ/4波片、原子蒸汽腔芯片、第二λ/4波片、第二偏振片和光电探测器依次设置在激光束发射装置发出的线偏振圆形发散光束的传播方向上；

所述的第一λ/4波片的光轴方向与线偏振圆形发散光束的传播方向呈除45°之外的其它任意0～90°角，第二λ/4波片的光轴方向与第一λ/4波片的光轴方向平行，第一偏振片与第二偏振片的光轴方向正交。

2.根据权利要求l所述的可集成的CPT原子钟物理系统装置，其特征在于：激光束发射装置发出的线偏振圆形发散光束经过透镜和衰减片得到线偏振平行光束，线偏振平行光束通过第一偏振片得到第一线偏振平行光束，第一线偏振平行光束通过第一λ/4波片得到第一椭圆偏振平行光束，第一椭圆偏振平行光束依次通过原子蒸汽腔芯片和第二λ/4波片后得到第二椭圆偏振平行光束，第二椭圆偏振平行光束经第二偏振片变成第二线偏振平行光束后传送到光电探测器转换成电流输出；

所述的线偏振圆形发散光束、线偏振平行光束、第一线偏振平行光束、第一椭圆偏振平行光束、第二椭圆偏振平行光束和第二线偏振平行光束的光束中心均重合。

Images