CN113050403A - 一种低微波功率微型cpt原子钟光源产生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生装置，包括直流发生器、微波发生器、偏置器、VCSEL、透镜、闪耀光栅、四分之一波片，直流发生器、微波发生器与偏置器连接，偏置器与VCSEL连接，透镜、闪耀光栅、四分之一波片均设置在VCSEL发射的光路中。本发明所提装置的FP腔的腔长方便调整，对应于不同碱金属原子的基态超精细能级间隔，因此可适用于实现不同碱金属原子的微型CPT原子钟光源。本发明所获得的微型CPT原子钟光源，相比常规方案所需微波功率更低，特别适用于微波功率受限情况。

Description

一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生装置及方法

技术领域

本发明属于被动型相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子钟领域，具体涉及一种光源产生装置及方法，利用该装置及方法可以以低微波功率实现微型CPT原子钟。

背景技术

微型CPT原子钟利用受微波调制的VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser,VCSEL)作为光源，产生的相干光与原子相互作用制备CPT态，获得CPT 谱线作为鉴频信号，因此不需要微波谐振腔，从而微型CPT原子钟不受微波谐振腔的体积限制，具有体积小、功耗低、重量轻、启动快等优势。微型CPT原子钟在通信网络系统和导航定位系统等方面具有很强的应用竞争力。

制备CPT态的光源必须包含两个频差GHz(相对应于碱金属原子基态超精细能级间隔)的相干双色光场，在实际的CPT原子钟应用中，为保持微型CPT 原子钟体积小的优势，常采用对VCSEL的驱动电流直接施加微波调制，即用频率为GHz的微波和直流电流叠加后，驱动VCSEL从而获得相干多色光，利用多色光中的±1阶边带作为相干双色光，即微型CPT原子钟光源。

VCSEL在直流电流驱动下，输出频率为f₀的单色光，当对VCSEL的驱动电流施加频率为f_m的微波调制后，VCSEL输出调频多色光，各频率成分依次为 f₀(基频)、f₀±f_m(±1阶边带)、f₀±2f_m(±2阶边带)、……，相邻边带的频率差均为f_m。当VCSEL受到微波调制后，激光总功率保持不变，激光能量从基频向各阶边带转移，各阶边带的光强正比于贝塞尔系数的平方

其中I₀为VCSEL输出激光的总光强，m_f为VCSEL微波调制指数，J_n(m_f)为第一类贝塞尔函数的系数。

在实际微型CPT原子钟应用中，为使激光能量主要集中在±1阶边带上，常采用调制指数m_f约为1.8的浅调制。在浅调制条件下，±1阶边带的功率近似正比于输入的微波信号功率。

本发明提出了一种低微波功率相干双色光产生方案，与常规装置相比，本发明所提的装置及方法，可以以更小的微波功率产生微型CPT原子钟光源。

发明内容：

本发明的目的在于提出一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生装置及方法，可以以低微波功率实现微型CPT原子钟。

为实现上述目的，本发明采取以下技术措施：

一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生装置，包括直流发生器、微波发生器、偏置器、VCSEL、透镜、闪耀光栅、四分之一波片；

所述直流发生器、微波发生器分别与所述偏置器连接，所述偏置器与所述 VCSEL连接；所述透镜、闪耀光栅、四分之一波片均设置在所述VCSEL发射的光路中；

所述直流发生器产生的直流电流和所述微波发生器产生的微波通过所述偏置器叠加后驱动所述VCSEL产生发散光，所述发散光经所述透镜变成平行光束，所述闪耀光栅配置成Littrow结构，所述平行光束经过所述闪耀光栅时发生衍射，其中一级衍射光沿原路返回到所述VCSEL以实现外腔反馈，零级衍射光则作为装置输出光束。

一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生方法，包括以下步骤：

(1)将所述微波发生器产生的微波和所述直流发生器产生的直流电流通过所述偏置器叠加后驱动所述VCSEL，所述VCSEL输出调频多色线偏振光，调整所述透镜的位置，使所述VCSEL输出的发散光经过所述透镜后变成平行光束输出；

(2)调整所述闪耀光栅的角度，使所述透镜输出的平行光束与所述闪耀光栅形成Littrow结构，即所述平行光束经过所述闪耀光栅时，衍射产生的一级衍射光沿原路返回至所述VCSEL的有源区以实现反馈，衍射产生的零级衍射光则作为输出光束。之后保持所述闪耀光栅的角度不变；

(3)将所述微波发生器产生的微波功率调整为零，所述直流发生器产生的直流电流逐渐增大至所述VCSEL正常发光；调整所述闪耀光栅的位置，检测所述闪耀光栅的输出光束频谱，当检测到输出光束频谱的±1阶边带的频率差等于两倍所述微波发生器产生的微波频率f_m时，保持所述闪耀光栅的位置不变；

(4)将所述微波发生器产生频率为f_m的微波和所述直流发生器产生的直流电流通过所述偏置器叠加后所述驱动VCSEL，调整所述四分之一波片的角度，使经过所述四分之一波片的线偏振光变成圆偏振光输出，即得到本发明所提的微型CPT原子钟光源。

为了更清楚的说明本发明，下面对上述本发明作进一步的阐述：

如图1所示，VCSEL4结构包含底部镜子4(1)和顶部镜子4(2)，其中底部镜子4(1)为全反镜，顶部镜子4(2)为部分反射部分透射镜，底部镜子4(1)和顶部镜子4(1)组成光学FP(Fabry Perot,FP)腔，为VCSEL的有源区。

闪耀光栅6作为外部反馈元件配置成Littrow结构。调整闪耀光栅6在XZ 平面的角度，VCSEL4产生的激光以入射角θ入射到闪耀光栅6，当使入射角θ调整到等于闪耀光栅6的闪耀角度(Blaze Angle)时，闪耀光栅6配置成Littrow 结构，即入射到闪耀光栅6发生衍射产生的一级衍射光沿原光路返回VCSEL有源区，产生的零级衍射光作为输出光束。

此时，闪耀光栅6与VCSEL4的底部镜子4(1)组成新的复合FP腔。此复合 FP腔的腔长为L_eff＝L_vcseln_vcsel+L_lenn_len+L_airn_air，其中L_VCSEL、L_len、L_air分别为 VCSEL4有源区长度、透镜5长度、光在L_eff长度内在空气中传播的长度，n_VCSEL、 n_len、n_air分别为VCSEL4有源区折射率、透镜5材料折射率、空气折射率。此复合FP腔的谐振频率为

其中C为光速，q为正整数。设置合适的腔长L_eff可使复合FP腔的谐振频率与微波调制频率相等，即f_q＝f_m，由于闪耀光栅 6的反馈作用和复合FP腔的选频作用，就能实现以较低的微波功率获得微型CPT 原子钟所需的相干双色光源。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本发明所提装置的FP腔长L_eff方便调整，对应于碱金属原子基态超精细能级间隔不同，可适用于实现不同碱金属原子的微型CPT原子钟。

(2)本发明所提装置获得的微型CPT原子钟光源，相比常规方案所需微波功率更低，特别适用于微波功率受限情况。

附图说明

图1为一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生装置的结构示意图，其中 1-直流发生器，2-微波发生器，3-偏置器，4-VCSEL，5-透镜，6-闪耀光栅，7- 四分之一波片。

图2为本发明低微波功率微型CPT原子钟光源产生方法步骤图。

图3为在相同微波功率条件下，使用本发明装置与自由运行VCSEL产生的光源中有效边带功率(±1阶边带功率)占激光总功率百分比随微波功率变化关系对比图。其中圆形实线表示使用本发明装置所获光源中有效边带功率百分比，方形虚线表示自由运行VCSEL所获光源中有效边带功率百分比。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例采用⁸⁷Rb原子为例，对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生装置，包括直流发生器1、微波发生器2、偏置器3、VCSEL4、透镜5、闪耀光栅6、四分之一波片7；直流发生器1、微波发生器2分别与偏置器3连接，偏置器3 与VCSEL4连接；透镜5、闪耀光栅6、四分之一波片7均设置在VCSEL4发射的光路中；直流发生器1产生的直流电流和微波发生器2产生的微波通过偏置器3叠加后驱动VCSEL4产生发散光，发散光经透镜5后变成平行光束，VCSEL4的输出光和闪耀光栅6组成Littrow结构，即VCSEL4输出的发散光经透镜5变成平行光束经过闪耀光栅6时，衍射产生的一级衍射光沿原路返回至VCSEL4 的有源区以实现反馈，衍射产生的零级衍射光则作为输出光束。

如图2所示，本发明提供的一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生方法，操作步骤为：

(1)如图1所示，将微波发生器2产生的频率为f_m＝3.4Ghz的微波和直流发生器1产生的直流电流通过偏置器3叠加后驱动VCSEL4，VCSEL4输出调频多色线偏振光，调整透镜5在Z方向的位置，使VCSEL4输出的发散光经透镜5 后变成平行光束输出；

(2)本实施例闪耀光栅6的型号为THORLABS GR13-1208，调整闪耀光栅 6在XZ平面的角度，使闪耀光栅6配置成Littrow结构，即VCSEL4输出的发散光经透镜5变成平行光束经过闪耀光栅6时，衍射产生的一级衍射光沿原路返回至VCSEL4的有源区以实现反馈，衍射产生的零级衍射光则作为输出光束。以后的操作中保持闪耀光栅6在XZ平面的角度不变。

(3)将微波发生器2产生的微波功率调整为零，直流发生器1产生的直流电流逐渐增大至VCSEL4正常发光；调整闪耀光栅6在Z方向的位移，闪耀光栅6的输出光束使用扫描FP干涉仪(本实施例扫描FP干涉仪型号为THORLABS SA210)检测，当检测到输出光束的±1阶边带的频率差等于6.8GHz时，保持闪耀光栅6在Z方向的位置不变。

(4)将微波发生器2产生的频率为f_m＝3.4Ghz的微波和直流发生器1产生的直流电流通过偏置器3叠加后驱动VCSEL4，调整四分之一波片7在XY平面的角度，使经过四分之一波片7的线偏振光变成圆偏振光输出，即得到本发明所提的微型CPT原子钟光源。

图3为在相同微波功率条件下，使用本发明装置与自由运行VCSEL产生的光源中有效边带功率(±1阶边带功率)占激光总功率百分比随微波功率变化关系对比图。其中圆形实线表示使用本发明装置所获光源中有效边带功率百分比，方形虚线表示自由运行VCSEL所获光源中有效边带功率百分比。图3 表明，在VCSEL自由运行时，VCSEL输出±1阶边带功率占比值10％时需要的微波功率为-4dBm，在有外部光栅反馈时，所需微波功率减小到-16dBm。图3 还表明，在有外部光栅反馈时，在-8dBm～2dBm较宽的微波功率范围内，微波调制所获±1阶边带功率占比在50％以上。图3还表明，由于外部光栅反馈的作用， VCSEL输出±1阶边带功率占比最大值比自由运行VCSEL稍高。结果表明，本发明所获得的微型CPT原子钟光源，相比常规方案所需微波功率更低。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (2)

1.一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生装置，其特征在于：包括直流发生器、微波发生器、偏置器、VCSEL、透镜、闪耀光栅、四分之一波片；

所述直流发生器、微波发生器分别与所述偏置器连接，所述偏置器与所述VCSEL连接；所述透镜、闪耀光栅、四分之一波片均设置在所述VCSEL发射的光路中；

所述直流发生器产生的直流电流和所述微波发生器产生的微波通过所述偏置器叠加后驱动所述VCSEL产生发散光，所述发散光经所述透镜变成平行光束，所述闪耀光栅配置成Littrow结构，所述平行光束经过所述闪耀光栅时发生衍射，其中一级衍射光沿原路返回到所述VCSEL以实现外腔反馈，零级衍射光则作为装置输出光束。

2.一种低微波功率微型CPT原子钟光源产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将所述微波发生器产生的微波和所述直流发生器产生的直流电流通过所述偏置器叠加后驱动所述VCSEL，所述VCSEL输出调频多色线偏振光，调整所述透镜的位置，使所述VCSEL输出的发散光经过所述透镜后变成平行光束输出；

(2)调整所述闪耀光栅的角度，使所述透镜输出的平行光束与所述闪耀光栅形成Littrow结构，即所述平行光束经过所述闪耀光栅时，衍射产生的一级衍射光沿原路返回至所述VCSEL的有源区以实现反馈，衍射产生的零级衍射光则作为输出光束。之后保持所述闪耀光栅的角度不变；

(3)将所述微波发生器产生的微波功率调整为零，所述直流发生器产生的直流电流逐渐增大至所述VCSEL正常发光；调整所述闪耀光栅的位置，检测所述闪耀光栅的输出光束频谱，当检测到输出光束频谱的±1阶边带的频率差等于两倍所述微波发生器产生的微波频率f_m时，保持所述闪耀光栅的位置不变；

(4)将所述微波发生器产生频率为f_m的微波和所述直流发生器产生的直流电流通过所述偏置器叠加后所述驱动VCSEL，调整所述四分之一波片的角度，使经过所述四分之一波片的线偏振光变成圆偏振光输出，即得到本发明所提的微型CPT原子钟光源。

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