一种左右旋圆偏振光CPT原子钟物理系统装置论文和设计-屈苏平

全文摘要

一种左右旋圆偏振光CPT原子钟物理系统装置，包括激光束发射装置、透镜、衰减片、偏振片、第一λ\/4波片、汽泡、第二λ\/4波片、0°部分反射镜和光电探测器，透镜将激光束发射装置发出的线偏振圆形发散激光束转变成线偏振平行光束，然后通过偏振片得到第一线偏振平行光束后，通过第一λ\/4波片、汽泡、第二λ\/4波片后得到第二线偏振平行光束，第二线偏振平行光束经0°部分反射镜一部分反射透过第二λ\/4波片、汽泡、第一λ\/4波片得到第二反射线偏振平行光束后注入垂直腔面发射激光器，另一部分输出到光电探测器。本装置能将原子集中在“0‑0能级”，使CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度。另外，装置中所有器件都利于集成，可实现被动型CPT原子钟的微型化。

主设计要求

1.一种左右旋圆偏振光CPT原子钟物理系统装置，其特征在于：包括激光束发射装置、透镜、衰减片、偏振片、第一λ\/4波片、汽泡、第二λ\/4波片、0°部分反射镜和光电探测器；所述的激光束发射装置包括电容、电感、电流源和垂直腔面发射激光器，电流源通过电感给垂直腔面发射激光器提供驱动电流，微波输入通过电容耦合到垂直腔面发射激光器；所述的垂直腔面发射激光器置于透镜的焦点上，透镜将垂直腔面发射激光器发出的线偏振圆形发散激光束转变成线偏振平行光束；所述的衰减片、偏振片、第一λ\/4波片、汽泡、第二λ\/4波片、0°部分反射镜和光电探测器依次设置在线偏振平行光束的出射方向上；透镜、衰减片、偏振片、第一λ\/4波片、汽泡、第二λ\/4波片、0°部分反射镜和光电探测器的端面均与线偏振平行光束的传播方向相垂直；所述的第一λ\/4波片的光轴方向与线偏振平行光束的传播方向呈45度角，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；垂直腔面发射激光器的反射端面与0°部分反射镜构成外谐振腔，外谐振腔的长度为其中,c为真空中的光速，v00为汽泡中碱金属原子基态超精细塞曼能级中磁量子数为零的两能级之间的跃迁频率；所述的汽泡的中心位于外谐振腔的中间位置。

设计方案

1.一种左右旋圆偏振光CPT原子钟物理系统装置，其特征在于：包括激光束发射装置、透镜、衰减片、偏振片、第一λ\/4波片、汽泡、第二λ\/4波片、0°部分反射镜和光电探测器；

所述的激光束发射装置包括电容、电感、电流源和垂直腔面发射激光器，电流源通过电感给垂直腔面发射激光器提供驱动电流，微波输入通过电容耦合到垂直腔面发射激光器；

所述的垂直腔面发射激光器置于透镜的焦点上，透镜将垂直腔面发射激光器发出的线偏振圆形发散激光束转变成线偏振平行光束；

所述的衰减片、偏振片、第一λ\/4波片、汽泡、第二λ\/4波片、0°部分反射镜和光电探测器依次设置在线偏振平行光束的出射方向上；透镜、衰减片、偏振片、第一λ\/4波片、汽泡、第二λ\/4波片、0°部分反射镜和光电探测器的端面均与线偏振平行光束的传播方向相垂直；

所述的第一λ\/4波片的光轴方向与线偏振平行光束的传播方向呈45度角，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；

垂直腔面发射激光器的反射端面与0°部分反射镜构成外谐振腔，外谐振腔的长度为设计说明书

技术领域

本实用新型涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种左右旋圆偏振光CPT原子钟物理系统装置，适用于小型被动型CPT原子钟。

背景技术

原子钟是一种能够提供精密时间的计量仪器，而汽泡式原子钟广泛应用于全球定位系统、通信、军事等方面。原子钟内的物理系统，是原子钟的核心部件，是各个国家原子钟水平较量的关键技术。物理系统的核心器件是原子汽泡，汽泡包含碱金属原子和缓冲气体，碱金属原子为铷-87或铷-85、铯-133，缓冲气体为氮气、甲烷等气体，用来压窄线度、荧光淬灭等。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<\/sub>＝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v_{00<\/sub>作为原子钟鉴频频率。当微波频率扫过v_{00<\/sub>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，将此微波频率锁定到共振信号中凹陷或凸起所对应的频率上，就可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。}}}

被动型汽泡式相干布居囚禁原子钟将注入微波调制到激光中，利用激光与原子作用的相干布居囚禁(Coherent Population Trapping，简称CPT)共振现象来鉴定微波频率。一定功率的微波通过电容和电感电路与直流混合，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)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产生，若为±1级边带光，则称为半宽调制；若为基频(0级)和+1(或-1)级边带光，称为全宽调制。

VCSEL发出的光是线偏振圆形发散光束，为了得到线偏振平行光束，可以将VCSEL9置于透镜10的焦点上，如图2所示，CPT共振所需光强比VCSEL9输出光强小，通过在光路中设置合适衰减片11来控制进入汽泡14的光强，λ\/4波片13的作用是将VCSEL 9输出的线偏振光转变成左旋(σ-)或右旋(σ+)圆偏振光。汽泡14置于可准确控温的环境中，为原子、激光相互作用提供所需的碱金属原子蒸汽。由于0-0能级对磁场是一阶不敏感，为了把它们从其它磁子能级筛选出来，同时为圆偏振光跃迁提供量子化轴，需要在原子泡外加一定纵向磁场；另外防止剩余地磁场的纵向磁场的影响，通常在原子汽泡外罩磁屏蔽。控制合适的VCSEL注入直流和温度，VCSEL输出光中的两个边带用于实现CPT共振。光电探测器16探测透过汽泡14的激光，并转变为光电流信号。

调节微波频率改变两边带光的频率差，当微波频率扫过超精细能级“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控制微波频率的负反馈信号，实现闭环锁定后，即可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。

上述传统的被动型CPT原子钟物理系统方案的光源是单一的左旋(或右旋)圆偏振光。圆偏振激光对原子超精细分裂磁子能级的光抽运效应，使得大部分原子累积在基态磁量子数最小(或最大)的子能级上，而处于这个能级的原子不能用于CPT共振，我们称该态为“泄漏”态。图1以铷-87原子为例，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与非共振的光电流信号幅度的比值)不高。而原子钟的短期频率稳定度(专业领域称之为频率稳定度，实际上指频率不稳定度)与对比度成反比，因此该方案制造的原子钟的短期稳定度不高。

左右旋圆偏振光CPT共振的方案利用传播方向相反的左旋(σ-)和右旋(σ+)分别与原子作用，能够消除处于“泄漏”态的原子，提高信号对比度。原理如下：该方案可用一个光与原子相互作用的四能级图来说明，如图3所示。由于左右旋圆偏振光对应的跃迁系数不同，同相位和光强的σ+和σ-双色光对应的CPT态函数的相位差为π，若同相位和光强的σ+和σ-双色光同时作用于原子会干涉相消，从而破坏CPT相干态，看不到CPT共振信号，因此若在时间或者空间上延时使σ+和σ-相位差为(2n+1)π(n为整数)，就可以达到σ+和σ-对应的CPT态函数干涉相长，使得CPT共振信号增强，并能将原子集中在“0-0能级”。VCSEL自身谐振腔有全反射端面和出光端面，在出射光端面外部插入0°部分反射镜，这样VCSEL全反射端面与0°部分反射镜构成外谐振腔，外谐振腔的长度为设计图

一种左右旋圆偏振光CPT原子钟物理系统装置论文和设计

一种左右旋圆偏振光CPT原子钟物理系统装置论文和设计-屈苏平

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