一种实现正交圆偏振光CPT原子钟物理系统的装置的制作方法

本实用新型涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种实现正交圆偏振光cpt原子钟物理系统的装置，适用于小型被动型cpt原子钟。

背景技术：

利用原子不同能级之间的量子跃迁计量时间的原子钟，由于其能够提供精密时间，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，物理系统的好坏直接决定了原子钟性能和指标的优劣，因此，物理系统的设计是实现原子钟的关键之一。

物理系统的核心器件是原子汽泡，原子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mf＝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ν00作为原子钟鉴频频率。当微波频率扫过ν00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(coherentpopulationtrapping，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，混合的电信号驱动垂直腔面发射激光器(vertical-cavitysurface-emittinglaser，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。

激发cpt共振所需光强比vcsel输出光强小，通过将衰减片5设置在光路中来控制进入汽泡7的光强，如图2所示，垂直腔面发射激光器4输出的激光需以圆偏振的偏振状态激发cpt共振，λ/4波片6的作用是将线偏振光转变成左旋(σ-)或右旋(σ+)圆偏振光。汽泡7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，需要在原子气泡外加一定纵向磁场(图2未画出)。另外为了防止剩余地磁场对纵向磁场的影响，通常在汽泡7外罩磁屏蔽(图2未画出)。控制合适的vcsel驱动直流和温度使波长调谐到d1或d2线实现cpt共振。光电探测器10探测透过汽泡7的激光，并转变为光电流信号。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。

上述传统被动型cpt原子钟物理系统装置(图2所示)虽然光路简洁，然而光源是单一的左旋(或右旋)圆偏振光，使得大部分原子聚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85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比上非共振的光电流信号幅度)不高。而原子钟的短期频率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。

正交圆偏振光cpt共振的方案利用传播方向相反的左旋和右旋圆偏振光分别与原子作用，能够消除处于“泄漏”态的原子，并提高信号对比度。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，并能将大部分原子集中在“0-0能级”，如图4所示。因此，正交圆偏振光cpt共振制作的原子钟短期稳定度会明显高于传统cpt原子钟。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种实现正交圆偏振光cpt原子钟物理系统的装置，该装置能将原子集中在“0-0能级”，使得cpt共振信号增强，提高信号的对比度，降低微波功率。

本实用新型可通过以下技术方案来实现：

一种实现正交圆偏振光cpt原子钟物理系统的装置，包括激光束发射装置、衰减片、第一λ/4波片、汽泡、第二λ/4波片、透镜、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；

所述的衰减片、第一λ/4波片、汽泡、第二λ/4波片、透镜、反射镜和光电探测器依次设置在线偏振圆形发散光的传播方向上；

所述的衰减片、第一λ/4波片、汽泡、第二λ/4波片、透镜、反射镜和光电探测器的端面均与线偏振圆形发散光的传输方向相垂直；

所述的第一λ/4波片的光轴方向与线偏振圆形发散光的传播方向呈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，ν00为汽泡中碱金属原子基态超精细塞曼能级中mf＝0的两能级之间跃迁频率；

所述的汽泡的中心位于外谐振腔的四分之一位置。

为了简单说明问题期间，以下对本实用新型所述的实现正交圆偏振光cpt原子钟物理系统的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经过衰减片得到第一线偏振圆形发散光，第一线偏振圆形发散光通过第一λ/4波片得到第一圆偏振发散光，第一圆偏振发散光依次通过汽泡和第二λ/4波片后得到第二线偏振发散光，第二线偏振发散光的偏振方向与第一线偏振圆形发散光束垂直，第二线偏振发散光经透镜变成线偏振平行光，线偏振平行光经反射镜一部分透射进入光电探测器探测，一部分反射得到第一线偏振反射平行光，第一线偏振反射平行光经透镜聚焦变成第一线偏振反射会聚光，第一线偏振反射会聚光通过第二λ/4波片转变为偏振方向和第一圆偏振会聚光垂直的第一圆偏振反射会聚光，再次通过汽泡后通过第一λ/4波片变成与第一线偏振发散光束偏振平行的第二线偏振反射会聚光，第二线偏振反射会聚光的偏振方向第一线偏振发散光平行，通过衰减片变成第三线偏振反射会聚光，注入到vcsel里面。然后上述过程重复出现。

所述的线偏振圆形发散光、第一线偏振圆形发散光、第一圆偏振发散光、第二线偏振发散光、线偏振平行光、第一线偏振反射平行光、第一线偏振反射会聚光、第一圆偏振反射会聚光、第二线偏振反射会聚光、第三线偏振反射会聚光的光束中心均重合。

所述的线偏振圆形发散光、第一线偏振圆形发散光、第一圆偏振发散光、第二线偏振发散光、线偏振平行光、第一线偏振反射平行光、第一线偏振反射会聚光、第一圆偏振反射会聚光、第二线偏振反射会聚光、第三线偏振反射会聚光在同一平面。

所述的线偏振圆形发散光、第一线偏振圆形发散光、第一圆偏振发散光、第二线偏振发散光、线偏振平行光、第一线偏振反射平行光、第一线偏振反射会聚光、第一圆偏振反射会聚光、第二线偏振反射会聚光、第三线偏振反射会聚光的总光程为即外谐振腔长度的两倍。其中第一圆偏振发散光、第二线偏振发散光、线偏振平行光、第一线偏振反射平行光、第一线偏振反射会聚光、第一圆偏振反射会聚光的光程为

所述的线偏振圆形发散光的传播方向为x轴正方向，第一线偏振反射平行光的传播方向为x轴负方向，第一λ/4波片的光轴方向与x轴正方向呈45度角，第二λ/4波片的光轴方向与第一λ/4波片的光轴方向相平行。

较佳地，所述的反射镜的反射率为50％。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、能将原子集中在“0-0能级”，使得cpt共振信号增强，提高信号的对比度；

2、提高频率为v00/2、用于调制垂直腔面发射激光器电流的微波效率，降低微波功耗，装置内所有器件都利于集成，便于安装，可以实现低功耗集成被动型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(以具有代表性的左旋偏振光抽运铷-85原子为例，能级上的直条表示单一圆偏振光抽运，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为实现正交圆偏振激发cpt方案四能级抽运图(以具有代表性的铷-85原子为例)。

图4为实现正交圆偏振激发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-85原子为例，能级上的直条表示正交圆偏振光抽运，稳态时能级布居数分布)。

图5为本实用新型实现正交圆偏振光cpt原子钟物理系统装置示意图。

图6为本实用新型实现正交圆偏振光cpt原子钟物理系统装置的工作原理示意图。

图7为本装置的外谐振腔与原子汽泡的位置示意图。

图8为本实用新型实现正交圆偏振光cpt原子钟物理系统装置的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

被动型相干布居囚禁原子钟中常用的碱金属原子有铯-133、铷-87、铷-85等，选择常用的电偶极跃迁d1线和d2线跃迁，对vcsel的调制办法有半宽调制和全宽调制。本实用新型以具有代表性的铷-85原子(其超精细结构塞曼能级布居图如图4所示)、d1线跃迁、半宽调制为例详细说明其具体实施方式。

一种实现正交圆偏振光cpt原子钟物理系统的装置，如图5所示，包括激光束发射装置、衰减片5、第一λ/4波片6a、汽泡7、第二λ/4波片6b、透镜8、反射镜9和光电探测器10；

激光束发射装置包括电流源1、电感2、电容3和垂直腔面发射激光器4，电流源1通过电感2给垂直腔面发射激光器4提供驱动电流，微波输入通过电容3耦合到垂直腔面发射激光器4；

所述的衰减片5、第一λ/4波片6a、汽泡7、第二λ/4波片6b、透镜8、反射镜9和光电探测器10依次设置在激光束发射装置发出的线偏振圆形发散光12a的传播方向上；

所述的衰减片5、第一λ/4波片6a、汽泡7、第二λ/4波片6b、透镜8、反射镜9和光电探测器10的端面均与线偏振圆形发散光12a的传输方向相垂直。

激光束发射装置发出的线偏振圆形发散光12a经衰减片5衰减后得到第一线偏振圆形发散光12b，第一线偏振圆形发散光12b通过第一λ/4波片6a得到第一圆偏振发散光12c，第一圆偏振发散光12c依次通过汽泡7和第二λ/4波片6b后得到第二线偏振发散光12d，第二线偏振发散光12d经透镜8变成线偏振平行光12e，线偏振平行光12e一部分透过反射镜9输入到光电探测器10内，另一部分经反射镜9反射得到第一线偏振反射平行光12f，第一线偏振反射平行光12f经透镜8变成第一线偏振反射会聚光12g，第一线偏振反射会聚光12g经第二λ/4波片6b转变成与圆偏振平行光束12c偏振方向正交的第一圆偏振反射会聚光12g，并再次通过汽泡7和第一λ/4波片6a后转变为偏振方向和第一线偏振圆形发散光12b一致的第二线偏振反射会聚光12i，第二线偏振反射会聚光12i经过衰减片5变成第三线偏振反射会聚光12j，注入进入垂直腔面发射激光器4内，如图6所示。

线偏振圆形发散光12a、第一线偏振圆形发散光12b、第一圆偏振发散光12c、第二线偏振发散光12d、线偏振平行光12e、第一线偏振反射平行光12f、第一线偏振反射会聚光12g、第一圆偏振反射会聚光12h、第二线偏振反射会聚光12i、第三线偏振反射会聚光12j的光束中心均重合。为了表述方便，在图5和图7中，线偏振圆形发散光12a、第一线偏振圆形发散光12b、第一圆偏振发散光12c、第二线偏振发散光12d、线偏振平行光12e、第一线偏振反射平行光12f、第一线偏振反射会聚光12g、第一圆偏振反射会聚光12h、第二线偏振反射会聚光12i、第三线偏振反射会聚光12j的光束中心分开画。

垂直腔面发射激光器4的反射端面与反射镜9构成外谐振腔11，外谐振腔11的腔长为其中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跃迁频率。汽泡7中心放置在外谐振腔11的四分之一位置，如图7所示，线偏振圆形发散光12a、第一线偏振圆形发散光12b、第一圆偏振发散光12c、第二线偏振发散光12d、线偏振平行光12e、第一线偏振反射平行光12f、第一线偏振反射会聚光12g、第一圆偏振反射会聚光12h、第二线偏振反射会聚光12i、第三线偏振反射会聚光12j的总光程为2λ00，其中第一圆偏振发散光12c、第二线偏振发散光12d、线偏振平行光12e、第一线偏振反射平行光12f、第一线偏振反射会聚光12g、第一圆偏振反射会聚光12h的光程为

第一线偏振圆形发散光12b传播方向为x轴正轴方向，第一线偏振反射平行光12f传播方向为x轴负轴方向，第一λ/4波片6a的光轴与x轴方向呈45度角，第二λ/4波片6b的光轴与第一λ/4波片6a的光轴平行。

反射镜9的反射率：透射率等于1:1，即反射率为50％的反射镜9放置在线偏振圆形发散光12a的出射方向上。

第一线偏振圆形发散光12b传播方向为x轴正方向，x轴方向上的线偏振光束经过第一λ/4波片6a后变为磁左旋(或右旋)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。

与传统被动型cpt原子钟的方法相似，将垂直腔面发射激光器4发射的激光中+1级边带光调节到与铷85原子|5s1/2，f＝2>和|5p1/2，f＝3>两能级的电偶极跃迁共振，-1级边带光调节到与铷85原子|5s1/2，f＝3>和|5p1/2，f＝3>两能级的电偶极跃迁共振。

扫描微波输入的频率，光电探测器10的电流输出大小反应了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，整个流程如图8所示。

本实用新型与传统被动型相干布居囚禁原子钟方案相比，获得的鉴频信号幅度明显较大，能有效提高被动型相干布居囚禁原子钟的性能。

本实用新型能将原子集中在“0-0能级”，使得cpt共振信号增强，提高信号的对比度，同时能够提高频率为v00/2用于调制垂直腔面发射激光器电流的微波效率，降低微波功耗，装置内所有器件都利于集成，便于安装，可以实现低功耗集成被动型cpt原子钟。

上述实施方式只是本实用新型的一个具有代表性的特例，同领域的技术人员通过共知常识及本实用新型可得碱金属原子(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。