专利名称：一种被动型cpt原子钟物理系统装置的制作方法
技术领域：
本发明技术涉及原子钟领域，尤其涉及一种被动型CPT原子钟物理系统装置，适用于小型和微型被动型CPT原子钟。
背景技术：
原子钟是一种精密时间计量仪器。汽泡式原子钟广泛应用于全球定位系统、通信、科学实验和军事方面。原子钟的汽泡包含碱金属原子和缓冲气体，并被加热到高于室温以产生碱金属原子蒸汽。缓冲气体为氮气、甲烷、氦气等不活泼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、铷87或铷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I所示，在弱磁场下，由于两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Vtltl作为原子钟鉴频频率。当微波频率扫过跃迁频率时，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注入微波，将此注入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。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表面发射激光器(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-I)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，通过在光路中设置合适衰减片来控制进入汽泡的光强。四分之一波片(入/4波片)的作用是将VCSEL输出的线偏振光转变成左旋(0-)或右旋(0+)圆偏振光。汽泡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。在对环境磁场作屏蔽的前提下，在汽泡外设置螺线管(图2中未画出)产生平行于光传播方向的磁场。该磁场具有双重功能1)为原子-光作用提供量子化轴，使圆偏振光对原子作用产生所需的O跃迁；2)通过塞曼移动选出基态中对磁场不敏感的mF = 0的两子能态。光电探测器探测透过汽泡的激光，并转变为光电流信号。合理控制VCSEL注入直流和温度，使VCSEL输出光中用来实现CPT共振的两个边带分别满足激发两基态到同一激发态的电偶极跃迁(Dl线或D2线跃迁)的条件。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控制微波频率的负反馈信号，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。
上述传统的被动型CPT原子钟物理系统方案光源是单一的左旋(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对CPT共振是没有贡献的，我们称该态为“泄漏”态。图I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(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。正交圆偏振激发CPT共振的方案利用左旋和右旋圆偏振光同时与原子作用，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。同相位和光强的0+和O -双色光对应的CPT态函数的相位差为n (C-G系数不同)，若同相位和光强的0+和O-双色光同时作用于原子，会破坏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0+和O-相位差为(2n+l) (n为整数)，就可以达到态函数同相叠加效果，使得CPT共振信号增强，并能将原子集中在“0-0能级”。因此正交圆偏振激发CPT方案制作的原子钟短期稳定度会明显高于传统CPT原子钟
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种被动型CPT原子钟物理系统装置，该装置能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度。另外，装置中所有器件都利于集成，可实现微型化被动型CPT原子钟。本发明的目的可通过下列技术方案来实现一种被动型CPT原子钟物理系统装置，包括激光束发射装置，还包括透镜、衰减片、第一偏振分束器、第一 X/4波片、汽泡、第二 X/4波片、第二偏振分束器、光电探测器和反射装置，激光束发射装置发出的线偏振圆形发散激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分束器得到第一线偏振平行光束，第一线偏振平行光束通过第一 X/4波片得到圆偏振平行光束，圆偏振平行光束依次通过汽泡和第二入/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第二偏振分束器反射得到第一线偏振反射平行光束，第一线偏振反射平行光束经反射装置反射之后得到第二线偏振反射平行光束，第二线偏振反射平行光束经第一偏振分束器反射，反射后的第二线偏振反射平行光束与通过第一偏振分束器的第一线偏振平行光束合束，反射后的第二线偏振反射平行光束经第一 X/4波片转变成与圆偏振平行光束偏振方向不同的圆偏振光，并再次通过汽泡和第二 X/4波片后转变为偏振方向和线偏振平行光一致的二次线偏振平行光，二次线偏振平行光透过第二偏振分束器输入到光电探测器上，第一线偏振反射平行光束和线偏振平行光束的偏振方向垂直。如上所述的线偏振平行光束、第一线偏振平行光束、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。如上所述的第一线偏振反射平行光束和第二线偏振反射平行光束的传播方向均垂直于线偏振平行光的方向。如上所述的反射装置包括第一 45°反射镜和第二 45°反射镜，第一线偏振反射平行光束经第一 45°反射镜反射得到第三线偏振反射平行光束，第三线偏振反射平行光束经第二 45°反射镜反射得到第二线偏振反射平行光束，第二线偏振平行光束、第一线偏振反射平行光束、第三线偏振反射平行光束和第二线偏振反射平行光束在同一平面。
如上所述的线偏振平行光束的传播方向为X轴正轴方向，X轴正轴方向的反方向为X轴负轴方向，第一偏振分束器的斜面和第一 45°反射镜的反射面的倾斜方向均为X轴负轴方向顺时针旋转45度方向，第二偏振分束器的斜面和第二 45°反射镜的反射面的倾斜方向均为X轴正轴方向逆时针旋转45度方向。如上所述的第一线偏振平行光束、圆偏振平行光束、第二线偏振平行光束、第一线偏振反射平行光束、第二线偏振反射平行光束和第三线偏振反射平行光束的总光程为
其中c为真空中的光速，Vtltl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
ZvOO
的两能级之间跃迁频率。如上所述的激光束发射装置包括电容、电感、电流源和垂直腔表面发射激光器，电 流源通过电感给垂直腔表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表面发射激光器。如上所述的垂直腔表面发射激光器置于透镜的焦点上，透镜将垂直腔表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。如上所述的第一线偏振反射平行光束传播方向为Y轴正轴方向，第一 X/4波片的光轴与Y轴方向呈45度，第二 X/4波片的光轴与第一 X/4波片的光轴平行。如上所述的线偏振平行光束的出射方向上依次放置的衰减片、第一偏振分束器、第一 X/4波片、汽泡、第二 X/4波片、第二偏振分束器、光电探测器的端面均与线偏振平行光束垂直。与现有技术相比，本发明的有益效果是I.能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度；2.装置内所有器件都利于集成，可实现微型化被动型CPT原子钟。
图I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为传统的被动型相干布居囚禁原子钟的物理系统方案图；图3为正交圆偏振激发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87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为本发明的原理示意图；图6为本发明的实施流程示意图；图7为本发明的装置示意图；图8为本发明的延时环路原理示意图；图9为本发明的典型CPT共振谱线。
图中5-电流源；6-电感；7-电容；8_微波输入；9_垂直腔表面发射激光器；10-透镜；11_衰减片；12a_第一偏振分束器；12b_第二偏振分束器；13a_第一 X /4波片；13b-第二入/4波片；14-汽泡；15a-第一 45°反射镜；15b_第二 45°反射镜；16-光电探测器；17_电流输出；18_延时环路；19a-第一线偏振平行光束；19b-圆偏振平行光束；19c-第二线偏振平行光束；19d-第一线偏振反射平行光束；19e-第三线偏振反射平行光束；19f-第二线偏振反射平行光束；19g-线偏振圆形发散激光束；19h-线偏振平行光束。
具体实施例方式实施例I :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Dl线和D2线跃迁，对VCSEL的调制办法有半宽调制和全宽调制。我们以具有代表性的铷87原子、Dl线跃迁、半宽调制为例描述本发明的具体实施方式
。
模块I中，一种被动型CPT原子钟物理系统装置，包括激光束发射装置，还包括透镜10、衰减片11、第一偏振分束器12a、第一 \ /4波片13a、汽泡14、第二 \ /4波片13b、第二偏振分束器12b、光电探测器16和反射装置，激光束发射装置发出的线偏振圆形发散激光束19g经过透镜10和衰减片11得到线偏振平行光束19h，线偏振平行光束19h通过第一偏振分束器12a得到第一线偏振平行光束19a,第一线偏振平行光束19a通过第一入/4波片13a得到圆偏振平行光束19b，圆偏振平行光束19b依次通过汽泡14和第二 \ /4波片13b后得到第二线偏振平行光束19c，第二线偏振平行光束19c经第二偏振分束器12b反射得到第一线偏振反射平行光束19d，第一线偏振反射平行光束19d经反射装置反射之后得到第二线偏振反射平行光束19f，第二线偏振反射平行光束19f经第一偏振分束器12a反射，反射后的第二线偏振反射平行光束19f与通过第一偏振分束器12a的第一线偏振平行光束19a合束，反射后的第二线偏振反射平行光束19f经第一 \ /4波片13a转变成与圆偏振平行光束1%偏振方向不同的圆偏振光，并再次通过汽泡14和第二 \ /4波片13b后转变为偏振方向和线偏振平行光19h —致的二次线偏振平行光，二次线偏振平行光透过第二偏振分束器12b输入到光电探测器16上,第一线偏振反射平行光束19d和线偏振平行光束19h的偏振方向垂直。线偏振平行光束19h、第一线偏振平行光束19a、圆偏振平行光束19b和第二线偏振平行光束19c的光束中心均重合。第一线偏振反射平行光束19d和第二线偏振反射平行光束19f的传播方向均垂直于线偏振平行光19h的方向。反射装置包括第一 45°反射镜15a和第二 45°反射镜15b，第一线偏振反射平行光束19d经第一 45°反射镜15a反射得到第三线偏振反射平行光束19e，第三线偏振反射平行光束19e经第二 45°反射镜15b反射得到第二线偏振反射平行光束19f，第二线偏振平行光束19c、第一线偏振反射平行光束19d、第三线偏振反射平行光束19e和第二线偏振反射平行光束19f在同一平面。线偏振平行光束19h的传播方向为X轴正轴方向，X轴正轴方向的反方向为X轴负轴方向，第一偏振分束器12a的斜面和第一 45°反射镜15a的反射面的倾斜方向均为X轴负轴方向顺时针旋转45度方向，第二偏振分束器12b的斜面和第二 45°反射镜15b的反射面的倾斜方向均为X轴正轴方向逆时针旋转45度方向。第一线偏振平行光束19a、圆偏振平行光束19b、第二线偏振平行光束19c、第一线偏振反射平行光束19d、第二线偏振反射平行光束19f和第三线偏振反射平行光束19e的总
光程为其中c为真空中的光速，Vtltl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。激光束发射装置包括电容7、电感6、电流源5和垂直腔表面发射激光器9，电流源5通过电感6给垂直腔表面发射激光器9提供驱动电流，微波输入8通过电容7耦合到垂直腔表面发射激光器9。垂直腔表面发射激光器9置于透镜10的焦点上，透镜10将垂直腔表面发射激光 器9发出的线偏振圆形发散激光束19g转变成线偏振平行光束19h。第一线偏振反射平行光束19d传播方向为Y轴正轴方向，第一入/4波片13a的光轴与Y轴方向呈45度，第二 \ /4波片13b的光轴与第一 \ /4波片13a的光轴平行。线偏振平行光束19h的出射方向上依次放置的衰减片11、第一偏振分束器12a、第一入/4波片13a、汽泡14、第二 X/4波片13b、第二偏振分束器12b、光电探测器16的端面均与线偏振平行光束19h垂直。线偏振平行光束19h方向为X轴正轴方向,第一线偏振反射平行光束19d传播方向为Y轴正轴方向，第一 X/4波片13a的光轴与Y轴方向呈45°，第二入/4波片13b的光轴与第一、/4波片13a的光轴平行，因此Y轴方向上的线偏振光束经过第一 \ /4波片13a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)n。模块2中，与传统被动型CPT原子钟中的方法相似,将垂直腔表面发射激光器9发射的激光中+1级边带光调节到与铷87原子|5S1/2，F = I >和|5P1/2，F = 2 >两能级的电偶极跃迁共振，-I级边带光调节到与铷87原子|5S1/2, F = 2 >和|5P1/2, F = 2 >两能级的电偶极跃迁共振。模块3中，扫描微波输入8的频率，光电探测器16的电流输出17大小反应了 CPT共振的强弱，该电流输出17即为微波输入8的频率鉴定信号，即实现鉴频4。本发明与传统被动型相干布居囚禁原子钟方案相比，获得的鉴频信号幅度明显较大，能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，同领域的工作人员通过共知常识及本发明可得碱金属原子(铯133、铷87、铷85)、不同谱线(Dl线和D2线)、不同调制方式(半宽调制和全宽调制)的实施办法。本发明能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度。另外，所有器件都利于集成，可实现微型化被动型CPT原子钟。
权利要求
1.一种被动型CPT原子钟物理系统装置，包括激光束发射装置，其特征在于还包括透镜(10)、衰减片(11)、第一偏振分束器(12a)、第一 λ/4波片(13a)、汽泡(14)、第二 λ/4波片(13b)、第二偏振分束器(12b)、光电探测器(16)和反射装置，激光束发射装置发出的线偏振圆形发散激光束(19g)经过透镜(10)和衰减片(11)得到线偏振平行光束(19h)，线偏振平行光束(19h)通过第一偏振分束器(12a)得到第一线偏振平行光束(19a),第一线偏振平行光束(19a)通过第一 λ/4波片(13a)得到圆偏振平行光束(19b)，圆偏振平行光束(1%)依次通过汽泡(14)和第二 λ /4波片(13b)后得到第二线偏振平行光束(19c)，第二线偏振平行光束(19c)经第二偏振分束器(12b)反射得到第一线偏振反射平行光束(19d)，第一线偏振反射平行光束(19d)经反射装置反射之后得到第二线偏振反射平行光束(19f)，第二线偏振反射平行光束(19f)经第一偏振分束器(12a)反射，反射后的第二线偏振反射平行光束(19f)与通过第一偏振分束器(12a)的第一线偏振平行光束(19a)合束，反射后的第二线偏振反射平行光束(19f)经第一 λ/4波片(13a)转变成与圆偏振平行光束(1%)偏振方向不同的圆偏振光，并再次通过汽泡(14)和第二 λ/4波片(13b)后转变为偏振方向和线偏振平行光(19h) —致的二次线偏振平行光，二次线偏振平行光透过第二偏振分束器(12b)输入到光电探测器(16)上,第一线偏振反射平行光束(19d)和线偏振平行光束(19h)的偏振方向垂直。
2.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的线偏振平行光束(19h)、第一线偏振平行光束(19a)、圆偏振平行光束(19b)和第二线偏振平行光束(19c)的光束中心均重合。
3.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的第一线偏振反射平行光束(19d)和第二线偏振反射平行光束(19f)的传播方向均垂直于线偏振平行光(19h)的方向。
4.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的反射装置包括第一 45°反射镜(15a)和第二 45°反射镜(15b),第一线偏振反射平行光束(19d)经第一45°反射镜(15a)反射得到第三线偏振反射平行光束(19e)，第三线偏振反射平行光束(19e)经第二 45°反射镜(15b)反射得到第二线偏振反射平行光束(19f)，第二线偏振平行光束(19c)、第一线偏振反射平行光束(19d)、第三线偏振反射平行光束(19e)和第二线偏振反射平行光束(19f)在同一平面。
5.根据权利要求4所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的线偏振平行光束(19h)的传播方向为X轴正轴方向，X轴正轴方向的反方向为X轴负轴方向，第一偏振分束器(12a)的斜面和第一 45°反射镜(15a)的反射面的倾斜方向均为X轴负轴方向顺时针旋转45度方向，第二偏振分束器(12b)的斜面和第二 45°反射镜(15b)的反射面的倾斜方向均为X轴正轴方向逆时针旋转45度方向。
6.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的第一线偏振平行光束(19a)、圆偏振平行光束(19b)、第二线偏振平行光束(19c)、第一线偏振反射平行光束(19d)、第二线偏振反射平行光束(19f)和第三线偏振反射平行光束(19e)的总光程为其中c为真空中的光速，Vt 为汽泡中碱金属原子基态超精细塞曼能级中磁 ZvOO量子数为零的两能级之间跃迁频率。
7.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的激光束发射装置包括电容(7)、电感(6)、电流源(5)和垂直腔表面发射激光器(9)，电流源(5)通过电感(6)给垂直腔表面发射激光器(9)提供驱动电流，微波输入(8)通过电容(7)耦合到垂直腔表面发射激光器(9)。
8.根据权利要求7所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的垂直腔表面发射激光器(9)置于透镜(10)的焦点上，透镜(10)将垂直腔表面发射激光器(9)发出的线偏振圆形发散激光束(19g)转变成线偏振平行光束(19h)。
9.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的第一线偏振反射平行光束(19d)传播方向为Y轴正轴方向，第一 λ/4波片(13a)的光轴与Y轴方向呈45度，第二 λ/4波片(13b)的光轴与第一 λ/4波片(13a)的光轴平行。
10.根据权利要求I所述的一种被动型CPT原子钟物理系统装置，其特征在于所述的线偏振平行光束(19h)的出射方向上依次放置的衰减片(11)、第一偏振分束器(12a)、第一λ/4波片(13a)、汽泡(14)、第λ/4波片(13b)、第二偏振分束器(12b)、光电探测器(16)的端面均与线偏振平行光束(19h)垂直。
全文摘要
本发明公开一种被动型CPT原子钟物理系统装置，激光束发射装置发出的线偏振圆形发散激光束经过透镜、衰减片和第一偏振分束器得到第一线偏振平行光束后，依次通过第一λ/4波片、汽泡和第二λ/4波片后得到第二线偏振平行光束，然后经第二偏振分束器、反射装置和第一偏振分束器反射后再次透过第一λ/4波片、汽泡、第二λ/4波片和第二偏振分束器后输出到光电探测器，第一线偏振反射平行光束和线偏振平行光的偏振方向垂直。本发明能实现正交圆偏振光同时与原子作用实现CPT共振并将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度。装置中的器件均利于集成，可实现微型被动型CPT原子钟。
文档编号G02B27/28GK102778839SQ201110430919
公开日2012年11月14日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者屈苏平, 张奕, 顾思洪 申请人:中国科学院武汉物理与数学研究所