一种光纤型CPT原子钟物理系统的制作方法

本发明涉及微小型原子频标技术领域，尤其涉及一种全光纤型CPT原子钟物理系统。

背景技术：

光纤是光导纤维的缩写，是一种由玻璃或者塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是光的全反射。由前香港中文大学校长高锟和George A.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

光纤技术一般由三部分组成：光信号发送端，用于传送光信号的光纤和光信号接收端。光纤技术在这三部分中均有所体现。光纤传感技术是一项新型技术，利用传送光信号的光纤感知环境变化(包括光纤内环境变化和光纤外环境变化)，体现在光信号的变化被光信号接收端接收，并通过电子设备处理信号的变化最终还原出环境的变化信息。由于光纤传感具有结构轻巧，设计简单等优点，其应用领域越来越广泛。

原子钟即原子时间频率标准(Atomic Frequency Standard)，自1948年问世后，半个多世纪来原子钟的研究有了长足的发展。传统原子钟早已形成产业进入商业领域生产，并被广泛应用。大至卫星通信及卫星导航，例如GPS，北斗导航等，小至微波基站塔，无线电广播台等核心设备中便安装有原子钟。没有原子钟，要远距离定位到几十米、几米乃至几厘米根本无法想象。

两相干激光与Λ能级的原子相互作用时，当双色光的频差与基态两能级频差相同，即拉曼共振时，原子被制备到相干叠加态，称为CPT态。处于CPT态的原子与光场解耦，不再与光场相互作用。1976年，Alzetta等人在使用两频率激光作用于Na原子团的实验中，首次发现了CPT现象。1982年，Thomas等人首先将CPT现象应用于原子钟，一改传统原子钟技术中的“态选择”和“态激发”技术，并将二者合二为一，不再使用微波谐振腔，从而使得原子钟的体积和功耗大幅降低，并且大大减少了光频移。鉴于易于小型化和高性能的特点，被动型CPT原子钟自1998年以后受到各国的重视。

被动型CPT(相干布居数俘获，Coherent Population Trapping)原子钟，因为较传统铷原子钟省却了微波谐振腔，所以其体积小、重量轻和功耗低，非常适合应用于各种便携式电子设备中。

目前，被动型CPT原子钟物理系统绝大多数采用自由空间用的光学器件，如准直透镜、光强度衰减片、1/4波片，因此整体物理系统的体积受限于传统光学器件体积。此外，原子气室的加热器通常采用缠绕于原子气室的双股平行加热丝或置于原子气室侧面的MOS管。这种结构的CPT原子钟物理系统有如下几个缺点：

1.由于自由空间用VCSEL激光器的出射光斑具有发散角，准直透镜用来将具有发散角的线偏振光转变为平行线偏振光，因此要求VCSEL激光管的出射口中心，准直透镜的焦点，1/4波片中心位置，原子气室中轴线和光电探测器中心必须同轴。这种要求增加了安装和调试光路的难度，影响原子钟的频率稳定度。

2.在原子气室温度一定的情况下，在光与碱金属原子的相互作用中，为提高CPT信号的信噪比，需要增加光与原子相互作用的长度，由于准直后的光是平行光，要提高信噪比只能增加原子气室的长度，从而使得原子钟的体积和功耗增大。

3.原子气室的加热器通常采用缠绕于原子气室的双股平行加热丝或置于原子气室侧面的MOS管，加热时容易产生静电磁场，直接干扰原子气室内部磁场，影响原子钟输出CPT信号的稳定性。

4.原子气室由于是采用传统玻璃吹制技术制成，必然在注入碱金属和缓冲气体的密封口处形成一个小玻璃尖锥，这种原子气室的不对称结构会影响CPT原子钟结构的紧凑性和稳定性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤型CPT原子钟物理系统，降低了安装和调试光路的难度，提高了输出CPT信号的稳定性，减小了体积，降低了功耗。

本发明的技术解决方案：

一种光纤型CPT原子钟物理系统，包括：尾纤VCSEL激光器、光纤衰减器、光纤1/4波片、原子气室组件和尾纤光电探测器；其中，所述尾纤VCSEL激光器、所述光纤衰减器、所述光纤1/4波片、所述原子气室组件和所述尾纤光电探测器依次通过光纤相连接；所述原子气室组件包括原子气室、C场线圈、金属恒温槽和磁屏蔽带，其中，所述原子气室为将注入碱金属原子及缓冲气体的中空的光纤通过光纤拉锥技术密封而成；所述原子气室与所述光纤1/4波片相连接；所述C场线圈沿所述原子气室的轴向绕设于所述原子气室的外壁，用于在所述原子气室产生平行于圆偏振光传播方向的均匀磁场；所述原子气室嵌设于所述金属恒温槽，所述金属恒温槽用于控制所述原子气室的温度；所述磁屏蔽带包设于所述金属恒温槽；所述尾纤VCSEL激光器用于产生线偏振光，所述线偏振光经所述光纤衰减器后衰减，衰减的线偏振光经所述光纤1/4波片转换为圆偏振光，在缓冲气体和均匀磁场的条件下所述圆偏振光在所述原子气室内与碱金属原子发生相互作用产生CPT光信号，所述尾纤光电探测器用于接收所述CPT光信号，并将所述CPT光信号转换为CPT电信号。

进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述金属恒温槽包括加热片、温度传感器和金属槽；其中，所述加热片设置于所述金属槽的底部，用于加热所述金属槽；所述温度传感器设置于所述金属槽的侧壁，用于实时检测所述金属槽的温度；所述金属槽用于嵌设所述原子气室并加热所述原子气室。

进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述加热片包括金属加热丝和薄膜绝缘片；其中，所述金属加热丝的其中一个端部设置有第一引线，另一个端部设置有第二引线；所述金属加热丝镀设于所述薄膜绝缘片。

进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述加热片的数量为两个，在加热片的两个面中以镀有金属加热丝的面为正面，其中，两个加热片的反面相对应的贴合在一起；两个加热片的第一引线彼此相连接，第二引线彼此相连接。

进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述加热片的数量为两个，在加热片的两个面中以镀有金属加热丝的面为正面，其中，两个加热片的反面相对应的贴合在一起；其中一个加热片的第一引线与另一个加热片的第二引线相连接，或者所述其中一个加热片的第二引线与所述另一个加热片的第一引线相连接。

进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述金属加热丝以“回”型排列的方式设置。

进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述金属加热丝镀设于所述薄膜绝缘片。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1)本发明将尾纤VCSEL激光器、光纤衰减器、光纤1/4波片、原子气室组件和尾纤光电探测器通过光纤相连接，相比于现有技术中无需同轴安装，降低了安装和调试光路的难度，并且安装体积小，易于小型化和工程化生产。

2)本发明中的原子气室能实现光在光纤多次全反射的过程中与光纤内碱金属原子相互作用，因此相比于现有技术的原子气室，在相同长度下可获得更长的相互作用距离，提高了信噪比，从而提高输出CPT光信号的稳定性。

3)本发明中原子气室的结构对称性好，能够均匀的缠绕C场线圈，从而能够产生均匀的磁场，并提高输出CPT光信号的稳定性。

附图说明

图1示出了本发明的实施例提供的光纤型CPT原子钟物理系统的结构示意图；

图2示出了本发明的实施例提供的金属恒温槽结构图；

图3示出了本发明的实施例提供的加热片结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细说明：

图1示出了本发明的实施例提供的光纤型CPT原子钟物理系统的结构示意图。如图1所示，本发明提供了一种光纤型CPT原子钟物理系统，该系统包括：尾纤VCSEL激光管1、光纤衰减器2、光纤1/4波片3、原子气室组件和尾纤光电探测器8。其中，

尾纤VCSEL激光器1用于产生线偏振光。

光纤衰减器2通过光纤与尾纤VCSEL激光器1相连接，用于衰减线偏振光。

光纤1/4波片3通过光纤与光纤衰减器2相连接，用于将线偏振光转换为圆偏振光。具体实施时，旋转光纤1/4波片3的快轴方向，使线偏振光的偏振方向与光纤1/4波片3的快轴方向之间的夹角为45。，从而得到圆偏振光。

原子气室组件通过光纤与光纤1/4波片3相连接，用于放置碱金属原子与缓冲气体，并使得碱金属原子与圆偏振光发生光与原子的相互作用产生CPT光信号。需要理解的是，缓冲气体选用本领域技术人员常用的气体，例如氮气，在均匀磁场和缓冲气体的环境下，能够有效的使金属原子与圆偏振光发生光与原子的相互作用。

尾纤光电探测器8通过光纤与原子气室组件相连接，用于接收CPT光信号，并将CPT光信号转换为CPT电信号。

原子气室组件包括原子气室4、C场线圈5、金属恒温槽6和磁屏蔽带7，其中，原子气室4为将注入碱金属原子及缓冲气体的中空的光纤通过光纤拉锥技术密封而成；原子气室4与光纤1/4波片3相连接；C场线圈5沿原子气室4的轴向绕设于原子气室4的外壁，用于在原子气室4产生平行于圆偏振光传播方向的均匀磁场；原子气室4嵌设于金属恒温槽6，金属恒温槽6用于控制原子气室4的温度；磁屏蔽带7包设于金属恒温槽6，用于防止外界磁场对原子气室4内的磁场的干扰。

具体地，原子气室4为采用光纤拉锥技术将中空的光纤拉长并密封，从而使得原子气室4得结构性对称，能够均匀的缠绕C场线圈5，从而能够产生均匀的磁场，并提高输出CPT光信号的稳定性。

尾纤VCSEL激光器1发射线偏振光，线偏振光通过光纤传输到光纤衰减器2，光纤衰减器2将线偏振光的强度进行衰减，衰减后的线偏振光经过光纤1/4波片3后转换为圆偏振光，圆偏振光进入原子气室4，金属恒温槽6对原子气室4进行加热，从而使得原子气室4内的碱金属原子数增加，在缓冲气体和C场线圈5产生均匀磁场的环境下，圆偏振光与碱金属原子发生相互作用，产生CPT光信号，CPT光信号传输到尾纤光电探测器8，尾纤光电探测器8接收CPT光信号，并将CPT光信号转换为CPT电信号。需要说明的是，光在原子气室4内以全反射的方式进行传输，从而使得圆偏振光与碱金属原子发生相互作用的距离变长，提高了信噪比，从而提高输出CPT光信号的稳定性。

本发明将尾纤VCSEL激光器、光纤衰减器、光纤1/4波片、原子气室组件和尾纤光电探测器通过光纤相连接，相比于现有技术中无需同轴安装，降低了安装和调试光路的难度，并且安装体积小，易于小型化和工程化生产。并且本发明中的原子气室能实现光在光纤多次全反射的过程中与光纤内碱金属原子相互作用，因此相比于现有技术的原子气室，在相同长度下可获得更长的相互作用距离，提高了信噪比，从而提高输出CPT光信号的稳定性。进一步的，本发明中的原子气室结构对称性好，可以均匀的缠绕C场线圈，从而能够产生均匀的磁场，能够提高输出CPT光信号的稳定性。

图2示出了本发明实施例提供的金属恒温槽的结构图。如图2所示，金属恒温槽6包括加热片60、温度传感器61和金属槽62。其中，

加热片60设置于金属槽62的底部，用于加热金属槽62。具体实施时，加热片60可以黏接在金属槽62的底部。需要理解的是，加热片60与金属槽62的底部的连接方式有多种，本实施例不加以限定。

温度传感器61设置于金属槽62的侧壁，用于实时检测金属槽62的温度。

金属槽62用于嵌设原子气室4并加热所述原子气室4。

工作时，加热片60通过金属槽62对原子气室4进行加热，温度传感器61能够实时检测金属槽62的温度，从而能够实时检测原子气室4的温度。

图3示出了本发明实施例提供的加热片结构示意图。如图3所示，加热片60包括金属加热丝603和薄膜绝缘片602，具体实施时，金属加热丝603的材料在本实施例不加以限定。薄膜绝缘片602的材料可以为塑料，需要理解的是，薄膜绝缘片的构成材料可以有多种，本实施例不加以限定。其中，

金属加热丝603具有两个端部，在金属加热丝603的其中一个端部设置有第一引线6011，另一个端部设置有第二引线6012。需要理解的是，第一引线6011和第二引线6012分别与外部电路相连接，通过对金属加热丝603通电而产生热量。

金属加热丝603设置于薄膜绝缘片602。具体实施时，金属加热丝603镀设于薄膜绝缘片602的一面。金属加热丝603以“回”型排列的方式设置于薄膜绝缘片602，从而使得金属加热丝603的长度增加，增加了金属加热丝603的电阻，从而能够很好的均匀产生热量。

上述实施例中，加热片60的数量为两个，在加热60的两个面中以镀有金属加热丝的面为正面，其中，两个加热片60的反面相对应的贴合在一起；两个加热片60的第一引线6011彼此相连接，第二引线6012彼此相连接。由于两个加热片60的金属加热丝603相互平行，从而能够有效抵消通电的金属加热丝产生的磁场，从而可以防止干扰原子气室4的磁场。

上述实施例中，加热片60的数量为两个，在加热片60的两个面中以镀有金属加热丝603的面为正面，其中，两个加热片60的反面相对应的贴合在一起，从而使得两个加热片60的金属加热丝603相互平行；其中一个加热片60的第一引线6011与另一个加热片60的第二引线6012相连接，或者该其中一个加热片60的第二引线6012与另一个加热片60的第一引线6011相连接。由于两个加热片60的金属加热丝603相互平行，从而能够有效抵消通电的金属加热丝产生的磁场，从而可以防止干扰原子气室4的磁场。

本发明将尾纤VCSEL激光器、光纤衰减器、光纤1/4波片、原子气室组件和尾纤光电探测器通过光纤相连接，相比于现有技术中无需同轴安装，降低了安装和调试光路的难度，并且安装体积小，易于小型化和工程化生产，并且本发明中的原子气室能实现光在光纤多次全反射的过程中与光纤内碱金属原子相互作用，因此相比于现有技术的原子气室，在相同长度下可获得更长的相互作用距离，提高了信噪比，从而提高输出CPT光信号的稳定性。进一步的，本发明中的原子气室结构对称性好，可以均匀的缠绕C场线圈，从而能够产生均匀的磁场，能够提高输出CPT光信号的稳定性。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。