一种微型CPT原子钟光源产生装置的制作方法

本发明涉及被动型相干布居囚禁(CPT，Coherent Population Trapping)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实现性能更好的微型CPT原子钟。

背景技术：

微型CPT原子钟相比传统微波原子钟，例如气泡型铷钟、铯钟等，具有体积小、功耗低和启动快特点，体积、功耗和启动速度的优势都至少达到一个量级。微型CPT原子钟在通信、导航定位、信息探测等方面具有广泛应用潜力。

目前微型CPT原子钟采用vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL)输出调频多色线偏振光作为光源，用四分之一波片使它转换为圆偏振多色光与碱金属原子作用，其中两个频率成分(通常是±1级边带)作为所需的相干双色光与原子发生CPT共振，通过探测与原子作用后的透射光获得光电信号，从中提取原子对多色光的吸收谱线实施激光频率稳频，提取CPT共振谱线实施微波频率稳频。该方案易于实施微型原子钟，但也伴随了一些缺点，其中圆偏振光场与碱金属原子作用会使部分原子积聚在极化暗态，处于极化暗态的原子不能参与CPT共振，使得工作原子数减少，是导致原子钟性能降低一个重要原因。

为了解决极化暗态问题，增加工作原子数量，许多改进光场方案被提出和研究，其中采用两光频成分的偏振相互垂直的双色光与原子作用，是消除极化暗态原子一种有效方案。如果用两束单色线偏振光通过偏振分束器就可以合成偏振方向相互垂直的双色光(⊥线偏振双色光)，用⊥线偏振双色光与原子作用不会产生极化暗态，实验证明与圆偏振双色光相比⊥线偏振双色光获得的CPT信号质量更高。但是，实验采用的这种光源产生装置体积、功耗、成本过高，不适合用于实施实用的原子钟。

本发明提供了一种⊥线偏振双色光产生方案，所获得的光场适合用于实施微型原子钟。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种⊥线偏振双色光产生装置及方法，该装置结构简单，适合集成，可用于实现微型CPT原子钟。与目前常用的圆偏振双色光相比，本发明产生的⊥线偏振双色光与原子作用能够获得质量更高的CPT信号，因而能够实现频率稳定度更好的微型CPT原子钟。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术措施：

一种微型CPT原子钟光源产生装置，包括VCSEL，还包括偏振分束器、第一四分之一波片、第一平面反射镜、第二四分之一波片和第二平面反射镜，第一平面反射镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射镜平行设置，偏振分束器设置在第一四分之一波片和第二四分之一波片之间，VCSEL输出的多色线偏振光入射偏振分束器的偏振反射面后分束为s偏振反射光束和p偏振透射光束，s偏振反射光束经过第一四分之一波片转换为第一圆偏振光，第一圆偏振光经第一平面反射镜反射后经第一四分之一波片转为第一线偏振光，第一线偏振光透射偏振分束器后经第二四分之一波片转换为第二圆偏振光，第二圆偏振光经第二平面反射镜反射后经第二四分之一波片转换为第二线偏振光，第二线偏振光经偏振分束器全反射后与p偏振透射光束合束。

一种微型CPT原子钟光源产生方法：

(1)VCSEL输出线偏振多色光束，其中±1级边带作为与原子产生CPT共振的双色光。线偏振光束入射至偏振分束器，偏振分束器棱长d需要满足公式：d＝(2N+1)π/[2n(k₁-k₂)]，其中，N为非负整数，n为偏振分束器材料折射率，k₁和k₂分别双色光两光频成分的波矢。任意偏振方向的线偏振多色光束入射偏振分束器后经反射为偏振方向垂直于入射面(s偏振)的s偏振反射光束，以及经透射的偏振方向平行于入射面(p偏振)的p偏振透射光束；

(2)s偏振反射光束经过第一四分之一波片转换为第一圆偏振光，第一圆偏振光经第一平面反射镜反射，再次经过第一四分之一波片后转换为第一线偏振光，两次经过第一四分之一波片使得第一线偏振光成为p偏振光束，第一线偏振光入射偏振分束器后从偏振分束器后完全透射，透射后的第一线偏振光经过第二四分之一波片后变为第二圆偏振光，第二圆偏振光经第二平面反射镜反射，再次经过第二四分之一波片后转换为第二线偏振光，两次经过第二四分之一波片使第二线偏振光成为s偏振光束，第二线偏振光入射偏振分束器被全反射，最终以s偏振光束的形式从偏振分束器出射；

(3)出射的第二线偏振光、p偏振透射光束合束为一束光，但是第二线偏振光多经历了2nd光程。因为双色光的波长不同，根据d＝(2N+1)π/[2n(k₁-k₂)]条件，所经历的光程对双色光相位变化不同，因此第二线偏振光、p偏振光束合束对于双色光两频率成分的叠加产生的效果不同。第二线偏振光、p偏振透射光束合束的光强相同时，叠加后双色光两频率成分的偏振方向相互垂直。

为了更为清楚地说明本发明，下面通过说明光场在传播过程中电矢量的变化，对上述本发明作进一步地阐述：

VCSEL输出沿x轴方向偏振的线偏振多色光，其中双色光成分的电矢量分别为：其中E为电矢量的幅度，ω₁和ω₂别为两光的角频率，φ₁和φ₂分别两光的光初始相位，为x轴方向上的单位矢量。线偏振光束经偏振分束器的偏振反射面被分为s偏振反射光束和p偏振透射光束。p偏振透射光束的双色光成分的电矢量分别为其中，nd为p偏振透射光束经历的光程，为y轴方向上的单位矢量。s偏振反射光束透射第一四分之一波片转换为第一圆偏振光、第一圆偏振光被第一平面反射镜反射、再次透射第一四分之一波片后转换为第一线偏振光，然后依次透射偏振分束器、第二四分之一波片变成第二圆偏振光、第二圆偏振光被第二平反射镜反射、再次透射第二四分之一波片转换为第二线偏振光(s偏振光束)，经偏振分束器反射后从偏振分束器出射时，电矢量表达式分别为：其中3nd为s偏振反射光束经历的光程。

第二线偏振光(s偏振光束)、p偏振透射光束合束，合束后电矢量为设置双色光的相位差满足关系式：k₁n(3d-d)-k₂n(3d-d)＝(2N+1)π，其中N为非负整数，可知此时得到的双色光偏振方向相互垂直。因此偏振分束器厚度d满足关系式d＝(2N+1)π/[2n(k₁-k₂)]。在实际应用中进行光路集成时，d取最小值为Δλ/(4n)，其中Δλ为双色光频率差对应的波长。

本发明使用的VCSEL输出激光是发散光，发散角在10-20度范围，因此出射的第二线偏振光和p偏振透射光束在分别经历3nd光程和nd光程后，光斑直径比例为3。为了保证出射的第二线偏振光和p偏振透射光束光强相同，VCSEL发出的多色线偏振光在入射至偏振分束器时，VCSEL发出的多色线偏振光的偏振方向与p偏振透射光束的偏振方向呈18度，使得VCSEL发出的多色线偏振光经过偏振分束器后的s偏振反射光束和p偏振透射光束光功率比例为9:1，经历不同光程后，尽管光斑大小不一样，但光强保持相同，在光斑大小重合的区域合成的光束中所需双色光偏振方向垂直。取VCSEL输出激光的发散角为15度，以及偏振分束器厚度d为4.8mm，出射的第二线偏振光光斑直径为3.78mm，出射的p偏振透射光束光斑直径为1.26mm。微型原子钟的原子气室尺寸在1mm左右，而第二线偏振光和p偏振透射光束的重叠区域光斑直径大于该尺寸，因此，重叠区域光可以直接用于与原子气室原子作用，微型原子气室能够紧贴偏振分束器放置。

本发明所使用器件中，VCSEL、四分之一波片和平面反射镜尺寸都可以做到几百微米尺寸，而偏振分束器最小尺寸与使用的工作原子有关。以微型CPT原子钟使用碱金属中的¹³³Cs作为工作原子与双色光CPT共振为例，Δλ为32.6mm，取偏振分束器折射率n为1.7，那么偏振分束器厚度d最小值为4.8mm。因此，本发明所使用器件具有较高集成度，适合实施微型CPT原子钟。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：

(1)本发明所使用的光学元件能紧密黏合在一起，不需额外占用空间，稳定性好且适合集成，因此本发明适合用于实现微型CPT原子钟。

(2)本发明所获双色线偏振光偏振方向是相互垂直的，用于与碱金属原子CPT共振时，能够消除极化暗态，从而得到幅度更大的CPT信号，因此实现的微型CPT原子钟较常规方案性能更好。

附图说明

图1为一种微型CPT原子钟光源产生装置的结构示意图，其中1-VCSEL，2-偏振分束器，3-第一四分之一波片，4-第一平面反射镜，5-第二四分之一波片，6-第二平面反射镜。

图2为使用本发明装置与¹³³Cs原子作用所获CPT信号与常规方案所获CPT信号对比，其中a为使用本发明装置所获CPT信号，b为使用常规方案所获CPT信号。

具体实施方式

下面结合附图，以¹³³Cs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，一种微型CPT原子钟光源产生装置，包括VCSEL 1、偏振分束器2、第一四分之一波片3、平面反射镜4、第二四分之一波片5和第二平面反射镜6。作为优选方案，第一平面反射镜4、第一四分之一波片3、第二四分之一波片5和第二平面反射镜6平行设置，偏振分束器2设置在第一四分之一波片3和第二四分之一波片5之间，VCSEL 1输出的多色线偏振光入射偏振分束器2的偏振反射面后分束为s偏振反射光束和p偏振透射光束，s偏振反射光束经过第一四分之一波片3转换为第一圆偏振光，第一圆偏振光经第一平面反射镜4反射后经第一四分之一波片3转为第一线偏振光，第一线偏振光透射偏振分束器2后经第二四分之一波片5转换为第二圆偏振光，第二圆偏振光经第二平面反射镜6反射后经第二四分之一波片5转换为第二线偏振光，第二线偏振光经偏振分束器2全反射后与p偏振透射光束合束。

一种微型CPT原子钟光源产生方法，操作步骤为：

(1)如图1所示，设定第一平面反射镜4、第一四分之一波片3、第二四分之一波片5和第二平面反射镜6沿垂直方向依次分布，第一平面反射镜4、第一四分之一波片3、第二四分之一波片5和第二平面反射镜6平行设置，设垂直方向为Y轴方向，设定VCSEL1输出线偏振多色光传播方向为Z轴方向，X轴方向垂直于Y轴方向和Z轴方向。VCSEL1输出的多色线偏振光入射偏振分束器2后分束为s偏振反射光束和p偏振透射光束。

VCSEL 1输出的线偏振多色光中±1级边带频率差为9.2GHz的双色光，双色光用于与¹³³Cs原子CPT共振，VCSEL 1输出的线偏振多色光的偏振方向与p偏振透射光的偏振方向夹角为18度；p偏振透射光的偏振方向为x轴方向，偏振分束器2折射率为1.7，偏振分束器棱长d设置为4.8mm，由于VCSEL 1输出的线偏振多色光的偏振方向与p偏振透射光束的偏振方向夹角为18度，因此s偏振反射光束和p偏振透射光束的光功率之比为9：1，p偏振透射光束继续向Z轴方向传播，偏振方向为Y轴方向，而s偏振反射光束向Y轴方向传播，偏振方向为X轴方向。

(2)s偏振反射光束经过第一四分之一波片3后被转换为第一圆偏振光，第一圆偏振光经过第一平面反射镜4反射再次入射至第一四分之一波片3后还原为第一线偏振光，第一线偏振光的偏振方向变化为Z轴方向。

(3)第二次经过第一四分之一波片3后的第一线偏振光由于偏振方向变化为Z轴方向，入射至偏振分束器2时，不能反射，只能透射至第二四分之一波片5，并被转换为第二圆偏振光。第二圆偏振光经过第二平面反射镜6反射，再次经过第二四分之一波片5，被还原为第二线偏振光，第二线偏振光的偏振方向变化为X轴方向。

(4)第二次经过第二四分之一波片5后的第二线偏振光由于偏振方向变化为X轴方向，入射至偏振分束器2时，不能透射，只能反射。第二线偏振光与步骤(1)的p偏振透射光束合束，合束后重叠区域线偏振光中所需的±1级边带光在特定的偏振分束器2厚度(本实例中为4.8mm)条件下，经历相同光程后的相位相差π，即偏振方向相互垂直。

图2(a)是使用本发明装置与¹³³Cs原子CPT共振时，所获得CPT信号，图2(b)是使用常规方案与¹³³Cs原子CPT共振时，所获CPT信号。比较可知，使用本发明装置与¹³³Cs原子CPT共振时，因为消除了极化暗态，提高了原子利用率，所获CPT信号幅度更大，因此实现的微型CPT原子钟性能将更好。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的目的做一个较好的举例说明，并不限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员在本着该发明的精神和原则，对所描述的实施例做适当的修改或补充或采用类似的方法替代，均应包含在本发明的保护范围之内。