CPT原子钟物理系统及实现其的方法与流程

cpt原子钟物理系统及实现其的方法
技术领域
1.本公开涉及相干布局囚禁原子钟技术领域，具体涉及一种cpt原子钟物理系统及实现其的方法。


背景技术：

2.相干布居囚禁(coherent population trapping,cpt)原子钟是小型化原子钟领域的研究热点，在网络同步、gps定位导航、计时授时等领域具有广阔的应用前景。为了提高cpt原子钟的频率稳定度，对原子钟物理系统的研究一直是关注的重点。一方面，大量的研究工作围绕着物理系统两个关键元件：原子气室和激光器开展；另一方面，通过对物理系统的结构进行优化设计也是十分有效的途径。现有主流cpt原子钟获取cpt共振探测信号的方案均是：微波调制直流电流驱动垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,vcsel)，使其输出调频相干双色激光，其中两个满足与碱金属原子共振条件的光频成分，通常为
±
1级边带，被用于与原子蒸汽相互作用制备cpt态；探测作用后的透射光束，并从中提取出有效cpt共振信号。
3.在相关技术中，通常的原子钟都会通过吸收谱线对激光的波长进行锁定从而保证频率稳定度，但是原子钟激光除了波长的抖动外还会有功率上的抖动。上述物理系统方案忽略了如下一个重要问题：即激光幅度的抖动，由此会带来激光功率噪声，从而影响原子钟的短期频率稳定度，制约原子钟性能的进一步提升。


技术实现要素：

4.本公开实施例的目的在于提供一种cpt原子钟物理系统及实现其的方法，能够消除激光的功率噪声，从而提高cpt原子钟物理系统的频率稳定度。具体技术方案如下：
5.本公开第一方面的实施例提出了一种cpt原子钟物理系统，包括：
6.光源装置，配置为提供相干双色光；
7.分束构件，配置为对所述相干双色进行分束，以形成偏振方向相互垂直的第一束线偏振光和第二束线偏振光；
8.四分之一波片，配置为将所述第一束线偏振光转换为圆偏振光；
9.原子气室，所述原子气室内设置有碱金属原子和惰性气体，所述原子气室布置有磁场线圈，所述原子气室配置为接收所述圆偏振光并形成出射光；
10.第一光电探测器，配置为探测所述第二束线偏振光；
11.第二光电探测器，配置为探测所述出射光。
12.根据本技术实施例的cpt原子钟物理系统，利用分束构件对光源装置提供的相干双色光进行分束处理，从而形成偏振方向相互垂直的第一束线偏振光和第二束线偏振光，其中的第一束线偏振光转换为圆偏振光后通过原子气室，和原子气室中的处于磁场中的碱金属原子发生作用并形成出射光。本技术实施例的cpt原子钟物理系统还设置有第一光电探测器和第二光电探测器，其中，第一光电探测器配置为探测第二束线偏振光，第二光电探
测器配置为探测原子气室的出射光。基于该cpt原子钟物理系统，可以将出射光的光电信号和第二束线偏振光的光电信号进行差分，得到差分cpt信号，该差分cpt信号可用作实现原子钟所需信号。本技术实施例通过对第一光电探测器和第二光电探测器所探测的光电信号进行差分处理，可以有效消除激光功率噪声，从而获得更高频率稳定度的原子钟物理系统。
13.另外，根据本公开实施例的cpt原子钟物理系统，还可具有如下附加的技术特征：
14.在本技术的一些实施例中，所述cpt原子钟物理系统还包括偏振片，所述偏振片设置在所述光源装置和所述分束构件之间，用于对光源装置提供的相干双色光的光强和偏振方向进行调节，以获得线偏振光。
15.在本技术的一些实施例中，所述分束构件为偏振分束晶体。
16.在本技术的一些实施例中，所述偏振片的光轴方向与所述偏振分束晶体的透射偏振方向的夹角为40
°
～50
°
。
17.在本技术的一些实施例中，所述四分之一波片的光轴方向与所述偏振分束晶体的透射偏振方向的夹角为40
°
～50
°
。
18.在本技术的一些实施例中，所述原子气室包括壳体和设置在所述壳体内部的样品泡，所述碱金属原子和惰性气体位于所述样品泡内，所述磁场线圈包围所述样品泡。
19.在本技术的一些实施例中，所述壳体至少包括电磁屏蔽层。
20.在本技术的一些实施例中，所述原子气室还包括包覆所述样品泡设置的加热层，所述加热层包括柔性材料层和设置在所述柔性材料层上的无磁加热电路。
21.在本技术的一些实施例中，在所述样品泡的侧壁上设置有感温元件，所述无磁加热电路与外部电路电性连接。
22.本公开第二方面的实施例提出了一种实现cpt原子钟物理系统的方法，包括：
23.提供相干双色光；
24.对所述相干双色光进行分束，以形成偏振方向相互垂直的第一束线偏振光和第二束线偏振光，并探测第二束线偏振光的光电信号；
25.将所述第一束线偏振光转换为圆偏振光；
26.使圆偏振光入射原子气室，与处于磁场中的碱金属原子发生作用，以获得相干布居囚禁的谐振信号；
27.探测原子气室的出射光的光电信号，将所述出射光的光电信号和所述第二束线偏振光的光电信号进行差分，得到差分cpt信号，该差分cpt信号用作实现原子钟所需信号。
28.根据本技术实施例的实现cpt原子钟物理系统的方法，对相干双色光进行分束处理，从而形成偏振方向相互垂直的第一束线偏振光和第二束线偏振光，其中的第一束线偏振光转换为圆偏振光后通过原子气室，和原子气室中的处于磁场中的碱金属原子发生作用并形成出射光。本技术实施例的方法，还分别探测第二束线偏振光的光电信号和原子气室的出射光的光电信号，并对两个光电信号进行差分，得到差分cpt信号，以用作实现原子钟所需信号。通过对第二束线偏振光的光电信号和原子气室的出射光的光电信号进行差分处理，可以有效消除激光功率噪声，从而获得更高频率稳定度的原子钟物理系统。
附图说明
29.为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。
30.图1为本公开实施例的cpt原子钟物理系统的结构示意图。
具体实施方式
31.下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员基于本技术所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
32.如图1所示，本公开第一方面的实施例提出了一种cpt原子钟物理系统10。该cpt原子钟物理系统10包括光源装置100、分束构件200、四分之一波片300、原子气室400、第一光电探测器500和第二光电探测器600。具体地，光源装置100配置为提供相干双色光。分束构件200配置为对相干双色光进行分束，以形成偏振方向相互垂直的第一束线偏振光和第二束线偏振光，其中，第一束线偏振光和第二束线偏振光强度相等。四分之一波片300配置为将第一束线偏振光转换为圆偏振光。原子气室400内设置有碱金属原子和惰性气体，原子气室400布置有磁场线圈430，原子气室400配置为接收圆偏振光并形成出射光。第一光电探测器500配置为探测第二束线偏振光，第二光电探测器600配置为探测出射光。
33.根据本技术实施例的cpt原子钟物理系统10，利用分束构件200对光源装置100提供的相干双色光进行分束处理，从而形成偏振方向相互垂直的第一束线偏振光和第二束线偏振光，其中的第一束线偏振光转换为圆偏振光后通过原子气室400，和原子气室400中的处于磁场中的碱金属原子发生作用并形成出射光。本技术实施例的cpt原子钟物理系统10还设置有第一光电探测器500和第二光电探测器600，其中，第一光电探测器500配置为探测第二束线偏振光，第二光电探测器600配置为探测原子气室400的出射光。基于该cpt原子钟物理系统10，可以将出射光的光电信号和第二束线偏振光的光电信号进行差分，得到差分cpt信号，对光功率噪声进行抑制，该差分cpt信号可用作实现原子钟所需信号。本技术实施例通过对第一光电探测器500和第二光电探测器600所探测的光电信号进行差分处理，可以有效消除激光功率噪声，从而获得更高频率稳定度的原子钟物理系统10。
34.在本技术的一些实施例中，cpt原子钟物理系统10还包括偏振片700，偏振片700设置在光源装置100和分束构件200之间，用于对光源装置100提供的相干双色光的光强和偏振方向进行调节，以获得线偏振光。对于cpt原子钟物理系统10来说，通常期望光源装置100所提供的相干双色光为线偏振光，这对光源装置100提出了较高的设计要求。因此，可以通过偏振片700来对光源装置100所提供的相干双色光进行调节，以得到线偏振光。也就是说，光源装置100所提供的相干双色光可以是椭圆偏振光，该椭圆偏振光经过偏振片700的调节作用，转换为线偏振光。
35.在本技术的一些实施例中，分束构件200为偏振分束晶体，其具有较好的分束作用，并且分束后的光强度的控制精度很高，能够满足原子钟物理系统10的应用需求。
36.进一步地，偏振片700的光轴方向与偏振分束晶体的透射偏振方向的夹角约为40
°
～50
°
，由此，可以使得分束后的第一束线偏振光和第二束线偏振光的光强度相等。
37.进一步地，四分之一波片300的光轴方向与偏振分束晶体的透射偏振方向的夹角约为40
°
～50
°
，由此，可以使得经过四分之一波片300后的透射光为圆偏光。
38.在本技术的一些实施例中，原子气室400包括壳体410和设置在壳体410内部的样品泡420，碱金属原子和惰性气体位于样品泡420内，磁场线圈430包围样品泡420。在本实施例中，原子气室400包括壳体410和设置在壳体410内部的样品泡420，磁场线圈430包围样品泡420，从而使样品泡420处于磁场中。圆偏振光入射样品泡420后，会与处于磁场中的碱金属原子发生作用，以获得相干布居囚禁的谐振信号。
39.在本技术的一些实施例中，壳体410至少包括电磁屏蔽层，由此，可以减少外界环境磁场对内部磁场的影响。
40.在本技术的一些实施例中，原子气室400还包括包覆样品泡420设置的加热层480，加热层480包括柔性材料层和设置在柔性材料层上的无磁加热电路。加热层480用于对样品泡420进行加热，其中的无磁加热电路，一方面用于产生热能，另一方面在实现加热的同时不产生磁场。
41.进一步地，柔性材料层采用聚酰亚胺材质，其具有高耐热性和高绝缘性能，可以较好地满足使用要求。
42.在本技术的一些实施例中，在样品泡420的侧壁上设置有感温元件450，无磁加热电路与外部电路电性连接。其中，感温元件450用于监测洋品泡的温度；外部电路用于给无磁加热电路供电，以使无磁加热电路产生用于加热的热能。
43.在本技术的一些实施例中，在样品泡420的侧壁上还设置有温控元件440，温控元件440与无磁加热电路电性连接，温控元件440用于对样品泡420的温度进行控制，以保证样品泡420处于最佳的反应温度。
44.在本技术的一些实施例中，光源装置100为vcsel激光器。
45.本技术第二方面的实施例提出了一种实现cpt原子钟物理系统10的方法，包括以下步骤：
46.提供相干双色光；
47.对相干双色光进行分束，以形成偏振方向相互垂直的第一束线偏振光和第二束线偏振光，并探测第二束线偏振光的光电信号；
48.将第一束线偏振光转换为圆偏振光；
49.使圆偏振光入射原子气室400，与处于磁场中的碱金属原子发生作用，以获得相干布居囚禁的谐振信号；
50.探测原子气室400的出射光的光电信号，将出射光的光电信号和第二束线偏振光的光电信号进行差分，得到差分cpt信号，该差分cpt信号用作实现原子钟所需信号。
51.根据本技术实施例的实现cpt原子钟物理系统10的方法，对相干双色光进行分束处理，从而形成偏振方向相互垂直的第一束线偏振光和第二束线偏振光，其中的第一束线偏振光转换为圆偏振光后通过原子气室400，和原子气室400中的处于磁场中的碱金属原子发生作用并形成出射光。本技术实施例的方法，还分别探测第二束线偏振光的光电信号和原子气室400的出射光的光电信号，并对两个光电信号进行差分，得到差分cpt信号，对光功率噪声进行抑制，该差分cpt信号用作实现原子钟所需信号。通过对第二束线偏振光的光电信号和原子气室400的出射光的光电信号进行差分处理，可以有效消除激光功率噪声，从而
获得更高频率稳定度的原子钟物理系统10。
52.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
53.本公开的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
54.以上所述仅为本公开的较佳实施例，并非用于限定本公开的保护范围。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本公开的保护范围内。