[发明专利]一种实现微型CPT原子钟物理系统的装置及方法

说明书

本发明公开了一种实现微型CPT原子钟物理系统的装置，包括Bias‑Tee、VCSEL、第一四分之一波片、原子气室、第二四分之一波片、偏振分束器、第一光电探测器和第二光电探测器。还公开了一种实现微型CPT原子钟物理系统的方法，采用椭圆偏振光与原子CPT共振，并对其产生的旋光效应进行差分探测。本发明消除了由VCSEL输出多色光中与原子无相互作用光频成分产生的本底噪声和与原子有相互作用光因光频率抖动通过与原子作用转化为信号幅度抖动的转换噪声，大幅度提高了CPT共振信号的信噪比，且还具有所获CPT共振信号受环境磁场强度波动影响小和所实现原子钟易于实现激光频率稳频的优点。

技术领域

本发明涉及相干布居囚禁(CPT)原子钟领域，具体涉及一种实现微型CPT原子钟物理系统的装置，还涉及一种实现微型CPT原子钟物理系统的方法，适合实施高性能微型CPT原子钟的物理系统。

背景技术

微型CPT原子钟相比其它类型原子钟在小体积和低功耗方面有极大优势，因此是手持通信机、微小无人机、微小型海资源水下探测器等的理想频率源，在卫星导航定位设备、自主导航设备和通信网络设备等方面有重要应用。

目前流行微型CPT原子钟获取CPT共振信号的方案均是：微波调制直流电流驱动VCSEL，使其输出调频多色相干激光，其中两个与碱金属原子共振的光频成分，通常是±1级边带，被用于与原子作用制备CPT态；探测与原子作用后的透射光束，从所获光电信号中提取CPT共振信号。该方案存在两个重要缺点：1、除与原子共振的两光频成分之外，与原子失谐的光频成分也被探测，失谐光在光电信号中的贡献是较强无用光本底；2、VCSEL输出光的带宽较宽，较强的频率抖动在CPT信号中转换为幅度起伏，即产生频率-幅度转换(FM-AM)噪声，导致所获CPT共振信号质量较差。

我们近期申请了发明专利：“相干布居囚禁磁光效应的差分探测装置及方法”(申请号：201410197736.2)，该方法(线偏光差分方法)采用线偏光与原子作用，将经过原子蒸汽泡的激光束用偏振分光器分成两束光，两束光的偏振方向相互垂直且均与原偏振方向成45°夹角，分别探测两光束后将所获光电流进行差分获得所需信号。线偏光差分方法利用差分探测技术和Faraday效应提取CPT信号，有效克服了以上提到的两个缺点。然而，线偏光差分方法存在2缺陷：1、制备CPT态所采用的原子能级随磁场作一级Zeeman移动，因此环境磁场强度的变化造成CPT共振信号质量变化，所实现的原子钟精度受环境磁场影响较大。2、只能采用与激发态F＝1的原子对光的吸收谱实施激光频率稳频，因为该谱线较弱，稳频的动态范围较小，导致原子钟抗冲击、震动的能力较差。另外，对于微型原子钟该谱线过弱而难以识别，因此线偏光差分方法不适合应用于微型原子钟。

本发明提供了一种保持线偏光差分方法优点，消除它的2个缺陷的新方法及其相应装置。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种实现微型CPT原子钟物理系统的装置，还提供了一种实现微型CPT原子钟物理系统的方法，本发明采用椭圆偏振光与原子作用，用随磁场作二级Zeeman移动的磁量子数m＝0的能态作为Λ构型CPT共振的下能态，采用激发态F＝2能态作为上能态，利用差分探测技术和旋光效应提取所需CPT信号。因为二级Zeeman移动远小于一级，因此环境磁场强度变化对所获CPT信号影响很小；而该方法可以采用激发态的F＝2态作为上能态，对应原子对光的最强吸收谱线，因此实施激光频率稳频效果好，对于微型CPT原子钟也能有效稳频。本发明方法保持了线偏光差分方法的优点，又消除了它的两个缺陷，可以实现性能更好的CPT原子钟，且适合实现微型CPT原子钟。

一种实现微型CPT原子钟物理系统的装置，包括：

Bias-Tee，用于将设定频率、功率的微波与设定的直流电流耦合成VCSEL驱动信号并输入到VCSEL；

VCSEL，在直流电流驱动下VCSEL输出线偏振光，在微波与直流电流耦合的信号驱动下VCSEL调频线偏振光；