一种实现微型cpt原子钟物理系统的装置及方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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】
[0006] 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。
[0007] -种实现微型CPT原子钟物理系统的装置，包括：
[0008] 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;
[0009] 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；
[0010] 第一四分之一波片，用于将调频线偏振光转换为椭圆偏振光；
[0011] 原子气室，提供与椭圆偏振光作用的碱金属原子，原子气室内除充有碱金属原子， 还有惰性气体，常用的碱金属原子包括133Cs和S7Rb，常用的惰性气体包括Ar、Ne、N2以及CH4 等；椭圆偏振光中与碱金属原子共振的共振光频成分与原子气室中碱金属原子作用；
[0012] 第二四分之一波片，用于改变原子气室出射的椭圆偏振光偏振状态，第二四分之 一波片的光轴与第一四分之一波片的光轴正交；
[0013] 偏振分束器，用于将经过第二四分之一波片出射后的椭圆偏振光分为偏振方向相 互垂直的两束线偏振光；
[0014] 第一光电探测器和第二光电探测器，用于分别探测偏振分束器出射的两束线偏振 光。
[0015] 原子气室外层设置螺线管线圈，螺线管线圈外设置磁屏蔽壳。
[0016] -种实现微型CPT原子钟物理系统的方法，包括以下步骤：
[0017] 步骤1、VCSEL和原子气室被控温于设定的温度。螺线管线圈通入设定的电流后 产生沿VCSEL输出的调频线偏振光的传播方向的磁场，磁场的作用是产生碱金属原子能级 Zeeman分裂和为系统提供量子化轴。利用坡莫合金磁屏蔽壳减少外界环境磁场对内部磁场 的影响。
[0018] 步骤2、VCSEL输出的调频线偏振光经过第一四分之一波片后被转换为椭圆偏振 光后入射到原子气室，第一四分之一波片的光轴与调频线偏振光的偏振方向的夹角范围为 0-45。 。
[0019] 步骤3、入射到原子气室中的椭圆偏振光与原子气室中的原子作用后入射到第 二四分之一波片，第一四分之一波片和第二四分之一波片的光轴相互正交。
[0020] 椭圆偏振光中与原子无相互作用的失谐光频成分经第二四分之一波片变换为偏 振方向与VCSEL输出的线偏振光的偏振方向相同的线偏振光。在磁场中椭圆偏振光等效于 两个幅度不同的左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的叠加，椭圆偏振光中与原子共振的共振光 频成分实际以左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的方式与原子气室中碱金属原子作用，由于原 子对左旋圆偏振光、右旋圆偏振光的吸收不同，因此经原子气室之后共振光频成分的偏振 状态发生变化，经第二四分之一波片后不会还原为线偏振光。
[0021] 步骤4、经第二四分之一波片出射的光束由偏振分束器分为偏振方向相互垂直且 均与VCSEL输出的线偏振光的偏振方向成45°夹角两束线偏振光束，偏振分束器输出的两 束线偏振光束被第一光电探测器和第二光电探测器分别探测，两个光电探测器获得的光电 信号通过差分得到最终输出的差分CPT信号用作实现原子钟所需信号。
[0022] 其中，失谐光频成分仍为与VCSEL输出线偏振光的同偏振方向线偏振光，经偏振 分束器分束后两它们在两个光电探测器产生的光电信号幅度相等，差分结果为零；而因为 磁场中光-原子作用的旋光效应使共振光频成分在两个光电探测器产生的光电信号幅度 不等，差分结果为不为零。因此差分信号中只有共振光频成分，虽然幅度减小但信噪比大幅 度提高，因此CPT信号质量改善。另外，因两束光同源，噪声在两光电探测器的光电信号中 的FM-AM噪声属共模噪声，通过差分被大幅度抑制。
[0023] 因此，本发明方法具有线偏光差分方法消除失谐光本底噪声和抑制FM-AM噪声的 优点。
[0024] 本发明相对于现有技术具有以下优势：
[0025] (1)本发明Λ构型CPT共振的下能态为磁量子数m=0态，随磁场强度变化能级 移动小，所实现的原子钟受环境磁场影响小。
[0026] (2)本发明Λ构型CPT共振的上能态为F= 2态，对应原子对光吸收最强的谱线， 是流行微型CPT原子钟用于实施激光频率稳频的谱线，因此本发明能应用于实施微型原子 钟。
[0027] (3)本发明装置相比流行微型CPT原子钟的装置仅增加了一个四分之一波片、一 个偏振分束器和一个光电探测器，保持了流行方案芯片物理系统的体积和功耗优势，但由 于消除了失谐光噪声，抑制了激光频率抖动噪声，所获CPT信号信噪比更高，因此实现的微 型CPT原子钟频率稳定度更高。
【附图说明】
[0028] 图1为一种实现微型CPT原子钟物理系统的装置，其中：1-Bias-Tee，2-VCSEL， 3-第一四分之一波片，4-原子气室，5-第二四分之一波片，6-偏振分束器，7-第一光电探测 器，8-第二光电探测器。
[0029] 图2为椭圆偏振双色光与原子作用原理图，其中Crf和为左旋圆偏振双色光， q和.(72_为右旋圆偏振双色光，| 1>和| 2>分别为碱金属原子基态磁量子数m= 0的两个能 态，cohfs为|1>和|2>之间的频率差，|3>和|4>分别为碱金属原子激发态磁量子数分别为F= 2,m= -1和F= 2,m= 1的两个能态。
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