[發(fā)明專利]一種被動(dòng)型CPT原子鐘物理系統(tǒng)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110430919.0
• 申請(qǐng)日: 2011-12-20
• 公開（公告）號(hào): CN102778839A
• 公開（公告）日: 2012-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張奕;顧思洪;屈蘇平
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所
• 主分類號(hào): G04F5/14
• 分類號(hào): G04F5/14;H03L7/26;G02B27/28
• 代理公司: 武漢宇晨專利事務(wù)所 42001
• 代理人: 王敏鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明技術(shù)涉及原子鐘領(lǐng)域，尤其涉及一種被動(dòng)型CPT原子鐘物理系統(tǒng)裝置，適用于小型和微型被動(dòng)型CPT原子鐘。

背景技術(shù)

原子鐘是一種精密時(shí)間計(jì)量?jī)x器。汽泡式原子鐘廣泛應(yīng)用于全球定位系統(tǒng)、通信、科學(xué)實(shí)驗(yàn)和軍事方面。原子鐘的汽泡包含堿金屬原子和緩沖氣體，并被加熱到高于室溫以產(chǎn)生堿金屬原子蒸汽。緩沖氣體為氮?dú)狻⒓淄椤⒑獾炔换顫姎怏w或它們的混合氣體，用來(lái)壓窄譜線寬度、熒光淬滅、能級(jí)混雜等。堿金屬原子為銫133、銣87或銣85，它們的基態(tài)超精細(xì)子能級(jí)之間的共振用來(lái)鑒定注入微波的頻率。如圖1所示，在弱磁場(chǎng)下，由于兩m_F＝0的能級(jí)(“0-0”能級(jí))對(duì)磁場(chǎng)不敏感，因此常用它們之間的躍遷頻率v₀₀作為原子鐘鑒頻頻率。當(dāng)微波頻率掃過(guò)躍遷頻率時(shí)，共振信號(hào)表現(xiàn)為探測(cè)光信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)凹陷或者凸起，利用本地振蕩器產(chǎn)生注入微波，將此注入微波鎖定到共振信號(hào)中凹陷或凸起所對(duì)應(yīng)的中心躍遷頻率上，就可得到精密的本地振蕩器時(shí)鐘信號(hào)輸出。

被動(dòng)型汽泡式相干布居囚禁原子鐘將注入微波調(diào)制到激光中，利用激光與原子作用的相干布居囚禁(Coherent?Population?Trapping，簡(jiǎn)稱CPT)共振現(xiàn)象來(lái)鑒定微波頻率。一定功率的微波通過(guò)電容和電感電路與直流混合，混合的電信號(hào)注入垂直腔表面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity?Surface-Emitting?Laser，簡(jiǎn)稱VCSEL)來(lái)產(chǎn)生多邊帶光，該多邊帶光的基頻受注入直流和激光器溫度控制，相鄰邊帶的頻差等于微波頻率，各邊帶光強(qiáng)度滿足貝塞爾函數(shù)。CPT共振需其中兩個(gè)邊帶激發(fā)，若為±1級(jí)邊帶光，則稱為半寬調(diào)制激發(fā)；若為基頻(0級(jí))和+1(或-1)級(jí)邊帶光，稱為全寬調(diào)制激發(fā)。

CPT共振所需光強(qiáng)比VCSEL輸出光強(qiáng)小，通過(guò)在光路中設(shè)置合適衰減片來(lái)控制進(jìn)入汽泡的光強(qiáng)。四分之一波片(λ/4波片)的作用是將VCSEL輸出的線偏振光轉(zhuǎn)變成左旋(σ-)或右旋(σ+)圓偏振光。汽泡置于可準(zhǔn)確控溫的環(huán)境中，為原子、激光相互作用提供所需的堿金屬原子蒸汽。在對(duì)環(huán)境磁場(chǎng)作屏蔽的前提下，在汽泡外設(shè)置螺線管(圖2中未畫出)產(chǎn)生平行于光傳播方向的磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)具有雙重功能：1)為原子-光作用提供量子化軸，使圓偏振光對(duì)原子作用產(chǎn)生所需的σ躍遷；2)通過(guò)塞曼移動(dòng)選出基態(tài)中對(duì)磁場(chǎng)不敏感的m_F＝0的兩子能態(tài)。光電探測(cè)器探測(cè)透過(guò)汽泡的激光，并轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏餍盘?hào)。

合理控制VCSEL注入直流和溫度，使VCSEL輸出光中用來(lái)實(shí)現(xiàn)CPT共振的兩個(gè)邊帶分別滿足激發(fā)兩基態(tài)到同一激發(fā)態(tài)的電偶極躍遷(D1線或D2線躍遷)的條件。調(diào)節(jié)微波頻率從而改變兩邊帶光的頻率差，當(dāng)頻率差掃過(guò)超精細(xì)能級(jí)“0-0”共振頻率時(shí)，光電探測(cè)器輸出光電流將出現(xiàn)一個(gè)共振信號(hào)。處理該共振信號(hào)得到控制微波頻率的負(fù)反饋信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制后，即可得到精密的本地振蕩器時(shí)鐘信號(hào)輸出。

上述傳統(tǒng)的被動(dòng)型CPT原子鐘物理系統(tǒng)方案光源是單一的左旋(或右旋)圓偏振光。圓偏振激光對(duì)原子超精細(xì)分裂磁子能級(jí)的光抽運(yùn)效應(yīng)，使得大部分原子累積在基態(tài)磁量子數(shù)最小(或最大)的子能級(jí)上，而處于這個(gè)能級(jí)的原子對(duì)CPT共振是沒(méi)有貢獻(xiàn)的，我們稱該態(tài)為“泄漏”態(tài)。圖1以銣87原子為例，說(shuō)明了此現(xiàn)象，因此信號(hào)對(duì)比度(CPT共振增加的光電流信號(hào)幅度比上非共振的光電流信號(hào)幅度)不高。而原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度(專業(yè)領(lǐng)域稱之為頻率穩(wěn)定度，實(shí)際上指頻率不穩(wěn)定度)與對(duì)比度成反比，因此該方案制造的原子鐘的短期穩(wěn)定度不高。

正交圓偏振激發(fā)CPT共振的方案利用左旋和右旋圓偏振光同時(shí)與原子作用，能夠消除處于“泄漏”態(tài)的原子，并提高信號(hào)對(duì)比度。原理如下：該方案可用一個(gè)光與原子相互作用的四能級(jí)圖來(lái)說(shuō)明，如圖3所示。同相位和光強(qiáng)的σ+和σ-雙色光對(duì)應(yīng)的CPT態(tài)函數(shù)的相位差為π(C-G系數(shù)不同)，若同相位和光強(qiáng)的σ+和σ-雙色光同時(shí)作用于原子，會(huì)破壞CPT相干態(tài)，看不到CPT共振信號(hào)，因此若在時(shí)間或者空間上延時(shí)使σ+和σ-相位差為(2n+1)π(n為整數(shù))，就可以達(dá)到態(tài)函數(shù)同相疊加效果，使得CPT共振信號(hào)增強(qiáng)，并能將原子集中在“0-0能級(jí)”。因此正交圓偏振激發(fā)CPT方案制作的原子鐘短期穩(wěn)定度會(huì)明顯高于傳統(tǒng)CPT原子鐘。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)存在的上述問(wèn)題，提供一種被動(dòng)型CPT原子鐘物理系統(tǒng)裝置，該裝置能將原子集中在“0-0能級(jí)”，使得CPT共振信號(hào)增強(qiáng)，提高信號(hào)的信噪比和對(duì)比度。另外，裝置中所有器件都利于集成，可實(shí)現(xiàn)微型化被動(dòng)型CPT原子鐘。

本發(fā)明的目的可通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：