[发明专利]一种被动型CPT原子钟物理系统装置

说明书

技术领域

本发明技术涉及原子钟领域，尤其涉及一种被动型CPT原子钟物理系统装置，适用于小型和微型被动型CPT原子钟。

背景技术

原子钟是一种精密时间计量仪器。汽泡式原子钟广泛应用于全球定位系统、通信、科学实验和军事方面。原子钟的汽泡包含碱金属原子和缓冲气体，并被加热到高于室温以产生碱金属原子蒸汽。缓冲气体为氮气、甲烷、氦气等不活泼气体或它们的混合气体，用来压窄谱线宽度、荧光淬灭、能级混杂等。碱金属原子为铯133、铷87或铷85，它们的基态超精细子能级之间的共振用来鉴定注入微波的频率。如图1所示，在弱磁场下，由于两m_F＝0的能级(“0-0”能级)对磁场不敏感，因此常用它们之间的跃迁频率v₀₀作为原子钟鉴频频率。当微波频率扫过跃迁频率时，共振信号表现为探测光信号会出现一个凹陷或者凸起，利用本地振荡器产生注入微波，将此注入微波锁定到共振信号中凹陷或凸起所对应的中心跃迁频率上，就可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。

被动型汽泡式相干布居囚禁原子钟将注入微波调制到激光中，利用激光与原子作用的相干布居囚禁(Coherent Population Trapping，简称CPT)共振现象来鉴定微波频率。一定功率的微波通过电容和电感电路与直流混合，混合的电信号注入垂直腔表面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，简称VCSEL)来产生多边带光，该多边带光的基频受注入直流和激光器温度控制，相邻边带的频差等于微波频率，各边带光强度满足贝塞尔函数。CPT共振需其中两个边带激发，若为±1级边带光，则称为半宽调制激发；若为基频(0级)和+1(或-1)级边带光，称为全宽调制激发。

CPT共振所需光强比VCSEL输出光强小，通过在光路中设置合适衰减片来控制进入汽泡的光强。四分之一波片(λ/4波片)的作用是将VCSEL输出的线偏振光转变成左旋(σ-)或右旋(σ+)圆偏振光。汽泡置于可准确控温的环境中，为原子、激光相互作用提供所需的碱金属原子蒸汽。在对环境磁场作屏蔽的前提下，在汽泡外设置螺线管(图2中未画出)产生平行于光传播方向的磁场。该磁场具有双重功能：1)为原子-光作用提供量子化轴，使圆偏振光对原子作用产生所需的σ跃迁；2)通过塞曼移动选出基态中对磁场不敏感的m_F＝0的两子能态。光电探测器探测透过汽泡的激光，并转变为光电流信号。

合理控制VCSEL注入直流和温度，使VCSEL输出光中用来实现CPT共振的两个边带分别满足激发两基态到同一激发态的电偶极跃迁(D1线或D2线跃迁)的条件。调节微波频率从而改变两边带光的频率差，当频率差扫过超精细能级“0-0”共振频率时，光电探测器输出光电流将出现一个共振信号。处理该共振信号得到控制微波频率的负反馈信号，实现闭环控制后，即可得到精密的本地振荡器时钟信号输出。

上述传统的被动型CPT原子钟物理系统方案光源是单一的左旋(或右旋)圆偏振光。圆偏振激光对原子超精细分裂磁子能级的光抽运效应，使得大部分原子累积在基态磁量子数最小(或最大)的子能级上，而处于这个能级的原子对CPT共振是没有贡献的，我们称该态为“泄漏”态。图1以铷87原子为例，说明了此现象，因此信号对比度(CPT共振增加的光电流信号幅度比上非共振的光电流信号幅度)不高。而原子钟的短期频率稳定度(专业领域称之为频率稳定度，实际上指频率不稳定度)与对比度成反比，因此该方案制造的原子钟的短期稳定度不高。

正交圆偏振激发CPT共振的方案利用左旋和右旋圆偏振光同时与原子作用，能够消除处于“泄漏”态的原子，并提高信号对比度。原理如下：该方案可用一个光与原子相互作用的四能级图来说明，如图3所示。同相位和光强的σ+和σ-双色光对应的CPT态函数的相位差为π(C-G系数不同)，若同相位和光强的σ+和σ-双色光同时作用于原子，会破坏CPT相干态，看不到CPT共振信号，因此若在时间或者空间上延时使σ+和σ-相位差为(2n+1)π(n为整数)，就可以达到态函数同相叠加效果，使得CPT共振信号增强，并能将原子集中在“0-0能级”。因此正交圆偏振激发CPT方案制作的原子钟短期稳定度会明显高于传统CPT原子钟。

发明内容

本发明的目的是针对现有的技术存在的上述问题，提供一种被动型CPT原子钟物理系统装置，该装置能将原子集中在“0-0能级”，使得CPT共振信号增强，提高信号的信噪比和对比度。另外，装置中所有器件都利于集成，可实现微型化被动型CPT原子钟。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：