CN114675524B - 一种微型cpt原子钟物理***装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及相干布居囚禁(CPT)原子钟技术领域，具体为一种微型CPT原子钟物理***装置，包括Bias‑Tee偏置器和VCSEL激光器，所述Bias‑Tee偏置器用于耦合直流电流和微波并输入至所述VCSEL激光器，所述VCSEL激光器用于输出相干调频多色线偏振光；还包括沿VCSEL激光器发射光路依次设置的透镜、衰减片、四分之一波片以及三角形原子气室。本发明涉及的微型CPT原子钟物理***装置，将三角形碱金属原子气室与光学三角形FP腔结合，消除多色光中的基频、偶数阶边带成分，CPT共振信号本底低；有效相干双色光占激光总功率比例增大，CPT共振信号频移小；有效相干双色光与碱金属原子多次作用，作用光程增加，提高CPT共振信号幅度。
Description
技术领域
本发明涉及相干布居囚禁(CPT)原子钟技术领域，具体为一种微型CPT原子钟物理***装置。
背景技术
CPT原子钟利用双色光与原子作用获得作为微波频率鉴频信号的CPT共振信号，是一种不需要微波谐振腔的微波原子钟，因此易于实现小体积、低功耗原子钟，在通信网络***和导航定位***等方面具有较强的应用竞争力。
目前，流行微型CPT原子钟物理***方案为微波调制垂直腔面发射激光器(VCSEL)直流电流输出相干调频多色光，其中两个与碱金属原子共振的光频成分，通常是±1阶边带，作为制备CPT态的相干双色光，与碱金属原子作用后探测透射光束，从所获光电信号中提取CPT共振信号。
该方案存在两个不足之处：1、相干双色光与碱金属原子作用光程短，导致所获CPT共振信号幅度较低；2、除了与碱金属原子共振的两光频成分外，相干调频多色光还包含有与碱金属原子失谐的光频成分(通常是基频、±2阶边带、±3阶边带、…)透射后也被探测，导致所获CPT共振信号有较高的本底。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种微型CPT原子钟物理***装置来解决上述CPT共振信号幅度较低以及存在较高本底噪声信号的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种微型CPT原子钟物理***装置，包括Bias-Tee偏置器和VCSEL激光器，所述Bias-Tee偏置器用于耦合直流电流和微波并输入至VCSEL激光器，所述VCSEL激光器用于输出相干调频多色线偏振光；还包括沿VCSEL激光器发射光路依次设置的透镜、衰减片、四分之一波片以及三角形原子气室；所述透镜用于将VCSEL激光器发射的发散光转换为平行光束；所述衰减片用于调节光束光强的大小；所述四分之一波片用于将线偏振光转换为圆偏振光；
所述三角形原子气室内提供用于与圆偏振光共振的碱金属原子；所述三角形原子气室的三个顶角依次设有凹面部分反射部分透射镜、凹面反射镜、平面部分反射部分透射镜；所述平面部分反射部分透射镜的出射光路上设有光电探测器；所述圆偏振光光束沿凹面部分反射部分透射镜射入，经凹面反射镜反射后，入射至平面部分反射部分透射镜，部分透射出由光电探测器检测，部分反射后入射至凹面部分反射部分透射镜形成光学环路。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述凹面部分反射部分透射镜、凹面反射镜、平面部分反射部分透射镜构成光学FP腔，所述光学FP腔腔长为三角形原子气室三边长之和，即FP腔腔长L＝L1+L2+L3。
根据权利要求所述的微型CPT原子钟物理***装置，其特征在于，所述光学FP腔自由光谱程FSR：
所述碱金属原子用作CPT构型的两个低能态之间的频率差为Vhfs；
光学FP腔腔长L满足：
C为光速，即
进一步，所述碱金属原子为87Rb或133Cs。
进一步，所述三角形原子气室内还填充有惰性气体。
进一步，所述惰性气体为Ar或Ne。
进一步，所述三角形原子气室外层设置有螺线管线圈，所述螺线管线圈外设置有磁屏蔽壳。
进一步，所述三角形原子气室与凹面部分反射部分透射镜、凹面反射镜、平面部分反射部分透射镜为一体集成式单片芯片。
本发明的有益效果是：本发明涉及的微型CPT原子钟物理***装置，将三角形碱金属原子气室与光学三角形FP腔结合，消除多色光中的基频、偶数阶边带成分，CPT共振信号本底低；有效相干双色光占激光总功率比例增大，CPT共振信号频移小；有效相干双色光与碱金属原子多次作用，作用光程增加，提高CPT共振信号幅度。
附图说明
图1为现有微型CPT原子钟物理***装置；
图2为本发明微型CPT原子钟物理***装置整体结构示意图；
图3(a)为本发明装置FP腔腔长示意图，图3(b)为圆偏振光与碱金属原子作用原理图，|1>和|2>分别为碱金属原子基态磁量子数m＝0的两个能级，|3>为碱金属原子激发态F＝2、磁量子数m＝1的能级，Vhfs为能级|1>和|2>之间对应的频率差，v1、v2分别与相干双色光(±1阶边带)耦合；
图4为本发明VCSEL激光器发出的调频相干多色光的各阶边带频率与光学FP腔FSR之间的关系示意图，其中FSR表示光学FP腔的自由光谱程，纵坐标为FP腔的归一化透过率，横坐标数字表示第几阶边带、0表示基频；
图5为本发明实施例中记录的CPT共振信号，图5(a)为图2装置获得的CPT共振信号；图5(b)为图1装置获得的CPT共振信号。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、Bias-Tee偏置器，2、VCSEL激光器，3、透镜，4、衰减片，5、四分之一波片，6、三角形原子气室，7、凹面部分反射部分透射镜，8、凹面反射镜，9、平面部分反射部分透射镜，10、光电探测器，11、原子气室。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语中“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是一体成型结构。对于本领域的普通技术人员，可以根据具体情况理解该类术语在本专利中的具体含义。
目前微型CPT原子钟物理***方案如图1所示，存在CPT共振信号幅度较低以及存在较高本底信号两个主要问题。
例如专利(CN102778839B)提供了一种实现正交圆偏振光同时与原子作用实现CPT共振信号的方案，能获得增强的CPT共振信号，提高CPT信号的信噪比和对比度。然而，该方案与碱金属原子失谐的光频成分被光电探测器探测，构成CPT信号的本底噪声、且有效光频成分与碱金属原子作用光程短，并未解决微型CPT原子钟物理***存在的上述两个不足之处。
专利(CN105242521A)提供了一种采用椭圆偏振光与原子共振，并对其产生的旋光效应进行差分探测的实现微型原子钟物理***的方法，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，然而，该方法采用椭圆偏振光与原子相互作用，相比流行CPT原子钟方案的圆偏振光，获得的CPT共振信号幅度低，且增加了一个四分之一波片、偏振分束器和光电探测器，增加了物理***的体积和复杂性。
因此本发明为保持流行微型CPT原子钟物理***CPT共振信号受环境磁场强度变化影响较小、激光频率易于实施稳频等优点，同时消除上述问题缺陷，具体提供了一种微型CPT原子钟物理***装置来解决上述问题。
本发明实施例如下：
如图2所示，本发明设计的微型CPT原子钟物理***装置，包括Bias-Tee偏置器1和VCSEL激光器2，所述Bias-Tee偏置器1用于耦合直流电流和微波并输入至VCSEL激光器2，设置输入直流电流1.2mA，设置输入微波频率为3.485GHz，VCSEL激光器2型号为ULM795-01-TN，温度控制在30.5摄氏度；所述VCSEL激光器2用于输出波长为794.98nm的相干调频多色线偏振光；还包括沿VCSEL激光器2发射光路依次设置的透镜3、衰减片4、四分之一波片5以及三角形原子气室6；所述透镜3用于将VCSEL激光器2发射的发散光转换为平行光束；所述衰减片4用于调节光束光强的大小；所述四分之一波片5用于将线偏振光转换为圆偏振光。
如图3所示，所述三角形原子气室6内提供用于与圆偏振光共振的碱金属原子；所述三角形原子气室6的三个顶角依次设有凹面部分反射部分透射镜7、凹面反射镜8、平面部分反射部分透射镜9；所述平面部分反射部分透射镜9的出射光路上设有光电探测器10；所述圆偏振光光束沿凹面部分反射部分透射镜7射入，经凹面反射镜8反射后，入射至平面部分反射部分透射镜9，部分透射出由光电探测器10检测，部分反射后入射至凹面部分反射部分透射镜7形成光学环路。
其中，碱金属原子为87Rb或133Cs，优选为87Rb原子；三角形原子气室6内还填充有惰性气体，惰性气体为Ar或Ne。
具体的，凹面部分反射部分透射镜7、凹面反射镜8、平面部分反射部分透射镜9构成光学FP腔，所述光学FP腔腔长为三角形原子气室6三边长之和，即FP腔腔长L＝L1+L2+L3。
光学FP腔自由光谱程：
所述碱金属原子用作CPT构型的两个低能态之间的频率差为Vhfs；
光学FP腔腔长L满足：
C为光速，即
当满足上述条件时，VCSEL激光器2输出的调频多色光中的基数阶边带成分与光学FP腔共振，能透过该光学FP腔；而基频成分、偶数阶边带成分与光学FP腔失谐，将不能透过该光学FP腔，因此光电探测器10探测到的CPT共振信号的无用本底噪声将降低，从而提高了CPT共振信号质量。
进一步，三角形原子气室6外层设置有螺线管线圈，所述螺线管线圈外设置有磁屏蔽壳，屏蔽外部环境磁场的干扰。
本发明提供的微型CPT原子钟物理***装置将碱金属原子气室与光学三角形法布里-珀罗谐振腔(FP腔)结合在一起，通过设置合适的光学FP腔长，使光学FP腔与VCSEL激光器2发出的相干多色光中的基数阶边带共振(包括±1阶边带，即有效相干双色光)，而与偶数阶边带(基频、±2、±4阶边带、…)失谐，因此检测透射光信号消除了由偶数阶边带产生的本底噪声，获得的CPT共振信号本底降低。通过将有效相干双色光占激光总功率比率提高，且相干双色光与碱金属原子在三角形光学FP腔内多次作用，作用光程增加，有效提高CPT共振信号幅度，以实现频率稳定度更高的微型CPT原子钟。
具体的，本实施例中凹面部分反射部分透射镜7反射率为95％，焦长10mm；凹面反射镜8的反射率大于99％，焦长15mm；平面部分反射部分透射镜9的反射率98％，光学FP腔腔长L设置为44mm，具体可参阅图3，L1为14mm、L2为15mm、L3为15mm。87Rb原子用作CPT构型的两个低能态之间的频率差Vhfs为6.8GHz，满足：
参阅图4，±1阶、±3阶等基数边带成分能透过FP腔，基频、±2阶等偶数边带成分不能透过FP腔，从而降低了光电探测器10探测到的CPT共振信号本底噪声，提高CPT共振信号质量。
需要补充的是，三角形原子气室6与凹面部分反射部分透射镜7、凹面反射镜8、平面部分反射部分透射镜9为一体集成式单片芯片，可通过微机电***(MEMS)技术集成，光学FP腔腔长通过MEMS技术进行设计和严格控制。
图5为本实施例在相同实验条件下，实验记录的CPT共振信号，图5(a)为图2装置获得的CPT共振信号，图5(b)为图1装置获得的CPT共振信号，由图可知，本发明装置获得的CPT共振信号本底噪声为0.8V，而流行CPT物理***本底噪声为1.8V，另外本发明装置相比流行装置获得的CPT共振信号幅度更大、信号线宽更窄，说明本发明装置能提高CPT共振信号质量，实现频率稳定度更优的微型CPT原子钟。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微型CPT原子钟物理***装置，包括Bias-Tee偏置器(1)和VCSEL激光器(2)，所述Bias-Tee偏置器(1)用于耦合直流电流和微波并输入至VCSEL激光器(2)，所述VCSEL激光器(2)用于输出相干调频多色线偏振光；其特征在于，还包括沿VCSEL激光器(2)发射光路依次设置的透镜(3)、衰减片(4)、四分之一波片(5)以及三角形原子气室(6)；所述透镜(3)用于将VCSEL激光器(2)发射的发散光转换为平行光束；所述衰减片(4)用于调节光束光强的大小；所述四分之一波片(5)用于将线偏振光转换为圆偏振光；
所述三角形原子气室(6)内提供用于与圆偏振光共振的碱金属原子；所述三角形原子气室(6)的三个顶角依次设有凹面部分反射部分透射镜(7)、凹面反射镜(8)、平面部分反射部分透射镜(9)；所述平面部分反射部分透射镜(9)的出射光路上设有光电探测器(10)；所述圆偏振光光束沿凹面部分反射部分透射镜(7)射入，经凹面反射镜(8)反射后，入射至平面部分反射部分透射镜(9)，部分透射出由光电探测器(10)检测，部分反射后入射至凹面部分反射部分透射镜(7)形成光学环路。
2.根据权利要求1所述的微型CPT原子钟物理***装置，其特征在于，所述凹面部分反射部分透射镜(7)、凹面反射镜(8)、平面部分反射部分透射镜(9)构成光学FP腔，所述光学FP腔腔长为三角形原子气室(6)三边长之和，即FP腔腔长L＝L1+L2+L3。
3.根据权利要求2所述的微型CPT原子钟物理***装置，其特征在于，所述光学FP腔自由光谱程FSR：
所述碱金属原子用作CPT构型的两个低能态之间的频率差为Vhfs；
光学FP腔腔长L满足：
C为光速，即
4.根据权利要求1所述的微型CPT原子钟物理***装置，其特征在于，所述碱金属原子为87Rb或133Cs。
5.根据权利要求1所述的微型CPT原子钟物理***装置，其特征在于，所述三角形原子气室(6)内还填充有惰性气体。
6.根据权利要求5所述的微型CPT原子钟物理***装置，其特征在于，所述惰性气体为Ar或Ne。
7.根据权利要求1所述的微型CPT原子钟物理***装置，其特征在于，所述三角形原子气室(6)外层设置有螺线管线圈，所述螺线管线圈外设置有磁屏蔽壳。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的微型CPT原子钟物理***装置，其特征在于，所述三角形原子气室(6)与凹面部分反射部分透射镜(7)、凹面反射镜(8)、平面部分反射部分透射镜(9)为一体集成式单片芯片。
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