技术领域

本发明技术涉及原子钟领域， 尤其涉及一种芯片 CPT原子钟物理系统装置， 适用于 制造芯片 CPT原子钟。 背景技术

原子钟是一种计量时间的工具， 利用微观世界原子不同能级之间的量子跃迁计 量时 间， 因为这种量子跃迁的频率具有很高的稳定度， 用其对普通的晶体振荡器频率进行锁 定， 制造出具有很高稳定度的原子钟。 原子钟成为一种提供高稳定度、 高准确度的频率 信号的设备， 可以满足守时授时、 导航定位、 精密测量、 高速通信等众多要求。

物理系统是原子钟的核心部件， 物理系统的好坏直接决定了原子钟性能和指标 的优 劣， 因此， 物理系统的设计是实现原子钟的关键之一。 物理系统中的汽泡内部包含碱金 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� ��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 ¼ _Q 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微波， 将此 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。

CPT原子钟是一种新型原子钟， 具有体积小、 功耗低、 启动快等特点， 有着广泛的 应用前景。原理上， 它也是目前已知的唯一可微型化的原子钟。应 用 MEMS工艺制造量 子系统， ASIC工艺制造电子学系统， 可以实现芯片 CPT原子钟。

图 2是传统的被动型汽泡式 CPT原子钟的物理系统方案图。 一定功率的微波通过电 容与直流混合， 混合的电信号注入垂直腔面发射激光器（Vertic al-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。 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 子与激光相互作用提供所需的原子蒸汽。 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。 光电探测器探测透过汽泡的激 光， 并转变为光电流信号。 合理控制注入直流和激光管温度， 使 VCSEL输出光中激发 CPT的两个边带分别激发两基态到同一激发态的 电偶极跃迁（D1线或 D2线跃迁） 。 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反馈控制微波频率的信 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 CPT 原子钟采用单束的 σ-或 σ+圆偏振激光作为光源激发原子跃迁方 案，这种方案有一个缺点， 即由于圆偏振激光对原子超精细分裂磁子能级 的光抽运效应， 使得原子倾向于累积在基态磁量子数最小（或 最大） 的磁子能级上， 而这个能级对 CPT 暗态是没有贡献的， 我们称之为极化暗态。 图 1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 CPT原子钟的短期 频率稳定度与对比度成反比， 因此该方案制造的 CPT原子钟的短期稳定度不高。

采用正交圆偏振激发 CPT共振的方案， 利用 σ-和 σ+圆偏振光同时与原子作用， 可 以消除上述极化暗态， 得到高对比度 CPT信号。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。 通过在时间或者空间上延时使 σ-和 σ+圆偏振光相位差为 (2η+1 ) π (η为整数）， 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"， 如图 4所示。 因此正交圆偏振激发 CPT共振的方案制作的原 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：

一种芯片 CPT原子钟物理系统装置， 包括垂直腔面发射激光装置， 还包括依次设置 的第一偏振分束器、第一 λ/4波片、原子蒸汽腔芯片、第二 λ/4波片和反射装置， 还包括 依次设置的透镜、 第二偏振分束器和光电探测器， 垂直腔面发射激光装置发出的线偏振 圆形发散光通过第一偏振分束器后得到第一线 偏振圆形发散光， 第一线偏振圆形发散光 通过第一 λ/4波片得到圆偏振圆形发散光， 圆偏振圆形发散光依次通过原子蒸汽腔芯片 和第二 λ/4波片后得到第二线偏振圆形发散光， 第二线偏振圆形发散光经反射装置发射 后得到第一线偏振反射圆形发散光， 第一线偏振反射圆形发散光通过透镜得到第一 线偏 振平行光， 第一线偏振平行光经过第二偏振分束器反射得 到第一线偏振反射平行光， 第 一线偏振反射平行光经过第一偏振分束器反射 后与第一线偏振圆形发散光合束， 经过第 一偏振分束器反射后的第一线偏振反射平行光 依次通过第一 λ/4波片、 原子蒸汽腔芯片 和第二 λ/4波片， 然后经反射装置反射后依次通过透镜和第二偏 振分束器传送到光电探 测器转换成电流输出。

如上所述的垂直腔面发射激光装置包括电容、 电感和垂直腔面发射激光器， 电容一 端用于微波输入， 另一端与垂直腔面发射激光器的阳极连接， 电感一端用于电流输入， 另一端与垂直腔面发射激光器的阳极连接， 垂直腔面发射激光器的阴极与电气地连接。

如上所述的反射装置包括第一 45°反射面和第二 45°反射面，第二线偏振圆形发散光 经第一 45°反射面反射后得到第二线偏振反射圆形发� �光， 第二线偏振反射圆形发散光 经第二 45°反射面反射后得到第一线偏振反射圆形发� �光。

如上所述的第二线偏振圆形发散光的入射角为 45度， 第一 45°反射面 （9a) 与第二 45°反射面垂直。

如上所述的线偏振圆形发散光、 第一线偏振圆形发散光、 圆偏振圆形发散光和第二 线偏振圆形发散光的光束中心均重合， 第二线偏振反射圆形发散光和第一线偏振反射 平 行光均垂直于线偏振圆形发散光的传播方向， 线偏振圆形发散光、 第一线偏振圆形发散 光、 圆偏振圆形发散光、 第二线偏振圆形发散光、 第二线偏振反射圆形发散光、 第一线 偏振反射圆形发散光、 第一线偏振平行光和第一线偏振反射平行光均 位于同一平面。

如上所述的线偏振圆形发散光的传播方向为 X轴正轴方向， X轴正轴方向的反方向 为 X轴负轴方向， 第一偏振分束器的斜面和第二 45°反射面的反射面的倾斜方向均为 X 轴负轴方向顺时针旋转 45度方向， 第二偏振分束器的斜面和第一 45°反射面的反射面的 倾斜方向均为 X轴正轴方向逆时针旋转 45°方向。

第二线偏振反射圆形发散光的传播方向为 Y轴正轴方向， 第一 λ/4波片的光轴与 Υ 轴正轴方向呈 45度， 第二 λ/4波片的光轴与第一 λ/4波片的光轴平行。

如上所述的第一线偏振圆形发散光、 圆偏振圆形发散光、 第二线偏振圆形发散光、 第二线偏振反射圆形发散光、 第一线偏振反射圆形发散光、 第一线偏振平行光和第一线 偏振反射平行光的总光程为」 _， 其中 C为真空中的光速， V。。为原子蒸汽腔芯片中原子

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基态超精细塞曼能级中磁量子数为零的两能 级之间跃迁频率。

与现有技术相比， 本发明的有益效果是：

1. 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；

2. 光源、 探测器可以集成在同一个硅片上， 装置更小型化。 附图说明

图 1为单一圆偏振光抽运碱金属原子基态超精细� �构塞曼能级布居图 （以具有代表 性的右旋偏振光抽运铯 133原子为例， 能级上的直条表示单一圆偏振光抽运， 稳态时能 级布居数分布）；

图 2为传统的被动型相干布居囚禁原子钟的物理� �统方案图；

图 3为正交圆偏振激发 CPT方案四能级抽运图（以具有代表性的铯 133原子为例）； 图 4为正交圆偏振激发 CPT方案碱金属原子基态超精细结构塞曼能级布 居图（以具 有代表性的铯 133原子为例， 能级上的直条表示正交圆偏振光抽运， 稳态时能级布居数 分布）；

图 5为本发明的原理示意图；

图 6为本发明的实施流程示意图；

图 7为本发明的装置示意图；

图 8为本发明的延时环路原理示意图；

图中： 1-微波输入； 2-电流输入； 3-电容； 4-电感； 5-垂直腔面发射激光器； 6a-第一 偏振分束器； 6b-第二偏振分束器； 7a-第一 λ/4波片； 7b-第二 λ/4波片； 8-原子蒸汽腔芯 片； 9a-梯形棱镜的第一 45°反射面； 9b-梯形棱镜的第二 45°反射面； 10-透镜； 11-光电 探测器； 12a-线偏振圆形发散光； 12b-第一线偏振圆形发散光； 12c-圆偏振圆形发散光； 12d-第二线偏振圆形发散光； 12e-第二线偏振反射圆形发散光； 12f-第一线偏振反射圆形 发散光； 12g-第一线偏振平行光； 12h-第一线偏振反射平行光。 具体实施方式

实施例 1 : 如图 7所示， 一种芯片 CPT原子钟物理系统装置， 包括垂直腔面发射激光装置， 还 包括依次设置的第一偏振分束器 6a、 第一 λ/4波片 7a、 原子蒸汽腔芯片 8、 第二 λ/4波 片 7b和反射装置， 还包括依次设置的透镜 10、第二偏振分束器 6b和光电探测器 11， 垂 直腔面发射激光装置发出的线偏振圆形发散光 12a通过第一偏振分束器 6a后得到第一线 偏振圆形发散光 12b， 第一线偏振圆形发散光 12b通过第一 λ/4波片 7a得到圆偏振圆形 发散光 12c， 圆偏振圆形发散光 12c依次通过原子蒸汽腔芯片 8和第二 λ/4波片 7b后得 到第二线偏振圆形发散光 12d， 第二线偏振圆形发散光 12d经反射装置发射后得到第一 线偏振反射圆形发散光 12f， 第一线偏振反射圆形发散光 12f通过透镜 10得到第一线偏 振平行光 12g，第一线偏振平行光 12g经过第二偏振分束器 6b反射得到第一线偏振反射 平行光 12h， 第一线偏振反射平行光 12h经过第一偏振分束器 6a反射后与第一线偏振圆 形发散光 12b合束，经过第一偏振分束器 6a反射后的第一线偏振反射平行光 12h依次通 过第一 λ/4波片 7a、 原子蒸汽腔芯片 8和第二 λ/4波片 7b， 然后经反射装置反射后依次 通过透镜 10和第二偏振分束器 6b传送到光电探测器 11转换成电流输出。

垂直腔面发射激光装置中的垂直腔面发射激光 器 5发射出线偏振圆形发散光 12a， 线偏振圆形发散光 12a透过第一偏振分束器 6a得到第一线偏振圆形发散光 12b， 第一线 偏振圆形发散光 12b通过第一 λ/4波片 7a得到圆偏振圆形发散光 12c， 圆偏振圆形发散 光 12c依次通过原子蒸汽腔芯片 8和第二 λ/4波片 7b后得到第二线偏振圆形发散光 12d， 第二线偏振圆形发散光 12d经反射装置发射后得到第一线偏振反射圆形 发散光 12f， 第 一线偏振反射圆形发散光 12f透过透镜得到第一线偏振平行光 12g， 垂直腔面发射激光 器 5的发光平面与透镜间的距离为固定的透镜的� �距， 将透镜放置在经反射装置反射后 的位置上， 利用反射减小了物理系统装置的体积。

垂直腔面发射激光器 5与光电探测器 11集成在一块芯片上，与传统的物理系统相比� �� 可以减小物理系统装置的体积。

垂直腔面发射激光装置包括电容 3、电感 4和垂直腔面发射激光器 5， 电容 3—端用 于微波输入，另一端与垂直腔面发射激光器 5的阳极连接， 电感（4)一端用于电流输入， 另一端与垂直腔面发射激光器 5的阳极连接， 垂直腔面发射激光器 5的阴极与电气地连 接。

反射装置包括第一 45°反射面 9a和第二 45°反射面 9b， 第二线偏振圆形发散光 12d 经第一 45°反射面 9a反射后得到第二线偏振反射圆形发散光 12e， 第二线偏振反射圆形 发散光 12e经第二 45°反射面 9b反射后得到第一线偏振反射圆形发散光 12f。 第二线偏振圆形发散光 12d的入射角为 45度，第一 45°反射面 9a与第二 45°反射面 9b垂直。

线偏振圆形发散光 12a、第一线偏振圆形发散光 12b、 圆偏振圆形发散光 12c和第二 线偏振圆形发散光 12d的光束中心均重合， 第二线偏振反射圆形发散光 12e和第一线偏 振反射平行光 12h均垂直于线偏振圆形发散光 12a的传播方向， 线偏振圆形发散光 12a、 第一线偏振圆形发散光 12b、 圆偏振圆形发散光 12c、 第二线偏振圆形发散光 12d、 第二 线偏振反射圆形发散光 12e、第一线偏振反射圆形发散光 12f、第一线偏振平行光 12g和 第一线偏振反射平行光 12h均位于同一平面。

线偏振圆形发散光 12a的传播方向为 X轴正轴方向， X轴正轴方向的反方向为 X轴 负轴方向， 第一偏振分束器 6a的斜面和第二 45°反射面 9b的反射面的倾斜方向均为 X 轴负轴方向顺时针旋转 45度方向， 第二偏振分束器 6b的斜面和第一 45°反射面 9a的反 射面的倾斜方向均为 X轴正轴方向逆时针旋转 45°方向。

第二线偏振反射圆形发散光 12e的传播方向为 Y轴正轴方向，第一 λ/4波片 7a的光 轴与 Y轴正轴方向呈 45度， 第二 λ/4波片 7b的光轴与第一 λ/4波片 7a的光轴平行。

第一线偏振圆形发散光 12b、 圆偏振圆形发散光 12c、 第二线偏振圆形发散光 12d、 第二线偏振反射圆形发散光 12e、第一线偏振反射圆形发散光 12f、第一线偏振平行光 12g 和第一线偏振反射平行光 12h的总光程为 ^， 其中 c为真空中的光速， V。。为原子蒸汽

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腔芯片中原子基态超精细塞曼能级中磁量子 数为零的两能级之间跃迁频率。

线偏振圆形发散光 12a的传播方向为 X轴正轴方向，第二线偏振反射圆形发散光 12e 的传播方向为 Y轴正轴方向， 第一 λ/4波片 7a的光轴与 Y轴方向呈 45°， 第二 λ/4波片 7b的光轴与第一 λ/4波片 7a的光轴平行， 因此 Y轴方向上的线偏振光束经过第一 λ/4 波片 7a后变为磁左旋（或右旋） 圆偏振光。 磁左旋（或右旋） 圆偏振光定义为光子的自 旋方向反向 （或同向） 于量子化轴方向， 故原子吸收一个磁左旋 （或右旋） 圆偏振光光 子后轴向自旋角动量减小 （或增加） ¾。

如图 6所示， 第二步骤中， 与传统被动型 CPT原子钟中的方法相似， 将垂直腔面发 射激光器 5 发射的激光中 +1 级边带光调节到与铯 133 原子 | 6 ² _/2 ， = 3 >和| 6 ² ^ ₂ ，

F = 4 >两能级的电偶极跃迁共振， -1 级边带光调节到与铯 133 原子 | 6 ² _/2 ， = 4 >和 \ 6 ² P _1/2 , F = 4 >两能级的电偶极跃迁共振。 如图 6所示， 第三步骤中， 扫描微波输入 1的频率， 光电探测器 11的电流输出 13 大小反应了 CPT共振的强弱， 该电流输出 13即为微波输入 1的频率鉴定信号， 即实现 鉴频 4。

本发明与传统被动型相干布居囚禁原子钟方案 相比，获得的鉴频信号幅度明显较大， 能提高被动型相干布居囚禁原子钟的性能。

上述的实施方式只是本发明的一个具有代表性 的特例， 同领域的工作人员通过共知 常识及本发明可得碱金属原子（铯 133、 铷 87、 铷 85 )、 不同谱线 （D1线和 D2线）、 不 同调制方式 （半宽调制和全宽调制） 的实施办法。

本发明能将原子集中在" 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。