《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》是中國科學院武漢物理與數學研究所於2012年2月15日申請的專利，該專利的申請號為2012100338076，公布號為CN102799101A，授權公布日為2012年11月28日，發明人是顧思洪、張奕、屈蘇平、史學明。
《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》公開了一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置，垂直腔面發射雷射裝置發出的線偏振圓形發散光依次通過第一偏振分束器、第一λ/4波片、原子蒸汽腔晶片和第二λ/4波片後經反射裝置反射後通過透鏡，然後經第二偏振分束器反射後依次通過第一λ/4波片、原子蒸汽腔晶片和第二λ/4波片，然後經反射裝置反射後依次通過透鏡和第二偏振分束器傳送到光電探測器轉換成電流輸出。該發明能能將原子集中在“0-0能級”，使得CPT共振信號增強，提高信號的信噪比和對比度；光源、探測器可以集成在同一個矽片上，裝置更小型化。
2018年12月20日，《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置
- 公告號：CN102799101A
- 授權日：2012年11月28日
- 申請號：2012100338076
- 申請日：2012年2月15日
- 申請人：中國科學院武漢物理與數學研究所
- 地址：湖北省武漢市武昌區西30號原子頻標重點實驗室
- 發明人：顧思洪、張奕、屈蘇平、史學明
- Int.Cl.：G04F5/14(2006.01)I; H03L7/26(2006.01)I; G02B27/28(2006.01)I
- 代理機構：武漢宇晨專利事務所
- 代理人：王敏鋒
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
原子鐘是一種計量時間的工具，利用微觀世界原子不同能級之間的量子躍遷計量時間，因為這種量子躍遷的頻率具有很高的穩定度，用其對普通的晶體振盪器頻率進行鎖定，製造出具有很高穩定度的原子鐘。原子鐘成為一種提供高穩定度、高準確度的頻率信號的設備，可以滿足守時授時、導航定位、精密測量、高速通信等眾多要求。
物理系統是原子鐘的核心部件，物理系統的好壞直接決定了原子鐘性能和指標的優劣，因此，物理系統的設計是實現原子鐘的關鍵之一。物理系統中的汽泡內部包含鹼金屬原子和緩衝氣體，並被加熱到高於室溫以產生鹼金屬原子蒸汽。緩衝氣體為氮氣、甲烷、氦氣等不活潑氣體或它們的混合氣體，用來壓窄譜線寬度、螢光淬滅、能級混雜等。鹼金屬原子為銫133、銣87或銣85，它們的基態超精細子能級之間的共振用來鑑定注入微波的頻率。如圖1所示，在弱磁場下，由於兩mF=0的能級（“0-0”能級）對磁場不敏感，因此常用它們之間的躍遷頻率U00作為原子鐘鑒頻頻率。當微波頻率掃過躍遷頻率時，共振信號表現為探測光信號會出現一個凹陷或者凸起，利用本地振盪器產生微波，將此微波鎖定到共振信號中凹陷或凸起所對應的中心躍遷頻率上，就可得到精密的本地振盪器時鐘信號輸出。
截至2012年2月，CPT原子鐘是一種新型原子鐘，具有體積小、功耗低、啟動快等特點，有著廣泛的套用前景。原理上，它也是已知的唯一可微型化的原子鐘。套用MEMS工藝製造量子系統，ASIC工藝製造電子學系統，可以實現晶片CPT原子鐘。
圖2是傳統的被動型汽泡式CPT原子鐘的物理系統方案圖。一定功率的微波通過電容與直流混合，混合的電信號注入垂直腔面發射雷射器（Vertical-CavitySurface-Emitting Laser，簡稱VCSEL）來產生多邊帶光，該多邊帶光的基頻受注入直流和雷射器溫度控制，相鄰邊帶的頻差等於微波頻率，各邊帶光強度滿足貝塞爾函式。CPT共振需其中兩個邊帶激發，若為±1級邊帶光，則稱為半寬調製激發；若為基頻（0級）和+1（或-1）級邊帶光，稱為全寬調製激發。四分之一波片（λ/4波片）的作用是將VCSEL輸出的線偏振光轉變成左旋（σ-）或右旋（σ+）圓偏振光。汽泡置於可準確控溫的環境中，為原子與雷射相互作用提供所需的原子蒸汽。在對環境磁場作禁止的前提下，在汽泡外設定螺線管（圖2中未畫出）產生平行於光傳播方向的磁場。光電探測器探測透過汽泡的雷射，並轉變為光電流信號。合理控制注入直流和雷射管溫度，使VCSEL輸出光中激發CPT的兩個邊帶分別激發兩基態到同一激發態的電偶極躍遷（D1線或D2線躍遷）。調節微波頻率從而改變兩邊帶光的頻率差，當頻率差掃過超精細能級“0-0”共振頻率時，光電探測器輸出光電流將出現一個共振信號。處理該共振信號得到反饋控制微波頻率的信號，實現閉環控制後，即可得到精密的本地振盪器時鐘信號輸出。
上述傳統的CPT原子鐘採用單束的σ-或σ+圓偏振雷射作為光源激發原子躍遷方案，這種方案有一個缺點，即由於圓偏振雷射對原子超精細分裂磁子能級的光抽運效應，使得原子傾向於累積在基態磁量子數最小（或最大）的磁子能級上，而這個能級對CPT暗態是沒有貢獻的，稱之為極化暗態。圖1說明了此現象，因此信號對比度（CPT共振增加的光電流信號幅度比上非共振的光電流信號幅度）不高。而CPT原子鐘的短期頻率穩定度與對比度成反比，因此該方案製造的CPT原子鐘的短期穩定度不高。
採用正交圓偏振激發CPT共振的方案，利用σ-和σ+圓偏振光同時與原子作用，可以消除上述極化暗態，得到高對比度CPT信號。該方案可用一個光與原子相互作用的四能級圖來說明，如圖3所示。通過在時間或者空間上延時使σ-和σ+圓偏振光相位差為（2n+1）π（n為整數），可以達到態函式同相疊加效果，使得CPT共振信號增強，並能將原子集中在“0-0能級”，如圖4所示。因此正交圓偏振激發CPT共振的方案製作的原子鐘短期穩定度會明顯高於傳統CPT原子鐘。
發明內容
專利目的
《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》的目的是提供一種被動型CPT原子鐘物理系統裝置，該裝置能將原子集中在“0-0能級”，使得CPT共振信號增強，提高信號的信噪比和對比度。另外，裝置中所有器件都利於集成，可實現微型化被動型CPT原子鐘。
技術方案
《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》包括垂直腔面發射雷射裝置，還包括依次設定的第一偏振分束器、第一λ/4波片、原子蒸汽腔晶片、第二λ/4波片和反射裝置，還包括依次設定的透鏡、第二偏振分束器和光電探測器，垂直腔面發射雷射裝置發出的線偏振圓形發散光通過第一偏振分束器後得到第一線偏振圓形發散光，第一線偏振圓形發散光通過第一λ/4波片得到圓偏振圓形發散光，圓偏振圓形發散光依次通過原子蒸汽腔晶片和第二λ/4波片後得到第二線偏振圓形發散光，第二線偏振圓形發散光經反射裝置發射後得到第一線偏振反射圓形發散光，第一線偏振反射圓形發散光通過透鏡得到第一線偏振平行光，第一線偏振平行光經過第二偏振分束器反射得到第一線偏振反射平行光，第一線偏振反射平行光經過第一偏振分束器反射後與第一線偏振圓形發散光合束，經過第一偏振分束器反射後的第一線偏振反射平行光依次通過第一λ/4波片、原子蒸汽腔晶片和第二λ/4波片，然後經反射裝置反射後依次通過透鏡和第二偏振分束器傳送到光電探測器轉換成電流輸出。
如上所述的垂直腔面發射雷射裝置包括電容、電感和垂直腔面發射雷射器，電容一端用於微波輸入，另一端與垂直腔面發射雷射器的陽極連線，電感一端用於電流輸入，另一端與垂直腔面發射雷射器的陽極連線，垂直腔面發射雷射器的陰極與電氣地連線。
如上所述的反射裝置包括第一45°反射面和第二45°反射面，第二線偏振圓形發散光經第一45°反射面反射後得到第二線偏振反射圓形發散光，第二線偏振反射圓形發散光經第二45°反射面反射後得到第一線偏振反射圓形發散光。
如上所述的第二線偏振圓形發散光的入射角為45度，第一45°反射面（9a）與第二45°反射面垂直。
如上所述的線偏振圓形發散光、第一線偏振圓形發散光、圓偏振圓形發散光和第二線偏振圓形發散光的光束中心均重合，第二線偏振反射圓形發散光和第一線偏振反射平行光均垂直於線偏振圓形發散光的傳播方向，線偏振圓形發散光、第一線偏振圓形發散光、圓偏振圓形發散光、第二線偏振圓形發散光、第二線偏振反射圓形發散光、第一線偏振反射圓形發散光、第一線偏振平行光和第一線偏振反射平行光均位於同一平面。
如上所述的線偏振圓形發散光的傳播方向為X軸正軸方向，X軸正軸方向的反方向為X軸負軸方向，第一偏振分束器的斜面和第二45°反射面的反射面的傾斜方向均為X軸負軸方向順時針旋轉45度方向，第二偏振分束器的斜面和第一45°反射面的反射面的傾斜方向均為X軸正軸方向逆時針旋轉45°方向。
第二線偏振反射圓形發散光的傳播方向為Y軸正軸方向，第一λ/4波片的光軸與Y軸正軸方向呈45度，第二λ/4波片的光軸與第一λ/4波片的光軸平行。
如上所述的第一線偏振圓形發散光、圓偏振圓形發散光、第二線偏振圓形發散光、第二線偏振反射圓形發散光、第一線偏振反射圓形發散光、第一線偏振平行光和第一線偏振反射平行光的總光程為
其中c為真空中的光速，v00為原子蒸汽腔晶片中原子基態超精細塞曼能級中磁量子數為零的兩能級之間躍遷頻率。
有益效果
《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》的有益效果是：
1.能將原子集中在“0-0能級”，使得CPT共振信號增強，提高信號的信噪比和對比度；
2.光源、探測器可以集成在同一個矽片上，裝置更小型化。
附圖說明
圖1為單一圓偏振光抽運鹼金屬原子基態超精細結構塞曼能級布居圖（以具有代表性的右旋偏振光抽運銫133原子為例，能級上的直條表示純圓偏振光抽運，穩態時能級布居數分布）；
圖2為傳統的被動型相干布居囚禁原子鐘的物理系統方案圖；
圖3為正交圓偏振激發CPT方案四能級抽運圖（以具有代表性的銫133原子為例）；
圖4為正交圓偏振激發CPT方案鹼金屬原子基態超精細結構塞曼能級布居圖（以具有代表性的銫133原子為例，能級上的直條表示正交圓偏振光抽運，穩態時能級布居數分布）；
圖5為《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》的原理示意圖；
圖6為《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》的實施流程示意圖；
圖7為《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》的裝置示意圖；
圖8為《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》的延時環路原理示意圖；
圖中：1-微波輸入；2-電流輸入；3-電容；4-電感；5-垂直腔面發射雷射器；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-原子蒸汽腔晶片；9a-梯形稜鏡的第一45°反射面；9b-梯形稜鏡的第二45°反射面；10-透鏡；11-光電探測器；12a-線偏振圓形發散光；12b-第一線偏振圓形發散光；12c-圓偏振圓形發散光；12d-第二線偏振圓形發散光；12e-第二線偏振反射圓形發散光；12f-第一線偏振反射圓形發散光；12g-第一線偏振平行光；12h-第一線偏振反射平行光。
技術領域
《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》技術涉及原子鐘領域，尤其涉及一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置，適用於製造晶片CPT原子鐘。
權利要求
1.一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置，包括垂直腔面發射雷射裝置，其特徵在於：還包括依次設定的第一偏振分束器（6a）、第一λ/4波片（7a）、原子蒸汽腔晶片（8）、第二λ/4波片（7b）和反射裝置，還包括依次設定的透鏡（10）、第二偏振分束器（6b）和光電探測器（11），垂直腔面發射雷射裝置發出的線偏振圓形發散光（12a）通過第一偏振分束器（6a）後得到第一線偏振圓形發散光（12b），第一線偏振圓形發散光（12b）通過第一λ/4波片（7a）得到圓偏振圓形發散光（12c），圓偏振圓形發散光（12c）依次通過原子蒸汽腔晶片（8）和第二λ/4波片（7b）後得到第二線偏振圓形發散光（12d），第二線偏振圓形發散光（12d）經反射裝置發射後得到第一線偏振反射圓形發散光（12f），第一線偏振反射圓形發散光（12f）通過透鏡（10）得到第一線偏振平行光（12g），第一線偏振平行光（12g）經過第二偏振分束器（6b）反射得到第一線偏振反射平行光（12h），第一線偏振反射平行光（12h）經過第一偏振分束器（6a）反射後與第一線偏振圓形發散光（12b）合束，經過第一偏振分束器（6a）反射後的第一線偏振反射平行光（12h）依次通過第一λ/4波片（7a）、原子蒸汽腔晶片（8）和第二λ/4波片（7b），然後經反射裝置反射後依次通過透鏡（10）和第二偏振分束器（6b）傳送到光電探測器（11）轉換成電流輸出，所述的反射裝置包括第一45°反射面（9a）和第二45°反射面（9b），第二線偏振圓形發散光（12d）經第一45°反射面（9a）反射後得到第二線偏振反射圓形發散光（12e），第二線偏振反射圓形發散光（12e）經第二45°反射面（9b）反射後得到第一線偏振反射圓形發散光（12f），所述的第一線偏振圓形發散光（12b）、圓偏振圓形發散光（12c）、第二線偏振圓形發散光（12d）、第二線偏振反射圓形發散光（12e）、第一線偏振反射圓形發散光（12f）、第一線偏振平行光（12g）和第一線偏振反射平行光（12h）的總光程為其中c為真空中的光速，v00為原子蒸汽腔晶片中原子基態超精細塞曼能級中磁量子數為零的兩能級之間躍遷頻率。
2.根據權利要求1所述的一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置，其特徵在於：所述的垂直腔面發射雷射裝置包括電容（3）、電感（4）和垂直腔面發射雷射器（5），電容（3）一端用於微波輸入，另一端與垂直腔面發射雷射器（5）的陽極連線，電感（4）一端用於電流輸入，另一端與垂直腔面發射雷射器（5）的陽極連線，垂直腔面發射雷射器（5）的陰極與電氣地連線。
3.根據權利要求1所述的一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置，其特徵在於：所述的第二線偏振圓形發散光（12d）的入射角為45度，第一45°反射面（9a）與第二45°反射面（9b）垂直。
4.根據權利要求1所述的一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置，其特徵在於：所述的線偏振圓形發散光（12a）、第一線偏振圓形發散光（12b）、圓偏振圓形發散光（12c）和第二線偏振圓形發散光（12d）的光束中心均重合，第二線偏振反射圓形發散光（12e）和第一線偏振反射平行光（12h）均垂直於線偏振圓形發散光（12a）的傳播方向，線偏振圓形發散光（12a）、第一線偏振圓形發散光（12b）、圓偏振圓形發散光（12c）、第二線偏振圓形發散光（12d）、第二線偏振反射圓形發散光（12e）、第一線偏振反射圓形發散光（12f）、第一線偏振平行光（12g）和第一線偏振反射平行光（12h）均位於同一平面。
5.根據權利要求1所述的一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置，其特徵在於：所述的線偏振圓形發散光（12a）的傳播方向為X軸正軸方向，X軸正軸方向的反方向為X軸負軸方向，第一偏振分束器（6a）的斜面和第二45°反射面（9b）的反射面的傾斜方向均為X軸負軸方向順時針旋轉45度方向，第二偏振分束器（6b）的斜面和第一45°反射面（9a）的反射面的傾斜方向均為X軸正軸方向逆時針旋轉45°方向；第二線偏振反射圓形發散光（12e）的傳播方向為Y軸正軸方向，第一λ/4波片（7a）的光軸與Y軸正軸方向呈45度，第二λ/4波片（7b）的光軸與第一λ/4波片（7a）的光軸平行。
實施方式
- 實施例1：
如圖7所示，一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置，包括垂直腔面發射雷射裝置，還包括依次設定的第一偏振分束器6a、第一λ/4波片7a、原子蒸汽腔晶片8、第二λ/4波片7b和反射裝置，還包括依次設定的透鏡10、第二偏振分束器6b和光電探測器11，垂直腔面發射雷射裝置發出的線偏振圓形發散光12a通過第一偏振分束器6a後得到第一線偏振圓形發散光12b，第一線偏振圓形發散光12b通過第一λ/4波片7a得到圓偏振圓形發散光12c，圓偏振圓形發散光12c依次通過原子蒸汽腔晶片8和第二λ/4波片7b後得到第二線偏振圓形發散光12d，第二線偏振圓形發散光12d經反射裝置發射後得到第一線偏振反射圓形發散光12f，第一線偏振反射圓形發散光12f通過透鏡10得到第一線偏振平行光12g，第一線偏振平行光12g經過第二偏振分束器6b反射得到第一線偏振反射平行光12h，第一線偏振反射平行光12h經過第一偏振分束器6a反射後與第一線偏振圓形發散光12b合束，經過第一偏振分束器6a反射後的第一線偏振反射平行光12h依次通過第一λ/4波片7a、原子蒸汽腔晶片8和第二λ/4波片7b，然後經反射裝置反射後依次通過透鏡10和第二偏振分束器6b傳送到光電探測器11轉換成電流輸出。
垂直腔面發射雷射裝置中的垂直腔面發射雷射器5發射出線偏振圓形發散光12a，線偏振圓形發散光12a透過第一偏振分束器6a得到第一線偏振圓形發散光12b，第一線偏振圓形發散光12b通過第一λ/4波片7a得到圓偏振圓形發散光12c，圓偏振圓形發散光12c依次通過原子蒸汽腔晶片8和第二λ/4波片7b後得到第二線偏振圓形發散光12d，第二線偏振圓形發散光12d經反射裝置發射後得到第一線偏振反射圓形發散光12f，第一線偏振反射圓形發散光12f透過透鏡得到第一線偏振平行光12g，垂直腔面發射雷射器5的發光平面與透鏡間的距離為固定的透鏡的焦距，將透鏡放置在經反射裝置反射後的位置上，利用反射減小了物理系統裝置的體積。
垂直腔面發射雷射器5與光電探測器11集成在一塊晶片上，與傳統的物理系統相比，可以減小物理系統裝置的體積。
垂直腔面發射雷射裝置包括電容3、電感4和垂直腔面發射雷射器5，電容3一端用於微波輸入，另一端與垂直腔面發射雷射器5的陽極連線，電感（4）一端用於電流輸入，另一端與垂直腔面發射雷射器5的陽極連線，垂直腔面發射雷射器5的陰極與電氣地連線。
反射裝置包括第一45°反射面9a和第二45°反射面9b，第二線偏振圓形發散光12d經第一45°反射面9a反射後得到第二線偏振反射圓形發散光12e，第二線偏振反射圓形發散光12e經第二45°反射面9b反射後得到第一線偏振反射圓形發散光12f。
第二線偏振圓形發散光12d的入射角為45度，第一45°反射面9a與第二45°反射面9b垂直。
線偏振圓形發散光12a、第一線偏振圓形發散光12b、圓偏振圓形發散光12c和第二線偏振圓形發散光12d的光束中心均重合，第二線偏振反射圓形發散光12e和第一線偏振反射平行光12h均垂直於線偏振圓形發散光12a的傳播方向，線偏振圓形發散光12a、第一線偏振圓形發散光12b、圓偏振圓形發散光12c、第二線偏振圓形發散光12d、第二線偏振反射圓形發散光12e、第一線偏振反射圓形發散光12f、第一線偏振平行光12g和第一線偏振反射平行光12h均位於同一平面。
線偏振圓形發散光12a的傳播方向為X軸正軸方向，X軸正軸方向的反方向為X軸負軸方向，第一偏振分束器6a的斜面和第二45°反射面9b的反射面的傾斜方向均為X軸負軸方向順時針旋轉45度方向，第二偏振分束器6b的斜面和第一45°反射面9a的反射面的傾斜方向均為X軸正軸方向逆時針旋轉45°方向。
第二線偏振反射圓形發散光12e的傳播方向為Y軸正軸方向，第一λ/4波片7a的光軸與Y軸正軸方向呈45度，第二λ/4波片7b的光軸與第一λ/4波片7a的光軸平行。
第一線偏振圓形發散光12b、圓偏振圓形發散光12c、第二線偏振圓形發散光12d、第二線偏振反射圓形發散光12e、第一線偏振反射圓形發散光12f、第一線偏振平行光12g和第一線偏振反射平行光12h的總光程為其中c為真空中的光速，v00為原子蒸汽腔晶片中原子基態超精細塞曼能級中磁量子數為零的兩能級之間躍遷頻率。
線偏振圓形發散光12a的傳播方向為X軸正軸方向，第二線偏振反射圓形發散光12e的傳播方向為Y軸正軸方向，第一λ/4波片7a的光軸與Y軸方向呈45°，第二λ/4波片7b的光軸與第一λ/4波片7a的光軸平行，因此Y軸方向上的線偏振光束經過第一λ/4波片7a後變為磁左旋（或右旋）圓偏振光。磁左旋（或右旋）圓偏振光定義為光子的自旋方向反向（或同向）於量子化軸方向，故原子吸收一個磁左旋（或右旋）圓偏振光光子後軸向自旋角動量減小（或增加）h。
如圖6所示，第二步驟中，與傳統被動型CPT原子鐘中的方法相似，將垂直腔面發射雷射器5發射的雷射中+1級邊帶光調節到與銫133原子|6S1/2，F＝3>和6P1/2，F＝4>兩能級的電偶極躍遷共振，-1級邊帶光調節到與銫133原子6S1/2，F＝4>和|6P1/2，F＝4>兩能級的電偶極躍遷共振。
如圖6所示，第三步驟中，掃描微波輸入1的頻率，光電探測器11的電流輸出13大小反應了CPT共振的強弱，該電流輸出13即為微波輸入1的頻率鑑定信號，即實現鑒頻4。
《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》與傳統被動型相干布居囚禁原子鐘方案相比，獲得的鑒頻信號幅度明顯較大，能提高被動型相干布居囚禁原子鐘的性能。
上述的實施方式只是《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》的一個具有代表性的特例，同領域的工作人員通過共知常識及《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》可得鹼金屬原子（銫133、銣87、銣85）、不同譜線（D1線和D2線）、不同調製方式（半寬調製和全寬調製）的實施辦法。
《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》能將原子集中在“0-0能級”，使得CPT共振信號增強，提高信號的信噪比和對比度。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種晶片CPT原子鐘物理系統裝置》獲得第二十屆中國專利優秀獎。
