垂直線偏光源CPT原子鐘研製

《垂直線偏光源CPT原子鐘研製》是依託中國科學院精密測量科學與技術創新研究院，由張奕擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：垂直線偏光源CPT原子鐘研製
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張奕
• 依託單位：中國科學院精密測量科學與技術創新研究院

項目摘要

晶片相干布居囚禁（CPT）原子鐘有望套用於小衛星通信系統、水下定位系統等，據估計能改進網路獲取時間100倍以上。目前晶片CPT原子鐘採用微波調製縱腔面發射雷射器(VCSEL)得到所需光源，該方案存在原子利用率低和本底噪聲大兩個缺點。研究證明垂直線偏振（lin⊥lin）方案能夠克服這兩個缺點，比較現有lin⊥lin光源，VCSEL互注入邊帶鎖定光源具有低成本、可微型化優點，非常適合套用於攜帶型原子鐘。本項目擬利用設計的VCSEL互注入邊帶鎖定方案產生所需光源，採用lin⊥lin方案，並研製鎖定電路，實現一種新型CPT原子鐘。項目中將實驗研究光互注入率、微波調製指數對鎖定捕捉範圍、鎖定穩定性等參數的影響，研究lin⊥lin方案產生的CPT譜線特性，找出CPT譜線對比度、線寬、頻移等與光強、微波調製指數等的關係，並最佳化參數以研製高性能CPT原子鐘。該項目將為實現高性能晶片CPT原子鐘奠定基礎。

結題摘要

晶片相干布居囚禁（CPT）原子鐘有望套用於小衛星通信系統、水下定位系統等，據估計能改進網路獲取時間100倍以上。目前晶片CPT原子鐘普遍採用微波調製縱腔面發射雷射器(VCSEL)得到所需光源，該方案存在原子利用率低的缺點。研究證明垂直線偏振（lin⊥lin）光源方案能夠克服這個缺點。但目前的lin⊥lin光源不適合套用於晶片原子鐘。 本項目中我們提出了一種新型可晶片化垂直線偏振（lin⊥lin）光源方案,原理上討論了該方案優點，理論分析了該方案提高CPT信號機理，實驗研究了該方案光源與原子作用的CPT信號特點，相比目前普遍方案，該方案CPT信號幅度提升為3倍。該方案光源可集成為mm3量級，因此可用於研製晶片原子鐘。 基於建立的lin⊥lin光源方案裝置，本項目還開展了微機電系統(MEMS)原子蒸汽腔譜線特性研究。信號幅度和線寬很大程度上決定了晶片原子儀器性能，獲得高幅度和窄線寬的CPT譜線對提高CPT原子鐘和磁強計的性能有重要意義。基於87Rb原子D1線躍遷構成的三能級系統，採用微波調製垂直腔面發射雷射器激發CPT譜線方案，研究了微型87Rb-N2原子蒸汽腔中CPT譜線特性，得到了譜線線寬、信號幅度和Q值隨微腔溫度的變化特性，獲得了微腔最佳工作參數，並通過理論細緻分析了其內在機理。研究結果為研製微型CPT原子頻標和磁強計提供了重要基礎。 本項目還提出了對偏振相互平行的雙色光（lin//lin）與87Rb原子作用產生的磁光旋轉（MOR）效應進行差分探測的方案，定義為MOR-CPT差分探測方案。我們理論分析了MOR-CPT效應產生的物理機理，理論和實驗研究了MOR-CPT信號的線寬、幅度、糾偏斜率與磁場強度的關係，實驗測量了MOR-CPT差分探測方案的噪聲譜。我們的研究表明：相對於lin//lin CPT方案，MOR-CPT差分探測方案能夠地抑制雷射噪聲，MOR-CPT原子鐘的短期頻率穩定度有望提高一個量級以上。 本項目研究結果可用於提高目前普遍方案晶片原子鐘性能和用於開展新型高性能晶片原子鐘和小型CPT原子鐘。