一种CPT原子频标的量子系统装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种CPT原子频标的量子系统装置，该装置包括纵腔面发射激光器VCSEL、衰减片、λ/4波片A、λ/4波片B、反射镜A、半透明反射镜、光电探测器、极化分光镜PBS、磁场线圈、磁屏蔽桶、Rb泡、λ/4波片C、反射镜B。所述的CPT原子频标量子系统装置具有同向传播的左右旋圆偏振光CPT、反向传播的左右旋圆偏振光CPT、push-pull CPT三种不同偏振构型的CPT原子频标量子系统装置的特点。该装置结构简单、体积小、对比度高。基于该装置的CPT原子频标的量子系统非常适用于低功耗、小体积、高精度、高稳定度的小型化CPT原子频标。

【技术实现步骤摘要】
一种CPT原子频标的量子系统装置
本专利技术涉及原子频标
，特别涉及一种CPT（CoherentPopulationTrapping）原子频标的量子系统装置，可适用于小型化商用原子钟系统。
技术介绍
CPT原子频标是一种利用相干布居囚禁现象实现的新型原子频标，与传统原子频标相比，它省去了传统原子频标的微波腔，具有体积小、功耗低、启动快等优点，在信息通信领域具有广泛的应用前景。国内CPT原子频标研究单位主要有中国科学院武汉物理与数学研究所，四川天奥星华时频公司，北京大学等单位。CPT原子频标的工作过程主要包含有两个锁相控制环路：其中一个环路为激光稳频环路，通过在注入纵腔面发射激光器（VCSEL,VerticalCavitySurfaceEmittingLaser）的电流（mA量级）上叠加几KHz的浅幅调制（μA量级），以实现对输出激光频率的调制，使用光电探测器探测VCSEL输出激光与原子作用后的光强，可得到原子对不同频率激光的吸收谱线，通过相干解调的方法从原子对激光的吸收谱中获得反馈信号，用于纠偏注入VCSEL的电流，将激光频率锁定在原子吸收谱线中最大共振吸收峰对应的频率上；另一个环路为微波频率锁定环路，将微波耦合到注入VCSEL的电流中，使VCSEL输出产生多色相干光，用于产生CPT现象，与激光稳频环路类似，通过配置锁相环使微波叠加几百Hz的频率调制，使用光电探测器探测VCSEL输出激光与原子相互作用后的光强，可得到CPT谱线，通过相干解调的方法从CPT谱线中获得反馈信号，用于纠偏微波频率，将微波频率锁定在CPT峰上，以实现稳频的目的。传统的CPT原子频标的量子系统主要包含有：纵腔面发射激光器VCSEL、衰减片、λ/4波片、磁场线圈、磁屏蔽桶、Rb泡、光电探测器。激光器发出线偏振光，通过衰减片衰减到合适的功率，经过λ/4波片转变为圆偏振光，进入Rb泡与原子相互作用，与原子作用后的激光通过光电探测器转化为电信号，通过相干解调的方法获得VCSEL注入电流和微波频率的反馈信号。传统CPT原子频标采用较易获得的圆偏振相干多色光，其±1级边带与碱金属原子相互作用并将原子制备到CPT态，获得CPT共振谱线，用作原子频标的鉴频信号。但由于圆偏光与原子相互作用，存在极化暗态（也称泄露态），原子会积聚在极化暗态，不再参与CPT共振过程，使CPT共振的布居数减少，导致CPT信号对比度较小。另外当使用调制的VCSEL产生多色光来制备CPT态时，其中只有±1级边带是有用成分，而载波和高次边带对CPT共振都没有贡献，它们作为背景光被探测，这也使得CPT信号对比度减小。以上两个原因使得通常CPT原子频标的对比度仅为5%左右，这限制了CPT原子频标频率稳定度性能。由此可见，设计、研制出更高对比度的CPT原子频标量子系统是提高CPT原子频标稳定度的重要方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种CPT原子频标的量子系统装置，与目前传统CPT原子频标相比，大大提高了CPT信号的对比度。在此基础上研制出的CPT原子频标量子系统装置使CPT信号对比度提高了3～5倍。本专利技术的目的通过以下技术方案来实现：一种CPT原子频标的量子系统装置，该装置包括纵腔面发射激光器VCSEL（1）、衰减片（2）、λ/4波片A（3）、λ/4波片B（4）、反射镜A（5）、半透明反射镜（6）、光电探测器（7）、极化分光镜PBS（8）、磁场线圈（9）、磁屏蔽桶（10）、Rb泡（11）、λ/4波片C（12）和反射镜B（13）；所述纵腔面发射激光器VCSEL（1）、衰减片（2）、λ/4波片A（3）、极化分光镜PBS（8）、Rb泡（11）、λ/4波片C（12）和反射镜B（13）沿直线依次设置，所述λ/4波片B（4）、反射镜A（5）安装在极化分光镜PBS（8）入射光反射方向的一侧，所述半透明反射镜（6）、光电探测器（7）则安装在极化分光镜PBS（8）的另一侧，所述磁场线圈（9）均匀绕在Rb泡（11）的侧面上，为Rb泡中的原子提供恒定均匀磁场，所述磁场线圈（9）的外面包裹有磁屏蔽桶（10）。所述发射激光器VCSEL输出的线偏振光与λ/4波片A的光轴方向成45°。所述激光器VCSEL(1)发出的激光通过衰减片(2)衰减，经过λ/4波片A(3)转变为右旋圆偏振光，利用极化分光镜PBS(8)分为两束：其中一束右旋圆偏振光输入Rb泡(11)，另一束经过λ/4波片B(4)转变为线偏振光，通过反射镜A(5)反射后再经过λ/4波片B(4)转变为左旋圆偏振光，该左旋圆偏振光通过极化分光镜PBS(8)再经半透明反射镜(6)反射，利用极化分光镜PBS(8)与另一束右旋圆偏振光合束形成同向传播的左右旋圆偏振光。所述左右旋圆偏振光与所述Rb泡（11）中的原子相互作用，该左右旋圆偏振光中未被原子吸收的左右旋圆偏振光经过λ/4波片C（12）变为线偏振光，经反射镜B（13）反射再次经过λ/4波片C（12）时转变为右左旋圆偏振光，反射回来的左右旋圆偏振光与入射过来的左右旋圆偏振光反向传播，形成反向传播的左右旋圆偏振光，并再次与Rb泡（11）中的原子相互作用，作用后的光通过极化分光镜PBS（8）分束，反射到半透明反射镜（6）的一束成为有用光，一部分光通过半透明反射镜，被光电探测器（7）转变为电信号，用作原子频标的反馈信号，另一部分经半透明反射镜（6）反射被再次进入Rb泡（11）与原子相互作用。本专利技术的优点在于：本专利技术的一种CPT原子频标量子系统装置具有同向传播的左右旋圆偏振光CPT、反向传播的左右旋圆偏振光CPT、push-pullCPT三种不同偏振构型的CPT原子频标量子系统装置的特点。且不同偏振构型的CPT原子频标产生的CPT共振可以去除或部分去除极化暗态，使得参与CPT共振的原子布居数增加，提高CPT信号对比度，这有利于提高CPT原子频标的频率稳定度。附图说明图1：一种CPT原子频标量子系统装置的结构示意图。具体实施方式如图1所示为一种CPT原子频标量子系统装置的结构示意图，该装置包括纵腔面发射激光器VCSEL1、衰减片2、λ/4波片A3、λ/4波片B4、反射镜A5、半透明反射镜6、光电探测器7、极化分光镜PBS8、磁场线圈9、磁屏蔽桶10、Rb泡11、λ/4波片C12和反射镜B13。所述纵腔面发射激光器VCSEL1、衰减片2、λ/4波片A3、极化分光镜PBS8、Rb泡11、λ/4波片C12和反射镜B13沿直线依次设置，所述λ/4波片B4、反射镜A5安装在极化分光镜PBS8入射光反射方向的一侧，所述半透明反射镜6、光电探测器7则安装在极化分光镜PBS8的另一侧，所述磁场线圈9均匀绕在Rb泡11的侧面上，为Rb泡中的原子提供恒定均匀磁场，所述磁场线圈9的外面包裹有磁屏蔽桶10。所述纵腔面发射激光器VCSEL1、衰减片2、λ/4波片A3、λ/4波片B4、反射镜5A、半透明反射镜6和极化分光镜PBS8，组成基于迈克尔干涉仪的正交偏振仪，用于产生正交的左右旋圆偏振光。所述激光器发出的激光通过衰减片衰减到合适的光功率，经过λ/4波片A转变为右旋圆偏振光，利用极化分光镜PBS分为两束：其中一束右旋圆偏振光输入Rb泡，另一束经过λ/4波片B转变为线偏振光，通过反射镜A反射后再经过λ/4波片B转变为左旋圆偏振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CPT原子频标的量子系统装置，其特征在于，该装置包括纵腔面发射激光器VCSEL（1）、衰减片（2）、λ/4波片A（3）、λ/4波片B（4）、反射镜A（5）、半透明反射镜（6）、光电探测器（7）、极化分光镜PBS（8）、磁场线圈（9）、磁屏蔽桶（10）、Rb泡（11）、λ/4波片C（12）和反射镜B（13）；所述纵腔面发射激光器VCSEL（1）、衰减片（2）、λ/4波片A（3）、极化分光镜PBS（8）、Rb泡（11）、λ/4波片C（12）和反射镜B（13）沿直线依次设置，所述λ/4波片B（4）、反射镜A（5）安装在极化分光镜PBS（8）入射光反射方向的一侧，所述半透明反射镜（6）、光电探测器（7）则安装在极化分光镜PBS（8）的另一侧，所述磁场线圈（9）均匀绕在Rb泡（11）的侧面上，为Rb泡中的原子提供恒定均匀磁场，所述磁场线圈（9）的外面包裹有磁屏蔽桶（10）。

【技术特征摘要】
2013.11.15 CN 201320724480.71.一种CPT原子频标的量子系统装置，其特征在于，该装置包括纵腔面发射激光器VCSEL(1)、衰减片(2)、λ/4波片A(3)、λ/4波片B(4)、反射镜A(5)、半透明反射镜(6)、光电探测器(7)、极化分光镜PBS(8)、磁场线圈(9)、磁屏蔽桶(10)、Rb泡(11)、λ/4波片C(12)和反射镜B(13)；所述纵腔面发射激光器VCSEL(1)、衰减片(2)、λ/4波片A(3)、极化分光镜PBS(8)、Rb泡(11)、λ/4波片C(12)和反射镜B(13)沿直线依次设置，所述λ/4波片B(4)、反射镜A(5)安装在极化分光镜PBS(8)入射光反射方向的一侧，所述半...

【专利技术属性】
技术研发人员：张振伟，杨仁福，
申请(专利权)人：北京无线电计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11