本发明专利技术提供一种光纤型CPT原子钟物理系统，该系统包括：尾纤VCSEL激光器、光纤衰减器、光纤1/4波片、原子气室组件和尾纤光电探测器，其中，所述光纤衰减器通过光纤与所述尾纤VCSEL激光器相连接；所述光纤1/4波片通过光纤与所述光纤衰减器相连接；所述原子气室组件通过光纤与所述光纤1/4波片相连接；所述尾纤光电探测器通过光纤与所述原子气室组件相连接；所述原子气室组件包括原子气室、C场线圈、金属恒温槽和磁屏蔽带。本发明专利技术相比于现有技术中无需同轴安装，降低了安装和调试光路的难度且安装体积小，并且本发明专利技术中的原子气室能实现光在光纤多次全反射的过程中与光纤内碱金属原子相互作用，提高了信噪比，从而提高输出CPT光信号的稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及微小型原子频标
，尤其涉及一种全光纤型CPT原子钟物理系统。
技术介绍
光纤是光导纤维的缩写，是一种由玻璃或者塑料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原理是光的全反射。由前香港中文大学校长高锟和George A.Hockham首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。光纤技术一般由三部分组成：光信号发送端，用于传送光信号的光纤和光信号接收端。光纤技术在这三部分中均有所体现。光纤传感技术是一项新型技术，利用传送光信号的光纤感知环境变化(包括光纤内环境变化和光纤外环境变化)，体现在光信号的变化被光信号接收端接收，并通过电子设备处理信号的变化最终还原出环境的变化信息。由于光纤传感具有结构轻巧，设计简单等优点，其应用领域越来越广泛。原子钟即原子时间频率标准(Atomic Frequency Standard)，自1948年问世后，半个多世纪来原子钟的研究有了长足的发展。传统原子钟早已形成产业进入商业领域生产，并被广泛应用。大至卫星通信及卫星导航，例如GPS，北斗导航等，小至微波基站塔，无线电广播台等核心设备中便安装有原子钟。没有原子钟，要远距离定位到几十米、几米乃至几厘米根本无法想象。两相干激光与Λ能级的原子相互作用时，当双色光的频差与基态两能级频差相同，即拉曼共振时，原子被制备到相干叠加态，称为CPT态。处于CPT态的原子与光场解耦，不再与光场相互作用。1976年，Alzetta等人在使用两频率激光作用于Na原子团的实验中，首次发现了CPT现象。1982年，Thomas等人首先将CPT现象应用于原子钟，一改传统原子钟技术中的“态选择”和“态激发”技术，并将二者合二为一，不再使用微波谐振腔，从而使得原子钟的体积和功耗大幅降低，并且大大减少了光频移。鉴于易于小型化和高性能的特点，被动型CPT原子钟自1998年以后受到各国的重视。被动型CPT(相干布居数俘获，Coherent Population Trapping)原子钟，因为较传统铷原子钟省却了微波谐振腔，所以其体积小、重量轻和功耗低，非常适合应用于各种便携式电子设备中。目前，被动型CPT原子钟物理系统绝大多数采用自由空间用的光学器件，如准直透镜、光强度衰减片、1/4波片，因此整体物理系统的体积受限于传统光学器件体积。此外，原子气室的加热器通常采用缠绕于原子气室的双股平行加热丝或置于原子气室侧面的MOS管。这种结构的CPT原子钟物理系统有如下几个缺点：1.由于自由空间用VCSEL激光器的出射光斑具有发散角，准直透镜用来将具有发散角的线偏振光转变为平行线偏振光，因此要求VCSEL激光管的出射口中心，准直透镜的焦点，1/4波片中心位置，原子气室中轴线和光电探测器中心必须同轴。这种要求增加了安装和调试光路的难度，影响原子钟的频率稳定度。2.在原子气室温度一定的情况下，在光与碱金属原子的相互作用中，为提高CPT信号的信噪比，需要增加光与原子相互作用的长度，由于准直后的光是平行光，要提高信噪比只能增加原子气室的长度，从而使得原子钟的体积和功耗增大。3.原子气室的加热器通常采用缠绕于原子气室的双股平行加热丝或置于原子气室侧面的MOS管，加热时容易产生静电磁场，直接干扰原子气室内部磁场，影响原子钟输出CPT信号的稳定性。4.原子气室由于是采用传统玻璃吹制技术制成，必然在注入碱金属和缓冲气体的密封口处形成一个小玻璃尖锥，这种原子气室的不对称结构会影响CPT原子钟结构的紧凑性和稳定性。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种光纤型CPT原子钟物理系统，降低了安装和调试光路的难度，提高了输出CPT信号的稳定性，减小了体积，降低了功耗。本专利技术的技术解决方案：一种光纤型CPT原子钟物理系统，包括：尾纤VCSEL激光器、光纤衰减器、光纤1/4波片、原子气室组件和尾纤光电探测器；其中，所述尾纤VCSEL激光器、所述光纤衰减器、所述光纤1/4波片、所述原子气室组件和所述尾纤光电探测器依次通过光纤相连接；所述原子气室组件包括原子气室、C场线圈、金属恒温槽和磁屏蔽带，其中，所述原子气室为将注入碱金属原子及缓冲气体的中空的光纤通过光纤拉锥技术密封而成；所述原子气室与所述光纤1/4波片相连接；所述C场线圈沿所述原子气室的轴向绕设于所述原子气室的外壁，用于在所述原子气室产生平行于圆偏振光传播方向的均匀磁场；所述原子气室嵌设于所述金属恒温槽，所述金属恒温槽用于控制所述原子气室的温度；所述磁屏蔽带包设于所述金属恒温槽；所述尾纤VCSEL激光器用于产生线偏振光，所述线偏振光经所述光纤衰减器后衰减，衰减的线偏振光经所述光纤1/4波片转换为圆偏振光，在缓冲气体和均匀磁场的条件下所述圆偏振光在所述原子气室内与碱金属原子发生相互作用产生CPT光信号，所述尾纤光电探测器用于接收所述CPT光信号，并将所述CPT光信号转换为CPT电信号。进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述金属恒温槽包括加热片、温度传感器和金属槽；其中，所述加热片设置于所述金属槽的底部，用于加热所述金属槽；所述温度传感器设置于所述金属槽的侧壁，用于实时检测所述金属槽的温度；所述金属槽用于嵌设所述原子气室并加热所述原子气室。进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述加热片包括金属加热丝和薄膜绝缘片；其中，所述金属加热丝的其中一个端部设置有第一引线，另一个端部设置有第二引线；所述金属加热丝镀设于所述薄膜绝缘片。进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述加热片的数量为两个，在加热片的两个面中以镀有金属加热丝的面为正面，其中，两个加热片的反面相对应的贴合在一起；两个加热片的第一引线彼此相连接，第二引线彼此相连接。进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述加热片的数量为两个，在加热片的两个面中以镀有金属加热丝的面为正面，其中，两个加热片的反面相对应的贴合在一起；其中一个加热片的第一引线与另一个加热片的第二引线相连接，或者所述其中一个加热片的第二引线与所述另一个加热片的第一引线相连接。进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述金属加热丝以“回”型排列的方式设置。进一步的，上述光纤型CPT原子钟物理系统中，所述金属加热丝镀设于所述薄膜绝缘片。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：1)本专利技术将尾纤VCSEL激光器、光纤衰减器、光纤1/4波片、原子气室组件和尾纤光电探测器通过光纤相连接，相比于现有技术中无需同轴安装，降低了安装和调试光路的难度，并且安装体积小，易于小型化和工程化生产。2)本专利技术中的原子气室能实现光在光纤多次全反射的过程中与光纤内碱金属原子相互作用，因此相比于现有技术的原子气室，在相同长度下可获得更长的相互作用距离，提高了信噪比，从而提高输出CPT光信号的稳定性。3)本专利技术中原子气室的结构对称性好，能够均匀的缠绕C场线圈，从而能够产生均匀的磁场，并提高输出CPT光信号的稳定性。附图说明图1示出了本专利技术的实施例提供的光纤型CPT原子钟物理系统的结构示意图；图2示出了本专利技术的实施例提供的金属恒温槽结构图；图3示出了本专利技术的实施例提供的加热片结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例作进一步详细说明：图1示出了本专利技术的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种光纤型CPT原子钟物理系统，其特征在于包括：尾纤VCSEL激光器(1)、光纤衰减器(2)、光纤1/4波片(3)、原子气室组件和尾纤光电探测器(8)；其中，所述尾纤VCSEL激光器(1)、所述光纤衰减器(2)、所述光纤1/4波片(3)、所述原子气室组件和所述尾纤光电探测器(8)依次通过光纤相连接；所述原子气室组件包括原子气室(4)、C场线圈(5)、金属恒温槽(6)和磁屏蔽带(7)，其中，所述原子气室(4)为将注入碱金属原子及缓冲气体的中空的光纤通过光纤拉锥技术密封而成；所述原子气室(4)与所述光纤1/4波片(3)相连接；所述C场线圈(5)沿所述原子气室(4)的轴向绕设于所述原子气室(4)的外壁，用于在所述原子气室(4)产生平行于圆偏振光传播方向的均匀磁场；所述原子气室(4)嵌设于所述金属恒温槽(6)，所述金属恒温槽(6)用于控制所述原子气室(4)的温度；所述磁屏蔽带(7)包设于所述金属恒温槽(6)；所述尾纤VCSEL激光器(1)用于产生线偏振光，所述线偏振光经所述光纤衰减器(2)后衰减，衰减的线偏振光经所述光纤1/4波片(3)转换为圆偏振光，在缓冲气体和均匀磁场的条件下所述圆偏振光在所述原子气室(4)内与碱金属原子发生相互作用产生CPT光信号，所述尾纤光电探测器(8)用于接收所述CPT光信号，并将所述CPT光信号转换为CPT电信号。...
【技术特征摘要】
1.一种光纤型CPT原子钟物理系统，其特征在于包括：尾纤VCSEL激光器(1)、光纤衰减器(2)、光纤1/4波片(3)、原子气室组件和尾纤光电探测器(8)；其中，所述尾纤VCSEL激光器(1)、所述光纤衰减器(2)、所述光纤1/4波片(3)、所述原子气室组件和所述尾纤光电探测器(8)依次通过光纤相连接；所述原子气室组件包括原子气室(4)、C场线圈(5)、金属恒温槽(6)和磁屏蔽带(7)，其中，所述原子气室(4)为将注入碱金属原子及缓冲气体的中空的光纤通过光纤拉锥技术密封而成；所述原子气室(4)与所述光纤1/4波片(3)相连接；所述C场线圈(5)沿所述原子气室(4)的轴向绕设于所述原子气室(4)的外壁，用于在所述原子气室(4)产生平行于圆偏振光传播方向的均匀磁场；所述原子气室(4)嵌设于所述金属恒温槽(6)，所述金属恒温槽(6)用于控制所述原子气室(4)的温度；所述磁屏蔽带(7)包设于所述金属恒温槽(6)；所述尾纤VCSEL激光器(1)用于产生线偏振光，所述线偏振光经所述光纤衰减器(2)后衰减，衰减的线偏振光经所述光纤1/4波片(3)转换为圆偏振光，在缓冲气体和均匀磁场的条件下所述圆偏振光在所述原子气室(4)内与碱金属原子发生相互作用产生CPT光信号，所述尾纤光电探测器(8)用于接收所述CPT光信号，并将所述CPT光信号转换为CPT电信号。2.根据权利要求1所述的光纤型CPT原子钟物理系统，其特征在于：所述金属恒温槽(6)包括加热片(60)、温度传感器(61)和金属槽(62)；其中，所述加热片(60)设置于所述金属槽(62)的底部，用于加热所述金属槽(62)；...
【专利技术属性】
技术研发人员：卢向东，王豪，张笑楠，王学锋，王巍，
申请(专利权)人：北京航天控制仪器研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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