本發(fā)明涉及被動型相干布居囚禁(CPT，Coherent Population Trapping)原子鐘領(lǐng)域，具體涉及一種光源產(chǎn)生裝置及方法。利用該裝置及方法可以實現(xiàn)性能更好的微型CPT原子鐘。

背景技術(shù)：

微型CPT原子鐘相比傳統(tǒng)微波原子鐘，例如氣泡型銣鐘、銫鐘等，具有體積小、功耗低和啟動快特點，體積、功耗和啟動速度的優(yōu)勢都至少達(dá)到一個量級。微型CPT原子鐘在通信、導(dǎo)航定位、信息探測等方面具有廣泛應(yīng)用潛力。

目前微型CPT原子鐘采用vertical-cavity surface-emitting laser(VCSEL)輸出調(diào)頻多色線偏振光作為光源，用四分之一波片使它轉(zhuǎn)換為圓偏振多色光與堿金屬原子作用，其中兩個頻率成分(通常是±1級邊帶)作為所需的相干雙色光與原子發(fā)生CPT共振，通過探測與原子作用后的透射光獲得光電信號，從中提取原子對多色光的吸收譜線實施激光頻率穩(wěn)頻，提取CPT共振譜線實施微波頻率穩(wěn)頻。該方案易于實施微型原子鐘，但也伴隨了一些缺點，其中圓偏振光場與堿金屬原子作用會使部分原子積聚在極化暗態(tài)，處于極化暗態(tài)的原子不能參與CPT共振，使得工作原子數(shù)減少，是導(dǎo)致原子鐘性能降低一個重要原因。

為了解決極化暗態(tài)問題，增加工作原子數(shù)量，許多改進(jìn)光場方案被提出和研究，其中采用兩光頻成分的偏振相互垂直的雙色光與原子作用，是消除極化暗態(tài)原子一種有效方案。如果用兩束單色線偏振光通過偏振分束器就可以合成偏振方向相互垂直的雙色光(⊥線偏振雙色光)，用⊥線偏振雙色光與原子作用不會產(chǎn)生極化暗態(tài)，實驗證明與圓偏振雙色光相比⊥線偏振雙色光獲得的CPT信號質(zhì)量更高。但是，實驗采用的這種光源產(chǎn)生裝置體積、功耗、成本過高，不適合用于實施實用的原子鐘。

本發(fā)明提供了一種⊥線偏振雙色光產(chǎn)生方案，所獲得的光場適合用于實施微型原子鐘。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種⊥線偏振雙色光產(chǎn)生裝置及方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，適合集成，可用于實現(xiàn)微型CPT原子鐘。與目前常用的圓偏振雙色光相比，本發(fā)明產(chǎn)生的⊥線偏振雙色光與原子作用能夠獲得質(zhì)量更高的CPT信號，因而能夠?qū)崿F(xiàn)頻率穩(wěn)定度更好的微型CPT原子鐘。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)措施：

一種微型CPT原子鐘光源產(chǎn)生裝置，包括VCSEL，還包括偏振分束器、第一四分之一波片、第一平面反射鏡、第二四分之一波片和第二平面反射鏡，第一平面反射鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第二平面反射鏡平行設(shè)置，偏振分束器設(shè)置在第一四分之一波片和第二四分之一波片之間，VCSEL輸出的多色線偏振光入射偏振分束器的偏振反射面后分束為s偏振反射光束和p偏振透射光束，s偏振反射光束經(jīng)過第一四分之一波片轉(zhuǎn)換為第一圓偏振光，第一圓偏振光經(jīng)第一平面反射鏡反射后經(jīng)第一四分之一波片轉(zhuǎn)為第一線偏振光，第一線偏振光透射偏振分束器后經(jīng)第二四分之一波片轉(zhuǎn)換為第二圓偏振光，第二圓偏振光經(jīng)第二平面反射鏡反射后經(jīng)第二四分之一波片轉(zhuǎn)換為第二線偏振光，第二線偏振光經(jīng)偏振分束器全反射后與p偏振透射光束合束。

一種微型CPT原子鐘光源產(chǎn)生方法：

(1)VCSEL輸出線偏振多色光束，其中±1級邊帶作為與原子產(chǎn)生CPT共振的雙色光。線偏振光束入射至偏振分束器，偏振分束器棱長d需要滿足公式：d＝(2N+1)π/[2n(k₁-k₂)]，其中，N為非負(fù)整數(shù)，n為偏振分束器材料折射率，k₁和k₂分別雙色光兩光頻成分的波矢。任意偏振方向的線偏振多色光束入射偏振分束器后經(jīng)反射為偏振方向垂直于入射面(s偏振)的s偏振反射光束，以及經(jīng)透射的偏振方向平行于入射面(p偏振)的p偏振透射光束；

(2)s偏振反射光束經(jīng)過第一四分之一波片轉(zhuǎn)換為第一圓偏振光，第一圓偏振光經(jīng)第一平面反射鏡反射，再次經(jīng)過第一四分之一波片后轉(zhuǎn)換為第一線偏振光，兩次經(jīng)過第一四分之一波片使得第一線偏振光成為p偏振光束，第一線偏振光入射偏振分束器后從偏振分束器后完全透射，透射后的第一線偏振光經(jīng)過第二四分之一波片后變?yōu)榈诙A偏振光，第二圓偏振光經(jīng)第二平面反射鏡反射，再次經(jīng)過第二四分之一波片后轉(zhuǎn)換為第二線偏振光，兩次經(jīng)過第二四分之一波片使第二線偏振光成為s偏振光束，第二線偏振光入射偏振分束器被全反射，最終以s偏振光束的形式從偏振分束器出射；

(3)出射的第二線偏振光、p偏振透射光束合束為一束光，但是第二線偏振光多經(jīng)歷了2nd光程。因為雙色光的波長不同，根據(jù)d＝(2N+1)π/[2n(k₁-k₂)]條件，所經(jīng)歷的光程對雙色光相位變化不同，因此第二線偏振光、p偏振光束合束對于雙色光兩頻率成分的疊加產(chǎn)生的效果不同。第二線偏振光、p偏振透射光束合束的光強(qiáng)相同時，疊加后雙色光兩頻率成分的偏振方向相互垂直。

為了更為清楚地說明本發(fā)明，下面通過說明光場在傳播過程中電矢量的變化，對上述本發(fā)明作進(jìn)一步地闡述：

VCSEL輸出沿x軸方向偏振的線偏振多色光，其中雙色光成分的電矢量分別為：其中E為電矢量的幅度，ω₁和ω₂別為兩光的角頻率，φ₁和φ₂分別兩光的光初始相位，為x軸方向上的單位矢量。線偏振光束經(jīng)偏振分束器的偏振反射面被分為s偏振反射光束和p偏振透射光束。p偏振透射光束的雙色光成分的電矢量分別為其中，nd為p偏振透射光束經(jīng)歷的光程，為y軸方向上的單位矢量。s偏振反射光束透射第一四分之一波片轉(zhuǎn)換為第一圓偏振光、第一圓偏振光被第一平面反射鏡反射、再次透射第一四分之一波片后轉(zhuǎn)換為第一線偏振光，然后依次透射偏振分束器、第二四分之一波片變成第二圓偏振光、第二圓偏振光被第二平反射鏡反射、再次透射第二四分之一波片轉(zhuǎn)換為第二線偏振光(s偏振光束)，經(jīng)偏振分束器反射后從偏振分束器出射時，電矢量表達(dá)式分別為：其中3nd為s偏振反射光束經(jīng)歷的光程。

第二線偏振光(s偏振光束)、p偏振透射光束合束，合束后電矢量為設(shè)置雙色光的相位差滿足關(guān)系式：k₁n(3d-d)-k₂n(3d-d)＝(2N+1)π，其中N為非負(fù)整數(shù)，可知此時得到的雙色光偏振方向相互垂直。因此偏振分束器厚度d滿足關(guān)系式d＝(2N+1)π/[2n(k₁-k₂)]。在實際應(yīng)用中進(jìn)行光路集成時，d取最小值為Δλ/(4n)，其中Δλ為雙色光頻率差對應(yīng)的波長。

本發(fā)明使用的VCSEL輸出激光是發(fā)散光，發(fā)散角在10-20度范圍，因此出射的第二線偏振光和p偏振透射光束在分別經(jīng)歷3nd光程和nd光程后，光斑直徑比例為3。為了保證出射的第二線偏振光和p偏振透射光束光強(qiáng)相同，VCSEL發(fā)出的多色線偏振光在入射至偏振分束器時，VCSEL發(fā)出的多色線偏振光的偏振方向與p偏振透射光束的偏振方向呈18度，使得VCSEL發(fā)出的多色線偏振光經(jīng)過偏振分束器后的s偏振反射光束和p偏振透射光束光功率比例為9:1，經(jīng)歷不同光程后，盡管光斑大小不一樣，但光強(qiáng)保持相同，在光斑大小重合的區(qū)域合成的光束中所需雙色光偏振方向垂直。取VCSEL輸出激光的發(fā)散角為15度，以及偏振分束器厚度d為4.8mm，出射的第二線偏振光光斑直徑為3.78mm，出射的p偏振透射光束光斑直徑為1.26mm。微型原子鐘的原子氣室尺寸在1mm左右，而第二線偏振光和p偏振透射光束的重疊區(qū)域光斑直徑大于該尺寸，因此，重疊區(qū)域光可以直接用于與原子氣室原子作用，微型原子氣室能夠緊貼偏振分束器放置。

本發(fā)明所使用器件中，VCSEL、四分之一波片和平面反射鏡尺寸都可以做到幾百微米尺寸，而偏振分束器最小尺寸與使用的工作原子有關(guān)。以微型CPT原子鐘使用堿金屬中的¹³³Cs作為工作原子與雙色光CPT共振為例，Δλ為32.6mm，取偏振分束器折射率n為1.7，那么偏振分束器厚度d最小值為4.8mm。因此，本發(fā)明所使用器件具有較高集成度，適合實施微型CPT原子鐘。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

(1)本發(fā)明所使用的光學(xué)元件能緊密黏合在一起，不需額外占用空間，穩(wěn)定性好且適合集成，因此本發(fā)明適合用于實現(xiàn)微型CPT原子鐘。

(2)本發(fā)明所獲雙色線偏振光偏振方向是相互垂直的，用于與堿金屬原子CPT共振時，能夠消除極化暗態(tài)，從而得到幅度更大的CPT信號，因此實現(xiàn)的微型CPT原子鐘較常規(guī)方案性能更好。

附圖說明

圖1為一種微型CPT原子鐘光源產(chǎn)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1-VCSEL，2-偏振分束器，3-第一四分之一波片，4-第一平面反射鏡，5-第二四分之一波片，6-第二平面反射鏡。

圖2為使用本發(fā)明裝置與¹³³Cs原子作用所獲CPT信號與常規(guī)方案所獲CPT信號對比，其中a為使用本發(fā)明裝置所獲CPT信號，b為使用常規(guī)方案所獲CPT信號。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，以¹³³Cs原子為例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

如圖1所示，一種微型CPT原子鐘光源產(chǎn)生裝置，包括VCSEL 1、偏振分束器2、第一四分之一波片3、平面反射鏡4、第二四分之一波片5和第二平面反射鏡6。作為優(yōu)選方案，第一平面反射鏡4、第一四分之一波片3、第二四分之一波片5和第二平面反射鏡6平行設(shè)置，偏振分束器2設(shè)置在第一四分之一波片3和第二四分之一波片5之間，VCSEL 1輸出的多色線偏振光入射偏振分束器2的偏振反射面后分束為s偏振反射光束和p偏振透射光束，s偏振反射光束經(jīng)過第一四分之一波片3轉(zhuǎn)換為第一圓偏振光，第一圓偏振光經(jīng)第一平面反射鏡4反射后經(jīng)第一四分之一波片3轉(zhuǎn)為第一線偏振光，第一線偏振光透射偏振分束器2后經(jīng)第二四分之一波片5轉(zhuǎn)換為第二圓偏振光，第二圓偏振光經(jīng)第二平面反射鏡6反射后經(jīng)第二四分之一波片5轉(zhuǎn)換為第二線偏振光，第二線偏振光經(jīng)偏振分束器2全反射后與p偏振透射光束合束。

一種微型CPT原子鐘光源產(chǎn)生方法，操作步驟為：

(1)如圖1所示，設(shè)定第一平面反射鏡4、第一四分之一波片3、第二四分之一波片5和第二平面反射鏡6沿垂直方向依次分布，第一平面反射鏡4、第一四分之一波片3、第二四分之一波片5和第二平面反射鏡6平行設(shè)置，設(shè)垂直方向為Y軸方向，設(shè)定VCSEL1輸出線偏振多色光傳播方向為Z軸方向，X軸方向垂直于Y軸方向和Z軸方向。VCSEL1輸出的多色線偏振光入射偏振分束器2后分束為s偏振反射光束和p偏振透射光束。

VCSEL 1輸出的線偏振多色光中±1級邊帶頻率差為9.2GHz的雙色光，雙色光用于與¹³³Cs原子CPT共振，VCSEL 1輸出的線偏振多色光的偏振方向與p偏振透射光的偏振方向夾角為18度；p偏振透射光的偏振方向為x軸方向，偏振分束器2折射率為1.7，偏振分束器棱長d設(shè)置為4.8mm，由于VCSEL 1輸出的線偏振多色光的偏振方向與p偏振透射光束的偏振方向夾角為18度，因此s偏振反射光束和p偏振透射光束的光功率之比為9：1，p偏振透射光束繼續(xù)向Z軸方向傳播，偏振方向為Y軸方向，而s偏振反射光束向Y軸方向傳播，偏振方向為X軸方向。

(2)s偏振反射光束經(jīng)過第一四分之一波片3后被轉(zhuǎn)換為第一圓偏振光，第一圓偏振光經(jīng)過第一平面反射鏡4反射再次入射至第一四分之一波片3后還原為第一線偏振光，第一線偏振光的偏振方向變化為Z軸方向。

(3)第二次經(jīng)過第一四分之一波片3后的第一線偏振光由于偏振方向變化為Z軸方向，入射至偏振分束器2時，不能反射，只能透射至第二四分之一波片5，并被轉(zhuǎn)換為第二圓偏振光。第二圓偏振光經(jīng)過第二平面反射鏡6反射，再次經(jīng)過第二四分之一波片5，被還原為第二線偏振光，第二線偏振光的偏振方向變化為X軸方向。

(4)第二次經(jīng)過第二四分之一波片5后的第二線偏振光由于偏振方向變化為X軸方向，入射至偏振分束器2時，不能透射，只能反射。第二線偏振光與步驟(1)的p偏振透射光束合束，合束后重疊區(qū)域線偏振光中所需的±1級邊帶光在特定的偏振分束器2厚度(本實例中為4.8mm)條件下，經(jīng)歷相同光程后的相位相差π，即偏振方向相互垂直。

圖2(a)是使用本發(fā)明裝置與¹³³Cs原子CPT共振時，所獲得CPT信號，圖2(b)是使用常規(guī)方案與¹³³Cs原子CPT共振時，所獲CPT信號。比較可知，使用本發(fā)明裝置與¹³³Cs原子CPT共振時，因為消除了極化暗態(tài)，提高了原子利用率，所獲CPT信號幅度更大，因此實現(xiàn)的微型CPT原子鐘性能將更好。

以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的目的做一個較好的舉例說明，并不限制本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本著該發(fā)明的精神和原則，對所描述的實施例做適當(dāng)?shù)男薷幕蜓a(bǔ)充或采用類似的方法替代，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。