技术领域
[0001] 本
发明涉及原子频标技术领域，特别涉及一种CPT（Coherent Population Trapping）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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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,Vertical Cavity Surface Emitting
Laser）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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
发明内容
[0007] 本发明目的在于提供一种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。
[0008] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：
[0009] 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）。
[0010] 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°。
[0011] 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。
[0012] 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。
[0013] 本发明的优点在于：
[0014] 本发明的一种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-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。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
[0015] 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
[0016] 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。
[0017] 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转变为左旋圆偏振光，通过极化分光镜PBS再经半透明反射镜反射，利用极化分光镜PBS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，与Rb泡中的原子相互作用，未被原子吸收的左（右）旋圆偏振光经过λ/4波片C变为线偏振光，经反射镜B反射再次经过λ/4波片C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泡中的原子相互作用，作用后的光通过极化分光镜PBS分束，反射到半透明反射镜的一束成为有用光，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反射被再次利用进入Rb泡与原子相互作用。
[0018] 激光器VCSEL发出的激光通过衰减片衰减到合适的功率，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转变为左旋圆偏振光，通过极化分光镜PBS再经半透明反射镜反射，利用极化分光镜PBS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，与Rb泡中工作原子相互作用。当两束同向传播的左右旋圆偏振光的
相位差满足一定关系时，两CPT态为干涉相涨，可以去除或部分去除极化暗态，提高CPT信号对比度。
[0019] 两束同向的左旋和右旋圆偏振光，经过λ/4波片C变为线偏振光，经反射镜B反射再次经过λ/4波片C时转变为右旋和左旋圆偏振光。反射回来的左右旋圆偏振光与入射的左右旋圆偏振光形成两组反向传播的左右旋圆偏振光，并再次与Rb泡中的工作原子相互作用。当反射回来的右（左）旋圆偏振光与入射的左（右）旋圆偏振光满足一定的光程差时，两CPT态为干涉相涨，同样可以去除或部分去除极化暗态，提高CPT信号对比度。
[0020] 反射回来的左右旋圆偏振光与原子作用后，通过极化分光镜PBS分束，反射到半透明反射镜的激光成为有用光，其中一部分通过半透明反射镜被光电探测器转变为电信号，用作原子频标的反馈信号，另一部分被半透明反射镜反射回来，经过极化分光镜PBS进入Rb泡，再次与Rb泡中工作原子相互作用。通过激光在反射镜B与半透明反射镜之间来回反射的方式，使激光与Rb泡中的原子能够多次相互作用，并利用激光器的增益性质，可以使CPT信号对比度得到较大提高。
[0021] 使用时，首先调整λ/4波片A3的光轴方向与激光线偏振光偏振方向成45°，使激光输出的线偏振光转变为右旋圆偏振光，然后前后调整反射镜A5的
位置使同向传播的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光之间的
相位差满足（2nπ+π）关系，使同向的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光所激发的两个CPT态干涉相涨，再前后调整反射镜B13的位置使反射的左（右）旋圆偏振光与入射的右（左）旋圆偏振光之间的光程差满足（nλ/2+λ/4）关系，使反向的左旋圆偏振光与右旋圆偏振光所激发的两个CPT态干涉相涨，从而去除或部分去除极化暗态。
[0022] 应当理解，以上借助优选
实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明
说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
