[发明专利]一种原子钟

说明书

技术领域

本发明涉及一种原子钟，属于频率标准装置领域。

背景技术

原子钟的发展历史最早可以追溯到第二次世界大战前后，其主要得益于当时量子力学和微波波谱学的快速发展。早期的微波钟使用的是非相干光源做抽运和探测光，其后随着激光器的发展，激光选态和检测方法被应用到原子钟研究中，得到了更好的效果。

随着电子技术和控制技术的飞速发展，对于原子钟的研究主要集中在两个方面：一方面是探索研制准确度和稳定度更高的原子钟。近年来，已经成功研制出许多不同种类的具备更高准确度和稳定度的新型原子钟，例如冷原子喷泉钟、离子阱钟、光钟等；另一方面是积极寻找实现高精度的小型工程原子钟的途径，以满足各种工程技术发展需要，例如研制小型星载原子钟、利用相干布居囚禁原理研制可微型化的相干布居囚禁（CPT, Coherent Population Trapping）原子钟。

相干布居囚禁是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象，利用激光良好的相干特性，在原子体系中制备相干布居囚禁态，可以实现的芯片式的新型CPT原子钟，这是当前原子钟领域和导航领域的前沿技术。其优势是：一方面，不需要微波腔，可以明显减小体积；另一方面，采用受微波频率调制的激光器制备相干双色光，可以减少光频移。尽管CPT原子钟从1998年提出至今时间并不久，但其发展迅速，已显示出优越的性能，而且还有较大的改进空间。

现有技术中，CPT原子钟包括电子学系统和物理封装，其中，物理封装通常由激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器构成，激光器发出的激光由转换光路转换成平行光，经1/4波片形成圆极偏振光后进入碱性原子泡气室，最后被光电控测器接收。其中，转换光路通常为透镜组。

评价原子钟的性能指标主要是艾伦方差。根据艾伦方差的定义，可知原子钟的性能主要取决于吸收谱线的对比度。

 在实际中，一般的CPT桌面实验系统只追求调测的方面，并没有考虑体积和功耗的问题，而微型乃至芯片级CPT原子钟确实很注重体积和功耗的减少，但不方便调测。到目前为止所实现CPT原子钟指标都不是很高，主要表现在温漂现象比较严重，温控导致功率消耗较大，原子钟输出信号稳定度很低。其主要原因是，现有技术中将上述各部分封装在一起，由于碱性原子泡气室通常保持在70～90℃的工作温度下，激光器和光电探测器与碱性原子泡气室的距离较近，会受到其温度的影响，

因此，需要通过结构的改进，减小温漂现象，从而减小原子钟的误差。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种原子钟，通过结构改进，减小温度对原子钟的影响。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种原子钟，由电子学系统和物理封装构成，所述物理封装包括激光器、转换光路、1/4波片、碱性原子泡气室和光电探测器；所述转换光路包括四端口光纤耦合器、与光纤耦合器相连的四条光纤、自聚焦透镜和增反膜，所述激光器的输出端连接第一光纤，第二光纤连接自聚焦透镜，第三光纤连接光电探测器；所述增反膜位于碱性原子泡气室的出射侧，将出射光反射回碱性原子泡气室。

上述技术方案中，所述激光器为以直接带隙半导体材料为光增益介质，通过pn结注入载流子实现粒子数反转，以法布里-珀罗腔或分布布拉格光栅为谐振腔，进行受激发射光放大的二极管激光器。

所述四端口光纤耦合器为2×2单模光纤耦合器。

所述自聚焦透镜是内部折射率分布沿径向逐渐减小的柱状透镜。

所述增反膜的厚度等于四分之一激光波长。

进一步的技术方案，设有第二光电探测器，所述第二光电探测器连接第四光纤。

优选的技术方案是，所述碱性原子泡气室与所述激光器、光电探测器设置在不同的独立封装中。

上述技术方案中，所述电子学系统包括锁相环路、电调衰减器、微控制系统和数模转换芯片，用以控制激光器的波长和频率。

以碱性原子泡气室采用铯腔为例，本发明的工作原理解释如下：激光器发出激光，并且将锁相环路产生的4.596GHz微波信号调制到激光的左右边带上，激光照射在铯腔上；2×2光纤耦合器位于激光器和铯腔之间，与之相连接的有四根光纤。其中第二光纤与自聚焦透镜连接，在自聚焦透镜后放置一块四分之一波片，将激光束转变成圆偏振光照射入铯腔；铯腔后接增反膜，光路经过增反膜反射，再次进入光纤耦合器，并由第三光纤输出；在输出端口接光电探测器，光电探测器将光信号转换为电流信号，被微控制系统提取处理，微控制系统将进一步产生控制信号，直至整个原子钟系统处于锁定状态。