本發(fā)明涉及微小型原子頻標(biāo)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種全光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光纖是光導(dǎo)纖維的縮寫(xiě)，是一種由玻璃或者塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。傳輸原理是光的全反射。由前香港中文大學(xué)校長(zhǎng)高錕和George A.Hockham首先提出光纖可以用于通訊傳輸?shù)脑O(shè)想，高錕因此獲得2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光纖技術(shù)一般由三部分組成：光信號(hào)發(fā)送端，用于傳送光信號(hào)的光纖和光信號(hào)接收端。光纖技術(shù)在這三部分中均有所體現(xiàn)。光纖傳感技術(shù)是一項(xiàng)新型技術(shù)，利用傳送光信號(hào)的光纖感知環(huán)境變化(包括光纖內(nèi)環(huán)境變化和光纖外環(huán)境變化)，體現(xiàn)在光信號(hào)的變化被光信號(hào)接收端接收，并通過(guò)電子設(shè)備處理信號(hào)的變化最終還原出環(huán)境的變化信息。由于光纖傳感具有結(jié)構(gòu)輕巧，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。

原子鐘即原子時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)(Atomic Frequency Standard)，自1948年問(wèn)世后，半個(gè)多世紀(jì)來(lái)原子鐘的研究有了長(zhǎng)足的發(fā)展。傳統(tǒng)原子鐘早已形成產(chǎn)業(yè)進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)，并被廣泛應(yīng)用。大至衛(wèi)星通信及衛(wèi)星導(dǎo)航，例如GPS，北斗導(dǎo)航等，小至微波基站塔，無(wú)線電廣播臺(tái)等核心設(shè)備中便安裝有原子鐘。沒(méi)有原子鐘，要遠(yuǎn)距離定位到幾十米、幾米乃至幾厘米根本無(wú)法想象。

兩相干激光與Λ能級(jí)的原子相互作用時(shí)，當(dāng)雙色光的頻差與基態(tài)兩能級(jí)頻差相同，即拉曼共振時(shí)，原子被制備到相干疊加態(tài)，稱為CPT態(tài)。處于CPT態(tài)的原子與光場(chǎng)解耦，不再與光場(chǎng)相互作用。1976年，Alzetta等人在使用兩頻率激光作用于Na原子團(tuán)的實(shí)驗(yàn)中，首次發(fā)現(xiàn)了CPT現(xiàn)象。1982年，Thomas等人首先將CPT現(xiàn)象應(yīng)用于原子鐘，一改傳統(tǒng)原子鐘技術(shù)中的“態(tài)選擇”和“態(tài)激發(fā)”技術(shù)，并將二者合二為一，不再使用微波諧振腔，從而使得原子鐘的體積和功耗大幅降低，并且大大減少了光頻移。鑒于易于小型化和高性能的特點(diǎn)，被動(dòng)型CPT原子鐘自1998年以后受到各國(guó)的重視。

被動(dòng)型CPT(相干布居數(shù)俘獲，Coherent Population Trapping)原子鐘，因?yàn)檩^傳統(tǒng)銣原子鐘省卻了微波諧振腔，所以其體積小、重量輕和功耗低，非常適合應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備中。

目前，被動(dòng)型CPT原子鐘物理系統(tǒng)絕大多數(shù)采用自由空間用的光學(xué)器件，如準(zhǔn)直透鏡、光強(qiáng)度衰減片、1/4波片，因此整體物理系統(tǒng)的體積受限于傳統(tǒng)光學(xué)器件體積。此外，原子氣室的加熱器通常采用纏繞于原子氣室的雙股平行加熱絲或置于原子氣室側(cè)面的MOS管。這種結(jié)構(gòu)的CPT原子鐘物理系統(tǒng)有如下幾個(gè)缺點(diǎn)：

1.由于自由空間用VCSEL激光器的出射光斑具有發(fā)散角，準(zhǔn)直透鏡用來(lái)將具有發(fā)散角的線偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)槠叫芯€偏振光，因此要求VCSEL激光管的出射口中心，準(zhǔn)直透鏡的焦點(diǎn)，1/4波片中心位置，原子氣室中軸線和光電探測(cè)器中心必須同軸。這種要求增加了安裝和調(diào)試光路的難度，影響原子鐘的頻率穩(wěn)定度。

2.在原子氣室溫度一定的情況下，在光與堿金屬原子的相互作用中，為提高CPT信號(hào)的信噪比，需要增加光與原子相互作用的長(zhǎng)度，由于準(zhǔn)直后的光是平行光，要提高信噪比只能增加原子氣室的長(zhǎng)度，從而使得原子鐘的體積和功耗增大。

3.原子氣室的加熱器通常采用纏繞于原子氣室的雙股平行加熱絲或置于原子氣室側(cè)面的MOS管，加熱時(shí)容易產(chǎn)生靜電磁場(chǎng)，直接干擾原子氣室內(nèi)部磁場(chǎng)，影響原子鐘輸出CPT信號(hào)的穩(wěn)定性。

4.原子氣室由于是采用傳統(tǒng)玻璃吹制技術(shù)制成，必然在注入堿金屬和緩沖氣體的密封口處形成一個(gè)小玻璃尖錐，這種原子氣室的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)會(huì)影響CPT原子鐘結(jié)構(gòu)的緊湊性和穩(wěn)定性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)，降低了安裝和調(diào)試光路的難度，提高了輸出CPT信號(hào)的穩(wěn)定性，減小了體積，降低了功耗。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：

一種光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)，包括：尾纖VCSEL激光器、光纖衰減器、光纖1/4波片、原子氣室組件和尾纖光電探測(cè)器；其中，所述尾纖VCSEL激光器、所述光纖衰減器、所述光纖1/4波片、所述原子氣室組件和所述尾纖光電探測(cè)器依次通過(guò)光纖相連接；所述原子氣室組件包括原子氣室、C場(chǎng)線圈、金屬恒溫槽和磁屏蔽帶，其中，所述原子氣室為將注入堿金屬原子及緩沖氣體的中空的光纖通過(guò)光纖拉錐技術(shù)密封而成；所述原子氣室與所述光纖1/4波片相連接；所述C場(chǎng)線圈沿所述原子氣室的軸向繞設(shè)于所述原子氣室的外壁，用于在所述原子氣室產(chǎn)生平行于圓偏振光傳播方向的均勻磁場(chǎng)；所述原子氣室嵌設(shè)于所述金屬恒溫槽，所述金屬恒溫槽用于控制所述原子氣室的溫度；所述磁屏蔽帶包設(shè)于所述金屬恒溫槽；所述尾纖VCSEL激光器用于產(chǎn)生線偏振光，所述線偏振光經(jīng)所述光纖衰減器后衰減，衰減的線偏振光經(jīng)所述光纖1/4波片轉(zhuǎn)換為圓偏振光，在緩沖氣體和均勻磁場(chǎng)的條件下所述圓偏振光在所述原子氣室內(nèi)與堿金屬原子發(fā)生相互作用產(chǎn)生CPT光信號(hào)，所述尾纖光電探測(cè)器用于接收所述CPT光信號(hào)，并將所述CPT光信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPT電信號(hào)。

進(jìn)一步的，上述光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)中，所述金屬恒溫槽包括加熱片、溫度傳感器和金屬槽；其中，所述加熱片設(shè)置于所述金屬槽的底部，用于加熱所述金屬槽；所述溫度傳感器設(shè)置于所述金屬槽的側(cè)壁，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)所述金屬槽的溫度；所述金屬槽用于嵌設(shè)所述原子氣室并加熱所述原子氣室。

進(jìn)一步的，上述光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)中，所述加熱片包括金屬加熱絲和薄膜絕緣片；其中，所述金屬加熱絲的其中一個(gè)端部設(shè)置有第一引線，另一個(gè)端部設(shè)置有第二引線；所述金屬加熱絲鍍?cè)O(shè)于所述薄膜絕緣片。

進(jìn)一步的，上述光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)中，所述加熱片的數(shù)量為兩個(gè)，在加熱片的兩個(gè)面中以鍍有金屬加熱絲的面為正面，其中，兩個(gè)加熱片的反面相對(duì)應(yīng)的貼合在一起；兩個(gè)加熱片的第一引線彼此相連接，第二引線彼此相連接。

進(jìn)一步的，上述光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)中，所述加熱片的數(shù)量為兩個(gè)，在加熱片的兩個(gè)面中以鍍有金屬加熱絲的面為正面，其中，兩個(gè)加熱片的反面相對(duì)應(yīng)的貼合在一起；其中一個(gè)加熱片的第一引線與另一個(gè)加熱片的第二引線相連接，或者所述其中一個(gè)加熱片的第二引線與所述另一個(gè)加熱片的第一引線相連接。

進(jìn)一步的，上述光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)中，所述金屬加熱絲以“回”型排列的方式設(shè)置。

進(jìn)一步的，上述光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)中，所述金屬加熱絲鍍?cè)O(shè)于所述薄膜絕緣片。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果：

1)本發(fā)明將尾纖VCSEL激光器、光纖衰減器、光纖1/4波片、原子氣室組件和尾纖光電探測(cè)器通過(guò)光纖相連接，相比于現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)需同軸安裝，降低了安裝和調(diào)試光路的難度，并且安裝體積小，易于小型化和工程化生產(chǎn)。

2)本發(fā)明中的原子氣室能實(shí)現(xiàn)光在光纖多次全反射的過(guò)程中與光纖內(nèi)堿金屬原子相互作用，因此相比于現(xiàn)有技術(shù)的原子氣室，在相同長(zhǎng)度下可獲得更長(zhǎng)的相互作用距離，提高了信噪比，從而提高輸出CPT光信號(hào)的穩(wěn)定性。

3)本發(fā)明中原子氣室的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，能夠均勻的纏繞C場(chǎng)線圈，從而能夠產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)，并提高輸出CPT光信號(hào)的穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的金屬恒溫槽結(jié)構(gòu)圖；

圖3示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的加熱片結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明：

圖1示出了本發(fā)明的實(shí)施例提供的光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明提供了一種光纖型CPT原子鐘物理系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：尾纖VCSEL激光管1、光纖衰減器2、光纖1/4波片3、原子氣室組件和尾纖光電探測(cè)器8。其中，

尾纖VCSEL激光器1用于產(chǎn)生線偏振光。

光纖衰減器2通過(guò)光纖與尾纖VCSEL激光器1相連接，用于衰減線偏振光。

光纖1/4波片3通過(guò)光纖與光纖衰減器2相連接，用于將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光。具體實(shí)施時(shí)，旋轉(zhuǎn)光纖1/4波片3的快軸方向，使線偏振光的偏振方向與光纖1/4波片3的快軸方向之間的夾角為45。，從而得到圓偏振光。

原子氣室組件通過(guò)光纖與光纖1/4波片3相連接，用于放置堿金屬原子與緩沖氣體，并使得堿金屬原子與圓偏振光發(fā)生光與原子的相互作用產(chǎn)生CPT光信號(hào)。需要理解的是，緩沖氣體選用本領(lǐng)域技術(shù)人員常用的氣體，例如氮?dú)?，在均勻磁?chǎng)和緩沖氣體的環(huán)境下，能夠有效的使金屬原子與圓偏振光發(fā)生光與原子的相互作用。

尾纖光電探測(cè)器8通過(guò)光纖與原子氣室組件相連接，用于接收CPT光信號(hào)，并將CPT光信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPT電信號(hào)。

原子氣室組件包括原子氣室4、C場(chǎng)線圈5、金屬恒溫槽6和磁屏蔽帶7，其中，原子氣室4為將注入堿金屬原子及緩沖氣體的中空的光纖通過(guò)光纖拉錐技術(shù)密封而成；原子氣室4與光纖1/4波片3相連接；C場(chǎng)線圈5沿原子氣室4的軸向繞設(shè)于原子氣室4的外壁，用于在原子氣室4產(chǎn)生平行于圓偏振光傳播方向的均勻磁場(chǎng)；原子氣室4嵌設(shè)于金屬恒溫槽6，金屬恒溫槽6用于控制原子氣室4的溫度；磁屏蔽帶7包設(shè)于金屬恒溫槽6，用于防止外界磁場(chǎng)對(duì)原子氣室4內(nèi)的磁場(chǎng)的干擾。

具體地，原子氣室4為采用光纖拉錐技術(shù)將中空的光纖拉長(zhǎng)并密封，從而使得原子氣室4得結(jié)構(gòu)性對(duì)稱，能夠均勻的纏繞C場(chǎng)線圈5，從而能夠產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)，并提高輸出CPT光信號(hào)的穩(wěn)定性。

尾纖VCSEL激光器1發(fā)射線偏振光，線偏振光通過(guò)光纖傳輸?shù)焦饫w衰減器2，光纖衰減器2將線偏振光的強(qiáng)度進(jìn)行衰減，衰減后的線偏振光經(jīng)過(guò)光纖1/4波片3后轉(zhuǎn)換為圓偏振光，圓偏振光進(jìn)入原子氣室4，金屬恒溫槽6對(duì)原子氣室4進(jìn)行加熱，從而使得原子氣室4內(nèi)的堿金屬原子數(shù)增加，在緩沖氣體和C場(chǎng)線圈5產(chǎn)生均勻磁場(chǎng)的環(huán)境下，圓偏振光與堿金屬原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生CPT光信號(hào)，CPT光信號(hào)傳輸?shù)轿怖w光電探測(cè)器8，尾纖光電探測(cè)器8接收CPT光信號(hào)，并將CPT光信號(hào)轉(zhuǎn)換為CPT電信號(hào)。需要說(shuō)明的是，光在原子氣室4內(nèi)以全反射的方式進(jìn)行傳輸，從而使得圓偏振光與堿金屬原子發(fā)生相互作用的距離變長(zhǎng)，提高了信噪比，從而提高輸出CPT光信號(hào)的穩(wěn)定性。

本發(fā)明將尾纖VCSEL激光器、光纖衰減器、光纖1/4波片、原子氣室組件和尾纖光電探測(cè)器通過(guò)光纖相連接，相比于現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)需同軸安裝，降低了安裝和調(diào)試光路的難度，并且安裝體積小，易于小型化和工程化生產(chǎn)。并且本發(fā)明中的原子氣室能實(shí)現(xiàn)光在光纖多次全反射的過(guò)程中與光纖內(nèi)堿金屬原子相互作用，因此相比于現(xiàn)有技術(shù)的原子氣室，在相同長(zhǎng)度下可獲得更長(zhǎng)的相互作用距離，提高了信噪比，從而提高輸出CPT光信號(hào)的穩(wěn)定性。進(jìn)一步的，本發(fā)明中的原子氣室結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，可以均勻的纏繞C場(chǎng)線圈，從而能夠產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)，能夠提高輸出CPT光信號(hào)的穩(wěn)定性。

圖2示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的金屬恒溫槽的結(jié)構(gòu)圖。如圖2所示，金屬恒溫槽6包括加熱片60、溫度傳感器61和金屬槽62。其中，

加熱片60設(shè)置于金屬槽62的底部，用于加熱金屬槽62。具體實(shí)施時(shí)，加熱片60可以黏接在金屬槽62的底部。需要理解的是，加熱片60與金屬槽62的底部的連接方式有多種，本實(shí)施例不加以限定。

溫度傳感器61設(shè)置于金屬槽62的側(cè)壁，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)金屬槽62的溫度。

金屬槽62用于嵌設(shè)原子氣室4并加熱所述原子氣室4。

工作時(shí)，加熱片60通過(guò)金屬槽62對(duì)原子氣室4進(jìn)行加熱，溫度傳感器61能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)金屬槽62的溫度，從而能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)原子氣室4的溫度。

圖3示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的加熱片結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，加熱片60包括金屬加熱絲603和薄膜絕緣片602，具體實(shí)施時(shí)，金屬加熱絲603的材料在本實(shí)施例不加以限定。薄膜絕緣片602的材料可以為塑料，需要理解的是，薄膜絕緣片的構(gòu)成材料可以有多種，本實(shí)施例不加以限定。其中，

金屬加熱絲603具有兩個(gè)端部，在金屬加熱絲603的其中一個(gè)端部設(shè)置有第一引線6011，另一個(gè)端部設(shè)置有第二引線6012。需要理解的是，第一引線6011和第二引線6012分別與外部電路相連接，通過(guò)對(duì)金屬加熱絲603通電而產(chǎn)生熱量。

金屬加熱絲603設(shè)置于薄膜絕緣片602。具體實(shí)施時(shí)，金屬加熱絲603鍍?cè)O(shè)于薄膜絕緣片602的一面。金屬加熱絲603以“回”型排列的方式設(shè)置于薄膜絕緣片602，從而使得金屬加熱絲603的長(zhǎng)度增加，增加了金屬加熱絲603的電阻，從而能夠很好的均勻產(chǎn)生熱量。

上述實(shí)施例中，加熱片60的數(shù)量為兩個(gè)，在加熱60的兩個(gè)面中以鍍有金屬加熱絲的面為正面，其中，兩個(gè)加熱片60的反面相對(duì)應(yīng)的貼合在一起；兩個(gè)加熱片60的第一引線6011彼此相連接，第二引線6012彼此相連接。由于兩個(gè)加熱片60的金屬加熱絲603相互平行，從而能夠有效抵消通電的金屬加熱絲產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而可以防止干擾原子氣室4的磁場(chǎng)。

上述實(shí)施例中，加熱片60的數(shù)量為兩個(gè)，在加熱片60的兩個(gè)面中以鍍有金屬加熱絲603的面為正面，其中，兩個(gè)加熱片60的反面相對(duì)應(yīng)的貼合在一起，從而使得兩個(gè)加熱片60的金屬加熱絲603相互平行；其中一個(gè)加熱片60的第一引線6011與另一個(gè)加熱片60的第二引線6012相連接，或者該其中一個(gè)加熱片60的第二引線6012與另一個(gè)加熱片60的第一引線6011相連接。由于兩個(gè)加熱片60的金屬加熱絲603相互平行，從而能夠有效抵消通電的金屬加熱絲產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而可以防止干擾原子氣室4的磁場(chǎng)。

本發(fā)明將尾纖VCSEL激光器、光纖衰減器、光纖1/4波片、原子氣室組件和尾纖光電探測(cè)器通過(guò)光纖相連接，相比于現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)需同軸安裝，降低了安裝和調(diào)試光路的難度，并且安裝體積小，易于小型化和工程化生產(chǎn)，并且本發(fā)明中的原子氣室能實(shí)現(xiàn)光在光纖多次全反射的過(guò)程中與光纖內(nèi)堿金屬原子相互作用，因此相比于現(xiàn)有技術(shù)的原子氣室，在相同長(zhǎng)度下可獲得更長(zhǎng)的相互作用距離，提高了信噪比，從而提高輸出CPT光信號(hào)的穩(wěn)定性。進(jìn)一步的，本發(fā)明中的原子氣室結(jié)構(gòu)對(duì)稱性好，可以均勻的纏繞C場(chǎng)線圈，從而能夠產(chǎn)生均勻的磁場(chǎng)，能夠提高輸出CPT光信號(hào)的穩(wěn)定性。

以上所述的實(shí)施例只是本發(fā)明較優(yōu)選的具體實(shí)施方式，本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)進(jìn)行的通常變化和替換都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。