CPT原子鐘

定義：

CPT原子鐘是利用原子的相干布局原理而實(shí)現(xiàn)的一種新型原子鐘，也是目前從原理上可實(shí)現(xiàn)微型化的原子鐘。

CPT: 相干布居原理

相干布居: 用兩相位差恒定的相干激光將原子基態(tài)的兩超精細(xì)能級(jí)耦合到一個(gè)共同的激發(fā)態(tài)，如果兩激光的頻率差嚴(yán)格等于原子兩超精細(xì)能級(jí)差對(duì)應(yīng)的頻率，則原子會(huì)被抽運(yùn)到兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)的一個(gè)相干疊加態(tài)，即相干暗態(tài)，此時(shí)激發(fā)態(tài)上沒有原子，且原子將不再吸收光子，原子被" 布居 " 在基態(tài)的兩超精細(xì)能級(jí)上，表現(xiàn)為其熒光光譜有一尖銳共振暗線。同時(shí)相干在兩個(gè)基態(tài)子能級(jí)上的原子系綜會(huì)產(chǎn)生宏觀磁偶極矩，并發(fā)生微波輻射，即產(chǎn)生相干微波輻射。

CPT原子鐘應(yīng)用

體積小型化已經(jīng)成為原子鐘在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要標(biāo)準(zhǔn).體積小型化，低成本和低功率消耗的頻標(biāo)在很多便攜式電磁場應(yīng)用中。溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器是一種小型化低功率低成本設(shè)備，由石英諧振器，變?nèi)荻O管和振蕩電路加上溫度補(bǔ)償網(wǎng)路構(gòu)成，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有熱敏電阻等組成，通過調(diào)節(jié)不同溫度下變?nèi)荻?jí)管的電壓來改變晶體的負(fù)載，從而調(diào)整晶體的頻率。石英諧振器受到外加交變電場的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，利用這種晶體諧振特性，就可以用石英諧振器取代LC諧振回路、濾波器等，由于石英諧振器具有體積小、重量輕、可靠性高、頻率穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于家用電器中，但在一些民用導(dǎo)航和通信領(lǐng)域中還不足以滿足要求。最小的CPT原子鐘可為手表尺寸，并用紐扣電池供電同時(shí)在遠(yuǎn)程通訊系統(tǒng)定時(shí)、大范圍通訊網(wǎng)絡(luò)同步、裝備的便攜化等軍、民應(yīng)用方面具有很好的應(yīng)用前景。例如，CPT頻標(biāo)應(yīng)用于GPS接收機(jī)，可以顯著提高導(dǎo)航定位精度。

CPT原子鐘特點(diǎn)

氣態(tài)原子是原子鐘的，因?yàn)榉至⒌哪芗?jí)受環(huán)境干擾比較小，而強(qiáng)堿原子的能量結(jié)構(gòu)簡單，主要取決于單共價(jià)電子，由此原子鐘主要選擇氣態(tài)銣和銫原子。

光泵浦銣原子頻標(biāo)的設(shè)備體積和封裝大小很大程度上受限于微波諧振腔大小，功率主要用來加熱銣氣室，一般需要幾百毫瓦的功率。為了降低功耗和降低原子鐘的體積就要用一個(gè)低功率激光器并去掉微波腔。之前提出的低噪音易使用的半導(dǎo)體激光管光鐘由于可靠性不高而不能商用。而單模852nm波段VCSEL （銫D2線）帶有極大的調(diào)制帶寬，VCSEL 能將電微波信號(hào)從LO轉(zhuǎn)換成光拍信號(hào)，當(dāng)VCSEL入射電流被調(diào)制后，在調(diào)制頻率間隔光譜中光波載子周圍產(chǎn)生調(diào)制邊帶梳，因此VCSEL的調(diào)制性質(zhì)十分關(guān)鍵。為了與原子相互作用，VCSEL的波長必須被調(diào)諧，使得一些邊帶與光學(xué)原子躍遷諧振。而且VCSEL。Philips 852nmVCSEL激光器相位穩(wěn)定性，低運(yùn)行功率，其實(shí)用性在CPT原子鐘中已經(jīng)得到證實(shí)。大調(diào)制帶寬，和垂直出光設(shè)計(jì)使他們更適合小型，低功率MEMS 器件，結(jié)合CPT光譜與MEMS微機(jī)電加工開發(fā)制造結(jié)合集成了芯片級(jí)原子鐘（chip-scaleatomic clock），其工藝制成體積，功耗比銣鐘小兩個(gè)量級(jí)的微型原子鐘，由此微型CPT鐘的應(yīng)用將大幅度地?cái)U(kuò)展原子鐘的應(yīng)用范圍。

芯片級(jí)原子鐘：

芯片級(jí)原子鐘構(gòu)成：LO振蕩電路，集成封裝和控制電路。

集成封裝包括：帶有底部加熱的VCSEL激光器（可選Philips852nm 795nm VCSEL），透鏡，1/4 波長片，帶有底部加熱器的蒸氣池，磁偏移場（B）和光電探測器（PD）。

控制電路包括激光控制回路，氣池溫度控制，激光和局部振蕩頻率控制。

集成封裝結(jié)構(gòu)圖：

(a)    芯片級(jí)原子鐘

(b)   集成封裝

(c)    VCSEL激光器

(d)   光學(xué)封裝

(e)    帶有加熱器的氣池

(f)    光電探測器