垂直线偏光源CPT原子钟研制

Chip-scale coherent population trapping （CPT） atomic clock is promising to be used in portable satellite communication system, undersea positioning system, et al.. It is estimated that the network acquisition time can be improved by more than 100 times. In the present chip-scale CPT atomic clock, the essential light source is prepared with microwave-modulated vertical cavity surface emitting laser (VCSEL). The scheme has two defects, low atomic utilization ratio and high background noise, which can be overcome by vertically linearly polarization （lin⊥lin） scheme as shown in researches. Compared with the prevailing light source in lin⊥lin scheme, mutual-injection sideband-locking light source has low-cost and miniature advantages, which make it very suitable for applying in portable atomic clock. Our designed mutual-injection sideband-locking VCSEL scheme is expected to be used in the project, which could produce essential light. And a new-type CPT atomic clock will be developed by using lin⊥lin scheme and homemade spectrum-locking circuit. In the project, the influence of injection ratio and microwave modulation index including the parameters of locked span and locked stability et al. will be experimentally studied. In order to improve the performance of CPT atomic clock, studies will be done to optimize the feature of the obtained CPT spectrum, which contains contrast，linewidth and frequency shift et al.. They are related to light intensity, microwave modulation index and so on. The project will provide a foundation for realization of high-performance chip-scale CPT atomic clock.

芯片相干布居囚禁（CPT）原子钟有望应用于小卫星通信系统、水下定位系统等，据估计能改进网络获取时间100倍以上。目前芯片CPT原子钟采用微波调制纵腔面发射激光器(VCSEL)得到所需光源，该方案存在原子利用率低和本底噪声大两个缺点。研究证明垂直线偏振（lin⊥lin）方案能够克服这两个缺点，比较现有lin⊥lin光源，VCSEL互注入边带锁定光源具有低成本、可微型化优点，非常适合应用于便携式原子钟。本项目拟利用设计的VCSEL互注入边带锁定方案产生所需光源，采用lin⊥lin方案，并研制锁定电路，实现一种新型CPT原子钟。项目中将实验研究光互注入率、微波调制指数对锁定捕捉范围、锁定稳定性等参数的影响，研究lin⊥lin方案产生的CPT谱线特性，找出CPT谱线对比度、线宽、频移等与光强、微波调制指数等的关系，并优化参数以研制高性能CPT原子钟。该项目将为实现高性能芯片CPT原子钟奠定基础。

芯片相干布居囚禁（CPT）原子钟有望应用于小卫星通信系统、水下定位系统等，据估计能改进网络获取时间100倍以上。目前芯片CPT原子钟普遍采用微波调制纵腔面发射激光器(VCSEL)得到所需光源，该方案存在原子利用率低的缺点。研究证明垂直线偏振（lin⊥lin）光源方案能够克服这个缺点。但目前的lin⊥lin光源不适合应用于芯片原子钟。. 本项目中我们提出了一种新型可芯片化垂直线偏振（lin⊥lin）光源方案,原理上讨论了该方案优点，理论分析了该方案提高CPT信号机理，实验研究了该方案光源与原子作用的CPT信号特点，相比目前普遍方案，该方案CPT信号幅度提升为3倍。该方案光源可集成为mm3量级，因此可用于研制芯片原子钟。.基于建立的lin⊥lin光源方案装置，本项目还开展了微机电系统(MEMS)原子蒸汽腔谱线特性研究。信号幅度和线宽很大程度上决定了芯片原子仪器性能，获得高幅度和窄线宽的CPT谱线对提高CPT原子钟和磁强计的性能有重要意义。基于87Rb原子D1线跃迁构成的三能级系统，采用微波调制垂直腔面发射激光器激发CPT谱线方案，研究了微型87Rb-N2原子蒸汽腔中CPT谱线特性，得到了谱线线宽、信号幅度和Q值随微腔温度的变化特性，获得了微腔最佳工作参数，并通过理论细致分析了其内在机理。研究结果为研制微型CPT原子频标和磁强计提供了重要基础。. 本项目还提出了对偏振相互平行的双色光（lin//lin）与87Rb原子作用产生的磁光旋转（MOR）效应进行差分探测的方案，定义为MOR-CPT差分探测方案。我们理论分析了MOR-CPT效应产生的物理机理，理论和实验研究了MOR-CPT信号的线宽、幅度、纠偏斜率与磁场强度的关系，实验测量了MOR-CPT差分探测方案的噪声谱。我们的研究表明：相对于lin//lin CPT方案，MOR-CPT差分探测方案能够地抑制激光噪声，MOR-CPT原子钟的短期频率稳定度有望提高一个量级以上。. 本项目研究结果可用于提高目前普遍方案芯片原子钟性能和用于开展新型高性能芯片原子钟和小型CPT原子钟。