CPT原子鐘的概念及發(fā)展

趙令令　陳優(yōu)

摘 要：介紹了CPT原子鐘的概念和應用，并簡單分析了其結(jié)構(gòu)原理，通過對國內(nèi)外對CPT原子鐘的研究情況來分析，對CPT原子鐘在保證穩(wěn)定性的前提下實現(xiàn)小型化和芯片化提出了展望。

關(guān)鍵詞：CPT原子鐘，原理，小型化，芯片化

中圖分類號：N04；TM935 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8578（2014）S1-0093-03

The Conception and Development of CPT Atomic Clock

ZHAO Lingling CHEN You

Abstract： This paper introduces the concept and application of CPT atomic clock， analyses the configuration and theory of CPT atomic clock. Based on the instructions of research at home and abroad， the paper gives the prospect of miniaturization and chipation on CPT atomic clock in the precondition of ensuring stability.

Keywords： CPT ， atomic clock， theory， miniaturization，chip

收稿日期：2014-07-09

作者簡介：趙令令（1985—），女，河北安平人，從事光電技術(shù)領(lǐng)域的專利審查工作。通信方式：zhaolingling@sipo.gov.cn。

原子鐘是目前世界上最精確的計時工具，在通信、航空航天、衛(wèi)星導航和科學計量測試等方面發(fā)揮著重要作用，然而由于其體積龐大限制了其應用范圍的進一步擴展，原子鐘的微型化將對通信、電子、航空航天、國防等產(chǎn)生深遠影響，并且在各種測量儀器中安裝原子鐘也將會使測量更加精確可靠。利用相干布局數(shù)囚禁原理得到的CPT原子鐘為其微型化的實現(xiàn)帶來了希望[1]。

一 被動型CPT原子鐘的概念

CPT是英文coherent population trapping的縮寫，中文翻譯為相干布局數(shù)囚禁，CPT原子鐘也就稱之為相干布局數(shù)囚禁原子鐘。CPT原子鐘是一種基于相干雙色光與原子的相互作用產(chǎn)生CPT共振現(xiàn)象而實現(xiàn)的一種原子鐘，基于CPT現(xiàn)象可以開發(fā)出兩種不同的原子鐘，即被動型CPT原子鐘和主動型原子鐘，前者的結(jié)構(gòu)簡單，是可以實現(xiàn)微型化的原子鐘之一，后者結(jié)構(gòu)復雜，但穩(wěn)定度和準確度較高[2]。CPT原子鐘的體積、功耗比目前的銣原子鐘小得多，由于其功耗和體積上的明顯優(yōu)勢而使其得到迅速發(fā)展。目前最小的CPT原子鐘跟手表尺寸相近，采用紐扣電池供電，目前在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、水下導航、無人駕駛器等領(lǐng)域越來越受到人們的青睞。

CPT原子鐘的基本構(gòu)成如圖1所示，主要由物理系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、信號檢測及電路伺服系統(tǒng)構(gòu)成。物理系統(tǒng)主要由封裝有緩沖氣體和堿金屬蒸汽的原子汽室（也叫原子蒸汽泡）、溫度控制和磁屏蔽等構(gòu)成，光學系統(tǒng)用來提供激勵三能級原子躍遷的激光場，一般采用縱腔面發(fā)射激光器（verticalcavity surfaceemitting laser，簡稱VCSEL）實現(xiàn)，其中用于控制物理系統(tǒng)溫度的溫控系統(tǒng)是CPT原子鐘的關(guān)鍵部件，將物理系統(tǒng)中原子蒸汽泡和VCSEL溫度控制地越穩(wěn)定，物理系統(tǒng)越穩(wěn)定，進而原子鐘工作性能越好，特別是將溫度長期控制在盡量穩(wěn)定的范圍是獲得被動型CPT原子鐘中長期頻率穩(wěn)定度指標的重要條件，目前主要采用PID（比例—積分—微分）調(diào)節(jié)控制。圖1中原子樣品為87Rb，包含有被動型CPT鐘和主動型CPT鐘兩種配置。

圖1 CPT原子鐘的基本構(gòu)成

圖1中，相干光場由微波產(chǎn)生器對激光器的注入電流調(diào)制產(chǎn)生。原子鐘工作時，由光電管（光電探測器）檢測到的光信號經(jīng)放大處理后，對微波產(chǎn)生器進行伺服控制，最后由該微波產(chǎn)生器及其頻率鏈給出標準頻率輸出。工作于被動型模式時，不需要微波腔，原子諧振信號含于光信號中。

工作于主動型模式時，相干光場的產(chǎn)生方法與工作于被動型模式時相同，但需要引入微波腔代替光電管檢測，原子基態(tài)與相干光場頻率差形成相應的交變磁場，使微波腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩信號，該振蕩信號即為原子標準頻率信號，通過外差接收方法對微波產(chǎn)生器及其頻率鏈進行伺服控制[3]。

二 CPT原子鐘的國外發(fā)展概況

在國際上，自 1998 年以來，CPT 原子鐘研究開始受到各國的重視。2002 年，基于 Galieo（伽利略）計劃，意大利國家電子研究所完成了主動型 CPT 原子鐘實驗裝置的研究并獲得了秒穩(wěn)為 8×10-13、1000s 穩(wěn)定度為 3×10-14的實驗結(jié)果[4-5]。2002年，由美國查爾斯·斯塔克德雷伯（Charles Stark Draper）實驗室、桑迪亞（Sandia）國家實驗室和Symmetricom技術(shù)實現(xiàn)中心三家單位聯(lián)合研制芯片級尺寸的原子鐘，被稱為 CSAC[6]；美國的Kernco公司以及一些世界知名的其他公司出于商業(yè)目的，也在積極研究開發(fā)基于微電子機械系統(tǒng)技術(shù)和熒光—暗線技術(shù)的微型化原子鐘，并在 2004 年對被動型 CPT 原子鐘的商品照片進行了發(fā)布[7]。美國國家標準與技術(shù)研究院基于CPT原理成功研制的小型 CPT 原子鐘，其秒穩(wěn)大約為 10-11，天穩(wěn)大約為10-10；而其于 2004 年研制成功的芯片級 CPT 原子鐘，內(nèi)部原子蒸氣泡的體積只有9.5mm3，功耗小于 75mW，秒級穩(wěn)定度可達 2.4×10-10，天穩(wěn)達 2×10-8[8]。哈佛大學和德國的波恩大學等都開展了被動型相干布居囚禁原子鐘實驗研究[7-9]。并且為提高CPT原子鐘的穩(wěn)定度，法國巴黎天文臺時間參考實驗室正在進行冷原子被動型 Cs 原子 CPT 鐘的研制[10]。

三 CPT原子鐘的國內(nèi)發(fā)展概況

我國目前主要集中于研制傳統(tǒng)原子鐘，武漢物理與數(shù)學研究所2005年開展了相干布局數(shù)囚禁冷原子鐘的研究，2008年研制成功小型化樣機，功耗為4.2W；北京大學研制成功CPT 微型原子鐘物理部分和電路部分，并實現(xiàn)閉環(huán)鎖定，達到秒穩(wěn)10-10，1000 秒的穩(wěn)定度為6×10-11；2009年華中科技大學進行了CPT原子鐘微型化研究。

四 結(jié) 語

從國內(nèi)外研究概況可以看出，國內(nèi)對微型化原子鐘的研究還處在起步階段，主要偏重于CPT原子鐘原理的研究階段，并且從專利申請方面來看[11]，也多是關(guān)于通過控制激光器和原子蒸汽泡的溫度的穩(wěn)定來提高CPT原子鐘的穩(wěn)定度的研究，涉及微型化還較少，因此，CPT原子鐘實現(xiàn)芯片級并實現(xiàn)使用，還有很大的研究和發(fā)展空間。

參考文獻

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