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《中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)》 2017年
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芯片原子钟性能优化实验研究

尹毅  
【摘要】:被动型相干布居囚禁(coherent population trapping,CPT)原子钟不需要微波谐振腔,是一种全光学微波原子钟。由于物理系统体积不受微波腔尺寸的限制,通过微机电系统(micro electro mechanical systems,MEMS)工艺可以制造体积1cm3左右的芯片物理系统,再配合专用集成电路(application specific integrated circuit,ASIC)技术设计微型伺服电路,可以实现芯片原子钟。芯片原子钟是一种微体积、微功耗、高精度的时间频率设备,可以满足在功耗、体积和成本受限而对性能有较高要求的情况下的应用需求,未来具有良好的应用前景。本文主要介绍我们为研制芯片原子钟所开展的部分工作,包括为优化芯片原子钟性能所进行的理论、实验研究,以及为提高芯片原子钟CPT信号质量进行的技术探索等工作,主要内容包括以下几个方面:我们对所研制的微型87Rb原子气室开展了实验测试和特性研究,在此基础上研制出了性能满足应用要求的微型原子气室,并实现了芯片原子钟桌面系统,测量获得芯片原子钟桌面系统的频率稳定度为3.60×10-10τ-1/2。CPT原子种的性能可以通过CPT信号方便、有效地实施优化,但是受资源限制芯片原子钟获得的CPT信号质量差,开展优化工作困难。因此实施芯片原子钟的性能优化效率低、耗时长。我们根据芯片原子钟的微分CPT信号质量好的特点,探索出一条利用微分CPT信号间接获得CPT信号的相关特性,进而实施原子钟性能优化的方法。通过芯片原子钟桌面系统我们完成了实验验证,证明该方法为优化芯片原子钟提供了简单有效的途径。我们理论分析了芯片原子钟CPT信号展宽机理,并结合实验研究了影响CPT信号线宽和幅度的主要因素,探索了芯片原子钟参数优化的基本方法。我们用两种光-原子作用模型计算分析了物理参数对CPT信号质量的影响,研究了物理参数对光-原子作用过程的作用机理,获得了芯片原子钟物理参数优化的方法。研究结果起到为芯片原子钟研制和工作推荐参数的作用。这两项工作已经应用于我们团队研制的功耗210mW、体积19cm3、典型频率稳定度约为2×10-10τ-1/2的芯片原子钟。根据光与原子作用的AC Stark效应理论,我们分析了调频多色光引起CPT共振频移的物理机理,讨论了光频移系数与微波调制指数的关系,研究了通过设置合适的微波调制指数减小光强变化对芯片原子钟输出频率影响的方法。另外,我们还研究了垂直腔面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)输出的调频光频率边带光强分布不同对芯片原子钟光频移的影响,研究结果表明芯片原子钟光频移优化还应考虑VCSEL输出激光的频谱分布,根据光谱特性设置合适的工作点才能更好地抑制光频移。我们分析了常规CPT原子钟以单一圆偏振光实现CPT原子制备时产生极化暗态原子的原因和可能的解决办法,提出了一种适合用于实现小型σ+σ+-σ-σ-CPT原子钟的正交偏振光产生器件。利用这种小型光学器件,可以实现与常规CPT原子钟体积相当但性能更好的σ+σ+-σ-σ-CPT原子钟。我们针对所设想的这个器件搭建了桌面实验系统,开展了与常规CPT原子钟方案的对比实验,获得了频率稳定度改善2.5倍的研究结果。这两项工作对今后开展芯片原子钟和小型CPT原子钟研制作了有价值的研究积累。
【关键词】:芯片原子钟 相干布居囚禁 光频移 垂直腔面发射激光器
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN248
【目录】:
  • 致谢4-6
  • 摘要6-8
  • ABSTRACT8-12
  • 1 绪论12-19
  • 1.1 原子钟简介12-15
  • 1.2 原子钟的主要应用15-16
  • 1.3 CPT原子钟简介16-17
  • 1.4 论文的主要内容17-19
  • 2 被动型CPT原子钟概述19-36
  • 2.1 CPT现象的半经典理论19-24
  • 2.2 CPT原子钟相关技术24-30
  • 2.2.1 相干双色光源24-29
  • 2.2.2 微波合成原理29
  • 2.2.3 ~(87)Rb原子泡29-30
  • 2.3 CPT原子钟实现方法30-34
  • 2.4 小结34-36
  • 3 芯片原子钟研制及参数优化36-59
  • 3.1 微型原子气室测试系统36-38
  • 3.2 芯片原子钟桌面系统38-42
  • 3.3 芯片原子钟CPT信号参数的评估方法42-44
  • 3.4 芯片原子钟工作参数的优化44-55
  • 3.5 芯片原子钟整机55-57
  • 3.6 小结57-59
  • 4 芯片原子钟光频移特性研究59-76
  • 4.1 温度和磁场对芯片原子钟输出频率的影响60-61
  • 4.2 VCSEL对芯片原子钟输出频率的影响61-74
  • 4.2.1 芯片原子钟的光频移模型62-67
  • 4.2.2 芯片原子钟光频移实验67-70
  • 4.2.3 VCSEL光谱与芯片原子钟光频移特性70-74
  • 4.3 小结74-76
  • 5 σ~+σ~+-σ~-σ~--CPT实验研究76-93
  • 5.1 σ~+σ~+-σ~-σ~--CPT原理80-85
  • 5.2 微型正交偏振仪85-89
  • 5.3 芯片原子钟σ~+σ~+-σ~-σ~--CPT实验89-91
  • 5.4 小结91-93
  • 6 总结和展望93-95
  • 参考文献95-106
  • 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果106

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