本文關鍵詞： 芯片原子鐘 相干布居囚禁 光頻移 垂直腔面發(fā)射激光器　出處：《中國科學院大學(中國科學院武漢物理與數學研究所)》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：被動型相干布居囚禁(coherent population trapping,CPT)原子鐘不需要微波諧振腔,是一種全光學微波原子鐘。由于物理系統(tǒng)體積不受微波腔尺寸的限制,通過微機電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems,MEMS)工藝可以制造體積1cm3左右的芯片物理系統(tǒng),再配合專用集成電路(application specific integrated circuit,ASIC)技術設計微型伺服電路,可以實現(xiàn)芯片原子鐘。芯片原子鐘是一種微體積、微功耗、高精度的時間頻率設備,可以滿足在功耗、體積和成本受限而對性能有較高要求的情況下的應用需求,未來具有良好的應用前景。本文主要介紹我們?yōu)檠兄菩酒隅娝_展的部分工作,包括為優(yōu)化芯片原子鐘性能所進行的理論、實驗研究,以及為提高芯片原子鐘CPT信號質量進行的技術探索等工作,主要內容包括以下幾個方面:我們對所研制的微型87Rb原子氣室開展了實驗測試和特性研究,在此基礎上研制出了性能滿足應用要求的微型原子氣室,并實現(xiàn)了芯片原子鐘桌面系統(tǒng),測量獲得芯片原子鐘桌面系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度為3.60×10-10τ-1/2。CPT原子種的性能可以通過CPT信號方便、有效地實施優(yōu)化,但是受資源限制芯片原子鐘獲得的CPT信號質量差,開展優(yōu)化工作困難。因此實施芯片原子鐘的性能優(yōu)化效率低、耗時長。我們根據芯片原子鐘的微分CPT信號質量好的特點,探索出一條利用微分CPT信號間接獲得CPT信號的相關特性,進而實施原子鐘性能優(yōu)化的方法。通過芯片原子鐘桌面系統(tǒng)我們完成了實驗驗證,證明該方法為優(yōu)化芯片原子鐘提供了簡單有效的途徑。我們理論分析了芯片原子鐘CPT信號展寬機理,并結合實驗研究了影響CPT信號線寬和幅度的主要因素,探索了芯片原子鐘參數優(yōu)化的基本方法。我們用兩種光-原子作用模型計算分析了物理參數對CPT信號質量的影響,研究了物理參數對光-原子作用過程的作用機理,獲得了芯片原子鐘物理參數優(yōu)化的方法。研究結果起到為芯片原子鐘研制和工作推薦參數的作用。這兩項工作已經應用于我們團隊研制的功耗210mW、體積19cm3、典型頻率穩(wěn)定度約為2×10-10τ-1/2的芯片原子鐘。根據光與原子作用的AC Stark效應理論,我們分析了調頻多色光引起CPT共振頻移的物理機理,討論了光頻移系數與微波調制指數的關系,研究了通過設置合適的微波調制指數減小光強變化對芯片原子鐘輸出頻率影響的方法。另外,我們還研究了垂直腔面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting laser,VCSEL)輸出的調頻光頻率邊帶光強分布不同對芯片原子鐘光頻移的影響,研究結果表明芯片原子鐘光頻移優(yōu)化還應考慮VCSEL輸出激光的頻譜分布,根據光譜特性設置合適的工作點才能更好地抑制光頻移。我們分析了常規(guī)CPT原子鐘以單一圓偏振光實現(xiàn)CPT原子制備時產生極化暗態(tài)原子的原因和可能的解決辦法,提出了一種適合用于實現(xiàn)小型σ+σ+-σ-σ-CPT原子鐘的正交偏振光產生器件。利用這種小型光學器件,可以實現(xiàn)與常規(guī)CPT原子鐘體積相當但性能更好的σ+σ+-σ-σ-CPT原子鐘。我們針對所設想的這個器件搭建了桌面實驗系統(tǒng),開展了與常規(guī)CPT原子鐘方案的對比實驗,獲得了頻率穩(wěn)定度改善2.5倍的研究結果。這兩項工作對今后開展芯片原子鐘和小型CPT原子鐘研制作了有價值的研究積累。
[Abstract]:In this paper , we have carried out experimental and experimental research on the atomic clock of chip atomic clock , and studied the effect of physical parameters on the quality of atomic clock . We also study the influence of different intensity distributions of frequency - modulated optical frequencies on the optical frequency shift of a vertical cavity surface emitting laser ( VCSEL ) . The results show that the optical frequency shift optimization of the chip atomic clock should also take into account the spectral distribution of the VCSEL output laser .

【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院武漢物理與數學研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN248

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