PDF《曹远洪,何庆,杨林》

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108 B0 ( 6) 根据式(6) 可知,1μ T 磁场就会引起原子参考频率1Hz 的频移量,因此需要对吸收泡进行严格的磁屏蔽.CPT 原子钟产生光频移的主要因素是激光的特性以及调制过程中多边带的影响.激 光的特性包括激光的中心波长、总光强等,而影响激光特性的因素主要是激光中心波长随温度与电流变化的不稳定性的温度敏感性,以及激光的老化.调 制过程中多边带的影响主要是多边带的强度变化以及微波的功率变化.光 频移量为[4] Δ ω LS ω uu′ = ( ω RL ω uu′ )

2 Θ (m)+ξ (m) (Δ

0 ω uu′ { } ) ( 7) Θ (m)= J2 0(m)+ (1

2 )J2 p /2(m)-

2 ∑ ∞ n = 1≠p /2 J2 n(m) ( p2 ( 2n)

2 - p2) 其中:ξ(m)= 4J2 0( m)-

8 ∑ ∞ n = 1≠p /2 J2 n( m) 12n2 + p2 ( ( 2n)

2 - p2 )

3 p4 根据式(7) 可知,要减小光频移的影响,必须选择合适的调制指数m, 尽量减小其余边带的强度;

保证激光电流、温度以及光强的稳定性;

保证微波的功率稳定性.3新技术与新工艺应用近年来,快速进步的激光器制造技术和稳频技术促进了CPT 钟的研制进展.在 CPT 钟的设计制作过程中,基于经典的CPT 钟量子物理机制引入了较先进的设计技术与新工艺,使CPT 钟整机的体积、功耗进一步降低.3.1 光路设计技术CPT 钟传统的光路设计方案如图4所示,其量子物理部分的VCSEL 激光管、四分之一玻片、吸收泡和光电池呈顺序排列设计.图4CPT 钟量子物理部分原理性结构图Fig.4 The physics package configuration of CPT clock 图4所示的这种设计不利于体积功耗的减小,一般只应用于传统体积的CPT 钟 .近 年来提出的一种新量子物理部分的光路设计技术,可以应用芯片CPT 钟方案设计[6] , 这种CPT 钟新量子物理部分的结构如图5所示.图5新型CPT 钟量子物理部分结构图Fig.5 The novel physics package CPT clock with mirror 相对于经典结构其新颖之处在于,将VCSEL 激・721・第6期曹远洪等:芯片原子钟―――CPT 钟研究进展总第259 期光管管芯设计在光电池中心开孔内,传统放置光电池的位置设计一个反光镜.CPT 钟工作时,VCSEL 发出的光线经吸收泡到反光镜而反射回来再次经过吸收泡,最后投射到光电池上.由 于VCSEL 激光出射倾角约18°, 经反射到光电池上形成直径1mm 的光斑时吸收泡泡长度大约为0.75 mm.这种设计的优势一是可以减少量子物理部分的长度,二是增加激光与原子作用的几率,从而提高CPT 共振信号强度.3.2 吸收泡MEMS 工艺芯片CPT 钟的吸收泡体积一般在毫米量级,需要采用微加工工艺制作这种吸收泡.美 国国家标准局(NIST) 率先采用MEMS 工艺并结合阳极键合方法制作出了体积仅1mm3 的吸收泡,其制作工艺流程为[7] : ( 1) 用KOH 或深反应离子刻蚀法在硅片上刻蚀1mm 大小的方形孔,用于容纳铷或铯样品原子;

(2) 制作大小尺寸与硅片一样的Pyrex 波片,用阳极键合方法把玻片与硅片紧贴在一起形成半封闭的吸收泡;

(3) 在真空环境释放缓冲气体氛围,同时往吸收泡内直接注入样品原子或者采用BaN6 与CsCl 在吸收泡内发生化学反应的方法产生样品原子,实现吸收泡充制;

(4) 把大小相同的Pyrex 玻片盖紧吸收泡开口面,再利用阳极键合方法将两者紧贴,从而完成吸收泡制作.NIST 还提出了采用激光烧融空心光纤方法制作毫米........