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摘 要：介绍了CPT原子钟的概念和应用，并简单分析了其结构原理，通过对国内外对CPT原子钟的研究情况来分析，对CPT原子钟在保证稳定性的前提下实现小型化和芯片化提出了展望。
关键词：CPT原子钟，原理，小型化，芯片化
中图分类号：N04；TM935 文献标识码：A 文章编号：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
作者简介：赵令令（1985—），女，河北安平人，从事光电技术领域的专利审查工作。通信方式：zhaolingling@sipo.gov.cn。
原子钟是目前世界上最精确的计时工具，在通信、航空航天、卫星导航和科学计量测试等方面发挥着重要作用，然而由于其体积庞大限制了其应用范围的进一步扩展，原子钟的微型化将对通信、电子、航空航天、国防等产生深远影响，并且在各种测量仪器中安装原子钟也将会使测量更加精确可靠。利用相干布局数囚禁原理得到的CPT原子钟为其微型化的实现带来了希望[1]。
一 被动型CPT原子钟的概念
CPT是英文coherent population trapping的缩写，中文翻译为相干布局数囚禁，CPT原子钟也就称之为相干布局数囚禁原子钟。CPT原子钟是一种基于相干双色光与原子的相互作用产生CPT共振现象而实现的一种原子钟，基于CPT现象可以开发出两种不同的原子钟，即被动型CPT原子钟和主动型原子钟，前者的结构简单，是可以实现微型化的原子钟之一，后者结构复杂，但稳定度和准确度较高[2]。CPT原子钟的体积、功耗比目前的铷原子钟小得多，由于其功耗和体积上的明显优势而使其得到迅速发展。目前最小的CPT原子钟跟手表尺寸相近，采用纽扣电池供电，目前在全球卫星定位系统、水下导航、无人驾驶器等领域越来越受到人们的青睐。
CPT原子钟的基本构成如图1所示，主要由物理系统、光学系统、信号检测及电路伺服系统构成。物理系统主要由封装有缓冲气体和碱金属蒸汽的原子汽室（也叫原子蒸汽泡）、温度控制和磁屏蔽等构成，光学系统用来提供激励三能级原子跃迁的激光场，一般采用纵腔面发射激光器（verticalcavity surfaceemitting laser，简称VCSEL）实现，其中用于控制物理系统温度的温控系统是CPT原子钟的关键部件，将物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL温度控制地越稳定，物理系统越稳定，进而原子钟工作性能越好，特别是将温度长期控制在尽量稳定的范围是获得被动型CPT原子钟中长期频率稳定度指标的重要条件，目前主要采用PID（比例—积分—微分）调节控制。图1中原子样品为87Rb，包含有被动型CPT钟和主动型CPT钟两种配置。
图1 CPT原子钟的基本构成
图1中，相干光场由微波产生器对激光器的注入电流调制产生。原子钟工作时，由光电管（光电探测器）检测到的光信号经放大处理后，对微波产生器进行伺服控制，最后由该微波产生器及其频率链给出标准频率输出。工作于被动型模式时，不需要微波腔，原子谐振信号含于光信号中。
工作于主动型模式时，相干光场的产生方法与工作于被动型模式时相同，但需要引入微波腔代替光电管检测，原子基态与相干光场频率差形成相应的交变磁场，使微波腔内产生振荡信号，该振荡信号即为原子标准频率信号，通过外差接收方法对微波产生器及其频率链进行伺服控制[3]。
二 CPT原子钟的国外发展概况
在国际上，自 1998 年以来，CPT 原子钟研究开始受到各国的重视。2002 年，基于 Galieo（伽利略）计划，意大利国家电子研究所完成了主动型 CPT 原子钟实验装置的研究并获得了秒稳为 8×10-13、1000s 稳定度为 3×10-14的实验结果[4-5]。2002年，由美国查尔斯·斯塔克德雷伯（Charles Stark Draper）实验室、桑迪亚（Sandia）国家实验室和Symmetricom技术实现中心三家单位联合研制芯片级尺寸的原子钟，被称为 CSAC[6]；美国的Kernco公司以及一些世界知名的其他公司出于商业目的，也在积极研究开发基于微电子机械系统技术和荧光—暗线技术的微型化原子钟，并在 2004 年对被动型 CPT 原子钟的商品照片进行了发布[7]。美国国家标准与技术研究院基于CPT原理成功研制的小型 CPT 原子钟，其秒稳大约为 10-11，天稳大约为10-10；而其于 2004 年研制成功的芯片级 CPT 原子钟，内部原子蒸气泡的体积只有9.5mm3，功耗小于 75mW，秒级稳定度可达 2.4×10-10，天稳达 2×10-8[8]。哈佛大学和德国的波恩大学等都开展了被动型相干布居囚禁原子钟实验研究[7-9]。并且为提高CPT原子钟的稳定度，法国巴黎天文台时间参考实验室正在进行冷原子被动型 Cs 原子 CPT 钟的研制[10]。 三 CPT原子钟的国内发展概况
我国目前主要集中于研制传统原子钟，武汉物理与数学研究所2005年开展了相干布局数囚禁冷原子钟的研究，2008年研制成功小型化样机，功耗为4.2W；北京大学研制成功CPT 微型原子钟物理部分和电路部分，并实现闭环锁定，达到秒稳10-10，1000 秒的稳定度为6×10-11；2009年华中科技大学进行了CPT原子钟微型化研究。
四 结 语
从国内外研究概况可以看出，国内对微型化原子钟的研究还处在起步阶段，主要偏重于CPT原子钟原理的研究阶段，并且从专利申请方面来看[11]，也多是关于通过控制激光器和原子蒸汽泡的温度的稳定来提高CPT原子钟的稳定度的研究，涉及微型化还较少，因此，CPT原子钟实现芯片级并实现使用，还有很大的研究和发展空间。
参考文献
[1] 徐建，石雄，甘志银，等.被动型CPT原子钟光源系统的设计与实现[J].仪器仪表学报，2011，32 （12） ：2814-2820.
[2] 屈八一.CPT原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.
[3] 荆彦锋.CPT原子钟稳定性关键技术研究[D].山西：中北大学，2010.
[4] Levi F， Micalizio S， Godone A，et al. Realization of a CPT Rb maser prototype for Galileo[J]. Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum. Proceedings of the 2003 IEEE International IEEE.2003： 22-26.
[5] Zanon T， Tr′emine S， Gu′erandel S，et al. Recent results on a pulsed CPT clock[J]. Frequency Control Symposium and Exposition. Proceedings of the 2005 IEEE International， IEEE.2005： 774-777.
[6] Bloch M， Pascaru I，Stone C，et al. Subminiature rubidium frequency standard for commercial applications[J].Frequency Control Symposium，1993. 47th.，Proceedings of the 1993 IEEE International， IEEE.1993：164-177.
[7] Gray H R， Whitley R M， Stroud Jr C R. Coherent trapping of atomic populations[J]. Optics Letters， 1978， 3（6）： 218-220.
[8] Lutwak R， Beverly. The chipscale atomic clockrecent development progress[J]. Frequency Control Symposium， 2009 Joint with the 22nd European Frequency and Time forum. IEEE International.IEEE.2009：573 -577.
[9] Lukin M，Imamoglu.Controlling A.photons using electromagnetically induced transparency[J].Nature，2001，413（6853）：273-276.
[10] 徐建.被动型相干布居数囚禁原子钟系统关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2011.
[11] 华中科技大学.一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法及装置[P].中国，2012102260292.2013-12-25.
关键词：CPT原子钟，原理，小型化，芯片化
中图分类号：N04；TM935 文献标识码：A 文章编号：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
作者简介：赵令令（1985—），女，河北安平人，从事光电技术领域的专利审查工作。通信方式：zhaolingling@sipo.gov.cn。
原子钟是目前世界上最精确的计时工具，在通信、航空航天、卫星导航和科学计量测试等方面发挥着重要作用，然而由于其体积庞大限制了其应用范围的进一步扩展，原子钟的微型化将对通信、电子、航空航天、国防等产生深远影响，并且在各种测量仪器中安装原子钟也将会使测量更加精确可靠。利用相干布局数囚禁原理得到的CPT原子钟为其微型化的实现带来了希望[1]。
一 被动型CPT原子钟的概念
CPT是英文coherent population trapping的缩写，中文翻译为相干布局数囚禁，CPT原子钟也就称之为相干布局数囚禁原子钟。CPT原子钟是一种基于相干双色光与原子的相互作用产生CPT共振现象而实现的一种原子钟，基于CPT现象可以开发出两种不同的原子钟，即被动型CPT原子钟和主动型原子钟，前者的结构简单，是可以实现微型化的原子钟之一，后者结构复杂，但稳定度和准确度较高[2]。CPT原子钟的体积、功耗比目前的铷原子钟小得多，由于其功耗和体积上的明显优势而使其得到迅速发展。目前最小的CPT原子钟跟手表尺寸相近，采用纽扣电池供电，目前在全球卫星定位系统、水下导航、无人驾驶器等领域越来越受到人们的青睐。
CPT原子钟的基本构成如图1所示，主要由物理系统、光学系统、信号检测及电路伺服系统构成。物理系统主要由封装有缓冲气体和碱金属蒸汽的原子汽室（也叫原子蒸汽泡）、温度控制和磁屏蔽等构成，光学系统用来提供激励三能级原子跃迁的激光场，一般采用纵腔面发射激光器（verticalcavity surfaceemitting laser，简称VCSEL）实现，其中用于控制物理系统温度的温控系统是CPT原子钟的关键部件，将物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL温度控制地越稳定，物理系统越稳定，进而原子钟工作性能越好，特别是将温度长期控制在尽量稳定的范围是获得被动型CPT原子钟中长期频率稳定度指标的重要条件，目前主要采用PID（比例—积分—微分）调节控制。图1中原子样品为87Rb，包含有被动型CPT钟和主动型CPT钟两种配置。
图1 CPT原子钟的基本构成
图1中，相干光场由微波产生器对激光器的注入电流调制产生。原子钟工作时，由光电管（光电探测器）检测到的光信号经放大处理后，对微波产生器进行伺服控制，最后由该微波产生器及其频率链给出标准频率输出。工作于被动型模式时，不需要微波腔，原子谐振信号含于光信号中。
工作于主动型模式时，相干光场的产生方法与工作于被动型模式时相同，但需要引入微波腔代替光电管检测，原子基态与相干光场频率差形成相应的交变磁场，使微波腔内产生振荡信号，该振荡信号即为原子标准频率信号，通过外差接收方法对微波产生器及其频率链进行伺服控制[3]。
二 CPT原子钟的国外发展概况
在国际上，自 1998 年以来，CPT 原子钟研究开始受到各国的重视。2002 年，基于 Galieo（伽利略）计划，意大利国家电子研究所完成了主动型 CPT 原子钟实验装置的研究并获得了秒稳为 8×10-13、1000s 稳定度为 3×10-14的实验结果[4-5]。2002年，由美国查尔斯·斯塔克德雷伯（Charles Stark Draper）实验室、桑迪亚（Sandia）国家实验室和Symmetricom技术实现中心三家单位联合研制芯片级尺寸的原子钟，被称为 CSAC[6]；美国的Kernco公司以及一些世界知名的其他公司出于商业目的，也在积极研究开发基于微电子机械系统技术和荧光—暗线技术的微型化原子钟，并在 2004 年对被动型 CPT 原子钟的商品照片进行了发布[7]。美国国家标准与技术研究院基于CPT原理成功研制的小型 CPT 原子钟，其秒稳大约为 10-11，天稳大约为10-10；而其于 2004 年研制成功的芯片级 CPT 原子钟，内部原子蒸气泡的体积只有9.5mm3，功耗小于 75mW，秒级稳定度可达 2.4×10-10，天稳达 2×10-8[8]。哈佛大学和德国的波恩大学等都开展了被动型相干布居囚禁原子钟实验研究[7-9]。并且为提高CPT原子钟的稳定度，法国巴黎天文台时间参考实验室正在进行冷原子被动型 Cs 原子 CPT 钟的研制[10]。 三 CPT原子钟的国内发展概况
我国目前主要集中于研制传统原子钟，武汉物理与数学研究所2005年开展了相干布局数囚禁冷原子钟的研究，2008年研制成功小型化样机，功耗为4.2W；北京大学研制成功CPT 微型原子钟物理部分和电路部分，并实现闭环锁定，达到秒稳10-10，1000 秒的稳定度为6×10-11；2009年华中科技大学进行了CPT原子钟微型化研究。
四 结 语
从国内外研究概况可以看出，国内对微型化原子钟的研究还处在起步阶段，主要偏重于CPT原子钟原理的研究阶段，并且从专利申请方面来看[11]，也多是关于通过控制激光器和原子蒸汽泡的温度的稳定来提高CPT原子钟的稳定度的研究，涉及微型化还较少，因此，CPT原子钟实现芯片级并实现使用，还有很大的研究和发展空间。
参考文献
[1] 徐建，石雄，甘志银，等.被动型CPT原子钟光源系统的设计与实现[J].仪器仪表学报，2011，32 （12） ：2814-2820.
[2] 屈八一.CPT原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.
[3] 荆彦锋.CPT原子钟稳定性关键技术研究[D].山西：中北大学，2010.
[4] Levi F， Micalizio S， Godone A，et al. Realization of a CPT Rb maser prototype for Galileo[J]. Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointly with the 17th European Frequency and Time Forum. Proceedings of the 2003 IEEE International IEEE.2003： 22-26.
[5] Zanon T， Tr′emine S， Gu′erandel S，et al. Recent results on a pulsed CPT clock[J]. Frequency Control Symposium and Exposition. Proceedings of the 2005 IEEE International， IEEE.2005： 774-777.
[6] Bloch M， Pascaru I，Stone C，et al. Subminiature rubidium frequency standard for commercial applications[J].Frequency Control Symposium，1993. 47th.，Proceedings of the 1993 IEEE International， IEEE.1993：164-177.
[7] Gray H R， Whitley R M， Stroud Jr C R. Coherent trapping of atomic populations[J]. Optics Letters， 1978， 3（6）： 218-220.
[8] Lutwak R， Beverly. The chipscale atomic clockrecent development progress[J]. Frequency Control Symposium， 2009 Joint with the 22nd European Frequency and Time forum. IEEE International.IEEE.2009：573 -577.
[9] Lukin M，Imamoglu.Controlling A.photons using electromagnetically induced transparency[J].Nature，2001，413（6853）：273-276.
[10] 徐建.被动型相干布居数囚禁原子钟系统关键技术研究[D].武汉：华中科技大学，2011.
[11] 华中科技大学.一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法及装置[P].中国，2012102260292.2013-12-25.