CPT原子钟

定义：

CPT原子钟是利用原子的相干布局原理而实现的一种新型原子钟，也是目前从原理上可实现微型化的原子钟。

CPT: 相干布居原理

相干布居: 用两相位差恒定的相干激光将原子基态的两超精细能级耦合到一个共同的激发态，如果两激光的频率差严格等于原子两超精细能级差对应的频率，则原子会被抽运到两个超精细能级的一个相干叠加态，即相干暗态，此时激发态上没有原子，且原子将不再吸收光子，原子被" 布居 " 在基态的两超精细能级上，表现为其荧光光谱有一尖锐共振暗线。同时相干在两个基态子能级上的原子系综会产生宏观磁偶极矩，并发生微波辐射，即产生相干微波辐射。

CPT原子钟应用

体积小型化已经成为原子钟在卫星导航系统中的重要标准.体积小型化，低成本和低功率消耗的频标在很多便携式电磁场应用中。温度补偿石英晶体振荡器是一种小型化低功率低成本设备，由石英谐振器，变容二极管和振荡电路加上温度补偿网路构成，补偿网络有热敏电阻等组成，通过调节不同温度下变容二级管的电压来改变晶体的负载，从而调整晶体的频率。石英谐振器受到外加交变电场的作用时会产生机械振动，当交变电场的频率与石英晶体的固有频率相同时，振动便变得很强烈，利用这种晶体谐振特性，就可以用石英谐振器取代LC谐振回路、滤波器等，由于石英谐振器具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度高等优点，被应用于家用电器中，但在一些民用导航和通信领域中还不足以满足要求。最小的CPT原子钟可为手表尺寸，并用纽扣电池供电同时在远程通讯系统定时、大范围通讯网络同步、装备的便携化等军、民应用方面具有很好的应用前景。例如，CPT频标应用于GPS接收机，可以显著提高导航定位精度。

CPT原子钟特点

气态原子是原子钟的，因为分立的能级受环境干扰比较小，而强碱原子的能量结构简单，主要取决于单共价电子，由此原子钟主要选择气态铷和铯原子。

光泵浦铷原子频标的设备体积和封装大小很大程度上受限于微波谐振腔大小，功率主要用来加热铷气室，一般需要几百毫瓦的功率。为了降低功耗和降低原子钟的体积就要用一个低功率激光器并去掉微波腔。之前提出的低噪音易使用的半导体激光管光钟由于可靠性不高而不能商用。而单模852nm波段VCSEL （铯D2线）带有极大的调制带宽，VCSEL 能将电微波信号从LO转换成光拍信号，当VCSEL入射电流被调制后，在调制频率间隔光谱中光波载子周围产生调制边带梳，因此VCSEL的调制性质十分关键。为了与原子相互作用，VCSEL的波长必须被调谐，使得一些边带与光学原子跃迁谐振。而且VCSEL。Philips 852nmVCSEL激光器相位稳定性，低运行功率，其实用性在CPT原子钟中已经得到证实。大调制带宽，和垂直出光设计使他们更适合小型，低功率MEMS 器件，结合CPT光谱与MEMS微机电加工开发制造结合集成了芯片级原子钟（chip-scaleatomic clock），其工艺制成体积，功耗比铷钟小两个量级的微型原子钟，由此微型CPT钟的应用将大幅度地扩展原子钟的应用范围。

芯片级原子钟：

芯片级原子钟构成：LO振荡电路，集成封装和控制电路。

集成封装包括：带有底部加热的VCSEL激光器（可选Philips852nm 795nm VCSEL），透镜，1/4 波长片，带有底部加热器的蒸气池，磁偏移场（B）和光电探测器（PD）。

控制电路包括激光控制回路，气池温度控制，激光和局部振荡频率控制。

集成封装结构图：

(a)    芯片级原子钟

(b)   集成封装

(c)    VCSEL激光器

(d)   光学封装

(e)    带有加热器的气池

(f)    光电探测器