VCSEL在铯原子中的作用（待更新）

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原子钟的意义

GPS+(Global+Positioning+System)

参考【Engineer guy】原子钟的工作原理及其在GPS系统中的应用 @圆桌字幕组

Cs原子能级分析

• 铯Cs 133 原子能级如下，其中精细能级F3->F4对应的频率是f_Cs=192,631,770Hz，则1s中就定义为振动f次的时间。
• 也就是说，只要知道精准的，没有任何抖动的单频，那么就能得到精确的1s

• 而原子钟的精细能级变化极小，因而可以获得精准的频率，从而得到精准的时间

  
  铯原子能级.png
• 原子内部，电子由低能级被泵浦到高能级。再由高能级自发跃迁到低能级时就会发出对应能级能量的电磁波。

基于VCSEL的方案

• 一种基于VCSEL的原子钟方案，如下图所示。

  
  一种铯原子钟方案

• 用894nm或852nm的激光，把Cs原子最外层电子泵浦到高能级。之后电子会自发跃迁到基态

• 跃迁过程中 会出现精细能级跃迁F4->F3 对应的微波频率9.2GHz

• 如果用直调VCSEL泵浦，同时调制一个(9.2)/2 GHz的信号，则F4,F3的的高能级跃迁就会大大增强，从而让Cs晶体(图中的Cs Cell)对该调制光的吸收大大增强，从而探测器的信号强度减弱。

• 这样利用一个反馈锁频锁相链路连接，调整VCESL的调制信号f_mo=f_Cs/2，对准原子的精细能级，让PD探测的信号强度最小，就可以将调至信号的频率锁定到Cs原子的跃迁频率上，从而将微波频率的误差缩小。

• 原子钟的精度 取决于反馈体系 极限精度 1. 取决于原子能 F3<->F4能极差的变化（极小）,即电子精细能谱的线宽 2. 原子温度，主要是影响背景噪声，进而影响探测精度。（所以我国的北斗卫星采用的是冷原子钟，精度极高）

• 而这个射频频率就可以定义出1s中的时间

各类原子钟的不确定度

Type	working frequency in Hz	[relative Allan deviation (typical clocks)]
133Cs	9 192 631 770 by definition[37]	10−13
87Rb	6 834 682 610 .904 324[[38]]	10−12
1H	1 420 405 751 .7667[39][40]	10−15
Optical clock (87Sr)	429 228 004 229 873 .4 [41]	10−17

1. Serkland D K, Peake G M, Geib K M, et al. VCSELs for atomic clocks[C]//Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers X. International Society for Optics and Photonics, 2006, 6132: 613208.
2. https://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_clock