[發(fā)明專利]一種小型CPT原子鐘物理系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510981372.1
• 申請日: 2015-12-23
• 公開（公告）號: CN105467822A
• 公開（公告）日: 2016-04-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 盧向東;王巍;王豪;張笑楠;王學(xué)鋒
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 龐靜

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種小型CPT原子鐘物理系統(tǒng)，屬于小型原子頻標(biāo)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

原子鐘，專業(yè)語言稱為原子時間頻率標(biāo)準(zhǔn)(簡稱原子頻標(biāo)，AtomicFrequencyStandard)，自1948年問世后，半個多世紀(jì)來原子鐘的研究有了長足的發(fā)展。傳統(tǒng)原子鐘早已形成產(chǎn)業(yè)進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)，并獲得廣泛的應(yīng)用。特別在衛(wèi)星導(dǎo)航和信息領(lǐng)域，例如GPS，北斗導(dǎo)航等，其控制核心器件便是原子鐘。沒有原子鐘，要遠(yuǎn)距離定位到幾十米、幾米乃至幾厘米根本無法想象。

1976年，Alzetta等人在使用兩頻率激光作用于Na原子團(tuán)的實驗中，首次發(fā)現(xiàn)了CPT現(xiàn)象。1982年，Thomas等人首先將CPT現(xiàn)象應(yīng)用于原子鐘，一改傳統(tǒng)原子鐘技術(shù)中的“態(tài)選擇”和“態(tài)激發(fā)”技術(shù)，并將二者合二為一，不再使用微波諧振腔，從而使得原子鐘的體積和功耗大幅降低，并且大大減少了光頻移。鑒于易于小型化和高性能的特點，被動型CPT原子鐘自1998年以后受到各國的重視。

目前，一種體積小、功耗低、重量輕的新型原子鐘引起人們越來越多的關(guān)注。這種原子鐘屬于被動型CPT(相干布居數(shù)俘獲，CoherentPopulationTrapping)原子鐘，因為較傳統(tǒng)原子鐘省卻了微波諧振腔，所以其體積小、重量輕和功耗低，非常適合應(yīng)用于各種便攜式電子設(shè)備中。也因為如此，被動型CPT原子鐘的研究有了較快的發(fā)展和應(yīng)用。

目前，被動型CPT原子鐘物理系統(tǒng)多數(shù)采用準(zhǔn)直透鏡、光強(qiáng)衰減片來調(diào)節(jié)激光光強(qiáng)，原子氣室部分采用螺線管結(jié)構(gòu)的C場線圈，原子氣室的加熱器通常采用纏繞于原子氣室的雙股平行加熱絲或置于原子氣室側(cè)面的MOS管，加熱電流一般采用直流加熱方式加熱，且一般不采用真空絕熱技術(shù)進(jìn)行封裝。這種結(jié)構(gòu)的CPT原子鐘物理系統(tǒng)有如下幾個缺點：

1.在這種結(jié)構(gòu)激光器中，準(zhǔn)直透鏡用來將具有發(fā)散角的線偏振光轉(zhuǎn)化為平行線偏振光，要求VCSEL激光管的中心必須安置在準(zhǔn)直透鏡的焦點上，VCSEL激光管與準(zhǔn)直透鏡的距離較遠(yuǎn)，不易集成。

2.螺線管C場線圈用來產(chǎn)生與光傳輸路徑平行的均勻磁場。磁場越均勻CPT信號越穩(wěn)定，原子鐘的頻率穩(wěn)定性越高。螺線管越長，產(chǎn)生的磁場越均勻，但由于原子氣室長度有限，螺線管產(chǎn)生的磁場均勻性較差，且玻璃型原子氣室制造工藝決定了其必然有一個突起的密封口，為了保證其兩側(cè)的透光性，應(yīng)用在原子鐘的玻璃型原子氣室密封口位于圓柱面的中心位置，螺線管C場線圈必須避開該密封口，增大了原子氣室部分的體積。

3.當(dāng)原子氣室采用直流加熱方法加熱時容易產(chǎn)生靜電磁場，直接干擾原子氣室內(nèi)部的磁場，影響原子鐘的頻率穩(wěn)定度。

4.由于整個物理系統(tǒng)未采用真空絕熱封裝技術(shù)，使得物理系統(tǒng)的散熱較為嚴(yán)重，導(dǎo)致加熱功率較高，原子鐘的功耗也較大，而且原子氣室溫度容易受到外界環(huán)境溫度的影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適合應(yīng)用于密封口位于圓柱面中心位置的玻璃型原子氣室、輸出頻率性能穩(wěn)定、體積小、功耗低、成本低的小型CPT原子鐘物理系統(tǒng)。

本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種小型CPT原子鐘物理系統(tǒng)，包括激光器部分和原子氣室部分，其中：

激光器部分包括VCSEL激光管、小孔光闌和λ/4波片。VCSEL激光管、小孔光闌、λ/4波片通過固定支架依次連接，且VCSEL激光管發(fā)出的激光光斑、小孔光闌以及λ/4波片同軸放置，即VCSEL激光管發(fā)出的激光光斑、小孔光闌孔徑中心以及λ/4波片中心位置在同一軸線上。采用小孔光闌可以緊貼VCSEL激光管和λ/4波片，激光器部分結(jié)構(gòu)緊湊，大大縮短了VCSEL激光管與光電探測器的距離。

原子氣室部分包括原子氣室、C場線圈、熱敏電阻、加熱片和光電探測器，原子氣室為密封口位于圓柱面中心位置的玻璃型原子氣室，C場線圈采用反亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)，通過兩個套筒固定在原子氣室的兩端，避開原子氣室的密封口尖錐，加熱片插在C場線圈套筒與原子氣室的下部分狹縫中，有利于原子氣室充分均勻加熱，熱敏電阻插在套筒與原子氣室的上部分狹縫中，加熱片和熱敏電阻隔開放置，不相互接觸，光電探測器放置在原子氣室的末端；

激光器部分、原子氣室和光電探測器依次通過雙層磁屏蔽筒套裝在一起，并且原子氣室、光電探測器的中心位于激光器部分的軸線上，雙層磁屏蔽筒外利用真空絕熱封裝技術(shù)完成小型CPT原子鐘物理系統(tǒng)的絕熱封裝。