CN102063054B

CN102063054B - Cpt原子钟

Info

Publication number: CN102063054B
Application number: CN201110042088A
Authority: CN
Inventors: 竺小松; 管超; 周群; 汪海兵; 宋道斌; 葛坤
Original assignee: HEFEI WISE ELECTRONIC APPLIANCE FACTORY
Current assignee: HEFEI WISE ELECTRONIC APPLIANCE FACTORY
Priority date: 2011-02-22
Filing date: 2011-02-22
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2031-02-22
Also published as: CN102063054A

Abstract

本发明涉及一种CPT原子钟，包括第一、二、三物理单元，所述的第一物理单元包括激光器、平凸镜和四分之一波片，所述的第二物理单元包括偏振片组，所述的第三物理单元包括铷泡气室和光电探测器，所述的激光器通过平凸镜和四分之一波片输出圆偏振光，该圆偏振光依次经过偏振片组、铷泡气室至光电探测器。本发明的第一、二、三物理单元结构紧凑牢靠，方便调测，适应性强，特别是磁屏蔽装置一体化的设计。本发明解决了在现有微加工工艺技术不强的条件下，实现了物理单元对于小型化要求的优化设计，成本低、稳定度高、调测方便、体积小、功耗小。

Description

CPT原子钟

技术领域

本发明涉及一种CPT原子钟。

背景技术

对原子钟的研究主要集中在两个方面：一方面是探索研制准确度和稳定度更高的原子钟，近年来，已经成功研制了许多不同种类的具备更高的准确度和稳定性的新型原子钟，例如冷原子喷泉钟，离子阱钟，光钟等；另一方面是积极的寻找实现高精度的小型工程原子钟的途径，以满足各种工程技术的发展需要，例如研制小型星载原子钟、利用相干布居囚禁原理研制可微型化的相干布居囚禁原子钟。

相干布居囚禁（CPT，Coherent Population Trapping）是原子与相干光相互作用所产生的一种量子干涉现象，利用激光良好的相干特性，在原子体系中制备相干布居囚禁态，而实现的可芯片化被动式新型CPT原子钟是当前原子钟领域和导航领域的前沿技术。其优势是：一方面，不需要微波腔，可以明显减小体积；另一方面，采用受微波频率调制的激光器制备相干双色光，可以减小光频移。尽管CPT原子钟从1998年提出至今时间并不久，但其发展迅速，已显示出优越的性能，而且还有较大的改进空间。

在实际中，一般的CPT桌面实验系统只追求调测的方便，并没有考虑体积和功耗问题，而微型乃至芯片级CPT原子钟确实很注重体积和功耗的减小，却不方便调测。到目前为止所实现CPT原子钟的指标都不是很高，主要表现在温漂现象比较严重，温控导致功率消耗较大，原子频标输出信号的稳定度都偏低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低、稳定度高、调测方便、体积小、功耗小的CPT原子钟。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种CPT原子钟，包括第一、二、三物理单元，所述的第一物理单元包括激光器、平凸镜和四分之一波片，所述的第二物理单元包括偏振片组，所述的第三物理单元包括铷泡气室和光电探测器，所述的激光器通过平凸镜和四分之一波片输出圆偏振光，该圆偏振光依次经过偏振片组、铷泡气室至光电探测器，所述的第一物理单元由激光器、第一前盖板、燕尾移动镜架、挡圈、四分之一波片、平凸镜镜架、平凸镜、燕尾托架和第一后盖板组成，第一前盖板上开设供激光器发射激光穿过的圆孔，燕尾移动镜架上安装四分之一波片，挡圈嵌在燕尾移动镜架上开设的凹槽内，平凸镜安装在平凸镜镜架上，燕尾移动镜架与平凸镜镜架通过螺栓固定，燕尾托架上开设用于安装燕尾移动镜架的凹槽，第一前盖板第一后盖板分别安装在燕尾托架的前、后两侧。

由上述技术方案可知，本发明的第一、二、三物理单元结构紧凑牢靠，方便调测，适应性强，特别是磁屏蔽装置一体化的设计。本发明解决了在现有微加工工艺技术不强的条件下，实现了物理单元对于小型化要求的优化设计，成本低、稳定度高、调测方便、体积小、功耗小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2、3、4分别是本发明中第一、二、三物理单元的爆炸图；

图5、7、9分别为本发明中第一、二、三物理单元的结构示意图；

图6为图5的A-A剖视图；

图8为图7的B-B剖视图；

图10为图9的C-C剖视图。

具体实施方式

一种CPT原子钟，包括第一、二、三物理单元10、20、30，所述的第一物理单元10包括激光器、平凸镜12和四分之一波片13，可以通过调节激光器与平凸镜12的距离来控制光斑的大小；所述的第二物理单元20包括偏振片组，可以通过调拨轴承来量化透过偏振片组的光强大小；所述的第三物理单元30包括铷泡气室34和光电探测器，所述的激光器通过平凸镜12和四分之一波片13输出圆偏振光，该圆偏振光依次经过偏振片组、铷泡气室34至光电探测器，如图1所示。

如图1、2、5、6所示，所述的第一物理单元10由激光器、第一前盖板14、燕尾移动镜架15、挡圈16、四分之一波片13、平凸镜镜架17、平凸镜12、燕尾托架18和第一后盖板19组成，第一前盖板14上开设供激光器发射激光穿过的圆孔，燕尾移动镜架15上安装四分之一波片13，挡圈16嵌在燕尾移动镜架15上开设的凹槽内，平凸镜12安装在平凸镜镜架17上，燕尾移动镜架15与平凸镜镜架17通过螺栓固定，燕尾托架18上开设用于安装燕尾移动镜架15的凹槽，第一前盖板14、第一后盖板19分别安装在燕尾托架18的前、后两侧。所述的第一前、后盖板14、19上开设供调节螺钉11穿过的光孔，燕尾移动镜架15上端开设与调节螺钉11配合的螺纹孔，调节螺钉11依次从第一后盖板19、燕尾移动镜架15和第一前盖板14中穿过，调节螺钉11上套设弹簧11a，燕尾移动镜架15的侧端面上开设与紧固螺钉15b配合的螺纹孔15a，紧固螺钉15b用于将四分之一波片13固定在燕尾移动镜架15上。

如图1、3、7、8所示，所述的偏振片组包括第一、二偏振片20a、20b，所述的第二物理单元20由固定镜架21、手轮托架22、轴承28、第一、二偏振片20a、20b、轴承手轮24、镜片压圈25、转动镜片载板26、轴承垫片27和轴承托架29组成，镜片压圈25将第一偏振片20a固定在固定镜架21上，第二偏振片20b放置在转动镜片载板26开设的缺口上，第二偏振片20b相对于第一偏振片20a转动，轴承28套设在轴承托架29的空心轴上，轴承垫片27位于轴承28和转动镜片载板26之间，轴承手轮24安装在手轮托架22上，固定镜架21、轴承托架29分别安装在手轮托架22的前、后两侧。所述的手轮托架22的旁侧开设用于安装紧固螺丝23的螺纹孔，紧固螺丝23的另一端抵靠在轴承手轮24的轮面上，轴承手轮24的轮面上设置刻度。

如图1、4、9、10所示，所述的第三物理单元30由第二后盖板33、磁屏蔽装置主体32、第二前盖板31、磁阻传感器、轴向磁场线圈35、铷泡气室34和光电探测器组成，第二后盖板33、磁屏蔽装置主体32、第二前盖板31构成磁屏蔽装置，磁屏蔽装置使用经退火、退磁处理过的坡莫合金制作，其腔体可以达到磁屏蔽的效果，以减少杂散磁场和地磁场对于塞曼能级的影响。所述的轴向磁场线圈35缠绕在铷泡气室34上，铷泡气室34位于磁屏蔽装置主体32内，第二前、后盖板31、33分别安装在磁屏蔽装置主体32的前、后两侧。

如图1所示，所述的激光器安装在激光器驱动电路板40上，激光器驱动电路板40固定在第一物理单元10的第一前盖板14上，激光器温控电路板50安装在第一物理单元10的第一后盖板19和第二物理单元20的轴承托架29之间，铷泡温控电路板60安装在第二物理单元20的固定镜架21和第三物理单元30的第二前盖板31之间，光电探测器的探头安装在光电检测与磁场监测电路板70上，光电检测与磁场监测电路板70安装在第三物理单元30的第二后盖板33上。

如图1所示，所述燕尾托架18两侧的边沿处开设安装孔，所述手轮托架22两侧的边沿处开设安装孔，所述磁屏蔽装置主体32两侧的边沿处开设安装孔，所述燕尾托架18、手轮托架22、磁屏蔽装置主体32安装固定在母板80上。所述的燕尾托架18、磁屏蔽装置主体32的外侧粘贴帕尔贴。所述的母板80上安装屏蔽盒与频率变换级电路板90。

激光器的输出发散角为10˚～25˚，通常应用准直透镜将其发射的光束准直为近似平行光，这里采用焦距为10mm的平凸镜12，经过平凸镜12后的光斑直径范围为：1.75mm～4.43mm。然后，经过四分之一波片13圆偏振化，再经过第一、二偏振片20a、20b组成的衰减片使激光到达铷泡气室34时衰减为所需的100μW的量级。

安装上激光器、平凸镜12和四分之一波片13后，可以通过移动燕尾移动镜架15来调节激光器与平凸镜12的距离，从而控制光斑的大小。透过燕尾托架 18 侧面的缝隙，调节燕尾移动镜架 15侧面的螺丝来紧固四分之一波片13。

由于光强是影响原子钟性能的一个重要因素，实际中需要调节激光光强大小，采用将第一、二偏振片20a、20b相组合作为光衰减单元；用固定镜架 21固定第一偏振片20a，将第二偏振片20b置于轴承28 与轴承手轮 24组成的旋转装置中，通过调拨三十二等分的轴承手轮24实现光强的量化和连续改变；通过调拨手轮托架 22 侧边的紧固螺丝23至轴承手轮 24来紧固旋转装置，以使装置更牢靠。

激光器驱动电路板40、激光器温控电路板50、铷泡温控电路板60、光电检测与磁场监测电路板70、母板80五个部分对应五块电路板，前四个部分为子板，最后一个部分是母板80；出于小体积数字化、便于就近控制和节省母板80面积的考虑，伺服电路部分与物理部分紧密结合，四个子板刚好与第一、二、三物理单元10、20、30交互穿插紧贴在一起，所有的子板均在中间开孔，从而避免遮挡光路。

Claims

1.一种CPT原子钟，其特征在于：包括第一、二、三物理单元（10、20、30），所述的第一物理单元（10）包括激光器、平凸镜（12）和四分之一波片（13），所述的第二物理单元（20）包括偏振片组，所述的第三物理单元（30）包括铷泡气室（34）和光电探测器，所述的激光器通过平凸镜（12）和四分之一波片（13）输出圆偏振光，该圆偏振光依次经过偏振片组、铷泡气室（34）至光电探测器，所述的第一物理单元（10）由激光器、第一前盖板（14）、燕尾移动镜架（15）、挡圈（16）、四分之一波片（13）、平凸镜镜架（17）、平凸镜（12）、燕尾托架（18）和第一后盖板（19）组成，第一前盖板（14）上开设供激光器发射激光穿过的圆孔，燕尾移动镜架（15）上安装四分之一波片（13），挡圈（16）嵌在燕尾移动镜架（15）上开设的凹槽内，平凸镜（12）安装在平凸镜镜架（17）上，燕尾移动镜架（15）与平凸镜镜架（17）通过螺栓固定，燕尾托架（18）上开设用于安装燕尾移动镜架（15）的凹槽，第一前盖板（14）、第一后盖板（19）分别安装在燕尾托架（18）的前、后两侧。

2.根据权利要求1所述的CPT原子钟，其特征在于：所述的偏振片组包括第一、二偏振片（20a、20b），所述的第二物理单元（20）由固定镜架（21）、手轮托架（22）、轴承（28）、第一、二偏振片（20a、20b）、轴承手轮（24）、镜片压圈（25）、转动镜片载板（26）、轴承垫片（27）和轴承托架（29）组成，镜片压圈（25）将第一偏振片（20a）固定在固定镜架（21）上，第二偏振片（20b）放置在转动镜片载板（26）开设的缺口上，第二偏振片（20b）相对于第一偏振片（20a）转动，轴承（28）套设在轴承托架（29）的空心轴上，轴承垫片（27）位于轴承（28）和转动镜片载板（26）之间，轴承手轮（24）安装在手轮托架（22）上，固定镜架（21）、轴承托架（29）分别安装在手轮托架（22）的前、后两侧。

3.根据权利要求1所述的CPT原子钟，其特征在于：所述的第三物理单元（30）由第二后盖板（33）、磁屏蔽装置主体（32）、第二前盖板（31）、磁阻传感器、轴向磁场线圈（35）、铷泡气室（34）和光电探测器组成，所述的轴向磁场线圈（35）缠绕在铷泡气室（34）上，铷泡气室（34）位于磁屏蔽装置主体（32）内，第二前、后盖板（31、33）分别安装在磁屏蔽装置主体（32）的前、后两侧。

4.根据权利要求1所述的CPT原子钟，其特征在于：所述的第一前、后盖板（14、19）上开设供调节螺钉（11）穿过的光孔，燕尾移动镜架（15）上端开设与调节螺钉（11）配合的螺纹孔，调节螺钉（11）依次从第一后盖板（19）、燕尾移动镜架（15）和第一前盖板（14）中穿过，调节螺钉（11）上套设弹簧（11a），燕尾移动镜架（15）的侧端面上开设与紧固螺钉（15b）配合的螺纹孔（15a）。

5.根据权利要求2所述的CPT原子钟，其特征在于：所述的手轮托架（22）的旁侧开设用于安装紧固螺丝（23）的螺纹孔，紧固螺丝（23）的另一端抵靠在轴承手轮（24）的轮面上，轴承手轮（24）的轮面上设置刻度。

6.根据权利要求3所述的CPT原子钟，其特征在于：所述的激光器安装在激光器驱动电路板（40）上，激光器驱动电路板（40）固定在第一物理单元（10）的第一前盖板（14）上，激光器温控电路板（50）安装在第一物理单元（10）的第一后盖板（19）和第二物理单元（20）的轴承托架（29）之间，铷泡温控电路板（60）安装在第二物理单元（20）的固定镜架（21）和第三物理单元（30）的第二前盖板（31）之间，光电探测器的探头安装在光电检测与磁场监测电路板（70）上，光电检测与磁场监测电路板（70）安装在第三物理单元（30）的第二后盖板（33）上。

7.根据权利要求3所述的CPT原子钟，其特征在于：所述燕尾托架（18）两侧的边沿处开设安装孔，所述手轮托架（22）两侧的边沿处开设安装孔，所述磁屏蔽装置主体（32）两侧的边沿处开设安装孔，所述燕尾托架（18）、手轮托架（22）、磁屏蔽装置主体（32）安装固定在母板（80）上。

8.根据权利要求3所述的CPT原子钟，其特征在于：所述的燕尾托架（18）、磁屏蔽装置主体（32）的外侧粘贴帕尔贴。

9.根据权利要求7所述的CPT原子钟，其特征在于：所述的母板（80）上安装屏蔽盒与频率变换级电路板（90）。