CN102629872A - 积分球冷却和微波集成腔 - Google Patents
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Abstract
一种用于小型化冷原子频标的积分球冷却和微波集成腔，由积分球、柱形微波腔、法兰和四通接头通过支撑螺杆连接而成，本发明具有柱形微波腔的技术成熟、易加工、中心微波场均匀区域大以及积分球冷却的优势的特点。
Description
技术领域
本发明涉及激光冷却、原子频标和微波技术，特别是一种用于可搬运小型化冷原子频标中的激光冷却与微波场一体化的积分球冷却和微波集成腔。
背景技术
原子频标的出现，为时间标准的计量带来了革命性的变化，并获得了广泛的应用，比如GPS（全球卫星导航定位系统）。随着社会的发展，人们对于时间的计量提出了更高的要求，冷原子频标有着非常高的时间计量精度与稳定度，可以满足社会要求。但是一般冷原子钟体积大、重量较热原子钟重很多。所以我们迫切需要开发一套稳定可靠、可搬运的、高精度小型化冷原子钟。目前，欧空局依托于法国巴黎天文台正在开发一套代号为HORACE的小型化冷原子钟系统（HORACE中应用的冷却以及微波系统如图1所示），可应用于伽利略计划的星载钟。（引自论文“ Limitations to the short term frequency stability in a compact cold atom clock ”, 作者: S. Tremine 等。）图中符号定义如下：01、光探测器；02、探测光束；03、石英球；04、球形微波腔；05、冷原子云；06、背景蒸气。
HORACE项目中使用的是球形微波腔，工作于TE011模式。微波腔的内表面经过抛光处理（表面起伏< 1/14光波长），使其同时能够产生全同光场，冷却原子。但是这种结构存在一定的不足之处：
一、球形微波腔内微波场中心均匀区域小；
二、球形微波腔加工难度大，且不易控制腔内的场分布；
三、对球形腔内表面进行十分精细的抛光处理，表面起伏< λ/14光波长，这对于制作工艺提出了非常高的要求。
发明内容
本发明的目的主要是为了解决上述基于球形微波腔的小型化冷原子钟存在的微波场中心均匀区域小、球形腔加工以及内壁精细抛光工艺难度大等问题，提供一种用于小型化冷原子频标中积分球冷却和微波集成腔，该装置具有柱形微波腔的技术成熟、易加工、中心微波场均匀区域大等优点，同时具有积分球冷却的优势。
本发明的方案如下：
一种用于小型化冷原子频标的积分球冷却和微波集成腔，其特点在于由积分球、柱形微波腔、法兰和四通接头通过支撑螺杆连接而成：
一个积分球是一个石英球泡，在该石英球泡的外表面涂敷有高反射材料，该积分球对称地设有上通光窗口，下通光通孔、左通光窗口和右通光窗口，在所述的积分球的下通光通孔处连接一根石英管；
一个柱形微波腔由上盖板、下盖板和圆筒围成，所述的上盖板与所述的圆筒的上端焊接在一起，该上盖板的圆板的中心向外垂直地接设一根上截止波导，所述的圆筒的下沿向外横向延展一个圆边，该圆边有均匀分布的4个通孔；所述的下盖板由两个半圆形板构成，该两个半圆形板合拢时的中心有通孔，该通孔的两边缘各焊接一个垂直向下的半圆筒形构成下截止波导，该下盖板的周边设有均匀的4个通孔与所述的圆筒的下沿周圆的4个通孔相对应，所述的上盖板上配有腔频调谐螺钉，所述的下盖板上面固定有微波耦合环以及耦合头，所述的圆筒的纵向中间位置对称地设计有两个通光孔，并各自向外侧延伸出一段截止波导，该截止波导上分别有外螺纹，以便固定引导冷却光束的多模光纤头；
一个法兰盘，与所述的下盖板的大小相同，与所述的下盖板的通孔相对应的位置亦有均匀的4个通孔，该法兰盘的中心有中心通孔，所述的石英管与该中心通孔的周边熔接，使所述的中心通孔、石英管、下通光通孔和上通光窗口同轴且与所述的法兰盘相垂直；
一个四通接头具有正交的四个带法兰的端口，至少有一个端口的法兰具有与所述的法兰盘相对应的4个连接通孔；
四根具有托盘的支撑丝杆，所述的法兰盘与所述的四通接头的4个连接通孔相对合后，所述的四根支撑丝杆的下端穿过所述的连接通孔并用螺母将所述的法兰盘和四通接头连接在一起，将所述的下盖板的两个半圆形板置于所述的积分球下，使下盖板的4个通孔套在所述的支撑丝杆并置放在托盘上，然后将所述的微波腔的圆筒的下沿圆边的4个通孔套在所述的支撑丝杆上，再用螺母拧紧固定，所述的上截止波导、积分球、石英管、下截止波导同轴，所述的通光孔左通光窗口、右通光窗口和通光孔在同一条水平线上。
所述的圆筒的内壁、上盖板的下表面和下盖板的上表面均镀银。
本发明的技术效果：
为了提高系统整体的稳定性，并减小对微波腔内壁进行十分精细抛光所带来的工艺难度，本发明对石英球泡的外表面涂敷高反材料，达到积分球的效果，使其能够在积分球内部形成全同光场，实现冷却的功能。
积分球通过熔接技术连接于法兰上。
在微波腔上盖板和下盖板的中心位置处各开有一个比较大的通光孔(直径10 mm)，用来通过扩束后的探测光束，并沿轴线方向向外各自延伸一个截止波导。其中，上盖板利用银焊技术与腔体连接，并设有一个腔频调谐螺钉，以调整腔内频率。下盖板通过四根支撑丝杆与圆筒腔体密合。并在下盖板设有一个微波耦合环，这样微波便可以通过这个耦合环耦合进微波腔内。
微波腔的圆筒腔体开有两个比较小的通光孔(直径2 mm)，与这两个通光孔相对应的石英球泡外壁不涂敷高反材料，这样激光束可以通过这些通光孔进入积分球内部。
微波腔通过四根支撑丝杆与积分球固定于同一个法兰上面。
本发明降低了实现可搬运的小型化冷原子钟的工艺难度，很好的结合了柱形微波腔与积分球冷却各自的优势、特点。
附图说明
图1是HORACE项目中激光冷却与微波腔一体化设计的结构示意图。
图2是本发明积分球冷却与微波集成腔的剖面示意图。
图3是本发明积分球冷却与微波集成腔的俯视图。
图4是本发明中水平通光孔6-1的放大图
图5是下盖板11的示意图
图中：1－上截止波导 2－上盖板 3－腔频调谐螺钉 4－下端带外展沿的圆筒 5－积分球 5-1－积分球上通光孔 5-2，5-3－积分球水平通光孔 5-4－积分球与石英管9的连接孔 6-1，6-2－圆筒的水平通光孔 7-1，7-2，7-3，7-4，7-5，7-6，7-7，7-10－螺母 8-1，8-2，8-3，8-4－支撑丝杆 8-1-x，8-3-x－丝杆托盘 9－石英管 10－微波耦合环以及耦合头 11－下盖板 11-1，11-2，11-3，11-4－通孔 12－下截止波导 13－法兰与石英管连接孔 14－法兰 15－四通接头 15-1－离子泵(或铷源)连接孔 15-2－铷源(或离子泵)连接孔 15-3－通孔 16－窗口法兰 16-1－通光窗口 16-2－螺丝以及螺母。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图2、图3、图4、图5。图2、图3、图4、图5给出了本发明的一个具体实施例。如图所示，本发明用于小型化冷原子频标的积分球冷却和微波集成腔，由积分球、柱形微波腔、法兰和四通接头通过支撑螺杆连接而成：
一个积分球5是一个石英球泡，在该石英球泡的外表面涂敷有高反射材料，该积分球5对称地设有上通光窗口5-1、下通光通孔5-4、左通光窗口5-2和右通光窗口5-3，在所述的积分球的下通光通孔5-4处连接一根石英管9；
一个柱形微波腔由上盖板2、下盖板11和圆筒4围成，所述的上盖板2与所述的圆筒4的上端焊接在一起，该上盖板的圆板的中心向外垂直地接设一根上截止波导1，所述的圆筒4的下沿向外横向延展一个圆边，该圆边有均匀分布的4个通孔；所述的下盖板11由两个半圆形板构成，该两个半圆形板合拢时的中心有通孔，该通孔的两边缘各焊接一个垂直向下的半圆筒形构成下截止波导12，该下盖板11的周边设有均匀的4个通孔与所述的圆筒4的下沿周圆的4个通孔相对应，所述的上盖板2上配有腔频调谐螺钉3，所述的下盖板11上面固定有微波耦合环以及耦合头10，所述的圆筒4的两侧纵向中间位置对称地设有两个通光孔6-1和6-2，并各自向外侧延伸出一段截止波导，该截止波导上分别有外螺纹，以便固定引导冷却光束的多模光纤头；
一个法兰盘14，与所述的下盖板11的大小相同，与所述的下盖板11的通孔相对应的位置亦有均匀的4个通孔，该法兰盘14的中心有中心通孔13，所述的石英管9与该中心通孔13的周边焊接，使所述的中心通孔13、石英管9、下通光通孔5-4和上通光窗口5-1同轴且与所述的法兰盘14相垂直；
一个具有正交的四个带法兰端口的四通接头15，至少有一个端口的法兰具有与所述的法兰盘14相对应的4个连接通孔；
四根具有托盘的支撑丝杆8-1、8-2、8-3和8-4，所述的法兰盘14与所述的四通接头15的4个连接通孔相对合后，所述的四根支撑丝杆8-1、8-2、8-3和8-4的下端穿过所述的连接通孔并用螺母将所述的法兰盘14和四通接头15连接在一起，将所述的下盖板11的两个半圆形板置于所述的积分球5下，使下盖板11的4个通孔套入所述的支撑丝杆并置放在托盘8-1x、8-2x、8-3x和8-4x上，然后将所述的微波腔的圆筒4的下沿圆边的4个通孔套在所述的支撑丝杆8-1、8-2、8-3和8-4上，再用螺母拧紧固定，所述的上截止波导1、积分球5、石英管9和下截止波导12同轴，所述的通光孔6-2左通光窗口5-2、右通光窗口5-3和通光孔6-1在同一条水平线上。
所述的圆筒4的内壁、上盖板2的下表面和下盖板11的上表面均镀银。
实施例中该积分球5上通光窗口5-1的直径为8 mm，上面没有涂敷高反材料。下通光孔5-4的内直径为8 mm。左通光窗口5-2和右通光窗口5-3的直径为2 mm，上面没有涂敷高反材料。所述的四通接头15的端口15-3和15-2连接于真空泵和铷源。这样积分球5、石英管9以及四通15内部形成高真空环境。积分球5的作用主要是能够使激光在其内部经过多次漫反射形成全同光场，实现原子冷却。
为了获得更加精确的微波共振频率以及更好的微波场模式，在上盖板2上配有腔频调谐螺钉3，微波通过下盖板11上面固定的微波耦合环以及耦合头10耦合进入微波腔内。在所述的圆筒4的纵向中间位置对称地设计有两个通光孔6-1和6-2，并各自向外侧延伸出一段截止波导，该截止波导上分别设计有外螺纹，以便固定引导冷却光束的多模光纤头。
所述的通光孔6-2左通光窗口5-2、右通光窗口5-3和通光孔6-1在同一条水平线上，这样冷却光分别经过通光孔6-1、5-2和6-2、5-3便可以进入积分球内部，起到冷却原子的作用。
所述的上截止波导1、积分球5、石英管9、下截止波导12和四通接头15的通光窗口16-1同轴，这样，探测光可以通过通光窗口16-1、法兰与石英管连接孔13、积分球与石英管连接孔5-4以及通光孔5-1竖直穿过积分球系统，探测积分球中的冷原子信号。
为了获得更高的Q值，所述的圆筒4的内壁、上盖板2的下表面、下盖板11的上表面均镀银。
因为积分球部分已经与真空系统连接，为了能够将微波腔部分安装在积分球外部，下部盖板11被平分成可以对接在一起的两部分，这样微波腔部分就可以顺利的从积分球系统上拆卸或者安装了。
四根支撑丝杆8-1、8-2、8-3和8-4上部设计有托盘，比如8-1-x、8-3-x。所述圆筒4下部外侧边缘与下部盖板11外侧边缘的相应位置设计有通孔，利用四根支撑丝杆8-1、8-2、8-3和8-4的顶部螺纹利用螺母将圆筒4和下部盖板11固定在一起。同时，利用四根支撑丝杆8-1、8-2、8-3和8-4穿过法兰14与四通15相应位置的通孔并固定。这样微波腔部分以及积分球5连同四通15一同构成了一个集冷却、微波场以及探测于一体的集成系统。
综上所述，本发明在能够很好的实现小型化冷原子钟里面的关键部分---冷却及微波作用，同时能够极大地降低制作工艺难度。
Claims (2)
1.一种用于小型化冷原子频标的积分球冷却和微波集成腔，其特征在于由积分球、柱形微波腔、法兰和四通接头通过支撑螺杆连接而成：
一个积分球（5）是一个石英球泡，在该石英球泡的外表面涂敷有高反射材料，该积分球（5）对称地设有上通光窗口（5-1）、下通光通孔（5-4）、左通光窗口（5-2）和右通光窗口（5-3），在所述的积分球的下通光通孔（5-4）处连接一根石英管（9）；
一个柱形微波腔由上盖板（2）、下盖板（11）和圆筒（4）围成，所述的上盖板（2）与所述的圆筒（4）的上端焊接在一起，该上盖板的圆板的中心向外垂直地接设一根上截止波导（1），所述的圆筒（4）的下沿向外横向延展一个圆边，该圆边有均匀分布的4个通孔；所述的下盖板（11）由两个半圆形板构成，该两个半圆形板合拢时的中心有通孔，该通孔的两边缘各焊接一个垂直向下的半圆筒形构成下截止波导（12），该下盖板（11）的周边设有均匀的4个通孔与所述的圆筒（4）的下沿周圆的4个通孔相对应，所述的上盖板（2）上配有腔频调谐螺钉（3），所述的下盖板（11）上面固定有微波耦合环以及耦合头（10），所述的圆筒（4）的两侧纵向中间位置对称地设有两个通光孔（6-1和6-2），并各自向外侧延伸出一段截止波导，该截止波导上分别有外螺纹，以便固定引导冷却光束的多模光纤头；
一个法兰盘（14），与所述的下盖板（11）的大小相同，与所述的下盖板（11）的通孔相对应的位置亦有均匀的4个通孔，该法兰盘（14）的中心有中心通孔（13），所述的石英管（9）与该中心通孔（13）的周边熔接，使所述的中心通孔（13）、石英管（9）、下通光通孔（5-4）和上通光窗口（5-1）同轴且与所述的法兰盘（14）相垂直；
一个具有正交的四个带法兰端口的四通接头（15），至少有一个端口的法兰具有与所述的法兰盘（14）相对应的4个连接通孔；
四根具有托盘的支撑丝杆（8-1、8-2、8-3和8-4），所述的法兰盘（14）与所述的四通接头（15）的4个连接通孔相对合后，所述的四根支撑丝杆（8-1、8-2、8-3和8-4）的下端穿过所述的连接通孔并用螺母将所述的法兰盘（14）和四通接头（15）连接在一起，将所述的下盖板（11）的两个半圆形板置于所述的积分球（5）下，使下盖板（11）的4个通孔套入所述的支撑丝杆并置放在托盘（8-1x、8-2x、8-3x和8-4x）上，然后将所述的微波腔的圆筒（4）的下沿圆边的4个通孔套在所述的支撑丝杆（8-1、8-2、8-3和8-4）上，再用螺母拧紧固定，所述的上截止波导（1）、积分球（5）、石英管（9）和下截止波导（12）同轴，所述的通光孔（6-2）左通光窗口（5-2）、右通光窗口（5-3）和通光孔（6-1）在同一条水平线上。
2.根据权利要求1所述的积分球冷却和微波集成腔，其特征在于所述的圆筒（4）的内壁、上盖板（2）的下表面和下盖板（11）的上表面均镀银。
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