CN105372981A - 一种铯cpt原子钟物理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铯CPT原子钟物理系统，采用模块化设计，实现VCSEL激光器、光路部分和原子共振吸收系统集成封装；准直透镜由微透镜组构成，实现透镜组焦距可调，及VCSEL激光器与透镜组间距细微调整，可得到理想的准直光束；原子共振吸收腔实现光路部分和原子共振系统集成，其中MEMS气室支架实现MEMS气室与光电探测器的集成，对杂散磁场采用分层磁屏蔽设计，有效的抑制了外部杂散磁场对原子系统的干扰；结合铯原子饱和蒸汽压的特性进行局部加热、局部保温设计，提高了加热效率、降低了系统的功耗。

Description

一种铯CPT原子钟物理系统
技术领域
本发明涉及CPT磁力仪技术领域，尤其涉及一种以铯为工作原子的CPT原子钟的物理系统。
背景技术
随着CPT物理现象发现和应用，出现了CPT原子钟、CPT陀螺仪、CPT磁力仪等量子技术。被动型CPT原子钟不需要微波谐振腔，由于没有微波谐振腔的尺寸限制，可实现原子钟的微型化、乃至芯片化，组成包括电路和物理两个部分，电路部分包括激光波长锁定电路、阻抗匹配模块、微波锁定电路和系统控温等；物理系统包括VCSEL激光器、准直透镜组件、1/4波片组件和原子共振吸收腔等。
微型CPT原子钟在卫星平台和有效载荷方面可以替代石英晶体振荡器，小卫星/微小卫星平台可以以微型CPT原子钟为核心，构建时钟单元和有效载荷的时间频率源，提高小卫星/微小卫星的时间同步、时差/频差测量、测距、测速和通信等能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种铯CPT原子钟物理系统，采用模块化设计，实现微波阻抗匹配装置与VCSEL激光器地一体化封装设计，完成了VCSEL激光器组件、准直透镜组件和原子共振吸收腔组件地微型化设计。
一种铯CPT原子钟物理系统，包括机壳(1)以及在机壳(1)内部顺次排布的激光器组件、准直透镜组件和原子共振腔组件，其中，定义激光器组件一侧为后端，原子共振腔组件一侧为前端；
所述激光器组件包括VCSEL激光器(3)、阻抗匹配模块(22)以及两个固定支架；所述两个固定支架中的前固定支架(5)固定在所述机壳(1)内壁上，所述VCSEL激光器(3)固定在前固定支架(5)内，所述两个固定支架中的后固定支架(2)从VCSEL激光器(3)后端一侧固定在前固定支架(5)上，实现所述VCSEL激光器(3)的封装固定；所述阻抗匹配模块(22)固定在所述后固定支架(2)的后端面上，并通过后端面的开孔与VCSEL激光器(3)连接；
所述准直透镜组件包括准直透镜支架(6)、微透镜组(7)、管壳(8)以及紧固螺杆(9)；所述微透镜组(7)置于管壳(8)内部，所述紧固螺杆(9)从一端装进所述管壳(8)中，并对微透镜组(7)进行固定；组装后的所述管壳(8)连接在准直透镜支架(6)上；所述准直透镜支架(6)固定在所述机壳(1)的内壁上，且所述VCSEL激光器(3)光轴与微透镜组(7)光轴共轴；
所述原子共振腔组件包括原子共振吸收腔屏蔽壳(12)、1/4波片(13)、波片支架(14)、MEMS气室(17)、C场线圈(18)、MEMS气室磁屏蔽层(19)、光电探测器(20)以及MEMS气室支架(21)；
所述MEMS气室支架(21)为空腔结构，空腔内壁具有凸沿；所述MEMS气室(17)从MEMS气室支架(21)一端嵌入其内部后，与所述凸沿一侧固定；所述光电探测器(20)从MEMS气室支架(21)另一端嵌入其内部后，与所述凸沿另一侧固定；所述C场线圈(18)缠绕在MEMS气室支架(21)的外表面上，完成MEMS气室支架(21)的装配；
装配好的所述MEMS气室支架(21)固定在所述原子共振吸收腔屏蔽壳(12)内，其中，MEMS气室(17)朝向所述微透镜组(7)一侧；所述1/4波片(13)通过波片支架(14)固定在所述原子共振吸收腔屏蔽壳(12)内的MEMS气室(17)后端；
所述MEMS气室支架(21)的外围设置有MEMS气室磁屏蔽层(19)。
较佳的，阻抗匹配模块(22)与VCSEL激光器(3)的引脚焊接在一起。
较佳的，所述管壳(8)通过前后可调的方式连接在所述准直透镜支架(6)上。
较佳的，所述管壳(8)通过螺纹与所述准直透镜支架(6)连接。
进一步的，还包括设置在MEMS气室支架(21)与波片支架(14)之间的MEMS气室垫片(16)。
进一步的，还包括波片垫片(11)，与1/4波片(13)一同固定于波片支架(14)内。
所述MEMS气室(17)采用Cs133为工作原子。
所述MEMS气室磁屏蔽层(19)外表面设置MEMS气室(17)的保温加热层(15)。
所述MEMS气室磁屏蔽层(19)为与所述MEMS气室支架(21)外轮廓对应的空腔，朝向1/4波片(13)的侧面上开有允许激光通过的开孔。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用模块化设计，实现VCSEL激光器、光路部分和原子共振吸收系统集成封装，各模块间相互独立，物理系统组装简单、便于生产调试；准直透镜组件采用若干个微透镜组合，相比传统准直透镜，实现了准直透镜焦距可调整，增加了准直透镜组件灵活性和调整范围；VCSEL激光器组件实现了与阻抗匹配模块的集成，减小了微波信号的传输损耗，简化了阻抗匹配电路的设计与调整；
(2)采用Cs133为原子气室工作原子，由于Cs133具有较高的饱和蒸汽压，可采用微小型薄膜加热器对MEMS原子气室支架加热，实现加热装置的微小型和低功耗；Cs133基态能级裂距大于Rb87、Rb85，采用Cs133为工作原子的CPT原子钟可以得到更高的稳定度。
附图说明
图1为本发明的铯CPT原子钟物理系统的结构图。
图2为MEMS气室支架、MEMS气室以及光电探测器的组装结构图。
图3为1/4波片、波片支架以及波片垫片的组装结构图。
图4(a)为MEMS气室磁屏蔽层的结构示意图中的正视图。
图4(b)为MEMS气室磁屏蔽层的结构示意图中的D-D剖面图。
其中，1—机壳、2—后固定支架、3—VCSEL激光器、5—前固定支架、6—准直透镜支架、7—微透镜组、8—管壳、9—紧固螺杆、11—波片垫片、12—原子共振吸收腔屏蔽壳、13—1/4波片、14—波片支架、15—保温加热层、16—MEMS气室垫片、17—MEMS气室、18—C场线圈、19—MEMS气室磁屏蔽层、20—光电探测器、21—MEMS气室支架、22—阻抗匹配模块。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所述，为铯CPT原子钟物理系统整体剖面，物理系统包括VCSEL激光器组件、准直透镜组件和原子共振吸收腔。
1.VCSEL激光器组件：
VCSEL激光器组件由后固定支架2、VCSEL激光器3、前固定支架5和阻抗匹配模块22组成；前固定支架5固定在机壳1内壁上；VCSEL激光器3装入前固定支架5内；用螺钉将后固定支架2从VCSEL激光器3后端一侧固定在前固定支架5上，实现VCSEL激光器3的封装。阻抗匹配模块22固定在所述后固定支架2的后端面上，并通过后端面的开孔与VCSEL激光器3的正、负引脚连接在一起；阻抗匹配模块22与VCSEL激光器3的采用焊接方式连接，经过测试再对阻抗匹配模块22集总参数元件及微带线进行迭代化调整。由此，完成激光器组件与物理系统的机壳1地固定安装。其中，VCSEL激光器3用于产生线偏振光。
2.准直透镜支架组件设计：
准直透镜支架组件由准直透镜支架6、微透镜组7、透镜安装管壳8、紧固螺杆9组成；若干个微透镜形成微透镜组7，焦距由微透镜的组合方式确定；所述微透镜组7置于管壳8内部，所述紧固螺杆9从一端装进所述管壳8中，并对微透镜组7进行固定；组装后的所述管壳8连接在准直透镜支架6；所述准直透镜支架6固定在所述机壳1的内壁上，保证所述VCSEL激光器3和微透镜组7共光轴；所述管壳8通过前后可调的方式连接在所述准直透镜支架6上，具体采用螺纹连接，可实现微透镜组7与VCSEL激光器3的间距细微调整。
调整微透镜组7的组合方式，直至准直光束光斑直径与光电探测器20匹配。微透镜组7将VCSEL激光器3产生的线偏振光进行光斑大小调整，使其与MEMS气室17的大小匹配。
3.原子共振腔组件设计
原子共振吸收腔由波片垫片11、原子共振吸收腔屏蔽壳12、1/4波片13、波片支架14、保温加热层15、MEMS气室垫片16、MEMS气室17、C场线圈18、MEMS气室磁屏蔽层19、光电探测器20、MEMS气室支架21组成；
如图2所示，MEMS气室支架21实现MEMS气室17、光电探测器20和C场线圈18的集成；所述MEMS气室支架21为空腔结构，空腔内壁具有一圈凸沿；所述MEMS气室17从MEMS气室支架21一端嵌入其内部后，与所述凸沿一侧端面固定；所述光电探测器20从MEMS气室支架21另一端嵌入其内部后，与所述凸沿另一侧端面固定；所述C场线圈18缠绕在MEMS气室支架21的外表面上。
如图3所示，波片支架14实现1/4波片13、波片垫片11的组装，波片垫片11与1/4波片13一同固定于波片支架14内，防止1/4波片13晃动。1/4波片13通过波片支架14，固定在所述原子共振吸收腔屏蔽壳12内的MEMS气室17后端。
如图4所示，将组装完成的MEMS气室组件和波片支架14依次装入MEMS气室磁屏蔽19层内；所述MEMS气室磁屏蔽层19为与所述MEMS气室支架21外轮廓对应的方形空腔，朝向1/4波片13的侧面上开有激光通过的开孔。将组装好的MEMS气室支架21和波片支架14依次装入MEMS气室磁屏蔽层内，在MEMS气室磁屏蔽层19的外表面设置粘贴薄膜加热器和保温层作为保温加热层15，通过热传导对MEMS气室17进行加热。
1/4波片13将VCSEL激光器3的线偏振光变为圆偏振光后，照射MEMS气室17，产生CPT现象。其中，光电探测器20用于探测MEMS气室17内的透射的激光。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，包括机壳(1)以及在机壳(1)内部顺次排布的激光器组件、准直透镜组件和原子共振腔组件，其中，定义激光器组件一侧为后端，原子共振腔组件一侧为前端；
所述激光器组件包括VCSEL激光器(3)、阻抗匹配模块(22)以及两个固定支架；所述两个固定支架中的前固定支架(5)固定在所述机壳(1)内壁上，所述VCSEL激光器(3)固定在前固定支架(5)内，所述两个固定支架中的后固定支架(2)从VCSEL激光器(3)后端一侧固定在前固定支架(5)上，实现所述VCSEL激光器(3)的封装固定；所述阻抗匹配模块(22)固定在所述后固定支架(2)的后端面上，并通过后端面的开孔与VCSEL激光器(3)连接；
所述准直透镜组件包括准直透镜支架(6)、微透镜组(7)、管壳(8)以及紧固螺杆(9)；所述微透镜组(7)置于管壳(8)内部，所述紧固螺杆(9)从一端装进所述管壳(8)中，并对微透镜组(7)进行固定；组装后的所述管壳(8)连接在准直透镜支架(6)上；所述准直透镜支架(6)固定在所述机壳(1)的内壁上，且所述VCSEL激光器(3)光轴与微透镜组(7)光轴共轴；
所述原子共振腔组件包括原子共振吸收腔屏蔽壳(12)、1/4波片(13)、波片支架(14)、MEMS气室(17)、C场线圈(18)、MEMS气室磁屏蔽层(19)、光电探测器(20)以及MEMS气室支架(21)；
所述MEMS气室支架(21)为空腔结构，空腔内壁具有凸沿；所述MEMS气室(17)从MEMS气室支架(21)一端嵌入其内部后，与所述凸沿一侧固定；所述光电探测器(20)从MEMS气室支架(21)另一端嵌入其内部后，与所述凸沿另一侧固定；所述C场线圈(18)缠绕在MEMS气室支架(21)的外表面上，完成MEMS气室支架(21)的装配；
装配好的所述MEMS气室支架(21)固定在所述原子共振吸收腔屏蔽壳(12)内，其中，MEMS气室(17)朝向所述微透镜组(7)一侧；所述1/4波片(13)通过波片支架(14)固定在所述原子共振吸收腔屏蔽壳(12)内的MEMS气室(17)后端；
所述MEMS气室支架(21)的外围设置有MEMS气室磁屏蔽层(19)。
2.如权利要求1所述的一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，阻抗匹配模块(22)与VCSEL激光器(3)的引脚焊接在一起。
3.如权利要求1所述的一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述管壳(8)通过前后可调的方式连接在所述准直透镜支架(6)上。
4.如权利要求3所述的一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述管壳(8)通过螺纹与所述准直透镜支架(6)连接。
5.如权利要求1所述的一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，还包括设置在MEMS气室支架(21)与波片支架(14)之间的MEMS气室垫片(16)。
6.如权利要求1所述的一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，还包括波片垫片(11)，其与1/4波片(13)一同固定于波片支架(14)内。
7.如权利要求1所述的一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述MEMS气室(17)采用Cs133为工作原子。
8.如权利要求1所述的一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述MEMS气室磁屏蔽层(19)外表面设置MEMS气室(17)的保温加热层(15)。
9.如权利要求1所述的一种铯CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述MEMS气室磁屏蔽层(19)为与所述MEMS气室支架(21)外轮廓对应的空腔，朝向1/4波片(13)的侧面上开有允许激光通过的开孔。
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