CN105467821A - 一种相干布居囚禁原子钟的物理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相干布居囚禁原子钟的物理系统，所述物理系统包括：在空间上分离设置的激光发射单元和物理单元。其中，激光发射单元包括：激光发射器基板、设于激光发射器基板上的激光发射器、设于激光发射器基板上且分布于激光发射器周围的金属导热构件、以及处于激光发射器所发射的光源形成的光路上的衰减片。物理单元包括：四分之一波片、吸收泡、光电池、光电池基板、金属导热层、磁场线圈、磁屏蔽层、磁屏蔽层顶盖、保温层以及数据传输线。通过采用本发明的物理系统，使得其中的激光发射单元和物理单元，在空间上实现分离，也就不会出现热能传递的现象，从而保证了原子钟的工作稳定性。

Description

一种相干布居囚禁原子钟的物理系统

技术领域

本发明涉及原子钟领域，尤其涉及一种相干布居囚禁(CoherentPopulationTrapping，CPT)原子钟的物理系统。

背景技术

原子钟是一种精密时间计量仪器，广泛应用于定位、导航、通信、军事等多个领域。其中，CPT原子钟是一种小型化原子钟，由于其体积小、重量轻、功率消耗小等优点，大大扩充了原子钟的应用领域。

现有技术中，CPT原子钟利用设定频率的激光与处于“超精细能级”的原子的相互作用，获得与原子的超精细能级相匹配的时钟信号。具体而言，CPT原子钟功能的实现，主要依赖于其内部的物理系统：通过合理的控制物理系统内的激光发射器的温度和注入的电流，可以使得激光发射器向物理系统内填充有原子气体的吸收泡发射相位差恒定的激光，使得原子被“布居囚禁”在基态的超精细能级上，并由物理系统中设置的光电传感器获得相应的数据，并配合外围电路和功能器件，最终得到精密的时钟信号。

对于现有的CPT原子钟的物理系统而言，其中的激光发射器、吸收泡等器件所在区域的工作温度并不相同，但是，现有的物理系统又是整体系统，在对其中不同的区域进行加热后，会由于不同区域的工作温度不同从而产生温差，热量将从温度较高的区域传递到温度较低的区域中，形成干扰，导致最终获得的计量结果不准确。

发明内容

本发明实施例提供一种相干布居囚禁原子钟的物理系统，用以解决现有的物理系统存在温度干扰的问题。

本发明提供一种相干布居囚禁原子钟的物理系统，所述物理系统包括：在空间上分离设置的激光发射单元和物理单元；其中：

所述激光发射单元包括：激光发射器基板、设于该激光发射器基板上的激光发射器、设于所述激光发射器基板上且分布于所述激光发射器周围的金属导热构件、以及处于所述激光发射器所发射的光源形成的光路上的衰减片；

所述物理单元包括：四分之一波片、吸收泡、光电池、光电池基板、金属导热层、磁场线圈、磁屏蔽层、磁屏蔽层顶盖、保温层以及数据传输线；

所述四分之一波片、吸收泡、光电池、光电池基板处于所述激光发射器所发射的光源形成的光路上；所述金属导热层分布于所述吸收泡周围，且在所述金属导热层外侧设有磁场线圈；所述磁屏蔽层设于所述磁场线圈以及光电池基板外侧，并与磁屏蔽层顶盖组合；所述保温层设置于所述磁屏蔽层以及磁屏蔽层顶盖的外侧，所述数据传输线连接于所述光电池基板，并通过所述磁屏蔽层顶盖和所述保温层的通孔，连接于外部电路，用于传输光电数据。

进一步地，所述吸收泡为冷粘接工艺制成的立方体吸收泡。

进一步地，所述物理单元还包括：设置于所述保温层外侧的磁屏蔽外壳。

进一步地，在所述磁屏蔽外壳的外侧还设有磁屏蔽外壳罩。

进一步地，所述物理单元还包括：第一热敏电阻，设置于所述金属导热层中，用于根据所述金属导热层中的温度生成电信号传输至外部电路，以使得所述外部电路根据电信号进行温度控制；第二热敏电阻，设置于所述保温层中，用于根据保温层中的温度生成电信号发送至外部电路，以使得所述外部电路根据所述电信号监控所述物理单元的工作温度；功率管，与所述金属导热层相连接，用于提供热能，并通过所述金属导热层为所述吸收泡导热。

进一步地，所述物理单元通过非焊接方式组装形成。

通过采用本发明的相干布居囚禁原子钟的物理系统，使得其中的激光发射单元和物理单元，在空间上实现分离，基于此结构，当原子钟在实际使用的过程中，激光发射单元和物理单元可以各自分别进行加热，达到各自所需的工作温度，由于是空间隔离，也就不会出现热能传递的现象，从而保证了原子钟的工作稳定性。

除此之外，上述的物理系统还可以达到如下效果：

立方体吸收泡采用特硬石英玻璃冷粘接工艺研制而成，透光性好，气密性高，使用寿命长，且立方体的形状也便于组装。

内外两层磁屏蔽可以更好地消除地磁干扰和外界电磁场影响，同时，两层金属磁屏蔽结构也增强了物理系统的物理特性，使物理系统更牢固，抵抗冲撞和震动的能力增强，提高产品的性能和质量。

组件均采用分离式，紧凑组装，不需要焊接和特殊加工工艺，适合于标准化的工业化生产。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种相干布居囚禁原子钟的物理系统的结构示意图；

图2为图1所示的物理系统内的物理单元的立体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，为本发明实施例提供的一种相干布居囚禁原子钟的物理系统D1的结构示意图，具体地，相干布居囚禁原子钟的物理系统D1包括：在空间上分离设置的激光发射单元10和物理单元20。在本发明实施例中，空间上分离是指激光发射单元10和物理单元20在结构上并非统一整体，即在结构上各自独立，而在功能上可看作一个整体，共同实现物理系统的功能。

更为具体地，激光发射单元10包括：激光发射器基板101、设于激光发射器基板101上的激光发射器102、设于激光发射器基板101上且分布于激光发射器102周围的金属导热构件103、以及处于激光发射器102所发射的光源形成的光路上的衰减片104。

本发明实施例中的激光放射器102具体可以是垂直腔面发射激光器(VerticalCavitySurfaceEmittingLaser，VCSEL)，激光发射器基板101，具体可以是VCSEL基板。

物理单元20包括：四分之一波片201、吸收泡202、光电池203、光电池基板204、金属导热层205、磁场线圈206、磁屏蔽层207、磁屏蔽层顶盖208、保温层209以及数据传输线210。

进一步地，四分之一波片201、吸收泡202、光电池203、光电池基板204处于激光发射器102所发射的光源形成的光路上；金属导热层205分布于吸收泡202周围，且在金属导热层205外侧设有磁场线圈206；磁屏蔽层207设于磁场线圈206以及光电池基板204外侧，并与磁屏蔽层顶盖208组合；保温层209设置于磁屏蔽层207以及磁屏蔽层顶盖208的外侧，数据传输线210连接于光电池基板204，并通过磁屏蔽层顶盖208和保温层209的通孔，连接于外部电路，用于传输光电数据。

其中，上述的光电池203用作光电传感器，实际应用时也可以采用其它光电元件作为光电传感器。数据传输线210具体可以是一种软排线。这里并不构成对本发明的限定。

需要说明的是，在本发明实施例中，正是基于上述的空间分离结构，当物理系统D1进入工作状态后，外部电路对激光发射单元10和物理单元20进行加热时，即使激光发射单元10和物理单元20之间具有温差，也不会相互影响，可以认为，激光发射单元10和物理单元20在空间上分离，保证了各自工作温度的稳定性，进一步保证了物理系统D1可以得到准确的光电数据，可最大程度降低或避免最终输出的精确时钟信号出现误差。

除了上述的空间分离结构不同于现有技术外，基于如图1所示的物理系统D1，其物理单元20中的吸收泡202也与现有技术中不同，具体而言，在现有技术中，物理系统内设置的吸收泡通常为玻璃材料，采用吹制工艺制成圆形泡状结构，并在该泡状结构中注入原子气体，之后将该圆形泡状结构加热密封，从而制成圆形吸收泡。但是，现有的吸收泡由于其吹制工艺的限制，导致制成的吸收泡的尺寸较大，并不利于物理系统的微型化，且较大尺寸的吸收泡在加热过程中，需要消耗较多的热能，也即，功耗较大；此外，具有弧度的吸收泡在透光的过程中，可能产生折射等现象，会影响光电传感器所接收到的光电数据的准确性。

因此，在本发明实施例中，吸收泡202为采用冷粘结技术制成的立方体吸收泡。具体而言，作为本发明实施例中的一种方式，可以在不加热的条件下，使用微型玻璃片粘接形成立方体结构，注入相应的原子气体，之后使用微型玻璃片密封形成立方体型的吸收泡。

需要说明的是，采用立方体结构的吸收泡，在其制备方式的支持下，使得立方体吸收泡可以较易形成微型结构，有利于实现微型化的物理系统，并减少功耗，同时，由于是吸收泡是立方体结构，透光性好，并不会发生光线折射的现象，从而保证了光电传感器所得到的光电数据的准确性。

注入至吸收泡202中的原子气体，具体可以是铷原子、铯原子等碱金属原子的气体，这里并不构成对本发明的限定。

另外，在本发明实施例中，如图1所示的物理单元20中，具体还包括：设置于所述保温层外侧的磁屏蔽外壳211，并在磁屏蔽外壳211的外侧还设有磁屏蔽外壳罩212。

磁屏蔽外壳211与磁屏蔽层207(配合磁屏蔽层顶盖208)形成了双重磁屏蔽的保护，这将有效降低或避免外部的磁干扰，使得物理系统D1的运行更加稳定。并且，磁屏蔽外壳211与磁屏蔽层207属于金属结构，配合磁屏蔽外壳罩208，将使得物理单元20的整体结构更加牢固，抵抗冲撞和震动的能力增强。

如图2所示，为物理单元20的立体结构，在图2中可见，物理单元20中还包括：第一热敏电阻213，设置于金属导热层205中，用于根据金属导热层205中的温度生成电信号传输至外部电路，以使得外部电路根据电信号进行温度控制。

第二热敏电阻214，设置于保温层209中，用于根据保温层209中的温度生成电信号发送至外部电路，以使得外部电路根据所述电信号监控物理单元20的工作温度。

功率管215，与金属导热层205相连接，用于提供热能，并通过金属导热层205为吸收泡202导热。

当然，在本发明实施例上述内容中提及的外部电路并未在图中示出，这里并不构成对本发明的限定。

在图1和图2所示的物理系统D1结构的基础上，本发明实施例中的物理系统D1的工作过程如下：

VCSEL基板101(也就是上述的激光发射器基板101)导出VCSEL102(也就是上述的激光发射器101)的温度信号，导入加热电流和驱动电流，金属导热构件103导热使VCSEL102的热分布均衡，衰减片104衰减激光光强防止吸收泡202中原子吸收饱和，四分之一波片201将VCSEL102输出的线偏振光转化为圆偏振光，磁屏蔽顶盖208和磁屏蔽层207组成封闭的内磁屏蔽层，磁场线圈206产生空间恒定静磁场，金属导热层205将功率管215的热量均衡分布，磁屏蔽外壳罩212和磁屏蔽外壳211组成外磁屏蔽层，保温层209减小物理单元20内的热量散失，光电池203将光信号转化为电流信号，光电池基板204将电流信号、磁场线圈引线、热敏电阻引线从物理单元20内部通过软排线210导出，功率管215为物理单元20加热。

还需要说明的是，在本发明实施例中，物理单元20通过非焊接方式组装形成。换言之，物理单元20内的组件均采用分离式结构，在组装的过程中无需采用焊接或特殊加工工艺。

针对本发明实施例中的物理单元20，具体可以采用下述方式进行组装：

吸收泡202装入金属导热层205中，在金属导热层205外围缠绕磁场线圈206，功率管215贴在金属导热层205的一侧，第一热敏电阻213和第二热敏电阻214粘贴在探测处，光电池203粘贴在光电池基板204上，并将热敏电阻引线、磁场线圈引线接在光电池基板204上，通过软排线210导出，光电池基板204固定在吸收泡202的出光口。

将上述结构装入磁屏蔽层207中，加盖磁屏蔽层顶盖208，组成内磁屏蔽层，在外层套上保温层209，保温层209的入光口放入四分之一波片201，最外层装上磁屏蔽外壳211，罩上磁屏蔽外壳罩212。至此，完成物理单元20的组装。

综上所述，本发明中的CPT原子中的物理系统可以达到如下效果：

1、立方体吸收泡采用特硬石英玻璃冷粘接工艺研制而成，透光性好，气密性高，使用寿命长，且立方体的形状也便于组装。

2、由于激光发射单元和物理单元都需要加热，而且工作的温度不一致，两者在空间上分离可以消除相互之间的温度干扰，提高温度稳定性。

3、内外两层磁屏蔽可以更好地消除地磁干扰和外界电磁场影响，同时，两层金属磁屏蔽结构也增强了物理系统的物理特性，使物理系统更牢固，抵抗冲撞和震动的能力增强，提高产品的性能和质量。

4、组件均采用分离式，紧凑组装，不需要焊接和特殊加工工艺，适合于标准化的工业化生产。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。

Claims (6)

1.一种相干布居囚禁原子钟的物理系统，其特征在于，所述物理系统包括：在空间上分离设置的激光发射单元和物理单元；其中：

所述激光发射单元包括：激光发射器基板、设于该激光发射器基板上的激光发射器、设于所述激光发射器基板上且分布于所述激光发射器周围的金属导热构件、以及处于所述激光发射器所发射的光源形成的光路上的衰减片；

所述物理单元包括：四分之一波片、吸收泡、光电池、光电池基板、金属导热层、磁场线圈、磁屏蔽层、磁屏蔽层顶盖、保温层以及数据传输线；

所述四分之一波片、吸收泡、光电池、光电池基板处于所述激光发射器所发射的光源形成的光路上；所述金属导热层分布于所述吸收泡周围，且在所述金属导热层外侧设有磁场线圈；所述磁屏蔽层设于所述磁场线圈以及光电池基板外侧，并与磁屏蔽层顶盖组合；所述保温层设置于所述磁屏蔽层以及磁屏蔽层顶盖的外侧，所述数据传输线连接于所述光电池基板，并通过所述磁屏蔽层顶盖和所述保温层的通孔，连接于外部电路，用于传输光电数据。

2.如权利要求1所述的物理系统，其特征在于，所述吸收泡为冷粘接工艺制成的立方体吸收泡。

3.如权利要求1所述的物理系统，其特征在于，所述物理单元还包括：设置于所述保温层外侧的磁屏蔽外壳。

4.如权利要求3所述的物理系统，其特征在于，在所述磁屏蔽外壳的外侧还设有磁屏蔽外壳罩。

5.如权利要求1所述的物理系统，其特征在于，所述物理单元还包括：第一热敏电阻，设置于所述金属导热层中，用于根据所述金属导热层中的温度生成电信号传输至外部电路，以使得所述外部电路根据电信号进行温度控制；第二热敏电阻，设置于所述保温层中，用于根据保温层中的温度生成电信号发送至外部电路，以使得所述外部电路根据所述电信号监控所述物理单元的工作温度；功率管，与所述金属导热层相连接，用于提供热能，并通过所述金属导热层为所述吸收泡导热。

6.如权利要求1～5中任一所述的物理系统，其特征在于，所述物理单元通过非焊接方式组装形成。