CN105467822A - 一种小型cpt原子钟物理系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型CPT原子钟物理系统，属于原子频标技术领域，这种物理系统包括激光器部分和原子气室部分。激光器部分包括VCSEL激光管、小孔光阑和λ/4波片。原子气室部分包括原子气室、C场线圈、热敏电阻、低电磁薄膜电加热片和光电探测器。C场线圈采用反亥姆霍兹线圈结构实现。原子气室加热采用低电磁薄膜电加热片和高频交流电加热的加热方法。该系统采用真空绝热技术封装。该物理系统输出频率稳定度高、性能稳定、体积小、功耗低、成本低，特别适合应用于密封口位于圆柱面中心位置的玻璃型原子气室。

Description

一种小型CPT原子钟物理系统

技术领域

本发明涉及一种小型CPT原子钟物理系统，属于小型原子频标技术领域。

背景技术

原子钟，专业语言称为原子时间频率标准(简称原子频标，AtomicFrequencyStandard)，自1948年问世后，半个多世纪来原子钟的研究有了长足的发展。传统原子钟早已形成产业进入商业领域生产，并获得广泛的应用。特别在卫星导航和信息领域，例如GPS，北斗导航等，其控制核心器件便是原子钟。没有原子钟，要远距离定位到几十米、几米乃至几厘米根本无法想象。

1976年，Alzetta等人在使用两频率激光作用于Na原子团的实验中，首次发现了CPT现象。1982年，Thomas等人首先将CPT现象应用于原子钟，一改传统原子钟技术中的“态选择”和“态激发”技术，并将二者合二为一，不再使用微波谐振腔，从而使得原子钟的体积和功耗大幅降低，并且大大减少了光频移。鉴于易于小型化和高性能的特点，被动型CPT原子钟自1998年以后受到各国的重视。

目前，一种体积小、功耗低、重量轻的新型原子钟引起人们越来越多的关注。这种原子钟属于被动型CPT(相干布居数俘获，CoherentPopulationTrapping)原子钟，因为较传统原子钟省却了微波谐振腔，所以其体积小、重量轻和功耗低，非常适合应用于各种便携式电子设备中。也因为如此，被动型CPT原子钟的研究有了较快的发展和应用。

目前，被动型CPT原子钟物理系统多数采用准直透镜、光强衰减片来调节激光光强，原子气室部分采用螺线管结构的C场线圈，原子气室的加热器通常采用缠绕于原子气室的双股平行加热丝或置于原子气室侧面的MOS管，加热电流一般采用直流加热方式加热，且一般不采用真空绝热技术进行封装。这种结构的CPT原子钟物理系统有如下几个缺点：

1.在这种结构激光器中，准直透镜用来将具有发散角的线偏振光转化为平行线偏振光，要求VCSEL激光管的中心必须安置在准直透镜的焦点上，VCSEL激光管与准直透镜的距离较远，不易集成。

2.螺线管C场线圈用来产生与光传输路径平行的均匀磁场。磁场越均匀CPT信号越稳定，原子钟的频率稳定性越高。螺线管越长，产生的磁场越均匀，但由于原子气室长度有限，螺线管产生的磁场均匀性较差，且玻璃型原子气室制造工艺决定了其必然有一个突起的密封口，为了保证其两侧的透光性，应用在原子钟的玻璃型原子气室密封口位于圆柱面的中心位置，螺线管C场线圈必须避开该密封口，增大了原子气室部分的体积。

3.当原子气室采用直流加热方法加热时容易产生静电磁场，直接干扰原子气室内部的磁场，影响原子钟的频率稳定度。

4.由于整个物理系统未采用真空绝热封装技术，使得物理系统的散热较为严重，导致加热功率较高，原子钟的功耗也较大，而且原子气室温度容易受到外界环境温度的影响。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种适合应用于密封口位于圆柱面中心位置的玻璃型原子气室、输出频率性能稳定、体积小、功耗低、成本低的小型CPT原子钟物理系统。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种小型CPT原子钟物理系统，包括激光器部分和原子气室部分，其中：

激光器部分包括VCSEL激光管、小孔光阑和λ/4波片。VCSEL激光管、小孔光阑、λ/4波片通过固定支架依次连接，且VCSEL激光管发出的激光光斑、小孔光阑以及λ/4波片同轴放置，即VCSEL激光管发出的激光光斑、小孔光阑孔径中心以及λ/4波片中心位置在同一轴线上。采用小孔光阑可以紧贴VCSEL激光管和λ/4波片，激光器部分结构紧凑，大大缩短了VCSEL激光管与光电探测器的距离。

原子气室部分包括原子气室、C场线圈、热敏电阻、加热片和光电探测器，原子气室为密封口位于圆柱面中心位置的玻璃型原子气室，C场线圈采用反亥姆霍兹线圈结构，通过两个套筒固定在原子气室的两端，避开原子气室的密封口尖锥，加热片插在C场线圈套筒与原子气室的下部分狭缝中，有利于原子气室充分均匀加热，热敏电阻插在套筒与原子气室的上部分狭缝中，加热片和热敏电阻隔开放置，不相互接触，光电探测器放置在原子气室的末端；

激光器部分、原子气室和光电探测器依次通过双层磁屏蔽筒套装在一起，并且原子气室、光电探测器的中心位于激光器部分的轴线上，双层磁屏蔽筒外利用真空绝热封装技术完成小型CPT原子钟物理系统的绝热封装。

VCSEL激光器作为光源产生线偏振光，线偏振光经过调节激光光强的小孔光阑强度得到衰减，然后经过λ/4波片得到圆偏振光，圆偏振光照射在处于原子气室上，原子气室外的C场线圈用来产生平行于光传播方向的均匀磁场，在均匀磁场环境下，原子气室内的原子与激光相互作用，产生CPT现象，光电探测器探测到透过原子气室的CPT信号，进行光电转换输出电信号。

加热片为低电磁薄膜电加热片，由两片柔性薄膜材料组成，每片柔性薄膜材料上镀了一层“Z”型排列的金属加热丝，两片低电磁薄膜电加热片两面背对着完全贴合在一起，加热片中金属丝形成双股平行结构，通过并联或者串联的方式连接到加热片的电极处。低电磁薄膜电加热片采用高频交流电进行加热。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1)本发明采用反亥姆霍兹线圈作为C场线圈，这种结构的C场线圈与传统螺线管线圈相比能获得更加均匀的磁场分布，从而提高输出频率的稳定度，另外，这种结构的C场线圈通过两个套筒固定在玻璃型原子气室的两端，能避开密封口位于圆柱面中心位置的玻璃型原子气室密封口尖锥。

2)本发明使用低电磁薄膜电加热片对原子气室加热，两片加热片背对背完全贴合，加热片中金属丝形成双股平行结构，双股平行结构有效抵消加热电流之间产生的磁场，从而提高输出频率的稳定度。

3)本发明所使用的低电磁薄膜电加热片采用高频交流电加热不会产生静电磁场，能有效避免静电磁场对原子钟性能的影响，从而提高输出频率的稳定度。

4)本发明所使用的低电磁薄膜电加热片采用柔性薄膜材料组成，可以减小加热器的体积。

5)本发明采用小孔光阑实现调节激光光强的功能，使得原子钟光路简单，结构紧凑，成本低，易于小型化，工程化应用。

6)本发明对原子钟的物理系统采用真空绝热封装技术进行封装，能够阻隔热量向外扩散，有效解决原子气室的保温和恒温，大大降低原子钟的功耗。

附图说明

图1是本发明的一种小型CPT原子钟物理系统的结构原理图；

图2是本发明的反亥姆霍兹线圈结构图；

图3是本发明的低电磁薄膜电加热片结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明涉及一种小型CPT原子钟物理系统的结构原理图；图2是反亥姆霍兹线圈结构图；图3是低电磁薄膜电加热片结构图，图中只表示出了其中的一片，另一片与该面的布局完全一致，两片背对着完全贴合在一起。

如图1所示，本发明提供了一种小型CPT原子钟物理系统，该系统包括激光器部分和原子气室部分。其中：

激光器部分包括VCSEL激光管1、小孔光阑2和λ/4波片3；

原子气室部分包括原子气室7、C场线圈4、热敏电阻6、加热片5和光电探测器。

下面具体说明该小型CPT原子钟物理系统的制作过程：

1)将VCSEL激光管1与小孔光阑2和λ/4波片3通过固定支架依次连接在一起，使VCSEL激光管产生的激光光斑、小孔光阑2中心孔以及λ/4波片3中心位置放置在同一轴线上。小孔光阑可以采用多种低成本轻薄材料制成，如纸片或薄膜，采用这种材料的小孔光阑厚度可以小至几十微米，并且可以紧贴VCSEL激光管和λ/4波片，这样，激光器部分结构紧凑，大大缩短VCSEL激光管与光电探测器的距离，整个原子钟物理系统的体积大大减小。

2)旋转λ/4波片3使VCSEL激光管1出射光的偏振光方向与λ/4波片3的快轴方向的夹角大致为45。，同时通过调节小孔光阑2的出光孔径大小来调节激光光强，光电探测器获得电信号输出，并且直到原子气室7内部得到比较明显的CPT现象、光电探测器8的光电流输出在线性范围内正常工作。

3)在原子气室7的外部安装C场线圈4，用来产生与光传输路线平行的均匀磁场。C场线圈4采用反亥姆霍兹线圈结构，如图2所示：该反亥姆霍兹线圈结构C场线圈4通过两个套筒41固定在玻璃型原子气室的两端，线圈42直接缠绕在两个独立套筒41上，通于同向电流时可产生均匀分布磁场，提高原子钟输出频率的稳定度。这种结构避开原子气室的密封口尖锥，特别适合应用于密封口位于圆柱面中心位置的玻璃型原子气室。

4)在套筒41与原子气室7的下部分狭缝中插入低电磁薄膜电加热片5。低电磁薄膜电加热片5由两片柔性薄膜材料(如塑料薄膜)52组成，如图3所示，每片柔性薄膜材料上镀了一层“Z”型排列的金属加热丝53，两片低电磁薄膜电加热片5两面背对着完全贴合在一起，通过并联或者串联的方式连接到加热片的电极51处。这种双股平行结构有效抵消加热电流之间产生的磁场，从而提高原子钟输出频率的稳定度。可以根据所需要的加热时间长短决定电阻阻值，以此选择金属加热丝的粗细、长短和连接方式。

5)在套筒41与原子气室7的上部分狭缝中插入热敏电阻6。通过低电磁薄膜电加热片5及热敏电阻6的温度反馈，加热电流采用高频电流进行加热，原子气室7的温度控制电路通过热敏电阻6的实时反馈和对加热片5的闭环控制保持原子气室7的温度稳定，温度控制得越稳定原子钟的性能越稳定，特别是将温度长期控制在尽量小的范围内可以获得CPT原子钟优良的长期频率稳定度，同时并有效减小因加热电流产生的附加磁场对原子气室7内原子造成影响。此外，采用高频交流电加热不会产生静电磁场，能有效避免静电磁场对原子钟性能的影响，从而提高输出频率的稳定性。

6)在原子气室7末端放置光电探测器8。调整VCSEL激光管1出光口、小孔光阑2、λ/4波片3、原子气室7和光电探测器8的中心位置，保持各个部件的中心位置在同一轴线上。

7)把调节好的激光器部分和原子气室部分套在坡莫合金材质且双层设计的磁屏蔽筒内，并利用真空绝热封装技术完成小型CPT原子钟物理系统的绝热封装。这种封装技术能够阻隔热量向外扩散，有效解决原子气室的保温和恒温，大大降低原子钟的功耗。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种小型CPT原子钟物理系统，其特征在于包括激光器部分和原子气室部分，其中：

激光器部分包括VCSEL激光管(1)、小孔光阑(2)和λ/4波片(3)，VCSEL激光管(1)、小孔光阑(2)、λ/4波片(3)通过固定支架依次连接，且VCSEL激光管发出的激光光斑、小孔光阑(2)以及λ/4波片(3)同轴放置；

原子气室部分包括原子气室(7)、C场线圈(4)、热敏电阻(6)、加热片(5)和光电探测器(8)，原子气室(7)为密封口位于圆柱面中心位置的玻璃型原子气室，C场线圈(4)采用反亥姆霍兹线圈结构，通过两个套筒固定在原子气室(7)的两端，避开原子气室的密封口尖锥，加热片(5)插在C场线圈套筒(41)与原子气室(7)的下部分狭缝中，热敏电阻(6)插在套筒(41)与原子气室(7)的上部分狭缝中，加热片(5)和热敏电阻(6)隔开放置，不相互接触，光电探测器(8)放置在原子气室(7)的末端；

激光器部分、原子气室(7)和光电探测器(8)依次通过双层磁屏蔽筒套装在一起，并且原子气室(7)、光电探测器(8)的中心位于激光器部分的轴线上；

VCSEL激光器作为光源产生线偏振光，线偏振光经过调节激光光强的小孔光阑(2)强度得到衰减，然后经过λ/4波片(3)得到圆偏振光，圆偏振光照射在原子气室(7)上，原子气室(7)外的C场线圈(4)用来产生平行于光传播方向的均匀磁场，在均匀磁场环境下，原子气室(7)内的原子与激光相互作用，产生CPT现象，光电探测器探测透过原子气室(7)的CPT信号，进行光电转换输出电信号。

2.根据权利要求1所述的一种小型CPT原子钟物理系统，其特征在于：所述加热片(5)为低电磁薄膜电加热片，由两片柔性薄膜材料(52)组成，每片柔性薄膜材料上镀了一层“Z”型排列的金属加热丝(53)，两片低电磁薄膜电加热片两面背对着完全贴合在一起，加热片中金属丝(53)形成双股平行结构，通过并联或者串联的方式连接到加热片(5)的电极(51)处。

3.根据权利要求2所述的一种小型CPT原子钟物理系统，其特征在于：所述低电磁薄膜电加热片采用高频交流电加热。

4.根据权利要求1所述的一种小型CPT原子钟物理系统，其特征在于：所述双层磁屏蔽筒外利用真空绝热封装技术完成物理系统的绝热封装。

5.根据权利要求1所述的一种小型CPT原子钟物理系统，其特征在于：通过调节所述小孔光阑的孔径来调节偏振光的光强。