CN105870775B - 一种用于激光锁频的一体化惰性气体频率基准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明采用射频气体放电方式，提供一种用于激光锁频的一体化惰性气体频率基准装置。采用样品气体容器与射频放电系统一体化设计，充分利用真空腔室的结构实现系统的小型化和集成化。该方案由外层高真空腔室和内层射频气体放电两部分组成，其相隔部分由玻璃或陶瓷管实现电气绝缘；内层射频放电系统由螺旋放电线圈套装在玻璃或陶瓷管上实现定位和固定；螺旋线圈的信号输入与接地连接在真空法兰上；光学窗口采用焊接的方式固定在法兰面上；采用吸附泵提高系统真空度，延长使用寿命；采用可拆卸接口，可填充其他样品以用于多种激光锁频的基准。采用不锈钢真空腔室的设计，可避免玻璃材料样品参考池易碎、以及石英晶体对氦气的较高的渗透率等问题。

Description

一种用于激光锁频的一体化惰性气体频率基准装置
技术领域
本发明涉及一种利用气体样品容器与射频放电系统一体化设计的亚稳态惰性气体频率基准装置，提供用于激光器锁频的原子频率基准。
背景技术
超窄线宽、超稳定波长激光器的研制是激光光谱研究的一个热点领域，可应用于超精密光谱测量、时间频率标准等领域。激光器的输出波长必须锁定在确定的频率参考标准上才能实现长期的稳定性和可重现性，采用原子能级跃迁的频率作为激光锁频参考标准是一个很好的选择。碱金属原子(比如钠、铷、铯)和碱土金属原子(钙、锶、钡)等原子频率在可见和红外波长范围内，可直接为激光锁频系统提供频率标准。惰性气体原子由于第一激发能级的能量都大于10eV，其波长范围在紫外甚至真空紫外区域，无法直接提供频率标准。因此必须将基态惰性气体原子激发到亚稳态，使得原子跃迁频率在红外和可见光范围，才能为激光锁频提供频率参考。目前主要通过气体放电的方法实现惰性气体原子的激发过程。射频气体放电技术能在很低的气体压力下实现可自持的气体放电，同时结构尺寸小，功率低，系统集成度高，因此是目前采用最广泛的气体放电方式。螺旋感应射频共振腔可以在很小的体积内产生品质因子很高的共振系统，而在激光锁频系统中广泛应用。
现有惰性气体频率标准都采用分体式结构：采用玻璃管高温烧制或者光学粘接的方式形成一个圆柱形的气体样品池，两端用作激光观察窗口，在侧面开口进行真空预处理，之后向样品池中充入预定压力的工作气体后进行烧结密封，以此作为气体样品池；射频放电系统采用螺线管放电线圈，外面加装导电率高的材料制成的屏蔽层形成射频共振系统。工作时将气体参考池装入螺旋线圈内部，将射频信号连接至射频共振器即可实现惰性气体激发，产生亚稳态惰性气体原子，为激光锁频系统提供频率标准。
上述结构存在如下问题：首先，由于采用分体式设计，使用过程中需要对气体样品池和放电系统两个组件之间的相对位置进行调节，而气体容器的玻璃材料易碎，很容易出现破裂，这会对调节使用带来困难；其次，玻璃容器中一次性预充一定压力的气体，系统烧结密封后不能再次充装，而空气中直径较小的分子(例如氢、氦、氖等)可透过玻璃材料渗漏到玻璃容器中去，对气体造成污染，影响激发效率，同时也会对参考频率的准确性带来影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服传统采用硅硼玻璃或者石英玻璃制作的气体样品池易碎、使用真空胶粘接放气等不足；传统的惰性气体原子跃迁频率参考标准，除了玻璃的气体样品池以外，还需要外加气体放电组件，才能将基态惰性气体原子激发到亚稳态，结构复杂；在气体样品池和气体放电组件相互调节的过程中有可能出现碰撞导致玻璃池漏气、碎裂等故障。本发明意在解决上述主要由玻璃材料带来的易碎问题，以及真空气体样品池与放电系统分离，结构复杂、调节困难的问题，并提出一体化集成解决方案。
本发明所采用的技术方案是：采用金属材料制作气体样品所需的真空腔室，利用全金属密封结构保证真空密封性；激光通光窗口采用硅硼玻璃或者石英玻璃直接焊接在金属腔体上，保证真空密封的同事降低发生碰撞碎裂的风险；将气体放电装置集成在气体样品池内部，利用金属真空腔室的外壳作为放电系统的屏蔽层，真空抗压与接地屏蔽由同一个物理结构解决；气体放电部分组件直接安装在真空密封法兰面上，电气信号通过陶瓷绝缘的真空密封接口输入；放电组件通过玻璃或陶瓷实现定位与准直。
本发明的原理是：首先将气体放电组件安装在密封法兰上，保证良好的电学信号连接和接地；玻璃或陶瓷准直部件预装进真空腔室中，再将气体放电组件套装在其上，实现位置准直与良好的电气绝缘；通过全金属密封的真空法兰实现真空密封，利用真空泵进行抽气，对系统进行烘烤除气，实现超高真空环境；向气体样品容器中充入一定压力的工作气体后，利用全金属密封阀实现密封；将系统与激发电源相连，实现低压气体放电，将基态惰性气体原子激发到亚稳态，为激光稳频系统提供频率标准。
本发明与现有技术相比所具有的优点如下：
本发明采用双层设计，将气体容器与放电系统集成为一个整体结构，外层主要用于真空容器的密封与抗压，内层主要用于射频气体放电。克服了玻璃样品池易碎的缺点，系统总体结构紧凑，携带方便，使用和维护简单；
本发明的真空连接采用焊接与全金属密封方式，控制系统漏率，有效维持真空，避免了小半径气体分子对玻璃气体容器的渗透问题；
本发明真空中使用的绝缘材料采用放气率低的玻璃或陶瓷材料，同时减小真空中的放气表面积，有效降低结构的放气量，维持真空，增加系统使用寿命。
本发明的可总体采用高温进行烘烤，彻底去除真空内壁吸附气体，可实现超高真空环境；
本发明预留真空接口，可进行真空抽气和气体重装，可以多次循环使用，也可以根据需求填充不同种类的气体或其它样品，实现多种用途；
附图说明
图1为惰性气体频率基准装置真空法兰结构示意图；
图2为惰性气体频率基准装置真空腔室结构示意图；
图3为惰性气体频率基准装置螺旋放电线圈结构示意图；
图4为惰性气体频率基准装置总体结构剖面示意图。
其中：1是标准的刀口密封CF法兰基体，2是用于射频信号输入的同轴电缆接头(BNC或SMA接头)，3是激光观察窗，4和7是用做真空抽气和向系统中充气的接口，5和6是用于真空吸气剂泵的两个电极接口，8是真空腔室CF法兰基体，9是真空腔室主体管道，10是激光观察窗，11是真空腔室底面，12是真空吸气剂泵，13是内层玻璃或陶瓷定位管，14是螺旋线圈，15是外层玻璃或陶瓷定位环。
具体实施方式
图1为惰性气体频率基准装置真空法兰结构示意图。真空法兰1采用可拆卸式全金属密封方式与图2所示的真空腔室实现真空连接。射频输入电极2、真空抽气和充气管道4和7、真空电极5和6采用氩弧焊的方式焊接在法兰1上，采用真空内表面焊接的方式确保真空性能；激光观察窗3钎焊在法兰上，根据需要可镀膜提高激光透过率。图中只画出了法兰的结构示意图。
如图2所示，惰性气体频率基准装置真空腔室由接口法兰8、真空腔室管道9、真空腔室底板11采用氩弧焊的方式形成总体结构，激光窗口10与图1中的3采用相同的钎焊方式焊接在真空底板10上，确保真空密封和激光通过。
图3为惰性气体频率基准装置螺旋放电线圈结构示意图。射频共振腔由螺旋线圈14与图2中的真空腔室管道9和真空腔室底板11组成。射频信号通过连接在线圈第一匝的引线接入；玻璃或陶瓷制成的定位管13和定位环15用于放电线圈的定位和绝缘；吸气剂泵根据实际需求安装，连接在图1中真空电极5和6上。
图4为惰性气体频率基准装置总体结构剖面示意图。系统各子系统的结构加工完成后首先进行所有的焊接，经清洗、除气等操作后进行系统装配。安装时，首先将吸气剂泵12连接在真空电极5和6上，再将螺旋线圈14连接在射频电极2上，将定位管13和定位环15套装在螺旋线圈上，最后将所安装结构总体装入真空腔室腔室中，采用金属密封方式实现系统总装。真空抽气和充气管道分别连接在4和7上，开始抽真空。为了获得超高真空，对系统总体进行高温烘烤。真空腔室气压低于10-4Pa时开始烘烤，以400℃温度烘烤24小时，同时对吸气剂泵进行除气活化。烘烤除气完成后，关闭抽气阀门，打开充气阀进行充气，给真空腔室中充入特定的工作气体。气体充装完成后，将射频信号连接至射频输入电极，进行射频气体放电，把基态目标气体原子激发到亚稳态，同时将系统置入激光锁频光路中，根据激光锁频误差信号的大小调节射频功率、频率、真空室内气体压力等参数，以获得更好的锁频误差信号和激光频率稳定度。

Claims (4)

1.一种用于激光锁频的一体化惰性气体频率基准装置，其特征在于，包括：
真空法兰结构，包括：第一CF法兰基体（1）、同轴电缆接头（2）、真空抽气接口（4）和真空充气接口（7）；
所述同轴电缆接头（2）、所述真空抽气接口（4）和所述真空充气接口（7）分别与所述第一CF法兰基体（1）焊接；
真空腔室结构，包括：第二CF法兰基体（8）、真空腔室主体管道（9）和真空腔室底板（11）；
所述真空腔室主体管道（9）一端与所述第二CF法兰基体（8）焊接，所述真空腔室主体管道（9）另一端与所述真空腔室底板（11）焊接；
所述第一CF法兰基体（1）与所述第二CF法兰基体（8）可拆卸连接；
螺旋放电线圈结构，包括：定位管（13）、套设于所述定位管（13）外部的螺旋线圈（14）和设于所述定位管（13）一端的定位环（15）；
所述螺旋线圈（14）与所述同轴电缆接头（2）连接，所述螺旋放电线圈结构套装在所述真空腔室结构内；
所述基准装置采用一体化双层设计，不锈钢材料形成所述真空腔室结构，实现超高真空环境，克服玻璃材料作为真空容器易碎和渗氦的缺点；所述螺旋线圈（14）与不锈钢所述真空腔室结构构成射频共振系统，实现气体射频放电激发，产生亚稳态惰性气体原子作为激光频率标准；采用所述同轴电缆接头（2）实现射频信号输入。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光锁频的一体化惰性气体频率基准装置，其特征在于，还包括：
第一激光观察窗（3）和第二激光观察窗（10）；
所述第一激光观察窗（3）和所述第二激光观察窗（10）材料为石英玻璃或者硅硼玻璃；
所述第一激光观察窗（3）通过焊接方式密封连接于所述第一CF法兰基体（1），所述第二激光观察窗（10）通过焊接方式密封连接于所述真空腔室底板（11）。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光锁频的一体化惰性气体频率基准装置，其特征在于：系统预留真空抽气接口（4）和真空充气接口（7），可根据需求充装不同的工作气体，实现重复循环利用；采用可拆卸标准真空法兰接口，可以装填不同样品，实现多种应用功能。
4.根据权利要求1所述的一种用于激光锁频的一体化惰性气体频率基准装置，其特征在于，所述基准装置还包括：
真空吸气剂泵（12），用于延长系统使用寿命；
所述第一CF法兰基体（1）设有与所述真空吸气剂泵（12）连接的第一电极接口（5）和第二电极接口（6）。
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