CN106249577A - 一种集成化cpt原子钟物理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成化CPT原子钟物理系统，包括激光器组件和原子共振吸收腔组件；激光器组件支架实现VCSEL激光器、准直透镜、波片及衰减片的集成，结构简单、增强了光源系统的整体性；原子共振吸收腔采用微型玻璃气室，实现原子共振吸收腔组件的微型化、低功耗设计；物理系统采用双控温双保温的设计；集成化CPT原子钟物理系统实现了原子共振吸收腔组件的微型化，减少了原子共振吸收腔组件加热体积，提高了系统加热效率、降低了系统的功耗，本发明的集成化CPT原子钟物理系统的设计相比芯片级CPT原子钟，信号信噪比高，获得的频率稳定度指标更好。

Description

一种集成化CPT原子钟物理系统
技术领域
本发明属于CPT原子钟、CPT原子陀螺仪、CPT磁力仪等量子技术领域，具体涉及一种集成化CPT原子钟物理系统。
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，可实现原子钟的微型化、乃至芯片化，其中物理部分的集成化是实现其微型化、芯片化设计的基本条件，CPT原子钟物理部分包括VCSEL激光器、准直透镜组件、1/4波片组件和原子共振吸收腔组件等。
CPT原子钟具有广泛的应用前景，在卫星平台和有效载荷方面，微型CPT原子钟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，本发明的目的是提供一种集成化CPT原子钟物理系统，能够减小了原子共振吸收腔组件体积，降低了原子共振吸收腔组件控温的功耗。
一种集成化CPT原子钟物理系统，包括激光器单元和原子共振吸收腔单元；
所述激光器单元包括激光器组件支架(3)、前固定板(5)、后固定板(6)、VCSEL激光器(1)、VCSEL激光器卡槽(17)、准直透镜以及波片衰减片组件；
所述激光器组件支架(3)为空心圆柱结构，其前半部分的直径大于后半部分的直径；激光器组件支架(3)的前半部分由前固定板(5)封闭，形成的安装槽中安装波片和衰减片组件；激光器组件支架(3)的后半部分由后固定板(6)封闭，形成的安装槽中安装准直透镜；准直透镜的安装槽后端的激光器组件支架(3)内安装VCSEL激光器卡槽(17)、VCSEL激光器卡槽(17)内安装所述VCSEL激光器(1)；
所述前固定板(5)中部设置有激光出射孔，后固定板(6)上设置有VCSEL激光器(1)引脚引出孔；
原子共振吸收腔单元包括由后保温盖(7)、保温筒(8)、前保温盖(9)、原子气室(10)、原子气室支架(11)、C场(12)、外屏蔽层(13)、加热丝(14)和光电池(15)组成的原子共振吸收腔组件以及原子共振吸收腔组件支架(16)；
所述原子气室(10)安装在圆筒状的原子气室支架(11)的内部，原子气室支架(11)的外圆周面上布置所述C场(12)，C场12)的外侧设置用于屏蔽外部杂散磁场的外屏蔽(13)；外屏蔽(13)的外圆周面上包覆加热丝(14)；加热丝(14)的外侧为两端开口的保温筒(8)，其前端和后端分别由前保温盖(9)和后保温盖(7)封闭；前保温盖(9)的中部设置有进光孔；原子气室支架(11)的前、后两端均设有通光孔，其后端通光孔对应于外屏蔽层(13)的内壁位置上设置光电池(15)；
所述原子共振吸收腔组件支架(16)为空心立方体结构，其一个侧面敞开，与其相对的侧面封闭；另外的四个侧面中部均设置有圆形开孔；
组装完成的原子共振吸收腔组件从原子共振吸收腔组件支架(16)敞开的一侧安装在其内部。
原子共振吸收腔组件支架(16)封闭的侧面上设置有安装孔，用于将原子共振吸收腔单元安装在对应的电路板上。
激光器组件支架(3)后半部分的外圆周面上加工一圈用于固定安装的凸起。
本发明具有如下有益效果：
(1)VCSEL激光器和原子共振吸收腔组件采用双控温双保温的设计，减小了系统控温功耗；原子共振吸收腔组件基于微型玻璃实现了物理部分的微型化、降低了物理系统的控温功耗减小；
(2)激光器组件实现VCSEL激光器、准直透镜、衰减片和1/4波片的集成，具有结构简单、增强了光源系统的整体性；
(3)集成化CPT原子钟物理系统中激光器组件和原子共振吸收腔组件设计有各自的固定支架，便于调试；
(4)集成化CPT原子钟物理系统的设计相比芯片级CPT原子钟可会获得信噪比高的信号，得到较高的稳定度指标。
附图说明
图1为本发明的VCSEL激光器组件支架的剖面图；
图2为本发明的原子共振吸收腔组件的剖面图；
图3为本发明的原子共振吸收腔组件支架的立体示意图；
图4为本发明的集成化CPT原子钟物理系统。
图中，1—VCSEL激光器、2—准直透镜安装槽、3—激光器组件支架、4—波片及衰减片安装槽、5—前固定板、6—后固定板、7—后保温盖、8—保温筒、9—前保温盖、10—原子气室、11—原子气室支架、12—C场、13—外屏蔽、14—加热丝、15—光电池、16—原子共振吸收腔组件支架、17—VCSEL激光器卡槽。
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。
本发明的一种集成化CPT原子钟物理系统，包括激光器单元和原子共振吸收腔单元；
如图1所述，激光器单元包括激光器组件支架(3)、前固定板(5)、后固定板(6)、VCSEL激光器(1)、准直透镜以及波片衰减片组件；
所述激光器组件支架(3)为空心圆柱结构，其前半部分的直径大于后半部分的直径；激光器组件支架(3)的前半部分由前固定板(5)封闭，形成的安装槽中安装波片和衰减片组件；激光器组件支架(3)的后半部分由后固定板(6)封闭，安装槽中安装准直透镜、VCSEL激光器卡槽(17)、VCSEL激光器卡槽(17)用于安装VCSEL激光器(1)；
所述前固定板(5)中部设置有激光出射孔，后固定板(6)上设置有VCSEL激光器(1)引脚引出孔；
如图2所示，原子共振吸收腔单元包括由后保温盖(7)、保温筒(8)、前保温盖(9)、原子气室(10)、原子气室支架(11)、C场(12)、外屏蔽(13)、加热丝(14)和光电池(15)组成的原子共振吸收腔组件以及原子共振吸收腔组件支架(16)；
所述原子气室(10)安装在圆筒状的原子气室支架(11)的内部，原子气室支架(11)的外圆周面上缠绕C场(12)，C场(12)的外侧设置用于屏蔽外部杂散磁场的外屏蔽(13)；外屏蔽(13)的外圆周面上包覆加热丝(14)；加热丝(14)的外侧为两端开口的保温筒(8)，其前端和后端分别由前保温盖(9)和后保温盖(7)封闭；前保温盖(9)的中部设置有进光孔；原子气室支架(11)的前、后两端均设有通光孔，其后端通光孔对应于外屏蔽层(13)的内壁位置上设置光电池(15)。
如图3所示，所述原子共振吸收腔组件支架(16)为空心立方体结构，其一个侧面敞开，与其相对的侧面封闭；另外的四个侧面中部均设置有圆形开孔；
如图4所示，组装完成的原子共振吸收腔组件从原子共振吸收腔组件支架(16)敞开的一侧安装在其内部；激光单元的前固定板(5)上的激光出射孔对准原子共振吸收腔单元上的进光孔，形成CPT原子钟物理系统。前保温盖9的进光孔与原子共振吸收腔组件支架(16)的圆形开孔对齐，原子气室10可接收VCSEL激光器(1)发出的激光，激光与原子气室10作用后射出，由光电池15获取原子钟的光检信号，将物理部分内部光场与原子系统相互作用的信息转变为电信号。
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 (3)

1.一种集成化CPT原子钟物理系统，其特征在于，包括激光器单元和原子共振吸收腔单元；
所述激光器单元包括激光器组件支架(3)、前固定板(5)、后固定板(6)、VCSEL激光器(1)、VCSEL激光器卡槽(17)、准直透镜以及波片衰减片组件；
所述激光器组件支架(3)为空心圆柱结构，其前半部分的直径大于后半部分的直径；激光器组件支架(3)的前半部分由前固定板(5)封闭，形成的安装槽中安装波片和衰减片组件；激光器组件支架(3)的后半部分由后固定板(6)封闭，形成的安装槽中安装准直透镜；准直透镜的安装槽后端的激光器组件支架(3)内安装VCSEL激光器卡槽(17)、VCSEL激光器卡槽(17)内安装所述VCSEL激光器(1)；
所述前固定板(5)中部设置有激光出射孔，后固定板(6)上设置有VCSEL激光器(1)引脚引出孔；
原子共振吸收腔单元包括由后保温盖(7)、保温筒(8)、前保温盖(9)、原子气室(10)、原子气室支架(11)、C场(12)、外屏蔽层(13)、加热丝(14)和光电池(15)组成的原子共振吸收腔组件以及原子共振吸收腔组件支架(16)；
所述原子气室(10)安装在圆筒状的原子气室支架(11)的内部，原子气室支架(11)的外圆周面上布置所述C场(12)，C场12)的外侧设置用于屏蔽外部杂散磁场的外屏蔽(13)；外屏蔽(13)的外圆周面上包覆加热丝(14)；加热丝(14)的外侧为两端开口的保温筒(8)，其前端和后端分别由前保温盖(9)和后保温盖(7)封闭；前保温盖(9)的中部设置有进光孔；原子气室支架(11)的前、后两端均设有通光孔，其后端通光孔对应于外屏蔽层(13)的内壁位置上设置光电池(15)；
所述原子共振吸收腔组件支架(16)为空心立方体结构，其一个侧面敞开，与其相对的侧面封闭；另外的四个侧面中部均设置有圆形开孔；
组装完成的原子共振吸收腔组件从原子共振吸收腔组件支架(16)敞开的一侧安装在其内部。
2.如权利要求1所述的一种集成化CPT原子钟物理系统，其特征在于，原子共振吸收腔组件支架(16)封闭的侧面上设置有安装孔，用于将原子共振吸收腔单元安装在对应的电路板上。
3.如权利要求1所述的一种集成化CPT原子钟物理系统，其特征在于，激光器组件支架(3)后半部分的外圆周面上加工一圈用于固定安装的凸起。
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