CN106899294B - 一种用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔 - Google Patents

Abstract

一种用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔，装置包括由上盖和下盖连接而成的腔体、设置在该腔体内的圆柱形波导和上盖、下盖和圆柱形波导之间的环形自由空间区域内的微波隔离块组成。本发明在圆柱形波导的基础上，采用重入式谐振腔的结构和双侧耦合方式，具有中心轴线区域微波场均匀范围大、易于加工等优点，可以大幅度提高钟跃迁信号的信噪比与频率稳定度。

Description

一种用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔

技术领域

本发明涉及原子频标和微波技术，可应用于小型化和集成化的星载原子钟的原子与微波相互作用过程。

背景技术

在原子频标领域中，无论是热原子还是冷原子，都是利用原子与微波相互作用过程产生鉴频曲线。该鉴频曲线的信噪比和对比度直接决定了频标的稳定度。所以微波腔是原子频标中一个核心组成部分(CPT原子钟除外)。

热原子频标，通常是在高真空环境下，以锁定在特定频率处的激光作为泵浦光，将激发态的原子泵浦到基态，然后与微波相互作用，最后经探测光探测得到鉴频曲线。而冷原子频标，可以使用磁光阱(MOT)、漫反射激光冷却(注入冷却光)等方法，将原子在被泵浦到基态之前迅速冷却下来，之后再与微波相互作用。

目前原子频标中应用最广泛的微波腔结构主要有两种：一种是圆柱形微波腔，可以看作是在一段圆柱形波导两端加上金属端盖组成的。通常选用TE₀₁₁模式作为原子钟的工作模式，该模式的电场虽然绕腔轴线呈圆周闭合状态，磁场没有圆周方向的分量，但是该模式的磁场均匀区域主要集中在腔体中心区域，上下两端磁场变化梯度大，均匀性差。最终导致在相互作用过程中，位于上、下两端位置处的原子所感受到微波功率大小不一致，恶化鉴频曲线。

另一种是球形微波腔，微波能量的传输路径是一组沿着球形外壁的曲面。相对于圆柱形微波腔，球形微波腔具有较为复杂的外形，机械加工难度大，场型分布不易控制、微波场均匀范围较小。

发明内容

本发明将基于上述圆柱形微波腔，提出了一种重入式微波腔的构想，并对腔内的磁场分布进行了数值模拟。沿微波腔中心轴线的剖面内的磁场分布参见附图7。可以看出，在这种重入式微波腔中，磁场均匀范围主要集中在微波腔中心轴线区域，且磁场在上下两端变化梯度小。

由于原子钟将位于中心轴线区域的原子与微波相互作用过程的吸收信号作为钟跃迁信号，那么利用这种重入式结构的均匀性分布，可以有效提高钟跃迁信号的信噪比和频率稳定度。并且，这种重入式结构还具有易加工，谐振频率易调节等优点。

本发明的结构方案如下：

一种用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔，其特征在于，包括由上盖和下盖连接而成的腔体和设置在该腔体内的圆柱形波导，所述的上盖、下盖和圆柱形波导之间的环形间隙构成自由空间区域，在该自由空间区域内放置有微波隔离块；

在所述的上盖的上端面中心设有一根具有上盖通光孔的上截止波导，在所述的下盖底面中心设有一根具有下盖通光孔的下截止波导，所述的上盖通光孔与下盖通光孔的大小相同，所述的上截止波导、圆柱形波导和下截止波导同轴，且由上至下形成重入式微波腔；

在所述的圆柱形波导的侧壁半高处关于圆柱形波导的中轴线对称地开设有两个长条形通孔；在所述的腔体外壁上固定有耦合天线，该耦合天线将外部微波信号耦合进自由空间区域，再通过所述的长条形通孔将微波信号耦合进微波腔内部；

所述的上盖、下盖、圆柱形波导和微波隔离块由无氧铜、铝合金或者钛合金金属材料制成；微波腔的直径和高度的比为1:1，微波谐振点工作在TE₀₁₁模式；

所述的下盖的下边沿向外纵向均匀地延伸出三个支撑把手，支撑把手下端有固定孔，可水平地将微波腔固定在安装底座上；

在所述的下盖上的下截止波导周缘均匀地设有四个冷却通光孔，冷却光通过冷却通光孔入射到微波腔内；

通过对齐所述的微波隔离块上的限位孔和所述的上盖上对应的侧面通孔固定所述的微波隔离块与所述上盖之间的相对位置；

通过对齐所述的下盖上的下通孔与所述的圆柱形波导上对应的限位洞固定所述的下盖与所述的圆柱形波导之间的相对位置；

所述的上盖和所述的下盖之间通过紧固螺钉固定连接；

所述的耦合天线通过螺钉和紧固压块垂直地固定在所述的腔体外壁上。

本发明的技术优势如下：

在圆柱形微波腔中心区域微波场分布均匀的基础上，在上盖的上端面中心设有一根具有上盖通光孔的上截止波导，在下盖底面中心设有一根具有下盖通光孔的下截止波导，上盖通光孔与下盖通光孔的大小相同，上截止波导、圆柱形波导和下截止波导同轴，且由上至下形成重入式微波腔；提高了微波腔中心轴线区域微波场的均匀性，弥补了圆柱形微波腔上下端面处场型分布梯度大的缺点；

上盖、下盖、圆柱形波导和微波隔离块由无氧铜、铝合金或者钛合金金属材料制成；耦合天线通过螺钉和紧固压块垂直地固定于微波腔外壁上，将外部微波信号耦合进自由空间区域，再通过长条形通孔将微波信号耦合进微波腔内部；

微波腔底面直径与高度比为1:1，微波谐振点工作在TE₀₁₁模式；这种耦合方式和比例设计在满足微波模式要求的同时，可以使最终激励的微波场更加对称和均匀。

本发明的设计具有微波场均匀范围大、结构简单等特点，可以大幅度提高钟跃迁信号的信噪比与频率稳定度。

附图说明

图1是本发明的前视图

图2是本发明的俯视图

图3是本发明的仰视图

图4是本发明沿微波腔中轴线1的左视剖面图

图5是本发明沿图3虚线的旋转剖面图

图6是本发明的光束示意图

图7是本发明沿微波腔中轴线1的剖面磁场分布图

图中：

1—微波腔中轴线 1-1—耦合天线 1-2—螺钉 1-3—紧固压块 1-4耦合天线微波输入端

2—上盖 2-1—上截止波导 2-2—紧固螺钉 2-3—上盖通光孔 2-4—侧面通孔

3—下盖 3-1—下截止波导 3-2—把手 3-3—下盖通光孔 3-4—固定孔 3-5—冷却通光孔 3-6—下通孔

4—圆柱形波导 4-1—长条形通孔 4-2波导内表面 4-3—限位洞

5—微波隔离块 5-1—限位孔

6—自由空间区域

7-1—冷却光入射示意图 7-2—探测光入射示意图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6。如图所示，一种用于星载原子钟的均匀场微波腔的具体实施例。微波腔放置在真空腔内，铷原子通过蒸汽压的方式，从真空导管内扩散到微波腔内，并充满整个微波腔。

本发明用于星载原子钟的重入式均匀场微波包括由上盖2和下盖3连接而成的腔体和设置在该腔体内的圆柱形波导4，所述的上盖2、下盖3和圆柱形波导4之间的环形间隙构成自由空间区域6，在该自由空间区域6内放置有微波隔离块5；

所述的上盖2的上端面中心设有一根具有上盖通光孔2-3的上截止波导2-1，所述的下盖3底面中心设有一根具有下盖通光孔3-3的下截止波导3-1，所述的上盖通光孔3-3与下盖通光孔2-3的大小相同，所述的上截止波导2-1、圆柱形波导4和下截止波导3-1同轴，且由上至下形成重入式微波腔；

所述的圆柱形波导4的侧壁半高处关于圆柱形波导4的中轴线1对称地开设有两个长条形通孔4-1(其他未标出)；在所述的腔体外壁上固定有耦合天线1-1，该耦合天线1-1将外部微波信号耦合进自由空间区域6，再通过所述的两个长条形通孔4-1将微波信号耦合进微波腔内部；

通过对齐所述的微波隔离块5上的限位孔5-1和所述的上盖2上对应的侧面通孔2-4固定所述的微波隔离块5与所述上盖2之间的相对位置；

通过对齐所述的下盖3上的下通孔3-6与所述的圆柱形波导4上对应的限位洞4-3(其他未标出)固定所述的下盖3与所述的圆柱形波导4之间的相对位置；

所述的上盖2和所述的下盖3之间通过接触面设计的多个紧固螺钉2-2(其它未标出)固定连接；

在所述的下盖3上、下截止波导3-1周缘均匀地设有四个冷却通光孔3-5，冷却光通过冷却通光孔3-5入射到微波腔内；

所述的耦合天线1-1通过螺钉1-2和紧固压块1-3垂直地固定在所述的腔体外壁上。

所述的下盖3下边沿向外纵向均匀地延伸出三个支撑把手3-2(其他未标出)，支撑把手下端有固定孔3-4(其他未标出)，可水平地将微波腔固定在安装底座上；

所述的重入式微波腔内表面可喷砂并镀上反射率高的金属(比如金、银)，冷却光7-1通过四个冷却通光孔3-5以一定的发散角入射到微波腔内后可在微波腔内形成各向同性的漫反射光场，在微波腔内冷却原子；探测光7-2可垂直地经由上盖通光孔2-3和下盖通光孔3-3探测微波腔内的原子数目；

使用时，通过下盖3底面上的四个冷却通光孔3-5注入冷却光制备冷原子；然后通过双侧耦合的方式将特定频率特定功率的微波耦合入微波腔内进行原子与微波相互作用；最后通过上盖通光孔2-3和下盖通光孔3-3入射的探测光探测微波腔内的原子数目。

综上，本发明利用特殊设计，包括采用上截止波导和下截止波导的接设、圆柱形波导和微波耦合方式等，优化了原子钟的关键部分—微波腔，提高了微波场场型分布的均匀性，为进一步提高星载原子钟的稳定度等性能指标提供了方向。

Claims (8)

1.一种用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔，其特征在于，包括由上盖(2)和下盖(3)连接而成的腔体和设置在该腔体内的圆柱形波导(4)，所述的上盖(2)、下盖(3)和圆柱形波导(4)之间的环形间隙构成自由空间区域(6)，在该自由空间区域(6)内放置有微波隔离块(5)；

在所述的上盖(2)的上端面中心设有一根具有上盖通光孔(2-3)的上截止波导(2-1)，在所述的下盖(3)底面中心设有一根具有下盖通光孔(3-3)的下截止波导(3-1)，所述的上盖通光孔(2-3)与下盖通光孔(3-3)的大小相同，所述的上截止波导(2-1)、圆柱形波导(4)和下截止波导(3-1)同轴，且由上至下形成重入式微波腔；

在所述的圆柱形波导(4)的侧壁半高处关于圆柱形波导(4)的中轴线(1)对称地开设有两个长条形通孔(4-1)；在所述的腔体外壁上固定有耦合天线(1-1)，该耦合天线(1-1)将外部微波信号耦合进自由空间区域(6)，再通过所述的长条形通孔(4-1)将微波信号耦合进微波腔内部。

2.根据权利要求1所述的均匀场微波腔，其特征在于，所述的上盖(2)、下盖(3)、圆柱形波导(4)和微波隔离块(5)由无氧铜、铝合金或者钛合金金属材料制成；微波腔的直径和高度的比为1:1，微波谐振点工作在TE₀₁₁模式。

3.根据权利要求1所述的均匀场微波腔，其特征在于，通过对齐所述的微波隔离块(5)上的限位孔(5-1)和所述的上盖(2)上对应的侧面通孔(2-4)固定所述的微波隔离块(5)与所述上盖(2)之间的相对位置。

4.根据权利要求1所述的均匀场微波腔，其特征在于，通过对齐所述的下盖(3)上的下通孔(3-6)与所述的圆柱形波导(4)上对应的限位洞(4-3)固定所述的下盖(3)与所述的圆柱形波导(4)之间的相对位置。

5.根据权利要求1所述的均匀场微波腔，其特征在于，在所述的下盖(3)上，下截止波导(3-1)周缘均匀地设有四个冷却通光孔(3-5)，冷却光通过冷却通光孔(3-5)入射到微波腔内。

6.根据权利要求1所述的均匀场微波腔，其特征在于，所述的下盖(3)下边沿向外纵向均匀地延伸出三个支撑把手(3-2)，支撑把手下端有固定孔(3-4)，可水平地将微波腔固定在安装底座上。

7.根据权利要求1-6任一所述的均匀场微波腔，其特征在于，所述的上盖(2)和所述的下盖(3)之间通过紧固螺钉(2-2)固定连接。

8.根据权利要求1-6任一所述的均匀场微波腔，其特征在于，所述的耦合天线(1-1)通过螺钉(1-2)和紧固压块(1-3)垂直地固定在所述的腔体外壁上。

Images