CN114280911A - Cpt原子钟物理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种CPT原子钟物理系统，包括在第一方向上依次层叠的激光发射组件、偏光组件、球形气室组件和光电探测器；所述球形气室组件包括导热支架、球形气室本体和第二加热片；所述导热支架设有两端开口的容置腔，第一端的开口朝向所述光电探测器，第二端的开口朝向所述偏光组件，所述球形气室本体位于所述容置腔内，所述第二加热片位于所述导热支架的第一端，且与所述导热支架贴合连接，所述第二加热片对应所述开口的位置设有第一通孔。本发明解决了当前球形气室温度的均匀性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子钟技术领域，尤其涉及一种CPT原子钟物理系统。
背景技术
相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原子钟是利用原子的相干布居囚禁原理而实现的一种新型原子钟。CPT原子钟由于其体积、功耗比目前的铷原子钟小得多等优点而得到广泛关注和迅速发展。
为了提高球形气室内原子的活性，保证有足够的原子数量来实现相干布居囚禁，必须给球形气室施加恒定且均匀的温度。如果在球形气室的范围内，温度不均匀，那么各部分原子的共振频率就会有差别。实际CPT谱线是各部分原子谱线的叠加，如果球形气室的温度不均匀，会造成相应的展宽，从而影响CPT原子钟的性能。
目前通常直接使用数字温控系统对激光发射器和球形气室进行加热。此种加热方法虽然可以保证温度的稳定性和精度，但是无法保证球形气室温度的均匀性。
因此，现有技术存在球形气室温度的均匀性差的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种CPT原子钟物理系统，以解决当前球形气室温度的均匀性差的问题。
为了达到上述目的，本发明实施例提供了一种CPT原子钟物理系统，包括在第一方向上依次层叠的激光发射组件、偏光组件、球形气室组件和光电探测器；
所述激光发射组件包括激光发射器、第一加热片和支架；所述激光发射器设于所述第一加热片朝向所述偏光组件一侧，所述支架设于所述第一加热片与所述偏光组件之间；
所述偏光组件，用于将所述激光发射器发出的光变为圆偏振光；
所述球形气室组件包括导热支架、球形气室本体和第二加热片；所述导热支架设有两端开口的容置腔，第一端的开口朝向所述光电探测器，第二端的开口朝向所述偏光组件，所述球形气室本体位于所述容置腔内，所述第二加热片位于所述导热支架的第一端，且与所述导热支架贴合连接，所述第二加热片对应所述开口的位置设有第一通孔。
可选地，所述导热支架的外壁设有与所述容置腔连通的开槽，所述开槽贯穿所述导热支架的第一端和第二端。
可选地，所述偏光组件包括在第一方向上层叠设置的衰减片和四分之一波片。
可选地，所述球形气室组件还包括第三加热片，所述第三加热片位于所述导热支架的第二端，且与所述导热支架贴合连接，所述第三加热片对应所述开口的位置设有第二通孔。
可选地，所述第一加热片、第二加热片和第三加热片均包括硅片以及设置在所述硅片上的加热线，所述加热线位于所述硅片朝向所述导热支架的一侧。
可选地，所述加热线包括第一加热部、第二加热部、第一接口端和第二接口端，其中，所述第一加热部包括第一回折线以及间隔设置的第一子加热线和第二子加热线，所述第二加热部包括第二回折线以及间隔设置的第三子加热线和第四子加热线；
所述第一子加热线、第一回折线和第二子加热线依次连接；所述第三子加热线、第二回折线和第四子加热线依次连接；所述第一子加热线远离所述第一回折线一端与所述第一接口端连接，所述第二子加热线远离所述第一回折线的一端与所述第三子加热线远离所述第二回折线的一端连接，所述第四子加热线远离所述第二回折线的一端与所述第二接口端连接。
可选地，所述第一子加热线和第二子加热线为均匀间隔设置；所述第三子加热线和第四子加热线为均匀间隔设置。
可选地，所述第一加热片、第二加热片和第三加热片连接有温度控制系统。
可选地，所述导热支架使用导热胶与所述第一加热片和第三加热片粘接固定。
在本发明实施例中，球形气室组件包括导热支架、球形气室本体和第二加热片，在对球形气室本体进行加热时，通过将第二加热片的热量传递至导热支架，再通过导热支架将热量传递至球形气室本体。由于导热支架设有两端开口的容置腔，且所述球形气室本体位于所述容置腔内，使得球形气室本体各处所受热量大小更加均匀，从而提高了球形气室本体温度的均匀性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种CPT原子钟物理系统的爆炸示意图；
图2是本发明实施例提供的一种CPT原子钟物理系统的加热线的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作出创造性劳动前提下所获取的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。
如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种CPT原子钟物理系统，包括在第一方向上依次层叠的激光发射组件10、偏光组件20、球形气室组件30和光电探测器40；
所述激光发射组件10包括激光发射器101、第一加热片102和支架103；所述激光发射器101设于所述第一加热片102朝向所述偏光组件20一侧，所述支架103设于所述第一加热片102与所述偏光组件20之间；
所述偏光组件20，用于将所述激光发射器101发出的光变为圆偏振光；
所述球形气室组件30包括导热支架301、球形气室本体302和第二加热片303；所述导热支架301设有两端开口的容置腔，第一端的开口朝向所述光电探测器40，第二端的开口朝向所述偏光组件20，所述球形气室本体302位于所述容置腔内，所述第二加热片303位于所述导热支架301的第一端，且与所述导热支架301贴合连接，所述第二加热片303对应所述开口的位置设有第一通孔3031。
应理解的是，所述第一方向为所述第一加热片102中心轴朝向所述偏光组件20的方向。
其中，所述偏光组件20，用于将所述激光发射器101发出的光变为圆偏振光，其结构可为任意结构。例如，在一实施例中，所述偏光组件20包括准直透镜、衰减片202和四分之一波片201。在另一实施例中，所述偏光组件20包括小孔光阑和四分之一波片201。当然，具体的结构在此不做限定。
其中，所述支架103的形状可为任意形状。例如，在一实施例中，所述支架103为两个长方体结构，相对设置于所述第一加热片102与所述偏光组件20之间。
本发明实施例原理如下：所述激光发射器101朝向偏光组件20发射激光，所述激光发射的线偏振光经由偏光组件20作用，变为圆偏振光。所述圆偏振光进入所述球形气室本体302内，与所述球形气室本体302内的碱金属原子相互作用产生相干布居囚禁现象，光电探测器40将对球形气室本体302中产生的光电反应进行探测。其中，所述第一加热片102用于加热所述激光发射器101，所述第二加热片303将热量传递至所述导热支架301，再由所述导热支架301将热量传递至所述球形气室本体302，保证所述激光发射器101和球形气室本体302温度保持在所需温度，同时提高了所述球形气室本体302温度的均匀性。
在本发明实施例中，球形气室组件30包括导热支架301、球形气室本体302和第二加热片303，在对球形气室本体302进行加热时，将第二加热片303的热量传递至导热支架301，再通过导热支架301将热量传递至球形气室本体302。由于导热支架301设有两端开口的容置腔，且所述球形气室本体302位于所述容置腔内，使得球形气室本体302各处所受热量大小更加均匀，从而提高了球形气室本体302温度的均匀性。
需说明的是，在一实施例中，所述第一加热片102、偏光组件20、第三加热片304、第二加热片303和光电探测器40均为片状结构，且所述激光发射组件10、偏光组件20、球形气室组件30和光电探测器40贴合粘接固定。更进一步地，在另一实施例中，所述第一加热片102、偏光组件20、第三加热片304、第二加热片303和光电探测器40均为大小相同的片状结构，且所述激光发射组件10、偏光组件20、球形气室组件30和光电探测器40贴合粘接固定。
在本实施例中，通过将所述第一加热片102、偏光组件20、第三加热片304、第二加热片303和光电探测器40设置为片状结构可以使得所述激光发射组件10、偏光组件20、球形气室组件30和光电探测器40之间贴合度更高，由此减小所述CPT原子钟物理系统的体积。
需说明的是，在又一实施例中，所述球形气室本体302位于所述容置腔内，且与所述容置腔内壁贴合。在本实施例中，所述球形气室本体302与所述导热支架301贴合，使得热量能更好地由所述导热支架301传递至所述球形气室本体302，从而进一步地提高了球形气室本体302温度的均匀性。
可选地，所述导热支架301的外壁设有与所述容置腔连通的开槽，所述开槽贯穿所述导热支架301的第一端和第二端。
在本实施例中，所述导热支架301的外壁设有与所述容置腔连通的开槽，所述开槽贯穿所述导热支架301的第一端和第二端。在一些实施例中，所述球形气室本体302包含球体结构和突出结构，所述突出结构可置于所述开槽内。
可选地，所述偏光组件20包括在第一方向上层叠设置的衰减片202和四分之一波片201。
应理解的是，所述衰减片202和四分之一波片201在第一方向上的层叠顺序在此不做限定。例如，在一实施例中，所述衰减片202位于所述四分之一波片201与所述激光发射组件10之间。在另一实施例中，所述衰减片202位于所述四分之一波片201与所述球形气室组件30之间。
在本实施例中，所述衰减片202用于减弱所述激光发射器101发射的激光的强度，避免强光直射对所述光电探测器40造成影响。所述四分之一波片201用于将所述激光发射器101发射的线偏振光变为圆偏振光。
可选地，所述球形气室组件30还包括第三加热片304，所述第三加热片304位于所述导热支架301的第二端，且与所述导热支架301贴合连接，所述第三加热片304对应所述开口的位置设有第二通孔3041。
在本实施例中，通过在所述导热支架301的第二端设置第三加热片304，所述第二加热片303和第三加热片304分别设置在所述导热支架301的两端，从两端同时向所述导热支架301传递热量，从而进一步地提高了球形气室本体302温度的均匀性。
可选地，所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304均包括硅片以及设置在所述硅片上的加热线，所述加热线位于所述硅片朝向所述导热支架301的一侧。
在本实施例中，所述加热线位于所述硅片朝向所述导热支架301的一侧。所述导热支架301与所述第二加热片303和第三加热片304连接，并覆盖所述加热线，使得热量更好地从所述第二加热片303和第三加热片304传递至所述导热支架301。所述第一加热片102的加热线朝向所述导热支架301的一侧，可以使得所述热量更好地传递至所述激光发射器101，由此对激光发射器101的温度进行控制。
可选地，所述加热线包括第一加热部、第二加热部、第一接口端和第二接口端，其中，所述第一加热部包括第一回折线以及间隔设置的第一子加热线和第二子加热线，所述第二加热部包括第二回折线以及间隔设置的第三子加热线和第四子加热线；
所述第一子加热线、第一回折线和第二子加热线依次连接；所述第三子加热线、第二回折线和第四子加热线依次连接；所述第一子加热线远离所述第一回折线一端与所述第一接口端连接，所述第二子加热线远离所述第一回折线的一端与所述第三子加热线远离所述第二回折线的一端连接，所述第四子加热线远离所述第二回折线的一端与所述第二接口端连接。
其中，所述第一回折线的结构在此不做限制。例如，在一实施例中，所述第一回折线为一直线段，所述直线段的长度等于所述第一子加热线靠近所述第一回折线一端端点与所述第二子加热线靠近所述第一回折线一端端点之间的间隔长度。更进一步地，在另一实施例中，所述第一子加热线靠近所述第一回折线一端端点与所述第二子加热线靠近所述第一回折线一端端点之间无间隔。
其中，所述第二回折线的结构在此不做限制。例如，在一实施例中，所述第二回折线为一直线段，所述直线段的长度等于所述第三子加热线靠近所述第二回折线一端端点与所述第四子加热线靠近所述第二回折线一端端点之间的间隔长度。更进一步地，在另一实施例中，所述第三子加热线靠近所述第二回折线一端端点与所述第四子加热线靠近所述第二回折线一端端点之间无间隔。
其中，所述第一子加热线、第二子加热线、第三子加热线和第四子加热线的形状在此不做限定。例如，在一实施例中，所述第一子加热线、第二子加热线、第三子加热线和第四子加热线为弧形线段。
其中，所述第一子加热线、第二子加热线、第三子加热线和第四子加热线的长度在此不做限定。在一实施例中，所述第一子加热线和第三子加热线长度相等；所述第二子加热线和第四子加热线的长度相等。
应理解的是，在又一实施例中，所述加热线仅包括第一加热部、第一接口端和第二接口端，所述第一加热部包括依次连接的第一子加热线、第一回折部和第二子加热线，所述第一子加热线远离所述第一回折部的一端与所述第一接口端连接，所述第二子加热线远离所述第一回折部的一端与所述第二接口端连接，所述第一子加热线为环绕所述第一通孔3031的圆弧线段，且所述第一子加热线两端之间设有开口。
在本实施例中，由于所述第一子加热线和第二子加热线为间隔设置，当电流从第一接口端流向第二接口端时，所述第一子加热线中的电流方向与所述第二子加热线中的电流方向相反，使得所述第一子加热线产生的部分磁场与所述第二子加热线产生的部分磁场相互抵消，从而避免加热电流引入杂乱磁场；同样的，由于所述第三子加热线和第四子加热线为间隔设置，所述第三子加热线中的电流方向与所述第四子加热线中的电流方向相反，使得所述第三子加热线产生的部分磁场与所述第四子加热线产生的部分磁场相互抵消，从而避免加热电流引入杂乱磁场。
可选地，所述第一子加热线和第二子加热线为均匀间隔设置；所述第三子加热线和第四子加热线为均匀间隔设置。
在本实施例中，由于所述第一子加热线和第二子加热线为均匀间隔设置，使得所述第一子加热线产生的磁场与所述第二子加热线产生的磁场更好地相互抵消，从而进一步地避免加热电流引入杂乱磁场；由于所述第三子加热线和第四子加热线为均匀间隔设置，使得所述第三子加热线产生的磁场与所述第四子加热线产生的磁场更好地相互抵消，从而进一步地避免加热电流引入杂乱磁场。
可选地，所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304连接有温度控制系统。
应理解的是，所述温度控制系统可以为高精度的数字温度控制系统。
在本实施例中，所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304连接有温度控制系统，可以通过所述温度控制系统对所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304的温度进行精准的控制，提高了所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304的温度精确性和稳定性。
需要说明的是，在一实施例中，所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304为并联连接，再与所述温度控制系统连接。在另一实施例中，所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304为串联连接，再与所述温度控制系统连接。
在本实施例中，所述温度控制系统只需要提供一个加热电压输出端口即可对所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304的温度同时进行控制，保证了所述第一加热片102、第二加热片303和第三加热片304之间的温度一致，从而进一步地提高了球形气室本体302温度的均匀性。
可选地，所述导热支架301使用导热胶与所述第一加热片102和第三加热片304粘接固定。
在本实施例中，所述导热支架301使用导热胶与所述第一加热片102和第三加热片304粘接固定。可以使得所述第一加热片102和第三加热片304的温度更好的传递至所述导热支架301上。
以上，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (9)
1.一种相干布居囚禁CPT原子钟物理系统，其特征在于，包括在第一方向上依次层叠的激光发射组件、偏光组件、球形气室组件和光电探测器；
所述激光发射组件包括激光发射器、第一加热片和支架；所述激光发射器设于所述第一加热片朝向所述偏光组件一侧，所述支架设于所述第一加热片与所述偏光组件之间；
所述偏光组件，用于将所述激光发射器发出的光变为圆偏振光；
所述球形气室组件包括导热支架、球形气室本体和第二加热片；所述导热支架设有两端开口的容置腔，第一端的开口朝向所述光电探测器，第二端的开口朝向所述偏光组件，所述球形气室本体位于所述容置腔内，所述第二加热片位于所述导热支架的第一端，且与所述导热支架贴合连接，所述第二加热片对应所述开口的位置设有第一通孔。
2.根据权利要求1所述的CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述导热支架的外壁设有与所述容置腔连通的开槽，所述开槽贯穿所述导热支架的第一端和第二端。
3.根据权利要求1所述的CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述偏光组件包括在第一方向上层叠设置的衰减片和四分之一波片。
4.根据权利要求1所述的CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述球形气室组件还包括第三加热片，所述第三加热片位于所述导热支架的第二端，且与所述导热支架贴合连接，所述第三加热片对应所述开口的位置设有第二通孔。
5.根据权利要求4所述的CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述第一加热片、第二加热片和第三加热片均包括硅片以及设置在所述硅片上的加热线，所述加热线位于所述硅片朝向所述导热支架的一侧。
6.根据权利要求5所述的CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述加热线包括第一加热部、第二加热部、第一接口端和第二接口端，其中，所述第一加热部包括第一回折线以及间隔设置的第一子加热线和第二子加热线，所述第二加热部包括第二回折线以及间隔设置的第三子加热线和第四子加热线；
所述第一子加热线、第一回折线和第二子加热线依次连接；所述第三子加热线、第二回折线和第四子加热线依次连接；所述第一子加热线远离所述第一回折线一端与所述第一接口端连接，所述第二子加热线远离所述第一回折线的一端与所述第三子加热线远离所述第二回折线的一端连接，所述第四子加热线远离所述第二回折线的一端与所述第二接口端连接。
7.根据权利要求6所述的CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述第一子加热线和第二子加热线为均匀间隔设置；所述第三子加热线和第四子加热线为均匀间隔设置。
8.根据权利要求4所述的CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述第一加热片、第二加热片和第三加热片连接有温度控制系统。
9.根据权利要求4所述的CPT原子钟物理系统，其特征在于，所述导热支架使用导热胶与所述第一加热片和第三加热片粘接固定。
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