[发明专利]一体化设计的CPT原子频标物理系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种被动型相干布局囚禁原子频标(简称CPT原子频标)，更具体的说，本发明是关于CPT原子频标的物理系统。

发明背景

CPT原子频标CPT是目前理论上唯一可微型化的新型原子频标，其体积、功耗、启动速度比目前广泛应用的铷钟具有更大优势，因而具有更大的应用前景。大量的电子学设备都需要原子频标作为自主守时的频率源，但由于原子频标功耗、体积过大，因此只能用晶体振荡器(晶振)代替。然而晶振有漂移率大的缺点，提供的时间基准长期误差大，不能满足自主守时要求，设备不得不定时与外部时钟校准。CPT原子频标能够达到与晶振相当的体积和功耗，但却具有原子频标漂移率小，长期准确度高的优点，是自主守时理想时间频率源部件，它的应用将极大扩大电子学设备的应用范围。与传统的铷频标相比，CPT原子频标物理系统不受微波腔的限制，光源部分用纵腔面发射半导体激光器(VCSEL)替代光谱灯，其体积、功耗可大幅降低，与MEMS工艺相结合，该类型的原子频标物理系统可实现微型化。本发明是基于传统工艺的CPT原子频标物理系统，利用本发明预期可实现功耗2W、体积47cm³的CPT原子频标。

CPT原子频标的基本原理是利用原子与相干光相互作用产生的窄线宽电磁感应透明(EIT)谱线作为鉴频谱线去锁定压控晶振，即CPT原子频标的物理系统通过输出具有鉴频特性的光检信号，经同步鉴相后得到误差信号去锁定压控晶振，使晶振的标准输出频率具有与原子一样的频率稳定度。因此根据功能不同，CPT原子频标可以概括地分为电子学系统和物理系统。电子学系统作用是产生供给激光管的携带有调制信息的直流信号和微波信号；同时，电子学系统还对物理系统输出的携带鉴频信息的光检信号进行同步鉴相得到控制激光频率的负反馈电流信号及控制压控晶振的负反馈电压信号。物理系统的作用是在探询信号的作用下，输出具有鉴频特性的光检信号。CPT原子频标锁定后，其频率稳定度主要由物理系统决定，因此物理系统是CPT原子频标的核心部分。小型化、低功耗是CPT原子频标最重要的特点，物理系统占据CPT原子频标的主要部分，因此如何设计更小体积、更小功耗的物理系统对CPT原子频标极为重要。

CPT频标作为一种新型原子频标，目前世界上仅有两款商品，分别由Symmetricom公司和Kernco公司实现。Symmetricom公司的物理系统设计采用的是分离式，即将物理系统分为两部分：光源部分和吸收泡部分。这种结构的优点是光源部分和吸收泡部分可以根据需要控制在不同的温度点，缺点则是增大了物理系统的体积，同时两路独立的温控增大了电路板的面积和功耗。Kernco公司的物理系统目前尚无文献记载。

发明内容

本发明的目的是提供一种体积小、功耗低、便于调试的一体化设计的CPT原子频标物理系统。

为实现这个目的，本发明是这样实现的，一种一体化设计的CPT原子频标物理系统，包括，装配激光管、光学组件、吸收泡、C场线圈的热环和加热恒温装置，其特征在于：激光管套可转动地装配在热环的装配孔内，激光管和其后的光学组件通过激光管套固定在热环的台阶装配孔上，直接绕制在吸收泡上的C场线圈和吸收泡一起，装配在导磁率大于2000的金属吸收泡套内，吸收泡套通过非磁导体热环的装配孔，同轴耦合连接在光学组件之后。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明将C场绕制在吸收泡的两端，保证了磁场的均匀，减少了体积，。一般的方案都是将吸收泡放置在一个金属套筒内，然后在金属套筒的外面绕制C场线圈，最后再将金属套筒放置在磁屏蔽筒内，该现有技术相比于本发明就多了一个金属套筒的尺寸，不可避免的增大了物理系统的体积；同时，上述现有技术的金属套筒要尽量加厚，才能保证将吸收泡尾管装在其中，以避免尾管干扰C场线圈绕制。本发明中，C场线圈直接绕制在吸收泡的尾管两端，减少了体积，同时保证了磁场的均匀性。

(2)结构简单，体积小，功耗低，易于加工，降低了生产成本。本发明通过一体化设计，将激光管和吸收泡同时控温，摒弃了现有技术将激光管和吸收泡分成两部分分别温控的设计弊端。缩小了物理系统的体积，同时降低了物理系统消耗的功耗。热环采用普通铝合金单独设计，实现了对激光管和吸收泡的同时温控，同时还使本物理系统完全工程化，使成本进一步降低。

(3)激光管套相对于热环可以转动，有利于调整激光通过光学镜片后的光学特性。由于激光管是固定在热环上，因此激光管套相对于热环可以转动就是激光管套相对于激光管可以转动，通过这种角度的调整可以改变激光通过光学组件后的光学特性。

附图说明