本发明公开了一种光纤碱金属气室。该气室从集成度、小型化，以及方便与光纤器件集成的角度出发，进行碱金属气室结构设计。该气室通过T型玻璃管密封碱金属蒸汽，利用陶瓷插芯对准结构将光纤固定在T型管内，并保证光能够顺利通过且与碱金属蒸汽相互接触，T型管的两端通过螺纹密封结构进行T行管和光纤的密封。此结构可方便地将气室与各种光纤器件相连，为全光纤小型化原子磁强计提供可能性。
1.一种光纤碱金属气室，其特征在于：包括，左端内螺纹密封帽(1)、左端外螺纹密封管(2)、左端保偏光纤(3)、左端空气芯光子晶体光纤(4)、左端光纤陶瓷插芯(5)、陶瓷套管(6)、右端内螺纹密封帽(7)、右端外螺纹密封管(8)、右端保偏光纤(9)、右端空气芯光子晶体光纤(10)、右端光纤陶瓷插芯(11)、T型玻璃管(12)；T型玻璃管(12)长端为横管，短端为纵管，且相对纵管中心结构对称；左端保偏光纤(3)和左端空气芯光子晶体光纤(4)通过熔接组成，左端空气芯光子晶体光纤(4)尾端在T型玻璃管(12)内部，置于T型玻璃管(12)的横管，并插入左端光纤陶瓷插芯(5)；左端保偏光纤(3)尾端在T型玻璃管(12)外部并且穿过左端外螺纹密封管(2)和内螺纹密封帽(1)；其中，左端光纤陶瓷插芯(5)中心具有轴向圆通孔，尾端具有锥型凹槽；左端空气芯光子晶体光纤(4)尾端由左端光纤陶瓷插芯(5)尾端插入并穿过通孔到达左端光纤陶瓷插芯(5)顶端，再在左端光纤陶瓷插芯(5)尾端注入少量密封胶用于固定；固定好后左端光纤陶瓷插芯(5)插入陶瓷套管(6)，插入的深度为左端光纤陶瓷插芯(5)顶端距离陶瓷套管(6)中心约1-2mm处；右端通光光纤同样由右端保偏光纤(9)和右端空气芯光子晶体光纤(10)通过熔接组成；右端空气芯光子晶体光纤(10)尾端在T型玻璃管(12)内部，并插入右端光纤陶瓷插芯(11)；右端保偏光纤(9)尾端在T型玻璃管(12)外部并且穿过右端内螺纹密封帽(7)和右端外螺纹密封管(8)，其中，右端空气芯光子晶体光纤(10)尾端由右端光纤陶瓷插芯(11)尾端插入并穿过通孔到达右端光纤陶瓷插芯(11)顶端，再在右端光纤陶瓷插芯(11)尾端注入少量真空密封胶用于固定；固定好后右端光纤陶瓷插芯(11)插入陶瓷套管(6)，插入的深度为右端光纤陶瓷插芯(11)顶端距离陶瓷套管(6)中心约1-2mm处。
2.根据权利要求1所述的光纤碱金属气室，其特征在于：左端外螺纹密封管(2)紧密配合在T型玻璃管(12)横管左端，左端内螺纹密封帽(1)通过螺纹紧密配合在左端外螺纹密封管(2)外部；左端内螺纹密封帽(1)和左端外螺纹密封管(2)轴心处均留有约2.5mm的通孔让左端保偏光纤(3)穿过，之后利用真空密封胶密封通孔；右端外螺纹密封管(8)紧密配合在T型玻璃管(12)横管右端，右端内螺纹密封帽(7)通过螺纹紧密配合在右端外螺纹密封管(8)外部；右端内螺纹密封帽(7)和右端外螺纹密封管(8)轴心处均留有约2.5mm的通孔让右端保偏光纤(9)穿过，之后利用真空密封胶密封通孔。
3.根据权利要求1所述的光纤碱金属气室，其特征在于：所述T型玻璃管(12)为硼硅玻璃材料，为了在充入碱金属物质时防止气室被腐蚀。
4.根据权利要求1所述的光纤碱金属气室，其特征在于：左端内螺纹密封帽(1)、右端内螺纹密封帽(7)、左端外螺纹密封管(2)和右端外螺纹密封管(8)均为金属铝材料，保证结构具有一定硬度又兼具低磁特性。
5.根据权利要求1所述的光纤碱金属气室，其特征在于：用于密封左端内螺纹密封帽(1)、右端内螺纹密封帽(7)、左端外螺纹密封管(2)和右端外螺纹密封管(8)的胶为高真空度，即10-6Pa的真空密封胶材料，保证气室在封装后与外界空气隔离。
6.根据权利要求1所述的光纤碱金属气室，其特征在于：纵管用于充入碱金属所需物质，并在充后进行烧结密封。
一种光纤碱金属气室
技术领域
[0001] 本发明涉及子量子传感和量子精密测量领域。特别是一种可与光纤系统集成的光纤碱金属气室。
背景技术
[0002] 目前，基于原子自旋效应的传感器具有超高灵敏特性，在基础物理研究，生物医学，地磁导航等领域均具有良好的发展前景。目前，原子磁强计的小型化是脑磁和心磁测量应用的迫切需求。因此，光纤原子磁强计成为原子磁强计领域的一项研究热点。
[0003] 而目前限制其进一步发展的重要因素是光纤碱金属气室的方案尚未成熟。现有的方案有两种，一种是利用光诱导原理将Rb原子释放的光纤纤芯中，但是这种方案会产生较高的插入损耗。另一种方案是采用单模光纤-毛细管-多模光纤熔接方案，但是由于采用多模光纤不易于集成于磁强计系统。因此，如何制作可集成于原子磁强计的光纤气室是目前的技术难点。
发明内容
[0004] 本发明的技术解决问题是：全光纤原子磁强计是原子磁强计小型化的重要分支，而光纤碱金属气室是实现全光纤原子磁强计的技术基础，本发明提供一种光纤碱金属气室，填补国内空白。通过采用T型玻璃管封装碱金属等量子传感和精密测量所需物质；利用光纤嵌入玻璃管满足光纤气室与其他光纤器件的匹配连接；利用陶瓷对准结构最大化光与原子相互作用体积，提高量子精密测量信号。
[0005] 本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：种光纤碱金属气室，包括：左端内螺纹密封帽(1)、左端外螺纹密封管(2)、左端保偏光纤(3)、左端空气芯光子晶体光纤(4)、左端光纤陶瓷插芯(5)、陶瓷套管(6)、右端内螺纹密封帽(7)、右端外螺纹密封管(8)、右端保偏光纤(9)、右端空气芯光子晶体光纤(10)、右端光纤陶瓷插芯(11)、T型玻璃管(12)；所有配件均封装在T型玻璃管(12)内，并且结构对称；左端保偏光纤(3)和左端空气芯光子晶体光纤(4)通过熔接组成，左端空气芯光子晶体光纤(4)尾端在T型玻璃管(12)内部，置于T型玻璃管(12)具有两端通孔的横管一端，并插入左端光纤陶瓷插芯(5)；左端保偏光纤(3)尾端在T型玻璃管(12)外部并且穿过左端外螺纹密封管(2)和内螺纹密封帽(1)；其中，左端光纤陶瓷插芯(5)中心具有轴向圆通孔，尾端具有锥型凹槽；左端空气芯光子晶体光纤(4)尾端由左端光纤陶瓷插芯(5)尾端插入并穿过通孔到达左端光纤陶瓷插芯(5)顶端，再在左端光纤陶瓷插芯(5)尾端注入少量密封胶用于固定。固定好后左端光纤陶瓷插芯(5)插入陶瓷套管(6)，插入的深度为左端光纤陶瓷插芯(5)顶端距离陶瓷套管(6)中心约1-2mm处；右端通光光纤同样由右端保偏光纤(9)和右端空气芯光子晶体光纤(10)通过熔接组成；右端空气芯光子晶体光纤(10)尾端在T型玻璃管(12)内部，并插入右端光纤陶瓷插芯(11)；右端保偏光纤(9)尾端在T型玻璃管(12)外部并且穿过右端内螺纹密封帽(7)和右端外螺纹密封管(8)，其中，右端空气芯光子晶体光纤(10)尾端由右端光纤陶瓷插芯(11)尾端插入并穿过通孔到达右端光纤陶瓷插芯(11)顶端，再在右端光纤陶瓷插芯(11)尾端注入少量真空密封胶用于固定。固定好后右端光纤陶瓷插芯(11)插入陶瓷套管(6)，插入的深度为右端光纤陶瓷插芯(11)顶端距离陶瓷套管(6)中心约1-2mm处。
[0006] 左端外螺纹密封管(2)紧密配合在T型玻璃管(12)横管左端，左端内螺纹密封帽(1)通过螺纹紧密配合在左端外螺纹密封管(2)外部。左端内螺纹密封帽(1)和左端外螺纹密封管(2)轴心处均留有约2.5mm的通孔让左端保偏光纤(3)穿过，之后利用真空密封胶密封通孔；右端外螺纹密封管(7)紧密配合在T型玻璃管(12)横管右端，右端内螺纹密封帽(7)通过螺纹紧密配合在右端外螺纹密封管(8)外部；右端内螺纹密封帽(7)和右端外螺纹密封管(8)轴心处均留有约2.5mm的通孔让右端保偏光纤(9)穿过，之后利用真空密封胶密封通孔。
[0007] 所述T型玻璃管(12)为硼硅玻璃材料，为了在充入碱金属物质时防止气室被腐蚀。
[0008] 左端内螺纹密封帽(1)、右端内螺纹密封帽(7)、左端外螺纹密封管(2)和右端外螺纹密封管(8)均为金属铝材料，保证结构具有一定硬度又兼具低磁特性。
[0009] 用于密封左端内螺纹密封帽(1)、右端内螺纹密封帽(7)、左端外螺纹密封管(2)和右端外螺纹密封管(8)的胶为高真空度，即10-6Pa的真空密封胶材料，保证气室在封装后与外界空气隔离。
[0010] 用于T型玻璃管具有两个通孔的一端称之为横管，垂直于横管的一端称之为纵管，纵管用于充入碱金属所需物质，并在充后进行烧结密封。
[0011] 本发明的原理：一种光纤碱金属气室，其特征在于包括：内螺纹密封帽、外螺纹密封管、保偏光纤、空气芯光子晶体光纤、陶瓷插芯、陶瓷套管、T型玻璃管，其中：
[0012] 光纤部分结构分为左右两段，左端光纤由保偏光纤和空气芯光子晶体光纤通过熔接构成；空气芯光子晶体光纤连接陶瓷插芯，光纤顶端与陶瓷插芯对齐。为了固定光纤在管内位置，利用真空密封胶对光纤与陶瓷插芯输入端进行固定；左右两段光纤完全对称，右段不再具体说明。左右两段光纤通过陶瓷插芯固定在陶瓷套管内，两段光纤中间保留2-4mm的空气间隙，调整两端陶瓷插芯插入陶瓷套管位置调整通光功率至最大，保证光能够与原子相互作用。
[0013] 光纤结构贯穿T型玻璃管长管，两端的保偏光纤伸出玻璃管外通过内螺纹密封帽的通光孔；T型玻璃管长管两端安装了外螺纹密封管，密封管与玻璃管通过机械结构紧密配合；内螺纹密封帽旋紧外螺纹密封管，保持管内光纤自然伸直后，对光纤与内螺纹密封帽的连接处利用真空密封胶进行密封。真空密封胶要等胶完全风干后再进行后续操作。
[0014] T型玻璃管内充入量子传感和测量所需物，如碱金属、惰性气体和淬灭气体等满足量子传感及测量不同需求的物质，通过T形玻璃管短管处填充，填充后进行烧结密封，保证管内物质不会泄露。
[0015] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0016] (1)全光纤原子磁强计是原子磁强计小型化方案的重要分支，而光纤碱金属气室是原子磁强计全光纤化的实现的基础，填补国内空白，具有重要的工程意义。
[0017] (2)光纤碱金属气室尺寸小，易于集成和小型化，满足原子磁强计小型化的需求。
[0018] (3)光纤碱金属气室的光输入和输出端均有保偏光纤构成。光纤结构方便与各种光纤器件集成，保偏特性能够满足量子传感和量子精密测量对光的偏振态的各种需求。
[0019] (4)采用T型玻璃管结构填充碱金属等物质，填充方式灵活，且密封性好。
[0020] (5)采用两段光纤对准结构，能够最大程度的保证光与原子相互作用体积，同时又能够减小气室的插入损耗，解决目前气室插入损耗搞得问题。
[0021] (6)本发明的光纤碱金属气室具有保偏光纤的输入输出端，保偏光纤结构便于集成到目前大部分的光纤系统中，解决现有方案难以集成的问题。
[0022] (7)本发明的光纤碱金属气室采用了空气芯光子晶体光纤结构，能够保证更多的光与碱金属相互作用，属于透射式光纤碱金属气室结构；这种结构满足多种光学系统的需求，灵活性和适用性强。
附图说明
[0023] 图1为本发明的光纤碱金属气室结构图，其中，1为左端内螺纹密封帽、2为左端外螺纹密封管、3为左端保偏光纤、4为左端空气芯光子晶体光纤、5为左端光纤陶瓷插芯、6为陶瓷套管；7为右端内螺纹密封帽、8为右端外螺纹密封管、9为右端保偏光纤、10为右端空气芯光子晶体光纤、11为右端光纤陶瓷插芯、12为T型玻璃管。
[0024] 图2为本发明的真空腔密封结构图；
[0025] 图3为本发明的光纤对准陶瓷套管结构图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
[0027] 如图1所示，本发明的光纤碱金属气室包括左端内螺纹密封帽1、左端外螺纹密封管2、左端保偏光纤3、左端空气芯光子晶体光纤4、左端光纤陶瓷插芯5、陶瓷套管6、右端内螺纹密封帽7、右端外螺纹密封管8、右端保偏光纤9、右端空气芯光子晶体光纤10、右端光纤陶瓷插芯11、T型玻璃管12。
[0028] 左端保偏光纤3和右端保偏光纤9应选择双折射较大，保偏性能较好的种类，满足量子传感与精密测量对光偏振态的要求。左端空气芯光子晶体光纤4和右端空气芯光子晶体光纤10应选择空气芯尽量大的种类，保证更多的光能够与碱金属蒸汽接触，且能够保证与保偏光纤具有较小的熔接损耗。
[0029] 左端空气芯光子晶体光纤4和右端空气芯光子晶体光纤10端面应尽量平整，保证较高的输出光斑质量。
[0030] 通光光纤部分结构分为左右两段，左端保偏光纤3和左端空气芯光子晶体光纤4通过熔接构成；左端空气芯光子晶体光纤4连接左端光纤陶瓷插芯5，左端空气芯光子晶体光纤4端面与左端光纤陶瓷插芯5对齐。为了固定左端通光光纤在T型玻璃管12内位置，利用真空密封胶对左端空气芯光子晶体光纤4与左端光纤陶瓷插芯5尾端进行固定；左右两段光纤完全对称，右端保偏光纤9和右端空气芯光子晶体光纤10通过熔接构成；右端空气芯光子晶体光纤10连接右端光纤陶瓷插芯11，右端空气芯光子晶体光纤10端面与右端光纤陶瓷插芯11对齐。为了固定右端通光光纤在T型玻璃管12内位置，利用真空密封胶对右端空气芯光子晶体光纤10与右端光纤陶瓷插芯11进行固定。
[0031] 如图2所示，左端光纤陶瓷插芯5和右端光纤陶瓷插芯11分别用来固定左端的通光光纤和右端的通光光纤。两段光纤中间保留2-4mm的空气间隙，调整左端光纤陶瓷插芯5和右端光纤陶瓷插芯11插入陶瓷套管位置调整通光功率至最大，保证光能够与原子相互作用。
[0032] 为了固定通光光纤与T型玻璃管12内的相对位置，保证光传输的稳定性，需要将左端空气芯光子晶体光纤4和右端空气芯光子晶体光纤10通过胶封的形式分别固定在左端光纤陶瓷插芯5和右端光纤陶瓷插芯11内，待胶完全风干再进行后续操作，保证系统在较高温度下均能够保证稳定的性能。
[0033] 如图3所示，左端内螺纹密封帽1和左端外螺纹密封管2中间留有让光纤结构贯穿的通光；左端内螺纹密封帽1和左端外螺纹密封管2通过机械结构紧密配合；左端内螺纹密封帽1旋紧左端外螺纹密封管2，保持管内左端通光光纤自然伸直后，对左端通光光纤与内螺纹密封帽1的连接处利用真空密封胶进行密封。真空密封胶要等胶完全风干后再进行后续操作。同理，右端内螺纹密封帽7和右端外螺纹密封管8中间留有让光纤结构贯穿的通光；右端内螺纹密封帽7和右端外螺纹密封管8通过机械结构紧密配合；右端内螺纹密封帽7旋紧右端外螺纹密封管8，保持管内左端通光光纤自然伸直后，对右端通光光纤与右端内螺纹密封帽7的连接处利用真空密封胶进行密封。
[0034] 两段光纤的空气间隙应在T型玻璃管12靠近中心位置，保证更多的原子能够与光相互接触。
[0035] 左端内螺纹密封帽1、右端内螺纹密封帽7、左端外螺纹密封管2和右端外螺纹密封管8，应该选择无磁或者低磁材料。由于气室对真空度有较高的要求，因此，内螺纹密封帽和外螺纹密封管可选择铝或其他低磁密封材料。
[0036] 在进行填充之前，气室应接入真空测量装置进行真空度测量，保证真空度在10-6Pa量级。
[0037] T型玻璃管12内充入量子传感和测量所需物，如碱金属、惰性气体和淬灭气体等满足量子传感及测量不同需求的物质，通过T形玻璃管12纵管处填充，填充后进行烧结密封，保证管内物质不会泄露。充入量应该在保证200℃左右时的气压满足玻璃材料的耐受程度，保证气室的稳定性。
[0038] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
