一种小型化气泡型光频标量子系统

摘要

本发明公开了一种小型化气泡型光频标量子系统，包括前置支架、外磁屏盖、外磁屏筒、前置隔热垫片、外腔、外加热带、内磁屏筒、隔热腔、内磁屏盖、内腔、内加热带、原子泡、前置透镜支架、前置透镜、后置透镜、后置透镜支架、后置隔热垫片、滤光片支架、干涉滤光片、光电探测器、后置支架和外筒。本发明通过对主要零部件采用轴对称设计，对原子泡镀膜，易于加工和整体装配，光路构型简单。通过设计内、外双层静磁屏蔽和内外双层温控系统，降低静磁场和温度波动对原子跃迁频率的影响。

权利要求

1.一种小型化气泡型光频标量子系统，包括外筒(22)，其特征在于，外筒(22)内设置有外磁屏筒(3)以及与外磁屏筒(3)相对的干涉滤光片(19)和光电探测器(20)，外磁屏筒(3)内设置有筒状的外腔(5)，外腔(5)外壁周向分布有外加热带(6)，外腔(5)两端分别设置有前置隔热垫片(4)和后置隔热垫片(17)，外腔(5)内设置有内磁屏筒(7)，内磁屏筒(7)内设置有隔热腔(8)，隔热腔(8)内设置有内腔(10)、前置透镜(14)和后置透镜(15)，内腔(10)外壁周向分布有内加热带(11)，内腔(10)内设置有原子泡(12)，内腔(10)上开设有原子泡出光孔(24)，进光孔(23)依次贯穿外筒(22)、外磁屏筒(3)、前置隔热垫片(4)、外腔(5)、内磁屏筒(7)、隔热腔(8)和内腔(10)，出光孔(25)依次贯穿隔热腔(8)、内磁屏筒(7)、外腔(5)、后置隔热垫片(17)和外磁屏筒(3)，前置透镜(14)设置在原子泡出光孔(24)处，后置透镜(15)设置在出光孔(25)处，外磁屏盖(2)、外磁屏筒(3)、前置隔热垫片(4)、外腔(5)、内磁屏筒(7)、隔热腔(8)、内磁屏盖(9)、内腔(10)、前置透镜支架(13)、前置透镜(14)、后置透镜(15)、后置透镜支架(16)、后置隔热垫片(17)、滤光片支架(18)、干涉滤光片(19)、光电探测器(20)和外筒(22)外形均为轴对称；

原子泡(12)的入射泡壁的表面镀有入射膜，入射膜对波长为778nm的光增透射且对波长为420nm的光增反射，原子泡(12)的透射泡壁的表面镀有透射膜，透射膜对波长为420nm的光增透射且对波长为778nm的光增反射，入射泡壁与进光孔(23)相对，透射泡壁与原子泡出光孔(24)相对；

进光孔(23)的中心轴、原子泡出光孔(24)的中心轴、前置透镜(14)的中心光轴、后置透镜(15)的中心光轴、出光孔(25)的中心轴共线，干涉滤光片(19)与出光孔(25)相对；

前置透镜(14)设置在前置透镜支架(13)上，前置透镜支架(13)设置在原子泡出光孔(24)处，后置透镜(15)设置在后置透镜支架(16)上，后置透镜支架(16)固定在隔热腔(8)内，干涉滤光片(19)设置在滤光片支架(18)上，滤光片支架(18)设置在外筒(22)内；

外筒(22)包括外筒体(2201)、设置在外筒体(2201)一端的前置支架(1)和设置在外筒体(2201)另一端的后置支架(21)；

外磁屏筒(3)包括外磁屏筒体(301)、以及盖设在外磁屏筒体(301)一端的外磁屏盖(2)；

内磁屏筒(7)包括内磁屏筒体(701)、以及盖设在内磁屏筒体(701)一端的内磁屏盖(9)；

外磁屏筒体(301)、外磁屏盖(2)、内磁屏筒体(701)和内磁屏盖(9)的磁导率大于2000；

外腔(5)和内腔(10)上均设置有热敏电阻。

说明书

一种小型化气泡型光频标量子系统

技术领域

[0001] 本发明涉及原子光频标装置领域，更具体涉及一种小型化气泡型光频标量子系统。技术背景

[0002] 光频标是利用中性原子（或离子）稳定的光波段跃迁谱线作为鉴频信号实施激光稳频的一种频率标准。由于光波段的原子跃迁谱线具有极高的谱线Q值，光频标的频率不确定度和频率稳定度可达E-18量级，这使得光频标成为未来物理常数测量、国际原子时保持、卫星定位导航等领域的首选原子频标，并极有可能取代铯喷泉微波频标成为“秒”定义的参考基准。尽管光频标具有极高的频率性能指标，但是目前光频标多是基于冷原子（或离子）实现的，实施方案比较复杂，通常需要多个激光器并配备体积庞大的激光冷却（或离子囚禁）系统和真空系统，因此目前光频标的体积、质量和功耗非常大，致使光频标还仅存在实验室内，难以实现小型化的产品应用。

[0003] 气泡型光频标以热原子为工作原子，不需要激光冷却和真空系统，具有实现小型化甚至微型化的潜力。热原子光频标的频率性能指标较实验室光频标虽然会有所下降，但综合性能指标仍优于现有的微波频标，因此具有很好的应用前景。利用热原子体系的饱和吸收谱线和双光子跃迁谱线均可实现热原子光频标，目前最常用的热原子体系为玻璃气泡内的铷原子，本发明是基于双光子跃迁的铷气泡型光频标物理系统，利用本发明预期可实现小型化光频标。

[0004] 基于双光子跃迁的铷原子光频标的简要工作机理如下：利用波长为778nm的激光与玻璃泡内的铷原子发生相互作用，处于基态的铷原子同时吸收两个动量相反的光子，从5S1/2能级跃迁到5D5/2能级，处于5D5/2能级的铷原子通过自发辐射先跃迁至6P3/2能级再跃迁至5S1/2能级。铷原子在自发辐射的过程层中会辐射波长为420nm的荧光信号，该荧光信号的强弱反映探测激光频率和双光子跃迁频率的偏差大小，从而可利用该荧光信号将探测激光的频率锁定在原子的双光子跃迁频率上。铷原子光频标可分为光学系统和量子系统两部分，其中量子系统负责提供稳定度原子跃迁频率参考，直接决定光频标的性能，设计合适的量子系统对铷原子光频标十分重要。为实现频率不确定度达E-13的气泡型光频标，要求量子系统有稳定的机械结构、简洁的光路构型、高效的荧光收集效率、良好的静磁场屏蔽和温度控制，但目前国内外关于小型化气泡型光频标量子系统设计的相关报道极少。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种小型化气泡型光频标量子系统，结构稳定、光路简洁、荧光探测效率高、静磁屏蔽良好、控温良好。

[0006] 本发明的目的通过以下技术措施实现：

[0007] 一种小型化气泡型光频标量子系统，包括外筒，外筒内设置有外磁屏筒以及与外磁屏筒相对的干涉滤光片和光电探测器，外磁屏筒内设置有筒状的外腔，外腔外壁周向分布有外加热带，外腔两端分别设置有前置隔热垫片和后置隔热垫片，外腔内设置有内磁屏筒，内磁屏筒内设置有隔热腔，隔热腔内设置有内腔、前置透镜和后置透镜，内腔外壁周向分布有内加热带，内腔内设置有原子泡，内腔上开设有原子泡出光孔，进光孔依次贯穿外筒、外磁屏筒、前置隔热垫片、外腔、内磁屏筒、隔热腔和内腔，出光孔依次贯穿隔热腔、内磁屏筒、外腔、后置隔热垫片和外磁屏筒，前置透镜设置在原子泡出光孔处，后置透镜设置在出光孔处。

[0008] 如上所述的进光孔的中心轴、原子泡出光孔的中心轴、前置透镜的中心光轴、后置透镜的中心光轴、出光孔的中心轴共线，干涉滤光片与出光孔相对。

[0009] 如上所述的前置透镜设置在前置透镜支架上，前置透镜支架设置在原子泡出光孔处，后置透镜设置在后置透镜支架上，后置透镜支架固定在隔热腔内，干涉滤光片设置在滤光片支架上，滤光片支架设置在外筒内。

[0010] 如上所述的外筒包括外筒体、设置在外筒体一端的前置支架和设置在外筒体另一端的后置支架；

[0011] 外磁屏筒包括外磁屏筒体、以及盖设在外磁屏筒体一端的外磁屏盖；

[0012] 内磁屏筒包括内磁屏筒体、以及盖设在内磁屏筒体一端的内磁屏盖。

[0013] 如上所述的外磁屏筒体、外磁屏盖、内磁屏筒体和内磁屏盖的磁导率大于2000。

[0014] 如上所述的外腔和内腔上均设置有热敏电阻。

[0015] 如上所述的原子泡的入射泡壁的表面镀有入射膜，入射膜对波长为778nm的光增透射且对波长为420nm的光增反射，原子泡的透射泡壁的表面镀有透射膜，透射膜对波长为420nm的光增透射且对波长为778nm的光增反射，入射泡壁与进光孔相对，透射泡壁与原子泡出光孔相对。

[0016] 本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

[0017] 1、外磁屏盖2，外磁屏筒3，前置隔热垫片4，外腔5，内磁屏筒7，隔热腔8，内磁屏盖9，内腔10，前置透镜支架13，前置透镜14，后置透镜15，后置透镜支架16，后置隔热垫片17，滤光片支架18，干涉滤光片19，光电探测器20，和外筒22的外形均采用轴对称设计，易于加工并可确保各部件同轴心的安装方式，使得整个系统的结构简洁、紧凑且稳定。

[0018] 2、仅利用一路钟激光激发原子发生双光子跃迁，且由干涉滤光片19，滤光片支架18，光电探测器20和后置支架21构成的原子辐射荧光信号探测系统的光轴和入射激光的光线方向重合，光路结构简单。在原子泡12的表面实施镀膜，具体是在原子泡12的钟激光的入射泡壁S1的表面镀有入射膜，入射膜对波长为778nm的光有增透射作用且对波长为420nm的光有增反射作用，在原子泡12的钟激光的透射泡壁S2的表面镀有透射膜，透射膜对波长为
420nm的光有增透射作用且对波长为778nm的光有增反射作用。其中入射泡壁S1为778nm钟激光的入射窗口，透射泡壁S2为778nm钟激光的透射窗口。钟激光经入射泡壁S1的增透射膜作用进入原子泡12内，在透射泡壁S2的增反射膜的作用下完全反射，透射光和反射光相向传播，使得铷原子能够同时吸收一个入射光子和一个反射光子发生双光子跃迁，实现了一路钟光激发原子双光子跃迁，简化了激光光路。镀膜还使得钟激光不能从泡壁S2透射出去，经泡壁S2透射出的光大部分为原子辐射的420nm荧光信号，使得原子辐射荧光信号的探测系统能够和钟激光共光轴，可进一步简化光路并提高荧光探测效率。

[0019] 3、前置透镜14、后置透镜15、干涉滤光片19和光电探测器20组成高效率的辐射荧光探测系统。前置透镜14、后置透镜15的组合对原子辐射荧光进行汇聚准直，并在光电探测器20之前利用干涉滤光片19滤除荧光中的无用杂散光实现荧光的最大收集效率。

[0020] 4、本发明分为内外两层进行静磁屏蔽。高磁导率（>2000）材料制成的内磁屏筒体701和内磁屏盖9组成内层磁屏蔽系统，高磁导率材料制成的外磁屏盖2、外磁屏筒体301组成外层磁屏系统，两层磁屏蔽系统设置合适的空间隔离，可减小静磁场波动对原子跃迁频率的扰动。

[0021] 5、系统包含双层温度控制设计确保原子泡温度的稳定，内腔10、内加热带11和安置在内腔10上热敏电阻一起构成第一层温控系统，外腔5、外加热带6和安置在外腔5上热敏电阻一起构成第二层温控系统，两层温控系统通过高热阻的隔热腔8、前置隔热垫片4和后置隔热垫片17进行热隔离。

附图说明

[0022] 图1是本发明的结构剖面示意图。

[0023] 其中：1-前置支架；2-外磁屏盖；3-外磁屏筒；4-前置隔热垫片；5-外腔；6-外加热带；7-内磁屏筒；8-隔热腔；9-内磁屏盖；10-内腔；11-内加热带；12-原子泡；13-前置透镜支架；14-前置透镜；15-后置透镜；16-后置透镜支架；17-后置隔热垫片；18-滤光片支架；19-干涉滤光片；20-光电探测器；21-后置支架；22-外筒；23-进光孔；24-原子泡出光孔；25-出光孔；301-外磁屏筒体；701-内磁屏筒体；2201-外筒体。

[0024] 图2位原子泡12的剖面示意图。

[0025] 其中S1-原子泡12的钟激光的入射泡壁，S2-原子泡12的钟激光的透射泡壁。

具体实施方式

[0026] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

[0027] 如图1-2所示，一种小型化气泡型光频标量子系统，包括外筒22，外筒22内设置有外磁屏筒3以及与外磁屏筒3相对的干涉滤光片19和光电探测器20，外磁屏筒3内设置有筒状的外腔5，外腔5外壁周向分布有外加热带6，外腔5两端分别设置有前置隔热垫片4和后置隔热垫片17，外腔5内设置有内磁屏筒7，内磁屏筒7内设置有隔热腔8，隔热腔8内设置有内腔10、前置透镜14和后置透镜15，内腔10外壁周向分布有内加热带11，内腔10内设置有原子泡12，内腔10上开设有原子泡出光孔24，进光孔23依次贯穿外筒22、外磁屏筒3、前置隔热垫片4、外腔5、内磁屏筒7、隔热腔8和内腔10，出光孔25依次贯穿隔热腔8、内磁屏筒7、外腔5、后置隔热垫片17和外磁屏筒3，前置透镜14设置在原子泡出光孔24处，后置透镜15设置在出光孔25处，

[0028] 进光孔23的中心轴、原子泡出光孔24的中心轴、前置透镜14的中心光轴、后置透镜15的中心光轴、出光孔25的中心轴共线，干涉滤光片19与出光孔25相对。

[0029] 前置透镜14设置在前置透镜支架13上，前置透镜支架13设置在原子泡出光孔24处，后置透镜15设置在后置透镜支架16上，后置透镜支架16固定在隔热腔8内，干涉滤光片19设置在滤光片支架18上，滤光片支架18设置在外筒22内。

[0030] 外筒22包括外筒体2201、设置在外筒体2201一端的前置支架1和设置在外筒体2201另一端的后置支架21，进光孔23贯穿前置支架1；

[0031] 外磁屏筒3包括外磁屏筒体301、以及盖设在外磁屏筒体301一端的外磁屏盖2，进光孔23贯穿外磁屏盖2，出光孔25贯穿外磁屏筒体301与外磁屏盖2相对的一端；

[0032] 内磁屏筒7包括内磁屏筒体701、以及盖设在内磁屏筒体701一端的内磁屏盖9，进光孔23贯穿内磁屏筒体701与内磁屏盖9相对的一端，出光孔25贯穿内磁屏盖9。

[0033] 外磁屏筒体301、外磁屏盖2、内磁屏筒体701和内磁屏盖9的磁导率大于2000。

[0034] 外腔5和内腔10上均设置有热敏电阻。

[0035] 原子泡12的钟激光的入射泡壁S1的表面镀有入射膜，入射膜对波长为778nm的光增透射且对波长为420nm的光增反射，原子泡12的钟激光的透射泡壁S2的表面镀有透射膜，透射膜对波长为420nm的光增透射且对波长为778nm的光增反射，入射泡壁S1与进光孔23相对，透射泡壁S2与原子泡出光孔24相对。

[0036] 原子泡12内充有金属87Rb，原子泡12通过导热性良好的硅胶粘接在内腔10的内表面，前置透镜14粘接在前置透镜支架13端面的凹槽内，前置透镜支架13通过螺钉固定在内腔10的右端面。内加热带11通过导热性良好的硅胶紧密的粘接在内腔10的外表面，感温热敏电阻安装在内腔10的左端面，如图1所示。内腔10置于低热导率材料制得的圆桶状的隔热腔8内，低热导率材料可选用聚酰亚胺或聚苯乙烯。隔热腔8置于高磁导率材料制得的圆桶状的内磁屏筒7中，高磁导率材料可选用坡莫合金。三个低导热率螺钉依次穿过前置支架1、外磁屏盖2、前置隔热垫片4与外腔5的左端面固定；三个低导热率螺钉依次穿过前置隔热垫片4、外腔5、内磁屏筒7、隔热腔8和内腔10的左端面固定；三个低导热率螺钉穿过隔热垫片4与外腔5的左端面固定。后置透镜15粘接在后置透镜支架16左端面的凹槽内，后置透镜支架16右侧依次为高磁导率材料制得的内磁屏盖9和低热导率材料制得的后隔热垫片17，三个低导热率螺钉穿过后置隔热垫片17与外腔5的右端面固定；三个低导热率螺钉依次穿过后置隔热垫片17、外腔5、内磁屏盖9与后置透镜支架16连接；三个低导热率螺钉依次穿过外磁屏筒体301、后置隔热垫片17与外腔5的右端面固定。外加热带6通过导热硅橡胶紧密粘接在外腔5侧壁外表面，感温热敏电阻安装在外腔5的左端面。干涉滤光片19通过硅橡胶粘接在滤光片支架18左侧的凹槽内，滤光片支架18通过三个螺钉安装在后置支架21上，光电探测器20通过硅橡胶粘接在位于后置支架21正中的安装孔内。

[0037] 外磁屏盖2、外磁屏筒3、前置隔热垫片4、外腔5、内磁屏筒7、隔热腔8、内磁屏盖9、内腔10、前置透镜支架13、前置透镜14、后置透镜15、后置透镜支架16、后置隔热垫片17、滤光片支架18、干涉滤光片19、光电探测器20、和外筒22的外形均采用轴对称设计。

[0038] 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。