一种微型脉冲激光抽运铷钟物理系统的制作方法

本实用新型属于原子钟技术领域，具体涉及到一种微型脉冲激光抽运铷钟物理系统。

背景技术：

微型原子钟具有功耗低、体积小、重量轻等优点，其中长期频率稳定度优于同尺寸的晶体振荡器，可应用于对时间同步要求较高且对体积功耗有严格限制的领域，如微纳卫星组网编队、无人机巡航、车载武器、单兵装备、城市峡谷、地下掩体、潜艇导航、水下勘探、微型导航定位守时(μpnt)系统等。目前，微型原子钟大都采用相干布局囚禁(cpt)原理实现，但微型cpt原子钟的频率稳定性能却不能满足一些对时间同步要求苛刻的应用需求。研究表明，激光抽运铷钟由于不存在态泄露等问题，其频率稳定度优于传统方案的cpt原子钟。

文献(mvioletti,mpellaton,caffolderbach,fmerli,themicroloop-gapresonator:anovelminiaturizedmicrowavecavityfordouble-resonancerubidiumatomicclocks,ieeesensorsjournal,2014,14(9):3193-3200)报道了一种体积仅为1ml的微型微波腔，方向因子为0.7，可同时满足微波腔微型化和高性能的要求。基于上述微波腔，他们实现了一种微型物理系统，短期频率稳定度测试结果为7×10-12τ-1/2(1～40s)，优于当前最好的微型cpt原子钟。然而，该物理系统采用连续激光抽运的方案，具有光频移大的缺点，限制了其中长期频率稳定度的进一步提升。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足,提供一种设计合理、结构简单、采用微型环隙腔和基于偏振操控的光开关技术提高微型原子钟的频率稳定性能的微型脉冲激光抽运铷钟物理系统。

解决上述技术问题采用的技术方案是：在垂直腔表面激光器光出射方向依次设置有压控相位延迟片和检偏器，检偏器光出射方向设置有微波腔筒，微波腔筒光出射方向设置有光探测器，微波腔筒靠近垂直腔表面激光器一侧的内壁上同轴设置有微型环隙腔，微型环隙腔内部同轴设置有铷气室，微波腔筒外壁上设置有亥姆赫兹线圈，微波腔筒靠近光探测器一侧设置有端盖，端盖内侧壁上设置有天线，天线通过伸出端盖的铜轴线馈入微波信号，端盖外圆周面上设置有加热丝。

本实用新型的微型环隙腔为：上环隙腔腔体和下环隙腔腔体关于微波腔筒的中心线对称设置于微波腔筒的内壁上，上环隙腔腔体由微型环隙腔极片和微型环隙腔环片连为一体构成，微型环隙腔环片为u形结构，u形结构的两臂垂直设置于微型环隙腔极片上，微型环隙腔极片长度方向上设置有至少2组微型环隙腔环片。

本实用新型的上环隙腔腔体和下环隙腔腔体之间的间距l1为1mm，相邻微型环隙腔环片之间的距离l2为4.5mm，u形结构的两臂之间的距离l4为10mm，上环隙腔腔体和下环隙腔腔体两u形结构底部距离l4为10mm。

本实用新型的微型环隙腔的谐振频率为6.835ghz，谐振模式为类te011模式，方向因子为0.6。

本实用新型的微波腔筒为一端开口的中空圆柱形结构，圆柱形结构底部中心位置加工有透光孔，孔径为6mm，圆柱形结构外壁上加工有线圈安装槽。

本实用新型的端盖的厚度为4mm，端盖中心位置加工有透光孔，孔径为6mm。

本实用新型的亥姆赫兹线圈的磁场大小为1.5μt。

本实用新型的铷气室为中空正方体结构，正方体尺寸为10mm×10mm×10mm，铷气室内部充有铷金属原子和混合缓冲气体，混合缓冲气体ar/n2＝1.3。

本实用新型相比于现有技术具有以下优点：

1、本实用新型采用脉冲激光抽运铷钟方案，避免了传统微型原子钟存在的态泄露、光频移大等问题，有助于提高微型原子钟的频率稳定性能。

2、本实用新型采用了微型环隙腔，该微型环隙腔具有易加工，体积小的优点，可满足高性能微型化原子钟的应用需求。

3、本实用新型的光开关由压控相位延迟片和检偏器组成，相比于传统的光开关声光调制器和电光晶体调制器，具有功耗低、体积小、重量轻、结构简单、引入噪声低等优点。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2是图1中微型环隙腔4的结构示意图。

图3是微型环隙腔4的磁场分布仿真结果。

图4是光开关响应测试结果，上升/下降沿时间约为50μs。

图中：1、垂直腔表面激光器(vcsel)；2、压控相位延迟片；3、检偏器；4、微型环隙腔；5、铷气室；6、微波腔筒；7、亥姆赫兹线圈；8、端盖；9、加热丝；10、微波天线；11、铜轴线；12、光探测器；4-1微型环隙腔环片；4-2微型环隙腔极片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实用新型涉及的一种微型脉冲激光抽运铷钟物理系统，在垂直腔表面激光器1光出射方向依次设置有压控相位延迟片2和检偏器3，通过改变压控相位延迟片2的驱动电压，可以改变激光的偏振方向，当激光偏振方向与检偏器3偏振化方向平行时，光强最大；当激光偏振方向与检偏器3偏振化方向垂直时，光强为0，从而实现了光开关的作用。

在图2、3中，检偏器3光出射方向设置有微波腔筒6，微波腔筒6为微波场谐振提供了理想边界条件，本实施例的微波腔筒6为一端开口的中空圆柱形结构，微波腔筒的内径为16mm，微波腔壁厚为3mm，圆柱形结构底部中心位置加工有透光孔，孔径为6mm，圆柱形结构外壁上加工有线圈安装槽，线圈安装槽内安装有亥姆赫兹线圈7，磁场大小为1.5μt。微波腔筒6靠近垂直腔表面激光器1一侧的内壁上同轴粘贴有微型环隙腔4，微型环隙腔4由上环隙腔腔体和下环隙腔腔体组成，上环隙腔腔体和下环隙腔腔体关于微波腔筒6的中心线对称粘贴于微波腔筒6的内壁上，上环隙腔腔体由微型环隙腔极片4-2和微型环隙腔环片4-1连为一体构成，微型环隙腔环片4-1为u形结构，u形结构的两臂垂直设置于微型环隙腔极片4-2上，微型环隙腔极片4-2长度方向上设置有至少2组微型环隙腔环片4-1，本实施例中微型环隙腔极片4-2长度方向上设置有3组微型环隙腔环片4-1，上环隙腔腔体和下环隙腔腔体之间的间距l1为1mm，相邻微型环隙腔环片4-1之间的距离l2为4.5mm，u形结构的两臂之间的距离l4为10mm，上环隙腔腔体和下环隙腔腔体两u形结构底部距离l4为10mm。该微型环隙腔4的谐振频率为6.835ghz，谐振模式为类te011模式，该微型环隙腔4的优点是方向因子高达0.6，中心区域磁场方向良好。

微型环隙腔4内部同轴设置有铷气室5，铷气室5粘贴于微波腔筒6的内侧壁上，铷气室5为中空正方体结构，正方体尺寸为10mm×10mm×10mm，铷气室5内部充有铷金属原子和混合缓冲气体，混合缓冲气体ar/n2＝1.3。微波腔筒6靠近光探测器12一侧通过螺纹紧固连接件固定连接安装有端盖8，端盖8的厚度为4mm，端盖8中心位置加工有透光孔，孔径为6mm。端盖8内侧壁上安装有天线10，天线10通过伸出端盖8的铜轴线11馈入微波信号，端盖8外圆周面上安装有加热丝9，将整个腔泡系统加热至75℃，微波腔筒6光出射方向设置有光探测器12，光探测器12用于探测透射光光强。上述系统原子钟工作周期为4.4ms，抽运光脉冲宽度为1ms，探测光脉冲宽度为0.3ms，包含两个脉冲宽度为0.3ms的微波脉冲信号，两个脉冲信号中间的间隔为2.5ms。

由图4可知，当垂直腔表面激光器1发出波长为780nm的激光，激光光束直径为1.5mm，光强为1mw，将压控相位延迟片2驱动电压在 25v和-25v之间交替变化，得到光开上升/下降沿约为50μs。相比于传统的光开关声光调制器和电光晶体调制器，具有功耗低、体积小、重量轻、结构简单、引入噪声低等优点。