基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟及实现方法与流程

[0001]
本发明属于小型原子频标技术领域，涉及铷原子芯片原子钟，尤其涉及一种基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟及其实现方法。


背景技术：

[0002]
原子钟是目前最精确计时仪器和频率标准，在导航定位、天文观测、精密仪器仪表测准和地球物理勘探等领域有着广泛的应用。由于传统的原子钟体积大并且功耗大，限制了其在以上领域的应用发展。与传统原子钟相比，芯片原子钟具有体积小、功耗低和成本低的优势，可应用于gps系统、便携式通信导航设备和小型无人机等领域，是非常具有发展前景的原子钟。
[0003]
芯片原子钟系统由激光、物理系统和电路系统组成，其振动频率由原子超精细能级的跃迁频率所决定，这就在一定程度上保证了原子频标高精度的特性，并且其频率稳定度比目前的晶振精度高数个数量级。其高稳定度的特性主要由物理系统的特性决定，物理系统为整个锁频环路提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线作为量子参考，是整个芯片原子钟的核心部件，同时也是决定芯片原子钟性能的关键。芯片原子钟原子信号的信噪比主要受原子蒸气室环境因素的影响，尤其随着芯片原子钟功耗的降低、体积的减小和重量减轻的趋势下，加工制造出与之相适应的微型原子蒸气室成为必然。
[0004]
目前的芯片原子钟的原子气室多采用玻璃吹制法和微电子机械系统超精细加工制法制备的单层原子蒸气室，其内部充有碱金属原子和稀有气体，这种单层结构的原子气室在微型原子气室外部热量变化相同的情况下，由于气室内原子的比热容是常量，微型气室的体积越小，原子的温度升高的越多。那么气室外部微量的热量波动就会引起气室内原子的温度漂移，导致钟跃迁频率的漂移，进一步限制芯片原子钟中长期频率稳定度的提升，必须通过新的结构来改善微型原子气室温度漂移的问题。如果原子蒸气室温度稳定性可以有所提升，芯片原子钟的频率稳定性可在现有基础上提高数个数量级。
[0005]
中国发明专利(201010248337)公开的相干布局数囚禁原子钟中的单层碱金属原子气泡的热隔离效果差，气室外部的温度波动极易造成气室内原子的温度漂移，限制相干布局数囚禁原子钟的中长期频率稳定度指标；中国发明申请201711235817公开的是基于复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室中通过大量极小尺寸的微原子泡之间独立泡参数的总体平均来降低和消除气室的温度漂移；专利jp2017011680a公开的原子振荡器中，关于原子气室温控的方法是在碱金属气室的外部设置多个测温元件的控制结构，利用测量温度元件之间的温度差来抑制环境温度的变化引起的气室内原子的温度变化。
[0006]
在现有技术中采用的单层原子气室有较强的热导性，其隔热效果差，气室外部温度波动会导致气室内原子的温度漂移，进而影响钟跃迁频率的漂移，限制芯片原子钟中长期频率稳定度指标的进一步提升。


技术实现要素：

[0007]
为了克服上述现有技术的不足，针对气泡式芯片原子钟中由于单层原子气室隔热差而导致钟跃迁频率的漂移的问题，本发明提供一种基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟，在确保相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟体积、功耗和稳定性的基础上，进一步提高相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟的中长期频率稳定度指标。
[0008]
本发明中，真空绝热微型原子气室的保温原理与热水瓶、保温杯的保温原理相同，利用两层气室之间的真空层断绝气室内与气室外的热交换，确保气室内原子的温度稳定性。本发明提出的基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟采用以下技术：一方面，本发明将现有石英玻璃吹制法和微电子机械系统超精细加工制法制备的单层原子蒸气室改进为真空绝热微型原子气室，通过在真空绝热微型原子气室的两层气室之间抽成真空的方式来抑制气室内原子的温度漂移，并在内外层气室之间利用支柱将两层气室相连接并使其紧固成一个整体，减少原子蒸气室的机械振动，进一步增加芯片原子钟的频率稳定性。另一方面，本发明直接采用导热系数和漏气率很低的玻璃钢、高硼硅玻璃、石英玻璃或有机玻璃作为真空绝热微型原子气室的气室材料，可以减小气室的导热效率并降低气室的漏气率，提升气室内原子的温度稳定性及原子数量稳定性，增加铷原子芯片原子钟的使用寿命，进而提高相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟的中长期频率稳定性，构成超高性能的相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟。
[0009]
本发明提供的技术方案是：
[0010]
一种基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟，芯片原子钟包括：795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)、四分之一波片、真空绝热微型原子气室、磁场及温度控制装置、光电探测器和综合电路系统。综合电路系统包括微波源、伺服电路系统和晶体振荡器。
[0011]
795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)依次连接四分之一波片、真空绝热微型原子气室、光电探测器和综合电路系统；发射的激光经四分之一波片产生调频多色圆偏振光，调频多色圆偏振光与带磁场及温度控制装置的真空绝热微型原子气室内的原子相互作用，产生相干布局数囚禁共振信号，由光电探测器探测到布局数囚禁共振信号，并依次发送给综合电路系统。
[0012]
磁场及温度控制装置设置在真空绝热微型原子气室外部，用于控制真空绝热微型原子气室的温度并屏蔽外界磁场对真空绝热微型原子气室内原子的影响。
[0013]
所述795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)用于在综合电路系统驱动下产生调频多色线偏振光；四分之一波片用于调整晶轴使激光偏振方向呈45
°
夹角，使线偏振光转化为圆偏振光；真空绝热微型原子气室用于提供相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟的量子频率参考；磁场及温度控制装置用于为原子气室提供一定强度的磁场使得原子的磁子能级分开，同时对原子进行高精度温度控制；光电探测器用于检测激光与原子作用后的相干布局数囚禁共振信号，并将相干布局数囚禁共振信号发送给综合电路系统；综合电路系统用于为795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)提供驱动电源，同时对光电探测器的输入信号进行处理并输出标准频率信号。
[0014]
795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)在综合电路系统中的微波源驱动下所输出的调频多色线偏振光经过四分之一波片得到调频多色圆偏振光，再依次经过真空绝热微型原子气室，调频多色圆偏振光中正负一阶边带光分别激发87rb原子基态超精细能级|fg＝1,
mf＝0>到激发态|fe＝2,mf＝ 1>和基态超精细能级|fg＝2,mf＝0>到激发态|fe＝2,mf＝ 1>的跃迁。扫描微波频率，光电探测器探测其信号。当正负一阶边带光的频率差与|fg＝1,mf＝0>和|fg＝2,mf＝0>之间的频率差精确相等时，光电探测器检测到相干布局数囚禁共振信号，并将相干布局数囚禁共振信号发送给综合电路系统，由综合电路系统中的伺服电路系统反馈给综合电路系统中的晶体振荡器来输出标准频率信号。
[0015]
其中所述的真空绝热微型原子气室包括内层铷原子气室和外层绝热真空气室，且内外层气室之间抽成真空，利用两层气室之间的真空层断绝气室内与气室外的热交换，确保气室内原子的温度稳定性，同时在双层气室之间利用支柱将两层气室相连接而紧固为一个整体，内层铷原子气室内充有铷原子和缓冲气体。
[0016]
根据一种优选的实施方式，基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟的真空绝热微型原子气室材质可以是玻璃钢、高硼硅玻璃、石英玻璃或有机玻璃等。
[0017]
优选地，基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟中的真空绝热微型原子气室外壳尺寸是0.9毫米至5毫米，充排气管的长度是1毫米至5毫米；
[0018]
优选地，基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟中的真空绝热微型原子气室可以是圆柱形、正方体形、球形或半球形等；
[0019]
优选地，基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟中的真空绝热微型原子气室中填充的原子可以是铷原子、铯原子、钾原子、钙原子等，缓冲气体可用氦、氩、氙和氡等惰性气体；
[0020]
优选地，基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟中的真空绝热微型原子气室的保温层可以是气凝胶、聚四氟乙烯、聚氨酯和酚醛泡沫等，磁屏蔽层可以是坡莫合金、硅钢和镍铁合金等。
[0021]
优选地，基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟中，光源采用垂直腔面发射激光器(vcsel)输出光作为抽运光，或者采用vcsel输出经稳频后的激光作为抽运光，其频率稳定性可进一步提高芯片原子钟的性能指标。
[0022]
本发明还提供一种基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟的实现方法，具体实施步骤如下：
[0023]
1)对795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)进行高精度温控处理，并对真空绝热微型原子气室进行加热，使原子气室内产生足够的原子饱和蒸气压；
[0024]
2)由综合电路系统中的微波源驱动垂直腔面发射激光器(vcsel)产生调频多色线偏振光，依次经过四分之一波片得到调频多色圆偏振光，光斑直径覆盖真空绝热微型原子气室通光孔；
[0025]
3)扫描微波频率，调频多色圆偏振光正负一阶边带光分别激发87rb原子基态超精细能级|fg＝1,mf＝0>到激发态|fe＝2,mf＝ 1>和基态超精细能级|fg＝2,mf＝0>到激发态|fe＝2,mf＝ 1>的跃迁。当微波频率使正负一阶调制边带光与原子从两个基态分量到激发态的跃迁完全共振时，原子对激光的吸收较少，达到原子的相干暗态，产生相干布局数囚禁共振信号。
[0026]
4)光电探测器检测到相干布局数囚禁共振信号，并将相干布局数囚禁共振信号发送给综合电路系统，由综合电路系统中的伺服电路系统反馈给综合电路系统中的晶体振荡器来输出标准频率信号。
[0027]
在步骤2)中，真空绝热微型原子气室通光面可以镀增透膜；在步骤4)中，光电探测器也可以是光电倍增管。
[0028]
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果为：
[0029]
本发明将真空绝热微型原子气室应用到相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟中，主要的新颖性和创新型体现在以下几个方面：
[0030]
(一)本发明将现有石英玻璃吹制法和微电子机械系统超精细加工制法制备的单层原子蒸气室改进为真空绝热微型原子气室，通过在真空绝热微型原子气室的两层气室之间抽成真空的方式来抑制气室内原子的温度漂移，相比于相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟的现有技术，本发明提出的真空绝热微型原子气室的温度稳定度可以提高三个数量级，同时在内外层气室之间利用支柱将两层气室相连接并使其紧固成一个整体，保证了原子蒸气室的机械稳定性，此特殊结构能显著地提升芯片原子钟频率的中长期稳定性，极大地降低其频率漂移率。
[0031]
(二)本发明直接采用导热系数和漏气率很低的玻璃钢、高硼硅玻璃、石英玻璃或有机玻璃作为真空绝热微型原子气室的气室材料，可以减小气室的导热效率并降低气室的漏气率，提升气室内原子的温度稳定性及原子数量稳定性，增加铷原子芯片原子钟的使用寿命，进而提高相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟的中长期频率稳定性，降低漂移率，构成高性能的相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟。
附图说明
[0032]
图1为本发明提供的基于真空绝热微型原子气室的芯片原子钟的结构示意图；
[0033]
图2为实施例1的原子气室结构示意图；
[0034]
图3为实施例2的原子气室结构示意图；
[0035]
其中：1—795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)、2—四分之一波片、3—真空绝热微型原子气室、4—磁场及温度控制装置、5—光电探测器、6—综合电路系统、7-内层圆柱原子气室、8-外层圆柱绝热真空气室、9-充排气管、10-支柱、11-内层正方体原子气室和12-外层正方体绝热真空气室。
具体实施方式
[0036]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优势更加清楚，下面结合实施例中的附图对本发明中的技术方案进行进一步的描述，但本发明的保护范围不限于以下所述。
[0037]
本发明提供一种基于真空绝热微型原子气室的相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟及实现方法，包括如下步骤：
[0038]
1)对795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)进行高精度温控处理，并对真空绝热微型原子气室进行加热，使原子气室内产生足够的原子饱和蒸气压；
[0039]
2)由综合电路系统中的微波源驱动垂直腔面发射激光器(vcsel)产生调频多色线偏振光，依次经过四分之一波片得到调频多色圆偏振光，光斑直径覆盖真空绝热微型原子气室通光孔；
[0040]
3)扫描微波频率，调频多色圆偏振光正负一阶边带光分别激发87rb原子基态超精细能级|fg＝1,mf＝0>到激发态|fe＝2,mf＝ 1>和基态超精细能级|fg＝2,mf＝0>到激发
态|fe＝2,mf＝ 1>的跃迁。当微波频率使正负一阶调制边带光与原子从两个基态分量到激发态的跃迁完全共振时，原子对激光的吸收较少，达到原子的相干暗态。
[0041]
4)光电探测器检测到相干布局数囚禁共振信号，并将相干布局数囚禁共振信号发送给综合电路系统，由综合电路系统中的伺服电路系统反馈给综合电路系统中的晶体振荡器来输出标准频率信号。
[0042]
如图1所示，本发明具体实施时应用真空绝热微型原子气室作为相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟的原子气室。芯片原子钟系统包括795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)1、四分之一波片2、真空绝热微型原子气室3、磁场及温度控制装置4、光电探测器5和综合电路系统6。
[0043]
其中，795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)1在综合电路系统6中的微波源驱动下所输出的调频多色线偏振光经过四分之一2波片得到调频多色圆偏振光，再依次经过真空绝热微型原子气室3，调频多色圆偏振光中正负一阶边带光分别激发87rb原子基态超精细能级|fg＝1,mf＝0>到激发态|fe＝2,mf＝ 1>和基态超精细能级|fg＝2,mf＝0>到激发态|fe＝2,mf＝ 1>的跃迁。扫描微波频率，光电探测器5探测其信号。当正负一阶边带光的频率差与|fg＝1,mf＝0>和|fg＝2,mf＝0>之间的频率差精确相等时，光电探测器5检测到相干布局数囚禁共振信号，并将相干布局数囚禁共振信号发送给综合电路系统6，由综合电路系统6中的伺服电路系统反馈给综合电路系统6中的晶体振荡器来输出标准频率信号。
[0044]
具体地，本发明实施例中的真空绝热微型原子气室包括内层铷原子气室和外层绝热真空气室，且内外层气室之间抽成真空，利用两层气室之间的真空层断绝气室内与气室外的热交换，确保气室内原子的温度稳定性，同时在双层气室之间利用支柱将两层气室相连接而紧固为一个整体，内层铷原子气室内充有铷原子和缓冲气体。
[0045]
本发明具体实施时，真空绝热微型原子气室的磁场控制装置可以是亥姆霍兹线圈，也可以是螺线管线圈，温度控制装置包括加热材料和保温材料；同时在磁场及温度控制装置的外侧可以加高磁导率的磁屏蔽材料，用来减小外界磁场对量子参考谱线的影响。795nm垂直腔面发射激光器(vcsel)输出光在进入真空绝热微型原子气室之前可以通过光学衰减片来调整输出光功率。
[0046]
实施例1
[0047]
构造如图2所示的真空绝热微型原子气室，外层圆柱绝热真空气室82位于内层圆柱原子气室7的外侧，冲排气管9安置在圆柱侧面中心位置，用来填充原子及缓冲气体；利用四个支柱10将两层石英玻璃圆柱相连接并使其紧固成一个整体；其中四个支柱4顶点恰好为正四面体的四个顶点，两层圆柱气室之间抽成真空，两层圆柱气室的圆形端面作为气室的两个光学窗口。
[0048]
实施例2
[0049]
构造如图3所示的真空绝热微型原子气室，外层正方体绝热真空气室122位于内层正方体原子气室11的外侧，气室上表面设置有充排气孔9，上下面分别通过一个支柱10连接使其紧固为一个整体，两层正方体气室之间抽成真空，正方体的两个正对的侧面作为气室的两个光学窗口。
[0050]
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，并非限制本发明的范围。具体地，本发明实施例中应用真空绝热微型原子气室的真空层断绝气室内与气室外的热交换，其气室温度
稳定度可以提高三个数量级，有效解决芯片原子钟由于原子温度漂移对其中长期频率稳定度指标的限制以及频率漂移问题。本发明适用于钠、钾、铷、铯等碱金属原子的精密测量，同时也适用于其他精密测量的原子或分子，例如碘分子的高精密光谱对距离的测量。此种提供温度稳定性更高的原子蒸气室结构，为本领域相关技术人员所熟知，因此不再赘述。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明创意构思的前提下，对本发明技术方案进行修改、替换和改进，都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围以权利要求书所限定者为准。