專利名稱：Cpt原子鐘的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種CPT原子鐘。
背景技術(shù)：
對(duì)原子鐘的研究主要集中在兩個(gè)方面一方面是探索研制準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高的 原子鐘，近年來(lái)，已經(jīng)成功研制了許多不同種類的具備更高的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的新型原子 鐘，例如冷原子噴泉鐘，離子阱鐘，光鐘等；另一方面是積極的尋找實(shí)現(xiàn)高精度的小型工程 原子鐘的途徑，以滿足各種工程技術(shù)的發(fā)展需要，例如研制小型星載原子鐘、利用相干布居 囚禁原理研制可微型化的相干布居囚禁原子鐘。相干布居囚禁(CPT，Coherent Population ^Trapping)是原子與相干光相互作用 所產(chǎn)生的一種量子干涉現(xiàn)象，利用激光良好的相干特性，在原子體系中制備相干布居囚禁 態(tài)，而實(shí)現(xiàn)的可芯片化被動(dòng)式新型CPT原子鐘是當(dāng)前原子鐘領(lǐng)域和導(dǎo)航領(lǐng)域的前沿技術(shù)。 其優(yōu)勢(shì)是一方面，不需要微波腔，可以明顯減小體積；另一方面，采用受微波頻率調(diào)制的 激光器制備相干雙色光，可以減小光頻移。盡管CPT原子鐘從1998年提出至今時(shí)間并不久， 但其發(fā)展迅速，已顯示出優(yōu)越的性能，而且還有較大的改進(jìn)空間。在實(shí)際中，一般的CPT桌面實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只追求調(diào)測(cè)的方便，并沒(méi)有考慮體積和功耗 問(wèn)題，而微型乃至芯片級(jí)CPT原子鐘確實(shí)很注重體積和功耗的減小，卻不方便調(diào)測(cè)。到目前 為止所實(shí)現(xiàn)CPT原子鐘的指標(biāo)都不是很高，主要表現(xiàn)在溫漂現(xiàn)象比較嚴(yán)重，溫控導(dǎo)致功率 消耗較大，原子頻標(biāo)輸出信號(hào)的穩(wěn)定度都偏低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、穩(wěn)定度高、調(diào)測(cè)方便、體積小、功耗小的CPT 原子鐘。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案一種CPT原子鐘，包括第一、二、三 物理單元，所述的第一物理單元包括激光器、平凸鏡和四分之一波片，所述的第二物理單元 包括偏振片組，所述的第三物理單元包括銣泡氣室和光電探測(cè)器，所述的激光器通過(guò)平凸 鏡和四分之一波片輸出圓偏振光，該圓偏振光依次經(jīng)過(guò)偏振片組、銣泡氣室至光電探測(cè)器。由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的第一、二、三物理單元結(jié)構(gòu)緊湊牢靠，方便調(diào)測(cè)，適 應(yīng)性強(qiáng)，特別是磁屏蔽裝置一體化的設(shè)計(jì)。本發(fā)明解決了在現(xiàn)有微加工工藝技術(shù)不強(qiáng)的條 件下，實(shí)現(xiàn)了物理單元對(duì)于小型化要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成本低、穩(wěn)定度高、調(diào)測(cè)方便、體積小、 功耗小。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2、3、4分別是本發(fā)明中第一、二、三物理單元的爆炸圖； 圖5、7、9分別為本發(fā)明中第一、二、三物理單元的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖5的A-A剖視圖； 圖8為圖7的B-B剖視圖； 圖10為圖9的C-C剖視圖。
具體實(shí)施例方式一種CPT原子鐘，包括第一、二、三物理單元10、20、30，所述的第一物理單元10包 括激光器、平凸鏡12和四分之一波片13，可以通過(guò)調(diào)節(jié)激光器與平凸鏡12的距離來(lái)控制光 斑的大?。凰龅牡诙锢韱卧?0包括偏振片組，可以通過(guò)調(diào)撥軸承來(lái)量化透過(guò)偏振片組 的光強(qiáng)大?。凰龅牡谌锢韱卧?0包括銣泡氣室34和光電探測(cè)器，所述的激光器通過(guò)平 凸鏡12和四分之一波片13輸出圓偏振光，該圓偏振光依次經(jīng)過(guò)偏振片組、銣泡氣室34至 光電探測(cè)器，如圖1所示。如圖1、2、5、6所示，所述的第一物理單元10由激光器、前蓋板14、燕尾移動(dòng)鏡架 15、擋圈16、四分之一波片13、平凸鏡鏡架17、平凸鏡12、燕尾托架18和后蓋板19組成，前 蓋板14上開(kāi)設(shè)供激光器發(fā)射激光穿過(guò)的圓孔，燕尾移動(dòng)鏡架15上安裝四分之一波片13， 擋圈16嵌在燕尾移動(dòng)鏡架15上開(kāi)設(shè)的凹槽內(nèi)，平凸鏡12安裝在平凸鏡鏡架17上，燕尾移 動(dòng)鏡架15與平凸鏡鏡架17通過(guò)螺栓固定，燕尾托架18上開(kāi)設(shè)用于安裝燕尾移動(dòng)鏡架15 的凹槽，前蓋板14、后蓋板19分別安裝在燕尾托架18的前、后兩側(cè)。所述的前、后蓋板14、 19上開(kāi)設(shè)供調(diào)節(jié)螺釘11穿過(guò)的光孔，燕尾移動(dòng)鏡架15上端開(kāi)設(shè)與調(diào)節(jié)螺釘11配合的螺紋 孔，調(diào)節(jié)螺釘11依次從后蓋板19、燕尾移動(dòng)鏡架15和前蓋板14中穿過(guò)，調(diào)節(jié)螺釘11上套 設(shè)彈簧11a，燕尾移動(dòng)鏡架15的側(cè)端面上開(kāi)設(shè)與緊固螺釘1 配合的螺紋孔15a，緊固螺釘 15b用于將四分之一波片13固定在燕尾移動(dòng)鏡架15上。如圖1、3、7、8所示，所述的偏振片組包括第一、二偏振片20a、20b，所述的第二物 理單元20由固定鏡架21、手輪托架22、軸承觀、第一、二偏振片20a、20b、軸承手輪M、鏡 片壓圈25、轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片載板沈、軸承墊片27和軸承托架四組成，鏡片壓圈25將第一偏振片 20a固定在固定鏡架21上，第二偏振片20b放置在轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片載板沈開(kāi)設(shè)的缺口上，第二偏 振片20b相對(duì)于第一偏振片20a轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承觀套設(shè)在軸承托架四的空心軸上，軸承墊片27 位于軸承觀和轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片載板26之間，軸承手輪M安裝在手輪托架22上，固定鏡架21、軸 承托架四分別安裝在手輪托架22的前、后兩側(cè)。所述的手輪托架22的旁側(cè)開(kāi)設(shè)用于安裝 緊固螺絲23的螺紋孔，緊固螺絲23的另一端抵靠在軸承手輪M的輪面上，軸承手輪M的 輪面上設(shè)置刻度。如圖1、4、9、10所示，所述的第三物理單元30由后蓋板33、磁屏蔽裝置主體32、前 蓋板31、磁阻傳感器、軸向磁場(chǎng)線圈35、銣泡氣室34和光電傳感器組成，后蓋板33、磁屏蔽 裝置主體32、前蓋板31構(gòu)成磁屏蔽裝置，磁屏蔽裝置使用經(jīng)退火、退磁處理過(guò)的坡莫合金 制作，其腔體可以達(dá)到磁屏蔽的效果，以減少雜散磁場(chǎng)和地磁場(chǎng)對(duì)于塞曼能級(jí)的影響。所述 的軸向磁場(chǎng)線圈35纏繞在銣泡氣室34上，銣泡氣室34位于磁屏蔽裝置主體32內(nèi)，前、后 蓋板31、33分別安裝在磁屏蔽裝置主體32的前、后兩側(cè)。如圖1所示，所述的激光器安裝在激光器驅(qū)動(dòng)電路板40上，激光器驅(qū)動(dòng)電路板40 固定在第一物理單元10的前蓋板14上，激光器溫控電路板50安裝在第一物理單元10的 后蓋板19和第二物理單元20的軸承托架四之間，銣泡溫控電路板60安裝在第二物理單元20的固定鏡架21和第三物理單元30的前蓋板31之間，光電傳感器的探頭安裝在光電 檢測(cè)與磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)電路板70上，光電檢測(cè)與磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)電路板70安裝在第三物理單元30的后 蓋板33上。如圖1所示，所述燕尾托架18兩側(cè)的邊沿處開(kāi)設(shè)安裝孔，所述手輪托架22兩側(cè)的 邊沿處開(kāi)設(shè)安裝孔，所述磁屏蔽裝置主體32兩側(cè)的邊沿處開(kāi)設(shè)安裝孔，所述燕尾托架18、 手輪托架22、磁屏蔽裝置主體32安裝固定在母板80上。所述的燕尾托架18、磁屏蔽裝置 主體32的外側(cè)粘貼帕爾貼。所述的母板80上安裝屏蔽盒與頻率變換級(jí)電路板90。激光器的輸出發(fā)散角為10 25 ，通常應(yīng)用準(zhǔn)直透鏡將其發(fā)射的光束準(zhǔn)直 為近似平行光，這里采用焦距為IOmm的平凸鏡12，經(jīng)過(guò)平凸鏡12后的光斑直徑范圍為 1. 75mm 4. 43mm。然后，經(jīng)過(guò)四分之一波片13圓偏振化，再經(jīng)過(guò)第一、二偏振片20a、20b 組成的衰減片使激光到達(dá)銣泡氣室；34時(shí)衰減為所需的100 μ W的量級(jí)。安裝上激光器、平凸鏡12和四分之一波片13后，可以通過(guò)移動(dòng)燕尾移動(dòng)鏡架15 來(lái)調(diào)節(jié)激光器與平凸鏡12的距離，從而控制光斑的大小。透過(guò)燕尾托架18側(cè)面的縫隙， 調(diào)節(jié)燕尾移動(dòng)鏡架15側(cè)面的螺絲來(lái)緊固四分之一波片13。由于光強(qiáng)是影響原子鐘性能的一個(gè)重要因素，實(shí)際中需要調(diào)節(jié)激光光強(qiáng)大小，采 用將第一、二偏振片20a、20b相組合作為光衰減單元；用固定鏡架 21固定第一偏振片 20a，將第二偏振片20b置于軸承觀與軸承手輪M組成的旋轉(zhuǎn)裝置中，通過(guò)調(diào)撥三十二等 分的軸承手輪M實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)的量化和連續(xù)改變；通過(guò)調(diào)撥手輪托架22側(cè)邊的緊固螺絲23 至軸承手輪M來(lái)緊固旋轉(zhuǎn)裝置，以使裝置更牢靠。激光器驅(qū)動(dòng)電路板40、激光器溫控電路板50、銣泡溫控電路板60、光電檢測(cè)與磁 場(chǎng)監(jiān)測(cè)電路板70、母板80五個(gè)部分對(duì)應(yīng)五塊電路板，前四個(gè)部分為子板，最后一個(gè)部分是 母板80 ；出于小體積數(shù)字化、便于就近控制和節(jié)省母板80面積的考慮，伺服電路部分與物 理部分緊密結(jié)合，四個(gè)子板剛好與第一、二、三物理單元10、20、30交互穿插緊貼在一起，所 有的子板均在中間開(kāi)孔，從而避免遮擋光路。
權(quán)利要求
1.一種CPT原子鐘，其特征在于包括第一、二、三物理單元(10、20、30)，所述的第一物 理單元(10)包括激光器、平凸鏡(12)和四分之一波片(13)，所述的第二物理單元(20)包括 偏振片組，所述的第三物理單元(30)包括銣泡氣室(34)和光電探測(cè)器，所述的激光器通過(guò) 平凸鏡(12)和四分之一波片(13)輸出圓偏振光，該圓偏振光依次經(jīng)過(guò)偏振片組、銣泡氣室 (34)至光電探測(cè)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CPT原子鐘，其特征在于所述的第一物理單元(10)由激光 器、前蓋板(14)、燕尾移動(dòng)鏡架(15)、擋圈(16)、四分之一波片(13)、平凸鏡鏡架(17)、平凸 鏡(12)、燕尾托架(18)和后蓋板(19)組成，前蓋板(14)上開(kāi)設(shè)供激光器發(fā)射激光穿過(guò)的圓 孔，燕尾移動(dòng)鏡架(15)上安裝四分之一波片(13)，擋圈(16)嵌在燕尾移動(dòng)鏡架(15)上開(kāi)設(shè) 的凹槽內(nèi)，平凸鏡(12)安裝在平凸鏡鏡架(17)上，燕尾移動(dòng)鏡架(15)與平凸鏡鏡架(17) 通過(guò)螺栓固定，燕尾托架(18)上開(kāi)設(shè)用于安裝燕尾移動(dòng)鏡架(15)的凹槽，前蓋板(14)、后 蓋板(19)分別安裝在燕尾托架(18)的前、后兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CPT原子鐘，其特征在于所述的偏振片組包括第一、二偏振 片(20a、20b)，所述的第二物理單元(20)由固定鏡架(21)、手輪托架(22)、軸承(28)、第一、 二偏振片(20a、20b)、軸承手輪(24)、鏡片壓圈(25)、轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片載板(26)、軸承墊片(27)和 軸承托架(29)組成，鏡片壓圈(25)將第一偏振片(20a)固定在固定鏡架(21)上，第二偏 振片(20b)放置在轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片載板(26)開(kāi)設(shè)的缺口上，第二偏振片(20b)相對(duì)于第一偏振片 (20a)轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承(28)套設(shè)在軸承托架(29)的空心軸上，軸承墊片(27)位于軸承(28)和 轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片載板(26)之間，軸承手輪(24)安裝在手輪托架(22)上，固定鏡架(21)、軸承托架 (29)分別安裝在手輪托架(22)的前、后兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的CPT原子鐘，其特征在于所述的第三物理單元(30)由后 蓋板(33)、磁屏蔽裝置主體(32)、前蓋板(31)、磁阻傳感器、軸向磁場(chǎng)線圈(35)、銣泡氣室 (34)和光電傳感器組成，所述的軸向磁場(chǎng)線圈(35)纏繞在銣泡氣室(34)上，銣泡氣室(34) 位于磁屏蔽裝置主體(32)內(nèi)，前、后蓋板(31、33)分別安裝在磁屏蔽裝置主體(32)的前、后 兩側(cè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的CPT原子鐘，其特征在于所述的前、后蓋板(14、19)上開(kāi) 設(shè)供調(diào)節(jié)螺釘(11)穿過(guò)的光孔，燕尾移動(dòng)鏡架(15)上端開(kāi)設(shè)與調(diào)節(jié)螺釘(11)配合的螺紋 孔，調(diào)節(jié)螺釘(11)依次從后蓋板(19)、燕尾移動(dòng)鏡架(15)和前蓋板(14)中穿過(guò)，調(diào)節(jié)螺釘 (11)上套設(shè)彈簧(11a)，燕尾移動(dòng)鏡架(15)的側(cè)端面上開(kāi)設(shè)與緊固螺釘(15b)配合的螺紋 孔(15a)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的CPT原子鐘，其特征在于所述的手輪托架(22)的旁側(cè)開(kāi)設(shè) 用于安裝緊固螺絲(23)的螺紋孔，緊固螺絲(23)的另一端抵靠在軸承手輪(24)的輪面上， 軸承手輪(24)的輪面上設(shè)置刻度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的CPT原子鐘，其特征在于所述的激光器安裝在激 光器驅(qū)動(dòng)電路板(40 )上，激光器驅(qū)動(dòng)電路板(40 )固定在第一物理單元(10 )的前蓋板(14 ) 上，激光器溫控電路板(50)安裝在第一物理單元(10)的后蓋板(19)和第二物理單元(20) 的軸承托架(29)之間，銣泡溫控電路板(60)安裝在第二物理單元(20)的固定鏡架(21)和 第三物理單元(30)的前蓋板(31)之間，光電傳感器的探頭安裝在光電檢測(cè)與磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)電 路板(70)上，光電檢測(cè)與磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)電路板(70)安裝在第三物理單元(30)的后蓋板(33)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4所述的CPT原子鐘，其特征在于所述燕尾托架(18)兩側(cè) 的邊沿處開(kāi)設(shè)安裝孔，所述手輪托架(22)兩側(cè)的邊沿處開(kāi)設(shè)安裝孔，所述磁屏蔽裝置主體 (32)兩側(cè)的邊沿處開(kāi)設(shè)安裝孔，所述燕尾托架(18)、手輪托架(22)、磁屏蔽裝置主體(32) 安裝固定在母板(80)上。
9.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的CPT原子鐘，其特征在于所述的燕尾托架(18)、磁屏蔽 裝置主體(32)的外側(cè)粘貼帕爾貼。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的CPT原子鐘，其特征在于所述的母板(80)上安裝屏蔽盒與 頻率變換級(jí)電路板(90)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種CPT原子鐘，包括第一、二、三物理單元，所述的第一物理單元包括激光器、平凸鏡和四分之一波片，所述的第二物理單元包括偏振片組，所述的第三物理單元包括銣泡氣室和光電探測(cè)器，所述的激光器通過(guò)平凸鏡和四分之一波片輸出圓偏振光，該圓偏振光依次經(jīng)過(guò)偏振片組、銣泡氣室至光電探測(cè)器。本發(fā)明的第一、二、三物理單元結(jié)構(gòu)緊湊牢靠，方便調(diào)測(cè)，適應(yīng)性強(qiáng)，特別是磁屏蔽裝置一體化的設(shè)計(jì)。本發(fā)明解決了在現(xiàn)有微加工工藝技術(shù)不強(qiáng)的條件下，實(shí)現(xiàn)了物理單元對(duì)于小型化要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)，成本低、穩(wěn)定度高、調(diào)測(cè)方便、體積小、功耗小。
文檔編號(hào)G04F5/14GK102063054SQ201110042088
公開(kāi)日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月22日
發(fā)明者周群, 宋道斌, 汪海兵, 竺小松, 管超, 葛坤 申請(qǐng)人:合肥威師智能電子電器廠