專利名稱：超小型微波腔的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種量子頻率裝置，更具體地說，涉及一種用于氣室原子頻率標準的物理組件，尤其涉及在這種系統(tǒng)中使用的超小型微波腔。
背景技術：
現(xiàn)代通信系統(tǒng)需要極穩(wěn)定和精確的定時裝置，其中總的尺寸，工作溫度，功率消耗，重量以及裝置的耐用性都是關鍵參數(shù)。在這些應用中使用原子頻率標準。
原子頻率標準使用原子內的固有諧振，以便走時準確，這是因為和宏觀振蕩器例如鐘擺和石英振蕩器相比，固有的原子諧振更穩(wěn)定，對環(huán)境的影響例如溫度、壓力、濕度、振動，加速度等更不敏感。這種類型的在原子諧振頻率下工作的量子機械原子振蕩器被用作高度穩(wěn)定的頻率基準，可變頻率振蕩器的頻率，例如石英振蕩器可以用電子方式鎖定在這個頻率基準上，使得這種固有原子諧振的對于環(huán)境波動的高度穩(wěn)定性和相對不敏感性被傳遞到石英振蕩器上。這種固有頻率有時被稱為“所選擇的基準頻率”，其應用于量子系統(tǒng)的諧振頻率。此處使用的量子系統(tǒng)意味著能夠選擇地吸收和/或發(fā)射所選擇的基準頻率的微波能量的固體、液體或氣體。
原子頻率標準通常包括電壓控制的振蕩器(VCO)和物理組件以及相關的電子電路，所述電子電路用于長期地保持精確而穩(wěn)定的VCO標準頻率。物理組件和相關的電子電路用于使VCO隨動于量子系統(tǒng)的所選擇的基準頻率，借以減少由于振蕩器老化和環(huán)境的影響而引起的頻率漂移。
在其中量子系統(tǒng)包括無源(Rb或Cs)氣室的原子頻率標準中，物理組件包括用于對氣體進行光抽運的光源，位于微波腔內的透明的氣室，以及光檢測器。微波腔一般用于在大約所選擇的基準頻率下(即原子諧振頻率)把電磁能量注入在透明的室內的原子氣體，例如Rb或Cs。微波腔被設計具有基本上等于原子諧振頻率的微波諧振頻率，以便使在室中的原子氣體上注入的電磁場的效果最大。注入的微波電磁場由VCO輸出的頻率倍增以及合成產生。
在工作時，在透明氣室內的原子氣體利用來自光源的光被光抽運。注入到微波腔的微波電磁能量和透明的室內的原子相互作用，并以依賴于注入的微波的頻率和原子諧振頻率之間的差的方式改變通過氣室傳輸?shù)墓獾膹姸?。所述通過氣室傳輸?shù)墓獾膹姸缺还鈾z測器檢測，并檢測強度的改變，以及由光檢測器轉換成物理組件的電信號輸出。因而物理組件提供一個和由VCO的輸出合成的注入的微波頻率與穩(wěn)定的原子諧振頻率之間的差有關的用于識別電輸出信號的頻率。
其它類型的具有微波腔的原子頻率標準的例子是常規(guī)的微波激射器[例如見M.Tetu，等“Experimental Results on a FrequencyStandard Based on a Rubidium 87 Maser”Proceedings of the39th Annual Symposium on Frequency control，pages 64-71(1985)]，和在Aldo Godone，F(xiàn)ilipo Levi & Jacques Vanier，“Cogerent Microwave Emission Without PopulationInversioinA New Atomic Frequency Standard”IEEETransactions on Instrumentation andMeasurement，Vol.48，pages 504-507(1999)中說明的一種新型的裝置。
因而，物理組件的微波腔部件是原子頻率標準的心臟，在該領域中的工作人員一直致力于改進原子頻率標準物理組件和腔部件，以便改進其性能和可制造性，而不對其工作帶來不利影響。
以前的用于這種用途的腔設計包括TE011和TE111正圓環(huán)圓柱微波腔。這些類型的腔，尤其是TE011腔，對于現(xiàn)在的電信設備具有不能接受的大的尺寸。為了減少腔尺寸同時保持用于激發(fā)透明室內的原子所需的諧振頻率，現(xiàn)有技術的設計一直使用矩形腔。一種這樣的結構是在US4495478中所述的局部裝載有電介質板的TE101矩形腔。另一種設計是在US4349798披露的以矩形TE021模式工作的在主腔的相對側具有兩個副腔的主腔，所述副腔用于產生吸入的諧振負載。另一種小尺寸的用于氣室原子頻率標準的微波腔是在US5387881中披露的磁電管型的腔。這種設計使用圓柱形的外殼，具有4個圍繞透明室等間距地設置的四分之一圓柱電極(與外殼同軸)，工作于準圓柱TE011模式。
其中使用集中的LC諧振器并產生縱向微波磁場的其它微波腔在本領域中是已知的。這方面的例子包括用于氫微波激射器的腔，如US4123727所述；用于銣頻率標準的螺旋諧振器，如EP0330954以及US4947137，5192921所述。這種類型的其它的諧振器有“開口環(huán)”(或“環(huán)管間隙”或“有槽的管”)諧振器，如在W.N.Hardy和L.A.Whitehead，Review of ScientificInstruments，Vol.52，pages 213-216(1981)，W.Froncisz andJames S.Hyde，Journal of Magnetic Resonance，Vol.47，pages515-521(1982)，US4446429，US4633180中所述。這種類型的諧振器近來被用于銣頻率標準中(在joint meeting of Frequency controlSymposium and the European Frequency & Time Forum inBesancon，F(xiàn)rance in April 1999 by G.H.Mer and H.T.Liu提供的論文“A Miniaturized Microwave Resonator for RubidiumFrequency Standards”。這些集中的LC諧振器基本上以TEM模式工作。
發(fā)明概述本發(fā)明在其優(yōu)選實施例中，提供一種極小的和制造成本低的用于原子頻率標準的具有微波腔的物理組件，所述微波腔具有利用集中LC裝置基本上在TEM模式下被驅動的非關鍵的尺寸，微波腔的諧振頻率主要由集中LC裝置確定。在本發(fā)明中，微波腔提供由集中LC裝置驅動的TEM模式，和腔內的量子系統(tǒng)協(xié)作。
本發(fā)明的優(yōu)選實施例是一種改進的基本上在TEM模式下工作的“同軸”腔，其具有在一端和腔壁短路，在另一端和腔壁不接觸的中心導體。從概念上說，所述改變可以認為似乎同軸腔的外導體被變形，使其由圓形截面改變?yōu)榛旧暇匦蔚慕孛?，并似乎中心導體被朝向垂直于其軸線的方向從同軸腔的中心移開。在所述腔和集中LC裝置的優(yōu)選的組合中，構成微波腔的本體承載著一個桿，其延伸進入并局部地跨過微波腔，并且所述的桿承載一個以螺紋穿過它的螺桿，通過旋轉所述螺桿，可以調節(jié)集中的電感和電容。不過，所述的集中LC裝置可以是任何結構或元件的組合，其在所選擇的微波基準頻率下，提供諧振電感和電容。這種集中LC裝置的例子包括，最好是，桿或線，其被導電地和微波腔的壁相連，作為集中電感，并伸入所述腔內，使得在其另一端和相對的腔壁形成一個間隙，作為集中電容；或者是一對桿或線，它們被導電地和相對的壁相連，并從所述的壁延伸，作為集中電感，并在其間形成間隙，作為集中電容，或者利用變容器件作為集中電容。
在本發(fā)明的物理組件中，微波腔由導電外殼構成，并且微波腔承載著一個量子系統(tǒng)，在優(yōu)選的形式中，所述量子系統(tǒng)可以是可以在固有頻率下激發(fā)的原子或分子氣體。導電外殼具有一個或幾個開口，使得光能夠通過氣體導入，然后入射到光檢測器上，所述氣體被包含在一個光學透明的氣室中，還具有集中的LC裝置，用于提供基本上位于受激氣體的固有諧振頻率的微波諧振頻率。
光檢測器可以位于腔的內部或外部。如果位于腔的內部，這是最好的方式，則光檢測器可以被腔壁或者桿承載著。如果位于腔的外部，則必須在腔外殼的壁上提供某種裝置或開口，使得光能夠通過氣室入射到光檢測器上。優(yōu)選的光檢測器是在腔內的硅光二極管，使其金屬化的后表面直接和腔壁的一部分相鄰。
本發(fā)明的物理組件還可以包括用于在氣室內產生靜態(tài)磁場(C-場)的裝置。C-場的優(yōu)選的方向垂直于光軸(盡管在常規(guī)的量子頻率標準中C-場的方向平行于光軸)。由集中LC裝置產生的微波磁場可以具有任何方向，但是在氣室內的優(yōu)選的方向垂直于光軸且平行于C-場，因為在這種情況下信號最大，這是由于(場相關的)時鐘躍遷的緣故(其發(fā)生在兩個超精細能級的mF＝0的次能級之間)。
在另一個實施例中，光進入本發(fā)明的微波腔，并用這種方式和量子系統(tǒng)相互作用，使得在所述量子系統(tǒng)的所選擇的基準頻率下產生微波能量。微波能量的一部分利用合適的耦合裝置(例如E探針或環(huán))從腔中被除去，并被提供給外部電子設備，所述電子設備用于把VCO的頻率鎖定到微波輻射的頻率上。用這種方式，把VCO的頻率鎖定到相關的量子系統(tǒng)的固有頻率上。在這種類型的裝置中，不使用光檢測器。
從下面結合附圖對本發(fā)明的目前認為最好的方式和優(yōu)選實施例的說明，可以更加清楚地看出本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點。


圖1是其中可以使用本發(fā)明的微波腔的原子頻率標準系統(tǒng)的簡化示意圖；圖2是本發(fā)明的微波腔的透視圖，被局部地剖開以便表示其內部的結構；圖3A是圖2的微波腔的由平行于圖2的XZ平面的平面取的截面圖；圖3B是圖2的微波腔的由平行于圖2的XY平面的平面取的截面圖；圖4是本發(fā)明的微波腔的另一個實施例的由平行于微波腔的XZ平面的平面(在所述實施例中其相應于圖2所示的X，Z軸)取的截面圖；以及圖5A-5D是用于幫助使本發(fā)明的工作的TEM模式具體化的示意圖。
本發(fā)明的詳細說明本發(fā)明提供了一種極小的容易制造的微波腔，其被用于這樣的裝置中，在所述裝置中，量子系統(tǒng)以其精確的所選擇的基準頻率吸收和發(fā)射微波電磁能量。所述量子系統(tǒng)可以是原子或分子氣體、液體或固體。本發(fā)明的微波腔在這樣一種原子頻率標準中尤其有用，其中包括含有原子氣體例如銣或銫的氣室被光源照射，并被“光抽運”，以便利用頻率調制的在銣或銫的躍遷頻率下的微波能量進行詢問，利用伴隨光的吸收激發(fā)在超精細的級之間的原子的躍遷，所述光的吸收可被檢測到從而提供電控制輸出。
圖1是其中可以使用本發(fā)明的微波腔的原子頻率標準系統(tǒng)的簡化示意圖。一般的銣原子頻率標準的元件和工作在本領域中是熟知的，因此，這里只進行簡要的說明。
如圖1所示，這種原子頻率標準10包括物理組件13，其最好可以包括本發(fā)明的微波腔，所述微波腔如圖2-4所示，詳細說明如下。原子頻率標準10包括可變頻率的電壓控制的晶體振蕩器11(VCXO)，其標準輸出頻率(例如5或10MHz)響應來自光檢測器(圖1中未示出)的控制輸出信號12a被控制裝置12控制，所述光檢測器是物理組件13的一部分。物理組件13包括一個含有氣體Rb-87的原子的透明的氣室(未示出)。在透明氣室內的原子由光源14進行光抽運，所述光源可以是銣蒸汽燈14，其被射頻振蕩器15或激光器激發(fā)成為產生等離子放電的光?！般湣惫馔ㄟ^物理組件小孔13a并通過透明氣室被引導，從而用光抽運氣室內的Rb-87原子。
原子頻率標準10還包括頻率合成器16，其由VCXO11的標準輸出頻率產生相應于Rb-87的超精細躍遷頻率，即6.8344MHz的微波頻率，并利用調制發(fā)生器17頻率調制大約為超精細躍遷頻率的微波能量。頻率調制的微波能量被提供給物理組件13(在16a)，并利用合成的光吸收引起基態(tài)的超精細能級之間的Rb-87原子的躍遷。
當微波能量的頻率相應于超精細躍遷頻率時，則發(fā)生最大光吸收，因而光檢測器的輸出電流減少。不過，如果微波能量的頻率不相應于超精細躍遷頻率，則有更多的光通過氣室到達光檢測器，這使其輸出電流增加。因為微波能量16a在超精細頻率時控制信號12a的電流輸出最小，并且在微波能量16a小于或大于超精細躍遷頻率時光檢測器的輸出電流較大，所以由控制裝置12利用控制信號12a把VCXO 11的標準頻率輸出鎖定在物理組件13的氣室中的Rb-87的超精細躍遷頻率上。
在圖1所示的典型的原子頻率標準10中，使用恒溫器18盡量穩(wěn)定光源14和物理組件13的溫度，以便避免溫度變化的影響。此外，一般使用磁場電流控制器電路19提供穩(wěn)定的磁場，在本領域中稱為“C-場”，用于磁偏置在氣室中的原子氣體并分離原子超精細狀態(tài)的塞曼能級。
如上所述，本發(fā)明的構成諧振微波腔的裝置包括具有非關鍵尺寸的導電的腔形成裝置和在所述腔中的集中的LC裝置，主要用于產生其微波諧振。本發(fā)明的一種優(yōu)選的微波腔如圖2，3A，3B所示，并且這種微波腔的另一個實施例如圖4所示。
在圖2和圖3所示的實施例中，諧振腔20由用于提供導電的腔壁的導電的外殼21構成。在圖2，3A，3B所示的實施例中，導電的裝置21以正平行六面體的形式構成微波腔20的壁。在圖2中沒有被切掉的所述腔壁用標號21a-21e表示，壁21f被切掉了，為了表示微波腔20的內部。如上所述，壁21a-21f的尺寸在本發(fā)明中是非關鍵的，因為微波腔的諧振頻率主要由集中的LC裝置22所決定。
在圖2，3A，3B所示的優(yōu)選實施例中的集中的LC裝置22包括導電桿23，其一端和導電裝置21的壁21a相連，并沿壁21c的方向局部地延伸跨過腔，在其遠端和壁21c之間形成一個在圖2和圖3A中標號為24的空間表示的間隙。導電桿23可以具有螺紋，并由外殼21中的螺紋孔承載著，從而使得能夠調整間隙24，或者如圖2，3A，3B所示的實施例中那樣，對集中的LC裝置22配備第二導電桿25，其被桿23可調整地承載著，使得間隙24能夠被調整。在圖2，3A，3B所示的實施例中，可調整的導電桿25可以是螺栓或螺栓部分，借助于螺紋由桿23承載著，使得通過轉動螺栓25，便可調整其末端和導電裝置21的壁21c之間的間隙。
在本發(fā)明中，微波腔20的諧振頻率主要由在腔內的集中的LC裝置22提供的電感和電容決定。本領域的技術人員顯然可知，集中LC裝置的電感由桿23的尺寸，主要是其長度和直徑?jīng)Q定，電容主要由桿23和25的直徑以及間隙24的長度決定。在圖2-4所示的實施例中，由集中LC裝置呈現(xiàn)的諧振以及其電感和電容可以通過調整有螺紋的導電元件25來改變。
微波腔和集中LC裝置的優(yōu)選形式20是基本上以TEM模式工作的改進的同軸腔，在具有一端和腔壁(21a)短路，在另一端不接觸腔壁(21c)的中心導體(23)。這種改變使得微波腔能夠在對著集中LC裝置22相對的腔的末端承載著透明的氣室30，如圖2-4所示，同時有保持具有非關鍵的尺寸和在TEM模式下工作的非常理想的特性。
按下述步驟觀察這樣構成的腔是有幫助的。
1.觀察從具有一定長度具有空氣電介質的同軸電纜開始，其在兩端封閉從而形成腔。在這種配置中，電纜的中心導體在一端對屏蔽短路，其另一端終結在間隙(電容)，如圖5A所示。這種裝置基本上在TEM模式下工作(同軸電纜的通常的工作模式)，除去在端部之外。在端部具有一些非橫向邊緣磁場分量，使得稍微脫離純TEM模式。
2.下一步是通過“擠壓”所得的腔使其外屏蔽變形，如圖5B所示。這種裝置仍然基本上工作在TBM模式下。其可以被這樣變形，使得形成腔的外導體的矩形的截面，如圖5C所示。
3.最后一步是沿著垂直于中心導體的軸線方向朝向外屏蔽移動腔的中心導體。這得到一種優(yōu)選形式的腔，其仍然基本上以TEM模式工作。
如圖2，3A，4所示，微波腔20可以在光學透明的氣室30的一側包含和承載光檢測器31，并且導電的外殼裝置21還具有在包括透明氣室30和光檢測器31的光軸上形成的開口或孔26。光軸基本上和Z軸平行，如圖2所示。
被注入的微波能量的磁場分量基本上位于平行于包括X和Y軸的平面的平面內。外部磁場沿著基本上垂直于光的方向通過氣室30，所述光的方向基本上是Z軸的方向。此外，可以使在氣體被詢問的區(qū)域的微波磁場比常規(guī)TE模式腔情況下的更均勻，借以趨于減少微波功率的敏感性。此外，本發(fā)明提供一種具有300到400的高的有負載Q值的小的腔，借以減少為滿足工作所需的微波功率的數(shù)量。
本發(fā)明的微波腔20可以利用C-場線圈(未示出)配備有磁C-場，其可被提供在腔的內部，或者被提供在導電的外殼21的外部，如果導電裝置21由非磁的導電材料制成的話。最好是，C-場線圈(或用于提供靜磁場的其它裝置)提供和微波磁場平行的靜磁場，即，使靜磁場的磁力線基本上在平行于包括X和Y軸的平面內，使得微波磁場和靜磁場位于基本上垂直于光軸(Z軸)的平面內。在這種結構中，光孔的平面將基本上平行于C場的方向，對于小的原子標準，這是非常不尋常的。這種結構將改善氣室內的氣體的光抽運效率，以及原子頻率標準的短期的頻率穩(wěn)定性。本領域的技術人員將能夠提供上述的C場裝置。
具有平行于光孔26平面并基本上垂直于光軸的C-場的另一個優(yōu)點在于改善諧振氣室30的磁屏蔽。因為在氣室30內的原子的基準頻率對外部磁場是敏感的(通過塞曼效應)，所以氣室30必須用磁屏蔽包圍。所述屏蔽可以是腔本身(由相同的材料例如高導磁率合金制成)，如US4661782中教導的，或者是只包圍腔的單獨的屏蔽，或者是包圍光源和腔的屏蔽。所述屏蔽通常具有在光軸上的小孔，使得光可以從光源通過氣室。遺憾的是，具有不利影響的磁力線(來自物理組件外部的磁場)可以通過屏蔽中的光孔進入氣室。在常規(guī)的結構中，其中C-場和光軸平行，這些磁力線趨于和C場代數(shù)相加。在本發(fā)明中，其中的C-場垂直于光軸，這些磁力線和C-場趨于成直角，因而正交相加，和常規(guī)的情況相比，只產生二階影響。
在本發(fā)明中，甚至和C場平行的漏磁分量也趨于產生二階影響。這是因為這些分量趨于相對于光軸對稱，從而增加在一側上的磁場而減少在另一側上的磁場。因而，在光軸的一側上的原子的頻率向上移動，而在另一側上其頻率向下移動。對于一階分量的凈的結果是展寬而不是移動合成的原子譜線(其具有來自室中的所有原子的貢獻)；即對于一階，也沒有原子譜線的移動。
圖3A，3B是圖2所示的物理組件的正交的剖面圖，圖3A是由平行于圖2的XZ的平面的平面取的截面圖，圖3B是由平行于圖2的XY平面取的截面圖。如圖3A和3B所示，微波腔的導電外殼21可以具有在其壁21b中形成的開口，用于接收氣室30的分接部分(tip-off portion)30a。圖3A還示出了在壁21c中形成的光孔26，以及使光能夠沿著包括光檢測器31在內的一個或幾個光軸通過透明氣室30的光孔26的位置。圖3A還表示，優(yōu)選的光檢測器31例如硅光二極管的金屬化的后表面31a，可以和微波腔的壁21a的一部分直接相鄰，并被固定在其上。圖3A還表示可以通過有螺紋的螺栓調整的間隙24。在本發(fā)明的一些實施例中，變容二極管可以位于間隙24中，基本上用于提供集中LC裝置22的可電調諧的集中電容。在這種情況下，則不需要有螺紋的螺桿25。
圖3A，B和圖4還表示，在外殼裝置21的壁21d中可以提供開口27，使得用于注入或抽出微波磁能的裝置能夠出入微波腔20。這種微波能量耦合裝置可以是來自微波頻率合成器的E-場探針(或H-場環(huán))，如圖1中標號16所示的元件或本領域中已知的其它微波裝置。
圖4說明本發(fā)明的微波腔40的另一種形式。圖4的微波腔40和圖2，3A，3B的微波腔的區(qū)別在于集中LC裝置33的形式不同。在圖4所示的實施例中，間隙34由桿36，35和37的端部之間的間隙34構成，其主要包括集中LC裝置33的集中電容。如圖2，3A，3B所示的實施例中那樣，桿35可以具有第二個導電桿37，其可調整地被桿35承載著，從而使得間隙34能夠被調整，并且可調整的導電桿37可以是螺旋或螺旋部分，以便使得能夠通過轉動螺旋或螺旋部分37調節(jié)間隙34。此外，在一些實施例中，變容器可以被置于桿35-36之間，主要作為集中LC裝置33的可電調諧的集中電容。圖4所示的實施例的另一個區(qū)別在于，光導體31位于導電外殼裝置32的外部，并且導電外殼裝置32具有一對開口38和39，使得光能夠通過導電裝置32和透明氣室30透過。
在圖中示意地示出了導電的外殼裝置21和32。雖然圖中所示是作為正六面體構成的微波腔20，40，但是腔20，40可以具有其它的形狀。外殼裝置21可以用任何合適的導電材料制成，例如鋅或鋁，因為在本發(fā)明中的非關鍵性，可以利用例如擠壓，沖壓，鑄造等方法制成。在本發(fā)明中不需要為了保持腔的嚴格尺寸而對其進行精確的機加工。
此外，微波腔20，40可以由連接在一起從而形成導電外殼21和32的一個或幾個部分構成。集中LC裝置可以是一個或幾個導電材料制成的桿，它們在到導電外殼裝置21，32壁的一端被短接，即被連接，或者由在微波腔內可調節(jié)地承載著的一定長度的導線提供。
在本發(fā)明中優(yōu)選使用的導電外殼裝置21和32包括一種五面的外殼和一個平的蓋(例如，在圖2中為了表示外殼的內部被完全除去的外殼的一側)。所述平的蓋可以用銅板或鋁板沖制而成。所述五面的外殼可以用導電材料例如鋁，銅或青銅磨銑而成，或者用鋅壓鑄而成。所述的蓋可以利用焊接或添加銀的環(huán)氧粘結劑緊固到外殼的其余部分。桿23，25，35和37可以利用螺旋加工機由青銅制成。桿23和35可被制成具有外螺紋的，借助于所述螺紋，其可被旋入外殼21，32中的匹配的有螺紋的孔中。這些零件可以鍍上金或其它能夠在抽運光的波長(對于Rb-87原子為780和795nm)下提供高的反射表面，并且阻止在腔的工作溫度下在所述裝置的壽命期間反射率顯著變劣的等效材料。
如上所述，本發(fā)明提供一種用于構成可用于原子頻率標準或其它量子頻率設備的裝置，其包括用于構成外殼的導電腔，在一端具有一個或幾個光孔，用于提供進入或通過腔的光軸，并且和另一端相鄰具有調諧桿，其沿基本上平行于光軸的方向伸入所述腔中，并利用導電外殼的壁提供在所選擇的頻率下諧振的集中電感和電容，使得所述腔和所述桿在所選擇的頻率下協(xié)作，從而使腔基本上在TEM模式下工作，同時微波磁場基本上垂直于在所述桿和導電腔遠端之間的光軸。
作為利用本發(fā)明可以實現(xiàn)的小的尺寸的一個例子，圖2，3A，3B所示的用于銣原子頻率標準的實施例可以被制成具有下面的尺寸腔外殼的長度，即壁21a，21c，21e和21f＝0.574英寸。
腔外殼的寬度，即壁21a和21c的寬度＝0.300英寸。
腔外殼的高度，即，壁21e和21f的高度＝0.355英寸。
桿23的直徑＝0.125英寸。
桿23的長度＝0.330英寸。
間隙24的長度＝0.025英寸。
氣室30的長度，不包括分接部分30a＝0.475英寸。
氣室30的寬度和高度＝0.260英寸。
孔26的長度＝0.400英寸。
孔26的寬度＝0.200英寸。
本發(fā)明還可以被包括在例如M.Tetu，等.，“ExpperimentalResults on a Frequency Standard Based on a Rubidium 87Maser，”Proceedings of the 39thAnnual Symposium on FrequencyControl，pages 64-71(1985)所述的那種微波激射器中，并被包括在Aldo Godone，F(xiàn)ilipo Levi & Jacques Vanier，“CoherentMicrowave Emission Without Population InversionA NewAtomic Frequency Standard，”IEEE Transactions oninstrumentation and Measurement，Vol.48，Pages 504-507(1999)所述的一種新型的裝置中。在本發(fā)明的這種實施例中，光進入本發(fā)明的微波腔20，40，并用這種方式和被承載在微波腔20，40內的量子系統(tǒng)相互作用，使得在所述量子系統(tǒng)的所選擇的基準頻率下產生微波能量。利用合適的耦合裝置(例如被插入開口27中的E探針或者環(huán))從腔20，40除去微波能量的一部分，并被提供給用于把VCO的頻率鎖定在微波輻射的頻率上的外部電子設備。用這種方式，VCO頻率被鎖定為有關的量子系統(tǒng)的固有頻率。在這種類型的裝置中，不需要光檢測器。
不脫離下面的權利要求限定的本發(fā)明的范圍，可以作出和上述的實施例不同的許多實施例和改型。本發(fā)明可用于除去原子頻率標準之外的其它設備，在這些設備中，諧振的微波場和可激發(fā)的介質協(xié)同工作，所述介質具有多個可被另外的電磁能源例如光激發(fā)的能量狀態(tài)。
權利要求
1.一種微波腔，包括用于形成一個微波腔的導電裝置；被承載在所述微波腔內的量子系統(tǒng)，所述微波腔可以在所述量子系統(tǒng)的所選擇的基準頻率附近工作；用于使光能夠進入微波腔和量子系統(tǒng)的裝置；以及集中的LC裝置，用于基本上在TEM模式下的微波腔的工作，并當被所選擇的基準頻率附近的微波激發(fā)時，發(fā)生諧振，以便在微波腔內提供微波場。
2.如權利要求1所述的微波腔部件，其中集中的LC裝置包括由所述導電裝置承載著的導電調諧桿，其伸入腔內，并在腔內形成間隙。
3.如權利要求2所述的微波腔部件，其中所述調諧桿包括導電桿，其可調節(jié)地承載著第二導電元件，用于調節(jié)電容和電感。
4.如權利要求3所述的微波腔部件，其中所述導電桿具有基本上圓形的截面，并且第二導電元件借助于螺紋和導電桿接合，使得所述間隙能夠被調節(jié)。
5.如權利要求2所述的微波腔部件，其中能夠通過光的裝置形成一個包括量子系統(tǒng)的光軸，并且調諧桿具有基本上和所述光軸平行的中心軸。
6.如權利要求2所述的微波腔部件，其中所述調諧桿包括兩個桿部分，每個桿部分從腔的相對側延伸，在其間具有間隙。
7.如權利要求1所述的微波腔部件，其中所述量子系統(tǒng)是一種被包括在光學透明的氣室中的原子氣體。
8.如權利要求7所述的微波腔部件，還包括用于在氣室中提供靜止磁場的裝置。
9.如權利要求8所述的微波腔部件，其中所述靜止磁場裝置提供基本上平行于氣室中的微波磁場的靜止磁場。
10.如權利要求1所述的微波腔部件，還包括用于在量子系統(tǒng)中提供靜止磁場的裝置。
11.如權利要求10所述的微波腔部件，其中所述微波腔呈正六面體的形式。
12.如權利要求11所述的微波腔部件，其中用于使光通過的裝置包括在微波腔中的平面孔，并且用于透過光的孔的平面基本上平行于量子系統(tǒng)中的靜止磁場的方向。
13.如權利要求10所述的微波腔部件，其中用于透過光的裝置形成一個包括量子系統(tǒng)的光軸，并且所述微波場提供基本上垂直于量子系統(tǒng)中的光軸的微波磁場。
14.如權利要求7所述的微波腔部件，還包括光檢測器，其由微波腔在包括光學透明的氣室的光軸上承載著。
15.如權利要求14所述的微波腔部件，其中微波腔呈正六面體的形狀，并且其中光檢測器包括硅光二極管，其位于微波腔內的光軸上，所述硅光二極管具有一個直接和微波腔的一個壁相鄰的金屬化的后表面。
16.一種用于構成用作量子頻率標準的微波腔的裝置，包括用于形成導電腔的外殼，在腔的一側具有開口，形成通過和其相鄰的一端的腔的光軸，并具有一個桿，其沿著基本上平行于所述光軸的方向伸入和其另一端相鄰的腔，并利用導電的本體在所選擇的基準頻率下提供集中的LC諧振；所述腔和所述桿在所選擇的基準頻率下協(xié)作，以便基本上以TEM模式工作于微波腔，并提供基本上垂直于所述光軸的并在所述調諧桿和所述一端之間的微波磁場。
17.如權利要求16所述的裝置，包括由所述外殼承載在光軸上的光檢測器。
18.如權利要求17所述的裝置，其中光檢測器被承載在所述外殼的外面。
19.如權利要求16所述的裝置，其中形成外殼的所述導電的腔承載形成靜止磁C-場部分的裝置，所述靜止磁C-場部分基本上平行于由腔內的調諧桿形成的微波磁場。
20.如權利要求16所述的裝置，還包括由所述裝置承載在光軸上的量子系統(tǒng)。
21.一種用于原子頻率標準的微波腔，包括用于形成微波腔的導電裝置，所述微波腔可在原子氣體基準頻率附近工作；光學透明的原子室，其被承載在腔內且在腔的一端，并提供可在原子氣體基準頻率下激發(fā)的原子氣體；用于在光學透明的原子室內提供靜止磁場的裝置；用于透光的孔，其被形成在包括光學透明的原子室的光軸上的導電裝置中；以及集中的LC裝置，用于在基本上TEM模式下工作于所述微波腔，并當被原子氣體基準頻率附近的微波能量激發(fā)時，發(fā)生諧振，從而在光學透明的原子室內提供基本上平行于靜止磁場的微波磁場。
22.如權利要求21所述的微波腔，包括光檢測器，其被承載在鄰近光學透明室的所述微波腔內，并處于光軸上。
23.如權利要求21所述的微波腔，其中集中的LC裝置包括導電桿，其被所述導電裝置承載著，延伸進入腔內，并在腔內形成間隙。
24.如權利要求23所述的微波腔，其中所述導電桿包括可調節(jié)地承載著用于調節(jié)電感和電容的第二導電元件的導電桿。
25.如權利要求24所述的微波腔，其中導電桿具有基本上圓形的橫截面，并且第二導電元件利用螺紋和導電桿嚙合，使得能夠調節(jié)所述間隙。
26.如權利要求23所述的微波腔，其中所述導電桿具有基本上平行于所述光軸的中心軸。
27.如權利要求23所述的微波腔，其中所述導電桿包括兩個桿部分，每個桿部分從腔的相對側延伸，在其間形成間隙。
28.如權利要求21所述的微波腔，其中用于透光的孔的平面平行于原子室內的靜止磁場的方向。
29.如權利要求21所述的微波腔，其中原子氣體是銣或銫蒸汽。
全文摘要
本發(fā)明披露了一種極小的制造成本低的用于原子頻率標準的物理組件，其配備有具有非關鍵尺寸的并被集中LC的裝置以基本上TEM模式驅動的微波腔，微波腔的諧振頻率主要由集中的LC裝置確定。集中LC裝置可以采取任何結構的元件或元件的組合，其在所選擇的微波基準頻率下提供諧振電感和電容。這種集中的LC裝置的例子包括桿或線，其被導電地連接在微波腔的壁上，作為集中電感，并伸入腔內，使得在其另一端和相對的腔壁形成間隙，作為集中電容；或者是一對附著在相對壁上的桿或線，并從腔延伸作為集中電感，在其間形成間隙，作為集中電容。
文檔編號H01P7/04GK1452798SQ00819469
公開日2003年10月29日 申請日期2000年7月18日 優(yōu)先權日1999年8月2日
發(fā)明者J·鄧 申請人:戴特姆公司