一種銣頻標(biāo)的雙泡微波腔的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，濾光泡和吸收泡分別處于微波腔的兩側(cè)，并固定在介質(zhì)筒內(nèi)；C場線圈在C場繞棒上繞二層，C場線圈和C場繞棒固定在介質(zhì)筒內(nèi)，耦合環(huán)固定在腔蓋板上，耦合環(huán)一端與階躍二極管電氣連接，耦合環(huán)另一端與外部射頻信號連接；全反射棱鏡固定在耦合環(huán)和腔蓋板之間，第一光電池a固定在吸收泡正下方，用于檢測通過吸收泡后光強的強弱，第二光電池b固定在全反射棱鏡涂覆了半反射半透射薄膜一側(cè)；抽運光從磁屏筒底部小孔進入，經(jīng)濾光泡濾光后，再經(jīng)全反射棱鏡反射，光路發(fā)生180度改變，垂直射入吸收泡。本發(fā)明能提升抽運光的單色性，穩(wěn)定光譜燈光強，減少光頻移，提高銣頻標(biāo)穩(wěn)定度指標(biāo)，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。<u/>
【專利說明】一種銣頻標(biāo)的雙泡微波腔

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及原子頻標(biāo)【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體涉及一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，尤其適用于通信、時頻計量、導(dǎo)航同步。

【背景技術(shù)】
[0002]原子頻標(biāo)作為一種提供高穩(wěn)定度時間頻率信號的設(shè)備，是時間頻率的核心部件。在眾多頻標(biāo)中，銣原子頻標(biāo)以其低功耗、小體積、低價格等特點在通信、導(dǎo)航、計量、電力同步等國民經(jīng)濟領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]隨著銣原子頻標(biāo)應(yīng)用的日益廣泛，有關(guān)它的研究與改進也不斷深化，工作主要圍繞提高其性能和小型化兩個方面。在眾多應(yīng)用中，戰(zhàn)斗直升機、殲擊機、預(yù)警戰(zhàn)斗群等航空平臺，對地精密觀測等微小型系統(tǒng)和智能無人系統(tǒng)平臺對銣原子頻標(biāo)的性能、體積、功耗及環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。對高性能小體積的銣原子頻標(biāo)需求日益緊迫。
[0004]被動型銣原子頻標(biāo)由物理系統(tǒng)及電子線路兩大部分組成，其中物理系統(tǒng)包括光譜燈和微波腔；電子線路包括隔離放大、倍頻、混頻、伺服等功能模塊。物理系統(tǒng)提供量子參考頻率，電子線路與物理系統(tǒng)構(gòu)成一個頻率鎖定環(huán)路，將壓控晶體振蕩器VCXO的輸出頻率鎖定在銣原子基態(tài)能級中的I F = 2，mF = 0>和I F = 1，mF = 0>之間穩(wěn)定的躍遷頻率上。
[0005]物理系統(tǒng)是被動型銣原子頻標(biāo)的核心部件，起到鑒頻器的作用，它提供一個頻率穩(wěn)定、線寬較窄的原子共振吸收線。微波腔的主要作用是為原子的微波共振提供合適的微波場，同時受恒溫控制，為濾光泡、吸收泡提供溫度恒定的工作環(huán)境。C場線圈的作用是產(chǎn)生一個和微波磁場方向相平行的弱靜磁場，使原子基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)發(fā)生塞曼分裂，并為原子躍遷提供量子化軸，同時通過調(diào)節(jié)C場電流的大小，改變磁場的強度，微調(diào)銣原子頻標(biāo)的輸出頻率。
[0006]為了實現(xiàn)微波信號與87Rb的O—O躍遷頻率共振以獲得共振譜線，最簡單的做法是將銣吸收泡放入一個加有弱靜磁場的微波諧振腔內(nèi)，將腔的共振頻率調(diào)整在87Rb基態(tài)兩超精細(xì)能級O—O躍遷頻率上，然后通過微波檢測裝置檢測到87Rb的吸收譜線。該譜線即可作為銣原子頻標(biāo)中的鑒頻譜線。但由于氣態(tài)87Rb粒子數(shù)密度小，|F = 2，mF = 0>和IF= 1，mF = 0>兩能級距離較小，在常溫時兩能級粒子數(shù)差是非常小的，故最終通過這種裝置所得到的吸收譜線非常微弱，且氣泡中87Rb原子的運動和碰撞引起的譜線的增寬也較大，這極大地影響了頻標(biāo)的短期穩(wěn)定度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了更好的解決上述存在的不足，本發(fā)明的目的是在于提供了一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，提升了抽運光的單色性，增加了光-微波雙共振強度，穩(wěn)定光譜燈光強，減少光頻移，提高了銣頻標(biāo)穩(wěn)定度指標(biāo)。
[0008]為了實現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施:
[0009]一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，它包括濾光泡、吸收泡、全反射棱鏡，C場繞棒，C場線圈，耦合環(huán)，第一光電池a，第二光電池b，介質(zhì)筒，磁屏筒，腔蓋板，階躍二極管。其特征在于:濾光泡和吸收泡分別處于微波腔的兩側(cè)，并固定在介質(zhì)筒內(nèi)；(:場線圈和C場繞棒固定在介質(zhì)筒內(nèi)，稱合環(huán)固定在腔蓋板上，稱合環(huán)一端與階躍二極管電氣連接，稱合環(huán)另一端與外部射頻信號連接；全反射棱鏡固定在耦合環(huán)和腔蓋板之間，磁屏筒底部一側(cè)開一個比濾光泡直徑稍小的孔，讓抽運光進入微波腔，抽運光從磁屏筒底部小孔進入，經(jīng)濾光泡濾光后，再經(jīng)全反射棱鏡反射，光路發(fā)生180度改變，垂直射入吸收泡。第一光電池a固定在吸收泡正下方，用于檢測通過吸收泡后光強的強弱，從而檢測磁共振強度。
[0010]所述的C場線圈先固定在C場繞棒上，然后整體固定在介質(zhì)筒預(yù)留的孔內(nèi)，給微波腔提供了與腔軸線平行的靜磁場。此靜磁場靠近吸收泡，無需按傳統(tǒng)方式將C場線圈繞在介質(zhì)筒或加熱筒上，結(jié)構(gòu)簡便，減小了體積。所述的C場繞棒采用聚砜材料制成，此種材料硬度高，溫度適應(yīng)性好。
[0011]所述的全反射棱鏡固定在耦合環(huán)和腔蓋板之間，入射光經(jīng)濾光泡濾光后，形成單色性較好的抽運光，經(jīng)全反射棱鏡反射后，光路變化180度，垂直進入吸收泡，形成光-微波雙共振。
[0012]所述的介質(zhì)筒由聚四氟乙烯材料制成，其介質(zhì)損耗正切值比常用的三氧化二鋁陶瓷大，但是本發(fā)明提升了抽運光單色性，增加了磁共振強度，提高了信噪比。因此，相比于三氧化二鋁陶瓷，聚四氟乙烯增加的介質(zhì)損耗對性能指標(biāo)造成的影響可忽略。此外，聚四氟乙烯材料價格比三氧化二鋁陶瓷便宜很多，工作范圍寬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于加工。
[0013]所述的全反射棱鏡位于濾光泡上方一側(cè)涂覆半反射半透射薄膜。
[0014]本發(fā)明中采用二塊光電池:第一光電池a固定在吸收泡正下方，用于檢測通過吸收泡后的光強，從而檢測磁共振強度；第二光電池b固定在全反射棱鏡涂覆了半反射半透射薄膜一側(cè)的上部，透射的光強被第二光電池b接收，用于監(jiān)測光譜燈的工作狀態(tài)，通過反饋環(huán)路穩(wěn)定抽運光強度，減少光強頻移。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下幾方面的優(yōu)點和效果:
[0016]1.濾光泡和吸收泡分別置于微波腔兩側(cè)，二者經(jīng)全反射棱鏡鏈接光路。一方面，濾光區(qū)域增長，增強了濾光效果，提升了抽運光的單色性，增加了抽運光的效率，降低了光噪聲；另一方面，共振區(qū)域增長，增加了光-微波雙共振強度，提升了信噪比，從而整體上較大提升了銣頻標(biāo)的穩(wěn)定性。
[0017]2.與常規(guī)的一塊光電池相比，本發(fā)明采用了二塊光電池，一塊用來檢測光-微波雙共振的強度，另一塊用來檢測抽運光強度，這樣便于監(jiān)測光譜燈的工作狀態(tài)，穩(wěn)定抽運光強，進而減小光頻移對銣頻標(biāo)穩(wěn)定度的影響。
[0018]3.與傳統(tǒng)的將C場線圈繞在介質(zhì)筒或加熱筒上相比，本發(fā)明中C場線圈先固定在C場繞棒上，然后整體固定在介質(zhì)筒預(yù)留的孔內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡便，減小了體積。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔的結(jié)構(gòu)示意圖
[0020]圖2為一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔的剖視圖
[0021]圖3為一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔的介質(zhì)筒示意圖
[0022]其中:濾光泡I (抗堿玻璃，如康寧公司的玻璃管)、吸收泡2 (抗堿玻璃，如康寧公司的玻璃管)、全反射棱鏡3 (如瑞森光學(xué)的棱鏡)，C場繞棒4(如聚砜)，C場線圈5 (如Elektrisola的155系列或180系列)，耦合環(huán)6 (純銀絲)，第一光電池a7 (如上海歐光硅光電池)，介質(zhì)筒8 (聚四氟乙烯),磁屏筒9 (鐵鎳合金),腔蓋板10 (如Rogers 4350板材),階躍二極管11 (如成都亞光電子的2CJ3)，第二光電池bl2(如上海歐光硅光電池)。

【具體實施方式】
[0023]實施例1:
[0024]如圖1、圖2、圖3所示，一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，它包括濾光泡1、吸收泡2、全反射棱鏡3, C場繞棒4, C場線圈5,稱合環(huán)6,第一光電池a7,介質(zhì)筒8,磁屏筒9,腔蓋板10，階躍二極管11，第二光電池bl2。其特征在于:濾光泡I和吸收泡2分別置于微波腔的兩側(cè)，濾光泡I和吸收泡2固定在介質(zhì)筒8內(nèi)；C場線圈5在C場繞棒4上繞二層，C場線圈5和C場繞棒4固定在介質(zhì)筒8內(nèi)，稱合環(huán)6固定在腔蓋板10上,f禹合環(huán)6 —端與階躍二極管11電氣連接，耦合環(huán)6另一端與外部射頻信號連接；全反射棱鏡3固定在耦合環(huán)6和腔蓋板10之間，第二光電池bl2固定在全反射棱鏡3涂覆了半反射半透射薄膜一側(cè)的上部；磁屏筒9底部一側(cè)開一個比濾光泡I直徑稍小的孔，讓抽運光進入微波腔。
[0025]如圖2所示，一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔的剖視圖，它包括濾光泡1、吸收泡2、全反射棱鏡3,稱合環(huán)6,第一光電池a7,介質(zhì)筒8,磁屏筒9,腔蓋板10,第二光電池bl2。其特征在于，濾光泡I和吸收泡2分置于介質(zhì)筒兩側(cè)，用黑色箭頭標(biāo)示出了抽運光的光路，抽運光從磁屏筒9底部小孔進入，經(jīng)濾光泡I濾光后，再經(jīng)全反射棱鏡3反射，光路發(fā)生180度改變，垂直射入吸收泡2。所述的第一光電池a 7固定在磁屏筒9底部吸收泡2正下方，用來檢測磁共振強度；全反射棱鏡3位于濾光泡I上方那一側(cè)涂覆半反射半透射薄膜，第二光電池b 12固定在半反射半透射薄膜頂部，透射光用于檢測抽運光的工作狀態(tài)，通過反饋穩(wěn)定抽運光，從而提聞伽頻標(biāo)輸出穩(wěn)定度。
[0026]如圖3所示，一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔的介質(zhì)筒它包括濾光泡1、吸收泡2、C場繞棒4、C場線圈5、介質(zhì)筒8，其特征在于，介質(zhì)筒8兩側(cè)對稱地挖二個孔，用來固定濾光泡I和吸收泡2，這種固定方式使得吸收泡2正好處于TElll磁場最強的一個區(qū)域，增加了磁共振強度，提高了信噪比。介質(zhì)筒8的另外一個側(cè)邊挖一個小孔，用來固定繞在C場繞棒4上的C場線圈5，這種設(shè)計既省去了另外的空間繞制C場，簡便的為微波腔提供了一個與腔軸線平行的靜磁場，又對整個微波腔形成一個微繞作用，C場線圈5和C場饒棒4正處于電場比較強的區(qū)域，能有效的降低腔頻，在不損失性能的情況下降低微波腔的體積。這樣空間利用率高，機械強度好。介電常數(shù)和介電損耗也滿足要求。
[0027]所述的C場繞棒4采用聚砜材料制成，此種材料硬度高，溫度適應(yīng)性好。
[0028]所述的介質(zhì)筒8由聚四氟乙烯材料制成，這種材料價格低廉，工作范圍寬，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易于加工。
[0029]利用此裝置做實驗，將所述材料加工，組裝，經(jīng)過多次試驗調(diào)節(jié)，用其替換實驗室現(xiàn)有銣頻標(biāo)的微波腔，并調(diào)試閉環(huán)鎖定。發(fā)現(xiàn)利用該微波腔能將物理系統(tǒng)信噪比提升3dB以上，將銣頻標(biāo)穩(wěn)定度由IX 10_n/秒提升至5X 10_12/秒。
【權(quán)利要求】
1.一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，它包括濾光泡(I )、吸收泡(2)、全反射棱鏡(3)、C場繞棒(4)、C場線圈(5)、稱合環(huán)(6)、第一光電池a(7)、介質(zhì)筒(8)、磁屏筒(9)、腔蓋板(10)、階躍二極管(U)、第二光電池b (12)，其特征在于:濾光泡(I)和吸收泡(2)分別置于微波腔的兩側(cè)，濾光泡(I)和吸收泡(2)固定在介質(zhì)筒(8)內(nèi)；C場線圈(5)在C場繞棒(4)上繞二層，C場線圈(5)和C場繞棒(4)固定在介質(zhì)筒(8)內(nèi)，I禹合環(huán)(6)固定在腔蓋板(10)上，耦合環(huán)(6)—端與階躍二極管(11)電氣連接，耦合環(huán)(6)另一端與外部射頻信號連接；全反射棱鏡(3)固定在耦合環(huán)(6)和腔蓋板(10)之間，全反射棱鏡(3)位于濾光泡(I)上方一側(cè)涂覆半反射半透射薄膜，第二光電池b (12)固定在全反射棱鏡(3)涂覆了半反射半透射薄膜一側(cè)；磁屏筒(9)底部一側(cè)開一個比濾光泡(I)直徑小的孔，第一光電池a (7)固定在吸收泡2下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，其特征在于:所述的C場繞棒(4)采用聚砜材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，其特征在于:所述的介質(zhì)筒(8)由聚四氟乙烯材料制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高性能銣頻標(biāo)雙泡微波腔，其特征在于:所述的全反射棱鏡(3)將經(jīng)過濾光泡(I)濾光后的單色性較好的抽運光，光路變化180度，垂直進入吸收泡⑵。
【文檔編號】H03L7/26GK104410412SQ201410529289
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】秦蕾, 余鈁, 陳智勇, 金鑫, 高偉, 李超, 黃劍龍 申請人:中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所