專利名稱：用于原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的瞬態(tài)場(chǎng)詢問器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及頻率標(biāo)準(zhǔn)，更具體地說，是涉及光抽運(yùn)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。
原子頻率標(biāo)準(zhǔn)是具有一種共振系統(tǒng)的裝置，該共振系統(tǒng)來源于原子或分子，而該原子或分子經(jīng)歷了在兩或更多確定的原子或分子能級(jí)之間的躍遷。
例如，眾所周知銣(Rb)原子的兩個(gè)最低能級(jí)是基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A和B。當(dāng)用微波照射處于能級(jí)A和B的氣態(tài)Rb-87原子而且該微波的能量正好等于對(duì)應(yīng)造成超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的原子躍遷的銣頻率，即“躍遷頻率”時(shí)，處于超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A的銣原子將向能級(jí)B躍遷，且反之亦然。該躍遷可被用作高度精確的頻率基準(zhǔn)，而石英晶體振蕩器或電壓控制晶體振蕩器(VCXO)的頻率可用電子學(xué)方法鎖定在該頻率基準(zhǔn)上，以產(chǎn)生原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。
在這種原子控制振蕩器中，石英晶體振蕩器的頻率是借助成套的物理設(shè)備以及相關(guān)的電子設(shè)備來控制的，這些設(shè)備被用來使指定的輸出頻率(一般為5MHz或10MHz)在非常長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)保持極端的精確和穩(wěn)定。通過適當(dāng)?shù)厥故⒕w振蕩器接受該物理設(shè)備中的原子躍遷的頻率的控制，可大大地抑制石英晶體因?yàn)槔匣推渌逃幸蛩匾约碍h(huán)境效應(yīng)而引起的漂移傾向。典型的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的物理設(shè)備一般包括微波諧振腔、同位素濾波單元、吸收單元、光源、光檢測(cè)器、溫度控制裝置、以及至少一個(gè)包圍這些元件的磁屏蔽器。
在這種典型的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中，例如，光源是包含銣原子的玻璃燈泡，它通過射頻激發(fā)等離子體放電而發(fā)光。該燈中的銣被加熱至約110℃的蒸氣狀態(tài)，并經(jīng)受高能射頻場(chǎng)，從而從受激發(fā)的銣原子發(fā)光。這種“銣光”被引過一濾波單元，該濾波單元包含諸如Rb-85的銣同位素并濾除具有會(huì)激發(fā)從超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)B至任何光學(xué)受激能級(jí)C的波長(zhǎng)的光。濾波之后的銣光隨后經(jīng)過一吸收單元，也稱為共振單元。該吸收單元包括銣的另一種同位素，Rb-87，且被處于超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A的Rb-87原子吸收的、濾波之后的光能量造成Rb-87原子從能級(jí)A向任何光學(xué)受激能級(jí)C的躍遷。然而，被激發(fā)到能級(jí)C的原子在能級(jí)C的停留時(shí)間不超過幾十ns(納秒)，而是通過光的自發(fā)輻射和/或碰撞(包括與其他原子、分子、或吸收單元的壁的碰撞)而以大體相等的數(shù)目返回到基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A和B。由于濾波之后的光不允許原子從能級(jí)B躍遷到能級(jí)C，原子從能級(jí)A至能級(jí)C的光激發(fā)的再循環(huán)以及從能級(jí)C落下的原子在能級(jí)A和B之間的重新分布，最終導(dǎo)致在能級(jí)A上沒有幾個(gè)原子可供被激發(fā)到能級(jí)C，且?guī)缀鯖]有通過吸收單元的光吸收，因?yàn)樵佣家逊e累在超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)B上。能級(jí)A上的原子被稱為光抽運(yùn)到了能級(jí)B。然而，如果給吸收單元施加銣躍遷頻率的微波能量，就會(huì)發(fā)生超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A和B之間的躍遷，使原子重新到達(dá)能級(jí)A，這些原子吸收光能并經(jīng)過隨后的躍遷而到達(dá)能級(jí)C，從而減少通過吸收單元的光量。
通過吸收單元的銣光入射到一光檢測(cè)器上，后者產(chǎn)生與入射光強(qiáng)成正比的電流輸出。該電流輸出被伺服電路處理，以向一電壓控制晶體振蕩器(VCXO)提供控制電壓;該電壓控制晶體振蕩器的輸出倍增(并合成)至銣躍遷頻率并提供用于引起超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A和B之間的躍遷的微波能量。當(dāng)該微波能量的頻率對(duì)應(yīng)于超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷頻率(對(duì)Rb-87為6.834GHz)，就會(huì)出現(xiàn)最大光吸收且光檢測(cè)器的電流輸出減小。然而，如果微波能量的頻率不對(duì)應(yīng)于超精細(xì)結(jié)構(gòu)頻率，則將有更多的光通過吸收單元而到達(dá)光檢測(cè)器，這增加了其電流輸出。因此，光檢測(cè)器的電流輸出可被用來提供一誤差信號(hào)，以維持VCXO的輸出頻率(一般為5或10MHz，且它如上所述地被進(jìn)行相乘和合成以產(chǎn)生銣原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷頻率)，從而產(chǎn)生極端穩(wěn)定的5或10MHz輸出頻率標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)注意的是，能級(jí)A實(shí)際上是具有相同能量的三個(gè)能級(jí)，且能級(jí)B實(shí)際上是具有相同能量但與能級(jí)A的原子相差超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)差的五個(gè)能級(jí)。在實(shí)際中，一個(gè)小的穩(wěn)恒磁場(chǎng)(“C場(chǎng)”≈0.3高斯)被加到Rb-87原子上以使能級(jí)A發(fā)生細(xì)微的分離，并使能級(jí)B發(fā)生細(xì)微的分離。先有技術(shù)中已知，以適當(dāng)?shù)念l率施加到包含Rb-87原子的吸收單元的微波能量，使得從量子數(shù)為(F＝2，MF＝0)的單態(tài)B能級(jí)產(chǎn)生一個(gè)向量子數(shù)為(F＝1，MF＝0)的單態(tài)A能級(jí)的6.834GHz的原子或“時(shí)鐘”躍遷。
多年來，人們?cè)诟倪M(jìn)物理設(shè)備方面進(jìn)行了大量的努力，以在不改變其運(yùn)行特性的情況下減小其總體的物理尺寸。
例如，美國(guó)專利第3，903，481號(hào)公布了一種通過從物理設(shè)備中除去其一個(gè)部件即濾波單元來減小銣蒸氣頻率標(biāo)準(zhǔn)的總體尺寸的早期方法;該濾波單元被用來除去光源發(fā)射的超精細(xì)結(jié)構(gòu)光頻率中的一個(gè)。這是通過把濾波單元功能與相關(guān)的吸收單元功能相結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的。這樣，濾波原子(一般為銣的同位素Rb-85)以及緩沖氣體，被直接裝在包含銣的另一同位素Rb-87的吸收單元中。因而，該吸收單元執(zhí)行雙重的功能，即不僅作為光學(xué)抽運(yùn)，吸收單元產(chǎn)生Rb-87原子的數(shù)目差，而且作為濾波單元來避免不需要的躍遷。通過這樣把兩個(gè)功能結(jié)合在單一的單元中，該物理設(shè)備的尺寸得到了減小。
其他的努力集中在(至少部分地這樣)Rb-87原子的激發(fā)上。美國(guó)專利第4，405，905號(hào)公布了一種具有圍繞吸收單元的微波環(huán)的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)。該微波環(huán)被用來激發(fā)包含在一抽真空的、壁上涂覆有銣的吸收單元中的Rb-87原子。
美國(guó)專利第4，947，137號(hào)公布了一種被動(dòng)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，用于詢問由螺旋共振器結(jié)構(gòu)激發(fā)的原子，該共振結(jié)構(gòu)共振在6.8GHz并與吸收單元的柱形表面相接合。
美國(guó)專利第4，494，085號(hào)公布了一種用于原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的小型光學(xué)設(shè)備，該設(shè)備在微波腔中既有濾波單元又有吸收單元。通過把濾波單元和吸收單元的窗口都設(shè)置在微波腔的中心，該腔可被裝入電介質(zhì)且其尺寸可被減小。另外，在濾波單元和吸收單元之間可設(shè)置一菲涅爾準(zhǔn)直透鏡并可為微波腔裝入附加的電介質(zhì)。
本發(fā)明涉及顯著減小尺寸的用于產(chǎn)生共振瞬態(tài)電磁場(chǎng)的方法和裝置，該共振瞬態(tài)電磁場(chǎng)用于對(duì)原子進(jìn)行詢問以實(shí)現(xiàn)原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷;本發(fā)明還涉及一種用于調(diào)諧瞬態(tài)電磁場(chǎng)的共振頻率的方法。這種新穎的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)包括用于提供光能量的光源包含有第一體積的原子的吸收單元，用于改變通過它的光能量的強(qiáng)度;介電共振器，用于產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)第一體積的原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷的瞬態(tài)電磁場(chǎng);容納吸收單元和介電共振器的波導(dǎo);裝在波導(dǎo)端部附近的光檢測(cè)器，用于接收光能量;用于對(duì)介電共振器進(jìn)行電磁激發(fā)的電磁注入器。第一體積的原子最好包括由諸如Rb-87或Cs-133的堿金屬組成的組中的一種元素。介電共振器最好是諸如8161麻粒玻璃的介電材料制成的盤。介電共振器最好具有大于或等于100的Q值。介電共振器的尺寸得到適當(dāng)?shù)倪x擇，以使介電共振器產(chǎn)生諸如6.840GHz的初始共振頻率。
在一最佳實(shí)施例中，介電共振器位于吸收單元和濾波單元之間，且介電共振器和濾波單元之間的距離得到改變，以影響介電共振器的共振，從而為介電共振器的共振頻率提供可調(diào)節(jié)的調(diào)諧。然而，在不包括濾波單元的實(shí)施例中，可通過在介電共振器的附近設(shè)置一個(gè)調(diào)諧介電盤并改變介電共振器和調(diào)諧介電盤之間的距離，來實(shí)現(xiàn)介電共振器的共振頻率調(diào)諧。
在另一實(shí)施例中，在吸收單元的相對(duì)側(cè)的附近，設(shè)置了第一介電共振器和第二介電共振器，以產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)。第一和第二介電共振器均是對(duì)來自光源的有用光透明的介電材料，并最好具有大于或等于100的Q值。
在其他實(shí)施例中，吸收單元和介電共振器，通過定位和利用一玻璃介電共振器，而被相互結(jié)合，以形成一整體單元并形成吸收單元的一個(gè)窗口。該整體單元可進(jìn)一步包含原子，以提供光能量的光學(xué)濾波。在另一實(shí)施例中，濾波單元和吸收單元被結(jié)合起來，以形成包含Rb-85和Rb-87的混合物的單一或“集成”單元。
該波導(dǎo)最好包括一柱形管，它在至少一端是電開放的，并具有導(dǎo)電的內(nèi)表面，或者是一實(shí)心的銅管。該波導(dǎo)可進(jìn)一步包括加熱裝置，用于把濾波單元和/或吸收單元加熱到足夠的溫度以提供包含在其中的物質(zhì)的足夠的蒸氣密度。
用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法包括以下步驟提供一定體積的能具有多個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的原子;產(chǎn)生光能量并將該光能量引向上述原子;激發(fā)一介電共振器;用受激發(fā)的介電共振器產(chǎn)生一瞬態(tài)電磁場(chǎng);將該瞬態(tài)電磁場(chǎng)引入上述體積的原子中，造成原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷，以影響射向并透過該體積原子的光能量產(chǎn)生光檢測(cè)器的一個(gè)電流輸出，該電流輸出與透射光能量的強(qiáng)度有關(guān)。激發(fā)步驟最好包括以下步驟，即經(jīng)一伺服電子設(shè)備把來自光檢測(cè)器的電流輸出提供給一電壓控制晶體振蕩器并借助該電壓控制晶體振蕩器產(chǎn)生一輸出信號(hào)以實(shí)現(xiàn)介電共振器的激發(fā)。該方法可還包括對(duì)光能量進(jìn)行濾波以使預(yù)定的一種或幾種頻率的光能量通過的步驟。然而，如果用一個(gè)激光器作為光源，可不需要對(duì)光能量進(jìn)行濾波的步驟。
在本發(fā)明的運(yùn)行中，由介電共振器的激發(fā)產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)以介電共振器的共振頻率振蕩，該頻率大體等于原子躍遷頻率，諸如Rb-87原子的原子躍遷頻率(約為6.834GHz)。該瞬態(tài)電磁場(chǎng)穿過吸收單元，以實(shí)現(xiàn)吸收單元中的第一體積的原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷。
原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的共振頻率的調(diào)諧方法包括以下步驟提供鄰近一體積的原子介電共振器，以使該體積的原子經(jīng)歷超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷;將該介電共振器定位在該體積的原子和一濾波單元之間;調(diào)節(jié)介電共振器和濾波單元之間的距離以調(diào)節(jié)介電共振器的共振頻率。
原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的共振頻率的另一種調(diào)諧方法包括以下步驟提供鄰近一體積的原子受激介電共振器，以使該體積的原子經(jīng)歷超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷;將該介電共振器定位在該體積的原子和一介電盤之間;調(diào)節(jié)該介電共振器和該介電盤之間的距離以調(diào)節(jié)介電共振器的共振頻率。
具有兩個(gè)介電共振器的系統(tǒng)，可通過把一個(gè)介電調(diào)諧盤定位在介電共振器中的一個(gè)或二者的附近并調(diào)節(jié)該介電調(diào)諧盤和鄰近的介電共振器之間的距離，來進(jìn)行調(diào)諧。另外，這種系統(tǒng)可包括一個(gè)鄰近介電共振器之一的介電調(diào)諧盤和定位在另一個(gè)介電共振器附近的濾波單元，在這種情況下，調(diào)諧可通過沿光軸并相對(duì)鄰近的介電共振器移動(dòng)介電調(diào)諧盤、濾波單元、或二者來實(shí)現(xiàn)。
由以下的附圖和本發(fā)明的詳細(xì)描述，可確定本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1A顯示了體現(xiàn)本發(fā)明的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)化剖視示意圖。
圖1B顯示了圖1A的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)物理設(shè)備的另一種配置。
圖2顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的剖視示意圖，其中一部分波導(dǎo)和波導(dǎo)支撐被拆除。
圖3顯示了圖2的實(shí)施例的波導(dǎo)部分的簡(jiǎn)化示意圖。
圖4顯示了圖1A的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)化剖視示意圖，它得到了修正以包括鄰近介電共振器的調(diào)諧盤。
圖5顯示了結(jié)合的共振器盤/吸收單元，它可被用于圖1A-4的實(shí)施例中。
圖6顯示了裝入圖2的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的結(jié)合共振器盤/吸收單元。
圖7A顯示了具有定位于共振器盤和濾波單元之間的吸收單元的光學(xué)物理設(shè)備的簡(jiǎn)化剖視示意圖。
圖7B顯示了圖7A所示的光學(xué)物理設(shè)備的簡(jiǎn)化剖視示意圖，它得到了修正以包括鄰近共振器盤的調(diào)諧盤。
圖8顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的剖視示意圖，其中一部分波導(dǎo)和波導(dǎo)支撐被拆除以露出多個(gè)介電共振器。
圖9顯示了預(yù)測(cè)的、作為與雙盤系統(tǒng)中的各個(gè)共振器盤的表面的距離的函數(shù)的瞬態(tài)磁場(chǎng)幅度的曲線圖。
圖10顯示了圖8的波導(dǎo)部分的一部分的更詳細(xì)的視圖，其中一光學(xué)裝置包括具有較薄窗口和低介電常數(shù)的吸收單元。
圖11顯示了一光學(xué)裝置，它形成了功能基本上與圖10的裝置等價(jià)的裝置，其中介電共振器形成了吸收單元的窗口。
圖12顯示了具有結(jié)合的介電共振器/吸收單元，其中多個(gè)介電共振器構(gòu)成了吸收單元的窗口。
圖13顯示了包含一光學(xué)裝置的波導(dǎo)部分的一部分的更詳細(xì)的視圖，其中吸收單元具有較厚的窗口，該窗口具有較高介電常數(shù)。
圖14顯示了一光學(xué)裝置，其中調(diào)諧盤和一濾波單元被定位在各自相應(yīng)的介電共振器附近。
圖1A顯示了體現(xiàn)本發(fā)明的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)10的簡(jiǎn)化視圖。原子頻率標(biāo)準(zhǔn)10包括光源12、頻率倍增-合成器14、光學(xué)物理設(shè)備16、伺服電子設(shè)備18a、以及電壓控制晶體振蕩(VCXO)18b。光學(xué)物理設(shè)備16包括容納一共振介電裝置-諸如介電共振器22-和一包含一體積的原子(諸如Rb-87)的吸收單元24。為了方便，一光檢測(cè)器26被裝在波導(dǎo)20與光源12相對(duì)的一端附近。
介電共振器22是由低損耗介電材料(例如Q＞100)制成的盤，它對(duì)可造成吸收單元24中的原子的光致能級(jí)躍遷的光頻率是透明的，因此，它對(duì)于從光源12輻射出的有用光是透明的。介電共振器22的尺寸適合于在吸收單元24中的原子的躍遷頻率附近產(chǎn)生共振。介電共振器22被容納在末端開放的波導(dǎo)20的一個(gè)短部分中，該波導(dǎo)工作在截止頻率以下并在吸收單元24中的原子的躍遷頻率上。在本發(fā)明中，介電共振器22和波導(dǎo)20相關(guān)配合以提供一在吸收單元24內(nèi)延伸的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，以消除對(duì)傳統(tǒng)的微波諧振腔的需要并為原子頻率標(biāo)準(zhǔn)提供非常小的、可經(jīng)濟(jì)地制造的原子詢問器。
在這種原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行中，光源12向光學(xué)物理設(shè)備16提供光能量。光檢測(cè)器26隨后產(chǎn)生輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)標(biāo)志透過吸收單元并被光檢測(cè)器26接收的光能量。光檢測(cè)器26產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)伺服電子設(shè)備18a被提供給VCXO 18b。VCXO 18b產(chǎn)生一頻率一般為1、5、10、或20MHz或更高的輸出信號(hào)，后者被提供給頻率倍增一合成器14。倍增一合成器14對(duì)VCXO信號(hào)進(jìn)行倍增，以產(chǎn)生一原子躍遷頻率輸出信號(hào)14a，后者被提供給一個(gè)電磁能量注入探頭(或E場(chǎng)探頭)28并被用來激發(fā)介電共振器22。從一個(gè)10MHz信號(hào)產(chǎn)生大約為6834.7MHz的Rb-87原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷頻率的一種方法，是把10MHz信號(hào)乘以684并隨后從其中減去一從10MHz信號(hào)合成的5.3MHz信號(hào)。這樣，(10MHzx684)-5.3MHz＝6834.7MHz，即Rb-87原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷頻率。介電共振器22得到適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)并被調(diào)諧成在約6834MHz共振，而且受激的介電共振器22產(chǎn)生一瞬態(tài)電磁場(chǎng)，該瞬態(tài)電磁場(chǎng)在吸收單元24內(nèi)延伸并激發(fā)吸收單元24中的原子以實(shí)現(xiàn)原子在超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A和B之間的躍遷。
倍增一合成器14還包括用于產(chǎn)生低頻(一般為100Hz)調(diào)制信號(hào)的電路，并用它來在把6.834GHz信號(hào)注入光學(xué)物理設(shè)備16之前對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部相位調(diào)制。注入物理設(shè)備16的、經(jīng)過相位調(diào)制的6.834GHz信號(hào)使介電共振器22產(chǎn)生一調(diào)制瞬態(tài)場(chǎng)。該調(diào)制瞬態(tài)場(chǎng)對(duì)吸收單元24中的原子進(jìn)行詢問，以改變到達(dá)光檢測(cè)器26的光強(qiáng)。光檢測(cè)器26產(chǎn)生一個(gè)交流(ac)輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)隨后被伺服電子設(shè)備18a所處理。為有助于該處理，調(diào)制信號(hào)14b也被從倍增一合成器14提供到伺服電子設(shè)備18a，被用來對(duì)從光檢測(cè)器26產(chǎn)生的ac信號(hào)進(jìn)行同步解調(diào)，從而提供直流(dc)誤差電壓以控制VCXO18b的頻率。
光源12可包括一包含Rb-85和Rb-87原子的混合物的萬向銣燈，其中的原子得到激發(fā)而形成一非相干光能量輻射等離子體源;或者，光源12可包括一相干光能量的激光源。從光源12輻射出的光能量在光源12附近的波導(dǎo)20的開放端被收集并在透過介電共振器22和吸收單元24之后到達(dá)光檢測(cè)器26。假定采用銣燈，當(dāng)用諸如約100MHz的射頻輻射把光源12中的Rb-87原子激發(fā)成輻射等離子體時(shí)，Rb-87原子發(fā)射出具有一種光譜的光，該光譜包含Rb-87的兩條亮線(794.8nm的D1和780.0nm的D2)，每一個(gè)均包含兩個(gè)主要的超精細(xì)結(jié)構(gòu)分量。圖1A所示的吸收單元24包含一種緩沖氣體和一定體積的堿金屬原子，更具體地是一定體積的Rb-87原子或Rb-85和Rb-87原子的組合。來自銣燈的一束這樣的光通過吸收單元24，造成D1和D2兩條光譜線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)分量中的一個(gè)的優(yōu)先吸收。其余的D1和D2譜線分量作為光抽運(yùn)光并造成吸收單元24中的Rb-87的兩個(gè)基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的數(shù)目差。最好只有那些處于較低超精細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)即能級(jí)A的原子吸收光學(xué)抽運(yùn)光并被提高到光學(xué)受激的高能量態(tài)即能級(jí)C。另外，通過自發(fā)發(fā)射和與緩沖氣體碰撞，這些原子以大約相等的數(shù)量返回到兩個(gè)基超精細(xì)結(jié)構(gòu)態(tài)A和B。隨著該過程的進(jìn)行，在能級(jí)A的能吸收該光學(xué)抽運(yùn)光的原子的數(shù)目變得較少，且吸收單元24逐漸變得對(duì)光更透明，且到達(dá)光檢測(cè)器26的光能量的強(qiáng)度增加。
來自倍增一合成器14的微波能量，諸如通過如圖1A所示地把電磁能量提供到E-場(chǎng)探頭28、通過采用一磁耦合環(huán)、或通過采用其他先有技術(shù)中已知的能量傳送裝置，被耦合到介電共振器22。雖然E-場(chǎng)探頭28必須被定位在緊靠介電共振器22的位置，定位在介電共振器22附近的該探頭的精確位置是不重要的，且本發(fā)明不應(yīng)被局限于圖1A所示的具體E-場(chǎng)探頭位置。注入介電共振器22的電磁能量使介電共振器22產(chǎn)生一瞬態(tài)電磁場(chǎng)，該瞬態(tài)電磁場(chǎng)在介電共振器22的共振頻率振蕩，該共振頻率對(duì)于銣裝置理想為約6.834GHz，該銣頻率對(duì)應(yīng)于兩個(gè)基態(tài)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A和B之間的能量間隙，實(shí)現(xiàn)原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷所需要的能量E與原子的躍遷頻率f有關(guān)，二者通過方程E＝hf相關(guān)，其中h是普朗克常數(shù)。波導(dǎo)20包含并限定了介電共振器22產(chǎn)生的并被提供給吸收單元24的瞬態(tài)電磁場(chǎng)。來自介電共振器22的瞬態(tài)電磁場(chǎng)通過造成原子在能級(jí)B和能級(jí)A之間的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷，造成在較低超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A的原子數(shù)目的增加。到達(dá)較低能級(jí)A的原子吸收光能量并得到光學(xué)抽運(yùn)，并被光源12所提供的光能量提高到較高的能級(jí)C。光能量的這種吸收又造成到達(dá)光檢測(cè)器26的光能量的減少，且當(dāng)?shù)竭_(dá)光檢測(cè)器26的光較少時(shí)，光檢測(cè)器26產(chǎn)生的輸出電流也相應(yīng)地減小。因此，當(dāng)微波頻率等于明確而精確地確定的銣躍遷頻率6.834GHz時(shí)，光檢測(cè)器26的電流輸出29處于其最小。
光檢測(cè)器26的電流輸出29隨后被伺服電子設(shè)備18a電轉(zhuǎn)換成一誤差信號(hào)，該誤差信號(hào)的幅度和相位信息被用來把VCXO 18b的信號(hào)輸出維持在5MHz或10MHz的所希望的VCXO輸出信號(hào)頻率。如上所述，該VCXO信號(hào)被頻率倍增一合成器14倍增和合成以產(chǎn)生6.834GHz的微波信號(hào)，后者被用來對(duì)介電共振器22進(jìn)行電磁激發(fā)以使介電共振器22產(chǎn)生在6.834GHz振蕩的瞬態(tài)電磁場(chǎng)。VCXO 18b的頻率輸出由此可被鎖定在穩(wěn)定的銣原子躍遷頻率上。
因此，通過采用上述的設(shè)備和方法，VCXO 18b能精確地在5或10MHz運(yùn)行，因?yàn)樘峁┙o介電共振器22的共振頻率將正好等于銣躍遷頻率。
圖1B顯示圖1A的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)10的光學(xué)物理設(shè)備的另一種配置。在圖1B中，一個(gè)原子頻率標(biāo)準(zhǔn)10a包括一光學(xué)物理設(shè)備16a，該光學(xué)物理設(shè)備16a具有定位在吸收單元24和一光檢測(cè)器26a之間的波導(dǎo)20中的介電共振器22。光檢測(cè)器26a裝在光學(xué)物理設(shè)備16a的后表面上并略微延伸到波導(dǎo)20的開放區(qū)域中。所示的E-場(chǎng)探頭28被定位在介電共振器22和吸收單元24之間，然而，E-場(chǎng)探頭28的具體位置對(duì)本發(fā)明是不重要的，只要E-場(chǎng)探頭28被定位在介電共振器22附近就行。從圖1B的部件設(shè)置來看，光學(xué)物理設(shè)備16a可以制作得比圖1A的光學(xué)物理設(shè)備16更小和更緊湊。
光學(xué)物理設(shè)備16a的總體運(yùn)行與圖1A的光學(xué)物理設(shè)備16大體類似，且兩個(gè)系統(tǒng)所包括的各個(gè)部件基本等價(jià)。但這兩個(gè)光學(xué)物理設(shè)備16和16a的性能則不一定等價(jià)。圖1A的光學(xué)物理設(shè)備16和圖1B的光學(xué)物理設(shè)備16a的主要差別，是在圖1B的光學(xué)物理設(shè)備16a中，介電共振器22在光檢測(cè)器26a附近的定位使系統(tǒng)的Q值大大地小于介電共振器22的Q值，且該系統(tǒng)Q值可小到50或甚至更小。光學(xué)物理設(shè)備16a的實(shí)際系統(tǒng)Q值與介電共振器22和光檢測(cè)器26a之間的距離成相反的關(guān)系，但將不會(huì)大于包括介電共振器22的介電材料的固有Q值。為了對(duì)圖1B的光學(xué)物理設(shè)備16a的較低的系統(tǒng)Q值進(jìn)行補(bǔ)償并實(shí)現(xiàn)與圖1A的光學(xué)物理設(shè)備16大體相等的系統(tǒng)性能，需要增加提供給圖1B的E一場(chǎng)探頭28的電磁能量。
圖2所示的本發(fā)明實(shí)施例包括一光學(xué)物理設(shè)備30，該光學(xué)物理設(shè)備30包括一分離濾波單元37、光源31、伺服電子設(shè)備32a、VCXO32b、以及用于提供處于原子躍遷頻率的微波能量的一倍增一合成器33。物理設(shè)備30包括一對(duì)位于波導(dǎo)35周圍的磁屏蔽器34、波導(dǎo)支撐36、濾波單元37、介電共振盤38、吸收單元39、加熱晶體管40、E-場(chǎng)探頭41、光單元42和C場(chǎng)線圈44。磁屏蔽器34由具有高導(dǎo)磁率的材料制成，以提供對(duì)地磁場(chǎng)和其他來源的磁場(chǎng)的有效屏蔽;這種材料諸如包含約17至20%的鐵、約5%的銅和低百分含量的錳或鉻或其他鐵磁成分的鎳鋼合金。波導(dǎo)支撐36裝在磁屏蔽器34上。波導(dǎo)支撐36最好由諸如聚酰胺玻璃纖維的隔熱材料制成。波導(dǎo)支撐36把波導(dǎo)35裝在共振設(shè)備30中。
波導(dǎo)35最好是在至少一端為電開放端柱形管，并具有導(dǎo)電的、最好是金屬的內(nèi)表面，或者它是一實(shí)心銅管并具有適當(dāng)尺寸的圓形橫截面，以在截止頻率之下在所用的原子躍遷頻率上運(yùn)行。一個(gè)“端部電開放的”波導(dǎo)可以是用于承載介電共振器并提供一導(dǎo)電表面的任何裝置，該表面被用來限定并基本包含介電共振器所產(chǎn)生的瞬態(tài)場(chǎng)而基本上不使電磁能量逃逸;該波導(dǎo)也可以是比如沿波導(dǎo)軸Z從介電共振器延伸至少約2.5個(gè)衰減長(zhǎng)度的任何波導(dǎo)，包括具有各種形狀的管形橫截面的介電外殼，該外殼設(shè)有從介電共振器延伸約2.5個(gè)衰減長(zhǎng)度(但不一定至介電外殼的端部)的導(dǎo)電內(nèi)表面，并最好是至少5個(gè)衰減長(zhǎng)度長(zhǎng)的端部開口金屬管形外殼和任何其他的光學(xué)開放的功能波導(dǎo)等價(jià)物。該衰減長(zhǎng)度是共振器盤的表面處的瞬態(tài)場(chǎng)的幅度指數(shù)地減小到其起始值的37%所需要的距離。
雖然波導(dǎo)35是端部電開放的，波導(dǎo)35的開放端可被一個(gè)覆蓋物所覆蓋，該覆蓋物基本上是透明的并可以是諸如MYLAR、藍(lán)寶石、或玻璃，以減小濾波單元37和吸收單元39中的溫度梯度。用一個(gè)基本透明的覆蓋物覆蓋波導(dǎo)35的開放端不會(huì)嚴(yán)重影響光學(xué)物理設(shè)備30的性能，只要瞬態(tài)場(chǎng)在到達(dá)該電開放端之前得到了充分的衰減從而使得沒有顯著的瞬態(tài)場(chǎng)從波導(dǎo)逃逸。
在波導(dǎo)35的內(nèi)部，固定地裝有濾波單元37、介電共振盤38和吸收單元39。
介電共振盤38可以是用低損耗玻璃材料制作的小圓盤，該材料可以是諸如8161麻粒玻璃，后者在原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷頻率下具有超過100的品質(zhì)因數(shù)。在被動(dòng)銣原子標(biāo)準(zhǔn)中，在6834.7MHz的原子躍遷頻率下，波導(dǎo)35可具有約0.525英寸(約1.33cm)的內(nèi)直徑，且介電盤可具有約0.520英寸(約1.32cm)的外直徑和約0.127英寸(約3.23mm)的厚度。
濾波單元37和吸收單元39均包含一定體積的堿金屬原子。在一種銣標(biāo)準(zhǔn)中，濾波單元37包含Rb-85且吸收單元39包含Rb-87原子。加熱晶體管40對(duì)波導(dǎo)35進(jìn)行加熱，它起到對(duì)濾波單元37和吸收單元39的堿金屬成分進(jìn)行加熱的爐子的作用以精確地限定和控制在濾波單元37和吸收單元39中產(chǎn)生并維持足夠的Rb蒸氣所需要的溫度，諸如75℃。濾波單元37和吸收單元39中的Rb蒸氣的蒸氣密度，可通過由堿金屬組成的組中的一或多種元素(諸如鉀)，來進(jìn)行改變。C場(chǎng)線圈44被方便地纏繞在波導(dǎo)35的外面，以為包含在吸收單元39中的原子提供所需要的直流磁場(chǎng)環(huán)境。
濾波單元37和吸收單元39分別具有分接頭或填充管45和46，它們延伸到單元內(nèi)部的空腔中并起到在制造中把Rb原子和緩沖氣體(如果采用的話)運(yùn)送到空腔中的導(dǎo)管的作用。各填充管45、46最好是具有0.080英寸(2mm)的外直徑的玻璃管。填充管45和46借助玻璃密封和支撐環(huán)47和48而與相應(yīng)的單元相連。玻璃密封和支撐環(huán)47和48最好具有諸如0.170英寸(4.3mm)的外直徑和0.090英寸(2.3mm)的厚度。在其中濾波單元37包括緩沖氣體的實(shí)施例中，該緩沖氣體最好是氬或類似的氣體，只要壓強(qiáng)為100乇或更高。在其中吸收單元39包括緩沖氣體的實(shí)施例中，緩沖氣體最好是氮?dú)饣蝾愃茪怏w或一惰性氣體，只要是在低壓(諸如40乇)下，雖然100乇以上的壓強(qiáng)也是可用的。吸收單元39中的緩沖氣體允許較小的超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷線寬(約1-2kHz)，這在高性能的頻率標(biāo)準(zhǔn)中是所希望的。
濾波單元37的填充管45被定位在該單元的側(cè)壁上，以避免與進(jìn)入光開口43的光(L)的干擾。填充管45最好被設(shè)在距離濾波單元37最接近光源的外部玻璃窗口0.180英寸(4.6mm)處。在波導(dǎo)35的側(cè)壁上設(shè)有孔或槽以容納填充管45和玻璃密封和支撐環(huán)47。
吸收單元39的填充管46從該單元的窗口向外延伸。吸收單元39被設(shè)置在波導(dǎo)35內(nèi)且填充管46向光單元42延伸。這種擇優(yōu)的設(shè)置避免了在波導(dǎo)35的柱形側(cè)壁上提供孔以容納填充管46的需要，從而避免了與吸收單元和C場(chǎng)線圈中的TE-11瞬態(tài)場(chǎng)的可能的干涉。
圖2的裝置的運(yùn)行方式與圖1A和1B的類似。由諸如銣燈或激光的光源31提供的光能量(L)經(jīng)光開口43進(jìn)入物理設(shè)備30。介電共振盤38由一種低損耗介電材料制成，該低損耗介電材料對(duì)于可用于吸收單元39中的原子的光致能級(jí)躍遷的光頻率是透明的。這種有用的光經(jīng)濾波單元37、介電共振盤38、以及吸收單元39，照射到光單元42上。穿過吸收單元39的光對(duì)吸收單元39中的原子進(jìn)行光學(xué)抽運(yùn)和激發(fā)。吸收單元39吸收的光造成到達(dá)光單元42的光的減少。光單元42通過產(chǎn)生諸如與所接收的光強(qiáng)線性相關(guān)的電流來對(duì)接收的光作出響應(yīng)，并提供一輸出電流給伺服電子設(shè)備32a，后者又把一信號(hào)提供給VCXO 32b以調(diào)節(jié)VCXO 32b的輸出頻率。當(dāng)VCXO 32b的輸出頻率被鎖定時(shí)，它最好為5MHz或10MHz，雖然用20MHz或更高的其他頻率通過分頻和/或合成也能產(chǎn)生5MHz或10MHz的輸出。VCXO 32b的該輸出頻率被頻率倍增-合成器33倍增和合成，以產(chǎn)生提供給E-場(chǎng)探頭41的微波激發(fā)信號(hào)33a。頻率倍增-合成器33還產(chǎn)生一低頻調(diào)制信號(hào);后者被提供給內(nèi)部電路以對(duì)該微波激發(fā)信號(hào)33a進(jìn)行相位調(diào)制，并作為調(diào)制信號(hào)33b被從外部提供到伺服電子設(shè)備32a以對(duì)從光單元42導(dǎo)出的交流信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。E-場(chǎng)探頭41被設(shè)置在介電共振盤38附近以向介電共振盤38中提供電磁能量，然而，E-場(chǎng)探頭41在介電共振盤38附近的具體位置是不重要的，且本發(fā)明的范圍不應(yīng)該被局限于圖2中所示的最佳位置。被接收的電磁能量激發(fā)的共振器盤38發(fā)生共振以產(chǎn)生大體在共振器盤38的共振頻率(即原子躍遷頻率)振蕩的瞬態(tài)電磁場(chǎng)。該瞬態(tài)電磁場(chǎng)穿入吸收單元39，以與前述的相同的方式，造成Rb-87原子在能級(jí)B和能級(jí)A之間的低能級(jí)能量躍遷。
當(dāng)共振器盤38共振時(shí)，瞬態(tài)電磁場(chǎng)的幅度在該盤處最大并沿著Z軸隨著與共振器盤38的距離的增加而近似指數(shù)地衰減，從而提供了一個(gè)詢問器，其運(yùn)行與波導(dǎo)35的長(zhǎng)度基本無關(guān)。然而，吸收單元39必須離共振器盤38盡可能地近(即緊靠或接觸)，以使得在離共振器盤38最近的吸收單元39的端部有足夠的瞬態(tài)場(chǎng)幅度。正是共振器盤38產(chǎn)生的該瞬態(tài)電磁場(chǎng)穿過了吸收單元39并對(duì)包含在吸收單元39中的堿金屬原子(最好是Rb-87)進(jìn)行詢問，使這些原子開始了從能級(jí)B至能級(jí)A的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷。
圖2的實(shí)施例的另一特征，信號(hào)濾波單元37不一定要位于共振器盤38附近，且其與共振器盤38的間距的變化可被用來對(duì)共振器盤38的共振頻率進(jìn)行微調(diào)。
圖3示意地顯示了圖2所示的物理設(shè)備30的一部分，它為了顯示的目的而得到了放大和夸大。介電共振盤38被設(shè)置在濾波單元37和吸收單元39之間。共振器盤38的共振頻率受到濾波單元37和吸收單元39的玻璃結(jié)構(gòu)在附近的出現(xiàn)的影響。吸收單元39離共振器盤38應(yīng)盡可能地近，以使基本上以指數(shù)衰減的瞬態(tài)場(chǎng)的幅度在吸收單元39的內(nèi)部仍然有足夠的幅度來引起Rb-85原子的作用很小。由于這些Rb-85原子不是超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷所需要的，濾波單元37不一定要緊挨共振器盤38。因此，濾波單元37可被沿著光軸Z移動(dòng)，以改變共振器盤38和濾波單元37的鄰近窗口之間的距離。結(jié)果，濾波單元37相對(duì)于共振器盤38的位置可得到改變以調(diào)節(jié)共振器盤38的共振頻率。
在圖1A-3的實(shí)施例中，共振器盤的尺寸得到了適當(dāng)?shù)倪x擇，以使共振器盤在開始時(shí)共振在大約6.800GHz，這大體對(duì)應(yīng)于銣原子的躍遷頻率。該共振器盤最好是圓形盤，由介電常數(shù)在約6和約15之間的玻璃(如8161麻粒玻璃)制成，具有約0.52英寸(1.32cm)的直徑和約0.127英寸(3.23mm)的厚度，且它對(duì)可用于對(duì)堿金屬原子進(jìn)行光學(xué)抽運(yùn)的光頻率來說是透明的。該吸收單元以及在圖2和3的實(shí)施例中所示的濾波單元，最好用1720或1724麻粒玻璃制成并具有約0.040英寸(1mm)的單元窗口厚度。通過使用8161麻粒玻璃，共振器盤的品質(zhì)因數(shù)Q一般至少為100，并可高到大約120。在圖1A、2和3所示的實(shí)施例中，包括位于波導(dǎo)的一端的光單元和兩個(gè)玻璃單元的負(fù)載效應(yīng)的系統(tǒng)Q值略微低于介電共振器的Q值。在圖1B所示的實(shí)施例中，由于共振器盤和光檢測(cè)器之間的較小間距，該系統(tǒng)Q值大大低于介電共振器的Q值，且系統(tǒng)Q值可小至50甚至更小。該Q值是重要的，因?yàn)樗鼪Q定著產(chǎn)生所希望的瞬態(tài)電磁場(chǎng)所需要的微波功率。換言之，Q值越高，產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)所需要的微波功率越小。
在圖2和3所示的實(shí)施例中，共振器盤38被設(shè)置在濾波單元37和吸收單元39之間。在接近光開口43的波導(dǎo)35的開放端出現(xiàn)的瞬態(tài)場(chǎng)的幅度已衰減到其在共振器盤38處的最初值的一小部分。因而，在波導(dǎo)35的開放端幾乎沒有什么輻射損耗，如近似100的系統(tǒng)Q值所表明的。
共振器盤38的共振頻率決定于以下因素濾波單元37、介電共振盤38、以及吸收單元39的玻璃類型和尺寸;濾波單元37和吸收單元39與光軸Z垂直的玻璃窗口的厚度和介電常數(shù);共振器盤38的介電常數(shù)和厚度;濾波單元37和共振器盤38之間的距離;以及共振器盤38和吸收單元39之間的距離。在這樣的共振設(shè)備中，其中濾波單元37和吸收單元39包括具有0.040英寸(1mm)的窗口厚度和約0.52英寸(1.32cm)的直徑的1720麻粒玻璃、共振器盤38包括具有8.1的介電常數(shù)、0.127英寸(3.23mm)的厚度和約0.520±.005(13.21mm±0.13mm)的直徑的8161麻粒玻璃;濾波單元37和共振器盤38之間的最初距離為0.020英寸(0.5mm)，且共振器盤38和吸收單元39之間的固定距離為0.020英寸(0.5mm);則共振器盤38的共振頻率在開始時(shí)為近似6.800GHz。通過把濾波單元37和共振器盤38之間的距離增加0.020英寸(0.5mm)而達(dá)到0.040英寸(1.0mm)，共振頻率將增加大約66MHz。把濾波單元37和共振器盤38之間的距離再增加0.020英寸(0.5mm)而達(dá)到0.060英寸(1.5mm)將使共振頻率再增加31MHz，而產(chǎn)生97MHz的總頻率增加。該調(diào)諧范圍可通過為濾波單元37選擇更厚的窗口而得到增加。
以上所列的精確尺寸取決于共振器盤38的精確介電常數(shù)。由諸如8161麻粒玻璃的特定材料制成的共振器盤的共振頻率，可在相同玻璃的不同產(chǎn)品批量之間有所變化，對(duì)共振器盤尺寸的調(diào)節(jié)當(dāng)然可相應(yīng)地進(jìn)行。
通過調(diào)節(jié)濾波單元37和共振器盤38之間的距離，最好是通過在保持共振器盤38的固定位置的同時(shí)移動(dòng)濾波單元37，可對(duì)圖2和3的物理設(shè)備30進(jìn)行微調(diào)以補(bǔ)償單元與單元之間的略微不同，諸如共振器盤尺寸和介電常數(shù)。調(diào)節(jié)濾波單元37和共振器盤38之間的距離影響到共振器盤38的共振頻率，從而為整個(gè)物理設(shè)備30提供調(diào)諧。這種調(diào)諧方法簡(jiǎn)單而且有效。另外，該調(diào)諧方法不會(huì)顯著地減小吸收單元39中的瞬態(tài)電磁場(chǎng)的幅度，而在移動(dòng)吸收單元39而不是濾波單元37的情況則會(huì)發(fā)生這種情況。
如圖4所示，圖1A的不包括濾波單元的實(shí)施例可得到修正，以通過可移動(dòng)地在波導(dǎo)20中的介電共振器22的附近安裝調(diào)諧盤21，提供光學(xué)物理設(shè)備10的介電共振器22的共振頻率的可調(diào)調(diào)諧。調(diào)諧盤21最好是這樣一種介電盤，即它具有與在上述圖2和3的實(shí)施例中討論的濾波單元的介電窗口之一等價(jià)的特性。物理設(shè)備10的共振頻率的調(diào)諧，是通過在保持介電共振器22的固定位置的同時(shí)，相對(duì)介電共振器22移動(dòng)調(diào)諧盤21來實(shí)現(xiàn)的。該調(diào)諧盤調(diào)諧方法也適用于圖1B的實(shí)施例。
圖5顯示了結(jié)合的共振器盤/吸收單元50的一個(gè)實(shí)施例。如前所述，共振器盤和吸收單元最好彼此鄰近。通過把共振器盤作為吸收單元的端部部件或通過把共振器盤如下所述地裝在吸收單元上，可把該吸收單元和共振器盤安裝在單一的結(jié)構(gòu)中。組合的共振器盤/吸收單元50是一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，它包括一個(gè)吸收單元52，后者是通過把共振盤54裝到玻璃結(jié)構(gòu)56上并將Rb-87材料設(shè)置在形成在其間的空腔中而形成的。組合的共振器盤/吸收單元50包括填充管58，后者通過玻璃結(jié)構(gòu)56上的一個(gè)孔延伸到該組合單元的空腔，并起到在制造期間把Rb原子和緩沖氣體(如果采用的話)運(yùn)送到空腔中的作用。填充管58與圍繞填充管58設(shè)置的密封和支撐環(huán)59一起被裝在玻璃結(jié)構(gòu)56上。填充管58和支撐環(huán)59最好用與用于制作玻璃結(jié)構(gòu)56的玻璃相容或相同的玻璃制成。
組合共振器盤/吸收單元50與分離的介電共振盤和吸收單元相比有兩個(gè)潛在的優(yōu)點(diǎn)。第一，由于吸收單元52中的原子在沒有任何干擾材料存在的情況受到共振盤54的瞬態(tài)場(chǎng)的影響，在大多數(shù)的情況下吸收單元中的場(chǎng)的幅度將增加。這將減小實(shí)現(xiàn)可接受的性能指標(biāo)所需要的微波功率，考慮到產(chǎn)生高電平的微波功率的費(fèi)用，這是所希望的。第二，消除了以前所需要的窗口，部件成本被降低了。
圖1A-4的共振設(shè)備能容易地得到修正，以通過用組合單元50代替單個(gè)共振器盤和吸收單元，來合并成組合的共振器盤/吸收單元50。例如，如圖6所示，圖2的物理設(shè)備30適于包含圖5的組合共振器盤/吸收單元50。組合共振器盤/吸收單元50被設(shè)置在波導(dǎo)35中，以使組合共振器盤/吸收單元50的共振盤54與濾波單元37相鄰近。上述的共振器盤微調(diào)方法-其中濾波單元和共振器盤之間的間距得到改變，也適用于包含組合共振器盤/吸收單元50的共振設(shè)備。組合共振器盤/吸收單元50的填充管58最好被設(shè)置成向波導(dǎo)35的一端并向光單元42延伸。另外，組合共振器盤/吸收單元50可包含諸如Rb-85的原子，以提供光學(xué)濾波。
如圖1A-4和6所示的、體現(xiàn)本發(fā)明的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，包括具有電開放端的波導(dǎo)和介電共振器，而不是具有需要端壁的微波腔以在實(shí)現(xiàn)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)A和B之間的原子躍遷所需要的頻率獲得共振。采用具有電開放端的波導(dǎo)的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)與采用傳統(tǒng)的微波諧振腔的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。由于微波諧振腔的尺寸得到了減小，微波諧振腔的端壁上的光孔的尺寸必須保持大體相同，以避免限制可用于運(yùn)行的光能量，且該光孔必須占據(jù)比所希望的更大的端壁部分。因此，維持小微波諧振腔的有效運(yùn)行變得更為困難，因?yàn)楫?dāng)微波諧振腔的直徑接近光孔的直徑時(shí)端壁基本消失了，而且微波能量從空腔逃脫。若傳統(tǒng)微波諧振腔的端壁上的光孔的直徑與微波諧振腔的尺寸的減小成比例地減小，以維持端壁的有利作用，則來自銣燈的光被減小的光孔尺寸所阻擋，使進(jìn)入吸收單元以實(shí)現(xiàn)光學(xué)抽運(yùn)的吸收單元的光強(qiáng)被減小。相反，圖1A-4中所示的本發(fā)明的實(shí)施例不需要微波諧振腔或端壁來維持共振，因而該波導(dǎo)的直徑在理論上可被減小到能使來自銣燈的足夠的光通過以實(shí)現(xiàn)光學(xué)原子能級(jí)躍遷的最小尺寸。另外，本發(fā)明可提供與激光光源一起使用的最小尺寸的物理設(shè)備。
在圖1A-4和6所示的實(shí)施例中，波導(dǎo)的尺寸得到了適當(dāng)?shù)倪x擇，以使共振設(shè)備工作在6.834GHz的截止以下并處于TE-11模式。具有諸如1.0英寸的內(nèi)直徑(i.d.)對(duì)于TE-11模式具有6.92GHz的截止頻率，它處于約6.834GHz的銣頻率之上。這使得能夠采用更佳的較小的波導(dǎo)i.d.，諸如0.525±0.005英寸，它容納了濾波單元、介電共振盤和吸收單元的直徑。該波導(dǎo)直徑應(yīng)比濾波單元的直徑大0.002至0.005英寸左右。以使濾波單元可以波導(dǎo)中移動(dòng)。另外，沿著與波導(dǎo)軸方向即光軸Z的方向垂直的方向上的場(chǎng)分布，與用在采用傳統(tǒng)微波諧振腔的其他銣標(biāo)準(zhǔn)中的TE-111模式的相同。由于該波導(dǎo)不起諧振腔的作用，該光學(xué)物理設(shè)備的共振頻率基本上與波導(dǎo)的長(zhǎng)度無關(guān)，因此可實(shí)現(xiàn)較短的長(zhǎng)度，諸如1.5英寸。另外，由于介電共振盤產(chǎn)生的瞬態(tài)場(chǎng)作為與盤的距離的函數(shù)近似以指數(shù)衰減，波導(dǎo)的端部對(duì)瞬態(tài)場(chǎng)沒有影響，只要該共振器盤處于離波導(dǎo)的一端足夠的距離處，諸如約2.5或更多個(gè)衰減長(zhǎng)度。在其中波導(dǎo)具有約0.525英寸的內(nèi)徑-它限定并包含了6.834GHz的瞬態(tài)場(chǎng)的最佳實(shí)施例中，衰減長(zhǎng)度約為0.17英寸(4.3mm)。因此，0.525i.d.波導(dǎo)的端部與產(chǎn)生在6.834GHz振蕩的瞬態(tài)場(chǎng)的共振器盤之間的距離，應(yīng)該大于約2.5個(gè)衰減長(zhǎng)度，即大于約0.42英寸(10.8mm)。
雖然本發(fā)明的最佳實(shí)施例把共振器盤設(shè)置在濾波單元和吸收單元之間，本發(fā)明并不局限于這種設(shè)置。圖7A顯示了一個(gè)光學(xué)物理設(shè)備60的簡(jiǎn)化視圖，該光學(xué)物理設(shè)備60具有設(shè)置在共振器盤64和濾波單元66之間的吸收單元62，所有這些都被設(shè)置在波導(dǎo)68中。吸收單元62、共振器盤64、以及濾波單元66的特性和尺寸最好都與在前述實(shí)施例中所述的相同。然而，在圖7A所示的設(shè)置中，濾波單元66被相對(duì)于共振器盤64非常遠(yuǎn)地設(shè)置在波導(dǎo)68中，以提供對(duì)共振器盤64的有效調(diào)諧。
然而，如圖7B所示，對(duì)圖7A所示的實(shí)施例的調(diào)諧，是通過提供一調(diào)諧盤70來實(shí)現(xiàn)的;該調(diào)諧盤70被可移動(dòng)地裝在與固定安裝的共振器盤64相鄰的波導(dǎo)68中。調(diào)諧盤70最好是這樣的介電盤，即它具有這樣的特性，該特性與在上述采用濾波單元來實(shí)現(xiàn)共振頻率調(diào)諧的實(shí)施例中描述的濾波單元的一個(gè)窗口等效。光學(xué)物理設(shè)備60的共振器盤64的共振頻率的微調(diào)，是通過調(diào)節(jié)可移動(dòng)調(diào)諧盤70和共振器盤64之間的距離來實(shí)現(xiàn)的。
圖8所示的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)100與前面的實(shí)施例的不同之處在于采用了多個(gè)介電共振器來產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)，而不是采用單一的介電共振器來產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)。原子頻率標(biāo)準(zhǔn)100包括光學(xué)物理設(shè)備102、光源104、伺服電子設(shè)備106、VCXO 108、以及倍增一合成器110。物理設(shè)備102包括一對(duì)設(shè)置在具有電開放端的波導(dǎo)114的周圍的磁屏蔽器112;波導(dǎo)支撐116;包括濾波單元118、第一介電共振盤120、吸收單元122、以及第二介電共振盤124的光學(xué)裝置117;加熱晶體管126;E-場(chǎng)探頭128;光單元130和C場(chǎng)線圈132。
磁屏蔽器112由具有高導(dǎo)磁率的材料制成，以對(duì)地磁場(chǎng)和來自任何其他磁場(chǎng)源的磁場(chǎng)進(jìn)行有效的屏蔽。裝在磁屏蔽器112上的有波導(dǎo)支撐116。波導(dǎo)支撐116最好由諸如聚酰胺玻璃纖維的隔熱材料制成。波導(dǎo)支撐116把波導(dǎo)114裝在光學(xué)物理設(shè)備102中。
波導(dǎo)114最好是具有電開放端的柱形管，該管具有導(dǎo)電且最好是金屬的內(nèi)表面，或者是實(shí)心的銅管，并具有圓形的橫截面，該橫截面具有適當(dāng)?shù)某叽缫蕴峁┰诮刂诡l率之下的、處于所用的原子躍遷頻率上的運(yùn)行。波導(dǎo)114的開放端最好用一種基本上透明的覆蓋物所覆蓋，該覆蓋物可以是諸如MYLAR、藍(lán)寶石或玻璃，以減小濾波單元118和吸收單元122中的溫度梯度。用基本上透明的覆蓋物覆蓋波導(dǎo)114的開放端，不會(huì)顯著影響光學(xué)物理設(shè)備102的性能，只要瞬態(tài)場(chǎng)在到達(dá)電開放端之前得到了足夠的衰減以使得從波導(dǎo)沒有明顯的電磁能量泄漏。固定安裝在波導(dǎo)114內(nèi)的有濾波單元118、第一介電共振盤120、吸收單元122和第二介電共振盤124。
介電共振盤120和124中的每一個(gè)可以是用諸如8161麻粒玻璃的低損耗玻璃材料制成的小圓盤，該材料在原子超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷頻率處通常具有超過100的品質(zhì)因數(shù)。濾波單元118和吸收單元122均包含一定體積的堿金屬原子。在一種銣標(biāo)準(zhǔn)中，濾波單元118包含一定體積的Rb-85原子且吸收單元122包含一定體積的Rb-87原子。加熱晶體管126對(duì)波導(dǎo)114加熱，它起到爐子的作用把濾波單元118和吸收單元122中的堿金屬成分加熱到精確確定和控制的溫度(諸如75℃)，上述溫度是在濾波單元118和吸收單元122中產(chǎn)生并維持Rb蒸氣所需要的。C場(chǎng)線圈132被設(shè)置在波導(dǎo)114外部周圍，以為包含在吸收單元122中的原子提供所需要的直流磁場(chǎng)環(huán)境。
濾波單元118和吸收單元122分別具有“分接頭”或填充管134和136，它們延伸到該單元內(nèi)的空腔中并起著在制造期間把Rb原子和緩沖氣體(如果使用的話)運(yùn)送到空腔中的導(dǎo)管的作用。填充管134和136與密封和支撐環(huán)138和140一起分別被裝到相應(yīng)的單元上。在其中濾波單元118包括緩沖氣體的實(shí)施例中，緩沖氣體最好是氬氣或類似的氣體，只要其處于約100乇或更高的壓強(qiáng)。在其中吸收單元122包括緩沖氣體的實(shí)施例中，該緩沖氣體最好是氮?dú)饣蝾愃频臍怏w或惰性氣體，只要其處于諸如約40乇的低壓就行，雖然也可采用高到100乇的壓強(qiáng)。吸收單元122中的緩沖氣體允許較小的超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷吸收線寬(1-2kHz左右)，這對(duì)于高性能的頻率標(biāo)準(zhǔn)來說是希望的。
濾波單元118的填充管134被設(shè)置在該單元的側(cè)壁上，以避免與進(jìn)入光開口142的光(L)發(fā)生干擾。填充管134最好被設(shè)置在最接近光源104的濾波單元118的外部玻璃窗口附近。在波導(dǎo)114的側(cè)壁上提供有一孔或槽，以容納填充管134和密封和支撐環(huán)138。
吸收單元122的填充管136也被設(shè)置在該單元的側(cè)壁上，以使共振器盤120和124的每一個(gè)均被設(shè)置在緊靠吸收單元122的一個(gè)窗口。在波導(dǎo)114的側(cè)壁上提供有一個(gè)孔或槽，以容納填充管136和密封和支撐環(huán)140。吸收單元122被設(shè)置在第一共振器盤120和第二共振器盤124之間，以使吸收單元122中的原子受到兩個(gè)共振器盤120和124所產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)的影響。
由諸如銣燈的光源104提供的光能量(L)從光開口142進(jìn)入物理設(shè)備102。介電共振盤120和124由低損耗介電材料制成，該材料對(duì)于吸收單元122中的原子的光能級(jí)躍遷的光頻率是透明的。這種有用的光經(jīng)過濾波單元118、第一介電共振盤120、吸收單元122、以及第二介電共振盤124，并隨后照射到光單元130上。穿過吸收單元122的光對(duì)吸收單元122中的原子進(jìn)行光學(xué)抽運(yùn)和激發(fā)。在吸收單元122中被吸收的光造成到達(dá)光單元130的光的減少。光單元130通過產(chǎn)生與所接收的光強(qiáng)諸如線性地相關(guān)的電流來作出響應(yīng)，并向伺服電子設(shè)備106提供一輸出信號(hào)，伺服電子設(shè)備106又向VCXO 108提供一個(gè)信號(hào)，以調(diào)節(jié)VCXO 108的輸出頻率。當(dāng)被鎖定時(shí)，VCXO 108的輸出頻率最好正好是5MHz或10MHz，雖然20MHz或更高的其他頻率也可被用來通過分頻和/或合成來產(chǎn)生5MHz或10MHz的輸出。VCXO 108的輸出頻率被頻率倍增-合成器110倍增和合成以產(chǎn)生提供給E一場(chǎng)探頭128的微波激發(fā)信號(hào)110a。頻率倍增一合成器110還產(chǎn)生一低頻調(diào)制信號(hào)，該信號(hào)被提供給內(nèi)部電路以對(duì)微波激發(fā)信號(hào)110a進(jìn)行相位調(diào)制，并還作為調(diào)制信號(hào)110b被提供到外部以對(duì)來自光單元130的交流信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。E-場(chǎng)探頭128被設(shè)置在第一介電共振盤120附近并提供電磁能量給介電共振盤120和124，然而，設(shè)置在任一介電共振盤附近的E場(chǎng)探頭128的精確位置不是重要的，且本發(fā)明的范圍不應(yīng)被局限在圖8所示的最佳位置。受到接收的電磁能量激發(fā)的共振器盤120和124發(fā)生共振以產(chǎn)生在一頻率(即原子躍遷頻率)振蕩的瞬態(tài)電磁場(chǎng)，該頻率不一定是與獨(dú)立運(yùn)行的兩個(gè)盤之一的相同的頻率。瞬態(tài)電磁場(chǎng)穿過吸收單元122，以對(duì)Rb原子進(jìn)行詢問，從而造成Rb-87原子在能級(jí)B和能級(jí)A之間的低能級(jí)躍遷。
圖8的雙盤系統(tǒng)所產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)的幅度，在兩個(gè)共振器盤120和124之間的區(qū)域較為均勻。相比之下，白波導(dǎo)中的單一且隔離的共振器盤產(chǎn)生的瞬態(tài)電磁場(chǎng)幅度隨著離盤的軸向距離的增加而以指數(shù)衰減。即使當(dāng)有吸收單元時(shí)，單盤系統(tǒng)中的瞬態(tài)電磁場(chǎng)的幅度衰減也是近似指數(shù)的。通過增加設(shè)置在吸收單元與第一共振器盤相對(duì)的一側(cè)的第二共振器盤以形成一雙盤系統(tǒng)，如圖8所示，可大大地改善單盤系統(tǒng)中的吸收單元中的瞬態(tài)場(chǎng)沿軸向方向Z的空間非均勻性，只要共振器盤之間的間距不大于2-3個(gè)單盤系統(tǒng)的衰減長(zhǎng)度，且只要雙盤系統(tǒng)是在所希望的頻率共振。
圖9顯示了諸如圖8的雙盤系統(tǒng)預(yù)測(cè)的瞬態(tài)磁場(chǎng)幅度的圖形表示，該圖顯示了作為沿Z軸與共振器盤120和124表面的距離的函數(shù)的瞬態(tài)磁場(chǎng)Z分量的幅度Hz(Z)，其單位是任意的。Hz(Z)的絕對(duì)強(qiáng)度由共振器盤120和124的電磁激發(fā)程度確定。在圖9中選擇Hz(Z)來進(jìn)行顯示的原因，是Hz(Z)一般是對(duì)原子進(jìn)行詢問的微波瞬態(tài)電磁場(chǎng)分量，且瞬態(tài)電磁場(chǎng)的其他分量在此方面是完全或基本無效的。
圖9中所示的瞬態(tài)場(chǎng)幅度，可根據(jù)麥克思韋電磁方程對(duì)于雙盤系統(tǒng)的解析解來產(chǎn)生，其中假定了以下參數(shù)波導(dǎo)114的內(nèi)徑為0.52英寸(13.2mm);共振器盤120和124是對(duì)稱的并具有0.52英寸(13.2mm)的外徑、0.17英寸(4.2mm)的厚度、以及8.1的介電常數(shù);共振器盤120和124之間的距離是0.34英寸(8.6mm，或2個(gè)單盤系統(tǒng)的衰減長(zhǎng)度)且在其間沒有介電材料;雙盤系統(tǒng)工作在TE-11模式且在約6.815GHz的共振頻率。
在共振器盤120和124的相對(duì)表面之間的瞬態(tài)磁場(chǎng)的幅度Hz(Z)，隨著與共振器盤120和124中的任何一個(gè)的距離的增加，沿著光軸Z從其近似16個(gè)單位的最大值減小到約10個(gè)單位的最小值，瞬態(tài)場(chǎng)的最小幅度Hz(Z)出現(xiàn)在共振器盤120和124之間的中點(diǎn)附近，其中該場(chǎng)的幅度為瞬態(tài)磁場(chǎng)在共振器盤120和124中任何一個(gè)的表面處的瞬態(tài)磁場(chǎng)的最大幅度的大約63%。相反，在從共振器盤120和124的非相對(duì)表面延伸的區(qū)域中，瞬態(tài)磁場(chǎng)的幅度從14個(gè)單位的最大值指數(shù)地衰減。因此，雙盤系統(tǒng)在共振器盤120和124的相對(duì)表面之間產(chǎn)生了一個(gè)瞬態(tài)場(chǎng)幅度相對(duì)均勻的區(qū)域，其中在共振器盤120和124的相對(duì)表面處的瞬態(tài)場(chǎng)幅度大于在共振器盤120和124的非相對(duì)表面處的瞬態(tài)場(chǎng)幅度，且其中在從共振器盤120和124的相對(duì)表面向內(nèi)延伸的任何距離處的瞬態(tài)場(chǎng)幅度，大于從共振器盤120和124的非相對(duì)表面向外延伸相同距離處的瞬態(tài)場(chǎng)幅度，并大于單盤系統(tǒng)中距離共振器盤相同距離處的瞬態(tài)場(chǎng)幅度。
產(chǎn)生這樣的較為均勻的瞬態(tài)場(chǎng)具有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一，對(duì)設(shè)置在兩個(gè)共振器盤之間的吸收單元中的原子的詢問更為有效，因?yàn)樵谌魏我粋€(gè)盤表面處的場(chǎng)幅度可得到調(diào)節(jié)，從而使吸收單元中更多的原子能感受到更接近引起超精細(xì)結(jié)構(gòu)躍遷的最佳值的場(chǎng)幅度。第二，詢問場(chǎng)的非均勻性的降低有助于降低吸收單元內(nèi)部的總體的非均勻性，如熟悉技術(shù)的人所知道的，這種降低減小了緩沖氣體吸收單元提供的頻率標(biāo)準(zhǔn)的老化。
共振器盤120和124之間的距離的減小，一般有助于增加共振器盤120和124之間的中點(diǎn)處的瞬態(tài)場(chǎng)幅度，而增加共振器盤120和124之間的距離將有助于減小該中點(diǎn)處的瞬態(tài)場(chǎng)幅度。若共振器盤120和124之間的距離增加到使共振器盤120和124之間沒有相互作用的距離，則共振器盤120和124在受到電磁激發(fā)時(shí)將各作為單盤而運(yùn)行，且前述的產(chǎn)生較為均勻的瞬態(tài)場(chǎng)幅度的優(yōu)點(diǎn)將基本上不存在了。
以上對(duì)雙盤系統(tǒng)的運(yùn)行和優(yōu)點(diǎn)的描述也定性地適用于TE-11以外的其他模式。例如，對(duì)于TE-01模式，該描述基本上不變，主要的不同是所有的物理尺寸將比用于TE-11模式的大。Hz(Z)的總體均勻性則由于采用了TE-01模式而得到了改善，因?yàn)樗cTE-11模式不同的是它在垂直于波導(dǎo)/光軸的任何平面中都不呈現(xiàn)對(duì)極角的相關(guān)性。
圖10更詳細(xì)地顯示了圖8的包含光學(xué)裝置117的波導(dǎo)114的剖視部分，它包括介電共振盤120、124和吸收單元122。共振器盤120和124分別被設(shè)置在吸收單元122的窗口144a和146a上。窗口144a和146a較薄并具有低介電常數(shù)，所以窗口144a和146a不會(huì)顯著影響介電共振盤120和124產(chǎn)生的瞬態(tài)場(chǎng)。因此，在這種設(shè)置中，吸收單元122不產(chǎn)生在波導(dǎo)上的顯著的負(fù)載效應(yīng)，因而不會(huì)顯著影響雙盤波導(dǎo)系統(tǒng)的共振頻率。因此，當(dāng)確定共振器盤120和124的尺寸時(shí)，吸收單元122基本上可不考慮。
圖11-14顯示了用于圖8的光學(xué)裝置117的各種示例性替代配置。
圖11顯示了光學(xué)裝置117a的一個(gè)實(shí)施例，它包括一組合共振器盤/吸收單元150，它與介電共振器124相配合以形成大致上與圖10的實(shí)施例等價(jià)的實(shí)施例。如前所述，使介電共振器和吸收單元彼此鄰近是有利的。圖10所示的吸收單元122和介電共振盤120，通過把介電共振器作為吸收單元的一個(gè)不可分割的端部或通過把介電共振器安裝到吸收單元上，而可被容納在單一的結(jié)構(gòu)中。
圖12顯示了一個(gè)光學(xué)裝置117b，它包括一個(gè)結(jié)合的介電共振器/吸收單元160，后者被設(shè)置在波導(dǎo)114中并具有位于吸收單元結(jié)構(gòu)162的各個(gè)相對(duì)端部的介電共振器120和124以包含吸收單元原子，諸如Rb-87原子。介電共振器120和124可被作為吸收單元的一個(gè)不可分割的部分而設(shè)置，也可通過把介電共振器120和124裝在一個(gè)諸如玻璃管的結(jié)構(gòu)的相對(duì)端部來提供。調(diào)諧盤164被設(shè)置在介電共振器120附近以影響介電共振器120和124產(chǎn)生的瞬態(tài)場(chǎng)的共振頻率。
在大多數(shù)情況下，圖11和12的實(shí)施例，與采用分開的吸收單元和一個(gè)或多個(gè)分離的介電共振器的光學(xué)物理設(shè)備相比，使吸收單元中瞬態(tài)場(chǎng)的幅度增加，因?yàn)槲諉卧械脑邮窃诟蓴_材料被減少或消除時(shí)受到瞬態(tài)場(chǎng)的影響。這將具有減小實(shí)現(xiàn)可接受的性能所需要的微波功率的作用，由于產(chǎn)生高電平的微波功率所需要的成本，這是所希望的。另外，部件成本得到了降低，因?yàn)橹辽倏上粋€(gè)以前需要的吸收單元窗口。
圖13顯示了與圖10中所示的波導(dǎo)114相同的部分，它包括光學(xué)裝置117c，后者包括介電共振器盤120和124和吸收單元122，而且還包括一調(diào)諧盤164。然而圖13的吸收單元與圖10的吸收單元的不同，在于吸收單元122的窗口144b和146b具有較大的厚度和/或具有較高的介電常數(shù)，從而使窗口144b和146b確實(shí)能影響雙盤系統(tǒng)的共振頻率。因此，該系統(tǒng)基本上是作為四盤系統(tǒng)運(yùn)行的，其中介電共振盤120和窗口144b作為第一瞬態(tài)場(chǎng)發(fā)生單元運(yùn)行，且介電共振盤124和窗口146b作為第二瞬態(tài)場(chǎng)發(fā)生單元運(yùn)行。
圖8、10和11的、包含光學(xué)裝置117或光學(xué)裝置117a的物理設(shè)備102可得到微調(diào)，以通過調(diào)節(jié)濾波單元118和共振器盤120之間的距離，最好是通過移動(dòng)濾波單元118而同時(shí)維持共振器盤120位置不變，補(bǔ)償單元與單元之間的略微差別，諸如共振器盤尺寸和介電常數(shù)。調(diào)節(jié)濾波單元118和共振器盤120之間的距離影響共振器盤120和124的共振頻率，從而為整個(gè)物理設(shè)備102提供了調(diào)諧。物理設(shè)備102還可通過調(diào)節(jié)介電盤120和124之一或兩者與吸收單元122之間的距離而得到調(diào)諧，雖然不太希望以這種方式來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，因?yàn)樵黾咏殡姽舱癖P120或124與吸收單元122之間的距離將減小吸收單元122中的瞬態(tài)電磁場(chǎng)的幅度。
在圖12和13所示的實(shí)施例中，對(duì)介電共振器120和124的共振頻率的可調(diào)節(jié)調(diào)諧，可通過把調(diào)諧盤164可移動(dòng)地裝在波導(dǎo)114中介電共振器120的附近來實(shí)現(xiàn)。調(diào)諧盤164最好是介電盤，它具有與在上述的圖2和3的實(shí)施例中描述的濾波單元的介電窗口之一等價(jià)的特性。對(duì)包括調(diào)諧盤164的光學(xué)物理設(shè)備的共振頻率的調(diào)諧，最好通過沿Z軸相對(duì)于介電共振器120移動(dòng)調(diào)諧盤164且同時(shí)使介電共振器120和124的位置保持固定，來得到實(shí)現(xiàn)。雖然圖12和13中所示的調(diào)諧盤164位于介電共振器120的附近，調(diào)諧也可通過把調(diào)諧盤164設(shè)置在介電共振器124附近并通過沿Z軸改變調(diào)諧盤164和介電共振器124之間的距離，來得到實(shí)現(xiàn)。另外，調(diào)諧可通過把多個(gè)調(diào)諧盤中的一個(gè)設(shè)置在介電共振器120和124之一的附近并沿Z軸改變一或多個(gè)調(diào)諧盤與相應(yīng)的介電共振器之間的距離，來得到實(shí)現(xiàn)。
圖14顯示了一光學(xué)裝置117d，它包括一吸收單元122并具有分別設(shè)置在吸收單元122的相對(duì)窗口144b和146b附近的介電共振器120和124。濾波單元118被設(shè)置在介電共振器120與吸收單元122的窗口144b相對(duì)一側(cè)的附近，且調(diào)諧盤164被設(shè)置在介電共振器124與吸收單元122的窗口146b相對(duì)一側(cè)的附近。包含光學(xué)單元117d的部件設(shè)置的光學(xué)物理設(shè)備的共振頻率，可通過改變?yōu)V波單元118和介電共振器120之間的距離，和/或通過改變調(diào)諧盤164和介電共振器124之間的距離，來得到實(shí)現(xiàn)。最好，吸收單元122和共振器盤120和124被固定安裝在波導(dǎo)114中，且濾波單元118和調(diào)諧盤164被可移動(dòng)地安裝在波導(dǎo)114中，以允許它們沿光軸Z移動(dòng)。
雖然結(jié)合最佳實(shí)施例描述了本發(fā)明，熟悉技術(shù)的人應(yīng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的條件下，可在形式和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改變。例如，若用激光作為光源，則可用銫的同位素Cs-133作為吸收單元中的吸收材料，而且可省去濾波單元。另外，在吸收單元和/或?yàn)V波單元的結(jié)構(gòu)中可采用1720和1724麻粒玻璃以外的其他玻璃，只要對(duì)各個(gè)單元窗口的厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)以產(chǎn)生所需要的介電共振器介質(zhì)填充，且8161麻粒玻璃以外的玻璃和諸如基本上透明的晶體材料可被用于介電共振器，只要替代的玻璃或材料具有基本等價(jià)的介電常數(shù)并呈現(xiàn)低電損耗。該介電共振器也可用其電損耗高于8161麻粒玻璃的材料制作，只要把提供給介電共振器的微波激發(fā)能量調(diào)節(jié)到能使介電共振器能以適當(dāng)?shù)姆犬a(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng)的電平，以對(duì)吸收單元中的原子進(jìn)行詢問。
權(quán)利要求
1.在具有用于為可造成原子光致能級(jí)躍遷的頻率提供光能量的光源的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)中，一種設(shè)備包括吸收單元，它包含用于改變通過它的有用光能量的強(qiáng)度第一體積的原子；介電共振器，用于產(chǎn)生導(dǎo)致所述第一體積的原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷的瞬態(tài)電磁場(chǎng)；波導(dǎo)，用于容納所述吸收單元和所述介電共振器；裝在所述波導(dǎo)的一端附近的光檢測(cè)器，用于接收所述光能量；以及電磁能量注入器，用于對(duì)所述介電共振器進(jìn)行電磁激發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于進(jìn)一步包括一濾波單元，該濾波單元包含設(shè)置在所述介電共振器附近的第二體積的原子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的設(shè)備，其特征在于所述第一體積的原子包括Rb-87原子且所述第二體積的原子包括Rb-85原子。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于所述吸收單元包括Rb-85原子和Rb-87原子的混合物，所述Rb-85原子提供對(duì)通過它的光能量的光學(xué)濾波。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于所述吸收單元和所述介電共振器得到結(jié)合以形成一個(gè)整體單元，其中所述介電共振器得到適當(dāng)設(shè)置以提供所述吸收單元的一個(gè)窗口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的設(shè)備，其特征在于所述整體單元進(jìn)一步包含原子以對(duì)所述光能量的光學(xué)濾波和導(dǎo)致來自未被濾掉的光能量的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)之間的躍遷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的設(shè)備，其特征在于通過向所述吸收單元加入堿金屬組成的組中的一或多種元素來改變所述第一體積的原子的蒸氣密度。
8.用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率的方法，包括以下步驟提供能具有多個(gè)超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)的一定體積的原子;產(chǎn)生光能量并將所述光能量引向所述體積的原子;對(duì)一介電共振器進(jìn)行激發(fā);用受到激發(fā)的介電共振器產(chǎn)生瞬態(tài)電磁場(chǎng);將所述瞬態(tài)電磁場(chǎng)引入所述體積的原子以引起原子的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷從而影響射向并透過所述體積的原子的光能量的強(qiáng)度;以及產(chǎn)生光檢測(cè)器的一個(gè)電流輸出，該電流輸出與透過所述體積的原子的光能量的強(qiáng)度有關(guān)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其特征在于所述激發(fā)步驟進(jìn)一步包括以下步驟把來自所述光檢測(cè)器的所述電流輸出經(jīng)一伺服電子設(shè)備提供給一電壓控制晶體振蕩器;由所述電壓控制晶體振蕩器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率;以及將所述標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率提供給一頻率倍增器，該頻率倍增器產(chǎn)生一信號(hào)以實(shí)現(xiàn)所述介電共振器的激發(fā)。
全文摘要
一種新穎的原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，包括吸收單元，它包含第一體積的原子，用于改變通過其的光能量的強(qiáng)度；至少一個(gè)介電共振器，用于產(chǎn)生超精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)躍遷的瞬態(tài)電磁場(chǎng)；一個(gè)波導(dǎo)，用于容納該吸收單元和一或多個(gè)介電共振器；光檢測(cè)器，用于接收光能量；電磁能量注入器，用于對(duì)介電共振器進(jìn)行電磁激發(fā)。一濾波單元最好被設(shè)置在吸收單元和光源之間的介電共振器附近。介電共振器的共振頻率的調(diào)諧，可通過調(diào)節(jié)濾波單元和介電共振器間距，或把一介電調(diào)諧盤設(shè)置在介電共振器的附近并調(diào)節(jié)其間距來得到實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H03L7/26GK1107236SQ9410495
公開日1995年8月23日 申請(qǐng)日期1994年4月27日 優(yōu)先權(quán)日1993年4月27日
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