一種低功耗光源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種低功耗光源，包括恒溫區(qū)域，所述恒溫區(qū)域內(nèi)設(shè)置有改進(jìn)的高頻振蕩電路，所述改進(jìn)的高頻振蕩電路通過電路連接有激勵線圈，所述激勵線圈凹槽處設(shè)置有光譜燈泡，所述光譜燈泡右側(cè)設(shè)置有中性濾光片，所述中性濾光片右側(cè)設(shè)置有透鏡，所述透鏡右側(cè)為腔泡系統(tǒng)；本發(fā)明通過在原有銣光譜燈振蕩激勵電路的偏置中，并聯(lián)一個正溫度系數(shù)PTC電阻Rp，在光譜燈開始工作時，電阻Rp阻值較低，便于使銣光譜燈迅速起輝，當(dāng)光譜燈進(jìn)入120度左右的恒溫點后，其電阻值將迅速升至幾十千歐姆；通過設(shè)置中性濾光片，使銣光譜燈發(fā)出的光衰減到我們需要的光強(qiáng)，通過設(shè)置透鏡，使銣光譜燈發(fā)出的光變成平行光，有效提高光的利用率。
【專利說明】
一種低功耗光源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及光譜燈光源領(lǐng)域，尤其涉及一種低功耗光源。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜燈燈泡常用球型玻璃泡，直徑約10-15mm。燈泡中除充有金屬銣外還充有激發(fā) 電位低、化學(xué)性質(zhì)不活潑的起輝氣體。常用Kr或Ar，氣壓l-2T 〇rr，燈泡放在一個高頻振蕩器 的振蕩線圈中，振蕩頻率約為100MHz左右，功率1-5W。振蕩頻率越高所需的激發(fā)功率越小， 振蕩頻率越低所需的激發(fā)功率越大。激發(fā)功率大時容易點燃燈，但是激發(fā)功率越大，燈的壽 命越短。另外，激發(fā)功率太大，產(chǎn)生熱量太多，燈室則不易控溫。激發(fā)功率大對頻標(biāo)中其他線 路的高頻干擾也大，不易消除。所以，一般在保證燈穩(wěn)定工作的條件下，用盡可能小的激發(fā) 功率。
[0003] 光譜燈無極放電發(fā)光的原理大致如下:高頻電場對起輝氣體中本來存在的少量離 子和電子加速，使其動能增加，從而與起輝氣體分子碰撞，產(chǎn)生更多的離子和電子，動能較 高的離子或電子與起輝氣體分子碰撞就能把起輝氣體分子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上去。當(dāng)它回到基 態(tài)時就可看到起輝氣體分子發(fā)光。但若這種處在激發(fā)態(tài)的起輝氣體分子與銣原子分子碰撞 就可以把激發(fā)態(tài)能量轉(zhuǎn)移給銣原子，自己無輻射的回到基態(tài)，而把銣原子激發(fā)到激發(fā)態(tài)上 去。當(dāng)銣原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時就可看到銣原子發(fā)光。在燈泡溫度極低，銣原子密度較低 的情況下，往往只看到起輝氣體分子發(fā)光。在燈泡溫度較高，銣原子密度較高的情況下，銣 原子發(fā)光就占絕對優(yōu)勢，此時往往只看到銣原子發(fā)光而看不到起輝氣體分子發(fā)光。在兩種 發(fā)光過程過渡的情況下，往往看到兩種發(fā)光過程交替地出現(xiàn):一會兒主要是起輝氣體分子 發(fā)光，一會兒又變成主要是銣原子發(fā)光。這種現(xiàn)象稱為張馳振蕩，振蕩頻率從零點幾赫到幾 千赫都有可能。為了得到穩(wěn)定的抽運(yùn)光，整個燈室包括燈泡和振蕩器電路都應(yīng)該恒溫，把溫 度控制在銣原子穩(wěn)定發(fā)光的溫度上。
[0004] 基于以上原因，需要一種低功耗光源被設(shè)計出來，通過在原有銣光譜燈振蕩激勵 電路的偏置中，并聯(lián)一個正溫度系數(shù)PTC電阻Rp，并將Rp置于光譜燈恒溫套上，在光譜燈開 始工作時，電阻Rp阻值較低，從而產(chǎn)生較大的激發(fā)功率，便于使銣光譜燈迅速起輝，當(dāng)光譜 燈進(jìn)入120度左右的恒溫點后，其電阻值將迅速升至幾十千歐姆。這就使得光譜燈在起輝階 段及正常工作階段，獲得比較理想的對應(yīng)的激勵功率;通過設(shè)置中性濾光片，使銣光譜燈發(fā) 出的光衰減到我們需要的光強(qiáng)，通過設(shè)置透鏡，使銣光譜燈發(fā)出的光變成平行光，有效提高 光的利用率，即一種低功耗光源。
[0005]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種低功耗光源。
[0007] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)： 一種低功耗光源，包括恒溫區(qū)域，所述恒溫區(qū)域內(nèi)設(shè)置有改進(jìn)的高頻振蕩電路，所述改 進(jìn)的高頻振蕩電路通過電路連接有激勵線圈，所述激勵線圈凹槽處設(shè)置有光譜燈泡，所述 光譜燈泡右側(cè)設(shè)置有中性濾光片，所述中性濾光片右側(cè)設(shè)置有透鏡，所述透鏡右側(cè)為腔泡 系統(tǒng);所述光譜燈泡發(fā)出的光線穿過中性濾光鏡后通過透鏡后聚合為平行光。 現(xiàn)有銣光燈激勵電路在燈泡啟動初始時刻，電感L1上產(chǎn)生的高頻強(qiáng)電場E使光譜燈泡 中惰性氣體Ar電離發(fā)光。在高頻磁場的作用下離子在泡內(nèi)作高速螺旋運(yùn)動。與此同時，泡區(qū) 的溫度在燈恒溫電路和等離子體加熱效應(yīng)的作用下升至120度左右的恒溫點上。此時，泡內(nèi) 的金屬銣形成單質(zhì)銣原子飽和蒸氣，高速運(yùn)動的惰性氣體離子和蒸氣狀的銣原子發(fā)生碰 撞，使銣原子獲得能量進(jìn)入高能級，然后從高能級躍迀至低能級，釋放出光子。本發(fā)明方法 提出一種利用PTC材料做成溫度電阻值加入高頻率振蕩電路的方法，并在光譜燈發(fā)光后通 過中性濾光片以及透鏡組合成光譜燈的光路，在不改變燈的光譜輪廓前提下，獲得零光強(qiáng) 頻移點，改善原子鐘的頻率穩(wěn)定度。泡內(nèi)惰性氣體從常態(tài)到電離態(tài)，需要提供較大的激勵功 率。一旦啟動后，這一過大的功率就顯得多余。這些多余的功率，將對原子頻標(biāo)的穩(wěn)定工作 帶來較大的負(fù)面影響。第一，由于激勵功率大，相應(yīng)地激勵管T消耗的功率也將較大，容易造 成管子過熱，從而降低整個原子頻標(biāo)的穩(wěn)定性。第二，由于相當(dāng)一部分剩余功率以輻射的開 工釋放出來，它將造成對系統(tǒng)的干擾，引起電磁兼容問題。第三，星載用的原子頻標(biāo)工作環(huán) 境在外層空間，衛(wèi)星用能量顯得特別珍貴。
[0008] 所述改進(jìn)的高頻振蕩電路和現(xiàn)有振蕩電路相比，通過在原有銣光譜燈振蕩激勵電 路的偏置中，并聯(lián)一個正溫度系數(shù)PTC電阻Rp，將Rp置于光譜燈恒溫套上，Rp既用作溫度傳 感器，又用作電流控制執(zhí)行器件。在常溫下Rp的電阻值約為20歐姆左右，當(dāng)光譜燈進(jìn)入120 度左右的恒溫點后，其電阻值將迅速升至幾十千歐姆。這就使得光譜燈在起輝階段及正常 工作階段，獲得比較理想的對應(yīng)的激勵功率。光譜燈處于室溫狀態(tài)，Rp很小，振蕩激勵管T基 極電流很大，因此管子T激勵電流Ic很大，光譜燈可獲得很高的激勵功率，從而快速啟動光 譜燈工作。隨實光譜燈恒溫區(qū)溫度的不斷上升，Rp上升，激勵管T基極電流迅速減小，從而使 激勵電流Ic也迅速減小，直至120度左右的恒溫點。
[0009] 為提高整個被動型銣原子頻標(biāo)的信噪比，我們采用了光抽運(yùn)的方法，但抽運(yùn)光將 引起87Rb原子躍迀頻率的移動，其本質(zhì)上是交變光頻電場產(chǎn)生的交流斯塔克效應(yīng)的平均效 果。抽運(yùn)光對87Rb原子基態(tài)的能級移動為：
其中，P是電偶極矩算符，E時光電場的復(fù)振幅，1/r是丨激發(fā)態(tài)的壽命，馬和馬分別 為激發(fā)態(tài)和基態(tài)能級的能量。
[0010] 由于抽運(yùn)87Rb原子的只是b線，通常只能引起F=l，mF = 0的能級移動。光頻移和能 級移動有以下關(guān)系：
由上述式子可知光頻移與光強(qiáng)成正比，與光譜輪廓有關(guān)。另外，若抽運(yùn)光為單色光，而 且恰好￡0 = ??，則不引起光頻移;若·> %，則引起負(fù)頻移;若·4?，則引起正頻移； 若命與相差很遠(yuǎn)，則引起的頻移量的絕對值與|份-(% |成反比關(guān)系。
[0011] 在實際的銣原子頻標(biāo)中，抽運(yùn)光并不是單色光，而是具有一定線寬和線型函數(shù)的 多條光譜線的疊加。抽運(yùn)光光譜線型函數(shù)范圍內(nèi)有一部分頻率分量產(chǎn)生正光頻移，另一部 分頻率分量產(chǎn)生負(fù)光頻移。這種非單色光引起的〇 - 〇躍迀的頻移是許多個單色光引起的頻 移的疊加(積分）。因此，對銣原子頻標(biāo)來講，保持抽運(yùn)光的光譜線型不變對減小光頻移對頻 標(biāo)老化漂移的影響是很重要的；我們通常將光強(qiáng)的選擇與光譜燈溫度的選擇勾在一起，這 是因為，改變光譜燈的溫度，將使整個光譜輪廓發(fā)生變化，不同的光譜輪廓下，光強(qiáng)變化對 系統(tǒng)的貢獻(xiàn)是不一樣的。因此，在進(jìn)一步選擇合適的燈光強(qiáng)之前，應(yīng)該選擇一個合適光譜燈 燈溫。在實際應(yīng)用中，通過改變光譜燈燈溫，測量系統(tǒng)的頻率輸出，找到燈溫對頻率的拐 點，，圖3為實際測量的光頻移一燈溫的曲線；由圖3可知，隨著光譜燈溫度的改變，系統(tǒng)輸出 的頻率會在1 X 1 〇-12/0C及4 X 10-11 /0C內(nèi)變化。需要指出的是，在光譜燈控溫環(huán)節(jié)中，實測 燈溫的變化是很小的，其縮減因子在1〇〇左右，因此，在做"燈溫一一頻率"實驗時，首先在大 范圍搜索燈溫對頻率的拐點，例如燈溫變化步長為1°C，然后，在此燈溫點小范圍內(nèi)再搜索 一次拐點。
[0012] 譜燈光強(qiáng)的穩(wěn)定性對頻標(biāo)的穩(wěn)定性指標(biāo)有著很大的影響，圖4是實際測量的光頻 移一光強(qiáng)測試曲線;通常情況下，光強(qiáng)對頻率的影響為IX 10-12/1%，即光強(qiáng)變化1%，則引起 頻率的變化為IX 10-12。當(dāng)然對于不同的銣鐘系統(tǒng)，光強(qiáng)對頻率的影響程度有所不同，對于 工作在不同狀態(tài)的同一系統(tǒng)也會有所不同。在工作在零光強(qiáng)頻移點的頻標(biāo)，光強(qiáng)I對f的影 響就相當(dāng)?。ɡ硐肭闆r下光強(qiáng)I變化不會引起f的變化）。因此，我們一方面要通過系統(tǒng)參數(shù) 優(yōu)化，減小光強(qiáng)變化對頻移的影響，另一方面要采取措施，對燈光強(qiáng)進(jìn)行控制，使燈的光強(qiáng) 穩(wěn)定性滿足實現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)所需的要求。在光強(qiáng)的選擇上，其主要的目的是找到"零光強(qiáng)頻移 點"。為了選擇一個合適的光強(qiáng)，可以通過改變光譜燈的激勵功率、燈溫等。新的光譜燈做成 之后，相對應(yīng)的燈激勵功率電路已經(jīng)和它配套，一般情況下不宜隨便改變燈激勵功率。我們 已經(jīng)知道，光譜燈的溫度大致上分為三個部分:張馳振蕩區(qū)、平坦區(qū)、自蝕區(qū)。由于平坦區(qū)通 常區(qū)間比較大，光譜燈燈溫選擇在此區(qū)間，光強(qiáng)隨燈溫的變化要比其它區(qū)間小得多，故通常 我們把光譜燈燈溫選擇在此區(qū)間上。但是我們應(yīng)該注意到這樣的問題，正是因為將光譜燈 燈溫選擇在平坦區(qū)中，光強(qiáng)的可改變量是非常有限的，這不便于我們大范圍的改變光強(qiáng)來 滿足實際應(yīng)用中的需求。再則，我們改變光譜燈的溫度，實際上已經(jīng)改變了燈的光譜輪廓。 而中性濾光片的推出，將解決上述困難，實驗也已證明它是一種有效的辦法。其具體做法是 在銣光譜燈泡與集成濾光共振泡之間放置中性濾光片，使銣光譜燈發(fā)出的光衰減到我們需 要的光強(qiáng)。一個比較簡單的做法是采用透明塑料，因為它比較簿，能夠方便地置入系統(tǒng)中， 而且由于單片透明塑料對光的衰減率比較小，因此可以對光進(jìn)行比較精細(xì)的調(diào)節(jié)。
[0013] 進(jìn)一步地，所述改進(jìn)的高頻振蕩電路工作時采用的振蕩頻率為110MHz。 進(jìn)一步地，所述透鏡為凸面鏡，具有聚光效果。
[0014] 進(jìn)一步地，所述中性濾光片采用單片透明塑料材料制成，單片透明塑料材料比較 簿，能夠方便地置入系統(tǒng)中，由于單片透明塑料對光的衰減率比較小，因此可以對光進(jìn)行比 較精細(xì)的調(diào)節(jié)。
[0015] 與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理，通過在原 有銣光譜燈振蕩激勵電路的偏置中，并聯(lián)一個正溫度系數(shù)PTC電阻Rp，并將Rp置于光譜燈恒 溫套上，在光譜燈開始工作時，電阻Rp阻值較低，從而產(chǎn)生較大的激發(fā)功率，便于使銣光譜 燈迅速起輝，當(dāng)光譜燈進(jìn)入120度左右的恒溫點后，其電阻值將迅速升至幾十千歐姆。這就 使得光譜燈在起輝階段及正常工作階段，獲得比較理想的對應(yīng)的激勵功率;通過設(shè)置中性 濾光片，使銣光譜燈發(fā)出的光衰減到我們需要的光強(qiáng)，通過設(shè)置透鏡，使銣光譜燈發(fā)出的光 變成平行光，有效提高光的利用率。
[0016]
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為現(xiàn)有銣光譜燈激勵電路框圖； 圖3為本發(fā)明中改進(jìn)的高頻振蕩電路框圖； 圖4為光頻移一燈溫測試曲線圖； 圖5為光頻移一光強(qiáng)測試曲線。
[0018] 圖中：1、恒溫區(qū)域，2、改進(jìn)的高頻振蕩電路，3、激勵線圈，4、光譜燈泡，5、中性濾 光片，6、透鏡，7、腔泡系統(tǒng)，8、平行光。
[0019]
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0021 ]請參閱圖1 -5，圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為現(xiàn)有 銣光譜燈激勵電路框圖，圖3為本發(fā)明中改進(jìn)的高頻振蕩電路框圖，圖4為光頻移一燈溫測 試曲線圖，圖5為光頻移一光強(qiáng)測試曲線。
[0022] -種低功耗光源，包括恒溫區(qū)域1，所述恒溫區(qū)域1內(nèi)設(shè)置有改進(jìn)的高頻振蕩電路 2,所述改進(jìn)的高頻振蕩電路2通過電路連接有激勵線圈3,所述激勵線圈3凹槽處設(shè)置有光 譜燈泡4,所述光譜燈泡4右側(cè)設(shè)置有中性濾光片5,所述中性濾光片5右側(cè)設(shè)置有透鏡6,所 述透鏡6右側(cè)為腔泡系統(tǒng)7;所述光譜燈泡4發(fā)出的光線穿過中性濾光鏡5后通過透鏡6后聚 合為平行光8;所述改進(jìn)的高頻振蕩電路2工作時采用的振蕩頻率為110MHz;所述透鏡6為凸 面鏡，具有聚光效果;所述中性濾光片5采用單片透明塑料材料制成，單片透明塑料材料比 較簿，能夠方便地置入系統(tǒng)中，由于單片透明塑料對光的衰減率比較小，因此可以對光進(jìn)行 比較精細(xì)的調(diào)節(jié)。
[0023] 作為本發(fā)明一個較佳的實施例，本發(fā)明通過在原有銣光譜燈振蕩激勵電路的偏置 中，并聯(lián)一個正溫度系數(shù)PTC電阻Rp，并將Rp置于光譜燈恒溫套上，在光譜燈開始工作時，電 阻Rp阻值較低，從而產(chǎn)生較大的激發(fā)功率，便于使銣光譜燈迅速起輝，當(dāng)光譜燈進(jìn)入120度 左右的恒溫點后，其電阻值將迅速升至幾十千歐姆。這就使得光譜燈在起輝階段及正常工 作階段，獲得比較理想的對應(yīng)的激勵功率;通過設(shè)置中性濾光片，使銣光譜燈發(fā)出的光衰減 到我們需要的光強(qiáng)，通過設(shè)置透鏡，使銣光譜燈發(fā)出的光變成平行光，有效提高光的利用 率。
[0024]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種低功耗光源，其特征在于:包括恒溫區(qū)域（I)，所述恒溫區(qū)域（1)內(nèi)設(shè)置有改進(jìn)的 尚頻振蕩電路(2)，所述改進(jìn)的尚頻振蕩電路(2)通過電路連接有激勵線圈（3)，所述激勵線 圈（3)凹槽處設(shè)置有光譜燈泡(4)，所述光譜燈泡(4)右側(cè)設(shè)置有中性濾光片（5)，所述中性 濾光片(5)右側(cè)設(shè)置有透鏡(6)，所述透鏡(6)右側(cè)為腔泡系統(tǒng)(7);所述光譜燈泡(4)發(fā)出的 光線穿過中性濾光鏡(5)后通過透鏡(6)后聚合為平行光(8)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗光源，其特征在于:所述改進(jìn)的高頻振蕩電路（2) 工作時采用的振蕩頻率為I IOMHz。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗光源，其特征在于:所述透鏡(6)為凸面鏡。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低功耗光源，其特征在于:所述中性濾光片（5)采用單片 透明塑料材料制成。
【文檔編號】H05B37/02GK105934046SQ201610046157
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年1月25日
【發(fā)明人】詹志明
【申請人】江漢大學(xué)