一种应用球形气室的微型原子钟物理单元及该球形气室

技术领域

本发明涉及原子钟或者磁力计的技术领域，特别是一种应用球形气室的微型原子钟物理单元及具体用于微型原子钟和磁力计的球形气室。

背景技术

传统用于原子钟和磁力计的原子气室其形状一般为圆筒形或矩形，主要是要求进光面和出光面与光路基本垂直，作用是尽量保证准直后的光不被气室表面折射而改变方向，也使光的传播方向与外加磁场方向平行。用于微型原子钟的微型气室则大多采用硅片打孔后用玻璃材料以阳极键合工艺封住通光的两端的方法。一般也是圆筒形结构。以上这些传统气室相对工艺复杂，阳极键合的微型气室对工艺和设备要求很高，而且为防止漏气，气室通光孔径周围要留较宽的边缘，增大了其实际体积。

从微型原子钟和磁力计工作原理分析，一般应用相干布居数囚禁（CPT）原理的微型原子钟和磁力计，要求圆偏振光的光场与原子相互作用，且圆偏振光传播方向与外加磁场平行。由于半导体激光器出射光一般有一个较大发散角，所以需要先用透镜准直，再用λ/4波片转换成圆偏振光后进入气室。但由于微型原子钟和磁力计体积大小是一个重要参数，所以在光程短的情况下经常省略准直透镜。这会使得光束利用率降低，而且由于光束与外加磁场不平行，导致光场与原子间作用效率降低（见图1.）。

如图1.所示当半导体激光器发散光束进入气室，如果激光器距离气室较远，光束直径在出口处已经大于气室口径，则部分光束与原子作用后被气室侧壁阻挡不能被利用，造成原子与光场作用效率降低，而当激光器距离气室较近时，虽然大部分光束能够通过，但在靠近激光器一侧，由于光束直径小，光束有效作用体积较小，周围原子并不能与光束作用，因此减小了光束与原子的有效作用空间。使得气室空间不能得到充分利用。而且由于光场各部分传输方向与光轴夹角不同，也就是与外加磁场不平行，会进一步降低激光光场与原子的作用效率。

发明内容

本发明提出一种结构更合理的应用球形气室的微型原子钟物理单元，将气室设计成球形，解决了现有技术在使用过程中存在的上述问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

球形气室用于相干布居数囚禁微型原子钟和磁力计的物理单元，物理单元其特征在于：包括依次设置的光源、原子气室，以及光电接收器，所述原子气室所用为球形气室，该球形气室的腔内充有工作原子和缓冲气体，充入的工作原子可以是铷87、銫133或其他用于原子钟或磁力计的工作原子，缓冲气体可以是氮、氖、氩等常用于原子气室的缓冲气体，或它们以一定比例组成的混合气体，目的是减小温度变化导致的原子谱线的频率漂移；所述的光源一般为竖直腔面发光半导体激光器（VCSEL）,其与球形气室之间插入有λ/4波片，λ/4波片将激光源发出的线偏振光转换为圆偏振光，用电阻丝或其他加温器件加热使气室达到工作温度，气室的工作温度由实验决定，使气室内工作原子密度达到原子钟工作的要求，一般当球形气室直径为5mm时工作温度在40℃至50℃之间，即可使原子密度符合探测要求。气室外部用螺线管或其他方法给气室加轴向磁场，通过适当调整激光器、球形气室以及光电接收器之间的距离使相干布居数囚禁信号达到最强，信噪比最大。

球形气室材料为玻璃，其制备时，可通过传统玻璃真空系统连通抽真空，再充入工作原子和缓冲气体并封装。所述的工作原子为铷、銫或其他用于原子钟或磁力计的原子。缓冲气体采用氮和/或氖和/或氩气体，或按一定比例充入的上述混合气体。制备所述球形气室时，气室玻璃材料可添加所用的工作原子成分以增加使用寿命。

球形气室应用在原子钟领域，实现方式为：还安装有的磁屏蔽外壳，上述的应用球形气室的物理单元设置于所述磁屏蔽外壳内部。屏蔽外壳内部可抽真空以增强绝热效果，提高原子钟稳定度。

形式一：球型气室内径为4mm，外径5mm，球窍厚度0.5mm，其室内充以87Rb为工作原子，并充以氩和氖的混合气体作为缓冲气体，光源采用VCSEL半导体激光器，其发光波长为795nm对准铷原子D1线，以上器件组成原子钟的物理单元。物理单元外加一层磁屏蔽外罩，外罩可密封并抽真空隔热，以提高原子钟工作稳定性。

形式二：将上述球形气室的工作原子采用銫133，以氮气为缓冲气体，光源采用VCSEL半导体激光器，半导体激光器波长为894nm，对准铯原子D1线，组成CPT微型铯原子钟物理单元。

球形气室亦可以应用在磁力计的领域，实现方式为：制备的球形气室可直接用于微型磁力计作为原子气室。以上用于原子钟的物理单元，亦可用于弱磁场探测，实现微型磁力计，由于需要对外部磁场敏感，因此不需要上述磁屏蔽外壳。

对于本方面做进一步说明：球型气室如图2所示，当发散光到达玻璃气室球型表面时，由于玻璃与外部真空或空气的折射率差，导致光束向内折射聚焦，正如球面透镜表面对光束有一个聚焦作用，而在光线通过球形气室入射面的内表面时，有一个发散趋势，正确设计球形气室尺寸，考虑激光发散角，调整气室与激光器之间的距离就可使气室内通过的光场各部分的传播方向近似平行于光轴，也就是平行于外加磁场，以近似平行光场通过。从图2可看出，与图1相比，气室中光束能够更充分利用气室有效空间，而且光场与光轴即外加磁场方向更趋向于平行。

此外，原子与气室内表面的碰撞会导致原子的弛豫时间缩短，即能级的寿命降低，从而导致原子跃迁谱线增宽，使原子钟稳定性下降。传统原子钟其气室内壁可以涂石蜡或进行其他表面处理以减弱这一现象的影响。球形气室则是在相同气室容积的情况下具有最小内表面积，因此，在相同容积情况下可以进一步减小原子与内表面的碰撞几率，进而提高原子钟的性能。

同时，由于表面积减小，而且没有边角，也可以有效减小内表面原子的沉积和吸附，提高工作原子的利用率。这一点对于提高原子气室的使用寿命，同时降低原子气室的工作温度也是非常重要的。在微型原子钟的物理结构中，一般激光器距离气室很近，如果气室工作温度高，为减小温度梯度，保证稳定性，会要求激光器工作温度必须提高，保持与气室工作温度相同或相近。但如果工作温度过高，将会显著降低激光器的使用寿命。此外，高的工作温度会提高物理单元与周围环境温度的梯度，使控温难度增加。严重影响系统工作稳定性和工作寿命。并且会增加整个系统的工作能耗。因此，降低气室工作温度是非常重要的。

综上所述，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出的一种应用球形气室的原子钟物理单元及该球形气室，它有利于进一步减小微型原子钟物理单元的体积，其中的球形气室整体呈球形，可以用传统加工玻璃气室的真空系统加工，抽真空和充入工作原子及缓冲气体相对工艺简单，而且与一般圆筒形或矩形气室相比，同样内表面积的情况下具有最大容积，因此吸附面积小，原子与内表面碰撞几率小，气室容积大。在需要加温提高原子数密度的微型气室中，有利于降低气室工作温度，延长气室和激光器工作寿命，减小实际气室占用空间。提高物理单元的工作稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他原理性结构图。

图1是传统圆筒型气室的物理单元整体结构示意图。

图2是应用球形气室的微型原子钟或磁力计的物理单元的整体结构示意图。

图3是图2中加有磁屏蔽外壳和密封外罩的应用球形气室的CPT微信原子钟物理单元整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图2、3，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图2、3所示，本发明公开了用于微型原子钟和磁力计的球形气室，及应用球形气室的物理单元。

用于相干布居数囚禁（CPT）微型原子钟，其物理单元如图3。球型气室3内径为4mm，外径5mm，球窍厚度0.5mm。气室内充以87Rb为工作原子，并充以氩和氖的混合气体作为缓冲气体。球形气室与VCSEL（竖直腔面发光）半导体激光器1，其发光波长为795nm对准铷原子D1线，中间插入λ/4波片2将激光器发出的线偏振光转换为圆偏振光。同时用电阻丝加热使其达到工作温度，使气室内原子密度符合探测要求。并用螺线管加轴向磁场B。探测光场与球形气室3中的工作原子作用后被光电接收器4接收，转换成电信号输出。此时适当调整激光器1，球形气室3以及光电接收器4之间的距离，即可使CPT信号达到最强，信噪比最大。气室实际工作温度一般可在45℃左右。此结构外部还可以加一层密封外罩并抽真空隔热，以进一步提高物理单元的工作稳定性。

实施例2

将上述球形气室工作原子换成銫133，以氮气为缓冲气体，VCSEL激光器波长为894nm,对准铯原子D1线，整体结构如图3，调整方法同上。用其作为物理单元，可实现CPT微型铯原子钟。

实施例3

采用以上实施例1或者2，去掉磁屏蔽外壳，即可作为物理部分用于微型磁力计。

本发明公布的物理单元和球形原子气室，可用于各种微型原子钟和磁力计。但不限于微型原子钟和磁力计。其中工作原子和缓冲气体亦可根据需求改换。气室外壳一般用玻璃材料，但不限于玻璃材料。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。