[发明专利]一种芯片式铷灯

说明书

技术领域

本发明涉及一种高频发光装置，尤其是涉及一种不仅可以用于微小型化与芯片式铷原子钟，也可以用于各种传统常规的铷原子钟，同时作为一个光源，也可广泛地应用于各种需要节能低功耗光源的芯片式铷灯。

背景技术

随着现代科技的发展，许多领域如卫星通信技术、全球卫星定位系统(GPS)、雷达系统、交通控制系统以及电力调度等都需要更加稳定而精确的时间频率信号，传统的机械定时和晶振定时已经不能满足需要。原子频标，亦称为原子钟，具有极高的稳定度和准确度，得到了越来越广泛的运用。其中铷原子频标体积小，重量轻，性能较好，并且成本较低，是所有原子频标中应用最广泛的一种。

铷原子频标由物理部分和电路伺服部分构成。物理部分对铷原子频标的短期及长期稳定性起到决定性的作用，物理部分由产生抽运光的铷灯(或称铷光谱灯)和腔泡系统组成。腔泡系统包括微波谐振腔、铷吸收泡、铷滤光泡、光电探测器等。铷光谱灯中充有金属铷(通常是铷-87)和惰性气体，在外部加热线圈的作用下，金属铷变为蒸汽，同时，在外部高频线圈产生的高频电磁场的作用下，灯泡内的惰性气体被射频激发，发生高频击穿，由此产生的各种粒子，包括电子、离子、气体分子与光子，与铷蒸汽中的铷原子碰撞，使得铷原子电离发光。在铷灯发出的光谱经过铷滤光泡后，滤除了不需要的光谱，得到了所需的抽运光。作为整个物理系统的第一个部件，铷光谱灯对于整个铷原子钟的性能有着很大的影响。

微小型化、芯片化是目前各种原子钟的发展趋势。世界各主要科技强国都在探讨应用各种技术将原子钟微小型化，芯片化，大幅度减小体积与功耗。常规的用于原子钟的铷灯都是用玻璃做的，呈球形、圆柱形等，直径为1～2cm，长度亦为1～2cm，体积较大，因而功耗也非常大，同时，加热线圈与射频线圈都是另外用铜线绕在灯泡上的，加热及射频电磁场耦合到铷蒸汽与惰性气体组成的混合气体中的耗能较多，能量利用率都较低，而且装置复杂，还进一步增大了整个系统的体积与功耗，不能适应现代科学技术对微小型化以及芯片化原子频标的要求。

公开号为CN101237077的中国发明专利申请公开一种小型化铷原子频标的腔泡系统，其微波腔筒由高磁导率材料制作，微波腔筒套装有加热筒，在加热筒的抽运光入射端口还装有把铷光谱灯所发的光线汇聚后透射到微波腔内的凸透镜，C场线圈直接绕制在置于微波腔筒和吸收泡之间的介质筒上，且滤光泡的尾部尖头集中于泡端圆形平面的中心，吸收泡尾部尖头集中于泡端圆形平面的边缘，光电池和阶跃二极管固联在可移动固定的腔端盖内壁端面上。该发明腔内无机械调节杆，以腔内倍频方式，采用圆柱形TE111模式、填充介质方法摒弃了现有技术磁屏筒的复杂结构，减小了腔泡系统体积。在加热筒抽运光入射端口加装凸透镜增大抽运光光强，确保了腔泡系统性能。腔频微调采用移动光电组件，调试方便且不会引起场形畸变。

周忠石等(周忠石，王亮，郭鹏翔，铷原子频率标准的小型化研究，宇航计测技术，2002，22(1)：1-6)报道了有关铷原子频率标准的小型化研究。

余钫等(余钫，金鑫，管妮娜，高军毅，盛荣武，一种小型化铷光谱灯的设计，宇航计测技术，2008，28(1)：13-16)报道了一种小型化铷光谱灯的设计。

涂建辉等(涂建辉，李冠斌，达道安，杨炜，铷光谱灯老化过程分析，真空与低温，2006，12(3)：173-175)报道了铷光谱灯老化过程分析的研究。

曾媛等(曾媛，赵峰，吴汉华，钟达，安绍锋，梅刚华，气泡型铷原子频标光谱灯优化设计，波谱学杂志，2004，21(3)：345-350)报道了气泡型铷原子频标光谱灯优化设计的研究

发明内容

本发明的目的在于针对现有的铷灯所存在的体积大、功耗高、不方便携带等缺点，提供一种体积较小、功耗较低和便于携带的芯片式铷灯。

本发明为三层结构，从上至下设有上层玻璃片、中层硅片和下层硅片，在中层硅片中央设有一个通孔，在通孔的一边上设有沟道，通孔经沟道与外部连通，在下层硅片底面设有电感线圈，电感线圈两端分别设有接头，两接头外接射频电源；将上层玻璃片、中层硅片与下层硅片上表面键合成一片芯片，中层硅片中央的通孔与上层玻璃片和下层硅片之间构成的腔体内充入铷-87与惰性气体。