[发明专利]一种铷频标的双泡微波腔

说明书

技术领域

本发明涉及原子频标技术领域，更具体涉及一种高性能铷频标双泡微波腔，尤其适用于通信、时频计量、导航同步。

背景技术

原子频标作为一种提供高稳定度时间频率信号的设备，是时间频率的核心部件。在众多频标中，铷原子频标以其低功耗、小体积、低价格等特点在通信、导航、计量、电力同步等国民经济领域得到越来越广泛的应用。

随着铷原子频标应用的日益广泛，有关它的研究与改进也不断深化，工作主要围绕提高其性能和小型化两个方面。在众多应用中，战斗直升机、歼击机、预警战斗群等航空平台，对地精密观测等微小型系统和智能无人系统平台对铷原子频标的性能、体积、功耗及环境适应性提出了更高的要求。对高性能小体积的铷原子频标需求日益紧迫。

被动型铷原子频标由物理系统及电子线路两大部分组成，其中物理系统包括光谱灯和微波腔；电子线路包括隔离放大、倍频、混频、伺服等功能模块。物理系统提供量子参考频率，电子线路与物理系统构成一个频率锁定环路，将压控晶体振荡器VCXO的输出频率锁定在铷原子基态能级中的︱F＝2,m_F＝0>和︱F＝1,m_F＝0>之间稳定的跃迁频率上。

物理系统是被动型铷原子频标的核心部件，起到鉴频器的作用，它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线。微波腔的主要作用是为原子的微波共振提供合适的微波场，同时受恒温控制，为滤光泡、吸收泡提供温度恒定的工作环境。C场线圈的作用是产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴，同时通过调节C场电流的大小，改变磁场的强度，微调铷原子频标的输出频率。

为了实现微波信号与⁸⁷Rb的0—0跃迁频率共振以获得共振谱线，最简单的做法是将铷吸收泡放入一个加有弱静磁场的微波谐振腔内，将腔的共振频率调整在⁸⁷Rb基态两超精细能级0—0跃迁频率上，然后通过微波检测装置检测到⁸⁷Rb的吸收谱线。该谱线即可作为铷原子频标中的鉴频谱线。但由于气态⁸⁷Rb粒子数密度小，|F＝2，m_F＝0>和|F＝1，m_F＝0>两能级距离较小，在常温时两能级粒子数差是非常小的，故最终通过这种装置所得到的吸收谱线非常微弱，且气泡中⁸⁷Rb原子的运动和碰撞引起的谱线的增宽也较大，这极大地影响了频标的短期稳定度。

发明内容

为了更好的解决上述存在的不足，本发明的目的是在于提供了一种高性能铷频标双泡微波腔，结构简单，使用方便，提升了抽运光的单色性，增加了光-微波双共振强度，稳定光谱灯光强，减少光频移，提高了铷频标稳定度指标。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施:

一种高性能铷频标双泡微波腔，它包括滤光泡、吸收泡、全反射棱镜，C场绕棒，C场线圈，耦合环，第一光电池a，第二光电池b，介质筒，磁屏筒，腔盖板，阶跃二极管。其特征在于：滤光泡和吸收泡分别处于微波腔的两侧，并固定在介质筒内；C场线圈和C场绕棒固定在介质筒内，耦合环固定在腔盖板上，耦合环一端与阶跃二极管电气连接，耦合环另一端与外部射频信号连接；全反射棱镜固定在耦合环和腔盖板之间，磁屏筒底部一侧开一个比滤光泡直径稍小的孔，让抽运光进入微波腔，抽运光从磁屏筒底部小孔进入，经滤光泡滤光后，再经全反射棱镜反射，光路发生180度改变，垂直射入吸收泡。第一光电池a固定在吸收泡正下方，用于检测通过吸收泡后光强的强弱，从而检测磁共振强度。

所述的C场线圈先固定在C场绕棒上，然后整体固定在介质筒预留的孔内，给微波腔提供了与腔轴线平行的静磁场。此静磁场靠近吸收泡，无需按传统方式将C场线圈绕在介质筒或加热筒上，结构简便，减小了体积。所述的C场绕棒采用聚砜材料制成，此种材料硬度高，温度适应性好。

所述的全反射棱镜固定在耦合环和腔盖板之间，入射光经滤光泡滤光后，形成单色性较好的抽运光，经全反射棱镜反射后，光路变化180度，垂直进入吸收泡，形成光-微波双共振。

所述的介质筒由聚四氟乙烯材料制成，其介质损耗正切值比常用的三氧化二铝陶瓷大，但是本发明提升了抽运光单色性，增加了磁共振强度，提高了信噪比。因此，相比于三氧化二铝陶瓷，聚四氟乙烯增加的介质损耗对性能指标造成的影响可忽略。此外，聚四氟乙烯材料价格比三氧化二铝陶瓷便宜很多，工作范围宽，化学性质稳定，易于加工。

所述的全反射棱镜位于滤光泡上方一侧涂覆半反射半透射薄膜。