[发明专利]一种用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔

说明书

一种用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔，装置包括由上盖和下盖连接而成的腔体、设置在该腔体内的圆柱形波导和上盖、下盖和圆柱形波导之间的环形自由空间区域内的微波隔离块组成。本发明在圆柱形波导的基础上，采用重入式谐振腔的结构和双侧耦合方式，具有中心轴线区域微波场均匀范围大、易于加工等优点，可以大幅度提高钟跃迁信号的信噪比与频率稳定度。

技术领域

本发明涉及原子频标和微波技术，可应用于小型化和集成化的星载原子钟的原子与微波相互作用过程。

背景技术

在原子频标领域中，无论是热原子还是冷原子，都是利用原子与微波相互作用过程产生鉴频曲线。该鉴频曲线的信噪比和对比度直接决定了频标的稳定度。所以微波腔是原子频标中一个核心组成部分(CPT原子钟除外)。

热原子频标，通常是在高真空环境下，以锁定在特定频率处的激光作为泵浦光，将激发态的原子泵浦到基态，然后与微波相互作用，最后经探测光探测得到鉴频曲线。而冷原子频标，可以使用磁光阱(MOT)、漫反射激光冷却(注入冷却光)等方法，将原子在被泵浦到基态之前迅速冷却下来，之后再与微波相互作用。

目前原子频标中应用最广泛的微波腔结构主要有两种：一种是圆柱形微波腔，可以看作是在一段圆柱形波导两端加上金属端盖组成的。通常选用TE₀₁₁模式作为原子钟的工作模式，该模式的电场虽然绕腔轴线呈圆周闭合状态，磁场没有圆周方向的分量，但是该模式的磁场均匀区域主要集中在腔体中心区域，上下两端磁场变化梯度大，均匀性差。最终导致在相互作用过程中，位于上、下两端位置处的原子所感受到微波功率大小不一致，恶化鉴频曲线。

另一种是球形微波腔，微波能量的传输路径是一组沿着球形外壁的曲面。相对于圆柱形微波腔，球形微波腔具有较为复杂的外形，机械加工难度大，场型分布不易控制、微波场均匀范围较小。

发明内容

本发明将基于上述圆柱形微波腔，提出了一种重入式微波腔的构想，并对腔内的磁场分布进行了数值模拟。沿微波腔中心轴线的剖面内的磁场分布参见附图7。可以看出，在这种重入式微波腔中，磁场均匀范围主要集中在微波腔中心轴线区域，且磁场在上下两端变化梯度小。

由于原子钟将位于中心轴线区域的原子与微波相互作用过程的吸收信号作为钟跃迁信号，那么利用这种重入式结构的均匀性分布，可以有效提高钟跃迁信号的信噪比和频率稳定度。并且，这种重入式结构还具有易加工，谐振频率易调节等优点。

本发明的结构方案如下：

一种用于星载原子钟的重入式均匀场微波腔，其特征在于，包括由上盖和下盖连接而成的腔体和设置在该腔体内的圆柱形波导，所述的上盖、下盖和圆柱形波导之间的环形间隙构成自由空间区域，在该自由空间区域内放置有微波隔离块；

在所述的上盖的上端面中心设有一根具有上盖通光孔的上截止波导，在所述的下盖底面中心设有一根具有下盖通光孔的下截止波导，所述的上盖通光孔与下盖通光孔的大小相同，所述的上截止波导、圆柱形波导和下截止波导同轴，且由上至下形成重入式微波腔；

在所述的圆柱形波导的侧壁半高处关于圆柱形波导的中轴线对称地开设有两个长条形通孔；在所述的腔体外壁上固定有耦合天线，该耦合天线将外部微波信号耦合进自由空间区域，再通过所述的长条形通孔将微波信号耦合进微波腔内部；

所述的上盖、下盖、圆柱形波导和微波隔离块由无氧铜、铝合金或者钛合金金属材料制成；微波腔的直径和高度的比为1:1，微波谐振点工作在TE₀₁₁模式；

所述的下盖的下边沿向外纵向均匀地延伸出三个支撑把手，支撑把手下端有固定孔，可水平地将微波腔固定在安装底座上；

在所述的下盖上的下截止波导周缘均匀地设有四个冷却通光孔，冷却光通过冷却通光孔入射到微波腔内；