[发明专利]一种芯片原子钟的微型物理系统

说明书

技术领域

本发明涉及原子钟领域。更具体地，涉及一种芯片原子钟的微型物理系统。

背景技术

原子钟是一种利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的精密时间计量仪器，广泛应用于定位、导航、通信、军事等多个领域。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等，原子钟的精度可以达到每2000万年误差1秒，这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

其中，芯片原子钟(Chip Scale Atomic Clock，CSAC)由于体积小、重量轻、功率消耗小等优点，在便携式低能耗的守时定时和导航领域内具有广泛的应用前景。芯片原子钟功能的实现，主要依赖于其内部的微型物理系统。对于现有的芯片原子钟的微型物理系统而言，其中的MEMS原子腔的制作工艺无法满足漏气率的要求，限制了芯片原子钟的使用寿命。

因此，需要提供一种结构紧凑、气密性高的芯片原子钟的微型物理系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种芯片原子钟的微型物理系统，以解决现有的微型物理系统气密性低、寿命短的问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种芯片原子钟的微型物理系统，包括磁屏蔽外壳、核心组件和由磁屏蔽外壳与核心组件围成的缓冲气体腔，其中

磁屏蔽外壳，包括磁屏蔽桶及用于密封磁屏蔽桶的磁屏蔽底座；

核心组件，设置于磁屏蔽外壳内部，包括依次设置的光源单元、光路单元和原子腔单元，原子腔单元包括MEMS原子腔，MEMS原子腔内充有铷原子和缓冲气体；及

缓冲气体腔，充入与MEMS原子腔内相等压强的缓冲气体。

可选的，磁屏蔽桶与磁屏蔽底座采用真空金属焊接工艺进行密封。

磁屏蔽桶的高度与内部核心组件相匹配，核心组件的顶部通过强力胶与磁屏蔽桶相连，保证微型物理系统内部的机械结构坚固可靠，满足抗振动和冲击要求。

可选的，光源单元包括激光器、第一微加热器和空间支架，其中

激光器，为垂直腔面发射激光器，粘接于第一微加热器上，用于发出线偏振激光；

第一微加热器，粘接于磁屏蔽底座上，用于产生热量并将热量传递至激光器；

空间支架，为绝热塑料聚乙烯材料，粘接于第一微加热器上，用于为线偏振激光提供自由空间，使激光发散至预定光斑大小。

激光器粘接于第一微加热器上，使第一微加热器的热量能迅速地传递到激光器上，提高温控灵敏度；第一微加热器通过绝热胶与磁屏蔽底座粘接在一起，减小了第一微加热器的热量通过磁屏蔽底座散失；空间支架采用绝热塑料聚乙烯材料，减少了热传导的热量散失；激光器的温度可通过自带的热敏电阻进行采集。

可选的，光路单元包括沿线偏振光方向设置的透镜、隔热层和波片，其中

透镜，粘接于空间支架上，形成将激光器封闭在内部的封闭空间，用于将发散的线偏振光会聚为平行光；

隔热层，粘接于透镜和波片之间，用于隔绝激光器与MEMS原子腔中间的温控干扰；

波片，用于将线偏振光转换为圆偏振光。

透镜粘接在空间支架上，形成包括激光器在内部的封闭空间，减小气体流动的热量散失；隔热层处于透镜和波片之间，隔绝激光器与MEMS原子腔的温控干扰，使激光器和MEMS原子腔可以完全独立地控温。

可选的，原子腔单元还包括磁场线圈、第二微加热器、光电探测器和热敏电阻，MEMS原子腔设置于磁场线圈内部，磁场线圈和第二微加热器沿沿圆偏振光方向粘接，光电探测器和热敏电阻粘接于第二微加热器远离磁场线圈一侧表面，其中

MEMS原子腔，采用阳极键合工艺且内部充有铷87原子和缓冲气体，用于与圆偏振光作用得到原子吸收谱和CPT共振谱线；

磁场线圈，用于在MEMS原子腔内产生恒定的均匀磁场；

第二微加热器，用于产生热量并将热量传递至MEMS原子腔；

光电探测器，用于探测透射的激光强度信息并转换为电流信号，输出至外部电路系统进行信号检测，进行芯片原子钟的锁定；

热敏电阻，用于采集温度信号并基于温度信号控制MEMS原子腔的温度。