[发明专利]具有复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟

说明书

本发明提供一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室的铷原子钟，其中，原子气室是一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，包括玻璃外壳和填充在玻璃外壳内的介质，所述玻璃外壳内还设置多个由玻璃壁构造的以密集复眼式堆叠的微原子气泡，所述微原子气泡内填充铷原子和缓冲气体。本发明通过以多泡结构构建的整体取代单泡原子气室起到平衡碱金属原子气室的温度漂移和压力频移的作用，从而有效解决铷原子频标由于铷吸收泡温度和压力变化对其长期频率稳定度指标的制约。本发明的铷原子钟能够解决国际上长期以来困扰本领域技术人员的因单泡原子气室温度漂移和压力频移影响气泡式铷原子长期频率稳定度的问题。

【技术领域】

本发明涉及原子钟，特别是铷原子钟。具体地，本发明涉及一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟。

【背景技术】

原子钟作为一种非常稳定的频率源，在现代生活中发挥着越来越重要的作用，守时、授时、全球导航定位、网络同步、通讯等领域都离不开原子钟。根据报道，最新研制出的光频原子钟的稳定度达10的负19次方。微波铷原子频标是各类原子频标中发展比较早而成熟的一类。第一台微波铷原子频标诞生于1960年。几年以后，第一台商业化的铷原子频标就出现了，并很快被应用于卫星导航定位。被动型气泡式微波铷原子频标是目前最受重视、应用最广泛的微波原子频标。

被动型气泡式铷原子频标的基本原理是光与微波的双共振，共振状态下的铷原子气室，光透明度随微波频率变化而变化，起量子鉴频的作用。被动型气泡式铷原子频标由光、微波共振物理单元和一个电路单元构成。前者作为频率参考，后者相当于一个频率锁定环路，用以将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理单元的参考频率上。物理系统是其核心部件，相当于整个锁频环路中的量子频率鉴频器。它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线作为量子频率参考，电路部分通过将压控晶体振荡器的输出频率锁定在物理系统的原子共振吸收峰上而获得稳定的频率输出。因此铷原子频标的性能指标主要由物理系统决定，物理单元包括铷抽运光谱灯与铷超精细滤光泡或者泵浦激光与铷吸收泡、微波腔和光电探测器。铷频标中原子信号的信噪比和电路噪声影响短稳和长稳，无规游走噪声影响长稳。无规游走噪声包括铷吸收泡中惰性气体分子的压力频移和碰撞频移，主要来自于原子体系的环境效应，铷吸收泡的温度系数会引起缓冲气体压力频移和铷原子自旋交换的碰撞频移。为了确保铷频标的可靠性和长期稳定性，如果铷吸收泡的温度系数和温度起伏控制在1E-11和1E-12每摄氏度水平，铷频标的稳定度提高到1E-14是可以实现的。

目前气泡型的铷原子频标中采用的铷吸收泡是单泡原子气室，如图3所示，其内部充有碱金属铷原子和缓冲气体，这种结构的铷吸收泡存在两个弊端，一是温度易受外界影响，温度系数不易提高；二是碱金属铷原子向玻璃泡壁的扩散会造成原子气室内气压变化，带来压力频移。这两个问题严重制约铷原子频标长期稳定度的指标的提升空间。几十年来，国内外的铷原子频标的长期频率稳定度研究在持续缓慢优化，但是没有取得突破性的进展。

【发明内容】

本发明的目的在于克服现有技术缺点，针对被动型气泡式微波铷原子频标中由于单泡原子气室存在的缺点，提供一种采用复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟，在保持被动型气泡式铷原子频标体积、重量、功耗、短稳优良特性的基础上，以期提高整机的长稳指标，满足工程任务对被动型气泡式铷原子频标长、短稳兼优的要求。

为了实现上述目的，本发明提供一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构原子气室的铷原子钟，所述铷原子钟包括设置在外磁屏9内的光源、沿所述光源的光路设置的原子气室和光电探测器8，所述原子气室设置在微波腔5内，其中，所述原子气室是一种具有复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室，所述原子气室包括玻璃外壳和填充在玻璃外壳内的介质，其特征在于所述玻璃外壳内还设置多个由玻璃壁构造的以密集复眼式堆叠的微原子气泡，所述微原子气泡内填充铷原子和缓冲气体。

在本发明中，填充在玻璃外壳内的介质可以是真空、铷原子、缓冲气体或缓冲气体和铷原子。通常，当该介质为缓冲气体或缓冲气体和铷原子时，所选用的缓冲气体与微原子气泡内填充的缓冲气体相同。