[发明专利]一种铯束原子钟用光收集器及铯束原子钟

说明书

本发明公开了一种铯束原子钟用光收集器及一种铯束原子钟，其中铯束原子钟用光收集器包括外壳、光窗筒、凸透镜光窗、发光二极管和磁屏蔽层，其中：外壳为立方体形状，磁屏蔽层覆盖在光收集器外壳的六个面；外壳的两个相对的侧面各开有一个光路孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的光路孔；外壳的另两个相对的侧面各开有一个原子束孔，覆盖该另两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的原子束孔；光收集器外壳的顶面开有光采集孔，覆盖该顶面的磁屏蔽层也相应的开有光采集孔；凸透镜光窗安装在光窗筒下部，发光二极管安装在光窗筒中。

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其涉及一种铯束原子钟用光收集器及铯束原子钟。

背景技术

原子钟是一种利用原子的跃迁作为标准的计时装置。它是目前最精确的时间和频率标准，因而其应用范围极其广泛：从精密的基础科学测量，如物理常数测定、理论物理验证，到直接服务于人们日常生产生活的工程应用，如全球导航卫星系统等。光检测铯束原子钟具有准确度高、长期稳定性好等特点，是建立和保持高精度、高稳定度守时系统的核心设备，在守时、授时、通信、电力、时频计量等领域有着广泛的应用。随着技术的发展，对光检测铯束原子钟的性能及各项指标都提出了更高的要求，而能否通过有效的方法提高光检测铯原子钟荧光收集效率对提高光检测铯原子钟的性能指标十分关键。现有光收集器的主要问题在于：(1)现有光收集器的收集效率约为36％，光收集器和光电管之间的距离使其收集效率受到明显影响，部分荧光由于光路本身的发散不能到达光电管；(2)光收集器尺寸结构不合理，不能最大程度收集荧光，需要进行优化设计。另一方面，铯原子钟作为一级频标，长期稳定度的好坏是评价铯原子钟优劣最重要的指标。对现有的商用小型光抽运型铯束原子钟及磁选态-光检测型铯束原子钟，影响长期稳定度的主要问题在于：由抽运光和检测光引起的散射光和荧光不可忽略，导致铯原子的光频移较大，使得长期稳定度劣化。

为此，本发明提出一种铯束原子钟用光收集器及铯束原子钟，能够提高荧光收集效率，同时降低光频移干扰，提高了铯束原子钟的长期稳定性。

发明内容

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种铯束原子钟用光收集器，包括外壳、光窗筒、凸透镜光窗、发光二极管和磁屏蔽层，其中：外壳为立方体形状，磁屏蔽层覆盖在光收集器外壳的六个面；外壳的两个相对的侧面各开有一个光路孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的光路孔；外壳的另两个相对的侧面各开有一个原子束孔，覆盖该另两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的原子束孔；光收集器外壳的顶面开有光采集孔，覆盖该顶面的磁屏蔽层也相应的开有光采集孔；凸透镜光窗安装在光窗筒下部，发光二极管安装在光窗筒中。

所述的光收集器，其中：凸透镜光窗与光窗筒真空钎焊密封，发光二极管紧挨凸透镜光窗并设置在凸透镜光窗上部；光窗筒固定在光收集器外壳的顶面的磁屏蔽层上，凸透镜光窗紧贴光采集控设置，凸透镜光窗的轴线与光采集孔的中心线同轴设置。

所述的光收集器，其中：凸透镜直径略大于光采集孔直径。

所述的光收集器，其中：凸透镜的中心厚度为4mm；光采集孔直径为13mm，凸透镜的直径为15mm。

一种铯束原子钟，包括铯束管，铯炉，选态磁铁，微波腔，光收集器，伺服电路，光电探测器，激光器和激光频率锁定环路，其中：铯炉，选态磁铁，微波腔安装在铯束管中，光收集器安装在铯束管上，所述光收集器是如上之一所述光收集器。

所述的铯束原子钟，其中：原子经过铯炉喷出，经过选态磁体选态；选态后原子进入微波腔，与微波发生两次相互作用，实现原子跃迁；跃迁后的原子进入检测区，激光器出射激光通过激光频率锁定环路实现频率锁定后，进入光收集器与原子相互作用并产生荧光，光电探测器检测到被光收集器汇聚的荧光并转换为电信号，经过伺服电路解调出误差信号来反馈控制微波频率。

所述的铯束原子钟，包括脉冲光时序控制开关，其中：激光器出射激光经过脉冲光时序控制开关，生成为预定周期和占空比的脉冲光，之后再打入光收集器所在的光收集区。