一种用于便携式原子钟的光学系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于便携式原子钟的光学系统，该光学系统包括VCSEL激光器、透镜、四分之一波片、热敏电阻测量电路、PID控制电路、TEC组件和光电探测器；所述VCSEL激光器依次与所述热敏电阻测量电路、所述PID控制电路和所述TEC组件电连接；所述VCSEL激光器和所述四分之一波片分别设置于所述透镜的两侧，所述四分之一波片的远离所述透镜的一侧设置有所述光电探测器；所述VCSEL激光器、所述透镜、所述四分之一波片和所述光电探测器位于同一直线上。本发明提供的光学系统具有小型化、低功耗的优点，其体积小于10ml，其功耗小于6mW，且所述光学系统能够用于便携式原子钟。
【专利说明】一种用于便携式原子钟的光学系统及其控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及原子钟【技术领域】，特别涉及一种用于便携式原子钟的光学系统及其控 制方法。
【背景技术】
[0002] 在当代科技中，准确的时间频率计量是卫星导航定位和网络信息化的基础。原子 钟作为目前最为精确的时间频率源头，在各科技领域中具有不可替代的核心作用。随着技 术水平的不断进步，对于便携式的低能耗、小型化的原子钟的需求愈发迫切。在当前的便携 式新型原子钟【技术领域】，离子微波钟和CPT (Coherent Population Trapping)原子钟是最 重要的两个研究方向。
[0003] 与其他传统原子钟相比，离子微波钟具有不可比拟的优越性。在卫星导航及空间 站的应用上，国内外常用的星载铷钟的体积通常都大于或等于3L，与之相比，离子微波钟的 频率稳定度和频率准确度都比星载铷钟高1-2个数量级。CPT原子钟是基于原子的相干布 居囚禁原理而设计的一种新型原子钟，其工作机理不同于传统的氢、铷、铯等原子钟，其物 理实体部分不需要微波谐振腔，是当今在原理和技术上可以实现最小体积和最低能耗的原 子钟。由于CPT原子钟自身具有独特的优势，其不仅可以满足卫星导航系统地面高端接收 机的需求，而且可以在远程通讯系统定时、大范围通讯网络同步和精确定位等【技术领域】得 到非常广泛的应用。由于传统光电系统的体积较大，功耗较高，传统光电系统已经无法完全 满足便携式原子钟的要求。
[0004] 因此，为了实现小型化、低功耗、高性能的便携式原子钟，如何实现小型化、低功耗 的光学系统已经成了本领域技术人员亟待解决的技术问题。目前，非常需要一种用于便携 式原子钟的光学系统，且该光学系统为小型化、低功耗的光学系统。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的之一是针对现有技术的上述缺点，提供一种用于便携式原子钟的光 学系统。
[0006] 本发明的目的之二是针对现有技术的上述缺点，提供一种用于便携式原子钟的光 学系统的控制方法。
[0007] 本发明提供的用于便携式原子钟的光学系统包括VCSEL激光器、透镜、四分之一 波片、热敏电阻测量电路、PID控制电路和TEC组件；
[0008] 所述VCSEL激光器依次与所述热敏电阻测量电路、所述PID控制电路和所述TEC 组件电连接；所述VCSEL激光器和所述四分之一波片分别设置于所述透镜的两侧，所述四 分之一波片的远离所述透镜的一侧设置有光电探测器；所述VCSEL激光器、所述透镜、所述 四分之一波片和所述光电探测器位于同一直线上；
[0009] 所述VCSEL激光器用于产生线偏振激光束；所述热敏电阻测量电路用于测量所述 VCSEL激光器的温度并将测量得到的温度信号发送至所述PID控制电路；所述PID控制电 路用于接收到来自所述热敏电阻测量电路的温度信号后生成温度控制信号并将该温度控 制信号发送至所述TEC组件；所述TEC组件用于接收到来自所述PID控制电路的温度控制 信号后生成驱动电流并将该驱动电流发送至所述VCSEL激光器，以控制所述VCSEL激光器 的工作温度；
[0010] 所述透镜用于使来自所述VCSEL激光器的线偏振激光束通过所述透镜后形成准 直线偏振激光束；所述四分之一波片用于使来自所述透镜的准直线偏振激光束通过所述四 分之一波片后形成准直圆偏振激光束。
[0011] 优选地，所述VCSEL激光器的工作波长为795nm。
[0012] 优选地，所述VCSEL激光器的功耗为4mW，其体积为3ml。
[0013] 优选地，所述VCSEL激光器的工作温度为70°C。
[0014] 本发明提供的用于便携式原子钟的光学系统的控制方法采用所述的用于便携式 原子钟的光学系统，该控制方法包括如下步骤：
[0015] 利用VCSEL激光器产生线偏振激光束，该线偏振激光束向透镜传输；来自VCSEL激 光器的线偏振激光束通过透镜后形成准直线偏振激光束，该准直线偏振激光束向四分之一 波片传输；来自透镜的准直线偏振激光束通过四分之一波片后形成准直圆偏振激光束，该 准直圆偏振激光束向光电探测器传输；
[0016] 利用光电探测器接收通过四分之一波片的准直圆偏振激光束并探测；
[0017] 利用热敏电阻测量电路根据热敏电阻的阻值变化测量VCSEL激光器的温度并将 测量得到的温度信号发送至PID控制电路；
[0018] PID控制电路接收到来自热敏电阻测量电路的温度信号后生成温度控制信号并将 该温度控制信号发送至TEC组件；
[0019] TEC组件接收到来自PID控制电路的温度控制信号后生成驱动电流并将该驱动电 流发送至VCSEL激光器，以控制VCSEL激光器的工作温度。
[0020] 本发明具有如下有益效果：
[0021] 本发明提供的光学系统具有小型化、低功耗的优点，其体积小于10ml，其功耗小于 6mW，且所述光学系统能够用于便携式原子钟。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明实施例提供的用于便携式原子钟的光学系统的示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图及实施例对本发明的
【发明内容】
作进一步的描述。
[0024] 如图1所示，本实施例提供的用于便携式原子钟的光学系统包括VCSEL(垂直 共振腔表面放射激光，Vertical Cavity Surface Emitting Laser)激光器1、透镜2、 四分之一波片3、热敏电阻测量电路4、PID(比例积分微分，Proportion Integration Differentiation)控制电路 5、TEC (半导体致冷器，Thermoelectric Cooler)组件 6 和光 电探测器7。
[0025] VCSEL激光器1依次与热敏电阻测量电路4、PID控制电路5和TEC组件6电连接。 VCSEL激光器1和四分之一波片3分别设置于透镜2的两侧，四分之一波片3的远离透镜2 的一侧设置有光电探测器7。VCSEL激光器1、透镜2、四分之一波片3和光电探测器7位于 同一直线上。
[0026] VCSEL激光器1用于产生线偏振激光束。热敏电阻测量电路4用于根据热敏电阻 的阻值变化测量VCSEL激光器1的温度并将测量得到的温度信号发送至PID控制电路5。 PID控制电路5用于接收到来自热敏电阻测量电路4的温度信号后生成温度控制信号并将 该温度控制信号发送至TEC组件6。TEC组件6用于接收到来自PID控制电路5的温度控 制信号后生成驱动电流并将该驱动电流发送至VCSEL激光器1，以控制VCSEL激光器1的工 作温度。
[0027] 透镜2用于使来自VCSEL激光器1的线偏振激光束通过透镜2后形成准直线偏振 激光束。四分之一波片3用于使来自透镜2的准直线偏振激光束通过四分之一波片3后形 成准直圆偏振激光束。光电探测器7用于接收通过四分之一波片3的准直圆偏振激光束。
[0028] 优选地，VCSEL激光器1的工作波长为795nm。优选地，VCSEL激光器1的功耗为 4mW，其体积为3ml。优选地，VCSEL激光器1的工作温度为70°C。
[0029] 本实施例提供的用于便携式原子钟的光学系统的控制方法包括如下步骤：
[0030] S1 :利用VCSEL激光器1产生线偏振激光束，该线偏振激光束向透镜2传输；来自 VCSEL激光器1的线偏振激光束通过透镜2后形成准直线偏振激光束，该准直线偏振激光束 向四分之一波片3传输；来自透镜2的准直线偏振激光束通过四分之一波片3后形成准直 圆偏振激光束，该准直圆偏振激光束向光电探测器7传输；
[0031] S2 :利用光电探测器7接收并探测通过四分之一波片3的准直圆偏振激光束；
[0032] S3 :利用热敏电阻测量电路4根据热敏电阻的阻值变化测量VCSEL激光器1的温 度并将测量得到的温度信号发送至PID控制电路5 ;
[0033] S4 :PID控制电路5接收到来自热敏电阻测量电路4的温度信号后生成温度控制 信号并将该温度控制信号发送至TEC组件6 ;
[0034] S5 :TEC组件6接收到来自PID控制电路5的温度控制信号后生成驱动电流并将 该驱动电流发送至VCSEL激光器1，以控制VCSEL激光器1的工作温度。
[0035] 本实施例提供的光学系统具有小型化、低功耗的优点，其体积小于10ml，其功耗小 于6mW，且所述光学系统能够用于便携式原子钟。
[0036] 应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的 而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记 载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【权利要求】
1. 一种用于便携式原子钟的光学系统，其特征在于，该光学系统包括VCSEL激光器、透 镜、四分之一波片、热敏电阻测量电路、PID控制电路、TEC组件和光电探测器； 所述VCSEL激光器依次与所述热敏电阻测量电路、所述PID控制电路和所述TEC组件 电连接；所述VCSEL激光器和所述四分之一波片分别设置于所述透镜的两侧，所述四分之 一波片的远离所述透镜的一侧设置有所述光电探测器；所述VCSEL激光器、所述透镜、所述 四分之一波片和所述光电探测器位于同一直线上； 所述VCSEL激光器用于产生线偏振激光束；所述热敏电阻测量电路用于根据热敏电阻 的阻值变化测量所述VCSEL激光器的温度并将测量得到的温度信号发送至所述PID控制电 路；所述PID控制电路用于接收到来自所述热敏电阻测量电路的温度信号后生成温度控制 信号并将该温度控制信号发送至所述TEC组件；所述TEC组件用于接收到来自所述PID控 制电路的温度控制信号后生成驱动电流并将该驱动电流发送至所述VCSEL激光器，以控制 所述VCSEL激光器的工作温度； 所述透镜用于使来自所述VCSEL激光器的线偏振激光束通过所述透镜后形成准直线 偏振激光束；所述四分之一波片用于使来自所述透镜的准直线偏振激光束通过所述四分之 一波片后形成准直圆偏振激光束。
2. 根据权利要求1所述的用于便携式原子钟的光学系统，其特征在于，所述VCSEL激光 器的工作波长为795nm。
3. 根据权利要求1所述的用于便携式原子钟的光学系统，其特征在于，所述VCSEL激光 器的功耗为4mW，其体积为3ml。
4. 根据权利要求1所述的用于便携式原子钟的光学系统，其特征在于，所述VCSEL激光 器的工作温度为70°C。
5. -种用于便携式原子钟的光学系统的控制方法，该控制方法采用权利要求1-4任一 项所述的用于便携式原子钟的光学系统，其特征在于，该控制方法包括如下步骤： 利用VCSEL激光器产生线偏振激光束，该线偏振激光束向透镜传输；来自VCSEL激光器 的线偏振激光束通过透镜后形成准直线偏振激光束，该准直线偏振激光束向四分之一波片 传输；来自透镜的准直线偏振激光束通过四分之一波片后形成准直圆偏振激光束，该准直 圆偏振激光束向光电探测器传输； 利用光电探测器接收通过四分之一波片的准直圆偏振激光束并探测； 利用热敏电阻测量电路根据热敏电阻的阻值变化测量VCSEL激光器的温度并将测量 得到的温度信号发送至PID控制电路； PID控制电路接收到来自热敏电阻测量电路的温度信号后生成温度控制信号并将该温 度控制信号发送至TEC组件； TEC组件接收到来自PID控制电路的温度控制信号后生成驱动电流并将该驱动电流发 送至VCSEL激光器，以控制VCSEL激光器的工作温度。
【文档编号】G04F5/14GK104090482SQ201410363741
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】石凡, 杨仁福, 年丰, 崔永顺, 张振伟, 赵环, 王暖让, 杨春涛, 葛军, 杨于杰, 冯克明 申请人:北京无线电计量测试研究所