一种铯cpt原子钟物理系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及CPT磁力仪技术领域，尤其涉及一种以铯为工作原子的CPT原子钟的物理系统。
【背景技术】
[0002]随着CPT物理现象发现和应用，出现了 CPT原子钟、CPT陀螺仪、CPT磁力仪等量子技术。被动型CPT原子钟不需要微波谐振腔，由于没有微波谐振腔的尺寸限制，可实现原子钟的微型化、乃至芯片化，组成包括电路和物理两个部分，电路部分包括激光波长锁定电路、阻抗匹配模块、微波锁定电路和系统控温等；物理系统包括VCSEL激光器、准直透镜组件、1/4波片组件和原子共振吸收腔等。
[0003]微型CPT原子钟在卫星平台和有效载荷方面可以替代石英晶体振荡器，小卫星/微小卫星平台可以以微型CPT原子钟为核心，构建时钟单元和有效载荷的时间频率源，提高小卫星/微小卫星的时间同步、时差/频差测量、测距、测速和通信等能力。
【发明内容】
[0004]有鉴于此，本发明提供了一种铯CPT原子钟物理系统，采用模块化设计，实现微波阻抗匹配装置与VCSEL激光器地一体化封装设计，完成了 VCSEL激光器组件、准直透镜组件和原子共振吸收腔组件地微型化设计。
[0005]一种铯CPT原子钟物理系统，包括机壳(1)以及在机壳(1)内部顺次排布的激光器组件、准直透镜组件和原子共振腔组件，其中，定义激光器组件一侧为后端，原子共振腔组件一侧为前端；
[0006]所述激光器组件包括VCSEL激光器(3)、阻抗匹配模块(22)以及两个固定支架；所述两个固定支架中的前固定支架(5)固定在所述机壳(1)内壁上，所述VCSEL激光器(3)固定在前固定支架(5)内，所述两个固定支架中的后固定支架(2)从VCSEL激光器(3)后端一侧固定在前固定支架(5)上，实现所述VCSEL激光器(3)的封装固定；所述阻抗匹配模块(22)固定在所述后固定支架(2)的后端面上，并通过后端面的开孔与VCSEL激光器(3)连接；
[0007]所述准直透镜组件包括准直透镜支架￠)、微透镜组(7)、管壳(8)以及紧固螺杆
(9);所述微透镜组(7)置于管壳(8)内部，所述紧固螺杆(9)从一端装进所述管壳(8)中，并对微透镜组(7)进行固定；组装后的所述管壳(8)连接在准直透镜支架(6)上；所述准直透镜支架(6)固定在所述机壳(1)的内壁上，且所述VCSEL激光器(3)光轴与微透镜组
[7]光轴共轴；
[0008]所述原子共振腔组件包括原子共振吸收腔屏蔽壳(12)、1/4波片(13)、波片支架
(14)、MEMS气室(17)、C场线圈(18)、MEMS气室磁屏蔽层(19)、光电探测器(20)以及MEMS气室支架(21);
[0009]所述MEMS气室支架(21)为空腔结构，空腔内壁具有凸沿；所述MEMS气室(17)从MEMS气室支架(21) —端嵌入其内部后，与所述凸沿一侧固定；所述光电探测器(20)从MEMS气室支架(21)另一端嵌入其内部后，与所述凸沿另一侧固定；所述C场线圈(18)缠绕在MEMS气室支架(21)的外表面上，完成MEMS气室支架(21)的装配；
[0010]装配好的所述MEMS气室支架(21)固定在所述原子共振吸收腔屏蔽壳(12)内，其中，MEMS气室(17)朝向所述微透镜组(7) —侧；所述1/4波片(13)通过波片支架(14)固定在所述原子共振吸收腔屏蔽壳(12)内的MEMS气室(17)后端；
[0011]所述MEMS气室支架(21)的外围设置有MEMS气室磁屏蔽层(19)。
[0012]较佳的，阻抗匹配模块(22)与VCSEL激光器(3)的引脚焊接在一起。
[0013]较佳的，所述管壳(8)通过前后可调的方式连接在所述准直透镜支架(6)上。
[0014]较佳的，所述管壳(8)通过螺纹与所述准直透镜支架(6)连接。
[0015]进一步的，还包括设置在MEMS气室支架(21)与波片支架(14)之间的MEMS气室垫片(16)。
[0016]进一步的，还包括波片垫片(11)，与1/4波片(13) —同固定于波片支架(14)内。
[0017]所述MEMS气室(17)采用Cs133为工作原子。
[0018]所述MEMS气室磁屏蔽层(19)外表面设置MEMS气室(17)的保温加热层(15)。
[0019]所述MEMS气室磁屏蔽层(19)为与所述MEMS气室支架(21)外轮廓对应的空腔，朝向1/4波片(13)的侧面上开有允许激光通过的开孔。
[0020]本发明具有如下有益效果:
[0021](1)本发明采用模块化设计，实现VCSEL激光器、光路部分和原子共振吸收系统集成封装，各模块间相互独立，物理系统组装简单、便于生产调试；准直透镜组件采用若干个微透镜组合，相比传统准直透镜，实现了准直透镜焦距可调整，增加了准直透镜组件灵活性和调整范围；VCSEL激光器组件实现了与阻抗匹配模块的集成，减小了微波信号的传输损耗，简化了阻抗匹配电路的设计与调整；
[0022](2)采用Cs133为原子气室工作原子，由于Cs 133具有较高的饱和蒸汽压，可采用微小型薄膜加热器对MEMS原子气室支架加热，实现加热装置的微小型和低功耗；Cs133基态能级裂距大于Rb87、Rb85，采用Cs133为工作原子的CPT原子钟可以得到更高的稳定度。
【附图说明】
[0023]图1为本发明的铯CPT原子钟物理系统的结构图。
[0024]图2为MEMS气室支架、MEMS气室以及光电探测器的组装结构图。
[0025]图3为1/4波片、波片支架以及波片垫片的组装结构图。
[0026]图4(a)为MEMS气室磁屏蔽层的结构示意图中的正视图。
[0027]图4(b)为MEMS气室磁屏蔽层的结构示意图中的D_D剖面图。
[0028]其中，1 一机壳、2—后固定支架、3—VCSEL激光器、5—前固定支架、6—准直透镜支架、7—微透镜组、8—管壳、9 一紧固螺杆、11 一波片垫片、12—原子共振吸收腔屏蔽壳、13—1/4波片、14一波片支架、15—保温加热层、16—MEMS气室垫片、17—MEMS气室、18—C场线圈、19一MEMS气室磁屏蔽层、20—光电探测器、21—MEMS气室支架、22—阻抗匹配模块。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0030]如图1所述，为铯CPT原子钟物理系统整体剖面，物理系统包括VCSEL激光器组件、准直透镜组件和原子共振吸收腔。
[0031]1.VCSEL激光器组件:
[0032]VCSEL激光器组件由后固定支架2、VCSEL激光器3、前固定支架5和阻抗匹配模块22组成；前固定支架5固定在机壳1内壁上；VCSEL激光器3装入前固定支架5内；用螺钉将后固定支架2从VCSEL激光器3后端一侧固定在前固定支架5上，实现VCSEL激光器3的封装。阻抗匹配模块22固定在所述后固定支架2的后端面上，并通过后端面的开孔与VCSEL激光器3的正、负引脚连接在一起；阻抗匹配模块22与VCSEL激光器3的采用焊接方式连接，经过测试再对阻抗匹配模块22集总参数元件及微带线进行迭代化调整。由此，完成激光器组件与物理系统的机壳1地固定安装。其中，VCSEL激光器3用