专利名称：超小型微波腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种量子频率装置，更具体地说，涉及一种用于气室原子频率标准的物理组件，尤其涉及在这种系统中使用的超小型微波腔。
背景技术：
现代通信系统需要极稳定和精确的定时装置，其中总的尺寸，工作温度，功率消耗，重量以及装置的耐用性都是关键参数。在这些应用中使用原子频率标准。
原子频率标准使用原子内的固有谐振，以便走时准确，这是因为和宏观振荡器例如钟摆和石英振荡器相比，固有的原子谐振更稳定，对环境的影响例如温度、压力、湿度、振动，加速度等更不敏感。这种类型的在原子谐振频率下工作的量子机械原子振荡器被用作高度稳定的频率基准，可变频率振荡器的频率，例如石英振荡器可以用电子方式锁定在这个频率基准上，使得这种固有原子谐振的对于环境波动的高度稳定性和相对不敏感性被传递到石英振荡器上。这种固有频率有时被称为“所选择的基准频率”，其应用于量子系统的谐振频率。此处使用的量子系统意味着能够选择地吸收和/或发射所选择的基准频率的微波能量的固体、液体或气体。
原子频率标准通常包括电压控制的振荡器(VCO)和物理组件以及相关的电子电路，所述电子电路用于长期地保持精确而稳定的VCO标准频率。物理组件和相关的电子电路用于使VCO随动于量子系统的所选择的基准频率，借以减少由于振荡器老化和环境的影响而引起的频率漂移。
在其中量子系统包括无源(Rb或Cs)气室的原子频率标准中，物理组件包括用于对气体进行光抽运的光源，位于微波腔内的透明的气室，以及光检测器。微波腔一般用于在大约所选择的基准频率下(即原子谐振频率)把电磁能量注入在透明的室内的原子气体，例如Rb或Cs。微波腔被设计具有基本上等于原子谐振频率的微波谐振频率，以便使在室中的原子气体上注入的电磁场的效果最大。注入的微波电磁场由VCO输出的频率倍增以及合成产生。
在工作时，在透明气室内的原子气体利用来自光源的光被光抽运。注入到微波腔的微波电磁能量和透明的室内的原子相互作用，并以依赖于注入的微波的频率和原子谐振频率之间的差的方式改变通过气室传输的光的强度。所述通过气室传输的光的强度被光检测器检测，并检测强度的改变，以及由光检测器转换成物理组件的电信号输出。因而物理组件提供一个和由VCO的输出合成的注入的微波频率与稳定的原子谐振频率之间的差有关的用于识别电输出信号的频率。
其它类型的具有微波腔的原子频率标准的例子是常规的微波激射器[例如见M.Tetu，等“Experimental Results on a FrequencyStandard Based on a Rubidium 87 Maser”Proceedings of the39th Annual Symposium on Frequency control，pages 64-71(1985)]，和在Aldo Godone，Filipo Levi & Jacques Vanier，“Cogerent Microwave Emission Without PopulationInversioinA New Atomic Frequency Standard”IEEETransactions on Instrumentation andMeasurement，Vol.48，pages 504-507(1999)中说明的一种新型的装置。
因而，物理组件的微波腔部件是原子频率标准的心脏，在该领域中的工作人员一直致力于改进原子频率标准物理组件和腔部件，以便改进其性能和可制造性，而不对其工作带来不利影响。
以前的用于这种用途的腔设计包括TE011和TE111正圆环圆柱微波腔。这些类型的腔，尤其是TE011腔，对于现在的电信设备具有不能接受的大的尺寸。为了减少腔尺寸同时保持用于激发透明室内的原子所需的谐振频率，现有技术的设计一直使用矩形腔。一种这样的结构是在US4495478中所述的局部装载有电介质板的TE101矩形腔。另一种设计是在US4349798披露的以矩形TE021模式工作的在主腔的相对侧具有两个副腔的主腔，所述副腔用于产生吸入的谐振负载。另一种小尺寸的用于气室原子频率标准的微波腔是在US5387881中披露的磁电管型的腔。这种设计使用圆柱形的外壳，具有4个围绕透明室等间距地设置的四分之一圆柱电极(与外壳同轴)，工作于准圆柱TE011模式。
其中使用集中的LC谐振器并产生纵向微波磁场的其它微波腔在本领域中是已知的。这方面的例子包括用于氢微波激射器的腔，如US4123727所述；用于铷频率标准的螺旋谐振器，如EP0330954以及US4947137，5192921所述。这种类型的其它的谐振器有“开口环”(或“环管间隙”或“有槽的管”)谐振器，如在W.N.Hardy和L.A.Whitehead，Review of ScientificInstruments，Vol.52，pages 213-216(1981)，W.Froncisz andJames S.Hyde，Journal of Magnetic Resonance，Vol.47，pages515-521(1982)，US4446429，US4633180中所述。这种类型的谐振器近来被用于铷频率标准中(在joint meeting of Frequency controlSymposium and the European Frequency & Time Forum inBesancon，France in April 1999 by G.H.Mer and H.T.Liu提供的论文“A Miniaturized Microwave Resonator for RubidiumFrequency Standards”。这些集中的LC谐振器基本上以TEM模式工作。
发明概述本发明在其优选实施例中，提供一种极小的和制造成本低的用于原子频率标准的具有微波腔的物理组件，所述微波腔具有利用集中LC装置基本上在TEM模式下被驱动的非关键的尺寸，微波腔的谐振频率主要由集中LC装置确定。在本发明中，微波腔提供由集中LC装置驱动的TEM模式，和腔内的量子系统协作。
本发明的优选实施例是一种改进的基本上在TEM模式下工作的“同轴”腔，其具有在一端和腔壁短路，在另一端和腔壁不接触的中心导体。从概念上说，所述改变可以认为似乎同轴腔的外导体被变形，使其由圆形截面改变为基本上矩形的截面，并似乎中心导体被朝向垂直于其轴线的方向从同轴腔的中心移开。在所述腔和集中LC装置的优选的组合中，构成微波腔的本体承载着一个杆，其延伸进入并局部地跨过微波腔，并且所述的杆承载一个以螺纹穿过它的螺杆，通过旋转所述螺杆，可以调节集中的电感和电容。不过，所述的集中LC装置可以是任何结构或元件的组合，其在所选择的微波基准频率下，提供谐振电感和电容。这种集中LC装置的例子包括，最好是，杆或线，其被导电地和微波腔的壁相连，作为集中电感，并伸入所述腔内，使得在其另一端和相对的腔壁形成一个间隙，作为集中电容；或者是一对杆或线，它们被导电地和相对的壁相连，并从所述的壁延伸，作为集中电感，并在其间形成间隙，作为集中电容，或者利用变容器件作为集中电容。
在本发明的物理组件中，微波腔由导电外壳构成，并且微波腔承载着一个量子系统，在优选的形式中，所述量子系统可以是可以在固有频率下激发的原子或分子气体。导电外壳具有一个或几个开口，使得光能够通过气体导入，然后入射到光检测器上，所述气体被包含在一个光学透明的气室中，还具有集中的LC装置，用于提供基本上位于受激气体的固有谐振频率的微波谐振频率。
光检测器可以位于腔的内部或外部。如果位于腔的内部，这是最好的方式，则光检测器可以被腔壁或者杆承载着。如果位于腔的外部，则必须在腔外壳的壁上提供某种装置或开口，使得光能够通过气室入射到光检测器上。优选的光检测器是在腔内的硅光二极管，使其金属化的后表面直接和腔壁的一部分相邻。
本发明的物理组件还可以包括用于在气室内产生静态磁场(C-场)的装置。C-场的优选的方向垂直于光轴(尽管在常规的量子频率标准中C-场的方向平行于光轴)。由集中LC装置产生的微波磁场可以具有任何方向，但是在气室内的优选的方向垂直于光轴且平行于C-场，因为在这种情况下信号最大，这是由于(场相关的)时钟跃迁的缘故(其发生在两个超精细能级的mF＝0的次能级之间)。
在另一个实施例中，光进入本发明的微波腔，并用这种方式和量子系统相互作用，使得在所述量子系统的所选择的基准频率下产生微波能量。微波能量的一部分利用合适的耦合装置(例如E探针或环)从腔中被除去，并被提供给外部电子设备，所述电子设备用于把VCO的频率锁定到微波辐射的频率上。用这种方式，把VCO的频率锁定到相关的量子系统的固有频率上。在这种类型的装置中，不使用光检测器。
从下面结合附图对本发明的目前认为最好的方式和优选实施例的说明，可以更加清楚地看出本发明的其它特点和优点。
图1是其中可以使用本发明的微波腔的原子频率标准系统的简化示意图；图2是本发明的微波腔的透视图，被局部地剖开以便表示其内部的结构；图3A是图2的微波腔的由平行于图2的XZ平面的平面取的截面图；图3B是图2的微波腔的由平行于图2的XY平面的平面取的截面图；图4是本发明的微波腔的另一个实施例的由平行于微波腔的XZ平面的平面(在所述实施例中其相应于图2所示的X，Z轴)取的截面图；以及图5A-5D是用于帮助使本发明的工作的TEM模式具体化的示意图。
本发明的详细说明本发明提供了一种极小的容易制造的微波腔，其被用于这样的装置中，在所述装置中，量子系统以其精确的所选择的基准频率吸收和发射微波电磁能量。所述量子系统可以是原子或分子气体、液体或固体。本发明的微波腔在这样一种原子频率标准中尤其有用，其中包括含有原子气体例如铷或铯的气室被光源照射，并被“光抽运”，以便利用频率调制的在铷或铯的跃迁频率下的微波能量进行询问，利用伴随光的吸收激发在超精细的级之间的原子的跃迁，所述光的吸收可被检测到从而提供电控制输出。
图1是其中可以使用本发明的微波腔的原子频率标准系统的简化示意图。一般的铷原子频率标准的元件和工作在本领域中是熟知的，因此，这里只进行简要的说明。
如图1所示，这种原子频率标准10包括物理组件13，其最好可以包括本发明的微波腔，所述微波腔如图2-4所示，详细说明如下。原子频率标准10包括可变频率的电压控制的晶体振荡器11(VCXO)，其标准输出频率(例如5或10MHz)响应来自光检测器(图1中未示出)的控制输出信号12a被控制装置12控制，所述光检测器是物理组件13的一部分。物理组件13包括一个含有气体Rb-87的原子的透明的气室(未示出)。在透明气室内的原子由光源14进行光抽运，所述光源可以是铷蒸汽灯14，其被射频振荡器15或激光器激发成为产生等离子放电的光。“铷”光通过物理组件小孔13a并通过透明气室被引导，从而用光抽运气室内的Rb-87原子。
原子频率标准10还包括频率合成器16，其由VCXO11的标准输出频率产生相应于Rb-87的超精细跃迁频率，即6.8344MHz的微波频率，并利用调制发生器17频率调制大约为超精细跃迁频率的微波能量。频率调制的微波能量被提供给物理组件13(在16a)，并利用合成的光吸收引起基态的超精细能级之间的Rb-87原子的跃迁。
当微波能量的频率相应于超精细跃迁频率时，则发生最大光吸收，因而光检测器的输出电流减少。不过，如果微波能量的频率不相应于超精细跃迁频率，则有更多的光通过气室到达光检测器，这使其输出电流增加。因为微波能量16a在超精细频率时控制信号12a的电流输出最小，并且在微波能量16a小于或大于超精细跃迁频率时光检测器的输出电流较大，所以由控制装置12利用控制信号12a把VCXO 11的标准频率输出锁定在物理组件13的气室中的Rb-87的超精细跃迁频率上。
在图1所示的典型的原子频率标准10中，使用恒温器18尽量稳定光源14和物理组件13的温度，以便避免温度变化的影响。此外，一般使用磁场电流控制器电路19提供稳定的磁场，在本领域中称为“C-场”，用于磁偏置在气室中的原子气体并分离原子超精细状态的塞曼能级。
如上所述，本发明的构成谐振微波腔的装置包括具有非关键尺寸的导电的腔形成装置和在所述腔中的集中的LC装置，主要用于产生其微波谐振。本发明的一种优选的微波腔如图2，3A，3B所示，并且这种微波腔的另一个实施例如图4所示。
在图2和图3所示的实施例中，谐振腔20由用于提供导电的腔壁的导电的外壳21构成。在图2，3A，3B所示的实施例中，导电的装置21以正平行六面体的形式构成微波腔20的壁。在图2中没有被切掉的所述腔壁用标号21a-21e表示，壁21f被切掉了，为了表示微波腔20的内部。如上所述，壁21a-21f的尺寸在本发明中是非关键的，因为微波腔的谐振频率主要由集中的LC装置22所决定。
在图2，3A，3B所示的优选实施例中的集中的LC装置22包括导电杆23，其一端和导电装置21的壁21a相连，并沿壁21c的方向局部地延伸跨过腔，在其远端和壁21c之间形成一个在图2和图3A中标号为24的空间表示的间隙。导电杆23可以具有螺纹，并由外壳21中的螺纹孔承载着，从而使得能够调整间隙24，或者如图2，3A，3B所示的实施例中那样，对集中的LC装置22配备第二导电杆25，其被杆23可调整地承载着，使得间隙24能够被调整。在图2，3A，3B所示的实施例中，可调整的导电杆25可以是螺栓或螺栓部分，借助于螺纹由杆23承载着，使得通过转动螺栓25，便可调整其末端和导电装置21的壁21c之间的间隙。
在本发明中，微波腔20的谐振频率主要由在腔内的集中的LC装置22提供的电感和电容决定。本领域的技术人员显然可知，集中LC装置的电感由杆23的尺寸，主要是其长度和直径决定，电容主要由杆23和25的直径以及间隙24的长度决定。在图2-4所示的实施例中，由集中LC装置呈现的谐振以及其电感和电容可以通过调整有螺纹的导电元件25来改变。
微波腔和集中LC装置的优选形式20是基本上以TEM模式工作的改进的同轴腔，在具有一端和腔壁(21a)短路，在另一端不接触腔壁(21c)的中心导体(23)。这种改变使得微波腔能够在对着集中LC装置22相对的腔的末端承载着透明的气室30，如图2-4所示，同时有保持具有非关键的尺寸和在TEM模式下工作的非常理想的特性。
按下述步骤观察这样构成的腔是有帮助的。
1.观察从具有一定长度具有空气电介质的同轴电缆开始，其在两端封闭从而形成腔。在这种配置中，电缆的中心导体在一端对屏蔽短路，其另一端终结在间隙(电容)，如图5A所示。这种装置基本上在TEM模式下工作(同轴电缆的通常的工作模式)，除去在端部之外。在端部具有一些非横向边缘磁场分量，使得稍微脱离纯TEM模式。
2.下一步是通过“挤压”所得的腔使其外屏蔽变形，如图5B所示。这种装置仍然基本上工作在TBM模式下。其可以被这样变形，使得形成腔的外导体的矩形的截面，如图5C所示。
3.最后一步是沿着垂直于中心导体的轴线方向朝向外屏蔽移动腔的中心导体。这得到一种优选形式的腔，其仍然基本上以TEM模式工作。
如图2，3A，4所示，微波腔20可以在光学透明的气室30的一侧包含和承载光检测器31，并且导电的外壳装置21还具有在包括透明气室30和光检测器31的光轴上形成的开口或孔26。光轴基本上和Z轴平行，如图2所示。
被注入的微波能量的磁场分量基本上位于平行于包括X和Y轴的平面的平面内。外部磁场沿着基本上垂直于光的方向通过气室30，所述光的方向基本上是Z轴的方向。此外，可以使在气体被询问的区域的微波磁场比常规TE模式腔情况下的更均匀，借以趋于减少微波功率的敏感性。此外，本发明提供一种具有300到400的高的有负载Q值的小的腔，借以减少为满足工作所需的微波功率的数量。
本发明的微波腔20可以利用C-场线圈(未示出)配备有磁C-场，其可被提供在腔的内部，或者被提供在导电的外壳21的外部，如果导电装置21由非磁的导电材料制成的话。最好是，C-场线圈(或用于提供静磁场的其它装置)提供和微波磁场平行的静磁场，即，使静磁场的磁力线基本上在平行于包括X和Y轴的平面内，使得微波磁场和静磁场位于基本上垂直于光轴(Z轴)的平面内。在这种结构中，光孔的平面将基本上平行于C场的方向，对于小的原子标准，这是非常不寻常的。这种结构将改善气室内的气体的光抽运效率，以及原子频率标准的短期的频率稳定性。本领域的技术人员将能够提供上述的C场装置。
具有平行于光孔26平面并基本上垂直于光轴的C-场的另一个优点在于改善谐振气室30的磁屏蔽。因为在气室30内的原子的基准频率对外部磁场是敏感的(通过塞曼效应)，所以气室30必须用磁屏蔽包围。所述屏蔽可以是腔本身(由相同的材料例如高导磁率合金制成)，如US4661782中教导的，或者是只包围腔的单独的屏蔽，或者是包围光源和腔的屏蔽。所述屏蔽通常具有在光轴上的小孔，使得光可以从光源通过气室。遗憾的是，具有不利影响的磁力线(来自物理组件外部的磁场)可以通过屏蔽中的光孔进入气室。在常规的结构中，其中C-场和光轴平行，这些磁力线趋于和C场代数相加。在本发明中，其中的C-场垂直于光轴，这些磁力线和C-场趋于成直角，因而正交相加，和常规的情况相比，只产生二阶影响。
在本发明中，甚至和C场平行的漏磁分量也趋于产生二阶影响。这是因为这些分量趋于相对于光轴对称，从而增加在一侧上的磁场而减少在另一侧上的磁场。因而，在光轴的一侧上的原子的频率向上移动，而在另一侧上其频率向下移动。对于一阶分量的净的结果是展宽而不是移动合成的原子谱线(其具有来自室中的所有原子的贡献)；即对于一阶，也没有原子谱线的移动。
图3A，3B是图2所示的物理组件的正交的剖面图，图3A是由平行于图2的XZ的平面的平面取的截面图，图3B是由平行于图2的XY平面取的截面图。如图3A和3B所示，微波腔的导电外壳21可以具有在其壁21b中形成的开口，用于接收气室30的分接部分(tip-off portion)30a。图3A还示出了在壁21c中形成的光孔26，以及使光能够沿着包括光检测器31在内的一个或几个光轴通过透明气室30的光孔26的位置。图3A还表示，优选的光检测器31例如硅光二极管的金属化的后表面31a，可以和微波腔的壁21a的一部分直接相邻，并被固定在其上。图3A还表示可以通过有螺纹的螺栓调整的间隙24。在本发明的一些实施例中，变容二极管可以位于间隙24中，基本上用于提供集中LC装置22的可电调谐的集中电容。在这种情况下，则不需要有螺纹的螺杆25。
图3A，B和图4还表示，在外壳装置21的壁21d中可以提供开口27，使得用于注入或抽出微波磁能的装置能够出入微波腔20。这种微波能量耦合装置可以是来自微波频率合成器的E-场探针(或H-场环)，如图1中标号16所示的元件或本领域中已知的其它微波装置。
图4说明本发明的微波腔40的另一种形式。图4的微波腔40和图2，3A，3B的微波腔的区别在于集中LC装置33的形式不同。在图4所示的实施例中，间隙34由杆36，35和37的端部之间的间隙34构成，其主要包括集中LC装置33的集中电容。如图2，3A，3B所示的实施例中那样，杆35可以具有第二个导电杆37，其可调整地被杆35承载着，从而使得间隙34能够被调整，并且可调整的导电杆37可以是螺旋或螺旋部分，以便使得能够通过转动螺旋或螺旋部分37调节间隙34。此外，在一些实施例中，变容器可以被置于杆35-36之间，主要作为集中LC装置33的可电调谐的集中电容。图4所示的实施例的另一个区别在于，光导体31位于导电外壳装置32的外部，并且导电外壳装置32具有一对开口38和39，使得光能够通过导电装置32和透明气室30透过。
在图中示意地示出了导电的外壳装置21和32。虽然图中所示是作为正六面体构成的微波腔20，40，但是腔20，40可以具有其它的形状。外壳装置21可以用任何合适的导电材料制成，例如锌或铝，因为在本发明中的非关键性，可以利用例如挤压，冲压，铸造等方法制成。在本发明中不需要为了保持腔的严格尺寸而对其进行精确的机加工。
此外，微波腔20，40可以由连接在一起从而形成导电外壳21和32的一个或几个部分构成。集中LC装置可以是一个或几个导电材料制成的杆，它们在到导电外壳装置21，32壁的一端被短接，即被连接，或者由在微波腔内可调节地承载着的一定长度的导线提供。
在本发明中优选使用的导电外壳装置21和32包括一种五面的外壳和一个平的盖(例如，在图2中为了表示外壳的内部被完全除去的外壳的一侧)。所述平的盖可以用铜板或铝板冲制而成。所述五面的外壳可以用导电材料例如铝，铜或青铜磨铣而成，或者用锌压铸而成。所述的盖可以利用焊接或添加银的环氧粘结剂紧固到外壳的其余部分。杆23，25，35和37可以利用螺旋加工机由青铜制成。杆23和35可被制成具有外螺纹的，借助于所述螺纹，其可被旋入外壳21，32中的匹配的有螺纹的孔中。这些零件可以镀上金或其它能够在抽运光的波长(对于Rb-87原子为780和795nm)下提供高的反射表面，并且阻止在腔的工作温度下在所述装置的寿命期间反射率显著变劣的等效材料。
如上所述，本发明提供一种用于构成可用于原子频率标准或其它量子频率设备的装置，其包括用于构成外壳的导电腔，在一端具有一个或几个光孔，用于提供进入或通过腔的光轴，并且和另一端相邻具有调谐杆，其沿基本上平行于光轴的方向伸入所述腔中，并利用导电外壳的壁提供在所选择的频率下谐振的集中电感和电容，使得所述腔和所述杆在所选择的频率下协作，从而使腔基本上在TEM模式下工作，同时微波磁场基本上垂直于在所述杆和导电腔远端之间的光轴。
作为利用本发明可以实现的小的尺寸的一个例子，图2，3A，3B所示的用于铷原子频率标准的实施例可以被制成具有下面的尺寸腔外壳的长度，即壁21a，21c，21e和21f＝0.574英寸。
腔外壳的宽度，即壁21a和21c的宽度＝0.300英寸。
腔外壳的高度，即，壁21e和21f的高度＝0.355英寸。
杆23的直径＝0.125英寸。
杆23的长度＝0.330英寸。
间隙24的长度＝0.025英寸。
气室30的长度，不包括分接部分30a＝0.475英寸。
气室30的宽度和高度＝0.260英寸。
孔26的长度＝0.400英寸。
孔26的宽度＝0.200英寸。
本发明还可以被包括在例如M.Tetu，等.，“ExpperimentalResults on a Frequency Standard Based on a Rubidium 87Maser，”Proceedings of the 39thAnnual Symposium on FrequencyControl，pages 64-71(1985)所述的那种微波激射器中，并被包括在Aldo Godone，Filipo Levi & Jacques Vanier，“CoherentMicrowave Emission Without Population InversionA NewAtomic Frequency Standard，”IEEE Transactions oninstrumentation and Measurement，Vol.48，Pages 504-507(1999)所述的一种新型的装置中。在本发明的这种实施例中，光进入本发明的微波腔20，40，并用这种方式和被承载在微波腔20，40内的量子系统相互作用，使得在所述量子系统的所选择的基准频率下产生微波能量。利用合适的耦合装置(例如被插入开口27中的E探针或者环)从腔20，40除去微波能量的一部分，并被提供给用于把VCO的频率锁定在微波辐射的频率上的外部电子设备。用这种方式，VCO频率被锁定为有关的量子系统的固有频率。在这种类型的装置中，不需要光检测器。
不脱离下面的权利要求限定的本发明的范围，可以作出和上述的实施例不同的许多实施例和改型。本发明可用于除去原子频率标准之外的其它设备，在这些设备中，谐振的微波场和可激发的介质协同工作，所述介质具有多个可被另外的电磁能源例如光激发的能量状态。
权利要求
1.一种微波腔，包括用于形成一个微波腔的导电装置；被承载在所述微波腔内的量子系统，所述微波腔可以在所述量子系统的所选择的基准频率附近工作；用于使光能够进入微波腔和量子系统的装置；以及集中的LC装置，用于基本上在TEM模式下的微波腔的工作，并当被所选择的基准频率附近的微波激发时，发生谐振，以便在微波腔内提供微波场。
2.如权利要求1所述的微波腔部件，其中集中的LC装置包括由所述导电装置承载着的导电调谐杆，其伸入腔内，并在腔内形成间隙。
3.如权利要求2所述的微波腔部件，其中所述调谐杆包括导电杆，其可调节地承载着第二导电元件，用于调节电容和电感。
4.如权利要求3所述的微波腔部件，其中所述导电杆具有基本上圆形的截面，并且第二导电元件借助于螺纹和导电杆接合，使得所述间隙能够被调节。
5.如权利要求2所述的微波腔部件，其中能够通过光的装置形成一个包括量子系统的光轴，并且调谐杆具有基本上和所述光轴平行的中心轴。
6.如权利要求2所述的微波腔部件，其中所述调谐杆包括两个杆部分，每个杆部分从腔的相对侧延伸，在其间具有间隙。
7.如权利要求1所述的微波腔部件，其中所述量子系统是一种被包括在光学透明的气室中的原子气体。
8.如权利要求7所述的微波腔部件，还包括用于在气室中提供静止磁场的装置。
9.如权利要求8所述的微波腔部件，其中所述静止磁场装置提供基本上平行于气室中的微波磁场的静止磁场。
10.如权利要求1所述的微波腔部件，还包括用于在量子系统中提供静止磁场的装置。
11.如权利要求10所述的微波腔部件，其中所述微波腔呈正六面体的形式。
12.如权利要求11所述的微波腔部件，其中用于使光通过的装置包括在微波腔中的平面孔，并且用于透过光的孔的平面基本上平行于量子系统中的静止磁场的方向。
13.如权利要求10所述的微波腔部件，其中用于透过光的装置形成一个包括量子系统的光轴，并且所述微波场提供基本上垂直于量子系统中的光轴的微波磁场。
14.如权利要求7所述的微波腔部件，还包括光检测器，其由微波腔在包括光学透明的气室的光轴上承载着。
15.如权利要求14所述的微波腔部件，其中微波腔呈正六面体的形状，并且其中光检测器包括硅光二极管，其位于微波腔内的光轴上，所述硅光二极管具有一个直接和微波腔的一个壁相邻的金属化的后表面。
16.一种用于构成用作量子频率标准的微波腔的装置，包括用于形成导电腔的外壳，在腔的一侧具有开口，形成通过和其相邻的一端的腔的光轴，并具有一个杆，其沿着基本上平行于所述光轴的方向伸入和其另一端相邻的腔，并利用导电的本体在所选择的基准频率下提供集中的LC谐振；所述腔和所述杆在所选择的基准频率下协作，以便基本上以TEM模式工作于微波腔，并提供基本上垂直于所述光轴的并在所述调谐杆和所述一端之间的微波磁场。
17.如权利要求16所述的装置，包括由所述外壳承载在光轴上的光检测器。
18.如权利要求17所述的装置，其中光检测器被承载在所述外壳的外面。
19.如权利要求16所述的装置，其中形成外壳的所述导电的腔承载形成静止磁C-场部分的装置，所述静止磁C-场部分基本上平行于由腔内的调谐杆形成的微波磁场。
20.如权利要求16所述的装置，还包括由所述装置承载在光轴上的量子系统。
21.一种用于原子频率标准的微波腔，包括用于形成微波腔的导电装置，所述微波腔可在原子气体基准频率附近工作；光学透明的原子室，其被承载在腔内且在腔的一端，并提供可在原子气体基准频率下激发的原子气体；用于在光学透明的原子室内提供静止磁场的装置；用于透光的孔，其被形成在包括光学透明的原子室的光轴上的导电装置中；以及集中的LC装置，用于在基本上TEM模式下工作于所述微波腔，并当被原子气体基准频率附近的微波能量激发时，发生谐振，从而在光学透明的原子室内提供基本上平行于静止磁场的微波磁场。
22.如权利要求21所述的微波腔，包括光检测器，其被承载在邻近光学透明室的所述微波腔内，并处于光轴上。
23.如权利要求21所述的微波腔，其中集中的LC装置包括导电杆，其被所述导电装置承载着，延伸进入腔内，并在腔内形成间隙。
24.如权利要求23所述的微波腔，其中所述导电杆包括可调节地承载着用于调节电感和电容的第二导电元件的导电杆。
25.如权利要求24所述的微波腔，其中导电杆具有基本上圆形的横截面，并且第二导电元件利用螺纹和导电杆啮合，使得能够调节所述间隙。
26.如权利要求23所述的微波腔，其中所述导电杆具有基本上平行于所述光轴的中心轴。
27.如权利要求23所述的微波腔，其中所述导电杆包括两个杆部分，每个杆部分从腔的相对侧延伸，在其间形成间隙。
28.如权利要求21所述的微波腔，其中用于透光的孔的平面平行于原子室内的静止磁场的方向。
29.如权利要求21所述的微波腔，其中原子气体是铷或铯蒸汽。
全文摘要
本发明披露了一种极小的制造成本低的用于原子频率标准的物理组件，其配备有具有非关键尺寸的并被集中LC的装置以基本上TEM模式驱动的微波腔，微波腔的谐振频率主要由集中的LC装置确定。集中LC装置可以采取任何结构的元件或元件的组合，其在所选择的微波基准频率下提供谐振电感和电容。这种集中的LC装置的例子包括杆或线，其被导电地连接在微波腔的壁上，作为集中电感，并伸入腔内，使得在其另一端和相对的腔壁形成间隙，作为集中电容；或者是一对附着在相对壁上的杆或线，并从腔延伸作为集中电感，在其间形成间隙，作为集中电容。
文档编号H01P7/04GK1452798SQ00819469
公开日2003年10月29日 申请日期2000年7月18日 优先权日1999年8月2日
发明者J·邓 申请人:戴特姆公司