一种基于差分光探测的铷原子钟装置的制作方法

本发明属于原子钟技术领域，具体涉及一种基于差分光探测的铷原子钟装置。

背景技术：

随着科技的发展，全球卫星定位系统、移动通信、雷达系统、交通控制系统、激光测距、电力调度等领域都需要更加稳定而精确的时间频率信号以实现可靠工作，传统的机械振荡器、晶体振荡器已经不能满足需要。原子频标以其极高的稳定度和准确度得到了越来越广泛的运用。然而铷原子频标的稳定度和准确度在很大程度上依赖于物理系统的特性，物理系统的原子跃迁信号的信噪比，是直接影响铷频标稳定度的关键因素。因此，提高物理系统信噪比，使铷原子频标性能指标进一步改善具有重要意义。

降低系统光学噪声是提高原子鉴频信噪比的主要途径之一，而光学噪声则主要来源是铷原子光谱灯。铷原子光谱灯发出的光含有两种成分，一种是对原子跃迁信号有贡献的有效光成分，一种是无效光成分即为噪声。采用一定的技术手段降低光学噪声可有效提高物理系统的信噪比，进而改善整机的频率稳定度指标，最终有效提高产品的实际应用效果。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种基于差分光探测的铷原子钟装置。光谱灯双端面出光输出两路完全对称的光信号，两路光经过对称的光学组件，通过对两边探测器检测信号进行差分，滤去光谱灯的本底噪声及光在光探测器产生的散弹噪声。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于差分光探测的铷原子钟装置，包括铷光谱灯装置和光检信号发生装置；

所述铷光谱灯装置包括铷光谱灯泡、振荡线圈和射频振荡电路板，铷光谱灯泡输出两路完全对称的光信号，振荡线圈为两组并以铷光谱灯泡中部对称缠绕在铷光谱灯泡的侧壁，两组振荡线圈分别与射频振荡电路板电连接；

所述光检信号发生装置包括对称设置在铷光谱灯泡两端的第一光检信号发生装置和第二光检信号发生装置，第一光检信号发生装置和第二光检信号发生装置相同；

所述第一光检信号发生装置包括顺次设于铷光谱灯泡一端的第一光学透镜、第一滤光泡、第一吸收泡、第一窗口、第一光电池，以及容纳第一窗口和第一光电池的第一微波腔，第一吸收泡设于第一微波腔的侧壁，第一光学透镜靠近铷光谱灯泡；

所述第二光检信号发生装置包括顺次设于铷光谱灯泡另一端的第二光学透镜、第二滤光泡、第二吸收泡、第二窗口、第二光电池，以及容纳第二窗口和第二光电池的第二微波腔，第二吸收泡设于第二微波腔的侧壁，第二光学透镜靠近铷光谱灯泡。

本发明通过铷光谱灯泡两端出光输出两路完全对称的光信号，然后对两路光检信号进行差分，减小光谱灯本底噪声及在探测器的散弹噪声，提高铷原子频标光谱灯稳定度。

作为优选地，所述第一光学透镜、第一滤光泡、第一吸收泡、第一窗口、第一光电池和第一微波腔与铷光谱灯泡同轴；

所述第二光学透镜、第二滤光泡、第二吸收泡、第二窗口、第二光电池和第二微波腔与铷光谱灯泡同轴。

作为优选地，所述铷光谱灯泡的侧壁中部设有尾管，尾管的中轴线与铷光谱灯泡的中轴线垂直，两组振荡线圈以尾管的中轴线对称设置。

进一步地，所述第一光学透镜和尾管中轴线的距离与第二光学透镜和尾管中轴线的距离相等，第一滤光泡和尾管中轴线的距离与第二滤光泡和尾管中轴线的距离相等，第一吸收泡和尾管中轴线的距离与第二吸收泡和尾管中轴线的距离相等，第一窗口和尾管中轴线的距离与第二窗口和尾管中轴线的距离相等，第一光电池和尾管中轴线的距离与第二光电池和尾管中轴线的距离相等。使第一光检信号发生装置和第二光检信号发生装置的大小、形状和构造完全相同。

进一步地，所述第一微波腔或第二微波腔馈入微波天线。

进一步地，所述铷光谱灯泡内部充有启辉气体和铷87金属。铷87金属原子在启辉气体和通过振荡线圈馈入射频信号的激励下发光，为铷原子频标提供光源，铷光谱灯泡的两端出光输出两路完全对称的光信号。

为了铷光谱灯泡两端的一致性，两组所述振荡线圈的匝数相同。

为了铷光谱灯泡两端的一致性，所述第一滤光泡和第二滤光泡设有相同的充铷量和缓冲气体，第一吸收泡和第二吸收泡设有相同的充铷量和缓冲气体。

进一步地，所述铷光谱灯泡、第一滤光泡、第二滤光泡、第一吸收泡和第二吸收泡均安装有加热装置由加热装置分别加热。

进一步地，所述铷光谱灯泡、第一滤光泡、第二吸收泡、第一吸收泡和第二吸收泡均设有热敏电阻测温并设有控温电路对其进行温度一致性控制。使得温度波动对光学信号的干扰变小。

本发明的有益效果为：

(1)本发明有利于降低光噪声，提高整机的短期频率稳定度指标。通过铷光谱灯两端发光，经过完全对称的光学组件，通过对检测信号差分，削弱了光谱灯本底噪声及在探测器的散弹噪声。

(2)本发明有利于降低温度波动影响，提高整机的长期频率稳定度指标。正常工作时，控温电路对光谱灯、滤光泡、吸收泡进行温度检测及同步控温，两端器件温度对应保持一致，使得温度波动对光学信号的干扰变小，具有很高的实用价值和推广价值。

附图说明

图1是本发明-实施例的结构示意图。

图2是本发明-实施例铷光谱灯装置的剖面结构示意图。

图中：1-第一微波腔；2-第一光电池；3-第一窗口；4-第一吸收泡；5-第一滤光泡；6-第一光学透镜；7-振荡线圈；8-铷光谱灯泡；9-第二光学透镜；10-第二滤光泡；11-第二吸收泡；12-第二窗口；13-第二光电池；14-第二微波腔；15-射频振荡电路板；16-非金属保温罩；17-屏蔽盒；18-射频振荡电路盒。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例：

如图1所示，本实施例的一种基于差分光探测的铷原子钟装置，包括铷光谱灯装置和光检信号发生装置。

铷光谱灯装置包括铷光谱灯泡8、尾管、振荡线圈7和射频振荡电路板15，铷光谱灯泡8输出两路完全对称的光信号，尾管设于铷光谱灯泡8的侧壁中部且尾管的中轴线与铷光谱灯泡8的中轴线垂直，振荡线圈7为两组并以尾管的中轴线对称缠绕在铷光谱灯泡8的侧壁，两组振荡线圈7分别与射频振荡电路板15电连接。

射频振荡电路板15上的射频振荡电路产生激励铷光谱灯泡8发光的射频信号，优选射频信号的频率在70mhz～150mhz范围内，功率在1.5m左右。缠绕在铷光谱灯泡8侧壁的振荡线圈7将射频振荡电路板15产生的射频信号馈入铷光谱灯泡8，激励铷光谱灯泡8发光。

光检信号发生装置包括以铷光谱灯泡8为中心对称设置在铷光谱灯泡8两端的第一光检信号发生装置和第二光检信号发生装置。

第一光检信号发生装置和第二光检信号发生装置的大小、形状和构造相同。

第一光检信号发生装置包括顺次设于铷光谱灯泡8一端且与铷光谱灯泡8同轴的第一光学透镜6、第一滤光泡5、第一吸收泡4、第一窗口3、第一光电池2，以及容纳第一窗口3和第一光电池2的第一微波腔1，第一吸收泡4设于第一微波腔1的侧壁，第一光学透镜6靠近铷光谱灯泡8。

第二光检信号发生装置包括顺次设于铷光谱灯泡8另一端且与铷光谱灯泡8同轴的第二光学透镜9、第二滤光泡10、第二吸收泡11、第二窗口12、第二光电池13，以及容纳第二窗口12和第二光电池13的第二微波腔14，第二吸收泡11设于第二微波腔14的侧壁，第二光学透镜9靠近铷光谱灯泡8。

如图1所示，第一光学透镜6和尾管中轴线的距离与第二光学透镜9和尾管中轴线的距离相等，以此类推，第一滤光泡5和尾管中轴线的距离与第二滤光泡10和尾管中轴线的距离相等，第一吸收泡4和尾管中轴线的距离与第二吸收泡11和尾管中轴线的距离相等，第一窗口3和尾管中轴线的距离与第二窗口12和尾管中轴线的距离相等，第一光电池2和尾管中轴线的距离与第二光电池13和尾管中轴线的距离相等。

第一微波腔1或第二微波腔14馈入微波天线。

本实施例中，铷光谱灯泡8采用耐碱玻璃制成，内部充有启辉气体和铷、铯等碱金属，启辉气体为氙气、氪气等，铷金属为铷87金属，铷87金属原子在启辉气体和通过振荡线圈7馈入的射频信号的激励下发光，为铷原子频标提供光源，铷光谱灯泡8的两端出光输出两路完全对称的光信号。

两组振荡线圈7的匝数相同，振荡线圈7为高频振荡线圈。

第一滤光泡5和第二滤光泡10设有相同的充铷量和缓冲气体，第一吸收泡4和第二吸收泡11设有相同的充铷量和缓冲气体。

充铷量一般为几十至几百微克，缓冲气体为惰性气体，例如氩气，第一滤光泡5、第二滤光泡10第一吸收泡4和第二吸收泡11充铷和缓冲气体后，内部的气压均为100torr-200torr。

第一窗口3和第二窗口12均采用玻璃窗口或玻璃片，优选由蓝宝石制成的窗口。

实际应用中，第一滤光泡5、第二吸收泡11、第一吸收泡4和第二吸收泡11均装入对应的安装盒内，并在安装盒表面安装加热装置。

加热装置为电加热管或电加热丝，缠绕在安装盒或贴在安装盒上进行加热。

实际应用中，为了避免第一滤光泡5和第二滤光泡10的温度不一致，第一吸收泡4和第二吸收泡11的温度不一致，在第一滤光泡5、第二吸收泡11、第一吸收泡4和第二吸收泡11均设有热敏电阻测温，通过高精度控温电路控制加热装置同步控温，使第一滤光泡5和第二滤光泡10在工作时温度时刻保持一致，第一吸收泡4和第二吸收泡11在工作时温度时刻保持一致。使得温度波动对光学信号的干扰变小。

其中，控温电路为比较成熟的技术，在此不再赘述。

如图2所示，铷原子钟装置还包括屏蔽盒17、射频振荡电路盒18和非金属保温罩16。

非金属保温罩16包围铷光谱灯泡8和振荡线圈7并在正对铷光谱灯泡8的两端设有完全对称且大小相等的第一出光孔，非金属保温罩16与铷光谱灯泡8之间间隙点硅填合，从而使铷光谱灯泡温度均匀，同时保证不局部过热，提高铷光谱灯泡8温度的稳定性，能够固定铷光谱灯泡8。

屏蔽盒17包裹在非金属保温罩16的外围，屏蔽盒17设有与非金属保温罩16的第一出光孔大小和位置对应的第二出光孔。

进一步地，非金属保温罩16和屏蔽盒17的中轴线与铷光谱灯泡8的中轴线重合。

屏蔽盒17外围也设有加热装置，铷光谱灯泡8设有热敏电阻，加热装置连接高精度控温电路，通过热敏电阻反馈温度信号至控温电路，实现对温度进行调试。该加热装置为电加热管或电加热丝，缠绕在屏蔽盒17或贴在屏蔽盒17上进行加热。

射频振荡电路板15固定于射频振荡电路盒18内，射频振荡电路盒18固定在屏蔽盒17外，本实施例中，射频振荡电路盒18固定在屏蔽盒17顶部，射频振荡电路板15靠近屏蔽盒17的一侧与屏蔽盒17之间设有非金属隔热层，该非金属隔热层为隔热垫，本实施例中，非金属隔热层设于射频振荡电路板15靠近屏蔽盒17的一侧与射频振荡电路盒18的侧壁之间，当然也可以设于射频振荡电路盒18的侧壁和屏蔽盒17的侧壁之间。

非金属隔热层隔绝铷光谱灯泡8对射频振荡电路的温度影响，确保射频振荡电路运行的可靠性。

由于铷光谱灯泡8的温度应在110℃以上，而射频振荡电路的温度则是越低越好。温度越低，射频振荡电路上的电子元器件可靠性越高，因而采用非金属隔热层隔离射频振荡电路板15与屏蔽盒17，使得真空下的射频振荡电路的温度比铷光谱灯泡8的温度低40℃以上。

由于铷光谱灯泡8仅靠屏蔽盒17外的加热装置很难加到110℃以上，通过屏蔽盒17使热流均匀导入非金属保温罩16，非金属保温罩16的温度约80℃，振荡线圈7同时给铷光谱灯泡8加热，能够有效保证真空条件下铷光谱灯泡8的温度在110℃以上，即通过调节振荡线圈7加热功率使得达到调试要求的温度。

本发明的工作原理为：

铷光谱灯泡两端出光输出两路完全对称的光信号，两端经过滤光泡滤光和对吸收泡原子光抽运，最后从两端的光电池引出两路光检信号，对两路光检信号进行差分后输出，削弱信号噪声。

本发明的效果为：

(1)本发明有利于降低光噪声，提高整机的短期频率稳定度指标。通过铷光谱灯两端发光，经过完全对称的光学组件，通过对检测信号差分，削弱了光谱灯本底噪声及在探测器的散弹噪声。

(2)本发明有利于降低温度波动影响，提高整机的长期频率稳定度指标。正常工作时，控温电路对光谱灯、滤光泡、吸收泡进行温度检测及同步控温，两端器件温度对应保持一致，使得温度波动对光学信号的干扰变小，具有很高的实用价值和推广价值。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。