一种双控温芯片原子钟物理系统

本发明涉及芯片原子钟，具体涉及一种双控温芯片原子钟物理系统。

背景技术：

1、时间计量是现代社会基本的工具之一，晶体振荡器已经应用到生活的各个方面，工业产品与电子产品均依靠晶体振荡器。晶体振荡器短期稳定度较好，但长期稳定度较差，无法满足当今精密测量、卫星导航的需要。原子内部存在不易受外界干扰的能级系统，原子钟将震荡源频率与原子能级同步，实现更好的长期稳定度。传统原子钟的体积、功耗、成本很大，限制了终端应用场景，芯片原子钟的小型化、低功耗、制作简单等特点弥补了上述不足。制作出低功耗，性能稳定，可靠性高的芯片原子钟对国防建设、科技发展有重要意义。

2、目前市场上常见的芯片原子钟为单腔室芯片原子钟，所有组件处在同一个腔室里进行整体控温。腔室中vcsel激光器与原子气室的表面积、工作状态、与加热片的相对位置、与加热片的热传导路径均有不同，实际上很难保证原子气室的温度与vcsel激光器相同。原子气室温度波动会带来缓冲气体频移。为了降低频移对温度的敏感性，通常的做法是在原子气室内引入两种不同的缓冲气体。在特定的温度范围内，两种缓冲气体引起频移的变化量随温度的变化趋势相反，因此通过调节气体比例也就是气体压强比例可以有效降低原子频标对温度的敏感性，提高中长期稳定性。然而实际上，受限于原子气室的制作工艺，无法精确控制原子气室内部的缓冲气体配比。不仅不同批次的原子气室性能表现有差异，同一批次的不同个体原子气室之间的性能表现也有相当的差异。同时，vcsel激光器的输出钟跃迁频率的工作温度也各不相同，同批次激光器的工作温度可相差20度。物理光路制作完成后，一旦激光器与原子气室的参数匹配不合适，可调空间十分有限。这会造成物理光路废品率增加和调试成本增加。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种双控温芯片原子钟物理系统，以解决上述的一个或多个技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种双控温芯片原子钟物理系统，包括lcc底座、激光器电路板、激光器模组、绝热支架、原子气室支架、原子气室和陶瓷管帽，所述激光器电路板安装在所述lcc底座上，所述激光器模组设置在所述激光器电路板上，所述激光器模组采用to封装并封装有vcsel激光器，所述绝热支架设置在所述激光器电路板上且罩设在所述激光器模组上，所述原子气室支架设置在所述绝热支架且两者的通光孔同轴，所述原子气室设置在所述原子气室支架内，所述陶瓷管帽罩设在所述绝热支架和原子气室支架上并与所述lcc底座密封焊接。

4、进一步地，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括1/4波片和衰减片，在所述原子气室支架的底部设有限位槽，所述1/4波片和衰减片设置在所述限位槽处，且所述衰减片位于所述1/4波片的上侧。

5、进一步地，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括原子气室加热片，所述原子气室加热片为ptc陶瓷加热片，所述原子气室加热片设置在所述原子气室支架的外侧壁。

6、进一步地，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括原子气室热敏电阻，所述原子气室热敏电阻设置在原子气室支架的顶部边缘。

7、进一步地，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括探测器电路板，所述探测器电路板设置在所述原子气室支架的顶部，所述探测器电路板为氧化铝陶瓷电路板。

8、进一步地，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括探测器，所述探测器焊接在所述探测器电路板上。

9、进一步地，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括吸气剂，所述吸气剂安装在所述陶瓷管帽的内壁，所述吸气剂为包含钛锆的多金属材质。

10、进一步地，所述激光器电路板为陶瓷电路板，所述激光器模组内还封装有tec半导体加热片和ntc热敏电阻，所述绝热支架为氧化铝陶瓷支架，所述原子气室支架为金属支架，所述原子气室为球形气室。

11、本发明具有如下优点：

12、1、vcsel激光器对温度变化非常敏感，温度变化会导致光强变化，影响原子钟的稳定度。对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程。器件的对流换热量服从计算公式q＝ha(t2-t1)，其中q为换热量；h为换热系数；a是换热表面积；t1、t2分别为物体与气体的温度。to真空封装抽出壳体内多余气体，通过降低对流换热系数的方式减少气体的对流换热。真空封装可直接降低vcsel激光器的热平衡功耗，降低外界温度变化对vcsel激光器光强的影响，降低vcsel的光频移对长期稳定度的影响。另外，真空封装带来的真空环境隔绝了氧气，vcsel工作在真空环境下不易被氧化，可获得更长的工作寿命。

13、2、将vcsel激光器与原子气室分别密封于两个腔室(vcsel激光器位于激光器模组to封装形成的内腔中，原子气室处在lcc底座和陶瓷管帽形成的密封外腔中)，可以分别对两个腔室精确控温，避免单腔室控温时腔内温度不均导致的原子气室温度波动带来的温漂，从而提高长期稳定度。

14、3、激活吸气剂时，to真空封装可以阻挡外腔的热量向内腔的传导，保护处于内腔的vcsel激光器不被高温损坏，可使用较高的激活温度，利于腔体内真空的保持和功耗的降低。

15、4、外腔可独立控温至较高温度，如此能够使处于外腔的原子气室内的金属原子充分蒸发，激光与原子充分作用，因此可以获得的更高的对比度和线宽的比值q。对于芯片原子钟，原子钟的稳定度与q值成反比，q值越高，稳定度越高。因此，对于不同常见温度的vcsel激光器，双控温芯片原子钟均可使用，同时保证较高的q值与较好的稳定度。

技术特征：

1.一种双控温芯片原子钟物理系统，其特征在于，包括lcc底座(1)、激光器电路板(2)、激光器模组(3)、绝热支架(4)、原子气室支架(7)、原子气室(10)和陶瓷管帽(14)，所述激光器电路板(2)安装在所述lcc底座(1)上，所述激光器模组(3)设置在所述激光器电路板(2)上，所述激光器模组(3)采用to封装并封装有vcsel激光器，所述绝热支架(4)设置在所述激光器电路板(2)上且罩设在所述激光器模组(3)上，所述原子气室支架(7)设置在所述绝热支架(4)且两者的通光孔同轴，所述原子气室(10)设置在所述原子气室支架(7)内，所述陶瓷管帽(14)罩设在所述绝热支架(4)和原子气室支架(7)上并与所述lcc底座(1)密封焊接。

2.根据权利要求1所述的双控温芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括1/4波片(5)和衰减片(6)，在所述原子气室支架(7)的底部设有限位槽，所述1/4波片(5)和衰减片(6)设置在所述限位槽处，且所述衰减片(6)位于所述1/4波片(5)的上侧。

3.根据权利要求1所述的双控温芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括原子气室加热片(8)，所述原子气室加热片(8)为ptc陶瓷加热片，所述原子气室加热片(8)设置在所述原子气室支架(7)的外侧壁。

4.根据权利要求1所述的双控温芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括原子气室热敏电阻(9)，所述原子气室热敏电阻(9)设置在原子气室支架(7)的顶部边缘。

5.根据权利要求1所述的双控温芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括探测器电路板(11)，所述探测器电路板(11)设置在所述原子气室支架(7)的顶部，所述探测器电路板(11)为氧化铝陶瓷电路板。

6.根据权利要求5所述的双控温芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括探测器(12)，所述探测器(12)焊接在所述探测器电路板(11)上。

7.根据权利要求1所述的双控温芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述双控温芯片原子钟物理系统还包括吸气剂(13)，所述吸气剂(13)安装在所述陶瓷管帽(14)的内壁，所述吸气剂为包含钛锆的多金属材质。

8.根据权利要求1所述的双控温芯片原子钟物理系统，其特征在于，所述激光器电路板(2)为氧化铝陶瓷电路板，所述激光器模组(3)内还封装有tec半导体加热片和ntc热敏电阻，所述绝热支架(4)为陶瓷支架，所述原子气室支架(7)为金属支架，所述原子气室(10)为球形气室。

技术总结
本发明公开了一种双控温芯片原子钟物理系统，包括LCC底座、激光器电路板、激光器模组、绝热支架、原子气室支架、原子气室和陶瓷管帽，激光器电路板安装在LCC底座上，激光器模组设置在激光器电路板上，激光器模组采用TO封装并封装有VCSEL激光器，绝热支架设置在激光器电路板上且罩设在激光器模组上，原子气室支架设置在绝热支架且两者的通光孔同轴，原子气室设置在原子气室支架内，陶瓷管帽罩设在绝热支架和原子气室支架上并与LCC底座密封焊接。本发明提供的双控温芯片原子钟物理系统，将VCSEL激光器与原子气室分别密封于两个腔室，可以分别对两个腔室精确控温，避免单腔室控温时腔内温度不均导致的原子气室温度波动带来的温漂，提高长期稳定度。

技术研发人员：赵建业,李兆隆,王俊超,桂思博
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/12