CPT原子钟的光学系统、CPT原子钟

cpt原子钟的光学系统、cpt原子钟技术领域1.本技术涉及原子钟技术领域，特别是涉及一种cpt原子钟的光学系统、cpt原子钟。背景技术：2.随着相干布居囚禁效应(coherent population trapping，cpt)物理现象的发现和应用，基于cpt的被动型原子钟不需要微波谐振腔，可实现原子钟的微型化、乃至芯片化，在单兵系统的同步通信、定位与导航、无人机、海底探测等领域有着良好的应用前景。3.cpt原子钟系统通常包括光学系统与电路系统两部分，电路系统部分主要有温度控制、激光波长锁定、微波频率锁定、信号采集系统以及伺服环路。光学系统部分包含vcsel激光器、光电探测器、原子封装气室和光学元件组成的光学镜组。但现有的原子封装气室的加热功率在系统的整体功耗占比较大，存在热损耗大的问题。技术实现要素：4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够降低功耗的cpt原子钟的光学系统、cpt原子钟。5.第一方面，本技术提供了一种cpt原子钟的光学系统，所述光学系统包括：激光器、光学镜组、气室隔热组件、原子气室、光学探测器和机架，所述激光器、所述光学镜组、所述气室隔热组件、所述原子气室和所述光学探测器依次设置在所述机架上；6.所述原子气室内嵌于所述气室隔热组件中，且所述原子气室与所述气室隔热组件之间形成有隔热腔，所述隔热腔中设置有隔热组件。7.在其中一个实施例中，所述隔热组件包括隔热材料。8.在其中一个实施例中，所述隔热组件包括至少一个凸台，所述凸台设置在所述气室隔热组件的内表面上。9.在其中一个实施例中，所述光学系统还包括光学安装组件，所述气室隔热组件包括气室保温结构底座、气室保温支撑结构、气室保温结构上盖、上玻璃窗口和下玻璃窗口；10.所述气室保温结构底座与所述光学安装组件固定连接，所述气室保温支撑结构设置在所述气室保温结构底座和气室保温结构上盖之间，所述上玻璃窗口内嵌于所述气室保温结构上盖中，所述下玻璃窗口内嵌于所述气室保温结构底座中；11.所述气室保温支撑结构中间为挖空结构，所述挖空结构与所述气室保温结构底座和所述气室保温结构上盖形成腔体，所述原子气室内嵌于所述腔体中，所述原子气室的外表面与所述腔体的内表面之间形成所述隔热腔。12.在其中一个实施例中，所述凸台设置在所述气室保温结构底座朝向所述原子气室的表面上，和/或，所述凸台设置在所述气室保温结构上盖朝向所述原子气室的表面上。13.在其中一个实施例中，所述隔热组件还包括金属层。14.在其中一个实施例中，所述金属层设置在所述腔体的内表面上和/或所述原子气室的外表面上。15.在其中一个实施例中，所述光学系统还包括光学安装组件，所述光学镜组内嵌于所述光学安装组件中。16.在其中一个实施例中，所述原子气室包括上玻璃层、硅片和下玻璃层，所述硅片位于所述上玻璃层和所述下玻璃层之间。17.在其中一个实施例中，所述上玻璃层的上表面和所述下玻璃层的下表面分别设置有金属线。18.在其中一个实施例中，所述光学镜组包括依次设置的透镜、偏振片、四分之一波片；所述透镜与所述偏振片之间设置有第一垫圈，所述偏振片与所述四分之一波片之间设置有第二垫圈。19.第二方面，本技术还提供了一种cpt原子钟，所述cpt原子钟包括所述cpt原子钟的电路系统以及如上述任一实施例所述的cpt原子钟的光学系统。20.上述cpt原子钟的光学系统、cpt原子钟，光学系统包括：激光器、光学镜组、气室隔热组件、原子气室、光学探测器和机架，激光器、光学镜组、气室隔热组件、原子气室和光学探测器依次设置在机架上；原子气室内嵌于气室隔热组件中，且原子气室与气室隔热组件之间形成有隔热腔，隔热腔中设置有隔热组件。由于原子气室中的碱金属原子与激光器的输出的激光发生cpt共振现象，需要保持原子气室处于恒定温度状态，本系统通过设置气室隔热组件，将原子气室放置在气室隔热组件中，减少原子气室的热量损失，从而降低原子气室部分的加热功耗。并且，在原子气室与气室隔热组件之间形成的隔热腔中设置隔热组件，通过隔热组件减少原子气室和气室隔热组件的接触面积、原子气室与周围空间的热对流以及整体热辐射损失等，从而减小热损耗，有效降低cpt原子钟的系统功耗。附图说明21.图1为一个实施例中cpt原子钟的光学系统的示意图；22.图2为另一个实施例中cpt原子钟的光学系统的示意图；23.图3为一个实施例中气室隔热组件的示意图；24.图4为另一个实施例中气室隔热组件的示意图；25.图5为又一个实施例中气室隔热组件的示意图；26.图6为一个实施例中原子气室的示意图；27.图7为一个实施例中cpt原子钟的示意图。28.附图标记说明：29.100光学系统；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ10、激光器；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ20、光学镜组；30.30、气室隔热组件；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ40原子气室；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ50、光学探测器；31.60、机架；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ70、隔热腔；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ80、隔热组件；32.90、光学安装组件；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ301、气室保温结构底座；ꢀꢀ11、封装上盖；33.302、气室保温支撑结构；ꢀꢀꢀꢀ303、气室保温结构上盖；34.304、上玻璃窗口；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ305、下玻璃窗口；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ401、上玻璃层；35.402、硅片；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ403、下玻璃层；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4011、金属线；36.201、透镜；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ202、偏振片；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2021、第一偏振片；37.2022、第二偏振片；ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ203、四分之一波片；ꢀꢀꢀꢀꢀ204、第一垫圈；38.205、第二垫圈。具体实施方式39.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。40.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。41.在本技术中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如，两个，三个等，除非另有明确具体的限定。42.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。43.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。44.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。45.图1为一个实施例中cpt原子钟的光学系统的示意图，如图1所示，光学系统100包括：激光器10、光学镜组20、气室隔热组件30、原子气室40、光学探测器50和机架60，激光器10、光学镜组20、气室隔热组件30、原子气室40和光学探测器50依次设置在机架60上；原子气室40内嵌于气室隔热组件30中，且原子气室40与气室隔热组件30之间形成有隔热腔70，隔热腔70中设置有隔热组件80。46.具体地，本实施例中的cpt原子钟的光学系统，若将机架60所在位置作为光学系统100的底部，则自下而上设置有机架60、激光器10、光学镜组20、气室隔热组件30、原子气室40以及光学探测器50，其中，激光器10可以内嵌于机架60中，激光器10、光学镜组20、原子气室40以及光学探测器50两两之间利用“绳子”进行悬挂式连接，原子气室40内嵌于气室隔热组件30中；激光器10也可以内嵌于机架60中，光学镜组20内嵌于光学安装组件90中，原子气室40内嵌于气室隔热组件30中，光学探测器50内嵌于机架60的封装上盖中，机架60、光学安装组件90、气室隔热组件30以及封装上盖11通过胶粘、焊料连接等方式实现各组件的固定连接。47.进一步地，原子气室40内嵌于气室隔热组件30中，且原子气室40与气室隔热组件30之间形成有隔热腔70，隔热腔70中设置有隔热组件80，从而减小原子气室40的热损耗。可选的，隔热组件80可以包括隔热材料，也可以包括凸台、或者为金属层等，本技术实施例对此并不做限制。48.可选的，激光器10可以为晶粒形式光源，也可以为带封装管壳形式的激光管，根据使用的不同激光器10需要调整机架60的结构，用于安装激光器10。49.可选的，气室隔热组件30和机架60都可以使用环氧树脂或尼龙等高耐热、低导热系数材料构建，气室隔热组件30和机架60可以是立体状，也可以是圆柱形，本技术实施例对此并不做限制。50.可选的，原子气室40原子气室40可以为铷原子气室40，也可以为铯原子气室40或其它类型的能够用于ctp原子钟的原子气室40；当原子气室40中充入铯原子时，直流电流中加入4.6ghz的微波调制来与铯原子的超精细能级间隔相对应，使激光器10输出的激光与铯原子发生cpt共振现象；当原子气室40中充入铷原子时，直流电流中加入3.4ghz或6.8ghz的微波调制来与铷原子的超精细能级间隔相对应，使激光器10输出的激光与铷原子发生cpt共振现象。51.本技术实施例提供了一种cpt原子钟的光学系统，光学系统包括：激光器、光学镜组、气室隔热组件、原子气室、光学探测器和机架，激光器、光学镜组、气室隔热组件、原子气室和光学探测器依次设置在机架上；原子气室内嵌于气室隔热组件中，且原子气室与气室隔热组件之间形成有隔热腔，隔热腔中设置有隔热组件。由于原子气室中的碱金属原子与激光器的输出的激光发生cpt共振现象，需要保持原子气室处于恒定温度状态，本系统通过设置气室隔热组件，将原子气室放置在气室隔热组件中，减少原子气室部分的热量损失，从而降低原子气室部分的加热功耗。并且，在原子气室与气室隔热组件之间形成的隔热腔中设置隔热组件，通过隔热组件原子气室和气室隔热组件的减少接触面积、原子气室与周围空间的热对流等，以及整体热辐射损失等，从而减小热损耗，从而有效降低cpt原子钟的系统功耗。52.图2为一个实施例中气室隔热组件的示意图，图3、图4、图5为一个实施例中气室隔热组件的示意图，在图2的基础上，结合图3、图4、图5所示，光学系统还包括光学安装组件90，气室隔热组件30包括气室保温结构底座301、气室保温支撑结构302、气室保温结构上盖303、上玻璃窗口304和上玻璃窗口305；气室保温结构底座301与光学安装组件90固定连接，气室保温支撑结构302设置在气室保温结构底座301和气室保温结构上盖303之间，上玻璃窗口304内嵌于气室保温结构上盖303中，上玻璃窗口305内嵌于气室保温结构底座301中；气室保温支撑结构302中间为挖空结构，挖空结构与气室保温结构底座301和气室保温结构上盖303形成腔体，原子气室40内嵌于腔体中，原子气室40的外表面与腔体的内表面之间形成隔热腔70。53.具体地，气室保温结构底座301与气室保温支撑结构302通过胶粘、焊料连接等方式实现各组件的固定连接，气室保温支撑结构302与气室保温结构上盖303通过胶粘、焊料连接等方式实现各组件的固定连接，气室保温结构底座301与气室保温结构上盖303为中空组件，气室保温结构底座301中内嵌上玻璃窗口305，气室保温结构上盖303内嵌上玻璃窗口304，可选的，上玻璃窗口304与上玻璃窗口305可以是圆形的，也可以是方形的，若上玻璃窗口304为圆形的，则气室保温结构上盖303与上玻璃窗口304连接处也为圆形。可选的，气室保温结构上盖303的中空部分与上玻璃窗口304的大小可以一致，也可以不一致，本技术实施例对此并不做限制。54.具体地，气室保温支撑结构302中间为挖空结构，气室保温支撑结构302位于气室保温结构底座301与气室保温结构上盖303之间，挖空结构与气室保温结构底座301和气室保温结构上盖303形成腔体，原子气室40内嵌于腔体中，原子气室40的外表面与腔体的内表面之间形成隔热腔70。需要说明的是，此处，气室保温结构底座301包括了本身气室保温结构底座301组件以及内嵌于气室保温结构底座301中的上玻璃窗口305，同理，气室保温结构上盖303包括了本身气室保温结构上盖303组件以及内嵌于气室保温结构上盖303中的上玻璃窗口304。55.进一步地，隔热腔70中设置有隔热组件80，隔热组件80包括填充在隔热腔70中的隔热材料，可选的，可以为气凝胶材料，也可以为泡沫材料等，作为原子气室40部分的内层保温结构，可以减少气室部分因为热传导、热对流带走的热量，提高周围环境的热阻，降低由热传导导致的功率损耗。56.进一步地，隔热组件80包括至少一个凸台，凸台设置在气室隔热组件30的内表面上，减小原子气室40与气室隔热组件30之间的接触面积，减少传导损耗；同时，凸台还可以作为安装与定位基准。57.具体地，凸台可以设置在气室保温结构底座301朝向原子气室40的表面上，也可以设置在气室保温结构上盖303朝向原子气室40的表面上，将原子气室40与气室保温结构底座301或气室保温结构上盖303分隔开。58.进一步地，隔热组件80还包括金属层，示例性的，可以在腔体的内表面上粘贴高反射率的金属箔、利用喷涂或通过电镀的方式生长金属层，也可以在原子气室40的外表面上粘贴高反射率的金属箔、利用喷涂或通过电镀的方式生长金属层，用于减少腔室因热辐射导致的热损耗。59.在本实施例中，以上三种隔热组件80可以任选一个，也可以任意两种隔热组件80进行组合，或者三种隔热组件80同时使用，本技术实施例对此并不做限制。60.本技术实施例提供了一种气室隔热组件以及利用气室隔热组件和原子气室形成隔热腔的实现方式，进一步地，可以在隔热腔中设置隔热组件，本系统中通过设置隔热材料、金属层、凸台等方式，通过减少接触面积或减小原子气室与周围空间的热对流等降低系统的热损耗，而且，三种方式可以任意组合，提供了多种选择。61.进一步地，请继续参见图2，光学系统还包括光学安装组件90，光学镜组20内嵌于光学安装组件90中，避免了光学镜组20各元件的晃动并固定光学镜组20各元件通光轴的位置。光学安装组件90与机架60通过胶粘、焊料连接等方式实现各组件的固定连接，光学安装组件90与气室隔热组件30通过胶粘、焊料连接等方式实现各组件的固定连接。62.进一步地，光学镜组20包括依次设置的透镜201、偏振片202、四分之一波片203；透镜201与偏振片202之间设置有第一垫圈204，偏振片202与四分之一波片203之间设置有第二垫圈205。可选的，偏振片202可以包括第一偏振片2021和第二偏振片2022，其中，第一垫圈204和第二垫圈205主要用于调节间距与对光学镜组20各元件镜片的保护，光学镜组20各元件镜片的调试方法与作用如下：63.具体地，首先将激光器10的出光口位置安装在透镜201的前焦焦平面上，激光器10输出的激光通过透镜201后将汇聚成一组平行光便于后续的信号采集，同时通过对透镜201的焦距进行选择可以对激光的光场大小进行设计，使得光斑铺满原子气室40窗口，减小渡越增宽对谱线带宽的影响。64.其次，通过透镜201汇聚后的激光通过第一偏振片2021转化为线偏振光，汇聚后的激光的偏振方向平行于第一偏振片2021的偏振化方向，完成第一次消光对激光器10的输出进行了偏振化与光强调节；接着线偏振光通过第二偏振片2022后，线偏振光的偏振方向变化为平行于第二偏振片202的偏振化方向。需要说明的是，在0-90°范围内调节第二偏振片2022与第一偏振片2021的光轴夹角，可以实现对激光光强的连续调谐，以获得最佳的cpt共振信号。65.最后，从第二偏振片2022输出的线偏振光通过1/4波片，变为椭圆偏振光，需要说明的是，可以在0-90°(不含0°和90°)区间内调节第二偏振片2022的光轴与1/4波片的快轴的夹角，来获得最佳的cpt共振信号，当第二偏振片2022的光轴与1/4波片的快轴夹角为45°时，1/4波片输出为圆偏振光，此时cpt共振峰最为明显。66.本技术实施例中，光学系统还包括光学安装组件，光学镜组内嵌于光学安装组件中，其中，光学镜组包括依次设置的透镜、偏振片、四分之一波片，光学镜组各元件之间设置有垫圈，垫圈可以对光学镜组中的各光学元件进行固定和保护，而且，通过调节调节透镜、偏振片、四分之一波片之间的光轴的角度，可以使得cpt共振信号的效果最佳，为后续利用cpt共振信号进行频率锁定奠定重要基础。67.图6为一个实施例中原子气室40的示意图，如图6所示，原子气室40包括上玻璃层401、硅片402和下玻璃层403，硅片402位于上玻璃层401和下玻璃层403之间。68.在本实施例中，原子气室40由下玻璃层403、通孔硅片402、上玻璃层401通过键合工艺构建，形成如图5所示的玻璃-硅-玻璃“三明治”结构，硅片402的通孔中充入铷原子或铯原子等。69.进一步地，可以利用溅射工艺溅射在上玻璃层401的上表面和下玻璃层403的下表面形成双线缠绕的pt/ti(400nm/50nm)金属线4011，作为测温和加热电阻。70.具体地，上玻璃层401的上表面和下玻璃层403的下表面的金属线4011作为测温电阻时，通过惠斯通电桥检测得到测温电阻的分压变化，进一步地转换为测温电阻阻值的变化，进一步地根据测温电阻电阻率随温度变化的关系计算得到原子气室40部分的实际温度；上玻璃层401的上表面和下玻璃层403的下表面的金属线4011作为加热电阻时，在控制模块中对测得的实际温度与预设温度进行比较获得控制信号，依据实际温度与预设温度的偏差修正加热电压或加热频率，对加热电阻通电实现加热，调整原子气室40的温度，再通过测温电阻检测变化后的温度实现系统闭环。71.本技术实施例中，原子气室包括上玻璃层、硅片和下玻璃层，硅片位于上玻璃层和下玻璃层之间，而且，在上玻璃层的上表面和下玻璃层的下表面设置有金属线，金属线可以作为测温与加热电阻，通过对加热电阻通电实现加热，调整原子气室的温度，再通过测温电阻检测变化后的温度实现系统闭环，保证原子气室的温度稳定，从而获得最佳的cpt共振信号。72.图7为一个实施例中cpt原子钟的示意图，如图7所示，cpt原子钟包括cpt原子钟的电路系统以及上述任一实施例提供的cpt原子钟的光学系统。73.在本实施例中，假设原子气室为铷原子气室，利用温度补偿晶体振荡器(temperature compensated crystal oscillator，tcxo)输出时钟信号，提供给锁相环模块(phase locked loop，pll)进行频率合成，获得6.8ghz/3.4ghz的射频信号，射频信号经过耦合器(bias-tee)与直流控制信号耦合输入到vcsel激光器，vcsel激光器产生相干多色光场与铷原子发生cpt共振，光电探测器(photo-detectors，pd)探测获得cpt谱线信号后输入到滤波器(band-pass filter，bpf)中，bpf将pd所探测到的激光环路频率和微波环路频率在时域上的叠加信号分离开，从而分别得到直流信号和微波信号，微波信号经过锁相放大器(lock-in amplifier，lia)微波解调，获得解调后的第一反馈信号输入到tcxo中，对其输出频率进行微调，从而使tcxo输出稳定的频率，完成微波锁频；同样的，直流信号经过lia直流解调，获得解调后的第二反馈信号输入到直流电源中，完成激光锁频。其中，直流电源可以使用高精度dac芯片和低温漂电阻，通过电压/电流转化电路将dac芯片的模拟电压输出转换为高精度的直流控制信号，再输入到vcsel激光器中，对vcsel激光器的输入电流进行调整，控制其输出光的波长，使得vcsel激光器输出波长锁定在cpt谱线的峰值位置。74.在本实施例中，还可以在cpt原子钟的光学系统中使用tec加热元件与负温度系数热敏电阻作为激光器控温元件，由热敏电阻检测激光器的温度信号，将温度信号转化为电信号与预设电信号进行比较，得到误差电信号，误差电信号通过控制模块计算后化为加热控制信号，控制tec加热元件工作，达到升温或降温的目的。75.本技术实施例中，cpt原子钟包括cpt原子钟的电路系统以及上述任一实施例提供的cpt原子钟的光学系统，射频信号与直流控制信号经过耦合器耦合后输入到激光器中，激光器产生相干多色光场与铷原子发生cpt共振，光电探测器探测接收cpt谱线信号，作为激光锁频与微波锁频的鉴频信号，经过解调后分别输入到直流电源和温度补偿晶体振荡器中，进行频率的锁定，保证了温度补偿晶体振荡器输出稳定的频率。76.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。77.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术的保护范围应以所附权利要求为准。