一种双控温芯片原子钟物理系统 |
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| 申请号 | CN202410328567.5 | 申请日 | 2024-03-21 | 公开(公告)号 | CN118011767A | 公开(公告)日 | 2024-05-10 |
| 申请人 | 北京大学; | 发明人 | 赵建业; 李兆隆; 王俊超; 桂思博; | ||||
| 摘要 | 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。 | ||||||
| 权利要求 | 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。 |
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| 说明书全文 | 一种双控温芯片原子钟物理系统技术领域[0001] 本发明涉及芯片原子钟技术领域，具体涉及一种双控温芯片原子钟物理系统。 背景技术[0002] 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。 [0003] 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。 发明内容[0004] 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。 [0005] 为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案： [0006] 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。 [0007] 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。 [0008] 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。 [0011] 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。 [0014] 本发明具有如下优点： [0015] 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。 [0016] 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。 [0017] 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。 [0018] 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。附图说明 [0019] 为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。 [0020] 本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。 [0021] 图1为本发明实施例提供的双控温芯片原子钟物理系统的分解结构示意图； [0022] 图2为本发明实施例提供的双控温芯片原子钟物理系统的整体结构示意图。 [0023] 图中：1‑LCC底座，2‑激光器电路板，3‑激光器模组，4‑绝热支架，5‑1/4波片，6‑衰减片，7‑原子气室支架，8‑原子气室加热片，9‑原子气室热敏电阻，10‑原子气室，11‑探测器电路板，12‑探测器，13‑吸气剂，14‑陶瓷管帽。 具体实施方式[0024] 以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0025] 本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。 [0026] 本实施例提供了一种双控温芯片原子钟物理系统，以解决现有技术存在的温漂、调试难度高、功耗较高等问题。 [0027] 如图1和2所示，双控温芯片原子钟物理系统包括LCC底座1、激光器电路板2、激光器模组3、绝热支架4、1/4波片5、衰减片6、原子气室支架7、原子气室加热片8、原子气室热敏电阻9、原子气室10、探测器电路板11、探测器12、吸气剂13、陶瓷管帽14。 [0028] 光器电路板2安装在LCC底座1上。激光器模组3内设置有用于发射激光的VCSEL激光器、用于探测温度的NTC热敏电阻和用于加热的TEC半导体加热器。绝热支架4设置在激光器模组3外层，绝热支架4上方开设一圆形通孔形成通光孔，内嵌光学玻璃。原子气室支架7安装在绝热支架4上方，原子气室支架7的底部设有圆形通孔形成通光孔，原子气室支架7的通光孔与绝热支架4的通光孔以及VCSEL激光器的激光发射孔同轴心；原子气室支架7的底部还设有限位槽，通光孔从限位槽的中心穿过。1/4波片5、衰减片6均设置在原子气室支架7的底部限位槽处，衰减片6处于1/4波片5的上方。原子气室加热片8设置在原子气室支架7侧壁。原子气室热敏电阻9设置在原子气室支架7的顶部，用于探测温度。原子气室10安装在原子气室支架7中。探测器电路板11安装在原子气室支架7顶部。探测器12焊接在探测器电路板11上。吸气剂13安装在陶瓷管帽14内壁上。陶瓷管帽14安装在LCC底座1上，与LCC底座1通过真空密封焊接或者非真空焊接构成密封结构，激光器电路板2、激光器模组3、绝热支架4、1/4波片5、衰减片6、原子气室支架7、原子气室加热片8、原子气室热敏电阻9、原子气室10、探测器电路板11、探测器12、吸气剂13均位于密封结构内。 [0029] 本实施例提供的芯片原子钟物理系统使用双控温方案，将以往的单腔分成TO真空封装之激光器模组的内腔和安装原子气室的外腔，即VCSEL激光器在激光器模组中独立控温，原子气室在外腔独立控温，整体结构简单牢固、生产成本较低，且可以实现真空回流焊接，降低设备的功耗，为芯片原子钟的公众应用提供了坚实基础。 [0030] 本实施例提供的双控温芯片原子钟物理系统具有如下优点： [0031] 1、现有技术中，虽然可依靠缓冲气体配比来减少缓冲气体温度变化带来的频移，但仍有个因素限制着实际应用：一是目前原子气室制作技术尚不成熟，缓冲气体配比无法做到精确控制；二是原子钟根据用途不同，有不同的工作温度要求。不同条件下，原子钟的工作温度跨度可达30度，缓冲气体频移的函数是二次曲线，一套缓冲气体配比仅在小范围内可抵消频移，无法适应其他温度。 [0032] 采用本发明的技术方案，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。 [0033] 2、单腔室原子钟虽然理论上可以进行真空回流焊，但受限于VCSEL对温度的严格要求(260度，10秒)，常规激活吸气剂工艺的温度(300‑400度)会损伤VCSEL激光器，导致原子钟稳定度的破坏。 [0034] 采用本发明的技术方案，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。 [0035] 3、对于单控温芯片原子钟，VCSEL激光器和原子气室处于同一温度，在使用温度较低的VCSEL激光器时，原子气室的温度也较低，原子蒸气压不高，激光与原子的作用不充分。 [0036] 采用本发明的技术方案，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。 [0037] CPT原子钟由光强的散粒噪声决定的稳定度极限为： [0038] [0039] 其中，其中V0为超精细能级频率差；K是一个由调制方式决定的常数，通常在0.2的量级；e是电子的电量，Ibg是残余透射光在光电管PD上产生的背景电流；q是对比度和线宽的比值；τ是计算阿伦方差(原子钟一般用阿伦方差来衡量稳定度)的采样时间间隔。 [0040] 4、激光器电路板2、探测器电路板11均为氧化铝陶瓷电路板，原子气室支架7为金属材质(例如：铜)，原子气室加热片8为PTC陶瓷加热片，原子气室10为球形气室，吸气剂13的材质为钛锆等多金属成分。采用玻璃、陶瓷、金属等材料作为基础材料，选择范围大，同时采用焊接和高强度粘合剂粘接，机械强度高，抗震性能好，适用于恶劣的工作环境。 [0041] 虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。 |
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