一种原子钟系统的制作方法

本实用新型实施例涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种原子钟系统。

背景技术：

相干布居数囚禁(coherentpopulationtrapping，cpt)原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理而实现的一种新型原子钟，由于不再需要微波谐振腔，因此可以做到真正的微型化。

通常情况下，cpt原子钟包括物理封装部，物理封装部内封装有激光管和原子泡等，在cpt原子钟启动时，需要对物理封装部中的激光管和原子泡等部件进行加热并维持在较高工作温度上。但是，物理封装部与外界热交换较大，这会导致原子钟启动时间变慢，功耗增大。

技术实现要素：

本实用新型提供一种原子钟系统，以降低物理封装部与外界热交换的热量交换，减少原子钟启动时间，降低功耗。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种原子钟系统，包括：

物理封装部，所述物理封装部包括：

沿光路方向依次排列的激光管、四分之一波片、原子泡以及光电探测器；

磁屏蔽线圈，所述磁屏蔽线圈环绕所述原子泡；

加热电路以及印刷线路板，所述加热电路设置于所述印刷线路板上；

真空封装壳体，所述真空封装壳体用于真空密封所述激光管、所述四分之一波片、所述原子泡、所述光电探测器、所述磁屏蔽线圈、所述加热电路以及所述印刷线路板。

可选的，所述真空封装壳体包括盖子和底座，所述盖子和所述底座通过冷压焊方式焊接于一体。

可选的，所述物理封装部还包括隔热层，所述隔热层包覆于所述真空封装壳体外。

可选的，所述隔热层包括聚酰亚胺隔热层。

可选的，所述原子钟系统还包括控制电路；所述控制电路的加热控制信号输出端与所述加热电路的加热控制信号输入端电连接。

可选的，所述物理封装部还包括温度传感器，所述温度传感器的温度信号输出端与所述控制电路的温度信号输入端电连接。

可选的，所述原子钟系统还包括激光器电流源、调制器、锁相环以及晶振；

所述控制电路包括cpt共振输入端、激光纠偏调制输出端、激光电流扫频控制输出端、微波纠偏调节输出端、压控调节输出端；

所述cpt共振输入端与所述光电探测器的cpt共振输出端电连接；

所述激光纠偏调制输出端与所述调制器的激光纠偏调制输入端电连接，微波纠偏调节输出端与所述锁相环的微波纠偏调节输入端电连接，所述锁相环的电流调制输出端与所述调制器的电流调制输入端电连接，所述调制器的调制输出端与所述激光器电流源的调制输入端电连接；

所述压控调节输出端与所述晶振的压控调节输出端电连接，所述晶振的频率变化输出端与所述锁相环的频率变化输入端电连接。

可选的，所述控制电路包括现场可编程逻辑门阵列和单片机。

可选的，所述加热电路包括mos管。

可选的，所述原子泡包括铯泡。

本实用新型提供的原子钟系统，通过采用真空封装壳体真空封装激光管、四分之一波片、原子泡、光电探测器、磁屏蔽线圈、加热电路以及印刷线路板形成物理封装部，可降低物理封装部与外界热交换，提高物理封装部的保温性能，解决物理封装部与外界热交换大的问题，实现、加快原子钟启动、以及降低功耗的效果。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种物理封装部的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种原子钟的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部结构。

有鉴于背景技术中提到的问题，本实用新型实施例提供了一种原子钟系统，包括物理封装部，该物理封装部包括：

沿光路方向依次排列的激光管、四分之一波片、原子泡以及光电探测器；

磁屏蔽线圈，磁屏蔽线圈环绕原子泡；

加热电路以及印刷线路板，加热电路设置于印刷线路板上；

真空封装壳体，真空封装壳体用于真空密封激光管、四分之一波片、原子泡、光电探测器、磁屏蔽线圈、加热电路以及印刷线路板。

以上是本申请的核心思想，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1是本实用新型实施例提供的一种物理封装部的结构示意图。图2是本实用新型实施例提供的一种原子钟系统的结构示意图。参见图1和图2，原子钟系统包括物理封装部10，物理封装部10包括：沿光路方向依次排列的激光管11、四分之一波片12、原子泡13以及光电探测器14；磁屏蔽线圈15，磁屏蔽线圈15环绕原子泡13；加热电路18以及印刷线路板16，加热电路18设置于印刷线路板16上；真空封装壳体17，真空封装壳体17用于真空密封激光管11、四分之一波片12、原子泡13、光电探测器14、磁屏蔽线圈15、加热电路18以及印刷线路板16。

具体的，真空封装壳体17包括盖子171和底座172。真空封装壳体17的材料本领域技术人员可根据实际情况设置，此处不作限定，示例性的，真空封装壳体17的材料包括金属。具体的，激光管11、四分之一波片12、原子泡13、光电探测器14、以及磁屏蔽线圈15均可安装在印刷线路板16上，印刷线路板16可以固定于底座172上。

具体的，激光管11用于输出线偏振光。四分之一波片12用于将线偏振光变为圆偏振光。磁屏蔽线圈15用于屏蔽外部磁场干扰。光电探测器14用于接收从原子泡13透射出的光信号，并将光信号转为电信号。

具体的，原子泡13用于提供稳定可靠的原子蒸汽，当原子钟系统微波调制后产生的相干激光通过原子汽室时，能发生明显的cpt现象。原子泡13的具体实现形式，本领域技术人员可根据实际情况设置，此处不作限定。可选的，原子泡13包括铯泡。

具体的，加热电路18用于将物理封装部10内的温度加热至预设温度，其中，预设温度与激光管11等的具体实现形式相关，当物理封装部10内的温度升高至预设温度时原子钟启动工作。加热电路18的具体实现形式，本领域技术人员可根据实际情况设置，此处不作限定。可选的，加热电路18包括mos管。可以理解的是，可通过控制流经mos管的电流控制加热电路18的加热功率，如此，可使加热电路18的控制方式简单，还可使加热电路18的电路结构简单。

具体的，真空封装壳体17的盖子171和底座172的焊接方式本领域技术人员可根据实际情况设置，此处不作限定。示例性的，可以采用冷压焊、电阻压力焊、超声波焊、激光焊、真空电子束焊等焊接方法。优选的，盖子171和底座172通过冷压焊方式焊接于一体。采用冷压焊的方式焊接盖子171和底座172具有如下有益效果：第一，不需外加热源，焊件温度低，是在固态下形成焊接接头的，因而金属的性能变化很小，接头的耐蚀性、导电性等与基本金属相接近；第二，冷压焊过程中不会产生热焊接头常见的软化区、热影响区和脆性金属中间相；另外，冷作硬化又使接头强化，所以，冷压焊的接头强度不低于母材强度；第三，不需加热，不需填料，设备简单，焊接的主要工艺参数由模具尺寸确定，易于操作和自动化，焊接质量稳定，生产率高，无污染，耗能少，成本低。

示例性的，盖子171和底座172的焊接流程可以具体如下：

首先，对盖子171和底座172进行表面清洁处理。具体的，用丙酮清洗去油→酒精超声波清洗→酸洗(酸洗的目的是去除盖子171与底座172表面的氧化膜，获得洁净的金属面。)→净水冲洗→烘干处理。为保证获得稳定、优质的焊缝，清理后的表面不要遗留残渣或氧化膜粉屑，也要避免再用手摸以免再污染。优选的，将清洁后的盖子171和底座172置于超净的保护气或真空室内。

然后，超净工作台内将激光管11、四分之一波片12、原子泡13、光电探测器14、磁屏蔽线圈15、加热电路18及印刷线路板16上装配在底座172上。

最后，将底座172和盖子171置于能够加热烘烤的真空排气台内，当排气台的真空度达到1.33×10-6pa以上时，冷压焊机通过模具把盖子171与底座172封装在一起。

需要注意的是，冷压焊真空封装确保其气密性的关键在于，要保证底座172和盖子171表面的清洁度，如此，可降低漏气的风险，保证长期真空度。并且，封装过程需保证无污染，如此，才能使真空封装壳体17内的元器件的性能指标保持稳定。

本实用新型提供的原子钟系统，通过采用真空封装壳体17真空封装激光管11、四分之一波片12、原子泡13、光电探测器14、磁屏蔽线圈15、加热电路18以及印刷线路板16形成物理封装部10，可降低物理封装部10与外界热交换，提高物理封装部10的保温性能，解决物理封装部10与外界热交换大的问题，实现、加快原子钟启动、以及降低功耗的效果。

在上述技术方案的基础上，可选的，物理封装部10还包括隔热层，隔热层包覆于真空封装壳体17外。如此，可降一步降低物理封装部10与外部的热交换，进一步提高原子钟系统的启动速度，降低功耗。

可选的，隔热层包括聚酰亚胺隔热层。可以理解的是，聚酰亚胺隔热层具有较强的隔热效果，有利于原子钟系统更快地进入工作温度，实现原子钟的快速启动，并降低其工作功耗。

继续参见图2，可选的，原子钟系统还包括控制电路20；控制电路20的加热控制信号输出端与加热电路18的加热控制信号输入端电连接。

具体的，加热控制信号输出端用于输出加热控制信号，加热电路18用于响应于加热信号产生热量，为物理封装部10内的激光管11等器件加热。

具体的，控制电路20的具体实现形式，本领域技术人员可根据实际情况设置，此处不作限定。可选的，控制电路20包括现场可编程逻辑门阵列和单片机。如此，可使控制电路20的电路结构简单。

可选的，物理封装部10还包括温度传感器，温度传感器的温度信号输出端与控制电路20的温度信号输入端电连接。

具体的，温度传感器用于采集物理封装部10内部温度，并通过温度信号输入端反馈至控制电路20，控制电路20可以根据实时温度调节加热控制信号。示例性的，若物理封装部10内部的当前温度小于预设温度时，控制器控制加热电路18为物理封装部10产生热量以使物理封装部10温度升高；若物理封装部10内部的当前温度大于或等于预设温度时，控制器控制加热电路18为物理封装部10产生热量以使物理封装部10温度维持在预设温度。

继续参见图2，可选的，原子钟系统还包括激光器电流源31、调制器32、锁相环33以及晶振34；控制电路20包括cpt共振输入端、激光纠偏调制输出端、激光电流扫频控制输出端、微波纠偏调节输出端、压控调节输出端；cpt共振输入端与光电探测器14的cpt共振输出端电连接；激光纠偏调制输出端与调制器32的激光纠偏调制输入端电连接，微波纠偏调节输出端与锁相环33的微波纠偏调节输入端电连接，锁相环33的电流调制输出端与调制器32的电流调制输入端电连接，调制器32的调制输出端与激光器电流源31的调制输入端电连接；压控调节输出端与晶振34的压控调节输出端电连接，晶振34的频率变化输出端与锁相环33的频率变化输入端电连接。

示例性的，下面以原子泡13包括铯泡为例，对原子钟系统的工作过程进行说说明。锁相环33、晶振34等部件构成射频模块，射频模块的输出信号经过电调衰减器和阻抗匹配电路对微波射频功率进行调节，主要用于产生频率为铯原子两基态超精细能级分裂能级差值一半的微波信号，激光管11驱动电流被射频调制之后，输出调频多光。激光管11输出的线偏振光经过四分之一波片12后转化为圆偏振光，并与铯气室(铯泡)中的铯原子相互作用。原子能级被简化为三能级，1和2表示基态能级，3表示激发态能级，调频多光中正负一阶边带光与原子跃迁共振分别激发1→3和2→3的跃迁。当正负一阶边带光的频率差与1和2之间的频率差精确相等时，发生cpt共振(铯原子的两个原子能级频率差为9.2ghz)，光电探测器14接收透过的光信号，转化为电信号并放大。获得的cpt信号进入控制电路20，控制电路20对射频模块前端的晶振34进行鉴频后，输出相应的压控调节电压调节晶振34频率，晶振34频率变化会使射频模块的输出信号产生变化，由此实现整个系统的闭环。最后，晶振34会输出一个稳定的频率。此外，实现芯片原子钟还需要对激光管和原子泡13进行温度控制，获得所需波长的激光和一定数目的原子。利用原子对激光的吸收信号，对激光管输入电流进行反馈，稳定激光频率。为了屏蔽外界磁场的干扰，需对原子泡13进行磁屏蔽，并提供与激光同向的、恒定的磁场，为原子提供量子化轴并使原子能级去简并。

注意，上述仅为本实用新型的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本实用新型不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本实用新型的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本实用新型进行了较为详细的说明，但是本实用新型不仅仅限于以上实施例，在不脱离本实用新型构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本实用新型的范围由所附的权利要求范围决定。

技术特征：

1.一种原子钟系统，包括物理封装部，其特征在于，所述物理封装部包括：

沿光路方向依次排列的激光管、四分之一波片、原子泡以及光电探测器；

磁屏蔽线圈，所述磁屏蔽线圈环绕所述原子泡；

加热电路以及印刷线路板，所述加热电路设置于所述印刷线路板上；

2.根据权利要求1所述的原子钟系统，其特征在于，所述真空封装壳体包括盖子和底座，所述盖子和所述底座通过冷压焊方式焊接于一体。

3.根据权利要求1所述的原子钟系统，其特征在于，所述物理封装部还包括隔热层，所述隔热层包覆于所述真空封装壳体外。

4.根据权利要求3所述的原子钟系统，其特征在于，所述隔热层包括聚酰亚胺隔热层。

5.根据权利要求1所述的原子钟系统，其特征在于，所述原子钟系统还包括控制电路；所述控制电路的加热控制信号输出端与所述加热电路的加热控制信号输入端电连接。

6.根据权利要求5所述的原子钟系统，其特征在于，所述物理封装部还包括温度传感器，所述温度传感器的温度信号输出端与所述控制电路的温度信号输入端电连接。

7.根据权利要求5所述的原子钟系统，其特征在于，所述原子钟系统还包括激光器电流源、调制器、锁相环以及晶振；

所述控制电路包括cpt共振输入端、激光纠偏调制输出端、激光电流扫频控制输出端、微波纠偏调节输出端、压控调节输出端；

所述cpt共振输入端与所述光电探测器的cpt共振输出端电连接；

所述压控调节输出端与所述晶振的压控调节输出端电连接，所述晶振的频率变化输出端与所述锁相环的频率变化输入端电连接。

8.根据权利要求5所述的原子钟系统，其特征在于，所述控制电路包括现场可编程逻辑门阵列和单片机。

9.根据权利要求1所述的原子钟系统，其特征在于，所述加热电路包括mos管。

10.根据权利要求1所述的原子钟系统，其特征在于，所述原子泡包括铯泡。

技术总结

本实用新型实施例公开了一种原子钟系统。该原子钟系统包括物理封装部，物理封装部包括：沿光路方向依次排列的激光管、四分之一波片、原子泡以及光电探测器；磁屏蔽线圈，磁屏蔽线圈环绕原子泡；加热电路以及印刷线路板，加热电路设置于印刷线路板上；真空封装壳体，真空封装壳体用于真空密封激光管、四分之一波片、原子泡、光电探测器、磁屏蔽线圈、加热电路以及印刷线路板。本实用新型实施例提供的技术方案可减少物理封装部与外界的热交换，加快原子钟启动速度，降低功耗。