一种CPT原子钟光路结构制造技术

本发明专利技术公开了一种CPT原子钟光路结构，VCSEL激光器发射的激光依次通过光学隔离器、1/4波片后进入双腔MEMS原子气室的光学作用腔与碱金属一次作用；双腔MEMS原子气室的光学作用腔的出射激光经第一反射镜和第二反射镜的两次全反射后，再进入双腔MEMS原子气室的反应腔中与反应腔内的碱金属二次作用，然后进入光电探测器。本发明专利技术在传统采用双腔原子气室的光路结构基础上进行改进，增加了作用光程，提高了到达光电探测器的激光对比度，而且能够避免反射激光照射激光器影响激光器输出激光功率稳定性的问题。

A light path structure of CPT atomic clock

The invention discloses a CPT atomic clock optical structure, cavity and optical effect of a metal base effect of laser VCSEL laser followed by optical isolator, 1/4 wave plate into the double lumen MEMS atomic vapor cell; optical cavity double cavity MEMS atom gas chamber the laser through the first reflector and second reflector mirror two times total reflection, two alkali metal reaction cavity into two cavity MEMS atom gas in the chamber and the reaction chamber, and then enter the photoelectric detector. The basic optical structure of the invention adopts double cavity atomic gas chamber on the basis of the traditional improved, increased the role to improve the optical path, photoelectric detector laser contrast, and can avoid the reflection of laser irradiation laser influence laser power stability.

【技术实现步骤摘要】
一种CPT原子钟光路结构
本专利技术属于CPT(相干布局囚禁)原子钟
，尤其涉及一种CPT原子钟光路结构，可用于CPT原子钟光路结构的制备。
技术介绍
CPT原子钟由于物理部分不需要微波腔，可以实现微型化甚至芯片化设计，是目前原子钟领域的研究热点。采用微机电系统(MEMS)技术和微粘接工艺实现微型光路结构制备是CPT原子钟微型化和芯片化需要克服的最重要的技术难点。目前MEMS原子气室制备的主流方式是采用叠氮化钡置换法，将原子气室设计为双腔结构，其中一个腔为反应腔，内填充叠氮化钡(BaN6)和氯化铷(RbCl)，将玻璃与硅片键合后，加热反应腔生成Rb和N2。采用叠氮化钡置换法会使反应腔中残留一些BaCl2杂质，因此设计光路结构时，采用该类型原子气室的光路仅使用另外一个腔作为光路作用腔，但这样光路有效作用时间短，信号对比度较小。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种CPT原子钟光路结构，在传统采用双腔原子气室的光路结构基础上进行改进，增加了作用光程，提高了到达光电探测器的激光对比度，而且能够避免反射激光照射激光器影响激光器输出激光功率稳定性的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：一种CPT原子钟的光路结构，包括：VCSEL激光器、双腔MEMS原子气室、光电探测器，还包括光学隔离器、1/4波片、第一反射镜和第二反射镜；其中，光学元件模块用于滤除进入双腔MEMS原子气室的非作用光；VCSEL激光器发射的激光依次通过光学隔离器、1/4波片后进入双腔MEMS原子气室的光学作用腔与碱金属一次作用；双腔MEMS原子气室的光学作用腔的出射激光经第一反射镜和第二反射镜的两次全反射后，再进入双腔MEMS原子气室的反应腔中与反应腔内的碱金属二次作用，然后进入光电探测器。优选地，第一反射镜和第二反射镜采用玻璃基材，表面镀氧化钛。优选地，对于第一反射镜和第二反射镜，通过在反射面加工凹面弧度，使得第二反射镜的反射光垂直入射至光电探测器。优选地，第一反射镜和第二反射镜之间采用光纤进行连接。优选地，第一反射镜和第二反射镜通过由顶层支撑结构和反射镜侧面支撑结构组成的反射镜安装框架进行位置固定。优选地，顶层支撑结构与反射镜接触的一面镀反射膜。优选地，第一反射镜和第二反射镜通过粘接实现镜体与反射镜安装框架的连接固定。优选地，该光学结构进一步包括设置在光学隔离器与双腔MEMS原子气室之间的滤光片。有益效果：(1)本专利技术考虑到反应腔中杂质对光路作用有限，在传统采用双腔MEMS原子气室的光路结构基础上加入反射镜设计，使光路在原光路作用腔射出后经过反射进入反应腔，与反应腔中的碱金属继续作用，有效增加了作用光程，提高了信号对比度。(2)在激光器发射端加入光学隔离器，有效防止光学镜面反射激光入射到激光器，影响出射激光功率稳定性，提高了激光器输出激光功率的稳定性，延长激光器寿命。附图说明图1为本专利技术一种CPT原子钟光路的示意图。图2为本专利技术一种优选实施方式的组成示意图。图中：1-VCSEL激光器，2-激光器支撑结构，3-光学隔离器，4-1/4波片，5-滤光片，6(a)-第一反射镜，6(b)-第二反射镜，7-光电探测器，8-顶层支撑结构，9-反射镜侧面支撑结构，10、12-玻璃，11-硅片，13-侧面支撑结构，14-底层支撑结构，15-双腔MEMS原子气室。具体实施方式现有技术仅将双腔原子气室中的一个腔作为光学作用腔，导致光路有效作用时间短，信号对比度较小。但实际上，双腔原子气室中两个腔的碱金属饱和蒸汽压以及缓冲气体压强基本一样，虽然反应腔中残留有杂质，但其含量对光路影响很小，因此可以作为第二作用腔。因此，如图1所示，本专利技术在双腔原子气室15的反应腔和光学作用腔上部增加全反射镜结构，包括第一反射镜6a和第二反射镜6b，如图1所示，VCSEL激光器(垂直腔面发射激光器)1发射的激光先进入双腔原子气室15的光学作用腔与碱金属一次作用；光学作用腔的出射激光经第一反射镜6a和第二反射镜6b的两次全反射后，进入双腔原子气室15的反应腔中与反应腔内的碱金属原子继续作用，然后再进入光电探测器7。激光两次进入双腔原子气室15进行作用，延长了激光作用光程和作用时间，提高了光路结构的性能。同时，本专利技术还在激光器出射端加入光学隔离器3和光学元件模块。光学隔离器3使激光在激光器和光学元件模块之间单向传播，防止激光反射回激光器造成激光器损伤，延长激光器寿命。其中，光学元件模块包括1/4波片4和滤光片5。1/4波片4用于将激光器输出的线偏振光变为圆偏振光，以在作用腔内与原子产生CPT现象；滤光片5用于滤除一些非作用光，以提高信噪比。下面结合附图2对本专利技术的光路结构的实现进行详细描述。本专利技术提出的一种CPT原子钟光路结构如图2所示，包括VCSEL激光器1，激光器支撑结构2、光学隔离器3、1/4波片4、滤光片5、第一反射镜6a、第二反射镜6b、光电探测器7、顶层支撑结构8、反射镜侧面支撑结构9、侧面支撑结构13、底层支撑结构14以及双腔原子气室15。底层支撑结构14上具有VCSEL激光器1和光电探测器7的焊盘。VCSEL激光器1和光电探测器7焊接在底层支撑结构14上，并通过采用金线键合工艺制作的相应引线引出控制与输出信号引脚。光学隔离器3、1/4波片4和滤光片5通过玻璃键合工艺或粘接工艺粘接形成光学组合结构。光学隔离器3在下，1/4波片4和滤光片5组成光学元件模块在上，1/4波片4和滤光片5的位置可以互换。根据VCSEL激光器1所需高度制作玻璃材质的激光器支撑结构2，激光器支撑结构2安装在底面支撑结构14上，且位于VCSEL激光器1两侧。光学隔离器3、1/4波片4和滤光片5组成的光学组合结构安装在激光器支撑结构2顶端，安装方式可以为粘接。光电探测器7的右侧安装侧面支撑结构13，侧面支撑结构13的高度根据激光器支撑结构2与光学组合结构粘接后的尺寸制作，材质为玻璃。侧面支撑结构13粘接在底层支撑结构14上。光学组合结构和侧面支撑结构13上端面粘接双腔原子气室15。双腔原子气室15由硅片11和玻璃10、12组成。将硅片和玻璃进行抛光，采用湿法刻蚀工艺在硅片上制作反应腔、作用腔和连接两个腔的浅槽通道，并将玻璃与硅片键合。按照化学配平式的质量比称取一定量的叠氮化钡和氯化铷，采用溶液溶解烘干混合的方法将二者均匀混合。将适量混合物放入反应腔通过控制温度实现叠氮化钡置换法制作缓冲气体和碱金属，最后将玻璃与硅片键合。第一反射镜6a和第二反射镜6b安装在双腔原子气室15上方。这两个反射镜通过由顶层支撑结构8和反射镜侧面支撑结构9组成的反射镜安装框架进行位置固定，反射镜粘接在反射镜安装框架上。第一反射镜6a和第二反射镜6b采用玻璃基材，表面镀氧化钛作为反射膜。反射镜可以根据光路扩散具体情况适当进行凹面弧度加工，增加反射后光的平行性。也就是说，通过在第一反射镜6a和第二反射镜6b的反射面上加工凹面弧度，使得第二反射镜6b的反射光垂直入射至光电探测器7。优选地，为提高激光传播效率，第一反射镜6a与第二反射镜6b之间可采用光纤进行连接，或将顶层支撑结构8与反射镜接触的一面镀反射膜。综上所述，以上仅为本专利技术的较佳实施例而已，并非用于限定本专利技术的保护范围。凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CPT原子钟的光路结构，包括：垂直腔面发射激光器VCSEL(1)、双腔MEMS原子气室(15)、光电探测器(7)，其特征在于，还包括光学隔离器(3)、1/4波片(4)、第一反射镜(6a)和第二反射镜(6b)；VCSEL(1)发射的激光依次通过光学隔离器(3)、1/4波片(4)后进入双腔MEMS原子气室(15)的光学作用腔与碱金属一次作用；双腔MEMS原子气室(15)的光学作用腔的出射激光经第一反射镜(6a)和第二反射镜(6b)的两次全反射后，再进入双腔MEMS原子气室(15)的反应腔中与反应腔内的碱金属二次作用，然后进入光电探测器(7)。

【技术特征摘要】
1.一种CPT原子钟的光路结构，包括：垂直腔面发射激光器VCSEL(1)、双腔MEMS原子气室(15)、光电探测器(7)，其特征在于，还包括光学隔离器(3)、1/4波片(4)、第一反射镜(6a)和第二反射镜(6b)；VCSEL(1)发射的激光依次通过光学隔离器(3)、1/4波片(4)后进入双腔MEMS原子气室(15)的光学作用腔与碱金属一次作用；双腔MEMS原子气室(15)的光学作用腔的出射激光经第一反射镜(6a)和第二反射镜(6b)的两次全反射后，再进入双腔MEMS原子气室(15)的反应腔中与反应腔内的碱金属二次作用，然后进入光电探测器(7)。2.如权利要求1所述的CPT原子钟的光路结构，其特征在于，第一反射镜(6a)和第二反射镜(6b)采用玻璃基材，表面镀氧化钛。3.如权利要求1所述的CPT原子钟的光路结构，其特征在于，对于第一反射镜(6a)和第二反射镜(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：廉吉庆，陈大勇，涂建辉，张金海，陈溶波，缪培贤，王剑祥，杨世宇，杨炜，崔敬忠，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62