本發(fā)明涉及原子頻標(biāo)和微波技術(shù)，可應(yīng)用于小型化和集成化的星載原子鐘的原子與微波相互作用過程。

背景技術(shù)：

在原子頻標(biāo)領(lǐng)域中，無論是熱原子還是冷原子，都是利用原子與微波相互作用過程產(chǎn)生鑒頻曲線。該鑒頻曲線的信噪比和對(duì)比度直接決定了頻標(biāo)的穩(wěn)定度。所以微波腔是原子頻標(biāo)中一個(gè)核心組成部分(CPT原子鐘除外)。

熱原子頻標(biāo)，通常是在高真空環(huán)境下，以鎖定在特定頻率處的激光作為泵浦光，將激發(fā)態(tài)的原子泵浦到基態(tài)，然后與微波相互作用，最后經(jīng)探測(cè)光探測(cè)得到鑒頻曲線。而冷原子頻標(biāo)，可以使用磁光阱(MOT)、漫反射激光冷卻(注入冷卻光)等方法，將原子在被泵浦到基態(tài)之前迅速冷卻下來，之后再與微波相互作用。

目前原子頻標(biāo)中應(yīng)用最廣泛的微波腔結(jié)構(gòu)主要有兩種：一種是圓柱形微波腔，可以看作是在一段圓柱形波導(dǎo)兩端加上金屬端蓋組成的。通常選用TE₀₁₁模式作為原子鐘的工作模式，該模式的電場(chǎng)雖然繞腔軸線呈圓周閉合狀態(tài)，磁場(chǎng)沒有圓周方向的分量，但是該模式的磁場(chǎng)均勻區(qū)域主要集中在腔體中心區(qū)域，上下兩端磁場(chǎng)變化梯度大，均勻性差。最終導(dǎo)致在相互作用過程中，位于上、下兩端位置處的原子所感受到微波功率大小不一致，惡化鑒頻曲線。

另一種是球形微波腔，微波能量的傳輸路徑是一組沿著球形外壁的曲面。相對(duì)于圓柱形微波腔，球形微波腔具有較為復(fù)雜的外形，機(jī)械加工難度大，場(chǎng)型分布不易控制、微波場(chǎng)均勻范圍較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明將基于上述圓柱形微波腔，提出了一種重入式微波腔的構(gòu)想，并對(duì)腔內(nèi)的磁場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。沿微波腔中心軸線的剖面內(nèi)的磁場(chǎng)分布參見附圖7?？梢钥闯?，在這種重入式微波腔中，磁場(chǎng)均勻范圍主要集中在微波腔中心軸線區(qū)域，且磁場(chǎng)在上下兩端變化梯度小。

由于原子鐘將位于中心軸線區(qū)域的原子與微波相互作用過程的吸收信號(hào)作為鐘躍遷信號(hào)，那么利用這種重入式結(jié)構(gòu)的均勻性分布，可以有效提高鐘躍遷信號(hào)的信噪比和頻率穩(wěn)定度。并且，這種重入式結(jié)構(gòu)還具有易加工，諧振頻率易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方案如下：

一種用于星載原子鐘的重入式均勻場(chǎng)微波腔，其特征在于，包括由上蓋和下蓋連接而成的腔體和設(shè)置在該腔體內(nèi)的圓柱形波導(dǎo)，所述的上蓋、下蓋和圓柱形波導(dǎo)之間的環(huán)形間隙構(gòu)成自由空間區(qū)域，在該自由空間區(qū)域內(nèi)放置有微波隔離塊；

在所述的上蓋的上端面中心設(shè)有一根具有上蓋通光孔的上截止波導(dǎo)，在所述的下蓋底面中心設(shè)有一根具有下蓋通光孔的下截止波導(dǎo)，所述的上蓋通光孔與下蓋通光孔的大小相同，所述的上截止波導(dǎo)、圓柱形波導(dǎo)和下截止波導(dǎo)同軸，且由上至下形成重入式微波腔；

在所述的圓柱形波導(dǎo)的側(cè)壁半高處關(guān)于圓柱形波導(dǎo)的中軸線對(duì)稱地開設(shè)有兩個(gè)長(zhǎng)條形通孔；在所述的腔體外壁上固定有耦合天線，該耦合天線將外部微波信號(hào)耦合進(jìn)自由空間區(qū)域，再通過所述的長(zhǎng)條形通孔將微波信號(hào)耦合進(jìn)微波腔內(nèi)部；

所述的上蓋、下蓋、圓柱形波導(dǎo)和微波隔離塊由無氧銅、鋁合金或者鈦合金金屬材料制成；微波腔的直徑和高度的比為1:1，微波諧振點(diǎn)工作在TE₀₁₁模式；

所述的下蓋的下邊沿向外縱向均勻地延伸出三個(gè)支撐把手，支撐把手下端有固定孔，可水平地將微波腔固定在安裝底座上；

在所述的下蓋上的下截止波導(dǎo)周緣均勻地設(shè)有四個(gè)冷卻通光孔，冷卻光通過冷卻通光孔入射到微波腔內(nèi)；

通過對(duì)齊所述的微波隔離塊上的限位孔和所述的上蓋上對(duì)應(yīng)的側(cè)面通孔固定所述的微波隔離塊與所述上蓋之間的相對(duì)位置；

通過對(duì)齊所述的下蓋上的下通孔與所述的圓柱形波導(dǎo)上對(duì)應(yīng)的限位洞固定所述的下蓋與所述的圓柱形波導(dǎo)之間的相對(duì)位置；

所述的上蓋和所述的下蓋之間通過緊固螺釘固定連接；

所述的耦合天線通過螺釘和緊固壓塊垂直地固定在所述的腔體外壁上。

本發(fā)明的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

在圓柱形微波腔中心區(qū)域微波場(chǎng)分布均勻的基礎(chǔ)上，在上蓋的上端面中心設(shè)有一根具有上蓋通光孔的上截止波導(dǎo)，在下蓋底面中心設(shè)有一根具有下蓋通光孔的下截止波導(dǎo)，上蓋通光孔與下蓋通光孔的大小相同，上截止波導(dǎo)、圓柱形波導(dǎo)和下截止波導(dǎo)同軸，且由上至下形成重入式微波腔；提高了微波腔中心軸線區(qū)域微波場(chǎng)的均勻性，彌補(bǔ)了圓柱形微波腔上下端面處場(chǎng)型分布梯度大的缺點(diǎn)；

上蓋、下蓋、圓柱形波導(dǎo)和微波隔離塊由無氧銅、鋁合金或者鈦合金金屬材料制成；耦合天線通過螺釘和緊固壓塊垂直地固定于微波腔外壁上，將外部微波信號(hào)耦合進(jìn)自由空間區(qū)域，再通過長(zhǎng)條形通孔將微波信號(hào)耦合進(jìn)微波腔內(nèi)部；

微波腔底面直徑與高度比為1:1，微波諧振點(diǎn)工作在TE₀₁₁模式；這種耦合方式和比例設(shè)計(jì)在滿足微波模式要求的同時(shí)，可以使最終激勵(lì)的微波場(chǎng)更加對(duì)稱和均勻。

本發(fā)明的設(shè)計(jì)具有微波場(chǎng)均勻范圍大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，可以大幅度提高鐘躍遷信號(hào)的信噪比與頻率穩(wěn)定度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的前視圖

圖2是本發(fā)明的俯視圖

圖3是本發(fā)明的仰視圖

圖4是本發(fā)明沿微波腔中軸線1的左視剖面圖

圖5是本發(fā)明沿圖3虛線的旋轉(zhuǎn)剖面圖

圖6是本發(fā)明的光束示意圖

圖7是本發(fā)明沿微波腔中軸線1的剖面磁場(chǎng)分布圖

圖中：

1—微波腔中軸線 1-1—耦合天線 1-2—螺釘 1-3—緊固壓塊 1-4耦合天線微波輸入端

2—上蓋 2-1—上截止波導(dǎo) 2-2—緊固螺釘 2-3—上蓋通光孔 2-4—側(cè)面通孔

3—下蓋 3-1—下截止波導(dǎo) 3-2—把手 3-3—下蓋通光孔 3-4—固定孔 3-5—冷卻通光孔 3-6—下通孔

4—圓柱形波導(dǎo) 4-1—長(zhǎng)條形通孔 4-2波導(dǎo)內(nèi)表面 4-3—限位洞

5—微波隔離塊 5-1—限位孔

6—自由空間區(qū)域

7-1—冷卻光入射示意圖 7-2—探測(cè)光入射示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6。如圖所示，一種用于星載原子鐘的均勻場(chǎng)微波腔的具體實(shí)施例。微波腔放置在真空腔內(nèi)，銣原子通過蒸汽壓的方式，從真空導(dǎo)管內(nèi)擴(kuò)散到微波腔內(nèi)，并充滿整個(gè)微波腔。

本發(fā)明用于星載原子鐘的重入式均勻場(chǎng)微波包括由上蓋2和下蓋3連接而成的腔體和設(shè)置在該腔體內(nèi)的圓柱形波導(dǎo)4，所述的上蓋2、下蓋3和圓柱形波導(dǎo)4之間的環(huán)形間隙構(gòu)成自由空間區(qū)域6，在該自由空間區(qū)域6內(nèi)放置有微波隔離塊5；

所述的上蓋2的上端面中心設(shè)有一根具有上蓋通光孔2-3的上截止波導(dǎo)2-1，所述的下蓋3底面中心設(shè)有一根具有下蓋通光孔3-3的下截止波導(dǎo)3-1，所述的上蓋通光孔3-3與下蓋通光孔2-3的大小相同，所述的上截止波導(dǎo)2-1、圓柱形波導(dǎo)4和下截止波導(dǎo)3-1同軸，且由上至下形成重入式微波腔；

所述的圓柱形波導(dǎo)4的側(cè)壁半高處關(guān)于圓柱形波導(dǎo)4的中軸線1對(duì)稱地開設(shè)有兩個(gè)長(zhǎng)條形通孔4-1(其他未標(biāo)出)；在所述的腔體外壁上固定有耦合天線1-1，該耦合天線1-1將外部微波信號(hào)耦合進(jìn)自由空間區(qū)域6，再通過所述的兩個(gè)長(zhǎng)條形通孔4-1將微波信號(hào)耦合進(jìn)微波腔內(nèi)部；

通過對(duì)齊所述的微波隔離塊5上的限位孔5-1和所述的上蓋2上對(duì)應(yīng)的側(cè)面通孔2-4固定所述的微波隔離塊5與所述上蓋2之間的相對(duì)位置；

通過對(duì)齊所述的下蓋3上的下通孔3-6與所述的圓柱形波導(dǎo)4上對(duì)應(yīng)的限位洞4-3(其他未標(biāo)出)固定所述的下蓋3與所述的圓柱形波導(dǎo)4之間的相對(duì)位置；

所述的上蓋2和所述的下蓋3之間通過接觸面設(shè)計(jì)的多個(gè)緊固螺釘2-2(其它未標(biāo)出)固定連接；

在所述的下蓋3上、下截止波導(dǎo)3-1周緣均勻地設(shè)有四個(gè)冷卻通光孔3-5，冷卻光通過冷卻通光孔3-5入射到微波腔內(nèi)；

所述的耦合天線1-1通過螺釘1-2和緊固壓塊1-3垂直地固定在所述的腔體外壁上。

所述的下蓋3下邊沿向外縱向均勻地延伸出三個(gè)支撐把手3-2(其他未標(biāo)出)，支撐把手下端有固定孔3-4(其他未標(biāo)出)，可水平地將微波腔固定在安裝底座上；

所述的重入式微波腔內(nèi)表面可噴砂并鍍上反射率高的金屬(比如金、銀)，冷卻光7-1通過四個(gè)冷卻通光孔3-5以一定的發(fā)散角入射到微波腔內(nèi)后可在微波腔內(nèi)形成各向同性的漫反射光場(chǎng)，在微波腔內(nèi)冷卻原子；探測(cè)光7-2可垂直地經(jīng)由上蓋通光孔2-3和下蓋通光孔3-3探測(cè)微波腔內(nèi)的原子數(shù)目；

使用時(shí)，通過下蓋3底面上的四個(gè)冷卻通光孔3-5注入冷卻光制備冷原子；然后通過雙側(cè)耦合的方式將特定頻率特定功率的微波耦合入微波腔內(nèi)進(jìn)行原子與微波相互作用；最后通過上蓋通光孔2-3和下蓋通光孔3-3入射的探測(cè)光探測(cè)微波腔內(nèi)的原子數(shù)目。

綜上，本發(fā)明利用特殊設(shè)計(jì)，包括采用上截止波導(dǎo)和下截止波導(dǎo)的接設(shè)、圓柱形波導(dǎo)和微波耦合方式等，優(yōu)化了原子鐘的關(guān)鍵部分—微波腔，提高了微波場(chǎng)場(chǎng)型分布的均勻性，為進(jìn)一步提高星載原子鐘的穩(wěn)定度等性能指標(biāo)提供了方向。