本發(fā)明屬于CPT(相干布局囚禁)原子鐘技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種CPT原子鐘光路結(jié)構(gòu)，可用于CPT原子鐘光路結(jié)構(gòu)的制備。

背景技術(shù)：

CPT原子鐘由于物理部分不需要微波腔，可以實(shí)現(xiàn)微型化甚至芯片化設(shè)計(jì)，是目前原子鐘領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)和微粘接工藝實(shí)現(xiàn)微型光路結(jié)構(gòu)制備是CPT原子鐘微型化和芯片化需要克服的最重要的技術(shù)難點(diǎn)。目前MEMS原子氣室制備的主流方式是采用疊氮化鋇置換法，將原子氣室設(shè)計(jì)為雙腔結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)腔為反應(yīng)腔，內(nèi)填充疊氮化鋇(BaN₆)和氯化銣(RbCl)，將玻璃與硅片鍵合后，加熱反應(yīng)腔生成Rb和N₂。采用疊氮化鋇置換法會(huì)使反應(yīng)腔中殘留一些BaCl₂雜質(zhì)，因此設(shè)計(jì)光路結(jié)構(gòu)時(shí)，采用該類型原子氣室的光路僅使用另外一個(gè)腔作為光路作用腔，但這樣光路有效作用時(shí)間短，信號(hào)對(duì)比度較小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種CPT原子鐘光路結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)采用雙腔原子氣室的光路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，增加了作用光程，提高了到達(dá)光電探測(cè)器的激光對(duì)比度，而且能夠避免反射激光照射激光器影響激光器輸出激光功率穩(wěn)定性的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種CPT原子鐘的光路結(jié)構(gòu)，包括：VCSEL激光器、雙腔MEMS原子氣室、光電探測(cè)器，還包括光學(xué)隔離器、1/4波片、第一反射鏡和第二反射鏡；其中，光學(xué)元件模塊用于濾除進(jìn)入雙腔MEMS原子氣室的非作用光；

VCSEL激光器發(fā)射的激光依次通過光學(xué)隔離器、1/4波片后進(jìn)入雙腔MEMS原子氣室的光學(xué)作用腔與堿金屬一次作用；雙腔MEMS原子氣室的光學(xué)作用腔的出射激光經(jīng)第一反射鏡和第二反射鏡的兩次全反射后，再進(jìn)入雙腔MEMS原子氣室的反應(yīng)腔中與反應(yīng)腔內(nèi)的堿金屬二次作用，然后進(jìn)入光電探測(cè)器。

優(yōu)選地，第一反射鏡和第二反射鏡采用玻璃基材，表面鍍氧化鈦。

優(yōu)選地，對(duì)于第一反射鏡和第二反射鏡，通過在反射面加工凹面弧度，使得第二反射鏡的反射光垂直入射至光電探測(cè)器。

優(yōu)選地，第一反射鏡和第二反射鏡之間采用光纖進(jìn)行連接。

優(yōu)選地，第一反射鏡和第二反射鏡通過由頂層支撐結(jié)構(gòu)和反射鏡側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)組成的反射鏡安裝框架進(jìn)行位置固定。

優(yōu)選地，頂層支撐結(jié)構(gòu)與反射鏡接觸的一面鍍反射膜。

優(yōu)選地，第一反射鏡和第二反射鏡通過粘接實(shí)現(xiàn)鏡體與反射鏡安裝框架的連接固定。

優(yōu)選地，該光學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步包括設(shè)置在光學(xué)隔離器與雙腔MEMS原子氣室之間的濾光片。

有益效果：

(1)本發(fā)明考慮到反應(yīng)腔中雜質(zhì)對(duì)光路作用有限，在傳統(tǒng)采用雙腔MEMS原子氣室的光路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入反射鏡設(shè)計(jì)，使光路在原光路作用腔射出后經(jīng)過反射進(jìn)入反應(yīng)腔，與反應(yīng)腔中的堿金屬繼續(xù)作用，有效增加了作用光程，提高了信號(hào)對(duì)比度。

(2)在激光器發(fā)射端加入光學(xué)隔離器，有效防止光學(xué)鏡面反射激光入射到激光器，影響出射激光功率穩(wěn)定性，提高了激光器輸出激光功率的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)激光器壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種CPT原子鐘光路的示意圖。

圖2為本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的組成示意圖。

圖中：1-VCSEL激光器，2-激光器支撐結(jié)構(gòu)，3-光學(xué)隔離器，4-1/4波片，5-濾光片，6(a)-第一反射鏡，6(b)-第二反射鏡，7-光電探測(cè)器，8-頂層支撐結(jié)構(gòu)，9-反射鏡側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)，10、12-玻璃，11-硅片，13-側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)，14-底層支撐結(jié)構(gòu)，15-雙腔MEMS原子氣室。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)有技術(shù)僅將雙腔原子氣室中的一個(gè)腔作為光學(xué)作用腔，導(dǎo)致光路有效作用時(shí)間短，信號(hào)對(duì)比度較小。但實(shí)際上，雙腔原子氣室中兩個(gè)腔的堿金屬飽和蒸汽壓以及緩沖氣體壓強(qiáng)基本一樣，雖然反應(yīng)腔中殘留有雜質(zhì)，但其含量對(duì)光路影響很小，因此可以作為第二作用腔。

因此，如圖1所示，本發(fā)明在雙腔原子氣室15的反應(yīng)腔和光學(xué)作用腔上部增加全反射鏡結(jié)構(gòu)，包括第一反射鏡6a和第二反射鏡6b，如圖1所示，VCSEL激光器(垂直腔面發(fā)射激光器)1發(fā)射的激光先進(jìn)入雙腔原子氣室15的光學(xué)作用腔與堿金屬一次作用；光學(xué)作用腔的出射激光經(jīng)第一反射鏡6a和第二反射鏡6b的兩次全反射后，進(jìn)入雙腔原子氣室15的反應(yīng)腔中與反應(yīng)腔內(nèi)的堿金屬原子繼續(xù)作用，然后再進(jìn)入光電探測(cè)器7。激光兩次進(jìn)入雙腔原子氣室15進(jìn)行作用，延長(zhǎng)了激光作用光程和作用時(shí)間，提高了光路結(jié)構(gòu)的性能。

同時(shí)，本發(fā)明還在激光器出射端加入光學(xué)隔離器3和光學(xué)元件模塊。光學(xué)隔離器3使激光在激光器和光學(xué)元件模塊之間單向傳播，防止激光反射回激光器造成激光器損傷，延長(zhǎng)激光器壽命。

其中，光學(xué)元件模塊包括1/4波片4和濾光片5。1/4波片4用于將激光器輸出的線偏振光變?yōu)閳A偏振光，以在作用腔內(nèi)與原子產(chǎn)生CPT現(xiàn)象；濾光片5用于濾除一些非作用光，以提高信噪比。

下面結(jié)合附圖2對(duì)本發(fā)明的光路結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)描述。

本發(fā)明提出的一種CPT原子鐘光路結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括VCSEL激光器1，激光器支撐結(jié)構(gòu)2、光學(xué)隔離器3、1/4波片4、濾光片5、第一反射鏡6a、第二反射鏡6b、光電探測(cè)器7、頂層支撐結(jié)構(gòu)8、反射鏡側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)9、側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)13、底層支撐結(jié)構(gòu)14以及雙腔原子氣室15。

底層支撐結(jié)構(gòu)14上具有VCSEL激光器1和光電探測(cè)器7的焊盤。VCSEL激光器1和光電探測(cè)器7焊接在底層支撐結(jié)構(gòu)14上，并通過采用金線鍵合工藝制作的相應(yīng)引線引出控制與輸出信號(hào)引腳。

光學(xué)隔離器3、1/4波片4和濾光片5通過玻璃鍵合工藝或粘接工藝粘接形成光學(xué)組合結(jié)構(gòu)。光學(xué)隔離器3在下，1/4波片4和濾光片5組成光學(xué)元件模塊在上，1/4波片4和濾光片5的位置可以互換。

根據(jù)VCSEL激光器1所需高度制作玻璃材質(zhì)的激光器支撐結(jié)構(gòu)2，激光器支撐結(jié)構(gòu)2安裝在底面支撐結(jié)構(gòu)14上，且位于VCSEL激光器1兩側(cè)。光學(xué)隔離器3、1/4波片4和濾光片5組成的光學(xué)組合結(jié)構(gòu)安裝在激光器支撐結(jié)構(gòu)2頂端，安裝方式可以為粘接。

光電探測(cè)器7的右側(cè)安裝側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)13，側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)13的高度根據(jù)激光器支撐結(jié)構(gòu)2與光學(xué)組合結(jié)構(gòu)粘接后的尺寸制作，材質(zhì)為玻璃。側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)13粘接在底層支撐結(jié)構(gòu)14上。

光學(xué)組合結(jié)構(gòu)和側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)13上端面粘接雙腔原子氣室15。雙腔原子氣室15由硅片11和玻璃10、12組成。將硅片和玻璃進(jìn)行拋光，采用濕法刻蝕工藝在硅片上制作反應(yīng)腔、作用腔和連接兩個(gè)腔的淺槽通道，并將玻璃與硅片鍵合。按照化學(xué)配平式的質(zhì)量比稱取一定量的疊氮化鋇和氯化銣，采用溶液溶解烘干混合的方法將二者均勻混合。將適量混合物放入反應(yīng)腔通過控制溫度實(shí)現(xiàn)疊氮化鋇置換法制作緩沖氣體和堿金屬，最后將玻璃與硅片鍵合。

第一反射鏡6a和第二反射鏡6b安裝在雙腔原子氣室15上方。這兩個(gè)反射鏡通過由頂層支撐結(jié)構(gòu)8和反射鏡側(cè)面支撐結(jié)構(gòu)9組成的反射鏡安裝框架進(jìn)行位置固定，反射鏡粘接在反射鏡安裝框架上。第一反射鏡6a和第二反射鏡6b采用玻璃基材，表面鍍氧化鈦?zhàn)鳛榉瓷淠?。反射鏡可以根據(jù)光路擴(kuò)散具體情況適當(dāng)進(jìn)行凹面弧度加工，增加反射后光的平行性。也就是說，通過在第一反射鏡6a和第二反射鏡6b的反射面上加工凹面弧度，使得第二反射鏡6b的反射光垂直入射至光電探測(cè)器7。優(yōu)選地，為提高激光傳播效率，第一反射鏡6a與第二反射鏡6b之間可采用光纖進(jìn)行連接，或?qū)㈨攲又谓Y(jié)構(gòu)8與反射鏡接觸的一面鍍反射膜。

綜上所述，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。