【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及冷原子钟激光探测技术，特别是一种集成化冷原子钟探测系统。
技术介绍
1、冷原子钟已经从实验室环境应用到空间环境以及地面工程中。冷原子钟利用激光注入到微波腔内，产生密度为10^7量级的原子数，冷却至超低温度(μk量级)，作为冷原子钟的工作介质，利用冷原子探测技术可以得到原子钟ramsey条纹，冷原子钟探测系统的稳定性直接影响了冷原子钟的性能。同时为了满足火箭发射条件、航天恶劣环境严苛要求，上天设备需要尽可能的小型化、轻型化、集成化，还要具备高稳定性和高可靠性。因此，冷原子探测装置需要设计全新的工程化光机系统。
2、参见图1，冷原子钟采用吸收法探测微波腔中心轴线上的原子，原子冷却后分布在|f＝2，mf＝0，±1，±2)态，泵浦光作用后到|f＝1>态，再继续和微波脉冲共振(与|1，0>→|2，0>共振)，最终探测光探测处于|f＝2>的原子。而且探测光的本底噪声会直接影响闭环时的误差信号，需要对探测光进行功率稳定。通常探测光是线偏光|f＝2>→|f′＝3>先经pbs再经过1/4玻片变成圆偏光，从物理系统底部进入微波腔，经过项部反射镜反射形成驻波场增大信噪比，二次经过物理系统后，通过pbs反射进入光电管。实验室驻波场的调节通常用可调反射镜架，其的弹性结构在可靠性和稳定性方面无法通过航天级别的力学振动、冲击试验和热环模试验，也就无法适应各种恶劣环境。
3、由于工程化需要小型化的光学平台上aom后光程较短零级光与+1级光间的夹角较小，aom存在衍射光无法关断，进而影响原
4、探测系统需要光纤出射的激光的偏振可控，需要用单模保偏光纤，但单模保偏光纤的芯径在μm量级，同时单模保偏光纤的出光是发散的，必须对光纤的出光进行扩束准直，扩束准直后的光斑直径一般要求在7mm左右，扩束准直使用多个透镜的设计带来调整困难和稳定性差的问题，探测装置的长度一般在约50mm左右，多个透镜的设计也使这个长度很难进一步压缩。由于原子超精细能级结构对磁场十分敏感，整个冷原子探测过程中需要严格屏蔽外界磁场及地磁场。通常用多层密度较大的磁屏蔽筒(玻莫合金)将整个冷原子钟物理系统系统包裹，隔离外部磁场的影响。为了减少占用重量资源，磁屏蔽桶的直径越小越好，这就限制了磁屏蔽桶内探测装置的直径大小。
技术实现思路
1、为了解决上述冷原子探测系统的问题，本专利技术提供一种集成化冷原子钟探测系统，该系统集激光扩束准直、钟信号探测、光功率稳定等功能于一体，实现了探测光光开关断，减小杂散光，降低光频移对原子钟性能的影响，同时实现了小型化、轻量化、高稳定、高可靠的集成化探测系统，满足运输和火箭发射等严苛的振动条件，适用于空间和地面等工作环境，可在冷原子钟上实现原子能级探测。
2、本专利技术的技术解决方案如下：
3、一种集成化冷原子钟探测系统，其特点在于，包括探测系统基座、功率稳定组件、钟信号探测组件、光斑准直扩缩束组件和光开关组件，
4、所述的探测系统基座的上端面、底面、正侧面、右侧面、左侧面、后侧面构成一体化封闭式结构，所述的上端面具有第一正方形槽、第二正方形槽、第一三角形安装槽、第二三角形安装槽、第三三角形安装槽、第四三角形安装槽、第一矩形安装槽和第二矩形安装槽，所述的底面的对称中心具有空间光出口，所述的正侧面具有a’面、l面，所述的a面上具有a1通光孔，所述的l面上设有第一反光孔l1；所述的右侧面上设有b1通光孔、b2通光孔和b3通光孔；所述的左侧面上具有c面和光纤安装面，所述的c面设有c1通光孔和c2通光孔，所述的光纤安装面上设有光纤孔；所述的后侧面具有d面和h面，在所述的d面上设有d1通光孔，在所述的h面上设有第二反光孔h1，所有的通光孔的轴线在同一平面；
5、所述的功率稳定组件由第一光电管、第一功率稳定电路板、第一缩束镜和第一缩束镜筒组成，所述的第一缩束镜置于所述的第一缩束镜筒内；
6、所述的钟信号探测组件由第二光电管、第二缩束镜、第二钟信号探测电路板和第二缩束镜筒组成，所述的第二缩束镜置于所述的第二缩束镜筒内；
7、所述的光斑准直扩缩束组件由单模保偏光纤、二分之一玻片、二分之一玻片筒、起偏器、起偏器筒、分光棱镜、分光棱镜座、第一平面反光镜、第一平面反光镜座、第二平面反光镜、第二平面反光镜座、偏振分光棱镜、偏振分光棱镜座、四分之一玻片、四分之一玻片筒、第三缩束镜、第三缩束镜筒、扩束镜、扩束镜筒、第三平面反光镜、第三平面反光镜座，第四平面反光镜、第四平面反光镜座、垂直反光镜、垂直反光镜座安装筒组成，所述的二分之一玻片置于所述的二分之一玻片筒内，所述的起偏器置于所述的起偏器筒内，所述的分光棱镜置于所述的分光棱镜座)，所述的第一平面反光镜置于所述的第一平面反光镜座，所述的第二平面反光镜置于所述的第二平面反光镜座，所述的偏振分光棱镜置于所述的偏振分光棱镜座，所述的四分之一玻片置于所述的四分之一玻片筒内，所述的第三缩束镜置于所述的第三缩束镜筒内，所述的扩束镜置于所述的扩束镜筒内，所述的第三平面反光镜置于所述的第三平面反光镜座，所述的第四平面反光镜置于所述的第四平面反光镜座，所述的垂直反光镜置于所述的垂直反光镜座安装筒内；
8、所述的第一缩束镜筒、第二缩束镜筒、第三缩束镜筒、扩束镜筒的一半加工精密细牙螺纹，一半加工成圆柱，光轴与孔实现精密配合，大大降低装调难度，提高装调精度；
9、所述的光开关组件由步进电机，步进电机叶片和步进电机壳体组成，所述的步进电机叶片采用铝合金加工，所述的步进电机叶片的重心与所述的步进电机的电机轴同轴，实现叶片轻量化无转动惯量设计，叶片表面镀镍，镍层厚度不小于0.01mm，所述的步进电机叶片通过激光焊接在所述的步进电机的电机轴(轴材料不锈钢)上，解决长期连续运转条件下可靠性问题；
10、所述的光路成型，满足下列光路连接关系：所述的探测光采用单模保偏光纤引入光路，依次经所述的二分之一玻片，起偏器调节偏振方向后，经过所述的分光棱镜分为反射光和透射光，所述的反射光经所述的缩束镜缩束后，进入第一光电管进行功率稳定；经过所述的分光棱镜的透射光经过第一平面反光镜45°反射后，被第二平面反光镜45°反射，再经所述的偏振分光棱镜透射过所述的四分之一玻片和第三缩束镜，缩束光斑焦点位置用所述的步进电机控制的步进电机叶片实现光开关，所述的第三缩束镜的后光斑焦点与第三扩束镜的焦点重合，光斑经过第三扩束镜扩束后的直径为7mm，后分别经过第三平面反光镜和第四平面反光镜进行光准直，最终通过所述的垂直反光镜经所述的底面的空间光出口垂直出射进入积分球真空系统，垂直光最终经过积分球真空系统的另一端的第五平面反光镜沿着原路返回形成一个探测激光驻波场，该反射光经过所述的四分之一玻片后进入所述的偏振分光棱镜反射进入第二缩束镜缩束后，进入所述的第二光电管实现钟信号探测；
11、所述的探测系统基座采用铝合金材料一体加工，加工精度以及同轴度和角度误差可满本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种集成化冷原子钟探测系统，其特征在于，包括探测系统基座(1)、功率稳定组件(2)、钟信号探测组件(3)、光斑准直扩缩束组件(4)和光开关组件(5)；所述的探测系统基座(1)的上端面(Z)、底面(F)、正侧面(A)、右侧面(B)、左侧面(C)、后侧面(D)构成一体化封闭式结构，所述的上端面(Z)具有第一正方形槽(I)、第二正方形槽(I-1)、第一三角形安装槽(II-1)、第二三角形安装槽(II-2)、第三三角形安装槽(II-3)、第四三角形安装槽(II-4)、第一矩形安装槽(III-1)和第二矩形安装槽(III-2)，所述的底面(F)的对称中心具有空间光出口(K)，所述的正侧面(A)具有(A’)面、(L)面，所述的(A’)面上具有(A1)通光孔，所述的(L)面上设有第一反光孔(L1)；所述的右侧面(B)上设有(B1)通光孔、(B2)通光孔和(B3)通光孔；所述的左侧面(C)上具有(C)面，所述的(C)面设有(C1)通光孔和C2通光孔，所述的光纤安装面(E)上设有光纤孔(E1)；所述的后侧面(D)具有(D’)面，在所述的(D’)面上设有(D1)通光孔，在所述的(H)面上设有第二
2.根据权利要求1所述的集成化冷原子钟探测系统，其特征在于，所述的探测系统基座(1)采用铝合金材料一体加工，加工精度以及同轴度和角度误差满足光学设计需求，表面亚光发黑，光路折叠在封闭腔内，杂散光少。
3.根据权利要求1所述的集成化冷原子钟探测系统，其特征在于，所述的步进电机叶片(5-2)采用铝合金加工，叶片重心与所述的步进电机(5-1)轴同轴，叶片表面镀镍，镍层厚度不小于0.01mm。
4.根据权利要求1所述的集成化冷原子钟探测系统，其特征在于，所述的缩束镜筒、二分之一玻片筒、起偏器筒、分光棱镜座、平面反光镜座、偏振分光棱镜座、四分之一玻片筒、扩束镜筒以及垂直反光镜座均采用铝合金材料7075-T6加工，加工精度以及形位公差满足光学设计需求，表面亚光发黑。
5.根据权利要求1至4任一项所述的集成化冷原子钟探测系统，其特征在于，所述的缩束镜筒、扩束镜筒的一半加工精密细牙螺纹，一半加工成圆柱，其光轴与孔实现精密配合。
...【技术特征摘要】
1.一种集成化冷原子钟探测系统，其特征在于，包括探测系统基座(1)、功率稳定组件(2)、钟信号探测组件(3)、光斑准直扩缩束组件(4)和光开关组件(5)；所述的探测系统基座(1)的上端面(z)、底面(f)、正侧面(a)、右侧面(b)、左侧面(c)、后侧面(d)构成一体化封闭式结构，所述的上端面(z)具有第一正方形槽(i)、第二正方形槽(i-1)、第一三角形安装槽(ii-1)、第二三角形安装槽(ii-2)、第三三角形安装槽(ii-3)、第四三角形安装槽(ii-4)、第一矩形安装槽(iii-1)和第二矩形安装槽(iii-2)，所述的底面(f)的对称中心具有空间光出口(k)，所述的正侧面(a)具有(a’)面、(l)面，所述的(a’)面上具有(a1)通光孔，所述的(l)面上设有第一反光孔(l1)；所述的右侧面(b)上设有(b1)通光孔、(b2)通光孔和(b3)通光孔；所述的左侧面(c)上具有(c)面，所述的(c)面设有(c1)通光孔和c2通光孔，所述的光纤安装面(e)上设有光纤孔(e1)；所述的后侧面(d)具有(d’)面，在所述的(d’)面上设有(d...
【专利技术属性】
技术研发人员：叶美凤，成华东，李唐，张孝，杨博文，颜宇涵，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：
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