一种低功耗光源的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种低功耗光源，包括恒温区域，所述恒温区域内设置有改进的高频振荡电路，所述改进的高频振荡电路通过电路连接有激励线圈，所述激励线圈凹槽处设置有光谱灯泡，所述光谱灯泡右侧设置有中性滤光片，所述中性滤光片右侧设置有透镜，所述透镜右侧为腔泡系统；本发明通过在原有铷光谱灯振荡激励电路的偏置中，并联一个正温度系数PTC电阻Rp，在光谱灯开始工作时，电阻Rp阻值较低，便于使铷光谱灯迅速起辉，当光谱灯进入120度左右的恒温点后，其电阻值将迅速升至几十千欧姆；通过设置中性滤光片，使铷光谱灯发出的光衰减到我们需要的光强，通过设置透镜，使铷光谱灯发出的光变成平行光，有效提高光的利用率。
【专利说明】
一种低功耗光源
技术领域
[0001 ]本发明涉及光谱灯光源领域，尤其涉及一种低功耗光源。
【背景技术】
[0002] 光谱灯灯泡常用球型玻璃泡，直径约10-15mm。灯泡中除充有金属铷外还充有激发 电位低、化学性质不活泼的起辉气体。常用Kr或Ar，气压l-2T 〇rr，灯泡放在一个高频振荡器 的振荡线圈中，振荡频率约为100MHz左右，功率1-5W。振荡频率越高所需的激发功率越小， 振荡频率越低所需的激发功率越大。激发功率大时容易点燃灯，但是激发功率越大，灯的寿 命越短。另外，激发功率太大，产生热量太多，灯室则不易控温。激发功率大对频标中其他线 路的高频干扰也大，不易消除。所以，一般在保证灯稳定工作的条件下，用尽可能小的激发 功率。
[0003] 光谱灯无极放电发光的原理大致如下:高频电场对起辉气体中本来存在的少量离 子和电子加速，使其动能增加，从而与起辉气体分子碰撞，产生更多的离子和电子，动能较 高的离子或电子与起辉气体分子碰撞就能把起辉气体分子激发到激发态上去。当它回到基 态时就可看到起辉气体分子发光。但若这种处在激发态的起辉气体分子与铷原子分子碰撞 就可以把激发态能量转移给铷原子，自己无辐射的回到基态，而把铷原子激发到激发态上 去。当铷原子从激发态回到基态时就可看到铷原子发光。在灯泡温度极低，铷原子密度较低 的情况下，往往只看到起辉气体分子发光。在灯泡温度较高，铷原子密度较高的情况下，铷 原子发光就占绝对优势，此时往往只看到铷原子发光而看不到起辉气体分子发光。在两种 发光过程过渡的情况下，往往看到两种发光过程交替地出现:一会儿主要是起辉气体分子 发光，一会儿又变成主要是铷原子发光。这种现象称为张驰振荡，振荡频率从零点几赫到几 千赫都有可能。为了得到稳定的抽运光，整个灯室包括灯泡和振荡器电路都应该恒温，把温 度控制在铷原子稳定发光的温度上。
[0004] 基于以上原因，需要一种低功耗光源被设计出来，通过在原有铷光谱灯振荡激励 电路的偏置中，并联一个正温度系数PTC电阻Rp，并将Rp置于光谱灯恒温套上，在光谱灯开 始工作时，电阻Rp阻值较低，从而产生较大的激发功率，便于使铷光谱灯迅速起辉，当光谱 灯进入120度左右的恒温点后，其电阻值将迅速升至几十千欧姆。这就使得光谱灯在起辉阶 段及正常工作阶段，获得比较理想的对应的激励功率;通过设置中性滤光片，使铷光谱灯发 出的光衰减到我们需要的光强，通过设置透镜，使铷光谱灯发出的光变成平行光，有效提高 光的利用率，即一种低功耗光源。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种低功耗光源。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现： 一种低功耗光源，包括恒温区域，所述恒温区域内设置有改进的高频振荡电路，所述改 进的高频振荡电路通过电路连接有激励线圈，所述激励线圈凹槽处设置有光谱灯泡，所述 光谱灯泡右侧设置有中性滤光片，所述中性滤光片右侧设置有透镜，所述透镜右侧为腔泡 系统;所述光谱灯泡发出的光线穿过中性滤光镜后通过透镜后聚合为平行光。 现有铷光灯激励电路在灯泡启动初始时刻，电感L1上产生的高频强电场E使光谱灯泡 中惰性气体Ar电离发光。在高频磁场的作用下离子在泡内作高速螺旋运动。与此同时，泡区 的温度在灯恒温电路和等离子体加热效应的作用下升至120度左右的恒温点上。此时，泡内 的金属铷形成单质铷原子饱和蒸气，高速运动的惰性气体离子和蒸气状的铷原子发生碰 撞，使铷原子获得能量进入高能级，然后从高能级跃迀至低能级，释放出光子。本发明方法 提出一种利用PTC材料做成温度电阻值加入高频率振荡电路的方法，并在光谱灯发光后通 过中性滤光片以及透镜组合成光谱灯的光路，在不改变灯的光谱轮廓前提下，获得零光强 频移点，改善原子钟的频率稳定度。泡内惰性气体从常态到电离态，需要提供较大的激励功 率。一旦启动后，这一过大的功率就显得多余。这些多余的功率，将对原子频标的稳定工作 带来较大的负面影响。第一，由于激励功率大，相应地激励管T消耗的功率也将较大，容易造 成管子过热，从而降低整个原子频标的稳定性。第二，由于相当一部分剩余功率以辐射的开 工释放出来，它将造成对系统的干扰，引起电磁兼容问题。第三，星载用的原子频标工作环 境在外层空间，卫星用能量显得特别珍贵。
[0008] 所述改进的高频振荡电路和现有振荡电路相比，通过在原有铷光谱灯振荡激励电 路的偏置中，并联一个正温度系数PTC电阻Rp，将Rp置于光谱灯恒温套上，Rp既用作温度传 感器，又用作电流控制执行器件。在常温下Rp的电阻值约为20欧姆左右，当光谱灯进入120 度左右的恒温点后，其电阻值将迅速升至几十千欧姆。这就使得光谱灯在起辉阶段及正常 工作阶段，获得比较理想的对应的激励功率。光谱灯处于室温状态，Rp很小，振荡激励管T基 极电流很大，因此管子T激励电流Ic很大，光谱灯可获得很高的激励功率，从而快速启动光 谱灯工作。随实光谱灯恒温区温度的不断上升，Rp上升，激励管T基极电流迅速减小，从而使 激励电流Ic也迅速减小，直至120度左右的恒温点。
[0009] 为提高整个被动型铷原子频标的信噪比，我们采用了光抽运的方法，但抽运光将 引起87Rb原子跃迀频率的移动，其本质上是交变光频电场产生的交流斯塔克效应的平均效 果。抽运光对87Rb原子基态的能级移动为：
其中，P是电偶极矩算符，E时光电场的复振幅，1/r是丨激发态的寿命，馬和馬分别 为激发态和基态能级的能量。
[0010] 由于抽运87Rb原子的只是b线，通常只能引起F=l，mF = 0的能级移动。光频移和能 级移动有以下关系：
由上述式子可知光频移与光强成正比，与光谱轮廓有关。另外，若抽运光为单色光，而 且恰好￡0 = ??，则不引起光频移;若·> %，则引起负频移;若·4?，则引起正频移； 若命与相差很远，则引起的频移量的绝对值与|份-(% |成反比关系。
[0011] 在实际的铷原子频标中，抽运光并不是单色光，而是具有一定线宽和线型函数的 多条光谱线的叠加。抽运光光谱线型函数范围内有一部分频率分量产生正光频移，另一部 分频率分量产生负光频移。这种非单色光引起的〇 - 〇跃迀的频移是许多个单色光引起的频 移的叠加(积分）。因此，对铷原子频标来讲，保持抽运光的光谱线型不变对减小光频移对频 标老化漂移的影响是很重要的；我们通常将光强的选择与光谱灯温度的选择勾在一起，这 是因为，改变光谱灯的温度，将使整个光谱轮廓发生变化，不同的光谱轮廓下，光强变化对 系统的贡献是不一样的。因此，在进一步选择合适的灯光强之前，应该选择一个合适光谱灯 灯温。在实际应用中，通过改变光谱灯灯温，测量系统的频率输出，找到灯温对频率的拐 点，，图3为实际测量的光频移一灯温的曲线；由图3可知，随着光谱灯温度的改变，系统输出 的频率会在1 X 1 〇-12/0C及4 X 10-11 /0C内变化。需要指出的是，在光谱灯控温环节中，实测 灯温的变化是很小的，其缩减因子在1〇〇左右，因此，在做"灯温一一频率"实验时，首先在大 范围搜索灯温对频率的拐点，例如灯温变化步长为1°C，然后，在此灯温点小范围内再搜索 一次拐点。
[0012] 谱灯光强的稳定性对频标的稳定性指标有着很大的影响，图4是实际测量的光频 移一光强测试曲线;通常情况下，光强对频率的影响为IX 10-12/1%，即光强变化1%，则引起 频率的变化为IX 10-12。当然对于不同的铷钟系统，光强对频率的影响程度有所不同，对于 工作在不同状态的同一系统也会有所不同。在工作在零光强频移点的频标，光强I对f的影 响就相当小（理想情况下光强I变化不会引起f的变化）。因此，我们一方面要通过系统参数 优化，减小光强变化对频移的影响，另一方面要采取措施，对灯光强进行控制，使灯的光强 稳定性满足实现系统指标所需的要求。在光强的选择上，其主要的目的是找到"零光强频移 点"。为了选择一个合适的光强，可以通过改变光谱灯的激励功率、灯温等。新的光谱灯做成 之后，相对应的灯激励功率电路已经和它配套，一般情况下不宜随便改变灯激励功率。我们 已经知道，光谱灯的温度大致上分为三个部分:张驰振荡区、平坦区、自蚀区。由于平坦区通 常区间比较大，光谱灯灯温选择在此区间，光强随灯温的变化要比其它区间小得多，故通常 我们把光谱灯灯温选择在此区间上。但是我们应该注意到这样的问题，正是因为将光谱灯 灯温选择在平坦区中，光强的可改变量是非常有限的，这不便于我们大范围的改变光强来 满足实际应用中的需求。再则，我们改变光谱灯的温度，实际上已经改变了灯的光谱轮廓。 而中性滤光片的推出，将解决上述困难，实验也已证明它是一种有效的办法。其具体做法是 在铷光谱灯泡与集成滤光共振泡之间放置中性滤光片，使铷光谱灯发出的光衰减到我们需 要的光强。一个比较简单的做法是采用透明塑料，因为它比较簿，能够方便地置入系统中， 而且由于单片透明塑料对光的衰减率比较小，因此可以对光进行比较精细的调节。
[0013] 进一步地，所述改进的高频振荡电路工作时采用的振荡频率为110MHz。 进一步地，所述透镜为凸面镜，具有聚光效果。
[0014] 进一步地，所述中性滤光片采用单片透明塑料材料制成，单片透明塑料材料比较 簿，能够方便地置入系统中，由于单片透明塑料对光的衰减率比较小，因此可以对光进行比 较精细的调节。
[0015] 与现有的技术相比，本发明的有益效果是:本发明结构简单、设计合理，通过在原 有铷光谱灯振荡激励电路的偏置中，并联一个正温度系数PTC电阻Rp，并将Rp置于光谱灯恒 温套上，在光谱灯开始工作时，电阻Rp阻值较低，从而产生较大的激发功率，便于使铷光谱 灯迅速起辉，当光谱灯进入120度左右的恒温点后，其电阻值将迅速升至几十千欧姆。这就 使得光谱灯在起辉阶段及正常工作阶段，获得比较理想的对应的激励功率;通过设置中性 滤光片，使铷光谱灯发出的光衰减到我们需要的光强，通过设置透镜，使铷光谱灯发出的光 变成平行光，有效提高光的利用率。
[0016]
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的结构示意图； 图2为现有铷光谱灯激励电路框图； 图3为本发明中改进的高频振荡电路框图； 图4为光频移一灯温测试曲线图； 图5为光频移一光强测试曲线。
[0018] 图中：1、恒温区域，2、改进的高频振荡电路，3、激励线圈，4、光谱灯泡，5、中性滤 光片，6、透镜，7、腔泡系统，8、平行光。
[0019]
【具体实施方式】
[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0021 ]请参阅图1 -5，图1为本发明的结构示意图，图1为本发明的结构示意图，图2为现有 铷光谱灯激励电路框图，图3为本发明中改进的高频振荡电路框图，图4为光频移一灯温测 试曲线图，图5为光频移一光强测试曲线。
[0022] -种低功耗光源，包括恒温区域1，所述恒温区域1内设置有改进的高频振荡电路 2,所述改进的高频振荡电路2通过电路连接有激励线圈3,所述激励线圈3凹槽处设置有光 谱灯泡4,所述光谱灯泡4右侧设置有中性滤光片5,所述中性滤光片5右侧设置有透镜6,所 述透镜6右侧为腔泡系统7;所述光谱灯泡4发出的光线穿过中性滤光镜5后通过透镜6后聚 合为平行光8;所述改进的高频振荡电路2工作时采用的振荡频率为110MHz;所述透镜6为凸 面镜，具有聚光效果;所述中性滤光片5采用单片透明塑料材料制成，单片透明塑料材料比 较簿，能够方便地置入系统中，由于单片透明塑料对光的衰减率比较小，因此可以对光进行 比较精细的调节。
[0023] 作为本发明一个较佳的实施例，本发明通过在原有铷光谱灯振荡激励电路的偏置 中，并联一个正温度系数PTC电阻Rp，并将Rp置于光谱灯恒温套上，在光谱灯开始工作时，电 阻Rp阻值较低，从而产生较大的激发功率，便于使铷光谱灯迅速起辉，当光谱灯进入120度 左右的恒温点后，其电阻值将迅速升至几十千欧姆。这就使得光谱灯在起辉阶段及正常工 作阶段，获得比较理想的对应的激励功率;通过设置中性滤光片，使铷光谱灯发出的光衰减 到我们需要的光强，通过设置透镜，使铷光谱灯发出的光变成平行光，有效提高光的利用 率。
[0024]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种低功耗光源，其特征在于:包括恒温区域（I)，所述恒温区域（1)内设置有改进的 尚频振荡电路(2)，所述改进的尚频振荡电路(2)通过电路连接有激励线圈（3)，所述激励线 圈（3)凹槽处设置有光谱灯泡(4)，所述光谱灯泡(4)右侧设置有中性滤光片（5)，所述中性 滤光片(5)右侧设置有透镜(6)，所述透镜(6)右侧为腔泡系统(7);所述光谱灯泡(4)发出的 光线穿过中性滤光镜(5)后通过透镜(6)后聚合为平行光(8)。2. 根据权利要求1所述的一种低功耗光源，其特征在于:所述改进的高频振荡电路（2) 工作时采用的振荡频率为I IOMHz。3. 根据权利要求1所述的一种低功耗光源，其特征在于:所述透镜(6)为凸面镜。4. 根据权利要求1所述的一种低功耗光源，其特征在于:所述中性滤光片（5)采用单片 透明塑料材料制成。
【文档编号】H05B37/02GK105934046SQ201610046157
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年1月25日
【发明人】詹志明
【申请人】江汉大学