Influence of architecture and temperature of alkali atom vapor cells on absorption spectra

Chip-sized alkali atom vapor cells with high hermeticity are successfully fabricated through deep silicon etching and two anodic bonding processes.A self-built absorption spectrum testing system is used to test the absorption spectra of the ru-bidium atoms in alkali atom vapor cells.The influence of silicon cavity size,filling amount of rubidium atoms and temperature on the absorption spectra of rubidium atom vapor in the atom vapor cells are studied in depth through a theoretical analysis.This study provides a reference for the design and preparation of high quality chip-sized atom vapor cells.

SERF原子自旋陀螺仪中的碱金属气室无磁加热高精度温度控制

碱金属气室的温度波动与磁噪声是制约无自旋交换弛豫原子自旋陀螺仪灵敏度提升的关键因素。针对这两个问题,采用激光加热方式对气室进行无磁加热,从根本上消除磁噪声,在气室加热面及相邻上下两面装载石墨烯薄膜,进行光热转换、热传导以及避免杂散光干扰;采用线性自抗扰控制(Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC)与热管理技术相结合的方式,提高碱金属气室的控温精度与稳定度。设计基于温控系统的线性自抗扰控制器;从热传导、热对流、热辐射三方面出发设计热结构,优选石墨烯薄膜;搭建碱金属气室温控系统实验平台。研究结果表明,采用LADRC与热管理技术的碱金属气室温控系统的控温精度为±0.003℃,控温稳定度为6 mK。所得研究结果为后续原子自旋陀螺仪灵敏度的提升奠定了基础。

基于受抑全反射的碱金属气室镀膜厚度测量

针对原子自旋器件的碱金属气室镀膜层厚度的精确测量,提出了一种基于受抑全反射的膜层厚度测量方法。根据该方法搭建了膜厚测量系统,并进行了实验测试。分析了受抑全反射的基本理论和基于受抑全反射的膜厚测量原理,介绍了基于该方法的膜厚测量系统的构成及工作原理并分析了影响系统测量精度的主要因素和解决方案。通过分析和仿真激光器波长的波动、入射角变化以及折射率参数的不准确等对膜厚测量结果的影响评价了系统的性能。最后,利用该系统对镀膜样品进行了测量实验,并利用薄膜分析仪做了对比试验。实验结果表明:该方法的测量结果存在一个2.6nm左右的常值偏差,对其补偿后能够较为准确地对镀膜层厚度进行测量,测量精度接近1nm,基本满足碱金属气室镀膜质量检测的需求,且具有较高的稳定性和可靠性。

芯片级原子器件MEMS碱金属蒸气腔室制作

提出了基于两步低温阳极键合工艺的碱金属蒸气腔室制作方法,用于实现原子钟、原子磁力计及原子陀螺仪等器件的芯片级集成。由微机电系统(MEMS)体硅工艺制备了腔室结构。首先采用标准工艺将刻蚀有腔室的硅圆片与Py-rex玻璃阳极键合成预成型腔室,然后引入氮缓冲气体和由惰性石蜡包覆的微量碱金属铷或铯。通过两步阳极键合来密封腔室,键合温度低于石蜡燃点198℃。第一步键合预封装腔室,键合电压小于缓冲气体的击穿电压。第二步键合在大气氛围中进行,电压增至1 200V来增强封装质量。通过高功率激光器局部加热释放碱金属,同时在腔壁上形成均匀的石蜡镀层以延长极化原子寿命。本文实现了160℃的低温阳极键合封装,键合率达到95%以上。封装的碱金属铷释放后仍具有金属光泽,实现的最小双腔室体积为6.5mm×4.5mm×2mm。铷的吸收光谱表明铷有效地封装在腔室中,证明两步低温阳极键合工艺制作碱金属蒸气腔室是可行的。

微型碱金属原子气室MEMS制作技术

碱金属原子气室是陀螺仪、磁力计和原子钟等原子传感器的核心部件。利用微机电系统(MEMS)技术实现微型化,是当今原子气室的重要发展方向。这些技术包括激光加工、超声波加工、湿法化学腐蚀、深反应离子刻蚀等硅孔成型技术,直接键合、共晶键合、粘结键合和阳极键合等基片键合技术,以及单质填充、原位化学反应、叠氮化物光分解、电化学分解释放和激光剥离蜡封包等碱金属填充技术。回顾了相关技术发展并分析了各自的优劣。

碱金属气室参数测试教学实验平台搭建

碱金属气室是原子磁强计、原子陀螺仪、原子钟等量子传感器的核心敏感元件,其内部的碱金属原子蒸汽通过与激光、磁场等相互作用,实现对物理量的高精度测量。实验室搭建了针对一类高温、高压碱金属气室的参数测试教学实验平台,该平台通过测量激光吸收光谱,获得气室内部缓冲气体的压强以及碱金属原子蒸汽的原子数密度。该平台使学生能够直接观察到激光与原子的相互作用,有助于学生加深对碱金属气室的理解以及培养学生的实验动手能力,同时也为研究生和本科生的相关课程提供了有力支撑。

加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响分析

为研究加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响,提出了基于流体力学模型的分析方法。首先,根据核磁共振陀螺气室的结构特点建立了形状固定的封闭系统自然对流换热模型;然后,采用有限元法给出了不同大小的加速度下气室温度场的稳态分布特性;在此基础上,分析了温度场变化对陀螺零位漂移产生的影响,进而得到加速度对核磁共振陀螺零位漂移的影响关系。分析结果表明,与零加速度的结果相比,0.6倍、1.5倍、5.2倍和36.5倍重力加速度将分别导致陀螺产生约0.01°/h、0.1°/h、1°/h和10°/h的零位漂移变化量。研究成果为核磁共振陀螺在过载条件下的应用提供了参考。

基于MEMS技术的光泵原子磁力仪发展与应用

综述了光泵原子磁力仪的发展过程及技术指标,介绍了基于MEMS的光泵原子磁力仪的现状,总结了光泵原子磁力仪的主要应用。对基于MEMS技术的光泵原子磁力仪的发展应用前景提出了建议,基于MEMS技术的光泵原子磁力仪在未来也会成为空间磁场分布测量的重要手段,为航空、船舶、医疗诊断等领域提供重要支撑。微型化的原子磁力仪甚至有望集成到家用医疗设备或嵌入到可穿戴设备中去,这将成为原子磁力仪进入消费电子领域的突破口,基于MEMS技术的光泵原子磁力仪会成为新一代磁测量产品的标志,成为磁测量民用市场不可替代的产品。

CPT原子钟的微型原子泡加工工艺综述

原子泡是CPT(相干布居囚禁)原子钟物理部分的主体,对于微型原子钟而言,传统的吹玻璃法已不再适用,必须用新的技术和方法来设计加工原子泡。介绍了利用MEMS(微机电系统)技术结合吹玻璃法、空心光纤嵌套法和MEMS方法加工微型原子泡的工艺以及碱金属原子和缓冲气体的几种常见的注入方法。

碱金属气室无磁电加热技术研究与系统设计

基于量子精密测量的原子自旋陀螺仪具有高精度、小体积、低成本等优势,被认为是未来陀螺仪的发展方向;原子自旋陀螺仪的核心部件是承载原子自旋的碱金属气室;碱金属气室加热温度的稳定性是决定原子自旋陀螺仪精度和灵敏度的重要因素之一;同时,原子自旋陀螺仪的高灵敏度使其对磁场噪声极其敏感,因此要求加热过程不能引入额外的磁场干扰;针对以上要求,对原子自旋陀螺仪的无磁电加热技术进行了研究;设计并搭建了以Pt1000作为温度传感器,双层对称结构的加热膜作为加热元件,结合源测量单元、数据采集板卡、正弦波信号发生电路、驱动电路以及LabVIEW软件平台构成的无磁电加热系统;通过实验测试,本系统引入的等效干扰磁场优于15fT/Hz1/2,气室温度短期稳定度优于±5mK,长期稳定度优于±10mK,为原子自旋陀螺仪的性能提升提供了可靠保障。

原子气室中碱金属含量的测量方法

原子气室作为新型量子惯性仪表的核心部件,其中填充的碱金属量直接决定了惯性仪表设备的寿命,准确测量气室内的碱金属对后续碱金属填充等气室制备工艺的优化至关重要。重点研究了气室内碱金属分布以及升温速率对碱金属含量测试结果的影响,发现碱金属集中分布有利于碱金属量的准确测量,当碱金属分布直径足够小时,碱金属量测量值趋于稳定,而测量过程升温速率对测试结果影响较小。通过优化,实现了碱金属铷含量的测量精度优于7%。

高气密性芯片级原子气室的制备研究

高性能芯片级原子气室的制备是现阶段芯片级量子传感仪器研制急需解决的关键技术之一。为解决目前芯片级原子气室研制领域存在的碱金属定量填充难、气密性差等问题,开展了高气密性芯片级原子气室制备方法研究,利用微电子机械系统(MEMS)技术实现了芯片级原子气室的批量制备。采用深硅刻蚀技术制备硅气室腔,利用RbN的光分解实现碱金属单质的制备及定量填充,采用阳极键合技术对原子气室进行两次硅片/玻璃键合封装,成功获得了以N为缓冲气体的Rb碱金属原子气室。对所制备的原子气室进行键合强度、气密性、吸收光谱测试,结果表明原子气室的玻璃/硅片/玻璃键合强度均较高,其中B组原子气室的漏气率平均值为2.2×10^(-9)Pa·m^(3)·s^(-1),其气密性为目前行业内领先水平。最后从制备工艺上分析了两组原子气室的性能差异原因,为推动量子传感仪器的芯片级集成技术发展奠定重要基础。

K-Rb双碱金属混合光抽运原子气室制备与测试

原子气室是SERF(无自旋交换弛豫)陀螺仪敏感载体转动信息的核心器件,其原子弛豫时间等参数是影响SERF陀螺仪性能的重要因素。采用39K-87Rb双碱金属混合填充的原子气室制造工艺,通过双碱金属工作介质的混合光抽运检测技术对气室性能进行了测试,制备出边长8 mm,壁厚1 mm的立方体原子气室。实验结果表明,39K-87Rb-129Xe混合原子气室中129Xe原子弛豫时间达到51.7 s,较单一碱金属填充方式的22 s,双碱金属混合光抽运的方式有效提升了原子气室中原子弛豫时间,为研制高精度SERF陀螺仪奠定了坚实基础。

RbN_(3)分解时间对原子气室吸收光谱的影响

为了解决原子气室制备过程中碱金属原子定量填充难、稳定性差等问题,首先采用微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术,结合碱金属叠氮化物的光分解方法,通过深硅刻蚀、RbN_(3)溶液定量填充、两次阳极键合、紫外光辐照等工艺成功制备出不同RbN_(3)分解时间的原子气室,然后采用自行搭建的吸收光谱测试装置对不同RbN_(3)分解时间的原子气室进行测试,研究不同RbN_(3)分解时间对原子气室内Rb原子吸收峰强度、半高宽和频移的影响。实验结合理论分析发现:RbN_(3)分解时间为3.5 h时,Rb原子吸收峰强度最大,能够满足高质量原子气室制备的要求,为高质量原子气室的制备提供了重要技术借鉴,为推动基于MEMS原子气室的芯片化计量测试传感技术的发展奠定基础。

芯片级铷原子气室的制备

本文设计了一套技术方案,用于制备量子传感仪表的核心物理组件芯片级铷原子气室,工艺流程包括微小型硅孔容器制备、叠氮化铷(Rb N3)填充、晶圆级气密封装,以及叠氮化铷光照分解等.利用阳极键合技术,通过改进的玻璃/硅片/玻璃三层晶圆气密封装工艺完成了芯片级铷原子池的封装制备.为实现玻璃/硅片/玻璃三层晶圆键合,在完成玻璃/硅片两层晶圆键合后,采用倾斜角度溅射的方法在玻璃/硅片键合结构的背面(即玻璃一面)和侧边镀制了一定厚度的Al金属膜,将电学接触引导至硅片,然后进行第二次阳极键合,以此获得高质量的玻璃/硅片/玻璃三层键合结构.通过显微镜、芯片剪切力测试和He检漏仪等手段对键合结构进行检测分析表明,三层键合结构的两个键合截面均具有良好的键合强度,键合结构的气密性优于2.5×10-8Pa·m3·s-1.完成气密封装后,采用光辐照分解的方法使腔室中的Rb N3分解成Rb和N2,获得了以N2作为缓冲气体的铷原子池.通过透射光谱表明Rb有效地存在于腔室之中,证明了该工艺方案对制备芯片级碱金属原子气室是简便可行的.

应用于芯片原子钟的微碱金属气室制备与研究

利用感应耦合等离子体深硅刻蚀机与阳极键合机,制备出了应用于芯片原子钟的碱金属气室。以AZ4620光刻胶为硅片掩模,研究了深硅刻蚀后硅表面的形貌特征,对比了不同结构下深硅刻蚀速率。经过阳极键合,获得了三明治结构的微碱金属气室,并检测其饱和吸收谱线。实验结果表明:制备出的微碱金属气室在温度为80℃条件下出现明显的饱和吸收现象。

短蒸气室自加热碱金属激光器输出特性

短蒸气室自加热碱金属激光器的原理是利用未被增益介质吸收的抽运光加热碱金属蒸气室。基于三能级速率方程,建立了半导体激光双端抽运碱金属激光器的理论模型,研究了增益介质长度、蒸气室温度和抽运源线宽等参数对短蒸气室自加热碱金属激光器输出激光的影响。研究结果表明,在普通外腔半导体激光器抽运下,增益介质长度为2mm时可以实现瓦级激光输出,选择较高的抽运光功率可提高自加热碱金属激光器的输出功率。该研究结果将为自加热碱金属激光器的实验提供理论基础,并可进一步拓展小功率碱金属激光器的应用领域。

基于差分检测的球形碱金属气室导致线偏光转角的测量

对球形碱金属气室导致的线偏光振动方向转角进行了理论研究与差分检测实验测量。结果表明,当光束通过中心位置、入射面与振动方向相垂直或平行的位置时,气室对其偏振态没有影响,而其他位置均会产生一定偏转角,且偏转角随位置的不同而变化。对直径12mm、壁厚0.9mm的气室,偏离中心0.7 mm处产生的理论偏转角约为0.08°。在使用球形碱金属气室作为中心元件的仪器时,需要考虑其对线偏光转角的明显影响。

碱金属原子气室研究进展

碱金属原子气室是原子陀螺、原子磁力仪和原子钟等量子仪表的核心部件,高性能微小型原子气室是制约上述量子仪表性能的重要因素之一。从理论基础、制造工艺和材料等方面回顾了原子气室的研究进展,对微型气室玻壳精密加工技术、原子气室精确充制技术、耐高温抗弛豫镀膜技术、原子气室后烘处理工艺等相应关键技术进行了分析和讨论,并针对量子仪表微小型、高精度、集成化的发展需求,分析了碱金属原子气室的发展趋势。

碱金属激光器蒸气室窗口片的标准具效应研究

实验研究了内表面未镀膜的碱金属蒸气室窗口片的标准具效应对激光输出的影响。研究结果表明:蒸气室两个内表面作为激光输出面时的光斑图样不同,且均伴随有寄生光斑;蒸气室窗口片之间的楔角导致了寄生光斑的产生。将激光器在不同输出耦合率下阈值的实验结果和理论结果进行比较,验证了碱金属蒸气室内表面未镀膜时具有标准具效应,存在多次反射;仅碱金属蒸气室作为输出耦合镜时,标准具效应是输出光斑的主要机制,此时获得了1.8 W的铷激光,其光光效率为10.2%,斜率效率为15.8%。