專利名稱：一種槽型原子氣體腔及其構(gòu)造的原子鐘物理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子光學(xué)、原子鐘領(lǐng)域，具體涉及一種芯片級(jí)CPT原子鐘的原子氣體腔體和微型物理系統(tǒng)，可用于原子鐘、原子磁強(qiáng)計(jì)和原子陀螺等原子光學(xué)器件與系統(tǒng)中。
背景技術(shù)：
CPT原子鐘是利用雙色相干光與原子作用將原子制備成相干態(tài)，利用CPT信號(hào)作為微波鑒頻信號(hào)而實(shí)現(xiàn)的原子鐘頻率源。由于具有易于微型化、低功耗和高頻率穩(wěn)定度等特點(diǎn)，CPT原子鐘一經(jīng)提出就受到各國(guó)研究機(jī)構(gòu)的重視，并開(kāi)展了深入的研究。被動(dòng)型CPT 原子鐘不需要微波諧振腔，可以將原子鐘尺寸縮小到芯片級(jí)，采用MEMS技術(shù)制作微型原子氣體腔體，為實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)CPT原子鐘提供了可行的批量化制造技術(shù)。芯片級(jí)CPT原子鐘能夠大幅度減小原子鐘體積與功耗，實(shí)現(xiàn)電池供電，并且可以批量、低成本生產(chǎn)，在軍用、民用的各個(gè)領(lǐng)域具有巨大市場(chǎng)，因此成為原子鐘的重要發(fā)展方向?；贛EMS技術(shù)制造芯片級(jí)CPT原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)是微型原子氣體腔及CPT微型物理系統(tǒng)。目前，芯片級(jí)CPT原子鐘的原子氣體腔結(jié)構(gòu)通常是先在單晶硅片上制作通孔，然后與Pyrex玻璃片鍵合形成半腔結(jié)構(gòu)，待堿金屬與緩沖氣體充入后，再與另外一片Pyrex玻璃片鍵合形成密封結(jié)構(gòu)，如圖1所示。這種原子氣體腔結(jié)構(gòu)的硅孔通常采用深反應(yīng)離子刻蝕工藝制作，腔體側(cè)壁一般垂直于底面，成本很高?；谶@種原子氣體腔的原子鐘微型物理系統(tǒng)一般為堆疊式組裝結(jié)構(gòu)，光與原子作用的光路為透射式直通光路或反射式一次往返光路，光束為發(fā)散的非準(zhǔn)直光束，分別如圖2和圖3所示。由圖可見(jiàn)，這種結(jié)構(gòu)的堿金屬原子氣體腔結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)光與原子作用光路長(zhǎng)度受到硅片厚度及硅加工工藝的限制，通常為Imm 2mm，進(jìn)一步增加厚度困難且昂貴，因此限制了光與原子相互作用光程，CPT信號(hào)的信噪比較低，影響了 CPT原子鐘的頻率穩(wěn)定度。在這種情況下，欲提高CPT信號(hào)的信噪比，就必須提高原子氣體腔工作溫度用以增加原子蒸汽的濃度，將大幅度增加原子鐘功耗。減小體積、降低功耗、增大CPT信號(hào)信噪比、增加頻率穩(wěn)定度，已經(jīng)成為目前芯片級(jí)CPT原子鐘發(fā)展中迫切需要解決的問(wèn)題，本發(fā)明就是為解決這些芯片級(jí)CPT原子鐘制造面臨的問(wèn)題提出技術(shù)方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種槽型原子氣體腔及其原子鐘微型物理系統(tǒng)，用于解決已有原子氣體腔結(jié)構(gòu)及其物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光路中，存在的激光與堿金屬原子氣體作用空間長(zhǎng)度偏短導(dǎo)致CPT信號(hào)信噪比低，從而降低CPT原子鐘的頻率穩(wěn)定度的問(wèn)題。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，一種槽型原子氣體腔，所述的槽型原子氣體腔由設(shè)有槽的硅片和Pyrex玻璃片鍵合圍成腔體結(jié)構(gòu)構(gòu)成；該腔體結(jié)構(gòu)用于充入堿金屬原子蒸汽和緩沖氣體；所述槽的橫截面為倒梯形，該槽包括底面和與底面成夾角的側(cè)壁。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述槽的底面截至于硅片，所述Pyrex玻璃片鍵合與該硅片上以形成腔體結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述硅片上設(shè)有微型氣體溝道用于將腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述玻璃片上設(shè)有微型氣體溝道用于將腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述硅片上設(shè)有凹臺(tái)，所述玻璃片上設(shè)有微型氣體通孔；所述微型氣體通孔與所述凹臺(tái)連通使得腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述槽為通槽，兩片所述玻璃片與所述硅片上下表面鍵合以形成腔體結(jié)構(gòu)。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述硅片為100 >晶向硅片；所述側(cè)壁為硅片的 {111}晶面；所述側(cè)壁表面制作有光學(xué)介質(zhì)或金屬薄膜形成的腔內(nèi)光學(xué)反射鏡。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，兩個(gè)相對(duì)側(cè)壁內(nèi)光學(xué)反射鏡的中心距離大于等于腔體結(jié)構(gòu)的厚度(ζ向)尺寸。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述堿金屬原子蒸汽為銣或銫；所述緩沖氣體為氮?dú)馀c氬氣的混合氣體、氖氣與氬氣的混合氣體或者氦氣與氬氣的混合氣體。本發(fā)明還提供一種采用所述的槽型原子氣體腔構(gòu)成的原子鐘物理系統(tǒng)，所述的原子鐘物理系統(tǒng)包括用于出射光束的半導(dǎo)體激光器、接收半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光并形成準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直透鏡、中性濾光片、λ/4波片、反射棱鏡、槽型原子氣體腔、光電探測(cè)器以及加熱器和溫度傳感器；準(zhǔn)直光束依次經(jīng)過(guò)中性濾光片、λ /4波片、反射棱鏡，耦合進(jìn)入槽型原子氣體腔，再相繼經(jīng)過(guò)槽型腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)中心距離較長(zhǎng)的兩相對(duì)側(cè)壁內(nèi)光學(xué)反射鏡反射后，最后到達(dá)光電探測(cè)器接收。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述半導(dǎo)體激光器為垂直腔半導(dǎo)體激光器，該激光器的工作波長(zhǎng)范圍包括與所采用堿金屬原子蒸汽產(chǎn)生相干布局囚禁效應(yīng)所需激光波長(zhǎng)。作為本發(fā)明的優(yōu)選方案之一，所述加熱器和溫度傳感器為集成制造元件，該加熱器和溫度傳感器采用多晶硅或鉬金屬或ITO薄膜，利用沉積、光刻、腐蝕及其他半導(dǎo)體工藝集成制作在槽型原子氣體腔外的玻璃片表面或硅片表面，加熱器和溫度傳感器采用相同或不同的制造材料。本發(fā)明的槽型原子氣體腔的制作基于硅的各向異性濕法腐蝕工藝和硅-玻璃陽(yáng)極鍵合等成熟MEMS工藝，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。最為重要的是決定激光與堿金屬原子之間作用光程的是腔體橫向尺寸，因此可以不局限于硅片厚度，通過(guò)版圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)合適的腔內(nèi)光路長(zhǎng)度，在低功耗條件下獲得明顯的CPT現(xiàn)象，得到更高信噪比的探測(cè)信號(hào)，并降低原子氣體腔所需工作溫度，使CPT原子鐘輸出頻率信號(hào)更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確。本發(fā)明的原子鐘物理系統(tǒng)中由于采用準(zhǔn)直光束以及光束的多次反射，因而將在一定程度上增加光路組裝的難度，但難度不大并可以解決。


圖1是現(xiàn)有的原子氣體腔結(jié)構(gòu)示意圖，(a)為主視圖，(b)為俯視圖。圖中11為上層玻璃，12為硅，13為腔體，14為下層玻璃。圖2是現(xiàn)有的透射式直通光路原子鐘物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中21為豎直腔發(fā)射激光器(VCSEL)，22為前加熱器，23為硅支架，M為λ/4波片，25為原子氣體腔，沈?yàn)楹蠹訜崞鳎?7為光電探測(cè)器。圖3是現(xiàn)有的反射式一次往返光路原子鐘物理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中31為集成制作的豎直腔發(fā)射激光器和光電探測(cè)器(中間位置為豎直腔發(fā)射激光器，邊緣位置為光電探測(cè)器)，32為λ /4波片，33為原子氣體腔，34為反射鏡，35為集成制作的加熱器和溫度傳感器。圖4是本發(fā)明實(shí)施例之一直接鍵合密封的雙層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔示意圖，(a) 為主視圖，(b)為俯視圖。圖中41為玻璃，42為硅，43為硅腔槽面(111晶面)，44為腔體。圖5是本發(fā)明實(shí)施例之一硅管道密封的雙層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔的示意圖。圖6是本發(fā)明實(shí)施例之一玻璃管道密封的雙層結(jié)構(gòu)的槽型原子氣體腔的示意圖。圖7是本發(fā)明實(shí)施例之一玻璃通孔密封的雙層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔的示意圖。圖5 圖7中，(a)為氣體通道密封前主視圖，(b)為氣體通道密封前俯視圖， (a')為氣體通道密封后主視圖，(b')為氣體通道密封后俯視圖。圖中51為玻璃，52為硅，53為硅腔槽面(111晶面)，54為腔體，55為氣體溝道或通孔，56為封堵后的氣體管道或通孔，57為硅凹臺(tái)。圖8是本發(fā)明實(shí)施例之一直接鍵合密封的三層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔示意圖，圖中 81為上層玻璃，82為硅，83為硅腔槽面，84為腔體，85為下層玻璃。圖9是本發(fā)明的基于槽型原子氣體腔的原子鐘物理系統(tǒng)實(shí)施例之一結(jié)構(gòu)示意圖。圖10是本發(fā)明的基于槽型原子氣體腔的原子鐘物理系統(tǒng)實(shí)施例之一結(jié)構(gòu)示意圖。圖9和圖10中，91為豎直腔發(fā)射激光器(VCSEL)，92為墊片，93為準(zhǔn)直透鏡，94為中性濾光片，95為λ /4波片，96為反射棱鏡，97為槽型原子氣體腔，98為光電探測(cè)器，99為集成制作的加熱器和溫度傳感器。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例闡述本發(fā)明涉及的槽型原子氣體腔及其構(gòu)造的原子鐘物理系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明不僅限于介紹的實(shí)施例。實(shí)施例1直接鍵合密封的雙層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔及其構(gòu)造的原子鐘物理系統(tǒng)圖4為直接鍵合密封的雙層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔，選取厚度為1 3mm的<100>硅片，利用二氧化硅或氮化硅做掩模，通過(guò)氫氧化鉀或其它各向異性濕法腐蝕工藝形成硅襯底上的棱臺(tái)狀硅槽結(jié)構(gòu)，硅槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁即為{111}晶面，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，利用硬掩?；騽冸x技術(shù)，在硅槽側(cè)壁上制作金屬膜反射鏡，然后將堿金屬單質(zhì)或反應(yīng)生成堿金屬的化合物在厭氧環(huán)境下移入硅坑內(nèi)，或者直接充入過(guò)量的堿金屬蒸汽，再充入按照一定配比混合的緩沖氣體，最后使硅襯底的腐蝕面與玻璃進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，完成原子氣體腔體的密封。 其中，選用的硅片厚度和腐蝕深坑深度根據(jù)原子鐘物理光路的準(zhǔn)直光斑尺寸決定。圖9和圖10是兩種基于槽型原子氣體腔的原子鐘物理系統(tǒng)，圖9為優(yōu)選的緊湊光路結(jié)構(gòu)，若腔體正上方空間不夠，可采用圖10所示的擴(kuò)展光路結(jié)構(gòu)。原子鐘物理系統(tǒng)的各個(gè)組件的外形尺寸均需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行精密加工，尺寸匹配便于組裝，待原子氣體腔準(zhǔn)備好后，按照預(yù)先在腔體同側(cè)玻璃表面制作的各元器件的定位標(biāo)記，依次裝配光電探測(cè)器、反射棱鏡、四分之一波片、中性濾波片、準(zhǔn)直透鏡、墊片和激光器，其中墊片是根據(jù)準(zhǔn)直焦距的要求預(yù)先設(shè)計(jì)加工的激光器芯片的貼裝支撐。激光器的出射光束，首先經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡形成準(zhǔn)直光束，然后依次經(jīng)過(guò)中性濾光片，λ /4波片、反射棱鏡光路，耦合進(jìn)入槽型原子氣體腔，腔內(nèi)與原子蒸汽作用的光束平行于槽型原子氣體腔底面，相繼經(jīng)過(guò)腔內(nèi)中心距離較長(zhǎng)的兩相對(duì)側(cè)壁反射鏡反射后，最后到達(dá)光電探測(cè)器接收。加熱器和溫度傳感器可以選用獨(dú)立元件根據(jù)封裝空間的大小裝配于腔體外的同側(cè)面或異側(cè)面。在圖9和圖10所示的原子鐘物理系統(tǒng)中，優(yōu)選將加熱器和溫度傳感器，采用多晶硅或鉬金屬或ITO薄膜或其它材料，利用沉積、光刻、腐蝕及其他半導(dǎo)體工藝集成制作在槽型原子氣體腔外的玻璃片表面或硅片表面，加熱器和溫度傳感器可以采用相同或不同的制造材料。以上所描述的原子鐘物理系統(tǒng)構(gòu)成同樣適用于其他結(jié)構(gòu)形式的槽型原子氣體腔。實(shí)施例2氣體通道密封的雙層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔及其構(gòu)造的原子鐘物理系統(tǒng)圖5 圖7為三種氣體通道密封的雙層槽型原子氣體腔結(jié)構(gòu)，三種結(jié)構(gòu)都是先腐蝕出硅槽，并在腔體邊緣做好氣體通道，硅槽結(jié)構(gòu)的側(cè)壁即為{111}晶面，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，利用硬掩模或剝離技術(shù)，在硅槽側(cè)壁上制作金屬膜反射鏡，再進(jìn)行硅-玻璃陽(yáng)極鍵合，然后通過(guò)氣體通道向腔內(nèi)沖入堿金屬氣體和緩沖氣體，最后通過(guò)封堵氣體通道完成腔體密封。圖5中氣體通道的形式為硅上制作溝道；圖6中氣體通道的形式為玻璃上制作溝道，圖7中氣體通道的形式為玻璃上的通孔和其對(duì)應(yīng)位置上的硅凹臺(tái)。(具體制作方法將另案申請(qǐng))實(shí)施例1描述的原子鐘物理系統(tǒng)同樣適用于以上描述的氣體通道密封的雙層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔。實(shí)施例3三層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔及其構(gòu)造的原子鐘物理系統(tǒng)與二層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔類似，三層結(jié)構(gòu)槽型氣體原子腔也包括直接鍵合密封結(jié)構(gòu)和氣體通道密封結(jié)構(gòu)。圖8是直接鍵合密封的三層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔結(jié)構(gòu)示意圖。 選取厚度為1 3mm的<100>硅片，利用二氧化硅或氮化硅做掩模，通過(guò)氫氧化鉀或其它各向異性濕法腐蝕工藝對(duì)硅片進(jìn)行單側(cè)腐蝕，形成硅襯底上的通孔結(jié)構(gòu)，通孔側(cè)壁即為{111} 晶面，將硅片的后腐穿面與一片Pyrex玻璃進(jìn)行陽(yáng)極鍵合形成半腔結(jié)構(gòu)，采用蒸發(fā)或?yàn)R射工藝，利用硬掩模或剝離技術(shù)，在通孔側(cè)壁上制作金屬膜反射鏡，然后將堿金屬單質(zhì)或反應(yīng)生成堿金屬的化合物在厭氧環(huán)境下移入硅坑內(nèi)，或者直接充入過(guò)量的堿金屬蒸汽，再充入按照一定配比混合的緩沖氣體，最后使硅襯底的凹坑面與玻璃進(jìn)行陽(yáng)極鍵合，完成原子氣體腔體的密封。其中，選用的硅片厚度根據(jù)原子鐘物理光路的準(zhǔn)直光斑尺寸決定。實(shí)施例1描述的原子鐘物理系統(tǒng)同樣適用于以上描述的三層結(jié)構(gòu)槽型原子氣體腔。歸納一下就是本發(fā)明槽型原子氣體腔采用單晶硅濕法腐蝕和硅-玻璃陽(yáng)極鍵合等MEMS工藝制作，腔體結(jié)構(gòu)為下述四種結(jié)構(gòu)中的任意一種(a)具有傾斜側(cè)壁槽型結(jié)構(gòu)的硅片與Pyrex玻璃片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合形成的密封腔體，堿金屬原子蒸汽和緩沖氣體在硅-玻璃鍵合時(shí)充入密封腔體中；
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(b)具有傾斜側(cè)壁槽型結(jié)構(gòu)的硅片與Pyrex玻璃片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合形成帶有微型氣體通道的腔體，微型氣體通道制作于硅或玻璃上，充入堿金屬原子蒸汽和緩沖氣體后封堵微型氣體通道形成的密封腔體；(c)具有傾斜側(cè)壁通孔結(jié)構(gòu)的硅片與兩片Pyrex玻璃片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合形成的密封腔體，堿金屬原子蒸汽和緩沖氣體在進(jìn)行第二次硅-玻璃鍵合時(shí)充入密封腔體中；(d)具有傾斜側(cè)壁通孔結(jié)構(gòu)的硅片與兩片Pyrex玻璃片進(jìn)行陽(yáng)極鍵合形成帶有微型氣體通道的腔體，微型氣體通道制作于硅或玻璃上，充入堿金屬原子蒸汽和緩沖氣體后封堵微型氣體通道形成的密封腔體；本發(fā)明的槽型原子氣體腔的腔體側(cè)壁，即硅片的{111}晶面上通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射或其它工藝制作光學(xué)介質(zhì)膜或金屬膜構(gòu)成反射鏡，用于增加光學(xué)反射率。腔體內(nèi)部至少在X 或y向中的一個(gè)方向上，兩個(gè)相對(duì){111}晶面反射鏡的中心距離大于等于腔體的Z向尺寸。 腔體在最后密封前需要沖入堿金屬和緩沖氣體，堿金屬包括銣或銫或其它堿金屬材料，緩沖氣體通常為氮?dú)?或氖氣、氦氣)與氬氣的混合氣體。本發(fā)明的原子鐘物理系統(tǒng)的典型特征在于采用了本發(fā)明的槽型原子氣體腔，與原子蒸汽相互作用的光束平行于槽型原子氣體腔底面，光束與原子的作用距離由腔體長(zhǎng)度根據(jù)設(shè)計(jì)決定，不受腔體厚度的限制。因此腔體的橫向尺寸決定了激光與堿金屬原子的作用光程，光程可以增加到幾毫米至幾十毫米。本發(fā)明的原子鐘物理系統(tǒng)具體由激光器、準(zhǔn)直透鏡、中性濾光片、λ /4波片、反射棱鏡、所述的槽型原子氣體腔、光電探測(cè)器以及加熱器和溫度傳感器組成。激光器的出射光束，首先經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡形成準(zhǔn)直光束，然后依次經(jīng)過(guò)中性濾光片、λ/4波片、反射棱鏡光路， 耦合進(jìn)入槽型原子氣體腔，再相繼經(jīng)過(guò)腔內(nèi)中心距離較長(zhǎng)的兩相對(duì)側(cè)壁反射鏡反射后，最后到達(dá)光電探測(cè)器接收。其中，激光器、準(zhǔn)直透鏡、中性濾光片、λ/4波片、反射棱鏡、光電探測(cè)器裝配于所述的槽型原子氣體腔外的同一側(cè)玻璃片上，加熱器和溫度傳感器根據(jù)封裝空間的大小裝配于腔體外的同側(cè)面或異側(cè)面?；蛘撸訜崞骱蜏囟葌鞲衅饕部梢圆捎枚嗑Ч杌蜚f金屬或ITO薄膜或其它材料，利用沉積、光刻、腐蝕及其他半導(dǎo)體工藝集成制作在所述的槽型原子氣體腔外的玻璃片表面或硅片表面，加熱器和溫度傳感器的制造材料可以相同，也可以不同。本發(fā)明的槽型原子氣體腔的制作基于硅的各向異性濕法腐蝕工藝和硅-玻璃陽(yáng)極鍵合等成熟MEMS工藝，成本低，易于實(shí)現(xiàn)。最為重要的是決定激光與堿金屬原子之間作用光程的是腔體橫向尺寸，因此可以不局限于硅片厚度，通過(guò)版圖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)合適的腔內(nèi)光路長(zhǎng)度，在低功耗條件下獲得明顯的CPT現(xiàn)象，得到更高信噪比的探測(cè)信號(hào)，并降低原子氣體腔所需工作溫度，使CPT原子鐘輸出頻率信號(hào)更加穩(wěn)定、準(zhǔn)確。本發(fā)明的原子鐘物理系統(tǒng)中由于采用準(zhǔn)直光束以及光束的多次反射，因而將在一定程度上增加光路組裝的難度，但難度不大并可以解決。上述對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。 熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述的槽型原子氣體腔由設(shè)有槽的硅片和玻璃片鍵合圍成腔體結(jié)構(gòu)構(gòu)成；該腔體結(jié)構(gòu)用于充入堿金屬原子蒸汽和緩沖氣體；所述槽的橫截面為倒梯形，該槽包括底面和與底面成夾角的側(cè)壁。
2.如權(quán)利要求1所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述槽的底面截至于硅片， 所述玻璃片鍵合于該硅片上以形成腔體結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述硅片上設(shè)有微型氣體溝道用于將腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。
4.如權(quán)利要求2所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述玻璃片上設(shè)有微型氣體溝道用于將腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。
5.如權(quán)利要求2所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述硅片上設(shè)有凹臺(tái)，所述玻璃片上設(shè)有微型氣體通孔；所述微型氣體通孔與所述凹臺(tái)連通使得腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。
6.如權(quán)利要求1所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述槽為通槽，兩片所述玻璃片與所述硅片上下表面鍵合以形成腔體結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求6所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述硅片上設(shè)有微型氣體溝道用于將腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。
8.如權(quán)利要求6所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述玻璃片上設(shè)有微型氣體溝道用于將腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。
9.如權(quán)利要求6所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述硅片上設(shè)有凹臺(tái)，所述玻璃片上設(shè)有微型氣體通孔；所述微型氣體通孔與所述凹臺(tái)連通使得腔體結(jié)構(gòu)與外部連通。
10.如權(quán)利要求1所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述硅片為100>晶向硅片；所述側(cè)壁為硅片的{111}晶面；所述側(cè)壁表面制作有光學(xué)介質(zhì)或金屬薄膜形成的腔內(nèi)光學(xué)反射鏡。
11.如權(quán)利要求10所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于兩個(gè)相對(duì)側(cè)壁內(nèi)光學(xué)反射鏡的中心距離大于等于腔體結(jié)構(gòu)的厚度(Z向)尺寸。
12.如權(quán)利要求1所述的一種槽型原子氣體腔，其特征在于所述堿金屬原子蒸汽為銣或銫；所述緩沖氣體為氮?dú)馀c氬氣的混合氣體、氖氣與氬氣的混合氣體或者氦氣與氬氣的混合氣體。
13.采用權(quán)利要求1至12任意一項(xiàng)所述的槽型原子氣體腔構(gòu)成的原子鐘物理系統(tǒng)，其特征在于所述的原子鐘物理系統(tǒng)包括用于出射光束的半導(dǎo)體激光器、接收半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光并形成準(zhǔn)直光束的準(zhǔn)直透鏡、中性濾光片、λ/4波片、反射棱鏡、槽型原子氣體腔、 光電探測(cè)器以及加熱器和溫度傳感器；準(zhǔn)直光束依次經(jīng)過(guò)中性濾光片、λ /4波片、反射棱鏡，耦合進(jìn)入槽型原子氣體腔，再相繼經(jīng)過(guò)槽型腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)中心距離較長(zhǎng)的兩相對(duì)側(cè)壁內(nèi)光學(xué)反射鏡反射后，最后到達(dá)光電探測(cè)器接收。
14.如權(quán)利要求13所述的原子鐘物理系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器為垂直腔半導(dǎo)體激光器，該激光器的工作波長(zhǎng)范圍包括與所采用堿金屬原子蒸汽產(chǎn)生相干布局囚禁效應(yīng)所需激光波長(zhǎng)。
15.如權(quán)利要求13所述的原子鐘物理系統(tǒng)，其特征在于所述加熱器和溫度傳感器為集成制造元件，該加熱器和溫度傳感器采用多晶硅或鉬金屬或ITO薄膜，利用沉積、光刻、 腐蝕及其他半導(dǎo)體工藝集成制作在槽型原子氣體腔外的玻璃片表面或硅片表面，加熱器和溫度傳感器采用相同或不同的制造材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種槽型原子氣體腔及其構(gòu)造的原子鐘物理系統(tǒng)。所述的槽型原子氣體腔由設(shè)有槽的硅片和Pyrex玻璃片鍵合圍成腔體結(jié)構(gòu)構(gòu)成；該腔體結(jié)構(gòu)用于充入堿金屬原子蒸汽和緩沖氣體；所述槽的橫截面為倒梯形，該槽包括底面和與底面成夾角的側(cè)壁。所述的槽型原子氣體腔基于MEMS技術(shù)制造，由單晶硅片通過(guò)硅各向異性腐蝕形成硅槽，并通過(guò)硅-玻璃陽(yáng)極鍵合制作槽型腔，槽型氣體腔的側(cè)壁為硅片的{111}晶面。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是利用所述的槽型原子氣體腔，通過(guò)原子腔體尺寸設(shè)計(jì)易于增加腔內(nèi)兩反射鏡之間的距離，從而增加了激光與原子氣體間的相互作用空間長(zhǎng)度，使相干布局囚禁效應(yīng)(Coherentpopulationtrapping,CPT)信號(hào)的信噪比增強(qiáng)，有利于提高微型CPT原子鐘頻率穩(wěn)定度。
文檔編號(hào)G04F5/14GK102323738SQ20111020300
公開(kāi)日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者吳亞明, 張志強(qiáng), 徐靜, 李紹良 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所