应用于CPT原子钟的微型铷腔的微加工研究

摘要

原子钟是目前最准确的计时工具，在天文学、航空航天、同步通信网络、卫星导航、大地测量学和基础科学研究等方面具有广泛的应用前景。微型化是原子钟的主要发展趋势之一。基于相干布局囚禁(CoherentPopulationTrapping，CPT)原理的原子钟，由于不需要微波谐振器，理论上可以实现微型化。铷腔（或其它碱金属蒸汽腔）是原子钟的核心物理部件，其微型化是原子钟系统微型化的关键。本文基于MEMS技术和热发泡成型技术重点研究铷腔的微加工制备工艺，提出了两种制备微型铷蒸汽腔的技术方案，成功获得了圆片级铷腔，并进行了表征。主要包括以下内容:
　　首先，针对铷化学性质活泼、微型铷腔难以制备这个难点，本文提出了两种制备微型铷蒸汽腔的技术方案。第一种方案，结合正压热成型技术和热化学还原反应实现了圆片级球形铷蒸汽腔的制备。选取叠氮化钡和氯化铷作为反应物质，基于微流控技术设计了一个两腔结构，保证了铷腔的纯度;获得的铷腔的尺寸可控，为原子钟需求的铷腔的结构设计提供了重要的工具。第二种方案，基于低温阳极键合技术实现了玻璃-硅-玻璃三层结构的微型铷蒸汽腔的制备;采用热化学还原的方法来实现了铷单质的制备;采用阶梯式的加热方式，提高了三层结构阳极键合的成功率和键合质量。利用上述方案，成功获得了圆片级的铷腔。
　　其次，对微型铷腔进行了性能表征。利用PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数)加热片在微型铷腔上制备了微型加热器，成功地为微型铷腔提供了加热模块;采用UV5000紫外分光光度计对铷腔进行了检测，获得了750nm-800nm波段内的微型铷蒸汽腔的吸收光谱。结果表明，微型铷腔在780nm和795nm处有两个明显的吸收峰，表明腔内具有相当数量的铷蒸汽;采用Zeiss场发射扫描电子显微镜对球形铷腔内的化学成分进行了分析，EDS结果表明球形铷腔内生成了铷单质。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 原子钟发展概述

1．3 CPT原子钟研究现状

1．4 CPT原子钟碱金属腔的工艺综述

1．5 被动型CPT原子钟的系统集成探索

1．6 本论文的主要工作

第二章 微型铷蒸汽腔的制备与研究

2．1 基于圆片级玻璃微腔技术的球形铷腔的制备

2．1．1 碱金属铷

2．1．2 铷腔的封装材料

2．1．3 圆片级玻璃微腔的制备方法

2．1．4 微型球形铷腔的制备方法

2．2 玻璃-硅-玻璃三层结构的微型铷蒸汽腔的制备

2．2．1 玻璃-硅-玻璃三层结构的阳极键合

2．2．2 玻璃-硅-玻璃三层结构的微型铷蒸汽腔的制备

2．3 实验结果与分析

2．4 本章小结

第三章 微型铷蒸汽腔的性能表征

3．1 微型加热器的制备

3．2 微型铷蒸汽腔的光谱检测

3．2．1 玻璃-硅-玻璃结构铷腔的光谱检测

3．2．2 球形铷腔的光谱检测

3．3 球形铷蒸汽腔的能谱分析

3．4 本章小结

第四章 总结与展望

4．1 工作总结

4．2 进一步工作的展望

参考文献

作者简介

硕士期间取得成果

致谢