探测系统及原子钟装置 |
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| 申请号 | CN202311665590.5 | 申请日 | 2023-12-06 | 公开(公告)号 | CN117784570A | 公开(公告)日 | 2024-03-29 |
| 申请人 | 凯瑟斯技术(杭州)有限公司; | 发明人 | 吴冲; 余兴新; 梁宇航; 王旭成; 屈求智; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种探测系统和 原子 钟装置，包括：光束单元，用于形成第一光束和第二光束；原子气室，包括多个 侧壁 ，多个侧壁围合形成空腔，空腔包括相互连通的第一区域和第二区域； 吸附 单元，包括设置于多个侧壁对应于第一区域的内表面上第一吸 附图 案；原子束流发生单元，布置于原子气室的一侧，产生的原子束流自第一区域朝向第二区域移动；第一光束经侧壁上第一透光区进入空腔并于第一区域和原子束流相互作用，第二光束经侧壁上第二透光区进入空腔并于第二区域和原子束流相互作用；以及探测单元，探测单元设置于第二透光区的出光孔一侧，用于探测从第二区域出射的光电 信号 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种探测系统，其特征在于，所述探测系统包括： |
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| 说明书全文 | 探测系统及原子钟装置技术领域[0001] 本发明涉及本发明属于光学精密制造技术领域，特别涉及一种探测系统及原子钟装置。 背景技术[0003] 目前，传统的原子气室存在诸多问题，以氢原子钟为例，当氢原子完成能级跃迁后，不同能级的氢原子均需要被吸氢材料吸收剔除以维持氢原子钟的真空度和稳定性，但在目前的原子气室中，采用石墨棒+NEG（非蒸散性吸气剂）的组合吸气剂存在颗粒脱落、吸附效果不明显、应用场景受限、占用空间大等现象，进而降低原子钟的服役寿命。 [0004] 另外，基于半导体加工技术，可以制造MEMS(Micro Electro Mechanical System，微机电系统)芯片级器件。原子钟作为MEMS芯片级器件的一种，如何在MEMS芯片级器件中形成稳定的原子气室并进行光电检测属于需要克服的问题。 [0005] 有鉴于此，本发明提出一种能够和MEMS芯片级器件制造工艺相融合的探测系统及原子钟装置。 发明内容[0006] 针对上述技术问题，本发明提供一种能够和MEMS芯片级器件制造工艺相融合的探测系统及原子钟装置，通过在探测系统的原子气室的表面上设置吸附单元，吸附单元在气室的内表面上形成多种吸附图案，优选的，吸附单元为碳纳米管膜层，藉由碳纳米管拥有的吸光能力，吸收一些不需要杂散光，从而提升探测信号的信噪比。此外，吸附单元被直接布置在气室的内表面上，拥有更大的比表面利用率，从而更好的吸附背景气体，提高原子与光束的作用效果。 [0007] 本发明提供一种探测系统，所述探测系统包括：光束单元，所述光束单元用于形成第一光束和第二光束；原子气室，所述原子气室包括多个侧壁，所述多个侧壁围合形成空腔，所述空腔包括相互连通的第一区域和第二区域；吸附单元，所述吸附单元包括第一吸附图案，所述第一图案设置于所述多个侧壁对应于所述第一区域的内表面上，所述内表面面对所述空腔；原子束流发生单元，所述原子束流发生单元布置于所述原子气室的一侧，所述原子束流发生单元产生的原子束流自所述第一区域朝向所述第二区域移动；所述第一光束经所述侧壁上第一透光区进入所述空腔并于所述第一区域和所述原子束流相互作用，所述第二光束经所述侧壁上第二透光区进入所述空腔并于所述第二区域和所述原子束流相互作用；以及探测单元，所述探测单元设置于所述第二透光区的出光孔一侧，用于探测从所述第二区域出射的光电信号。 [0008] 作为可选的技术方案，所述第一光束和所述第二光束的频率相同。 [0009] 作为可选的技术方案，所述多个侧壁包括相对设置的第一侧壁和第二侧壁；所述原子气室还包括第一透光区和第二透光区，所述第一透光区和所述第一区域对应，所述第二透光区和所述第二区域对应；其中，所述第一透光区和所述第二透光区分别沿着第一方向连通所述第一侧壁和所述第二侧壁；所述第一吸附图案于所述第一透光区处设有镂空部。 [0010] 作为可选的技术方案，所述多个侧壁还包括用于连接所述第一侧壁和所述第二侧壁的第三侧壁，所述第三侧壁面对所述空腔的内表面包括第一子表面和第二子表面，所述第一子表面和所述第一区域相对应，所述第二子表面和所述第二区域相对应；其中，所述第一吸附图案包括第一子吸附图案，所述第一子吸附图案覆盖于所述第一子表面上，所述第二子表面上未设置所述吸附单元。 [0011] 作为可选的技术方案，所述吸附单元还包括第二吸附图案，所述第二吸附图案设置于所述第一侧壁和所述第二侧壁对应于所述第二区域的内表面上，且所述第二吸附图案于所述第二透光区处设有镂空部。 [0012] 作为可选的技术方案，所述多个侧壁还包括位于所述空腔端部的第一端壁，所述第一端壁远离所述第一区域；所述吸附图案还包括第三吸附图案，所述第三吸附图案设置于所述第一端壁面对所述空腔的内表面上。 [0013] 作为可选的技术方案，所述第三吸附图案的膜层厚度大于所述第一吸附图案的膜层厚度和所述第二吸附图案的膜层厚度。 [0014] 作为可选的技术方案，所述多个侧壁还包括：与所述第三侧壁相对设置的第四侧壁，以及，与所述第一端壁相对设置的第二端壁；其中，所述第四侧壁用于连接所述第一侧壁和所述第二侧壁；所述第二端壁位于所述第一区域靠近所述原子束流发生单元一侧；所述第四侧壁和所述第二端壁面对所述空腔的内表面上未设置所述吸附单元。 [0015] 作为可选的技术方案，所述第一吸附图案、所述第二吸附图案以及所述第三吸附图案分别为碳纳米管吸附膜层。 [0016] 作为可选的技术方案，所述第一区域和所述第二区域沿着第二方向连通，所述第二方向和所述第一方向相互垂直。 [0017] 本发明还提供一种原子钟装置，所述原子钟装置包括如上所述的探测系统。 [0018] 与现有技术相比，本发明提供的探测系统及原子钟装置，设置在原子气室的吸附图案根据需要在光束和原子作用的不同区域差异化设置，可以实现如下技术效果；1. 通过蒸镀工艺使得气室的内表面形成吸附单元，原子气室的空间利用率提高 约50%，且重量减轻40%；原子气室腔体利用率的提升，进而在某些应用场景能够在保持气室腔体体积不变的情况下增大光与原子的作用距离，提高测量精度； 2. 吸附单元可以辅助保持原子气室内部真空度，预计可达1×10¯³Pa或者更高 真空水平； 3. 原子气室中对背景气体的吸收有效改善，减小了原子与背景气体分子碰撞的 概率；分区域设置的吸附图案，对吸收杂散荧光或者散射的激光光子效果更好，提升信号信噪比，使原子的荧光现象更加容易被探测； 4、吸附单元优选通过蒸镀工艺制作因此得以与MEMS芯片级器件制造的半导体工 艺相互兼容。 附图说明[0019] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0020] 图1为本发明提供的探测系统的功能模块图。 [0021] 图2为图1中原子气室于第一视角的示意图。 [0022] 图3为图1中原子气室于第二视角的示意图。 [0023] 图4为原子气室的第一侧壁和第二侧壁内表面的部分第一吸附图案和第二吸附图案的示意图。 [0024] 图5为原子气室的第三侧壁内表面的部分第一吸附图案的示意图。 [0025] 图6为原子气室的第四侧壁的内表面的示意图。 [0026] 图7为原子气室的第一端壁的内表面的第三吸附图案的示意图。 具体实施方式[0027] 为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。 [0028] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。 [0029] 本发明提供的探测系统100可应用于原子钟装置中，通过激光与原子的相互作用获得原子能级的窄而精确的频率分量,并且可以实现时频定义。 [0030] 如图1至图3所示，探测系统100包括：光束单元10、原子气室50、吸附单元、原子束流发生单元40以及探测单元60，光束单元10用于形成第一激光光束11a和第二激光光束11b；原子气室50包括多个侧壁，多个侧壁围合形成空腔，空腔包括相互连通的第一区域51和第二区域52；吸附单元包括第一吸附图案，第一图案设置于多个侧壁对应于第一区域51的内表面上，内表面面对空腔；原子束流发生单元40布置于原子气室50的一侧，原子束流发生单元产生40的原子束流自第一区域51朝向第二区域52移动；第一光束11a经侧壁上第一透光区53进入空腔并于第一区域51和原子束流相互作用，第二光束11b经侧壁上第二透光区54进入空腔并于第二区域52和原子束流相互作用；探测单元60设置于第二透光区54的出光孔一侧，用于探测从第二区域52出射的光电信号。 [0031] 本发明一实施例中，第一光束11a和第二光束11b为同频率的激光光束。 [0032] 参照图1，光束单元10的一侧还包括分光单元20，分光单元用于将光束单元10产生的光束进行分光形成第一光束11a和第二光束11b。可以理解的是，根据实际调光需要，在第一光束11a和第二光束11b的出射路径上还可以设置其他的光调整单元30，光调整单元30包括但不限于光学透镜组、光学棱镜组等，使得第一光束11a和第二光束11b相互平行且同频。 [0033] 参照图2至图7，以下将说明吸附单元的多个吸附图案在原子气室50的第一区域51和第二区域52对应的侧壁的内表面上布局。 [0034] 本发明的提供的原子气室50为多个侧壁围合形成的一真空且封闭的中空结构。中空结构的空腔包括相互连通的第一区域51和第二区域52，优选的，原子束流发生单元40从第一区域51向上移动进入第二区域52中。即，实际使用中，第一区域51和第二区域52在空腔中沿第二方向例如上下方向连通。在本发明的其他实施例中，第一区域和第二区域在空腔中沿第二方向例如左右方向连通。即，原子气室在探测系统100中的布置方位决定了第一区域51和第二区域52沿何种方向连通。 [0035] 可以理解的是，探测系统100中，原子束流发生单元40的原子束流在进入空腔之前，可以是经过准直单元准直后再出射至上述空腔中。 [0036] 参照图2和图3，原子气室50的多个侧壁例如包括相对设置的第一侧壁50c和第二侧壁50c；第一透光区53和第一区域51相对应；第二透光区54和第二区域52相对应；第一透光区53和第二透光区54分别沿着第一方向连通第一侧壁50c和第二侧壁50c。 [0037] 本实施例中，第一透光区53和第二透光区54分别是指位于原子气室50的第一侧壁50c和第二侧壁50c上的透明区域，该透明区域用于为光束提供通路。具体来讲，第一光束 11a经第一透光区53位于第一侧壁50c的入射区53a进入第一区域51中，与第一区域51中的原子束流相互作用，再从第一透光区53位于第二侧壁50c的出射区53b出射至原子气室50的外侧；相同的，第二光束11b经第二透光区54位于第一侧壁50c的入射区54a进入第二区域52中，与第二区域52中的原子束流相互作用，再从第二透光区54位于第二侧壁50c的出射区 54b出射至原子气室50的外侧。进一步，从第二透光区54位于第二侧壁50c的出射区54b出射至原子气室50的外侧后，位于第二侧壁50c的出射区54b附近的探测单元60可以选择探测第二光束11b和原子作用后原子能级跃迁和回落产生的荧光信号，或者，探测与原子作用后的第二激光光束的信号。 [0038] 可以理解的是，本实施例中，第一透光区53沿着第一方向连通第一侧壁50c和第二侧壁50c是指通过在相对的第一侧壁50c和第二侧壁50c分别设置入光区53a和出光区53b，使得入光区53a、第一区域51和出光区53b之间形同连通的第一光通路；同样的，第二透光区54沿着第一方向连通第一侧壁50c和第二侧壁50c是指通过在相对的第一侧壁50c和第二侧壁50c分别设置对应的入光区54a和出光区54b，使得入光区54a、第二区域52和出光区54b之间形同连通的第二光通路。 [0039] 本实施例中，第一方向例如是左右方向，第一侧壁和第二侧壁例如是左侧侧壁和右侧侧壁，其中，第一方向和上述空腔中第一区域51和第二区域52的布置方向相垂直。 [0040] 参照图1至图7，为了提高探测单元60在第二透光区54的出射区54b处的探测效率，本发明主要通过在原子气室50的内表面上布置多个吸附图案，以对原子气室50的空腔中的背景气体和原子碰撞、原子被激发产生的杂散荧光的干扰，选择性探测第二光束和原子作用的光电信号，提升被探测信号信噪比。 [0041] 相较于传统的石墨棒，碳纳米管镀层具有优异的吸附特性，这种镀层拥有更大的比表面积，从而提高了背景气体的吸附效率。当光束在腔体发生多次反射，杂散光的影响随之增强，为了提高信噪比，削弱杂散光光强在腔体内部尤为重要，而碳纳米管兼具吸收部分光的优异特性，在做吸附背景气体的同时起到了削弱杂散光强的双重作用。 [0042] 吸附单元包括第一吸附图案，第一吸附图案位于第一区域51对应的多个侧壁的内表面上，其中，多个侧壁的内表面是指面对原子气室50的空腔的一侧。 [0043] 参照图3至图7，围绕第一区域51的多个侧壁包括：相对设置第一侧壁和第二侧壁50c，相对设置的第三侧壁50d1和第四侧壁50d2以及第二端壁50a，第二端壁50a靠近原子束流发生单元40设置。 [0044] 其中，为了降低第一光束11a在第一区域51中和原子束流中原子作用产生的杂散荧光以及第一区域51中原子在气室的侧壁上的碰撞反射；第一、第二侧壁50c对应于第一区域51的部分区域50c1分别设置第二子吸附图案56a，优选的，第三侧壁50d1对应第一区域51的第一子表面上设置第一子吸附图案57；其中，第一子吸附图案57和第二子吸附图案56共同构成第一吸附图案。 [0045] 本实施例中，以长方体的空腔为例说明第一吸附图案在对应第一区域51的多个侧壁的内表面上布置方式。可以理解的是，在本发明的其他实施例中，随着空腔的整体构型的改变，第一区域的形态变化后，覆盖第一区域的多个侧壁的形态益随之变化，其中，第一吸附图案可以在多个侧壁上形成连续的图案也可以形成不连续的图案。即，可以根据实际的吸附需要合理的布置吸附图案的形状、尺寸等。 [0046] 另外，与第三侧壁50d1相对的第四侧壁50d2面对空腔一侧的内表面上未设置吸附图案；第二端壁50a面对空腔一侧的内表面上也未设置吸附图案；其中，原子束流从第二端壁50a一侧注入到空腔内，并从第一区域51向第二区域52中移动，而第四侧壁50d2和第二端壁50a的内表面处均未设置吸附图案避免。 [0047] 可以理解的是，选择性地在第三侧壁50d1的相对第一区域51的部分区域设置第一子吸附图案57，而未在第三侧壁50d1的相对第二区域52的部分区域设置吸附图案，可以在第一区域51中吸附背景气体，从而削弱第一光束11a与原子的作用效果，并增强第二区域52中第二光束11b与原子的作用效果，提升对于需要探测的第二光束11b探测效果。 [0048] 参照图4，第二子吸附图案56a在第一、第二侧壁50c对应第一通光区53的入光区53a和出光区53b的部分设置有镂空部56a1，以避免遮挡第一光束11a的入射和出射。 [0049] 继续参照图3至图7，吸附单元还包括第二吸附图案，第二吸附图案与第二区域52相对应，具体的，第一、第二侧壁50c对应于第二区域52的部分区域50c2分别设置第三子吸附图案56b，其中，相对布置的第三子吸附图案56b作为第二吸附图案。另外，第三子吸附图案56b在第一、第二侧壁50c对应第二通光区54的入光区54a和出光区54b的部分设置也有镂空部56b1，以避免遮挡第二光束11b的入射和出射。 [0050] 参照图4，第二子吸附图案56b和第三子吸附图案56a覆盖于原子气室50的第一、第二侧壁50c的内表面除第一通光区53和第二通光区54区域之外的表面，于第一光束11a与原子作用的第一区域51中尽可能降低杂散荧光、杂散反射光的影响，提升第二光束和原子相互作用的概率，进而提升探测单元60在第二通光区54的出光区54b处的探测效率。 [0051] 本实施例中，第三侧壁50d1和相对的第四侧壁50d2在对应第二区域52的区域未设置吸附图案。 [0052] 本实施例中，考虑到杂散光会在整个腔体内部自由的发生反射，因此原理上需要尽可能在腔体内部各个面进行蒸镀碳纳米管来减小杂散光的影响，但为了探测光与原子的作用，需要将光电探测装置60安放在与出射光束传播方向平行或者垂直的方向，为了避免碳纳米管的存在会阻挡光电探测器60的信号收集，因此在第三区域50d1选择不蒸镀碳纳米管来给光电探测器60的安放留出足够空间。 [0053] 可以理解的是，光电探测装置60和光束传播方向相对位置由测量方式不同而不同。方式1吸收法：光束与原子相互作用，光束本身的光强被减弱，在出射位置附近设置光电探测装置来探测光强；以光束传播的方向（由入射面到出射面）为基准，光电探测装置与光束传播方向垂直。方式2荧光法：光束与原子作用产生荧光现象，通过光电探测装置探测荧光从而确定光束与原子的相互作用；以光束传播的方向（由入射面到出射面）为基准，光电探测装置与光束传播方向平行放置，对应到图1中，光电探测装置60放置在漂移腔上侧未镀层的第三区域50d1，该区域不设置碳纳米管镀层也正是因为要给光电探测装置60留出空间用来探测荧光现象。 [0054] 第二端壁50b为原子束流的接受板，长时间接收垂直而来的原子束流，此处蒸镀较厚层的碳纳米管目的是吸附杂散光的同时起到缓冲原子冲击的影响。 [0055] 另外，出于对成本和吸附效率的考虑，本发明实施例中第四侧壁50d2不蒸镀碳纳米管，当然根据不同的探测需求，第四侧壁50d2也可以蒸镀碳纳米管达到更好或者相似的效果。 [0056] 参照图2、图3和图7，原子气室50还包括与第一端壁50a相对的第二端壁50b，第二端壁50b的内表面设有第三吸附图案55，第三吸附图案55位于原子气室50的空腔的最远端作为原子气室50中原子束流的接收板，绝大多数原子会在第二端壁50b处沉积，因此，第三吸附图案55的膜层厚度大于第一吸附图案的膜层厚度以及第二吸附图案的膜层厚度，起到很好的缓冲效果。 [0057] 本实施例中，吸附单元中的第一、第二、第三吸附图案均为碳纳米管膜层，其中，碳纳米管膜层通过蒸镀工艺的蒸镀至原子气室50的多个侧壁的内表面上。 [0058] 采用蒸镀工艺制成的碳纳米管膜层可以是采用不同种的蒸镀方式，可根据不同的应用场景选择。其中，碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，单壁碳纳米管较为常见的直径和长度为0.75‑3nm和1‑50μm。多壁碳纳米管含有多层石墨烯片，其层数从2‑50不等，层间距为0.35nm左右，多壁碳纳米管较为常见的直径和长度分别为2‑30nm和0.1‑50μm，因此蒸镀碳纳米管在原子气室50的内表面可极大地提高原子气室50的空腔利用率。同时碳纳米管拥有较大的比表面积，对原子气室50的空腔内的背景气体的吸附效果，相较于石墨棒效果更为显著，当背景气体被充分吸收，原子与背景气体分子的碰撞概率也随即减小，探测单元从原子气室50的第二通光区54的出光区54b处探测的信号的噪声将会得到明显改善。另外，由于多壁碳纳米管有着类似“黑体”的吸收光特性，在原子气室50的侧壁蒸镀碳纳米管可以很好的吸收光，改变光强从而提高原子的荧光效应。 [0059] 进一步，原子气室50的多个侧壁上吸附图案采用蒸镀工艺，蒸镀工艺可以兼容MEMS芯片级器件制造的半导体工艺，因此，本发明提供的探测系统可以兼容MEMS芯片级器件制造的半导体工艺，获得芯片级原子钟装置。即，本发明还提供一种原子钟装置，原子钟装置包括如上所述的探测系统100。 [0060] 与现有技术相比，本发明提供的探测系统及原子钟装置，设置在原子气室的吸附图案根据需要在光束和原子作用的不同区域差异化设置，可以实现如下技术效果；1. 通过蒸镀工艺使得气室的内表面形成吸附单元，原子气室的空间利用率提高 约50%，且重量减轻40%；原子气室腔体利用率的提升，进而在某些应用场景能够在保持气室腔体体积不变的情况下增大光与原子的作用距离，提高测量精度； 2. 吸附单元可以辅助保持原子气室内部真空度，预计可达1×10¯³Pa或者更高 真空水平； 3. 原子气室中对背景气体的吸收有效改善，减小了原子与背景气体分子碰撞的 概率；分区域设置的吸附图案，对吸收杂散荧光或者散射的激光光子效果更好，提升信号信噪比，使原子的荧光现象更加容易被探测； 4、吸附单元优选通过蒸镀工艺制作因此得以与MEMS芯片级器件制造的半导体工 艺相互兼容。 [0061] 本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。此外，上面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。 |
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