芯片级原子钟的新型原子气室设计及其特性研究

In the micro positioning, navigation, and timing system, the chip scale atomic clock (CSAC) determines the positioning accuracy and timing ability of the whole system as the core of the micro clock module. The microfabricated cell in the physics package of CSAC is the key to the performance of the CSAC. The objective of this project to design a new type of microfabricate cell and manufacture it by improved MEMS technology and anodic bonding. In this new microfabricate cell, the optical path will be extended and a new optical pumping configuration will be realized, which enhances the contrast of the coherent population trapping (CPT) contrast and improves the performance of the CSAC. Meanwhile, the buffer gas and the inner surface coating of the microfabricated cell will be also studied to narrow the linewidth of CPT signal. Besides, the microfabricated cell is also essential part in the other chip scale atomic devices, so the study of the new microfabricated cell will provide it with necessary experience and reference data.

芯片原子钟(Chip Scale atomic clock，CSAC)作为微型时钟模块的核心，在卫星定位、导航、授时系统中，决定着整个系统的定位精度与授时能力，而其物理系统中的微型原子气室又是决定芯片级原子钟性能的关键。本项目旨在设计新型微型原子气室，并通过微机电系统技术和阳极键合技术制作毫米量级的微型原子气室，在不足一毫米深度的作用气室中增加光程延长光与原子作用时间同时实现新型光抽运构型，增强相干布居囚禁（CPT）信号的对比度，提升芯片级原子钟的性能。研究新型原子气室的最佳缓冲气体条件和镀膜材料和工艺，优化原子弛豫从而压窄CPT谐振信号的线宽也是本项目的核心工作之一。此外，其他芯片级原子器件（芯片级原子磁强计、芯片级原子陀螺仪等）都离不开微型原子气室作为核心部件，所以新型高性能原子气室的研制能够为其他芯片级量子传感器件的发展提供经验和数据参考，从而推动芯片级原子器件关键共性技术的发展。

芯片原子钟(Chip Scale atomic clock，CSAC)作为微型时钟模块的核心，在卫星定位、导航、授时系统中，决定着整个系统的定位精度与授时能力，而其物理系统中的微型原子气室又是决定芯片级原子钟性能的关键。与此同时，其他芯片级原子器件（芯片级原子磁强计、芯片级原子陀螺仪等）都离不开微型原子气室作为核心部件，所以研制高性能原子气室能够为其他芯片级量子传感器件的发展提供经验和数据参考，从而推动芯片级原子器件关键共性技术的发展。. 本项目旨在解决芯片级原子钟核心器件的技术瓶颈，开展微型碱金属原子气室关键技术以及气室的机理研究工作。通过解决低扰动微型原子气室制备技术，优化原子弛豫，解决光学物理系统集成等关键问题，为未来实现芯片级计量标准系统集成奠定基础。研制的毫米尺度的 MEMS 碱金属原子气室，采用了硅与玻璃阳极键合形成 Si-O 键的技术路线封装活泼的碱金属蒸汽，摸索了一套微型原子气室加工制备的全工艺流程，涵盖光刻、干湿法刻蚀、特殊气氛下阳极键合以及碱金属原子激活等，主要解决了碱金属填充和封装、玻璃-硅-玻璃三层阳极键合以及缓冲气体充制等关键技术难题，实现了晶圆键合工艺，保证了光学结构的合理性，获得了极低漏率的微型原子气室（漏率优于 5×10-3 Pa·cm3/S）。研究特殊气氛下的阳极键合以及碱金属激活反应机理，同时实现了单个气室阳极键合装备的研制。. 针对 MEMS 气室在芯片级原子钟的应用需求，搭建了针对性的桌面测试系统，实现气室测试所需的温度以及磁场环境，通过构建双光场体系实现了对 MEMS 气室的原子吸收信号以及相干布居囚禁（CPT）信号的探测，气室加热到 90℃，光功率 120μW 的情况下成功探测到了相干布居囚禁谐振信号（CPT 信号），信号对比度达到 1.2%。根据气室结构，结合MEMS气室中多种碰撞机制耦合的理论，开展微型气室中弛豫碰撞模型的研究，对不同缓冲气体压力、光强以及温度展开研究，锁定了芯片级原子气室的最佳工作参数（70 torr 氮气，120 微瓦，90℃）。通过反射型气室延长了光与原子相互作用有效距离，从而提高了CPT信号的对比度，同时构建基于MEMS气室的全光磁力仪系统，为高性能芯片级原子器件的发展提供了有力保障。