CN108362648A - 基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室 - Google Patents

基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，两个玻璃光学窗片之间分别焊接两端的硅片，中间焊接硅片，形成双腔结构的原子气室，中间的硅片与上部的玻璃光学窗片之间具有微型通道，左腔室底部的加热基底上放有碱金属单质或混合物，右腔室内上下分别设有反射镜，探测光在右气室内部进行多次反射，增长探测光与碱金属原子之间的作用距离，在塞曼效应机理的作用下探测光经过碱金属原子气室之后偏振面的偏转角将得到多倍的增大。本发明具有结构紧凑、碱金属原子纯度高、光与原子作用距离长、可实现微型化、便于构建、检测灵敏度高、检测信息量大、空间分辨率高、灵活性好、体积小、可实现小型化集成化、功能易于扩充、应用范围广等特点。

Description

基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室
技术领域
本发明涉及一种基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，主要用于磁物探、磁导航、原子钟、无损检测、防伪技术、加密解密、刑侦、脑科学、心肺科学、生物磁学、生命医疗、生物技术、健康检测、疾病诊疗、人机交互、智能控制、行为组织、心理学、智慧感知等领域中的磁传感器。
背景技术
磁传感器指的是各种用于测量磁场的传感器，也可以称为磁力仪、高斯计，在国际单位制中描述磁场的物理量是磁感应强度，单位是特斯拉。在早期，电磁领域高斯单位盛行，因此磁强计也称为高斯计。磁感应强度是矢量，具有大小和方向特征，只测量磁感应强度大小的磁强计称为标量磁强计，而能够测量特定方向磁场大小的磁强计称为矢量磁强计，常见的磁力传感器有磁通门磁强计、磁阻磁强计、质子旋进磁强计、碱金属光泵磁强计等。磁力传感器在磁物探、磁导航、无损检测、防伪技术、加密解密、刑侦、脑科学、心肺科学、生物磁学、生命医疗、生物技术、健康检测、疾病诊疗、人机交互、智能控制、行为组织、心理学、智慧感知等领域应用广泛，随着改革领域的发展，对磁力传感器应能要求也急剧提高，目前在灵敏度上表现最好的磁力传感器为光学原子磁力传感器，在应用上对灵敏度要求很高的有磁物探、磁导航、脑科学等领域，所以原子磁力传感器构建至关重要，而原子磁力传感器中的碱金属原子气室是最为关键的部件，对磁力探测的灵敏度起决定作用，所以碱金属原子气室的设计显得尤为重要。
在先技术中，存在不同形状、尺寸和结构的碱金属原子气室，比如球形，立方体形，不规则多边形的单个腔体原子气室，并在气室内壁镀有抗原子弛豫的特殊膜层，同时在气室中充入缓冲气体，一般是惰性气体，氦气，氮气。目前还没有商业化的碱金属原子气室，因为对于气室结构的设计、气室的制备工艺、以及充入的原子气体成分等都仍处于不断地研究状态。所以，一个良好的实用的碱金属原子气室的设计需求显得更为迫切。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，该双腔结构碱金属原子气室具有结构紧凑、碱金属原子纯度高、光与原子作用距离长、便于构建、灵敏度高、检测信息量大、空间分辨率高、灵活性好、体积小、可实现小型化集成化、功能易于扩充、应用范围广等特点；本发明可以多次反射增长探测光在原子气室中的光程，并利用双腔结构过滤碱金属原子杂质，能够很大程度地提高探测光偏振面的偏转角度，从而降低检测难度、提高检测灵敏度及分辨率。
本发明的技术方案是：一种基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，包括硅片、玻璃光学窗片、反射镜、加热基底，两个玻璃光学窗片上下平行布置，两个玻璃光学窗片的对应面上均设有玻璃焊接层，两个玻璃光学窗片之间分别通过焊接两端的硅片而固定在一起，中间焊接硅片，形成双腔结构的原子气室，且中间的硅片与上部的玻璃光学窗片之间具有微型通道，原子气室的左腔室底部设有加热基底，加热基底上放有碱金属单质或混合物，原子气室的右腔室内上下部分别设有反射镜，线偏振探测光从原子气室的右腔室上部射入，圆偏振泵浦光从原子气室的右腔室外侧射入；所述碱金属单质或混合物在加热基底上进行持续加热蒸发出含有部分杂质的碱金属原子，碱金属原子经过微型通道过滤后得到高纯度的碱金属原子，在圆偏振泵浦光的不断抽运下高纯度的碱金属原子产生极化，极化后的原子在外部磁场的作用下产生磁矩，磁矩会使原子的角动量与线偏振探测光的光子相互作用使线偏振探测光的偏振面发生偏转，该偏转角度与外部磁场、探测光在碱金属原子气室中的光程成比例；两个反射镜使得线偏振探测光沿探测光多次反射路径产生多次反射后得到多次反射后的线偏振探测光，线偏振探测光的偏振面偏转角得到多倍增大的效果。
两个所述的玻璃光学窗片为熔融石英玻璃JGS2。
所述的碱金属原子为钾、铷、铯中的一种或该三种碱金属原子的任一组合。
所述的线偏振探测光和圆偏振泵浦光为与碱金属原子塞曼***谱线对应波长的激光，钾原子对应激光波长为770.1nm、铷原子对应激光波长为794.8nm、铯原子对应激光波长为894.5nm。
所述的微信通道为20nm左右宽度的微小通道，用于过滤碱金属原子蒸汽中的杂质。
两个所述反射镜与玻璃焊接层之间采用激光透射焊接严密粘合。
两个所述反射镜为具有相同的曲率和尺寸，以及满足线偏振探测光多次反射要求的反射镜，两个反射镜上镀有反射率大于99%以上的反射膜，两个反射镜为球面、非球面、自由曲面和柱面反射镜中的一种。
两个所述反射镜的反射面镀的反射膜为近红外介质膜；镀膜后，两个所述反射镜均形成通孔，其中，线偏振探测光通过一个反射镜上的通孔进入充满高纯度碱金属原子的右原子气室，经多次反射后经另一个反射镜上的通孔出射，得到在原子气室中多次反射后的线偏振探测光使偏振面偏转角得到增大。
所述的探测光多次反射路径为线偏振探测光在碱金属原子气室中的两个反射镜之间多次反射时的光程路径，两个反射镜唯一确定多次反射的光程路径，从而保证两个反射镜上的通孔的位置和大小，即线偏振探测光的入射和出射的方向、位置以及尺寸。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）在先技术所基于的结构是单腔、内壁镀抗弛豫膜，所提取碱金属原子蒸汽纯度不高，对灵敏度的检测造成较大干扰。本发明基于双腔结构，利用微型通道过滤碱金属原子蒸汽里的杂质，能有效提高碱金属原子的纯度，减小检测时的干扰。基于阳极键合、激光透射式焊接技术等制备工艺，增强原子气室的抗压强度，机械强度等。
2）在先技术碱金属原子气室内部无多次反射的结构，探测光与碱金属原子作用距离短，偏振面的偏转角较小，检测难度大。本发明在原子气室内部粘合经过严格设计的两片反射镜，并在反射镜上镀近红外介质膜，反射率高，探测光能量损失小，经过多次反射增长了碱金属原子与线偏振探测光的作用距离，增大其偏振面的偏转角。具有检测偏转角度大、空间分辨率高、灵活性好、体积小、可实现小型化、功能易于扩充、应用范围广等特点。
附图说明
图1为本发明的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室的结构示意图；
图2为本发明的腔内的两片反射镜的反射面镀膜示意图；
其中：（a）为第一反射镜，（b）为第二反射镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、图2所示，本发明的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，包括第一硅片1、第一玻璃光学窗片2、蒸发提取的碱金属原子3、微型通道4、线偏振探测光5、第一玻璃焊接层6、第一反射镜7、探测光多次反射路径8、第二硅片9、圆偏振泵浦光10、高纯度的碱金属原子11、第二玻璃光学窗片12、第二反射镜13、原子气室中多次反射后的探测光14、第二玻璃焊接层15、第三硅片16、加热基底17。
第一玻璃光学窗片2内侧设有第一玻璃焊接层6，第二玻璃光学窗片12内侧设有第二玻璃焊接层15，所述第一玻璃光学窗片2和第二玻璃光学窗片12上下平行布置，第一玻璃光学窗片2和第二玻璃光学窗片12之间分别通过两端的第一硅片1和第二硅片9焊接固定，中间焊接第三硅片16，形成双腔结构的原子气室，且第三硅片16与第一玻璃光学窗片2之间具有微型通道4，原子气室的左腔室底部设有加热基底17，该加热基底17上放置有碱金属单质或混合物，原子气室的右腔室内上下部分别设有第一反射镜7和第二反射镜13，线偏振探测光5从原子气室的右腔室上部射入，圆偏振泵浦光10从原子气室的右腔室外侧射入。
碱金属钾、铷、铯的固体单质或混合物在加热基底17上进行100℃-300℃的高温持续加热蒸发出含有部分杂质的碱金属原子3，碱金属原子3经过20nm左右宽的微型通道4过滤后得到高纯度的碱金属原子11，在功率为0mw-100mw范围内可调的特定波长（770.1nm，794.8nm，894.5nm）的圆偏振泵浦光10的不断抽运下碱金属原子产生极化，极化后的原子在外部磁场的作用下产生磁矩，磁矩会使原子的角动量与功率为0mw-100mw范围内可调的特定波长（770.1nm，794.8nm，894.5nm）的线偏振探测光5的光子相互作用使线偏振探测光的偏振面发生偏转，该偏转角度与外部磁场、探测光在碱金属原子气室中的光程等成比例；线偏振探测光5经过两片设计好的具有高反射率的第一反射镜7和第二反射镜13使得线偏振探测光5沿探测光多次反射路径8产生多次反射后得到多次反射后的线偏振探测光14，线偏振探测光14的偏振面的偏转角得到多倍增大的效果，从而实现磁力传感器检测灵敏度的大幅提高。
第一硅片1、第二硅片9和第三硅片16的机械电气性能优良，硅材料的强度、硬度和杨氏模量与铁相当，密度类似铝，热传导率接近铝和钨。
第一玻璃光学窗片2、第二玻璃光学窗片12为耐高温、热膨胀系数小，光学透过率高的熔融石英玻璃JGS2。
蒸发提取的碱金属原子3和高纯度的碱金属原子11为钾、铷、铯中的一种或该三种碱金属原子的任一组合，其成分比例可根据不同的要求进行分配。
微信通道4为20nm左右宽度的微小通道，过滤碱金属原子蒸汽中的杂质。
线偏振探测光5和圆偏振泵浦光10为与碱金属原子塞曼***谱线对应波长的激光，钾原子对应激光波长为770.1nm、铷原子对应激光波长为794.8nm、铯原子对应激光波长为894.5nm，功率均为0mw-100mw范围内可调。
第一玻璃焊接层6和第二玻璃焊接层15利用激光透射焊接的一种薄透明材料层，光学透过率高，使第一反射镜7、第二反射镜13与第一硅片1、第二硅片9严密粘合。激光透射焊接是一种非接触式焊接方式，具有免于填料，热变形小，外形美观，精细度高，速度快等优点。
第一反射镜7和第二反射镜13为相同的反射镜，是经过合理设计、镀有反射率高达99%以上的反射膜、曲率和尺寸满足线偏振探测光5多次反射要求的特殊反射镜，可以是球面、非球面、自由曲面和柱面反射镜中的一种。
第一反射镜7和第二反射镜13的反射面镀的高反射率膜为第一近红外介质膜202和第二近红外介质膜204，镀膜时，使用一块圆片遮挡形成具有第一反射镜上的通孔201，见图2（a）和第二个反射镜上的203的通孔203，见图2（b），其中，第一反射镜上的通孔201的作用是保证线偏振探测光5能进入充满高纯度碱金属原子11的蒸汽室经多次反射后经第二个反射镜上的通孔203出射，得到在原子气室中多次反射后的线偏振探测光14使偏振面偏转角得到增大。经过设计的两个反射镜可以唯一确定多次反射的光程路径，从而保证第一个反射镜上的通孔201和第二个反射镜上的通孔203的位置和大小，也即是线偏振探测光5的入射和出射的方向、位置以及尺寸。探测光多次反射路径8为线偏振探测光5在碱金属原子气室中的两个反射镜之间多次反射时的光程路径，两个反射镜唯一确定多次反射的光程路径，从而保证两个反射镜上的通孔的位置和大小，即线偏振探测光5的入射和出射的方向、位置以及尺寸。
本发明基于双腔结构，利用微型通道过滤碱金属原子蒸汽里的杂质，能有效提高碱金属原子的纯度，减小检测时的干扰。基于阳极键合、激光透射式焊接技术等制备工艺，增强原子气室的抗压强度，机械强度等。
本发明在原子气室内部粘合经过严格设计的两片反射镜，并在反射镜上镀近红外介质膜，反射率高，探测光能量损失小，经过多次反射增长了碱金属原子与线偏振探测光的作用距离，增大其偏振面的偏转角。具有检测偏转角度大、空间分辨率高、灵活性好、体积小、可实现小型化、功能易于扩充、应用范围广等特点。

Claims (9)

1.一种基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，包括硅片、玻璃光学窗片、反射镜、加热基底（17），其特征在于：两个玻璃光学窗片上下平行布置，两个玻璃光学窗片的对应面上均设有玻璃焊接层，两个玻璃光学窗片之间分别通过焊接两端的硅片而固定在一起，中间焊接硅片，形成双腔结构的原子气室，且中间的硅片与上部的玻璃光学窗片之间具有微型通道（4），原子气室的左腔室底部设有加热基底（17），加热基底（17）上放有碱金属单质或混合物，原子气室的右腔室内上下部分别设有反射镜，线偏振探测光（5）从原子气室的右腔室上部射入，圆偏振泵浦光（10）从原子气室的右腔室外侧射入；所述碱金属单质或混合物在加热基底（17）上进行持续加热蒸发出含有部分杂质的碱金属原子（3），碱金属原子（3）经过微型通道（4）过滤后得到高纯度的碱金属原子（11），在圆偏振泵浦光（10）的不断抽运下高纯度的碱金属原子（11）产生极化，极化后的原子在外部磁场的作用下产生磁矩，磁矩会使原子的角动量与线偏振探测光（5）的光子相互作用使线偏振探测光的偏振面发生偏转，该偏转角度与外部磁场、探测光在碱金属原子气室中的光程成比例；两个反射镜使得线偏振探测光（5）沿探测光多次反射路径（8）产生多次反射后得到多次反射后的线偏振探测光（14），线偏振探测光（14）的偏振面偏转角得到多倍增大的效果。
2.根据权利要求1所述的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，其特征在于：两个所述的玻璃光学窗片为熔融石英玻璃JGS2。
3.根据权利要求1所述的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，其特征在于：所述的碱金属原子为钾、铷、铯中的一种或该三种碱金属原子的任一组合。
4.根据权利要求3所述的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，其特征在于：所述的线偏振探测光（5）和圆偏振泵浦光（10）为与碱金属原子塞曼***谱线对应波长的激光，钾原子对应激光波长为770.1nm、铷原子对应激光波长为794.8nm、铯原子对应激光波长为894.5nm。
5.根据权利要求1所述的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，其特征在于：所述的微信通道（4）为20nm左右宽度的微小通道，用于过滤碱金属原子蒸汽中的杂质。
6.根据权利要求1所述的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，其特征在于：两个所述反射镜与玻璃焊接层之间采用激光透射焊接严密粘合。
7.根据权利要求1所述的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，其特征在于：两个所述反射镜为具有相同的曲率和尺寸，以及满足线偏振探测光（5）多次反射要求的反射镜，两个反射镜上镀有反射率大于99%以上的反射膜，两个反射镜为球面、非球面、自由曲面和柱面反射镜中的一种。
8.根据权利要求7所述的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，其特征在于：两个所述反射镜的反射面镀的反射膜为近红外介质膜；镀膜后，两个所述反射镜均形成通孔，其中，线偏振探测光（5）通过一个反射镜上的通孔进入充满高纯度碱金属原子（11）的右原子气室，经多次反射后经另一个反射镜上的通孔出射，得到在原子气室中多次反射后的线偏振探测光（14）使偏振面偏转角得到增大。
9.根据权利要求1所述的基于腔增强技术的双腔结构碱金属原子气室，其特征在于：所述的探测光多次反射路径（8）为线偏振探测光（5）在碱金属原子气室中的两个反射镜之间多次反射时的光程路径，两个反射镜唯一确定多次反射的光程路径，从而保证两个反射镜上的通孔的位置和大小，即线偏振探测光（5）的入射和出射的方向、位置以及尺寸。
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