微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微结构碱金属气室的检测技术。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术发展，目前出现了微结构碱金属气室的制作工艺，微结构碱金属气 室是芯片原子钟、微结构原子磁力仪、微型原子陀螺等新原理量子传感器件的核心部件，其 性能的状态直接影响对应产品的性能指标，尤其将来在磁成像阵列系统中，微结构碱金属 气室中单个气室将作为磁阵列成像敏感单元起到关键性作用。但由于碱金属元素比较活 泼，常温条件下极易与空气中的氧气和水等产生化学反应而失去作用，且易汽化，从而导致 微结构碱金属气室在制作过程中，各气室碱金属蒸汽原子密度有一定差异，且会出现一定 温度下，碱金属蒸汽原子密度未达到饱和蒸汽压的情况，为了保证微结构气室中各个气室 单元在使用中的一致性，以便后续各个单元处理，防止成像单元出现盲点等问题，因此在微 结构碱金属气室制作后，需要对微结构碱金属气室进行检测筛选。随着微结构碱金属气室 的高集成化发展，现有单个气室排查的检测方式只能逐个对气室进行检查，导致光路调制 耗时且检测成本高，不能保证各气室单元检测的一致性，导致测量结果不准确，因此不利于 微结构碱金属气室的检测。
【发明内容】
[0003] 本发明是为了解决现有碱金属气室检测装置只能逐个对气室进行检查，导致光路 调制耗时且检测成本高，而且由于不能保证各气室单元检测的一致性，导致测量结果不准 确，从而提供微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置和采用该装置检测微结构 碱金属气室碱金属蒸汽原子密度方法。
[0004] 微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置，包括激光器、准直系统、衰减 器、扩束镜、采集信号处理电路、标准气室组件、凸透镜和光电管阵列，
[0005] 准直系统将激光器出射的光束准直透射到衰减器，衰减器将光束透射到扩束镜， 扩束镜将光束准直透射到微结构碱金属气室或标准气室组件，微结构碱金属气室或标准气 室组件的气室单元将光束透射到凸透镜，凸透镜将光束聚集到光电管阵列的光电管，每个 光电管的信号输出端连接采集信号处理电路中相应光电管的信号输入端，采集信号处理电 路的控制信号输出端连接激光器的控制信号输入端。
[0006] 激光器为包含碱金属原子吸收谱线的可调制激光器。
[0007] 上述光电管阵列与凸透镜的距离为1，I = f (I-Ii2A1),其中f为凸透镜的焦距，h2为光电管阵列中光电管单元的边长，Ii1为碱金属气室单元的边长。
[0008] 上述光电管阵列为与微结构碱金属气室相匹配的光电管阵列。
[0009] 采用上述微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置检测微结构碱金属 气室碱金属蒸汽原子密度的方法，该方法包括以下步骤：
[0010] 步骤一、在激光器的调制信号输入端输入扫描波形；
[0011] 步骤二、调节衰减器，使输入到标准气室组件(6)的每个气室单元的光功率为 1 μ ff-50 μ ff ；
[0012] 步骤三、将标准气室组件放置于扩束镜和凸透镜之间的平行光区域；
[0013] 步骤四、采集信号处理电路对标准气室组件测试后，用微结构碱金属气室替换标 准气室组件，得出各碱金属气室单元的碱金属蒸汽原子密度。
[0014] 上述步骤一中输入三角波叠加正弦波的扫描波形。
[0015] 上述步骤一中输入三角波的频率为Hz数量级，叠加的正弦波为KHz数量级。
[0016] 上述输入到标准气室组件（6)的每个气室单元的光功率为4 μ W。
[0017] 本发明所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置，激光器为包含 碱金属原子吸收谱线的可调制激光器，由于气室单元光程较短，其吸收较弱，为提高信噪 比，要对激光器输出到气室的光功率进行调整，因此在激光器后端设置光衰减器，以控制光 功率，提高信噪比。准直系统与扩束镜实现了将平行光束的光斑照射到微结构碱金属气室 或标准气室组件。由于微结构碱金属气室与光电管阵列具有相似性，因此经各碱金属气室 出射的光束通过凸透镜聚焦后分别透射到相应的光电管，采集信号处理电路将检测信号与 标准气室的检测信号进行对比和分析，实现微结构各气室单元的碱金属蒸汽原子密度的检 测，相对于现有逐个气室的检测方法，本发明不必每检测一个气室就重新调制光路，检测过 程中调制光路省时且检测成本低。逐个气室的检测方式，由于检测每个气室时的外界条件 不能保证相同，因而无法保证各气室单元检测的一致性，而本发明是对各气室单元在相同 的环境下同时检测，可以保证各气室单元检测的一致性，提高了测量结果的准确性。
[0018] 本发明所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测方法，为了解决中心 波长难以严格稳定对准气体吸收峰的问题，在激光器的调制信号输入端输入三角波形，从 而保证即使激光器的中心波长受温度、电流波动影响产生漂移，也可以保证在波长变化范 围内扫描到吸收峰，输入的正弦波形调制激光器的输出频率和输出光强，使激光器产生谐 波信号，通过谐波的检测方式计算出碱金属蒸汽原子密度。采集信号处理电路对标准气室 和各气室单元的碱金属蒸汽原子密度信号采集与计算分析，得出阵列中各气室单元的碱金 属蒸汽原子密度。相对于现有逐个气室的检测方法，本发明不必每检测一个气室就重新调 制光路，检测过程中调制光路省时、检测成本低；逐个气室的检测方式，由于检测每个气室 时的外界条件不能保证相同，因而无法保证各气室单元检测的一致性，而本发明是对各气 室单元在相同的环境下同时检测，可以保证各气室单元检测的一致性，提高了测量结果的 准确性。
[0019] 本发明适用于芯片原子钟、微结构原子磁力仪、微型原子陀螺等微结构设备的检 测，特别适用于将圆片级微结构碱金属气室作为磁阵列成像敏感单元的成像系统的检测。
【附图说明】
[0020] 图1是【具体实施方式】一所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装 置的结构示意图。
[0021] 图2是【具体实施方式】八所述的20kHz正弦波形图。
[0022] 图3是【具体实施方式】八所述的IOOHz的三角波形图。
[0023] 图4是【具体实施方式】八所述的IOOHz的三角波叠加20kHz正弦波后的波形图。
[0024] 图5是【具体实施方式】八所述的多普勒展宽的铷原子吸收谱。
[0025] 图6是【具体实施方式】三中的微结构碱金属气室的结构示意图。
[0026] 图7是【具体实施方式】三中的光电二极管阵列的结构示意图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0027] 一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的微结构碱金 属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置，包括激光器1、准直系统2、衰减器3、扩束镜4、采 集信号处理电路5、标准气室组件6、凸透镜7和光电管阵列8，
[0028] 准直系统2将激光器1出射的光束准直透射到衰减器3,衰减器3将光束透射到扩 束镜4,扩束镜4将光束准直透射到微结构碱金属气室或标准气室组件6,微结构碱金属气 室或标准气室组件6的气室单元将光束透射到凸透镜7,凸透镜7将光束聚集到光电管阵 列8的光电管，每个光电管的信号输出端连接采集信号处理电路5中相应光电管的信号输 入端，采集信号处理电路5的控制信号输出端连接激光器1的控制信号输入端。
[0029] 米集信号处理电路5的每个信号输入端与每个光电管的信号输出端 对应。
【具体实施方式】 [0030] 二：本实施方式是对一所述的微结构碱金属气室碱金 属蒸汽原子密度的检测装置作进一步说明，本实施方式中，光电管阵列8与凸透镜7的距离 为1，I = f (I-IVh1),其中f为凸透镜7的焦距，h2为光电管阵列8中光电管单元的边长， Ii1为碱金属气室单元的边长。
【具体实施方式】 [0031] 三：参照图6和图7具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施 方式一所述的微结构碱金属气室碱金属蒸汽原子密度的检测装置作进一步说明，本实施方 式中，光电管阵列8为与微结构碱金属气室相匹