探测系统及原子钟装置的制作方法

本发明涉及本发明属于光学精密制造，特别涉及一种探测系统及原子钟装置。

背景技术：

1、原子气室作为核磁共振陀螺、原子钟、磁强计的核心部件，在科研、军事、计量等领域得到了广泛应用。常规的原子气室将碱金属原子封装在光学玻璃在内，并充入特定压力的工作气体。

2、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。

3、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。

4、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。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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；

14、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；

15、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；

16、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；

17、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。

技术特征：

1.一种探测系统，其特征在于，所述探测系统包括：

2.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述第一光束和所述第二光束的频率相同。

3.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，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；

4.根据权利要求3所述的探测系统，其特征在于，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；

5.根据权利要求4所述的探测系统，其特征在于，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。

6.根据权利要求5所述的探测系统，其特征在于，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。

7.根据权利要求6所述的探测系统，其特征在于，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。

8.根据权利要求6所述的探测系统，其特征在于，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；

9.根据权利要求6所述的探测系统，其特征在于，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。

10.根据权利要求3所述的探测系统，其特征在于，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。

11.一种原子钟装置，其特征在于，所述原子钟装置包括如权利要求1-10中任一项所述的探测系统。

技术总结
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。

技术研发人员：吴冲,余兴新,梁宇航,王旭成,屈求智
受保护的技术使用者：凯瑟斯技术（杭州）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31