CN101510779B - 一种芯片式铷滤光泡 - Google Patents

Abstract

一种芯片式铷滤光泡，涉及一种滤光装置，尤其是涉及一种主要适用于常规、微小型化与芯片式以及应用激光作为光源的各种铷原子钟的滤除特定谱线的芯片式铷滤光泡。提供一种不仅体积较小、功耗较低，而且可有效滤除不需要的谱线，减小所需要的谱线的衰减，获得较好滤光效果的芯片式铷滤光泡。设有一硅片，在硅片中央设有一个通孔，在通孔的一边上设有沟道，通孔经沟道与外部连通。在硅片两侧面分别设有玻璃片，硅片与两侧面的玻璃片键合成一块芯片，硅片中央的通孔与硅片两侧面的玻璃片构成的腔体内充入铷-85和惰性气体。

Description

一种芯片式铷滤光泡

技术领域

本发明涉及一种滤光装置，尤其是涉及一种主要适用于常规、微小型化与芯片式以及应用激光作为光源的各种铷原子钟的滤除特定谱线的芯片式铷滤光泡。

背景技术

随着现代科技的发展，许多领域如卫星通信技术、全球卫星定位系统(GPS)、雷达系统、交通控制系统以及电力调度等都需要更加稳定而精确的时间频率信号，传统的机械定时和晶振定时已经不能满足需要。原子频标具有极高的稳定度和准确度，所以得到了越来越广泛的运用。其中铷原子频标体积小，重量轻，性能较好，并且成本较低，是所有原子频标中应用最广泛的一种。

铷原子频标由物理部分和电路伺服部分构成。物理部分对铷原子频标的短期及长期稳定性起到决定性的作用，物理部分由产生抽运光的铷灯(或称铷光谱灯)和腔泡系统组成。腔泡系统包括微波谐振腔、铷吸收泡、铷滤光泡和光电探测器等。铷灯发出的光谱经过滤光泡后，滤除了不需要的光谱得到抽运光，吸收泡内的铷原子被抽运光照射后，使得铷原子基态两个超精细能级之间粒子数发生反转，即上能级的粒子数高于下能级。当加在吸收泡上的微波频率与两能级频率间隔相吻合时，铷原子将从上能级跃迁至下能级，即发生微波跃迁。当微波跃迁发生时，光电池探测到光强信号将发生变化，称为光检信号。铷原子频标正是利用这一光检信号作为误差信号，来控制晶体振荡器的输出频率，并将通过频率变换后得到的微波频率锁定在铷原子基态超精细能级的跃迁谱线上，最终在晶体振荡器得到稳定的标准频率输出。其中，抽运光质量即抽运光的谱线宽度及对称性对原子钟的长期稳定性影响很大。为了得到高质量的抽运光，滤光泡性能就显得至关重要。由此可见，滤光泡的滤光效果对原子钟的性能有很大的影响。

目前，铷原子钟里现有的常规滤光泡的构造是一个圆柱形或球形的玻璃泡，直径在1～2cm，厚度在0.3～2cm，里面充入铷(通常是铷-85)或铷蒸汽(通常是铷-85蒸汽)与缓冲气体(通常是惰性气体)。这种滤光泡体积较大，由于滤光泡要工作在50～130℃下，较大的体积会造成较多的热能损耗，因此功耗过高；同时，由于厚度较大，在不需要的谱线被滤除的同时，所需要的谱线经过常规滤光泡后，衰减比较大。

公开号为CN101237077的中国发明专利申请公开一种小型化铷原子频标的腔泡系统，其微波腔筒由高磁导率材料制作，微波腔筒套装有加热筒，在加热筒的抽运光入射端口还装有把铷光谱灯所发的光线汇聚后透射到微波腔内的凸透镜，C场线圈直接绕制在置于微波腔筒和吸收泡之间的介质筒上，且滤光泡的尾部尖头集中于泡端圆形平面的中心，吸收泡尾部尖头集中于泡端圆形平面的边缘，光电池和阶跃二极管固联在可移动固定的腔端盖内壁端面上。该发明腔内无机械调节杆，以腔内倍频方式，采用圆柱形TE111模式、填充介质方法摒弃了现有技术磁屏筒的复杂结构，减小了腔泡系统体积。在加热筒抽运光入射端口加装凸透镜增大抽运光光强，确保了腔泡系统性能。腔频微调采用移动光电组件，调试方便且不会引起场形畸变。

周忠石等(周忠石，王亮，郭鹏翔，铷原子频率标准的小型化研究，宇航计测技术，2002，22(1)：1-6)报道了有关铷原子频率标准的小型化研究。

冯浩等(冯浩，崔敬忠，翟浩，张俊，滤光对被动式铷钟稳定性影响的研究，真空与低温，2007，13(3)：151-154)报道了有关滤光对被动式铷钟稳定性影响。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的滤光泡所存在的体积大、功耗高、滤光效果不理想等缺点，提供一种不仅体积较小、功耗较低，而且可有效滤除不需要的谱线，减小所需要的谱线的衰减，获得较好滤光效果的芯片式铷滤光泡。

本发明设有一硅片，在硅片中央设有一个通孔，在通孔的一边上设有沟道，通孔经沟道与外部连通。在硅片两侧面分别设有玻璃片，硅片与两侧面的玻璃片键合成一块芯片，硅片中央的通孔与硅片两侧面的玻璃片构成的腔体内充入铷-85惰性气体。

所述硅片两侧面的玻璃片的外形和尺寸最好均与硅片相同，所述硅片可为方形硅片或圆形硅片等，硅片的厚度可为0.1～2mm，方形硅片的边长可为3～30mm，圆形硅片的直径可为3～30mm，硅片两侧面的玻璃片可为方形玻璃片或圆形玻璃片，方形玻璃片的边长可为3～30mm，圆形玻璃片的直径可为3～30mm，所述通孔可为方形通孔或圆形通孔等，方形通孔的边长可为2～15mm，圆形通孔的直径可为2～15mm。玻璃片的厚度最好与硅片厚度相同。

所述沟道的横截面可以是三角形、方形、梯形或圆形等，三角形、方形、梯形的每边边长可为0.1～2mm，圆形的直径可为0.1～2mm。

充入的铷-85的量最好为0.1～10mg，充入的惰性气体的气压最好为10～200Tor。

制备时，在硅片上利用光刻、腐蚀等技术刻蚀出一个通孔以及在通孔的一条边上刻蚀出一条微沟道，用于充入铷-85与缓冲气体(通常是惰性气体)，并将硅片切成所需形状，形成一个中央带有通孔的硅片，然后切出与硅片外形相同的两片玻璃片，而后利用键合技术将硅片及两片玻璃片按照玻璃片-硅片-玻璃片的顺序键合成一块芯片。这样，两片玻璃片与硅片中央的通孔就构成一个微腔即泡的结构，然后利用先前刻蚀加工出来的微沟道，往微腔中先充入铷-85，再充入惰性气体，用胶密封微沟道，即得一个芯片式铷滤光泡。

与现有的滤光泡相比，由于本发明采用了微机电系统即MEMS技术，因此可以将滤光泡做的很小，其厚度可为0.6～6mm，可以在有效滤除不需要的谱线的同时，使所需要的谱线经过滤光泡后的衰减大为减小，并且整个滤光泡的体积与功耗都大为降低。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图。

图2为本发明实施例的分解结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

参见图1和2，制备时，采用微机电系统(MEMS技术)在硅片2上利用光刻、腐蚀等技术刻蚀出一个正方形通孔5以及在正方形通孔5的一条边上刻蚀出一条横截面为三角形的微沟道4，用于充入铷-85与氖气，并将硅片2切成正方形，形成一个中央带有正方形通孔5的方形硅片，然后切出与正方形硅片2外形相同的两片正方形玻璃片1和3，而后利用键合技术将硅片2及两片玻璃片1和3按照玻璃片1-硅片2-玻璃片3的顺序键合成一块芯片。这样，两片玻璃片1和3与硅片2中央的通孔5就构成一个微腔即泡的结构，然后利用先前刻蚀加工出来的微沟道4，往微腔中充入铷-85与氖气，充入的铷-85的量为1mg，充入的氖气的气压为200Tor，再用胶密封微沟道4，即得一个芯片式铷吸收泡。

正方形硅片2的厚度为0.5mm，正方形硅片的边长为3～10mm，正方形玻璃片1和3的边长为3～10mm，正方形通孔的边长为2mm，玻璃片的厚度与硅片厚度相同。

微沟道4的横截面为三角形，三角形的每边边长为0.1～2mm。

实施例2

与实施例1类似，其区别在于通孔为长方形通孔，在长方形通孔的一条边上刻蚀出一条横截面为方形的微沟道，硅片切成长方形，形成一个中央带有长方形通孔的长方形硅片，然后切出与长方形硅片外形相同的两片长方形玻璃片，往微腔中充入铷-85蒸汽与氩气，充入的铷-85蒸汽的量为5mg，充入的氩气的气压为60Tor。

长方形硅片的厚度为2mm，长方形硅片的长为8～10mm，宽为3～5mm；长方形玻璃片的长为8～10mm，宽为3～5mm；长方形通孔的长为3mm，宽为2mm；玻璃片的厚度与硅片厚度相同。

微沟道的横截面为长方形，长方形的长为1mm，宽为0.3mm。

实施例3

与实施例1类似，其区别在于通孔为圆形通孔，在圆形通孔的边上刻蚀出一条横截面为梯形的微沟道，并将硅片切成圆形，形成一个中央带有圆形通孔的圆形硅片，然后切出与圆形硅片外形相同的两片圆形玻璃片，往微腔中充入铷-85和氮气，充入的铷-85的量为5mg，充入的氮气的气压为50Tor。

圆形硅片的厚度为1mm，圆形硅片的直径为10～15mm，圆形玻璃片的直径为10～15mm，圆形通孔的直径为7mm，玻璃片的厚度与硅片厚度相同。

微沟道的横截面为等腰梯形，等腰梯形的上底为1mm，下底为0.8mm，腰为0.6mm。

实施例4

与实施例1类似，其区别在于通孔为圆形通孔，在圆形通孔的一条边上刻蚀出一条横截面为梯形的微沟道，硅片切成圆形，形成一个中央带有圆形通孔的圆形硅片，然后切出与圆形硅片外形相同的两片圆形玻璃片，往微腔中充入铷-85与氦气，充入的铷-85的量为3mg，充入的氦气的气压为10Tor。

圆形硅片的厚度为2mm，圆形硅片的直径为20～30mm，圆形玻璃片的直径为20～30mm，圆形通孔的直径为10～15mm，玻璃片的厚度与硅片厚度相同。

微沟道的横截面为三角形，三角形的边长为1mm。

Claims (7)

1.一种芯片式铷滤光泡，其特征在于设有一硅片，在硅片中央设有一个通孔，在通孔的一边上设有沟道，通孔经沟道与外部连通，在硅片两侧面分别设有玻璃片，硅片与两侧面的玻璃片键合成一块芯片，硅片中央的通孔与硅片两侧面的玻璃片构成的腔体内充入铷-85和惰性气体；充入的铷-85的量为0.1～10mg；充入的惰性气体的气压为10～200Tor。

2.如权利要求1所述的一种芯片式铷滤光泡，其特征在于所述硅片两侧面的玻璃片的外形和尺寸均与硅片相同。

3.如权利要求1所述的一种芯片式铷滤光泡，其特征在于所述硅片为方形硅片或圆形硅片，所述硅片的厚度为0.1～2mm，所述方形硅片的边长为3～30mm，所述圆形硅片的直径为3～30mm。

4.如权利要求1所述的一种芯片式铷滤光泡，其特征在于所述玻璃片为方形玻璃片或圆形玻璃片，方形玻璃片的边长为3～30mm，圆形玻璃片的直径为3～30mm。

5.如权利要求1所述的一种芯片式铷滤光泡，其特征在于所述通孔为方形通孔或圆形通孔，方形通孔的边长为2～15mm，圆形通孔的直径为2～15mm。

6.如权利要求1或2所述的一种芯片式铷滤光泡，其特征在于所述玻璃片的厚度与硅片厚度相同。

7.如权利要求1所述的一种芯片式铷滤光泡，其特征在于所述沟道的横截面为三角形、方形、梯形或圆形，三角形、方形、梯形的每边边长为0.1～2mm，圆形的直径为0.1～2mm。

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