CN103676620A - 用可消耗支撑结构制造的气密密封的原子传感器封装 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用可消耗支撑结构制造的气密密封的原子传感器封装。具体地，一种形成用于原子传感器的物理封装的方法包括：提供具有三维构造的可消耗支撑结构；提供多个光学面板；以及将所述光学面板组装在所述可消耗支撑结构上，使得相邻面板的边缘彼此对准。将相邻面板的边缘密封到一起以形成具有多面几何构造的物理块。然后，去除所述可消耗支撑结构而留下所述物理块完好无损。

Description

用可消耗支撑结构制造的气密密封的原子传感器封装

关于联邦赞助研发的声明

本发明是在由美国军方资助的合同No. W31P4Q-09-C-0348的政府支持下完成的。政府在本发明中享有一定的权利。

背景技术

诸如原子钟的主时间原器通常是相对大型的台面装置。例如，常规原子钟的物理封装趋向于是大型的并且需要昂贵的支撑系统。因此，一直致力于例如通过减小原子钟及其它传感器（其采用冷原子云作为感测元件）的封装的尺寸来减小主时间原器的尺寸。

将物理封装制造成较小面临独特且复杂的挑战，因为物理封装需要多个窗口、镜子和非磁性材料的气密密封件。在常规的制造物理封装的方法中，将玻璃主体加工成具有多个孔和多个钻孔，多个孔用于在其外部上放置镜子和窗口，多个钻孔充当光路以捕获、冷却和操纵冷原子样本。腔排空结构或泵送端口被附接以提供物理封装的初始排真空。所述加工必须留下足够的内部结构以支持建造该物理封装。

一般而言，原子钟是通过用来自一个或多个激光器的光束探询原子而进行操作的。物理封装限定真空密封室，该真空密封室保持住被探询的原子。物理封装中的原子被捕获在该容积中，使得多个光路从不同的角度与原子相互作用。

对于开发高性能微型原子物理封装而言，开发出允许大光束和多光束构造的附加灵活性的小容积物理封装是重要的。然而，对于原子钟而言，更小的尺寸要求对当前的建造技术提出了挑战。原子钟的减小的尺寸会影响它们的性能，因为镜子和窗口缩小。此外，减小的内部容积会影响原子钟的性能。

发明内容

一种形成用于原子传感器的物理封装的方法包括：提供具有三维构造的可消耗支撑结构；提供多个光学面板；以及将所述光学面板组装在所述可消耗支撑结构上，使得相邻面板的边缘彼此对准。将相邻面板的边缘密封到一起以形成具有多面几何构造的物理块。然后，去除所述可消耗支撑结构而留下所述物理块完好无损。

附图说明

请理解，附图仅仅示出示例性实施例，从而不应被认为对范围产生限制，将通过使用附图来更具体和详细地描述所述示例性实施例，附图中：

图1示出了根据实施例的原子传感器的物理封装的物理块；

图2A是图1的物理块的顶视图；

图2B是图1的物理块的侧视图；

图2C是图1的物理块的相对的侧视图；

图2D是图1的物理块的前视图；

图2E是图1的物理块的后视图；

图2F是图1的物理块的底视图；

图3A-3F示出了根据一种方式的用于组装图1的物理块的可消耗芯部的各种视图；并且

图4A-4D示出了根据另一种方式的组装原子传感器的物理封装的物理块的方法。

具体实施方式

在下面的详细描述中，足够详细地描述了实施例，以使得本领域技术人员能够实施本发明。应当理解的是，可在不偏离本发明的范围的情况下采用其它实施例。因此，下面的详细描述不是限制性的。

提供了一种用于制造气密密封的物理封装的方法，该物理封装用于诸如原子钟的原子传感器。一般而言，在可消耗支撑结构（例如牺牲性内部或外部支撑结构）上组装用于该物理封装的多个面板，然后在气密地密封了组装好的封装后去除该可消耗支撑结构。

在用于构造该物理封装的一种技术中，可消耗中央芯部形成在内腔的三维形状中，该内腔用作物理封装的真空室。将多个面板围绕可消耗中央芯部组装，使得相邻面板的边缘在各接缝处彼此对准，并且然后将相邻面板的边缘在该接缝处密封到一起。然后，用化学药品溶解该可消耗中央芯部，并将其从物理封装去除。

在另一种示例性技术中，使用内部或外部牺牲性骨骼框架来组装物理封装的面板。然后将骨骼框架从组装好的面板去除。例如，该框架可与化学药品接触，该化学药品溶解或熔化该框架以便从物理封装去除，或者可使用离子刻蚀来去除框架。

本方法允许在没有永久内部或外部支撑结构的情况下建造物理封装。这允许面板的基本所有表面区域都被用作物理封装中的窗口或镜子，由此提高了原子传感器的性能。

图1和图2A-2F示出了根据一个实施例的用于原子传感器的物理封装的物理块100，其可根据本发明的技术来构造。物理块100包括多个面板，包括窗口和镜子，其具有各种多边形形状并且被组装成三维结构，该三维结构构造成包封用于物理封装的内部真空室。相邻面板相对于彼此以一角度定向并且形成物理封装的相邻面。面板的放置和定向构造成提供真空室中的期望光路。在一个示例中，面板是大致平坦结构，其具有平的内和外表面。在其它示例中，面板中的一个或多个可具有其它几何形状（例如，凹的或凸的）。

特别的，物理块100包括多个主窗口面板106a、106b、106c和106d，其各自在图1、2B、2C、2D和2F中示出。主窗口面板构造成允许激光在原子传感器操作期间进入真空室。物理块100的窗口面板可由光学透明的材料构成，例如玻璃、光学玻璃（例如BK-7或Zerodur?）或诸如蓝宝石的其它透明材料。

物理块100还包括如图1、2A和2D所示的第一长形镜子面板110a以及如图2E和2F所示的第二长形镜子面板110b。镜子面板110a和110b具有内部反射表面，其构造成在原子传感器操作期间反射和引导真空室内的激光。镜子面板可由非光学透明的材料构成，该非光学透明的材料是光学反射性的或者在其上具有光学反射涂层。替代地，镜子面板可由光学玻璃（例如BK-7或Zerodur?）或诸如蓝宝石的其它透明材料构成，并且在其上具有光学反射涂层。在使用反射涂层的示例中，反射涂层可包括单层或多层金属或电介质堆涂层，或其组合。另外，单独的涂层可被施加到单独的面板。镜子面板的反射表面可以是平坦的或者弯曲的以根据需要略微地聚焦光束。

物理块100还包括如图1、2A、2C和2D所示的第一光电探测器窗口面板114a以及如图1、2A、2B和2D所示的第二光电探测器窗口面板114b。光电探测器窗口面板114a和114b提供真空室中的光和原子传感器的各自光电探测器之间的光学连通。

物理块100还可任选地包括如图1、2A、2B和2E所示的第一填充管面板118a以及如图2A、2C和2E所示的第二填充管面板118b。填充管面板118a、118b包括各自的孔120a和120b，其可用于提供填充管和真空室之间的流体连通。

物理块100可任选地包括如图2A和2E所示的吸气剂杯面板124，该吸气剂杯面板124在其内具有孔126。孔126构造成保持住带有吸气剂材料的杯，以便从内部真空室去除污染物并且限制某些气体的气体分压。

为了组装根据一种方式的物理块100，在物理块100的内部真空室的形状中制造牺牲性的可消耗芯部。

因此，可消耗芯部具有与物理块100所示的构造和表面相同的构造和表面。图3A-3F示出了示例性的可消耗芯部200，其对应于图2A-2F所示的物理块100的相同的视图。可消耗芯部200具有对应于物理块100的内部真空室的形状和尺寸的三维形状。因此，芯部200的每个外表面具有对应于物理块100的面板之一的多边形形状的多边形形状。

可消耗芯部可由各种材料被铸造或机加工成物理块的期望形状，例如沙子、黏土、盐或其组合。用于可消耗芯部的示例性材料包括溶解于诸如水的溶剂的沙子/黏土组合、溶解于水的盐型模、或者能够经受熔结温度但可溶解以便之后去除的其它材料。例如，沙子铸件型模可与其它材料一起被制成为复合材料，以保持所成形的形状，例如与阿拉伯树胶和/或高岭土一起。另外，可消耗芯部可由其它材料形成，例如镓或者诸如碳基气凝胶的气凝胶。

物理块的面板被围绕可消耗芯部组装，从而每个面板在对应多边形形状的芯部的外表面上。面板相遇的区域可以是凹陷的，从而用于将面板密封到一起的密封材料不会粘接到芯部。例如，面板的边缘可被修剪以允许玻璃料流动而不会接触芯部材料。另外，芯部表面可具有凹陷的中央区域，从而面板的窗口和镜子区域不会接触芯部，但仍然在其面板边缘被支撑。

外部固定件可被定位成在组装期间将面板保持成抵靠可消耗芯部，直到面板的边缘被密封到一起。例如，可将单独的栓钉或支架（standoff）插入芯部以便对准面板表面。使用玻璃料、铜焊、溶胶凝胶材料或其它合适的附接机构将各种面板在它们的邻接边缘处密封到一起。当使用玻璃料时，整个组件（包括固定件、熔结到一起的玻璃面板以及芯部）通过熔结火炉，以密封玻璃面板接缝。

在面板的密封完成之后，将化学溶剂施加到芯部，该化学溶剂能够溶解芯部结构而不损伤面板，并且去除所得到的芯部材料浆体。在示例性实施例中，面板之一中的填充管孔可用于添加化学溶液以及去除被溶解的芯部材料。来自固定装置（fixturing）的任何栓钉或支架可通过填充管孔随被溶解的芯部材料一起被去除。为了在建造期间保护镜子和窗口的表面免于损伤，可向镜子和窗口表面施加诸如镀铬层的保护性涂层，并且随后从经密封的物理块去除该保护性涂层。

在用于构造物理封装的另一示例性实施例中，使用内部或外部牺牲性骨骼框架来组装物理封装的物理块的面板，例如用图4A所示的可消耗框架400。框架400具有带有多面几何结构的三维形状，其对应于物理块的内部或外部表面的形状和尺寸。框架400包括在三维结构中在彼此之间延伸的多个互连的支撑构件402。支撑构件402被互连并且尺寸被设置成提供骨骼结构，以便将面板附接到支撑构件402的外表面或内表面上。因此，互连的支撑构件402限定多个开放的框架结构404，其具有对应于物理块的面板的各种多边形形状。

在一个实施例中，框架400是由可消耗材料形成的单体结构。也就是说，所有的支撑构件402均形成在一起，作为单个一体化结构。在另一实施例中，框架400由连接到一起的多个支撑构件402形成。支撑框架400可以由可消耗的牺牲性材料构成，例如沙子、黏土、盐、镓或其组合。用于框架400的其它合适材料包括铝、铜、锰、钼、镍、钒等等。

如图4B所示，提供了诸如光学面板406的多个面板，面板406中的一个或多个具有与支撑构件402所限定的开放框架结构404中的一个或多个相同的多边形形状。光学面板406与对应的框架结构404对准。在一个示例中，光学面板406是大致平坦结构，具有平的内和外表面。在其它示例中，面板中的一个或多个可具有其它几何形状（例如凹的或凸的）。面板包括光学透射面板和光学反射面板，其形成物理封装的各种窗口和镜子。

光学面板406被围绕框架400组装，例如图4C所示，使得每个面板覆盖开放框架结构中的具有对应多边形形状的一个。光学面板406的边缘被用诸如玻璃料、溶胶凝胶材料等对准和密封到一起。在一个实施例中，至少一个面板可设置有在围绕框架400组装之前或之后穿过其中形成的填充管孔口。例如，面板408可具有填充管孔410，如图4C所示。

一旦面板406被组装和密封，框架400被去除，而不损伤面板。例如，当框架400由镓构成时，可用被加热到约29.8℃的水来熔化框架400。可将被加热的水倾倒到填充管孔410中，并且可将被熔化的镓和水倒出孔410。当框架400由沙子、黏土、盐或气凝胶构成时，可通过用溶剂来溶解框架400而去除框架400。当框架400由其它金属材料（例如铝、铜、锰、钼、镍、钒）构成时，可通过离子刻蚀来去除框架400，而不会损伤光学面板。

一旦框架被去除，则留下了没有任何支撑结构的组装好的物理块412，如图4D所示。所得到的物理块412具有多面的几何结构，其包括围绕其外部以不同角度定向的多个基本平坦的面414。

在替代性方式中，光学面板被组装而抵靠支撑构件402的内表面，使得框架400充当临时的外骨骼。然后，例如用玻璃料或溶胶凝胶材料将面板的边缘密封到一起。然后，去除围绕光学面板的框架400，而不损伤面板。这留下了没有任何支撑结构的组装好的物理块，例如图4D所示的物理块412。

取决于使得将面板连结到一起的材料固化所需的温度，可以适当地选择可消耗芯部或骨骼材料。例如，镓限于用真空密封材料将面板连结到一起的应用，该真空密封材料在小于镓的熔化温度的温度下固化。因此，如果使用室温固化玻璃粘接，例如硅酸钠溶胶凝胶，则镓可用作用于内芯部或骨骼框架的可消耗材料。由于固化不会超过镓的熔点，通过加热到超过熔点而在固化之后去除镓。然后，可在去除镓之后，对所得到的结构玻璃粘接材料进行加热强化。

在其它实施例中，没有填充管孔的面板可用于组装用于物理封装的块。例如，可使用热玻璃密封，其中，密封在真空中进行。另一个可选方式是当短玻璃管被空气包围时热密封该短玻璃管。替代地，可在真空容器内具有受控（真空）气氛的情况下，将最终玻璃面板添加到真空容器内的适当位置。通过在密封之前获得足够低的压力，温度的降低将会使得压力进一步下降，并且烘烤将会有助于清洁组件。密封到主装置的囊盒或小容器可保持Rb，允许物理封装的填充甚至再填充。超声振动或声振动可用于破裂选择小容器到物理封装中。

示例性实施例

示例1包括一种形成用于原子传感器的物理封装的方法，所述方法包括：提供具有三维构造的可消耗支撑结构；提供多个光学面板；将所述光学面板组装在所述可消耗支撑结构上，使得相邻面板的边缘彼此对准；将相邻面板的边缘密封到一起以形成具有多面几何构造的物理块；以及去除所述可消耗支撑结构而留下所述物理块完好无损。

示例2包括示例1的方法，其中，所述可消耗支撑结构是内芯部，所述光学面板组装在所述内芯部上。

示例3包括示例1的方法，其中，所述可消耗支撑结构是骨骼框架，所述光学面板组装在所述骨骼框架上。

示例4包括示例1-3中任一项的方法，其中，所述可消耗支撑结构由溶解于溶剂中的材料形成。

示例5包括示例1-3中任一项的方法，其中，所述可消耗支撑结构由包括沙子、黏土、盐、气凝胶或其组合的材料形成。

示例6包括示例1-3中任一项的方法，其中，所述可消耗支撑结构由包括镓的材料形成。

示例7包括示例6的方法，其中，用溶胶凝胶材料将所述相邻面板的边缘密封到一起。

示例8包括示例1和3的方法，其中，所述可消耗支撑结构包括铝、铜、锰、钼、镍、钒或其组合。

示例9包括示例8的方法，其中，用离子刻蚀来去除所述可消耗支撑结构。

示例10包括示例1-9中任一项的方法其中，所述光学面板包括窗口和镜子。

示例11包括由示例1-10的任一项方法形成的物理封装。

示例12包括一种制造用于原子传感器的物理封装的方法，所述方法包括：形成具有三维构造的可消耗芯部，所述三维构造对应于所述物理封装的内室的轮廓，所述可消耗芯部包括具有不同多边形形状的多个外表面；提供多个光学面板，所述光学面板的每一个具有对应于所述芯部结构的外表面的至少一个的多边形形状的多边形形状；围绕所述芯部结构来组装所述光学面板，使得每个面板在所述芯部结构的具有对应多边形形状的外表面上，每个面板具有多个边缘，其与相邻面板的其它边缘对准；将相邻面板的边缘围绕所述芯部结构密封到一起，使得所述面板处于多面几何构造；使化学液体与所述芯部结构接触，使得所述芯部结构溶解成芯部材料的浆体；以及去除所述芯部材料的浆体。

示例13包括示例12的方法，其中，所述可消耗芯部由包括沙子、黏土、盐、气凝胶、镓或其组合的材料形成。

示例14包括示例12或13的方法，其中，所述物理封装构造成用于原子钟。

示例15包括一种制造用于原子传感器的物理封装的方法，所述方法包括：形成具有三维结构的可消耗框架，所述三维结构对应于所述物理封装的内室的轮廓，所述可消耗框架包括限定多个开放框架结构的多个互连的支撑构件；提供多个光学面板，所述光学面板的每一个具有对应于所述开放框架结构的至少一个的多边形形状的多边形形状；在所述可消耗框架上组装所述光学面板，使得每个面板覆盖所述开放框架结构中的具有对应多边形形状的一个，每个面板具有多个边缘，其与相邻面板的其它边缘对准；将相邻面板的边缘密封到一起，使得所述面板处于多面几何构造；以及从组装好的面板去除所述可消耗框架。

示例16包括示例15的方法，其中，所述可消耗框架形成内骨骼框架，所述光学面板组装在所述内骨骼框架上。

示例17包括示例15的方法，其中，所述可消耗框架形成外骨骼框架，所述光学面板组装在所述外骨骼框架上。

示例18包括示例15-17中任一项的方法，其中，所述可消耗框架包括沙子、黏土、盐、气凝胶、镓或其组合。

示例19包括示例15-17中任一项的方法，其中，所述可消耗框架包括铝、铜、锰、钼、镍、钒或其组合。

示例20包括示例15-19中任一项的方法，其中，所述物理封装构造成用于原子钟。

本发明可具体实施为其它形式，而不偏离其实质特性。所描述的实施例应当在所有方面均被认为仅仅是示例性的而非限制性的。因此，所意图的是，本发明仅受权利要求及其等同物的限制。

Claims (3)

1.一种形成用于原子传感器的物理封装的方法，所述方法包括：

提供具有三维构造的可消耗支撑结构；

提供多个光学面板；

将所述光学面板组装在所述可消耗支撑结构上，使得相邻面板的边缘彼此对准；

将相邻面板的边缘密封到一起以形成具有多面几何构造的物理块；以及

去除所述可消耗支撑结构而留下所述物理块完好无损。

2.权利要求1的方法，其中，所述可消耗支撑结构是内芯部，所述光学面板组装在所述内芯部上；并且其中，所述内芯部由溶解于溶剂中的材料形成。

3.权利要求1的方法，其中，所述可消耗支撑结构是骨骼框架，所述光学面板组装在所述骨骼框架上。

Images