CN110389136B - 一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室及其加工工艺流程 - Google Patents

一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室及其加工工艺流程 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室，原子气室的第一表面及与其相对的第四表面为等效相对介电常数为1的透波电磁超表面；第二表面及与其相对的第五表面为具有理想电导体特性(PEC)的表面；第三表面及与其相对的第六表面为具有理想磁导体特性(PMC)的电磁超表面；在第一表面上集成有温度监测用热敏元件，通过在该第一表面外接直流电流源和比例‑积分‑微分(PID)控制模块实现原子气室的温度控制，所述直流电流源对该第一表面的金属部分加热，所述PID控温模块通过热敏元件的反馈实时温度数据对原子气室表面温度进行反馈控制。本发明还提供了这种原子气室的加工工艺流程。

Description

一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室及其加工 工艺流程
技术领域
本发明涉及一种原子气室，特别是涉及一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室及其加工集成工艺流程，适用于基于碱金属原子的量子传感和精密测量。
背景技术
随着量子测量技术的发展以及微纳加工及集成等技术手段的进步，微小型化、超低功耗、集成芯片化已成为原子器件的发展趋势。而原子气室作为碱金属原子的载体，是利用原子特性进行精密测量的关键和共性器件。通常而言，碱金属原子气室是一种封闭的腔体，气室本身由非金属材料制成，例如玻璃、石英等，然后通过玻璃吹制、激光焊接、熔融一体或键合工艺等多种手段将化学性质活泼的碱金属原子填充到微腔室中，密封良好的内部真空环境使得碱金属气体不受到其他气分的影响。原子气室可以制成不同的形状和大小，以满足不同量子精密测量的需求，在原子磁力计、原子钟、原子陀螺仪等量子精密测量领域都发挥着重要的作用。
碱金属原子的量子相干效应提供了一种全新的微波测量的新方法，即利用微波与碱金属原子的里德堡能级耦合产生的量子相干效应，可以实现高灵敏度、高分辨率和高准确性微波测量，并且可以将量值有效溯源至国际单位制(SI)及基本物理常数(普朗克常数)。这种方法在突破传统测量技术瓶颈、发展相应的计量标准等方面具有重要的价值。作为微波测量的传感器，存载碱金属原子的原子气室结构、材料、尺寸、内部填充气压以及原子蒸汽凝结等因素均会对量子传感的电磁特性产生影响。受限于加工技术、加工精度或加工材料的限制，原子气室本身对被测电场的扰动是不可避免的。原子气室内部的微波谐振及表面的电磁散射效应导致入射电场在气室内部的电场强度、极化及空间分布发生了变化，使得原子感受到的电场与待测电场存在差异，这种扰动特性直接影响了微波电场测量的准确性和溯源有效性。
另一方面，原子气室的温度是影响探测信号的一个重要因素。气室内温度的改变会影响原子的密度、原子间的相互距离以及原子运动速度，这种微观因素改变在宏观上反映为探测光谱信号的信噪比和线宽改变，而信噪比和线宽的改变直接影响到微波电场测量的灵敏度和准确性。在低扰动的气室上集成温度模块，不产生场畸变的前提下实现温度同步控制是至关重要的。量子精密测量领域通常的传统电阻加热方法是由将加热电阻丝绕制包裹在气室表面，通过控制通过电阻丝的电流强度利用热阻效应实现原子气室加热。然而，一方面电阻丝线圈为金属结构破坏了空间微波电场的分布，直接影响待测微波电场准确度；另一方面，采用电阻丝发热，热滞后较大，不易精确控温。
综上所述，如何设计一种低扰动性、适用于在自由空间进行微波精密测量的原子气室，并设计合理的温度控制模块以精确控制原子气室温度，是该量子传感和精密测量领域的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的是解决传统的原子气室对精密测量的影响，特别是对待测微波产生较大的扰动导致测量精度差的问题。
本发明提供了一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室，其包括：第一表面及与其相对的第四表面，第二表面及与其相对的第五表面、第三表面及与其相对的第六表面；所述第一表面及与其相对的第四表面为等效相对介电常数为1的透波电磁超表面；第二表面及与其相对的第五表面为具有理想电导体特性(PEC)的表面；第三表面及与其相对的第六表面为具有理想磁导体特性(PMC)的电磁超表面；在第一表面上集成有温度监测用热敏元件，通过在该第一表面外接直流电流源和比例-积分-微分(PID)控制模块实现原子气室的温度控制，所述直流电流源对该第一表面的金属部分加热，所述PID控温模块通过热敏元件反馈的实时温度数据对原子气室表面温度进行反馈控制。
其中，所述第一表面及与其相对的第四表面为一种亚波长厚度的二维周期阵列结构，其为等效相对介电常数为1，电磁波可以无扰动透过该表面。
其中，所述第二表面及与其相对的第五表面为一金属薄膜，其切向电场分量和法向磁场分量为零，具有理想电导体特性(PEC)。
其中，所述第三表面及与其相对的第六表面为一种亚波长厚度的二维周期阵列结构，其切向磁场分量和法向电场分量为零，具有理想磁导体特性(PMC)。
本发明还提供了一种无电磁扰动可控温原子气室的加工工艺流程，其特征在于：
步骤一、电磁表面设计：基于电磁仿真计算，设计符合前述第一至第六表面性能的电磁表面，具体而言第一至第六表面性能为，所述第一表面及与其相对的第四表面为一种亚波长厚度的二维周期阵列结构，其为等效相对介电常数为1，电磁波可以无扰动透过该表面；所述第二表面及与其相对的第五表面为一金属薄膜，其切向电场分量和法向磁场分量为零，具有理想电导体特性(PEC)；所述第三表面及与其相对的第六表面为一种亚波长厚度的二维周期阵列结构，其切向磁场分量和法向电场分量为零，具有理想磁导体特性(PMC)；
步骤二、电磁表面加工与封装：基于金属沉积等工艺在硼硅玻璃或石英基材上加工出步骤一设计的电磁表面，并采用键合工艺将所述六个表面组合构建成立方体结构；或将电磁超表面结构印制成柔性薄膜微带电路，并贴附在事先成形的原子气室表面；在任意一个表面预留一个碱金属气体充气管道；
步骤三、在所述第一表面上安装热敏元件，实现原子气室表面温度的实时监测；
步骤四、安装测试PID温度控制模块，实现对原子气室表面温度进行反馈控制；
步骤五、将充气管道接入真空系统，向原子气室内填充铷原子蒸气，完成原子气室加工全部过程。
为了最大限度地减少场畸变，本发明提出了一种基于电磁超表面设计的无电磁扰动可控温原子气室，通过在原子气室表面合理设计电磁超表面，可降低原子气室的微波谐振及散射效应，同时添加温度控制模块，对气室温度进行实时的精准监测，旨在为微波场的量子精密测量和量子传感提供一种理想的传感器，以提高测量的准确性。
附图说明
图1为本发明的原子气室的结构示意图；
图2为本发明的原子气室的加工流程示意图；
图3为原子气室仿真计算模型；
图4为常规原子气室和本发明原子气室的电磁特性对比。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
本发明提供了一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室，图1为本发明的原子气室的结构示意图。所述原子气室是具有6个表面的立方体形真空结构，该原子气室的六个表面分别为第一表面1及与其相对的第四表面、第二表面2及与其相对的第五表面、第三表面3及与其相对的第六表面。
所述第一表面1及与其相对的第四表面为一种亚波长厚度的二维周期阵列结构，其等效相对介电常数为1，电磁波可以无扰动透过该表面。
在第一表面1上集成有温度监测用热敏元件4，通过在该第一表面外接PID控制模块5和直流电流模块6实现原子气室的温度控制，所述直流电流源6对第一表面1的金属部分加热，所述PID模块5通过热敏元件6的反馈实时温度数据，根据PID原理自适应调整加热电流，实现对原子气室表面温度进行反馈控制。
第二表面2及与其相对的第五表面为具有理想电导体(PEC)特性的电磁表面，通常为一金属薄膜，其切向电场分量和法向磁场分量为零，即具有理想电导体特性(PEC)。
第三表面3及与其相对的第六表面为一种亚波长厚度的二维周期阵列结构，其切向磁场分量和法向电场分量为零，即具有理想磁导体特性(PMC)。
图2所示为本发明的原子气室的工艺流程图，所述原子气室的制造具体包括以下步骤：
步骤一、电磁表面仿真设计：基于商用电磁仿真计算软件，设计出符合以上特性的电磁表面的结构，所述第一表面1及与其相对的第四表面电磁超表面是具有等效介电常数为1(ε＝1)的透波超表面；第三表面3及与其相对的第六表面为电磁超表面，对应为理想磁表面(PMC)；第二表面2及与其相对的第五表面为理想电表面(PMC)，可以用金属薄膜代替，验证其可行性，之后进行实施。
步骤二、电磁表面加工与封装：
第一表面1及与其相对的第四表面和第三表面3及与其相对的第六表面都是人工设计的亚波长厚度的金属结构阵列，所述第一表面1以及第四表面上具有一系列周期排布的亚波长单元结构。如图1所示，所述第一表面1及与其相对的第四表面优选为一种二维周期阵列结构，其本质表现为一个空间带通滤波器，在形成第一表面1及与其相对的第四表面形成金属部分，优选周期性地标贴相同的金属单元或者在整块的介质表面上设置相同形状的金属槽孔，从而在一定频带范围内实现电磁波完全透射的功能，可以在特定频段对实现电磁波的透射作用。
第三表面3及与其相对的第六表面表现为理想磁导体(PMC)的性质，在其表面表现为磁场切向分量和电场法向分量为零。人工磁导体(AMC，Artificial MagneticConductor)和电磁带隙(EBG，Electromagnetic bandgap)结构都因为在特定频段其零反射相位特性类似于理想磁导体的特性。
在图1所示的原子气室示意图中，第二表面2及与其相对的第五表面表现为理想电导体(PEC)的性质，其表面表现为电场切向分量和磁场法向分量为零。金属一类的良导体提供了对理想电导体的合理近似，因此在许多电磁应用领域中可以将金属近似为理想电导体。
原子气室各表面可以通过光刻或金属沉积等工艺技术将电磁超表面单元图形制备到硼硅玻璃/石英基材上，承载有电磁超表面单元图形的基材预先经过高精度加工，然后将原子气室的六个表面进行分子力键合形成一个封闭的原子气室，在原子气室的六个表面上形成有透波面、理想磁表面和理想电表面。或者将电磁超表面单元制成柔性薄膜贴附在事先已经封装好的普通原子气室表面，所述柔性薄膜对应的具有透波面、理想磁表面和理想电表面。实际情况中可以根据不同的需求选择具体的加工与封装方式。
步骤三、安装热敏元件：在所述第一表面安装热敏元件，实时监测原子气室温度。
步骤四、安装测试PID温度控制模块，通过外接直流电流源和PID控制模块实现原子气室的温度控制，所述直流电流源对该第一表面的金属部分加热，所述PID控制模块5通过热敏元件6的反馈温度数据，根据比例-积分-微分(PID)原理自适应调整加热电流，实现对原子气室表面温度进行反馈控制。
步骤五、将填充管道接入真空系统，向原子气室内填充碱金属原子蒸气，完成原子气室加工全部过程。
本实施案例基于有限元电磁方法设计仿真了本发明原子气室的电磁特性，结合微波谐振腔理论分析了其对于微波电场的扰动性。图3所示为原子气室的仿真计算模型。为了达到比对效果，常规原子气室和本发明原子气室的几何尺寸保持一致，即均为边长为10mm×10mm×10mm立方体结构，采用硼硅玻璃基材，各面基材壁厚均为为1mm，所不同的是，本发明原子气室的六个面在硼硅玻璃基材表面分别设置成了具有等效介电常数为1的透波电磁表面、理想电导体(PEC)表面和理想磁导体表面(PMC)。
图4给出了本发明原子气室和常规原子气室的电磁特性计算结果对比。为了清晰对比两者的区别，选取了沿气室x方向中轴、y方向中轴、z方向中轴的电场分布计算结果，分别如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示。入射电场是频率为30GHz、幅度为1V/m的平面电磁波，电场极化方向与z轴平行，电波方向与x方向一致。从计算结果可见，与常规原子气室相比，本发明的原子气室对入射微波电场扰动极小。
本发明的原子气室介质基材电磁调控及同步热反馈控制，通过不同的结构单元设计将电磁超表面的三个面键合封装成一个封闭腔体，调控反射或透射电磁波的幅度、相位和极化特性，具有对电磁波的强大调控能力，减小了原子气室的内部的微波谐振及表面的电磁散射效应引起的入射电场在气室内部电场强度、极化及空间分布发生的变化，保证了微波电场测量的准确性和溯源有效性；利用超表面周期结构实现原子气室表面控温加热，在不改变气室内部电磁场分布的同时实现同步热反馈控制。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室，其包括：第一表面及与其相对的第四表面，第二表面及与其相对的第五表面、第三表面及与其相对的第六表面；其特征在于：所述第一表面及与其相对的第四表面为等效相对介电常数为1的透波电磁超表面；第二表面及与其相对的第五表面为具有理想电导体特性的表面；第三表面及与其相对的第六表面为具有理想磁导体特性的电磁超表面；在第一表面上集成有温度监测用热敏元件，通过在该第一表面外接直流电流源和比例-积分-微分（PID）控制模块对原子气室的温度控制，所述直流电流源对该第一表面的金属部分加热，控温模块通过热敏元件反馈的实时温度数据对原子气室表面温度进行反馈控制。
2.如权利要求1所述的无电磁扰动可控温原子气室，其特征在于：所述第一表面及与其相对的第四表面为一种亚波长厚度的二维周期阵列结构，其等效相对介电常数为1，电磁波可以无扰动透过该表面。
3.如权利要求1所述的无电磁扰动可控温原子气室，其特征在于：所述第二表面及与其相对的第五表面为一金属薄膜，其切向电场分量和法向磁场分量为零，具有理想电导体特性。
4.如权利要求1所述的无电磁扰动可控温原子气室，其特征在于：所述第三表面及与其相对的第六表面为一种亚波长厚度的二维周期阵列结构，其切向磁场分量和法向电场分量为零，具有理想磁导体特性。
5.一种如权利要求1至4中任一项所述一种基于电磁超表面的无电磁扰动可控温原子气室的加工工艺流程，其特征在于：
步骤一、电磁表面设计：基于电磁仿真模拟，设计符合要求的电磁表面；
步骤二、电磁表面加工与封装：基于金属沉积等工艺在硼硅玻璃或石英基材上加工出步骤一设计的电磁表面，并采用键合工艺将六个表面组合构建成立方体结构；或将电磁超表面结构印制成柔性薄膜微带电路，并贴附在事先成形的原子气室表面；在任意一个表面预留一个碱金属气体充气管道；
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