CN110530353A - 一种碱金属原子气室及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学精密加工技术，涉及一种碱金属原子气室及其制造方法。本发明碱金属原子气室制造方法，利用高形状精度的玻璃方管作为气室支架，然后键合2件高精度光学窗口形成高形状精度的碱金属原子气室，最后安装冲排气管，最终形成高形状精度的碱金属原子气室，具有加工精度高、对称性好、表面质量好的优点。
Description
技术领域
本发明属于光学精密加工技术，涉及一种碱金属原子气室及其制造方法。
背景技术
原子气室作为角速率敏感单元，是核磁共振陀螺的核心部件。陀螺在原子气室中完成工作原子的制备、操控以及信号的检测，原子气室的性能从源头上决定了陀螺的性能。
常规原子气室制造通常采用玻璃吹制、激光焊接或熔接工艺，这些技术都涉及整体或局部高温，通过玻璃高温形变实现气室成型或密封，会导致气室内外结构非对称(结构尺寸误差超过0.3mm)、局域区域高温形变(特别是气室内腔的4个角)，一方面使气室安装精度低，另一方面气室的非对称结构会导致气室内极化原子产生的固有磁场无法完全抵消，引起磁共振线增宽，同时也会限制碱金属极化甚至惰性气体最终极化量级，必须通过新的结构和工艺方法来得到改善。
发明内容
本发明的目的：提供一种碱金属原子气室及其制造方法，提高碱金属原子气的形状精度。
一方面，本发明提供的技术方案是一种碱金属原子气室，
碱金属原子气室包括两个光学窗口1、气室支架2和冲排气管3，
气室支架2为长方体，气室支架2的顶面中心设置有方形通槽4，气室支架2的一侧面上设置有充排气孔5；
冲排气管3设置气室支架2有充排气孔5的侧面上，且冲排气管3与充排气孔5连通；
光学窗口1位于方形通槽4的两端。
进一步地，光学窗口1为长方体，光学窗口1为石英玻璃或高硼硅。
进一步地，冲排气管3为圆柱体，冲排气管3沿轴向方向设置有充排气孔6。
进一步地，冲排气管3上的充排气孔6要与气室支架上2的排气孔5对准连通。
进一步地，冲排气管3、气室支架2和光学窗口1的材质相同。
另一方面，提供碱金属原子气室的制造方法，制备以上结构的碱金属原子气室。利用键合技术将两个光学窗口1与事先加工好的气室支架2的两端依次键合，然后将冲排气管3安装在气室支架2的侧面。
进一步地，采用的键合技术包括光胶或低温键合。
进一步地，在光学窗口1与气室支架2的两端键合之后，且在安装冲排气管3之前，原子气室制造方法还包括：对键合好的工件进行固化；对工件外轮廓进行修形以提高工件的轮廓精度。
进一步地，采用的固化方法包括化学处理、真空处理或热处理中的一种或多种。
进一步地，采用的修形方法包括洗磨、研磨或抛光。
本发明的技术效果是：提供一种碱金属原子气室及其制造方法，简化气室制造流程，提高气室的形状精度，降低因气室形状不规整引入的磁场误差。本发明的一个实施例，经试验证明，气室尺寸误差优于0.01mm。
附图说明
图1是本发明碱金属原子气室的整体结构爆炸图；
图2是本发明碱金属原子气室支架的结构示意图；
图3是本发明碱金属原子气室排气管的结构示意图；
图4是本发明碱金属原子气室光学窗口安装完成后的示意图；
图5是本发明碱金属原子气室的整体结构示意图；
附图标记说明：1-光学窗口、2-气室支架、3-冲排气管、4-方形通槽、5-第一排气孔、6-第二排气孔。
具体实施方式
下面对本发明做进一步详细说明。
实施例1：
请参阅图1，其中，图1为本发明碱金属原子气室的整体结构爆炸图。本发明利用高形状精度的玻璃方管作为气室支架2，然后键合2件高精度光学窗口1形成高形状精度的碱金属原子气室，最后安装冲排气嘴3。
本发明提供的碱金属原子气室包括两个光学窗口1、气室支架2和冲排气管3)。气室支架2为长方体，气室支架2的顶面中心设置有方形通槽4，所述气室支架2的一侧面上设置有充排气孔5。所述冲排气管(3)设置所述气室支架2有充排气孔5的侧面上，且所述冲排气管(3)与所述充排气孔5连通。所述光学窗口(1)位于所述方形通槽4的两端。
请同时参阅图2、图3，图2是本发明碱金属原子气室支架的结构示意图，图3是本发明碱金属原子气室冲排气管的结构示意图。所述气室支架2为长方体，其顶面中心设置有方形通槽4，顶面和底面为键合面，用于安装2件高精度光学窗口1。气室支架2的一个侧面上设置有充排气孔4，用于安装冲排气管3。光学窗口1为长方体，共2件，其键合面等于或大于气室支架2的键合面。光学窗口1为石英玻璃或高硼硅。
冲排气管3为圆柱体，冲排气管3沿轴向方向设置有充排气孔6。冲排气管3上的充排气孔6要与气室支架上2的排气孔5对准连通。冲排气管3、气室支架2和所述光学窗口1的材质相同。
实施例2：
碱金属原子气室的制造方法包括如下步骤：
步骤1：工件准备
检查光学窗口1、气室支架2、排气管3的安装面的表面质量，确保工作面面形满足键合要求，即表面面形至少优于λ/4，通常要求达到λ/10，λ为激光波长632.8nm。检查表面至少达到2级疵病且不能有贯穿性划伤以防止影响气室的密封性。所有元件必须进行超精密清洗去除表面颗粒、污染物，并进行表面处理，提高键合成功率。
步骤2：键合光学窗口1、气室支架2
请同时参阅图4，其中，图4是本发明碱金属原子气室光学窗口安装完成后的示意图。将两个光学窗口1分别键合在气室支架2的两端，可以使用限位工装以保证安装精度，以减少修形环节的工作量，并便于控制尺寸精度。键合可以采用光胶或低温键合。注意，光学窗口1必须完全覆盖气室支架2上的方形通槽4以确保气密性。
步骤3：固化
对键合好的工件进行固化，固化过程可以采用常温静置的方法，也可以使用干燥、化学试剂处理、真空处理、热处理等加速干燥的方法。
步骤4：修形
对工件的外轮廓进行修形，以提高工件的轮廓精度。可以采用的修形方法包括洗磨、研磨或抛光
步骤5：安装充排气管3
请同时参阅图5，其中，图5是本发明碱金属原子气室的整体结构示意图。在工件上安装充排气管3，注意冲排气管3上的充排气孔6要与气室支架上2的排气孔5对准。冲排气管安装可以采用光胶或低温键合。
具体地，样品材料为石英玻璃的碱金属原子气室制造方法步骤包括如下：其中气室支架外轮廓尺寸为6mm×6mm×4mm，中心设置有4mm×4mm方形通孔；光学窗口尺寸为6mm×6mm×1mm；排气嘴尺寸为φ2mm×4mm，中心设置有φ1mm的圆形通孔。所有工作面抛光到λ/10。使用多种溶液清洗样品。首先，样品在异丙醇中超声清洗10min，浸入清洗溶液(H2SO496％:K2Cr2O7为5:1)超声30min，然后在KOH溶液中超声5min。样品在去离子水下冲洗5min，最后用氮气吹干。洁净样品放入一个干净的无尘容器中直到进行键合。
依次组装光学窗口1、气室支架2和冲排气管3。键合采用低温键合方法，键合溶液为0.5％KOH水溶液，施加键合液到键合界面上，然后使两个待键合表面接触，并轻轻挤压。键合后工件在室温下固化至少7天或在60～120℃范围内进行热处理。
对工件外表面进行修形保证轮廓尺寸6mm×6mm×6mm(不含充排气嘴)。
将冲排气管3结合在气室支架2上。
最终形成方形气室，外轮廓边长为6mm，内腔边长为4mm。
实施效果
本发明碱金属原子气室制造方法，利用高形状精度的玻璃方管作为气室支架，然后键合2件高精度光学窗口形成高形状精度的碱金属原子气室，最后安装冲排气管，最终形成高形状精度的碱金属原子气室，具有加工精度高、对称性好、表面质量好的优点。形成的原子气室，尺寸误差优于0.01mm，结构无畸变。相对于现有原子气室制造方法，如激光熔接法、玻璃吹制法，其气室形状精度较传统工艺至少提高1个数量级。
Claims (10)
1.一种碱金属原子气室，其特征在于，所述碱金属原子气室包括两个光学窗口(1)、气室支架(2)和冲排气管(3)，
所述气室支架(2)为长方体，所述气室支架(2)的顶面中心设置有方形通槽(4)，所述气室支架(2)的一侧面上设置有充排气孔(5)；
所述冲排气管(3)设置在所述气室支架(2)的有充排气孔(5)的侧面上，且所述冲排气管(3)与所述充排气孔(5)连通；
所述光学窗口(1)位于所述方形通槽(4)的两端，且完全覆盖所述方形通槽(4)。
2.根据权利要求1所述碱金属原子气室，其特征在于，所述光学窗口(1)为长方体，所述光学窗口(1)为石英玻璃或高硼硅。
3.根据权利要求1所述碱金属原子气室，其特征在于，所述冲排气管(3)为圆柱体，所述冲排气管(3)沿轴向方向设置有充排气孔(6)。
4.根据权利要求3所述碱金属原子气室，其特征在于，所述冲排气管(3)上的充排气孔(6)与气室支架上(2)的排气孔(5)对准连通。
5.根据权利要求3所述碱金属原子气室，其特征在于，所述冲排气管(3)、气室支架(2)和所述光学窗口(1)的材质相同。
6.一种碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，包括：
选取光学窗口(1)、气室支架(2)和排气管(3)，所述光学窗口(1)、气室支架2和排气管3表面面形至少优于λ/4，λ为激光波长632.8nm；所述光学窗口1、气室支架2和排气管3表面至少达到2级疵病且无贯穿性划伤；
利用键合技术将两个光学窗口(1)与事先加工好的气室支架(2)的两端依次键合，然后将冲排气管(3)安装在所述气室支架(2)的侧面。
7.根据权利要求6所述碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，采用的键合技术包括光胶或低温键合。
8.根据权利要求6所述碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，在光学窗口(1)与气室支架(2)的两端键合之后，且在安装冲排气管(3)之前，所述原子气室制造方法还包括：
对键合好的工件进行固化；
对工件外轮廓进行修形以提高工件的轮廓精度。
9.根据权利要求8所述碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，采用的固化方法包括化学处理、真空处理或热处理中的一种或多种。
10.根据权利要求8所述碱金属原子气室的制造方法，其特征在于，采用的修形方法包括洗磨、研磨或抛光。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20191203 |