CN111717883A - 原子腔结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子腔结构，所述原子腔结构包括：基片，具有封闭的腔；至少三组反射结构，所述反射结构设置于所述腔的内壁上，所述反射结构至少用于对射入所述腔内的相应的第一光线进行反射，从而使所有的所述第一光线与射入所述腔内的第二光线在所述腔内正交后射出所述腔外。本发明还提供了上述原子腔结构的制作方法。本发明的原子腔结构可应用在原子核磁共振陀螺仪、原子磁强计等原子物理系统中。
Description
技术领域
本发明涉及原子物理器件领域，尤其涉及一种原子腔结构及其制作方法。
背景技术
近年来随着微纳加工技术发展，基于微机电系统(MEMS)技术的微型化、低功耗、小体积的原子器件也取长足的进步。典型器件原子核磁共振陀螺仪、原子频标(原子钟)、原子磁强计等原子物理系统在定位、导航、授时等领域的作用尤为突出，并对国防、科技和经济等诸多方面有着至关重要的战略意义。
原子核磁共振陀螺仪、原子钟、原子磁强计等原子器件都是较为复杂的系统，其中原子腔是其核心部件。利用微机电系统(MEMS)制造技术可以将传统的玻璃泡型原子腔芯片化，从而实现原子核磁共振陀螺仪、原子钟、原子磁强计等复杂原子系统的芯片化。
目前，芯片原子钟、核磁共振原理的芯片级原子陀螺仪及原子磁强计等原子器件都需要至少一路激光与原子相互作用。通过MEMS工艺制备的原子腔的结构通常为硅片和玻璃片的三明治结构，该结构仅能实现一路激光与腔体内原子的相互作用。在上述结构的基础上出现了另外的结构，中间层硅通过湿法腐蚀方法,在硅的侧壁形成54.7度夹角的斜面用于激光反射,该结构的原子腔虽然可以实现多方向激光在腔体内部与原子的相互作用(光抽运或探测)，但是该结构需要额外的棱镜或光栅对入射激光进行角度补偿才能实现入射、出射，在原子核磁共振陀螺仪、原子磁强计等物理系统中应用结构较为复杂，另外还有一种结构的原子腔，中间层为玻璃，上下层为硅，该结构原子腔可在两个方向上实现激光的垂直入射，却无法实现其他方向激光与原子的作用，为了解决上述问题，本发明提出一种技术方案既无需特定角度补偿棱镜或光栅就可以实现激光的垂直入射、出射，又可以实现多方向激光与原子的相互作用(光抽运、探测)。
发明内容
为了达到上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种原子腔结构，所述原子腔结构包括：
基片，具有封闭的腔；
至少三组反射结构，所述反射结构设置于所述腔的内壁上，所述反射结构至少用于对射入所述腔内的相应的第一光线进行反射，从而使所有的所述第一光线与射入所述腔内的第二光线在所述腔内正交后射出所述腔外。
优选地，所述反射结构包括彼此相对的第一反射面和第二反射面，所述第一光线在被所述第一反射面反射到所述第二反射面的光程中与所述第二光线正交。
优选地，所述基片包括：硅片、第一透光片和第二透光片；
所述硅片包括相对且平行的第一表面和第二表面以及贯穿所述第一表面和所述第二表面的通孔，所述第一透光片设置于所述第一表面上并封闭所述通孔在所述第一表面上的开口，所述第二透光片设置于所述第二表面上并封闭所述通孔在所述第二表面上的开口，从而形成封闭的所述腔。
优选地，所述第一反射面和所述第二反射面平行，所述第一反射面和所述第二反射面之间的距离公式为：
其中H为所述第一反射面和所述第二反射面之间的距离，W为所述第一光线的射入光段与射出光段之间的距离，θ为所述第一反射面与所述第一表面之间的锐角角度或者所述第二反射面与所述第二表面之间的锐角角度；
或者所述第一反射面和所述第二反射面延伸垂直相交。
优选地，所述基片包括：硅片和第三透光片；
所述硅片包括相对且平行的第一表面和第二表面以及凹槽，所述第三透光片设置于所述第二表面并封闭所述凹槽在所述第二表面上的开口，从而形成封闭的所述腔。
优选地，所述第一反射面和所述第二反射面朝向所述第三透光片；其中，所述第一反射面和所述第二反射面延伸垂直相交。
优选地，所述第一光线和所述第二光线射入或射出所述腔的方向垂直于所述基片。
本发明还提供了一种原子腔结构的制作方法，所述制作方法包括：
在硅片中形成贯穿第一表面和第二表面的通孔，所述第一表面和所述第二表面相对且平行；
将第一透光片设于所述第一表面上并封闭所述通孔在所述第一表面上的开口；
在所述通孔的内壁上装配多个反射结构；
通过所述通孔在所述第二表面上的开口向所述通孔内注入特定物质；
将第二透光片设于所述第二表面上并封闭所述通孔在所述第二表面上的开口。
优选地，在所述通孔的内壁上装配所述反射结构的方法包括：
在第一反射块上形成第一斜面，且在第二反射块上形成第二斜面；
在所述第一斜面和所述第二斜面上设置反射膜层，以分别形成第一反射面和第二反射面；
将所述第一反射块和所述第二反射块装配到所述通孔的内壁上，以使所述第一斜面和所述第二斜面相对，从而形成所述反射结构。
本发明又提供了一种原子腔结构的制作方法，所述制作方法包括：
提供一硅片，所述硅片包括相对且平行的第一表面和第二表面；
在所述硅片的所述第二表面上形成凹槽；
在凹槽的内壁上装配多个反射结构；
通过所述凹槽在所述第二表面上的开口向所述凹槽内注入特定物质；
将第三透光片设于所述第二表面上并封闭所述凹槽在所述第二表面上的开口。
与现有技术相比，本发明的原子腔结构不仅可以实现多路激光垂直入射、出射，而且能够实现多方向的激光与原子之间相互作用，为原子核磁共振陀螺仪、原子磁强计等原子物理系统的芯片化提供了更多的自由度及应用空间。
附图说明
图1为本发明的原子腔的光路示意图
图2为实施例1的原子腔的一种截面图；
图3为实施例1的原子腔的一种结构示意图；
图4为实施例1的原子腔中的光线α的光路图；
图5为实施例2的原子腔的一种截面图；
图6为实施例2的原子腔的一种结构示意图；
图7至图10为实施例1的原子腔的制作流程图；
图11至图13为实施例2的原子腔的制作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明提供了一种原子腔结构，如图1所示(图中直接露出了所述腔A的内部结构，省略了其他细节)，本发明的原子腔结构包括透明的基片1，所述基片1包括用于容纳特定物质的封闭的腔A。所述腔A内填充的所述特定物质包括金属元素和缓冲气体。所述金属元素可以是碱金属铷(Rb)或铯(Cs)等元素或其他可实现光抽运的物质，所述缓冲气体可以是氮(N2)、氩(Ar)、氙(Xe)或甲烷(CH4)等。其中，所述腔A的内壁上设有至少三组反射结构2，每组反射结构2包括两个相对设置的反射镜。
所述反射结构2至少用于对射入所述腔A内的相应的第一光线进行反射，从而使所有的所述第一光线与射入所述腔A内的第二光线在所述腔A内正交后射出所述腔A外。所述多束第一光线作为探测光线在所述腔A内与第二光线正交并对于所述腔A内的原子起到探测作用。所述第二光线作为泵浦光线将金属元素的原子从基态泵浦至自旋极化子能态，使该原子实现趋于一致的宏观极化。所述第一光线结合外磁场对腔体内原子的作用能够实现多组和/或多种物理量(如：角度、磁场等)的探测。其中，所述第二光线也可以经所述反射结构2在所述腔A内进行反射，并与同样被所述反射结构2进行反射的所述第一光线正交。
如图1所示，图中为了更明确地表达光线的反射途径，直接露出了所述腔A的内部结构。光线α(第一光线)从所述基片1的一面入射到所述腔A内，经所述反射结构2反射后从所述基片1的另一面射出，光线β(第一光线)从所述基片1的一面入射到所述腔A内，经所述反射结构2反射后从所述基片1的同一面射出，光线γ(第一光线)从所述基片1的一面入射到所述腔A内，经所述反射结构2反射后同样是从所述基片1的同一面射出，光线δ(第二光线)作为泵浦光。参阅图1可知，光线α、光线β和光线γ在所述反射结构2的两个反射镜之间的光程中在一个共同交点上与光线δ正交。该共同交点是通过调节所述反射结构2的反射镜之间的间距或者调节反射镜的倾斜角度来实现。
参阅图1可知，所述第一光线在所述反射结构2的作用下，与所述第二光线正交的同时，与另一所述第一光线相交(不一定是正交)。即所述第一光线在被所述第一反射面21反射到所述第二反射面22的光程中与另一所述第一光线相交。
以此，基于上述设计概念，本发明的原子腔结构的腔A内可以设置多组(至少三组)反射机构2，从而能够实现多方向的激光与原子之间相互作用，为原子核磁共振陀螺仪、原子磁强计等原子物理系统的芯片化提供了更多的自由度及应用空间。
实施例1
基于上述的基本结构，如图2和图3所示，本实施例中，所述基片1包括：硅片11、第一透光片12和第二透光片13。所述硅片11包括相对且平行的第一表面11a和第二表面11b以及贯穿所述第一表面11a和所述第二表面11b的通孔11c。所述第一透光片12设置于所述第一表面11a上并封闭所述通孔11c在所述第一表面11a上的开口，所述第二透光片13设置于所述第二表面11b上并封闭所述通孔11c在所述第二表面11b上的开口，从而形成封闭的所述腔A。
如图3所示(为了方便说明图中分离了第二透光片13)，所述反射结构2包括彼此相对的第一反射面21和第二反射面22。其中一组所述反射结构2的所述第一反射面21和所述第二反射面22平行，可以使经所述第一透光片12垂直入射的第一光线在所述第一反射面21上发生第一反射之后朝向所述第二表面11b，所述第一光线在所述第二表面11b上发生第二反射后，经所述第二透光片13垂直射出。
第一光线和第二光线的垂直入射可以减少因所述第一透光片12或所述第二透光片13表面上的光反射所引起的光能损失，其中，所述第一反射面21与所述第一表面11a或所述第二反射面22与所述第二表面11b之间的锐角大于0°且小于90°，具体地所述锐角可以是5°、10°、20°、30°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、85°等。
具体地，如图4所示(图中举例示出了光线α的光路)，在所述第一反射面21和所述第二反射面22平行的情况下，所述第一反射面21和所述第二反射面22之间的距离必须满足以下公式才能保证第一光线的垂直射入后垂直射出。
其中H为所述第一反射面21和所述第二反射面22之间的距离，W为所述第一光线的射入光段(图4中α’)与射出光段(图4中α”)之间的距离(光线α为垂直射入的第一光线)，θ为所述第一反射面21与所述第一表面11a之间的锐角角度或者所述第二反射面22与所述第二表面11b之间的锐角角度。
参阅图3可知，另一组所述反射结构2的所述第一反射面21和所述第二反射面22延伸垂直相交，也就是说所述第一反射面21和所述第二反射面22以远离所述第一表面11a的方向继续延伸时会彼此垂直相交，此时所述第一反射面21垂直于所述第二反射面22(即所述第一反射面21与所述第一表面11a之间形成的锐角与所述第二反射面22与所述第一表面11a之间形成的锐角之和为90°)。因此，可以使经所述第一透光片12垂直入射的第一光线在所述第一反射面21上发生第一反射之后朝向所述第二表面11b，所述第一光线在所述第二表面11b上发生第二反射后，又经所述第一透光片12垂直射出(即第一光线在同一个透光片上入射和射出)。
以此，在所述反射结构2的反射作用下所述第一光线在被从所述第一反射面21反射到所述第二反射面22的光程中与所述第二光线正交。
本实施例还提供了上述原子腔结构的制作方法，图7至图10为本实施例的原子腔结构的制作流程图。
如图7所示，首先提供一硅片11，在硅片11中形成贯穿第一表面11a和第二表面11b的通孔11c，所述第一表面11a和所述第二表面11b相对且平行。具体地，在所述硅片11上涂覆光刻胶，通过光刻的方式将预设的通孔形状转移到光刻胶上，然后以该光刻胶为掩膜层，通过干法刻蚀的方法在所述硅片11上制备出通孔11c结构。
下一步，如图8所示，将第一透光片12(BF33或7740玻璃)键合到所述第一表面11a上并封闭所述通孔11c在所述第一表面11a上的开口。具体地，通过阳极键合工艺把清洗完毕的所述第一透光片12(BF33或7740玻璃)和所述硅片11键合在一起，形成预成型的腔体。
下一步，如图9所示，在所述通孔11c的内壁上装配多个反射结构2。具体地，加工另一硅片形成至少三组反射块，每组反射块包括第一反射块a和第二反射块b。将研磨所述第一反射块a和所述第二反射块b以形成符合角度要求的第一斜面a1和第二斜面b1。抛光所述第一斜面a1和第二斜面b1后，通过沉积金属膜或介质膜的方式分别形成第一反射面21和第二反射面22。将所述第一反射块a和所述第二反射块b装配到所述通孔11c内壁的特定位置上，以使所述第一斜面a1和所述第二斜面b1相对，从而形成所述反射结构2。
下一步，如图10所示，通过所述通孔11c在所述第二表面11b上的开口向所述通孔11c内注入特定物质。具体地，在所述通孔11c内填充铷(Rb87)或铯(Cs)元素之后，将第二透光片13(BF33或7740玻璃)放置在所述第二表面11b上并覆盖所述通孔11c，进行第二次阳极键合使所述第二透光片13封闭所述通孔11c在所述第二表面11b上的开口，以形成密封的腔A。在这里需要说明的是，键合前将所述腔A内抽真空，然后填充缓冲气体，使气压达到预设值(3kPa～3×102kPa)后，再进行阳极键合。
实施例2
基于上述的基本结构，本实施例提供了另外一种原子腔结构。如图5和图6所示，本实施例中，所述基片1包括：硅片11和第三透光片14(BF33或7740玻璃)。所述硅片11包括相对且平行的第一表面11a和第二表面11b以及凹槽11d。所述第三透光片14(BF33或7740玻璃)设置于所述第二表面11b并封闭所述凹槽11d在所述第二表面11b上的开口，从而形成封闭的所述腔A。
如图6所示(为了方便说明图中分离了第二透光片14(BF33或7740玻璃))，本实施例中多个所述反射结构2的反射面均朝向所述第三透光片14(BF33或7740玻璃)，也就是说本实施例中所述第一反射面21和所述第二反射面22朝向所述第三透光片14(BF33或7740玻璃)。其中，所述第一反射面(21)和所述第二反射面(22)延伸垂直相交，也就是说所述第一反射面21和所述第二反射面22以远离所述第一表面11a的方向继续延伸时会彼此垂直相交，此时所述第一反射面21垂直于所述第二反射面22(即所述第一反射面21与所述第一表面11a之间形成的锐角与所述第二反射面22与所述第一表面11a之间形成的锐角之和为90°)。
因此本实施例中，经所述第三透光片14(BF33或7740玻璃)垂直入射的第一光线和第二光线分别在不同组的所述第一反射面21上发生第一反射之后朝向对应的所述第二表面11b，所述第一光线和所述第二光线分别在对应的所述第二表面11b上发生第二反射后，又经所述第三透光片14(BF33或7740玻璃)垂直射出。
以此，在所述反射结构2的反射作用下所述第一光线和所述第二光线在被从所述第一反射面21反射到所述第二反射面22的光程中彼此正交。本实施例还提供了上述原子腔结构的制作方法，图10至图12为本实施例的原子腔结构的制作流程图。
如图11所示，首先提供一硅片11，所述硅片11具有相对且平行的第一表面11a和第二表面11b。在所述硅片11的所述第二表面11b上形成凹槽11d。具体地，在所述硅片11的第二表面11b上涂覆光刻胶，通过光刻的方式将预设的凹槽的开口形状转移到光刻胶上，然后以该光刻胶为掩膜层，通过干法刻蚀的方法在所述硅片11上制备出凹槽11d结构。
下一步，如图12所示，在所述凹槽11d的内壁上装配多个反射结构2。具体地，加工另一硅片形成至少三组反射块，每组反射块包括第一反射块a和第二反射块b。将研磨所述第一反射块a和所述第二反射块b以形成符合角度要求(具体是每组斜面夹角的锐角之和为90°)的第一斜面a1和第二斜面b1。抛光所述第一斜面a1和第二斜面b1后，通过沉积金属膜或介质膜的方式分别形成第一反射面21和第二反射面22。将所述第一反射块a和所述第二反射块b装配到所述通孔11c内壁的特定位置上，以使所述第一斜面a1和所述第二斜面b1相对并且所述第一斜面a1和所述第二斜面b1均面向于所述凹槽11d的开口，从而形成所述反射结构2。
下一步，如图13所示，通过所述凹槽11d在所述第二表面11b上的开口向所述凹槽11d内注入特定物质。具体地，在所述凹槽11d内填充铷(Rb87)或铯(Cs)元素之后，将第三透光片14(BF33或7740玻璃)放置在所述第二表面11b上并覆盖所述凹槽11d，之后进行阳极键合使所述第三透光片14(BF33或7740玻璃)封闭所述凹槽11d在所述第二表面11b上的开口，以形成密封的腔A。在这里需要说明的是，键合前将所述腔A内抽真空，然后填充缓冲气体，使气压达到预设值(3kPa～3×102kPa)后，再进行阳极键合。
基于实施例1和实施例2的设计理念，本发明的原子腔结构理论上可以设置无数个反射结构2，能够使无数个方向的激光与原子之间相互作用，并结合外磁场对腔体内特定元素的作用能够实现多组和/或多种物理量(如：角度，磁场等)的探测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种原子腔结构，其特征在于，所述原子腔结构包括：
基片(1)，具有封闭的腔(A)；
至少三组反射结构(2)，所述反射结构(2)设置于所述腔(A)的内壁上，所述反射结构(2)至少用于对射入所述腔(A)内的相应的第一光线进行反射，从而使所有的所述第一光线与射入所述腔(A)内的第二光线在所述腔(A)内正交后射出所述腔(A)外。
2.根据权利要求1所述的原子腔结构，其特征在于，所述反射结构(2)包括彼此相对的第一反射面(21)和第二反射面(22)，所述第一光线在被所述第一反射面(21)反射到所述第二反射面(22)的光程中与所述第二光线正交。
3.根据权利要求2所述的原子腔结构，其特征在于，所述基片(1)包括：硅片(11)、第一透光片(12)和第二透光片(13)；
所述硅片(11)包括相对且平行的第一表面(11a)和第二表面(11b)以及贯穿所述第一表面(11a)和所述第二表面(11b)的通孔(11c)，所述第一透光片(12)设置于所述第一表面(11a)上并封闭所述通孔(11c)在所述第一表面(11a)上的开口，所述第二透光片(13)设置于所述第二表面(11b)上并封闭所述通孔(11c)在所述第二表面(11b)上的开口，从而形成封闭的所述腔(A)。
4.根据权利要求3所述的原子腔结构，其特征在于，所述第一反射面(21)和所述第二反射面(22)平行，所述第一反射面(21)和所述第二反射面(22)之间的距离公式为：
其中H为所述第一反射面(21)和所述第二反射面(22)之间的距离，W为所述第一光线的射入光段与射出光段之间的距离，θ为所述第一反射面(21)与所述第一表面(11a)之间的锐角角度或者所述第二反射面(22)与所述第二表面(11b)之间的锐角角度；
或者所述第一反射面(21)和所述第二反射面(22)延伸垂直相交。
5.根据权利要求2所述的原子腔结构，其特征在于，所述基片(1)包括：硅片(11)和第三透光片(14)；
所述硅片(11)包括相对且平行的第一表面(11a)和第二表面(11b)以及凹槽(11d)，所述第三透光片(14)设置于所述第二表面(11b)并封闭所述凹槽(11d)在所述第二表面(11b)上的开口，从而形成封闭的所述腔(A)。
6.根据权利要求5所述的原子腔结构，其特征在于，所述第一反射面(21)和所述第二反射面(22)朝向所述第三透光片(14)；其中，所述第一反射面(21)和所述第二反射面(22)延伸垂直相交。
7.根据权利要求1-6任一所述的原子腔结构，其特征在于，所述第一光线和所述第二光线射入或射出所述腔(A)的方向垂直于所述基片(1)。
8.一种原子腔结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在硅片(11)中形成贯穿第一表面(11a)和第二表面(11b)的通孔(11c)，所述第一表面(11a)和所述第二表面(11b)相对且平行；
将第一透光片(12)设于所述第一表面(11a)上并封闭所述通孔(11c)在所述第一表面(11a)上的开口；
在所述通孔(11c)的内壁上装配多个反射结构(2)；
通过所述通孔(11c)在所述第二表面(11b)上的开口向所述通孔(11c)内注入特定物质；
将第二透光片(13)设于所述第二表面(11b)上并封闭所述通孔(11c)在所述第二表面(11b)上的开口。
9.根据权利要求8所述的制作方法，其特征在于，在所述通孔(11c)的内壁上装配所述反射结构(2)的方法包括：
在第一反射块(a)上形成第一斜面(a1)，且在第二反射块(b)上形成第二斜面(b1)；
在所述第一斜面(a1)和所述第二斜面(b1)上设置反射膜层，以分别形成第一反射面(21)和第二反射面(22)；
将所述第一反射块(a)和所述第二反射块(b)装配到所述通孔(11c)的内壁上，以使所述第一斜面(a1)和所述第二斜面(b1)相对，从而形成所述反射结构(2)。
10.一种原子腔结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一硅片(11)，所述硅片(11)包括相对且平行的第一表面(11a)和第二表面(11b)；
在所述硅片(11)的所述第二表面(11b)上形成凹槽(11d)；
在凹槽(11d)的内壁上装配多个反射结构(2)；
通过所述凹槽(11d)在所述第二表面(11b)上的开口向所述凹槽(11d)内注入特定物质；
将第三透光片(14)设于所述第二表面(11b)上并封闭所述凹槽(11d)在所述第二表面(11b)上的开口。
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