CN113063452A - 一种由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室。该气室为由具有特殊电磁性能的超材料键合而成的立方气室，其中平行的第一表面(1)、第三表面(3)由具有理想电导体(PEC)特性的材料构成，平行的第二表面(2)、第四表面(4)由具有理想磁导体特性(PMC)的材料构成，第五表面(5)为具有高透射性能的玻璃表面，与之相对的第六表面(6)对电磁波具有高吸收率(Absorber)特性，若第六表面(6)含石墨烯材料，可利用电压对其吸波频率实现动态调谐。通过这种结构的原子气室，可以有效破坏由于平行玻璃表面在微波电场中形成的法布里‑珀罗腔共振条件，从而缩小原子气室内部电场与真实电场之间的偏差，提高微波测量准确度。本发明还提供了这种原子气室的加工流程。
Description
技术领域
本发明提出了一种利用电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室及加工流程，该发明适用于基于量子效应的量子传感和精密测量。
背景技术
在国际单位制变革的历史背景下，依托量子效应对物理量进行精密测量的需求性日益增长和重要性必要性不断体现。原子气室作为量子传感的核心无源器件，对物理量的精密测量具有十分重要的影响。通常而言，原子气室由两部分组成，一部分为由非金属材料制成的腔体，另一部分为腔体内部填充的原子气体。腔体常通过玻璃吹制、胶合、玻璃融化粘合、阳极键合、直接键合等工艺制成，通过预留孔径，先将腔体内部抽至真空，之后将需要的碱金属原子填充到腔体当中，形成相对稳定的环境，气室可以根据测试需求制成不同的大小和形状。原子气体是该器件用于传感的核心载体，通过原子与待测物理量的相互作用实现对待测物理量地精确测量，常见填充气体为碱金属原子气体。原子气室在原子磁量计、原子钟、原子陀螺仪、微波传感等量子精密测量领域都发挥着重要的作用。
利用微波电场与碱金属原子的高能态能级(里德堡能级)之间的量子相干效应，可以实现对微波电场的高灵敏度、高准确性测量。这种基于量子效应的全新测量方法，可将电场强度直接溯源到普朗克常数，打破了传统微波测量的技术瓶颈，该方法在高精密测量和军事领域具有很重要的应用价值。
封装着工作原子的原子气室，虽然是无源器件，但是会影响到量子传感的电磁特性以及测量的准确性。其原因主要包括两个方面，第一是原子在腔体内部分布不均匀，第二是原子气室本身的问题。原子气体在腔体内部的分布受到温度、压强等因素的影响，原子气体由于环境的变化会出现聚集和凝结等现象，从而对传感特性产生影响。原子气室由于加工技术及材料等问题，气室室壁可能会存在构造缺陷，该缺陷和气室顶角部分会对电磁场产生散射效应导致气室内部的电场强度、极化分布与入射电磁场存在差异，即与原子相互作用的电磁场与真正的待测电场具有偏差。另外，由于气室具有平行的表面，当电磁波入射时，会形成法布里-珀罗谐振腔产生共振，也会导致气室内部电磁场不同于外部电磁场。
综述所述，如何降低由于气室本身的腔体谐振和电磁散射效应对电场带来的扰动，提高该无源器件的测量准确度，制备出一种低扰动、适用于自用空间微波电场精密测量的原子气室，对于微波精密测量领域具有非常重要的应用价值。
发明内容
技术问题：本发明旨在通过用人为设计的基于玻璃基底超材料代替原子气室室壁的方法，改变气室室壁材料的电磁性能，达到打破法布里-珀罗谐振的谐振条件的目的，进行减少内部电场与外部电场的误差，提高测量精度和准确度。
技术方案：本发明提供了一种由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室，其包括三组相对的平行表面，该低电磁扰动原子气室为六面体状，包括具有理想电导体(PEC)特性上下平行的第一表面、第三表面，具有理想磁导体(PMC)特性前后平行的第二表面、第四表面，左右平行的对电磁波具有高透射性能第五表面，和与之相对的具有高吸收率特性(Radar-absorbing material)的第六表面。
其中，
所述的第六表面由一种基于玻璃基底的超材料构成，该超材料由亚波长厚度的、小型化、二维周期阵列单元构成，对特定频率或者某一带宽频率具有较高的吸收率，该吸收频率可以通过对阵列单元的结构进行设计实现调节，视为电磁吸波体(Absorber)。
所述二维周期阵列单元，利用图案化的石墨烯结构构造阵列单元，通过外加电压的方式，实现对吸波频率的动态调谐。
所述第一表面及第三表面具有理想电导体特性，即电场切向分量和磁场法向分量为零，该表面通常可通过在玻璃表面镀金属薄膜实现。
所述第二表面、第四表面具有理想磁导体特性，即磁场切向分量和电场法向分量为零，该表面可利用认为设计的亚波长金属阵列结构实现。
本发明的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室的制备方法具体如下：
步骤一、超材料结构设计：利用电磁仿真软件，设计第二表面、第四表面、第六表面(6)要求的超材料结构。
步骤二、电磁超材料加工：利用薄膜金属制备方法，在玻璃基材上制备金属薄膜，之后根据设计结构情况利用光刻工艺对金属薄膜进行结构化处理，来加工出符合第一表面、第三表面、第二表面、第四表面、第六表面要求的超材料；
步骤三、气室封装：采用键合工艺将所述六个表面结合为立方体，该方法需要在任一表面预留金属气体充气管道；
步骤四、原子气体填充：将真空系统与充气管道相接，向所述气室内填充原子蒸气，原子气室加工过程完成；
步骤五、外接电源：若采用石墨烯结构，则需要在第六表面焊接引脚，之后连接电源。
所述步骤一中的超材料结构，基底材料为具有耐高温、硬度高、透光性强的高硼硅玻璃。
所述步骤二中薄膜金属制备方法采用磁控溅射或热蒸镀工艺。
所述步骤二的电磁超材料加工，还能将超材料结构通过化学刻蚀的方法制备成柔性微带线路板，通过紫外光固化，将其粘附于玻璃表面。
所述在任一表面预留金属气体充气管道，考虑到加工及性能影响，预留金属气体充气管道优先选择第第一表面、第三表面、第五表面。
有益效果：本发明通过合理设计基于玻璃基底的电磁超材料，将电磁超材料利用键合的方式组成原子气室，通过对气室室壁电磁性能的调控，可以破坏原子气室存在的法布里-珀罗谐振条件，减少原子气室内部电场与外部电场的差异，旨在为微波量子精密测量和量子传感提供一种新型的传感器，以提高测量准确性。
附图说明
图1a为本发明的提出的不含石墨烯结构气室结构示意图，图1b为本发明提出的含石墨烯结构气室结构示意图；
图2为本发明提出的原子气室的加工流程示意图；
图3为常规原子气室和本发明提出的新型原子气室的计算模型；
图4为常规原子气室和本发明提出的新型原子气室的内部电场的强度及极化分布；
图5为常规原子气室和本发明提出的新型原子气室内部三个中心轴(x,y,z轴)上电场强度分布对比图；
图中有：第一表面1、第二表面2、第三表面3、第四表面4、第五表面5、第六表面6。
具体实施方式
为了便于深刻理解本发明，实施方案的说明将结合附图进行具体的阐述。
本发明提供了一种由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室，图1为本发明的原子气室结构示意图。本发明提出的原子气室是由六个表面构成的立方腔体，这六个表面分别为具有理想电导体(PEC)特性的平行第一表面1、第三表面3，具有理想磁导体特性(PMC)的平行第二表面2、第四表面4，对电磁波具有高透射性能第五表面5，和与之相对的对电磁波具有高吸收率特性的第六表面6。
第一表面1和与之平行的第三表面3通常可以由一层金属薄膜实现，在该表面处电场切向分量与磁场法向相量在该表面为零，具有理想电导体特性(PEC)。常用可以通过磁控溅射或热蒸发镀膜工艺在玻璃表面制备金属薄膜实现。
第二表面2和与之平行的第四表面4由具有理性磁导体(PMC)特性的超材料构成，该种材料由亚波长周期性阵列单元组成，常规的结构为EBG等结构，在该表面处磁场切向分量和电场法向分量为零。
第五表面5由对微波电磁波具有高透射性能、耐高温、硬度高的玻璃材料制成，如SCHOTT公司的
3.3,CORNING公司的
7740和国产浮法高硼硅玻璃3.3等，不进行特殊的电磁处理。
第六表面6由对电磁波具有高吸波性能的电磁超材料组成，该种材料由亚波长周期性阵列结构单元构成，对工作频率具有较高的吸收效率，如果超材料含石墨烯结构，可以通过外接电源的方式对其吸波频率实现动态调谐。
图2为本发明提出的原子气室工艺流程图，该种原子气室的制备主要包括以下步骤：
步骤一、电磁超材料仿真设计：利用现有的商业电磁仿真计算软件，设计出符合上述提出的电磁特性超材料具体结构，包括用于构造第二表面2、第四表面4的具有理想磁导体特性的人工磁导体；用于构造第五表面5、对工作频律具有良好吸收效率的理想吸波材料(Absorber)，在验证每个具体结构特性满足需求之后，进行加工实施。
步骤二、电磁超材料加工：
图1所示的相互平行的第一表面1、第三表面3具有理想电导体(PEC)性质，在该表面处电场切向分量和磁场法向分量为零。金属及其他良导体可以有效的模仿理想电导体的特性，在电磁领域常被近似为理想电导体。
图1所示的相互平行的第二表面2、第四表面4具有理想磁导体(PMC)性质，在该表面处磁场切向分量和电场的法向分量为零。该电磁性能可以由人为设计的亚波长周期性阵列单元实现，这种性能的材料称为人工磁导体(AMC，Artificial Magnetic Conductor)，常见结构为金属-介质混合型电磁带隙结构(EBG结构)，其主要代表结构为蘑菇型(Mushroom)和单平面印刷型UC-PBG结构，AMC可以在工作频段具有零反射相位特性，类似于理想磁导体特性。
图1所示的第六表面6是人工设计的亚波长周期的金属阵列结构，通过对该结构的合理设计，可以实现对工作频段电磁波实现较高的吸收，其本质表现为一个电磁吸波器(Absorber)，其结构可以为周期性金属结构阵列，可以包含石墨烯结构。
原子气室各表面的制备都可以通过薄膜制备技术，掩膜、光刻等技术将构成电磁超材料的阵列单元制备到玻璃基材上，或通过现有的电路板加工技术在聚酰亚胺薄膜上制备设计的阵列结构，之后利用紫外胶在紫外光照射下固化在玻璃基底上，石墨烯可以通过化学气相沉积制备，之后根据需求图案化，并将其转移到玻璃基材上。
步骤三、气室封装：将上述预先制备好的超材料切面进行高精度平整加工，并保持表面干净，之后将原子气室的六个表面按照图1所示进行键合，形成一个封闭的原子气室。其中在第一表面1或第三表面3留有充气管道。
步骤四、原子气体填充：将填充管道接入真空系统，先抽至真空，后向原子气室中填充碱金属原子蒸气，原子气室加工过程至此全部结束。
步骤五、外接电源：如果采用石墨烯结构，则需要在第六表面6焊接引脚，之后连接电源。
本实施案例基于有限元电磁方法仿真了本发明提出的原子气室电磁特性，对比了传统气室和提出的新型气室(不含石墨烯结构)中电场分布情况。图3为计算两种气室的仿真模型，为了消除其他因素的影响，两种气室内部腔体几何尺寸相同，同为内径尺寸为30mm×30mm×30mm的立方体结构，采用康宁7740玻璃为基材(介电常数为4.6，电损耗角为0.026)，各个表面壁厚均设置为0.5mm，其中提出的新型气室各个表面边界条件分别设置为具有理想电导体特性的Perfect E、理想磁导体特性的Perfect H和高吸收效率特性的理想匹配层PML。
图4给出了常规原子气室和本发明提出的新型原子气室电磁特性计算结果对比分析。仿真中电磁波的强度为1V/m，波矢为x轴正方向，电场方向垂直于第一表面1和第三表面3(模型中为xy平面)，磁场方向垂直于第二表面2和第四表面4(模型中为xz表面)。仿真对比了气室沿着x,y,z方向中轴线上电场强度的分布，距中心距离正值表示轴向的正方向。与常规气室相比，发明提出的新型气室内部中轴线上中心位置附近的电场分布扰动较小，更接近入射电场的强度。
本发明提出了一种基于超材料的低电磁扰动原子气室，通过人为调控原子气室室壁的电磁特性，将具有理想电导体、理想磁导体、高吸波效率、高透射率的材料，利用键合的方式组装成立方体，减小了由于原子气室内部FP腔产生的谐振效应，从而减小了与入射待测电磁场之间的误差，提高了测量准确度，保证了溯源的有效性。
可以理解的是，虽然本发明已经较为详实地披露了实施方案，然后上述实施列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，在不脱离发明技术方案范围情况下，都可利用上述阐述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 (10)
1.一种由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室，其特征在于，该低电磁扰动原子气室为六面体状，包括具有理想电导体特性上下平行的第一表面(1)、第三表面(3)，具有理想磁导体特性前后平行的第二表面(2)、第四表面(4)，左右平行的对电磁波具有高透射性能第五表面(5)，和与之相对的具有高吸收率特性的第六表面(6)。
2.如权利要求1所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室，其特征在于：所述的第六表面(6)由一种基于玻璃基底的超材料构成，该超材料由亚波长厚度的、小型化、二维周期阵列单元构成，对特定频率或者某一带宽频率具有较高的吸收率，该吸收频率可以通过对阵列单元的结构进行设计实现调节，视为电磁吸波体。
3.如权利要求2所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室，其特征在于：所述二维周期阵列单元，可利用图案化的石墨烯结构构造阵列单元，通过外加电压的方式，实现对吸波频率的动态调谐。
4.如权利要求1所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室，其特征在于：所述第一表面(1)及第三表面(3)具有理想电导体特性，即电场切向分量和磁场法向分量为零，该表面通常可通过在玻璃表面镀金属薄膜实现。
5.如权利要求1所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室，其特征在于：所述第二表面(2)、第四表面(4)具有理想磁导体特性，即磁场切向分量和电场法向分量为零，该表面可利用认为设计的亚波长金属阵列结构实现。
6.一种如权利要求1、2、3、4或5所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室的制备方法，其特征在于，该制备方法具体如下：
步骤一、超材料结构设计：利用电磁仿真软件，设计第二表面(2)、第四表面(4)、第六表面(6)要求的超材料结构。
步骤二、电磁超材料加工：利用薄膜金属制备方法，在玻璃基材上制备金属薄膜，之后根据设计结构情况利用光刻工艺对金属薄膜进行结构化处理，来加工出符合第一表面(1)、第三表面(3)、第二表面(2)、第四表面(4)、第六表面(6)要求的超材料；
步骤三、气室封装：采用键合工艺将所述六个表面结合为立方体，该方法需要在任一表面预留金属气体充气管道；
步骤四、原子气体填充：将真空系统与充气管道相接，向所述气室内填充原子蒸气，原子气室加工过程完成；
步骤五、外接电源：若采用石墨烯结构，则需要在第六表面(6)焊接引脚，之后连接电源。
7.如权利要求6所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室的制备方法，其特征在于，所述步骤一中的超材料结构，基底材料为具有耐高温、硬度高、透光性强的高硼硅玻璃。
8.如权利要求6所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室的制备方法，其特征在于，所述步骤二中薄膜金属制备方法采用磁控溅射或热蒸镀工艺。
9.如权利要求6所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室的制备方法，其特征在于，所述步骤二的电磁超材料加工，还能将超材料结构通过化学刻蚀的方法制备成柔性微带线路板，通过紫外光固化，将其粘附于玻璃表面。
10.如权利要求6所述的由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室的制备方法，其特征在于，所述在任一表面预留金属气体充气管道，考虑到加工及性能影响，预留金属气体充气管道优先选择第第一表面(1)、第三表面(3)、第五表面(5)。
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2021
- 2021-03-23 CN CN202110309287.6A patent/CN113063452A/zh active Pending
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