【摘要】：基于相干布居囚禁(Coherent Population Trapping,CPT)原理的被動型原子鐘,由于擺脫了微波腔的束縛,相比于主動型原子鐘,在很大程度上減小了結(jié)構(gòu)體積。同時,微機械系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技術(shù)的引入,取代了傳統(tǒng)的吹玻璃法工藝制造堿金屬氣室,從而使原子氣室尺寸從厘米量級降到了毫米量級,不僅縮小了物理系統(tǒng)體積,也大大降低了包括光源、探測、加熱單元在內(nèi)的功耗。因此,基于CPT共振原理的原子鐘又被稱之為芯片原子鐘(Chip Scale Atomic Clock,CSAC)。CSAC的頻率穩(wěn)定度比傳統(tǒng)的晶振鐘高出3~4個數(shù)量級,而在定位系統(tǒng)中,1μs的時鐘誤差將會引起近300 m的位置誤差,因此,高精度的時鐘在導航定位中顯得尤為重要。CSAC存在兩個關(guān)鍵問題,一是尺寸芯片化,二是頻率穩(wěn)定度最優(yōu)化。尺寸芯片化的關(guān)鍵在于原子氣室的芯片化,因此,制作高密封、多氣氛的原子氣室是核心技術(shù)。同時,原子氣室的優(yōu)劣也將直接決定整個原子鐘系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定度。論文主要對微型化的原子氣室進行了研究,主要工作分為以下幾點:第一,詳細說明了本課題的背景及意義,梳理了國內(nèi)外研究CPT原子鐘的發(fā)展脈絡以及研究進展;第二,研究了CPT原理,重點研究了原子氣室在微型化尺度下產(chǎn)生的碰撞、磁場偏移以及光位移對CPT共振的影響;第三,將CSAC的結(jié)構(gòu)分為兩個部分,電學系統(tǒng)與光學系統(tǒng),然后對兩者進行了詳細介紹,同時介紹了本課題采取的方案設計;第四,研究了MEMS氣室的制作流程,基于MEMS技術(shù),采用感應耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma,ICP)深硅刻蝕機刻蝕硅片,得到氣室結(jié)構(gòu)。結(jié)合陽極鍵合機,分兩次鍵合完成對氣室的封裝,得到了充有緩沖氣體與不含緩沖氣體兩種類型的氣室。在制備氣室的過程中,硅片的掩膜采用AZ4620光刻膠,同時研究了深硅刻蝕后硅片表面的形貌特征,計算了刻蝕過程中不同尺寸下刻蝕機對硅片的刻蝕速率,分析了不同尺寸下刻蝕速率差異的原因。第五,對不充緩沖氣體的堿金屬氣室進行了飽和吸收測試,對充有緩沖氣體的堿金屬氣室進行了CPT共振測試,測試結(jié)果表明:制備的不充緩沖氣體的微堿金屬氣室,在溫度為80℃的條件下具有明顯的飽和吸收現(xiàn)象;充有緩沖氣體的氣室也觀察到了CPT共振譜線。
【圖文】：

圖 1.1 Micor-PNT 與信息化戰(zhàn)場示意圖原子鐘以原子的振蕩頻率作為計時的基準，Cs 原子鐘的成功研制，在 1967 年的國計量大會中改變了人類對秒的定義[12-14]。原子內(nèi)部能級間的躍遷具有固有頻率，這一率可以用來鎖定本地晶振。芯片原子鐘是目前能夠?qū)崿F(xiàn)的最小化原子鐘，其原理是基相干布居囚禁，無需微波腔，具有結(jié)構(gòu)緊湊、簡單、微小的特點。工作物質(zhì)通常為銣b)或銫(Cs)[15-16]，光源可以用近年來新興的垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity Surfacmitting Laser，VSCEL)，，VCSEL 具有調(diào)制帶寬高、單縱模輸出、閾值電流低的特點[17]。傳統(tǒng)的晶振鐘相比，CSAC 不僅保留體積小的優(yōu)點，精度也比傳統(tǒng)晶振鐘高出 3~4 個量級，若說最好的石英鐘一年誤差 5~8s，難么 CSAC 在 1000 年內(nèi)的誤差不超過 2s[18]。于上述性能，CSAC 可以廣泛應用到各種通信設備中，以提高信號的傳輸?shù)目煽啃訡PT原子鐘是基于激光與原子相干作用的一種新型原子鐘，與傳統(tǒng)原子鐘相比，不要臃腫的微波腔，可以實現(xiàn)芯片級微型原子鐘。CSAC由于體積、功耗有望達到電子

中北大學學位論文場頻率之差與鈉原子基態(tài)超精細分裂頻率一致時，原子被束縛在基態(tài)的相干疊加態(tài))，此時原子不再吸收入射光子，產(chǎn)生電磁誘導透明現(xiàn)象，又稱相干布居囚禁。1[21]，加拿大科學家 Cyr 等人建議將 CPT 原理用在堿金屬原子鐘上，從此 CPT 原子到了廣泛的研究，美國對芯片原子鐘的研究脈絡見圖 1.2 所示。
【學位授予單位】：中北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH714.14

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本文編號：2642941