微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室的檢測(cè)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，目前出現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室的制作工藝，微結(jié)構(gòu)堿金屬氣 室是芯片原子鐘、微結(jié)構(gòu)原子磁力儀、微型原子陀螺等新原理量子傳感器件的核心部件，其 性能的狀態(tài)直接影響對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的性能指標(biāo)，尤其將來(lái)在磁成像陣列系統(tǒng)中，微結(jié)構(gòu)堿金屬 氣室中單個(gè)氣室將作為磁陣列成像敏感單元起到關(guān)鍵性作用。但由于堿金屬元素比較活 潑，常溫條件下極易與空氣中的氧氣和水等產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而失去作用，且易汽化，從而導(dǎo)致 微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室在制作過(guò)程中，各氣室堿金屬蒸汽原子密度有一定差異，且會(huì)出現(xiàn)一定 溫度下，堿金屬蒸汽原子密度未達(dá)到飽和蒸汽壓的情況，為了保證微結(jié)構(gòu)氣室中各個(gè)氣室 單元在使用中的一致性，以便后續(xù)各個(gè)單元處理，防止成像單元出現(xiàn)盲點(diǎn)等問(wèn)題，因此在微 結(jié)構(gòu)堿金屬氣室制作后，需要對(duì)微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室進(jìn)行檢測(cè)篩選。隨著微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室 的高集成化發(fā)展，現(xiàn)有單個(gè)氣室排查的檢測(cè)方式只能逐個(gè)對(duì)氣室進(jìn)行檢查，導(dǎo)致光路調(diào)制 耗時(shí)且檢測(cè)成本高，不能保證各氣室單元檢測(cè)的一致性，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此不利于 微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室的檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有堿金屬氣室檢測(cè)裝置只能逐個(gè)對(duì)氣室進(jìn)行檢查，導(dǎo)致光路 調(diào)制耗時(shí)且檢測(cè)成本高，而且由于不能保證各氣室單元檢測(cè)的一致性，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn) 確，從而提供微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝置和采用該裝置檢測(cè)微結(jié)構(gòu) 堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度方法。
[0004] 微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝置，包括激光器、準(zhǔn)直系統(tǒng)、衰減 器、擴(kuò)束鏡、采集信號(hào)處理電路、標(biāo)準(zhǔn)氣室組件、凸透鏡和光電管陣列，
[0005] 準(zhǔn)直系統(tǒng)將激光器出射的光束準(zhǔn)直透射到衰減器，衰減器將光束透射到擴(kuò)束鏡， 擴(kuò)束鏡將光束準(zhǔn)直透射到微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室或標(biāo)準(zhǔn)氣室組件，微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室或標(biāo)準(zhǔn)氣 室組件的氣室單元將光束透射到凸透鏡，凸透鏡將光束聚集到光電管陣列的光電管，每個(gè) 光電管的信號(hào)輸出端連接采集信號(hào)處理電路中相應(yīng)光電管的信號(hào)輸入端，采集信號(hào)處理電 路的控制信號(hào)輸出端連接激光器的控制信號(hào)輸入端。
[0006] 激光器為包含堿金屬原子吸收譜線的可調(diào)制激光器。
[0007] 上述光電管陣列與凸透鏡的距離為1，I = f (I-Ii2A1),其中f為凸透鏡的焦距，h2為光電管陣列中光電管單元的邊長(zhǎng)，Ii1為堿金屬氣室單元的邊長(zhǎng)。
[0008] 上述光電管陣列為與微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室相匹配的光電管陣列。
[0009] 采用上述微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝置檢測(cè)微結(jié)構(gòu)堿金屬 氣室堿金屬蒸汽原子密度的方法，該方法包括以下步驟：
[0010] 步驟一、在激光器的調(diào)制信號(hào)輸入端輸入掃描波形；
[0011] 步驟二、調(diào)節(jié)衰減器，使輸入到標(biāo)準(zhǔn)氣室組件(6)的每個(gè)氣室單元的光功率為 1 μ ff-50 μ ff ；
[0012] 步驟三、將標(biāo)準(zhǔn)氣室組件放置于擴(kuò)束鏡和凸透鏡之間的平行光區(qū)域；
[0013] 步驟四、采集信號(hào)處理電路對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣室組件測(cè)試后，用微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室替換標(biāo) 準(zhǔn)氣室組件，得出各堿金屬氣室單元的堿金屬蒸汽原子密度。
[0014] 上述步驟一中輸入三角波疊加正弦波的掃描波形。
[0015] 上述步驟一中輸入三角波的頻率為Hz數(shù)量級(jí)，疊加的正弦波為KHz數(shù)量級(jí)。
[0016] 上述輸入到標(biāo)準(zhǔn)氣室組件（6)的每個(gè)氣室單元的光功率為4 μ W。
[0017] 本發(fā)明所述的微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝置，激光器為包含 堿金屬原子吸收譜線的可調(diào)制激光器，由于氣室單元光程較短，其吸收較弱，為提高信噪 比，要對(duì)激光器輸出到氣室的光功率進(jìn)行調(diào)整，因此在激光器后端設(shè)置光衰減器，以控制光 功率，提高信噪比。準(zhǔn)直系統(tǒng)與擴(kuò)束鏡實(shí)現(xiàn)了將平行光束的光斑照射到微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室 或標(biāo)準(zhǔn)氣室組件。由于微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室與光電管陣列具有相似性，因此經(jīng)各堿金屬氣室 出射的光束通過(guò)凸透鏡聚焦后分別透射到相應(yīng)的光電管，采集信號(hào)處理電路將檢測(cè)信號(hào)與 標(biāo)準(zhǔn)氣室的檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比和分析，實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)各氣室單元的堿金屬蒸汽原子密度的檢 測(cè)，相對(duì)于現(xiàn)有逐個(gè)氣室的檢測(cè)方法，本發(fā)明不必每檢測(cè)一個(gè)氣室就重新調(diào)制光路，檢測(cè)過(guò) 程中調(diào)制光路省時(shí)且檢測(cè)成本低。逐個(gè)氣室的檢測(cè)方式，由于檢測(cè)每個(gè)氣室時(shí)的外界條件 不能保證相同，因而無(wú)法保證各氣室單元檢測(cè)的一致性，而本發(fā)明是對(duì)各氣室單元在相同 的環(huán)境下同時(shí)檢測(cè)，可以保證各氣室單元檢測(cè)的一致性，提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。
[0018] 本發(fā)明所述的微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)方法，為了解決中心 波長(zhǎng)難以嚴(yán)格穩(wěn)定對(duì)準(zhǔn)氣體吸收峰的問(wèn)題，在激光器的調(diào)制信號(hào)輸入端輸入三角波形，從 而保證即使激光器的中心波長(zhǎng)受溫度、電流波動(dòng)影響產(chǎn)生漂移，也可以保證在波長(zhǎng)變化范 圍內(nèi)掃描到吸收峰，輸入的正弦波形調(diào)制激光器的輸出頻率和輸出光強(qiáng)，使激光器產(chǎn)生諧 波信號(hào)，通過(guò)諧波的檢測(cè)方式計(jì)算出堿金屬蒸汽原子密度。采集信號(hào)處理電路對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣室 和各氣室單元的堿金屬蒸汽原子密度信號(hào)采集與計(jì)算分析，得出陣列中各氣室單元的堿金 屬蒸汽原子密度。相對(duì)于現(xiàn)有逐個(gè)氣室的檢測(cè)方法，本發(fā)明不必每檢測(cè)一個(gè)氣室就重新調(diào) 制光路，檢測(cè)過(guò)程中調(diào)制光路省時(shí)、檢測(cè)成本低；逐個(gè)氣室的檢測(cè)方式，由于檢測(cè)每個(gè)氣室 時(shí)的外界條件不能保證相同，因而無(wú)法保證各氣室單元檢測(cè)的一致性，而本發(fā)明是對(duì)各氣 室單元在相同的環(huán)境下同時(shí)檢測(cè)，可以保證各氣室單元檢測(cè)的一致性，提高了測(cè)量結(jié)果的 準(zhǔn)確性。
[0019] 本發(fā)明適用于芯片原子鐘、微結(jié)構(gòu)原子磁力儀、微型原子陀螺等微結(jié)構(gòu)設(shè)備的檢 測(cè)，特別適用于將圓片級(jí)微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室作為磁陣列成像敏感單元的成像系統(tǒng)的檢測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是【具體實(shí)施方式】一所述的微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝 置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖2是【具體實(shí)施方式】八所述的20kHz正弦波形圖。
[0022] 圖3是【具體實(shí)施方式】八所述的IOOHz的三角波形圖。
[0023] 圖4是【具體實(shí)施方式】八所述的IOOHz的三角波疊加20kHz正弦波后的波形圖。
[0024] 圖5是【具體實(shí)施方式】八所述的多普勒展寬的銣原子吸收譜。
[0025] 圖6是【具體實(shí)施方式】三中的微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026] 圖7是【具體實(shí)施方式】三中的光電二極管陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0027] 一：參照?qǐng)D1具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的微結(jié)構(gòu)堿金 屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝置，包括激光器1、準(zhǔn)直系統(tǒng)2、衰減器3、擴(kuò)束鏡4、采 集信號(hào)處理電路5、標(biāo)準(zhǔn)氣室組件6、凸透鏡7和光電管陣列8，
[0028] 準(zhǔn)直系統(tǒng)2將激光器1出射的光束準(zhǔn)直透射到衰減器3,衰減器3將光束透射到擴(kuò) 束鏡4,擴(kuò)束鏡4將光束準(zhǔn)直透射到微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室或標(biāo)準(zhǔn)氣室組件6,微結(jié)構(gòu)堿金屬氣 室或標(biāo)準(zhǔn)氣室組件6的氣室單元將光束透射到凸透鏡7,凸透鏡7將光束聚集到光電管陣 列8的光電管，每個(gè)光電管的信號(hào)輸出端連接采集信號(hào)處理電路5中相應(yīng)光電管的信號(hào)輸 入端，采集信號(hào)處理電路5的控制信號(hào)輸出端連接激光器1的控制信號(hào)輸入端。
[0029] 米集信號(hào)處理電路5的每個(gè)信號(hào)輸入端與每個(gè)光電管的信號(hào)輸出端 對(duì)應(yīng)。
【具體實(shí)施方式】 [0030] 二：本實(shí)施方式是對(duì)一所述的微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金 屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝置作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，光電管陣列8與凸透鏡7的距離 為1，I = f (I-IVh1),其中f為凸透鏡7的焦距，h2為光電管陣列8中光電管單元的邊長(zhǎng)， Ii1為堿金屬氣室單元的邊長(zhǎng)。
【具體實(shí)施方式】 [0031] 三：參照?qǐng)D6和圖7具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是對(duì)具體實(shí)施 方式一所述的微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室堿金屬蒸汽原子密度的檢測(cè)裝置作進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方 式中，光電管陣列8為與微結(jié)構(gòu)堿金屬氣室相匹