论文部分内容阅读
原子钟是利用原子超精细能级跃迁频率来实现精确计时的一种工具，基于CPT（Coherent population trapping，布局相干囚禁）原理的微型原子钟是原子钟微型化发展的必然方向，而CPT微型原子钟物理系统动力学、热学特性的深入研究和物理系统关键部件碱金属腔的制备对CPT微型原子钟的实现至关重要。本文围绕CPT微型原子钟物理系统的动力学、热学特性和铷腔的制备展开研究。通过有限元方法对物理系统动力学特性进行分析，同时通过理论计算、有限元方法和实验对物理系统的热学特性进行分析。然后从硅孔的制备与铷腔的封装两个方面对铷腔的制备工艺进行深入研究。具体来说本文的研究主要包括以下几个方面： 首先研究了87Rb原子能级结构，对87Rb原子Λ型三能级结构的形成进行了深入的分析，详细阐述了CPT原理，并对CPT微型原子钟的工作原理进行了介绍，为物理系统和铷腔的设计提供理论指导。 其次提出了一种CPT微型原子钟物理系统结构设计。应用有限元方法对物理系统进行了动力学分析，包括模态分析和瞬态分析，分析结果表明该物理系统最低固有频率为1911.39Hz，可承受500g，0.5ms加速度冲击。应用理论计算对物理系统的各个导热路径进行了分析，分析结果表明热辐射为导热功率最大的导热路径，在理论分析的基础上提出了采用镀低辐射率金涂层的方法来降低导热功率，通过有限元方法分别对真空下无封装外壳物理系统和真空下有封装外壳物理系统在不同位置镀金涂层时导热功率的降低效果进行了分析。仿真结果表明有封装外壳物理系统在工作区部分表面、封装外壳内表面和基座内表面都镀上金涂层后可以使物理系统的导热功耗降低至34.8mW。 再次根据碱金属腔的MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)制各方法进行了铷腔的MEMS设计，制定了详细的工艺流程，深入研究了铷腔的制备工艺，对不同的工艺进行了对比与分析，在大量实验的基础上摸索出一套成熟的工艺流程与工艺参数，并成功制备出微型铷腔。 最后对制备出的铷腔进行了吸收峰测试，提取出两个铷腔的测试结果进行对比，一个有明显的吸收峰，且区分度较大，另一个吸收峰不明显，由对比结果可知，通过第四章的工艺流程可以成功制备出铷腔，但同一批次的样品也会出现性能不好的铷腔。另外集成了无封装外壳CPT微型原子钟物理系统，对物理系统进行了热测试，测试结果与模拟结果相符，证明了第三章无封装外壳物理系统模拟结果具有较高的可信度，同时也间接证明了第三章有封装外壳物理系统模拟结果具有较高的可信度。