用于微小型化铷原子钟的MEMS Rb-85滤光泡的研究

　　原子钟也称为原子频标, 可以为卫星通信技术、全球卫星定位系统( GPS) 、雷达系统、交通控制系统以及电力调度等提供精确时间标准。传统的原子钟,体积大, 功耗高。在过去的20 年里, MEMS 技术发展十分迅速, 目前已经成为一个开发平台, 在这个平台上, 不同领域的科学家与工程技术人员可以探讨各种微型小型化系统。因此, 许多研究小组正在用MEMS技术来使原子钟的核心的物理部份( Physics Package)微小型化, 在满足频率/ 时间稳定性的要求的前提下,大幅度减小体积与功耗[ 1-2] 。由美国国家标准技术局( NIST)等研制的微小型原子钟都是基于相干布居囚禁( Coherent Population Trapping , 简称CPT) 原理,采用垂直腔表面发射激光管( Vertical Cavity SurfaceEmitt ing Laser, 简称VCSEL) 作为光源。这种方案体积与功耗都很小。但基于激光( 包括VCSEL) 的原子频标虽然频率的短稳指标甚至优于传统的原子频标, 但其频率长期稳定性一直没有在实际应用中得到验证。而在各种各样的原子频标中, 被动式铷原子钟具有良好的频率长期稳定度, 易于微小型化, 并且在地面以及卫星上都经过了长达十多年的实践检验。因此, 作者以前在进行芯片级原子钟研究的基础上[ 3] , 致力于应用MEMS 技术开发一种微小型化的被动式铷原子钟。

　　图1( a) 是被动式铷原子钟也称为铷气泡式原子频标的基本工作原理图, 即通过原子跃迁吸收的信号来控制本振晶体来输出一个稳定的频率/ 时间信号。图1( b) 是我们提出的应用MEMS 技术来制造的物理部分的示意图。它包括的87 Rb 谱灯、85 Rb滤光泡、87 Rb吸收泡与光电探测器, 外面包有隔热层, 其中87Rb谱灯、85 Rb滤光泡、87 Rb吸收泡都是应用MEMS 技术来制作。常规的滤光泡是用玻璃做成的, 是直径约1 cm、长度约0. 5~ 1 cm 的圆柱形玻璃泡, 对A线的滤光效率达90% 以上, 但对B 线也会造成30%左右的减弱。运用MEMS 技术制造的滤光泡, 厚度可以减小1 mm 以下, 因此能耗可以急剧降低, 但必须保证有较好的滤光效果, 不仅对A线有很好的滤光效率, 对B线的减弱要尽可能低, 以使紧挨着滤光泡的Rb-87 吸收泡能够获得较强的B线信号。

　　在本文中, 我们从理论上深入分析滤光泡滤光的过程, 建立起一个滤光泡的理论分析模型, 并运用此模型进行MEMS 85Rb 滤光泡的设计。

　　1 理论分析

　　铷元素在自然界中有两种同位素: 8 5 Rb 和8 7Rb。它们的能级图及跃迁谱线图如图2 所示。由于基态和激发态的超精细结构引起的谱线分裂, D1线和D2 线分别包含A线和B 线。而各自的A线B线又由更多的谱线组成, 但是, 由多普勒效应引起的多普勒线宽可达500 MHz, 由激发态的精细结构引起的谱线分裂与之相比, 可以忽略, 因此这里我们不予以考虑[ 4] 。