碱金属原子气室是芯片级原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等量子传感仪器的核心器件，研究高性能碱金属原子气室与光的作用过程，是量子传感仪器高精度测量的需求，是实现芯片化计量测试传感的基础。国内外许多机构均开展了原子气室的研究。Hasegawa等人采用两步阳极键合技术制备了填充有Ar或者Ne缓冲气体的Cs原子气室，利用光谱学研究了可以满足原子钟工作需要的充有缓冲气体的原子气室的合适压力。中国计量院报道了用于芯片级原子钟的高气密性微型碱金属气室。通过蚀刻工艺和玻璃-硅-玻璃阳极键合来制备两个密封腔，通过激光微加工形成中间通道，封装后泄露率为5×10-8 mbar·L/s，并且通过优化缓冲气体压力来减小吸收光谱和相干布居囚禁（CPT）共振光谱线宽。研究人员通过碱金属原子气室的光谱学研究，不断探索改进气室稳定性、增加气室内原子寿命等的方法，但是对芯片级原子气室的气室腔尺寸、碱金属填充量对气室光谱的影响以及气室内碱金属蒸汽密度随温度的变化等问题很少有报道，这对芯片级原子气室的设计及制备意义重大。

航空工业北京长城计量测试技术研究所李维老师课题组采用MEMS工艺成功制备出高气密性的碱金属原子气室，泄漏率可以达到1×10-9 Pa·m3·s-1。他们研究了不同气室腔尺寸、不同Rb碱金属填充量、不同温度的原子气室内Rb蒸汽吸收光谱，发现原子气室内Rb蒸汽的吸收峰强度随着温度的升高而增强，这与气室腔内Rb原子蒸汽密度随温度升高而增大有关。原子气室在相同加热温度下，气室内Rb原子蒸汽的吸收峰强度与气室腔大小、RbN3填充量关系不大。经过理论计算140 ℃时Rb蒸汽达到饱和蒸汽状态需要填充RbN3的最小质量，分析气室内Rb原子是足量的，在每一个温度都可以达到饱和蒸汽状态，因此蒸汽原子密度相同，吸收峰强度也相同。

研究不同结构和温度的碱金属原子气室吸收光谱，为高质量芯片级原子气室的设计及制备提供指导和借鉴，为高精度芯片级原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等量子传感仪器的研制提供技术基础。

该文章以题为“Influences of Architecture and Temperature of Alkali Atom Vapor Cells on Absorption Spectra”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 碱金属原子气室实物图。

图2. 原子气室两个吸收峰峰值强度与气室腔直径的关系，原子气室加热温度130 ℃。

图3. 不同RbN3填充量的原子气室吸收光谱，原子气室加热温度为130 ℃。

文章信息：

Influence of architecture and temperature of alkali atom vapor cells on absorption spectra

Yali Liu, Wei Li, Yudong Li, Xiaokuan Li, Liangsen Feng, Xinliang Li

J. Semicond. 2022, 43(12): 122901 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/122901

Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/43/12/122901

来源：半导体学报