[發明專利]微制造的原子磁力儀以及形成方法

在審

• 申請號: 201280060708.5
• 申請日: 2012-12-07
• 公開（公告）號: CN104335060A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發明（設計）人: W·弗蘭茨;P·林多弗;P·J·霍波;P·羅茲賓;A·J·韋斯特;B·J·R·舒勒爾
• 申請（專利權）人: 德克薩斯儀器股份有限公司
• 主分類號: G01R33/02
• 分類號: G01R33/02
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

技術領域

本發明涉及原子磁力儀，并且更具體地涉及微制造的原子磁力儀和形成該磁力儀的方法。

背景技術

原子磁力儀是通過確定稱為拉莫(Larmor)頻率的頻率來測量磁場強度的設備。拉莫頻率是響應于磁場而旋進移動的堿金屬原子所包含的一組同相自旋的外層電子的磁矩的頻率。磁場強度B由公式B＝hv_L/γ來定義，其中h是普朗克常數，hv_L是拉莫頻率，且γ是磁旋比(例如，對于⁸⁷Rb是7Hz/nT，而對于Cs是3.5Hz/nT)。

圖1示出圖解說明現有技術的原子磁力儀100的示例的框圖。如圖1所示，原子磁力儀100包括垂直腔體表面發射激光器(VCSEL)110以及位于VCSEL110之上的光學封裝件112。此外，原子磁力儀100還包括位于光學封裝件112之上的蒸汽單元(vapor?cell)114以及位于蒸汽單元114之上的光電檢測器116。

此外，蒸汽單元114包含氣體118，該氣體包括堿金屬原子和緩沖原子，該堿金屬原子在外層中具有單個電子，該緩沖原子減少堿金屬原子與蒸汽單元114的內表面之間的碰撞。例如，蒸汽單元氣體通常用諸如⁸⁵Rb原子、⁸⁷Rb原子、K和Cs原子的堿金屬原子以及諸如N₂的緩沖原子來實現。此外，原子磁力儀100可選地包括位于蒸汽單元114之下的下部線圈120和位于蒸汽單元114之上的上部線圈122。

在操作中，VCSEL110輸出光，該光被光學封裝件112衰減且圓偏振。之后，由光學封裝件112輸出的圓偏振光被引導到蒸汽單元114中。由VCSEL110輸出的光被調諧至一頻率，當被圓偏振時，該頻率被包含在蒸汽單元114內的氣體118中的堿金屬原子的外層中的單個電子吸收。

例如，VCSEL110可以被調諧為輸出具有794.8nm的波長的光，在其被圓偏振之后，由⁸⁷Rb原子的外層中的單個電子吸收。VCSEL110可以替換地被調諧為輸出具有894.35nm的波長的光，其在被圓偏振之后，由Cs原子的外層中的單個電子吸收。

當堿金屬原子的外層中的單個電子吸收光能時，電子躍遷到較高能級，并且接著回落到與外層相關聯的數個能級(超精細能級內的塞曼(Zeeman)子能級)中的一個。量子選擇定則精確地定義：電子將產生哪一種狀態。如果電子吸收右旋圓偏振光，則電子上升到較高能級，同時電子的投影數量M上升﹢1。

當回落時，電子沿任意方向發射光子，并且總是回落到與外層相關聯的最高能級。此外，當電子回落時，電子的投影數量M也以隨機方式改變﹣1、0、﹢1。

因此，如果數個這類事件發生于同一電子，則每次電子都去到較高狀態，電子的投影數量M總是﹢1。然而，平均來看，因為電子下落到基態，電子的投影數量M的改變為0。結果，電子將最終落在基態的最高M能級上。在所考慮的氣體中，基態S_1/2和升高的P_1/2(或P_2/3)狀態具有相同數量的M個能級。因此，當電子達到基態的最高M能級時，因為在激發態中不存在更高的M能級，因此電子不能被注入(pump)。

為了再一次重吸收光，基態M個能級中的位置(population)必須被抽空(de-pumped)。額外的能量(磁或光)必須以被稱為拉莫頻率的頻率供應給電子。處于拉莫頻率的額外的能量使最高基態M能級的電子下降到與外層相關聯的較低M能級，在這里電子可以再次吸收光能。

因此，從蒸汽單元114傳到光電檢測器116的光子包括：非吸收分量，其表示由VCSEL110輸出的、不被蒸汽單元114內的氣體118的外層的電子吸收的光；以及發射分量，其表示由下落的電子隨機發射的光子。光電檢測器116檢測這些光子，并且產生輸出信號，該輸出信號同時具有非吸收分量和發射分量。

添加處于拉莫頻率的額外的能量的常見方法中的兩個是Bell-Bloom(BB)技術和M_X技術。在BB技術中，由VCSEL110輸出的光由在一頻率范圍上的頻率來調制。當由VCSEL110輸出的光以拉莫頻率進行頻率調制時，電子下降到較低能級并且開始重新吸收光能，這在由光電檢測器116接收的光的強度中造成顯著的下陷(dip)。因此，可以通過確定使接收的光的強度下陷的調制頻率來確定拉莫頻率。