薄膜技術(shù)在原子頻標(biāo)中的應(yīng)用

崔敬忠，陳大勇，張金海，涂建輝，楊 煒，劉志棟

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

原子頻標(biāo)的原理是利用原子能級之間的固有能量差，通過激發(fā)電子躍遷獲得與該能量差相關(guān)的穩(wěn)定頻率。目前，原子頻標(biāo)已廣泛應(yīng)用于守時(shí)、授時(shí)、導(dǎo)航定位、通信和基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域。經(jīng)過幾十年的技術(shù)積累和發(fā)展，傳統(tǒng)型原子頻標(biāo)例如銣原子頻標(biāo)、銫原子頻標(biāo)和氫原子頻標(biāo)等的可靠性以及性能指標(biāo)都得到了顯著提升。其中銣原子頻標(biāo)由于結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航定位、國防、通信等領(lǐng)域[1]；銫原子頻標(biāo)作為一級時(shí)間頻率計(jì)量儀器，具有準(zhǔn)確度高、長期穩(wěn)定性好、可靠性高、漂移率低以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)間頻率系統(tǒng)的核心儀器；氫原子頻標(biāo)分為主動(dòng)型和被動(dòng)型，主動(dòng)型氫原子頻標(biāo)具有極好的中短期頻率穩(wěn)定度，但是質(zhì)量和體積較大，主要用于頻率校準(zhǔn)和比對；被動(dòng)型氫原子頻標(biāo)既具有銣原子頻標(biāo)小體積、高可靠性和優(yōu)秀的中短期頻率穩(wěn)定度的特點(diǎn)，又具有銫原子頻標(biāo)低漂移率等優(yōu)勢，是導(dǎo)航衛(wèi)星較理想的星載原子頻標(biāo)。此外，一些新型原子頻標(biāo)也得到了迅猛發(fā)展，例如微型原子頻標(biāo)、汞離子頻標(biāo)以及冷原子頻標(biāo)等為下一代星載原子頻標(biāo)提供了更多的可能和選擇。

原子頻標(biāo)由物理部分和電路部分構(gòu)成，其研制過程中會(huì)采用一些新技術(shù)和新方法，用以優(yōu)化相應(yīng)的技術(shù)狀態(tài)和參數(shù)，獲得更高的性能。薄膜技術(shù)是原子頻標(biāo)物理部分研制和性能優(yōu)化過程中不可或缺的技術(shù)，通過薄膜技術(shù)對物理部分中相關(guān)物理量進(jìn)行精細(xì)控制，可以改善和提高原子頻標(biāo)的性能。本文對銣原子頻標(biāo)、銫原子頻標(biāo)和氫原子頻標(biāo)等傳統(tǒng)原子頻標(biāo)物理部分研制過程中所涉及的薄膜技術(shù)進(jìn)行了梳理，對其在性能提升方面的作用進(jìn)行了總結(jié)。同時(shí)對汞離子頻標(biāo)、微型CPT原子頻標(biāo)等新型原子頻標(biāo)中薄膜技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并對下一代星載原子頻標(biāo)中薄膜技術(shù)的重要作用和發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 傳統(tǒng)原子頻標(biāo)中的薄膜技術(shù)

1.1 薄膜技術(shù)對于銣原子頻標(biāo)性能的優(yōu)化提升

銣原子頻標(biāo)在體積、質(zhì)量、成本和功耗等方面具有一定的優(yōu)勢，在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。GPS、Galileo和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)均采用銣原子頻標(biāo)作為空間頻率基準(zhǔn)。

圖1為銣原子頻標(biāo)物理部分示意圖。銣光譜燈發(fā)出的特征光譜經(jīng)濾光泡在吸收泡內(nèi)發(fā)生微波共振后由光檢測器檢出。銣光譜燈內(nèi)充有的87Rb和有一定壓力（～2.6×10-2Pa）的緩沖氣體，如氬（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe）等，在射頻激勵(lì)條件下發(fā)出87Rb的特征譜線（780 nm和795 nm等）以及緩沖氣體的特征譜線。緩沖氣體相應(yīng)的譜線對于光抽運(yùn)過程無貢獻(xiàn)，但是會(huì)被光檢測器檢到，成為光噪聲，影響銣原子頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。為了降低光噪聲，可以在燈泡和濾光泡之間增加一個(gè)光學(xué)濾光片，濾除緩沖氣體對應(yīng)的特征譜線。由于不同緩沖氣體的特征譜線峰位和強(qiáng)度不同，必須進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，同時(shí)盡量選用特征譜線遠(yuǎn)離87Rb特征譜線的緩沖氣體，以便于光學(xué)濾光的實(shí)現(xiàn)。目前常用的緩沖氣體以Xe為主，原因是Xe的主要特征譜線波長為823 nm，距離銣的特征譜線較遠(yuǎn)[2]，同時(shí)Xe的電離電位較低（12.1 V）[3]，光譜燈容易起輝。采用電子束蒸發(fā)沉積薄膜技術(shù)制備光學(xué)濾光片[4]，通過對每層薄膜厚度的合理設(shè)計(jì)和嚴(yán)格控制，可以獲得穩(wěn)定的濾光效果[5]。

圖1 銣原子頻標(biāo)物理部分示意圖Fig.1 The physical part of the rubidium atomic frequency standard

圖2為銣光譜燈使用濾光片優(yōu)化后的光譜測試結(jié)果，其中圖2（a）為未濾光的銣光譜燈亮度測試結(jié)果，圖2（b）為濾光后的測試結(jié)果。對比可以看出，使用濾光片后雜散光濾除得很干凈。

圖2 濾光前后銣燈光譜圖Fig.2 The comparison for the spectrum characteristics between filtered and unfiltered the rubidium lamp light

目前國內(nèi)外星載銣原子頻標(biāo)均采用了光學(xué)濾光技術(shù)，使得銣原子頻標(biāo)的短期頻率穩(wěn)定度得到提高，進(jìn)入了10-13量級，向小系數(shù)10-13邁進(jìn)，甚至優(yōu)于被動(dòng)氫原子頻標(biāo)的指標(biāo)[6]。圖3為武漢物理與數(shù)學(xué)研究所銣原子頻標(biāo)的短期頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果，可以看出，銣原子頻標(biāo)的短期頻率穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到1.91×10-13/1s。美國GPSIII星載銣原子頻標(biāo)采用光學(xué)濾光和其他改進(jìn)措施后，長期穩(wěn)定度有了進(jìn)一步提升，5天取樣時(shí)間的穩(wěn)定度達(dá)到8.55×10-16，是當(dāng)前星載銣原子頻標(biāo)的最高指標(biāo)[7]。

圖3 經(jīng)過光學(xué)濾光的銣原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度曲線Fig.3 The frequency stability of the optimized rubidium frequency standard

影響銣原子頻標(biāo)的重要因素是溫度，為此，必須對長期穩(wěn)定度要求較高的銣原子頻標(biāo)進(jìn)行多級控溫，即降低銣原子頻標(biāo)物理部分的溫度敏感性。物理部分溫度系數(shù)（包括光譜燈、濾光泡和吸收泡的溫度系數(shù)）受多種因素影響。實(shí)際工作中須對每個(gè)銣泡進(jìn)行單獨(dú)控溫。但前提條件是盡量降低每一部分的溫度系數(shù)。濾光泡的溫度系數(shù)與銣光譜燈的光強(qiáng)相關(guān)，雖然改變銣燈光強(qiáng)可以調(diào)節(jié)濾光泡的溫度系數(shù)，但同時(shí)也會(huì)改變銣特征譜線的位置，引起光頻移。為了解決這一問題，須增加中性擋光片（采用光學(xué)薄膜技術(shù)制備），調(diào)節(jié)入射到濾光泡中的光強(qiáng)，進(jìn)而優(yōu)化濾光泡的溫度系數(shù)?？梢圆捎枚喾N材料，通過控制真空鍍膜的沉積膜厚和色散系數(shù)使中性擋光片達(dá)到匹配光強(qiáng)的目的。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)獲得了實(shí)際應(yīng)用[8-9]。

1.2 顯著提升銫原子頻標(biāo)信噪比的薄膜技術(shù)

磁選態(tài)銫原子頻標(biāo)屬于被動(dòng)型原子頻標(biāo)，由銫束管和電路構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 銫束管結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure of the cesium beam tube

來自于銫爐的銫原子經(jīng)過準(zhǔn)直、磁偏轉(zhuǎn)、微波作用后由離化絲離化形成銫離子，再經(jīng)過質(zhì)譜計(jì)后用電子倍增器檢出原子躍遷信號。電子倍增器的增益和使用壽命是決定銫原子頻標(biāo)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。電子倍增器利用打拿極薄膜材料的二次電子發(fā)射特性，實(shí)現(xiàn)對入射銫離子信號的逐級放大，其關(guān)鍵性能在于薄膜材料的二次電子發(fā)射系數(shù)和使用壽命。傳統(tǒng)工藝是通過表面擴(kuò)散和氧化，在打拿極銀鎂合金表面形成一定厚度和組分的MgO層[10]。由于工藝控制難度大，重復(fù)性不容易保證，導(dǎo)致電子倍增器的增益和使用壽命無法滿足要求，嚴(yán)重制約了我國小型化銫鐘的研制。近年來利用磁控濺射鍍膜技術(shù)直接在打拿極上制備MgO復(fù)合薄膜的新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長壽命電子倍增器的研制。測試結(jié)果顯示，采用MgO復(fù)合薄膜的電子倍增器的二次電子發(fā)射系數(shù)得到了提高，使用壽命明顯延長，銫原子頻標(biāo)信噪比得到了顯著改善[11-13]。圖5為采用MgO復(fù)合薄膜電子倍增器的星載銫原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度測試曲線，從圖中可以看出，星載銫原子頻標(biāo)的天穩(wěn)定度優(yōu)于3×10-14/d，表明其性能可靠，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良。電子束蒸發(fā)技術(shù)也可用于Zn摻雜的MgO復(fù)合薄膜的制備研究，研究結(jié)果表明，摻Zn的MgO薄膜的二次電子發(fā)射系數(shù)得到了提升。原子層沉積技術(shù)可用于MgO薄膜技術(shù)的研究，通過調(diào)整沉積過程的工藝參數(shù)，可以提高材料的二次電子發(fā)射能力[14]，實(shí)現(xiàn)信號信噪比的提升，使穩(wěn)定度指標(biāo)得到改善。

圖5 星載銫原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度曲線Fig.5 The frequency stability of the space borne cesium atomic frequency standard

1.3 薄膜技術(shù)在氫原子頻標(biāo)中的應(yīng)用

在氫原子頻標(biāo)中，經(jīng)選態(tài)磁鐵選出的位于相應(yīng)超精細(xì)能級的氫原子進(jìn)入石英儲(chǔ)存泡，這些氫原子與石英儲(chǔ)存泡泡壁碰撞，很快失去共振特性。若泡壁內(nèi)涂以長分子鏈的薄膜，可以避免氫原子與泡壁的直接碰撞，使氫原子的自由弛豫時(shí)間增加到秒量級，從而改善氫原子頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度。石英儲(chǔ)存泡內(nèi)壁薄膜的光潔度、完整性和厚度影響氫原子的性能，薄膜的光潔度須能保證氫原子與膜層的碰撞概率相同；完整性須能全覆蓋儲(chǔ)存泡的內(nèi)壁。氫原子頻標(biāo)中儲(chǔ)存泡內(nèi)壁的薄膜通常采用聚四氟乙烯（PTFE）材料，通過多次化學(xué)涂覆獲得附著力好的PTFE膜層，當(dāng)膜層超過三層時(shí)，可滿足儲(chǔ)存泡對薄膜光潔度和完整性的要求[15-16]。被動(dòng)型氫原子頻標(biāo)腔泡系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 被動(dòng)型氫原子頻標(biāo)腔泡系統(tǒng)Fig.6 The cavity-cell assembly of passive hydrogen atomic frequency standard

2 薄膜技術(shù)在新型原子頻標(biāo)中的應(yīng)用

2.1 在汞離子頻標(biāo)中的應(yīng)用

圖7為汞離子頻標(biāo)的物理結(jié)構(gòu)示意圖[17]。汞離子頻標(biāo)的抽運(yùn)光源也是無極放電燈（汞譜燈），其泡壁材料是石英（SiO2），這是因?yàn)槭Τ檫\(yùn)光中波長為194 nm的光透過率高。

圖7 汞離子頻標(biāo)物理部分結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The structureof the physical part of the mercury ion frequency standard

在汞離子頻標(biāo)中，譜燈激勵(lì)功率為10 W左右，工作溫度較高，泡壁SiO2原子間隙較大，譜燈的擴(kuò)散損耗也大。為延長燈的使用壽命，通常對燈內(nèi)壁進(jìn)行鍍膜處理，防止汞離子向石英泡壁擴(kuò)散[18]。汞離子頻標(biāo)的譜燈輸出光譜中既有制備199Hg+實(shí)現(xiàn)態(tài)的194 nm有用光，也有254 nm背景光，并且背景光254 nm的光強(qiáng)遠(yuǎn)高于194 nm有用光，因此汞譜燈使用前須經(jīng)過濾光處理。目前，適用于汞離子頻標(biāo)的深紫外低通光學(xué)濾光片尚處于實(shí)驗(yàn)研究階段，該技術(shù)的突破會(huì)使汞離子頻標(biāo)的技術(shù)指標(biāo)得到顯著提升[19-21]。

2.2 在微型原子頻標(biāo)中的應(yīng)用

微型原子頻標(biāo)的發(fā)展以相干布局囚禁（CPT）技術(shù)為先導(dǎo)。由于采用激光器和不需要微波腔，原子頻標(biāo)的體積和功耗可以大幅減小。

圖8為CPT原子頻標(biāo)的微型銫泡結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8 CPT原子頻標(biāo)微型銫泡結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 The structure of the miniature cesium chamber for CPT atomic frequency standard

為了適應(yīng)CPT原子頻標(biāo)的批量生產(chǎn)和控制體積（2 mm3），采用陽極鍵合的方法制備微型銫泡，其物理部分采用真空封裝技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以降低其熱損耗。此外，為了提高物理部分的壽命，須長時(shí)間保持真空狀態(tài)?，F(xiàn)階段可行的方法是采用晶圓鍵合的方式將吸氣薄膜集成在微型原子氣室內(nèi)部，用以吸附氣室制備過程中產(chǎn)生的H2、O2、N2和 CO2等氣體。研究表明，采用吸氣薄膜的原子氣室內(nèi)部氣體量明顯減少，氣室的熱損耗降低。該技術(shù)在國外已經(jīng)應(yīng)用，有效地提高了CPT原子頻標(biāo)物理部分及微型銫泡的真空保持能力。與沒有吸氣薄膜的微型銫泡相比，銫泡內(nèi)的真空度提高了50倍，工作壓力可長期保持在4Pa[22-23]，保證了銫原子對工作環(huán)境的要求，顯著地改善和提高了頻率穩(wěn)定度等性能。國內(nèi)正在開展對CPT原子頻標(biāo)的相關(guān)研究，有望盡早實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用[24]。

3 總結(jié)和展望

薄膜技術(shù)在原子頻標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中發(fā)揮了重要作用，為了進(jìn)一步提高原子頻標(biāo)的性能，發(fā)展適合的薄膜技術(shù)成為必然趨勢。例如在銣原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度不斷提高的基礎(chǔ)上，降低其漂移率成為近期發(fā)展的重要方向。漂移的產(chǎn)生本質(zhì)上是銣原子參與的玻璃內(nèi)壁表面的反應(yīng)過程，因此采用薄膜技術(shù)強(qiáng)化玻璃內(nèi)表面，是未來一個(gè)時(shí)期內(nèi)的重要研究課題。此外，汞離子頻標(biāo)兼有頻率穩(wěn)定度高、低漂移以及可與銣原子頻標(biāo)比擬的體積、質(zhì)量和功耗等優(yōu)越性能，是深空探測以及下一代星載原子頻標(biāo)的重要發(fā)展方向，開發(fā)穩(wěn)定的紫外濾光片是提高汞燈的光譜純度乃至提高汞離子頻標(biāo)信噪比的切實(shí)可行的措施。