一种高规整度原子气室制造方法与流程

本发明属于光学精密加工技术，涉及一种高规整度原子气室的制造方法。

背景技术：

原子气室作为角速率敏感单元，是核磁共振陀螺的核心部件。陀螺在原子气室中完成工作原子的制备、操控以及信号的检测，原子气室的性能从源头上决定了陀螺的性能。

常规原子气室制造通常采用玻璃吹制、激光焊接或熔接工艺，这些技术都涉及整体或局部高温，通过玻璃高温形变实现气室成型或密封，会引起气室内外轮廓不规整(结构尺寸误差超过0.3mm)、局域区域高温形变(特别是气室内腔的4个角)、气室窗口表面质量差(面形一般大于λ/2)，从而导致气室安装精度低、光束波前畸变等误差，特别是气室不规整会导致气室内极化原子产生的固有磁场无法完全抵消，引起磁共振线增宽，同时也会限制碱金属极化甚至惰性气体最终极化量级，必须通过新方法来得到改善。

技术实现要素：

本发明的目的：提供一种高规整度原子气室的制造方法，大幅度提高气室的规整度，降低气室形状不规整引入的各项误差，减小激光波前畸变。

本发明的技术方案：一种高规整度原子气室制造方法，在室温下，利用低温键合技术将事先加工好的气室支架与光学窗口依次键合，并加工原子气室加热面和冲排气嘴。

所述的高规整度原子气室制造方法，其具体步骤如下：

步骤1：工件准备

检查第一光学窗口1、第二光学窗口2、第一支架3和第二支架4所有工作面满足低温键合要求；

步骤2：键合第一支架3、第二支架4

将第一支架3、第二支架4的底面低温键合在第一光学窗口1上；

步骤3：研抛第一键合面5

研抛第一支架3和第二支架4的第一键合面5至满足键合要求；

步骤4：键合第一光学窗口1

将第一光学窗口1低温键合在第一键合面5上；

步骤5：研抛第二键合面6

研抛第一支架3和第二支架4及第一光学窗口1侧面的第二键合面6至满足键合要求；

步骤6：键合第二光学窗口2

将第二光学窗口3低温键合在第二键合面6上；

步骤7：研抛第三键合面7

研抛第一支架3和第二支架4及第一光学窗口1另一侧面的第三键合面7满足键合要求；

步骤8：键合第二光学窗口2

将第二光学窗口2低温键合在第三键合面7上；

步骤9：固化

对键合好的工件进行固化；

步骤10：外表面处理

对工件外进行研抛以提高尺寸精度，对窗口进行镀膜以提高透过率；

步骤11：减薄

对工件包含第一光学窗口1、第二光学窗口2、第一支架3的一侧进行减薄，形成气室加热面8；

步骤12：铣型

对工件包含第一光学窗口1、第二光学窗口2、第二支架4的一侧进行铣型，形成气室充排气面9。

所述高规整度原子气室为高规整度长方体结构，其内包含一个高规整度长方体空腔。

所述第一光学窗口1为长方形，共2件，其宽与长方体空腔宽一致。

所述第二光学窗口2为长方形，共2件，其宽与气室外轮廓宽度一致。

所述第一支架3为长方体结构，其宽与第一光学窗口1相等，其高与长方体空腔高度一致。

所述第二支架4为长方体结构，外轮廓与第一支架3完全相同，其中心设置有通孔10。

所述第一支架3与第二支架4间距为长方体空腔三维长度。

所述第一键合面5由第一支架3和第二支架4的顶面组成。

所述第二键合面6、第三键合面7分别由第一支架3、第二支架4和第一光学窗口1的两侧侧面组成。

本发明的优点和有益效果是：提供了一种高规整度原子气室的制造方法，大幅度提高气室的规整度，降低因气室形状不规整引入的磁场误差，同时减小激光波前畸变。本发明的一个实施例，经试验证明，气室尺寸误差优于0.01mm，气室窗口面形优于λ/20，气室形面尺寸规整度比传统方法至少提高一个数量级。

附图说明

图1是本发明高规整度原子气室制造方法的示意图(爆炸图)。

图2是本发明高规整度原子气室制造方法步骤2的示意图。

图3是本发明高规整度原子气室制造方法步骤4的示意图。

图4是本发明高规整度原子气室制造方法步骤6的示意图。

图5是本发明高规整度原子气室制造方法步骤8的示意图。

图6是本发明高规整度原子气室制造方法步骤11的示意图。

图7是本发明高规整度原子气室制造方法步骤12的示意图。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

请参阅图1，其中，图1为本发明高规整度原子气室制造方法的示意图(爆炸图)。本发明利用低温键合技术高精度、高强度、低应力、高密封等特性，键合6件精密光学元件再通过进一步加工形成高规整度气室。该气室为高规整度长方体结构，其内包含一个高规整度长方体空腔，用于容纳工作气体。

6件精密光学元件包括：第一光学窗口1、第二光学窗口2各两件，第一支架3一件，第二支架4一件。所述第一光学窗口1为长方体，其宽度与原子气室长方体空腔三维宽度一致。所述第二光学窗口2为长方体，其宽度与气室外轮廓宽度一致，约等于两片第一光学窗口1厚度与第一支架3高度之和。所述第一支架3为长方体，其宽与第一光学窗口1相等，其高与长方体空腔三维高度一致。所述第二支架3为长方体，外轮廓与第一支架3完全相同，其中心设置有通孔10，用于气室充排气。

其具体工艺步骤如下：

步骤1：工件准备

检查第一光学窗口1、第二光学窗口2、第一支架3和第二支架4的工作面面形满足低温键合要求，即表面面形至少优于λ/4，通常要求达到λ/10；检查表面至少达到2级疵病且不能有贯穿性划伤以防止影响气室的密封性。所有元件必须进行超精密清洗去除表面颗粒、污染物，并进行表面处理，提高键合成功率。

步骤2：键合第一支架3、第二支架4

请同时参阅图2，其中，图2是本发明高规整度原子气室制造方法步骤2的示意图。将第一支架3、第二支架4的底面低温键合在第一光学窗口1上，可以使用限位工装以保证安装精度，确保第一支架3、第二支架4与第一光学窗口1的两侧对齐以减少后续研抛环节的工作量，并便于控制尺寸精度。第一支架3与第二支架4之间的间距为气室长方体空腔三维长度。

步骤3：研抛第一键合面5

在激光干涉仪下观察可以发现，即使第一支架3、第二支架4轮廓尺寸完全相同，在步骤2后第一支架3和第二支架4的顶面组成的第一键合面5仍存在细微的高度差，所以需要对其进行研抛直至满足键合要求，提高规整度。

步骤4：键合第一光学窗口1

请同时参阅图3，其中，图3是本发明高规整度原子气室制造方法步骤4的示意图。将第一光学窗口1低温键合在第一键合面5上，使用限位工装以保证安装精度，确保两片第一光学窗口1完全对齐。

步骤5：研抛第二键合面6

所述第二键合面6由第一支架3、第二支架4和第一光学窗口1的同侧侧面组成。研抛该面至满足键合要求，以提高规整度。

步骤6：键合第二光学窗口2

请同时参阅图4，其中，图4是本发明高规整度原子气室制造方法步骤6的示意图。将第二光学窗口3低温键合在第二键合面6上，使用限位工装以保证安装精度。

步骤7：研抛第三键合面7

所述第三键合面7由第一支架3、第二支架4和第一光学窗口1的另一侧侧面组成。研抛第三键合面7至满足键合要求，以提高规整度。

步骤8：键合第二光学窗口2

请同时参阅图5，其中，图5是本发明高规整度原子气室制造方法步骤8的示意图。将第二光学窗口2低温键合在第三键合面7上，使用限位工装以保证安装精度，确保两片第二光学窗口2完全对齐。

步骤9：固化

对键合好的工件进行固化，固化过程可以采用常温静置的方法，也可以使用干燥、低压处理、热处理等加速干燥的方法。

步骤10：外表面处理

对工件外表面进行研抛以提高外轮廓的尺寸精度；窗口部分进行镀膜以增加光束透过率。

步骤11：减薄

请同时参阅图6，其中，图6是本发明高规整度原子气室制造方法步骤11的示意图。使用光学成型设备对工件包含第一光学窗口1、第二光学窗口2、第一支架3的一侧进行减薄，切除掉多余部分，以形成气室加热面8，便于导热。

步骤12：铣型

请同时参阅图7，其中，图7是本发明高规整度原子气室制造方法步骤12的示意图。使用光学成型设备对工件包含第一光学窗口1、第二光学窗口2、第二支架4的一侧进行铣型，形成气室充排气面9。气室充排气面9上设置有充排气管，用于气室充排气。

实施案例

样品材料为石英玻璃，其中第一光学窗口尺寸为67×11×2mm³、第二光学窗口尺寸为67×15×2mm³，第一支架尺寸为28×11×11mm³，第二支架尺寸为28×11×11mm³，所有工作面抛光到λ/10。第二支架4中心开有φ2mm的孔。使用多种溶液清洗样品。首先，样品在异丙醇中超声清洗10min，浸入清洗溶液(h2so4(96％):k2cr2o7为5:1)超声30min，然后在koh溶液中超声5min。样品在去离子水下冲洗5min，最后用氮气吹干。洁净样品放入一个干净的无尘容器中直到进行键合。

按步骤2～8依次组装。其中低温键合的键合溶液为0.5％koh水溶液，施加键合液到键合界面上，然后使两个待键合表面接触，并轻轻挤压。键合后工件在室温下固化至少7天或在60～120℃范围内进行热处理。

对工件外表面进行研抛保证外尺寸67×15×15mm³。对窗口镀增透膜以提高光束透过率。

使用内圆切割机对工件包含第一光学窗口、第二光学窗口、第一支架的一侧进行减薄至2mm。

使用五轴加工中心对工件包含第一光学窗口1、第二光学窗口2、第二支架4的一侧进行铣型，中心排气管外径4mm，内径2mm，排气管所在面厚度2mm，与其他面相同。

最终形成正方体气室，外轮廓边长为15mm，内腔边长为11mm。

实施效果

本发明高规整度原子气室制造方法，利用低温键合技术高精度、高强度、低应力特性，通过严格设计、控制6件精密光学元件的低温键合顺序及工艺，加工形成高规整度气室，具有加工精度高、对称性好、表面质量好的优点，形成的原子气室，尺寸误差优于0.01mm，结构无畸变，气室窗口面形优于λ/20。相对于现有原子气室制造方法，如激光熔接法、玻璃吹制法，其气室形面尺寸规整度较传统工艺至少提高1个数量级。