[发明专利]用可消耗支撑结构制造的气密密封的原子传感器封装

说明书

关于联邦赞助研发的声明

本发明是在由美国军方资助的合同No. W31P4Q-09-C-0348的政府支持下完成的。政府在本发明中享有一定的权利。

背景技术

诸如原子钟的主时间原器通常是相对大型的台面装置。例如，常规原子钟的物理封装趋向于是大型的并且需要昂贵的支撑系统。因此，一直致力于例如通过减小原子钟及其它传感器（其采用冷原子云作为感测元件）的封装的尺寸来减小主时间原器的尺寸。

将物理封装制造成较小面临独特且复杂的挑战，因为物理封装需要多个窗口、镜子和非磁性材料的气密密封件。在常规的制造物理封装的方法中，将玻璃主体加工成具有多个孔和多个钻孔，多个孔用于在其外部上放置镜子和窗口，多个钻孔充当光路以捕获、冷却和操纵冷原子样本。腔排空结构或泵送端口被附接以提供物理封装的初始排真空。所述加工必须留下足够的内部结构以支持建造该物理封装。

一般而言，原子钟是通过用来自一个或多个激光器的光束探询原子而进行操作的。物理封装限定真空密封室，该真空密封室保持住被探询的原子。物理封装中的原子被捕获在该容积中，使得多个光路从不同的角度与原子相互作用。

对于开发高性能微型原子物理封装而言，开发出允许大光束和多光束构造的附加灵活性的小容积物理封装是重要的。然而，对于原子钟而言，更小的尺寸要求对当前的建造技术提出了挑战。原子钟的减小的尺寸会影响它们的性能，因为镜子和窗口缩小。此外，减小的内部容积会影响原子钟的性能。

发明内容

一种形成用于原子传感器的物理封装的方法包括：提供具有三维构造的可消耗支撑结构；提供多个光学面板；以及将所述光学面板组装在所述可消耗支撑结构上，使得相邻面板的边缘彼此对准。将相邻面板的边缘密封到一起以形成具有多面几何构造的物理块。然后，去除所述可消耗支撑结构而留下所述物理块完好无损。

附图说明

请理解，附图仅仅示出示例性实施例，从而不应被认为对范围产生限制，将通过使用附图来更具体和详细地描述所述示例性实施例，附图中：

图1示出了根据实施例的原子传感器的物理封装的物理块；

图2A是图1的物理块的顶视图；

图2B是图1的物理块的侧视图；

图2C是图1的物理块的相对的侧视图；

图2D是图1的物理块的前视图；

图2E是图1的物理块的后视图；

图2F是图1的物理块的底视图；

图3A-3F示出了根据一种方式的用于组装图1的物理块的可消耗芯部的各种视图；并且

图4A-4D示出了根据另一种方式的组装原子传感器的物理封装的物理块的方法。

具体实施方式

在下面的详细描述中，足够详细地描述了实施例，以使得本领域技术人员能够实施本发明。应当理解的是，可在不偏离本发明的范围的情况下采用其它实施例。因此，下面的详细描述不是限制性的。

提供了一种用于制造气密密封的物理封装的方法，该物理封装用于诸如原子钟的原子传感器。一般而言，在可消耗支撑结构（例如牺牲性内部或外部支撑结构）上组装用于该物理封装的多个面板，然后在气密地密封了组装好的封装后去除该可消耗支撑结构。

在用于构造该物理封装的一种技术中，可消耗中央芯部形成在内腔的三维形状中，该内腔用作物理封装的真空室。将多个面板围绕可消耗中央芯部组装，使得相邻面板的边缘在各接缝处彼此对准，并且然后将相邻面板的边缘在该接缝处密封到一起。然后，用化学药品溶解该可消耗中央芯部，并将其从物理封装去除。

在另一种示例性技术中，使用内部或外部牺牲性骨骼框架来组装物理封装的面板。然后将骨骼框架从组装好的面板去除。例如，该框架可与化学药品接触，该化学药品溶解或熔化该框架以便从物理封装去除，或者可使用离子刻蚀来去除框架。

本方法允许在没有永久内部或外部支撑结构的情况下建造物理封装。这允许面板的基本所有表面区域都被用作物理封装中的窗口或镜子，由此提高了原子传感器的性能。

图1和图2A-2F示出了根据一个实施例的用于原子传感器的物理封装的物理块100，其可根据本发明的技术来构造。物理块100包括多个面板，包括窗口和镜子，其具有各种多边形形状并且被组装成三维结构，该三维结构构造成包封用于物理封装的内部真空室。相邻面板相对于彼此以一角度定向并且形成物理封装的相邻面。面板的放置和定向构造成提供真空室中的期望光路。在一个示例中，面板是大致平坦结构，其具有平的内和外表面。在其它示例中，面板中的一个或多个可具有其它几何形状（例如，凹的或凸的）。