[发明专利]一种由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室

说明书

本发明提供了一种由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室。该气室为由具有特殊电磁性能的超材料键合而成的立方气室，其中平行的第一表面(1)、第三表面(3)由具有理想电导体(PEC)特性的材料构成，平行的第二表面(2)、第四表面(4)由具有理想磁导体特性(PMC)的材料构成，第五表面(5)为具有高透射性能的玻璃表面，与之相对的第六表面(6)对电磁波具有高吸收率(Absorber)特性，若第六表面(6)含石墨烯材料，可利用电压对其吸波频率实现动态调谐。通过这种结构的原子气室，可以有效破坏由于平行玻璃表面在微波电场中形成的法布里‑珀罗腔共振条件，从而缩小原子气室内部电场与真实电场之间的偏差，提高微波测量准确度。本发明还提供了这种原子气室的加工流程。

技术领域

本发明提出了一种利用电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室及加工流程，该发明适用于基于量子效应的量子传感和精密测量。

背景技术

在国际单位制变革的历史背景下，依托量子效应对物理量进行精密测量的需求性日益增长和重要性必要性不断体现。原子气室作为量子传感的核心无源器件，对物理量的精密测量具有十分重要的影响。通常而言，原子气室由两部分组成，一部分为由非金属材料制成的腔体，另一部分为腔体内部填充的原子气体。腔体常通过玻璃吹制、胶合、玻璃融化粘合、阳极键合、直接键合等工艺制成，通过预留孔径，先将腔体内部抽至真空，之后将需要的碱金属原子填充到腔体当中，形成相对稳定的环境，气室可以根据测试需求制成不同的大小和形状。原子气体是该器件用于传感的核心载体，通过原子与待测物理量的相互作用实现对待测物理量地精确测量，常见填充气体为碱金属原子气体。原子气室在原子磁量计、原子钟、原子陀螺仪、微波传感等量子精密测量领域都发挥着重要的作用。

利用微波电场与碱金属原子的高能态能级(里德堡能级)之间的量子相干效应，可以实现对微波电场的高灵敏度、高准确性测量。这种基于量子效应的全新测量方法，可将电场强度直接溯源到普朗克常数，打破了传统微波测量的技术瓶颈，该方法在高精密测量和军事领域具有很重要的应用价值。

封装着工作原子的原子气室，虽然是无源器件，但是会影响到量子传感的电磁特性以及测量的准确性。其原因主要包括两个方面，第一是原子在腔体内部分布不均匀，第二是原子气室本身的问题。原子气体在腔体内部的分布受到温度、压强等因素的影响，原子气体由于环境的变化会出现聚集和凝结等现象，从而对传感特性产生影响。原子气室由于加工技术及材料等问题，气室室壁可能会存在构造缺陷，该缺陷和气室顶角部分会对电磁场产生散射效应导致气室内部的电场强度、极化分布与入射电磁场存在差异，即与原子相互作用的电磁场与真正的待测电场具有偏差。另外，由于气室具有平行的表面，当电磁波入射时，会形成法布里-珀罗谐振腔产生共振，也会导致气室内部电磁场不同于外部电磁场。

综述所述，如何降低由于气室本身的腔体谐振和电磁散射效应对电场带来的扰动，提高该无源器件的测量准确度，制备出一种低扰动、适用于自用空间微波电场精密测量的原子气室，对于微波精密测量领域具有非常重要的应用价值。

发明内容

技术问题：本发明旨在通过用人为设计的基于玻璃基底超材料代替原子气室室壁的方法，改变气室室壁材料的电磁性能，达到打破法布里-珀罗谐振的谐振条件的目的，进行减少内部电场与外部电场的误差，提高测量精度和准确度。

技术方案：本发明提供了一种由电磁超材料构成的低电磁扰动原子气室，其包括三组相对的平行表面，该低电磁扰动原子气室为六面体状，包括具有理想电导体(PEC)特性上下平行的第一表面、第三表面，具有理想磁导体(PMC)特性前后平行的第二表面、第四表面，左右平行的对电磁波具有高透射性能第五表面，和与之相对的具有高吸收率特性(Radar-absorbing material)的第六表面。

其中，

所述的第六表面由一种基于玻璃基底的超材料构成，该超材料由亚波长厚度的、小型化、二维周期阵列单元构成，对特定频率或者某一带宽频率具有较高的吸收率，该吸收频率可以通过对阵列单元的结构进行设计实现调节，视为电磁吸波体(Absorber)。