薄膜技术在原子频标中的应用

崔敬忠，陈大勇，张金海，涂建辉，杨 炜，刘志栋

（兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州 730000）

0 引言

原子频标的原理是利用原子能级之间的固有能量差，通过激发电子跃迁获得与该能量差相关的稳定频率。目前，原子频标已广泛应用于守时、授时、导航定位、通信和基础科学研究等领域。经过几十年的技术积累和发展，传统型原子频标例如铷原子频标、铯原子频标和氢原子频标等的可靠性以及性能指标都得到了显著提升。其中铷原子频标由于结构简单、体积小、可靠性高等优势广泛应用于导航定位、国防、通信等领域[1]；铯原子频标作为一级时间频率计量仪器，具有准确度高、长期稳定性好、可靠性高、漂移率低以及环境适应性强等优点，成为独立运行的时间频率系统的核心仪器；氢原子频标分为主动型和被动型，主动型氢原子频标具有极好的中短期频率稳定度，但是质量和体积较大，主要用于频率校准和比对；被动型氢原子频标既具有铷原子频标小体积、高可靠性和优秀的中短期频率稳定度的特点，又具有铯原子频标低漂移率等优势，是导航卫星较理想的星载原子频标。此外，一些新型原子频标也得到了迅猛发展，例如微型原子频标、汞离子频标以及冷原子频标等为下一代星载原子频标提供了更多的可能和选择。

原子频标由物理部分和电路部分构成，其研制过程中会采用一些新技术和新方法，用以优化相应的技术状态和参数，获得更高的性能。薄膜技术是原子频标物理部分研制和性能优化过程中不可或缺的技术，通过薄膜技术对物理部分中相关物理量进行精细控制，可以改善和提高原子频标的性能。本文对铷原子频标、铯原子频标和氢原子频标等传统原子频标物理部分研制过程中所涉及的薄膜技术进行了梳理，对其在性能提升方面的作用进行了总结。同时对汞离子频标、微型CPT原子频标等新型原子频标中薄膜技术的应用和发展进行了归纳和总结，并对下一代星载原子频标中薄膜技术的重要作用和发展进行了展望。

1 传统原子频标中的薄膜技术

1.1 薄膜技术对于铷原子频标性能的优化提升

铷原子频标在体积、质量、成本和功耗等方面具有一定的优势，在卫星导航系统得到广泛应用。GPS、Galileo和北斗导航卫星系统均采用铷原子频标作为空间频率基准。

图1为铷原子频标物理部分示意图。铷光谱灯发出的特征光谱经滤光泡在吸收泡内发生微波共振后由光检测器检出。铷光谱灯内充有的87Rb和有一定压力（～2.6×10-2Pa）的缓冲气体，如氩（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe）等，在射频激励条件下发出87Rb的特征谱线（780 nm和795 nm等）以及缓冲气体的特征谱线。缓冲气体相应的谱线对于光抽运过程无贡献，但是会被光检测器检到，成为光噪声，影响铷原子频标的频率稳定度指标。为了降低光噪声，可以在灯泡和滤光泡之间增加一个光学滤光片，滤除缓冲气体对应的特征谱线。由于不同缓冲气体的特征谱线峰位和强度不同，必须进行针对性设计，同时尽量选用特征谱线远离87Rb特征谱线的缓冲气体，以便于光学滤光的实现。目前常用的缓冲气体以Xe为主，原因是Xe的主要特征谱线波长为823 nm，距离铷的特征谱线较远[2]，同时Xe的电离电位较低（12.1 V）[3]，光谱灯容易起辉。采用电子束蒸发沉积薄膜技术制备光学滤光片[4]，通过对每层薄膜厚度的合理设计和严格控制，可以获得稳定的滤光效果[5]。

图1 铷原子频标物理部分示意图Fig.1 The physical part of the rubidium atomic frequency standard

图2为铷光谱灯使用滤光片优化后的光谱测试结果，其中图2（a）为未滤光的铷光谱灯亮度测试结果，图2（b）为滤光后的测试结果。对比可以看出，使用滤光片后杂散光滤除得很干净。

图2 滤光前后铷灯光谱图Fig.2 The comparison for the spectrum characteristics between filtered and unfiltered the rubidium lamp light

目前国内外星载铷原子频标均采用了光学滤光技术，使得铷原子频标的短期频率稳定度得到提高，进入了10-13量级，向小系数10-13迈进，甚至优于被动氢原子频标的指标[6]。图3为武汉物理与数学研究所铷原子频标的短期频率稳定度测试结果，可以看出，铷原子频标的短期频率稳定度已经达到1.91×10-13/1s。美国GPSIII星载铷原子频标采用光学滤光和其他改进措施后，长期稳定度有了进一步提升，5天取样时间的稳定度达到8.55×10-16，是当前星载铷原子频标的最高指标[7]。

图3 经过光学滤光的铷原子频标频率稳定度曲线Fig.3 The frequency stability of the optimized rubidium frequency standard

影响铷原子频标的重要因素是温度，为此，必须对长期稳定度要求较高的铷原子频标进行多级控温，即降低铷原子频标物理部分的温度敏感性。物理部分温度系数（包括光谱灯、滤光泡和吸收泡的温度系数）受多种因素影响。实际工作中须对每个铷泡进行单独控温。但前提条件是尽量降低每一部分的温度系数。滤光泡的温度系数与铷光谱灯的光强相关，虽然改变铷灯光强可以调节滤光泡的温度系数，但同时也会改变铷特征谱线的位置，引起光频移。为了解决这一问题，须增加中性挡光片（采用光学薄膜技术制备），调节入射到滤光泡中的光强，进而优化滤光泡的温度系数。可以采用多种材料，通过控制真空镀膜的沉积膜厚和色散系数使中性挡光片达到匹配光强的目的。这项技术已经获得了实际应用[8-9]。

1.2 显著提升铯原子频标信噪比的薄膜技术

磁选态铯原子频标属于被动型原子频标，由铯束管和电路构成，如图4所示。

图4 铯束管结构示意图Fig.4 The structure of the cesium beam tube

来自于铯炉的铯原子经过准直、磁偏转、微波作用后由离化丝离化形成铯离子，再经过质谱计后用电子倍增器检出原子跃迁信号。电子倍增器的增益和使用寿命是决定铯原子频标稳定性的关键因素。电子倍增器利用打拿极薄膜材料的二次电子发射特性，实现对入射铯离子信号的逐级放大，其关键性能在于薄膜材料的二次电子发射系数和使用寿命。传统工艺是通过表面扩散和氧化，在打拿极银镁合金表面形成一定厚度和组分的MgO层[10]。由于工艺控制难度大，重复性不容易保证，导致电子倍增器的增益和使用寿命无法满足要求，严重制约了我国小型化铯钟的研制。近年来利用磁控溅射镀膜技术直接在打拿极上制备MgO复合薄膜的新技术，实现了长寿命电子倍增器的研制。测试结果显示，采用MgO复合薄膜的电子倍增器的二次电子发射系数得到了提高，使用寿命明显延长，铯原子频标信噪比得到了显著改善[11-13]。图5为采用MgO复合薄膜电子倍增器的星载铯原子频标频率稳定度测试曲线，从图中可以看出，星载铯原子频标的天稳定度优于3×10-14/d，表明其性能可靠，技术指标优良。电子束蒸发技术也可用于Zn掺杂的MgO复合薄膜的制备研究，研究结果表明，掺Zn的MgO薄膜的二次电子发射系数得到了提升。原子层沉积技术可用于MgO薄膜技术的研究，通过调整沉积过程的工艺参数，可以提高材料的二次电子发射能力[14]，实现信号信噪比的提升，使稳定度指标得到改善。

图5 星载铯原子频标频率稳定度曲线Fig.5 The frequency stability of the space borne cesium atomic frequency standard

1.3 薄膜技术在氢原子频标中的应用

在氢原子频标中，经选态磁铁选出的位于相应超精细能级的氢原子进入石英储存泡，这些氢原子与石英储存泡泡壁碰撞，很快失去共振特性。若泡壁内涂以长分子链的薄膜，可以避免氢原子与泡壁的直接碰撞，使氢原子的自由弛豫时间增加到秒量级，从而改善氢原子频标的频率稳定度。石英储存泡内壁薄膜的光洁度、完整性和厚度影响氢原子的性能，薄膜的光洁度须能保证氢原子与膜层的碰撞概率相同；完整性须能全覆盖储存泡的内壁。氢原子频标中储存泡内壁的薄膜通常采用聚四氟乙烯（PTFE）材料，通过多次化学涂覆获得附着力好的PTFE膜层，当膜层超过三层时，可满足储存泡对薄膜光洁度和完整性的要求[15-16]。被动型氢原子频标腔泡系统如图6所示。

图6 被动型氢原子频标腔泡系统Fig.6 The cavity-cell assembly of passive hydrogen atomic frequency standard

2 薄膜技术在新型原子频标中的应用

2.1 在汞离子频标中的应用

图7为汞离子频标的物理结构示意图[17]。汞离子频标的抽运光源也是无极放电灯（汞谱灯），其泡壁材料是石英（SiO2），这是因为石英对抽运光中波长为194 nm的光透过率高。

图7 汞离子频标物理部分结构示意图Fig.7 The structureof the physical part of the mercury ion frequency standard

在汞离子频标中，谱灯激励功率为10 W左右，工作温度较高，泡壁SiO2原子间隙较大，谱灯的扩散损耗也大。为延长灯的使用寿命，通常对灯内壁进行镀膜处理，防止汞离子向石英泡壁扩散[18]。汞离子频标的谱灯输出光谱中既有制备199Hg+实现态的194 nm有用光，也有254 nm背景光，并且背景光254 nm的光强远高于194 nm有用光，因此汞谱灯使用前须经过滤光处理。目前，适用于汞离子频标的深紫外低通光学滤光片尚处于实验研究阶段，该技术的突破会使汞离子频标的技术指标得到显著提升[19-21]。

2.2 在微型原子频标中的应用

微型原子频标的发展以相干布局囚禁（CPT）技术为先导。由于采用激光器和不需要微波腔，原子频标的体积和功耗可以大幅减小。

图8为CPT原子频标的微型铯泡结构示意图。

图8 CPT原子频标微型铯泡结构示意图Fig.8 The structure of the miniature cesium chamber for CPT atomic frequency standard

为了适应CPT原子频标的批量生产和控制体积（2 mm3），采用阳极键合的方法制备微型铯泡，其物理部分采用真空封装技术实现，以降低其热损耗。此外，为了提高物理部分的寿命，须长时间保持真空状态。现阶段可行的方法是采用晶圆键合的方式将吸气薄膜集成在微型原子气室内部，用以吸附气室制备过程中产生的H2、O2、N2和 CO2等气体。研究表明，采用吸气薄膜的原子气室内部气体量明显减少，气室的热损耗降低。该技术在国外已经应用，有效地提高了CPT原子频标物理部分及微型铯泡的真空保持能力。与没有吸气薄膜的微型铯泡相比，铯泡内的真空度提高了50倍，工作压力可长期保持在4Pa[22-23]，保证了铯原子对工作环境的要求，显著地改善和提高了频率稳定度等性能。国内正在开展对CPT原子频标的相关研究，有望尽早实现工程应用[24]。

3 总结和展望

薄膜技术在原子频标实现过程中发挥了重要作用，为了进一步提高原子频标的性能，发展适合的薄膜技术成为必然趋势。例如在铷原子频标频率稳定度不断提高的基础上，降低其漂移率成为近期发展的重要方向。漂移的产生本质上是铷原子参与的玻璃内壁表面的反应过程，因此采用薄膜技术强化玻璃内表面，是未来一个时期内的重要研究课题。此外，汞离子频标兼有频率稳定度高、低漂移以及可与铷原子频标比拟的体积、质量和功耗等优越性能，是深空探测以及下一代星载原子频标的重要发展方向，开发稳定的紫外滤光片是提高汞灯的光谱纯度乃至提高汞离子频标信噪比的切实可行的措施。