原子磁强计以其高灵敏度和成本低等优势受到了越来越多的关注，如今，进一步提高原子磁强计的芯片集成度已成为主要趋势，因为它有利于生物磁性测量与成像。但是，目前实现原子磁强计小型化的主要障碍是微加工原子气室的光学元件分立。鉴于此，笔者提出一种基于新兴超表面的超紧凑片上原子气室方案，该方案将超表面与各向异性腐蚀的单晶硅相结合，在保证高灵敏度的同时提高了原子气室的集成度。该方案能够对圆偏振入射光束进行光路操纵，效率可达到80%。超表面采用厚度为500 nm的硅设计而成，可以通过基本的微加工工艺直接在原子气室上制造。所设计的新型原子气室具有集成度高、可大批量制造的优点，为未来生物磁性传感系统的发展提供了参考。

介绍了一种用于原子气室的无磁加热薄膜技术。原子磁力仪、原子陀螺仪、原子钟等采用热原子系综的精密测量仪器通常采用原子气室作为物理系统, 为了保证足够的原子数密度, 原子气室工作温度通常为 80~120℃, 因此无磁加热技术是热原子钟的核心技术之一。采用多物理场有限元仿真分析通电线圈在小电流(直流 0.2A)条件下产生的稳态磁场分布情况, 通过对比不同线圈结构产生的磁场分布, 得到满足性能要求的通电线圈结构。实验结果表明, 采用优化后结构的无磁加热薄膜产生的剩磁低于 100nT, 满足原子气室无磁加热要求。该设计对以原子气室的原子钟性能提升提供了可靠保证, 并为原子钟小型化提供参考。

原子气室作为量子仪表的核心部件, 其稳定性和寿命是决定量子仪表长期可靠工作的主要因素。在制备原子气室过程中, 玻璃高温熔接产生的残余应力会影响气室的力学特性及光学性能, 应力过大将导致气室在加工过程中发生炸裂, 并在后期应力释放过程中出现裂纹, 造成气室失效。测量和消除原子气室玻壳残余应力对提高原子气室的寿命和可靠性有重要意义。利用双折射应力测量仪对原子气室玻壳应力分布进行无损测量, 测量结果具有良好的一致性和重复性。经过退火处理后, 5支玻壳的应力最大值、平均值和标准差的平均值降幅分别达到81.35%、75.67%和77.32%, 表明消除应力取得了良好的效果。

碱金属原子气室是原子电场计、原子陀螺仪、磁力计、原子钟等原子传感器的基础核心部件，在气室玻壳上进行光路集成是实现原子传感器小型化的有效途径之一。本文针对原子传感器中光学元器件分立、光利用率不高的问题，基于广义斯涅耳定律和等效介质理论，设计了一种超表面结构，可实现不同波长激光的光束分离和高效透过，与原子气室集成，便于透过原子气室的光信号检测和后续处理，提高原子传感器的集成度和便携性，为其小型化提供可行性方案。以双光子激发制备铯里德堡原子为例，使用FDTD软件进行仿真分析，结果表明，超表面结构对510 nm耦合光偏折角约为6°，对852 nm探测光基本不产生影响，两束激光的透过率均在96.3%以上。

核磁共振陀螺仪是基于量子调控技术的前沿研究，具有高精度、小体积、低功耗等显著优点，是未来高精度微小型陀螺的主要发展方向之一。原子气室内Xe核自旋的横向弛豫时间是衡量原子气室性能的一个重要参数，直接影响陀螺的角随机游走, 准确快速地测量横向弛豫时间有利于研制性能更优的原子气室。根据推导的核自旋横向弛豫时间测量原理，基于LabVIEW软件平台设计了一种气室核自旋横向弛豫时间的自动化测试系统，实现了温度控制、氙共振频率找寻、磁场控制及数据处理存储功能。实际应用表明，采用自动化测试系统工作稳定可靠、测量效率高、测试精度高、人机交互性好，为检验核磁共振陀螺仪原子气室的性能提供了有效测试手段。

频率稳定度是评价相干布局囚禁(CPT)原子钟性能的重要指标,而原子气室内部缓冲气体的种类及其气压比是影响CPT原子钟频率稳定度的主要因素。选用Ar与N₂为缓冲气体,从理论上对其温度频移特性进行仿真分析,并在不同缓冲气体气压比例的条件下实验测量了CPT原子钟的温度频移特性。根据理论与实验结果确定了原子气室内部缓冲气体最佳的比例,并给出了与之对应的最小温度频移工作点。研究结果对设计CPT原子钟原子气室内部的缓冲气体气压比及其工作温度具有借鉴作用。

在微型定位、导航、授时(Micro-PNT)系统中,芯片原子钟(CSAC)作为微型时钟模块的核心,其发展关乎到Micro-PNT系统的定位精度与授时能力。原子气室作为芯片原子钟的“心脏”,其制备工艺直接决定着原子钟的体积、稳定度与功耗等多项性能指标。随着原子钟功耗的降低与体积的减小,加工制造出与之相适应的微型原子气室势在必行。从玻璃吹制法与微电子机械系统(MEMS)超精细加工法两个方面介绍了原子气室的加工工艺,综述了其研究进展,并分析了目前微型原子气室在制备工艺中存在的不足,对未来原子气室制备工艺的进一步优化具有一定的参考作用。

高灵敏度磁场测量技术在空间探测、**反潜、生物磁场测量和地质探测等方面发挥着重要作用。为了提高磁力仪灵敏度同时减小磁力仪体积,本文设计了一种全光结构的原子磁场测量方案。首先基于探测光偏振调制技术,设计了原子磁力仪的总体方案。在此基础上,重点研究了小型化磁传感Rb原子气室、无磁电加热、激光器稳频和偏振调制等关键技术。目前已完成实验室测磁原理的验证。

为研究核磁共振陀螺中加热机构对原子气室性能的影响, 设计了5种典型加热方式。利用有限元分析软件ANSYS建立了原子气室的温度场模型, 给出了原子气室表面的稳态温度场分布情况。同时设计了探测精度为001 ℃的测温电路, 对原子气室表面不同位置的温度进行监控, 获得了不同加热方式下原子气室表面的温度变化情况。将仿真和实验结果进行比较, 发现误差在5%之内, 验证了仿真模型的正确性。综合仿真和实验结果比较了不同加热方式下原子气室表面温度分布情况, 获得了能够使原子气室表面温度分布最均匀的加热方式。