在量子傳感器和原子鐘等精密儀器中，原子蒸氣室如同“心臟”——其內部光滑程度直接影響激光穿透性能，進而決定設備精度。然而傳統玻璃吹制工藝制造的蒸氣室，內壁粗糙如砂紙，透光率不足70%，且成本高昂、難以批量生產。近期，西安交通大學聯合煙臺先進材料實驗室在《Engineering》發表論文，提出一種基于氧化鋁模具內壁成型技術的微加工方案，讓原子蒸氣室內壁透光率提升至89.5%，表面粗糙度降低至22納米（相當于頭發絲直徑的1/3000），為量子器件的微型化鋪平道路。

“印章法”破解玻璃內壁光滑難題
傳統工藝如同吹制玻璃工藝品，依賴人工在高溫下塑形，但毫米級腔體的內壁極易凹凸不平。研究團隊另辟蹊徑：先用激光在玻璃晶圓上鉆出3毫米見方的孔洞，再將表面拋光至鏡面級別的氧化鋁模具（形似微型印章）嵌入孔內。當玻璃加熱到790℃時，模具與孔壁因熱膨脹緊密貼合，粗糙內壁被“壓印”成光滑鏡面。這一過程無需外力加壓，僅靠材料自身膨脹完成塑形，避免傳統工藝中模具損傷和玻璃變形的風險。

實驗數據顯示，新工藝加工的玻璃孔洞透光率接近商用拋光玻璃的94%，表面形狀誤差小于283納米，完全滿足原子傳感器中多束正交激光穿透的需求。更關鍵的是，該技術可在4英寸晶圓上一次性加工236個蒸氣室單元，單批次成本降低至傳統方法的1/5。

氙氣回收系統破解“貴族氣體”困局
量子傳感器需要填充同位素氣體如氙-129和氙-131，但這類氣體價格堪比黃金——1升純度99.99%的氙-129市場價超過30萬元。研究團隊設計了一套氣體循環裝置：在真空腔體內注入混合氣體后，利用液氮將廉價氮氣液化分離，氙氣則通過分子篩吸附回收，回收率高達99.9%。這套系統讓單次加工的氣體消耗量從1000升驟降至1升，解決了量子器件量產的成本瓶頸。

不過，技術仍有“卡脖子”環節。測試發現，蒸氣室在常溫下的氦氣滲透率仍達到4.4×10?1?帕·立方米/秒，這意味著十年后腔體內氣體可能泄漏10%。論文通訊作者提出兩種解決方案：改用鋁硅酸鹽玻璃替代當前硼硅玻璃，或在玻璃表面鍍氧化鋁涂層，這兩種方法已在實驗室驗證中將泄漏率降低兩個數量級。

核自旋信號揭示“隱形誤差”
研究團隊搭建雙激光測試平臺，模擬原子陀螺儀真實工作環境。當一束795納米圓偏振光泵浦銣原子時，另一束780納米線偏振光探測氙-129/131的核自旋信號。數據顯示，新型蒸氣室中氙-131的橫向弛豫時間達到4.47秒，比傳統工藝延長3倍，核四極矩頻移（一種由腔體不對稱引發的誤差）降至43毫赫茲，相當于普通機械手表日誤差的百萬分之一。

“這歸功于立方體腔體的高度對稱性。”論文第一作者解釋，傳統蒸氣室殘留的玻璃管（用于注入堿金屬）會破壞幾何對稱性，而新工藝通過多層非等溫陽極鍵合技術，讓銣金屬直接沉積在腔體底部，避免了外部突起結構。此外，光滑內壁減少了氙原子與壁面的碰撞擾動，進一步抑制誤差。

這項技術已應用于某型芯片級原子磁力計的試制，體積僅為傳統設備的1/20，功耗降低至5毫瓦。研究團隊透露，下一步將探索氮化鎵密封層和金剛石刀片切割工藝，目標在2026年前實現月產10萬顆蒸氣室的量產能力。正如論文所述：“當量子器件的核心單元能像集成電路般批量制造，第二次精密測量革命或將到來。”

（論文詳見《Engineering》2024年第35卷；技術原理示意圖：氧化鋁模具熱壓成型過程與氙氣回收系統）

來源: Engineering