在量子传感器和原子钟等精密仪器中，原子蒸气室如同“心脏”——其内部光滑程度直接影响激光穿透性能，进而决定设备精度。然而传统玻璃吹制工艺制造的蒸气室，内壁粗糙如砂纸，透光率不足70%，且成本高昂、难以批量生产。近期，西安交通大学联合烟台先进材料实验室在《Engineering》发表论文，提出一种基于氧化铝模具内壁成型技术的微加工方案，让原子蒸气室内壁透光率提升至89.5%，表面粗糙度降低至22纳米（相当于头发丝直径的1/3000），为量子器件的微型化铺平道路。

“印章法”破解玻璃内壁光滑难题
传统工艺如同吹制玻璃工艺品，依赖人工在高温下塑形，但毫米级腔体的内壁极易凹凸不平。研究团队另辟蹊径：先用激光在玻璃晶圆上钻出3毫米见方的孔洞，再将表面抛光至镜面级别的氧化铝模具（形似微型印章）嵌入孔内。当玻璃加热到790℃时，模具与孔壁因热膨胀紧密贴合，粗糙内壁被“压印”成光滑镜面。这一过程无需外力加压，仅靠材料自身膨胀完成塑形，避免传统工艺中模具损伤和玻璃变形的风险。

实验数据显示，新工艺加工的玻璃孔洞透光率接近商用抛光玻璃的94%，表面形状误差小于283纳米，完全满足原子传感器中多束正交激光穿透的需求。更关键的是，该技术可在4英寸晶圆上一次性加工236个蒸气室单元，单批次成本降低至传统方法的1/5。

氙气回收系统破解“贵族气体”困局
量子传感器需要填充同位素气体如氙-129和氙-131，但这类气体价格堪比黄金——1升纯度99.99%的氙-129市场价超过30万元。研究团队设计了一套气体循环装置：在真空腔体内注入混合气体后，利用液氮将廉价氮气液化分离，氙气则通过分子筛吸附回收，回收率高达99.9%。这套系统让单次加工的气体消耗量从1000升骤降至1升，解决了量子器件量产的成本瓶颈。

不过，技术仍有“卡脖子”环节。测试发现，蒸气室在常温下的氦气渗透率仍达到4.4×10⁻¹⁰帕·立方米/秒，这意味着十年后腔体内气体可能泄漏10%。论文通讯作者提出两种解决方案：改用铝硅酸盐玻璃替代当前硼硅玻璃，或在玻璃表面镀氧化铝涂层，这两种方法已在实验室验证中将泄漏率降低两个数量级。

核自旋信号揭示“隐形误差”
研究团队搭建双激光测试平台，模拟原子陀螺仪真实工作环境。当一束795纳米圆偏振光泵浦铷原子时，另一束780纳米线偏振光探测氙-129/131的核自旋信号。数据显示，新型蒸气室中氙-131的横向弛豫时间达到4.47秒，比传统工艺延长3倍，核四极矩频移（一种由腔体不对称引发的误差）降至43毫赫兹，相当于普通机械手表日误差的百万分之一。

“这归功于立方体腔体的高度对称性。”论文第一作者解释，传统蒸气室残留的玻璃管（用于注入碱金属）会破坏几何对称性，而新工艺通过多层非等温阳极键合技术，让铷金属直接沉积在腔体底部，避免了外部突起结构。此外，光滑内壁减少了氙原子与壁面的碰撞扰动，进一步抑制误差。

这项技术已应用于某型芯片级原子磁力计的试制，体积仅为传统设备的1/20，功耗降低至5毫瓦。研究团队透露，下一步将探索氮化镓密封层和金刚石刀片切割工艺，目标在2026年前实现月产10万颗蒸气室的量产能力。正如论文所述：“当量子器件的核心单元能像集成电路般批量制造，第二次精密测量革命或将到来。”

（论文详见《Engineering》2024年第35卷；技术原理示意图：氧化铝模具热压成型过程与氙气回收系统）

来源: Engineering