专利名称：具有弯折的光学系统的微型气室的制作方法
技术领域：
本发明涉及原子频率标准和原子磁力测定领域。本发明尤其涉及微型气室原子频率标准的物理包装。
背景技术：
受限制的原子样本的共振特性的精确的分光探询可用于确立原子频率标准。根据对于小型的需要，已经形成了低功率频率标准，该标准增加了对减小尺寸、复杂性和这种设备的成本的强调。特别是，可靠的、低功率二极管激光器的发展已经能够适应小型便携式原子设备的发展。
气室原子频率标准的技术是众所周知的(参见J.Vanier和C.Audoin的The Quantum Physics of Atomic FrequencyStandards，Adam Hilger，Bristol和Philadelphia，1989，ISBN0-85274-434-X)，并且这种设备已经广泛使用了很多年。现有技术使用蒸气室，该蒸气室包含碱金属，典型地为铷或者铯，以及缓冲气体(参见R.H.Dicke，”The Effect of Collisions Upon the DopplerWidth of Spectral Lines”Phys，Rev.Lett，Vol.89，pp，472-473，1953)，其通过放电灯或者激光器二极管来照明。当将该室的光传输放置在微波空腔以及在基态极精细的频率应用能量的时候，该室的光传输显示了很窄的共振特性。这个响应充当鉴频器以锁住微波源的频率，因此产生稳定的输出。
在另一个实施例中，使用相干布居陷阱法(CPTcoherentpopulation trapping)，消除了微波空腔并且激光器二极管改为以原子极精细的频率的一半进行调制(参见N.Cyr，M.Tetu，和M，Breton，“All-Optical Microwave Frequency StandardA Proposal”，IEEETrans，Instrum.Meas.，Vol.42，No.2，PP.640-649，Aprial1993；J.Kitching，S.Knappe，N.Vukicevic，R.Wyands和W.Weidmann，“A Microwave Frequency Reference Based on VCSEL-Driven Dark-Line Resonances in Cs Vapor”，IEEE，Trans，Instrum，Meas.，Vol.49，No.6，pp.1313-1317，Dec.2000；和J.Vanier，M.levine，D.Janssen和M.Delaney，“The Coherent Population TrappingPassive Frequency Standard”，IEEE Trans.Instrum.Meas.，Vol.52，No.2，pp.258-262，April 2003)，提供全部光学设备，该设备非常小，功率低并且生产费用不高。(参见S.Knappe，V.Velichansky，H.Robinson，J.Kitching，L.Hollberg，“AtomicVapor Cells for Miniature Frequency References”，Proc，17thEuropean Frequency and Time Forum and 2003 IEEE InternationalFrequency Control Symposium，MAY 2003)。该气室能够利用微机加工和微机电系统(MEMS)技术的批处理方法制成的。(参见U.S.Patent Application NO.2002/0163394，L.Hollberg等人，“Miniature Frequency Standard Based on All OpticalExcitation and a Micro-Machined Containment Vessel”，Nov.7，2002)。由于所包含的容量的尺寸减小，因此增加了对包括光源、检测器、加热器、温度控制器以及微波组件的辅助元件减小尺寸和复杂度的需要。
专利号为6265945和6320472的美国专利，以及J.Vanier等人的“A Microwave Frequency Reference Based on VCSEL-Driven DarkLine Resonance in Cs Vapor，”(与上述完全相同)描述了基于相干布居陷阱法(CPT)建立原子频率标准的规则。申请号为2002/0163394的美国专利和S.Kappe等人的“Atomic Vapor Cells for MiniatureFrequency References”(与上面相同)描述了用于这种原子频率标准的小型气室的设计和制造。专利号为5327105的美国专利描述了一小气室，该小气室包括具有为了耦合光电检测器以普通的光学结构形式存在的反射镜和分光镜的反射光路。专利号为6353225的美国专利是厘米大小尺寸的先有技术的代表，其使用激光器二极管和光电检测器来测量通过气体的光的传输，在特定的原子或者分子吸收线感应其响应。所披露的装置包括位于同一平面和反射镜中的分离的激光器二极管和分离的光电检测器。
尽管上面描述了发展和先有装置，但是对更小型、不太复杂和廉价的原子频率标准的期望和需要仍然存在。

发明内容
本发明提供一种芯片级原子频率标准，在功率上比先有技术小并且低两个数量级，并且能够允许适于原子频率标准的晶片级集成激光器/检测器组件的产品。
本发明提供通过形成封闭气室的方式形成用于原子气体的探询的气室，该封闭气室包括原子气体样本并且携带光源、光传感器和光反射表面，因此光源、光反射表面和光传感器形成通过原子气体的多重光路。在用于探询气体样本的本发明优选的光学系统中，在一组件中用光电检测器基本上包围半导体激光器，将该组件装配在光反射表面的反面，因此在激光器、光反射表面和光电检测器与小型气体探询装置之间形成多重光路。形成气室的装置能够获得多种形式，但是优选的形式包括玻璃室或者硅，其具有在其封闭端携带的光反射表面和由玻璃窗封闭的开口端，该玻璃窗携带了单个、基本共面的半导体芯片，该半导体芯片形成半导体激光器和周围的光电检测器。
本发明的其他特征和优点将通过下面本发明的附图和更详细的说明的方式进行说明。


图1为在包括气室的中心轴的平面获得的本发明的气室的横断面视图；图2为在通过平行于共同定位的光源和光传感器的表面的图1的线2-2的平面获得的图1的气室的共同定位的光源和光传感器的视图；图3a为在包括本发明的气室的中心轴的平面获得的横断面视图，其中该气室是由玻璃或者硅杯形成的，并且该玻璃杯或者硅杯包括内部光反射表面，并且气室的开口端是由玻璃窗关闭的；图3b是在包括本发明的另一个气室的中心轴的平面获得的横断面视图，该气室是由圆柱体侧壁形成的，并且该圆柱体侧壁的两端是由玻璃窗封闭的；图4a是在包括用于芯片级原子频率标准的本发明的优选实施例的气室的中心轴的平面获得的拆散开的横断面视图，其中气室是由玻璃或者硅杯形成的；以及图4b是在包括气室的中心轴的平面获得的拆散开的横断面视图，其中气室是由通过两个玻璃端壁封闭的圆柱体侧面单元构成的。
具体实施例方式
在这里说明和描述的实施例是以当前所知道的优选的实施例的方式作为本发明的示例性的说明，并且这些实施例不作为对本发明的限定，除了那些已经说明和描述的之外其他的实施例也合并到这些实施例中。
图1为用于原子气体探询的本发明的气体探询装置10的横断面视图。气体探询装置10包括形成用于容纳原子气体例如铯或者铷的封闭气室11a的装置11。该装置11携带有光源12和光传感器13，在图1的气体探询装置10中，光源和光传感器是由装置11的一端携带的。该装置也带有光反射表面14，在图1的气体探询设备10中，该光反射表面由该装置11的与携带光源12和光传感器13的一端相对的一端携带。如通过图1和虚线以及箭头描绘的那样，光源12、光反射表面14和光传感器13形成通过原子气体的多重光路，该原子气体容纳在由装置11形成的封闭气室11a中。如通过图1和图2所描述的，光源12和光传感器13能够同样置于单个基底15上。在优选实施例中，如在图2中所示，光源12和光传感器13包括基本上由光电检测器13围绕的半导体激光器12，并且光源12和光传感器13可以形成在单个芯片上。半导体光源12最好为垂直腔表面发射激光器(VCSEL)半导体激光器二极管。在优选实施例中，虽然对于某些应用，可能在组装之前将由不相容的材料制成的激光器和检测器独立地装配是必需的，但是也可以将VCSEL和光电二极管同时装配在一块共同的基底上。
如在图1中所示，从VCSEL12上呈现发散的激光束并且发散的激光束在到达反射镜14之前通过原子样本。在反射之后，在到达检测器13之前，激光束第二次通过原子样本。优选地选择在激光器/检测器组件12、13、15和反射镜14之间的间隔以及环形检测器13的外径，以使来自VCSEL激光器12的给定发散角的返回的光的收集最优化。
图3a和3b显示了用于形成封闭气室11的两个优选实施例。在图3a和3b中显示的形成装置的气室提供适于室的主体的MEMS-相容的几何结构，一个为带有内部反射镜14(图3a)的杯20，另一个为带有第二窗23和内部反射镜或者外部反射镜14(图3b)的圆柱体22。图3b描述了室腔11a的外部的反射镜14。这两个实施例都具有顶部窗21以密封该室，在该顶部窗的上面设置激光器/检测器基底15。形成封闭气室11的装置也可以具有加热器和温度传感器16以用来增加和控制室的温度。典型的在原子频率标准或者磁强计中，气体样本包含在室11中，在图3a和3b中，室11是由硅制成的，并且室是利用阳极压焊处理由玻璃窗或者多个窗密封起来的，并且将激光器二极管/光电检测器组件12、13、15设置顶部窗21上面。底部的反射表面14是由铜或者其它与碱相容的材料制成，并且将其配置在硅杯20的底部或者将其配置在第二玻璃窗23的内部或者外部，该第二玻璃窗23阳极压焊在圆柱形硅体的底部上。在外部反射镜的情况下，其与原子气体的化学相容性不是极需的。当硅已经如上所述得到典型地使用的时候，可以在本发明中用全部玻璃室来代替硅的使用。
图4a和4b显示了本发明的特定的优选实施例的详细组件，将这些组件拆散开以更好地说明组件的元件。图4a和4b说明在相干布居陷阱法(CPT)基础上芯片级原子频率标准的优选实施例。该室由如在图4a中显示的带有反射的底31的硅或者玻璃杯30构成，或者由如在图4b中显示的带有反射的窗33、34的硅或者玻璃圆柱体32构成。将VCSEL/检测器组件12、13、15装配在室的顶部，并且光学衰减器35和四分之一波长光相位延迟器(λ/4-板)36位于激光器12和顶部窗21之间。衰减器35设置最佳的光强度并且提供光隔离以防止光反射回激光器12中。四分之一波形板36如在CPT探询所需的一样将直线偏振激光束转换为圆形偏振。能够将这些附加的光学元件中的一个或者多个与窗21或者激光器/光电检测器组件12、13、15集成在一起以简化设计和减少组装步骤。室腔11a中充满了少量铯或者铷碱金属加上惰性缓冲气体或者缓冲气体混合物。在图4b中，室是由硅或者玻璃圆柱体32构成的，该圆柱体的上端和下端是由玻璃窗21、33密封的。虽然在图4b中反射镜34显示在底部窗33的外面，在这种配置中可以将反射镜表面34放置在第二窗33的内部或者外部。在所有的这些情况下，将加热器和温度传感器(没有在图4a和4b中示出，但是在图3a和3b中示出了)设置在室11的底部以将该室维持在适当的操作温度上。可选择地，室11可以使用在腔11a中的内部墙涂层来代替或者加上缓冲气体以将谐振线的宽度变窄。一个重要的细节在于圆形偏振的旋向性，如沿着光的传播方向测量的，在弯折的光路的反射镜反射的基础上反向，但是同通过CPT探询方法所需要的一样，如通过原子样本所观测的，场的旋转是没有变化的。
本发明的弯折的光路的原理的优点是允许两个半导体设备(激光二极管和光电检测器)在室的一端集成到一起。这样就会使该设计紧凑、简化了设备的结构，并且允许将加热器和温度传感器组件装配到室的底部。垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和共振腔增强的光电检测器的同时外延结构是实用的并且是有效的。激光器二极管12的发散角和反射镜14的形状制造成能够使反射的光充满光电检测器的感测区域。这样就提供了完全利用室腔11a的容量和通过引起反射的光通过在室中的不同原子的有效长度的附加的优点，因此允许该室制造得更小。在切片和组装之前，通过在晶片级激励VCSEL设备12对每个激光器/检测器对12、13进行测试，并且当将反射镜设置得与晶片表面平行的时候，测量光电检测器13的信号。
因此本发明提供小型光学系统，如在图1中示例说明的那样，该光学系统将垂直腔表面发射激光器(VCSEL)12与光强度检测器(光电二极管)13组合共同配置在公共的基底15上，并且反射镜14将发散的激光束反射到检测器上。优选的，如图2所示，将VCSEL和检测器配置在环形几何结构上，并且将气体原子样本配置在激光器/检测器组件12、13、15和反射镜14之间的腔11a中，以使发散的激光束通过气体原子样本，然后激光束通过该反射镜反射，再一次通过样本并且照射到检测器13。如上面所述的，在本发明的原子频率标准和磁强计中，可以将气体原子样本密封在气室中，该气室可以是杯子或者圆柱体的形式，在气室的顶端或者在顶端和底端具有窗，在一端具有VCSEL和光电检测器，在另外一端具有反射镜。
本领域的那些技术人员将意识到除了那些在这里描述和说明的实施例之外可以设计其他的实施例，并且本发明仅仅由权利要求书和先有技术的范围进行限定。
权利要求
1.一种用于探询气体样本的光学系统，包括a)半导体激光器，其基本上由在激光器/光电检测器组件中的光电检测器包围；b)反射表面，其装配在所述激光器/光电检测器组件的相对的一面，其中通过所述的激光器发射的光至少两次定向通过所述的气体样本，因此形成小型气体探询装置。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述的半导体激光器和光电检测器是共同定位在单个基底上的。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中半导体激光器和光电检测器为基本上共面的组件，并且在基本共面的组件和反射镜之间的距离使光返回到光电检测器最优化。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中光学系统包括另一个反射镜，其提供穿过所述的气体样本大于两次的偶数次的光路。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述的半导体激光器为垂直腔表面发射激光二极管(VCSEL)。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述的气体样本包含在具有光学透明窗的密封的气室中。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其中所述的密封的气室包括在其底部具有所述的反射表面的杯。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述的光学透明窗是玻璃的，其是阳极压焊到所述的杯的开口端上的。
9.根据权利要求6所述的光学系统，其中所述的密封的气室包括具有用来提供所述反射表面的底部窗的圆柱体。
10.根据权利要求6所述的光学系统，其中所述的气室包括具有玻璃顶部和底部窗的圆柱体，该玻璃顶部和底部窗是阳极压焊到所述的圆柱体的端部的，所述的玻璃顶部窗携带有所述的激光器/光电检测器组件，并且所述的玻璃底部窗携带有所述反射表面。
11.根据权利要求6所述的光学系统，其中所述的密封的气室携带有加热器和温度传感器。
12.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述的气体样本是位于所述的激光器/光电检测器组件和所述的反射表面之间的原子气体，并且将微波激励附加地引入到所述气体样本中，以在探询所述的气体原子样本中共振激励基态超精细跃迁。
13.根据权利要求1所述的光学系统，进一步包括四分之一波形板，其用来圆形偏振所述半导体激光器的光发射，并且其中所述的气体原子样本是位于所述的激光器电子检测器组件和所述的反射表面之间的原子气体，通过在其偶数子谐波处施加到所述的激光器上的微波调制来探询所述的气体原子样本的基态超精细频率。
14.根据权利要求1所述的光学系统，其中将所述的原子气体样本设置在所述的激光/光电检测器组件和所述的反射表面之间，并且共振地施加声频辐射以通过塞曼共振分光术测量磁场强度。
15.在包含光学活性气体的原子频率标准中，其改进包括用来提供通过所述的光学活性气体的多重光路的装置，该装置包括共同设置的半导体激光器和光电检测器以及反射表面；以及在其之间容纳了所述的光学活性气体的气室，所述的气室具有能够使所述的激光器的发散光最佳地照射到所述的光电检测器上的尺寸。
16.在包含光学活性气体的原子磁强计中，其改进包括用来提供通过所述的光学活性气体的多重光路的装置，该装置包括共同设置的半导体激光器和光电检测器以及反射表面；以及在其之间容纳了气体原子样本的气室。
17.一种用于原子气体的探询的气室，包括形成包括原子气体的密封的气室的装置，所述的装置携带有光源和光传感器，并且进一步携带有光反射表面，所述的光源、光反射表面和光传感器形成通过在所述的密封的气室中的原子气体的多重光路，来自所述的光源的光通过该密封的气室传播并且从所述的光反射表面反射到所述的光传感器上。
18.根据权利要求17所述的气室，其中所述的形成密封的气室的装置包括携带有形成激光器二极管和为了感测激光器二极管的发射的光电检测器的单个芯片的光透明窗。
19.根据权利要求18所述的气室，其中形成密封的气室的装置包括带有圆柱形的外围和底部表面的玻璃或者硅杯，所述的光反射表面由所述杯的密封端携带。
20.根据权利要求19所述的气室，其中光反射表面是形成在底部表面外部上的反射镜。
21.根据权利要求17所述的气室，其中形成密封的气室的装置带有加热器。
22.根据权利要求19所述的气室，其进一步包括由所述的密封端携带的集成的加热器和温度传感器。
23.根据权利要求17所述的气室，其中原子气体包括铯气体。
24.根据权利要求17所述的气室，其中原子气体包括铷气体。
25.根据权利要求1的气室，其中所述的形成密封的气室的装置包括外壳，其形成气室的外围，透明窗，其封闭了外壳的一端并且携带有基本共面的基底，该基底上携带有所述的光源和所述的光感应检测器，以及密封外壳的另外一端和携带所述的反射表面的装置。
26.根据权利要求18的气室，其进一步包括四分之一波形板，该四分之一波形板用来圆形偏振所述的激光器二极管的光发射。
27.根据权利要求18的气室，其进一步包括用于所述的激光器二极管的光发射的光学衰减器。
28.用于原子频率标准的形成气室的装置，所述的装置包括杯形玻璃容器，其形成气室的外围和一端，所述的气室的一端携带有光反射表面，和集成的加热器与温度传感器，密封杯形玻璃容器的外围的玻璃窗，其用来封闭和形成气体容器的另外一端，形成有通过所述的玻璃窗携带的半导体激光器二极管和光电检测器的单个芯片，所述的单个芯片和所述的光反射表面通过所述的杯形容器间隔开，因此能够将来自半导体激光器二极管的光定向发射到所述的光反射表面上，并且从所述的光反射表面被反射以最佳地冲击所述的光电检测器。
29.根据权利要求28的装置，其进一步包括定位在所述的半导体激光器二极管和杯形玻璃容器的内部之间的光学衰减器和四分之一波形板。
全文摘要
公开了一种用在基于原子和分子样本，例如原子频率标准和磁强计的激光分光学的装置的微型光学系统。该微型光学系统使用弯折的光学路径，其允许来自激光器二极管的光两次通过该室，从反射镜上反射并且返回到与激光器二极管共同设置的光电检测器上。这种有效的封装配置允许将激光器二极管和光电检测器装配在同一块半导体基底上，并且允许在不附加用于对准的光学组件的条件下利用气室的基本所有容量。在单个基底上的激光器源和检测器的装配允许节省成本的批量处理和关键活性组分的并行测试。
文档编号G01N21/03GK1590985SQ20041007515
公开日2005年3月9日 申请日期2004年9月2日 优先权日2003年9月2日
发明者W·J·小赖利, R·卢特瓦克 申请人:美国迅腾有限公司