用於飽和光譜學的簡單、低功率的微系統的製作方法

2023-11-06 06:59:57

專利名稱：用於飽和光譜學的簡單、低功率的微系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於飽和光譜學的簡單、低功率的微系統。
背景技術：
飽和光譜學是ー種具有多種用途的眾所周知的技木。在很多應用中，其被用來比較雷射的頻率和在稀薄氣體中的原子躍遷的頻率。例如，大體上雷射的頻率是不固定的，但是會由於熱效應、老化、和其它與時間相關的過程而漂移(drift)。某些應用(例如冷原子設備，包括原子鐘)需要由反饋系統來控制雷射頻率從而防止該漂移。

發明內容
本申請涉及一種光譜裝置(spectroscopic assembly)。該光譜裝置包括絕熱平臺；氣體參比室(gas reference cell),包圍氣體並且附著於絕熱平臺，所述氣體參比室具有至少ー個光學透明的窗ロ ；以及至少ー個加熱器，被配置成提高被包圍的氣體的溫度。當分束器配置成將雷射器發射的輸入光束的一部分反射成入射到氣體參比室的至少ー個光學透明的窗口上時，輸入光束的所反射的部分兩次透射通過所述氣體。當檢測器被配置成接收所述兩次透射通過氣體的光束時，反饋信號被提供給雷射器用於穩定雷射器。


圖IA是根據本發明的光譜裝置，雷射器和外部組件的一個實施例的框圖；圖IB是圖IA的光譜裝置中氣體參比室的第一表面上的第一加熱器的展開圖；圖2-5是根據本發明的被配置為穩定雷射束的光譜裝置的實施例的框圖；圖6示出根據本發明的得自用於雷射穩頻的小型蒸汽室(vapor cell)的光譜信號；並且圖7是根據本發明的穩定由雷射器輸出的光束的方法的一實施例的流程圖。根據慣例，各種的所述的特徵沒有按照尺寸進行繪製，而是繪製為強調與本發明相關的特徵。在所有的附圖和文字部分，相同的參考符號指代相同的元件。
具體實施例方式在下面的詳細說明中，參考構成說明的一部分的附圖，並且其中作為例示示出了本發明可以被實施於其中的特定例示性實施例。這些實施例被充分詳細地描述，以使得本領域技術人員能夠實施本發明，且應當被理解的是，可以利用其它實施例並且可以在不背離本發明的範圍的情況下進行邏輯的，機械的和電學的變化。因此，以下詳述的說明並不在限制意義上理解。本發明所描述和示出的光譜裝置的實施例是用於飽和光譜學的簡單，低功率的微系統。這些用於飽和光譜學的微系統提供了穩定的光譜信號用來反饋給雷射器以穩定雷射器發射的光束的頻率。反饋系統採用氣體參比室和被稱為飽和光譜學的技術來產生反饋信號，從而對雷射的頻率和原子躍遷的頻率進行比較。在某些應用中，將雷射頻率與原子頻率比較以達到測量可以偏移原子頻率的力(例如磁場或電場)的目的，或達到識彆氣體或氣體屬性(諸如壓強和溫度)的目的。在某些應用中，稀薄氣體用於以可控的方式來調製雷射。在這種情況下，作為控制雷射的頻率或振幅的手段，外力被施加以對氣體和雷射的交互作用進行調製。有利地，在此描述的光譜裝置的實施例需要非常低的功率並且對失調 (misalignment)是穩健的。某些在此所述的實施例包括小型的氣體參比室。對飽和光譜學裝置小型化的先前嘗試負面影響了被穩定的雷射束的空間模式(spatial mode),使得現有技術小型化的飽和光譜學裝置對某些應用(例如小型的原子鐘)不適合。帶有小型氣體參比室的光譜裝置的所述實施例採用了最少數目的光學組件，並且對提供給外部系統的光束有很小的影響或者沒有影響。圖IA是根據本發明的光譜裝置5，雷射器10，和外部組件160的實施例的框圖。圖IA所示的光譜裝置5被調準為提供反饋來將雷射器10鎖定成選定的頻率。雷射器10被反饋信號穩定，所述反饋信號從光譜裝置5經由鏈路13輸出到雷射器驅動器14。光譜裝置5包括殼體410，絕熱平臺400，和包圍氣體41的氣體參比室40。絕熱平臺400和氣體參比室40容納在殼體410內。殼體410在此還被稱為晶片載體，或者無引線的晶片載體(LCC)。氣體參比室40在此也被稱為「小型銣參比室40」，「參比室40」，「預抽真空密封室40」，以及「室 40」。氣體參比室40由至少ー個絕熱平臺400 (在此也被稱為「臺架(scaffold) 」，「第一臺架」，和「第二臺架」)支承。至少ー個加熱器601或者501被配置成提高被包圍的氣體41的溫度。尤其是，至少ー個加熱器被圖案化製作(pattern)在第一光學透明的窗口和第ニ光學透明的窗ロ、氣體參比室的第一表面、氣體參比室的第二表面、鄰近第一光學透明的窗ロ的絕熱平臺的一部分、以及鄰近第二光學透明的窗ロ的絕熱平臺的一部分中的至少ー個上。絕熱平臺400確保加熱器501和601僅加熱在氣體參比室40中的氣體41並且不加熱(或最少地加熱)殼體410。如果加熱器被配置在絕熱平臺400的一部分上，絕熱平臺400被配置為阻礙從加熱器到殼體410的熱流動並且允許從加熱器到氣體參比室40的熱流動。這種選擇性熱流動可以通過設計具有恰當的熱導率的材料的絕熱平臺400而提供。由於熱不從加熱器501和601傳遞到殼體410，加熱器501和601工作在低功率下。殼體410具有透明的窗ロ 415以透射輸入光束21和輸出光束25。殼體410配置為在真空下密封。殼體410內的真空也確保了加熱器501和601僅加熱在氣體參比室40中的氣體41並且不加熱(或最少地加熱)殼體410。這也有助於最小化加熱器501和601所需的功率。在該實施例的一個實施方式中，殼體410是陶瓷殼體410。在該實施例的另ー實施方式中，光譜裝置5是小型光譜裝置5並且氣體參比室40是小型的氣體參比室40。如果氣體參比室40是小型的氣體參比室40，加熱器501和601需要很低的功率。
氣體參比室40具有第一表面47和相対的第二表面48(配置為包圍氣體41)。第一表面47具有第一光學透明的窗ロ 45，而第二表面48具有第二光學透明的窗ロ 46。至少一個加熱器501或601分別被圖案化製作在氣體參比室40的第一表面47或第二表面48上，或者至少ー個加熱器被定位在相應的至少ー個臺架上以提高被包圍的氣體41的溫度。在該實施例的一個實施方式中，至少ー個加熱器501或601分別被圖案化製作在第一光學透明的窗ロ 45或第二光學透明的窗ロ 46上，以提高被包圍的氣體41的溫度。在該實施例的另ー個實施方式中，只有一個加熱器501或601被用來加熱氣體41。在該實施例的另ー個實施方式中，第一表面47是玻璃片,該玻璃片是第一光學透明的窗ロ 45。在該實施例的另ー實施方式中，第二表面48是玻璃片，該玻璃片是第二光學透明的窗ロ 46,並且這兩個玻璃片陽極地接合到帶有腔的矽晶片上，由此氣體被密封在所述腔內。在該實施例的另ー實施方式中，氣體參比室40是單個吹制玻璃塊而非多片玻璃。在該實施例的一個實施方式中，圖IB是圖IA的光譜裝置5中第一加熱器601和溫度傳感器505被圖案化製作在氣體參比室40的第一表面47上的展開圖。圖IB中看見第一光學透明的窗ロ 45，其中第一加熱器601直接被圖案化製作在第一光學透明的窗ロ 45上。第一加熱器601示出為描畫了兩個部分圓的跡線。電接觸墊615和616通過相應的跡·線617和618與第一加熱器601相連接。光束21 (圖1A)垂直入射(或近似垂直入射)到在第一加熱器601的部分圓內部的第一光學透明的窗ロ 45上。在該實施例的一個實施方式中，第一加熱器601被圖案化製作在與第一光學透明的窗ロ 45鄰近的第一表面47上。氣體參比室40可選地包括帶有相應的至少ー個電接觸墊506的至少ー個溫度傳感器505，該電接觸墊被圖案化製作在氣體參比室40的第一表面46上。該電接觸墊506通過跡線619與溫度傳感器505相連接。在該實施例的另ー個實施方式中，所述的至少ー個溫度傳感器505被圖案化製作在第一光學透明的窗ロ 45上。在該實施例的一個實施方式中，溫度傳感器505是電阻型溫度傳感器505。在該實施例的一個實施方式中，氣體參比室40上沒有溫度傳感器505。在該實施例的一個實施方式中，第二加熱器501 (圖1A)直接被圖案化製作在第二光學透明的窗ロ 46上。在該實施例的另ー實施方式中,第二電熱器501被圖案化製作在鄰近第二光學透明的窗ロ 46的第二表面48上。在該實施例的另ー個實施方式中，第二加熱器501與圖IB中所示的第一加熱器301形狀相同。第一加熱器601和第二加熱器501可以是其它形狀。在該實施例的另ー個實施方式中，沒有第一加熱器601，而第二加熱器501是在氣體參比室40上的僅有的加熱器。在該實施例的另ー實施方式中，沒有第二加熱器501，而第一加熱器601是在氣體參比室40上的僅有的加熱器。第一加熱器601和第二加熱器501是由適合用來沉積在絕熱平臺400上的任何導電材料形成。在該實施例的一個實施方式中，第一加熱器601和第二加熱器501是電阻型加熱器。電接觸墊506，615和616和跡線617，618和619是由適合用來沉積在氣體參比室40上的任何導電材料形成。氣體參比室40被定位在絕熱平臺400的臺架特徵401上以懸掛氣體參比室40。狹窄的臺架特徵401使得從被加熱的氣體參比室40到殼體410的熱傳導最小化。在該實施例的一個實施方式中，絕熱平臺400是由矽形成。在該實施例的另ー實施方式中，絕熱平臺400是採用所屬領域技術人員公知的微機電系統(MEMS)製造技術形成。
在一個實施例中，加熱器被製作在臺架400上，而熱通過焊料或粘合劑被傳遞到氣體參比室40。在該實施例中，臺架上的加熱器結合或者代替氣體參比室40的第一表面47上的加熱器，和/或氣體參比室40的第二表面48上的加熱器而使用。在另ー個實施例中，第二臺架附著於氣體參比室40的第二表面，並且加熱器被製作在第二臺架上。在這個在後的實施例中，第二臺架上的加熱器被結合或者代替第一臺架上的加熱器、氣體參比室40的第一表面47上的加熱器、和/或氣體參比室40的第二表面48上的加熱器而使用。因此，光譜裝置的實施例包括被圖案化製作在第一光學透明的窗ロ、第二光學透明的窗ロ、與第一光學透明的窗ロ鄰近的第一臺架、以及與第二光學透明的窗ロ鄰近的第二臺架中的至少ー個之上的加熱器。光譜裝置的實施例包括溫度傳感器505，該溫度傳感器505被圖案化製作在第一光學透明的窗ロ 45，第二光學透明的窗ロ 46，氣體參比室的第一表面47，氣體參比室的第ニ表面48，鄰近第一光學透明的窗ロ 45的絕熱平臺400的一部分，及鄰近第二光學透明的窗ロ 46的絕熱平臺400的一部分中的至少ー個之上。氣體參比室40附著於至少一個絕熱平臺400。當氣體參比室40在操作上被定位在絕熱平臺400上時，電接觸墊510和511分別與電接觸墊512和513電接觸，以便為第二加熱器501提供電流。同樣地，當氣體參比室40在操作上被定位在絕熱平臺400上吋，電接觸墊506-A和506-B分別與電接觸墊552和553電接觸，以便感測電阻型溫度傳感器505的電流。位於絕熱平臺400的中心的開ロ允許透射通過第二光學透明的窗ロ 46的光束21的部分傳到超出絕熱平臺400的任何組件。在該實施例的一個實施方式中，反射表面被定位以反射透射通過第二光學透明的窗ロ 46的光束21的一部分，以傳到超出絕熱平臺400的任何組件。如圖IA所示，在絕熱平臺400上的電接觸墊512和513通過跡線(大體上表示為雙箭頭)與絕熱平臺400上的相應的電接觸墊515和516相連接。電接觸墊515和516被連接到相應的引線650和651。引線650和651延伸通過殼體410的相應的側壁412和413。引線660和661 (例如導線)將相應的電接觸墊615和616 (圖1B)連接到對應的引線652和653。引線652和653延伸通過殼體410的相應的側壁412和413。延伸通過殼體410的側壁412和413的引線650和651被用來連接到殼體410外的電流源670以提供電流給第二加熱器501。尤其是，電流源670經由電引線650，電接觸墊515，跡線527，接觸墊512，和電接觸墊510 (見圖1A)被連接到第二加熱器501的一端。電流源670經由電接觸墊511，接觸墊513，跡線527，接觸墊516和電引線651被連接到第二加熱器501的另ー端。延伸通過殼體410的側壁412和413的引線652和653被用於連接到在殼體410外的電流源671以提供電流給第一加熱器601。以類似的方式，從絕熱平臺400上的電接觸墊的電連接連接到引線以便連接溫度傳感器505到殼體410外的溫度傳感器控制/測量電子器件。ー個電接觸墊與另ー個電接觸墊的電連接是通過所屬領域的公知的技術之ー完成，該技術包括但不限於，球柵附著和焊接。應當理解的是圖IA所示的電學結構是示例性實施例，而其它結構是可以的。在該實施例的一個實施方式中，氣體參比室40的第二表面48不包括第二光學透明的窗ロ 46,而是反射表面或部分反射表面。在該實施例的另ー實施方式中，存在反射表面，其定位在殼體400的底面上以將光束反射回分束器30。在這種實施例中，對第一光學透明的窗ロ 45和第二光學透明的窗ロ 46進行抗反射塗敷。在該實施例的另ー實施方式中，對第一光學透明的窗ロ 44進行抗反射塗敷。用於穩定雷射器10的示例性光譜裝置5的操作現在參照圖IA被描述。雷射器10發射光束20。術語「光束」在本文中也被稱為「束」。由於光譜裝置5定位成接收(作為輸入)從雷射器10發射的光束20，因此雷射器10發射的光束20在本文中也被稱為「輸入光束 20」。光束20首先通過基於電光(EO)的強度伺服裝置(intensity servo) 325以減少雷射器相對強度噪聲(RIN)。基於電光(EO)的強度伺服裝置325包括EO快門(shutter) 360，分束器230，和檢測器352。光束20穿過EO快門360並且入射到分束器230上。一部分光束20作為光束19被分束器230反射向檢測器352。檢測器352經由鏈路361向EO快門360提供反饋信號。EO快門360的速度被調整以減少或消除RIN。基於電光(EO)的強度伺 服裝置325是可選的。在該實施例的一個實施方式中，沒有基於電光(EO)的強度伺服裝置325且光束20入射到光譜裝置5上。光束20的一部分由基於電光(EO)的強度伺服裝置325中的分束器230透射,作為輸入光束20朝向光譜裝置5。光譜裝置5包括氣體參比室40，殼體410，絕熱平臺400，第一分束器30,和第一檢測器350。氣體參比室40被封裝在殼體410的真空中並且附著於絕熱平臺400。被定位在殼體410的外面的分束器30，將光束20的第一部分作為光束21反射到氣體參比室40，並且將光束20的第二部分作為光束29從光譜裝置5透射到外部組件160。在該實施例的一個實施方式中，外部組件160是基於原子的裝置。因此，分束器30被配置為將光束20的第一(所反射)部分(在本文中也被稱為光束21)引導到氣體參比室40 ;將光束20的第二(透射)部分(在本文中也被稱為光束29)從光譜裝置5中引導；且引導兩次透射通過氣體41的光束(在本文中也被稱為光束25)從氣體參比室40到第一檢測器350作為光束26。第一檢測器350提供光譜信號50用於雷射頻率控制(經由鏈路13，作為到雷射器10的反饋)。從分束器30反射的光束21入射到氣體參比室40的第一光學透明的窗ロ 45。光束21透射通過氣體41，入射到反射面46 (例如，第二光學透明的窗ロ 46)，從反射面46被反射，並且再次透射通過氣體41。光束21和25的光路被示出為偏離彼此以清楚地指示光束21和25的光路。儘管如此，當第一光學透明的窗ロ 45平行於第二光學透明的窗ロ 46並且光束21被垂直入射到氣體參比室40的第一光學透明的窗ロ 45時，光束21和25是重置的。採用所屬領域技術人員公知的側鎖定(side-locking)或者峰值鎖定技術將已兩次透射通過氣體41的光束25鎖定於被加熱的氣體41的飽和吸收光譜的特定峰值的ー側或者峰值。第一檢測器350被配置為提供反饋信號50以穩定由雷射器10發射的光束20的頻率。反饋信號50指示第一檢測器350處檢測到的光束26的振幅。反饋信號50被用來調整雷射器驅動器14。在圖IA所示的光譜裝置5的實施例中，光譜裝置5也包括第一半波片301，第二半波片302，四分之一波片311，第二分束器130和第二檢測器351。在該實施例中，第一分束器30和第二分束器130為偏振分束器30和130。入射到偏振分束器30和130的光束的反射的百分比和透射的百分比是相應地基於入射光束20和29的偏振。輸入光束20的偏振由半波片301控制。輸入光束29的偏振由半波片302控制。第一半波片301具有快軸(在本文中被稱為第一快軸)。第一半波片301被定位在偏振分束器30的輸入表面30A處。第一,決軸相對於輸入光束20的偏振的取向被用來控制光束20的透射(第二)部分(例如，光束29的強度)與光束的反射(第一)部分(例如，光束21的強度)的比率。因而,第一,決軸相對於輸入光束20的偏振的取向控制光束29和光束21的相對強度。在該實施例的一個實施方式中，第一分束器30反射10%的輸入光束20並透射90%的輸入光束20，因此第二部分與第一部分的比率為90/10。如圖IA所示，反射表面46是第二光學透明的窗ロ 46。這種情況下，假設第二光學透明的窗ロ 46是玻璃的，4%的光束21被作為光束25從第二光學透明的窗ロ 46的每ー個表面反射。光束25向後傳播通過氣體41。
四分之一波片311具有快軸(在本文中被稱為第二快軸)。四分之一波片311被定位在偏振分束器30的輸出面30C和氣體參比室40的第一光學透明的窗ロ 45之間。第ニ快軸相對於光束21 (例如，輸入光束20的所反射部分)的偏振的取向控制已兩次傳播通過氣體41的光束25的偏振。在該實施例的一個實施方式中，半波片301和302，四分之一波片311被形成在剛性的片、聚合物板材、和/或膜中。半波片301和302，四分之一波片311，第二分束器130，和第二檢測器351是可選的。正如圖IA所示，分束器30和130和第一半波片301，第二半波片302，四分之一波片311，第二分束器130，和第二檢測器351被定位在殼體窗ロ 415的頂部並且在殼體412中的真空之外。如果雷射器功率以及氣體參比室40的溫度被很好地控制，安裝在第一分束器30上的單個檢測器350就是唯一所需的光學檢測器。氣體參比室溫度可以經由電阻型溫度傳感器505控制並且雷射器功率可以被基於電光(EO)的強度伺服裝置325分別地伺服(servo) 0如果雷射器功率經受漂移，第二檢測器130(如圖IA所示)實施為控制雷射器功率波動。直接落到第二檢測器130上的雷射的部分被用來監測雷射器功率的波動，因此其影響可以通過減法電子器件12從雷射頻率的反饋信號50中減去。第二半波片302定位在第一分束器30的輸出表面30B處。第二半波片302具有第三快軸。光束29 (B卩，光束20的第二部分)透射通過第二半波片302，並且入射到第二分束器130上。第二分束器130將光束29的一部分(在本文中也被稱為輸入光束20的第三部分)作為光束28朝向第二檢測器351反射。第二分束器130將光束29的一部分(在本文中也被稱為輸入光束20的第四部分)作為光束29』朝向位於光譜裝置5之外的外部組件透射。半波片302的第三快軸相對於光束29的偏振的取向被用於控制輸入光束20的第四部分(例如，光束29』的強度)與輸入光束20的第三部分(例如，光束28的強度)的比率。因此，第三快軸相對於光束29的偏振的取向控制光束29』與光束28的相對強度。在該實施例的一個實施方式中，第二分束器130反射10%的光束29並透射90%的光束29，因此，第四部分與第三部分的比率為90/10。第二檢測器351被定位成接收從第二分束器130反射的光束28。第二檢測器351測量光束28 (光束20的第三部分)的振幅的波動，使得被發送到雷射器驅動器14的反饋信號降低由雷射器10發射的輸入光束20的強度波動。在這種方式下，強度波動被從用於穩定雷射器10的頻率的反饋信號中移除。來自第一檢測器350和第二檢測器351的輸出是減法電子器件12的輸入。減法電子器件12將經由鏈路13發送到雷射器驅動器14的光譜信號50歸ー化。第一檢測器處的光度級(強度)的變化可能是由於雷射頻率的變化或者雷射器功率的變化。在沒有第二檢測器的情況下，伺服系統總是試圖改變雷射頻率以恢復光度級。然而，如果光度級的變化不是由於頻率的變化，這種伺服校正實際上將頻率拖離所期望的工作頻率。為了避免這種情況，第二檢測器上的信號被從第一檢測器上的信號中減去(在每ー個減法器的輸入處具有合適的增益量)。在這種情況下，如果雷射器功率改變，在兩個檢測器上的光度級變化了相同量，而減去的信號不改變。但是，如果雷射頻率改變，第一檢測器上的光度級變化而第二檢測器上的光度級不變。減去的信號的級別因此改變，而伺服裝置(正確地)調整雷射頻率以將減去的信號恢復到其先前值。應當理解的是，這種歸一化也可以不是採用兩個信號相減，而是採用將ー個信號除以另ー個信號來實現，從而使比率對二者變化不敏感。
在該實施例的一個實施方式中，氣體參比室40在ー側是近似1mm。在該實施例的一個實施方式中，分束器30是90-10的立方分束器(beam cube)。在該實施例的另ー實施方式中，分束器30是80-20的立方分束器。在該實施例的另ー實施方式中，分束器130是90-10的立方分束器。分束器30和130的其它的分束比是可能的。在某些實施方式中，分束器是偏振分束器並且分束比被光的偏振(其可通過半波片設定)控制。如果分束器是非偏振型的(具有固定的分束比，或者如果該分束器是偏振型的但光的偏振已通過其它手段被設定到所期望的取向，則該半波片不是必要的。在該實施例的另ー個實施方式中，氣體41被加熱到60攝氏度。氣體參比室40包括銣氣、銫氣、こ炔氣、鈉氣或鉀氣或者另ー氣體(其在雷射器可得的波長下具有飽和吸收光譜)之一。氣體參比室40包括在低壓強下的相關的蒸汽，由於其它氣體(包括慣用的「緩衝氣體」例如氮氣和氬氣)，其具有最小的部分壓強(例如小於O. I個大氣壓)。在該實施例的一個實施方式中，入射到第一檢測器350的光束26從氣體參比室40的未塗敷的玻璃窗ロ(例如，第二光學透明窗ロ 46)的反射而提供。在該實施例的另ー個實施方式中，第二光學透明的窗ロ 46被塗敷以得到不同的反射率。在該實施例的另ー個實施方式中，附加的元件(例如，鏡或波片)被結合到與殼體窗ロ 415相対的氣體參比室40的一側上的包裝內。圖2-5是根據本發明的被配置為穩定雷射束的光譜裝置的實施例的框圖。圖2是光譜裝置6的框圖，光譜裝置6被調準為提供鎖定雷射器10的頻率的反饋以使得穩定的光束29從光譜裝置6中輸出。光譜裝置6與圖IA的光譜裝置5不同之處在於不存在第二半波片302，第二分束器130，第二檢測器351，和減法電子器件12。在光譜裝置6的輸入處沒有定位基於電光(EO)的強度伺服裝置325並且沒有顯示出外部組件160。連接到圖IA中所示的引線650-653的雷射器驅動器14和電流源670和671沒有顯示在圖2中。如圖2所示，分束器30是具有面30A，30B, 30C和30D的立方分束器30。面30A與面30B相対，而面30C與面30D相対。輸入光束20經由面30A被輸入到光譜裝置6。檢測器350鄰近分束器30的面30D定位。半波片301鄰近立方分束器30的面30A定位。四分之一波片311被定位在立方分束器30的面30C和殼體410的透明窗ロ 415之間。分束器30，半波片301，四分之一波片311，氣體參比室40，絕熱平臺400，和殼體410的功能參照圖1A-1B如上描述。圖2也顯示了可選的監測檢測器353。在這種配置下，監測檢測器353與第二光學透明的窗ロ 46鄰近並且監測透射通過氣體參比室40中的氣體41的輸入光束20的反射部分21的強度。尤其是，監測檢測器353接收光束21 (該光束21已穿過第一光學透明的窗ロ 45，氣體41，和第二光學透明的窗ロ 46 —次)，以監測氣體參比室40中的氣體41的吸收。當氣體參比室40的溫度沒有被很好地控制時，監測檢測器353是有用的。光譜裝置6使雷射器10 (圖1A)發射的輸入光束20穩定。在該實施例的一個實施方式中，光譜裝置6 是小型的光譜裝置6，且氣體參比室40是小型的參比室40。光譜裝置6的此配置是緊湊的並且加熱氣體參比室40中的氣體41需要的功率低。在該實施例的一個實施方式中，光譜裝置6的組件(S卩，分束器30，檢測器350，半波片301，和四分之一波片311)通過所屬領域技術人員在閱讀和理解本文件的時候可理解的機械特徵，粘合劑，和/或殼體結構夾持在殼體410的適當位置。圖3是光譜裝置7的框圖，光譜裝置7被調準為提供鎖定雷射器10的頻率的反饋以使得穩定的雷射束29被從光譜裝置7中輸出。在光譜裝置7的輸入處沒有定位基於電光(EO)的強度伺服裝置325並且沒有顯示出外部組件160。圖IA中所示的雷射器驅動器14和電流源670和671沒有顯示在圖3中。光譜裝置7是圖IA的光譜裝置5的緊湊版。如圖3所示，第一分束器30是具有面30A，30B，30C和30D的第一立方分束器30。第二分束器130是具有面130A，130B, 130C和130D的第二立方分束器130。面130A與面130B相対，而面130C與面130D相対。第一檢測器350鄰近分束器30的面30D定位。第二檢測器351鄰近分束器130的面130D定位。第一半波片301鄰近第一立方分束器30的面30A定位。第二半波片302定位在第一立方分束器30的面30B和第二立方分束器130的面130A之間。四分之一波片311定位在立方分束器30的面30C和殼體410的透明窗ロ 415之間。面130C鄰近殼體410定位。參考圖1A-1B如上所述，光譜裝置7的組件的功能是使雷射器10穩定。這種光譜裝置7的配置緊湊並且加熱氣體參比室40中的氣體41需要的功率低。在該實施例的一個實施方式中，光譜裝置7的組件(即，第一分束器30，第二分束器130，第一檢測器350，第二檢測器351，第一半波片301，四分之一波片311，和第二半波片302)通過所屬領域技術人員在閱讀和理解本文件的時候可理解的機械特徵，粘合劑，和/或殼體結構夾持在殼體410的適當位置。圖4是光譜裝置8的框圖，光譜裝置8被調準為提供鎖定雷射器10的頻率的反饋以使得穩定的雷射束29被從光譜裝置8中輸出。在光譜裝置8的輸入處沒有定位基於電光(EO)的強度伺服裝置325並且沒有顯示出外部組件160。圖IA中所示的雷射器驅動器14和電流源670和671沒有顯示在圖4中。如圖4所示，第一檢測器鄰近面30D定位。第二檢測器351鄰近面130D定位。第一半波片301鄰近第一立方分束器30的面30A定位。第二半波片302被定位在第一立方分束器30的面30B和第二立方分束器130的面130A之間。面30C鄰近殼體410的透明窗ロ 415定位。面130C鄰近殼體410定位。第一半波片301具有快軸(在本文中被稱為第一快軸)。第一半波片301定位在偏振分束器30的輸入面30A處。第一,決軸相對於輸入光束20的偏振的取向被用來控制光束20的第二部分(例如，光束29的強度)與光束的第一部分(例如，光束21的強度)的比率。如圖4所不,氣體參比室40的第二光學透明的窗ロ 46定位在反射表面51和氣體參比室40的第一光學透明的窗ロ 45之間。反射表面51定位在殼體410的表面414上。表面414與殼體410的透明窗ロ 415相對。在該實施例的一個實施方式中，反射表面51是鏡。在該實施例的另ー個實施方式中，反射表面51是部分反射的表面。在該實施例的另ー個實施方式中，對第一光學透明的窗ロ 45和第二光學透明的窗ロ 46進行抗反射塗敷。光譜裝置8包括具有快軸(在本文中被稱為第二快軸)的四分之一波片312。四分之一波片312定位在氣體參比室40的第二光學透明的窗ロ 46和反射表面51之間。四分之一波片312的第二快軸相對於輸入光束20的所反射部分21的偏振而取向，以使得第一次傳播通過氣體41的光束22的第一偏振與第二次傳播通過氣體41的光束24的第二偏振是垂直的。四分之一波片312在操作上定位在絕熱平臺400中。 參照圖1A-1B如上所述，光譜裝置8的組件的功能是使雷射器10穩定。在該實施例的一個實施方式中，光譜裝置8的組件(即，第一分束器30，第二分束器130，第一檢測器350，第二檢測器351，第一半波片301，四分之一波片312，和第二半波片302)通過所屬領域技術人員在閱讀和理解本文件的時候可理解的機械特徵，粘合劑，和/或殼體結構夾持在殼體410的適當位置。圖5是根據本發明的光譜裝置9，雷射器10和外部組件160的實施例的框圖。圖5中所示的光譜裝置9被調準為提供反饋以將雷射器10鎖定於選定頻率。光譜裝置9包括殼體410，絕熱平臺400，和包圍氣體41的氣體參比室40。分束器39和第二分束器139不是偏振分束器。分束器39使第一百分比的入射光束20透射並使第二百分比的入射光束20反射。同樣地，分束器139使第三百分比的入射光束29透射並使第四百分比的入射光束29反射。在該實施例的一個實施方式中，第一百分比和第三百分比相等，而第二百分比和第四百分比相等。第一百分比和第二百分比加起來近似地為100%。第三百分比和第四百分比加起來近似地為100%。光束20的一小部分可能被分束器39和139的塗層吸收。由於分束器39和139不是偏振分束器，就不需要第一半波片301，第二半波片302，和四分之一波片311以對光束的偏振定向。因此，光譜裝置9與圖I的光譜裝置5的不同之處是不具有第一半波片301，第二半波片302，和四分之一波片311。在光譜裝置9中沒有顯示基於電光(EO)的強度伺服裝置325，但是基於電光(EO)的強度伺服裝置325能可選擇地包括在光譜裝置9中。光譜裝置9的功能與圖IA中示出的光譜裝置5的功能相同。在光譜裝置9中的殼體410和氣體參比室40在結構和功能上類似於圖5中的殼體410和氣體參比室40。在該實施例的一個實施方式中，光譜裝置9不包括第二分束器139。圖6示出光譜信號200，其得自用於雷射穩頻的銣氣體的小型氣體參比室40 (蒸汽室)。圖6中所示的圖是隨著雷射頻率隨時間變化而生成，因此，垂直軸單位是伏特而水平軸單位是時間(秒)。第一軌跡示出在都卜勒展寬吸收曲線內所掃描的整個F = 2飽和吸收軌跡(absorption trace)近似是IGHz。在此示例性情況下，銣氣體在384. 2292416THz處具有峰值210。峰值210是雷射器10將被鎖定到的峰值。峰值210是F = 2 — 3循環躍遷(cycling transition)且是在幾十MHz寬度的量級。如果氣體41是由其它元素形成，則對於鎖定可以選擇其它峰值。在該實施例的一個實施方式中，雷射器10被鎖定於比峰值210 在頻率上小 10_15MHz 的頻率處(the laser 10 is locked at a frequency that is10_15MHz lower in frequency than the peak 210),即，在峰值 210 的一側。圖7是根據本發明的穩定由雷射器輸出的光束的方法700的一實施例的流程圖。在該實施例的一個實施方式中，方法700被實施以穩定由小型光譜裝置中的雷射器10輸出的光束，在小型光譜裝置中，氣體參比室40是製作在晶片700上的小型氣體參比室140之一。在該實施例的一個實施方式中，輸入光束20被穩定為參照圖1A-4如上所述的光譜裝置5，6，7或8之一中的輸出光束29。參照圖4中所示的光譜裝置8描述方法700，儘管如此，應當理解的是，如閱讀本文的所屬領域技術人員可理解的，方法700可採用光譜裝置的其它實施例而實施。同樣地，方法700是參照小型 氣體參比室40被描述的，儘管如此，應當理解的是，採用尺寸上不是小型的氣體參比室也能夠實現方法700。在塊702處，輸入光束20的第一部分被引導到光譜裝置8的小型氣體參比室40。輸入光束20的第一部分是輸入光束20被分束器30反射的那部分。在塊704處,被引導的輸入光束20的第一部分(即光束21)兩次透射通過小型氣體參比室40中的被加熱氣體41，小型氣體參比室40在操作上附著於微機電系統(MEMS)絕熱平臺400。小型氣體參比室40是在殼體410內。在殼體410內創建真空。在塊706處，兩次透射的光束25的至少一部分被引導到檢測器350。在塊708處，反饋(信號50)被從檢測器350提供給雷射器10。在塊710處，雷射器10被鎖定於被加熱的氣體41的飽和吸收光譜200 (圖7)的特定的峰值(例如，圖7中所不的峰值210)。在塊712處，由穩定的雷射器10發射的輸入光束20的第二部分(光束29)被從小型光譜裝置5引導。輸入光束20的第二部分是透射通過分束器30的輸入光束20的那部分。在方法700的該實施例的一個實施方式中，輸入光束的第二部分中的第三部分(例如，光束28)被引導到第二檢測器351。光束的第三部分(例如光束28)的振幅被測量並且光束28的振幅波動被從提供給雷射器10的反饋信號50中減去(採用減法電子器件12)。在該實施例的另ー實施方式中，基於電光的強度伺服裝置325定位在光束20的光路中以減少雷射相對強度噪聲。儘管本文中已例示和描述特定的實施例，但是應當意識到，對於那些所屬領域普通技術人員，適合實現相同目的的任何裝置可以替換所示的特定實施例。本申請意在涵蓋本發明的任何適配或者變化。因此，顯然意在僅由權利要求及其等同物限定本發明。
權利要求
1.一種用於穩定光束(21)的光譜裝置(4，5，6，7，8，9)，所述光譜裝置包括 氣體參比室(40)，包圍氣體(41)並附著於絕熱平臺(400)，所述氣體參比室具有第一光學透明窗口(45)和第二光學透明窗口(46)； 至少一個加熱器￠01)，用來提高被包圍的氣體的溫度； 分束器(30),被配置為將雷射器(10)發射的輸入光束(20)的一部分(21)反射成入射到氣體參比室的第一光學透明窗口上，其中輸入光束的所反射部分透射通過氣體，從反射面(46)被反射，然後再次透射通過氣體；以及 檢測器(350)被配置為接收兩次透射通過氣體的光束(26)，其中兩次透射通過氣體的光束被鎖定於被加熱氣體的飽和吸收光譜(200)的特定的峰值(210)，其中所述檢測器被配置為提供反饋信號(50)以穩定所述雷射器發射的光束的頻率。
2.如權利要求I所述的光譜裝置(4，5，6，7，8，9)，其中至少一個加熱器(601)被圖案化製作在第一光學透明窗口(45)，第二光學透明窗口(46)，氣體參比室(40)的第一表面(47)，氣體參比室的第二表面(48)，鄰近第一光學透明窗口的絕熱平臺(400)的一部分，以及鄰近第二光學透明窗口的絕熱平臺的一部分中的至少一個上。
3.如權利要求I所述的光譜裝置(4，5，6，7，8，9)，進一步包括 具有透明窗口(415)的殼體(410)，所述殼體被配置為在真空條件下密封絕熱平臺(400)和氣體參比室(40)，所述透明窗口被定位成將輸入光束(20)的所反射部分(21)透射到氣體參比室並且定位成將兩次透射通過氣體(41)的光束(25)透射到分束器(30)。
全文摘要
本發明涉及用於飽和光譜學的簡單、低功率的微系統。提供了一種光譜裝置。該光譜裝置包括絕熱平臺；氣體參比室，包圍氣體並且附著於絕熱平臺，該氣體參比室具有至少一個光學透明窗口，以及至少一個被配置成提高被包圍的氣體的溫度的加熱器。當分束器被配置成將由雷射器發射的輸入光束的一部分反射成入射到氣體參比室的至少一個光學透明窗口上時，輸入光束的所反射的部分兩次透射通過所述氣體。當檢測器被配置成接收所述兩次透射通過氣體的光束時，反饋信號被提供給雷射器用於穩定雷射器。
文檔編號G01J3/42GK102853914SQ20121021053
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月27日 優先權日2011年6月29日
發明者K·薩利特, J·A·裡德利, M·K·薩利特, J·S·斯特拉布利, J·克裡斯 申請人:霍尼韋爾國際公司