專利名稱：用于飽和光譜學(xué)的簡(jiǎn)單、低功率的微系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于飽和光譜學(xué)的簡(jiǎn)單、低功率的微系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
飽和光譜學(xué)是ー種具有多種用途的眾所周知的技木。在很多應(yīng)用中，其被用來比較激光的頻率和在稀薄氣體中的原子躍遷的頻率。例如，大體上激光的頻率是不固定的，但是會(huì)由于熱效應(yīng)、老化、和其它與時(shí)間相關(guān)的過程而漂移(drift)。某些應(yīng)用(例如冷原子設(shè)備，包括原子鐘)需要由反饋系統(tǒng)來控制激光頻率從而防止該漂移。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)涉及一種光譜裝置(spectroscopic assembly)。該光譜裝置包括絕熱平臺(tái)；氣體參比室(gas reference cell),包圍氣體并且附著于絕熱平臺(tái)，所述氣體參比室具有至少ー個(gè)光學(xué)透明的窗ロ ；以及至少ー個(gè)加熱器，被配置成提高被包圍的氣體的溫度。當(dāng)分束器配置成將激光器發(fā)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(gè)光學(xué)透明的窗口上時(shí)，輸入光束的所反射的部分兩次透射通過所述氣體。當(dāng)檢測(cè)器被配置成接收所述兩次透射通過氣體的光束時(shí)，反饋信號(hào)被提供給激光器用于穩(wěn)定激光器。


圖IA是根據(jù)本發(fā)明的光譜裝置，激光器和外部組件的一個(gè)實(shí)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(jù)本發(fā)明的被配置為穩(wěn)定激光束的光譜裝置的實(shí)施例的框圖；圖6示出根據(jù)本發(fā)明的得自用于激光穩(wěn)頻的小型蒸汽室(vapor cell)的光譜信號(hào)；并且圖7是根據(jù)本發(fā)明的穩(wěn)定由激光器輸出的光束的方法的一實(shí)施例的流程圖。根據(jù)慣例，各種的所述的特征沒有按照尺寸進(jìn)行繪制，而是繪制為強(qiáng)調(diào)與本發(fā)明相關(guān)的特征。在所有的附圖和文字部分，相同的參考符號(hào)指代相同的元件。
具體實(shí)施例方式在下面的詳細(xì)說明中，參考構(gòu)成說明的一部分的附圖，并且其中作為例示示出了本發(fā)明可以被實(shí)施于其中的特定例示性實(shí)施例。這些實(shí)施例被充分詳細(xì)地描述，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明，且應(yīng)當(dāng)被理解的是，可以利用其它實(shí)施例并且可以在不背離本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行邏輯的，機(jī)械的和電學(xué)的變化。因此，以下詳述的說明并不在限制意義上理解。本發(fā)明所描述和示出的光譜裝置的實(shí)施例是用于飽和光譜學(xué)的簡(jiǎn)單，低功率的微系統(tǒng)。這些用于飽和光譜學(xué)的微系統(tǒng)提供了穩(wěn)定的光譜信號(hào)用來反饋給激光器以穩(wěn)定激光器發(fā)射的光束的頻率。反饋系統(tǒng)采用氣體參比室和被稱為飽和光譜學(xué)的技術(shù)來產(chǎn)生反饋信號(hào)，從而對(duì)激光的頻率和原子躍遷的頻率進(jìn)行比較。在某些應(yīng)用中，將激光頻率與原子頻率比較以達(dá)到測(cè)量可以偏移原子頻率的力(例如磁場(chǎng)或電場(chǎng))的目的，或達(dá)到識(shí)別氣體或氣體屬性(諸如壓強(qiáng)和溫度)的目的。在某些應(yīng)用中，稀薄氣體用于以可控的方式來調(diào)制激光。在這種情況下，作為控制激光的頻率或振幅的手段，外力被施加以對(duì)氣體和激光的交互作用進(jìn)行調(diào)制。有利地，在此描述的光譜裝置的實(shí)施例需要非常低的功率并且對(duì)失調(diào) (misalignment)是穩(wěn)健的。某些在此所述的實(shí)施例包括小型的氣體參比室。對(duì)飽和光譜學(xué)裝置小型化的先前嘗試負(fù)面影響了被穩(wěn)定的激光束的空間模式(spatial mode),使得現(xiàn)有技術(shù)小型化的飽和光譜學(xué)裝置對(duì)某些應(yīng)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(shí)施例采用了最少數(shù)目的光學(xué)組件，并且對(duì)提供給外部系統(tǒng)的光束有很小的影響或者沒有影響。圖IA是根據(jù)本發(fā)明的光譜裝置5，激光器10，和外部組件160的實(shí)施例的框圖。圖IA所示的光譜裝置5被調(diào)準(zhǔn)為提供反饋來將激光器10鎖定成選定的頻率。激光器10被反饋信號(hào)穩(wěn)定，所述反饋信號(hào)從光譜裝置5經(jīng)由鏈路13輸出到激光器驅(qū)動(dòng)器14。光譜裝置5包括殼體410，絕熱平臺(tái)400，和包圍氣體41的氣體參比室40。絕熱平臺(tái)400和氣體參比室40容納在殼體410內(nèi)。殼體410在此還被稱為芯片載體，或者無引線的芯片載體(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(yù)抽真空密封室40”，以及“室 40”。氣體參比室40由至少ー個(gè)絕熱平臺(tái)400 (在此也被稱為“臺(tái)架(scaffold) ”，“第一臺(tái)架”，和“第二臺(tái)架”)支承。至少ー個(gè)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(gè)加熱器被圖案化制作(pattern)在第一光學(xué)透明的窗口和第ニ光學(xué)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(xué)透明的窗ロ的絕熱平臺(tái)的一部分、以及鄰近第二光學(xué)透明的窗ロ的絕熱平臺(tái)的一部分中的至少ー個(gè)上。絕熱平臺(tái)400確保加熱器501和601僅加熱在氣體參比室40中的氣體41并且不加熱(或最少地加熱)殼體410。如果加熱器被配置在絕熱平臺(tái)400的一部分上，絕熱平臺(tái)400被配置為阻礙從加熱器到殼體410的熱流動(dòng)并且允許從加熱器到氣體參比室40的熱流動(dòng)。這種選擇性熱流動(dòng)可以通過設(shè)計(jì)具有恰當(dāng)?shù)臒釋?dǎo)率的材料的絕熱平臺(tái)400而提供。由于熱不從加熱器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(nèi)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并且不加熱(或最少地加熱)殼體410。這也有助于最小化加熱器501和601所需的功率。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，殼體410是陶瓷殼體410。在該實(shí)施例的另ー實(shí)施方式中，光譜裝置5是小型光譜裝置5并且氣體參比室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(xué)透明的窗ロ 45，而第二表面48具有第二光學(xué)透明的窗ロ 46。至少一個(gè)加熱器501或601分別被圖案化制作在氣體參比室40的第一表面47或第二表面48上，或者至少ー個(gè)加熱器被定位在相應(yīng)的至少ー個(gè)臺(tái)架上以提高被包圍的氣體41的溫度。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，至少ー個(gè)加熱器501或601分別被圖案化制作在第一光學(xué)透明的窗ロ 45或第二光學(xué)透明的窗ロ 46上，以提高被包圍的氣體41的溫度。在該實(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)施方式中，只有一個(gè)加熱器501或601被用來加熱氣體41。在該實(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)施方式中，第一表面47是玻璃片,該玻璃片是第一光學(xué)透明的窗ロ 45。在該實(shí)施例的另ー實(shí)施方式中，第二表面48是玻璃片，該玻璃片是第二光學(xué)透明的窗ロ 46,并且這兩個(gè)玻璃片陽(yáng)極地接合到帶有腔的硅晶片上，由此氣體被密封在所述腔內(nèi)。在該實(shí)施例的另ー實(shí)施方式中，氣體參比室40是單個(gè)吹制玻璃塊而非多片玻璃。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)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被圖案化制作在氣體參比室40的第一表面47上的展開圖。圖IB中看見第一光學(xué)透明的窗ロ 45，其中第一加熱器601直接被圖案化制作在第一光學(xué)透明的窗ロ 45上。第一加熱器601示出為描畫了兩個(gè)部分圓的跡線。電接觸墊615和616通過相應(yīng)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(nèi)部的第一光學(xué)透明的窗ロ 45上。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，第一加熱器601被圖案化制作在與第一光學(xué)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(yīng)的至少ー個(gè)電接觸墊506的至少ー個(gè)溫度傳感器505，該電接觸墊被圖案化制作在氣體參比室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(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)施方式中，所述的至少ー個(gè)溫度傳感器505被圖案化制作在第一光學(xué)透明的窗ロ 45上。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，溫度傳感器505是電阻型溫度傳感器505。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，氣體參比室40上沒有溫度傳感器505。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，第二加熱器501 (圖1A)直接被圖案化制作在第二光學(xué)透明的窗ロ 46上。在該實(shí)施例的另ー實(shí)施方式中,第二電熱器501被圖案化制作在鄰近第二光學(xué)透明的窗ロ 46的第二表面48上。在該實(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)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(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)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(shí)施例的另ー實(shí)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(tái)400上的任何導(dǎo)電材料形成。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)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(dǎo)電材料形成。氣體參比室40被定位在絕熱平臺(tái)400的臺(tái)架特征401上以懸掛氣體參比室40。狹窄的臺(tái)架特征401使得從被加熱的氣體參比室40到殼體410的熱傳導(dǎo)最小化。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，絕熱平臺(tái)400是由硅形成。在該實(shí)施例的另ー實(shí)施方式中，絕熱平臺(tái)400是采用所屬領(lǐng)域技術(shù)人員公知的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)制造技術(shù)形成。
在一個(gè)實(shí)施例中，加熱器被制作在臺(tái)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(shí)施例中，臺(tái)架上的加熱器結(jié)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(gè)實(shí)施例中，第二臺(tái)架附著于氣體參比室40的第二表面，并且加熱器被制作在第二臺(tái)架上。在這個(gè)在后的實(shí)施例中，第二臺(tái)架上的加熱器被結(jié)合或者代替第一臺(tái)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(shí)施例包括被圖案化制作在第一光學(xué)透明的窗ロ、第二光學(xué)透明的窗ロ、與第一光學(xué)透明的窗ロ鄰近的第一臺(tái)架、以及與第二光學(xué)透明的窗ロ鄰近的第二臺(tái)架中的至少ー個(gè)之上的加熱器。光譜裝置的實(shí)施例包括溫度傳感器505，該溫度傳感器505被圖案化制作在第一光學(xué)透明的窗ロ 45，第二光學(xué)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(xué)透明的窗ロ 45的絕熱平臺(tái)400的一部分，及鄰近第二光學(xué)透明的窗ロ 46的絕熱平臺(tái)400的一部分中的至少ー個(gè)之上。氣體參比室40附著于至少一個(gè)絕熱平臺(tái)400。當(dāng)氣體參比室40在操作上被定位在絕熱平臺(tái)400上時(shí)，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(dāng)氣體參比室40在操作上被定位在絕熱平臺(tái)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(cè)電阻型溫度傳感器505的電流。位于絕熱平臺(tái)400的中心的開ロ允許透射通過第二光學(xué)透明的窗ロ 46的光束21的部分傳到超出絕熱平臺(tái)400的任何組件。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，反射表面被定位以反射透射通過第二光學(xué)透明的窗ロ 46的光束21的一部分，以傳到超出絕熱平臺(tái)400的任何組件。如圖IA所示，在絕熱平臺(tái)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(tái)400上的相應(yīng)的電接觸墊515和516相連接。電接觸墊515和516被連接到相應(yīng)的引線650和651。引線650和651延伸通過殼體410的相應(yīng)的側(cè)壁412和413。引線660和661 (例如導(dǎo)線)將相應(yīng)的電接觸墊615和616 (圖1B)連接到對(duì)應(yīng)的引線652和653。引線652和653延伸通過殼體410的相應(yīng)的側(cè)壁412和413。延伸通過殼體410的側(cè)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(jīng)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(jīng)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(cè)壁412和413的引線652和653被用于連接到在殼體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(tái)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(cè)量電子器件。ー個(gè)電接觸墊與另ー個(gè)電接觸墊的電連接是通過所屬領(lǐng)域的公知的技術(shù)之ー完成，該技術(shù)包括但不限于，球柵附著和焊接。應(yīng)當(dāng)理解的是圖IA所示的電學(xué)結(jié)構(gòu)是示例性實(shí)施例，而其它結(jié)構(gòu)是可以的。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，氣體參比室40的第二表面48不包括第二光學(xué)透明的窗ロ 46,而是反射表面或部分反射表面。在該實(shí)施例的另ー實(shí)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(shí)施例中，對(duì)第一光學(xué)透明的窗ロ 45和第二光學(xué)透明的窗ロ 46進(jìn)行抗反射涂敷。在該實(shí)施例的另ー實(shí)施方式中，對(duì)第一光學(xué)透明的窗ロ 44進(jìn)行抗反射涂敷。用于穩(wěn)定激光器10的示例性光譜裝置5的操作現(xiàn)在參照?qǐng)DIA被描述。激光器10發(fā)射光束20。術(shù)語(yǔ)“光束”在本文中也被稱為“束”。由于光譜裝置5定位成接收(作為輸入)從激光器10發(fā)射的光束20，因此激光器10發(fā)射的光束20在本文中也被稱為“輸入光束 20”。光束20首先通過基于電光(EO)的強(qiáng)度伺服裝置(intensity servo) 325以減少激光器相對(duì)強(qiáng)度噪聲(RIN)。基于電光(EO)的強(qiáng)度伺服裝置325包括EO快門(shutter) 360，分束器230，和檢測(cè)器352。光束20穿過EO快門360并且入射到分束器230上。一部分光束20作為光束19被分束器230反射向檢測(cè)器352。檢測(cè)器352經(jīng)由鏈路361向EO快門360提供反饋信號(hào)。EO快門360的速度被調(diào)整以減少或消除RIN?；陔姽?EO)的強(qiáng)度伺 服裝置325是可選的。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，沒有基于電光(EO)的強(qiáng)度伺服裝置325且光束20入射到光譜裝置5上。光束20的一部分由基于電光(EO)的強(qiáng)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(tái)400，第一分束器30,和第一檢測(cè)器350。氣體參比室40被封裝在殼體410的真空中并且附著于絕熱平臺(tái)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，并且將光束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(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，外部組件160是基于原子的裝置。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(dǎo)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(dǎo)；且引導(dǎo)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(cè)器350作為光束26。第一檢測(cè)器350提供光譜信號(hào)50用于激光頻率控制(經(jīng)由鏈路13，作為到激光器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(xué)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(xué)透明的窗ロ 46)，從反射面46被反射，并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。盡管如此，當(dāng)?shù)谝还鈱W(xué)透明的窗ロ 45平行于第二光學(xué)透明的窗ロ 46并且光束21被垂直入射到氣體參比室40的第一光學(xué)透明的窗ロ 45時(shí)，光束21和25是重置的。采用所屬領(lǐng)域技術(shù)人員公知的側(cè)鎖定(side-locking)或者峰值鎖定技術(shù)將已兩次透射通過氣體41的光束25鎖定于被加熱的氣體41的飽和吸收光譜的特定峰值的ー側(cè)或者峰值。第一檢測(cè)器350被配置為提供反饋信號(hào)50以穩(wěn)定由激光器10發(fā)射的光束20的頻率。反饋信號(hào)50指示第一檢測(cè)器350處檢測(cè)到的光束26的振幅。反饋信號(hào)50被用來調(diào)整激光器驅(qū)動(dòng)器14。在圖IA所示的光譜裝置5的實(shí)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(cè)器351。在該實(shí)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(yīng)地基于入射光束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(duì)于輸入光束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(qiáng)度)與光束的反射(第一)部分(例如，光束21的強(qiáng)度)的比率。因而,第一,決軸相對(duì)于輸入光束20的偏振的取向控制光束29和光束21的相對(duì)強(qiáng)度。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，第一分束器30反射10%的輸入光束20并透射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(xué)透明的窗ロ 46。這種情況下，假設(shè)第二光學(xué)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(xué)透明的窗ロ 46的每ー個(gè)表面反射。光束25向后傳播通過氣體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(xué)透明的窗ロ 45之間。第ニ快軸相對(duì)于光束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(shí)施例的一個(gè)實(shí)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(cè)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(cè)器351被定位在殼體窗ロ 415的頂部并且在殼體412中的真空之外。如果激光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(gè)檢測(cè)器350就是唯一所需的光學(xué)檢測(cè)器。氣體參比室溫度可以經(jīng)由電阻型溫度傳感器505控制并且激光器功率可以被基于電光(EO)的強(qiáng)度伺服裝置325分別地伺服(servo) 0如果激光器功率經(jīng)受漂移，第二檢測(cè)器130(如圖IA所示)實(shí)施為控制激光器功率波動(dòng)。直接落到第二檢測(cè)器130上的激光的部分被用來監(jiān)測(cè)激光器功率的波動(dòng)，因此其影響可以通過減法電子器件12從激光頻率的反饋信號(hào)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，并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(cè)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’朝向位于光譜裝置5之外的外部組件透射。半波片302的第三快軸相對(duì)于光束29的偏振的取向被用于控制輸入光束20的第四部分(例如，光束29’的強(qiáng)度)與輸入光束20的第三部分(例如，光束28的強(qiáng)度)的比率。因此，第三快軸相對(duì)于光束29的偏振的取向控制光束29’與光束28的相對(duì)強(qiáng)度。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，第二分束器130反射10%的光束29并透射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(cè)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(cè)器351測(cè)量光束28 (光束20的第三部分)的振幅的波動(dòng)，使得被發(fā)送到激光器驅(qū)動(dòng)器14的反饋信號(hào)降低由激光器10發(fā)射的輸入光束20的強(qiáng)度波動(dòng)。在這種方式下，強(qiáng)度波動(dòng)被從用于穩(wěn)定激光器10的頻率的反饋信號(hào)中移除。來自第一檢測(cè)器350和第二檢測(cè)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(jīng)由鏈路13發(fā)送到激光器驅(qū)動(dòng)器14的光譜信號(hào)50歸ー化。第一檢測(cè)器處的光度級(jí)(強(qiáng)度)的變化可能是由于激光頻率的變化或者激光器功率的變化。在沒有第二檢測(cè)器的情況下，伺服系統(tǒng)總是試圖改變激光頻率以恢復(fù)光度級(jí)。然而，如果光度級(jí)的變化不是由于頻率的變化，這種伺服校正實(shí)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(cè)器上的信號(hào)被從第一檢測(cè)器上的信號(hào)中減去(在每ー個(gè)減法器的輸入處具有合適的增益量)。在這種情況下，如果激光器功率改變，在兩個(gè)檢測(cè)器上的光度級(jí)變化了相同量，而減去的信號(hào)不改變。但是，如果激光頻率改變，第一檢測(cè)器上的光度級(jí)變化而第二檢測(cè)器上的光度級(jí)不變。減去的信號(hào)的級(jí)別因此改變，而伺服裝置(正確地)調(diào)整激光頻率以將減去的信號(hào)恢復(fù)到其先前值。應(yīng)當(dāng)理解的是，這種歸一化也可以不是采用兩個(gè)信號(hào)相減，而是采用將ー個(gè)信號(hào)除以另ー個(gè)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，從而使比率對(duì)二者變化不敏感。
在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，氣體參比室40在ー側(cè)是近似1mm。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，分束器30是90-10的立方分束器(beam cube)。在該實(shí)施例的另ー實(shí)施方式中，分束器30是80-20的立方分束器。在該實(shí)施例的另ー實(shí)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(shí)施方式中，分束器是偏振分束器并且分束比被光的偏振(其可通過半波片設(shè)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(shè)定到所期望的取向，則該半波片不是必要的。在該實(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)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(其在激光器可得的波長(zhǎng)下具有飽和吸收光譜)之一。氣體參比室40包括在低壓強(qiáng)下的相關(guān)的蒸汽，由于其它氣體(包括慣用的“緩沖氣體”例如氮?dú)夂蜌鍤?，其具有最小的部分壓強(qiáng)(例如小于O. I個(gè)大氣壓)。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，入射到第一檢測(cè)器350的光束26從氣體參比室40的未涂敷的玻璃窗ロ(例如，第二光學(xué)透明窗ロ 46)的反射而提供。在該實(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)施方式中，第二光學(xué)透明的窗ロ 46被涂敷以得到不同的反射率。在該實(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)施方式中，附加的元件(例如，鏡或波片)被結(jié)合到與殼體窗ロ 415相対的氣體參比室40的一側(cè)上的包裝內(nèi)。圖2-5是根據(jù)本發(fā)明的被配置為穩(wěn)定激光束的光譜裝置的實(shí)施例的框圖。圖2是光譜裝置6的框圖，光譜裝置6被調(diào)準(zhǔn)為提供鎖定激光器10的頻率的反饋以使得穩(wěn)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不同之處在于不存在第二半波片302，第二分束器130，第二檢測(cè)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于電光(EO)的強(qiáng)度伺服裝置325并且沒有顯示出外部組件160。連接到圖IA中所示的引線650-653的激光器驅(qū)動(dòng)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(jīng)由面30A被輸入到光譜裝置6。檢測(cè)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(tái)400，和殼體410的功能參照?qǐng)D1A-1B如上描述。圖2也顯示了可選的監(jiān)測(cè)檢測(cè)器353。在這種配置下，監(jiān)測(cè)檢測(cè)器353與第二光學(xué)透明的窗ロ 46鄰近并且監(jiān)測(cè)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(qiáng)度。尤其是，監(jiān)測(cè)檢測(cè)器353接收光束21 (該光束21已穿過第一光學(xué)透明的窗ロ 45，氣體41，和第二光學(xué)透明的窗ロ 46 —次)，以監(jiān)測(cè)氣體參比室40中的氣體41的吸收。當(dāng)氣體參比室40的溫度沒有被很好地控制時(shí)，監(jiān)測(cè)檢測(cè)器353是有用的。光譜裝置6使激光器10 (圖1A)發(fā)射的輸入光束20穩(wěn)定。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)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的此配置是緊湊的并且加熱氣體參比室40中的氣體41需要的功率低。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，光譜裝置6的組件(S卩，分束器30，檢測(cè)器350，半波片301，和四分之一波片311)通過所屬領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀和理解本文件的時(shí)候可理解的機(jī)械特征，粘合劑，和/或殼體結(jié)構(gòu)夾持在殼體410的適當(dāng)位置。圖3是光譜裝置7的框圖，光譜裝置7被調(diào)準(zhǔn)為提供鎖定激光器10的頻率的反饋以使得穩(wěn)定的激光束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于電光(EO)的強(qiáng)度伺服裝置325并且沒有顯示出外部組件160。圖IA中所示的激光器驅(qū)動(dòng)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(cè)器350鄰近分束器30的面30D定位。第二檢測(cè)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的組件的功能是使激光器10穩(wěn)定。這種光譜裝置7的配置緊湊并且加熱氣體參比室40中的氣體41需要的功率低。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)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(cè)器350，第二檢測(cè)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(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀和理解本文件的時(shí)候可理解的機(jī)械特征，粘合劑，和/或殼體結(jié)構(gòu)夾持在殼體410的適當(dāng)位置。圖4是光譜裝置8的框圖，光譜裝置8被調(diào)準(zhǔn)為提供鎖定激光器10的頻率的反饋以使得穩(wěn)定的激光束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于電光(EO)的強(qiáng)度伺服裝置325并且沒有顯示出外部組件160。圖IA中所示的激光器驅(qū)動(dòng)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(cè)器鄰近面30D定位。第二檢測(cè)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(duì)于輸入光束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(qiáng)度)與光束的第一部分(例如，光束21的強(qiáng)度)的比率。如圖4所不,氣體參比室40的第二光學(xué)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(xué)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(duì)。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，反射表面51是鏡。在該實(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)施方式中，反射表面51是部分反射的表面。在該實(shí)施例的另ー個(gè)實(shí)施方式中，對(duì)第一光學(xué)透明的窗ロ 45和第二光學(xué)透明的窗ロ 46進(jìn)行抗反射涂敷。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(xué)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(duì)于輸入光束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(tái)400中。 參照?qǐng)D1A-1B如上所述，光譜裝置8的組件的功能是使激光器10穩(wěn)定。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)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(cè)器350，第二檢測(cè)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(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀和理解本文件的時(shí)候可理解的機(jī)械特征，粘合劑，和/或殼體結(jié)構(gòu)夾持在殼體410的適當(dāng)位置。圖5是根據(jù)本發(fā)明的光譜裝置9，激光器10和外部組件160的實(shí)施例的框圖。圖5中所示的光譜裝置9被調(diào)準(zhǔn)為提供反饋以將激光器10鎖定于選定頻率。光譜裝置9包括殼體410，絕熱平臺(tái)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透射并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透射并使第四百分比的入射光束29反射。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)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的涂層吸收。由于分束器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(duì)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中沒有顯示基于電光(EO)的強(qiáng)度伺服裝置325，但是基于電光(EO)的強(qiáng)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(jié)構(gòu)和功能上類似于圖5中的殼體410和氣體參比室40。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)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(hào)200，其得自用于激光穩(wěn)頻的銣氣體的小型氣體參比室40 (蒸汽室)。圖6中所示的圖是隨著激光頻率隨時(shí)間變化而生成，因此，垂直軸單位是伏特而水平軸單位是時(shí)間(秒)。第一軌跡示出在多普勒展寬吸收曲線內(nèi)所掃描的整個(gè)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是激光器10將被鎖定到的峰值。峰值210是F = 2 — 3循環(huán)躍遷(cycling transition)且是在幾十MHz寬度的量級(jí)。如果氣體41是由其它元素形成，則對(duì)于鎖定可以選擇其它峰值。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，激光器10被鎖定于比峰值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(cè)。圖7是根據(jù)本發(fā)明的穩(wěn)定由激光器輸出的光束的方法700的一實(shí)施例的流程圖。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，方法700被實(shí)施以穩(wěn)定由小型光譜裝置中的激光器10輸出的光束，在小型光譜裝置中，氣體參比室40是制作在晶片700上的小型氣體參比室140之一。在該實(shí)施例的一個(gè)實(shí)施方式中，輸入光束20被穩(wěn)定為參照?qǐng)D1A-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?qǐng)D4中所示的光譜裝置8描述方法700，盡管如此，應(yīng)當(dāng)理解的是，如閱讀本文的所屬領(lǐng)域技術(shù)人員可理解的，方法700可采用光譜裝置的其它實(shí)施例而實(shí)施。同樣地，方法700是參照小型 氣體參比室40被描述的，盡管如此，應(yīng)當(dāng)理解的是，采用尺寸上不是小型的氣體參比室也能夠?qū)崿F(xiàn)方法700。在塊702處，輸入光束20的第一部分被引導(dǎo)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(dǎo)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在操作上附著于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)絕熱平臺(tái)400。小型氣體參比室40是在殼體410內(nèi)。在殼體410內(nèi)創(chuàng)建真空。在塊706處，兩次透射的光束25的至少一部分被引導(dǎo)到檢測(cè)器350。在塊708處，反饋(信號(hào)50)被從檢測(cè)器350提供給激光器10。在塊710處，激光器10被鎖定于被加熱的氣體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(wěn)定的激光器10發(fā)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(dǎo)。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(shí)施例的一個(gè)實(shí)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(dǎo)到第二檢測(cè)器351。光束的第三部分(例如光束28)的振幅被測(cè)量并且光束28的振幅波動(dòng)被從提供給激光器10的反饋信號(hào)50中減去(采用減法電子器件12)。在該實(shí)施例的另ー實(shí)施方式中，基于電光的強(qiáng)度伺服裝置325定位在光束20的光路中以減少激光相對(duì)強(qiáng)度噪聲。盡管本文中已例示和描述特定的實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)意識(shí)到，對(duì)于那些所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員，適合實(shí)現(xiàn)相同目的的任何裝置可以替換所示的特定實(shí)施例。本申請(qǐng)意在涵蓋本發(fā)明的任何適配或者變化。因此，顯然意在僅由權(quán)利要求及其等同物限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于穩(wěn)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)并附著于絕熱平臺(tái)(400)，所述氣體參比室具有第一光學(xué)透明窗口(45)和第二光學(xué)透明窗口(46)； 至少一個(gè)加熱器￠01)，用來提高被包圍的氣體的溫度； 分束器(30),被配置為將激光器(10)發(fā)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(xué)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，然后再次透射通過氣體；以及 檢測(cè)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于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(cè)器被配置為提供反饋信號(hào)(50)以穩(wěn)定所述激光器發(fā)射的光束的頻率。
2.如權(quán)利要求I所述的光譜裝置(4，5，6，7，8，9)，其中至少一個(gè)加熱器(601)被圖案化制作在第一光學(xué)透明窗口(45)，第二光學(xué)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(xué)透明窗口的絕熱平臺(tái)(400)的一部分，以及鄰近第二光學(xué)透明窗口的絕熱平臺(tái)的一部分中的至少一個(gè)上。
3.如權(quán)利要求I所述的光譜裝置(4，5，6，7，8，9)，進(jìn)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(tái)(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)透射到氣體參比室并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(fā)明涉及用于飽和光譜學(xué)的簡(jiǎn)單、低功率的微系統(tǒng)。提供了一種光譜裝置。該光譜裝置包括絕熱平臺(tái)；氣體參比室，包圍氣體并且附著于絕熱平臺(tái)，該氣體參比室具有至少一個(gè)光學(xué)透明窗口，以及至少一個(gè)被配置成提高被包圍的氣體的溫度的加熱器。當(dāng)分束器被配置成將由激光器發(fā)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(gè)光學(xué)透明窗口上時(shí)，輸入光束的所反射的部分兩次透射通過所述氣體。當(dāng)檢測(cè)器被配置成接收所述兩次透射通過氣體的光束時(shí)，反饋信號(hào)被提供給激光器用于穩(wěn)定激光器。
文檔編號(hào)G01J3/42GK102853914SQ20121021053
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月29日
發(fā)明者K·薩利特, J·A·里德利, M·K·薩利特, J·S·斯特拉布利, J·克里斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司