沿著光路具有集成透射和反射部分的原子傳感器物理封裝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及沿著光路具有集成透射和反射部分的原子傳感器物理封裝。在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于原子傳感器的物理封裝的塊體。該塊體包括限定真空密封腔室并且包括多個(gè)透射和反射表面以限定與真空密封腔室相交的多個(gè)光路的光學(xué)透明材料的一個(gè)或者多個(gè)片段。光學(xué)透明材料的該一個(gè)或者多個(gè)片段包括限定真空密封腔室的至少一部分的第一單塊片段。該第一單塊片段包括橫跨該多個(gè)光路中的第一光路而布置的第一部分，以使得第一光路中的光入射在第一單塊片段的第一部分上。
【專利說明】沿著光路具有集成透射和反射部分的原子傳感器物理封裝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及原子傳感器(atomic sensor)的物理封裝，并且更具體地涉及沿著光路具有集成透射和反射部分的原子傳感器物理封裝。
【背景技術(shù)】
[0002]正在對(duì)減小包括原子鐘的原子傳感器的尺寸和封裝做出努力。用于實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一個(gè)方式是減小用于原子傳感器的物理封裝的尺寸。物理封裝的一個(gè)實(shí)例是被加工和密封以維持超高真空的玻璃塊體。該玻璃塊體包括在它的外部上的多個(gè)端面(face)和用作對(duì)于物理封裝的光路的多個(gè)帶角度的鉆孔。反射鏡(miiTor)和窗口牢固地附接在光路孔的外部開口以密封該物理封裝。腔抽空結(jié)構(gòu)被附接以提供用于物理封裝的初始真空抽空的裝置。樣本容器被附接以便為原子傳感器保持用作頻率基準(zhǔn)的原子樣本。通過從本底蒸汽俘獲原子并且將其冷卻成磁光阱(MOT)或者光學(xué)粘團(tuán)而操作的原子傳感器對(duì)光束的尺寸是敏感的。例如，在這種系統(tǒng)中的信噪比與光束尺寸的平方成比例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種用于原子傳感器的物理封裝的塊體。該塊體包括限定真空密封腔室并且包括多個(gè)透射和反射表面以限定與該真空密封腔室相交的多個(gè)光路的光學(xué)透明材料的一個(gè)或者多個(gè)片段(section)。該光學(xué)透明材料的一個(gè)或者多個(gè)片段包括限定所述真空密封腔室的至少一部分的第一單塊片段。該第一單塊片段包括橫跨(across)該多個(gè)光路中的第一光路而布置的第一部分，以使得在第一光路中的光入射在第一單塊片段的第一部分上。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]要理解附圖僅僅描繪了示例性實(shí)施例并且因此不被視為在范圍上進(jìn)行限制，將通過使用附圖來更加具體和詳細(xì)地描述示例性實(shí)施例，其中:
圖1是實(shí)例原子傳感器設(shè)備的透視圖。
[0005]圖2是用于圖1所示原子傳感器設(shè)備的物理封裝的透視視圖。
[0006]圖3A和3B是將玻璃的單塊塊體形成為圖2所示物理封裝或者物理封裝的片段的實(shí)例方法的流程圖。
[0007]根據(jù)通常的實(shí)踐，各種描述的特征未按照比例繪制，而是被繪制成強(qiáng)調(diào)與示例性實(shí)施例有關(guān)的具體特征。
【具體實(shí)施方式】
[0008]在以下詳細(xì)描述中，對(duì)形成其一部分并且在其中通過示意特定的示意性實(shí)施例而示出的附圖進(jìn)行參考。然而，應(yīng)該理解，可以利用其它實(shí)施例并且可以做出在邏輯、機(jī)械和電氣方面的改變。此外，在附圖和說明書中提出的方法不應(yīng)被理解成限制可以以此執(zhí)行各個(gè)步驟的次序。以下詳細(xì)描述因此不被視為具有限制性的意義。
[0009]然而，隨著上述玻璃塊體的尺寸進(jìn)一步減小，玻璃會(huì)變得太易碎，從而當(dāng)在玻璃塊體中加工孔時(shí)導(dǎo)致破壞、斷裂和/或碎裂。對(duì)于使用來自蒸汽的激光冷卻原子的傳感器，由于期望使得孔尺寸盡可能大以容納大光束而使這個(gè)問題變得嚴(yán)重。在這里描述的主題能夠通過提供一種具有比以前的比較地確定尺寸的玻璃塊體物理封裝更小的開孔容積的玻璃塊體物理封裝而解決這些問題。這有助于在允許大光束時(shí)改進(jìn)玻璃塊體的強(qiáng)度，從而使得能夠在實(shí)現(xiàn)原子傳感器的期望信噪比時(shí)在尺寸上進(jìn)一步減小玻璃塊體。
[0010]圖1是實(shí)例原子傳感器設(shè)備100的透視圖。傳感器設(shè)備100包括原子傳感器，諸如加速度計(jì)或者原子鐘，該原子傳感器包括物理封裝110。該物理封裝110限定真空密封腔室120，其在帶有或者不帶吸氣劑的無源真空中保持用于原子(諸如銣(例如Rb-87)或者銫)的堿金屬源。真空密封腔室120能夠是期望的任何形狀諸如如在圖1和2中所示的圓柱形或者其它形狀(諸如利用物理封裝110的更多的內(nèi)部容積的形狀)。根據(jù)傳感器100的設(shè)計(jì)，能夠提供在真空密封腔室120內(nèi)相交的多個(gè)光路。物理封裝110包括允許光束進(jìn)入和離開真空密封腔室120的一個(gè)或者多個(gè)透射部分140和沿著所期望的光路引導(dǎo)光束的一個(gè)或者多個(gè)反射表面150 (例如，反射鏡)。來自一個(gè)或者多個(gè)激光光源170的一個(gè)或者多個(gè)光束160通過相應(yīng)的透射部分140進(jìn)入物理封裝110并且被反射表面150沿著至少某些光路引導(dǎo)通過物理封裝110。關(guān)于物理封裝110的更多的細(xì)節(jié)在圖2中示出。
[0011]原子傳感器100還能夠包括微型光具座190，其包括(一個(gè)或者多個(gè))激光光源170諸如半導(dǎo)體激光器諸如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)、分布反饋激光器或者邊緣發(fā)射激光器。微型光具座190還能夠包括:微型制造的蒸汽室192，其包含堿金屬諸如銣(例如Rb-87)或者銫以向適當(dāng)?shù)脑榆S遷提供激光器170的絕對(duì)頻率穩(wěn)定:和射束分離器194，其用于向蒸汽室192和物理封裝110分發(fā)光束160。原子傳感器100還包括多個(gè)磁場線圈180 (在圖1的實(shí)例中示出兩個(gè))，諸如亥姆霍茲(Helmholtz)線圈和反亥姆霍茲線圈，以產(chǎn)生被用于原子傳感器100的操作的磁場。原子傳感器100還包括控制電子器件210。包含堿金屬的蒸汽室192被用來將來自單個(gè)激光光源170的光束160頻率穩(wěn)定至堿金屬的預(yù)定原子躍遷。
[0012]原子傳感器100的實(shí)施例還能夠包括本地振蕩器、天線和光電檢測器。在其中原子傳感器100是微波原子鐘的實(shí)施例中，微波晶體振蕩器能夠用于以堿金屬的鐘原子躍遷產(chǎn)生微波信號(hào)。天線或者類似的結(jié)構(gòu)(例如波導(dǎo))被用于從本地振蕩器遞送微波信號(hào)以對(duì)物理封裝110的堿金屬原子執(zhí)行光譜分析(spectroscopy)。光電檢測器被用于在光譜分析之后檢測堿金屬原子的熒光。這個(gè)光譜信號(hào)能夠用于向微波晶體振蕩器提供長期頻率穩(wěn)定性。
[0013]圖2是物理封裝110的透視視圖。物理封裝110能夠由光學(xué)透明材料的一個(gè)或者多個(gè)單塊片段構(gòu)成。用于光學(xué)透明材料的單塊片段的適當(dāng)?shù)牟牧习ɡ绮ＡВT如玻璃陶瓷(例如，MAC0R?)或者光學(xué)玻璃(例如，BK-7或者Zerodur?)，或者其它透明材料諸如藍(lán)寶石。通常，光學(xué)透明材料的單塊片段應(yīng)該具有以下性質(zhì)，是真空密封的、氫氣或者氦氣不可滲透、不與將被引入真空密封腔室120中的材料反應(yīng)，并且在所關(guān)注的波長下是低損耗的。其它性質(zhì)包括對(duì)惰性氣體(諸如気)的低滲透性、與無機(jī)式黏結(jié)劑(frit bonding)的兼容性，和適合于在大約或者高于200攝氏度的溫度下烘焙。在其中使用光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊片段的實(shí)例中，每一個(gè)片段能夠具有與其它片段相同或者不同的成分。
[0014]如上所述，物理封裝110限定真空密封腔室120并且多個(gè)光路與該真空密封腔室120相交。例如，光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊片段能夠限定真空密封腔室120和各光路中的一個(gè)或者多個(gè)。在一個(gè)實(shí)例中，所有光路和真空密封腔室120能夠由光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體限定。在另一個(gè)實(shí)例中，光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊片段能夠被燒結(jié)到一起以形成真空密封腔室120和光路。在任何情形中，光學(xué)透明材料的該一個(gè)或者多個(gè)單塊片段限定真空密封腔室120和多個(gè)光路。
[0015]該多個(gè)光路包括光學(xué)光波路徑202和測量光路204。該光學(xué)光波路徑202由物理封裝Iio的多個(gè)透射表面140和反射表面150限定。即，被用于磁光講的光學(xué)部分的光的路徑由物理封裝110的透射表面140和反射表面150控制。如在這里所使用地，光路包括一束光穿越(traverse)的一般來說直的路徑。例如，第一光路202-1是光阱光束160通過第一透射部分140-1、通過物理封裝110的一部分并且到達(dá)第一反射表面150-1而穿越的路徑。
[0016]透射表面140和反射表面150的布置將來自(一個(gè)或者多個(gè))激光光源170的光束160導(dǎo)引通過物理封裝110以在真空密封腔室120中形成相對(duì)于彼此以90度角度交叉的光束。例如，沿著第一光路202-1傳播的光束160能夠通過透射通過構(gòu)成物理封裝110的光學(xué)透明材料的單塊片段的透射部分140-1而進(jìn)入物理封裝110。在透射通過透射部分140-1之后，光束160能夠傳播通過真空密封腔室120并且到達(dá)第一反射表面150-1。在到達(dá)第一反射表面150-1時(shí)，光束160被反射到第二光路202-2。以此方式，(一個(gè)或者多個(gè))透射部分140和(一個(gè)或者多個(gè))反射表面150能夠限定物理封裝110的光路。
[0017]光路202、204能夠透射通過物理封裝110的光學(xué)透明材料以及透射通過(例如在真空密封腔室120內(nèi)的)自由空間。例如，如上所述，第一光路202-1能夠透射通過物理封裝110的第一透射部分140-1到真空密封腔室120。類似地，來自原子206的熒光能夠沿著第一測量光路204-1傳播并且透射通過第二透射部分140-2到外部檢測器。第二測量光路204-2上的熒光還能夠透射通過第三透射部分140-3。為了允許光通過那里傳播，(一個(gè)或者多個(gè))透射部分140能夠包括光學(xué)透明玻璃。在某些實(shí)例中，物理封裝110能夠利用很多或者非常大的透射部分來構(gòu)造以使得能夠在構(gòu)造該物理封裝110之后選擇(一個(gè)或者多個(gè))測量光路204。在構(gòu)造之后選擇測量光路204能夠產(chǎn)生更好的信噪比，這是因?yàn)樵跇?gòu)造之后基于原子傳感器的操作來選擇測量光路。
[0018]為了向物理封裝110提供完整結(jié)構(gòu)，各透射部分140中的一個(gè)或者多個(gè)能夠是形成物理封裝Iio的光學(xué)透明材料的單塊片段的集成部分。例如，第一透射部分140-1能夠是光學(xué)透明材料的單塊片段的一部分，其也限定真空密封腔室120的至少一部分。S卩，光學(xué)透明材料的這個(gè)實(shí)例單塊片段能夠包括橫跨(across)第一光路202-1而布置的光學(xué)透明部分，其可用作使光透射進(jìn)入和離開真空密封腔室120的透射部分140。在第一光路202-1上的光能夠入射在光學(xué)透明材料的這個(gè)實(shí)例單塊片段的光學(xué)透明部分上并且能夠在那里透射進(jìn)入和離開物理封裝110。透射部分140能夠包括光學(xué)透明材料的從物理封裝110的外部沿著第一光路202-1到真空密封腔室120的體積。因此，在該實(shí)例中，第一透射部分140-1構(gòu)成該物理封裝110的從外部沿著第一光路202-1到真空密封腔室120的厚度。在另一個(gè)實(shí)例中，第一透射部分140-1能夠是更薄的并且沿著第一光路202-1的孔或者類似的腔能夠?qū)⒐饴窂牡谝煌干洳糠?40-1連接到真空密封腔室120。光學(xué)透明材料的這個(gè)單塊片段還限定真空密封腔室120的至少一部分。在一個(gè)實(shí)例中，光學(xué)透明材料的這個(gè)單塊片段能夠限定整個(gè)真空密封腔室120并且能夠構(gòu)成物理封裝110的大部分或者全部。
[0019]為了在還限定真空密封腔室120的至少一部分的光學(xué)透明材料的單塊片段中提供透射部分140，使得沿著光路202在透射部分140的位置處該光學(xué)透明材料的表面是光學(xué)透明的，從而光能夠容易地從一側(cè)透射通過透射部分140并且在另一側(cè)離開。在一個(gè)實(shí)例中，能夠在透射部分140的外表面和/或內(nèi)表面之上放置抗反射涂層。
[0020]類似于(一個(gè)或者多個(gè))透射部分140，各反射表面150中的一個(gè)或者多個(gè)能夠是光學(xué)透明材料的單塊片段的集成部分，其還限定真空密封腔室120的至少一部分。例如，光學(xué)透明材料的單塊片段能夠包括橫跨第二光路202-2而布置的表面。在第二光路202-2中的光入射在這個(gè)表面(例如，物理封裝110的內(nèi)表面)上。這個(gè)表面能夠被涂覆有反射涂層從而該表面用作第一反射表面150-1。作為第一反射表面150-1,其限定第一光路202-1和第二光路202-2之間的相交。在一個(gè)實(shí)例中，第一反射表面150-1被布置于在物理封裝110中限定的真空密封腔室120的主要部分處或者其附近。在另一個(gè)實(shí)例中，沿著從真空密封腔室120延伸到物理封裝110中并且在第一反射表面150-1處終結(jié)的第一和第二光路202-1、202-2存在第一和第二孔或者類似的腔。這里第一反射表面150-1被設(shè)置成在真空密封腔室120的主要部分后面。第一和第二孔中的一個(gè)或者這兩者能夠存在于具有第一反射表面150-1的光學(xué)透明材料的單塊片段中。具有第一反射表面150-1的光學(xué)透明材料的這個(gè)單塊片段還能夠限定真空密封腔室120的至少一部分。在一個(gè)實(shí)例中，光學(xué)透明材料的這個(gè)單塊片段能夠限定整個(gè)真空密封腔室120并且能夠構(gòu)成物理封裝110的大部分或者全部。在一個(gè)實(shí)例中，各反射表面150中一個(gè)或者多個(gè)能夠被布置在物理封裝110的外部上以使得透射通過光學(xué)透明材料的片段的透射部分140的光路中的光入射在反射表面150上并且通過光學(xué)透明材料的透射部分140反射回去。
[0021]為了在還限定真空密封腔室120的至少一部分的光學(xué)透明材料的單塊片段中提供第一反射表面150-1，使得第一和第二光路202-1、202-2相交處的表面是平滑的并且被涂覆有反射涂層。在一個(gè)實(shí)例中，該反射涂層能夠包括單或者多層金屬或者電介質(zhì)堆疊涂層。該反射表面150能夠是平坦的或者在必要時(shí)被彎曲以稍微地聚焦光束。其它反射表面150能夠以類似的方式與光學(xué)透明材料的單塊片段構(gòu)成整體。
[0022]在一個(gè)實(shí)例中，物理封裝110能夠完全地由光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體構(gòu)成。在該實(shí)例中，透射部分140和反射表面150連同真空密封腔室120和沿著光路的任何孔全部都被限定在光學(xué)透明材料的該單個(gè)單塊塊體中。真空密封腔室120能夠是通過光學(xué)透明材料的該單個(gè)單塊塊體的中央孔。
[0023]在另一個(gè)實(shí)例中，物理封裝110主要由光學(xué)透明材料的單塊塊體構(gòu)成，以使得真空密封腔室120完全地由光學(xué)透明材料的單塊塊體限定。這里再次地，真空密封腔室120能夠是通過光學(xué)透明材料的單塊塊體的中央孔，并且光學(xué)透明材料的該單塊塊體還能夠沿著一個(gè)或者多個(gè)光路202限定各透射部分140中的一個(gè)或者多個(gè)和/或各反射表面150中的一個(gè)或者多個(gè)。在某些實(shí)例中，光學(xué)透明材料的單塊塊體還能夠限定孔，該孔沿著各光路202中的一個(gè)或者多個(gè)延伸并且限定能夠在其上牢固地附接獨(dú)立件(諸如窗口或者反射鏡)的外部開口。窗口或者反射鏡能夠被燒結(jié)到光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體以形成氣密性密封。在一個(gè)實(shí)例中，用于光學(xué)光波路徑202的孔能夠從在光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體的一側(cè)上的外部開口延伸到真空密封腔室120并且部分地延伸到光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體的另一側(cè)中。在光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體的另一側(cè)中的孔的端部處，能夠形成透射部分140或者反射表面150。該孔的外部開口與這個(gè)表面相對(duì)。以此方式將該孔從一側(cè)延伸通過光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體使得能夠更加易于加工在各孔的端部處的內(nèi)部表面從而形成透射部分140或者反射表面150。以此方式，光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體能夠限定一個(gè)或者多個(gè)集成的透射部分140和/或反射表面150并且還能夠具有在其中的外部開口上附接的一個(gè)或者多個(gè)窗口和/或反射表面。
[0024]在另一個(gè)實(shí)例中，能夠通過將光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊片段牢固地附接到一起(例如燒結(jié))而形成真空密封腔室120。例如，能夠通過將光學(xué)透明材料的兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或者更多單塊片段燒結(jié)到一起而形成真空密封腔室120。光學(xué)透明材料的這些多個(gè)單塊片段中的每一個(gè)都能夠限定真空密封腔室120的一部分，以使得當(dāng)被燒結(jié)一起時(shí)形成在物理封裝110的每一端部上具有外部開口的整個(gè)真空密封腔室120。連同限定真空密封腔室120的一部分一起，光學(xué)透明材料的這些單塊片段中的一個(gè)或者多個(gè)還能夠限定集成的透射部分140和/或反射表面150。如在上面關(guān)于圖2描述地,光學(xué)透明材料的相應(yīng)單塊片段的一部分能夠包括透射部分140和/或反射表面150。光學(xué)透明材料的這些單塊片段中的一個(gè)或者多個(gè)還能夠限定具有外部開口的、沿著光路的孔并且能夠使用例如燒結(jié)將窗口或者反射鏡牢固地附接在該外部開口。以此方式，物理封裝110能夠由光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊片段形成。
[0025]如上所述，該多個(gè)光學(xué)光波路徑202能夠以一定幾何布置形成在物理封裝110中，以使得三個(gè)或者更少的光源能夠被用于原子傳感器100的光阱。在一個(gè)實(shí)例中，物理封裝110的外部被成形為容納針對(duì)光學(xué)光波路徑202的該幾何布置。在該實(shí)例中，物理封裝110能夠包括在其外部上的相互成角度地定位的多個(gè)端面。該角度能夠被設(shè)置為透射部分140的表面或者與該表面對(duì)應(yīng)的反射表面150的角度，以使得透射部分140或者反射表面150正確地沿著適當(dāng)?shù)墓饴吠干浠蛘邔?dǎo)弓I光。
[0026]在一個(gè)實(shí)例中，分別地，腔室抽空結(jié)構(gòu)(例如管子)能夠被牢固地附接在真空密封腔室120的第一外部開口并且樣本容器能夠被牢固地附接在第二外部開口。一個(gè)可替代實(shí)施例使用腔抽空結(jié)構(gòu)而非樣本容器。腔室抽空結(jié)構(gòu)能夠用于執(zhí)行真空密封腔室120的初始抽空以達(dá)到超高真空條件。在一個(gè)實(shí)例中，大致10_7到10_8托量級(jí)的真空壓強(qiáng)是可接受的。樣本容器能夠容納堿金屬源，其在真空密封腔室120被密封之后被從包含的樣本釋放到真空密封腔室120中。能夠使用用于形成真空密封的各種技術(shù)中的任何一種(諸如燒結(jié)密封)，使用陷形模壓鎖(swage-lock)或者O型環(huán)牢固地附接腔室抽空結(jié)構(gòu)和樣本容器。用于腔室抽空結(jié)構(gòu)和樣本容器的適當(dāng)?shù)牟牧习ɡ珂?、鐵、鋁和鎳鐵合金諸如因鋼。腔室抽空結(jié)構(gòu)和樣本容器還能夠用作電極以形成用于物理封裝110的放電清潔的等離子體并且用于增強(qiáng)抽氣和烘烤。物理封裝110的某些實(shí)例能夠包括真空密封腔室120內(nèi)的吸氣材料以限制某些氣體(例如氫氣)的部分壓強(qiáng)。
[0027]在使用單個(gè)光束的實(shí)例的操作中，來自光源的光束被導(dǎo)引到物理封裝110中，從而透射通過第一透射部分140-1進(jìn)入第一光路202-1中。光束沿著第一光路202-1行進(jìn)通過真空密封腔室120到第一反射表面150-1。第一反射表面202-1沿著第二光路202-2將光束反射到第二反射表面150-2。第二反射表面150-2接著沿著第三光路202-3將光束反射通過真空密封腔室120到第三反射表面150-3。第三反射表面150-3接著沿著第四光路202-4將光束反射到第四反射表面150-4。第四反射表面接著沿著第五光路202-5將光束反射通過真空密封腔室120。光束然后透射通過第四透射部分140-4。在第五光路202-5中四分之一波片被插入在第四透射表面140-4之上，隨后是偏振光學(xué)器件并且然后是反射鏡，這兩者也被插入在第五光路202-5中。這些能夠被膠合或者以其它方式被附接到物理封裝Iio的外側(cè)以在第五光路202-5上將光束向后反射。這個(gè)反射鏡和其它構(gòu)件在第五光路202-5上向后將光束反射到第四反射表面150-4。光束然后沿它的路徑原路返回以通過透射通過第一透射部分140-1而離開物理封裝110。其效果在于，該多個(gè)反射表面150沿著光學(xué)光波路徑202導(dǎo)引來自(一個(gè)或者多個(gè))光源170的光束，從而形成彼此以90度角度相交的三個(gè)向后反射光束。應(yīng)該理解，雖然以上描述是關(guān)于使用單個(gè)光束的原子傳感器100的，但是通過適當(dāng)?shù)馗淖兺干洳糠?40和反射表面150，能夠使用多于一個(gè)光束。例如，夕卜部光束分離器能夠用于在進(jìn)入物理封裝110之前分離各個(gè)x、y和z定向的光束。光束和由磁場線圈180產(chǎn)生的磁場被組合地使用以減緩并且冷卻來自本底堿蒸汽的原子206并且在磁光講中捕獲原子206(在光束相交的中心處處于低至10微開爾文的溫度下的大約一千萬個(gè)原子)。在使用折迭向后反射光路的實(shí)例中，能夠?qū)崿F(xiàn)(一個(gè)或者多個(gè))光源170的高效使用。反射表面150和在某些實(shí)例中衍射光學(xué)器件在最小化散射光和尺寸的同時(shí)被分別地用于引導(dǎo)光束和控制光束的偏振。沿著第一測量光路204-1通過第二透射部分140-2以及沿著第二測量光路204-2通過第三透射部分140-3來讀取傳感器信號(hào)。在物理封裝110的可替代實(shí)施例中，能夠使用更多或更少的測量光路204。
[0028]圖3A和3B是將光學(xué)透明材料的單塊塊體形成為物理封裝110或者物理封裝110的片段的實(shí)例方法300的流程圖。在框302處，提供了光學(xué)透明材料的單塊塊體。
[0029]在框304處，光學(xué)透明材料的單塊塊體被加工以形成真空密封腔室120的至少一部分。在實(shí)例中，在光學(xué)透明材料的單個(gè)單塊塊體限定整個(gè)真空密封腔室120的情況下，能夠由鉆開通過光學(xué)透明材料的單塊塊體的中央孔而形成真空密封腔室120。在其中通過將光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊片段牢固地附接一起而形成真空密封腔室120的實(shí)例中，光學(xué)透明材料的單塊塊體能夠被加工以形成它的限定真空密封腔室120的表面部分。光學(xué)透明材料的其它片段也能夠被加工以形成它們的限定真空密封腔室120的表面部分。
[0030]在框306處，光學(xué)透明材料的單塊塊體被加工以形成與真空密封腔室120相交的光路的至少一部分。在其中包括物理封裝Iio的從外部到真空密封腔室120的厚度的大部分或者全部的透射部分140將被形成在光學(xué)透明材料的單塊塊體中的實(shí)例中，在透射部分140的位置處光學(xué)透明材料的單塊塊體的內(nèi)表面能夠被加工成是平滑的、平坦的、拋光的、磨光的和/或以其它方式制備表面。在其它實(shí)例中，加工能夠包括沿著一個(gè)或者多個(gè)光路的一部分對(duì)光學(xué)透明材料的單塊塊體進(jìn)行鉆孔并且對(duì)孔的端部內(nèi)表面進(jìn)行平滑、平坦、拋光、磨光處理和/或以其它方式進(jìn)行制備(例如，形成用于光的聚焦的期望曲率)以得到透射部分140或者反射表面150。在其中不通過鉆孔而形成反射表面150的實(shí)例中，光學(xué)透明材料的單塊塊體的內(nèi)表面可以是平滑的、平坦的、拋光的、磨光的和/或在不預(yù)先鉆孔的情況下以其它方式制備(例如，形成用于光的聚焦的期望曲率)。在某些實(shí)例中，各孔中的一個(gè)或者多個(gè)能夠延伸到物理封裝110的外部。加工能夠留下尺寸稍微過大的光學(xué)透明材料的單塊塊體以使得通過材料拋光(框310和314);結(jié)果得到的光學(xué)透明材料的單塊塊體是所期望的尺寸。
[0031]在框308處，如果要形成透射部分140，則作為光學(xué)透明材料的單塊塊體上的內(nèi)表面的反面并且沿著光路(例如與該光路相對(duì)準(zhǔn))的外表面也能夠被加工成是平滑的、平坦的、拋光的、磨光的和/或以其它方式制備該表面。
[0032]在框310處，在框306處加工的內(nèi)表面能夠被拋光(例如，蝕刻)以進(jìn)一步平滑處理該表面和/或使得該表面是光學(xué)透明的。
[0033]在框312處,如果內(nèi)表面要成為反射表面150,則能夠?qū)⒎瓷渫繉又糜谠搩?nèi)表面上。
[0034]在框314處，如果在框308處制備了外表面，則外表面能夠被拋光以進(jìn)一步平滑處理該表面和/或使得該表面是光學(xué)透明的。
[0035]在框310或者314的一個(gè)實(shí)例中，大于對(duì)于透射部分140來說必要的表面或者反射表面150的表面的一部分能夠被拋光。在一個(gè)實(shí)例中，光學(xué)透明材料的單塊塊體的整個(gè)表面能夠被拋光以使得同時(shí)進(jìn)行框310和314處的拋光。
[0036]在框316處，如果使用光學(xué)透明材料多于單個(gè)的單塊塊體，則光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊塊體能夠被牢固地附接到一起以形成物理封裝110。光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊塊體能夠通過燒結(jié)而被牢固地附接到一起。光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊塊體能夠被附接到一起以形成物理封裝Iio的真空密封腔室120和/或光路。
[0037]在框318處，腔室抽空結(jié)構(gòu)能夠被附接到真空密封腔室120的第一外部開口。
[0038]在框320處，樣本容器能夠被附接到真空密封腔室120的第二外部開口。在一個(gè)實(shí)例中，能夠與光學(xué)透明材料的多個(gè)單塊塊體被牢固地附接到一起同時(shí)地附接腔室抽空結(jié)構(gòu)和樣本容器。
[0039]示例性實(shí)施例
實(shí)例I包括用于原子傳感器的物理封裝的塊體，其包括:限定真空密封腔室并且包括多個(gè)透射和反射表面以限定與真空密封腔室相交的多個(gè)光路的光學(xué)透明材料的一個(gè)或者多個(gè)片段；光學(xué)透明材料的該一個(gè)或者多個(gè)片段包括限定真空密封腔室的至少一部分的第一單塊片段，該第一單塊片段包括橫跨該多個(gè)光路中的第一光路而布置的第一部分，以使得第一光路中的光入射在第一單塊片段的第一部分上。
[0040]實(shí)例2包括實(shí)例I的塊體，其中該多個(gè)光路包括多個(gè)光學(xué)光波路徑和至少一個(gè)測
量光路。
[0041]實(shí)例3包括實(shí)例I或者2中的任何一個(gè)的塊體，其中第一片段的第一部分的內(nèi)表面和外表面是光學(xué)透明的以透射進(jìn)入和離開該第一光路的光。
[0042]實(shí)例4包括實(shí)例1-3中任何一個(gè)的塊體，其中第一片段的第一部分包括在其表面上的反射涂層以反射第一光路中的光。
[0043]實(shí)例5包括實(shí)例1-4中任何一個(gè)的塊體，其中第一單塊片段沿著第一光路限定孔，該孔在第一單塊片段的第一部分處終結(jié)。
[0044]實(shí)例6包括實(shí)例1-5中任何一個(gè)的塊體，其中光學(xué)透明材料的該一個(gè)或者多個(gè)片段包括限定真空密封腔室的至少一部分的第二單塊片段，光學(xué)透明材料的第二單塊片段包括橫跨第一光路而布置的第二部分，以使得第一光路中的光入射在第二單塊片段的第二部分上，其中第二單塊片段被牢固地附接到第一單塊片段。
[0045]實(shí)例7包括實(shí)例6的塊體，其中第一單塊片段和第二單塊片段限定整個(gè)真空密封腔室。
[0046]實(shí)例8包括實(shí)例6或者7中的任何一個(gè)的塊體，其中利用燒結(jié)密封牢固地附接第一單塊片段和第二單塊片段。
[0047]實(shí)例9包括實(shí)例1-8中任何一個(gè)的塊體，其中第一單塊片段限定整個(gè)真空密封腔室；并且其中第一單塊片段限定多個(gè)孔，每一個(gè)孔沿著該多個(gè)光路中的一個(gè)光路，每一個(gè)孔從第一單塊片段中的外部開口延伸并且在第一單塊片段的反射表面或者光學(xué)透明部分之一處終結(jié)；光學(xué)透明材料的該一個(gè)或者多個(gè)片段包括牢固地附接在第一單塊片段中的外部開口的一個(gè)或者多個(gè)反射鏡或者窗口。
[0048]實(shí)例10包括實(shí)例1-9中任何一個(gè)的塊體，包括:牢固地附接在真空密封腔室的第一外部開口的腔室抽空結(jié)構(gòu)；和牢固地附接在真空密封腔室的第二外部開口的樣本容器。
[0049]實(shí)例11包括實(shí)例1-10中任何一個(gè)的塊體，其中光學(xué)透明材料的該一個(gè)或者多個(gè)片段包括在其外部上的多個(gè)端面，該多個(gè)端面彼此以預(yù)定角度布置。
[0050]實(shí)例12包括實(shí)例1-11中任何一個(gè)的塊體，其中第一單塊片段由玻璃、玻璃-陶瓷、光學(xué)玻璃或者藍(lán)寶石之一構(gòu)成。
[0051]實(shí)例13包括形成用于物理封裝的塊體的方法，該方法包括:加工光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體(mass)以形成真空密封腔室的至少一部分；加工光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體以形成與真空密封腔室相交的光路的至少一部分；拋光光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體，其中拋光包括在光路的至少一部分的端部處蝕刻第一表面，以使得該第一表面是光學(xué)透明的；加工光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體以形成作為第一表面的反面并且與光路的一部分相對(duì)準(zhǔn)的第二表面；拋光所述第二表面以使得該第二表面是光學(xué)透明的；以及將腔室抽空結(jié)構(gòu)附接到真空密封腔室的第一外部開口。
[0052]實(shí)例14包括實(shí)例13的方法，包括:加工光學(xué)透明材料的第二單塊質(zhì)體以形成真空密封腔室的至少一部分；加工光學(xué)透明材料的第二單塊質(zhì)體以形成從真空密封腔室延伸到光學(xué)透明材料的第二單塊質(zhì)體中的另一個(gè)光路的一部分；拋光光學(xué)透明材料的第二單塊質(zhì)體，其中拋光包括在另一光路的一部分的端部處蝕刻第三表面，以使得該第三表面是光學(xué)透明的；加工光學(xué)透明材料的第二單塊質(zhì)體以形成作為第三表面的反面并且與另一光路的一部分相對(duì)準(zhǔn)的第四表面；拋光第四表面以使得該第四表面是光學(xué)透明的；以及使用真空密封將光學(xué)透明材料的第二單塊質(zhì)體牢固地附接到光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體以形成塊體和通過其的真空密封腔室。
[0053]實(shí)例15包括實(shí)例14的方法，其中牢固地附接包括將光學(xué)透明材料的第二單塊質(zhì)體和光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體燒結(jié)在一起。
[0054]實(shí)例16包括實(shí)例13-15中任何一個(gè)的方法，其中加工光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體以形成光路的一部分包括鉆孔、拋光和磨光中的一項(xiàng)或者多項(xiàng)。
[0055]實(shí)例17包括實(shí)例13-16中任何一個(gè)的方法，包括:加工光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體或者光學(xué)透明材料的另一個(gè)單塊質(zhì)體以形成與光路的一部分對(duì)準(zhǔn)的表面；以及利用反射涂層涂覆該表面以使得光路中的光被從該表面反射出去。
[0056]實(shí)例18包括實(shí)例13-17中任何一個(gè)的方法，其中加工光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體以形成光路的一部分包括針對(duì)該光路形成與第一表面相對(duì)的外部開口，該方法包括:使用真空密封在外部開口牢固地附接窗口或者反射鏡中的一個(gè)。
[0057]實(shí)例19包括用于原子傳感器的物理封裝的塊體，包括:單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)，該單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)限定:具有第一外部開口和第二外部開口的真空密封腔室；多個(gè)光路孔，該多個(gè)光路孔中的每一個(gè)具有外部開口并且該多個(gè)光路孔中的至少一個(gè)在單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)的內(nèi)部表面處終結(jié)；其中內(nèi)部表面是光學(xué)透明的，以使得在相應(yīng)的光路孔中的光能夠透射通過單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)到達(dá)單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)的外部部分或者從該單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)的外部部分透射通過單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)；牢固地附接在光路孔的外部開口的多個(gè)反射鏡或者窗口 ；使用真空密封牢固地附接在真空密封腔室的第一外部開口的腔室抽空結(jié)構(gòu)；以及使用真空密封牢固地附接在真空密封腔室的第二外部開口的樣本容器。
[0058]實(shí)例20包括實(shí)例19的塊體，其中該多個(gè)光路孔中的至少一個(gè)在其上具有反射涂層的內(nèi)部表面處終結(jié)。
[0059]實(shí)例21包括實(shí)例19或者20中任何一個(gè)的塊體，包括被配置為透射通過單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)的透射部分的至少一個(gè)測量光路。
[0060]實(shí)例22包括實(shí)例19-21中任何一個(gè)的塊體，其中與內(nèi)部表面相對(duì)的外部表面是光學(xué)透明的，以便透射進(jìn)入和離開相應(yīng)光路孔的光。
[0061]實(shí)例23包括實(shí)例19-22中任何一個(gè)的塊體，其中單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)包括在其外部上的多個(gè)端面，該多個(gè)端面彼此以預(yù)定角度布置。
[0062]實(shí)例24包括實(shí)例19-23中任何一個(gè)的塊體，其中單塊光學(xué)透明材料結(jié)構(gòu)由玻璃、玻璃-陶瓷、光學(xué)玻璃或者藍(lán)寶石之一構(gòu)成。
【權(quán)利要求】
1.一種用于原子傳感器(100)的物理封裝的塊體(110)，包括: 光學(xué)透明材料的一個(gè)或者多個(gè)片段，其限定真空密封腔室(120)并且包括多個(gè)透射和反射表面(150)以限定與所述真空密封腔室(120)相交的多個(gè)光路(202、204)； 光學(xué)透明材料的所述一個(gè)或者多個(gè)片段包括限定所述真空密封腔室(120)的至少一部分的第一單塊片段，所述第一單塊片段包括橫跨所述多個(gè)光路(202、204)中的第一光路(202-1)而布置的第一部分(140-1)，以使得在所述第一光路(202-1)中的光入射在所述第一單塊片段的所述第一部分(140-1)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的塊體(110)，其中所述多個(gè)光路(202)包括多個(gè)光學(xué)光波路徑(202)和至少一個(gè)測量光路(204)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2中任何一項(xiàng)所述的塊體(110)，其中所述第一片段的所述第一部分(140-1)的內(nèi)表面和外表面是光學(xué)透明的，以便透射進(jìn)入和離開所述第一光路的光。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任何一項(xiàng)所述的塊體(110)，其中所述第一片段的所述第一部分(140-1)包括在其表面上的反射涂層以反射所述第一光路中的光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)所述的塊體(110)，其中所述第一單塊片段沿著所述第一光路(202-1)限定孔，所述孔在所述第一單塊片段的所述第一部分(140-1)處終結(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)所述的塊體(110)，其中光學(xué)透明材料的所述一個(gè)或者多個(gè)片段包括限定所述真空密封腔室 (120)的至少一部分的第二單塊片段，光學(xué)透明材料的所述第二單塊片段包括橫跨所述第一光路(202-1)而布置的第二部分(150-1)，以使得所述第一光路(202-1)中的光入射在所述第二單塊片段的所述第二部分(150-1)上，其中所述第二單塊片段被牢固地附接到所述第一單塊片段。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的塊體(110)，其中所述第一單塊片段和所述第二單塊片段限定整個(gè)真空密封腔室(120 )。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任何一項(xiàng)所述的塊體(110)，其中所述第一單塊片段限定整個(gè)真空密封腔室(120);并且 其中所述第一單塊片段限定多個(gè)孔，每一個(gè)孔都沿著所述多個(gè)光路(202，204)中的光路，每一個(gè)孔從所述第一單塊片段中的外部開口延伸并且在所述第一單塊片段的反射表面或者光學(xué)透明部分之一處終結(jié)； 光學(xué)透明材料的所述一個(gè)或者多個(gè)片段包括牢固地附接在所述第一單塊片段中的所述外部開口的一個(gè)或者多個(gè)反射鏡或者窗口。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任何一項(xiàng)所述的塊體(110)，其中所述第一單塊片段由玻璃、玻璃-陶瓷、光學(xué)玻璃或者藍(lán)寶石之一構(gòu)成。
10.一種形成用于物理封裝的塊體的方法(300)，所述方法(300)包括: 加工(304)光學(xué)透明材料的單塊質(zhì)體以形成真空密封腔室的至少一部分； 加工(306)光學(xué)透明材料的所述單塊質(zhì)體以形成與所述真空密封腔室相交的光路的至少一部分； 拋光(310)光學(xué)透明材料的所述單塊質(zhì)體，其中拋光包括在所述光路的至少一部分的端部處蝕刻第一表面，以使得所述第一表面是光學(xué)透明的； 加工(308)光學(xué)透明材料的所述單塊質(zhì)體以形成作為所述第一表面的反面并且與所述光路的一部分相對(duì)準(zhǔn)的第二表面；拋光(310)所述第二表面，以使得所述第二表面是光學(xué)透明的；以及將腔室抽空結(jié)構(gòu)附 接(318)到所述真空密封腔室的第一外部開口。
【文檔編號(hào)】G01P15/00GK103454446SQ201310203273
【公開日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年5月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月29日
【發(fā)明者】C.M.肖伯, J.A.瓦塞拉, J.S.斯特雷布利 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司