具有弯折的光学系统的微型气室技术方案

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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及原子频率标准和原子磁力测定领域。本专利技术尤其涉及微型气室原子频率标准的物理包装。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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专利技术优选的光学系统中，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。本专利技术的其他特征和优点将通过下面本专利技术的附图和更详细的说明的方式进行说明。附图说明图1为在包括气室的中心轴的平面获得的本专利技术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为在包括本专利技术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是在包括本专利技术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专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：WJ小赖利，R卢特瓦克，
申请(专利权)人：美国迅腾有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]