原子蒸汽单元、包括原子蒸汽单元的集成原子/光子器件和设备，以及用于制造原子蒸汽单元的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元，该原子蒸汽单元包括宿留基板(101)以及在该宿留基板内限定的被激光写入该宿留基板中的埋置或非埋置腔室(102)，该埋置或非埋置腔室具有平面或三维几何形状并且用于容纳原子蒸汽。本发明专利技术还涉及一种集成原子/光子器件和设备，在两种情况下都包括本发明专利技术的原子蒸汽单元，以及本发明专利技术涉及一种用于制造本发明专利技术的原子蒸汽单元的方法。蒸汽单元的方法。蒸汽单元的方法。

【技术实现步骤摘要】
原子蒸汽单元、包括原子蒸汽单元的集成原子/光子器件和设备，以及用于制造原子蒸汽单元的方法


[0001]本专利技术在第一方面大体上涉及用于原子或分子光谱学、光泵浦(用于感测或非感测应用)和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元(vapor cell，蒸汽室、蒸汽池)，并且特别地涉及包括具有平面或三维几何形状的激光写入的埋置或激光写入的非埋置腔室的原子蒸汽单元。
[0002]本专利技术的第二方面涉及包括第一方面的原子蒸汽单元的集成原子/光子器件。
[0003]本专利技术的第三方面涉及一种设备，该设备包括第一方面的原子蒸汽单元和/或第二方面的集成原子/光子器件。
[0004]本专利技术的第四方面涉及用于制造第一方面的原子蒸汽单元的方法，该原子蒸汽单元用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测。

技术介绍

[0005]在现有技术中已知包括权利要求1的前序部分中限定的特征的用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元，即，包括宿留基板的单元，并被限定在用于容纳原子蒸汽的腔室中。
[0006]这是根据不同技术制造的几种原子蒸汽单元的情况，例如基于平面硅掩模蚀刻并与两个玻璃基板结合的MEMS(微机电系统)蒸汽单元，以及通过玻璃吹制技术制成的传统蒸汽单元，以及通过表面激光光刻和反应离子蚀刻制成的纳米结构蒸汽单元，例如T.F.Cutler等人在Physical Review Applied(应用物理学报)14,034054(2020)的“Nanostructured Alkali
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Metal Vapor Cells(纳米结构碱金属蒸汽单元)”中所公开的。
[0007]所有这些蒸汽单元都有不同的缺点或限制，例如，但不仅是腔室或表面微通道的平面几何形状，其不能在三维空间中以期望的深度和大小进行制造，或者需要使用掩模或光致抗蚀剂，或者缺乏选择宿留材料的自由，特别是需要包括非透明的壁，从而限制了由此实现的光学通路的位置和数量。
[0008]在US2014/306700A1中以及在Cutler等人在2020年9月21日的Physical Review Applied(应用物理学报)的卷14第3号的“Nanostructured Alkali
‑
Metal Vapor Cells(纳米结构碱金属蒸汽单元)”以及在许多关于微制造原子蒸汽单元的其他工作中，掩模或光致抗蚀剂用于通过湿法硅蚀刻或通过表面激光光刻(如在Cutler等人中的内容)来生成期望的几何形状。这些工艺通常在中间晶圆的平坦表面上进行(在US2014/306700中的工艺部分)，它们需要掩模或光致抗蚀剂，并且它们在可以构建的腔室和储存部的几何形状上具有有限的通用性。
[0009]因此，需要提供一种现有技术的替代方案，该替代方案特别地通过提供用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元涵盖了上述的空白，该替代方案没有上述的缺点和限制。

技术实现思路

[0010]为此目的，本专利技术在第一方面涉及用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元，该原子蒸汽单元包括宿留基板以及在该宿留基板内限定的用于容纳原子蒸汽的腔室。
[0011]与现有技术的原子蒸汽单元相比，在本专利技术的第一方面提出的原子蒸汽单元中，该腔室是激光写入、优选地使用飞秒激光写入该宿留基板中的具有平面或三维几何形状的埋置或非埋置腔室，即不需要掩模或光致抗蚀剂。
[0012]因此，本专利技术涉及使用无掩模制造技术制造的原子蒸汽单元，其中激光实现了在宿留基板的不同深度处写入三维几何形状。这种工艺与表面激光光刻明显不同，与现有技术不同，在蚀刻或写入过程中不需要掩模或光致抗蚀剂。
[0013]在本文件中，术语“平面腔室”或“具有平面几何形状的腔室”用于指三维空的几何形状，其体积形状是指通过与基板的顶部刻面平行的任意形状的平面在竖向方向(即与基板的顶部刻面正交的方向)平移获得的平动实体。该平移被执行了任意长度，该长度被限定为“平面腔室”的厚度。
[0014]相比之下，表述“三维腔室”或“非平面几何形状”用于指体积形状是任意的三维空的几何形状，例如，其也可以通过非平面表面(相对于基板的顶部刻面)的平移来获得，并且它可以改变在宿留材料内的不同深度处的截面。
[0015]对于实施方式，宿留基板和腔室被构造并布置成实现沿着至少两个光轴到腔室的原子相互作用区域的多个光学通路。
[0016]根据实施方式，本专利技术第一方面的原子蒸汽单元还包括也被激光写入宿留基板中的埋置或非埋置的储存部以及连接通道，连接通道以流体的方式将腔室与储存部连通，其中，储存部是平面或三维的储存部。
[0017]对于实施方式的实现，储存部具有在宿留基板的表面处限定的至少一个开口端，并且蒸汽单元还包括密封基板，密封基板结合到宿留基板的所述表面，以对所述至少一个开口端进行密封，其中，所述至少一个开口端被制成，以通过至少一个开口端从激光写入过程中移除多余的材料并且用所述原子蒸汽或产生所述原子蒸汽的材料源对储存部进行填充。
[0018]对于该实现和类似的实现，储存部和/或其他激光写入的三维腔室被埋置(隐藏在宿留材料中)，然而，它们需要开口来通过化学蚀刻剂执行材料移除，即它们变成非埋置的。在用第二基板对开口进行密封后，它们最终再次被埋置。在现有技术的微制造单元中，通过在晶圆表面上使用掩模来写入或蚀刻腔室，因此腔室最初是非埋置的。这些腔室在用第二晶圆或基板密封后才变成埋置的。
[0019]对于实施方式，腔室包括至少入口连接部，以用来自原子蒸汽单元的外部的原子蒸汽对该腔室进行填充；并且对于该实施方式的变体，腔室还包括出口连接部，以使通过入口连接部进入腔室的原子蒸汽流经腔室，并通过出口连接部离开腔室。
[0020]根据实施方式，至少宿留基板对于用于到腔室的单个或多个光学通路的光束的确定波长是透明的，以用于执行上述的原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测。
[0021]对于该实施方式的实现，腔室具有与宿留基板的相应的相对侧刻面相邻的至少一
对相应的相对端，使得沿着腔室的一个维度的光学通路使光束能够通过所述相对端中的一端进入腔室并且通过所述相对端中的另一端离开腔室。
[0022]对于该实施方式的另一实现，用于实现至少二个通路的构造，腔室具有与宿留基板的成对的相对侧刻面中相应的相对侧刻面相邻的至少两对相应的相对端，使得沿着腔室的两个相应横向维度的多个光学通路使两个相应的光束能够各自通过相应的一对相对端中的一端进入腔室并且通过所述相对端中的另一端离开腔室。
[0023]仍然对于该实施方式的另一实现，为了实现三个通路的构造，腔室(例如，立方形腔室)具有与宿留基板的成对的相对侧刻面中相应的相对侧刻面相邻的至少三对相应的相对端，使得沿着腔室的三个相应横向维度的多个光学通路使三个相应的光束能够各自通过相应的一对相对端中的一端进入腔室并且通过所述相对端中的另一端离开腔室。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原子蒸汽单元，所述原子蒸汽单元用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测，所述原子蒸汽单元包括宿留基板(101)以及限定在所述宿留基板内的用于对原子蒸汽进行容纳的腔室(102)，其特征在于，所述腔室(102)是埋置腔室或非埋置腔室，所述腔室是经激光写入所述宿留基板(101)中的，而无需掩模或光致抗蚀剂，所述腔室具有平面或三维的几何形状。2.根据权利要求1所述的原子蒸汽单元，其中，所述宿留基板(101)和所述腔室(102)被构造并布置成实现到所述腔室(102)的原子相互作用区域的、沿着至少两个光轴的多个光学通路。3.根据权利要求1所述的原子蒸汽单元，所述原子蒸汽单元还包括同样经激光写入所述宿留基板(101)中的埋置或非埋置的储存部(103)以及连接通道(104)，所述连接通道以流体的方式将所述腔室(102)与所述储存部(103)连通，其中，所述储存部(103)是平面或三维的储存部(103)。4.根据权利要求3所述的原子蒸汽单元，其中，所述储存部(103)具有在所述宿留基板(101)的表面处限定的至少一个开口端，并且所述蒸汽单元还包括密封基板(105)，所述密封基板结合到所述宿留基板(101)的所述表面，以对所述至少一个开口端进行密封，其中，所述至少一个开口端被制成，使得通过所述至少一个开口端从激光写入过程中移除多余的材料，并且使得用所述原子蒸汽或产生所述原子蒸汽的材料源对所述储存部(103)进行填充。5.根据前述权利要求中的任一项所述的原子蒸汽单元，其中，对于用于单个或多个光学通路的去往所述腔室(102)的确定波长的光束而言，至少所述宿留基板(101)是透明的，以用于执行所述原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测。6.根据权利要求5所述的原子蒸汽单元，其中，所述腔室(102)具有与所述宿留基板(101)的相应的相对侧刻面相邻的至少一对相应的相对端，使得沿着所述腔室(102)的一个维度的光学通路使光束能够通过所述相对端中的一端进入所述腔室(102)并且通过所述相对端中的另一端离开所述腔室。7.根据权利要求5所述的原子蒸汽单元，其中，所述腔室(102)具有与所述宿留基板(101)的成对的相对侧刻面中相应的相对侧刻面相邻的至少两对相应的相对端，使得沿着所述腔室(102)的两个相应横向维度的多个光学通路使两个相应的光束能够各自通过相应的一对相对端中的一端进入所述腔室(102)并且通过所述相对端中的另一端离开所述腔室。8.根据权利要求1所述的原子蒸汽单元，其中，所述储存部(103)和所述腔室(102)还容纳有缓冲气体和/或以在内部添加扩散屏障的方式进行处理，以防止原子去极化碰撞。9.一种集成原子/光子器件，包括：根据权利要求1所述的原子蒸汽单元；以及在所述宿留基板(101)上或在另外的宿留基板上限定或布置的至少一个另外的光子部件。10.根据权利要求9所述的集成原子/光子器件，其中，所述至少一个另外的光子部件集成在所述宿留基板(101)上或集成在所述另外的宿留基板上。11.根据权利要求9所述的集成原子/光子器件，其中，所述至少一个另外的光子部件是平面的或非平面的基于波导的光子部件，所述平面的或非平面的基于波导的光子部件经激光写入所述宿留基板(101)中或所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：摩根，
申请(专利权)人：卡塔拉纳调查及高级研究学院米兰综合工科大学国家研究委员会，
类型：发明
国别省市：