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专利名称：用于饱和光谱学的简单、低功率的微系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于饱和光谱学的简单、低功率的微系统。
背景技术：
饱和光谱学是ー种具有多种用途的众所周知的技木。在很多应用中，其被用来比较激光的频率和在稀薄气体中的原子跃迁的频率。例如，大体上激光的频率是不固定的，但是会由于热效应、老化、和其它与时间相关的过程而漂移(drift)。某些应用(例如冷原子设备，包括原子钟)需要由反馈系统来控制激光频率从而防止该漂移。

发明内容
本申请涉及一种光谱装置(spectroscopic assembly)。该光谱装置包括绝热平台；气体參比室(gas reference cell),包围气体并且附着于绝热平台，所述气体參比室具有至少ー个光学透明的窗ロ ；以及至少ー个加热器，被配置成提高被包围的气体的温度。当分束器配置成将激光器发射的输入光束的一部分反射成入射到气体參比室的至少ー个光学透明的窗口上时，输入光束的所反射的部分两次透射通过所述气体。当检测器被配置成接收所述两次透射通过气体的光束时，反馈信号被提供给激光器用于稳定激光器。


图IA是根据本发明的光谱装置，激光器和外部组件的一个实施例的框图；图IB是图IA的光谱装置中气体參比室的第一表面上的第一加热器的展开图；图2-5是根据本发明的被配置为稳定激光束的光谱装置的实施例的框图；图6示出根据本发明的得自用于激光稳频的小型蒸汽室(vapor cell)的光谱信号；并且图7是根据本发明的稳定由激光器输出的光束的方法的一实施例的流程图。根据惯例，各种的所述的特征没有按照尺寸进行绘制，而是绘制为强调与本发明相关的特征。在所有的附图和文字部分，相同的參考符号指代相同的元件。
具体实施例方式在下面的详细说明中，參考构成说明的一部分的附图，并且其中作为例示示出了本发明可以被实施于其中的特定例示性实施例。这些实施例被充分详细地描述，以使得本领域技术人员能够实施本发明，且应当被理解的是，可以利用其它实施例并且可以在不背离本发明的范围的情况下进行逻辑的，机械的和电学的变化。因此，以下详述的说明并不在限制意义上理解。本发明所描述和示出的光谱装置的实施例是用于饱和光谱学的简单，低功率的微系统。这些用于饱和光谱学的微系统提供了稳定的光谱信号用来反馈给激光器以稳定激光器发射的光束的频率。反馈系统采用气体參比室和被称为饱和光谱学的技术来产生反馈信号，从而对激光的频率和原子跃迁的频率进行比较。在某些应用中，将激光频率与原子频率比较以达到測量可以偏移原子频率的力(例如磁场或电场)的目的，或达到识别气体或气体属性(诸如压强和温度)的目的。在某些应用中，稀薄气体用于以可控的方式来调制激光。在这种情况下，作为控制激光的频率或振幅的手段，外力被施加以对气体和激光的交互作用进行调制。有利地，在此描述的光谱装置的实施例需要非常低的功率并且对失调 (misalignment)是稳健的。某些在此所述的实施例包括小型的气体參比室。对饱和光谱学装置小型化的先前尝试负面影响了被稳定的激光束的空间模式(spatial mode),使得现有技术小型化的饱和光谱学装置对某些应用(例如小型的原子钟)不适合。带有小型气体參比室的光谱装置的所述实施例采用了最少数目的光学组件，并且对提供给外部系统的光束有很小的影响或者没有影响。图IA是根据本发明的光谱装置5，激光器10，和外部组件160的实施例的框图。图IA所示的光谱装置5被调准为提供反馈来将激光器10锁定成选定的频率。激光器10被反馈信号稳定，所述反馈信号从光谱装置5经由链路13输出到激光器驱动器14。光谱装置5包括壳体410，绝热平台400，和包围气体41的气体參比室40。绝热平台400和气体參比室40容纳在壳体410内。壳体410在此还被称为芯片载体，或者无引线的芯片载体(LCC)。气体參比室40在此也被称为“小型铷參比室40”，“參比室40”，“预抽真空密封室40”，以及“室 40”。气体參比室40由至少ー个绝热平台400 (在此也被称为“台架(scaffold) ”，“第一台架”，和“第二台架”)支承。至少ー个加热器601或者501被配置成提高被包围的气体41的温度。尤其是，至少ー个加热器被图案化制作(pattern)在第一光学透明的窗口和第ニ光学透明的窗ロ、气体參比室的第一表面、气体參比室的第二表面、邻近第一光学透明的窗ロ的绝热平台的一部分、以及邻近第二光学透明的窗ロ的绝热平台的一部分中的至少ー个上。绝热平台400确保加热器501和601仅加热在气体參比室40中的气体41并且不加热(或最少地加热)壳体410。如果加热器被配置在绝热平台400的一部分上，绝热平台400被配置为阻碍从加热器到壳体410的热流动并且允许从加热器到气体參比室40的热流动。这种选择性热流动可以通过设计具有恰当的热导率的材料的绝热平台400而提供。由于热不从加热器501和601传递到壳体410，加热器501和601工作在低功率下。壳体410具有透明的窗ロ 415以透射输入光束21和输出光束25。壳体410配置为在真空下密封。壳体410内的真空也确保了加热器501和601仅加热在气体參比室40中的气体41并且不加热(或最少地加热)壳体410。这也有助于最小化加热器501和601所需的功率。在该实施例的一个实施方式中，壳体410是陶瓷壳体410。在该实施例的另ー实施方式中，光谱装置5是小型光谱装置5并且气体參比室40是小型的气体參比室40。如果气体參比室40是小型的气体參比室40，加热器501和601需要很低的功率。
气体參比室40具有第一表面47和相対的第二表面48(配置为包围气体41)。第一表面47具有第一光学透明的窗ロ 45，而第二表面48具有第二光学透明的窗ロ 46。至少一个加热器501或601分别被图案化制作在气体參比室40的第一表面47或第二表面48上，或者至少ー个加热器被定位在相应的至少ー个台架上以提高被包围的气体41的温度。在该实施例的一个实施方式中，至少ー个加热器501或601分别被图案化制作在第一光学透明的窗ロ 45或第二光学透明的窗ロ 46上，以提高被包围的气体41的温度。在该实施例的另ー个实施方式中，只有一个加热器501或601被用来加热气体41。在该实施例的另ー个实施方式中，第一表面47是玻璃片,该玻璃片是第一光学透明的窗ロ 45。在该实施例的另ー实施方式中，第二表面48是玻璃片，该玻璃片是第二光学透明的窗ロ 46,并且这两个玻璃片阳极地接合到带有腔的硅晶片上，由此气体被密封在所述腔内。在该实施例的另ー实施方式中，气体參比室40是单个吹制玻璃块而非多片玻璃。在该实施例的一个实施方式中，图IB是图IA的光谱装置5中第一加热器601和温度传感器505被图案化制作在气体參比室40的第一表面47上的展开图。图IB中看见第一光学透明的窗ロ 45，其中第一加热器601直接被图案化制作在第一光学透明的窗ロ 45上。第一加热器601示出为描画了两个部分圆的迹线。电接触垫615和616通过相应的迹·线617和618与第一加热器601相连接。光束21 (图1A)垂直入射(或近似垂直入射)到在第一加热器601的部分圆内部的第一光学透明的窗ロ 45上。在该实施例的一个实施方式中，第一加热器601被图案化制作在与第一光学透明的窗ロ 45邻近的第一表面47上。气体參比室40可选地包括带有相应的至少ー个电接触垫506的至少ー个温度传感器505，该电接触垫被图案化制作在气体參比室40的第一表面46上。该电接触垫506通过迹线619与温度传感器505相连接。在该实施例的另ー个实施方式中，所述的至少ー个温度传感器505被图案化制作在第一光学透明的窗ロ 45上。在该实施例的一个实施方式中，温度传感器505是电阻型温度传感器505。在该实施例的一个实施方式中，气体參比室40上没有温度传感器505。在该实施例的一个实施方式中，第二加热器501 (图1A)直接被图案化制作在第二光学透明的窗ロ 46上。在该实施例的另ー实施方式中,第二电热器501被图案化制作在邻近第二光学透明的窗ロ 46的第二表面48上。在该实施例的另ー个实施方式中，第二加热器501与图IB中所示的第一加热器301形状相同。第一加热器601和第二加热器501可以是其它形状。在该实施例的另ー个实施方式中，没有第一加热器601，而第二加热器501是在气体參比室40上的仅有的加热器。在该实施例的另ー实施方式中，没有第二加热器501，而第一加热器601是在气体參比室40上的仅有的加热器。第一加热器601和第二加热器501是由适合用来沉积在绝热平台400上的任何导电材料形成。在该实施例的一个实施方式中，第一加热器601和第二加热器501是电阻型加热器。电接触垫506，615和616和迹线617，618和619是由适合用来沉积在气体參比室40上的任何导电材料形成。气体參比室40被定位在绝热平台400的台架特征401上以悬挂气体參比室40。狭窄的台架特征401使得从被加热的气体參比室40到壳体410的热传导最小化。在该实施例的一个实施方式中，绝热平台400是由硅形成。在该实施例的另ー实施方式中，绝热平台400是采用所属领域技术人员公知的微机电系统(MEMS)制造技术形成。
在一个实施例中，加热器被制作在台架400上，而热通过焊料或粘合剂被传递到气体參比室40。在该实施例中，台架上的加热器结合或者代替气体參比室40的第一表面47上的加热器，和/或气体參比室40的第二表面48上的加热器而使用。在另ー个实施例中，第二台架附着于气体參比室40的第二表面，并且加热器被制作在第二台架上。在这个在后的实施例中，第二台架上的加热器被结合或者代替第一台架上的加热器、气体參比室40的第一表面47上的加热器、和/或气体參比室40的第二表面48上的加热器而使用。因此，光谱装置的实施例包括被图案化制作在第一光学透明的窗ロ、第二光学透明的窗ロ、与第一光学透明的窗ロ邻近的第一台架、以及与第二光学透明的窗ロ邻近的第二台架中的至少ー个之上的加热器。光谱装置的实施例包括温度传感器505，该温度传感器505被图案化制作在第一光学透明的窗ロ 45，第二光学透明的窗ロ 46，气体參比室的第一表面47，气体參比室的第ニ表面48，邻近第一光学透明的窗ロ 45的绝热平台400的一部分，及邻近第二光学透明的窗ロ 46的绝热平台400的一部分中的至少ー个之上。气体參比室40附着于至少一个绝热平台400。当气体參比室40在操作上被定位在绝热平台400上时，电接触垫510和511分别与电接触垫512和513电接触，以便为第二加热器501提供电流。同样地，当气体參比室40在操作上被定位在绝热平台400上吋，电接触垫506-A和506-B分别与电接触垫552和553电接触，以便感测电阻型温度传感器505的电流。位于绝热平台400的中心的开ロ允许透射通过第二光学透明的窗ロ 46的光束21的部分传到超出绝热平台400的任何组件。在该实施例的一个实施方式中，反射表面被定位以反射透射通过第二光学透明的窗ロ 46的光束21的一部分，以传到超出绝热平台400的任何组件。如图IA所示，在绝热平台400上的电接触垫512和513通过迹线(大体上表示为双箭头)与绝热平台400上的相应的电接触垫515和516相连接。电接触垫515和516被连接到相应的引线650和651。引线650和651延伸通过壳体410的相应的侧壁412和413。引线660和661 (例如导线)将相应的电接触垫615和616 (图1B)连接到对应的引线652和653。引线652和653延伸通过壳体410的相应的侧壁412和413。延伸通过壳体410的侧壁412和413的引线650和651被用来连接到壳体410外的电流源670以提供电流给第二加热器501。尤其是，电流源670经由电引线650，电接触垫515，迹线527，接触垫512，和电接触垫510 (见图1A)被连接到第二加热器501的一端。电流源670经由电接触垫511，接触垫513，迹线527，接触垫516和电引线651被连接到第二加热器501的另ー端。延伸通过壳体410的侧壁412和413的引线652和653被用于连接到在壳体410外的电流源671以提供电流给第一加热器601。以类似的方式，从绝热平台400上的电接触垫的电连接连接到引线以便连接温度传感器505到壳体410外的温度传感器控制/测量电子器件。ー个电接触垫与另ー个电接触垫的电连接是通过所属领域的公知的技术之ー完成，该技术包括但不限于，球栅附着和焊接。应当理解的是图IA所示的电学结构是示例性实施例，而其它结构是可以的。在该实施例的一个实施方式中，气体參比室40的第二表面48不包括第二光学透明的窗ロ 46,而是反射表面或部分反射表面。在该实施例的另ー实施方式中，存在反射表面，其定位在壳体400的底面上以将光束反射回分束器30。在这种实施例中，对第一光学透明的窗ロ 45和第二光学透明的窗ロ 46进行抗反射涂敷。在该实施例的另ー实施方式中，对第一光学透明的窗ロ 44进行抗反射涂敷。用于稳定激光器10的示例性光谱装置5的操作现在參照图IA被描述。激光器10发射光束20。术语“光束”在本文中也被称为“束”。由于光谱装置5定位成接收(作为输入)从激光器10发射的光束20，因此激光器10发射的光束20在本文中也被称为“输入光束 20”。光束20首先通过基于电光(EO)的强度伺服装置(intensity servo) 325以减少激光器相对强度噪声(RIN)。基于电光(EO)的強度伺服装置325包括EO快门(shutter) 360，分束器230，和检测器352。光束20穿过EO快门360并且入射到分束器230上。一部分光束20作为光束19被分束器230反射向检测器352。检测器352经由链路361向EO快门360提供反馈信号。EO快门360的速度被调整以减少或消除RIN。基于电光(EO)的強度伺 服装置325是可选的。在该实施例的一个实施方式中，没有基于电光(EO)的強度伺服装置325且光束20入射到光谱装置5上。光束20的一部分由基于电光(EO)的强度伺服装置325中的分束器230透射,作为输入光束20朝向光谱装置5。光谱装置5包括气体參比室40，壳体410，绝热平台400，第一分束器30,和第一检测器350。气体參比室40被封装在壳体410的真空中并且附着于绝热平台400。被定位在壳体410的外面的分束器30，将光束20的第一部分作为光束21反射到气体參比室40，并且将光束20的第二部分作为光束29从光谱装置5透射到外部组件160。在该实施例的一个实施方式中，外部组件160是基于原子的装置。因此，分束器30被配置为将光束20的第一(所反射)部分(在本文中也被称为光束21)引导到气体參比室40 ;将光束20的第二(透射)部分(在本文中也被称为光束29)从光谱装置5中引导；且引导两次透射通过气体41的光束(在本文中也被称为光束25)从气体參比室40到第一检测器350作为光束26。第一检测器350提供光谱信号50用于激光频率控制(经由链路13，作为到激光器10的反馈)。从分束器30反射的光束21入射到气体參比室40的第一光学透明的窗ロ 45。光束21透射通过气体41，入射到反射面46 (例如，第二光学透明的窗ロ 46)，从反射面46被反射，并且再次透射通过气体41。光束21和25的光路被示出为偏离彼此以清楚地指示光束21和25的光路。尽管如此，当第一光学透明的窗ロ 45平行于第二光学透明的窗ロ 46并且光束21被垂直入射到气体參比室40的第一光学透明的窗ロ 45时，光束21和25是重置的。采用所属领域技术人员公知的侧锁定(side-locking)或者峰值锁定技术将已两次透射通过气体41的光束25锁定于被加热的气体41的饱和吸收光谱的特定峰值的ー侧或者峰值。第一检测器350被配置为提供反馈信号50以稳定由激光器10发射的光束20的频率。反馈信号50指示第一检测器350处检测到的光束26的振幅。反馈信号50被用来调整激光器驱动器14。在图IA所示的光谱装置5的实施例中，光谱装置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和第二检测器351。在该实施例中，第一分束器30和第二分束器130为偏振分束器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应地基于入射光束20和29的偏振。输入光束20的偏振由半波片301控制。输入光束29的偏振由半波片302控制。第一半波片301具有快轴(在本文中被称为第一快轴)。第一半波片301被定位在偏振分束器30的输入表面30A处。第一,决轴相对于输入光束20的偏振的取向被用来控制光束20的透射(第二)部分(例如，光束29的強度)与光束的反射(第一)部分(例如，光束21的强度)的比率。因而,第一,决轴相对于输入光束20的偏振的取向控制光束29和光束21的相对强度。在该实施例的一个实施方式中，第一分束器30反射10%的输入光束20并透射90%的输入光束20，因此第二部分与第一部分的比率为90/10。如图IA所示，反射表面46是第二光学透明的窗ロ 46。这种情况下，假设第二光学透明的窗ロ 46是玻璃的，4%的光束21被作为光束25从第二光学透明的窗ロ 46的每ー个表面反射。光束25向后传播通过气体41。
四分之一波片311具有快轴(在本文中被称为第二快轴)。四分之一波片311被定位在偏振分束器30的输出面30C和气体參比室40的第一光学透明的窗ロ 45之间。第ニ快轴相对于光束21 (例如，输入光束20的所反射部分)的偏振的取向控制已两次传播通过气体41的光束25的偏振。在该实施例的一个实施方式中，半波片301和302，四分之一波片311被形成在刚性的片、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，和第二检测器351是可选的。正如图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，和第二检测器351被定位在壳体窗ロ 415的顶部并且在壳体412中的真空之外。如果激光器功率以及气体參比室40的温度被很好地控制，安装在第一分束器30上的单个检测器350就是唯一所需的光学检测器。气体參比室温度可以经由电阻型温度传感器505控制并且激光器功率可以被基于电光(EO)的強度伺服装置325分别地伺服(servo) 0如果激光器功率经受漂移，第二检测器130(如图IA所示)实施为控制激光器功率波动。直接落到第二检测器130上的激光的部分被用来监测激光器功率的波动，因此其影响可以通过减法电子器件12从激光频率的反馈信号50中减去。第二半波片302定位在第一分束器30的输出表面30B处。第二半波片302具有第三快轴。光束29 (B卩，光束20的第二部分)透射通过第二半波片302，并且入射到第二分束器130上。第二分束器130将光束29的一部分(在本文中也被称为输入光束20的第三部分)作为光束28朝向第二检测器351反射。第二分束器130将光束29的一部分(在本文中也被称为输入光束20的第四部分)作为光束29’朝向位于光谱装置5之外的外部组件透射。半波片302的第三快轴相对于光束29的偏振的取向被用于控制输入光束20的第四部分(例如，光束29’的強度)与输入光束20的第三部分(例如，光束28的強度)的比率。因此，第三快轴相对于光束29的偏振的取向控制光束29’与光束28的相对强度。在该实施例的一个实施方式中，第二分束器130反射10%的光束29并透射90%的光束29，因此，第四部分与第三部分的比率为90/10。第二检测器351被定位成接收从第二分束器130反射的光束28。第二检测器351測量光束28 (光束20的第三部分)的振幅的波动，使得被发送到激光器驱动器14的反馈信号降低由激光器10发射的输入光束20的强度波动。在这种方式下，强度波动被从用于稳定激光器10的频率的反馈信号中移除。来自第一检测器350和第二检测器351的输出是减法电子器件12的输入。减法电子器件12将经由链路13发送到激光器驱动器14的光谱信号50归ー化。第一检测器处的光度级(強度)的变化可能是由于激光频率的变化或者激光器功率的变化。在没有第二检测器的情况下，伺服系统总是试图改变激光频率以恢复光度级。然而，如果光度级的变化不是由于频率的变化，这种伺服校正实际上将频率拖离所期望的工作频率。为了避免这种情况，第二检测器上的信号被从第一检测器上的信号中减去(在每ー个減法器的输入处具有合适的增益量)。在这种情况下，如果激光器功率改变，在两个检测器上的光度级变化了相同量，而减去的信号不改变。但是，如果激光频率改变，第一检测器上的光度级变化而第二检测器上的光度级不变。减去的信号的级别因此改变，而伺服装置(正确地)调整激光频率以将减去的信号恢复到其先前值。应当理解的是，这种归一化也可以不是采用两个信号相減，而是采用将ー个信号除以另ー个信号来实现，从而使比率对二者变化不敏感。
在该实施例的一个实施方式中，气体參比室40在ー侧是近似1mm。在该实施例的一个实施方式中，分束器30是90-10的立方分束器(beam cube)。在该实施例的另ー实施方式中，分束器30是80-20的立方分束器。在该实施例的另ー实施方式中，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。在某些实施方式中，分束器是偏振分束器并且分束比被光的偏振(其可通过半波片设定)控制。如果分束器是非偏振型的(具有固定的分束比，或者如果该分束器是偏振型的但光的偏振已通过其它手段被设定到所期望的取向，则该半波片不是必要的。在该实施例的另ー个实施方式中，气体41被加热到60摄氏度。气体參比室40包括铷气、铯气、こ炔气、钠气或钾气或者另ー气体(其在激光器可得的波长下具有饱和吸收光谱)之一。气体參比室40包括在低压强下的相关的蒸汽，由于其它气体(包括惯用的“缓冲气体”例如氮气和氩气)，其具有最小的部分压强(例如小于O. I个大气压)。在该实施例的一个实施方式中，入射到第一检测器350的光束26从气体參比室40的未涂敷的玻璃窗ロ(例如，第二光学透明窗ロ 46)的反射而提供。在该实施例的另ー个实施方式中，第二光学透明的窗ロ 46被涂敷以得到不同的反射率。在该实施例的另ー个实施方式中，附加的元件(例如，镜或波片)被结合到与壳体窗ロ 415相対的气体參比室40的一侧上的包装内。图2-5是根据本发明的被配置为稳定激光束的光谱装置的实施例的框图。图2是光谱装置6的框图，光谱装置6被调准为提供锁定激光器10的频率的反馈以使得稳定的光束29从光谱装置6中输出。光谱装置6与图IA的光谱装置5不同之处在于不存在第二半波片302，第二分束器130，第二检测器351，和减法电子器件12。在光谱装置6的输入处没有定位基于电光(EO)的強度伺服装置325并且没有显示出外部组件160。连接到图IA中所示的引线650-653的激光器驱动器14和电流源670和671没有显示在图2中。如图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与面30B相対，而面30C与面30D相対。输入光束20经由面30A被输入到光谱装置6。检测器350邻近分束器30的面30D定位。半波片301邻近立方分束器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和壳体410的透明窗ロ 415之间。分束器30，半波片301，四分之一波片311，气体參比室40，绝热平台400，和壳体410的功能參照图1A-1B如上描述。图2也显示了可选的监测检测器353。在这种配置下，监测检测器353与第二光学透明的窗ロ 46邻近并且监测透射通过气体參比室40中的气体41的输入光束20的反射部分21的強度。尤其是，监测检测器353接收光束21 (该光束21已穿过第一光学透明的窗ロ 45，气体41，和第二光学透明的窗ロ 46 —次)，以监测气体參比室40中的气体41的吸收。当气体參比室40的温度没有被很好地控制时，监测检测器353是有用的。光谱装置6使激光器10 (图1A)发射的输入光束20稳定。在该实施例的一个实施方式中，光谱装置6 是小型的光谱装置6，且气体參比室40是小型的參比室40。光谱装置6的此配置是紧凑的并且加热气体參比室40中的气体41需要的功率低。在该实施例的一个实施方式中，光谱装置6的组件(S卩，分束器30，检测器350，半波片301，和四分之一波片311)通过所属领域技术人员在阅读和理解本文件的时候可理解的机械特征，粘合剂，和/或壳体结构夹持在壳体410的适当位置。图3是光谱装置7的框图，光谱装置7被调准为提供锁定激光器10的频率的反馈以使得稳定的激光束29被从光谱装置7中输出。在光谱装置7的输入处没有定位基于电光(EO)的強度伺服装置325并且没有显示出外部组件160。图IA中所示的激光器驱动器14和电流源670和671没有显示在图3中。光谱装置7是图IA的光谱装置5的紧凑版。如图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与面130B相対，而面130C与面130D相対。第一检测器350邻近分束器30的面30D定位。第二检测器351邻近分束器130的面130D定位。第一半波片301邻近第一立方分束器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之间。四分之一波片311定位在立方分束器30的面30C和壳体410的透明窗ロ 415之间。面130C邻近壳体410定位。參考图1A-1B如上所述，光谱装置7的组件的功能是使激光器10稳定。这种光谱装置7的配置紧凑并且加热气体參比室40中的气体41需要的功率低。在该实施例的一个实施方式中，光谱装置7的组件(即，第一分束器30，第二分束器130，第一检测器350，第二检测器351，第一半波片301，四分之一波片311，和第二半波片302)通过所属领域技术人员在阅读和理解本文件的时候可理解的机械特征，粘合剂，和/或壳体结构夹持在壳体410的适当位置。图4是光谱装置8的框图，光谱装置8被调准为提供锁定激光器10的频率的反馈以使得稳定的激光束29被从光谱装置8中输出。在光谱装置8的输入处没有定位基于电光(EO)的強度伺服装置325并且没有显示出外部组件160。图IA中所示的激光器驱动器14和电流源670和671没有显示在图4中。如图4所示，第一检测器邻近面30D定位。第二检测器351邻近面130D定位。第一半波片301邻近第一立方分束器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之间。面30C邻近壳体410的透明窗ロ 415定位。面130C邻近壳体410定位。第一半波片301具有快轴(在本文中被称为第一快轴)。第一半波片301定位在偏振分束器30的输入面30A处。第一,决轴相对于输入光束20的偏振的取向被用来控制光束20的第二部分(例如，光束29的強度)与光束的第一部分(例如，光束21的強度)的比率。如图4所不,气体參比室40的第二光学透明的窗ロ 46定位在反射表面51和气体參比室40的第一光学透明的窗ロ 45之间。反射表面51定位在壳体410的表面414上。表面414与壳体410的透明窗ロ 415相对。在该实施例的一个实施方式中，反射表面51是镜。在该实施例的另ー个实施方式中，反射表面51是部分反射的表面。在该实施例的另ー个实施方式中，对第一光学透明的窗ロ 45和第二光学透明的窗ロ 46进行抗反射涂敷。光谱装置8包括具有快轴(在本文中被称为第二快轴)的四分之一波片312。四分之一波片312定位在气体參比室40的第二光学透明的窗ロ 46和反射表面51之间。四分之一波片312的第二快轴相对于输入光束20的所反射部分21的偏振而取向，以使得第一次传播通过气体41的光束22的第一偏振与第二次传播通过气体41的光束24的第二偏振是垂直的。四分之一波片312在操作上定位在绝热平台400中。 參照图1A-1B如上所述，光谱装置8的组件的功能是使激光器10稳定。在该实施例的一个实施方式中，光谱装置8的组件(即，第一分束器30，第二分束器130，第一检测器350，第二检测器351，第一半波片301，四分之一波片312，和第二半波片302)通过所属领域技术人员在阅读和理解本文件的时候可理解的机械特征，粘合剂，和/或壳体结构夹持在壳体410的适当位置。图5是根据本发明的光谱装置9，激光器10和外部组件160的实施例的框图。图5中所示的光谱装置9被调准为提供反馈以将激光器10锁定于选定频率。光谱装置9包括壳体410，绝热平台400，和包围气体41的气体參比室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。同样地，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。在该实施例的一个实施方式中，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来近似地为100%。第三百分比和第四百分比加起来近似地为100%。光束20的一小部分可能被分束器39和139的涂层吸收。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以对光束的偏振定向。因此，光谱装置9与图I的光谱装置5的不同之处是不具有第一半波片301，第二半波片302，和四分之一波片311。在光谱装置9中没有显示基于电光(EO)的強度伺服装置325，但是基于电光(EO)的強度伺服装置325能可选择地包括在光谱装置9中。光谱装置9的功能与图IA中示出的光谱装置5的功能相同。在光谱装置9中的壳体410和气体參比室40在结构和功能上类似于图5中的壳体410和气体參比室40。在该实施例的一个实施方式中，光谱装置9不包括第二分束器139。图6示出光谱信号200，其得自用于激光稳频的铷气体的小型气体參比室40 (蒸汽室)。图6中所示的图是随着激光频率随时间变化而生成，因此，垂直轴单位是伏特而水平轴单位是时间(秒)。第一轨迹示出在多普勒展宽吸收曲线内所扫描的整个F = 2饱和吸收轨迹(absorption trace)近似是IGHz。在此示例性情况下，铷气体在384. 2292416THz处具有峰值210。峰值210是激光器10将被锁定到的峰值。峰值210是F = 2 — 3循环跃迁(cycling transition)且是在几十MHz宽度的量级。如果气体41是由其它元素形成，则对于锁定可以选择其它峰值。在该实施例的一个实施方式中，激光器10被锁定于比峰值210 在频率上小 10_15MHz 的频率处(the laser 10 is locked at a frequency that is10_15MHz lower in frequency than the peak 210),即，在峰值 210 的一侧。图7是根据本发明的稳定由激光器输出的光束的方法700的一实施例的流程图。在该实施例的一个实施方式中，方法700被实施以稳定由小型光谱装置中的激光器10输出的光束，在小型光谱装置中，气体參比室40是制作在晶片700上的小型气体參比室140之一。在该实施例的一个实施方式中，输入光束20被稳定为參照图1A-4如上所述的光谱装置5，6，7或8之一中的输出光束29。參照图4中所示的光谱装置8描述方法700，尽管如此，应当理解的是，如阅读本文的所属领域技术人员可理解的，方法700可采用光谱装置的其它实施例而实施。同样地，方法700是參照小型 气体參比室40被描述的，尽管如此，应当理解的是，采用尺寸上不是小型的气体參比室也能够实现方法700。在块702处，输入光束20的第一部分被引导到光谱装置8的小型气体參比室40。输入光束20的第一部分是输入光束20被分束器30反射的那部分。在块704处,被引导的输入光束20的第一部分(即光束21)两次透射通过小型气体參比室40中的被加热气体41，小型气体參比室40在操作上附着于微机电系统(MEMS)绝热平台400。小型气体參比室40是在壳体410内。在壳体410内创建真空。在块706处，两次透射的光束25的至少一部分被引导到检测器350。在块708处，反馈(信号50)被从检测器350提供给激光器10。在块710处，激光器10被锁定于被加热的气体41的饱和吸收光谱200 (图7)的特定的峰值(例如，图7中所不的峰值210)。在块712处，由稳定的激光器10发射的输入光束20的第二部分(光束29)被从小型光谱装置5引导。输入光束20的第二部分是透射通过分束器30的输入光束20的那部分。在方法700的该实施例的一个实施方式中，输入光束的第二部分中的第三部分(例如，光束28)被引导到第二检测器351。光束的第三部分(例如光束28)的振幅被測量并且光束28的振幅波动被从提供给激光器10的反馈信号50中减去(采用减法电子器件12)。在该实施例的另ー实施方式中，基于电光的强度伺服装置325定位在光束20的光路中以减少激光相对强度噪声。尽管本文中已例示和描述特定的实施例，但是应当意识到，对于那些所属领域普通技术人员，适合实现相同目的的任何装置可以替换所示的特定实施例。本申请意在涵盖本发明的任何适配或者变化。因此，显然意在仅由权利要求及其等同物限定本发明。
权利要求
1.一种用于稳定光束(21)的光谱装置(4，5，6，7，8，9)，所述光谱装置包括 气体参比室(40)，包围气体(41)并附着于绝热平台(400)，所述气体参比室具有第一光学透明窗口(45)和第二光学透明窗口(46)； 至少一个加热器￠01)，用来提高被包围的气体的温度； 分束器(30),被配置为将激光器(10)发射的输入光束(20)的一部分(21)反射成入射到气体参比室的第一光学透明窗口上，其中输入光束的所反射部分透射通过气体，从反射面(46)被反射，然后再次透射通过气体；以及 检测器(350)被配置为接收两次透射通过气体的光束(26)，其中两次透射通过气体的光束被锁定于被加热气体的饱和吸收光谱(200)的特定的峰值(210)，其中所述检测器被配置为提供反馈信号(50)以稳定所述激光器发射的光束的频率。
2.如权利要求I所述的光谱装置(4，5，6，7，8，9)，其中至少一个加热器(601)被图案化制作在第一光学透明窗口(45)，第二光学透明窗口(46)，气体参比室(40)的第一表面(47)，气体参比室的第二表面(48)，邻近第一光学透明窗口的绝热平台(400)的一部分，以及邻近第二光学透明窗口的绝热平台的一部分中的至少一个上。
3.如权利要求I所述的光谱装置(4，5，6，7，8，9)，进一步包括 具有透明窗口(415)的壳体(410)，所述壳体被配置为在真空条件下密封绝热平台(400)和气体参比室(40)，所述透明窗口被定位成将输入光束(20)的所反射部分(21)透射到气体参比室并且定位成将两次透射通过气体(41)的光束(25)透射到分束器(30)。
全文摘要
本发明涉及用于饱和光谱学的简单、低功率的微系统。提供了一种光谱装置。该光谱装置包括绝热平台；气体参比室，包围气体并且附着于绝热平台，该气体参比室具有至少一个光学透明窗口，以及至少一个被配置成提高被包围的气体的温度的加热器。当分束器被配置成将由激光器发射的输入光束的一部分反射成入射到气体参比室的至少一个光学透明窗口上时，输入光束的所反射的部分两次透射通过所述气体。当检测器被配置成接收所述两次透射通过气体的光束时，反馈信号被提供给激光器用于稳定激光器。
文档编号G01J3/42GK102853914SQ20121021053
公开日2013年1月2日 申请日期2012年4月27日 优先权日2011年6月29日
发明者K·萨利特, J·A·里德利, M·K·萨利特, J·S·斯特拉布利, J·克里斯 申请人:霍尼韦尔国际公司