(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ビームを安定化させる分光器アセンブリであって、前記分光器アセンブリは、
ガスを囲い、熱分離プラットフォームに取り付けられるガス参照セルを有し、前記ガス参照セルは、第１光学透明窓および第２光学透明窓を備え、
前記分光器アセンブリはさらに、前記ガスの温度を上昇させる少なくとも１つのヒーターと、
レーザーから放射される入力光学ビームの一部を反射して、前記ガス参照セルの前記第１光学透明窓に入射するように構成されるビームスプリッタと、を有し、前記入力光学ビームの前記反射された部分は前記ガスを通過し、反射表面から反射され、前記ガスを再通過し、
前記分光器アセンブリはさらに、前記ガスを二度通過した光学ビームを受け取るように構成される検出器を有し、ガスを二度通過した光学ビームは、前記加熱ガスの飽和吸収スペクトルの特定のピークにロックされ、前記検出器は、前記レーザーから放射された光学ビームの周波数を安定化させるためにフィードバック信号を提供するように構成される、分光器アセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載の分光器アセンブリであって、前記少なくとも１つのヒーターは、前記第１光学透明窓、前記第２光学透明窓、前記ガス参照セルの第１表面、前記ガス参照セルの第２表面、前記第１光学透明窓に隣接する熱分離プラットフォームの部分、および前記第２光学透明窓に隣接する熱分離プラットフォームの部分、の少なくとも１つの上に形成される、分光器アセンブリ。
【請求項３】
請求項１に記載の分光器アセンブリであって、さらに、
透明窓を備えるハウジングを有し、前記ハウジングは、前記熱分離プラットフォームおよびガス参照セルを真空下でシールするように構成され、前記透明窓は、前記入力光学ビームの前記ガス参照セル内へ反射された部分を通過させるように位置決めされ、且つ、前記ガスを二度通過した光学ビームを前記ビームスプリッタへ伝播させるように位置決めされる、分光器アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、飽和分光器のための単純な低電力マイクロシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0001]本願は、２０１１年６月２９日に出願された米国仮出願第６１／５０２７２８号の利益を主張し、これは参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
[0002]本発明は、AMRDECにより付与されたW31P4Q-09-C0348による政府の支援のもとでなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。
【０００３】
[0003]飽和分光法はよく知られた技術であり様々に用いられている。多くの用途において、レーザーの周波数を希釈ガス中での原子の遷移周波数を比較することが用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
たとえば、一般に、レーザーの周波数は固定されておらず、熱効果、エージング、および他の時間依存プロセスによりドリフトすることがある。いくつかの用途（原子時計を含む冷原子装置など）は、このドリフトを防止するためにフィードバックシステムによりレーザー周波数を制御する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
[0004]本願は、分光器アセンブリに関する。分光器アセンブリは、熱分離プラットフォームと、ガスをケーシングし且つ熱分離プラットフォームに取り付けられるガス参照セルと、を含む。ガス参照セルは、少なくとも１つの光学的に透明な窓を備える。分光器アセンブリはさらに、ケーシングされたがガスの温度を上昇させるように構成される少なくとも１つのヒーターを含む。ビームスプリッタが、レーザーにより放射された入力光学ビームの一部を、ガス参照セルの少なくとも１つの光学的に透明な窓に入射するように反射するように構成される場合、入力光学ビームの反射された部分はガスを２度通過する。検出器がガスを２度通過した光学ビームを受け取るように構成される場合、レーザーを安定化させるためにフィードバック信号がレーザーに提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】本発明による、分光器アセンブリ、レーザー、および外部コンポーネントの実施形態のブロック図である。
【図１Ｂ】図１Ａの分光器アセンブリにおけるガス参照セルの第１表面上の第１ヒーターの拡大図である。
【図２】本発明による、レーザービームを安定化させるように構成される分光器アセンブリの実施形態のブロック図である。
【図３】本発明による、レーザービームを安定化させるように構成される分光器アセンブリの実施形態のブロック図である。
【図４】本発明による、レーザービームを安定化させるように構成される分光器アセンブリの実施形態のブロック図である。
【図５】本発明による、レーザービームを安定化させるように構成される分光器アセンブリの実施形態のブロック図である。
【図６】本発明による、レーザー周波数安定化のために用いられる小型の蒸気セルから引き出された分光信号を示す図である。
【図７】本発明による、レーザーからの光学ビーム出力を安定化させる方法の一実施形態のフローダイアグラムである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0010]添付図面において、一般的な実務慣行に従って、様々な説明される特徴は寸法通り描かれておらず、本発明に関連する特徴を強調するように図示されている。また、図面にわたって同様の参照符号は同様・類似の要素を参照する。
【０００８】
[0011]以下の詳細な説明において、本願の一部をなす添付の図面が参照され、本発明を実施し得る例示的な実施形態が説明される。これらの実施形態は、当業者が本発明を実施するのに十分な程度に説明され、また、他の実施形態を用いることができることが理解され、本発明の範囲から逸脱することなる論理的、機械的、電気的な変更が可能である。それゆえ、以下の詳細な説明は限定的なものではない。
【０００９】
[0012]本明細書で説明および図示される分光器アセンブリの実施形態は、飽和分光法のための単純で、低パワーマイクロシステムである。これらの飽和分光法のためのマイクロシステムは、レーザーから放射される光学ビームの周波数を安定化させるために、レーザーへのフィードバックのための安定的な分光信号を提供する。フィードバックシステムは、ガス参照セルおよびフィードバック信号を生成する飽和分光法として知られている技術を用いて、レーザー周波数を原子遷移の周波数と比較する。いくつかの用途において、レーザー周波数は、原子周波数をシフトさせ得る力（磁場または電場など）の測定の目的で原子周波数と比較され、または、ガスを同定しまたは圧力および温度のようなガスの特性を同定する目的で比較される。いくつかの用途において、希釈ガスは、制御可能な方法でレーザーを調整するのに用いられる。この場合、レーザー周波数または振幅を制御する手段として、ガスおよびレーザーの相互作用を調整するために外力が付与される。本明細書で説明される分光器アセンブリの実施形態は、有利なことに非常に低い電力を必要とし、また、ミスアライメントに対して頑強である。ここで説明されるいくつかの実施形態は、小型のガス参照セルを含む。飽和分光器を小型化する前の試みは、安定さされるレーザービームの空間モードに負の影響を与え、小型原子時計のようないくつかの用途では従来技術の小型化される飽和分光器を不安定にする。説明される小型ガス参照セルを備える分光器アセンブリの実施形態は、最小の数の光学コンポーネントを使用し、外部システムへ提供される光学ビームへわずかな効果を備えまたは全く効果を備えない。
【００１０】
[0013]図１Ａは、本発明による、分光器アセンブリ５、レーザー１０、外部コンポーネント１６０の実施形態のブロック図である。図１Ａに示される分光器アセンブリ５は、レーザー１０を選択された周波数にロックするようにフィードバックを提供するように構成される。レーザー１０は、分光器アセンブリ５からリンク１３を介してレーザードライバ１４へ出力されるフィードバック信号により安定化される。分光器アセンブリ５は、ハウジング４１０、熱分離プラットフォーム４００、およびガス４１を囲うガス参照セル４０を含む。ガス分離プラットフォーム４００およびガス参照セル４０は、ハウジング４１０内に収容される。また、ハウジング４１０は、ここでは、チップキャリアまたはリードレスチップキャリア（ＬＣＣ）と称される。また、ガス参照セル４０は、ここでは「小型ルビジウム参照セル４０」、「参照セル４０」、「真空パックセル４０」、および「セル４０」とも称される。
【００１１】
[0014]ガス参照セル４０は、少なくとも１つの熱分離プラットフォーム４００（本稿では「台座」、「第１台座」、「第２台座」とも称される）に支持され、少なくとも１つのヒーター６０１または５０１は、ケーシングされたガス４１の温度を上昇させるように構成される。具体的には、少なくとも１つのヒーターは、第１光学透過窓、第２光学透過窓、ガス参照セルの第１表面、ガス参照セルの第２表面、第１光学透過窓に隣接する熱分離プラットフォームの一部、第２光学透過窓に隣接する熱分離プラットフォームの一部の少なくとも１つ上にパターン化される。熱分離プラットフォーム４００は、ヒーター５０１、６０１がガス参照セル４０内のガス４１だけを加熱し、ハウジング４１０を加熱しない（あるいは最小限の加熱）ことを確保する。熱分離プラットフォーム４００の一部上にヒーターが構成される場合、熱分離プラットフォーム４００は、ヒーターからハウジング４１０への熱の流れを妨害し、ヒーターからガス参照セル４０への熱の流れを可能にするように構成される。この選択的な熱の流れは、熱分離プラットフォーム４００を、適切な熱伝導性材料で設計することにより提供することができる。ヒーター５０１、６０１からの熱はハウジング４１０へ伝達されないので、ヒーター５０１、６０１は低電力で動作する。
【００１２】
[0015]ハウジング４１０は、入力光学ビーム２１および出力光学ビーム２５を透過させる透明窓４１５を備える。ハウジング４１０は、真空下でシールされるように構成される。また、ハウジング４１０内の真空は、ヒーター５０１、６０１がガス参照セル４０内のガス４１だけを加熱し、ハウジング４１０を加熱しない（あるいは最小限の加熱）ことを確保する。また、これは、ヒーター５０１、６０１により必要とされる電力を最小化することを助ける。この実施形態の１つの実施例において、ハウジング４１０はセラミックハウジング４１０である。この実施形態の他の実施例において、分光器アセンブリ５は、小型分光器アセンブリ５であり、ガス参照セル４０は小型ガス参照セル４０である。ガス参照セル４０が小型のガス参照セル４０である場合、ヒーター５０１、６０１は、非常に低い電力を必要とする。
【００１３】
[0016]ガス参照セル４０は、ガス４１を囲うように構成される第１表面４７および対向する第２表面４８を備える。第１表面は、第１光学透明窓６０１を備え、第２表面４８は第２光学透明窓４６を備える。少なくとも１つのヒーター５０１、６０１は、それぞれガス参照セル４０の第１表面４７または第２表面４８上にパターン化され、あるいは、少なくとも１つのヒーターは、少なくとも１つの台座上に位置決めされ、囲まれるガス４１の温度を上昇させる。この実施形態の１つの実施例において、少なくとも１つのヒーター６０１、５０１は、それぞれ第１光学透明窓４５または第２光学透明窓４６上にパターン化され、囲まれるガス４１の温度を上昇させる。この実施形態の他の実施例において、ヒーター５０１または６０１の１つだけがガス４１を加熱するのに用いられる。この実施形態の他の実施例において、第１表面４７は、第１光学透明窓４５であるガラスプレートである。この実施形態の他の実施例において、第２表面４８は、第２光学透明窓４６であるガラスプレートであり、２つのプレートはキャビティ内でシリコンウェハに陽極接合され、ガスがキャビティ内にシールされる。この実施形態の他の実施例において、ガス参照セル４０は、ガラスの複数プレートではなく、単一のブローガラスマスである。
【００１４】
[0017]図１Ｂは、この実施形態の実施例における図１Ａの分光器アセンブリ５のガス参照セル４０の第１表面４７上にパターン化された第１ヒーター６０１および温度センサ５０５の拡大図である。第１光学透明窓４５が図１Ｂに示され、第１光学透明窓４５上に直接的にパターン化された第１ヒーター６０１を備えている。第１ヒーター６０１は、二重部分円を描くトレースラインとして示されている。電気的接触パッド６１５、６１６がそれぞれ第１ヒーター６０１のトレースライン６１７、６１８に接続される。光学ビーム２１（図１Ａ）は、第１ヒーターの部分円の内側に第１光学透明窓４５上に垂直に（またはほぼ垂直に）入射する。この実施形態の一実施例において、第１ヒーター６０１は、第１光学透明窓４５に隣接して第１表面４７上にパターン化される。
【００１５】
[0018]ガス参照セル４０は、随意選択で、少なくとも１つの温度センサ５０５を含み、温度センサ５０５は、それぞれガス参照セル４０の第１表面上にパターン化された少なくとも１つの電気接触パッド５０６を備える。電気接触パッド５０６は、温度センサ５０５のトレースライン６１９に接続される。この実施形態の他の実施例において、少なくとも１つの温度センサ５０５は、第１光学透明窓４５上にパターン化される。この実施形態の一実施例において、温度センサ５０５は、抵抗温度センサ５０５である。この実施形態の一実施例において、ガス参照セル４０上に温度センサ５０５が存在しない。
【００１６】
[0019]この実施形態の一実施例において、第２ヒーター５０１（図１Ａ）は、第２光学透明窓４６上に直接的にパターン化される。この実施形態の他の実施例において、第２ヒーター５０１は、第２光学透明窓４６に隣接する第２表面４８上にパターン化される。この実施形態の他の実施例において、第２ヒーター５０１は、図１Ｂに示される第１ヒーター３０１と同じ形状である。第１ヒーター６０１および第２ヒーター５０１を他の形状とすることも可能である。この実施形態の他の実施例において、第１ヒーター６０１は存在せず、第２ヒーター５０１が、ガス参照セル４０の唯一のヒーターである。この実施形態の他の実施例において、第２ヒーター５０１が存在せずに、第１ヒーター６０１がガス参照セル４０の唯一のヒーターである。
【００１７】
[0020]第１ヒーター６０１および第２ヒーター５０１は、熱分離プラットフォーム４００上に堆積させるのに好適な任意の導電性材料から形成される。この実施形態の一実施例において、第１ヒーター６０１および第２ヒーター５０１は抵抗ヒーターである。電気的接続パッド５０６、６１５、６１６およびトレースライン６１７、６１８、６１９は、ガス参照セル４０上に堆積させるのに好適な任意の導電性材料から形成される。
【００１８】
[0021]ガス参照セル４０は、熱分離プラットフォーム４００の台座特徴４０１上に、ガス参照セル４０を吊り下げるように位置決めされる。狭い台座特徴４０１は、加熱されるガス参照セル４０からハウジング４１０への熱の伝達を最小化する。この実施形態の一実施例において、この実施形態の他の実施例において、熱分離プラットフォーム４００は、当業者に知られた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造技術を用いて形成される。
【００１９】
[0022]一実施形態において、ヒーターは、台座４００上に形成され、また、熱はハンダまたは接着材を通じてガス参照セル４０に伝達される。この実施形態において、ガス参照セル４０の第１表面４７上のヒーターおよび／またはガス参照セル４０の第２表面４８上のヒーターとともに、またはそれらの代わりに台座上のヒーターが用いられる。他の実施形態において、第２台座がガス参照セル４０の第２表面上に取り付けられ、ヒーターが第２台座上に形成される。この後者の実施形態において、第２台座上のヒーターは、第１台座上のヒーターとともに、またはその代わりに、また、ガス参照セル４０の第１表面４７上のヒーターおよび／またはガス参照セル４０の第２表面４８上のヒーターとともに、またはその代わりに用いられる。したがって、分光器アセンブリの実施形態は、第１光学透明窓、第２光学透明窓、第１光学透明窓に隣接する第１台座、および第２光学透明窓に隣接する第２台座の少なくとも１つの上にパターン化されるヒーターを含む。
【００２０】
[0023]分光器アセンブリの実施形態は、第１光学透明窓４５、第２光学透明窓４６、ガス参照セルの第１表面４７、ガス参照セルの第２表面４８、第１光学透明窓４５に隣接する熱分離プラットフォーム４００の一部、および第２光学透明窓４５に隣接する熱分離プラットフォーム４００の一部、の少なくとも１つの上にパターン化される温度センサ５０５を含む。
【００２１】
[0024]ガス参照セル４０は、熱分離プラットフォーム４００の少なくとも１つに取り付けられる。ガス参照セル４０が熱分離プラットフォーム４００上に作動的に位置決めされる場合、第２ヒーター５０１に電流を提供するために、電気的接続パッド５１０、５１１は、電気的接続パッド５１２、５１３にそれぞれ電気的に接続される。同様に、ガス参照セル４０が熱分離プラットフォーム４００上に作動的に位置決めされる場合、電気的接続パッド５０６−Ａ、５０６−Ｂは、抵抗温度センサ５０５内の電流を検出するために、それぞれ電気的接続パッド５５２、５５３に電気的に接続される。熱分離プラットフォーム４００の中心の開口部は、第２光学透明窓４６を通って伝播された光学ビーム２１の一部が熱分離プラットフォーム４００の向こう側の任意のコンポーネントに伝達するのを可能にする。この実施形態の一実施例において、反射表面が、第２光学透明窓４６を通って伝播した光学ビーム２１の一部を反射するように位置決めされ、光学ビームを熱分離プラットフォーム４００の向こう側の任意のコンポーネントへ伝播させる。
【００２２】
[0025]図１Ａに示されるように、熱分離プラットフォーム４００上の電気的接続パッド５１２、５１３は、トレースラインを介して、それぞれ熱分離プラットフォーム４００上の電気的接続パッド５１５、５１６に接続される。電気的接続パッド５１５、５１６はそれぞれリード６５０、６５１に接続される。リード６５０、６５１は、それぞれハウジング４１０の側壁４１２、４１３を通って延びる。（ワイヤのような）リードライン６６０、６６１は、それぞれ電気的接続パッド６１５、６１６（図１Ｂ）をそれぞれリード６５２、６５３に接続される。リード６５２、６５３は、それぞれハウジング４１０の側壁４２、４１３を通って延びる。ハウジング４１０の側壁４１２、４１３を通って延びるリード６５０、６５１は、第２ヒーター５０１に電流を提供するために、ハウジング４１０の外側の電流原６７０に接続するように用いられる。ハウジング４１０の側壁４１２、４１３を通って延びるリード６５０、６５１は、第２ヒーター５０１に電流を提供するために、ハウジング４１０の外側の電流原６７０に接続するために用いられる。具体的には、電流原６７０は、電気的リード６５０、電気的接続パッド５１５、トレースライン５２７、接続パッド５１２、および電気的接続パッド５１２（図１Ａ）を介して第２ヒーター５０１の一方の端部に接続される。電流原６７０は、電気的接続パッド５１１、接続パッド５１３、トレースライン５２７、接続パッド５１６、および電気的リード６５１を介して、第２ヒーター５０１の他方の端部に接続される。
【００２３】
[0026]ハウジング４１０の側壁４１２、４１３を通って延びるリード６５２、６５３は、第１ヒーター６０１に電流を提供するために、ハウジング４１０の外側の電流原６７１に接続するために用いられる。類似の方法で、温度センサ５０５をハウジング４１０の外側の温度センサ制御／測定電子機器に接続するために、熱分離プラットフォーム４００上の電気的接続パッドからの電気的接続部はリードに接続する。
【００２４】
[0027]一方の電気的接続パッドから他方の電気的接続パッドへの電気的接続は、当業界で公知の技術によりなされ、限定するわけではないが、ボールグリッド取り付けおよびハンダ接続を含む。図１Ａに示される電気的な構成は、例示的な実施形態であり他の構成も可能であることを理解されたい。
【００２５】
[0028]この実施形態の一実施例において、ガス参照セル４０の第２表面４８は、第２光学透明窓４６を含まず、反射性のまたは部分的に反射性の表面である。この実施形態の他の実施例において、光学ビームをビームスプリッタ３０に反射するために、ハウジング４００の底部表面上に位置決めされる反射性表面がある。そのような実施形態において、第１光学透明窓４５および第２光学透明窓４６は反射防止コートされる。この実施形態の他の実施例において、第１光学透明窓４４は反射防止コートされる。
【００２６】
[0029]レーザー１０を安定化させる例示的な分光器アセンブリ５の動作が図１Ａを参照しながら説明する。レーザー１０は光学ビーム２０を放射する。「光学ビーム」との語は、ここでは「ビーム」とも称される。また、分光器アセンブリ５は、入力としてレーザー１０から放射される光学ビーム２０を受け取るように位置決めされるので、レーザー１０により放射される光学ビーム２０は「入力光学ビーム２０」とも称される。
【００２７】
[0030]まず、光学ビーム２０は、電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５を通り、レーザーの相対強度ノイズ（ＲＩＮ）を減少させる。電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５は、ＥＯシャッタ３６０、ビームスプリッタ２３０、および検出器３５２を含む。ビーム２０は、ＥＯシャッタ３６０を通り、ビームスプリッタ２３０に入射する。ビーム２０の一部は、ビームスプリッタ２３０により光学ビーム１０として反射されて検出器３２５へ向かう。検出器３５２は、ＥＯシャッタ３６０へリンク３６１を介してフィードバック信号を提供する。ＥＯシャッタ３６０のスピードは、ＲＩＮを除去するように調整される。電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５は随意選択である。この実施形態の一実施例において、電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５は存在せず、ビーム２０は分光器アセンブリ５に入射する。
【００２８】
[0031]電子光学（ＥＯ）に基づくサーボ３２５内のビームスプリッタ２３０を通ったビーム２０の一部は、入力光学ビーム２０として分光器アセンブリ５に向かう。分光器アセンブリ５は、ガス参照セル４０、ハウジング４１０、熱分離プラットフォーム４００、第１ビームスプリッタ３５０、および第１検出器３５０を含む。ガス参照セル４０は、ハウジング４１０内で真空パッケージされ、熱分離プラットフォーム４００に取り付けられる。ハウジング４１０の外側に位置決めされるビームスプリッタ３０は、光学ビーム２０の第１部分を光学ビーム２１としてガス参照セル４０に反射し、光学ビーム２０の第２部分を光学ビーム２９として分光器アセンブリ５から外部コンポーネント１６０へ透過させる。この実施形態の一実施例において、外部コンポーネント１６０は、原子ベースの装置である。
【００２９】
[0032]したがって、ビームスプリッタ３０は、光学ビーム２０の第１部分（反射された部分）（ここでは光学ビーム２１とも称される）をガス参照セル４０に導き；分光器アセンブリ５からの光学ビーム２０の第２部分（透過部分）（ここでは光学ビーム２９とも称される）を導き；ガス参照セル４０からのガス４１を２度通過した光学ビーム（光学ビーム２５とも称される）を光学ビーム２６として第１検出器３５０へ導く；ように構成される。第１検出器３５０は、リンク１３を介してレーザー１０へのフィードバックとしてレーザーの周波数を制御するために、分光器信号５０を提供する。
【００３０】
[0033] ビームスプリッタ３０から反射された光学ビーム２１は、ガス参照セル４０の第１光学透明窓４５に入射する。光学ビーム２１は、ガス４１を通って伝播し、反射表面４６（たとえば第２光学透過窓）に入射し、反射表面４６から反射され、ガス４１を通って再伝播する。光学ビーム２１、２５の光学パスは、光学ビーム２１、２５の光学経路を明瞭に示すために互いにずれて示されている。しかし、第１光学透明窓４５が第２光学透明窓４６と平行であり、光学ビーム２１がガス参照セル４０の第１光学透明窓４５に垂直に入射する場合、光学ビーム２１、２５は重なる。
【００３１】
[0034]ガス４１を２度通過した光学ビーム２５は、当業者に公知のサイドロッキングまたはピークロッキング技術を用いて加熱ガス４１の飽和吸収スペクトルの特定のピークのサイドまたはピークにロックされる。第１検出器３５０は、レーザー１０から放射される光学ビーム２０の周波数を安定化させるために、フィードバック信号５０を提供するように構成される。フィードバック信号５０は、第１検出器３５０において検出される光学ビーム２６の振幅を示す。フィードバック信号５０は、レーザードライバ１４を調整するために用いられる。
【００３２】
[0035]図１Ａに示される分光器アセンブリ５の実施形態において、分光器アセンブリ５は、第１半波プレート３０１、第２半波プレート３０２、４分の１波プレート３１１、第２ビームスプリッタ１３０、および第２検出器３５１を含む。この実施形態において、第１ビームスプリッタ３０および第２ビームスプリッタ１３０は、偏光ビームスプリッタ３０、１３０である。偏光ビームスプリッタ３０、１３０に入射する光学ビームの反射および透過の割合は、それぞれ入射光学ビーム２０、２９の偏光に基づく。入射光学ビーム２０の偏光は、半波プレート３０１により制御される。入射光学ビーム２９の偏光は半波プレート３０２により制御される。
【００３３】
[0036]第１半波プレート３０１は、進相軸（ここでは第１進相軸とも称される）を備える。第１半波プレート３０１は、偏光ビームスプリッタ３０の入力３０Ａに位置決めされる。入力光学ビーム２０の偏光に対する第１進相軸の向きは、光学ビームの反射（第１）部分（たとえば光学ビーム２１の強度）に対する光学ビーム２０の透過（第２）部分（たとえば光学ビーム２９の強度）の割合を制御するために用いられる。したがって、入力光学ビーム２０の偏光に対する第１進相軸の向きは、光学ビーム２９および光学ビーム２１の相対強度を制御する。この実施形態の一実施例において、第１ビームスプリッタ３０は、入力光学ビーム２０の１０％を反射し、入力光学ビーム２０の９０％を透過させ、第２部分の第１部分に対する割合は９０／１０である。
【００３４】
[0037]図１Ａに示されるように、反射表面４６は、第２光学透明窓４６である。この場合、第２光学透明窓４６はガラスを想定しており、光学ビーム２１の４％は、光学ビーム２５として第２光学透明窓４６の各表面から反射される。光学ビーム２５ガス４１を通って戻る。
【００３５】
[0038]４分の１波プレート３１１は、進相軸（ここでは第２進相軸と称される）を備える。４分の１波プレート３１１は、偏光ビームスプリッタ３０の出力面３０Ｃとガス参照セル４０の第１光学透明窓４５との間に位置決めされる。第２進相軸の光学ビーム２１（たとえば入力光学ビーム２０の反射部分）の偏光に対する向きは、ガス４１を２回通過した光学ビームの偏光を制御する。この実施形態の一実施例において、半波プレート３０１、３０２、４分の１波プレート３１１は、剛体プレート、ポリマーシート、および／またはフィルム内に形成される。
【００３６】
[0039]半波プレート３０１、３０２、４分の１波プレート３１１、第２ビームスプリッタ１３０、および第２検出器３５１は、随意選択である。図１Ａに示されるように、ビームスプリッタ３０、１３０、第１半波プレート、第２半波プレート３０２、４分の１波プレート３１１、第２ビームスプリッタ１３０、第２検出器３５１は、ハウジング窓４１５の頂部に位置決めされ、また、ハウジング４１２の真空の外側である。
【００３７】
[0040]レーザーパワーおよびガス参照セル４０の温度がよく制御されるならば、第１ビームスプリッタ３０上に取り付けられる信号検出器３５０は、必要な唯一の光学検出器である。ガス参照セルの温度は、抵抗温度センサ５０５を介して制御することができ、また、レーザーパワーは、強度サーボ３２５に基づいて電子光学（ＥＯ）により別個にサーボすることができる。レーザーパワーがドリフトを受けるならば、レーザーパワーの揺らぎを制御するために、第２検出器１３０（図１Ａに示される）が用いられる。レーザー光の第２検出器１３０上に直接的に入る部分は、レーザーパワーの揺らぎを監視するために用いられ、減算電子機器１２により、レーザー周波数のためのフィードバック信号５０から、その効果が差し引かれるようにする。
【００３８】
[0041]第２半波プレート３０２は、第１ビームスプリッタ３０の出力面３０Ｂに位置決めされる。第２半波プレート３０２は第３進相軸を備える。光学ビーム２９（すなわち、光学ビーム２０の第２部分）は、第２半波プレート３０２を通り、第２ビームスプリッタ１３０上に入射する。第２ビームスプリッタ１３０は、光学ビーム２９の一部（ここでは入力光学ビーム２０の第３部分とも称する）を、光学ビーム２８として第２検出器３５１へ反射させる。第２ビームスプリッタ１３０は、光学ビーム２９´として、分光器アセンブリ５の外側の外部コンポーネントへ向けて光学ビーム２９の一部を透過させる。
【００３９】
[0042] 光学ビーム２９の偏光に対する半波プレート３０２の第３進相軸の向きは、入力光学ビーム２０の第４部分（たとえば、光学ビーム２９´の強度）の、光学ビーム２０の第３部分に対する割合（たとえば、光学ビーム２８の強度）を制御するために用いられる。したがって、光学ビーム２９の偏光に対する第３進相軸の向きは、光学ビーム２９´および光学ビーム２９の相対的な強度を制御する。この実施形態の一実施例において、第２ビームスプリッタ１３０は光学ビーム２９の１０％を反射し、光学ビーム２９の９０％を透過させ、第４部分の第３部分に対する割合は９０／１０である。
【００４０】
[0043]第２検出器３５１は、第２ビームスプリッタ１３０から反射された光学ビーム２８を受け取るように位置決めされる。第２検出器３５１は、光学ビーム２８（光学ビーム２０の第３部分）の振幅の揺らぎを測定し、レーザードライバ１４に送られるフィードバック信号が、レーザー１０から放射される入力光学ビーム２０の強度揺らぎを減少させる。このようにして、レーザー１０の周波数を安定化させるのに用いられるフィードバック信号から強度揺らぎが除去される。第１検出器３５０および第２検出器３５１からの出力は、差分電子機器１２への入力である。差分電子機器１２は、リンク１３を介してレーザードライバ１４に送られる分光信号５０を標準化する。第１検出器における光レベル（強度）の変化は、レーザー周波数の変化またはレーザーパワーの変化によるものであることがある。第２検出器なしで、サーボシステムは、常に光レベルを復帰させるようにレーザー周波数を変化させようとする。しかし、光レベルの変化が周波数の変化によるものでない場合、このサーボ補正は、実際には、望ましい動作周波数からずらす。これを避けるため、第２検出器上の信号が、第１検出器上の信号から差し引かれる（各差分器の入力における適切なゲインとともに）。この場合、レーザーパワーが変化する場合、両方の検出器の光レベルは同一の量だけ変化し、差分信号は変化しない。しかし、レーザー周波数が変化する場合、第１検出器上の光レベルは変化し、第２検出器上の光レベルは変化しない。それゆえ、差分信号のレベルは変化し、サーボ（補正）は、差分信号を元の値に復帰させるようにレーザー周波数を調整する。２つの信号を減算するのではなく、１つの信号を比が両方の変化に感度を持たないように分割することで、この標準化を達成することもできることを理解されたい。
【００４１】
[0044]この実施形態の一実施例において、ガス参照セル４０は、１辺が約１ｍｍである。この実施形態の一実施例において、ビームスプリッタ３０は、９０−１０ビームキューブ。この実施形態の他の実施例において、ビームスプリッタ３０は、８０−２０のビームキューブである。この実施形態の他の実施例において、ビームスプリッタは９０−１０のビームキューブである。ビームスプリッタ３０、１３０の他の分割比も可能である。いくつかの実施形態において、ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであり、比は光の偏光により制御され、これは半波プレートにより設定できる。半波プレートは、ビームスプリッタが非偏光のものである場合は必要ではなく、固定の比であり、あるいは、光の偏光が他の手段により所望の向きにすでに設定されるのでれば半波プレートは必要ではない。
【００４２】
[0045]この実施形態の他の実施例において、ガス４１は、６０℃まで加熱される。ガス参照セル４０は、ルビジウムガス、セシウムガス、アセチレンガス、ナトリウムガス、カリウムガスの一つ、または、レーザーアクセス可能な波長における飽和吸収スペクトルを備える他のガスを含む。ガス参照セル４０は、低圧の関連する蒸気を含み、他のガス（窒素またはアルゴンのような一般に「バッファガス」とされるものを含む）により最小の分圧（０．１気圧未満など）となる。
【００４３】
[0046]この実施形態の一実施例において、第１検出器３５０に入射する光学ビーム２６は、ガス参照セル４０のコートされていないガラス窓（たとえば、第２光学透明窓４６）からの反射により提供される。この実施形態の他の実施例において、第２光学透明窓４６は、異なる反射率を達成するようにコートされる。この実施形態の他の実施例において、ガス参照セル４０のハウジング窓４１５の反対側の側部上に、このパッケージ内に追加の素子（ミラーまたは波プレートなど）が統合される。
【００４４】
[0047]図２−５は、本発明による、レーザービームを安定化させるように構成される分光器アセンブリの実施形態のブロック図である。図２は、分光器アセンブリ６から安定化されたレーザービーム２９が出力されるように、レーザー１０の周波数をロックするためにフィードバックを提供するように構成される分光器アセンブリ６のブロック図である。分光器アセンブリ６は、図１Ａの分光器アセンブリ５とは異なり、第２半波プレート３０２、第２ビームスプリッタ１３０、第２検出器３５１、および差分電子機器１２が無い。分光器アセンブリ６への入力において位置決めされる電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５がなく、外部コンポーネント１６０は図示されていない。図１Ａに示される、レーザードライバ１４およびリード６５０−６５３に接続される電流源６７０、６７１は図２に示されていない。図２に示されるように、ビームスプリッタ３０は、面３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、および３０Ｄを備えるキューブビームスプリッタ３０である。面３０Ａは面３０Ｂに対向し、面３０Ｃは面３０Ｄに対向する。入力光学ビーム２０は、面３０Ａくぉ介して分光器アセンブリ６への入力である。検出器３５０は、ビームスプリッタ３０の面３０Ｄに隣接して位置決めされる。半波プレート３０１は、キューブビームスプリッタ３０の面３０Ａに隣接して位置決めされる。４分の１波プレート３１１は、キューブビームスプリッタ３０の面３Ｃと、ハウジング４１０の透明窓４１５との間に位置決めされる。ビームスプリッタ３０、半波プレート３０１、４分の１波プレート３１１、ガス参照セル４０、熱分離プラットフォーム４００、およびハウジング４１０は、図１Ａ−１Ｂとともに上述したように機能する。
【００４５】
[0048]また、図２は、光学モニタ検出器３５３を示す。この構成において、モニタ検出器３５３は、第２光学透明窓４６に隣接し、ガス参照セル４０内のガス４１を通った入力光学ビーム２０の反射部分２１の強度をモニタする。具体的には、モニタ検出器３５３は、ガス参照セル４０内のガス４１の吸収をモニタするために、一度、第１光学透明窓４５、ガス４１、および第２光学透明窓４６を通過した光２１を受け取る。モニタ検出器３５３は、ガス参照セル４０の温度が十分に制御されない場合に有効である。分光器アセンブリ６は、レーザー１０（図１）から放射される入力光学ビーム２０を安定化させる。この実施形態の一実施例において、分光器アセンブリ６は、小型分光器アセンブリ６であり、ガス参照セル４０は小型ガス参照セル４０である。
【００４６】
[0049]この分光器アセンブリ６の構成は、小型であり、ガス参照セル４０内のガス４１を加熱するのに低消費電力である。この実施形態の一実施例において、分光器アセンブリ６のコンポーネント（すなわち、ビームスプリッタ３０、検出器３５０、半波プレート３０１、４分の１波プレート３１１）は、本稿を参照し理解することにより当業者に理解されるように、機械的特徴、接着剤、および／またはハウジング構造により、ハウジング４１０ともに所定位置に保持される。
【００４７】
[0050]図３は、安定化されたレーザービーム２９が分光器アセンブリ７から出力されるように、レーザー１０の周波数をロックするフィードバックを提供するように構成された分光器アセンブリ７のブロック図である。分光器アセンブリ７の入力において位置決めされる電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５がなく、外部コンポーネント１６０は図示されていない。図１Ａに示されるレーザードライバ１４および電流源６７０、６７１は、図３に示されていない。分光アセンブリ７は、図１Ａの分光器アセンブリ５の小型バージョンである。
【００４８】
[0051]図３に示されるように、第１ビームスプリッタ３０は、面３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄを備える第１キューブビームスプリッタ３０である。第２ビームスプリッタ１３０は、面１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃ、１３０Ｄを備える第２キューブビームスプリッタ１３０である。面１３０Ａは面１３０Ｂに対向し、面１３０Ｃは面１３０Ｄに対向する。第１検出器３５０は、ビームスプリッタ３０の面３０Ｄに隣接するように位置決めされる。第２検出器３５１は、ビームスプリッタ１３０の面１３０Ｄに隣接するように位置決めされる。第１半波プレート３０１は、第１キューブビームスプリッタ３０の面３０Ａに隣接するように位置決めされる。第２半波プレート３０２は、第１キューブビームスプリッタ３０の面３０Ｂと、第２キューブビームスプリッタ１３０の面１３０Ａとの間に位置決めされる。４分の１波プレート３１１は、キューブビームスプリッタ３０の面３０Ｃと、ハウジング４１０の透明窓４１５との間に位置決めされる。面１３０Ｃは、ハウジング４１０に隣接して位置決めされる。分光器アセンブリ７のコンポーネントは、図１Ａ−１Ｂを参照して上述したようにレーザー１０を安定化させるように機能する。分光器アセンブリ７のこの構成は小型であり、ガス参照セル４０内のガス４１を加熱するのに低消費電力である。この実施形態の一実施例において、分光器アセンブリ７のコンポーネント（すなわち、第１ビームスプリッタ３０、第２ビームスプリッタ１３０、第１検出器３５０、第２検出器３５１、第１半波プレート３０１、４分の１波プレート３１１、および第２半波プレート３０２）は、本稿を参照し理解することで当業者に理解されるように、機械的特徴、接着剤、および／またはハウジング構造により、ハウジング４１０とともに所定位置に保持される。
【００４９】
[0052]図４は、分光器アセンブリ８から安定化されたレーザービーム２９が出力されるように、レーザー１０の周波数をロックするフィードバックを提供するように構成される分光器アセンブリ８のブロック図である。分光器アセンブリ８への入力において位置決めされる電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５が無く、外部コンポーネント１６０は図示されていない。図１Ａに示されるレーザー１４および電流源６７０、６７１は図４に示されていない。
【００５０】
[0053]図４に示されるように、第１検出器は、面３０Ｄに隣接して位置決めされる。第２検出器３５１は、面１３０Ｄに隣接して位置決めされる。第１半波プレート３９１は、第１キューブビームスプリッタ３０の面３０Ａに隣接して位置決めされる。第２半波プレート３０２は、第１キューブビームスプリッタ３０の面３０Ｂと、第２キューブビームスプリッタ１３０の面１３０Ａとの間に位置決めされる。面３０Ｃは、ハウジング４１０の透明窓４１５に隣接して位置決めされる。面１３０Ｃは、ハウジング４１０に隣接して位置決めされる。
【００５１】
[0054]第１半波プレート３０１は、進相軸（ここでは第１進相軸と称される）を備える。第１半波プレート３０１は、偏光ビームスプリッタ３０の入力面３０Ａに位置決めされる。入力光学ビーム２０の偏光に対する第１進相軸の向きは、光学ビーム２０の第２部分（たとえば光学ビーム２９の強度）の、光学ビームの第１部分（たとえば、光学ビーム２１の強度）に対する割合を制御するのに用いられる。
【００５２】
[0055]図４に示されるように、ガス参照セル４０の第２光学透明窓４６は、反射表面５１とガス参照セル４０の第１光学透明窓４５との間に位置決めされる。反射表面５１は、ハウジング４１０の表面４１４上に位置決めされる。表面４１４はハウジング４１０の透明窓４１５に対向する。この実施形態の一実施例において、反射表面５１はミラーである。この実施形態の他の実施例において、反射表面５１は部分反射表面である。この実施形態の他の実施例において、第１光学透明窓４５および第２光学透明窓４６は光反射コートされる。
【００５３】
[0056]分光器アセンブリ８は、進相軸（ここでは第２進相軸と称される）を備える４分の１波プレート３１２を含む。４分の１波プレート３１２は、ガス参照セル４０の第２光学透明窓４６と、反射表面５１との間に位置決めされる。４分の１波プレート３１２の第２進相軸は、最初にガス４１を通過する光学ビーム２２の第１偏光が二度目にガス４１を通過する光学ビーム２４の第２偏光に直交するように、入力光学ビーム２０の反射部分２１の偏光に関して向き決めされる。４分の１波プレート３１２は、熱分離プラットフォーム４００内に作動的に位置決めされる。
【００５４】
[0057]分光器アセンブリ８のコンポーネントは、図１Ａ−１Ｂを参照しながら上述したように、レーザー１０を安定化させるように機能する。この実施形態の一実施例において、分光器アセンブリ８のコンポーネント（すなわち、第１ビームスプリッタ３０、第２ビームスプリッタ１３０、第１検出器、第２検出器３５１、第１半波プレート３０１、４分の１波プレート、および第２半波プレート３０２）は、本稿を参照し理解することで当業者に理解されるように、機械的特徴、接着剤、および／またはハウジング構造により、所定位置に保持される。
【００５５】
[0058]図５は、本発明による、分光器アセンブリ９、レーザー１０、および外部コンポーネント１６０の実施形態のブロック図である。図５に示される分光器アセンブリ９は、レーザー１０を選択された周波数にロックするフィードバックを提供するように構成される。分光器アセンブリ９は、ハウジング４１０、熱分離プラットフォーム４００、およびガス４１を囲うガス参照セル４０を含む。ビームスプリッタ３９および第２ビームスプリッタ１３９は、偏光ビームスプリッタではない。ビームスプリッタ３９は、入射光学ビーム２０の第１の割合を透過させ、入射光学ビーム２０の第２の割合を反射させる。同様に、ビームスプリッタ１３９は入射光学ビーム２９の第３の割合を透過させ、入射光学ビーム２９の第４の割合を反射させる。この実施形態の一実施例において、第１および第３の割合は互いに等しく、また、第２および第４の割合は互いに等しい。第１および第２の割合の合計はほぼ百パーセントである。第３および第４の割合の合計はほぼ百パーセントである。光学ビーム２０の少量はビームスプリッタ３９、１３９のコーティングにより吸収され得る。
【００５６】
[0059]ビームスプリッタ３９、１３９は偏光ビームスプリッタではないので、光学ビームの偏光を向き決めする第１半波プレート３０１、第２半波プレート、および４分の１波プレート３１１は必要ない。分光器アセンブリ９は、図１の分光器アセンブリ５と異なり、第１半波プレート３０１、第２半波プレート３０２、４分の１波プレート３１１が無い。分光器アセンブリ９には電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５が示されていないが、随意選択で、分光器アセンブリ９に電子光学（ＥＯ）に基づく強度サーボ３２５を備えるようにしてもよい。
【００５７】
[0060]分光器アセンブリ９の機能は、図１Ａに示される分光器アセンブリ５の機能と同一である。分光器アセンブリ９内のハウジング４１０およびガス参照セル４０は、図５内のハウジング４１０およびガス参照セル４０と構造および機能が類似している。この実施形態の一実施例において、分光器アセンブリ９は第２ビームスプリッタ１３９を含まない。
【００５８】
[0061]図６は、レーザー周波数の安定化のために用いられるルビジウムガスの小型ガス参照セル４０（蒸気セル）から得られる分光信号２０を示す。図６に示されるプロットは、レーザー周波数の時間変化として生成され、縦軸はボルトで横軸が時間（秒）である。第１トレースは、ドップラー広帯域吸収プロファイルにわたって、約１ＧＨｚでスキャンされた完全Ｆ＝２飽和吸収トレースを示す。この例において、ルビジウムガスは、３８４．２２９２４１６ＴＨｚにおいてピーク２１０を備える。ピーク２１０は、レーザーがロックされるピークである。ピーク２１０は、Ｆ＝２→３サイクル遷移であり、また、１０ＭＨｚ幅のオーダーである。ガス４１が他の元素から形成される場合、他のピークをロックのために選択することができる。この実施形態の一実施例において、レーザー１０は、ピーク２１０の周波数よりも１０−１５ＭＨｚ低い周波数でロックされ、すなわち、ピーク２１０のサイドでロックされる。
【００５９】
[0062]図７は、本発明による、レーザーから出力される光学ビームを安定化させる方法７００の一実施形態のフロー図である。この実施形態の一実施例において、方法７００は、小型分光器アセンブリにおけるレーザー１０から出力される光学ビームを安定化させるために実行され、ここで、ガス参照セル４０はウェハ７００上に形成される小型ガス参照セル１４０の１つである。この実施形態の一実施例において、出力光学ビーム２０は、図１Ａ−４とともに上述された分光器アセンブリ５、６、７、８の１つにおいて、出力光学ビーム２９として安定化される。方法７００は、図４に示される分光器アセンブリ８を参照して説明されるが、本稿を参照した当業者に理解されるように、他の分光器アセンブリを用いて方法７００を実行することもできることを理解されたい。同様に、方法７００は、小型ガス参照セル４０を参照して説明されるが、小型でないガス参照セルを用いて方法７００を実行することができることを理解されたい。
【００６０】
[0063]ブロック７０２において、入力光学ビーム２０の第１部分が、分光器アセンブリ８内の小型ガス参照セル４０に導かれる。入力光学ビーム２０の第１部分は、ビームスプリッタ３０により反射された入力光学ビーム２０の部分である。ブロック７０４において、入力光学ビーム２０の導かれた第１部分（すなわち光学ビーム２１）は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の熱分離プラットフォーム４００に作動的に取り付けられた小型ガス参照セル４０内の加熱されたガス４１を二度通過する。小型ガス参照セル４０はハウジング４１０内にある。ハウジング４１０内に真空が形成される。ブロック７０６において、二度通過した光学ビーム２５の少なくとも一部が検出器３５０に導かれる。
【００６１】
[0064]ブロック７０８において、フィードバック（信号５０）が、検出器３５０からレーザー１０に提供される。ブロック７１０において、レーザー１０は、加熱ガス４１の飽和吸収スペクトル２００（図７）の特定のピークにロックされる。ブロック７１２において、安定化されたレーザー１０により放射された入力光学ビーム２０の第２部分が小型分光器アセンブリ５から案内される。入力光学ビーム２０の第２部分は、ビームスプリッタ３０を通過した入力光学ビーム２０の部分である。
【００６２】
[0065]方法７００のこの実施形態の一実施例において、入力光学ビームの第２部分の第３部分（たとえば光学ビーム２８）は、第２検出器３５１に導かれる。光学ビームの第３部分（たとえば光学ビーム２８）の振幅が測定され、光学ビーム２８の振幅の揺らぎは、レーザー１０に提供されるフィードバック信号５０から除去される（差分電子機器１２を用いる）。この実施形態の他の実施例において、電子光学に基づく強度サーボ３２５は、光学ビーム２０の光学経路内に位置決めされ、レーザーの相対強度ノイズを減少させる。
【００６３】
[0066]具体的な実施形態が図示および説明されたが、同一の目的を達成するように設計される任意の構成が当業者に理解され、図示の具体的な実施形態に代替できる。本願は、本発明の任意の修正または変形を包含することを意図している。それゆえ、本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されることが明白に意図されている。
【図１Ａ】
0006034589.tif 000002
【図１Ｂ】
0006034589.tif 000003
【図２】
0006034589.tif 000004
【図３】
0006034589.tif 000005
【図４】
0006034589.tif 000006
【図５】
0006034589.tif 000007
【図６】
0006034589.tif 000008
【図７】
0006034589.tif 000009