(57)【要約】  ガラスを含む少なくとも１つの光学素子と、シリコンを含む少なくとも１つの支持体と、ガラスを含む筐体とを備える光学装置を開示する。更に、少なくとも１つの光学素子及び少なくとも１つの支持体は、共に陽極接合され、少なくとも１つの支持体及び筐体は、共に陽極接合されている。更に、耐久的な接合を有し、アクティブアライメントが行われた光学部品を提供する方法を提供する。【選択図】  図２
2016540258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラスを含む少なくとも１つの光学素子と、
シリコンを含む少なくとも１つの支持体と、
ガラスを含む筐体とを備え、
前記少なくとも１つの光学素子及び前記少なくとも１つの支持体は、共に陽極接合され、
前記少なくとも１つの支持体及び前記筐体は、共に陽極接合されている、光学装置。
【請求項２】
前記ガラスは、ホウケイ酸ガラスであり、前記少なくとも１つの光学素子は、ミラーである、請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
前記ガラスは、ＰＹＲＥＸ（登録商標）を含み、前記少なくとも１つの光学素子は、ミラーである、請求項１記載の光学装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光学素子は、レンズ及びプリズムからなる組から選択される、請求項１記載の光学装置。
【請求項５】
ガラスを含む第２の光学素子を更に備える請求項１記載の光学装置。
【請求項６】
前記第２の光学素子及び前記少なくとも１つの支持体は、互いに陽極接合されている、請求項５記載の光学装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの光学素子は、レーザビームの出入りのための開口を有するミラーであり、前記第２の光学素子は、反射防止コーティングが施された窓である、請求項６記載の光学装置。
【請求項８】
前記少なくとも１つの光学素子は、レーザビームの出入りのための開口を有するミラーであり、前記第２の光学素子は、ミラーである、請求項６記載の光学装置。
【請求項９】
前記第２の光学素子は、レンズ及びプリズムからなる組から選択される、請求項６記載の光学装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの光学素子及び前記第２の光学素子は、マルチパスキャビティを画定する、請求項８記載の光学装置。
【請求項１１】
前記筐体は、セルを含み、前記筐体は、前記セルの空気を抜き、アルカリ金属蒸気を充填させるための真空システムに接続されている、請求項１０記載の光学装置。
【請求項１２】
前記筐体は、セルを含み、前記筐体は、前記セルの空気を抜き、化学的反応性物質を充填させるための真空システムに接続されている、請求項１０記載の光学装置。
【請求項１３】
前記支持体は、前記支持体のある側面において、前記側面の周辺部で前記筐体に陽極接合され、前記側面の内側部分は、前記少なくとも１つの光学素子に接合されている、請求項１０記載の光学装置。
【請求項１４】
前記支持体は、前記支持体のある側面において、前記筐体に陽極接合され、前記少なくとも１つの光学素子は、前記支持体の反対面に陽極接合されている、請求項１０記載の光学装置。
【請求項１５】
耐久的な接合を有する光学部品を提供する方法であって、
ガラスを含む少なくとも１つの光学素子を準備するステップと、
シリコンを含む少なくとも１つの支持体を準備するステップと、
ガラスを含む筐体を準備するステップとを含み、
前記少なくとも１つの光学素子及び前記少なくとも１つの支持体は、共に陽極接合され、
前記少なくとも１つの支持体及び前記筐体は、共に陽極接合される、方法。
【請求項１６】
前記ガラスは、ホウケイ酸ガラスであり、前記少なくとも１つの光学素子は、ミラーである、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記ガラスは、ＰＹＲＥＸ（登録商標）を含み、前記少なくとも１つの光学素子は、ミラーである、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記少なくとも１つの光学素子は、レンズ及びプリズムからなる組から選択される、請求項１５記載の方法。
【請求項１９】
ガラスを含む第２の光学素子を準備するステップを更に含む請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
前記ガラスを含む第２の光学素子を準備するステップは、前記少なくとも１つの光学素子及び前記第２の光学素子に関してアクティブアライメントを行うステップを含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記第２の光学素子及び前記少なくとも１つの支持体は、互いに陽極接合される、請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの光学素子は、レーザビームの出入りのための開口を有するミラーであり、前記第２の光学素子は、反射防止コーティングが施された窓である、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの光学素子は、レーザビームの出入りのための開口を有するミラーであり、前記第２の光学素子は、ミラーである、請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記第２の光学素子は、レンズ及びプリズムからなる組から選択される、請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの光学素子は、レーザビームの出入りのための開口を有するミラーであり、前記第２の光学素子は、ミラーである、請求項２０記載の方法。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの光学素子及び前記第２の光学素子は、マルチパスキャビティを画定する、請求項２３記載の方法。
【請求項２７】
前記筐体は、セルを含み、前記筐体は、前記セルの空気を抜き、アルカリ金属蒸気を充填させるための真空システムに接続されている、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
前記筐体は、セルを含み、前記筐体は、前記セルの空気を抜き、化学的反応性物質を充填させるための真空システムに接続されている、請求項２６記載の方法。
【請求項２９】
前記支持体は、前記支持体のある側面において、前記側面の周辺部で前記筐体に陽極接合され、前記側面の内側部分は、少なくとも１つの光学素子に接合されている、請求項２６記載の方法。
【請求項３０】
前記支持体は、前記支持体のある側面において、前記筐体に陽極接合され、前記少なくとも１つの光学素子は、前記支持体の反対面に陽極接合されている、請求項２６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権
本出願は、２０１３年９月２７日に出願された米国仮出願番号第６１／８８３，２２２号の優先権を主張し、この文献の全体は、引用によって本願に援用される。
連邦政府資金による研究開発の記載
本発明は、米国空軍／空軍研究所よる承認番号＃ＦＡ８６５０−０９−１−７９４３の下で、米国政府の支援を受けて達成された。米国政府は、本発明について特定の権利を有する。
分野
本発明は、整列された（aligned）光学素子を用いたシステム及び光学素子のアラインメントの方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの用途において、安定性を有し、製造が容易で、厳しい化学環境及び熱環境下で動作できる光学アセンブリの実現が望まれている。例えば、アルカリ金属蒸気の存在下で動作し、２００℃にまで加熱してもアラインメントが変化しない光学アセンブリが望まれている。更に、真空に対応し、ガス抜けが少ない特性（low outgassing properties）を有する光学アセンブリが望まれている。図１は、従来のマルチパスセル（multi-pass cell）１００を表している。マルチパスセル１００は密閉でき、アルカリ金属蒸気１０２で満たすことができる。マルチパスセル１００は、２つの円筒状ミラー１３０、１４０を用いて形成できる。一方のミラー（通常、前部ミラー１３０）は、ビーム（例えば、レーザ光源１９０からのレーザビーム１９５）の出入りのために、ミラーの中心に孔又は開口１３２を有していてもよい。第２のミラーは、後部ミラー１４０を含んでもよい。ミラー１３０、１４０間にマルチパスビームパターンが形成されるように、２つのミラー１３０、１４０の曲率中心軸は、互いに対して特定の角度に方向付けでき、ミラー１３０、１４０間の距離は、精密に設定できる。真空で密封された筐体内部にミラー１３０、１４０を配置し、光学窓を通過する光に関連する損失をなくすことが望まれる場合がある。
【０００３】
しかしながら、上述した温度範囲を超えるアルカリ金属蒸気を使用する結果、接着剤を用いて光学素子１３０、１４０を取り付けることができなくなることがある。更に、光学素子１３０、１４０は、様々な光学的接触技術（optical contacting techniques）を用いて取り付けることができるが、このような光学的接触技術は、原子レベルの研磨及び平坦性を要求するため、実現が高価になることがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
陽極接合を用いたシステム及び方法を提供する。陽極接合は、表面処理に厳しい要求を課すことなく、非常にロバストな接合技術となり得る。
【０００５】
一実施形態として、内部に光学素子、例えば、ミラー、レンズ、プリズム等を含むガラスセル、及びこれを製造するプロセスを開示する。一実施形態では、ガラスセルは、幾つか条件を満たすように構成することができ、例えば、密封され、正確なアラインメントで光学素子を収容し、高温下で、長い期間の間、例えば、アルカリ金属蒸気等の化学的反応性物質（気体又は液体）に対する耐性を有するように構成することができる。これに加えて又はこれに代えて、ガラスセルは、無汚染であることが望まれる何らかの物質（気体又は液体）を収容するように構成することができる。このようなセル及び／又は光学素子を製造する方法の特定の実施形態は、このような環境（例えば、以下に限定されるわけではないが、アルカリ金属又は他の化学的反応環境）の下で動作するために特に高品質な光学表面を必要としない。
【０００６】
陽極接合は、高温で電界を印加することによってシリコンをガラス（例えば、熱膨張係数がシリコンに一致するＰＹＲＥＸ（登録商標）又は他の適切なホウケイ酸ガラス）に接合するプロセスである。例えば、レーザを用いた、アクティブアライメント（active alignment）によって、光学構造体、システム及び装置を製造し、陽極接合を用いて、特定の光学部品及び他の構造を固定する手順を開示する。ここに開示するプロセス及び構造によって、高温アルカリ金属蒸気又は（気体又は液体を含む）他の化学的反応環境に対する耐性を有する密封構造を実現できる。更に、密封構造は、無汚染であることが望まれる何らかの物質（気体又は液体）を収容することができる。
【０００７】
一実施形態においては、光学素子を固定デバイス内で保持し、レーザを用いて、精密な位置調整を行い、互いに対して整列させることができる。そして、光学素子は、一方の側において、ワックスにより、カスタムチャック（custom chuck）内で保持することができる。このようにして、光学素子の一部は、ダイヤモンドホイールによって切り落とし又は除去され、研磨されることができる。除去された部分は、陽極接合のための予め調整された（pre-aligned）表面を形成することができる。そして、ワックスを溶かすことによって、光学素子をカスタムチャックから取り外すことができる。そして、光学素子の１つをシリコンの基板（例えば、シリコンウエハ）に陽極接合することができる。そして、光学素子を固定デバイス内で再び位置決めし、レーザを用いて、第２の光学素子を第１の光学素子に対して整列させる。そして、第２の光学素子をシリコン基板に機械的にクランプし、陽極接合する。このようにして形成されたシリコン基板及びガラス光学素子の構造体をガラスセルに陽極接合し、密封構造を製造することができる。
【０００８】
他の実施形態においては、光学素子の背面を、より大きな（すなわち、例えば、より大きな断面を有する）シリコンディスクに接合できる。光学素子を超えて延びるシリコンディスク（例えば、シリコンウエハ）の端部は、光学素子がガラス管内部に収まるようにガラス管の露出された端部に陽極接合される。第２の光学素子は、（例えば、レーザを用いて）アクティブアライメントされ、第２のシリコンディスク（例えば、より大きな断面を有するシリコンウエハ）に陽極接合され、これにより得られる構造体は、ガラス管の反対側の露出された端部に陽極接合され、これによって、２つの整列された光学素子を内部に有する密封構造が実現する。
【０００９】
シリコン構造に陽極接合するための適切なガラスの構造は、熱膨張係数がシリコンに一致するＰＹＲＥＸ（登録商標）ガラス又は他の適切なホウケイ酸ガラスを含む。ガラス光学素子には、陽極接合の間に２５０℃の温度に耐えるコーティングを施してもよい。
【００１０】
本発明に基づくプロセスにより、産業として、光学部品を内部に収容して密封されたガラスセルを製造することができる。本発明の用途は、マルチパスセルを有する磁気計測器を含むことができる。本発明に基づき、適切なスケーリングによって、他の用途、例えば、「オンチップ」アプリケーションを製造してもよい。
【００１１】
一側面においては、本発明に係る光学装置は、ガラスを含む少なくとも１つの光学素子と、シリコンを含む少なくとも１つの支持体と、ガラスを含む筐体とを備える。更に、少なくとも１つの光学素子及び少なくとも１つの支持体は、共に陽極接合されている。更に、少なくとも１つの支持体及び筐体は、共に陽極接合されている。
【００１２】
更なる側面として、耐久的な接合を有する光学部品を提供する方法を開示する。この方法は、ガラスを含む少なくとも１つの光学素子を準備するステップと、シリコンを含む少なくとも１つの支持体を準備するステップと、ガラスを含む筐体を準備するステップとを有する。更に、少なくとも１つの光学素子及び少なくとも１つの支持体は、共に陽極接合され、少なくとも１つの支持体及び筐体は、共に陽極接合される。
【００１３】
本発明に基づく更なる側面において、ガラスは、ホウケイ酸ガラスであってもよく、少なくとも１つの光学素子は、ミラーであってもよい。更に、ガラスは、ＰＹＲＥＸ（登録商標）を含んでいてもよい。更に、少なくとも１つの光学素子は、レンズ及びプリズムからなる組から選択してもよい。
【００１４】
本発明の更なる実施形態では、装置又は方法は、ガラスを含む第２の光学素子を準備することを含んでもよい。第２の光学素子及び少なくとも１つの支持体は、互いに陽極接合されてもよい。
【００１５】
更なる実施形態においては、少なくとも１つの光学素子は、レーザビームの出入りのための開口を有するミラーであってもよく、第２の光学素子は、反射防止コーティングが施された窓であってもよい。更に、少なくとも１つの光学素子は、レーザビームの出入りのための開口を有するミラーであってもよく、第２の光学素子は、ミラー、レンズ又はプリズムであってもよい。
【００１６】
更なる実施形態において、少なくとも１つの光学素子及び第２の光学素子は、マルチパスキャビティを画定してもよい。更に、筐体は、セルを含み、筐体は、真空システムに接続されるように構成されてもよく、真空システムは、セルの空気を抜き、化学的反応性物質（液体又は気体）、例えば、以下に限定されるものではないが、アルカリ金属蒸気を充填させる。
【００１７】
更に、支持体は、支持体のある側面において、前記側面の周辺部で筐体に陽極接合してもよく、前記側面の内側部分は、少なくとも１つの光学素子に接合されてもよい。更に、支持体は、支持体のある側面において、筐体に陽極接合されてもよく、少なくとも１つの光学素子は、支持体の反対面に陽極接合されてもよい。
【００１８】
ガラスを含む第２の光学素子を準備するステップは、少なくとも１つの光学素子及び第２の光学素子に関してアクティブアライメントを行うステップを含んでいてもよい。本発明の更なる特徴及び利点は、以下の実施形態の説明に部分的に記述され、又はこの記述から明らかとなり、又は開示した実施形態の実施によって知ることができる。これらの特徴及び利点は、特に添付の特許請求の範囲に示す要素及びそれらの組合せによって実現及び達成される。
【００１９】
上述した包括的な説明及び以下の詳細な説明は、何れも例示及び説明を目的とし、特許請求の範囲は、これらの実施形態によって制限されないことは明らかである。
【００２０】
添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、実施形態を例示し、ここに開示する実施形態を記述するとともに、その特徴、利点及び原理を説明するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】従来のマルチパスセルを表す図である。
【図２】本発明に基づく実施形態の分解図である。
【図３】図２の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図４】図２の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図５】図２の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図６】図１３の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図７】図１３の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図８】図１３の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図９】図１３の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図１０】図１３の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図１１】図１３の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図１２】図１３の実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図１３】本発明に基づく他の実施形態を表す図である。
【図１４】本発明に基づく更なる実施形態の製造プロセスを表す図である。
【図１５】本発明に基づく更なる実施形態を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の例示的な実施形態を、添付の図面に示すその具体例と共に詳細に説明する。可能な限り、全ての図面に亘って同じ又は同様の部分には、同じ参照符号を用いている。
【００２３】
図２は、本発明に基づくマルチパスセル２００の一実施形態の分解図である。図２には、開口２３２を有する前部ミラー２３０、前部シリコンディスク２３５、入射窓（entrance window）２５０、円筒状ガラスセル２１０、後部ミラー２４０及び後部シリコンディスク２４５が示されている。本発明では、前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０の背面（すなわち、ガラスセル２１０の内部に対して反対を向く前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０の側面）は、６３２ｎｍにおいてλ／２以上で研磨でき、キズ−ブツ評価（scratch-dig）は、４０−２０、又は、それよりも良い状態にすることができる。
【００２４】
前部ミラー２３０は、通常、ビームの出入りのための孔又は開口２３２を有することができる。本発明においては、ミラー２３０、２４０のそれぞれの背面にシリコンウエハを接着してもよく、各シリコンウエハは、円筒状ガラスセル２１０の直径と同じ又はこれより大きい直径を有する。ここに示すように、各シリコンウエハ（例えば、シリコンディスク２３５及びシリコンディスク２４５）は、前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０のために別々に準備できる。例えば、前部シリコンディスク２３５には孔を開設し、この孔を介して、ビームを出入りさせることができる。前部シリコンディスク２３５の孔のサイズは、入射窓２５０上の表面反射防止（antireflection：ＡＲ）コーティング領域に一致させてもよい。前部ディスク２３５の孔及び開口２３２に関連する、入射窓２５０の両面の中心領域にＡＲコーティングを施してもよい。ＡＲコーティングされた入射窓２５０の表面の平坦性は、６３２ｎｍにおいてλ／２にでき、キズ−ブツ評価は、４０−２０にできる。図２の実施形態では、前部シリコンディスク２３５に対応する入射窓２５０の外周（又は周辺）からの環状領域（外周から２〜３ｍｍの環状領域であってもよい。）は、コーティングされていない。このように、入射窓２５０の周辺領域をコーティングしないことによって、環状の剥き出しのガラス領域を前部シリコンディスク２３５との陽極接合（anodic bond）に使用できる。前部ミラー２３０、後部ミラー２４０及び円筒状ガラスセル２１０は、ＰＹＲＥＸ（登録商標）ガラス（又は他の適切なホウケイ酸ガラス）を含むことができ、シリコンディスク２３５及びシリコンディスク２４５のそれぞれの熱膨張係数（coefficient of thermal expansion：ＣＴＥ）は、ＰＹＲＥＸ（登録商標）ガラス（又は他の適切なホウケイ酸ガラス）のＣＴＥに一致させることができ、したがって、陽極接合された部品には、高温下でも応力が加わらないようにすることができる。
【００２５】
陽極接合の前に、前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０の背面、シリコンディスクに接合される円筒状ガラスセル２１０の部分、及び入射窓２５０の環状領域は、ＲＣＡ酸浴槽又はＰＩＲＡＮＨＡ溶液で洗浄されてもよい。
【００２６】
上述したように、前部ミラー２３０は、ビームの出入りのための開口２３２を有することができる。更に、本発明では、前部ミラー２３０の背面側の開口２３２は、前部ミラー２３０の湾曲側の対応する開口より大きくすることができる。このような構成によって、入射ビームを大きな角度で容易に入射させることができる。前部ミラー２３０及び前部シリコンディスク２３５を洗浄した後、クリーンルーム内又は無塵環境下で部品の陽極接合を行うことができ、これによって、前部ミラー２３０と前部シリコンディスク２３５とが図３に示すように接合される。後部シリコンディスク２４５は、中心孔を有する必要はない。前部シリコンディスク２３５が前部ミラー２３０の背面に陽極接合された後、入射窓２５０の中心ではない環状領域が前部シリコンディスク２３５に陽極接合され、入射窓２５０及び前部ミラー２３０が共に保持（hold）される。
【００２７】
本発明では、後部ミラー２４０及び後部シリコンディスク２４５は、前部ミラー２３０及び前部シリコンディスク２３５について上述した手法で共に陽極接合できる。更に、追加的なコーティングなしのＰＹＲＥＸ（登録商標）の窓（図示せず）又は他の適切なホウケイ酸ガラスの窓をシリコンディスク２４５の露出側（背面側）に接合してもよい。このような追加的な窓は、（例えば、限定なしで）マルチパスセル２００に対する構造的支持体として機能することができる。
【００２８】
前部ミラー２３０、入射窓２５０及び前部シリコンディスク２３５の接合された組合せと、後部ミラー２４０及び後部シリコンディスク２４５の接合された組合せとを光学アラインメントステージに配置し、マルチパスキャビティの動作のために必要な回転角度及び距離を設定することができる。例えば、傾斜メカニズムを有する回転ステージに前部ミラー２３０を取り付け、傾斜メカニズムを有する回転ステージに後部ミラー２４０を取り付け、これらを平行移動ステージに取り付けることによって、両方のミラー（すなわち、前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０）を位置決めするために必要な自由度を実現することができる。前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０が光学アラインメントステージ上で所望のビームパターン及びミラー間のビームパス数を有するように構成された後、前部ミラー２３０の背面から後部ミラー２４０の背面までの距離を測定できる。この距離は、円筒状ガラスセル２１０の一端から他端までの長さである。この距離は、＋／−３ミクロンの精度で測定することができる。更に、上述の目的のために、組み立てられたマルチパスセル２００内で前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０を正しい向きにするため、これらが光学アラインメントステージに取り付けられる間に前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０の端部に方向付けマーク（orientation mark）を付してもよい。
【００２９】
円筒状ガラスセル２１０は、ステム２２０を介して真空システム（図示せず）に接続されるように構成可能であり、真空システムは、完成したマルチパスセル２００の空気を排出し、アルカリ金属蒸気で充満させるようにしてもよい。ステム２２０は、ガラス吹き技術（glass blowing technique）を使用して円筒状ガラスセル２１０に取り付けてもよい。円筒状ガラスセル２１０にステム２２０を取り付けた後、マルチパスセル２００が必要な長さ（すなわち、上述の手法で測定された距離）になるように円筒状ガラスセル２１０の両端を切断してもよい。
【００３０】
次に続く研削及び研磨を考慮に入れて、円筒状ガラスセル２１０の両端は、０．５ｍｍの長さの余裕を有するように構成されてもよい。更に、円筒状ガラスセル２１０の両端は、（前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０に既に陽極接合されている）前部シリコンディスク２３５及び後部シリコンディスク２４５に陽極接合されるように研磨されてもよい。表面仕上げは、６３２ｎｍにおいてλ／２より高くすることができる。研磨の後のキズ−ブツ評価は、１０−５にできる。
【００３１】
研削及び研磨加工が完了すると、円筒状ガラスセル２１０は、＋／−１０ミクロンの精度で先に測定された距離を有することができる。更に、両端間の平行度の誤差は、＋／−１ｍｉｎ以内であることが好ましい。
【００３２】
入射窓２５０、前部シリコンディスク２３５及び前部ミラー２３０の組合せを円筒状ガラスセル２１０の一端に陽極接合することによって、マルチパスセル２００の組立てを完了することができる。詳しくは、前部ミラー２３０の直径が前部シリコンディスク２３５の直径より小さいため、前部シリコンディスク２３５は、前部シリコンディスク２３５を円筒状ガラスセル２１０の一端に陽極接合にするために十分な環状領域を有している。更に、前部ミラー２３０に対する円筒状ガラスセル２１０の相対的な方向は、前部ミラー２３０の端部に事前に設けられた（先に説明した）マークを確認することによって判定及び／又は固定することができる。前部ミラー２３０を円筒状ガラスセル２１０に対して正しく方向付け、中心決めした後、陽極接合を行って、前部シリコンディスク２３５及び円筒状ガラスセル２１０を接合し、マルチパスセル２００の一端を真空密封することができる。図３は、この状態を示している。
【００３３】
後部ミラー２４０及び後部シリコンディスク２４５の接合された組合せは、（円筒状ガラスセル２１０に陽極接合されている）前部ミラー２３０に対して整列（aligned）及び方向付け（oriented）することができる。例えば、前部ミラー２３０及び円筒状ガラスセル２１０の接合された組合せを何らかの適切な機械的組立ツールによって位置決め及び保持し、このツールを用いて、後部ミラー２４０及び後部シリコンディスク２４５の接合された組合せをクランプすることができる。例えば、後部ミラー２４０及び後部シリコンディスク２４５の接合された組合せを回転マウントに取り付け、これをＸＹ平行移動ステージに取り付けてもよい。更に、後部シリコンディスク２４５は、円筒状ガラス管２１０の開放端に対して位置決めできる。したがって、後部ミラー２４０及び後部シリコンディスク２４５の接合された組合せは、前部ミラー２３０に対して中心決めし及び回転させることができ、これによって、システム全体が、アクティブ光学アラインメントステージ上に設計されたビームパターン及びビームパス数を提供することができる。このようなアクティブアラインメントを図４に示す。円筒状ガラス管２１０は、既に、（マルチパスセル２００の長さによって）前部ミラー２３０及び後部ミラー２４０の厚みを含む設計された全長のマルチパスキャビティを提供しているので、後部ミラー２４０を回転させ及び位置合わせすることによって、設計されたビームパターン及びビームパス数を制御することができる。後部ミラー２４０のアラインメントを行って設計されたマルチパスビームパターンを実現した後、クランプ機構を用いて、後部ミラー２４０を、前部ミラー２３０に対して整列された適切な位置に保持することができる。この状態で、クランプ機構を解放することなく、後部シリコンディスク２４５を円筒状ガラスセル２１０に陽極接合することができる。
【００３４】
後部シリコンディスク２４５と円筒状ガラスセル２１０の間の陽極接合を完了した後、後部ミラー２４０（及びマルチパスセル２００）をクランプ機構から解放することができる。完成したマルチパスセル２００を図５に示す。
【００３５】
円筒状ガラスセル２１０、前部シリコンディスク２３５（入射窓２５０を含む。）、及び後部シリコンディスク２４５間の陽極接合によって、真空密封されたセルを提供できる。ステム２２０から真空漏洩検査を行って、陽極接合の妥当性を確認してもよい。マルチパスセル２００は、ステム２２０を介して、空気を排出し、アルカリ金属蒸気（又は他の化学的反応性物質又は無汚染であることが望まれる物質）で充満させることができる。
【００３６】
本発明に基づく他の実施形態は、図６に示すアラインメントプロセスから開始することができる。例えば、（開口６３２を有する）前部ミラー６３０及び後部ミラー６４０を光学アラインメントステージ６６０に取り付けて、キャビティ内で設計されたビームパス数及びビームパターンを実現することができる。回転及び傾斜ステージ６６０−１は、前部ミラー６３０について回転及び傾斜させることができ、回転及び傾斜ステージ６６０−２は、後部ミラー６４０について回転及び傾斜させることができる。更に、平行移動ステージ（図示せず）によって、方向６６２に沿った後方ミラー６４０の平行移動を制御できる。
【００３７】
アラインメントが完了すると、図７及び図８に示すように、設計されたビームパターン及び設計されたキャビティの測定された出力パワーを妨げることなく、Ｖ−溝アルミニウムブロック７７０上で前部ミラー６３０及び後部ミラー６４０を固定できる。後述するように、ホットワックス（図示せず）を用いて、出力ビームパワーを妨げることなく、キャビティ構成を維持することができる。
【００３８】
例えば、Ｖ−ブロック７７０をワックス融解温度まで加熱し、Ｖ−ブロック７７０上のワックスを融解させる。ワックスが融解すると、Ｖ−ブロック７７０は、キャビティの底部から（例えば、方向７３５に）移動して、ミラーに接触できる。ワックスの量は、ミラーの底端を約１〜２ｍｍ覆う程度であることが望ましい。Ｖ−ブロック７７０の溝の側もワックスを有することもでき、これによって、設計されたキャビティを、前部ミラー６３０及び後部ミラー６４０の側端から保持できる。ワックスが冷却されると、前部ミラー６３０及び後部ミラー６４０は、Ｖ−ブロック７７０内で保持される。ワックス及びＶ−ブロック７７０が室温になると、前部ミラー６３０及び後部ミラー６４０は、光学アラインメントステージ６６０上のそれぞれのマウントから解放することができる。この時点で、Ｖ−ブロック７７０上にマルチパスキャビティがセットアップされる。
【００３９】
シリコン基板への接着のために前部ミラー６３０及び後部ミラー８４０を準備するために、ダイヤモンド回転のこぎりによって、前部ミラー６３０及び後部ミラー６４０を、ミラーの上端からカットしてもよい。例えば、図８に示すように、前部ミラー６３０及び後部ミラー６４０のそれぞれをカットして２〜３ｍｍ２の平坦な表面領域を作り出し、ここを研削及び研磨することができる。カットの後、前部ミラー８３０には、シリコン基板への接着のための平坦部分８８５が形成される。同様に、カットの後、後部ミラー８４０には、シリコン基板への接着のための平坦部分８８６が形成される。したがって、前部ミラー８３０の部分８８５を平坦なシリコン基板上に立てて接合することができ、及び後部ミラー８４０の部分８８６を平坦なシリコン基板上に立てて接合することができる。
【００４０】
前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０のコーティングされた表面は、研削及び研磨の間に保護することができる。部分８８５、８８６の表面の平坦性は、λ／２以上とし、端面のキズ−ブツ評価は、６０−４０、又は、それより良い状態にすることができる。
【００４１】
前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０は、上述したように研削、研磨及び洗浄の後、平坦なシリコン基板に陽極接合することができる。図９に示すシリコン基板９３５は、前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０を保持するように構成することができ、設計されたキャビティ長より２〜３ｍｍ長くすることができ、シリコン基板９３５の幅は、前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０の直径より２〜３ｍｍ短くすることができる。
【００４２】
陽極接合は、ミラー毎に行えることが好ましい。また、図９に示すように、前部ミラー８３０を先にシリコン基板９３５に接合することが好ましい。前部ミラー８３０がシリコン基板９３５に接合された後、接合された前部ミラー８３０及びシリコン基板９３５は、機械式アセンブリ１０００に取り付けることができ、機械式アセンブリ１０００は、後部ミラー８４０のためのクランプ機構１０７４を含むことができる。好ましくは、後部ミラー８４０は、拡張ポスト（例えば、真空ホルダ１０７６）によって保持され、これを介してゴニオメータに接続され、その平坦部分８８６上で左右に傾斜させることができる。ゴニオメータは、シリコン基板９３５上で後部ミラー８４０を位置決めするために、ＸＹＺステージに取り付けることができる。これによって、矢印１０７７で示す３方向の自由度が実現する。設計されたマルチパスビームパターン及びビームパス数は、それぞれ、前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０の平坦部分８８５、８８６の向きによって既に決定されている。前部ミラー８３０は、シリコン基板９３５に既に陽極接合されているので、マルチパスパターンは、キャビティ長に一致する距離で後部ミラー８４０を傾斜させることによって再整列させることができる。キャビティ長は、Ｚ（水平）方向移動ステージ（図示せず）を用いて調整することができる。上述の設定のように（図１０参照）、出力ビームパワー及びマルチパスパターンが調整（align）されると、クランプ機構１０７４を用いて、シリコン基板９３５上で後部ミラー８４０をクランプし、これによって、後部ミラー８４０を（クランプ機構１０７２によって保持されている）前部ミラー８３０と共に保持することができる。
【００４３】
機械式アセンブリ１０００は、金属ベース１０７０及び（クランプ機構１０７２、１０７４の一部である）電気的に絶縁されたポストを含むことができる。前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０を、バネ付きネジ１０７３、１０７５を用いて、電気的に絶縁されたポスト内で固定することができる。電気的に絶縁されたポストは、（例えば）セラミック材料を含んでもよい。
【００４４】
この状態で、好ましくは、後部ミラー８４０は、拡張ポスト１０７６から取り外すことができる。この時点で、機械式アセンブリ１０００は、前部ミラー８３０及びクランプされた後部ミラー８４０をシリコン基板９３５上で支持している。ここで、構成全体を機械式組立ツールに取り付けたまま、クランプされた後部ミラー８４０に陽極接合を適用する。後部ミラー８４０及びシリコン基板９３５の間に陽極接合が適用されると、設計されたマルチパスキャビティが固定され、シリコン基板９３５上に接合される。これを図１１に示す。
【００４５】
図１１に示す固定されたマルチパスキャビティ１１００は、次に直方体ガラスセルのベース、例えば、図１２の直方体ガラスセル１２１０に接合することができる。先の具体例と同様に、直方体ガラスセル１２１０は、ステム１２２０を有することができる。また、図２〜５に関連して説明したように、直方体ガラスセル１２１０の両端を研磨してもよい。
【００４６】
直方体ガラスセル１２１０の両端が陽極接合のために準備されると、固定されたマルチパスキャビティ１１００を、直方体ガラスセル１２１０の内面の１つ、例えば、底部の内面１２１０−２に接合できる。
【００４７】
このような陽極接合の後、直方体ガラスセル１２１０は、ＰＹＲＥＸ（登録商標）（又は他の適切なホウケイ酸ガラス）の窓によって閉鎖及び密封でき、真空及びアルカリ金属蒸気ガスを維持することができる。マルチパスセル２００に関連して上述したように、完成したマルチパスセル１２００は、高温下で、長い期間の間、例えば、アルカリ金属蒸気等の化学的反応性物質（気体又は液体）に対する耐性を有するように構成することができる。これに加えて又はこれに代えて、マルチパスセル１２００は、無汚染であることが望まれる何らかの物質（気体又は液体）を収容するように構成することができる。直方体ガラスセル１２１０の入射側に入射窓１２５０を接合するプロセスは、図２〜図５に関連して既に説明した通りである。コーティングされていないＰＹＲＥＸ（登録商標）又は他の適切なホウケイ酸ガラスの窓（図示せず）を有する直方体チューブセルの反対側をシリコンウエハ１２１５に同様に陽極接合することができる。前部及び後部の窓が密封されると、直方体ガラスセル１２１０は、内部に固定されたマルチパスキャビティを提供する。これにより、図１３に示すようなマルチパスセル１２００が完成する。
【００４８】
更に他の実施形態では、吹きガラスによって形成された蒸気セル１４１０によって、光学的に高品質な蒸気セルを提供することができる。本発明に基づき、この実施形態は、（例えば、図１４のセル１４１０のような）ＰＹＲＥＸ（登録商標）蒸気セル又は適切なホウケイ酸ガラスを用いたセルによって実現でき、及び、（波面歪を生じさせないために）セル１４１０の入射側１４１０−３を、ある光学品質のＡＲコーティングされた窓１４５０に置換することによって実現できる。この実施形態により、固定されたマルチパスキャビティをセル１４１０に容易に挿入でき、セル１４１０を密封することができる。
【００４９】
この実施形態では、前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０は、図６〜図１１に関連して上述したように、シリコン基板９３５に接合できる。すなわち、前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０は、シリコン基板９３５に陽極接合することができる。但し、この実施形態のシリコン基板の寸法は、固定されたマルチパスキャビティの長さより、４〜８ｍｍより長くすることが好ましく、前部ミラー８３０及び後部ミラー８４０の直径より（幅方向に）大きいことが好ましい。
【００５０】
更に、この実施形態では、ガラス吹き技術を用いて直方体ガラスセル１４１０を準備する。直方体ガラスセルは、図１４に示すように、入射側１４１０−３から中心部分を削孔（drill）してもよく、側面１４１０−２に長方形のカットオフを有していてもよい。
【００５１】
したがって、直方体ガラスセル１４１０の入射側１４１０−３の歪んだガラス表面は、入射側１４１０−３から孔をあけることで除去することができる。更に、孔１４１０−３の端部の研磨されたガラスを陽極接合のために用いて、両面ＡＲコーティングされた窓１４５０をシリコンディスク１４５５（例えば、シリコンウエハ）に接合することができる。
【００５２】
長方形の開口１４１０−２は、前部ミラー８３０、後部ミラー８４０及びシリコン基板９３５を含む固定されたマルチパスキャビティを挿入するための開口として機能する。図１５に示すように、長方形の開口１４１０−２の端部を基板９３５に陽極接合することによって、マルチパスセル１４００を密封することができる。上述したように、陽極接合される表面は、陽極接合の前に研磨する必要がある。
【００５３】
入射側１４１０−３は、ＡＲコーティングされた窓１４５０に接合され、長方形の開口１４１０−２は、シリコン基板９３５に接合されるので、マルチパスセル１４００は、完全に密封されて真空を維持する。
【００５４】
この明細書を検討し、この開示を実施することによって、当業者は、他の実施形態を想到することができる。本明細書及び具体例は、例示的なものにすぎず、本発明の範囲及び思想は、以下の特許請求の範囲に示されている。
【図１】
2016540258.tif 000003
【図２】
2016540258.tif 000004
【図３】
2016540258.tif 000005
【図４】
2016540258.tif 000006
【図５】
2016540258.tif 000007
【図６】
2016540258.tif 000008
【図７】
2016540258.tif 000009
【図８】
2016540258.tif 000010
【図９】
2016540258.tif 000011
【図１０】
2016540258.tif 000012
【図１１】
2016540258.tif 000013
【図１２】
2016540258.tif 000014
【図１３】
2016540258.tif 000015
【図１４】
2016540258.tif 000016
【図１５】
2016540258.tif 000017
【国際調査報告】
2016540258.tif 000018
2016540258.tif 000019
2016540258.tif 000020