CN115988727A - 一种光集成一体式原子芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光集成一体式原子芯片，其包括透明材料长方体，透明材料长方体的两端分别设有衍射分光微器件，中间设有原子气室，2个衍射分光微器件与原子气室之间分别设有立体波导；左端的衍射分光微器件有两个衍射分光区域，每个衍射分光区域对应一个激光光束；右端的衍射分光微器件有一个衍射分光区域；激光光束经衍射分光微器件后形成分束激光，然后经立体波导校正光束方向，使分束激光平行射入到原子气室；两侧的平行分束激光在原子气室内相遇并对射。本发明还提供上述光集成一体式原子芯片的制作方法。本发明结构简单，体积小，能够将空间光路系统、分束器件及原子气室集成为一体。

Description

一种光集成一体式原子芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及原子芯片技术领域，具体涉及一种光集成一体式原子芯片及其制作方法。

背景技术

目前，原子芯片主要采用分立式空间光路系统、分束器件、原子气室等组件而成，且系统较大、结构复杂，如公开号为CN1805650A，专利名称为一种原子芯片用原子束发生方法及其装置的专利。现有的原子芯片不能很好地实现原子束的运输和芯片加载，光束在空间光路传输存在能量损失及杂散光影响，并且在恶劣条件下易受温度、振动及湿度等外界条件影响。为了克服工程化与应用化中的困难，物理部分体积的减小和高稳定度是原子芯片微型化的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光集成一体式原子芯片及其制作方法，该原子芯片和制作方法结构简单，体积小，能够将空间光路系统、分束器件及原子气室集成为一体。

本发明所采用的技术方案是：

一种光集成一体式原子芯片，其包括透明材料长方体，所述透明材料长方体的两端分别设有衍射分光微器件；所述透明材料长方体的中间设有原子气室，2个衍射分光微器件与原子气室之间分别设有立体波导；

左端的衍射分光微器件有两个衍射分光区域，每个衍射分光区域对应一个激光光束，分别是波长为509nm和510nm的耦合光；右端的衍射分光微器件有一个衍射分光区域，该衍射分光区域对应的激光光束为852nm的探测光；

激光光束经衍射分光微器件后形成分束激光(发散光束)，然后经立体波导校正光束方向，使分束激光平行射入到原子气室；两侧的平行分束激光在原子气室内相遇并对射。

更进一步的方案是，所述衍射分光微器件、透明材料长方体为一体式结构；或，所述衍射分光微器件、透明材料长方体为分体式结构，分体式的优点是便于加工制作衍射分光微器件的微纳米结构。

更进一步的方案是，左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件均为16台阶微纳结构。

更进一步的方案是，左端的衍射分光微器件中的两个衍射分光区域均为一维16台阶结构，右端的衍射分光微器件的衍射分光区域为三维16台阶结构。

更进一步的方案是，左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件的激光光束分光数目各为16束；其中，左端的衍射分光微器件的2个衍射分光区域的分光数目分别为1×8，即实现1×8束激光分束；右端的衍射分光微器件的衍射分光区域的分光数目为2×8，即实现2×8束激光分束；且两面均是16束光束对射。

更进一步的方案是，左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件的厚度为1-3mm，左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件的厚度一致。

更进一步的方案是，左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件是基于光波衍射理论，采用晶圆级微纳米加工技术，在片基上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位同轴再现，将一束载有信息的激光光束变换成多束载有同一信息的激光光束，充分发挥光信息高速并行传输的优势；所述立体波导采用飞秒激光进行空间波导直写而成；所述透明材料包括但不限于熔融石英(JGS1)。

更进一步的方案是，左端的衍射分光微器件的两个衍射分光区域面积相等；左端的衍射分光微器件的两个衍射分光区域的总面积和右端的衍射分光微器件的衍射分光区域面积相等。

更进一步的方案是，所述光集成一体式原子芯片的体积为≥15cm³，其长×宽×高为≥(20×1.5×0.5)cm；原子气室的尺寸为≥(1×1×0.3)mm³。

本发明提供一种光集成一体式原子芯片的制作方法，其包括如下步骤：

1)制作体积为≥15cm³的透明材料长方体；

2)在透明材料长方体的中间部分制作原子气室，原子气室的尺寸为≥(1×1×0.3)

mm³；

3)在透明材料长方体的两端分别制作厚度为1-3mm的衍射分光微器件用于分光，衍射分光微器件的分光光束间隔为1.5mm～2mm；左端的衍射分光微器件有两个衍射分光区域，每个衍射分光区域对应一个激光光束，分别是波长为509nm和510nm的耦合光，每个衍射分光区域的分光数目分别为1×8，实现1×8束激光分束；右端的衍射分光微器件有一个衍射分光区域，该衍射分光区域对应的激光光束为852nm的探测光，该衍射分光区域的分光数目为2×8，实现2×8束激光分束；

或，从透明材料长方体的两端分别切割厚度为1-3mm的小透明材料长方体下来，且两个小透明材料长方体的厚度一致；然后在小透明材料长方体制作衍射分光微器件；制作完成后，将两个小透明材料长方体和其余的透明材料长方体按照之前分割的情况进行低温键合；

4)在衍射分光微器件与原子气室之间，在激光光束分束后面，透明材料长方体内部对照发散光束的倾斜位置，采用飞秒激光刻写制作一段立体波导，使衍射分光微器件发散的光束遇到立体波导后能平行射入原子气室。

由于激光经过衍射分光微器件后，需要传输一段距离才能达到分束的效果，但分束光束是发散光束，需要再对分束光束进行方向校准，因此需要在分束光束后在材料内部采用飞秒激光进行空间波导直写形成立体波导，使立体波导处的透明材料产生材料的变性，达到改变此处立体波导折射率的目的，使分束光束能够在传播一定距离后成为平行光束。

本发明的有益效果在于：

结构简单、设计巧妙、实施方便；

衍射分光微器件主要作用是实现激光光束的分束；

三种不同波长经过衍射分光微器件分束后，利用立体波导将发散光束校准为平行光出射；

本发明的衍射分光微器件微纳米结构设计，能在原子芯片表面实现激光分束，不仅可满足原子芯片高精度分束要求，而且加工可控；

衍射分光微器件、原子气室、立体波导与基材(透明材料长方体)一体，具有小型化、集成化、可靠性高，不受温度、湿度等环境因素影响的优点，为后续量子惯性传感器等应用提供了可行性技术路线；

本发明衍射分光微器件的微纳结构可以批量生产，可节约成本；

可在同种材料的一个立方体表面及内部实现衍射分光微器件、原子气室、立体波导的集成和功能的实现，具有体积小、高稳定度的优点。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是光集成一体式原子芯片的立体结构示意图；

图2是光集成一体式原子芯片的俯视结构示意图；

图3是衍射分光微器件的分光示意图；

图中：A、左端的衍射分光微器件，B、透明材料长方体，C、右端的衍射分光微器件，D、原子气室，1-8、左立体波导，1’-8’、右立体波导。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1-图3，一种光集成一体式原子芯片，其包括透明材料长方体B，透明材料长方体B的两端分别设有衍射分光微器件(左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C)；透明材料长方体B的中间设有原子气室D，2个衍射分光微器件与原子气室D之间分别设有立体波导(左立体波导1-8、右立体波导1’-8’)。

左端的衍射分光微器件A有两个衍射分光区域，每个衍射分光区域对应一个激光光束，分别是波长为509nm和510nm的耦合光；右端的衍射分光微器件C有一个衍射分光区域，该衍射分光区域对应的激光光束为波长为852nm的探测光。左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C均为16台阶微纳结构,即：左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C的激光光束分光数目各为16束。具体为：左端的衍射分光微器件A的2个衍射分光区域的分光数目分别为1×8，即实现1×8束激光分束；右端的衍射分光微器件C的衍射分光区域的分光数目为2×8，即实现2×8束激光分束。

本发明中，为了确保光集成一体式原子芯片的稳定性，左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C的厚度为1-3mm，且两个衍射分光微器件的厚度一致。左端的衍射分光微器件A的两个衍射分光区域面积相等；左端的衍射分光微器件A的两个衍射分光区域的总面积和右端的衍射分光微器件C的衍射分光区域面积相等。

本发明中，左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C是基于光波衍射理论，采用晶圆级微纳米加工技术，在片基上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位同轴再现，将一束载有信息的激光光束变换成多束载有同一信息的激光光束。立体波导(左立体波导1-8、右立体波导1’-8’)采用飞秒激光进行空间波导直写而成。透明材料为熔融石英(JGS1)。

本发明中，左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C、透明材料长方体为一体式结构；或，左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C、透明材料长方体为为分体式结构。

本发明中，光集成一体式原子芯片的体积为≥15cm³，其长×宽×高为≥(20×1.5×0.5)cm³；原子气室D的尺寸为≥(1×1×0.3)mm³。

对于不同周期结构尺寸的高效衍射分光微器件，采用的理论不尽相同。比如当周期结构尺寸远大于入射波长时，可以采用标量衍射理论来计算，而不会损失过多的精度。但是当衍射元件结构尺寸接近或是小于入射波长时，就不得不考虑各电磁矢量间的耦合作用，此时需要采取矢量衍射理论才能够得到正确的解。

光集成一体式原子芯片的入射激光分为两类，耦合光509nm、510nm和探测光852nm。其中两种激光波长(耦合光509nm、510nm)分别入射到图1中左端的衍射分光微器件A，每种激光实现1×8激光分束。另一种激光波长(探测光852nm)从图1中右端的衍射分光微器件C，实现2×8激光分束。且两面均是1×16光束对射。3个激光光束经左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C后分别传播一定距离后达到分光作用，形成分束激光，然后经立体波导(左立体波导1-8、右立体波导1’-8’)校正光束方向，使发散的分束激光平行射入到原子气室D,平行分光光束间隔为1.5mm；两侧的平行分束激光在原子气室D内相遇并对射。

一种光集成一体式原子芯片的制作方法，其包括如下步骤：

1)制作体积为≥15cm³的透明材料长方体B，其长×宽×高为≥(20×1.5×0.5)cm³；

2)在透明材料长方体B的中间部分制作原子气室D，原子气室D的尺寸为≥(1×1×0.3)mm³；

3)在透明材料长方体B的两端(透明材料长方体B的宽和高相对的两个表面)分别制作厚度为1-3mm的衍射分光微器件(左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C)用于分光；左端的衍射分光微器件A有两个衍射分光区域，每个衍射分光区域对应一个激光光束，分别是波长为509nm和510nm的耦合光，每个衍射分光区域的分光数目分别为1×8，实现1×8束激光分束；右端的衍射分光微器件C有一个衍射分光区域，该衍射分光区域对应的激光光束为852nm的探测光，该衍射分光区域的分光数目为2×8，实现2×8束激光分束；

或，从透明材料长方体B的两端分别切割厚度为1-3mm的小透明材料长方体下来，且两个小透明材料长方体的厚度一致；然后在小透明材料长方体制作衍射分光微器件；制作完成后，将两个小透明材料长方体和其余的透明材料长方体按照之前分割的情况进行低温键合；

4)在衍射分光微器件(左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C)与原子气室D之间，在激光光束分束后面，透明材料长方体B内部对照发散光束的倾斜位置，采用飞秒激光刻写制作一段立体波导，使衍射分光微器件(左端的衍射分光微器件A和右端的衍射分光微器件C)发散的光束遇到立体波导后能平行射入原子气室D。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种光集成一体式原子芯片，其特征在于：包括透明材料长方体，所述透明材料长方体的两端分别设有衍射分光微器件；所述透明材料长方体的中间设有原子气室，2个衍射分光微器件与原子气室之间分别设有立体波导；

左端的衍射分光微器件有两个衍射分光区域，每个衍射分光区域对应一个激光光束，分别是波长为509nm和510nm的耦合光；右端的衍射分光微器件有一个衍射分光区域，该衍射分光区域对应的激光光束为852nm的探测光；

激光光束经衍射分光微器件后形成分束激光，然后经立体波导校正光束方向，使分束激光平行射入到原子气室；两侧的平行分束激光在原子气室内相遇并对射。

2.根据权利要求1所述的光集成一体式原子芯片，其特征在于：所述衍射分光微器件、透明材料长方体为一体式结构；或，所述衍射分光微器件、透明材料长方体为分体式结构。

3.根据权利要求1所述的光集成一体式原子芯片，其特征在于：左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件均为16台阶微纳结构。

4.根据权利要求3所述的光集成一体式原子芯片，其特征在于：左端的衍射分光微器件中的两个衍射分光区域均为一维16台阶结构，右端的衍射分光微器件的衍射分光区域为三维16台阶结构。

5.根据权利要求4所述的光集成一体式原子芯片，其特征在于：左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件的激光光束分光数目各为16束；其中，左端的衍射分光微器件的2个衍射分光区域的分光数目分别为1×8；右端的衍射分光微器件的衍射分光区域的分光数目为2×8。

6.根据权利要求3所述的光集成一体式原子芯片，其特征在于：左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件的厚度为1-3mm，左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件的厚度一致。

7.根据权利要求1或4所述的光集成一体式原子芯片，其特征在于：左端的衍射分光微器件和右端的衍射分光微器件均采用晶圆级微纳米加工技术，在片基上刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成纯相位同轴再现，将一束载有信息的激光光束变换成多束载有同一信息的激光光束；所述立体波导采用飞秒激光进行空间波导直写而成；所述透明材料包括但不限于熔融石英。

8.根据权利要求1所述的光集成一体式原子芯片，其特征在于：左端的衍射分光微器件的两个衍射分光区域面积相等；左端的衍射分光微器件的两个衍射分光区域的总面积和右端的衍射分光微器件的衍射分光区域面积相等。

9.根据权利要求1所述的光集成一体式原子芯片，其特征在于：所述光集成一体式原子芯片的体积为≥15cm³，其中，原子气室的尺寸为≥(1×1×0.3)mm³。

10.权利要求1-9中任一所述的光集成一体式原子芯片的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)制作体积为≥15cm³的透明材料长方体；

2)在透明材料长方体的中间部分制作原子气室，原子气室的尺寸为≥(1×1×0.3)3

mm；

3)在透明材料长方体的两端分别制作厚度为1-3mm的衍射分光微器件用于分光；左端的衍射分光微器件有两个衍射分光区域，每个衍射分光区域对应一个激光光束，分别是波长为509nm和510nm的耦合光，每个衍射分光区域的分光数目分别为1×8，实现1×8束激光分束；右端的衍射分光微器件有一个衍射分光区域，该衍射分光区域对应的激光光束为852nm的探测光，该衍射分光区域的分光数目为2×8，实现2×8束激光分束；

或，从透明材料长方体的两端分别切割厚度为1-3mm的小透明材料长方体下来，且两个小透明材料长方体的厚度一致；然后在小透明材料长方体制作衍射分光微器件；制作完成后，将两个小透明材料长方体和其余的透明材料长方体按照之前分割的情况进行低温键合；

4)在衍射分光微器件与原子气室之间，在激光光束分束后面，透明材料长方体内部对照发散光束的倾斜位置，采用飞秒激光刻写制作一段立体波导，使衍射分光微器件发散的光束遇到立体波导后能平行射入原子气室。

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