JP2013247360A - ライトパスに沿う一体化される透過部分および反射部分を備える原子センサの物理パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】一実施形態では、原子センサの物理パッケージのためのブロックが提供される。
【解決手段】このブロックは、真空密閉チャンバに交差する複数のライトパスを画定するための複数の透過表面および反射表面を含む、真空密閉チャンバを画定する光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションを備える。これらの光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションは、真空密閉チャンバの少なくとも一部分を画定する第１のモノリシックセクションを含む。この第１のモノリシックセクションは、複数のライトパスのうちの第１のライトパスに跨がるように配置される第１の部分を含み、それにより、第１のライトパス内の光が第１のモノリシックセクションの第１の部分上に入射するようになる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ライトパスに沿う一体化される透過部分および反射部分を備える原子センサの物理パッケージに関する。

[0001]原子時計を含む原子センサのサイズおよびパッケージングを低減する試みがなされている。これを実現するための１つの手法は、原子センサのための物理パッケージのサイズを低減することである。物理パッケージの一例は、超高真空を維持するように機械加工されて密閉されるガラスブロックである。このガラスブロックはその外部に複数のフェースを含み、さらに、物理パッケージのためのライトパスとして機能する複数の角度付き穿孔穴を含む。ミラーおよび窓が、物理パッケージを密閉するためにライトパスの孔の外部開口部の上に固定的に取り付けられる。空洞の排気構造が、物理パッケージの最初の真空排気のための手段を提供するために取り付けられる。試料容器が、原子センサのための周波数基準として使用される原子試料を保持するために取り付けられる。バックグラウンドの蒸気（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｖａｐｏｒ）から磁気光学トラップ（ｍａｇｎｅｔｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ（ＭＯＴ））または光学モラセス（ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｌａｓｓｅｓ）内に入る原子をトラップおよび冷却することにより動作する原子センサが、光学ビームのサイズを感知することができる。例えば、このようなシステム内の信号対雑音比はビームサイズの二乗として計られる。

[0002]一実施形態では、原子センサの物理パッケージのためのブロックが提供される。このブロックは、真空密閉チャンバ（ｖａｃｕｕｍ ｓｅａｌｅｄ ｃｈａｍｂｅｒ）に交差する複数のライトパスを画定するための複数の透過表面および反射表面を含む、真空密閉チャンバを画定する光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションを備える。これらの光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションは、真空密閉チャンバの少なくとも一部分を画定する第１のモノリシックセクションを含む。第１のモノリシックセクションは複数のライトパスのうちの第１のライトパスに跨がるように配置される第１の部分を含み、それにより、第１のライトパス内の光が第１のモノリシックセクションの第１の部分上に入射するようになる。

[0003]図面が例示の実施形態のみを描いており、したがって範囲を限定するものとしてみなされないこと、また、例示の実施形態が、添付図面を使用して、追加の具体性および細部と共に説明されることを理解されたい。

[0004]例示の原子センサ装置を示す斜視図である。 [0005]図１に示される原子センサ装置のための物理パッケージを示す透視図（ｓｅｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｖｉｅｗ）である。 [0006]図２に示される物理パッケージ内に形成されるかまたはその物理パッケージの１セクション内に形成されるガラスのモノリシックブロックを形成するための例示の方法を示す流れ図である。 図２に示される物理パッケージ内に形成されるかまたはその物理パッケージの１セクション内に形成されるガラスのモノリシックブロックを形成するための例示の方法を示す流れ図である。

[0007]慣例により、説明される種々の特徴は正確な縮尺で描かれず、例示の実施形態に関係する特定の特徴を強調するように描かれる。
[0008]以下の詳細な説明では、本明細書の一部をなす添付図面を参照し、これらの添付図面では、特定の説明的な実施形態が説明のために示される。しかし、別の実施形態も使用され得ること、ならびに、論理的変更、機械的変更および電気的変更がなされ得ることを理解されたい。さらに、描かれる図および本明細書で提示される方法は、個別のステップが実施され得る順番を限定するものとしてみなされない。したがって、以下の詳細な説明は限定的な意味とみなされない。

[0009]上述したガラスブロックのサイズがさらに低減されると、しかしながら、ガラスが過度に脆弱になる可能性があり、ガラスブロック内の孔を機械加工するときに破損したり、割れが発生したり、および／または、欠けが発生したりする。蒸気からのレーザ冷却原子を使用するセンサの場合、上記の問題は、大きい光学ビームを受け入れるために可能な限り孔のサイズを大きくすることが所望されることにより、さらに悪化する。本明細書で説明される主題は、従来の比較し得るサイズのガラスブロックの物理パッケージより小さい孔容量を有するガラスブロックの物理パッケージを提供することにより、これらの問題に対処し得る。これは、大きい光学ビームを可能としなからガラスブロックの強度を向上させることを補助し、それにより、原子センサの所望される信号対雑音比を達成しながらガラスブロックをさらに縮小させることが可能となる。

[0010]図１は例示の原子センサ装置１００の斜視図である。センサ装置１００は、物理パッケージ１１０を含む、加速度計または原子時計などの、原子センサを含む。物理パッケージ１１０は、残留ガス除去剤（ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ ａｇｅｎｔ）を用いても用いなくてもよいパッシブバキューム（ｐａｓｓｉｖｅ ｖａｃｕｕｍ）内でルビジウム（例えば、Ｒｂ−８７）またはセシウムなどの原子のためのアルカリ金属源を保持する真空密閉チャンバ１２０を画定する。真空密閉チャンバ１２０は、図１および２に示される円筒形などの所望される任意の形状、または、物理パッケージ１１０の内部容量をさらに利用できるような形状などの別の形状であってよい。センサ１００のデザインに応じて、真空密閉チャンバ１２０内で交差する複数のライトパスが提供され得る。物理パッケージ１１０は、光ビームが真空密閉チャンバ１２０に入ったりそこから出たりするのを可能にする１つまたは複数の透過部分１４０と、所望されるライトパスに沿うように光ビームを方向付ける１つまたは複数の反射表面１５０（例えば、ミラー）とを含む。１つまたは複数のレーザ光源１７０からの１つまたは複数の光のビーム１６０が対応する透過部分１４０を通って物理パッケージ１１０に入り、反射表面１５０によりライトパスのうちの少なくとも一部に沿って物理パッケージ１１０を通るように誘導される。物理パッケージ１１０に関するさらなる細部が図２に示される。

[0011]原子センサ１００はまた、面発光半導体レーザ（ｖｅｒｔｉｃａｌ ｃａｖｉｔｙ ｓｕｒｆａｃｅ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｌａｓｅｒ（ＶＣＳＥＬ））、分布帰還レーザまたは端面発光レーザのような半導体レーザなどの、レーザ光源（複数可）１７０を含むマイクロ光学ベンチ１９０を含むことができる。さらに、マイクロ光学ベンチ１９０は、適切な原子遷移までレーザ１７０の絶対周波数を安定化させるための、ルビジウム（例えば、Ｒｂ−８７）またはセシウムなどのアルカリ金属を含有する超微細加工の蒸気セル１９２と、光のビーム１６０を蒸気セル１９２および物理パッケージ１１０まで分布させるためのビーム分割器１９４とを含むことができる。さらに、原子センサ１００は、原子センサ１００を動作させるときに使用される磁場を発生させるための、ヘルムホルツコイルおよびアンチヘルムホルツコイルなどの複数の磁場コイル１８０（図１の実施例では２つの磁場コイルが示される）を含む。原子センサ１００はまた、制御エレクトロニクス２１０を含む。アルカリ金属を含有する蒸気セル１９２は、アルカリ金属の所定の原子遷移まで、単一のレーザ光源１７０からの光のビーム１６０の周波数を安定化させるのに使用される。

[0012]原子センサ１００の実施形態はまた、局部発振器、アンテナおよび光検出器を含むことができる。原子センサ１００がマイクロ波原子時計であるような実施形態では、アルカリ金属のクロック原子遷移（ｃｌｏｃｋ ａｔｏｍｉｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）においてマイクロ波信号を発生させるのに、マイクロ波水晶発振器（ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）が使用され得る。アンテナまたは同様の構造（例えば、導波管）が、物理パッケージ１１０のアルカリ金属原子でスペクトル観測を実施するために局部発振器からマイクロ波信号を送達するのに使用される。光検出器は、スペクトル観測後にアルカリ金属原子の蛍光発光を検出するのに使用される。この分光信号は、マイクロ波水晶発振器の周波数を長期に安定化させるのに使用され得る。

[0013]図２は物理パッケージ１１０の透視図である。物理パッケージ１１０は、光学的に透明な材料の１つまたは複数のモノリシックセクションから構成され得る。光学的に透明な材料のモノリシックセクションの適切な材料には、例えば、ガラスセラミック（例えば、ＭＡＣＯＲ（登録商標））または光学ガラス（例えば、ＢＫ−７またはＺｅｒｏｄｕｒ（登録商標））などのガラス、あるいは、サファイアなどの別の透明材料が含まれる。概して、光学的に透明な材料のモノリシックセクションは以下の特性を有するべきである：真空密（ｖａｃｕｕｍ ｔｉｇｈｔ）であること；水素またはヘリウムに対して不浸透性であること；真空密閉チャンバ１２０内に導入される材料に対して非反応性であること；対象となる波長における損失が少ないこと。別の特性には以下のものが含まれる：不活性ガス（例えば、アルゴン）に対する浸透性が低いこと；フリット接着（ｆｒｉｔ ｂｏｎｄｉｎｇ）に適合すること；摂氏２００度付近またはそれ以上の温度での焼付けに適すること。光学的に透明な材料の複数のモノリシックセクションが使用されるような実施例では、各セクションは他のセクションと同じ組成であっても異なる組成であってもよい。

[0014]上で言及したように、物理パッケージ１１０は真空密閉チャンバ１２０を画定し、複数のライトパスが真空密閉チャンバ１２０に交差する。例えば、光学的に透明な材料の単一のモノリシックセクションが、真空密閉チャンバ１２０と、１つまたは複数のライトパスを画定することができる。一実施例では、すべてのライトパスおよび真空密閉チャンバ１２０が、光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックによって画定され得る。別の一実施例では、光学的に透明な材料の複数のモノリシックセクションが、真空密閉チャンバ１２０およびライトパスを形成するために一体にフリット（ｆｒｉｔ）され得る。いずれの場合も、光学的に透明な材料のこれらの１つまたは複数のモノリシックセクションが、真空密閉チャンバ１２０と複数のライトパスとを画定する。

[0015]複数のライトパスは、光学的な光波パス（ｏｐｔｉｃａｌ ｌｉｇｈｔｗａｖｅ ｐａｔｈ）２０２と、測定ライトパス（ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｌｉｇｈｔ ｐａｔｈ）２０４とを含む。光学的な光波パス２０２は、物理パッケージ１１０の複数の透過表面１４０および反射表面１５０によって画定される。すなわち、磁気光学トラップの光学部分で使用される光のパスは、物理パッケージ１１０の透過表面１４０および反射表面１５０によって制御される。本明細書で使用されるライトパスは、光のビームが通り抜ける概して直線状のパスを含む。例えば、第１のライトパス２０２−１は、第１の透過部分１４０−１を通りさらに物理パッケージ１１０の一部分を通って第１の反射表面１５０−１に到達する光１６０の光学トラップビーム（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｐ ｂｅａｍ）が通り抜けるパスである。

[0016]透過表面１４０および反射表面１５０の配置構成により、レーザ光源（複数可）１７０から物理パッケージ１１０を通る光のビーム１６０が、真空密閉チャンバ１２０内で互いに対して９０度の角度で交わる光学ビームを生成するように、誘導される。例えば、第１のライトパス２０２−１に沿って伝播する光のビーム１６０は、物理パッケージ１１０を構成する光学的に透明な材料のモノリシックセクションの透過部分１４０−１を透過することにより物理パッケージ１１０に入ることができる。光のビーム１６０は、透過部分１４０−１を透過した後、真空密閉チャンバ１２０を通って伝播して第１の反射表面１５０−１に到達することができる。光のビーム１６０は、第１の反射表面１５０−１に到達すると、第２のライトパス２０２−２へと反射される。このようにして、透過部分（複数可）１４０および反射表面（複数可）１５０が、物理パッケージ１１０のライトパスを画定することができる。

[0017]ライトパス２０２、２０４は、物理パッケージ１１０の光学的に透明な材料を透過することができ、さらには、自由空間（例えば、真空密閉チャンバ１２０内）を透過することができる。例えば、第１のライトパス２０２−１は、上で言及したように、物理パッケージ１１０の第１の透過部分１４０−１を透過して真空密閉チャンバ１２０に到達することができる。同様に、原子２０６からの蛍光が第１の測定ライトパス２０４−１に沿って伝播し、第２の透過部分１４０−２を透過し、外部検出器に到達することができる。第２の測定ライトパス２０４−２上の蛍光はさらに第３の透過部分１４０−３を透過することができる。透過部分（複数可）１４０は、それらの透過部分を通って光が伝播するのを可能にするために、光学的に透明なガラスを含むことができる。一部の実施例では、物理パッケージ１１０は、多数の透過部分または非常に大きい透過部分を用いて構成されてよく、それにより、物理パッケージ１１０を構成した後に、測定ライトパス（複数可）２０４を選択することが可能となる。構成後に測定ライトパス２０４を選択することにより、構成後に原子センサの動作に基づいて測定ライトパスが選択されることから、より良好な信号対雑音比を得ることができる。

[0018]物理パッケージ１１０に構造的完全性を与えるために、透過部分１４０のうちの１つまたは複数は、物理パッケージ１１０を形成する光学的に透明な材料のモノリシックセクションの一体化される部分であってよい。例えば、第１の透過部分１４０−１は、真空密閉チャンバ１２０の少なくとも一部分も画定する光学的に透明な材料のモノリシックセクションの一部分であってよい。すなわち、この例示の光学的に透明なモノリシックセクションは、真空密閉チャンバ１２０に入る光および真空密閉チャンバ１２０から出る光を透過させる透過部分１４０として機能する、第１のライトパス２０２−１に跨がって配置される光学的に透明な部分を含むことができる。第１のライトパス２０２−１上の光は、この例示の光学的に透明な材料のモノリシックセクションの光学的に透明な部分に入射することができ、また、このモノリシックセクションを介して物理パッケージ１１０に入ったり物理パッケージ１１０から出たりすることができる。透過部分１４０は、第１のライトパス２０２−１に沿った物理パッケージ１１０の外部から真空密閉チャンバ１２０までの光学的に透明な材料の体積を含むことができる。したがって、この実施例では、第１の透過部分１４０−１が、第１のライトパス２０２−１に沿った外部から真空密閉チャンバ１２０までの物理パッケージ１１０の厚さを形成する。別の実施例では、第１の透過部分１４０−１はより薄くてもよく、第１のライトパス２０２−１に沿う孔または同様の空洞が、第１の透過部分１４０−１から真空密閉チャンバ１２０までライトパスを接続させることができる。この光学的に透明な材料のモノリシックセクションはまた、真空密閉チャンバ１２０の少なくとも一部分を画定する。一実施例では、この光学的に透明な材料のモノリシックセクションは真空密閉チャンバ１２０全体を画定することができ、物理パッケージ１１０の大部分または全体を構成することができる。

[0019]やはり真空密閉チャンバ１２０の少なくとも一部分を画定する光学的に透明な材料のモノリシックセクション内に透過部分１４０を設けるために、ライトパス２０２に沿う透過部分１４０の位置のところにある光学的に透明な材料の表面が光学的に透明であり、それにより、光が一方側から透過部分１４０を通って他方側へと容易に透過することができる。一実施例では、反射防止コーティングが透過部分１４０の外部表面および／または内部表面上に配置されてよい。

[0020]透過部分（複数可）１４０と同様に、反射表面１５０のうちの１つまたは複数は、やはり真空密閉チャンバ１２０の少なくとも一部分を画定する光学的に透明な材料のモノリシックセクションの一体部分であってよい。例えば、光学的に透明な材料のモノリシックセクションは、第２のライトパス２０２−２に跨がって配置される表面を含むことができる。第２のライトパス２０２−２内の光がこの表面上に入射する（例えば、物理パッケージ１１０の内部表面）。この表面は反射コーティングで被覆されてよく、したがって、この表面は第１の反射表面１５０−１として機能する。第１の反射表面１５０−１が、第１のライトパス２０２−１と第２のライトパス２０２−２との間の交差点を画定する。この実施例では、第１の反射表面１５０−１が、物理パッケージ１１０内に画定される真空密閉チャンバ１２０の主部分のところまたはその付近に配置される。別の実施例では、第１および第２の孔または同様の空洞が、真空密閉チャンバ１２０から物理パッケージ１１０内まで延在して第１の反射表面１５０−１のところで終端する第１のライトパス２０２−１および第２のライトパス２０２−２に沿って存在する。ここでは、第１の反射表面１５０−１が真空密閉チャンバ１２０の主部分の後方に設置される。第１および第２の孔の一方または両方は、第１の反射表面１５０−１を有する光学的に透明な材料のモノリシックセクション内に存在してよい。また、第１の反射表面１５０−１を有するこの光学的に透明な材料のモノリシックセクションは、真空密閉チャンバ１２０の少なくとも一部分を画定することができる。一実施例では、この光学的に透明な材料のモノリシックセクションは真空密閉チャンバ１２０全体を画定することができ、物理パッケージ１１０の大部分または全体を形成することができる。一実施例では、反射表面１５０のうちの１つまたは複数が物理パッケージ１１０の外部に配置されてよく、ここでは、光学的に透明な材料のセクションの透過部分１４０を透過するライトパス内の光が、光学的に透明な材料の透過部分１４０を介して、反射表面１５０上に入射して反対側に反射する。

[0021]やはり真空密閉チャンバ１２０の少なくとも一部分を画定する光学的に透明な材料のモノリシックセクション内に第１の反射表面１５０−１を設けるために、第１のライトパス２０２−１および第２のライトパス２０２−２の交差点にところにある表面が滑らかになっており、反射コーティングが被覆される。一実施例では、反射コーティングは、単層金属または多層金属あるいは誘電体スタックのコーティングを含むことができる。反射表面１５０は平坦であってよく、または、必要に応じて光のビームをわずかに集中させるために湾曲していてもよい。別の反射表面１５０は、同様の手法で、光学的に透明な材料のモノリシックセクションと一体であってよい。

[0022]一実施例では、物理パッケージ１１０は、全体が、光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックから構成されてよい。この実施例では、すべての透過部分１４０および反射表面１５０が、光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロック内に画定され、さらに、真空密閉チャンバ１２０およびライトパスに沿うすべての孔もこのモノリシックブロック内に画定される。真空密閉チャンバ１２０は、光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックを通る中央孔であってよい。

[0023]別の実施例では、物理パッケージ１１０は、主として、光学的に透明な材料のモノリシックブロックから構成され、ここでは、真空密閉チャンバ１２０の全体が光学的に透明な材料のモノリシックブロックによって画定される。ここでもやはり、真空密閉チャンバ１２０は、光学的に透明な材料のモノリシックブロックを通る中央孔であってよく、この光学的に透明な材料のモノリシックブロックはまた、１つまたは複数のライトパス２０２に沿う、透過部分１４０のうちの１つまたは複数、および／あるいは、反射表面１５０のうちの１つまたは複数を画定することができる。一部の実施例では、この光学的に透明な材料のモノリシックブロックはまた、ライトパス２０２のうちの１つまたは複数に沿って延在する孔を画定することができ、さらには、窓またはミラーなどの別個の部片を上に固定的に取り付けることができる外部開口部を画定する。窓またはミラーは、気密シールを形成するようにこの光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックにフリットされ得る。一実施例では、光学的な光波パス２０２のための孔が、光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックの一方の側にある外部開口部から真空密閉チャンバ１２０まで延在してよく、さらに、部分的には、この光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックの他方側まで延在してよい。この光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックの他方側の孔の端部には、透過部分１４０または反射表面１５０が形成されてよい。この表面の反対には、孔の外部開口部がある。このように、この光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックを通して一方側から孔を延在させることにより、透過部分１４０または反射表面１５０を形成するために孔の端部のところで内部表面を機械加工することが容易になる。このようにして、光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックが１つまたは複数の一体の透過部分１４０および／または反射表面１５０を画定することができ、さらには、その中にある外部開口部上に取り付けられる１つまたは複数の窓および／または反射表面を有することができる。

[0024]別の実施例では、真空密閉チャンバ１２０は、光学的に透明な材料の複数のモノリシックセクションを固定的に一体に取り付けることにより（例えば、フリッティング（ｆｒｉｔｔｉｎｇ）することにより）形成され得る。例えば、真空密閉チャンバ１２０は、光学的に透明な材料の２つ、３つ、４つまたはそれ以上のモノリシックセクションを一体にフリットすることによって形成され得る。これらの光学的に透明な材料のこれらの複数のモノリシックセクションは各々が真空密閉チャンバ１２０の一部分を画定することができ、ここでは、一体にフリットされるときに、物理パッケージ１１０の各端部上に外部開口部を有する真空密閉チャンバ１２０全体が形成される。光学的に透明な材料のこれらのモノリシックセクションのうちの１つまたは複数は、真空密閉チャンバ１２０の一部分を画定することに加えて、一体の透過部分１４０および／または反射表面１５０を画定することができる。図２に関連させて上で説明したように、光学的に透明な材料の個々のモノリシックセクションの一部分が、透過部分１４０および／または反射表面１５０を含むことができる。また、光学的に透明な材料のこれらのモノリシックセクションのうちの１つまたは複数は、外部開口部を有するライトパスを沿って孔を画定することができ、窓またはミラーが、例えばフリットを使用して、外部開口部上に固定的に取り付けられ得る。このようにして、物理パッケージ１１０が、光学的に透明な材料の複数のモノリシックセクションで形成され得る。

[0025]上で言及したように、複数の光学的な光波パス２０２が、原子センサ１００の光学トラップに３つ以下の光源（複数可）が使用され得るような幾何構成で、物理パッケージ１１０内に形成され得る。一実施例では、物理パッケージ１１０の外部は、光学的な光波パス２０２のためのこの幾何構成に対応するような形状である。この実施例では、物理パッケージ１１０はその外部に複数のフェースを含むことができ、これらのフェースは互いに角度が付けられて配置される。これらの角度は、その表面に対応する透過部分１４０または反射表面１５０の表面の角度に合わせて設定され得、それにより、透過部分１４０または反射表面１５０が適切なライトパスに沿わせて光を適切に透過させるかまたは光を適切に誘導することができる。

[0026]一実施例では、それぞれ、チャンバ排気構造（例えば、チューブ）が真空密閉チャンバ１２０の第１の外部開口部上に固定的に取り付けられ得、試料容器が第２の外部開口部上に固定的に取り付けられ得る。代替の一実施形態は空洞の排気構造を使用するが、試料容器は使用しない。チャンバ排気構造は、真空密閉チャンバ１２０を最初に排気して超高真空状態にするのに使用され得る。一実施例では、約１０の−７乗トルから１０の−８乗トル程度の真空圧力が許容される。試料容器はアルカリ金属源を保持することができ、このアルカリ金属源は、真空密閉チャンバ１２０が密閉された後に、収容されている試料から真空密閉チャンバ１２０内へと解放され得る。チャンバ排気構造および試料容器は、スウェージロックまたはＯリングを使用してフリットシーリング（ｆｒｉｔ ｓｅａｌｉｎｇ）などの真空密シールを形成するために任意の種々の技術を使用して固定的に取り付けられ得る。チャンバ排気構造および試料容器の適切な材料には、例えば、ニッケル、鉄、アルミニウム、および、インバーなどのニッケル−鉄合金が含まれる。チャンバ排気構造および試料容器はまた、物理パッケージ１１０を放電洗浄するためのプラズマを形成するための電極として機能することができ、さらには、ポンプダウンおよび真空ベーキングを強化するように機能することができる。物理パッケージ１１０の一部の実施例は、一部のガス（例えば、水素）の分圧を制限するために真空密閉チャンバ１２０内にゲッタリング材料を含むことができる。

[0027]単一の光のビームを使用する一実施例の動作では、光源からの光のビームが物理パッケージ１１０内に誘導され、第１の透過部分１４０−１を透過して第１のライトパス２０２−１に入る。この光ビームは第１のライトパス２０２−１に沿って移動し、真空密閉チャンバ１２０を通って第１の反射表面１５０−１に到達する。第１の反射表面２０２−１が第２のライトパス２０２−２に沿うように光ビームを反射し、光ビームが第２の反射表面１５０−２に到達する。次いで、第２の反射表面１５０−２が第３のライトパス２０２−３に沿うように光ビームを反射し、光ビームが真空密閉チャンバ１２０を通って第３の反射表面１５０−３に到達する。次いで、第３の反射表面１５０−３が第４のライトパス２０２−４に沿うように光ビームを反射し、光ビームが第４の反射表面１５０−４に到達する。次いで、第４の反射表面が第５のライトパス２０２−５に沿うように光ビームを反射し、光ビームが真空密閉チャンバ１２０を通過する。次いで、光ビームが第４の透過部分１４０−４を透過する。第５のライトパス２０２−５内で第４の透過表面１４０−４上に１／４波長板が挿入されており、さらには、偏光光学素子が挿入されて次いでミラーが挿入されており、これらは共に第５のライトパス２０２−５内に挿入される。これらは、第５のライトパス２０２−５上でビームを再帰反射するように、物理パッケージ１１０の外側に接着されるかまたは別の方法で取り付けられ得る。このミラーおよび別の構成要素が光のビームを反射し、光のビームが第５のライトパス２０２−５を戻って第４の反射表面１５０−４に到達する。次いで、この光のビームはそのパスを引き返して、第１の透過部分１４０−１を透過して物理パッケージ１１０から出る。このことの効果は、複数の反射表面１５０が光源（複数可）１７０からの光のビームを光学的な光波パス２０２に沿うように誘導し、それにより、互いに９０度の角度で交差する３つの再帰反射ビームが形成されることである。上記の説明は単一の光ビームを使用する原子センサ１００に関連するが、透過部分１４０および反射表面１５０に適切な変更を加えることにより、２つ以上の光ビームも使用され得ることを理解されたい。例えば、物理パッケージ１１０に入る前にｘ、ｙおよびｚに方向付けられる個別のビームへと分離するために、外部ビーム分割器が使用され得る。バックグラウンドのアルカリ蒸気からの原子２０６を減速させて冷却するために、さらには、磁気光学トラップにより原子２０６（光学ビームの交差点の中心では、１０マイクロケルビン程度の低い温度で、約１００万の原子）をトラップするために、光学ビームと、磁場コイル１８０によって作られる磁場とが組み合わせで使用される。折り返される再帰反射ビームパスを使用する実施例では、光源（複数可）１７０を効率的に使用することができる。散乱光を最小にしかつサイズを最小にしながら、光学ビームを方向付け、さらには、光学ビームの偏光を制御するために、反射表面１５０が使用され、さらに一部の実施例では回折光学素子が使用される。第１の測定ライトパス２０４−１に沿う第２の透過部分１４０−２を介し、さらには、第２の測定ライトパス２０４−２に沿う第３の透過部分１４０−３を介して、センサ信号が読み取られる。物理パッケージ１１０の代替の実施形態では、これよりも多いライトパス２０４またはこれよりも少ないライトパス２０４も使用され得る。

[0028]図３Ａおよび３Ｂは、物理パッケージ１１０内にまたは物理パッケージ１１０の１セクション内に光学的に透明な材料のモノリシックブロックを形成する例示の方法３００の流れ図である。ブロック３０２で、光学的に透明な材料のモノリシックブロックが用意される。

[0029]ブロック３０４で、光学的に透明な材料のモノリシックブロックが機械加工され、真空密閉チャンバ１２０の少なくとも一部分が形成される。光学的に透明な材料の単一のモノリシックブロックが真空密閉チャンバ１２０全体を画定するような実施例では、真空密閉チャンバ１２０が、光学的に透明な材料のモノリシックブロックを通る中央孔を穿孔することにより、形成され得る。光学的に透明な材料の複数のモノリシックセクションを固定的に一体に取り付けることにより真空密閉チャンバ１２０が形成されるような実施例では、光学的に透明な材料のモノリシックブロックが機械加工され得、それにより、真空密閉チャンバ１２０を画定する表面のうちのその部分が形成される。光学的に透明な材料の別のセクションも機械加工され得、それにより、真空密閉チャンバ１２０を画定する表面のうちの各々の部分が形成される。

[0030]ブロック３０６で、光学的に透明な材料のモノリシックブロックが機械加工され、それにより、真空密閉チャンバ１２０と交差するライトパスの少なくとも一部分が形成される。外部から真空密閉チャンバ１２０までの物理パッケージ１１０の厚さの大部分または全体を含む透過部分１４０が光学的に透明な材料のモノリシックブロック内に形成されるような実施例では、透過部分１４０の位置にある、光学的に透明な材料のモノリシックブロックの内部表面が機械加工され得、それにより、その表面が、平滑化されるか、平坦化されるか、研磨されるか、研削されるか、および／または、別の形で処理される。別の実施例では、機械加工には、１つまたは複数のライトパスの一部分に沿うように光学的に透明な材料のモノリシックブロックを穿孔すること、さらには、透過部分１４０または反射表面１５０のための孔の最終的な内部表面を平滑化すること、平坦化すること、研磨すること、研削すること、および／または、別の形で処理することが含まれてよい（例えば、光を集めるために所望される曲率を作る）。穿孔を行わずに反射表面１５０が形成されるような実施例では、光学的に透明な材料のモノリシックブロックの内部表面は、その前に穿孔を行うことなく、平滑化され得るか、平坦化され得るか、研磨され得るか、研削され得るか、および／または、別の処理を受けることができる（例えば、光を集めるために所望の曲率を作る）。一部の実施例では、孔のうちの１つまたは複数は物理パッケージ１１０の外部まで延在してよい。機械加工によりわずかにオーバーサイズの光学的に透明な材料のモノリシックブロックを作ることができ、材料を研磨することにより（ブロック３１０および３１４）、所望のサイズの光学的に透明な材料のモノリシックブロックが得られる。

[0031]ブロック３０８では、透過部分１４０が形成される場合は、光学的に透明な材料のモノリシックブロック上の内部表面の裏側でライトパスに沿う（例えば、位置合わせされる）外部表面が、やはり、表面を平滑化するか、平坦化するか、研磨するか、研削するか、および／または別の形で処理するために、機械加工され得る。

[0032]ブロック３１０で、ブロック３０６で機械加工された内部表面が研磨され得（例えば、エッチングされ得）、それにより、表面がさらに平滑化され、および／または、表面が光学的に透明になる。

[0033]ブロック３１２では、内部表面が反射表面１５０となる場合は、内部表面上に反射コーティングが付着され得る。
[0034]ブロック３１４では、ブロック３０８で外部表面が処理されている場合には、外部表面が研磨され得、それにより、表面がさらに平滑化され、および／または、表面が光学的に透明になる。

[0035]ブロック３１０または３１４のいずれかの実施例では、これらの表面以外の、透過部分１４０または反射表面１５０で必要となる表面の一部分が研磨され得る。一実施例では、光学的に透明な材料のモノリシックブロックの表面全体が研磨されてよく、ブロック３１０および３１４が同時に研磨される。

[0036]ブロック３１６では、光学的に透明な材料の２つ以上のモノリシックブロックが使用される場合、光学的に透明な材料の複数のモノリシックブロックが固定的に一体に取り付けられ得、それにより物理パッケージ１１０が形成される。光学的に透明な材料の複数のモノリシックブロックはフリッティングにより固定的に一体に取り付けられ得る。光学的に透明な材料の複数のモノリシックブロックは、物理パッケージ１１０の真空密閉チャンバ１２０および／またはライトパスを形成するように、一体に取り付けられ得る。

[0037]ブロック３１８で、チャンバ排気構造が真空密閉チャンバ１２０の第１の外部開口部に取り付けられ得る。
[0038]ブロック３２０で、試料容器が真空密閉チャンバ１２０の第２の外部開口部に取り付けられ得る。一実施例では、光学的に透明な材料の複数のモノリシックブロックが固定的に一体に取り付けられるときと同時に、チャンバ排気構造および試料容器が取り付けられ得る。

[0039]実施例１は原子センサの物理パッケージのためのブロックを含み、これは、真空密閉チャンバに交差する複数のライトパスを画定するための複数の透過表面および反射表面を含む、真空密閉チャンバを画定する光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションを含み、これらの光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションは、真空密閉チャンバの少なくとも一部分を画定する第１のモノリシックセクションを含み、この第１のモノリシックセクションは複数のライトパスのうちの第１のライトパスに跨がるように配置される第１の部分を含み、それにより、第１のライトパス内の光が第１のモノリシックセクションの第１の部分上に入射するようになる。

[0040]実施例２は実施例１のブロックを含み、ここでは、複数のライトパスが、複数の光学的な光波パスと、少なくとも１つの測定ライトパスとを含む。
[0041]実施例３は実施例１または２のいずれかのブロックの含み、ここでは、第１のセクションの第１の部分の内側表面および外側表面が光学的に透明であり、それにより、第１のライトパスに入るようにさらには第１のライトパスから出るように光が透過する。

[0042]実施例４は実施例１〜３のいずれかのブロックを含み、ここでは、第１のセクションの第１の部分が、第１のライトパス内の光を反射させるためにその一表面上に反射コーティングを含む。

[0043]実施例５は実施例１〜４のいずれかのブロックを含み、ここでは、第１のモノリシックセクションが第１のライトパスに沿う孔を画定し、この孔が第１の第１のモノリシックセクションの第１の部分のところで終端する。

[0044]実施例６は実施例１〜５のいずれかのブロックを含み、ここでは、光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションが、真空密閉チャンバの少なくとも一部分を画定する第２のモノリシックセクションを含み、この光学的に透明な材料の第２のモノリシックセクションが、第１のライトパスに跨がるように配置される第２の部分を含み、それにより、第１のライトパス内の光が第２のモノリシックセクションの第２の部分上に入射するようになり、またここでは、第２のモノリシックセクションが第１のモノリシックセクションに固定的に取り付けられる。

[0045]実施例７は実施例６のブロックを含み、ここでは、第１のモノリシックセクションおよび第２のモノリシックセクションが真空密閉チャンバ全体を画定する。
[0046]実施例８は実施例６または７のいずれかのブロックを含み、ここでは、第１のモノリシックセクションおよび第２のモノリシックセクションがフリットシールを用いて固定的に取り付けられる。

[0047]実施例９は実施例１〜８のいずれかのブロックを含み、ここでは、第１のモノリシックセクションが真空密閉チャンバ全体を画定し、またここでは、第１のモノリシックセクションが複数の孔を画定し、各孔が複数のライトパスのうちの１つのライトパスに沿っており、また、各孔が、第１のモノリシックセクション内の外部開口部から延在して、第１のモノリシックセクションの光学的に透明な部分または反射表面のうちの一方のところで終端し、光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションが、第１のモノリシックセクション内の外部開口部上に固定的に取り付けられる１つまたは複数のミラーまたは窓を含む。

[0048]実施例１０は実施例１〜９のいずれかのブロックを含み、これは、真空密閉チャンバの第１の外部開口部上に固定的に取り付けられるチャンバ排気構造と、真空密閉チャンバの第２の外部開口部上に固定的に取り付けられる試料容器とを備える。

[0049]実施例１１は実施例１〜１０のいずれかのブロックを含み、ここでは、光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションが、その外部に複数のフェースを含み、これらの複数のフェースが互いに対して所定の角度を有するように配置される。

[0050]実施例１２は実施例１〜１１のいずれかのブロックを含み、ここでは、第１のモノリシックセクションが、ガラス、ガラスセラミック、光学ガラスまたはサファイアのうちの１つから構成される。

[0051]実施例１３は物理パッケージのためのブロックを形成する方法を含み、この方法は：真空密閉チャンバの少なくとも一部分を形成するために光学的に透明な材料のモノリシックマスを機械加工することと；真空密閉チャンバと交差するライトパスの少なくとも一部分を形成するために光学的に透明な材料のモノリシックマスを機械加工することと；光学的な材料のモノリシックマスを研磨することであって、この研磨することが、ライトパスの少なくとも一部分の端部ところにある第１の表面をエッチングすることを含み、それにより、第１の表面が光学的に透明になる、ことと；第１の表面の裏側にあってライトパスの一部分に位置合わせされる第２の表面を形成するために、光学的に透明な材料のモノリシックマスを機械加工することと；第２の表面を光学的に透明にするために第２の表面を研磨することと；真空密閉チャンバの第１の外部開口部にチャンバ排気構造を取り付けることと、を含む。

[0052]実施例１４は実施例１３の方法を含み、これは：真空密閉チャンバの少なくとも一部分を形成するために光学的に透明な材料の第２のモノリシックマスを機械加工することと；真空密閉チャンバから光学的に透明な材料の第２のモノリシックマス内まで延在する別のライトパスの一部分を形成するために、光学的に透明な材料の第２のモノリシックマスを機械加工することと；光学的に透明な材料の第２のモノリシックマスを研磨することであって、この研磨することが、この別のライトパスの一部分の端部のところにある第３の表面をエッチングすることを含み、それにより、第３の表面が光学的に透明になる、ことと；第３の表面の裏側にあってこの別のライトパスの一部分に位置合わせされる第４の表面を形成するために、光学的に透明な材料の第２のモノリシックマスを機械加工することと；第４の表面を光学的に透明にするために第４の表面を研磨することと；ブロックおよびそこを通る真空密閉チャンバを形成するために、真空密シールを使用して、光学的に透明な材料の第２のモノリシックマスを光学的に透明な材料のモノリシックマスに固定的に取り付けることと、を含む。

[0053]実施例１５は実施例１４の方法を含み、ここでは、固定的に取り付けることが、光学的に透明な材料の第２のモノリシックマスと光学的に透明な材料のモノリシックマスとを一体にフリットすることを含む。

[0054]実施例１６は実施例１３〜１５のいずれかの方法を含み、ここでは、ライトパスの一部分を形成するために光学的に透明な材料のモノリシックマスを機械加工することが、孔をドリルで開けること、研磨することおよび研削することのうちの１つまたは複数を含む。

[0055]実施例１７は実施例１３〜１６のいずれかの方法を含み、これは：ライトパスの一部分に位置合わせされる表面を形成するために、光学的に透明な材料のモノリシックマスまたは光学的に透明な材料の別のモノリシックマスを機械加工することと；ライトパス内の光が表面で反射されるようにするために、表面を反射コーティングで被覆することと、を含む。

[0056]実施例１８は実施例１３〜１７のいずれかの方法を含み、ここでは、ライトパスの一部分を形成するために光学的に透明な材料のモノリシックマスを機械加工することが、ライトパスのための第１の表面の反対側に外部開口部を形成することを含み、また、この方法が、真空密シールを使用して、外部開口部上に窓またはミラーのうちの１つを固定的に取り付けることを含む。

[0057]実施例１９は原子センサの物理パッケージのためのブロックを含み、このブロックが光学的に透明な材料のモノリシック構造を備え、この光学的に透明な材料のモノリシック構造が、第１の外部開口部および第２の外部開口部を有する真空密閉チャンバと、複数のライトパスの孔とを画定し、これらの複数のライトパスの孔の各々が外部開口部を有し、また、これらの複数のライトパスの孔のうちの少なくとも１つが光学的に透明な材料のモノリシック構造の内部表面のところで終端し、ここでは、内部表面が光学的に透明であり、したがって、それぞれのライトパスの孔の中の光が、光学的に透明な材料のモノリシック構造の外部部分まで、または、その外部部分から、光学的に透明な材料のモノリシック構造を透過することができ、複数のミラーまたは窓がライトパスの孔の外部開口部の上に固定的に取り付けられ、チャンバ排気構造が、真空密シールを使用して、真空密閉チャンバの第１の外部開口部の上に固定的に取り付けられ、試料容器が、真空密シールを使用して、真空密閉チャンバの第２の外部開口部の上に固定的に取り付けられる。

[0058]実施例２０は実施例１９のブロックを含み、ここでは、複数のライトパスの孔のうちの少なくとも１つが、上に反射コーティングを有する内部表面のところで終端する。
[0059]実施例２１は実施例１９または２０のいずれかのブロックを含み、これは、光学的に透明な材料のモノリシック構造の透過部分を透過するように構成される少なくとも１つの測定ライトパスを備える。

[0060]実施例２２は実施例１９〜２１のいずれかのブロックを含み、ここでは、内部表面の反対側の外部表面が光学的に透明であり、それにより、個別のライトパスの孔に入るようにさらには個別のライトパスの孔から出るように光が透過する。

[0061]実施例２３は実施例１９〜２２のいずれかのブロックを含み、ここでは、光学的に透明な材料のモノリシック構造がその外部に複数のフェースを含み、これらの複数のフェースが互いに対して所定の角度を有するように配置される。

[0062]実施例２４は実施例１９〜２３のいずれかのブロックを含み、ここでは、光学的に透明な材料のモノリシック構造が、ガラス、ガラスセラミック、光学ガラスまたはサファイアのうちの１つから構成される。

Claims (3)

1. 原子センサの物理パッケージのためのブロックであって、
   真空密閉チャンバを画定し、また、前記真空密閉チャンバと交差する複数のライトパスを画定するための複数の透過表面および反射表面を含む、光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションであって、前記光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクションが、前記真空密閉チャンバの少なくとも一部分を画定する第１のモノリシックセクションを含み、前記第１のモノリシックセクションが、前記複数のライトパスのうちの第１のライトパスに跨がるように配置される第１の部分を含み、それにより、前記第１のライトパス内の光が前記第１のモノリシックセクションの前記第１の部分上に入射するようになる、光学的に透明な材料の１つまたは複数のセクション
   を備える、ブロック。
2. 物理パッケージのためのブロックを形成する方法であって、
   真空密閉チャンバの少なくとも一部分を形成するために光学的に透明な材料のモノリシックマスを機械加工するステップと、
   前記真空密閉チャンバと交差するライトパスの少なくとも一部分を形成するために前記光学的に透明な材料のモノリシックマスを機械加工するステップと、
   前記光学的に透明な材料のモノリシックマスを研磨するステップであって、前記研磨するステップが、前記ライトパスの前記少なくとも一部分の端部のところにある第１の表面をエッチングするステップを含み、それにより、前記第１の表面が光学的に透明になる、ステップと、
   前記第１の表面の裏側にあって前記ライトパスの前記部分に位置合わせされる第２の表面を形成するために、前記光学的に透明な材料のモノリシックマスを機械加工するステップと、
   前記第２の表面を光学的に透明にするために前記第２の表面を研磨するステップと、
   前記真空密閉チャンバの第１の外部開口部にチャンバ排気構造を取り付けるステップと
   を含む、方法。
3. 原子センサの物理パッケージのためのブロックであって、
   光学的に透明な材料のモノリシック構造であって、
   第１の外部開口部および第２の外部開口部を有する真空密閉チャンバ、および、
   複数のライトパスの孔であって、前記複数のライトパスの孔の各々が外部開口部を有し、前記複数のライトパスの孔のうちの少なくとも１つが、前記光学的に透明な材料のモノリシック構造の内部表面のところで終端する、複数のライトパスの孔
   を画定し、
   前記内部表面が光学的に透明であり、それにより、前記それぞれのライトパスの孔の中の光が、前記光学的に透明な材料のモノリシック構造の外部部分まで、または、その外部部分から、前記光学的に透明な材料のモノリシック構造を透過することができる
   光学的に透明な材料のモノリシック構造と、
   前記ライトパスの孔の前記外部開口部の上に固定的に取り付けられる複数のミラーまたは窓と、
   真空密シールを使用して、前記真空密閉チャンバの前記第１の外部開口部の上に固定的に取り付けられるチャンバ排気構造と、
   真空密シールを使用して、前記真空密閉チャンバの第２の外部開口部の上に固定的に取り付けられる試料容器と
   を備える、ブロック。

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