JP6865733B2 - 原子センサーのためのレーザービームを成形するためのデバイス - Google Patents

Description

本発明は、アルカリ性蒸気セル及びレーザービーム成形デバイスを含む原子センサー、並びにまた、このような原子センサーのためのレーザービーム成形デバイスの分野に関する。

原子センサーは、特に、原子時計、微小磁力計、及びさらに微小ジャイロメーターである。このような原子センサーは、例えば、電気通信、ナビゲーション及び防衛システムを対象とし得る。

このようなセンサーはときどき、「微小原子時計」、「微小磁力計」及び「微小ジャイロメーター」として記載される。文章全体を通して、「微小」との用語は、文脈において及び示唆された意味で理解されなければならない。

これらの原子センサーの動作は、光学窓が設けられたキャビティを満たす気体原子の光学分光に依存する。気体は、通常、セシウム又はルビジウム等のアルカリ性蒸気である。この分光法によって、一以上のスペクトル量は、センサーが観測する一以上の物理量、例えば周波数、一時的な期間、磁場又は加速度に関連して測定され得る。

このような原子センサーは魅力的である。なぜなら、それらは小型で、エネルギー効率が良く、且つ非常に良好な測定精度及び安定性を有するからである。

本発明による典型的な原子センサーは、頭文字ＣＳＡＣの下で知られているチップスケール原子時計である。１つのこのような例は、１６ｃｍ^３の体積、３５ｇの質量を有し、１２０ｍＷの電力しか必要としないＭｉｃｒｏｓｅｍｉからのＳＡ．４５ｓと呼ばれるＣＳＡＣである。

微小原子時計の場合、センサーの動作は、通常、クロック遷移と呼ばれる気体の原子の特定のマイクロ波遷移の周波数の測定に基づいており、頭文字ＣＰＴの下で知られるコヒーレントポピュレーショントラッピングに関する原子共鳴の原理を用いる。

このような微小原子時計はまた、シリコン及び陽極溶接によって、ＭＥＭＳマイクロマシニング（Ｍｉｃｒｏ−ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓに関する頭文字）を用いて、非常にコンパクトな（数ｍｍ^３）セシウム蒸気セルを発展させた、Ｍａｃ−ＴＦＣコンソーシアムである、ＦＥＭＴＯ−ＳＴ（Ｆｒａｎｃｈｅ−Ｃｏｍｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｑｕｅ Ｍｅｃａｎｉｑｕｅ Ｔｈｅｒｍｉｑｕｅ ｅｔ Ｏｐｔｉｑｕｅ − Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｅｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓに関する頭文字）の仕事から知られている（例えば、Ｌ．Ｎｉｅｒａｄｋｏ、Ｃ．Ｇｏｒｅｃｋｉ、Ａ．Ｄｏｕａｈｉ、Ｖ． Ｇｉｏｒｄａｎｏ、Ｊ．Ｃ． Ｂｅｕｇｎｏｔ、Ｊ． Ｄｚｉｕｂａｎ ｅｔ Ｍ． Ｍｏｒａｊａによる２００８年８月にＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＩＣＲＯ−ＮＡＮＯＬＩＴＨＯＧＲＡＰＨＹ ＭＥＭＳ ＡＮＤ ＭＯＥＭＳにおいて発行された“Ｎｅｗ Ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉｓｐｅｎｓｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｃｅｓｉｕｍ Ｖａｐｏｒ Ｃｅｌｌ”を参照）。このようなセルは約２ｍｍの光学窓直径を有する。

セルは、「透過型」と呼ばれる構造を有し、レーザー、（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒに関する）頭文字ＶＣＳＥＬの下で知られる垂直キャビティレーザー、及び光検出器（光ダイオード）は、セル自身のいずれかの側上に配され、レーザービームが一方から他方へそれを通り抜け、第１のガラスカバーによってそれに入り、第２のガラスカバーによってそれを出ていく。

このような垂直キャビティレーザーから来るビームは、比較的小さな発散（１０−１５°のＦＷＨＭ）及び（出口ミラーの近くで２０μｍのオーダの）サイズによって特徴付けられる。

そのため、追加のデバイスが追加されない場合、セルの光学窓に対応するビーム直径に達し、すべての原子を、可能であれば等しい強度（均一照明）で、照らすことを可能にするのに必要とされる距離は、したがって大きい。これは、原子センサーの最小サイズを制限する。

それを行うために、ＭＡＣ−ＴＦＣコンソーシアムの文脈において、それによってビームの発散を増大させ、セル内へのその進入の前にビームをコリメートするテレスコピックシステムが開発された。

バルクは、このような解決策によって低減され得るが、それは、セルの寸法での微妙な操作であるいくつかの光学部品の位置合わせを意味する。

他の別の解決法は、特に文献ＵＳ７，６１９，４８５から知られており、その文書から図６に特に示される。この解決策は、ミラー又はプリズムを用いるが、ビームの発散値を変更することなく、垂直キャビティレーザーから来るレーザービームを折り返すことから成る。

このような解決策によって、いくつかの位置合わせ制約が克服され得る。実際には、レンズとは異なり、（平行移動における）折り畳みシステムの不十分な位置決めは、ソース又はセルの同じ位置決め誤差であろうよりも有害ではない。

この点において、反射面の配向の優れた制御を提供するための（低吸収性も有する）誘電体ミラーと比較して、プリズムを用いることは魅力的である。実際に、角度公差は、エッジの上の数ミリメートルのプリズムに関してさえ、一般に±１５ａｒｃｓｅｃ（±０．００４°）で特定される。

しかしながら、コヒーレントポピュレーショントラッピングによるアルカリ性蒸気上の分光法は、円偏光を有するセルに入るレーザービームを必要とする。

さらに、プリズムにおけるレーザービームの反射は、レーザービームの偏光を実質的に変化させ得る。実際に、入射の角度が上述した臨界角よりも大きいとき光ビームがプリズムを離れない場合（つまり、光学面を通るエネルギー束がない）でさえ、他方の電磁場は、（入射の平面に対して平行又は垂直である）電場の配向に応じて、様々な浸透深さで、外部媒体内にわずかに入る。レーザービームの２つの成分は、異なる位相シフトを経験し、直線偏光されたレーザービームは、例えば、全反射後に楕円偏光になるであろう。Ｔｈｅ ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， ｖｏｌ． ４７， ｐ． ３５９ （２００８） において現れるＡ．Ｍ．Ａ Ａｚｚａｍによる文献“Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ ｒｉｇｈｔ−ａｎｇｌｅ Ｐｒｉｓｍｓ”は、特に、より詳細にこの現象を説明する。

そのため、原子センサーのセルへの入口でレーザービームのサイズ及び制御された偏光を保証するレーザービーム成形デバイスに関する必要性が存在する。また、成形の間にレーザービームからの制限された電力損失を有するデバイスに関する必要性が存在する。最後に、可能な限り最も小さく、原子センサー内へのその製造及び統合が、特に拘束光学位置合わせの数を制限することによって、実装されることが容易であるこのようなデバイスに関する必要性が存在する。

そのため、本発明の第１の主題は、レーザービーム発光レーザー、並びにまた、成形されたレーザービームがその中に入ることができる気体で満たされたキャビティ及びセルに入ったレーザービームを受け取る光検出器を含むアルカリ性蒸気セル、の両方と組み合わされることによって、原子時計、原子磁力計又は原子ジャイロメーター等の原子センサーにおいて含まれるように特に意図されたレーザービーム成形デバイスであり、
前記成形デバイスは、入射レーザービームに関する入口領域、出射レーザービームに関する出口領域、及びまた、２つの内部レーザービーム反射面を含む再帰反射器プリズムを含み、前記反射面が、その間で直角を形成する。

前記成形デバイスが、
前記入口領域によって前記再帰反射器プリズムに入るレーザービームによって横断され、且つ、前記入射レーザービームを直線偏光することが可能なように、前記再帰反射器プリズムの前記入口領域から上流に配された直線偏光子と、
前記出口領域によって前記再帰反射器プリズムを出て行くレーザービームによって横断され、且つ、成形されたレーザービームを得るために前記出射レーザービームを円偏光することが可能なように、前記再帰反射器プリズムの前記出口領域から下流に配された形態複屈折板と、をさらに含むことを特徴とする。

実装によると、前記直線偏光子は、サブ波長金属ネットワークを含み、前記直線偏光子の前記サブ波長金属ネットワークは、金属板方向に沿って互いに平行に伸び且つ前記金属板方向に対して垂直である前記金属ネットワークの通過方向に沿って一方が他方に対して並置される複数の金属板を含む。

実装によると、前記金属ネットワークの前記通過方向は、前記２つの反射面の各々の幾何学的平面の延長の間の交差の方向に対して平行である。こうして、前記全内部反射の間に前記偏光の直線特性は、保証され得る。

実装によると、前記形態複屈折板は、ゼロ次サブ波長誘電体ネットワークを含む人口形態複屈折板であり、前記形態複屈折板の前記ゼロ次サブ波長誘電体ネットワークは、誘電体板方向に沿って互いに平行に伸び且つ前記誘電体板方向に対して垂直である誘電体ネットワーク方向に沿って一方が他方に対して並置される複数の誘電体板を含む。

実装によると、誘電体板方向は、金属板方向によって４５°の角度を形成する。

実施形態によると、前記直線偏光子及び前記形態複屈折板は、ガラス板−若しくはウエハ−上で隣り合って配される。

実施形態によると、前記再帰反射器プリズムの前記入口領域及び前記出口領域は、前記再帰反射器プリズム透過面の２つの部分を形成し、前記直線偏光子及び前記形態複屈折板は、前記透過面に面して配され、前記透過面上に形成される又は前記透過面に面して配されるガラス板−若しくはウエハ−上に形成されるかのいずれかである。

本発明の主題はまた、レーザービーム発光レーザー、並びにまた、成形されたレーザービームがその中に入ることができる気体で満たされたキャビティ及びセルに入ったレーザービームを受け取る光検出器を含むアルカリ性蒸気セル、の両方と組み合わされることによって、原子時計、原子磁力計又は原子ジャイロメーター等の原子センサーにおいて含まれるように特に意図されたレーザービーム成形デバイスのための製造プロセスである：
再帰反射器プリズムは、入射レーザービームに関する入口領域、出射レーザービームに関する出口領域、及びまた、２つの内部レーザービーム反射面を含んで配され、前記反射面が、その間で直角を形成し；
直線偏光子が形成され、入射レーザービームを直線偏光することが可能なように配され、前記入口領域によって前記再帰反射器プリズムに入るレーザービームによって横断されるように前記再帰反射器プリズムの前記入口領域から上流に配され；
形態複屈折板が形成され、出射レーザービームを円偏光することが可能なように配され、前記出口領域によって前記再帰反射器プリズムを出ていくレーザービームによって横断されるように前記再帰反射器プリズムの前記出口領域から下流に配される。

実施形態によると、
前記直線偏光子は、ガラス板−若しくはウエハ−上に金属層、特にアルミニウム又は金層、を堆積することによって形成され；且つ
前記形態複屈折板は、前記ガラス板−若しくはウエハ−上で、誘電体材料の層、特に窒化ケイ素層、を堆積することによって、又は、前記ガラス板−若しくはウエハ−をエッチングすることによってのいずれかで、前記ガラス板−若しくはウエハ−上に形成され；
前記直線偏光子は、前記再帰反射器プリズムの前記入口領域から上流に配され、前記形態複屈折板は、前記再帰反射器プリズムの透過面に面して前記ガラス板−若しくはウエハ−を配することによって、前記再帰反射器プリズムの前記出口領域から下流に配され、前記再帰反射器プリズムの前記入口領域及び前記出口領域は、前記透過面の２つの部分を形成する。

実施形態によると、
前記直線偏光子は、形成され、前記再帰反射器プリズムの透過面上に、金属材料の層、特にアルミニウム又は金の層、を堆積することによって前記再帰反射器プリズムの前記入口領域から上流に配され、前記再帰反射器プリズムの前記入口領域は、前記透過面の一部を形成し；
前記形態複屈折板は、形成され、前記再帰反射器プリズムの前記透過面上に、誘電体材料の層、特に窒化ケイ素の層、を堆積することであって、前記再帰反射器プリズムの前記出口領域が前記透過面の一部を形成することによって、又は、前記透過面のエッチングによってのいずれかで、前記再帰反射器プリズムの前記出口領域から下流に配される。

最後に、本発明の主題は、レーザービーム発光レーザー、並びにまた、成形されたレーザービームがその中に入ることができる気相における気体によって満たされたキャビティ及び前記セルに入ったレーザービームを受け取るための光検出器を含むアルカリ性蒸気セル、の両方によってコンパクトに組み合わされた上述したようなレーザービーム成形デバイスを含む原子センサーである。

実施形態によると、前記発光レーザーによって放出されたレーザービームの好ましい偏光の方向が、前記直線偏光子金属ネットワークの通過方向と実質的に整列される。

それと共にレーザービーム発光レーザー、並びにまた、成形されたレーザービームがその中に入り得る気体によって満たされたキャビティ、及び、セル内に行ったレーザービームを受け取る光検出器が組み合わされる、本発明の実施形態によるレーザービーム成形デバイスを含む、本発明の実施形態による原子センサーの概略横断面である。 金属板金属ネットワークを含む、図１からのレーザービーム成形デバイスに関する直線偏光子の詳細な斜視図である。 誘電体板のゼロ次サブ波長誘電体ネットワークを含む、図１からのレーザービーム成形デバイスに関する形態複屈折板の詳細な斜視図である。 初期レーザービーム、入射レーザービーム、内部レーザービーム、出射レーザービーム及び成形されたレーザービームの一部を含むレーザービームの経路がその上に示される、図１からのレーザービーム成形デバイスの詳細な斜視図である。

様々な図面において、同じ参照は、同一又は類似の項目を指す。

図１は、アルカリ性蒸気セル２、レーザービーム発光レーザー３、例えば垂直キャビティレーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒに関するＶＣＳＥＬ）、及び、セル２内に行ったレーザービームに関する受け取り光検出器４を組み込む本発明による原子センサー１の例を示す。レーザービームは、５によって示される。

原子センサー１は、例えば、コヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）による原子共鳴の原理に基づいたチップスケール原子時計（ＣＳＡＣ）である。

本発明の変形では、原子センサー１は、例えば原子磁力計又は原子ジャイロメーターであり得る。

セル２は特に、少なくとも一つの光学窓７が設けられ且つ気体によって満たされた気体キャビティ６を含む。気体は例えば、セシウム又はルビジウムのような気相におけるアルカリ元素を含む気体、及び、適用できる場合は、バッファー気体である。「気体」との用語は、気体、蒸気若しくはアルカリ性蒸気、又は、気体及び蒸気の混合物を指し得る。

原子センサー１は、レーザービーム成形デバイス８をさらに含む。

デバイス８は、レーザー３とセル２との間で、レーザービーム５の経路において、挿入され、レーザー３からのレーザービーム５を受け取ること、及び、セル２の光学窓７によって気体キャビティ６内に入るレーザービーム５を送ることが可能である。

成形デバイス８は、再帰反射器プリズム９、直線偏光子１０及び形態複屈折板１１を含む。

図１及び４では、再帰反射器プリズム９は、入射レーザービーム５ｂに関する入口領域１２、及び出射レーザービーム５ｄに関する出口領域１３、及びまた、内部レーザービーム５ｃに関する２つの反射面１４、１５を含む。

反射面１４、１５は直角を一緒に形成する。

「表面が直角を一緒に形成する」によって、反射面１４、１５が、それぞれの幾何学的平面の延長Ｐ１、Ｐ２に沿ってそれぞれ伸びて、上記幾何学的平面の延長Ｐ１、Ｐ２がそれらの間に幾何学的な直角を形成するようになることが理解される。

図１からの実施形態では、入口領域１２及び出口領域１３は、再帰反射器プリズム９の透過面１６の２つの部分を形成する。

再帰反射器プリズム９の透過面１６は、例えば、反射面１４、１５の各々に対して４５°で配向され得る。

ここで再び、「透過面が反射面１４、１５の各々に対して４５°で配向される」とは、透過面が、幾何学的平面の延長Ｐ３に沿って伸び、反射面１４、１５が、それぞれの幾何学的平面の延長Ｐ１、Ｐ２に沿ってそれぞれ伸びて、透過面の幾何学的平面の延長Ｐ３が、反射面１４、１５の幾何学的平面の延長Ｐ１、Ｐ２の各々によって４５°の幾何学的角度を形成するようになることを意味する。

反射面１４、１５の間の角度はレーザービームの再帰反射を保証するために正確に制御されなくてはならないが、透過面１６と反射面１４、１５との間の配向は、少なくとも小さな角度に関してそれは主にビームの空間的オフセットを含み角度誤差を含まないので、あまり重要ではないことが留意されるであろう。

そのため、例えば、反射面１４、１５の間の角度は有利には、±１５ａｒｃｓｅｃ（±０．００４°）内で９０°に近い。

再帰反射器プリズムにおけるレーザービーム５の経路は、図４に示され、以下のように分解される。

入るとき、レーザービーム５ｂは、入口領域１２によって再帰反射器プリズム９内を通り、内部レーザービーム５ｃを生成する第１の反射面１４に出会う。

内部レーザービーム５ｃは、第２の反射面１５に出会い、出口領域１３によって再帰反射器プリズム９を離れる出射レーザービーム５ｄを生成するまで再帰反射器プリズムにおいて伝播する。

入射レーザービーム５ｂ及び出射レーザービーム５ｄはこのように、再帰反射器プリズム９のセクションＨの平面において互いに平行である。

再帰反射器プリズム９のセクションＨのこのような平面は特に、２つの反射面１４、１５のそれぞれの幾何学的平面の延長Ｐ１、Ｐ２の間の交差Ｉの方向に対して垂直な平面である。

再帰反射器プリズムは、例えば、Ｎ−ＢＫ７、ソーダ石灰、Ｎ−ＢａＫ１又はさらにＮ−ＳＦ１１等の材料で作製され得る。

有利には、再帰反射器プリズムは、図１に示されるように、それが比較的高い発散有するときでさえ入射レーザービームの全反射を保証するために十分に高い屈折率を有する材料で作製され得る。

再帰反射器プリズムは、例えば、８５２．１ｎｍ波長で屈折率ｎ＝１．５６４によって特徴付けられるＮ−ＢａＫ１で作製され得る；このような屈折率は、−８°と＋８°との間に含まれる透過面１６上の入射の角度を有するレーザービームに関する全反射を保証する。

直線偏光子１０は、図２上でより詳細に示され、サブ波長金属ネットワーク１７を含む。

このサブ波長金属ネットワーク１７は、複数の金属板１８を含む。

金属板１８は、金属板方向ＤＭに沿って互いに平行に伸びる。

金属板１８は追加的に、金属板方向ＤＭに対して垂直な金属ネットワーク１７の通過方向ＤＰに沿って一方が他方に対して並置される。

「サブ波長ネットワーク」は、特に、例えばセシウム原子時計の場合に約９００ｎｍ未満の金属板を支持する基板の屈折率によって割られる、垂直入射で、レーザービーム５の波長未満の通過方向ＤＰに沿った空間周期によって金属板が、一方が他方に対して並置されることを意味すると理解される。

金属板１８は、例えば、アルミニウム又は金で作製される。

そのため、直線偏光子１０は、例えば、ガラス板−若しくはウエハ−１９の上に金属層、特にアルミニウム又は金層、を堆積することによって形成され得る。

情報のために関して純粋に提供されるサンプル実施形態では、直線偏光子１０は、２００ｎｍの周期で互いに離間され、且つネットワーク１７の通過方向に沿って９０ｎｍの長さを各々が有する金属板１８を有するために成形された３００ｎｍ厚さのアルミニウム層を堆積することによって形成され、０．４５の充填係数（幅／周期）を有することを意味する。

情報のためにまた純粋に提供されるサンプル実施形態では、直線偏光子１０は、２００ｎｍの周期で互いに離間され、且つネットワーク１７の通過方向に沿って１５７ｎｍの長さを各々が有する金属板１８を有するために成形された３５０ｎｍ厚さの金層を堆積することによって形成され、０．４５の充填係数（幅／周期）を有することを意味する。

直線偏光子１０、金属ネットワーク１７及び金属板１８の他のサイズが明瞭に考えられる。

直線偏光子１０は、再帰反射器プリズム９の入口領域１２から上流に配されて、入口領域１２によって再帰反射器プリズム９に入るレーザービーム５ｂによって横断される。直線偏光子１０は、上記入射レーザービーム５ｂを直線偏光することが可能である。

より正確には、直線偏光子１０は、レーザー３によって放出される初期レーザービーム５ａを受け取り、画定された直線偏光を有する入射レーザービーム５ｂにそれを変換する。

実際、金属板ＤＭの方向に平行である入射初期レーザービーム５ａの成分は、金属板１８における電子の変位に変換されるので、直線偏光子１０によって吸収される。これに対して、金属ネットワークの通過方向ＤＰに平行である一時的な初期レーザービーム５ａの成分は、入射レーザービーム５ｂにおいて元のまま残される。

本発明の特定の実施形態では、発光レーザー３、例えば、垂直キャビティレーザー（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒに関するＶＣＳＥＬ）は、単一の偏光モード、特に固定された既知の直線偏光において振動を保証するネットワークを含み得る。この実施形態では、初期レーザービーム５ａはまた、レーザー３によって設定される偏光方向ＤＬに沿った直線偏光を有し得る。

原子センサー１におけるレーザー３に関する組み立て制約は、形態複屈折板１１、反射プリズム９又は光学セル２のような原子センサーの他の構成要素とこの偏光方向ＤＬの正確な整列を非常に困難にすることに留意することが重要である。

有利には、発光レーザー３によって放出される、初期レーザービーム５ａの直線偏光は、直線偏光子１０の金属ネットワーク１７の通過方向ＤＰと実質的に整列されており、金属ネットワークの偏光方向ＤＬ及び通過方向ＤＰが実質的に整列されることを意味する。

「実質的に整列される」とは、２つの方向が、平行である、又はそうでなければ平行に近い、例えば、１０°未満のそれらの間の角度を形成することを意味するように理解される。

追加的に、直線偏光子１０は、上記透過面１６において配される、又は、上記透過面１６と接触したガラス板−若しくはウエハ−１９の上に形成される、のいずれかによって、再帰反射器プリズム９の透過面１６に面して配される。

図２に示されるように、直線偏光子１０の金属ネットワーク１７は、特に、通過方向ＤＰ及び金属板方向ＤＭによって形成される幾何学的平面の延長ＰＰにおいて伸び得、上記幾何学的平面の延長ＰＰが、透過面１６の幾何学的平面の延長Ｐ３に対して平行になる。

金属ネットワーク１７の通過方向ＤＰは、特に、２つの反射面１４、１５の幾何学的平面の延長Ｐ１、Ｐ２の間の交差Ｉの方向に対して平行であり得る。

こうして、入射レーザービーム５ｂに適用される直線偏光は、プリズム９における反射の間に維持されるので、出射レーザービーム５ｄにおいて維持される。

追加的に、形態複屈折板１１は、図３においてより詳細に示される。形態複屈折板１１は、例えば、形態複屈折又は人口複屈折板である。

この目的のために、形態複屈折板１１は、ゼロ次サブ波長誘電体ネットワーク２０を含む。

この誘電体ネットワーク２０は、複数の誘電体板２１を含む。誘電体板２１は、誘電体板方向ＤＤに沿って互いに平行に伸びる。

誘電体板２１は追加的に、誘電体板方向ＤＤに対して垂直な誘電体ネットワーク方向ＤＲに沿って一方が他方に対して並置される。

「サブ波長ネットワーク」はここで再び、特に、例えばセシウム原子時計の場合に約９００ｎｍ未満の誘電体板を支持する基板の屈折率によって割られる、垂直入射で、レーザービーム５の波長未満の誘電体ネットワーク方向ＤＲに沿った空間周期によって誘電体板が、一方が他方に対して並置されることを意味すると理解される。

「ゼロ次誘電体ネットワーク」又は「ゼロ次格子」とは、それに関して誘電体板を分離する周期が十分に小さくて誘電体ネットワークが０次以外の伝播回折次数を生成しない、誘電体ネットワークを意味するように理解される。

このようなゼロ次誘電体ネットワークによって、入射レーザービームの横方向電気成分と横方向磁気成分との間の位相シフトが制御され得るので、出ていく光の偏光は、入ってくる光の偏光の関数である。

誘電体板２１は、例えば、ガラス又は窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）において実装される。

そのため、形態複屈折板１１は、例えば、ガラス板−若しくはウエハ−１９、例えば、その上に直線偏光子１０が形成されるガラス板−若しくはウエハ−１９、の上に窒化ケイ素層（Ｓｉ_３Ｎ_４）を堆積することによって形成され得る。

代わりに、形態複屈折板１１は、例えば、ガラス板−若しくはウエハ−１９、例えば、その上に直線偏光子１０が形成されるガラス板−若しくはウエハ−１９、のエッチングによってガラス（シリカ）で形成され得る。

説明のために純粋に提供される実施形態では、形態複屈折板１１は、５８０ｎｍの周期によって互いに分離された２７１０ｎｍの厚さを備える誘電体板２１を有するために形成されたガラス板−若しくはウエハ−１９のエッチングによって形成され、誘電体ネットワーク２０は、０．４６４の充填係数（幅／周期）を有する。従って、このようなネットワークのアスペクト比（厚さ／幅）は、約１０である。

説明のために純粋にまた提供される他の一つの実施形態では、形態複屈折板１１は、５８０ｎｍの周期によって互いに分離された誘電体板２１を有するために成形された５９８ｎｍの厚さを備える窒化ケイ素層を堆積することによって形成され、誘電体ネットワーク２０は、０．３３１の充填係数（幅／周期）を有する。従って、このようなネットワークのアスペクト比（厚さ／幅）は、約３である。

形態複屈折板１１、誘電体ネットワーク２０及び誘電体板２１の他のサイズが明瞭に考えられる。

形態複屈折板１１は、再帰反射器プリズム９の出口領域１３から下流に配されて、出口領域１３によって再帰反射器プリズム９を出るレーザービーム５ｄによって横断される。形態複屈折板１１は、成形されたレーザービーム５ｅを得るために上記出射レーザービーム５ｄを円偏光することが可能である。

このようなゼロ次誘電体ネットワークによって、入射レーザービームの横方向電気成分と横方向磁気成分との間の位相シフトが制御され得るので、離れる光の偏光は、入ってくる光の偏光に依存する。

実際、前述したように、このような誘電体ネットワーク２０によって、入射レーザービームの横方向電気成分と横方向磁気成分との間の位相シフトが制御され得るので、出ていく光の偏光は、入ってくる光の偏光の関数である。従って、誘電体ネットワーク２０は、異方性材料のようにふるまい、異方性は、材料の固有の特性からではなく、その表面上に実装される周期構造から生じ、屈折率を人為的に操作することに関して十分に小さい。

誘電体ネットワーク２０の寸法は、直線偏光を有する出射ビーム５ｄに関して、成形されたビーム５ｅの偏光が円であり、且つ例えば１．１未満の円偏光の楕円率を有するように決定される。このような偏光は、詳細に前述した誘電体ネットワーク２１例によって得られ得る。

誘電体ネットワーク２０の寸法を適応するために、有効媒質理論（ＥＭＴ）の方程式が例えば用いられ得る。この主題の上では、ｔｈｅ ｊｏｕｒｎａｌ Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ４２， ４９２−４９４ （１９８３）において現れたＤ． Ｃ． Ｆｌａｎｄｅｒｓによる文献“Ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ ｐｅｒｉｏｄｉｃｉｔｙ ｇｒａｔｉｎｇｓ ａｓ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｓ”における情報も参照されたい。

追加的に、形態複屈折板１１は、上記透過面１６において配されること、又は、上記透過面１６と接触するガラス板−若しくはウエハ−１９の上に形成されることのいずれかによって、再帰反射器プリズム９の透過面１６に面して配される。

そのため、例えば、直線偏光子１０及び形態複屈折板１１は、ガラス板−若しくはウエハ−１９の上で隣り合って配され得る。

図３に示されるように形態複屈折板１１の誘電体ネットワーク２０は、特に、誘電体板方向ＤＤ及び誘電体金属方向ＤＲによって形成される幾何学的平面の延長ＰＬにおいて伸び得、上記幾何学的平面の延長ＰＬが、透過面１６の幾何学的平面の延長Ｐ３に対して平行になる。

追加的に、誘電体ネットワーク２０の幾何学的平面の延長ＰＬは、金属製ネットワーク１７の幾何学的平面の延長ＰＰに対して平行であり得る。

より具体的には、誘電体ネットワーク２１の誘電体板方向ＤＤは、金属板方向ＤＭによって４５°の角度を形成し得る。

同様に、誘電体ネットワーク２１の誘電体ネットワーク方向ＤＲ及び誘電体板方向ＤＤが垂直であると仮定すると、誘電体ネットワークＤＲの方向は、金属板ＤＭの方向によって４５°の角度を形成し得る。

又は再び、金属板の通過方向ＤＰ及び金属ネットワーク１７の金属板方向ＤＭが垂直であると仮定すると、金属板の通過方向ＤＰは、誘電体ネットワークＤＲの方向又は誘電体板ＤＤの方向によって４５°の角度を形成し得る。

これらのように、成形されたレーザービーム５ｅは、円偏光され得る。

Claims (12)

1. レーザービーム発光レーザー（３）、並びに、成形されたレーザービーム（５ｅ）がその中に入ることができる気体で満たされたキャビティ（６）及びセルに入ったレーザービームを受け取る光検出器（４）を含むアルカリ性蒸気セル（２）、を備えることによって、原子時計、原子磁力計又は原子ジャイロメーター等の原子センサー（１）において含まれるように特に意図された、レーザービーム（５）成形デバイス（８）であって、
   前記成形デバイスは、入射レーザービーム（５ｂ）に関する入口領域（１２）、出射レーザービーム（５ｄ）に関する出口領域（１３）、及びまた、２つの内部レーザービーム（５ｃ）反射面（１４、１５）を含む再帰反射器プリズム（９）を含み、前記反射面が、その間で直角を形成し、
   前記成形デバイスが、
   前記入口領域によって前記再帰反射器プリズムに入るレーザービーム（５ｂ）によって横断され、且つ、前記入射レーザービームを直線偏光することが可能なように、前記再帰反射器プリズム（９）の前記入口領域（１２）から上流に配された直線偏光子（１０）と、
   前記出口領域によって前記再帰反射器プリズムを出て行くレーザービーム（５ｄ）によって横断され、且つ、成形されたレーザービーム（５ｅ）を得るために前記出射レーザービームを円偏光することが可能なように、前記再帰反射器プリズムの前記出口領域（１３）から下流に配された形態複屈折板（１１）と、をさらに含むことを特徴とする、デバイス。
2. 前記直線偏光子（１０）は、サブ波長金属ネットワーク（１７）を含み、前記直線偏光子の前記サブ波長金属ネットワークは、金属板方向（ＤＭ）に沿って互いに平行に伸び且つ前記金属板方向に対して垂直である前記金属ネットワーク（ＤＰ）の通過方向に沿って一方が他方に対して並置される複数の金属板（１８）を含む、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記金属ネットワーク（１７）の前記通過方向（ＤＰ）は、前記２つの反射面（１４、１５）の各々の幾何学的平面の延長（Ｐ１、Ｐ２）の間の交差（Ｉ）の方向に対して平行である、請求項２に記載のデバイス。
4. 前記形態複屈折板（１１）は、ゼロ次サブ波長誘電体ネットワーク（２０）を含み、前記形態複屈折板の前記ゼロ次サブ波長誘電体ネットワークは、誘電体板方向（ＤＤ）に沿って互いに平行に伸び且つ前記誘電体板方向に対して垂直である誘電体ネットワーク方向（ＤＲ）に沿って一方が他方に対して並置される複数の誘電体板（２１）を含む、請求項１から３の何れか一項に記載のデバイス。
5. 前記誘電体板方向（ＤＤ）は、前記金属板方向（ＤＭ）によって４５°の角度を形成する、請求項２から４の何れか一項に記載のデバイス。
6. 前記直線偏光子（１０）及び前記形態複屈折板（１１）は、ガラス板−若しくはウエハ−（１９）上で隣り合って配される、請求項１から５の何れか一項に記載のデバイス。
7. 前記再帰反射器プリズム（９）の前記入口領域（１２）及び前記出口領域（１３）は、再帰反射器プリズム透過面（１６）の２つの部分を形成し、前記直線偏光子（１０）及び前記形態複屈折板（１１）は、前記透過面（１６）に面して配され、前記透過面（１６）上に形成される又は前記透過面（１６）に面して配されるガラス板−若しくはウエハ−（１９）上に形成されるかのいずれかである、請求項１から６の何れか一項に記載のデバイス。
8. レーザービーム発光レーザー（３）、並びに、成形されたレーザービーム（５ｅ）がその中に入ることができる気体で満たされたキャビティ（６）及びセルに入ったレーザービームを受け取る光検出器（４）を含むアルカリ性蒸気セル（２）、を備えることによって原子時計、原子磁力計又は原子ジャイロメーター等の原子センサー（１）において含まれるように特に意図されて成形する、レーザービーム（５）に関するデバイス（８）の製造に関するプロセスであって、
   −再帰反射器プリズム（９）は、入射レーザービーム（５ｂ）に関する入口領域（１２）、出射レーザービーム（５ｄ）に関する出口領域（１３）、及びまた、２つの内部レーザービーム（５ｃ）反射面（１４、１５）を含んで配され、前記反射面が、その間で直角を形成し、
   −直線偏光子（１０）が形成され、入射レーザービーム（５ｂ）を直線偏光することが可能なように配され、前記入口領域によって前記再帰反射器プリズムに入るレーザービームによって横断されるように前記再帰反射器プリズムの前記入口領域（１２）から上流に配され、
   −形態複屈折板（１１）が形成され、出射レーザービーム（５ｄ）を円偏光することが可能なように配され、前記出口領域によって前記再帰反射器プリズムを出ていくレーザービームによって横断されるように前記再帰反射器プリズムの前記出口領域（１３）から下流に配される、プロセス。
9. 前記直線偏光子（１０）は、ガラス板−若しくはウエハ−（１９）上に金属層を堆積することによって形成され；且つ
   前記形態複屈折板（１１）は、前記ガラス板−若しくはウエハ−上で、誘電体材料の層を堆積することによって、又は、前記ガラス板−若しくはウエハ−をエッチングすることによってのいずれかで、前記ガラス板−若しくはウエハ−（１９）上に形成され；
   前記直線偏光子（１０）は、前記再帰反射器プリズムの前記入口領域（１２）から上流に配され、前記形態複屈折板（１１）は、前記再帰反射器プリズム（９）の透過面（１６）に面して前記ガラス板−若しくはウエハ−（１９）を配することによって、前記再帰反射器プリズム（９）の前記出口領域（１３）から下流に配され、前記再帰反射器プリズムの前記入口領域（１２）及び前記出口領域（１３）は、前記透過面（１６）の２つの部分を形成する、請求項８に記載のプロセス。
10. 前記直線偏光子（１０）は、形成され、前記再帰反射器プリズム（９）の透過面（１６）上に、金属材料の層を堆積することによって前記再帰反射器プリズム（９）の前記入口領域（１２）から上流に配され、前記再帰反射器プリズム（９）の前記入口領域（１２）は、前記透過面（１６）の一部を形成し；
    前記形態複屈折板（１１）は、形成され、前記再帰反射器プリズム（９）の前記透過面（１６）上に、誘電体材料の層を堆積することであって、前記再帰反射器プリズムの前記出口領域（１３）が前記透過面（１６）の一部を形成することによって、又は、前記透過面（１６）のエッチングによってのいずれかで、前記再帰反射器プリズム（９）の前記出口領域（１３）から下流に配される、請求項８に記載のプロセス。
11. レーザービーム発光レーザー（３）、並びに、成形されたレーザービーム（５ｅ）がその中に入ることができる気体によって満たされたキャビティ（６）及び前記セルに入ったレーザービーム（５）を受け取るための光検出器（４）を含むアルカリ性蒸気セル（２）を備えた、請求項１から７の何れか一項に記載のレーザービーム（５）を成形するためのデバイス（８）を含む、原子センサー（１）。
12. 前記発光レーザー（３）によって放出されたレーザービーム（５）の好ましい偏光の方向（ＤＬ）が、前記直線偏光子（１０）金属ネットワーク（１７）の通過方向（ＤＰ）と実質的に整列される、請求項１１に記載の原子センサー（１）。

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