KR20160065095A

KR20160065095A - 광학 요소들을 구비한 양극 방식으로 접합된 셀

Info

Publication number: KR20160065095A
Application number: KR1020167007604A
Authority: KR
Inventors: 네지흐 듀럴; 마이클 브이. 로말리스
Original assignee: 트러스티스 오브 프린스턴 유니버시티
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-06-08
Also published as: US20170023761A1; CA2918100A1; IL243694B; CA2918100C; JP2016540258A; WO2015048574A1; US10345548B2; IL243694A0

Abstract

본 발명은 유리를 포함하는 적어도 하나의 광학 요소, 실리콘을 포함하는 적어도 하나의 지지부, 및 유리를 포함하는 하우징을 포함하는 광학 장치를 제공한다. 또한, 적어도 하나의 광학 요소와 적어도 하나의 지지부는 함께 양극 방식으로 접합될 수 있고, 적어도 하나의 지지부와 하우징은 함께 양극 방식으로 접합될 수 있다. 본 발명은 또한 내구적인 접합을 갖는 광학 구성요소들을 제조하고 능동 정렬을 갖는 광학 구성요소들을 제조하기 위한 방법을 제공한다.

Description

광학 요소들을 구비한 양극 방식으로 접합된 셀{ANODICALLY BONDED CELLS WITH OPTICAL ELEMENTS}

우선권

본 출원은 그 전체에 있어서 참조에 의해 본원에 통합되는 2013년 9월 27일자 출원된 미국 특허 가출원 제61/883,222호에 대해 우선권을 주장한다.

연방 정부 후원 연구 또는 개발에 관한 정책

본 발명은 미국 공군/공군 연구소에 의해 부여된 Grant #FA8650-09-1-7943에 따라서 미국 정부의 지원으로 만들어졌다. 미국 정부는 본 발명에서 일정한 권리를 가진다.

본 발명은 정렬된 광학 요소들을 사용하는 시스템, 및 광학 요소들의 정렬에 관한 방법에 관한 것이다.

많은 용용물에서, 안정하고 제조가 용이하며, 거친 화학 및 열 환경에서 동작할 수 있는 광학 조립체들을 생성하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 알칼리 금속 증기(alkali-metal vapor)의 존재시에 동작할 수 있고 정렬 변화없이 200℃까지 가열될 수 있는 광학 조립체들을 가지는 것이 필요하다. 진공 호환성이며 낮은 탈가스 특성을 가지는 광학 조립체들을 가지는 것이 또한 필요하다. 도 1은 종래의 멀티패스 셀(100)(multi-pass cell)을 도시한다. 멀티패스 셀(100)은 기밀하게 밀봉되며, 알칼리 금속 증기(102)이 충전될 수 있다. 멀티패스 셀(100)은 2개의 원통형 미러(130 및 140)들을 사용하여 만들어질 수 있다. 하나의 미러(대체로 전방 미러(130))는 빔(레어저 원(190)으로부터의 레이저 빔(195)과 같은)의 진입 및 퇴장을 허용하기 위하여 미러의 중앙에 있는 구멍 또는 개구(132)를 가질 수 있다. 제2 미러는 후방 미러(140)를 포함할 수 있다. 2개의 미러(130 및 140)들의 곡률좌표 축들(curvature axes)은 서로에 대해 특정 각도로 배향될 수 있으며, 미러(130 및 140)들 사이의 거리는 미러(130)들 사이에 멀티패스 빔 패턴을 허용하도록 정확하게 설정될 수 있다. 광학 윈도우를 통과하는 광과 관련된 손실을 제거하도록 진공 밀봉 인클로저 내부에 두 미러(130 및 140)들을 배치하는 것이 유익할 수 있다.

그러나, 상기된 온도 범위에 걸쳐서 알칼리 금속 증기를 사용한 결과는 광학 요소(130 및 140)들을 장착하는 접착제의 사용을 크게 배제할 수 있다. 또한, 다양한 광학 접촉 기술들이 광학 요소(130 및 140)들을 장착하는데 사용될 수 있지만, 이러한 광학 접촉 기술들은 원자 레벨의 폴리싱 및 평탄도를 요구할 수 있으며, 그래서 실시하는데 비용이 많이 들 수 있다.

양극 접합(anodic bonding)을 사용하는 시스템 및 방법이 제공된다. 양극 접합은 상당히 튼튼한 기술일 수 있으며, 표면 준비시에 엄중한 요구를 주문하지 않는다.

실시예에 따라서, 본 발명은 미러들, 렌즈들, 프리즘들 등과 같은 내부 광학 요소들을 포함할 수 있는 유리 셀(glass cell)들, 및 이를 제조하는 공정들을 기술한다. 실시예에 따라서, 유리 셀들은 기밀하게 밀봉되는 것과 같은 몇몇 요구들을 만족시키고 정밀한 정렬을 갖는 광학 요소들을 포함하도록 구성되며, 장기간의 시간 기간 동안 고온에서 알칼리 금속 증기와 같은 화학 반응 물질들(가스 또는 액체)에 견디도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 유리 셀들은 오염물이 없는 것이 바람직한 임의의 물질(가스 또는 액체)을 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 셀들 및/또는 요소들을 제조하는 방법에 관한 특정 실시예들은 이러한 환경(제한없이 알칼리 금속 또는 다른 화학 반응 환경과 같은)에서 동작하기 위하여 고품질 광학 표면을 요구하지 않는다.

본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 양극 접합은 상승된 온도에서 전기장을 인가하는 것에 의해 유리(PYREX 또는 실리콘의 열팽창계수에 일치하는 열팽창계수를 가지는 다른 적절한 붕규산 유리와 같은)에 실리콘을 접합하는 공정이다. 능동 정렬(active alignment)(레이저를 사용하는 것에 의한 것과 같은)을 갖는 광학 구조물, 시스템 및 장치를 제조하고, 그런 다음 양극 접합을 사용하여 특정 광학 구성요소들 및 다른 구조물들에 고정하기 위한 공정이 개시된다. 본 명세서에서, 고온 알칼리 금속 증기 또는 다른 화학 반응 환경(가스상 또는 액체상을 포함할 수 있는)에 견딜 수 있는 기밀성 구조물(hermetic structure)을 만드는 것을 허용할 수 있는 공정 및 구조들이 본 명세서에 개시된다. 또한, 기밀성 구조들은 오염물이 없는 것이 바람직한 물질(가스 또는 액체)를 포함하도록 사용될 수 있다.

한 실시예에서, 광학 요소들은 미세 위치 조절을 허용하는 고정 디바이스에서 홀딩될 수 있으며, 레이저를 사용하여 서로에 대해 정렬될 수 있다. 광학 요소들은 그런 다음 한쪽 측부에서 왁스로 주문형 척(custom chuck)에서 홀딩될 수 있다. 이러한 방식으로, 광학 요소들의 일부는 다이몬드 휠에 의해 절단 또는 제거되고 폴리싱될 수 있다. 제거된 부분은 양극 접합을 위한 사전 정렬된 표면을 생성할 수 있다. 광학 요소들은 그런 다음 왁스를 녹이는 것에 의해 주문형 척으로부터 제거될 수 있다. 광학 요소들 중 하나는 그런 다음 실리콘의 기판(예를 들어, 실리콘 웨이퍼)에 양극 방식으로 접합될 수 있다. 광학 요소들은 그런 다음 고정 디바이스에 다시 배치될 수 있으며, 제2 광학 요소는 레이저를 사용하여 제1 광학 요소에 대해 정렬될 수 있다. 제2 광학 요소는 그런 다음 실리콘 기판에 기계적으로 클램핑되고 양극 방식으로 접합될 수 있다. 실리콘 기판과 유리 광학 요소들의 결과적인 구조는 그런 다음 기밀한 구조를 만들도록 유리 셀 내로 양극 방식으로 접합될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 광학 요소의 배면은 보다 큰(즉, 예를 들어 보다 큰 단면을 가지는) 실리콘 디스크에 접합될 수 있다. 광학 요소를 지나서 연장하는 실리콘 디스크(실리콘 웨이퍼와 같은)의 가장자리들은 광학 요소가 유리 튜브 내부에 있도록 유리 튜브의 노출된 가장자리들에 양극 방식으로 접합될 수 있다. 제2 광학 요소는 능동적으로 정렬되고(예를 들어, 레이저를 사용하여), 제2 실리콘 디스크(다시 보다 큰 단면을 가지는 실리콘 웨이퍼와 같은)에 양극 방식으로 접합될 수 있으며, 결과적인 구조는 유리 튜브의 노출된 반대편 단부에 양극 방식으로 접합되고, 그러므로 내부에 2개의 정렬된 광학 요소들을 갖는 기밀한 구조를 제공한다.

실리콘 구조물들에 양극 방식으로 접합하는데 적절한 유리 구조물들은 PYREX 유리, 또는 실리콘의 열팽창계수에 일치하는 열팽창계수를 가진 다른 적절한 붕규산 유리를 포함할 수 있다. 바람직하게, 유리 광학 요소들 상에 존재할 수 있는 코팅들은 양극 접합 동안 250℃의 온도에 견디도록 구성되어야 한다.

본 발명에 따라서, 공정은 내부 광학 구성요소들을 가진 밀봉된 유리 셀들을 만들기 위하여 상업화될 수 있다. 응용물들은 멀티패스 셀들에 의한 자력 측정(magnetometry)을 포함할 수 있다. "온-칩" 응용물들과 같은 다른 응용물들은 적절한 스케일링으로 본 발명에 따라서 제조될 수 있다.

한 양태에서, 본 발명은 유리를 포함하는 적어도 하나의 광학 요소, 실리콘을 포함하는 적어도 하나의 지지부, 및 유리를 포함하는 하우징을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다. 또한, 적어도 하나의 광학 요소와 적어도 하나의 지지부는 함께 양극 방식으로 접합될 수 있다. 또한 여전히, 적어도 하나의 지지부와 하우징은 함께 양극 방식으로 접합될 수 있다.

추가의 양태에서, 본 발명은 내구적인 접합을 갖는 광학 구성요소들을 제공하는 방법에 관한 것이다. 방법은 유리를 포함하는 적어도 하나의 광학 요소를 제공하는 단계, 및 실리콘을 포함하는 적어도 하나의 지지부를 제공하는 단계, 유리를 포함하는 하우징을 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 광학 요소와 적어도 하나의 지지부는 함께 양극 방식으로 접합될 수 있으며, 적어도 하나의 지지부와 하우징은 함께 양극 방식으로 접합될 수 있다.

본 발명에 따른 추가의 양태에서, 유리는 붕규산 유리일 수 있으며, 적어도 하나의 광학 요소는 미러일 수 있다. 또한 여전히, 유리는 PYREX를 포함할 수 있다. 또한, 적어도 하나의 광학 요소는 렌즈와 프리즘으로 이루어진 세트로부터 선택된다.

추가의 실시예에 따라서, 장치 또는 방법은 유리를 포함하는 제2 광학 요소를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 또한 여전히, 제2 광학 요소와 적어도 하나의 지지부는 함께 양극 방식으로 접합될 수 있다.

추가의 실시예들에서, 적어도 하나의 광학 요소는 레이저 빔의 진입 및 퇴장을 위한 개구를 구비한 미러일 수 있으며, 제2 광학 요소는 반사 방지 코팅을 갖는 윈도우일 수 있다. 또한 여전히, 적어도 하나의 광학 요소는 레이저 빔의 진입 및 퇴장을 위한 개구를 갖는 미러일 수 있으며, 제2 광학 요소는 미러, 렌즈, 또는 프리즘일 수 있다.

추가의 실시예들에서, 적어도 하나의 광학 요소와 제2 광학 요소는 멀티패스 캐비티를 한정할 수 있다. 또한 여전히, 하우징은 셀을 포함할 수 있으며, 하우징은 셀을 비우고 제한없이 알칼리 금속 증기와 같은 화학 반응 물질(액체 또는 가스)로 셀을 충전하기 위하여 진공 시스템과 결합하도록 구성될 수 있다.

또한 여전히, 지지부는 지지부의 한쪽 측부에서 및 상기 측부의 주변 주위에서 하우징에 양극 방식으로 접합될 수 있으며, 측부의 내부 부분은 적어도 하나의 광학 요소에 접합될 수 있다. 또한, 지지부는 지지부의 한쪽 측부에서 하우징에 양극 방식으로 접합될 수 있고, 적어도 하나의 광학 요소는 지지부의 반대편 측부에 양극 방식으로 접합될 수 있다.

또한 여전히, 유리를 포함하는 제2 광학 요소를 제공하는 단계는 적어도 하나의 광학 요소와 제2 광학 요소를 능동적으로 정렬하는 단계를 포함할 수 있다. 추가의 특징 및 이점들은 개시된 실시예들의 설명 및 실시에 의해 학습되는 다음의 설명에서 부분적으로 제시될 것이다. 추가의 특징 및 이점들은 특히 첨부된 청구항들에서 주목되는 요소들 및 조합들의 수단에 이해 실현되고 달성될 것이다.

상기된 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두가 단지 예시적이고, 청구된 바와 같은 실시예의 범위를 한정하지 않는다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

본 명세서에 통합되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 실시예들을 예시하고 상세한 설명과 함께 개시된 개시된 실시예들의 특징, 이점 및 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 종래의 멀티패스 셀을 도시한 도면;
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 분해도;
도 3 내지 도 5는 도 2에 따른 실시예를 제조하는 것과 관련된 다양한 공정을 도시한 도면;
도 6 내지 도 12는 도 13의 실시예를 제조하는 것과 관련된 다양한 공정을 도시한 도면;
도 13은 본 발명에 따른 또 다른 실시예를 도시한 도면; 및
도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 제조 공정 및 결과적인 추가의 실시예(도 15)를 도시한 도면.

그 특징들이 첨부 도면에 예시되어 있는 하나 이상의 실시예에 대한 참조가 지금 상세하게 설명될 것이다. 가능하면, 동일한 도면 부호는 동일 또는 같은 부분을 인용하도록 도면 전반에 걸쳐 사용될 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 멀티패스 셀(200)의 한 실시예의 분해도를 도시한다. 개구(232)를 구비한 전방 미러(230), 전방 실리콘 디스크(235), 진입 윈도우(250), 원통형 유리 셀(210), 후방 미러(240) 및 후방 실리콘 디스크(245)가 도 2에 도시된다. 본 발명에 따라서, 전방 미러(230)와 후방 미러(240)의 배면들(즉, 유리 셀(210)의 내부로부터 멀리 향하는 전방 미러(230)와 후방 미러(240)의 측부들)은 632 nm에서 λ/2이거나 또는 더 양호하게 폴리싱될 수 있으며, 스크래치-디그(scratch-dig)는 40-20이거나 또는 더 양호할 수 있다.

전방 미러(230)는 대체로 진입 및 퇴장 빔을 위한 구멍 또는 개구(232)를 가질 수 있다. 본 발명에 따라서, 각각의 미러(203 및 240)는 각각의 실리콘 웨이퍼가 원통형 유리 셀(210)의 지름과 동일하거나 이보다 큰 지름을 가지도록 그 배면에 접합된 실리콘 웨이퍼를 가질 수 있다. 본원에 개시된 바와 같이, 각 실리콘 웨이퍼(실리콘 디스크(235) 및 실리콘 디스크(245)와 같은)는 전방 미러(230)와 후방 미러(240)에 대해 다르게 준비될 수 있다. 예를 들어, 구멍이 진입 및 퇴장 빔을 위하여 이용 가능한 경우에, 구멍은 전방 실리콘 디스크(235) 상에서 개방될 수 있다. 전방 실리콘 디스크(235) 상의 구멍의 크기는 진입 윈도우(250) 상의 표면 반사 방지("AR") 코팅 영역만큼 클 수 있다. 진입 윈도우(250)는 전방 디스크(250)에 있는 구멍과 개구(232)와 관련된 윈도우(250)의 중앙 영역의 양측부 상의 AR 코팅을 포함할 수 있다. AR 코팅된 진입 윈도우(250)의 표면 평탄도는 632nm에서 λ/2일 수 있으며, 스크래치-디그는 40-20일 수 있다. 도 2의 실시예에 따라서, 진입 윈도우(250)는 전방 실리콘 디스크(235)와 관련된 외부 가장자리(또는 주변)로부터 환상 영역(이는 가장자리로부터 2-3㎜의 환상 영역일 수 있다)에서 코팅되지 않을 수 있다. 진입 윈도우(250)의 이러한 주변 지역은 코팅되지 않고 남아 있을 수 있어서, 환상의 노출된 유리 지역은 전방 실리콘 디스크(235)과 양극 접합을 위해 이용할 수 있다. 전방 미러(230), 후방 미러(240), 및 원통형 유리 셀(210)은 PYREX 유리(또는 다른 적절한 붕규산 유리)를 포함할 수 있으며, 각각의 실리콘 디스크(235)와 실리콘 디스크(245)의 열팽창계수("CTE")는 PYREX 유리의 CTE에 일치할 수 있어서, 고온에서 양극 접합 구성요소들에 응력이 없다.

양극 접합 전에, 전방 미러(230)와 후방 미러(240)의 배면들, 실리콘 디스크들과 접합하도록 의도된 원통형 유리 셀(210)의 부분들, 및 진입 윈도우(250)의 환상 지역은 RCA 산 조(RCA acid bath) 또는 PIRANHA 용액으로 세정될 수 있다.

상기된 바와 같이, 전방 미러(230)는 진입 및 퇴장 빔을 위한 개구(232)를 가질 수 있다. 또한, 본 발명에 따라서, 전방 미러(230)의 배면측에서 개구(232)의 개방은 전방 미러(230)의 만곡 측부 상의 대응하는 개방보다 훨씬 클 수 있다. 이러한 구성은 큰 각도로 입력 빔의 용이한 투입을 허용할 수 있다. 전방 미러(230)와 전방 실리콘 디스크(235)을 세정한 후에, 양극 접합은 클린 룸 또는 먼지가 없는 환경에서 구성 요소들에 적용될 수 있어서, 전방 미러(230)와 전방 실리콘 디스크(235)는 도 3에 도시된 바와 같이 접합된다. 후방 실리콘 디스크(245)는 중앙 구멍을 가질 필요가 없다. 전방 실리콘 디스크(235)가 전방 미러(230)의 배면에 양극 방식으로 접합된 후에, 진입 윈도우(250)의 비중앙의 환상 지역은 진입 윈도우(250)와 전방 미러(230)를 함께 홀딩하기 위하여 전방 실리콘 디스크(235)에 양극 방식으로 접합될 수 있다.

본 발명에 따라서, 후방 미러(240)와 후방 실리콘 디스크(245)는 전방 미러(230)와 전방 실리콘 디스크(235)에 대하여 상기된 방식으로 함께 양극 방식으로 접합될 수 있다. 또한, 추가의 미코팅된 PYREX 윈도우(도시되지 않음) 또는 다른 적절한 붕규산 유리 윈도우는 실리콘 디스크(245)의 노출된(배면) 측부에 접합될 수 있다. 이러한 추가의 윈도우는 멀티패스 셀(200)에 대한 구조적 지지를 제공할 수 있다(예를 들어, 제한 없이).

전방 미러(230), 진입 윈도우(250), 및 전방 실리콘 디스크(235)의 접합된 조합 및 후방 미러(240)와 후방 실리콘 디스크(245)의 접합된 조합은 멀티패스 캐비티의 동작에 필요한 회전 각도 및 거리를 설정하기 위하여 광학 정렬 스테이지들에 배치될 수 있다. 예를 들어, 전방 미러(230)는 틸트 메커니즘(tilt mechanism)을 가진 회전 스테이지가 구성될 수 있고, 후방 미러(240)는 틸트 메커니즘을 가진 회전 스테이지가 구성될 수 있으며, 두 미러들(즉, 전방 미러(230)와 후방 미러(240))을 위치시키는데 필요한 자유도를 허용하도록 모두 병진 스테이지(translation stage) 상에 구성된다. 광학 정렬 스테이지 상의 미러들 사이에 필요한 빔 패턴 및 빔 패스 수를 가지도록 전방 미러(230)와 후방 미러(240)를 구성한 후에, 거리는 전방 미러(230)의 배면으로부터 후방 미러(240)의 배면까지 측정될 수 있다. 이 거리는 한쪽 단부로부터 다른쪽 단부까지의 원통형 유리 셀(210)의 길이일 것이다. 거리 측정은 ± 3미크론의 허용오차로 행해질 수 있다. 추가하여, 전방 미러(230)와 후방 미러(240)가 조립된 멀티패스 셀(200)에서 정확하게 배향되는 것을 추후에 보장하는 목적을 위하여, 배향 마크들이 광학 정렬 스테이지에 고정되는 동안 전방 미러(230)의 후방 미러(240)의 가장자리들 상에 배치될 수 있다.

원통형 유리 셀(210)은 완료된 멀티패스 셀(200)을 비우고 알칼리 금속 증기로 충전하기 위하여 진공 시스템(도시되지 않음)에 연결된 스템(220)(stem)이 구성될 수 있다. 스템(220)은 유리 불기(glass blowing) 기술들을 사용하여 원통형 유리 셀(210)에 부착될 수 있다. 스템(220)으로 원통형 유리 셀(210)을 구성한 후에, 원통형 유리 셀(210)은 양쪽 단부들로부터 절단될 수 있어서, 멀티패스 셀(200)의 요구된 거리(즉 위에서 측정된 거리)를 보인다.

후속의 그라인딩 및 폴리싱을 참작하기 위하여, 원통형 유리 셀(210)의 양쪽 단부들은 0.5 ㎜의 추가의 잉여 길이를 가지도록 구성될 수 있다. 또한, 원통형 유리 셀(210)의 양쪽 단부들은 전방 실리콘 디스크(235)과 후방 실리콘 디스크(245)에 양극 방식으로 접합될 수 있도록 폴리싱될 수 있다(전방 및 후방 디스크(235 및 245)들 모두가 이미 전방 미러(230)와 후방 미러(240)에 양극 방식으로 접합된 경우에). 표면 다듬질은 632nm에서 λ/2보다 양호할 수 있다. 스크래치-디그는 폴리싱 후에 양 단부면들에서 10-5일 수 있다.

그라인딩 및 폴리싱 공정이 완료된 후에, 원통형 유리 셀(210)은 ± 10 미크론의 허용오차로 이전에 측정된 거리를 보일 수 있다. 또한, 두 단부들 사이의 유사성은 바람직하게 ± 1분 이하의 허용오차를 보일 수 있다.

멀티패스 셀(200)의 조립을 완료하도록, 진입 윈도우(250), 전방 실리콘 디스크(235), 및 전방 미러(230)의 조합은 원통형 유리 셀(210)의 한쪽 단부에 양극 방식으로 접합될 수 있다. 특히, 전방 미러(230)의 지름이 전방 실리콘 디스크(235)의 지름보다 작기 때문에, 원통형 유리 셀(210)의 가장자리에 전방 실리콘 디스크(235)를 양극 방식으로 접합하도록 전방 실리콘 디스크(235) 상에 충분한 환상 영역이 있을 수 있다. 또한, 전방 미러(230)에 대한 원통형 유리 셀(210)의 상대적인 배향은 전방 미러(230)의 가장자리 상에 이전에 배치된 마크(앞에서 설명됨)를 검사하는 것에 의해 결정 및/또는 고정될 수 있다. 원통형 유리 셀(210)와 함께 전방 미러(230)를 배향하고 집중시킨 후에, 양극 접합은 전방 실리콘 디스크(235)와 원통형 유리 셀(210)을 접합하고 멀티패스 셀(200)의 한쪽 단부를 진공 밀봉하도록 적용될 수 있다. 이러한 것은 도 3에 도시된다.

후방 미러(240)와 후방 실리콘 디스크(245)의 접합된 조합은 전방 미러(230)(원통형 유리 셀(210)에 양극 방식으로 접합된)에 대해 정렬되고 배향될 수 있다. 예를 들어, 전방 미러(230)와 원통형 유리 셀(210)의 접합된 조합은 임의의 적절한 기계식 조립 공구로 위치되고 홀딩될 수 있으며, 공구는 후방 미러(240)와 후방 실리콘 디스크(245)의 접합된 조합을 클램핑하도록 또한 사용될 수 있다. 예를 들어, 후방 미러(240)와 후방 실리콘 디스크(245)의 접합된 조합은 회전 마운트 상에 장착되고, 그런 다음 XY 병진 스테이지 상에 장착될 수 있다. 또한, 후방 실리콘 디스크(245)는 원통형 유리 튜브(210)의 개방 단부를 향해 위치될 수 있다. 따라서, 후방 미러(240)와 후방 실리콘 디스크(245)의 접합된 조합은 능동형 광학 정렬 스테이지 상에서 설계된 빔 패턴 및 빔 패스 수를 제공하도록 전체로서 시스템을 구성하기 위하여 전방 미러(230)에 대해 집중되고 회전될 수 있다. 이러한 능동 정렬은 도 4에 도시되어 있다. 원통형 유리 튜브(210)가 전방 미러(230)와 후방 미러(240)의 두께를 포함하는 설계된 멀티패스 캐비티의 전체 길이(멀티패스 셀(200)의 길이를 통한)를 제공하도록 이미 구성되어 있기 때문에, 설계된 빔 패턴 및 빔 패스 수는 후방 미러(240)를 회전시키고 집중시키는 것에 의해 제어될 수 있다. 설계된 멀티패스 빔 패턴을 제공하기 위하여 후방 미러(240)의 정렬을 완료한 후에, 클램핑 메커니즘은 전방 미러(230)에 대해 정렬됨에 따라서 적소에서 후방 미러(240)를 홀딩하도록 사용될 수 있다. 따라서, 후방 실리콘 디스크(245)는 그런 다음 클램핑 메커니즘을 해제함이 없이 원통형 유리 셀(210)에 양극 방식으로 접합될 수 있다.

후방 실리콘 디스크(245)와 원통형 유리 셀(210) 사이의 양극 접합을 완료한 후에, 후방 미러(240)(및 멀티패스 셀(200))는 클램핑 메커니즘으로부터 해제될 수 있다. 완료된 멀티패스 셀(200)이 도 5에 도시되어 있다.

원통형 유리 셀(210), 전방 실리콘 디스크(235)(진입 윈도우(250)를 포함하는), 및 후방 실리콘 디스크(345) 사이의 양극 접합은 진공 밀착 봉입 셀을 제공한다. 진공 누설 테스트는 적절한 양극 접합을 검증하도록 스템(220)으로부터 적용될 수 있다. 멀티패스 셀(200)은 비워지고 알칼리 금속 증기(또는 다른 화학 반응 물질, 또는 오염물이 없는 것이 바람직한 물질)가 충전될 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예는 도 6에 도시된 정렬 공정으로 시작할 수 있다. 예를 들어, 전방 미러(630)(개구(632)를 포함하는)와 후방 미러(640)는, 설계된 빔 패스 수를 제공하고 캐비티에 빔 패턴을 제공하기 위하여 광학 정렬 스테이지(660) 상에 장착될 수 있다. 회전 및 틸트 스테이지(660-1)는 전방 미러(630)에 회전 및 틸트를 제공할 수 있으며, 회전 및 틸트 스테이지(660-2)는 후방 미러(640)에 회전 및 틸트를 제공할 수 있다. 또한, 병진 스테이지(도시되지 않음)는 방향(662)을 따르는 후방 미러(640)에 대한 병진 제어를 제공할 수 있다.

정렬이 완료된 후에, 전방 미러(630)와 후방 미러(640)는 설계된 빔 패턴 및 설계된 캐비티의 측정된 출력 파워를 방해함이 없이 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같은 V-그루브 알루미늄 블록(770) 상에 고정될 수 있다. 다음에 설명되는 바와 같이, 고온 왁스(도시되지 않음)는 출력 빔 파워를 방해함이 없이 캐비티 구성을 유지하도록 사용될 수 있다.

예를 들어, V-블록(770)은 V-블록(770) 상에서 왁스를 녹이기 위하여 왁스 용융 온도로 가열될 수 있다. 용용된 왁스가 준비되었을 때, V-블록(770)은 미러들을 터치하도록(캐비티의 저부로부터) 움직일 수 있다(방향(735)으로). 바람직하게, 왁스의 양은 약 1-2 ㎜까지 미러들의 저부 가장자리를 덮는데 충분할 수 있다. V-블록(770)에 있는 그루브의 측부들은 또한 전방 미러(630)의 가장자리와 후방 미러(640)로부터 설계된 캐비티를 홀딩하기 위하여 왁스를 가질 수 있다. 왁스가 냉각함에 따라서, 전방 미러(630)와 후방 미러(640)는 V-블록(770)에서 홀딩될 수 있다. 왁스와 V-블록(770)이 실온에 도달할 때, 전방 미러(630)와 후방 미러(640)는 광학 정렬 스테이지(660) 상의 그 마운트들로부터 해제될 수 있다. 이 시점에서 V-블록(770)은 그 위에 멀티패스 캐비티 구성을 가질 것이다.

실리콘 기판에 접합하기 위하여 전방 미러(630)와 후방 미러(840)를 준비하도록, 전방 미러(630)와 후방 미러(640)는 미러들의 상부 가장자리로부터 다이아몬드 회전톱으로 절단될 수 있다. 예를 들어, 각각의 전방 미러(630)와 후방 미러(640)는 도 8에 도시된 바와 같이 그라인딩 및 폴리싱을 위하여 2-3 ㎟ 평탄 영역을 제공하도록 절단될 수 있다. 전방 미러(830)는 절단 후에 실리콘 기판에 접합하기 위한 평탄부(885)를 제공한다. 유사하게, 후방 미러(840)는 절단 후에 실리콘 기판에 접합하기 위한 평탄부(886)를 제공한다. 따라서, 전방 미러(830)의 부분(885)은 평탄 실리콘 기판 표면에 기초하여 접합될 수 있으며, 후방 미러(840)의 부분(886)은 평탄 실리콘 기판 표면에 기초하여 접합될 수 있다.

전방 미러(830)와 후방 미러(840)의 코팅된 표면들은 그라인딩 및 폴리싱 동안 보호될 수 있다. 부분(885 및 886)들의 표면 평탄도 및 평탄화된 가장자리 표면의 품질은 각각 λ/2보다 양호하고 60-40 스크래치-디그이거나 이보다 양호할 수 있다.

이전에 설명된 그라인딩, 폴리싱, 및 세정 후에, 전방 미러(830)와 후방 미러(840)는 평탄한 실리콘 기판에 양극 방식으로 접합될 수 있다. 도 9에 도시된 실리콘 기판(935)은 전방 미러(830)와 후방 미러(840)를 모두 홀딩하도록 구성될 수 있고, 설계된 캐비티 길이보다 2-3 ㎜ 길도록 구성될 수 있으며, 실리콘 기판(935)의 폭은 전방 미러(830) 및 후방 미러(840)의 지름들보다 2-3 ㎜ 짧을 수 있다.

바람직하게, 양극 접합은 한번에 하나의 미러에 적용될 수 있다. 그리고 바람직하게, 전방 미러(830)는 먼저 도 9에 도시된 바와 같이 실리콘 기판(935) 상에 접합될 수 있다. 전방 미러(830)가 실리콘 기판(935)에 접합된 후에, 접합된 전방 미러(830)와 실리콘 기판(935)은 후방 미러(840)를 위한 클램핑 메커니즘(1074)을 포함할 수 있는 기계적 조립체(1000) 상에 장착될 수 있다. 바람직하게, 후방 미러(840)는 그 평탄부(886) 상에서 좌우로 틸팅되도록 연장 포스트(진공 홀더(1076)를 구비하는 것과 같은)에 의해 각도계에 홀딩될 수 있다. 각도계는 실리콘 기판(935) 상에 후방 미러(840)를 배치하도록 X, Y, Z 스테이지들 상에 장착될 수 있다. 따라서, 화살표(1077)들로 지시된 3개의 모든 자유도들이 이용 가능하다. 설계된 멀티패스 빔 패턴 및 빔 패스 수는 각각 전방 미러(830)와 후방 미러(840)의 평탄부(885 및 886)들의 배향에 의해 미리 결정된다. 전방 미러(830)가 실리콘 기판(935)에 이미 양극 방식으로 접합되어 있기 때문에, 멀티패스 패턴은 캐비티 길이에 대응하는 거리에서 후방 미러(840)를 틸팅하는 것에 의해 실현될 수 있다. 캐비티 길이는 Z(수평) 병진 스테이지(도시되지 않음)를 사용하여 조절될 수 있다. 출력 빔 파워와 멀티패스 패턴이 이전에 설정된 바와 같이 정렬될 때(도 10 참조), 후방 미러(840)는 클램핑 메커니즘(1074)을 사용하여 실리콘 기판(935) 상에 클램핑될 수 있어서, 후방 미러(840)는 전방 미러(830)(클램핑 메커니즘(1072)에 의해 홀딩된)와 함께 홀딩된다.

기계적 조립체(1000)는 금속 베이스(1070)와, 전기적으로 절연된 포스트들(클램핑 메커니즘(1072 및 1074)들의 부분들인)을 포함할 수 있다. 스프링 장전 스크루(1073 및 1075)들은 전기적으로 절연된 포스트들 내에서 전방 미러(830)와 후방 미러(840)를 고정하도록 사용될 수 있다. 전기적으로 절연된 포스트들은 세라믹 재료(예를 들어)를 포함할 수 있다.

후방 미러(840)는 바람직하게 연장 포스트(1076)로부터 지금 취해질 수 있다. 기계적 조립체(1000)는 지금 전방 미러(830)를 운반하고 실리콘 기판(935) 상에 후방 미러(840)를 클램핑한다. 양극 접합은 지금 클램핑된 후방 미러(840)에 적용될 수 있는 한편, 구성은 기계적 조립 공구 상에 있다. 양극 접합이 후방 미러(840)와 실리콘 기판(935) 사이에 적용된 후에, 설계된 멀티패스 캐비티는 실리콘 기판(935) 상에 고정되어 접합된다. 이러한 것은 도 11에 도시되어 있다.

도 11의 고정된 멀티패스 캐비티(1100)는 다음에 도 12의 직사각형 유리 셀(1210)과 같은 직사각형 유리 셀의 베이스 상에 접합될 수 있다. 상기된 바와 같이, 직사각형 유리 셀(1210)은 스템(1220)을 가질 수 있다. 다시, 직사각형 유리 셀(1210)의 양쪽 단부들은 도 2 내지 도 5를 참조하여 이전에 설명된 바와 같이 폴리싱될 수 있다.

직사각형 유리 셀(1210)의 양쪽 단부들이 양극 접합을 위해 준비된 후에, 고정된 멀티패스 캐비티(1100)는 저부 내부면(1210-2)과 같은 직사각형 유리 셀(1210)의 내부면들 중 하나에 접합될 수 있다.

이러한 양극 접합 후에, 직사각형 유리 셀(1210)은 진공 및 알칼리 금속 증기 가스를 홀딩하기 위하여 PYREX 윈도우(또는 다른 적절한 붕규산 유리)로 폐쇄되고 밀봉된다. 멀티패스 셀(200)과 관련하여 이전에 설명된 바와 같이, 완료된 멀티패스 셀(1200)은 장기적인 시간 기간 동안 고온에서 알칼리 금속 증기와 같은 화학 반응 물질들(가스 또는 액체)에 견디도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 멀티패스 셀(1200)은 오염물이 없는 것이 바람직한 임의의 물질(가스 또는 액체)을 수용하도록 구성될 수 있다. 직사각형 유리 셀(1210)의 진입측에 진입 윈도우(1250)를 접합하기 위한 공정은 도 2 내지 도 5와 관련하여 이미 설명되었다. 유사한 양극 접합 방법은 실리콘 웨이퍼(1215) 상으로, 미코팅된 PYREX 윈도우(도시되지 않음) 또는 다른 적절한 붕규산염 가스에 의해 직사각형 튜브 셀의 다른 쪽 단부를 적용할 수 있다. 전방 및 후방 윈도우들이 밀봉된 후에, 직사각형 유리 셀(1210)은 고정된 내부 멀티패스 캐비티를 제공한다. 이러한 것은 멀티패스 셀(1200)로서 도 13에 도시되어 있다.

여전히 또 다른 실시예에 따라서, 유리 불기 증기 셀(1410)은 광학적 고품질 증기 셀을 제공하도록 구성될 수 있다. 본 발명에 따라서, 이 실시예는 임의의 PYREX 증기 셀 또는 적절한 붕규산 유리를 사용하는 임의의 셀(도 14의 셀(1410)과 같은)로 실시될 수 있으며, 셀(1410)의 진입측(1410-3)(그렇지 않으면, 파면 왜곡(wave front distortion)을 제공할 수 있는)을 일정 광학 품질 및 AR 코팅된 윈도우(1440)로 대체한다.이 실시예는 또한 셀(1410) 내로 고정된 멀티패스 캐비티를 용이하게 삽입하는 것을 허용하고, 셀(1410)을 밀봉하는 것을 허용한다.

이 실시예에 따라서, 전방 미러(830)와 후방 미러(840)는 도 6 내지 도 11과 관련하여 상기된 바와 같이 실리콘 기판(935) 상에 접합될 수 있다. 따라서, 전방 미러(830)와 후방 미러(840)는 실리콘 기판(935)에 양극 방식으로 접합된 것으로서 제공될 수 있다. 그러나, 바람직하게, 이 실시예에서 실리콘 기판의 치수는 고정된 멀티패스 캐비티의 길이보다 4-8 ㎜ 길 수 있으며, 또한 전방 미러(830)와 후방 미러(840)의 지름들보다 클 수 있다(폭에서).

또한, 이 실시예에 따라서, 직사각형 유리 셀(1410)은 유리 불기 기술을 사용하여 제공된다. 직사각형 유리 셀은 진입측(1410-3)으로부터 천공된 코어일 수 있으며, 도 14에 도시된 바와 같은 측부(1410-2)로부터 절단된 직사각형 개구를 가질 수 있다.

따라서, 직사각형 유리 셀(1410)의 진입측(1410-3)의 임의의 왜곡된 유리 표면은 진입측(1410-3)으로부터 구멍을 천공하는 것에 의해 제거될 수 있다. 또한, 구멍(1410-3)의 가장자리들 상의 폴리싱된 유리는 실리콘 디스크(1455)(실리콘 웨이퍼와 같은)에 양면 AR 코팅된 윈도우(1450)를 접합하도록 양극 접합을 위해 사용될 수 있다.

직사각형 개구(1410-2)는 전방 미러(830), 후방 미러(840), 및 실리콘 기판(935)를 포함하는 고정된 멀티패스 캐비티를 삽입하도록 개구를 제공한다. 직사각형 개구(1410-2)의 가장자리들은 멀티패스 셀(1400)을 밀봉하도록 도 15에 도시된 바와 같이 기판(935)에 대한 양극 접합을 위하여 사용될 수 있다. 양극 방식으로 접합될 표면들은 상기된 바와 같은 양극 접합 전에 폴리싱될 필요가 있다.

진입측(1410-3)이 AR 코팅된 윈도우(1450)에 접합되고 직사각형 개구(1410-2)가 실리콘 기판(935)에 접합되기 때문에, 멀티패스 셀(1400)은 진공을 홀딩하도록 완전히 밀봉될 수 있다.

다른 실시예는 본 명세서에 개시된 발명의 명세서 및 실시를 고려하면 당업자에게 자명할 것이다. 명세서 및 실시예는 다음의 청구항들에 의해 지시되는 본 발명의 진정한 범위 및 사상으로, 단지 예시로서 고려되도록 의도된다.

Claims

광학 장치로서,
유리를 포함하는 적어도 하나의 광학 요소;
실리콘을 포함하는 적어도 하나의 지지부; 및
유리를 포함하는 하우징을 포함하며;
상기 적어도 하나의 광학 요소와 상기 적어도 하나의 지지부는 함께 양극 방식으로 접합되며;
상기 적어도 하나의 지지부와 상기 하우징은 함께 양극 방식으로 접합되는 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 유리는 붕규산 유리이며, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 미러인 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 유리는 PYREX를 포함하며, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 미러인 광학 장치.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 렌즈 및 프리즘으로 이루어진 세트로부터 선택되는 광학 장치.
제1항에 있어서, 유리를 포함하는 제2 광학 요소를 추가로 포함하는 광학 장치.
제5항에 있어서, 상기 제2 광학 요소와 상기 적어도 하나의 지지부는 함께 양극 방식으로 접합되는 광학 장치.
제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 레이저 빔의 진입 및 퇴장을 위한 개구를 구비한 미러이며, 상기 제2 광학 요소는 반사 방지 코팅을 가지는 윈도우인 광학 장치.
제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 레이저 빔의 진입 및 퇴장을 위한 개구를 구비한 미러이며, 상기 제2 광학 요소는 미러인 광학 장치.
제6항에 있어서, 상기 제2 광학 요소는 렌즈 및 프리즘으로 이루어진 세트로부터 선택되는 광학 장치.
제8항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소와 상기 제2 광학 요소는 멀티패스 캐비티를 한정하는 광학 장치.
제10항에 있어서, 상기 하우징은 셀을 포함하고, 상기 하우징은 상기 셀을 비우고 알칼리 금속 증기로 상기 셀을 충전하기 위하여 진공 시스템에 결합되도록 구성되는 광학 장치.
제10항에 있어서, 상기 하우징은 셀을 포함하며, 상기 하우징은 상기 셀을 비우고 화학 반응 물질로 상기 셀을 충전하기 위하여 진공 시스템에 결합되도록 구성되는 광학 장치.
제10항에 있어서, 상기 지지부는 상기 지지부의 측부에서 및 상기 측부의 주변 주위에서 상기 하우징에 양극 방식으로 접합되며, 상기 측부의 내부 부분은 적어도 하나의 광학 요소에 접합되는 광학 장치.
제10항에 있어서, 상기 지지부는 상기 지지부의 측부에서 상기 하우징에 양극 방식으로 접합되며, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 상기 지지부의 반대편 측부에 양극 방식으로 접합되는 광학 장치.
내구적인 접합을 갖는 광학 구성요소들을 제공하는 방법으로서,
유리를 포함하는 적어도 하나의 광학 요소를 제공하는 단계;
실리콘을 포함하는 적어도 하나의 지지부를 제공하는 단계; 및
유리를 포함하는 하우징을 제공하는 단계를 포함하며;
상기 적어도 하나의 광학 요소와 상기 적어도 하나의 지지부는 함께 양극 방식으로 접합되며;
상기 적어도 하나의 지지부와 상기 하우징은 함께 양극 방식으로 접합되는 방법.
제15항에 있어서, 상기 유리는 붕규산 유리이며, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 미러인 방법.
제15항에 있어서, 상기 유리는 PYREX를 포함하고, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 미러인 방법.
제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 렌즈 및 프리즘으로 이루어진 세트로부터 선택되는 방법.
제15항에 있어서, 유리를 포함하는 제2 광학 요소를 제공하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 유리를 포함하는 상기 제2 광학 요소를 제공하는 단계는 상기 적어도 하나의 광학 요소와 상기 제2 광학 요소를 능동적으로 정렬하는 단계를 포함하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 제2 광학 요소와 상기 적어도 하나의 지지부는 함께 양극 방식으로 접합되는 방법.
제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 레이저 빔의 진입 및 퇴장을 위한 개구를 구비한 미러이며, 상기 제2 광학 요소는 반사 방지 코팅을 가지는 윈도우인 방법.
제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 레이저 빔의 진입 및 퇴장을 위한 개구를 구비한 미러이며, 상기 제2 광학 요소는 미러인 방법.
제21항에 있어서, 상기 제2 광학 요소는 렌즈 및 프리즘으로 이루어진 세트로부터 선택되는 방법.
제20항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 레이저 빔의 진입 및 퇴장을 위한 개구를 구비한 미러이며, 상기 제2 광학 요소는 미러인 방법.
제23항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광학 요소와 상기 제2 광학 요소는 멀티패스 캐비티를 한정하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 하우징은 셀을 포함하며, 상기 하우징은 상기 셀을 비우고 알칼리 금속 증기로 상기 셀을 충전하기 위하여 진공 시스템에 결합되도록 구성되는 방법.
제26항에 있어서, 상기 하우징은 셀을 포함하며, 상기 하우징은 상기 셀을 비우고 화학 반응 물질로 상기 셀을 충전하기 위하여 진공 시스템에 결합되도록 구성되는 방법.
제26항에 있어서, 상기 지지부는 상기 지지부의 한쪽 측부에서 및 상기 측부의 주변 주위에서 상기 하우징에 양극 방식으로 접합되며, 상기 측부의 내부 부분은 적어도 하나의 광학 요소에 접합되는 방법.
제26항에 있어서, 상기 지지부는 상기 지지부의 측부에서 상기 하우징에 양극 방식으로 접합되며, 상기 적어도 하나의 광학 요소는 상기 지지부의 반대편 측부에 양극 방식으로 접합되는 방법.