WO2017059847A1 - Polarization-maintaining vacuum cell for applying or measuring electromagnetic waves in a vacuum - Google Patents

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WO2017059847A1
WO2017059847A1 PCT/DE2016/100467 DE2016100467W WO2017059847A1 WO 2017059847 A1 WO2017059847 A1 WO 2017059847A1 DE 2016100467 W DE2016100467 W DE 2016100467W WO 2017059847 A1 WO2017059847 A1 WO 2017059847A1
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vacuum cell
vacuum
cell
side windows
birefringence
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PCT/DE2016/100467
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Stefan BRAKHANE
Andrea Alberti
Wolfgang ALT
Dieter Meschede
Carsten ROBENS
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Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties

Definitions

  • the invention relates to a method, an apparatus and the use of a device for the application or measurement of polarized electromagnetic radiation in vacuo, wherein the birefringence ⁇ ⁇ 10 ⁇ 6 and the vacuum cell by the joining of at least four side windows and one
  • Vacuum-compatible measuring cells are already an integral part of many experiments in quantum optics, for example in the field of precision measurements and
  • Quantum information with cold atoms or ions These measurements must be performed in an ultra-high vacuum environment to avoid impacts with air molecules. Furthermore, these experiments require good optical access for numerous laser beams from different directions to control the atoms / ions as well as measurements of the emitted light and for the imaging of the atoms / ions. Many experiments in quantum optics require accurate control of the polarization of laser beams. For example, in protocols for the physically secure transmission of information in quantum cryptography, the information in the polarization state of light is encoded. For atomic clocks with trapped cold atoms, the purity and stability of the polarization of the laser beams used to capture the atoms determines the accuracy of the accuracy. In quantum simulators with neutral atoms in optical gratings, the quality of control of the polarization of the laser beams used for the optical grating determines the
  • Vacuum cells allow this a much more compact construction of the vacuum apparatus than conventional metallic vacuum chambers, the optical Additions in the form of vacuum windows are equipped.
  • the birefringence of the window elements distorts the polarization of transmitted laser beams (or other electromagnetic waves such as infrared radiation), with the magnitude of the birefringence ⁇ determining the extent of the polarization distortions.
  • Birefringence may be an intrinsic property of the window material, or it may be induced via the stress optical coefficient of the window material by mechanical stresses that occur due to the assembly of the window or cell and due to the pressure difference between outside air and vacuum. Achieving birefringence ⁇ ⁇ 10 "5 requires special attention when mounting a vacuum cell or window, resulting in even smaller birefringence and thus even lower birefringence
  • Polarization distortion can not be achieved with conventional vacuum windows, sight glasses, viewports or vacuum cells.
  • Vacuum apparatuses as a container for laser-cooled atoms are used for applications in quantum information, for atomic clocks, for inertial navigation and for magnetic field and gravitational measurements.
  • a serious obstacle to the development of these applications has been found to be the complexity and size of the vacuum systems required.
  • a compact vacuum glass cell is disclosed which is made by fusing together, diffusion bonding, anodic bonding or optical contacting. Information on the strength of the birefringence are not described there.
  • US 2009 009 54 14 A1 discloses the production of vacuum cells, in which a tubular glass cell body is applied to a silicon substrate which has a thermal expansion coefficient similar to that of the glass.
  • an anodic bonding process is used, in which a bond is created between the silicon substrate and the glass body and thus a closed vacuum cell is obtained.
  • a voltage of about 1 KV is applied for about two minutes to the substrates over a
  • This invention is a conventional metal chamber with windows, not a glass cell. Information on the strength of birefringence is not given in the application.
  • a measuring cell which is used for the optical analysis of small volumes.
  • the measuring cell is generally configured as a cuvette and has for the optical analysis of small volumes a structured layer (carrier substrate), which is provided at least with a channel, wherein at least the underside of the structured layer is closed with a thin, optically transparent layer ,
  • the measurements do not take place in a vacuum and polarization measurements in a region of a birefringence ⁇ ⁇ 10 ⁇ 6 are not disclosed in the application.
  • US 7 126 112 B2 describes a vacuum cell with an atom chip (a device for providing cold atoms) as a terminal of a commercially available glass cell consisting of four side windows. Epoxy adhesive is used in particular for fastening the components.
  • the present invention has the object to provide a vacuum cell for use and measurements in vacuum with polarized electromagnetic waves, which the effect of stress-induced birefringence and thus the change of
  • Polarization state of electromagnetic radiation when entering and / or exit through the cell largely suppressed.
  • a vacuum cell takes place by joining at least four side windows in a holder by means of a connecting material, wherein the occurring tension is kept as low as possible during the joining operation of the side windows.
  • the individual side windows are placed in a holder and connected to each other by application of the connecting material on portions of the side surfaces of the individual side windows.
  • a curing process follows, ie the side windows in the holder are first brought to the desired curing temperature for about 1 h.
  • the curing temperature is in a range of 140-180 ° C.
  • the cooling process is initiated with a temperature change of about 0.5 ° C / min. This process is repeated with further side windows until a structure resulting from the connection of the side windows is present, which has a hollow cylindrical shape.
  • the hollow cylindrical structure with one and the other end axial limitations, such as a cap or a
  • connection of the side windows and / or the axial boundaries can be made by a soldering operation or by pressure.
  • a motorized application which comprises, for example, a linear displacement table in the case of connecting the side windows or a rotating translation table in the case of connection of the end piece or the support plate, wherein an amount of about 45mm 3 of the bonding material in the form of adhesive is applied by a syringe on the contact surfaces of the side window.
  • the adhesive can be forced through a needle with a pressure of 8hPa
  • Connecting material per contact surface, in particular the side window, is usually 0.05-0.4 mg / mm 2 .
  • a carrier plate can serve as an axial end surface.
  • the support plate may be formed as a bottom glass and / or as a metallic flange connection. If the carrier plate is formed as a bottom glass, the bottom glass can be connected to a metallic flange.
  • the connection is made with bonding material that includes adhesive, in particular epoxy resin.
  • adhesive in particular epoxy resin.
  • Bottom glass has at least in some areas a flange-like connection to ensure a direct vacuum chamber connection to the vacuum cell.
  • a flange-like connection to ensure a direct vacuum chamber connection to the vacuum cell.
  • the distance between two contact surfaces should be in the hardened state in a range of 40 - 80 m.
  • the contact areas of the side windows with each other and the side window to the end piece, the cover glass and / or the support plate should be in the hardened state in a range of 40 - 80 m.
  • the carrier plate which may be configured as a metallic flange
  • titanium and / or tantalum in particular being able to be included as part of the flange-like connection.
  • Titanium and tantalum are preferred materials because of their chemical and physical properties, especially as constituents of the metallic flange-like carrier plate, because their corrosion and temperature resistance (expansion coefficients in the range of 6-8 x 10 "6 / K which is comparable to the expansion coefficients of the individual windows) a good connection of the individual windows to the carrier plate
  • tantalum for example, in the form of a thin tantalum ring due to its light weight
  • Deformability has the advantage of being able to compensate occurring deformations of the metal flange during assembly and thus to minimize tension in the glass.
  • the carrier plate depends on the particular requirements of the vacuum cell and its connection, as well as the intended application in the operation of the vacuum cell according to the invention. Thus, it may be necessary to use the carrier plate as a direct connector, i. when
  • Support plate can be connected to design.
  • a connecting material for the connection of the side window a connecting material is provided, which meets the requirements for tightness and the prevention of inhomogeneous
  • the invention provides that an adhesive is used which has a high melting point and binds only a small amount of gases or those quickly outgassing. It was inventively used as a bonding material, in particular as an adhesive, an epoxy adhesive, in particular the
  • Epoxy adhesive H77 from Epoxy Technologies Inc., containing small particles in the range ⁇ 50 ⁇ . Proof has been furnished that this filled adhesive produces only low stresses in the glass during the bonding process.
  • the leakage rate for the vacuum cell according to the invention with respect to helium is less than 8 ⁇ 10 mbar / s.
  • the side windows of a glass with a low stress-optical coefficient preferably made of flint glass, more preferably made of heavy flint glass SF57 from. Schott.
  • a glass with a low stress optical coefficient has the advantage that only a small stress-induced
  • Electromagnetic radiation when transmitted into the vacuum cell through the side windows are minimized. This ensures the accuracy and
  • a holder is used with stop during the joining process. This is done so that the structure and subsequently the stability and the
  • Bracket is usually made of a polygonal aluminum body with radial bearing surfaces, which are present at one end and the other end of the corpus and on which the individual windows are placed. Depending on how many
  • the corpus has four or more bearing surfaces.
  • the holder is limited at one end by an axial stop, which fixes the individual windows with the holder.
  • axially extending recesses are embedded in the corpus, at least in some areas.
  • the recesses could be groove-like or concave.
  • the recesses extend in the axial direction at least in partial regions along the proximal region of the holder and continue in the region of the radial boundary of the holder or of the stop as openings. This has the advantage that an exit of the connecting material in the direction of the holder and a connection between the Holder and the individual windows in the area of the contact surfaces of the individual window is prevented. Any excess connection material may be removed through the recesses or openings and is not available for connecting the individual windows with the bracket or the stopper.
  • the vacuum cell has a polygonal structure with at least four, in particular twelve side windows.
  • the polygonal structure with at least four, in particular twelve side windows has the advantage that an approximately stress-free connection of the individual windows is ensured with each other, so that the forces occurring can be distributed over the entire hollow cylindrical area. Also, by an increased number of side windows a largely vertical passage of electromagnetic radiation without changing the polarization through many side windows in all radial and the two axial
  • the vacuum cell has a value of ⁇ ⁇ 10 ⁇ 7 .
  • the reason for this is the low intra-cell stresses ensured by the manufacturing process and the use of glass with a low stress-optical coefficient which is in accordance with the invention
  • a trapezoidal configuration of the side windows of the vacuum cell has proven particularly advantageous.
  • the vacuum cells are intrinsically stable at external pressure and can be used in measurements in which
  • electromagnetic radiation in particular laser light in vacuum is needed.
  • the invention provides for the use of a polarization-preserving vacuum cell for the application or measurement of electromagnetic waves, the birefringence of the vacuum cell being ⁇ 10 "5.
  • the use of the vacuum cell according to the invention with a polygonal structure and having at least four side windows on a carrier plate and an end cap spectroscopy, magnetometry, quantum technology and quantum cryptography is performed in the physical precision measurement technology, in particular for measuring in atomic clocks. It has to be particularly advantageous found side window with a double refractive index of ⁇ to use ⁇ 10 "7 to the polarization switch and failing electromagnetic radiation largely unaffected and / or undistorted.
  • Figure 1 shows a device according to the invention in a vertical
  • the carrier plate 3 can be connected in a particular embodiment, as shown here, with a tantalum ring 4. This can in turn be connected to a flange 9, which serves as a connection piece for an external vacuum chamber (not shown), to which the flange 9 with screws 12 (not shown) via holes 1 1 can be fixed. Furthermore, side faces 13 can be seen laterally on the side windows 2, onto which the connecting material for producing a connection of the side windows 2 is applied.
  • Figure 2 shows a vacuum cell 1 in a vertical plan view. In the rear region of the vacuum cell 1 is a flange 9 with holes 1 1 for
  • the laterally interconnectable side windows 2 have an approximately trapezoidal shape.
  • the side windows 2 are bounded axially by the end piece 8 and the support plate 3. It is followed axially to the support plate 3 to a tantalum ring 4, which can be connected to a flange 9 with holes 1 1 via screws 12 (not shown) with an external vacuum chamber.
  • FIG 4 can be seen the schematic structure of a vacuum cell 1 according to the invention in a horizontal sectional drawing.
  • the vacuum cell 1 is embedded in a holder 5, which during the manufacture of the vacuum cell 1 the side windows 2 when connecting the necessary structure and the necessary support.
  • Below the contact surfaces of the side window 2 are recesses 7 which extend axially, wherein a groove-shaped or concave depressions can be seen at least in partial areas in the corpus of the holder 5.
  • the recesses 7 serve as a cavity to prevent any excess
  • FIG. 5 shows a perspective view of the vacuum cell 1 together with bracket 5 and a stop 6.
  • the individual side windows 2 are laterally at their
  • Figure 6 shows a variant of the vacuum cell 1 of Fig. 1, which has an additional flange-like connecting piece (9) instead of the end piece (8). This allows connection to another vacuum chamber or pump.

Abstract

The invention relates to a method, a device, and the use of a polarization-maintaining vacuum cell for applying or measuring electromagnetic waves in a vacuum. The birefringence Δn is < 10-6, and the vacuum cell has a polygonal structure with at least four lateral windows on a support plate and a closure piece. The vacuum cell is joined by a connection material which contains adhesive, and the lateral windows consist of glass with a low stress-optical coefficient. The vacuum cell is used in precision physical measurements, in particular for atomic clock measurements, spectroscopy, magnetometry, quantum technology, and quantum cryptography.

Description

Polarisationserhaltende Vakuum-Zelle zur Anwendung oder Messung elektromagnetischer Wellen im Vakuum Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und die Verwendung einer Vorrichtung zur Anwendung oder Messung polarisierter elektromagnetischer Strahlung im Vakuum, wobei die Doppelbrechung Δη < 10~6 beträgt und die Vakuum- Zelle durch das Fügen von mindestens vier Seitenfenstern und einem The invention relates to a method, an apparatus and the use of a device for the application or measurement of polarized electromagnetic radiation in vacuo, wherein the birefringence Δη <10 ~ 6 and the vacuum cell by the joining of at least four side windows and one
Abschlussstück oder einem Anschlussstück auf einer Trägerplatte mit einem End piece or a fitting on a backing plate with a
Verbindungsmaterial hergestellt wird. Connecting material is produced.
Vakuum-kompatible Messzellen sind bereits integraler Bestandteil vieler Experimente der Quantenoptik, beispielsweise im Bereich Präzisionsmessungen und Vacuum-compatible measuring cells are already an integral part of many experiments in quantum optics, for example in the field of precision measurements and
Quanteninformation mit kalten Atomen oder Ionen. Diese Messungen müssen in einer Ultrahochvakuum-Umgebung durchgeführt werden um Stöße mit Luftmolekülen zu vermeiden. Des Weiteren benötigen diese Experimente guten optischen Zugang für zahlreiche Laserstrahlen aus verschiedenen Richtungen zur Kontrolle der Atome/Ionen sowie für Messungen des ausgesandten Lichtes und zur Abbildung der Atome/Ionen. Viele Experimente in der Quantenoptik setzen eine genaue Steuerung der Polarisation von Laserstrahlen voraus. Beispielsweise wird bei Protokollen zur physikalisch sicheren Übertragung von Information in der Quantenkryptographie die Information im Polarisationszustand von Licht kodiert. Bei Atomuhren mit gefangenen kalten Atomen bestimmt die Reinheit und Stabilität der Polarisation der zum Fangen der Atome verwendeten Laserstrahlen die Ganggenauigkeit. Bei Quantensimulatoren mit neutralen Atomen in optischen Gittern bestimmt die Güte der Kontrolle der Polarisation der für das optische Gitter verwendeten Laserstrahlen die Quantum information with cold atoms or ions. These measurements must be performed in an ultra-high vacuum environment to avoid impacts with air molecules. Furthermore, these experiments require good optical access for numerous laser beams from different directions to control the atoms / ions as well as measurements of the emitted light and for the imaging of the atoms / ions. Many experiments in quantum optics require accurate control of the polarization of laser beams. For example, in protocols for the physically secure transmission of information in quantum cryptography, the information in the polarization state of light is encoded. For atomic clocks with trapped cold atoms, the purity and stability of the polarization of the laser beams used to capture the atoms determines the accuracy of the accuracy. In quantum simulators with neutral atoms in optical gratings, the quality of control of the polarization of the laser beams used for the optical grating determines the
Leistungsfähigkeit des Quantensimulators. Die genannten Beispiele stehen bereits im Übergang zur technischen Anwendung. Der optische Zugang von Laserstrahlen in Bereiche von Vakuumapparaturen erfolgt im Stand der Technik über eingebaute Vakuum-Fenster (Schaugläser) oder die Ausführung eines Teils der Vakuumapparatur als Vakuum-Glaszelle (Küvette). Performance of the quantum simulator. The examples mentioned are already in transition to technical application. The optical access of laser beams into areas of vacuum apparatuses takes place in the prior art via built-in vacuum windows (sight glasses) or the execution of a part of the vacuum apparatus as a vacuum glass cell (cuvette).
Vakuum-Zellen ermöglichen hierbei einen wesentlich kompakteren Aufbau der Vakuumapparatur als herkömmliche metallische Vakuumkammern, die mit optischen Zugängen in Form von Vakuum -Fenstern ausgestattet sind. Die Doppelbrechung der Fensterelemente verzerrt jedoch die Polarisation transmittierter Laserstrahlen (oder anderer elektromagnetischer Wellen wie infraroter Strahlung), wobei die Stärke der Doppelbrechung Δη das Ausmaß der Polarisationsverzerrungen bestimmt. Vacuum cells allow this a much more compact construction of the vacuum apparatus than conventional metallic vacuum chambers, the optical Additions in the form of vacuum windows are equipped. However, the birefringence of the window elements distorts the polarization of transmitted laser beams (or other electromagnetic waves such as infrared radiation), with the magnitude of the birefringence Δη determining the extent of the polarization distortions.
Die Doppelbrechung kann eine intrinsische Eigenschaft des Fenstermaterials sein, oder sie kann über den spannungsoptischen Koeffizienten des Fenstermaterials von mechanischen Spannungen induziert werden, welche aufgrund der Montage des Fensters bzw. der Zelle und aufgrund des Druckunterschiedes zwischen Außenluft und Vakuum auftreten. Eine Doppelbrechung Δη < 10"5 zu erreichen erfordert spezielle Aufmerksamkeit bei der Montage einer Vakuum-Zelle oder eines Fensters. Eine noch kleinere Doppelbrechung und damit eine noch geringere Birefringence may be an intrinsic property of the window material, or it may be induced via the stress optical coefficient of the window material by mechanical stresses that occur due to the assembly of the window or cell and due to the pressure difference between outside air and vacuum. Achieving birefringence Δη <10 "5 requires special attention when mounting a vacuum cell or window, resulting in even smaller birefringence and thus even lower birefringence
Polarisationsverzerrung sind mit herkömmlichen Vakuum-Fenstern, Schaugläsern, Viewports oder Vakuum-Zellen nicht erreichbar. Polarization distortion can not be achieved with conventional vacuum windows, sight glasses, viewports or vacuum cells.
So ist beispielsweise aus der US 2012 258 022 A1 bekannt, dass For example, it is known from US 2012 258 022 A1 that
Vakuumapparaturen als Behältnis für lasergekühlte Atome verwendet werden für Anwendungen in der Quanteninformation, für Atomuhren, für Trägheitsnavigationund für Magnetfeld- und Gravitationsmessungen. Als ein ernsthaftes Hindernis für die Entwicklung dieser Anwendungen hat sich die Komplexität und Größe der benötigten Vakuumsysteme herausgestellt. Als Lösung hierzu wird eine kompakte Vakuum- Glaszelle offenbart, die durch Zusammenschmelzen, Diffusionsbonden, anodischem Bonden oder optischem Kontaktieren hergestellt wird. Angaben über die Stärke der Doppelbrechungen sind dort jedoch nicht beschrieben. Vacuum apparatuses as a container for laser-cooled atoms are used for applications in quantum information, for atomic clocks, for inertial navigation and for magnetic field and gravitational measurements. A serious obstacle to the development of these applications has been found to be the complexity and size of the vacuum systems required. As a solution to this, a compact vacuum glass cell is disclosed which is made by fusing together, diffusion bonding, anodic bonding or optical contacting. Information on the strength of the birefringence are not described there.
Ferner ist aus der US 2009 009 54 14 A1 die Herstellung von Vakuum-Zellen bekannt, bei der ein röhrenförmiger Glaszellen-Körper auf ein Siliziumsubstrat aufgebracht wird, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem des Glases aufweist. Zur Verbindung wird ein anodischer Bondprozess verwendet, in dem eine Bindung zwischen dem Silizium-Substrat und dem Glaskörper erzeugt und damit eine geschlossene Vakuum-Zelle erhalten wird. Dabei wird eine Spannung von etwa 1 KV für etwa zwei Minuten angelegt, um die Substrate über einen Furthermore, US 2009 009 54 14 A1 discloses the production of vacuum cells, in which a tubular glass cell body is applied to a silicon substrate which has a thermal expansion coefficient similar to that of the glass. For connection, an anodic bonding process is used, in which a bond is created between the silicon substrate and the glass body and thus a closed vacuum cell is obtained. In this case, a voltage of about 1 KV is applied for about two minutes to the substrates over a
Gleichstromfluss zu verbinden. Doppelbrechungen Δη kleiner als 10"6 sind in der Anmeldung nicht offenbart. In der DE 10 2005 061 984 A1 ist eine Druckkammer beschrieben mit der sich mikroskopische Aufnahmen anfertigen lassen, wobei die Polarisationseigenschaften der Fenster der Druckzelle eine polarisationsempfindliche Beobachtung auch unter hohem Druck ermöglichen. Dabei übernimmt ein Fenster der Druckkammer die Funktion einer Linse eines Mikroskop-Objektivs, wobei das Fenster aus einem Schwerflint-Glas mit Sonderkühlung besteht und dadurch für DC flow to connect. Birefringences Δη less than 10 "6 are not disclosed in the application. DE 10 2005 061 984 A1 describes a pressure chamber with which microscopic images can be taken, the polarization properties of the windows of the pressure cell enabling a polarization-sensitive observation even under high pressure. In this case, a window of the pressure chamber takes over the function of a lens of a microscope objective, wherein the window consists of a heavy flint glass with special cooling and thereby for
polarisationsempfindliche Mikroskopie eingesetzt werden kann. Bei dieser Erfindung handelt es sich um eine herkömmliche Metallkammer mit Fenstern, nicht um eine Glaszelle. Angaben zur Stärke der Doppelbrechung werden in der Anmeldung nicht gemacht. polarization-sensitive microscopy can be used. This invention is a conventional metal chamber with windows, not a glass cell. Information on the strength of birefringence is not given in the application.
Aus der DE 10 2007 019 695 A1 ist eine Messzelle bekannt, die für die optische Analyse kleiner Volumina eingesetzt wird. Dabei ist die Messzelle in der Regel als Küvette ausgestaltet und weist für die optische Analyse kleiner Volumina eine strukturierte Schicht (Trägersubstrat) auf, welche zumindest mit einem Kanal versehen ist, wobei zumindest die Unterseite der strukturierten Schicht mit einer dünnen, optisch durchlässigen Schicht verschlossen ist. Die Messungen erfolgen jedoch nicht im Vakuum und Polarisationsmessungen in einem Bereich einer Doppelbrechung Δη < 10~6 sind in der Anmeldung nicht offenbart. From DE 10 2007 019 695 A1 a measuring cell is known, which is used for the optical analysis of small volumes. In this case, the measuring cell is generally configured as a cuvette and has for the optical analysis of small volumes a structured layer (carrier substrate), which is provided at least with a channel, wherein at least the underside of the structured layer is closed with a thin, optically transparent layer , However, the measurements do not take place in a vacuum and polarization measurements in a region of a birefringence Δη <10 ~ 6 are not disclosed in the application.
Ferner ist in Steffen, A, et al: In situ measurement of vacuum window birefringence by atomic spectroscopy. In: Rev. Sei. Instrum. 84, 126103 (2013) beschreibt die Vermessung einer diffusiongeschweißten Vakuum-Zelle zur Anwendung oder Messung in der Quantenoptik mit Doppelbrechung Δη~10-7. Es wird die Vermutung angestellt, dass eine geringere Doppelbrechung durch die Verwendung des optischen Glases SF57, welches einen ungewöhnlichen niedrigen In addition, in Steffen, A, et al .: In situ measurement of vacuum window birefringence by atomic spectroscopy. In: Rev. Sei. Instrum. 84, 126103 (2013) describes the measurement of a diffusion-welded vacuum cell for use or measurement in quantum optics with birefringence Δη ~ 10-7. It is hypothesized that lower birefringence is due to the use of SF57 optical glass, which is an unusually low
Spannungskoeffizienten besitzt, möglicherweise erreicht werden könnte. Ein konkretes Aufbauverfahren ist nicht offenbart. Voltage coefficient possesses, could possibly be achieved. A concrete construction method is not disclosed.
Aus Solmeyer, N. et al: Mounting ultra-high vacuum Windows with low-stress-induced birefringence. In: Rev. Sei. Instrum. 82, 066105 (201 1 ) geht hervor, dass zur Herstellung eines Vakuumschauglases mit niedriger Doppelbrechung eine spezielle metallische Halterung erforderlich ist, welche insbesondere Indium als Verbindungsmaterial zwischen einzelnen Bauteilen verwendet. Die Halterung ist vergleichsweise voluminös und erlaubt insbesondere keine Herstellung einer kompakten Glaszelle. From Solmeyer, N. et al: Mounting ultra-high vacuum windows with low-stress-induced birefringence. In: Rev. Sei. Instrum. 82, 066105 (201 1) shows that to produce a low-birefringence vacuum inspection glass a special metallic support is required, which in particular comprises indium Connecting material used between individual components. The holder is relatively bulky and in particular does not allow the production of a compact glass cell.
Schließlich beschreibt die US 7 126 112 B2 eine Vakuumzelle mit einem Atomchip (eine Vorrichtung zum Bereitstellen kalter Atome) als ein Abschlussstück einer kommerziell erhältlichen Glaszelle, welche aus vier Seitenfenstern besteht. Zum Befestigen der Bauteile wird insbesondere Epoxydklebstoff eingesetzt. Finally, US 7 126 112 B2 describes a vacuum cell with an atom chip (a device for providing cold atoms) as a terminal of a commercially available glass cell consisting of four side windows. Epoxy adhesive is used in particular for fastening the components.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vakuum-Zelle für Anwendung und Messungen im Vakuum mit polarisierten elektromagnetischer Wellen bereitzustellen, welche den Effekt spannungsinduzierter Doppelbrechung und damit der Änderung des Based on the cited prior art, the present invention has the object to provide a vacuum cell for use and measurements in vacuum with polarized electromagnetic waves, which the effect of stress-induced birefringence and thus the change of
Polarisationszustandes elektromagnetischer Strahlung beim Ein- und/oder Austritt durch die Zelle weitestgehend unterdrückt. Polarization state of electromagnetic radiation when entering and / or exit through the cell largely suppressed.
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch die Kennzeichen der unabhängigen Ansprüche 1 , 10 und 14 gelöst. The object of the invention is achieved by the characteristics of the independent claims 1, 10 and 14.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Vakuum -Zelle durch Fügen von mindestens vier Seitenfenstern in einer Halterung mittels eines Verbindungsmaterials erfolgt, wobei die auftretende Spannung bei dem Fügevorgang der Seitenfenster so gering wie möglich gehalten wird. Dazu werden die einzelnen Seitenfenster in eine Halterung gegeben und durch Auftragung des Verbindungsmaterials auf Teilbereiche der Seitenflächen der einzelnen Seitenfenster miteinander verbunden. Nach der jeweiligen Verbindung der Seitenfenster schließt sich ein Aushärtungsvorgang an, d.h. es werden die Seitenfenster in der Halterung zunächst über ca. 1 h auf die gewünschte Aushärtungstemperatur gebracht. Bei der Verwendung von Klebstoff als Verbindungsmaterial, insbesondere Epoxydharz liegt die Aushärtungstemperatur in einem Bereich von 140-180°C. Nach ca. 3 bis 4 h wird der Abkühlungsvorgang mit einer Temperaturänderung von ca. 0.5°C/min eingeleitet. Dieser Vorgang wird so lange mit weiteren Seitenfenstern wiederholt bis eine durch die Verbindung der Seitenfenster entstandene Struktur vorhanden ist, die eine hohlzylindrische Form aufweist. Zum Schluss wird die hohlzylindrische Struktur einen- und anderenends mit axialen Begrenzungen, wie beispielsweise einem Abschlussstück oder einem According to the invention, it is provided that a vacuum cell takes place by joining at least four side windows in a holder by means of a connecting material, wherein the occurring tension is kept as low as possible during the joining operation of the side windows. For this purpose, the individual side windows are placed in a holder and connected to each other by application of the connecting material on portions of the side surfaces of the individual side windows. After the respective connection of the side window, a curing process follows, ie the side windows in the holder are first brought to the desired curing temperature for about 1 h. When using adhesive as a bonding material, in particular epoxy, the curing temperature is in a range of 140-180 ° C. After about 3 to 4 hours, the cooling process is initiated with a temperature change of about 0.5 ° C / min. This process is repeated with further side windows until a structure resulting from the connection of the side windows is present, which has a hollow cylindrical shape. Finally, the hollow cylindrical structure with one and the other end axial limitations, such as a cap or a
Bodenglas beaufschlagt, um die Herstellung der Vakuum-Zelle abzuschließen, wobei die Fügung der axialen Begrenzungen analog der voranstehenden Ground glass applied to complete the production of the vacuum cell, wherein the addition of the axial boundaries analogous to the preceding
Verfahrensschritte erfolgt. Alternativ ist es auch möglich eine Verbindung der Process steps takes place. Alternatively, it is also possible to connect the
Seitenfenster durch ein Metall oder eine Metalllegierung vorzunehmen, insbesondere mit Hilfe von Indium, wobei die Verbindung der Seitenfenster und/oder der axialen Begrenzungen durch einen Lötvorgang oder durch Druck erfolgen kann. To make side window by a metal or a metal alloy, in particular by means of indium, wherein the connection of the side windows and / or the axial boundaries can be made by a soldering operation or by pressure.
Eine geringe Doppelbrechung von Δη < 10~6 der Seitenfenster wird jedoch nur erreicht, wenn es zu einer vollständigen und gleichmäßigen Benetzung der A low birefringence Δη <10 ~ 6 of the side windows, however, only be achieved if there to be a complete and uniform wetting
Seitenflächen bei der Herstellung der Struktur kommt, d.h. dass die Teilbereiche von mindestens zwei Seitenfenstern durch das Verbindungsmaterial vollständig benetzt werden. Ein Austreten von Verbindungsmaterial an den Teilbereichen der  Side surfaces in the production of the structure comes, i. that the partial areas of at least two side windows are completely wetted by the connecting material. Leakage of bonding material at the subregions of
Seitenfenster d.h. den Kontaktflächen könnte sonst zur Tropfenbildung und somit zu einer inhomogenen Spannungsverteilung im Glas führen. Um dies zu verhindern kann mit einer motorisierten Auftragung gearbeitet werden, die beispielsweise einen linearen Verschiebetisch im Falle der Verbindung der Seitenfenster oder einen rotierenden Verschiebetisch im Falle der Verbindung des Abschlussstücks oder der Trägerplatte umfasst wobei eine Menge von etwa 45mm3 des Verbindungsmaterials in Form von Klebstoff durch eine Spritze auf die Kontaktflächen der Seitenfenster aufgetragen wird. Side windows ie the contact surfaces could otherwise lead to droplet formation and thus to an inhomogeneous stress distribution in the glass. In order to prevent this, a motorized application may be used which comprises, for example, a linear displacement table in the case of connecting the side windows or a rotating translation table in the case of connection of the end piece or the support plate, wherein an amount of about 45mm 3 of the bonding material in the form of adhesive is applied by a syringe on the contact surfaces of the side window.
Der Klebstoff kann mittels eines Drucks von 8hPa durch eine Nadel mit einem The adhesive can be forced through a needle with a pressure of 8hPa
Durchmesser von 0.9 mm gedrückt und mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 4mm/s auf eine Kontaktfläche aufgetragen werden. Dabei entsteht eine ca. 1 mm breite und 0,3 mm hohe Linie, welche sich beim Kontaktieren zweier Seitenfenster auf die gesamte Fläche ausbreitet und auf diese Weise eine vollständige und dichte Verbindung der Seitenfenster gewährleistet. Die Menge des aufgetragenen Diameter 0.9 mm pressed and applied with a feed rate of 4mm / s on a contact surface. This creates a line about 1 mm wide and 0.3 mm high, which spreads when contacting two side windows on the entire surface and thus ensures a complete and tight connection of the side window. The amount of applied
Verbindungsmaterials pro Kontaktfläche, insbesondere der Seitenfenster, beträgt in der Regel 0.05-0.4 mg/mm2. Connecting material per contact surface, in particular the side window, is usually 0.05-0.4 mg / mm 2 .
Nach dem Fügen der radialen Seitenfenster werden an beiden Enden der After joining the radial side windows are at both ends of the
entstandenen Struktur die axialen Seitenflächen zur Herstellung der Vakuum-Zelle angesetzt und mit den Seitenfenstern verbunden. Dies kann einenends beispielsweise ein Deckglas sein. Anderenends der hergestellten Struktur kann eine Trägerplatte als axiale Endfläche dienen. Die Trägerplatte kann dabei als Bodenglas und/oder als metallischer Flansch-Anschluss ausgebildet sein. Falls die Trägerplatte als Bodenglas ausgebildet ist, kann das Bodenglas mit einem metallischen Flansch verbunden werden. Die Verbindung erfolgt mit Verbindungsmaterial, das Klebstoff, insbesondere Epoxydharz beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass das structure formed the axial side surfaces for the preparation of the vacuum cell attached and connected to the side windows. This can happen one evening for example, be a cover slip. At the other end of the fabricated structure, a carrier plate can serve as an axial end surface. The support plate may be formed as a bottom glass and / or as a metallic flange connection. If the carrier plate is formed as a bottom glass, the bottom glass can be connected to a metallic flange. The connection is made with bonding material that includes adhesive, in particular epoxy resin. However, it is also possible that the
Bodenglas zumindest in Teilbereichen einen flanschartigen Anschluss aufweist, um einen direkten Vakuumkammern-Anschluss an die Vakuum-Zelle zu gewährleisten. Alternativ ist es auch möglich, anstelle des Abschlussstückes ein zusätzliches flanschartiges Anschlussstück anzubringen. Damit ist eine Verbindung zu einer weiteren Vakuum-Kammer oder -Pumpe möglich. Bottom glass has at least in some areas a flange-like connection to ensure a direct vacuum chamber connection to the vacuum cell. Alternatively, it is also possible to attach an additional flange-like connection piece instead of the end piece. This allows connection to another vacuum chamber or pump.
Der Abstand zweier Kontaktflächen, d.h. das Spaltmaß, soll im gehärteten Zustand in einem Bereich von 40 - 80 m liegen. Unter Kontaktflächen sollen erfindungsgemäß die Berührungsbereiche der Seitenfenster untereinander und der Seitenfenster zu dem Abschlussstück, dem Deckglas und/oder der Trägerplatte zu verstehen sein. Allerdings können Unebenheiten an den Kontaktflächen, d.h. zwischen den The distance between two contact surfaces, i. the gap, should be in the hardened state in a range of 40 - 80 m. Under contact surfaces to be understood according to the invention, the contact areas of the side windows with each other and the side window to the end piece, the cover glass and / or the support plate. However, bumps at the contact surfaces, i. between
Seitenfenstern und dem Abschlussstück bzw. dem Deckglas existieren, die durch das Fügen der Kontaktflächen zu einem Glaszylinder entstehen und eine Größe im Bereich von 400pm betragen können. Beim Fügen des Glaszylinders an ein Side windows and the end cap or the cover glass exist, which can be formed by joining the contact surfaces to a glass cylinder and can be a size in the range of 400pm. When joining the glass cylinder to a
Anschlussstück bzw. Deckglas werden diese Abstandsunterschiede durch das Verbindungsmaterial ausgeglichen. Wichtig ist vor Allem ein gleichmäßiges Connector or cover glass, these differences in distance are compensated by the connecting material. Above all, a uniform is important
Auftragen, sodass dementsprechend die Kontaktflächen zweier Elemente vollständig mit einer Schicht aus Epoxydkleber benetzt werden, wobei die Abweichungen vom Rand des Glases +- 0.5 mm betragen können. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist daher, dass die Kleberschicht die Breite der Kontaktfläche gleichmäßig mit einem Über-/Untermaß kleiner als 0,5 mm ausfüllt. Apply, so that accordingly the contact surfaces of two elements are completely wetted with a layer of epoxy adhesive, wherein the deviations from the edge of the glass can be + - 0.5 mm. Another important criterion is therefore that the adhesive layer evenly fills the width of the contact surface with an oversize / undersize smaller than 0.5 mm.
Auch ist es möglich die Trägerplatte, die als metallische Flansch ausgestaltet sein kann, direkt mit den Einzelfenstern zu verbinden, wobei insbesondere Titan und/oder Tantal als Bestandteil des flanschartigen Anschlusses enthalten sein können. Titan und Tantal sind durch ihre chemischen und physikalischen Eigenschaften besonders als Bestandteile der metallischen, flanschartigen Trägerplatte bevorzugte Werkstoffe, da durch ihre Korrosions- und Temperaturbeständigkeit (Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 6-8 x 10"6/K die vergleichbar mit den Ausdehnungskoeffizienten der Einzelfenster ist) eine gute Verbindung der Einzelfenster zur Trägerplatte It is also possible to connect the carrier plate, which may be configured as a metallic flange, directly to the individual windows, titanium and / or tantalum in particular being able to be included as part of the flange-like connection. Titanium and tantalum are preferred materials because of their chemical and physical properties, especially as constituents of the metallic flange-like carrier plate, because their corrosion and temperature resistance (expansion coefficients in the range of 6-8 x 10 "6 / K which is comparable to the expansion coefficients of the individual windows) a good connection of the individual windows to the carrier plate
gewährleistet werden kann und die Anschlüsse für die metallische flanschartige Trägerplatte an Vakuumkammern standardisiert sind. Im Besonderen bietet Tantal beispielsweise in Form eines dünnen Tantal-Rings aufgrund seiner leichten can be ensured and the connections for the metallic flange-like support plate are standardized to vacuum chambers. In particular, tantalum, for example, in the form of a thin tantalum ring due to its light weight
Verformbarkeit den Vorteil, auftretende Deformationen des Metallflansches bei der Montage kompensieren zu können und somit Verspannungen im Glas zu minimieren.  Deformability has the advantage of being able to compensate occurring deformations of the metal flange during assembly and thus to minimize tension in the glass.
Die Art und die Ausgestaltung der Trägerplatte richten sich nach den jeweiligen Anforderungen an die Vakuum-Zelle und deren Anschluss, sowie der geplanten Anwendung beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle. So kann es erforderlich sein, die Trägerplatte als direktes Verbindungsstück, d.h. als The type and design of the carrier plate depend on the particular requirements of the vacuum cell and its connection, as well as the intended application in the operation of the vacuum cell according to the invention. Thus, it may be necessary to use the carrier plate as a direct connector, i. when
flanschartiges Bodenglas oder flanschartige metallische Trägerplatte oder auch indirektes Verbindungsstück, d.h. Bodenglas ohne Flansch mit dem eine Flange-type bottom glass or flange-like metallic support plate or even indirect connection piece, i. Bottom glass without flange with the one
flanschartige metallische Trägerplatte oder mit dem ein Saugglasflansch als flange-like metallic carrier plate or with a Saugglasflansch as
Trägerplatte verbunden werden kann, auszugestalten. Für den Fall der Support plate can be connected to design. In the case of
Ausgestaltung der Trägerplatte als direktes oder indirektes Verbindungsstück, wird die entstandene Struktur der verbundenen Einzelfenster analog der voranstehenden Verfahrensweisen gefügt und falls erforderlich einem nachfolgenden Design of the carrier plate as a direct or indirect connector, the resulting structure of the connected individual windows is added analogously to the above procedures and, if necessary, a subsequent
Aushärtungsvorgang unterzogen. Curing process subjected.
Für die Verbindung der Seitenfenster ist ein Verbindungsmaterial vorgesehen, das den Anforderungen an Dichtigkeit und der Verhinderung einer inhomogenen For the connection of the side window a connecting material is provided, which meets the requirements for tightness and the prevention of inhomogeneous
Spannungsverteilung der Einzelfenster in der Vakuum-Zelle Rechnung trägt. Dafür ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Klebstoff verwendet wird, der einen hohen Schmelzpunkt aufweist und nur geringe Menge an Gasen bindet bzw. solche schnell wieder ausgast. Es wurde erfindungsgemäß als Verbindungsmaterial insbesondere als Klebstoff ein Epoxydklebstoff gefunden, insbesondere der Voltage distribution of the individual windows in the vacuum cell bill. For this purpose, the invention provides that an adhesive is used which has a high melting point and binds only a small amount of gases or those quickly outgassing. It was inventively used as a bonding material, in particular as an adhesive, an epoxy adhesive, in particular the
Epoxydklebstoff H77 von Epoxy Technologies Inc. , der kleine Partikel im Bereich < 50μηη enthält. Es wurde der Nachweis erbracht, dass durch diesen gefüllten Klebstoff nur geringe Spannungen im Glas während des Klebevorgangs erzeugt werden. Nach Zusammenmischen der jeweiligen Epoxyklebstoff-Komponenten werden diese zunächst in einem Exsikkator evakuiert um Gaseinschlüsse zu entfernen, die beim Mischen der zwei Komponenten des Klebers entstanden sind. Der Vorgang der Evakuierung wird ca. 2min durchgeführt und nach Umfüllen in eine Spritze nochmals wiederholt um auch eventuelle Gaseinschlüsse, die beim Umfüllen entstanden sind, zu entfernen. Es wurde bei nachfolgenden Messungen mit der gefertigten Glaszelle eine sehr geringe Leckrate ermittelt. Die Leckrate beträgt für die erfindungsgemäße Vakuum-Zelle in Bezug auf Helium weniger als 8x10 mbar/s. Epoxy adhesive H77 from Epoxy Technologies Inc., containing small particles in the range <50μηη. Proof has been furnished that this filled adhesive produces only low stresses in the glass during the bonding process. After mixing together the respective epoxy adhesive components, they are first evacuated in a desiccator to remove gas inclusions that have arisen during mixing of the two components of the adhesive. The process of Evacuation is carried out for about 2 minutes and repeated after transfer to a syringe to remove any gas bubbles that may have occurred during transfer. It was determined in subsequent measurements with the manufactured glass cell, a very low leakage rate. The leakage rate for the vacuum cell according to the invention with respect to helium is less than 8 × 10 mbar / s.
Erfindungsgemäß ist in einer besonderen Ausgestaltung vorgesehen, dass die Seitenfenster aus einem Glas mit einem geringen spannungsoptischen Koeffizienten, bevorzugt aus Flint-Glas, besonders bevorzugt aus Schwerflint-Glas SF57 der Fa. Schott bestehen. Die Verwendung von Glas mit einem geringen spannungsoptischen Koeffizienten hat den Vorteil, dass nur eine geringe spanungsinduzierte According to the invention it is provided in a particular embodiment that the side windows of a glass with a low stress-optical coefficient, preferably made of flint glass, more preferably made of heavy flint glass SF57 from. Schott. The use of glass with a low stress optical coefficient has the advantage that only a small stress-induced
Doppelbrechung auftritt und dadurch Veränderungen der Polarisation von Birefringence occurs and thereby changes in the polarization of
elektromagnetischer Strahlung bei Transmission in die Vakuum-Zelle durch die Seitenfenster minimiert werden. Dies gewährleistet die Genauigkeit und Electromagnetic radiation when transmitted into the vacuum cell through the side windows are minimized. This ensures the accuracy and
Reproduzierbarkeit der durchzuführenden Anwendungen und Messungen. Reproducibility of the applications and measurements to be performed.
Zur Gewährleistung der Form der erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle ist vorgesehen, dass eine Halterung mit Anschlag während des Fügeprozesses eingesetzt wird. Dies erfolgt deswegen, damit die Struktur und nachfolgend die Stabilität und die To ensure the shape of the vacuum cell according to the invention it is provided that a holder is used with stop during the joining process. This is done so that the structure and subsequently the stability and the
Dichtigkeit der Vakuum-Zelle nach der Herstellung gewährleistet bleibt. Die Tightness of the vacuum cell is guaranteed after production. The
Halterung besteht in der Regel aus einem polygonalen Corpus aus Aluminium mit radialen Auflageflächen, die einenends und anderenends des Corpus vorhanden sind und auf die die Einzelfenster aufgelegt werden. Je nachdem wie viele  Bracket is usually made of a polygonal aluminum body with radial bearing surfaces, which are present at one end and the other end of the corpus and on which the individual windows are placed. Depending on how many
Seitenfenster zu einer Vakuum-Zelle gefügt werden sollen, weist der Corpus vier und mehr Auflageflächen auf. Begrenzt wird die Halterung einenends durch einen axialen Anschlag, der die Einzelfenster mit der Halterung fixiert. Side windows are to be joined to a vacuum cell, the corpus has four or more bearing surfaces. The holder is limited at one end by an axial stop, which fixes the individual windows with the holder.
Im proximalen Bereich der Auflageflächen sind zumindest in Teilbereichen in den Corpus axial verlaufende Aussparungen eingelassen. Die Aussparungen könnten nutähnlich oder auch konkav ausgestaltet sein. Die Aussparungen verlaufen in axialer Richtung zumindest in Teilbereichen entlang des proximalen Bereichs der Halterung und setzen sich im Bereich der radialen Begrenzung der Halterung bzw. des Anschlags als Durchbrüche fort. Dies hat den Vorteil, dass ein Austritt des Verbindungsmaterials in Richtung der Halterung und eine Verbindung zwischen der Halterung und den Einzelfenstern im Bereich der Kontaktflächen der Einzelfenster verhindert wird. Eventuell überschüssiges Verbindungsmaterial kann durch die Aussparungen oder Durchbrüche entfernt werden und steht nicht zur Verbindung der Einzelfenster mit der Halterung oder dem Anschlag zur Verfügung. In the proximal region of the support surfaces, axially extending recesses are embedded in the corpus, at least in some areas. The recesses could be groove-like or concave. The recesses extend in the axial direction at least in partial regions along the proximal region of the holder and continue in the region of the radial boundary of the holder or of the stop as openings. This has the advantage that an exit of the connecting material in the direction of the holder and a connection between the Holder and the individual windows in the area of the contact surfaces of the individual window is prevented. Any excess connection material may be removed through the recesses or openings and is not available for connecting the individual windows with the bracket or the stopper.
In einer besonderen Ausgestaltung der Vakuum-Zelle und ihrer Herstellung ist vorgesehen, dass die Vakuum-Zelle einen polygonalen Aufbau mit mindestens vier, insbesondere zwölf Seitenfenstern aufweist. Der polygonale Aufbau mit mindestens vier, insbesondere zwölf Seitenfenstern hat den Vorteil, dass eine annähernd spannungsfreie Verbindung der Einzelfenster untereinander gewährleistet wird, so dass sich die auftretenden Kräfte über den gesamten hohlzylindrischen Bereich verteilen können. Auch ist durch eine erhöhte Anzahl an Seitenfenstern ein weitgehend senkrechter Durchtritt elektromagnetischer Strahlung ohne Änderung der Polarisation durch viele Seitenfenster in alle radialen und die beiden axialen In a particular embodiment of the vacuum cell and its manufacture, it is provided that the vacuum cell has a polygonal structure with at least four, in particular twelve side windows. The polygonal structure with at least four, in particular twelve side windows has the advantage that an approximately stress-free connection of the individual windows is ensured with each other, so that the forces occurring can be distributed over the entire hollow cylindrical area. Also, by an increased number of side windows a largely vertical passage of electromagnetic radiation without changing the polarization through many side windows in all radial and the two axial
Richtungen der Vakuum-Zelle möglich. Da jedoch die gesamte Querschnittsfläche aller Verbindungen, die je nach Zellengeometrie und -abmessungen variiert, die Leckrate bestimmt und in Verbindung mit der zur Verfügung stehenden Pumprate den zu erreichenden Druck ergibt, sollte eine Querschnittsfläche aller Verbindungen von geschätzten 2cm2 für ein Ultrahochvakuum nicht überschritten werden. Directions of the vacuum cell possible. However, because the total cross-sectional area of all joints, which varies with cell geometry and dimensions, determines the leak rate and gives the pressure to be achieved in conjunction with the available pump rate, a cross-sectional area of all joints of estimated 2cm 2 for an ultra-high vacuum should not be exceeded ,
Um die Funktionalität der erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle zu gewährleisten, muss eine Leckage vermieden, jedoch ein möglichst großer, transparenter Bereich erhalten werden und die Doppelbrechung induzierter oder emittierter In order to ensure the functionality of the vacuum cell according to the invention, a leakage must be avoided, however, the largest possible, transparent region should be obtained and the birefringence induced or emitted
elektromagnetischer Strahlung sollte sehr gering sein. So wurde in Messungen nachgewiesen, dass die Größe der Doppelbrechung der nach dem electromagnetic radiation should be very low. Thus, it was demonstrated in measurements that the size of the birefringence of the after
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Vakuum-Zelle einen Wert von Δη < 10~7 annimmt. Grund dafür sind die durch das Herstellungsverfahren gewährleisteten geringen Spannungen innerhalb der Zelle und die Verwendung von Glas mit geringem spannungsoptischen Koeffizienten, der sich erfindungsgemäß According to the method of the invention, the vacuum cell has a value of Δη <10 ~ 7 . The reason for this is the low intra-cell stresses ensured by the manufacturing process and the use of glass with a low stress-optical coefficient which is in accordance with the invention
insbesondere in einem Bereich um 2x10"8mm2/N bewegt. especially in an area around 2x10 "8 mm 2 / N moves.
Besonders vorteilhaft hat sich erfindungsgemäß eine trapezförmige Ausgestaltung der Seitenfenster der Vakuum-Zelle herausgestellt. Durch die trapezförmige According to the invention, a trapezoidal configuration of the side windows of the vacuum cell has proven particularly advantageous. By the trapezoidal
Ausgestaltung der Seitenfenster sind die Vakuum-Zellen intrinsisch stabil bei äußerem Druck und können bei Messungen eingesetzt werden, bei denen Design of the side windows, the vacuum cells are intrinsically stable at external pressure and can be used in measurements in which
elektromagnetische Strahlung insbesondere Laser-Licht im Vakuum benötigt wird. Durch die Wahl der Ausgestaltung der Seitenfenster können die apparativen electromagnetic radiation, in particular laser light in vacuum is needed. By choosing the design of the side window, the apparative
Voraussetzungen an die Anwendung angepasst werden. Auch hat es sich als vorteilhaft herausgestellt die Gläser optisch zu polieren und/oder anti-reflexiv zu beschichten. Requirements to be adapted to the application. Also, it has been found to be advantageous to optically polish the glasses and / or to coat anti-reflective.
Ferner ist erfindungsgemäß die Verwendung einer polansationserhaltenden Vakuum- Zelle zur Anwendung oder Messung elektromagnetischer Wellen vorgesehen, wobei die Doppelbrechung der Vakuum-Zelle An < 10"5 beträgt. Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle mit polygonalem Aufbau und mit mindestens vier Seitenfenstern auf einer Trägerplatte und einem Abschlussstück erfolgt in der physikalischen Präzisionsmesstechnik, insbesondere zur Messung in Atomuhren, der Spektroskopie, Magnetometrie, Quantentechnologie und Quantenkryptographie. Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt Seitenfenster mit einem Doppelbrechungsindex von Δη < 10"7 zu verwenden, um die Polarisation ein- und ausfallender elektromagnetischer Strahlung weitestgehend unbeeinflusst und/oder unverzerrt zu erhalten. Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Abbildungen nochmals erläutert: Furthermore, the invention provides for the use of a polarization-preserving vacuum cell for the application or measurement of electromagnetic waves, the birefringence of the vacuum cell being <10 "5. The use of the vacuum cell according to the invention with a polygonal structure and having at least four side windows on a carrier plate and an end cap spectroscopy, magnetometry, quantum technology and quantum cryptography is performed in the physical precision measurement technology, in particular for measuring in atomic clocks. it has to be particularly advantageous found side window with a double refractive index of Δη to use <10 "7 to the polarization switch and failing electromagnetic radiation largely unaffected and / or undistorted. The invention will be explained again with reference to the following figures:
Abbildung 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vertikalen Figure 1 shows a device according to the invention in a vertical
Schnittzeichnung. Man erkennt, dass die Vakuum-Zelle 1 aus mehreren Sectional drawing. It can be seen that the vacuum cell 1 consists of several
Seitenfenstern 2 besteht, die einenends von einem Abschlussstück 8 und Side windows 2, the one end of a closure piece 8 and
anderenends von einer Trägerplatte 3 begrenzt sind. Die Trägerplatte 3 kann in einer besonderen Ausführungsform, wie vorliegend dargestellt, mit einem Tantalring 4 verbunden werden. Dieser kann wiederum mit einem Flansch 9 verbunden werden, der als Anschlussstück für eine externe Vakuumkammer dient (nicht dargestellt), an die der Flansch 9 mit Schrauben 12 (nicht dargestellt) über Bohrungen 1 1 fixiert werden kann. Ferner sind lateral an den Seitenfenstern 2 Seitenflächen 13 zu erkennen, auf die das Verbindungsmaterial zur Herstellung einer Verbindung der Seitenfenster 2 aufgetragen wird. In Abbildung 2 ist eine Vakuum-Zelle 1 in einer vertikalen Aufsicht dargestellt. Im hinteren Bereich der Vakuum-Zelle 1 ist ein Flansch 9 mit Bohrungen 1 1 für the other end are limited by a support plate 3. The carrier plate 3 can be connected in a particular embodiment, as shown here, with a tantalum ring 4. This can in turn be connected to a flange 9, which serves as a connection piece for an external vacuum chamber (not shown), to which the flange 9 with screws 12 (not shown) via holes 1 1 can be fixed. Furthermore, side faces 13 can be seen laterally on the side windows 2, onto which the connecting material for producing a connection of the side windows 2 is applied. Figure 2 shows a vacuum cell 1 in a vertical plan view. In the rear region of the vacuum cell 1 is a flange 9 with holes 1 1 for
Schrauben 12 (nicht dargestellt) angeordnet, an die sich in distaler Richtung ein Tantalring 4 mit Trägerplatte 3 anschließt. An diese Trägerplatte 3 sind axial miteinander verbundene Seitenfenster 2 befestigt, die durch ein Abschlussstück 8 beaufschlagt sind. Man erkennt, dass die Vakuum-Zelle 1 im Inneren eine annähernd hohlzylindrische Form aufweist, die durch die lateral angeordneten Seitenfenster 2 begrenzt ist. Abbildung 3 stellt die erfindungsgemäße Vakuum-Zelle 1 in einer vertikalen Screws 12 (not shown), to which a tantalum ring 4 with support plate 3 connects in the distal direction. To this support plate 3 axially interconnected side windows 2 are fixed, which are acted upon by a closure piece 8. It can be seen that the vacuum cell 1 has an approximately hollow cylindrical shape in the interior, which is delimited by the laterally arranged side windows 2. Figure 3 represents the vacuum cell 1 of the invention in a vertical
Explosionszeichnung dar. Die lateral miteinander verbindbaren Seitenfenster 2 weisen eine annähernd trapezförmige Form auf. Die Seitenfenster 2 werden axial durch das Abschlussstück 8 und die Trägerplatte 3 begrenzt. Es schließt sich axial an die Trägerplatte 3 ein Tantalring 4 an, der mit einem Flansch 9 mit Bohrungen 1 1 über Schrauben 12 (nicht dargestellt) mit einer externen Vakuumkammer verbunden werden kann. Exploded view. The laterally interconnectable side windows 2 have an approximately trapezoidal shape. The side windows 2 are bounded axially by the end piece 8 and the support plate 3. It is followed axially to the support plate 3 to a tantalum ring 4, which can be connected to a flange 9 with holes 1 1 via screws 12 (not shown) with an external vacuum chamber.
In Abbildung 4 erkennt man den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vakuum-Zelle 1 in einer horizontalen Schnittzeichnung. Die Vakuum-Zelle 1 ist in eine Halterung 5 eingebettet, die während der Herstellung der Vakuum-Zelle 1 den Seitenfenstern 2 beim Verbinden die notwendige Struktur und den notwendigen Halt gibt. Unterhalb der Kontaktflächen der Seitenfenster 2 befinden sich Aussparungen 7, die axial verlaufen, wobei eine nutförmige oder konkave Vertiefungen zumindest in Teilbereichen im Corpus der Halterung 5 zu erkennen ist. Die Aussparungen 7 dienen als Hohlraum, um zu verhindern, dass eventuell überschüssiges In Figure 4 can be seen the schematic structure of a vacuum cell 1 according to the invention in a horizontal sectional drawing. The vacuum cell 1 is embedded in a holder 5, which during the manufacture of the vacuum cell 1 the side windows 2 when connecting the necessary structure and the necessary support. Below the contact surfaces of the side window 2 are recesses 7 which extend axially, wherein a groove-shaped or concave depressions can be seen at least in partial areas in the corpus of the holder 5. The recesses 7 serve as a cavity to prevent any excess
Verbindungsmaterial bei der Verbindung der Seitenfenster 2 miteinander an die Halterung 5 gelangt und eine Verbindung der Halterung 5 mit den Seitenfenstern 2 erfolgt. Abbildung 5 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vakuum-Zelle 1 nebst Halterung 5 und einem Anschlag 6. Die einzelnen Seitenfenster 2 sind lateral an ihren  Connecting material passes in the connection of the side window 2 with each other to the holder 5 and a connection of the holder 5 takes place with the side windows 2. Figure 5 shows a perspective view of the vacuum cell 1 together with bracket 5 and a stop 6. The individual side windows 2 are laterally at their
Seitenflächen miteinander verbunden. In axialer Richtung sind in der Halterung 5 zumindest teilweise nutförmige oder konkave Aussparungen zu erkennen, die eine Verbindung der Seitenfenster 2 mit der Halterung 5 unterbinden sollen, indem etwaiges überschüssiges Verbindungsmaterial bei der Herstellung der Vakuum-Zelle 1 in den Aussparungen 7 entfernt werden kann. Die Aussparungen 7 verlaufen in axialer Richtung zumindest in Teilbereichen entlang des lateralen Bereichs der Halterung 5 und setzen sich im Bereich des Anschlags 6 als Durchbrüche fort. Man erkennt, dass der Anschlag 6 mit Senkkopfschrauben 10 an die Halterung 5 verbunden ist. Side surfaces connected to each other. In the axial direction at least partially groove-shaped or concave recesses can be seen in the holder 5, which should prevent connection of the side window 2 with the holder 5, by any excess bonding material in the manufacture of the vacuum cell 1 can be removed in the recesses 7. The recesses 7 extend in the axial direction at least in partial regions along the lateral region of the holder 5 and continue in the region of the stop 6 as openings. It can be seen that the stop 6 is connected with countersunk screws 10 to the holder 5.
Abbildung 6 zeigt eine Variante der Vakuum-Zelle 1 von Abb. 1 , die anstelle des Abschlussstückes (8) ein zusätzliches flanschartiges Anschlussstück (9) aufweist. Damit ist eine Verbindung zu einer weiteren Vakuum-Kammer oder -Pumpe möglich. Figure 6 shows a variant of the vacuum cell 1 of Fig. 1, which has an additional flange-like connecting piece (9) instead of the end piece (8). This allows connection to another vacuum chamber or pump.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 - Vakuum-Zelle1 - Vacuum cell
2 - Seitenfenster 3 - Trägerplatte 2 - side window 3 - support plate
4 - Tantalring  4 - tantalum ring
5 - Halterung  5 - bracket
6 - Anschlag  6 - stop
7 - Aussparungen 8 - Abschlussstück 7 - recesses 8 - end piece
9 - Flansch 9 - flange
10 - Senkkopfschrauben 10 - countersunk screws
1 1 - Bohrungen 1 1 - holes
12 - Schrauben  12 - screws
13 - Seitenfläche 13 - side surface

Claims

Patentansprüche Patent claims
Verfahren zur Herstellung einer polarisationserhaltende Vakuum Zelle (1 ) zur Anwendung oder Messung elektromagnetischer Wellen, wobei die Method for producing a polarization-maintaining vacuum cell (1) for the use or measurement of electromagnetic waves, wherein the
Doppelbrechung Δη < 10~6 beträgt und die Herstellung der Vakuum-Zelle (1 ) durch das Fügen von mindestens vier Seitenfenstern Birefringence Δη < 10 ~6 and the production of the vacuum cell (1) by joining at least four side windows
(2) und einem (2) and one
Abschlussstück (8) oder einem Anschlussstück (9) auf eine Trägerplatte End piece (8) or a connecting piece (9) on a support plate
(3) mit einem Verbindungsmaterial erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial Klebstoff beinhaltet und die Seitenfenster aus Glas mit geringem spannungsoptischen (3) is carried out with a connecting material, characterized in that the connecting material contains adhesive and the side windows are made of glass with low optical stress
Koeffizienten bestehen. Coefficients exist.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Method according to claim 1, characterized in that
Verbindungsmaterial ein Metall, insbesondere Indium und/oder einen Connecting material is a metal, in particular indium and/or a
Klebstoff, insbesondere Epoxydharz, beinhaltet. Adhesive, especially epoxy resin, is included.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Method according to claim 1 or 2, characterized in that the
Seitenfenster (2) aus Flint-Glas bestehen. Side windows (2) are made of flint glass.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Method according to claims 1 to 3, characterized in that
Herstellung der Vakuum-Zelle (1 ) unter Zufuhr von Hitze erfolgt und der Epoxydklebstoff vor dem Klebevorgang in einem Exsikkator unter Vakuum gesetzt und entgast wird. The vacuum cell (1) is manufactured with the addition of heat and the epoxy adhesive is placed under vacuum in a desiccator and degassed before the bonding process.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff auf einer Seite eines Seitenfensters (2) eine Menge 0.05-0.Method according to claims 1 to 4, characterized in that the adhesive on one side of a side window (2) has an amount of 0.05-0.
4 mg/mm2 umfasst. 4 mg/mm 2 includes.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch Method according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass bei der Herstellung der Vakuum-Zelle (1 ) eine characterized in that when producing the vacuum cell (1).
Halterung bracket
(5) mit Anschlag (5) with stop
(6) zur Gewährleistung der Form der Vakuum-Zelle (1 ) vorhanden ist und diese Aussparungen (7) aufweist. (6) is present to ensure the shape of the vacuum cell (1) and has these recesses (7).
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Härtung des Epoxidklebstoffs in einem Ofen bei einer Maximaltemperatur der Temperaturrampe von ca. 80-200 °C, typischerweise 150°C, und das Aufheizen und Abkühlen der Vakuum-Zelle (1 ) von und nach Raumtemperatur besonders langsam, typischerweise mit 0,5°C/min erfolgt. 7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the epoxy adhesive is hardened in an oven at a maximum temperature of the temperature ramp of approximately 80-200 ° C, typically 150 ° C, and the heating and cooling of the vacuum cell (1 ) from and to room temperature takes place particularly slowly, typically at 0.5°C/min.
8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch 8. Method according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Vakuum-Zelle (1 ) bei der Herstellung auf eine Trägerplatte (3) geklebt wird, die insbesondere Titan und/oder Tantal beinhaltet und als Flansch (9) ausgebildet ist. characterized in that the vacuum cell (1) is glued during production to a carrier plate (3), which in particular contains titanium and / or tantalum and is designed as a flange (9).
9. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch 9. Method according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Vakuum-Zelle (1 ) einen polygonalen Aufbau mit zwölf Seitenfenstern (2) und/oder eine Doppelbrechung An kleiner als 10"7 aufweist. characterized in that the vacuum cell (1) has a polygonal structure with twelve side windows (2) and / or a birefringence An less than 10 "7 .
10. Polarisationserhaltende Vakuum-Zelle (1 ) zur Anwendung oder Messung 10. Polarization-maintaining vacuum cell (1) for use or measurement
elektromagnetischer Wellen im Vakuum, wobei die Doppelbrechung Δη < 10-6 beträgt und die Vakuum-Zelle (1 ) einen polygonalen Aufbau mit mindestens vier Seitenfenstern (2) auf einer Trägerplatte (3) und ein Abschlussstück (8) oder ein Anschlussstück (9) aufweist, wobei die Vakuum-Zelle (1 ) mit einem Verbindungsmaterial gefügt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmaterial Klebstoff beinhaltet und die Seitenfenster aus Glas mit geringem spannungsoptischen electromagnetic waves in a vacuum, whereby the birefringence is Δη < 10 -6 and the vacuum cell (1) has a polygonal structure with at least four side windows (2) on a support plate (3) and an end piece (8) or a connecting piece (9) has, wherein the vacuum cell (1) is joined with a connecting material, characterized in that the connecting material contains adhesive and the side windows made of glass with low optical stress
Koeffizienten bestehen. Coefficients exist.
1 1 . Vakuum-Zelle (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die 1 1 . Vacuum cell (1) according to claim 10, characterized in that
Seitenfenster (2) aus einem optischen Glas mit einem spannungsoptischen Koeffizienten in einem Bereich von ca. 2 x 10~8 mm2/N bestehen. Side window (2) consists of an optical glass with a stress-optical coefficient in a range of approx. 2 x 10 ~8 mm 2 /N.
12. Vakuum-Zelle (1 ) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenfenster (2), die Trägerplatte (3) und das Abschlussstück (8) oder das Anschlussstück (9) Kontaktflächen aufweisen, auf die das 12. Vacuum cell (1) according to claim 10 or 1 1, characterized in that the side windows (2), the carrier plate (3) and the end piece (8) or the connecting piece (9) have contact surfaces on which the
Verbindungsmaterial in einer Menge im Bereich von 0.05-0.4 mg/mm2 aufgetragen ist. Connecting material is applied in an amount in the range of 0.05-0.4 mg/mm 2 .
13. Vakuum-Zelle (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch 13. Vacuum cell (1) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass der Abstand zweier Kontaktflächen in einem Bereich von 40 - 80 pm liegt. characterized that the distance between two contact surfaces is in a range of 40 - 80 pm.
14. Vakuum-Zelle (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch 14. Vacuum cell (1) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Seitenfenster (2) trapezförmig ausgebildet, optisch poliert und beschichtet sind. characterized in that the side windows (2) are trapezoidal, optically polished and coated.
15. Vakuum-Zelle (1 ) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch 15. Vacuum cell (1) according to one of the preceding claims, characterized
gekennzeichnet, dass die Vakuum-Zelle (1 ) eine polygonalen Aufbau mit zwölf Seitenfenstern (2) aufweist und/oder die Doppelbrechung Δη < 10-7 beträgt. characterized in that the vacuum cell (1) has a polygonal structure with twelve side windows (2) and / or the birefringence is Δη <10-7.
16. Verwendung einer polarisationserhaltende Vakuum-Zelle (1 ) zur Anwendung oder Messung elektromagnetischer Wellen im Vakuum, wobei die 16. Use of a polarization-maintaining vacuum cell (1) for the application or measurement of electromagnetic waves in a vacuum, whereby the
Doppelbrechung Δη < 10~6 beträgt und die Vakuum-Zelle (1 ) einen Birefringence Δη < 10 ~6 and the vacuum cell (1) has one
polygonalen Aufbau mit mindestens vier Seitenfenstern (2) auf einer Polygonal structure with at least four side windows (2) on one
Trägerplatte (3) und ein Abschlussstück (8) oder Anschlussstück (9) aufweist, wobei die Vakuum-Zelle (1 ) mit einem Verbindungsmaterial gefügt ist, das Verbindungsmaterial Klebstoff beinhaltet und die Seitenfenster aus Glas mit einem geringen spannungsoptischen Koeffizienten bestehen, in der physikalischen Präzisionsmesstechnik, zur Messung in Atomuhren, der Spektroskopie, Magnetometrie, Quantentechnologie und Carrier plate (3) and an end piece (8) or connecting piece (9), the vacuum cell (1) being joined with a connecting material, the connecting material containing adhesive and the side windows made of glass with a low stress-optical coefficient, in the physical Precision measurement technology, for measurements in atomic clocks, spectroscopy, magnetometry, quantum technology and
Quantenkryptographie verwendet wird. Quantum cryptography is used.
17. Verwendung einer Vakuum-Zelle (1 ) nach Anspruch 16, dadurch 17. Use of a vacuum cell (1) according to claim 16, characterized
gekennzeichnet, dass die Doppelbrechung der Vakuum-Zelle (1 ) Δη < 10"7 beträgt. characterized in that the birefringence of the vacuum cell (1) is Δη <10 "7 .
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