原子蒸汽单元、包括原子蒸汽单元的集成原子/光子器件和设备，以及用于制造原子蒸汽单元的方法与流程

本发明在第一方面大体上涉及用于原子或分子光谱学、光泵浦(用于感测或非感测应用)和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元(vapor cell，蒸汽室、蒸汽池)，并且特别地涉及包括具有平面或三维几何形状的激光写入的埋置或激光写入的非埋置腔室的原子蒸汽单元。本发明的第二方面涉及包括第一方面的原子蒸汽单元的集成原子/光子器件。本发明的第三方面涉及一种设备，该设备包括第一方面的原子蒸汽单元和/或第二方面的集成原子/光子器件。本发明的第四方面涉及用于制造第一方面的原子蒸汽单元的方法，该原子蒸汽单元用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测。

背景技术：

1、在现有技术中已知包括权利要求1的前序部分中限定的特征的用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元，即，包括宿留基板的单元，并被限定在用于容纳原子蒸汽的腔室中。

2、这是根据不同技术制造的几种原子蒸汽单元的情况，例如基于平面硅掩模蚀刻并与两个玻璃基板结合的mems(微机电系统)蒸汽单元，以及通过玻璃吹制技术制成的传统蒸汽单元，以及通过表面激光光刻和反应离子蚀刻制成的纳米结构蒸汽单元，例如t.f.cutler等人在physical review applied(应用物理学报)14,034054(2020)的“nanostructured alkali-metal vapor cells(纳米结构碱金属蒸汽单元)”中所公开的。

3、所有这些蒸汽单元都有不同的缺点或限制，例如，但不仅是腔室或表面微通道的平面几何形状，其不能在三维空间中以期望的深度和大小进行制造，或者需要使用掩模或光致抗蚀剂，或者缺乏选择宿留材料的自由，特别是需要包括非透明的壁，从而限制了由此实现的光学通路的位置和数量。

4、在us2014/306700a1中以及在cutler等人在2020年9月21日的physical reviewapplied(应用物理学报)的卷14第3号的“nanostructured alkali-metal vapor cells(纳米结构碱金属蒸汽单元)”以及在许多关于微制造原子蒸汽单元的其他工作中，掩模或光致抗蚀剂用于通过湿法硅蚀刻或通过表面激光光刻(如在cutler等人中的内容)来生成期望的几何形状。这些工艺通常在中间晶圆的平坦表面上进行(在us2014/306700中的工艺部分)，它们需要掩模或光致抗蚀剂，并且它们在可以构建的腔室和储存部的几何形状上具有有限的通用性。

5、因此，需要提供一种现有技术的替代方案，该替代方案特别地通过提供用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元涵盖了上述的空白，该替代方案没有上述的缺点和限制。

技术实现思路

1、为此目的，本发明在第一方面涉及用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元，该原子蒸汽单元包括宿留基板以及在该宿留基板内限定的用于容纳原子蒸汽的腔室。

2、与现有技术的原子蒸汽单元相比，在本发明的第一方面提出的原子蒸汽单元中，该腔室是激光写入、优选地使用飞秒激光写入该宿留基板中的具有平面或三维几何形状的埋置或非埋置腔室，即不需要掩模或光致抗蚀剂。

3、因此，本发明涉及使用无掩模制造技术制造的原子蒸汽单元，其中激光实现了在宿留基板的不同深度处写入三维几何形状。这种工艺与表面激光光刻明显不同，与现有技术不同，在蚀刻或写入过程中不需要掩模或光致抗蚀剂。

4、在本文件中，术语“平面腔室”或“具有平面几何形状的腔室”用于指三维空的几何形状，其体积形状是指通过与基板的顶部刻面平行的任意形状的平面在竖向方向(即与基板的顶部刻面正交的方向)平移获得的平动实体。该平移被执行了任意长度，该长度被限定为“平面腔室”的厚度。

5、相比之下，表述“三维腔室”或“非平面几何形状”用于指体积形状是任意的三维空的几何形状，例如，其也可以通过非平面表面(相对于基板的顶部刻面)的平移来获得，并且它可以改变在宿留材料内的不同深度处的截面。

6、对于实施方式，宿留基板和腔室被构造并布置成实现沿着至少两个光轴到腔室的原子相互作用区域的多个光学通路。

7、根据实施方式，本发明第一方面的原子蒸汽单元还包括也被激光写入宿留基板中的埋置或非埋置的储存部以及连接通道，连接通道以流体的方式将腔室与储存部连通，其中，储存部是平面或三维的储存部。

8、对于实施方式的实现，储存部具有在宿留基板的表面处限定的至少一个开口端，并且蒸汽单元还包括密封基板，密封基板结合到宿留基板的所述表面，以对所述至少一个开口端进行密封，其中，所述至少一个开口端被制成，以通过至少一个开口端从激光写入过程中移除多余的材料并且用所述原子蒸汽或产生所述原子蒸汽的材料源对储存部进行填充。

9、对于该实现和类似的实现，储存部和/或其他激光写入的三维腔室被埋置(隐藏在宿留材料中)，然而，它们需要开口来通过化学蚀刻剂执行材料移除，即它们变成非埋置的。在用第二基板对开口进行密封后，它们最终再次被埋置。在现有技术的微制造单元中，通过在晶圆表面上使用掩模来写入或蚀刻腔室，因此腔室最初是非埋置的。这些腔室在用第二晶圆或基板密封后才变成埋置的。

10、对于实施方式，腔室包括至少入口连接部，以用来自原子蒸汽单元的外部的原子蒸汽对该腔室进行填充；并且对于该实施方式的变体，腔室还包括出口连接部，以使通过入口连接部进入腔室的原子蒸汽流经腔室，并通过出口连接部离开腔室。

11、根据实施方式，至少宿留基板对于用于到腔室的单个或多个光学通路的光束的确定波长是透明的，以用于执行上述的原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测。

12、对于该实施方式的实现，腔室具有与宿留基板的相应的相对侧刻面相邻的至少一对相应的相对端，使得沿着腔室的一个维度的光学通路使光束能够通过所述相对端中的一端进入腔室并且通过所述相对端中的另一端离开腔室。

13、对于该实施方式的另一实现，用于实现至少二个通路的构造，腔室具有与宿留基板的成对的相对侧刻面中相应的相对侧刻面相邻的至少两对相应的相对端，使得沿着腔室的两个相应横向维度的多个光学通路使两个相应的光束能够各自通过相应的一对相对端中的一端进入腔室并且通过所述相对端中的另一端离开腔室。

14、仍然对于该实施方式的另一实现，为了实现三个通路的构造，腔室(例如，立方形腔室)具有与宿留基板的成对的相对侧刻面中相应的相对侧刻面相邻的至少三对相应的相对端，使得沿着腔室的三个相应横向维度的多个光学通路使三个相应的光束能够各自通过相应的一对相对端中的一端进入腔室并且通过所述相对端中的另一端离开腔室。

15、对于实施方式，储存部和腔室还容纳有缓冲气体和/或在内部添加了扩散屏障进行处理，以防止原子去极化碰撞。对于该实施方式的实现，该处理是将非去极化材料如氧化铝的纳米层(厚度为数十纳米的一个或多个层)沉积到非埋置的激光写入腔室上。

16、对于一些实施方式，原子蒸汽单元包括：如上述所述的那样制造的具有相同或不同形状(长形形状、棱柱形状等)的多个平面或三维腔室，和/或一个或多个埋置或非埋置的激光写入腔室，其中，取决于实施方式，激光写入腔室彼此非流体连接，或激光写入腔室中的部分或全部彼此流体连接。

17、本发明在第二方面还涉及集成原子/光子器件，包括第一方面的原子蒸汽单元和在宿留基板上或在另外的宿留基板上限定或布置的、即集成的至少一个另外的光子部件。

18、根据实施方式，至少一个另外的光子部件是平面的或非平面的基于波导的光子部件，平面的或非平面的基于波导的光子部件被激光写入宿留基板中或另外的宿留基板中，或者被放置在被激光写入宿留基板或所述另外的宿留基板的槽里。

19、根据实施方式，本发明第二方面的集成原子/光子器件中包括下述平面和/或非平面的基于波导的光子部件：线性波导、波板波导、分束器波导和诸如微透镜例如grin(梯度折射率)透镜等的光学部件或它们的组合。

20、值得注意的是，对于优选实施方式，用于激光写入腔室的相同的无掩模激光写入技术被有效地用于激光写入另外的光学部件，诸如光子波导，优选地被激光写入透明材料中，从而实现在集成原子/光子芯片中写入具有3d结构多功能性的原子腔室、储存部和光子波导。

21、本发明在第三方面涉及一种设备，该设备包括第一方面的原子蒸汽单元和/或第二方面的集成原子/光子器件。

22、根据不同的实施方式，该设备是下述设备中的一种至少：用于饱和吸收光谱学(sas)的系统、原子光谱学/频率参考、原子钟、单光束或双光束的光泵浦磁力测定、磁显微镜、基于自旋的原子传感器和原子陀螺仪。

23、对于实施方式，本发明的第三方面的设备还包括光纤，光纤联接/粘合(即，不是分离的)到蒸汽单元或原子/光子器件，使得一个或多个激光束的激光可以通过所述光纤中的至少一个光纤输入，传播通过腔室，然后在原子相互作用后通过所述光纤中的至少一个其他光纤从腔室中输出。

24、本发明在第四方面还涉及用于对用于原子或分子光谱学、光泵浦和/或基于自旋的原子感测的原子蒸汽单元进行制造的方法，包括提供宿留基板以及限定在宿留基板内的用于对原子蒸汽进行容纳的腔室(或多个腔室)，其中，方法包括在宿留基板中激光写入腔室，而无需掩模或光致抗蚀剂，腔室为具有平面或三维的几何形状的腔室的埋置或非埋置腔室的形式。

25、对于一实施方式，本发明的第四方面的方法适于制造本发明的第一方面的原子蒸汽单元。

26、根据实施方式，本发明第四方面的方法还包括：

27、-在宿留基板中：

28、-激光写入储存部和连接通道，所述连接通道以流体的方式将腔室与所述储存部连通，其中，储存部为非平面或三维的储存部的形式并且具有在宿留基板的表面处限定的至少一个开口端，和

29、/或

30、-在宿留基板的顶部表面或底部表面上激光写入一个或更多个埋置和/或非埋置腔室、储存部和/或连接通道；

31、-通过所述储存部的所述至少一个开口端从至少所述埋置腔室的激光写入过程中移除多余材料，和/或通过所述储存部的开口端对一个或更多个非埋置腔室、储存部和/或连接通道进行抛光；

32、-用所述原子蒸汽或产生所述原子蒸汽的材料源对储存部进行填充；

33、-向腔室的内壁添加扩散屏障沉积，即非去极化材料如氧化铝的纳米层，和/或用缓冲气体对腔室进行填充，以防止原子去极化碰撞；

34、-将密封基板结合到宿留基板的所述表面，以对储存部的所述至少一个开口端进行密封，和/或，在宿留基板的顶部或底部表面已经激光写入一个或更多个非埋置腔室、储存部和/或连接通道的情况下，在宿留基板的顶部或底部结合密封基板；以及

35、-使原子蒸汽扩散，以到达腔室。

36、对于可替代的实施方式，本发明的第四方面的方法包括：为腔室提供至少入口连接部，并用来自原子蒸汽单元的外部的原子蒸汽对该腔室进行填充；以及对于该实施方式的变体，该方法还包括出口连接部，并且使通过入口连接部进入腔室的原子蒸汽流经腔室，并通过出口连接部离开腔室。

37、本发明具有若干应用，如以下以非排他性的方式列出的应用：

38、-为许多工业和科学应用定制设计蒸汽单元。

39、-原子和分子光谱学/激光频率稳定。

40、-原子钟(应用于空间科学/gps等)。

41、-光泵浦磁力计/梯度计(应用于meg/mcg/神经技术/nmr/化学分析以及地球物理学和考古学)。

42、-非严格感测但需要光泵浦的原子光学应用，如原子量子存储器和非线性原子光学过程。

43、-原子陀螺仪(应用于汽车行业、空间科学和磁导航)。

44、-磁显微镜，应用于生物学、材料和化学，用于亚毫米空间分辨率的磁性表征以及磁生理学(芯片上的肌肉)中的磁性测量和神经光子学。

45、本发明中使用的无掩模制造技术，就其所有四个方面而言，提供了若干的优点。在宿留材料内部进行激光写入实现了制造具有3d结构通用性的几何图形。例如，可以在相对于物理腔室的不同深度处写入储存部，这是传统掩模制造技术无法实现的特性。此外，可以在不同深度写入多个物理腔室，以实现空间中不同原子感测区域之间的差分测量，例如一阶或多阶原子梯度计。此外，由于例如通过飞秒激光进行的无掩模激光写入适用于在透明材料如熔融的二氧化硅中执行的一些优选实施方式，因此可以从3个轴进行到物理腔室的多个光学通路。相比之下，如现有技术中描述的微制造单元(例如mems单元)使用通常对原子谐振波长例如铷或铯波长不透明的(通常由硅制成)的中间晶圆。现有技术的微制造单元具有沿一个轴的有限光学通路，1d通路。