本发明涉及原子传感器领域，所述原子传感器包括碱蒸汽室以及激光束成形装置，本发明还涉及用于这种原子传感器的激光束成形装置。
原子传感器具体而言是原子钟、微磁力仪乃至微陀螺仪。例如，此类原子传感器可用于电信系统、导航系统以及防御系统。
此类传感器有时被描述为“微原子钟”、“微磁力仪”和“微陀螺仪”。在本文中，应结合语境以及所表示的含义来理解“微”这个词。
此类原子传感器的运行以填充空腔的气体原子的光谱为基础，所述空腔具有光学窗口。气体通常为碱蒸汽，比如铯或铷。通过该光谱，可以结合传感器观察的一个或多个物理量来测量一个或多个光谱量，例如，所述物理量为频率、时间周期、磁场或加速度。
此类原子传感器是引人注意的，因为其小巧、节能，并且具有良好的测量精确度和稳定性。
根据本发明的典型原子传感器是芯片级原子钟，缩写为csac。如此的一个实例为美高森美(microsemi)的被称为sa.45s的csac，其体积为16cm3，质量为35g，并且仅需120mw的电力。
在微原子钟的情况下，传感器的运行通常以气体原子的特定微波跃迁的频率的测量为基础，称为时钟跃迁，并且采用相干布居囚禁(coherentpopulationtrapping，缩写为cpt)的原子共振原理。
通过mac-tfc协会的著作也已知这种微原子钟，femto-st(franche-comtéelectroniquemécaniquethermiqueetoptique-sciencesettechnologies的缩写)通过用硅进行mems(微机电系统的缩写)精密加工以及阳极焊接开发了非常紧凑的(几立方毫米)铯原子气室，(例如，参阅《制造和分配微机械铯原子气室的新方法》，该文由l.nieradko，c.gorecki，a.douahi，v.giordano，j.c.beugnot，j.dziuban和m.moraja在2008年8月发表在《显微纳米刻蚀微电子机械系统与微光机电系统杂志》中)。这种气室的光学窗口直径约为2毫米。
气室具有被称为“穿透式”的结构，在此，激光器，缩写为vcsel(垂直腔面发射激光器)的垂直空腔激光器以及光电探测器(光电二极管)位于气室本身两侧，激光束从其一侧穿过到另一侧，通过第一个玻璃盖进入其中，通过第二个玻璃盖从其中离开。
来自这种垂直空腔激光器的光束的特征在于散度(fwhm为10-15°)和尺寸(在出口反射镜处约为20μm)相对较小。
因此，如果不添加额外的装置，那么达到与气室的光学窗口相对应的，并且使之能够在可能的情况下通过等效强度(均匀照明)照亮所有原子的光束直径所需的距离较高；这样限制了原子传感器的最小尺寸。
为此，在mac-tfc协会的背景下，开发了望远镜系统，通过所述望远镜系统来增加光束的散度以及在其进入气室之前校准光束。
可以通过这种方案来缩小体积，但是这意味着要使多个光学元件对齐，就气室的维度而言，这是一项精细的操作。
尤其从文件us7,619,485以及该文件的图6具体所示内容中已知另一种方案。该方案包括利用反射镜或棱镜折回来自垂直空腔激光器的激光束，但是不改变光束的散度值。
通过这个方案，可以克服多项对齐的限制条件。实际上，与透镜不同，折叠系统(平移)定位不准并不比来源或气室同样定位不准的危害大。
在这方面，与介电镜(也具有较低吸收率)相比，使用棱镜更有吸引力，因为对反射表面的定向提供很好的控制。实际上，即使对于边缘为几毫米的棱镜而言，通常规定角公差为±15角秒(±0.004°)。
然而，通过相干布居囚禁得到的碱蒸汽的光谱需要激光束通过圆偏振进入气室。
而且，棱镜中激光束的反射会大幅度地改变激光束的偏振。实际上，即使在入射角大于上文定义的临界角时(即，没有能通量穿过光学表面)，光束未离开棱镜，另一方面，电磁场略微进入外部介质，使各种穿透深度取决于电场的定向(平行或垂直于入射平面)。激光束的两个分量经过不同的相移，例如，线性偏振激光束在全反射之后变成椭圆偏振。在应用光学杂志第47卷第359页(2008)中出现的由a.m.a.azzam提出的文章“反光直角棱镜的偏振属性”更详细地描述了这个现象。
因此需要一种激光束成形装置，其确保原子传感器气室入口处激光束的尺寸以及受控偏振。而且还需要在成形过程中来自激光束的功率损耗受限的一种装置。最后，需要尽可能最小的这种装置，而且所述装置易于制造，并且易于与原子传感器成为一体，尤其是通过限制待实施的限制性光学校准的数量。
因此，本发明的第一个主题是激光束成形装置，尤其是，通过与激光束发射激光器以及碱蒸汽室以及光检器相结合，容纳在原子传感器中，所述原子传感器比如是原子钟、原子磁力仪或原子陀螺仪，所述碱蒸汽室包括用气体填充的空腔，成形激光束能进入所述空腔，所述光检器用于接收已经进入气室的激光束，
成形装置包括反光镜棱镜，所述反光镜棱镜包括入射激光束的入口区、出射激光束的出口区以及两个内部激光束反射面，所述反射面之间形成直角。
成形装置的特征在于进一步包括
线性偏光片，其施置在反光镜棱镜的入口区的上游，以便被通过入口区进入反光镜棱镜的激光束穿过，并且能够使所述入射激光束线性偏振，以及
形状双折射板，其施置在反光镜棱镜的出口区的下游，以便被通过出口区离开反光镜棱镜的激光束穿过，并且能够使所述出射激光束圆偏振，从而得到成形激光束。
根据一个实施方案，线性偏光片包括亚波长金属网，而且，线性偏光片的亚波长金属网包括多个金属板，所述金属板彼此平行地沿着金属板方向延伸，并且沿着垂直于金属板方向的金属网的通过方向相对于彼此并列放置。
根据一个实施方案，金属网的通过方向平行于两个反射面各自延伸几何平面之间相交的方向。这样，可以确保全内反射过程中偏振的线性特征。
根据一个实施方案，形状双折射板是包括零阶亚波长介电网络的人造形状双折射板，而且，形状双折射板的零阶亚波长介电网络包括多个介电板，所述介电板沿着介电板方向彼此平行地延伸，并且沿着垂直于介电板方向的介电网络方向相对于彼此并列放置。
根据一个实施方案，介电板方向与金属板方向形成45°角。
根据一个实施例，线性偏光片和形状双折射板并排施置在玻璃板或晶片上。
根据一个实施例，反光镜棱镜的入口区和出口区形成反光镜棱镜的传播表面的两个部分，而且，线性偏光片和形状双折射板面对所述传播表面放置在其中，所述线性偏光片和形状双折射板形成在所述传播表面上或者形成在面对所述传播表面放置的玻璃板或晶片上。
本发明的另一个主题是激光束成形装置的制造工艺，尤其是，所述激光束成形装置通过与激光束发射激光器以及碱蒸汽室以及光检器相结合，容纳在原子传感器中，所述原子传感器比如是原子钟、原子磁力仪或原子陀螺仪，所述碱蒸汽室包括用气体填充的空腔，成形激光束能进入所述空腔，光检器用于接收已经进入气室的激光束：
施置反光镜棱镜，其包括入射激光束的入口区、出射激光束的出口区以及两个内部激光束反射面，所述反射面之间形成直角；
形成并施置线性偏光片，以便能够使入射激光束线性偏振，并且施置在反光镜棱镜入口区的上游，以便被通过入口区进入反光镜棱镜的激光束穿过；以及
形成并施置形状双折射板，以便能够使出射激光束圆偏振，并且施置在反光镜棱镜出口区的下游，以便被通过出口区离开反光镜棱镜的激光束穿过。
根据一个实施例，
通过在玻璃板或晶片上沉积金属层，尤其是铝层或金层，形成线性偏光片；以及
通过在所述玻璃板或晶片上沉积一层介电材料，尤其是氮化硅层，或者通过刻蚀所述玻璃板或晶片，在所述玻璃板或晶片上形成形状双折射板；
通过面对反光镜棱镜的传播表面放置玻璃板或晶片，把线性偏光片施置在反光镜棱镜入口区的上游，把形状双折射板施置在反光镜棱镜出口区的下游，其中，反光镜棱镜的入口区和出口区形成所述传播表面的两个部分。
根据一个实施例，
通过在反光镜棱镜的传播表面上沉积一层金属材料，尤其是一层铝或金，使线性偏光片形成并施置在反光镜棱镜的入口区的上游，反光镜棱镜的入口区形成所述传播表面的一部分；以及
通过在反光镜棱镜的传播表面上沉积一层介电材料，尤其是一层氮化硅，或者通过刻蚀所述传播表面，在反光镜棱镜的出口区的下游形成并沉积形状双折射板，反光镜棱镜的出口区形成所述传播表面的一部分。
最后，本发明的主题是包括上文所述的激光束成形装置的原子传感器，所述激光束成形装置与激光束发射激光器以及碱蒸汽室以及光检器紧凑结合在一起，所述碱蒸汽室包括用汽相气体填充的空腔，成形激光束能进入所述空腔，光检器用于接收已经进入气室的激光束。
根据一个实施例，由发射激光器发射的激光束的优选偏振方向大体上与线性偏光片金属网的通过方向对齐。
在各图中：
-图1是根据本发明一个实施例的原子传感器的示意横截面，原子传感器包括根据本发明的一个实施例的激光束成形装置，激光束发射激光器以及用气体填充的空腔以及光检器与所述激光束成形装置相结合，成形激光束能进入所述空腔，光检器用于接收已经进入气室的激光束；
-图2是图1的激光束成形装置的线性偏光片的详细透视图，包括金属板金属网；
-图3是图1的激光束成形装置的形状双折射板的详细透视图，包括介电板的零阶亚波长介电网络；以及
-图4是图1的激光束成形装置的详细透视图，在所述详细透视图上显示了激光束的路径，包括初始激光束、入射激光束、内部激光束、出射激光束以及成形激光束诸部分。
在各图中，相同标号指代相同或相似的项目。
图1显示了根据本发明的原子传感器1的一个实例，所述原子传感器1包括碱蒸汽室2、激光束发射激光器3，例如垂直空腔激光器(vcsel代表垂直腔面发射激光器)，以及用于接收已经进入气室2的激光束的光检器4。激光束用5表示。
例如，原子传感器1是芯片级原子钟(csac)，其以相干布居囚禁(cpt)原子共振原理为基础。
在本发明的变体中，例如，原子传感器1可以是原子磁力仪或原子陀螺仪。
气室2具体包括气体空腔6，所述气体空腔具有至少一个光学窗口7，并由气体填充。例如，所述气体是包含汽相碱性元素的气体，比如铯或铷，而且在适用的情况下，包含缓冲气体。“气体”一词可指气体、蒸汽或碱蒸汽或者气体与蒸汽的混合物。
原子传感器1进一步包括激光束成形装置8。
在激光束5的路径中，装置8插入在激光器3与气室2之间，并且所述装置能够接收来自激光器3的激光束5，并且传播激光束5，所述激光束5通过气室2的光学窗口7进入气体空腔6。
成形装置8包括反光镜棱镜9、线性偏光片10和形状双折射板11。
在图1和图4中，反光镜棱镜9包括入射激光束5b的入口区12、出射激光束5d的出口区13以及内部激光束5c的两个反射面14，15。
反射面14，15一起形成直角。
所谓的“面一起形成直角”应理解为，是反射面14，15分别沿着各自的延伸几何平面p1，p2延伸，所述延伸几何平面p1，p2在它们之间形成几何直角。
在图1的实施例中，入口区12和出口区13形成反光镜棱镜9的传播表面16的两个部分。
例如，反光镜棱镜9的传播表面16的定向可以与每个反射面14，15呈45°。
此外，“传播表面的定向与每个反射面14，15呈45°”的含义是，传播表面沿着延伸几何平面p3延伸，反射面14，15分别沿着各自的延伸几何平面p1，p2延伸，所以传播表面的延伸几何平面p3与反射面14，15的每个延伸几何平面p1，p2形成45°的几何角度。
注意，实际上，必须精确控制反射面14，15之间的夹角，以确保激光束回射，传播表面16与反射面14，15之间的定向不太重要，因为至少对于小角度而言，主要涉及到光束的空间偏移，而不是角度误差。
因此，例如，反射面14，15之间的角，有利地接近90°±15角秒(±0.004°)的范围内。
在图4中阐释了反光镜棱镜中激光束5的路径，并且按照以下方式分解所述路径。
入射激光束5b通过入口区12进入反光镜棱镜9并且遇到第一个反射面14，生成内部激光束5c。内部激光束5c在反光镜棱镜中传播，直到遇到第二个反射面15，并且确保出射激光束5d通过出口区13离开反光镜棱镜9。
入射激光束5b和出射激光束5d因此在反光镜棱镜9的切面h中彼此平行。
反光镜棱镜9的这种切面h具体是垂直于两个反射面14，15的各自延伸几何平面p1，p2之间相交方向i的平面。
例如，反光镜棱镜可由比如n-bk7、碱石灰、n-bak1乃至n-sf11这样的材料制成。
有利的是，反光镜棱镜可由折射率足够高的材料制成，以便即使在入射激光束的散度相对较高的情况下，仍确保入射激光束的全反射，如图1所示。
例如，反光镜棱镜可由n-bak1制成，其特征在于，在波长为852.1nm时，折射率为n＝1.564；如此的折射率确保激光束的全反射在传播表面16上的入射角在-8°至+8°之间。
在图2中更详细地显示了线性偏光片10，所述线性偏光片包括亚波长金属网17。
该亚波长金属网17包括多个金属板18。金属板18彼此平行地沿着金属板方向dm延伸。
此外，金属板18沿着垂直于金属板方向dm的金属网17的通过方向dp相对于彼此并列放置。
“亚波长网络”的具体含义应被理解为，金属板沿着通过方向dp通过空间周期相对于彼此并列放置，所述空间周期小于垂直入射时的激光束5的波长除以支撑金属板的基片的折射率，例如，在铯原子钟的情况下，大约小于900nm。
例如，金属板18由铝或金制成。
因此，例如，可以通过在玻璃板或晶片19上沉积金属层，尤其是铝层或金层，形成线性偏光片10。
在仅出于信息目的而提供的样本实施例中，通过沉积300nm厚的铝层，形成线性偏光片10，所述铝层的形状使金属板18以200nm的周期彼此相隔，并且沿着网络17的通过方向的长度分别为90nm，意即填充系数(宽度/周期)为0.45。
在也是仅出于信息目的而提供的样本实施例中，通过沉积350nm厚的金层形成线性偏光片10，所述金层的形状使金属板18以200nm的周期彼此相隔，并且沿着网络17的通过方向的长度分别为157nm，意即填充系数(宽度/周期)为0.45。
显然可以设想线性偏光片10、金属网17和金属板18的其它尺寸。
线性偏光片10施置在反光镜棱镜9的入口区12的上游，以便被通过入口区12进入反光镜棱镜9的激光束5b穿过。线性偏光片10能够使所述入射激光束5b线性偏振。
更准确地说，线性偏光片10接收由激光器3发射的初始激光束5a，并将其变换为具有确定线性偏振的入射激光束5b。
实际上，平行于金属板dm方向的入射初始激光束5a的分量被转换为金属板18中电子的位移，并因此被线性偏光片10吸收，而平行于金属网的通过方向dp的即时初始激光束5a的分量则在入射激光束5b中保持原样。
在本发明的具体实施例中，发射激光器3，例如是垂直空腔激光器(vcsel代表垂直腔面发射激光器)，可包括确保按照单偏振模式振荡的网络，尤其是已知的固定线性偏振。在这个实施例中，初始激光束5a还可以具有沿着由激光器3设定的偏振方向dl的线性偏振。
重要地需要注意的是，激光器3在原子传感器1中的组装约束，使得该偏振方向dl与原子传感器的其它元件很难精确地对齐，所述原子传感器的其它元件比如是形状双折射板11、反射棱镜9或者光室2。
有利的是，由发射激光器3发射的初始激光束5a的线性偏振大体上与线性偏光片10的金属网17的通过方向dp对齐，意即偏振方向dl与金属网的通过方向dp大体上对齐。
“大体上对齐”应被理解为，两个方向平行或者接近平行，例如，两者之间形成小于10°的夹角。
此外，通过施置在所述传播表面16中或者形成在与所述传播表面16接触的玻璃板或晶片19上，使线性偏光片10面对反光镜棱镜9的传播表面16放置。
如图2所示，线性偏光片10的金属网17具体可以在延伸几何平面pp中延伸，所述延伸几何平面是由通过方向dp和金属板方向dm形成的，所以所述延伸几何平面pp平行于传播表面16的延伸几何平面p3。
金属网17的通过方向dp具体可以平行于两个反射面14，15的延伸几何平面p1，p2之间的相交方向i。
这样，在反射过程中把应用于入射激光束5b的线性偏振保持在棱镜9中，并因此将其保持在出射激光束5d中。
此外，在图3中更详细地显示了形状双折射板11。例如，形状双折射板11是形状双折射板或人造双折射板。
为此目的，形状双折射板11包括零阶亚波长介电网络20.
该介电网络20包括多个介电板21。介电板21沿着介电板方向dd彼此平行地延伸。
此外，介电板21沿着垂直于介电板方向dd的介电网络方向dr彼此平行地并列放置。
此外，“亚波长网络”在此又被理解为，介电板通过沿着介电网络方向dr的空间周期相对于彼此并列放置，所述空间周期小于垂直入射时激光束5的波长除以支撑介电板的基片的折射率，例如，在铯原子钟的情况下，大约小于900nm。
“零阶介电网络”或“零阶光栅”的含义应被理解为，对于介电网络而言，分隔介电板的周期足够小，以至于介电网络不产生除0阶以外的其它传播衍射级。
通过这种零阶介电网络，可以控制入射激光束的横向电分量与横向磁分量之间的相移，并因此根据进入光的偏振控制退出光的偏振。
例如，用玻璃或氮化硅(si3n4)实施介电板21。
因此，例如，可以通过在玻璃板或晶片19上沉积氮化硅层(si3n4)来形成形状双折射板11，例如，在其上形成线性偏光片10的玻璃板或晶片19上进行沉积。
作为选择，例如，可以通过刻蚀玻璃板或晶片19由玻璃(二氧化硅)形成形状双折射板11，例如，在其上形成线性偏光片10的玻璃板或晶片19上进行刻蚀。
在纯粹出于阐释性目的而提供的一个实施例中，通过刻蚀玻璃板或晶片19来形成形状双折射板11，所述玻璃板或晶片被形成为使介电板21的厚度为2710nm，以580nm的周期彼此相隔，在此，介电网络20的填充系数(宽度/周期)为0.464。这种网络的纵横比(厚度/宽度)因此约为10。
在也纯粹出于阐释性目的而提供的另一个实施例中，通过沉积厚度为598nm的氮化硅层来形成形状双折射板11，所述氮化硅层的形状使得介电板21以580nm的周期彼此相隔，在此，介电网络20的填充系数(宽度/周期)为0.331。因此，这种网络的纵横比(厚度/宽度)约为3。
显然可以设想形状双折射板11、介电网络20和介电板21的其它尺寸。
形状双折射板11施置在反光镜棱镜9的出口区13的下游，以便使反光镜棱镜9从出口区13退出的激光束横5d穿所述形状双折射板。形状双折射板11能使所述出射激光束5d圆偏振，以便得到成形激光束5e。
通过这种零阶介电网络，可以控制入射激光束的横向电分量和横向磁分量之间的相移，并因此根据进入光的偏振控制退出光的偏振。
实际上，如前文详细所述，通过这种介电网络20，可以控制入射激光束的横向电分量和横向磁分量之间的相移，并因此根据进入光的偏振控制退出光的偏振。介电网络20因此像各向异性材料一样运行，在此，各向异性并不是由材料的内在特性产生的，而是由在其表面上实施的周期性结构产生的，其足够小，以便人为操纵折射率。
确定介电网络20的尺寸，以便对于具有线性偏振的退出光束5d而言，成形光束5e的偏振是圆形的，例如，其圆偏振的椭圆率小于1.1。通过上文详述的介电网络21实例可以得到这种偏振。
为了适应介电网络20的尺寸，例如，可以采用等效介质理论(emt)的公式。关于这个主题，还可以参考应用物理快报杂志42，492-494(1983)中d.c.flanders的文件《亚微米周期性光栅作为人工各向异性电介质》中的信息。
此外，形状双折射板11面对反光镜棱镜9的传播表面16放置，将其施置在所述传播表面16中或者形成在与所述传播表面16接触的玻璃板或晶片19上。
因此，例如，线性偏光片10和形状双折射板11可以并排施置在玻璃板或晶片19上。
如图3所示，形状双折射板11的介电网络20尤其可以在延伸几何平面pl中延伸，所述延伸几何平面pl是由介电板方向dd和介电金属方向dr形成的，所以所述延伸几何平面pl平行于传播表面16的延伸几何平面p3。
此外，介电网络20延伸几何平面pl可以平行于金属网17的延伸几何平面pp。
更具体而言，介电网络21的介电板方向dd可与金属板方向dm形成45°角。
同样，假定介电网络方向dr与介电网络21的介电板方向dd垂直，介电网络dr的方向则可以与金属板dm的方向形成45°角。
或者，此外，假定金属板的通过方向dp与金属网17的金属板方向dm垂直，金属板的通过方向dp则可以与介电网络dr的方向或介电板dd的方向形成45°角。
这样，可以使成形激光束5e圆偏振。