CN105515581A - 原子室、原子室的制造方法以及量子干涉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种能够提高频率稳定度的原子室及其制造方法，并提供具备该原子室的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体。本发明的原子室(2)具备：碱金属原子；主体部(21)以及窗部(22、23)，主体部(21)以及窗部(22、23)构成了封入有碱金属原子的内部空间(S)；吸气材料(G)，其被配置在内部空间(S)内。吸气材料(G)为含有钛、钡、钽、锆、铝、钒、铟、钙中的至少一种的合金，或者优选为Al-Zr-V-Fe类合金。
Description
技术领域
本发明涉及一种原子室、原子室的制造方法、量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体。
背景技术
作为长期具有高精度的振荡特性的振荡器，已知有一种基于铷、铯等碱金属的原子的能量跃迁而进行振荡的原子振荡器。
通常，原子振荡器的工作原理大致分为：利用了光以及微波产生的双重共振现象的方式和利用了波长不同的两种光所产生的量子干涉效应(CPT：CoherentPopulationTrapping)的方式。无论为哪种方式的原子振荡器，一般都具备封入了碱金属的原子室(气室)(例如，参照专利文献1)。另外，在原子室内，除了碱金属之外，一般还封入有氮、氩、氖等惰性气体作为缓冲气体。
但是，在以往的原子振荡器中存在下述问题，即，在制造过程等中，在原子室内混入碱金属、缓冲气体以外的无用物，由于该无用物致使频率稳定度降低的问题。例如，在利用了量子干涉效应的原子振荡器中，向原子室内的碱金属照射两种共振光，将伴随着电磁感应透明(EIT：ElectromagneticallyInducedTransparency)现象而产生的急剧的信号即EIT信号作为基准信号而使用，其中，所述EIT信号为，在该两种共振光的频率差为特定的值时两种共振光均不被原子室内的碱金属吸收而是透过的现象，但是，以往碱金属原子的运动会因原子室内的无用物而发生变化，该变化会对EIT信号产生影响，其结果为，会存在频率稳定度降低的问题。
专利文献1：日本特开2009-283526号公报
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够提高频率稳定度的原子室及其制造方法，另外，提供一种具备该原子室的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体。
本发明是为了解决上述的课题的至少一部分而完成的，可以作为以下的方式或者应用例实现。
应用例1
本发明的原子室的特征在于，具备：金属原子；壁部，其构成封入了所述金属原子的内部空间；吸气材料，其被配置于所述内部空间内。
根据这样的原子室，由于在内部空间内配置有吸气材料，因此能够使处于内部空间内的气体状的无用物的至少一部分吸附于吸气材料上或被吸气材料所吸收。因此，能够减少在原子室内漂浮的无用物的量，其结果为，能够防止或减少由于原子室内的无用物而使金属原子的运动变化并给EIT信号带来影响致使频率稳定度降低的情况。因此，能够提高频率稳定度。
应用例2
优选为，在本发明的原子室中，上述壁部具备：第一基板，其具有在所述第一基板的一面侧开口的凹部；所述壁部具备：第一基板，其具有在所述第一基板的一面侧开口的凹部；第二基板，其被接合于所述第一基板的所述一面侧，并与所述第一基板一起构成所述内部空间。
由此，能够实现原子室的小型化。另外，由于如果实现原子室的小型化，则原子室内的无用物容易给EIT信号造成影响，因此通过将本发明应用于该结构的原子室中，从而使其效果变得明显。
应用例3
优选为，在本发明的原子室中，在壁部的面向所述内部空间的表面具备涂覆膜。
由此，使得原子室内的气体状的金属原子的运动稳定化，其结果为，能够提高频率稳定度。
应用例4
优选为，在本发明的原子室中，所述吸气材料被保持于所述涂覆膜上。
由此，防止或减少吸气材料的移动，其结果为，能够防止或减少吸气材料本身给EIT信号造成影响的情况。
应用例5
本发明的原子室的制造方法的特征在于，具有：
准备工序，准备具有在一个面侧开口的凹部的第一基板、第二基板、包含金属的固体状的金属化合物、以及吸气材料；配置工序，在所述凹部内配置所述金属化合物；密封工序，将所述第二基板接合在所述第一基板的所述一个面侧，从而将所述凹部密封；化合物分解工序，通过使所述金属化合物发生分解反应，从而提取出所述金属。
根据该原子室的制造方法，由于在所得到的原子室中，在内部空间内配置有吸气材料，因此能够使处于内部空间的气体状的无用物的至少一部分吸附于吸气材料上或被吸气材料所吸收。因此，能够减少在所得到的原子室中，在原子室内漂浮的无用物的量，其结果为，能够防止或减少由于原子室内的无用物而使金属原子的运动变化并给EIT信号带来影响致使频率稳定度降低的情况。因此，能够提高频率稳定度。
另外，由于使用固体状的金属化合物在内部空间封入金属原子，因此能够防止在密封工序中，金属原子附着于第一基板与第二基板的接合面上的情况。因此，能够使第一基板与第二基板简单并且稳固地接合。其结果为，能够提高原子室的可靠性。
应用例6
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，所述金属化合物为氯化铯，在所述配置工序中，在所述凹部中还配置钙。
通过将钙作为还原剂来使氯化铯还原，能够生成铯。因此，能够在原子室内封入铯原子。
应用例7
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，所述金属化合物为氰化铯。
能够通过使氰化铯还原来生成铯。因此，能够在原子室内封入铯原子。
应用例8
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，在所述化合物分解工序中，通过向所述金属化合物照射能量线，从而来产生上述分解反应。
由此，能够使得被配置于密封的内部空间内的金属化合物分解反应。
应用例9
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，所述吸气材料为含有钛、钡、钽、锆、铝、钒、铟、钙中的至少一种的合金，或者Al-Zr-V-Fe类合金。
由此，能够使原子室内的无用物吸附于吸气材料上或被吸气材料所吸收。
应用例10
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，所述第一基板含有硅，所述第二基板含有玻璃。
由此，能够使用蚀刻技术、光刻技术制造小型且高精度的原子室。
应用例11
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，在所述密封工序中，通过加热接合来进行所述第一基板与所述第二基板的接合。
在加热接合中，第一基板以及第二基板为高温，而例如碱金属的熔点以及沸点比较低。因此，当在加热接合时存在碱金属单体，则碱金属将会附着于第一基板与第二基板的接合面上，致使接合强度降低。因此，在通过这样的接合实施密封的情况下，应用本发明所产生的效果将变得明显。
应用例12
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，在所述密封工序中，通过阳极接合来进行所述第一基板与所述第二基板的接合。
在阳极接合中，第一基板以及第二基板为高温而例如碱金属单体的熔点以及沸点比较低。因此，当在加热接合时存在碱金属单体，碱金属将会附着于第一基板与第二基板的接合面上，致使接合强度的降低。因此，在通过这样的接合实施密封的情况下，应用本发明所产生的效果将变得明显。
应用例13
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，在所述准备工序中，使所述第一基板具有多个所述凹部。
由此，能够高效地制造原子室。
应用例14
优选为，在本发明的原子室的制造方法中，在所述密封工序之后，具有按照每个所述凹部而将所述第一基板与所述第二基板接合而成的接合体单片化的单化工序。
由此，能够高效地制造出原子室。
应用例15
本发明的量子干涉装置的特征在于，具备本发明的原子室。
由此，能够提供具有优异的频率稳定度的量子干涉装置。
应用例16
本发明的原子振荡器的特征在于，具备本发明的原子室。
由此，能够提供一种具有优异的频率稳定度的原子振荡器。
应用例17
本发明的电子设备的特征在于，具备本发明的原子室。
由此，能够提供一种具备能够提高频率稳定度的原子室的电子设备。
应用例18
本发明的移动体的特征在于，具备本发明的原子室。
由此，能够提供一种具备能够提高频率稳定度的原子室的移动体。
附图说明
图1为表示本发明的第一实施方式的原子振荡器(量子干涉装置)的概要概要图。
图2为用于对碱金属的能量状态进行说明的图。
图3为表示从光出射部出射的两种光的频率差与由光检测部检测出的光的强度之间的关系的曲线图。
图4中，(a)为图1所示的原子振荡器所具备的原子室的纵剖视图，(b)为(a)中的A-A线剖视图(横剖视图)。
图5为表示在图4所示的原子室的制造方法中的准备工序所使用的部件的图。
图6为表示图4所示的原子室的制造方法中的准备工序、配置工序以及密封工序的图。
图7为表示在图4所示的原子室的制造方法中的化合物分解工序以及单个化工序的图。
图8(a)为本发明的第二实施方式所涉及的原子振荡器所具备的原子室的纵剖视图，(b)为(a)中的A-A线剖视图(横剖视图)。
图9为表示图8所示的原子室的制造方法中的准备工序、配置工序以及密封工序的图。
图10为表示图8所示的原子室的制造方法中的化合物分解工序以及单个化工序的图。
图11为表示在利用了GPS卫星的定位系统使用了本发明的原子振荡器的情况下的概要结构的图。
图12为表示本发明的移动体的一个例子的图。
具体实施方式
以下，基于附图所示的实施方式对本发明的原子室、原子室的制造方法、量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体进行详细说明。
1、原子振荡器(量子干涉装置)
首先，对于本发明的原子振荡器(具备本发明的量子干涉装置的原子振荡器)进行说明。此外，在后文中对将本发明的量子干涉装置应用于原子振荡器的例子进行说明，不过本发明的量子干涉装置并不局限于此，除了原子振荡器之外，例如还可以应用于磁性传感器、量子存储器等中。
第一实施方式
图1为表示本发明的第一实施方式所涉及的原子振荡器(量子干涉装置)的概要概要图。另外，图2为用于对碱金属的能量状态进行说明的图，图3为表示从光出射部出射的两种光的频率差与由光检测部检测出的光之间的强度的关系的曲线图。
图1所示的原子振荡器1为利用了量子干涉效应的原子振荡器。如图1所示，该原子振荡器1具备原子室2(气室)，光出射部3，光学部件41、42、43、44，光检测部5，加热器6，温度传感器7，磁场产生部8和控制部10。
首先，对于原子振荡器1的原理进行简单说明。
如图1所示，在原子振荡器1中，光出射部3向原子室2出射激励光LL，由光检测部5检测透过原子室2的激励光LL。
在原子室2内封入有气体状的碱金属(金属原子)，如图2所示，碱金属具有三能级系统的的能级，可得到能级不同的两种基态(基态1、2)、激励状态这三种状态。在此，基态1为与基态2相比较低的能量状态。
从光出射部3出射的激励光LL包括频率不同的两种共振光1、2，当将该两种共振光1、2朝前文所述的气体状的碱金属照射时，共振光1、2的碱金属中的光吸收率(光透过率)将会根据共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)而变化。
此外，在共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)与相当于态基态1与基态2的能量差的频率一致时，从基态1、2向激励状态的激励将分别停止。此时，共振光1、2均不被碱金属吸收而透过。将这样的现象称为CPT现象或电磁感应透明化现象(EIT：ElectromagneticallyInducedTransparency)。
例如，如果光出射部3固定共振光1的频率并使共振光2的频率ω2变化，则当共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)同相当于基态1与基态2的能量差的频率ω0一致时，如图3所示，光检测部5的检测强度急剧地上升。将这样的急剧的信号作为EIT信号进行检测。该EIT信号具备依据碱金属的种类决定的固有值。因此，通过使用这样的EIT信号，能够构成振荡器。
以下，对于原子振荡器1的各部进行简单说明。
原子室
在原子室2内封入有气体状的铷、铯、钠等碱金属。另外，也可以根据需要将氩、氖等稀有气体、氮气等惰性气体作为缓冲气体同碱金属气体一起封入到原子室2内。
另外，在原子室2内，除了上述封入物外，还配置有碱金属化合物、吸气材料等。此外，对此，在后文中同原子室2的结构一起进行详述。
光出射部
光出射部3(光源)具备出射对原子室2中的碱金属原子进行激励的激励光LL的功能。
更加具体而言，光出射部3光出射部3出射如前文所述这种频率不同的两种光(共振光1以及共振光2)以作为激励光LL出射前文所述的。共振光1为能够将原子室2内的碱金属从前文所述的基态1向激励状态进行激励(共振)的共振光。另一方面，共振光2为能够将原子室2内的碱金属从前文所述的基态2向激励状态进行激励的共振光。前文所述的前文所述的作为该光出射部3，只要能够出射如前文所述这种激励光，则不被特别限定出射前文所述的例如，可以使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)等半导体激光器等。
此外，光出射部3通过未图示的温度调节元件(发热电阻体、珀尔帖元件等)而被温度调节为预定温度。
光学部件
多个光学部件41、42、43、44分别被设置在前文所述的光出射部3与原子室2之间的激励光LL的光路上。在此，从光出射部3侧起向原子室2侧依次配置有光学部件41、光学部件42、光学部件43、光学部件44。
光学部件41为透镜。由此，能够无损耗地向原子室2照射激励光LL。
另外，光学部件41具有使激励光LL成为平行光的功能。由此，能够简单且可靠地防止激励光LL在原子室2的内壁上反射的情况。因此，能够适度地在原子室2内产生激励光的共振，其结果为，能够提高原子振荡器1的振荡特性。
光学部件42为偏振光板。由此，能够将来自光出射部3的激励光LL的偏振光调节为预定方向。
光学部件43为减光滤光器(ND滤光器。由此，能够调节(减小)入射到原子室2入射的激励光LL的强度。因此，即使在光出射部3的输出较大的情况下，也能够使入射至原子室2入射的激励光形成为所需的光量。在本实施方式中，通过光学部件43来调节通过了前文所述的光学部件42的具有预定方向的偏振光的激励光LL的强度。
光学部件44为λ/4波长板。由此，能够将来自光出射部3的激励光LL从直线偏振光变换为圆偏振光(右圆偏振光或者左圆偏振光)。
如后所述的那样，在通过磁场产生部8的磁场使原子室2内的碱金属原子发生塞曼分裂的状态下，如果向碱金属原子照射直线偏振光的激励光，则会由于激励光与碱金属原子之间的相互作用，而使碱金属原子均匀地分散并存在于塞曼分裂后的多个能级。其结果为，所需的能级的碱金属原子的个数相对于其他能级的碱金属原子的个数相对减少，因此显现所需的EIT现象的原子个数将会减少，从而所需的EIT信号的强度变将会小，其结果为，将会导致原子振荡器1的振荡特性的下降。
与此相对，如后所述，当通过磁场产生部8的磁场使原子室2内的碱金属原子发生塞曼分裂的状态下，如果将圆偏振光的激励光向碱金属原子照射，则能够通过激励光与碱金属原子的相互作用使碱金属原子发生塞曼分裂的多个级中的所需的能级的碱金属原子个数个数比其他能级的碱金属原子的个数相对增多。因此，发现所需的EIT现象的原子个数增大，所需的EIT信号的强度变大，其结果为，能够提高原子振荡器1的振荡特性。
光检测部
光检测部5具有对透过可原子室2内后的激励光LL(共振光1、2)的强度进行检测的功能。
作为该光检测部5，只要能够对如上述的这种激励光进行检测，则不被特别限定，不过例如可使用太阳电池、光电二极管等光检测器(受光部件)。
加热器
加热器6(加热部)具有对前文所述的原子室2(更加具体而言为原子室2中的碱金属)进行加热的功能。由此，能够将原子室2中的碱金属维持为适当的浓度的气体状。
该加热器6被构成为例如包括通过通电而发热的发热电阻体。该发热电阻体既可以相对于原子室2接触而被设置，也可以相对于原子室2非接触而被设置。
例如，当将发热电阻体以相对原子室2接触的方式而设置的情况下，在原子室2的一对窗部上分别设置发热电阻体。由此，能够防止碱金属原子在原子室2的窗部上结露的情况。其结果为，能够使原子振荡器1的特性(振荡特性)长期保持优异。
该发热电阻通过具有针对激励光的透过性的材料，具体而言，例如ITO(IndiumTinOxide：铟锡氧化物)、IZO(IndiumZincOxide：铟锌氧化物)、In3O3、SnO2、含Sb的SnO2、含Al的ZnO等氧化物等的透明电极材料而被构成。另外，发热电阻体例如可使用等离子体CVD、热CVD之类的化学蒸镀法(CVD)、真空蒸镀等干式电镀法、溶胶-凝胶法等而形成。
另外，在将发热电阻体以相对原子室2非接触的方式设置的情况下，可以经由热传导性优异的金属等、陶瓷等部件而从发热电阻体向原子室2进行导热。
此外，加热器6只要为能够对原子室2进行加热的部件即可，，并不局限于前文所述的方式，可以使用各种加热器。另外，也可以使用帕尔帖元件来代替加热器6或者与加热器6并用，来对原子室2进行加热。温度传感器
温度传感器7对加热器6或原子室2的温度进行检测。并且，基于该温度传感器7的检测结果，而对于前文所述的加热器6的发热量进行控制。由此，能够将原子室2内的碱金属原子维持为所需的温度。
此外，温度传感器7的设置位置并不被特别限定，例如，既可以在加热器6上，也可以在原子室2的外表面上。
作为温度传感器7，并未被特别限定，可以使用热敏电阻、热电偶等公知的各种温度传感器。
磁场产生部
磁场产生部8具有产生使原子室2内的碱金属的简并的多个能级塞曼分裂的磁场的功能。由此，能够通过塞曼分裂来扩大碱金属简并的不同的能级间的能隙，从而提高分辨率。其结果为，能够提高原子振荡器1的振荡频率的精度。
该磁场产生部8例如通过以隔着原子室2的方式而被配置的亥姆霍兹线圈或以覆盖原子室2的方式而被配置的电磁线圈而被构成。由此，能够在原子室2内产生单方向的均匀的磁场。另外，磁场产生部8所产生的磁场为恒定磁场(直流磁场)，不过也可以叠加交变磁场。
控制部
控制部10具有分别对光出射部3、加热器6以及磁场产生部8进行控制的功能。
该控制部10具有：对光出射部3的共振光1、2的频率进行控制的激励光控制部12、对原子室2中的碱金属的温度进行控制的温度控制部11以及对来自磁场产生部8的磁场进行控制的磁场控制部13。
激励光控制部12根据前文所述的光检测部5的检测结果，而对从光出射部3出射的共振光1、2的频率进行控制。更加具体而言，激励光控制部12以使(ω1-ω2)成为前文所述的碱金属固有的频率ω0的方式而对从光出射3出射的共振光1、2的频率进行控制。此外，激励光控制部12对从光出射部3出射的共振光1、2的中心频率进行控制。
在此，虽然未进行图示，但是激励光控制部12具备压制型水晶振荡器(振荡电路)，并根据光检测部5的检测结果而对该压制型水晶振荡器的振荡频率进行同步、调节，且作为原子振荡器1的输出信号而进行输出。
例如，虽然未进行图示，但是激励光控制部12具备将来自该电压控制型水晶振荡器的输出信号进行频率倍增的倍频器，将经该倍频器倍增后的信号(高频信号)与直流偏压电流重叠而作为驱动信号输入至光出射部3。由此，通过以利用光检测部5来检测EIT信号的方式而对电压控制型水晶振荡器进行控制，从而会从电压控制型水晶振荡器输出所需的频率的信号。例如，当将来自原子振荡器1的输出信号的所需的频率设为f时，该倍频器的倍增率为ω0/(2×f)。由此，当电压控制型水晶振荡器的振荡频率为f时，使用来自倍频器的信号而对出射光出射部3中所包含的半导体激光器等发光元件进行调制，从而能够出射频率差(ω1-ω2)为ω0的两种光。
另外，温度控制部11根据温度传感器7的检测结果而对朝向加热器6的通电进行控制。由此，能够将原子室2维持为所需的温度范围内。例如，原子室2通过加热器6而被温度调节为例如70℃左右。
另外，磁场控制部13以使磁场产生部8所产生的磁场为恒定的方式，而对朝向磁场产生部8的通电进行控制。
该控制部10例如被设置在被安装于基板上的IC芯片中。至此，对于原子振荡器1的结构进行了简单说明。
原子室的详细的说明
图4(a)为图1所示的原子振荡器所具备的原子室的纵剖视图，图4(b)为图4(a)中的A-A线剖视图(横剖视图)。
此外，在后文中为了便于说明，将图4(a)中的上侧称为“上”，下侧称为“下”。
如图4(a)所示，原子室2具备主体部21、隔着主体部21设置的一对窗部22、23。在该原子室2中，主体部21配置在一对窗部22、23之间，由主体部21以及一对窗部22、23划分形成(构成)封入有气体状的碱金属的内部空间S。
在此，主体部21以及窗部22、23构成“壁部”，该壁部构成(划分形成)内部空间S，主体部21以及窗部22构成具有在一个面侧开口的凹部的“第一基板”，另外，窗部23构成“第二基板”，所述“第二基板”被接合于第一基板的上述一个面侧，并同第一基板一起构成内部空间S。通过这样的多个基板的层压构造，从而能够实现原子室2的小型化。另外，如果实现原子室2的小型化，则原子室2内的无用物容易给EIT信号带来影响，因此通过将本发明应用于这样的构造的原子室2，其从而使其效果变得较为明显。此外，也可以说主体部21以及窗部23构成具有在一个面侧开口的凹部的“第一基板”，另外，窗部22构成“第二基板”，所述“第二基板”被接合于第一基板的上述一个面侧，且同第一基板一起构成内部空间S。
主体部21呈以上下方向为厚度方向的板状，在该主体部21上形成有贯穿于主体部21的厚度方向(上下方向)上的贯穿孔211、212，以及在主体部21的上表面开口而使贯穿孔211与贯穿孔212连通的槽213(凹部)。
虽然作为该主体部21的构成材料没有进行特别限定，可以列举出玻璃材料、水晶、金属材料、树脂材料、硅材料等，但是其中，优选使用玻璃材料、水晶、硅材料的任意一种，更优选使用硅材料。由此，即便在形成宽度或高度为10mm以下这样的较小的原子室2的情况下，也能够使用蚀刻等微细加工技术容易地形成高精度的主体部21。特别是，硅能够实现由蚀刻实施的微细加工。因此，通过使用硅来构成主体部21，从而即使实现了原子室2的小型化，也能够简单且高精度地形成主体部21。另外，在窗部22、23由玻璃构成的情况下，主体部21与窗部22、23能够通过阳极接合而简单地气密性接合，从而能够使原子室2的可靠性优异。
在该主体部21的下表面上接合有窗部22，相反，在主体部21的上表面上接合有窗部23。由此，贯穿孔211、212的下端侧开口被窗部22封堵，并且贯穿孔211、212的上端侧开口以及槽213的开口被窗部23封堵。此外，由贯穿孔211、212以及槽213构成的内部空间S被形成为气密性空间。
作为主体部21与窗部22、23的接合方法是根据它们的构成材料而决定的，只要为能够气密性接合的方法则不进行特别限定，例如可以使用由粘合剂实施的接合方法、直接接合法、阳极接合法、表面活性化接合法等，不过优选使用直接接合法或阳极接合法。由此，能够使主体部21与窗部22、23简单地气密性接合，从而能够使原子室2的可靠性优异。
被接合于该主体部21上的各个窗部22、23具有对于来自前文所述的光出射部3的激励光的透过性。此外，一方的窗部22为向原子室2的内部空间S内入射激励光LL的入射侧窗部，另一方的窗部23为从原子室2的内部空间S内出射激励光LL的出射侧窗部。
另外，窗部22、23分别呈板状。在此，可以说窗部22、23分别构成被层压于主体部21上的“基板”。
作为窗部22、23(基板)的构成材料，只要具有针对前文所述的激励光的透过性即可，则不进行特别限定，虽然例如列举出玻璃材料、水晶等，但是优选使用玻璃材料。由此，能够实现具有针对激励光的透过性的窗部22、23。另外，在主体部21由硅构成的情况下，通过使用玻璃构成窗部22、23，从而能够通过阳极接合而将躯干部主体部21与窗部22、23气密地性接合，从而能够使原子室2的可靠性优异。此外，还可以根据窗部22、23的厚度或激励光的强度而由硅构成窗部22、23。在这种情况下，可以将主体部21与窗部22、23直接接合。
在由该主体部21以及窗部22、23划分形成的内部空间S内收纳有气体状的碱金属。被收纳于该内部空间S内的气体状的碱金属在贯穿孔211内通过激励光LL而被激励。即，贯穿孔211内的空间的至少一部分构成激励光LL通过的“光通过空间”。在本实施方式中，贯穿孔211的横截面呈圆形，另一方面，虽然光通过空间的横截面未进行图示，但是呈与贯穿孔211的横截面相似的形状(即圆形)，并且，与贯穿孔211的横截面相比被设定得略小。此外，贯穿孔211的横截面形状并不局限于圆形，例如可以是四边形、五边形等多边形，也可以是椭圆形等。
另外，内部空间S的贯穿孔212内的空间经由槽213内的空间而与贯穿孔211内的空间连通。在本实施方式中，贯穿孔212的横截面呈矩形。此外，贯穿孔212的横截面形状不局限于矩形，例如，可以是五边形等其他多边形、圆形、椭圆形等。
在该贯穿孔212内的空间内收纳有液体状或固体状的碱金属M。即，贯穿孔212内的空间为构成内部空间S的一部分或者与内部空间S连通的空间，并构成配置有液体状或者固体状的碱金属M的“金属积存部”。该液体状或者固体状的碱金属M与内部空间S内的气体状的碱金属在饱和蒸气压下处于平衡状态，由此，能够使内部空间S内的气体状的碱金属保持规定浓度。另外，通过在与贯穿孔211内的空间分离的贯穿孔212内的空间配置碱金属M，从而能够减低碱金属M对频率特性造成的影响。
另外，在贯穿孔212内的空间内配置有化合物P以及吸气材料G。
化合物P为在后文所述的原子室2的制造中所使用的金属化合物P1的分解反应后的残渣，例如是未反应的金属化合物P1。另外，化合物P还包括通过金属化合物P1的分解反应生成的碱金属以外的生成物。另外，通过在与贯穿孔211内的空间分离的贯穿孔212内的空间配置化合物P，从而能够减少化合物P给频率特性造成的影响。
此外，通过金属化合物P1的分解反应产生的碱金属以外的生成物全部为气体，并且金属化合物P1完全发生分解反应的情况下，在内部空间S内不存在固体状的化合物P。在这种情况下，通过金属化合物P1的分解反应产生的碱金属以外的生成物将作为气体存在于内部空间S，或者被吸附于吸气材料G上或者被吸气材料G吸收。此外，当通过金属化合物P1的分解反应产生的碱金属以外的生成物为氮气等惰性气体的情况下，能够将该生成物作为缓冲气体的一部分而使用。
吸气材料G具备吸附或吸收所需的碱金属气体以及缓冲气体以外的气体的功能。由此，能够使吸气材料G吸附或吸收处于内部空间S内的碱金属原子以外的无用物的至少一部分。因此，能够减少在原子室2内漂浮的无用物的量，其结果为，能够防止或减少由于原子室2内的无用物使碱金属原子的运动变化从而给EIT信号造成影响致使频率稳定度降低的情况。因此，能够提高频率稳定度。另外，通过在与贯穿孔211内的空间分离的贯穿孔212内的空间配置吸气材料G，能够减少吸气材料G给频率特性造成的影响。
此外，对于化合物P、金属化合物P1以及吸气材料G，同后文所述的原子室2的制造方法一起进行详述。
由于以上所说明的这种原子振荡器1具备将吸气材料G配置在内部空间S内的原子室2，因此具备优异的频率稳定度。
另外，以上所说明的这种原子振荡器1所具备的原子室2可以以如下的方式进行制造。
原子室的制造方法
以下，以对前文所述的原子室2进行制造的情况为例对本发明的原子室的制造方法进行说明。此外，在后文中，以主体部21由硅构成，窗部22、23由玻璃构成为的情况为例进行说明。
图5为表示在图4所示的原子室的制造方法中的准备工序中使用的部件的图。图6为表示图4所示的原子室的制造方法中的准备工序、配置工序以及密封工序的图。图7为表示图4所示的原子室的制造方法中的化合物分解工序以及单个化工序的图。
原子室2的制造方法具有[1]准备工序、[2]配置工序、[3]密封工序、[4]化合物分解工序以及[5]单个化工序。以下，依次对各工序进行说明。
[1]准备工序
首先，如图5所示，准备主体部形成用基板210以及窗部形成用基板220、230。
主体部形成用基板210为用于形成前文所述的主体部21的硅基板，具备贯穿孔211、212以及槽213。另外，窗部形成用基板220为用于形成前文所述的窗部22的玻璃基板。同样，窗部形成用基板230为用于形成前文所述的窗部23的玻璃基板。
这样，通过使主体部形成用基板210含有硅，窗部形成用基板220、230分别含有玻璃，从而能够使用蚀刻技术或光刻技术制造出小型且高精度的原子室2。
在本实施方式中，主体部形成用基板210具备多个组的贯穿孔211、212以及槽213，并通过在后文所述的[5]单个化工序中被单个化，由此形成主体部21。另外，窗部形成用基板220、230通过在后文所述的[5]单个化工序中被单个化而形成窗部22、23。
此外，如图6(a)所示，将主体部形成用基板210与窗部形成用基板220接合。由此，可得到主体部形成用基板210与窗部形成用基板220接合而成的接合体(层压体)。该接合体构成具有在一个面侧开口的贯穿孔211、212以及槽213所形成的凹部的“第一基板”。另外，窗部形成用基板230构成“第二基板”。
主体部形成用基板210与窗部形成用基板220的接合优选通过作为加热接合的一种的阳极接合来实施。由此，能够比较简单地将主体部形成用基板210与窗部形成用基板220气密性地接合。
此外，在本工序中，还可以将主体部形成用基板210与窗部形成用基板230接合。在这种情况下，主体部形成用基板210与窗部形成用基板230接合而成的接合体，构成由具有在一个面侧开口的贯穿孔211、212以及槽213所形成的凹部的“第一基板”，另外，窗部形成用基板220构成“第二基板”。另外，在这种情况下，在后文所述的[3]密封工序中，只要将主体部形成用基板210与窗部形成用基板220进行接合即可。
[2]配置工序
接下来，如图6(b)所示，在贯穿孔212所产生的凹部内配置金属化合物P1以及吸气材料G。另外，此时，虽然未进行图示，但是在该凹部内，根据需要配置金属化合物P1的分解反应所需的还原剂。
金属化合物P1为含有碱金属的化合物，是通过分解反应(还原)而生成(放出)单体的碱金属的化合物。作为该金属化合物P1，只要是通过分解反应(还原)生成单体的碱金属的化合物，则不进行特别限定，不过例如可举出氯化铯(CsCl)、氰化铯(CsN3)、铬酸铯(CsCr2O7)等。在此，金属化合物P1优选是在后文所述的[3]密封工序中的加热下实际不产生分解反应的化合物，即是分解反应所产生的温度比[3]密封工序中的加热温度高的化合物。由此，能够防止或减少碱金属附着于主体部形成用基板210与窗部形成用基板230的接合面上的情况。
另外，虽然金属化合物P1的分解反应所使用的还原剂并未进行特别限定，但是例如在金属化合物P1为氯化铯的情况下，使用钙。此外，该还原剂可以为与金属化合物P1分开的分体，也可以作为与金属化合物P1的混合物或者聚合体而为一体。
另外，吸气材料G具有吸收或吸附所需的碱金属气体以及缓冲气体以外的气体的功能。虽然作为该吸气材料G，只要具有该功能则不进行特别限定，不过例如能够列举出含有钛、钡、钽、锆、铝、钒、铟、钙中的至少一种的合金，或者是Al-Zr-V-Fe类合金。通过使用这样的吸气材料G，从而能够在后文所述的[3]密封工序后使吸气材料G吸附或吸收内部空间S的气体状的无用物。此外，吸气材料G可以是与金属化合物P1分开的分体，也可以作为与金属化合物P1的混合物或者聚合体而为一体。
[3]密封工序
接下来，如图6(c)所示，将主体部形成用基板210(第一基板的一个面侧)与窗部形成用基板230接合。由此，将由贯穿孔211、212以及槽213构成的凹部密封，从而形成内部空间S。
作为主体部形成用基板210与窗部形成用基板230的接合方法，可以使用同前文所述的主体部形成用基板210与窗部形成用基板230的接合方法相同的方法。即，在[3]密封工序中，可以通过作为加热接合的一种的阳极接合而实施主体部形成用基板210与窗部形成用基板230的接合。
在阳极接合中，主体部形成用基板210以及窗部形成用基板220、230为高温，相反，例如碱金属单体的熔点以及沸点比较低。因此，当进行加热接合时，如果存在碱金属单体，则碱金属将附着于主体部形成用基板210与窗部形成用基板230的接合面上，从而导致接合强度降低。因此，当通过这样的接合进行密封的情况下，应用本发明所产生的效果将变得明显。即，在本发明中，在[3]密封工序中，配置在由贯穿孔211、212以及槽213构成的凹部内的金属化合物P1即便在阳极接合时的热的基础上仍维持固体状，因此能够防止或减少碱金属附着于主体部形成用基板210以及窗部形成用基板230的接合面上的情况。
[4]化合物分解工序
接下来，如图7(a)所示，向金属化合物P1照射激光(能量线)。由此，通过使金属化合物P1进行分解反应来取出碱金属单体。
此时，通过金属化合物P1的分解反应，从而产生碱金属以外的反应生成物，并且未反应的金属化合物P1作为残渣而成为剩余化合物P。
具体而言，例如在将金属化合物P1为氯化铯，并使用钙作为还原剂的情况下，将在本工序中产生2CsCl+Ca→2Cs↑+CaCl2的反应。这样，通过使钙作为还原剂来使氯化铯还原，能够将铯作为单体取出。因此，能够在原子室2内封入铯原子。
另外，当金属化合物P1为氰化铯的情况下，将在本工序中，产生2CsN3→2Cs+3N2的反应。这样，通过使氰化铯还原，从而能够取出铯作为单体。因此，能够在原子室2内封入铯原子。
在本工序中，由于通过向金属化合物P1照射能量线而产生分解反应，因此能够使被配置在密封的内部空间S内的金属化合物P1进行分解反应。此外，虽然在图7(a)中，以使用激光产生金属化合物P1的分解反应的情况为例进行了图示，不过只要能够产生金属化合物P1的分解反应，则不局限于激光，例如可举出激光以外的光、X射线、γ线的电磁波、电子线、离子束之类的粒子线等，或者是组合两种以上的上述能量线的线束。另外，还可以通过电磁感应对金属化合物P1进行加热从而产生分解反应。
[5]单个化工序
接下来，例如通过切割从而将由主体部形成用基板210以及窗部形成用基板220、230构成的层压结构体(接合体)单个化。由此，如图7(b)所示，能够获得原子室2。
在本实施方式中，如上所述，在[1]准备工序中，第一基板具有多个由贯穿孔211、212以及槽213形成的凹部，在[3]密封工序之后的[5]单个化工序中，针对每个贯穿孔211、212以及槽213所形成的凹部而对由第一基板与第二基板接合而成的接合体、即由主体部形成用基板210与窗部形成用基板220、230接合而成的接合体进行单个化。由此，能够高效地制造原子室。
根据以上说明的原子室2的制造方法，能够得到产生前文所述的效果的原子室2。
另外，由于使用固体状的金属化合物P1而将碱金属原子封入内部空间S内，因此能够防止在[3]密封工序中，碱金属原子附着于主体部形成用基板210与窗部形成用基板230的接合面上的情况。因此，能够简单且稳固地将主体部形成用基板210与窗部形成用基板230接合。其结果为，能够提高原子室2的可靠性。
第二实施方式
接下来，对本发明的第二实施方式进行说明。
图8(a)为本发明的第二实施方式的原子振荡器所具备的原子室的纵剖视图，图8(b)为图8(a)中的A-A线剖视图(横剖视图)。
本实施方式除了在原子室的内壁面设置有涂覆膜以外，与前文所述的第一实施方式相同。
此外，在后文的说明中，关于第二实施方式，围绕与前文所述的实施方式的不同点进行说明，对于相同的事项则省略其说明。
在图8所示的原子室2A(气室)中，在内部空间S的壁面上配置有涂覆膜24。由此，使原子室2A内的气体状的碱金属原子的运动趋于稳定化，其结果为，能够提高频率稳定度。更加具体而言，该涂覆膜24具有抑制或减少气体状的碱金属与内部空间S的内壁面碰撞时的运动(例如旋转)的变化的功能。由此，即便原子室2A趋于小型化，也能够抑制由于碱金属与原子室2A的内壁面碰撞导致的运动的变化给特性带来恶劣影响的情况，从而使原子振荡器1的振荡特性优异。
该涂覆膜24的构成材料优选包含氟类树脂、硅氧烷系化合物或者闭环式饱和烃的材料。由此，能够有效地减少碱金属与涂覆膜24碰撞时的运动的变化，另外，化学的稳定性优异。另外，能够使金属原子的沸点与涂覆材料的沸点相比而较高。
此外，对于涂覆膜24的形成所使用的涂覆材料、即涂覆膜24的构成材料或者其前驱体，将在后文所述的原子室2A的制造方法的说明中进行更加具体地进行说明。
另外，在本实施方式中，吸气材料G以及化合物P被涂覆膜24所保持。由此，能够防止或减少吸气材料G等的移动，其结果为，能够防止或减少吸气材料G等本身给EIT信号造成影响的情况。
此外，在图8中，在贯穿孔212内的空间内配置有剩余的涂敷剂C。该涂敷剂C为用于在原子室2A的制造时形成涂覆膜24的涂敷剂的剩余部分，当在制造时使用没有剩余部分的量的涂覆剂的情况下，不存在该多余的涂覆剂C。
以上所说明的这种原子室2A能够通过下述方式进行制造。
图9为表示图8所示的原子室的制造方法中的准备工序、配置工序以及密封工序的图。图10为表示图8所示的原子室的制造方法中的化合物分解工序以及单个化工序的图。
原子室2A的制造方法具备[1A]准备工序、[2A]配置工序、[3A]密封工序、[4A]化合物分解工序、[5A]单个化工序。以下，依次对各工序进行说明。
[1A]准备工序
首先，与前文所述的第一实施方式相同，准备主体部形成用基板210以及窗部形成用基板220、230，如图9(a)所示，将主体部形成用基板210与窗部形成用基板220进行接合。
[2A]配置工序
接下来，如图9(b)所示，在贯穿孔212所形成的凹部内配置金属化合物P1、吸气材料G以及涂敷剂C。
涂敷剂C只要能够形成具有前述功能的涂覆膜24则不进行特别限定，不过优选为氟类树脂、硅氧烷系化合物以及闭环式饱和烃中的任一化合物或者其前驱体。
作为被作为涂敷剂C使用的氟类树脂，例如可举出聚四氟乙烯(PTFE)，聚三氟氯乙烯(PCTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)、乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)、乙烯三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)等。
另外，作为被作为涂敷剂C使用的硅氧烷系化合物，例如可举出甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、苯基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、二甲基二乙氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷、正-己基三甲氧基硅烷、正己基三乙氧基硅烷、正癸基三甲氧基硅烷、三氟丙烷三甲氧基硅烷等烷氧基硅烷、六甲基二硅胺等硅氮烷、含有加水分解性基的硅氧烷等的硅氧烷等。
另外，作为被作为涂敷剂C使用的闭环式式饱和碳水化合物，例如可举出石蜡(碳原子的个数为20以上的烷烃)等。
[3A]密封工序
接下来，与前文所述的第一实施方式相同，如图9(c)所示，将主体部形成用基板210(第一基板的一个面侧)与窗部形成用基板230进行接合。由此，将由贯穿孔211、212以及槽213构成的凹部密封，从而形成内部空间S。
[4A]化合物分解工序
接下来，如图10(a)所示，与前文所述的第一实施方式相同，向金属化合物P1照射激光(能量线)。由此，通过使金属化合物P1进行分解反应而生成碱金属。此时，涂敷剂C也因激光加热，使得涂敷剂C发生气化，并通过使该气化的涂敷剂附着于内部空间S的壁面上并凝固/固化，从而形成保持化合物P的状态的涂覆膜24。
在此，对于涂敷剂C的激光的照射可以在对于金属化合物P1的激光的照射的同时进行，也可以在对于金属化合物P1的激光的照射之前或之后进行。
[5A]单个化工序
接下来，与前文所述的第一实施方式相同，将由主体部形成用基板210以及窗部形成用基板220、230构成的层压结构体(接合体)单个化。由此，如图10(b)所示，能够获得原子室2A。
2、电子设备
以上说明的原子振荡器可以安装于各种电子设备中。以下，对本发明的电子设备进行说明。
图11为表示在利用GPS卫星的定位系统中使用了本发明的原子振荡器的情况下的概要结构的图。
图11所示的定位系统100由GPS卫星200、基站装置300、GPS接收装置400构成。
GPS卫星200发送定位信息(GPS信号)。
基站装置300具备：例如通过被设置在电子基准点(GPS连续观测站)的天线301而高精度地接收来自GPS卫星200的定位信息的接收装置302、；通过天线303发送由该接收装置302接收到的定位信息的发送装置304。
在此，接收装置302为具备前文所述的本发明的原子振荡器1以作为其基准频率振荡源的电子装置。这样的接收装置302具备优异的可靠性。另外，由接收装置302接收到的定位信息通过发送装置304而被实时发送。
GPS接收装置400具备：通过天线401接收来自GPS卫星200的定位信息的卫星接收部402；通过天线403来接收来自基站装置300的定位信息的基站接收部404。
3、移动体
图12为表示本发明的移动体的一个例子的图。
在该图中，移动体1500具有车身1501和4个车轮1502，并被构成为通过被设置在车身1501上的未图示的动力源(发动机)而使车轮1502旋转。在这样的移动体1500中内置有原子振荡器1。
此外，本发明的电子设备并不局限于上述的结构，例如，还能够应用于移动电话、数码照相机、喷墨式喷出装置(例如喷墨打印机)、个人计算机(移动型个人计算机、膝上型个人计算机)、电视机、摄像机、录像机、汽车导航装置、寻呼机、电子记事本(包括带有通信功能的产品)、电子辞典、计算器、电子游戏机、头戴式显示器、文字处理器、工作站、可视电话、防盗用视频监视器、电子双筒望远镜、POS终端、医疗设备(例如电子体温计、血压计、血糖计、心电图测量装置、超声波诊断装置、电子内视镜)、鱼群探测器、各种测定设备、计量仪器类(例如，车辆、飞机、船舶的计量仪器类)、飞行模拟装置、地面数据广播、移动电话基站、GPS模块等。
以上，虽然根据图示的实施方式对本发明的原子室、原子室的制造方法、量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体进行了说明，但是本发明并不限定于此。
另外，本发明的各部的结构可以替换为发挥与前文所述的实施方式的相同的功能的任意的结构，另外，还可以追加任意的结构。
另外，本发明可以将前文所述的各实施方式的任意的结构彼此进行组合。
另外，虽然在前文所述的实施方式中，以在利用波长不同的两种光所产生的量子干涉效应而使铯等共振跃迁的量子干涉装置中使用了本发明的原子室的情况为例进行了说明，不过本发明的原子室并不限定于此，还可以在利用光以及微波所产生的双重共振现象而使铷等共振跃迁的双重共振装置中使用。
附图说明
1‥‥原子振荡器；
2‥‥原子室；
2A‥‥原子室；
3‥‥光出射部；
5‥‥光检测部；
6‥‥加热器；
7‥‥温度传感器；
8‥‥磁场产生部；
10‥‥控制部；
11‥‥温度控制部；
12‥‥激励光控制部；
13‥‥磁场控制部；
21‥‥主体部；
22‥‥窗部；
23‥‥窗部；
24‥‥涂覆膜；
41‥‥光学部件；
42‥‥光学部件；
43‥‥光学部件；
44‥‥光学部件；
100‥‥定位系统；
200‥‥GPS卫星；
210‥‥主体部形成用基板；
211‥‥贯穿孔；
212‥‥贯穿孔；
213‥‥槽；
220‥‥窗部形成用基板；
230‥‥窗部形成用基板；
300‥‥基站装置；
301‥‥天线；
302‥‥接收装置；
303‥‥天线；
304‥‥发送装置；
400‥‥GPS接收装置；
401‥‥天线；
402‥‥卫星接收部；
403‥‥天线；
404‥‥基站接收部；
1500‥‥移动体；
1501‥‥车身；
1502‥‥车轮；
C‥‥涂敷剂；
G‥‥吸气材料；
LL‥‥激励光；
M‥‥碱金属；
P‥‥化合物；
P1‥‥金属化合物；
S‥‥内部空间。
Claims (18)
1.一种原子室，其特征在于，具备：
金属原子；
壁部，其构成封入了所述金属原子的内部空间；
吸气材料，其被配置于所述内部空间内。
2.如权利要求1所述的原子室，其中，
所述壁部具备：
第一基板，其具有在所述第一基板的一面侧开口的凹部；
第二基板，其被接合于所述第一基板的所述一面侧，并与所述第一基板一起构成所述内部空间。
3.如权利要求1或2所述的原子室，其中，
在壁部的面向所述内部空间的表面具备涂覆膜。
4.如权利要求3所述的原子室，其中，
所述吸气材料被保持于所述涂覆膜上。
5.一种原子室的制造方法，其特征在于，具有：
准备工序，准备具有在一个面侧开口的凹部的第一基板、第二基板、包含金属的固体状的金属化合物、以及吸气材料；
配置工序，在所述凹部内配置所述金属化合物；
密封工序，将所述第二基板接合在所述第一基板的所述一面侧，从而将所述凹部密封；
化合物分解工序，通过使所述金属化合物发生分解反应，从而提取出所述金属。
6.如权利要求5所述的原子室的制造方法，其中，
所述金属化合物为氯化铯，
在所述配置工序中，在所述凹部中还配置钙。
7.如权利要求5所述的原子室的制造方法，其中，
所述金属化合物为氰化铯。
8.如权利要求5至7中任意一项所述的原子室的制造方法，其中，
在所述化合物分解工序中，通过向所述金属化合物照射能量线，从而产生所述分解反应。
9.如权利要求5至8中任意一项所述的原子室的制造方法，其中，
所述吸气材料为含有钛、钡、钽、锆、铝、钒、铟、钙中的至少一种的合金，或者Al-Zr-V-Fe类合金。
10.如权利要求5至9中任意一项所述的原子室的制造方法，其中，
所述第一基板含有硅，
所述第二基板含有玻璃。
11.如权利要求10所述的原子室的制造方法，其中，
在所述密封工序中，通过加热接合来实施所述第一基板与所述第二基板的接合。
12.如权利要求11所述的原子室的制造方法，其中，
在所述密封工序中，通过阳极接合来实施所述第一基板与所述第二基板的接合。
13.如权利要求5至12中任意一项所述的原子室的制造方法，其中，
在所述准备工序中，使所述第一基板具有多个所述凹部。
14.如权利要求13所述的原子室的制造方法，其中，
在所述密封工序之后，具有按照每个所述凹部而将所述第一基板与所述第二基板接合而成的接合体单片化的单化工序。
15.一种量子干涉装置，其特征在于，
具备权利要求1至4中任意一项所述的原子室。
16.一种原子振荡器，其特征在于，
具备权利要求1至4中任意一项所述的原子室。
17.一种电子设备，其特征在于，
具备权利要求1至4中任意一项所述的原子室。
18.一种移动体，其特征在于，
具备权利要求1至4中任意一项所述的原子室。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20160420 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |