CN106059580A - 原子室及其制造方法、量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体 - Google Patents
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Abstract
本发明提供原子室及其制造方法、量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体。关于所述原子室，能够提高频率稳定度，此外，所述量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体具备上述原子室。本发明的原子室(2)具备内部空间(S)，该内部空间(S)具有：贯通孔(211)的空间，其收纳气体状的碱金属；贯通孔(212)的空间，其收纳作为碱金属释放材料的化合物(P)；以及贯通孔(213)的空间，其收纳液体状或固体状的碱金属(M)。
Description
技术领域
本发明涉及原子室、原子室的制造方法、量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体。
背景技术
作为长期具有高精度的振荡特性的振荡器，公知有基于铷、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光与微波的双重共振现象的方式和利用基于波长不同的两种光的量子干涉效应(CPT：Coherent Population Trapping(相干布居俘获))的方式。任意一种原子振荡器一般均具有封入碱金属的原子室(气室)。
作为制造这样的原子室的方法，公知有如专利文献1所公开那样将收纳有含有碱金属物的化合物的空腔部密封之后、使该化合物加热反应而在空腔部内产生碱金属气体的方法。根据上述方法，能够减轻空腔部内的多余气体。
但是，在通过专利文献1记载的方法得到的气室中，存在密封的空腔部内的碱金属气体的量随时间减少、结果导致频率稳定度降低这样的问题。
专利文献1：日本特开2013-007720号公报
发明内容
本发明的目的在于提供能够提高频率稳定度的原子室及其制造方法，此外，提供具备这样的原子室的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体。
本发明是为了解决上述技术问题中的至少一部分而作出的，本发明通过以下的方式或应用例得以实现。
[应用例1]
本发明的原子室的特征在于具备：碱金属原子；碱金属释放材料，其释放出所述碱金属原子；以及内部空间，其收纳所述碱金属原子和所述碱金属释放材料，所述内部空间具有：第1区域，其收纳气体状的所述碱金属原子；第2区域，其收纳所述碱金属释放材料；以及第3区域，其收纳液体状或固体状的所述碱金属原子。
根据这样的原子室，液体状或固体状的碱金属原子作为残留的量存在于内部空间的第3区域内，因此，能够减轻被密封的内部空间的第1区域内的气体状的碱金属原子的量减少(分压降低)的情况。因此，能够实现长期保持优异的频率稳定度。
[应用例2]
在本发明的原子室中，优选的是，在所述第1区域与所述第2区域之间存在所述第3区域。
由此，即使将第2区域分离并去除，也能够使第1区域与第2区域连通，能够减轻存在于第1区域的气体状的碱金属原子的量减少的情况。
[应用例3]
在本发明的原子室中，优选的是，在所述第2区域与所述第3区域之间存在所述第1区域。
由此，在对第2区域进行加热而使碱金属原子从碱金属释放材料中释放出来时，能够容易地使第3区域的温度比第2区域的温度低。因此，能够容易地将液体状或固体状的碱金属原子收纳于第3区域。
[应用例4]
在本发明的原子室中，优选的是，具备将所述第1区域和所述第2区域之间连通的连通孔，所述连通孔的宽度比所述碱金属释放材料的宽度小。
由此，能够减轻碱金属释放材料从第2区域移动至第1区域的情况。
[应用例5]
在本发明的原子室中，优选的是，所述原子室具具备配置在所述第2区域的吸气材料。
由此，能够使吸气材料吸附存在于内部空间的多余气体，能够使原子室的特性优异。
[应用例6]
在本发明的原子室中，优选的是，所述内部空间中的除气体状的所述碱金属原子之外的气体的分压为10-4Pa以下。
这样的多余气体的量较少的原子室具有优异特性。
[应用例7]
本发明的原子室的制造方法的特征在于，包括以下工序：准备工序，准备室容器，该室容器具有内部空间，该内部空间具有第1区域、第2区域以及第3区域，在所述内部空间的所述第2区域收纳含有碱金属的固体状的化合物；释放工序，通过对所述第2区域进行加热而使所述碱金属从所述化合物中释放出来；以及调温工序，使所述第3区域的温度比所述第1区域的温度低。
根据这种原子室的制造方法，能够得到下述这样的原子室：液体状或固体状的碱金属原子作为残留的量存在于内部空间的第3区域。在所得到的原子室，能够防止存在于被密封的内部空间的第1区域的气体状的碱金属原子的量(分压)减少的情况，能够实现长期保持优异的频率稳定度。
[应用例8]
在本发明的原子室的制造方法中，优选的是，所述准备工序包括密封所述内部空间的步骤。
由此，能够减少所得到的原子室的内部空间中的多余气体的量。
[应用例9]
在本发明的原子室的制造方法中，优选的是，在所述释放工序之后还包括将所述第2区域去除的去除工序。
由此，能够在所得到的原子室中将释放出碱金属之后的化合物去除，能够减轻该化合物的影响并提高频率稳定度。
[应用例10]
在本发明的原子室的制造方法中，优选的是，比所述调温工序靠后地进行所述去除工序。
由此，能够在所得到的原子室中将释放出碱金属之后的化合物去除。
[应用例11]
在本发明的原子室的制造方法中，优选的是，在所述准备工序中，所述第1区域和所述第2区域经由连通孔连通，所述去除工序包括封闭所述连通孔的步骤。
由此，能够容易地密封将第2区域去除之后的内部空间。
[应用例12]
在本发明的原子室的制造方法中，优选的是，在所述准备工序中，多个所述室容器相连接。
由此，能够高效地制造出多个原子室。
[应用例13]
本发明的量子干涉装置的特征在于具备本发明的原子室。
根据这样的量子干涉装置，能够发挥优异的频率稳定度。
[应用例14]
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述第1区域的温度比所述第3区域的温度高。
由此，能够使气体状的碱金属原子稳定地存在于第1区域，并使液体状或固体状的碱金属稳定地存在于第3区域。
[应用例15]
本发明的原子振荡器的特征在于具备本发明的原子室。
根据这样的原子振荡器，能够发挥优异的频率稳定度。
[应用例16]
本发明的电子设备的特征在于具备本发明的原子室。
根据这样的电子设备，能够使原子室的频率稳定度优异。
[应用例17]
本发明的移动体的特征在于具备本发明的原子室。
根据这样的移动体，能够使原子室的频率稳定度优异。
附图说明
图1是示出本发明的第1实施方式的原子振荡器(量子干涉装置)的概略图。
图2是用于说明碱金属的能量状态的图。
图3是示出从光射出部射出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的(a)是图1所示的原子振荡器具有的原子室的纵剖视图，图4的(b)是图4的(a)中的A-A线的剖视图(横剖视图)。
图5是示出图4所示的原子室的制造方法的准备工序中使用的部件的图。
图6是用于说明图4所示的原子室的制造方法的准备工序、释放工序、调温工序和单片化工序的图。
图7是用于说明本发明的第1实施方式的原子室的变形例的图。
图8的(a)是本发明的第2实施方式的原子振荡器具有的原子室的纵剖视图，图8的(b)是图8的(a)中的A-A线的剖视图(横剖视图)。
图9是用于说明本发明的第2实施方式的原子室的变形例的图。
图10是示出本发明的第3实施方式的原子振荡器具有的原子室的横剖视图。
图11是示出在利用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略结构的图。
图12是示出本发明的移动体的一个例子的图。
标号说明
1：原子振荡器；2：原子室；2A：原子室；2B：原子室；2C：原子室；2D：原子室；3：光射出部；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；21A：主体部；21D：主体部；22：窗部；22A：窗部；23：窗部；23A：窗部；24：切槽；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：贯通孔；212：贯通孔；213：贯通孔；214：槽；215：槽；216：密封部；217：密封部；218：槽；219：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：车体；1502：车轮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。
具体实施方式
以下，基于附图中示出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、电子设备和移动体详细地进行说明。
1.原子振荡器(量子干涉装置)
首先，对本发明的原子振荡器(具备本发明的原子室的原子振荡器)进行说明。另外，在以下内容中，虽然对将本发明的量子干涉装置应用于原子振荡器的示例进行说明，但本发明的量子干涉装置并不限定于此，除原子振荡器之外，例如还可以应用于磁传感器、量子存储器等。
＜第1实施方式＞
图1是示出本发明的第1实施方式的原子振荡器(量子干涉装置)的概略图。此外，图2是用于说明碱金属的能量状态的图，图3是示出从光射出部射出的两种光的频率差与由光检测部检测的光强度之间的关系的曲线图。
图1所示的原子振荡器1是利用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)、光射出部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以及控制部10。
首先，简单说明原子振荡器1的原理。
如图1所示，在原子振荡器1中，光射出部3朝向原子室2射出激励光LL，光检测部5对透过原子室2的激励光LL进行检测。
在原子室2内，封入有气态的碱金属(金属原子)，如图2所示，碱金属具有三能级系统的能级，可得到能级不同的两个基态(基态1、2)和激发态这3个状态。在此，基态1是比基态2低的能量状态。
从光射出部3射出的激励光LL包含频率不同的两种共振光1、2，在对上述那样的气态的碱金属照射这两种共振光1、2时，共振光1、2在碱金属中的光吸收率(透光率)随着共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)而发生变化。
并且，在共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)和相当于基态1与基态2之间的能量差的频率一致时，从基态1、2向激发态的激励分别停止。此时，共振光1、2均不被碱金属吸收而透过。将这样的现象称作CPT现象或者电磁感应透明现象(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)。
例如，如果光射出部3将共振光1的频率ω1固定而使共振光2的频率ω2变化，则在共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)和相当于基态1与基态2之间的能量差的频率ω0一致时，光检测部5的检测强度如图3所示那样，陡峭地上升。将这样的陡峭的信号检测为EIT信号。该EIT信号具有由碱金属的种类决定的固有值。因此，能够使用这样的EIT信号来构成振荡器。
以下，对原子振荡器1的各部件简单进行说明。
[原子室]
在原子室2内，封入有气态的铷、铯、钠等碱金属。此外，在原子室2内，也可以根据需要，与碱金属气体一并封入有氩、氖等稀有气体、氮等惰性气体作为缓冲气体。
此外，在原子室2内，除上述气体之外，还配置有碱金属化合物、吸气(getter)材料等。另外，对于这方面，之后将与原子室2的结构一并详细叙述。
[光射出部]
光射出部3(光源)具有射出对原子室2中的碱金属原子进行激励的激励光LL的功能。
更具体而言，光射出部3射出上述那样的频率不同的两种光(共振光1以及共振光2)作为激励光LL。共振光1能够将原子室2内的碱金属从上述基态1激励(共振)成激发态。另一方面，共振光2能够将原子室2内的碱金属从上述基态2激励(共振)成激发态。
作为该光射出部3，只要能够射出上述那样的激励光，则没有特别限定，例如，能够使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)等半导体激光器等。
另外，光射出部3利用未图示的调温元件(发热电阻体、帕尔贴元件等)被调温到规定温度。
[光学部件]
多个光学部件41、42、43、44分别被设置在上述光射出部3与原子室2之间的激励光LL的光路上。在此，从光射出部3侧到原子室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是透镜。由此，能够无浪费地向原子室2照射激励光LL。
此外，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在气室2的内壁发生反射。因此，能够适当地产生气室2内的激励光的共振，其结果是，能够提高原子振荡器1的振荡特性。
光学部件42是偏振片。由此，能够将来自光射出部3的激励光LL的偏振调整为规定方向。
光学部件43为减光滤光器(ND滤光器)。由此，能够调整(减小)入射到原子室2的激励光LL的强度。因此，即使在光射出部3的输出较大的情况下，也能够使入射到原子室2的激励光成为期望的光量。在本实施方式中，利用光学部件43调整通过了上述光学部件42后的具有规定方向的偏振的激励光LL的强度。
光学部件44为λ/4波长板。由此，能够将来自光射出部3的激励光LL从线偏振光转换为圆偏振光(右旋圆偏振光或者左旋圆偏振光)。
如后所述，在原子室2内的碱金属原子因磁场产生部8的磁场而发生了塞曼分裂的状态下，如果向碱金属原子照射线偏振光的激励光，则由于激励光与碱金属原子的相互作用，碱金属原子均匀地分散存在于塞曼分裂后的多个能级。其结果是，由于期望能级的碱金属原子的数量与其它能级的碱金属原子的数量相比，相对较少，因此显现期望的EIT现象的原子数减少，期望的EIT信号的强度减小，结果导致原子振荡器1的振荡特性的下降。
与此相对，如后所述，在原子室2内的碱金属原子因磁场产生部8的磁场而发生了塞曼分裂的状态下，如果向碱金属原子照射圆偏振光的激励光，则由于激励光与碱金属原子的相互作用，能够使碱金属原子进行塞曼分裂后的多个能级中的、期望能级的碱金属原子的数量与其它能级的碱金属原子的数量相比，相对较多。因此，显现期望的EIT现象的原子数增加，期望的EIT信号的强度增大，其结果是，能够提高原子振荡器1的振荡特性。
[光检测部]
光检测部5具有对透过原子室2内的激励光LL(共振光1、2)的强度进行检测的功能。
作为该光检测部5，只要能够检测上述那样的激励光，则没有特别限定，例如，能够使用太阳能电池、光电二极管等光检测器(受光元件)。
[加热器]
加热器6(加热部)具有对上述原子室2(更具体而言，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中的碱金属维持成适当浓度的气态。
该加热器6例如构成为包含因通电而发热的发热电阻体。该发热电阻体可以设置成与原子室2接触，也可以设置成不与原子室2接触。
例如，在将发热电阻体设置成与原子室2接触的情况下，在原子室2的一对窗部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的窗部上发生结露。其结果是，能够使原子振荡器1的特性(振荡特性)长期保持优异。这样的发热电阻体由对于激励光具有透过性的材料构成，具体而言，例如由ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)、IZO(Indium Zinc Oxide，氧化铟锌)、In3O3、SnO2、含Sb的SnO2、含Al的ZnO等氧化物等的透明电极材料构成。此外，发热电阻体例如能够使用等离子CVD、热CVD那样的化学蒸镀法(CVD)、真空蒸镀等干式镀敷法、溶胶-凝胶法等来形成。
此外，在将发热电阻体设置成不与原子室2接触的情况下，经由热传导性优异的金属等、陶瓷等部件从发热电阻体向原子室2导热即可。
另外，加热器6只要能够对原子室2进行加热，则不限定于上述的方式，能够使用各种加热器。此外，也可以代替加热器6，或者与加热器6一起地使用珀尔帖元件来对原子室2进行加热。
[温度传感器]
温度传感器7对加热器6或者原子室2的温度进行检测。进而，根据该温度传感器7的检测结果，控制上述加热器6的发热量。由此，能够将原子室2内的碱金属原子维持在期望的温度。
另外，温度传感器7的设置位置没有特别限定，例如可以在加热器6上，也可以在原子室2的外表面上。
作为温度传感器7，没有特别限定，能够分别使用热敏电阻、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具有产生磁场的功能，该磁场使原子室2内的碱金属的简并后的多个能级发生塞曼分裂。由此，通过塞曼分裂，能够扩大碱金属的正在简并的不同能级之间的间隙，从而提高分辨率。其结果是，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例如由以夹着原子室2的方式配置的亥姆霍兹线圈(Helmholtzcoil)或者以覆盖原子室2的方式配置的电磁线圈构成。由此，能够在原子室2内产生一个方向的均匀的磁场。
此外，磁场产生部8产生的磁场是恒定磁场(直流磁场)，但是也可以叠加交变磁场。
[控制部]
控制部10具有分别控制光射出部3、加热器6以及磁场产生部8的功能。
该控制部10具有：激励光控制部12，其控制光射出部3的共振光1、2的频率；温度控制部11，其控制原子室2中的碱金属的温度；以及磁场控制部13，其控制来自磁场产生部8的磁场。
激励光控制部12根据上述光检测部5的检测结果，控制从光射出部3射出的共振光1、2的频率。更具体而言，激励光控制部12以上述频率差(ω1-ω2)成为上述碱金属的固有频率ω0的方式，控制从光射出部3射出的共振光1、2的频率。
在此，虽然未图示，但激励光控制部12具备压控型石英振荡器(振荡电路)，其根据光检测部5的检测结果，对该压控型石英振荡器的振荡频率进行同步/调整，并将该压控型石英振荡器的输出信号作为原子振荡器1的输出信号进行输出。
例如，虽然未图示，但激励光控制部12具备对来自该压控型石英振荡器的输出信号进行倍频的倍频器，将利用该倍频器进行了倍频后的信号(高频信号)叠加到直流偏置电流，作为驱动信号输入到光射出部3。由此，以在光检测部5中能检测到EIT信号的方式对压控型石英振荡器进行控制，从而从压控型石英振荡器输出期望的频率的信号。例如，当设来自原子振荡器1的输出信号的期望的频率为f时，该倍频器的倍频率为ω0/(2×f)。由此，当压控型石英振荡器的振荡频率为f时，能够使用来自倍频器的信号，对包含于光射出部3的半导体激光器等发光元件进行调制，使其射出频率差(ω1-ω2)为ω0的两种光。
此外，温度控制部11根据温度传感器7的检测结果控制对加热器6的通电。由此，能够将原子室2维持在期望的温度范围内。例如，原子室2借助加热器6被调温到例如70℃左右。
此外，磁场控制部13以使磁场产生部8产生的磁场恒定的方式控制对磁场产生部8的通电。
这样的控制部10例如设置在基板上安装的IC芯片上。以上，简单说明了原子振荡器1的结构。
(原子室的详细说明)
图4的(a)是图1所示的原子振荡器具备的原子室的纵剖视图，图4的(b)是图4的(a)中的A-A线剖视图(横剖视图)。
并且，在以下内容中，为了便于说明，将图4的(a)中的上侧称作“上”，将下侧称作“下”。
如图4的(a)所示，原子室2具有主体部21和夹着主体部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，主体部21和一对窗部22、23划分形成(构成)了封入有气体状的碱金属的内部空间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中形成有：贯通孔211、212、213，该贯通孔211、212、213在主体部21的厚度方向(上下方向)上贯通；槽214，该槽214朝主体部21的上表面开口，使贯通孔211与贯通孔213连通；以及槽215，该槽215朝主体部21的上表面开口，使贯通孔212与贯通孔213连通。另外，也可以代替贯通孔212，形成朝主体部21的上表面开口的凹部。相同地，也可以代替贯通孔213，形成朝主体部21的上表面开口的凹部。
作为该主体部21的构成材料，没有特别限定，可举出玻璃材料、石英、金属材料、树脂材料、硅材料等，但其中优选使用玻璃材料、石英、硅材料中的任意一种，更优选使用硅材料。由此，即使在形成宽度和高度为10mm以下这样的小的原子室2的情况下，也能够使用蚀刻等微细加工技术来容易地形成高精度的主体部21。特别是，硅能够进行基于蚀刻的微细加工。因此，通过使用硅构成主体部21，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。此外，在窗部22、23由玻璃构成的情况下，能够通过阳极接合简单地将主体部21和窗部22、23气密地接合，能够使原子室2的可靠性优异。
在这样的主体部21的下表面接合有板状的窗部22，另一方面，在主体部21的上表面接合有板状的窗部23。由此，贯通孔211、212、213的下端侧开口被窗部22封闭，并且，贯通孔211、212、213的上端侧开口和槽214、215的开口被窗部23封闭。并且，由贯通孔211、212、213和槽214、215构成的内部空间S形成为气密空间。
作为主体部21和窗部22、23的接合方法，可根据它们的构成材料来确定，只要能够气密地接合，则没有特别限定，例如，能够使用基于粘接剂的接合方法、直接接合法、阳极接合法、表面活性化接合法等，但优选使用直接接合法或者阳极接合法。由此，能够简单地将主体部21和窗部22、23气密地接合，能够使原子室2的可靠性优异。
与这样的主体部21接合的各窗部22、23对于来自上述光射出部3的激励光具有透过性。而且，一个窗部22是供激励光LL入射到原子室2的内部空间S内的入射侧窗部，另一个窗部23是供激励光LL从原子室2的内部空间S内射出的射出侧窗部。
作为窗部22、23的构成材料，只要对于上述那样的激励光具有透过性，则没有特别限定，例如可举出玻璃材料、石英等，优选使用玻璃材料。由此能够实现对于激励光具有透过性的窗部22、23。此外，在由硅构成主体部21的情况下，通过使用玻璃构成窗部22、23，能够通过阳极接合简单地将主体部21和窗部22、23气密地接合，能够使原子室2的可靠性优异。另外，根据窗部22、23的厚度和激励光的强度，还能够由硅构成窗部22、23。在该情况下，能够将主体部21和窗部22、23直接接合。
在由这样的主体部21和窗部22、23划分形成的内部空间S中，收纳有气体状的碱金属。收纳在该内部空间S内的气体状的碱金属在贯通孔211内被激励光LL激励。即，贯通孔211内的空间的至少一部分构成供激励光LL通过的“光通过空间”(第1区域)。在本实施方式中，贯通孔211的横截面呈圆形，另一方面，虽然未图示，但光通过空间的横截面呈与贯通孔211的横截面相似的形状(即圆形)，并且被设定成比贯通孔211的横截面稍小。另外，贯通孔211的横截面形状不限于圆形，例如也可以是四边形、五边形等多边形、椭圆形等。
此外，内部空间S的贯通孔213内的空间经由槽214内的空间与贯通孔211内的空间连通，并且，经由槽215内的空间与贯通孔212内的空间连通。在本实施方式中，贯通孔212、213的横截面分别呈矩形。另外，贯通孔212、213的横截面形状不限于矩形，例如也可以是五边形等其他多边形、圆形、椭圆形等。
在该贯通孔213内的空间中收纳有液体状或固体状的碱金属M。即，贯通孔213内的空间是构成内部空间S的一部分或与内部空间S连通的空间，构成了配置有液体状或固体状的碱金属M的“金属存留部”(第3区域)。该液体状或固体状碱金属M在饱和蒸汽压力下与内部空间S内的气体状的碱金属形成平衡状态，由此，能够将内部空间S内的气体状的碱金属保持成规定浓度。此外，通过将碱金属M配置在与贯通孔211内的空间分离的贯通孔213内的空间中，能够减轻碱金属M对频率特性带来影响的情况。
另外，在贯通孔212内的空间中配置有化合物P和吸气材料G。
化合物P是释放出上述气体状的碱金属和固体状的碱金属M的“碱金属释放材料”，是在后述的原子室2的制造中使用的金属化合物P1发生分解反应后的残渣，例如为未反应的金属化合物P1。另外，化合物P有时还含有经金属化合物P1的分解反应而生成的碱金属之外的生成物。此外，通过将化合物P配置在与贯通孔211内的空间分离的贯通孔212内的空间中，能够减轻化合物P对频率特性带来影响的情况。
另外，在经金属化合物P1的分解反应而产生的碱金属之外的生成物为氮等惰性气体的情况下，可以将上述生成物作为缓冲气体的一部分使用。
吸气材料G具有吸附或吸收除了期望的碱金属气体以及缓冲气体之外的气体的功能。由此，能够使吸气材料G吸附或吸收存在于内部空间S中的除碱金属原子之外的多余物质的至少一部分。因此，能够减少在原子室2内浮游的多余物质的量，其结果是，能够防止或者减轻下述情况：由于原子室2内的多余物质使碱金属原子的运动(挙動)发生变化，对EIT信号带来影响而导致频率稳定度降低。因此，能够使频率稳定度提高。此外，通过将吸气材料G配置在与贯通孔211内的空间远离的贯通孔212内的空间中，能够减轻吸气材料G对频率特性带来影响的情况。
另外，关于化合物P、金属化合物P1以及吸气材料G，将与后述的原子室2的制造方法一并详细叙述。
如上所述，原子室2的内部空间S具有：第1区域(贯通孔211的空间)，其收纳气体状的碱金属(碱金属原子)；第2区域(贯通孔212的空间)，其收纳作为碱金属释放材料的化合物P；以及第3区域(贯通孔213的空间)，其收纳液体状或固体状的碱金属M。根据这样的原子室2，由于液体状或固体状的碱金属M作为残留的量存在于内部空间S的第3区域内，因此，能够防止被密封的内部空间S的第1区域内的气体状的碱金属原子的量(分压)降低的情况。因此，能够实现长期保持优异的频率稳定度。
在此，贯通孔211内的温度比贯通孔213内的温度高。由此，能够使气体状的碱金属原子稳定地存在于贯通孔211中，并使液体状或固体状的碱金属稳定地存在于贯通孔213内。
另外，在本实施方式中，在贯通孔211的空间与贯通孔212的空间之间存在贯通孔213的空间。由此，如后述那样，即使将贯通孔212的空间分离并去除，也能够使贯通孔211的空间与贯通孔213的空间连通，能够防止存在于贯通孔211的空间内的气体状的碱金属原子的量降低。
此外，构成使贯通孔211的空间与贯通孔212的空间之间连通的连通孔的槽214、215的宽度比化合物P的宽度小。由此，能够防止化合物P从贯通孔212内移动至贯通孔211内。
以上所说明的原子振荡器1所具备的原子室2能够如下进行制造。由此，能够使内部空间S中的除气体状的碱金属原子之外的气体的分压为10-4Pa以下。这样的多余气体的量较少的原子室2具有优异特性。
(原子室的制造方法)
以下，以制造上述原子室2的情况为例，对本发明的原子室的制造方法进行说明。另外，在以下内容中，以主体部21由硅构成、窗部22、23由玻璃构成的情况为例进行说明。
图5是示出图4所示的原子室的制造方法的准备工序中使用的部件的图。图6是用于说明图4所示的原子室的制造方法的准备工序、释放工序、调温工序和单片化工序的图。
原子室2的制造方法具有：[1]准备工序、[2]释放工序、[3]调温工序、以及[4]单片化工序。以下，依次说明各工序。
[1]准备工序
1-1
首先，如图5所示，准备主体部形成用基板210和窗部形成用基板220、230。
主体部形成用基板210是用于形成上述主体部21的硅基板，具有贯通孔211、212、213和槽214、215。此外，窗部形成用基板220是用于形成上述窗部22的玻璃基板。相同地，窗部形成用基板230是用于形成上述窗部23的玻璃基板。
这样，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，由此，使用蚀刻技术和光刻技术能够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具有多组贯通孔211、212、213和槽214、215，通过后述的[4]单片化工序被单片化，成为主体部21。此外，窗部形成用基板220、230通过后述的[4]单片化工序被单片化，成为窗部22、23。
1-2
然后，如图6的(a)所示，在将金属化合物P1和吸气材料G配置在内部空间S中的状态下，将主体部形成用基板210与窗部形成用基板220、230接合(第1接合工序)。
详细地进行说明，首先，将主体部形成用基板210与窗部形成用基板220接合。由此，能够得到将主体部形成用基板210和窗部形成用基板220接合而成的接合体(层叠体)。
优选利用作为加热接合的一种的阳极接合，进行主体部形成用基板210与窗部形成用基板220的接合。由此，能够比较简单地将主体部形成用基板210和窗部形成用基板220气密地接合。
另外，也可以将主体部形成用基板210与窗部形成用基板230接合。该情况下，可以在后述的配置金属化合物P1和吸气材料G之后、释放工序[2]之前将主体部形成用基板210与窗部形成用基板220接合。
接着，在由贯通孔212形成的凹部内配置金属化合物P1和吸气材料G(配置工序)。此外，此时，虽然未图示，但根据需要在上述凹部内配置金属化合物P1的分解反应所需的还原剂。
金属化合物P1使含有碱金属的化合物，并且，是通过分解反应(还原)而生成(释放)单质的碱金属的化合物(碱金属释放材料)。作为该金属化合物P1，只要是通过分解反应(还原)而生成单质的碱金属的化合物，则没有特别限定，例如可举出氯化铯(CsCL)、叠氮化铯(CsN3)、铬酸铯(CsCr2O7)等。在此，关于金属化合物P1，优选的是，在后述的主体部形成用基板210与窗部形成用基板230接合(第2接合工序)时的加热条件下不会实质上发生分解反应，即发生分解反应的温度比上述基板接合时的加热温度高。由此，能够防止或者减轻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。
此外，用于使金属化合物P1发生分解反应的还原剂没有特别限定，例如在金属化合物P1为氯化铯的情况下，使用钙。另外，该还原剂可以与金属化合物P1分体，也可以与金属化合物P1一体地形成混合物或聚合物。
此外，吸气材料G具有吸附或吸收除了期望的碱金属气体以及缓冲气体之外的气体的功能。作为该吸气材料G，只要是具有上述功能的材料，没有特别限定，例如可以例举出含有钛、钡、钽、锆、铝、钒、铟、钙中的至少一种的合金、或AL-Zr-V-Fe系合金。通过使用这样的吸气材料G，能够在后述的第2接合工序之后，使吸气材料G吸附或吸收内部空间S的气体状的多余物质。另外，吸气材料G可以与金属化合物P1分体，也可以与金属化合物P1一体地形成混合物或聚合物。
接着，将主体部形成用基板210(第1基板的一个面侧)与窗部形成用基板230接合(第2接合工序：密封工序)。由此，对由贯通孔211、212、213和槽214、215构成的凹部进行密封，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，能够使用和上述的主体部形成用基板210与窗部形成用基板220的接合方法同样的方法。
在阳极接合中主体部形成用基板210和窗部形成用基板220、230变得高温，另一方面，例如碱金属单质的融点和沸点比较低。因此，在加热接合时如果存在碱金属单质，则碱金属会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，从而导致接合强度的降低。对此，在第2接合工序(密封工序)中，配置在由贯通孔212构成的凹部内的金属化合物P1即使在阳极接合时的热的条件下也维持固体状，因此，能够防止或者减轻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。
如上所述，在准备工序[1]中，准备由主体部形成用基板210和窗部形成用基板220、230构成的接合体。该接合体形成为下述这样的多个“室容器”：具有内部空间S，该内部空间S具有互相连通的贯通孔211、212、213，并在内部空间S的贯通孔212内收纳有含有碱金属的固体状的化合物。
在此，由于多个室容器相连接，因此，能够经过后述的单片化工序[4]，高效地制造出多个原子室2。
此外，如前所述，由于准备工序[1]包括对内部空间S进行密封的步骤，因此，能够减少所得到的原子室2的内部空间S中的多余气体的量。
[2]释放工序(化合物分解工序)
接着，如图6的(b)所示，对金属化合物P1照射激光(能量线)。由此，使金属化合物P1发生分解反应，从而提取出碱金属单质。
此时，由于金属化合物P1的分解反应，会产生除碱金属之外的反应生成物，并且，未反应的金属化合物P1作为残渣而成为残留化合物P。
具体地进行说明，金属化合物P1例如为氯化铯，在使用钙作为还原剂的情况下，在本工序中，会发生2CsCl+Ca→2Cs↑+CaCl2反应。这样，通过将钙作为还原剂使氯化铯还原，能够以单质的方式提取出铯。因此，能够将铯原子封入原子室2内。
另外，在金属化合物P1为叠氮化铯的情况下，在本工序中，会发生2CsN3→2Cs+3N2反应。这样，通过使叠氮化铯还原，能够以单质的方式提取出铯。因此，能够将铯原子封入原子室2内。
在本工序中，通过对金属化合物P1照射能量线而使金属化合物P1发生分解反应，因此，能够使配置在密封的内部空间S中的金属化合物P1发生分解反应。另外，在图6的(b)中，以使用激光使金属化合物P1发生分解反应的情况为例进行了图示，但只要能够使金属化合物P1发生分解反应，则不限于激光，例如，可以列举出除激光之外的光、X射线、γ射线那样的电磁波、电子束、离子束那样的粒子束等、或者两种以上的上述能量线的组合。此外，也可以利用电磁感应对金属化合物P1进行加热，使金属化合物P1发生分解反应。
如上所述，实施通过对贯通孔212内进行加热而使碱金属从金属化合物P1中释放出来的释放工序。
[3]调温工序
与释放工序[2]同时、或者在释放工序[2]之后，使贯通孔213附近的温度比贯通孔211附近的温度低。在上述的释放工序[2]中，从金属化合物P1中释放出饱和量以上的气体状的碱金属。因此，通过使贯通孔213附近的温度比贯通孔211附近的温度低，能够使液体状或固定状的碱金属M在贯通孔213内凝结。
另外，在图6中，以与释放工序[2]同时(具有重复的时间)进行调温工序[3]的情况为例进行了图示，但调温工序[3]可以在释放工序[2]之后进行，也可以在后述的单片化工序[4]之后进行。此外，在图6中，以对贯通孔213附近进行冷却的情况为例进行了图示，但只要具有贯通孔213附近的温度比贯通孔211、212附近的温度低的关系，则不限于此，例如也可以对贯通孔211附近进行加热。
如上所述，进行使贯通孔211内的温度比贯通孔213内的温度低的调温工序。
[4]单片化工序
接着，例如通过切割，对由主体部形成用基板210和窗部形成用基板220、230构成的层叠构造体(接合体)进行单片化。由此，如图6的(c)所示，得到原子室2。
根据以上所说明的原子室2的制造方法，能够得到起到上述那样的效果的原子室2。即，能够得到下述这样的原子室2：液体状或固体状的碱金属M作为残留的量存在于内部空间S的贯通孔213内。在所得到的原子室2，能够防止存在于被密封的内部空间S的贯通孔211内的气体状的碱金属原子的量(分压)降低，能够实现长期保持优异的频率稳定度。
此外，由于使用固体状的金属化合物P1将碱金属原子封入内部空间S中，因此，能够防止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。因此，能够简单且牢固地将主体部形成用基板210和窗部形成用基板230接合。其结果是，能够提高原子室2的可靠性。
(变形例)
图7是用于说明本发明的第1实施方式的原子室的变形例的图。
上述的原子室2虽然可以直接组装至原子振荡器1来使用，但也可以以封闭槽215的空间(连通孔)的方式来使用，或者也可以以封闭槽215的空间(连通孔)的同时切掉并去除贯通孔212的空间的方式来使用。
在这种方式的情况下，例如，如图7的(a)所示，在上述的原子室2的制造方法中，在调温工序[3]之后、并在单片化工序[4]之前，使窗部形成用基板230的槽215附近熔融，并利用通过该溶融形成的密封部216来将槽215内部封闭。然后，例如通过切割来进行单片化并将贯通孔212部分去除。由此，如图7的(b)所示，能够得到由主体部21A和窗部22A、23A接合而成的原子室2A。该原子室2A形成为下述这样的形态：在上述的原子室2的基础上，封闭槽215的空间(连通孔)的同时切掉并去除贯通孔212的空间。
根据以上所说明的原子室2A，由于在内部空间S中不存在化合物P或吸气材料G，因此，例如，化合物P或吸气材料G不会吸附存在于内部空间S中的必要的气体，能够减少内部空间S的气体组成的变动。
在此，在释放工序[2]之后，由于具有将贯通孔212去除的去除工序，从而能够在所得到的原子室2A中将释放出碱金属之后的化合物P去除，能够减少该化合物P的影响，提高频率稳定度。
此外，比调温工序[3]靠后地进行上述去除工序，由此能够在所得到的原子室2A中将释放出碱金属之后的化合物P去除。
如前所述，在准备工序[1]中，经由槽214、215将贯通孔211内和贯通孔212内连通，并且，去除工序包括封闭槽215的步骤。由此，能够容易地密封将贯通孔212去除之后的内部空间S。
＜第2实施方式＞
接着，对本发明的第2实施方式进行说明。
图8的(a)是本发明的第2实施方式的原子振荡器具有的原子室的纵剖视图，图8的(b)是图8的(a)中的A-A线的剖视图(横剖视图)。图9是用于说明本发明的第2实施方式的原子室的变形例的图。
本实施方式中，除了在原子室中设置用于使去除第2区域变得容易的切槽(切込み)之外，与上述第1实施方式相同。
另外，在以下的说明中，关于第2实施方式，以与上述实施方式的不同之处为中心进行说明，关于相同事项省略其说明。
在图8所示的原子室2B(气室)中，在槽215的周围形成有切槽24。换而言之，槽215的周围形成为比其他部分脆弱的脆弱部。由此，封闭槽215的空间(连通孔)的同时切掉贯通孔212的空间这一操作变得容易。
例如，如图9的(a)所示，使窗部23的槽215附近熔融，并利用通过该溶融形成的密封部217来将槽215内封闭。此时，由于槽215的周围形成为上述那样的脆弱部，因此，能够与该溶融一起将贯通孔212部分去除。由此，如图9的(b)所示，能够得到原子室2C。该原子室2C形成为下述这样的形态：在上述的原子室2B的基础上，封闭槽215的空间(连通孔)的同时切掉并去除贯通孔212的空间。
＜第3实施方式＞
接着，对本发明的第3实施方式进行说明。
图10是示出本发明的第3实施方式的原子振荡器具有的原子室的横剖视图。
本实施方式中，除了第2区域和第3区域相对于第1区域的位置关系不同以外，与上述第1实施方式相同。
另外，在以下的说明中，关于第3实施方式，以与上述实施方式的不同之处为中心进行说明，关于相同事项省略其说明。
在图10所示的原子室2D的主体部21D中，在贯通孔212与贯通孔213之间配置有贯通孔211。即，相对于贯通孔211，在一侧配置有贯通孔212，在另一侧配置有贯通孔213。并且，贯通孔212经由槽218与贯通孔211连通，此外，贯通孔213经由槽219与贯通孔211连通。
根据这样的原子室2D，由于在贯通孔212的空间(第2区域)与贯通孔213的空间(第3区域)之间存在贯通孔211的空间(第1区域)，因此，在对贯通孔212内进行加热使碱金属原子从碱金属释放材料中释放出来时，能够容易使贯通孔213内的温度比贯通孔212内的温度低。因此，能够容易将液体状或固体状的碱金属M收纳于贯通孔213内。另外，贯通孔211的周向上的贯通孔212、213的位置关系并不限于图示的位置关系，例如也可以相对于贯通孔211将贯通孔212配置在图10中的上侧或下侧。
2.电子设备
以上所说明的原子振荡器能够组装到各种电子设备中。
以下，对本发明的电子设备进行说明。
图11是示出在利用GPS卫星的定位系统中使用本发明的原子振荡器的情况下的概略结构的图。
图11所示的定位系统100由GPS卫星200、基站装置300和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：接收装置302，其例如经由设置于电子基准点(GPS连续观测站)的天线301，高精度地接收来自GPS卫星200的定位信息；以及发送装置304，其经由天线303发送由该接收装置302接收到的定位信息。
在此，接收装置302是具备上述本发明的原子振荡器1作为其基准频率振荡源的电子装置。这样的接收装置302具有优异的可靠性。此外，由接收装置302接收到的定位信息被发送装置304实时地发送。
GPS接收装置400具备：卫星接收部402，其经由天线401接收来自GPS卫星200的定位信息；以及基站接收部404，其经由天线403接收来自基站装置300的定位信息。
3.移动体
图12是示出本发明的移动体的一个例子的图。
在该图中，移动体1500构成为具有车体1501和4个车轮1502，通过设置于车体1501的未图示的动力源(发动机)使车轮1502旋转。在这样的移动体1500中内置有原子振荡器1。
另外，本发明的电子设备不限于上述电子设备或移动体，例如还能够应用于移动电话机、智能手机、平板电脑终端、钟表、数字静态照相机、喷墨式排出装置(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、摄像机、录像机、车载导航装置、寻呼机、电子记事本(还包含带通信功能的)、电子辞典、计算器、电子游戏设备、文字处理器、工作站、视频电话、防盗用电视监视器、电子望远镜、POS终端、医疗设备(例如电子体温计、血压计、血糖计、心电图计测装置、超声波诊断装置、电子内窥镜)、鱼群探测器、各种测量设备、计量仪器类(例如车辆、飞机、船舶的计量仪器类)、飞行模拟器、地面数字广播、移动电话基站、GPS模块等。
以上，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，但是本发明不限于此。
此外，本发明的各个部分的结构能够置换为发挥与上述实施方式相同功能的任意结构，此外，还能够附加任意结构。
此外，本发明也可以将上述各实施方式的任意结构彼此组合起来。
此外，在上述实施方式中，以如下情况为例子进行了说明：在利用基于波长不同的两种光的量子干涉效应来使铯等进行共振跃迁的量子干涉装置中使用了本发明的原子室，但本发明的原子室不限定于此，还能够应用于利用基于光和微波的双重共振现象来使铷等进行共振跃迁的双重共振装置。
Claims (17)
1.一种原子室，其特征在于，
所述原子室具备：
碱金属原子；
碱金属释放材料，其释放出所述碱金属原子；以及
内部空间，其收纳所述碱金属原子和所述碱金属释放材料，
所述内部空间具有：
第1区域，其收纳气体状的所述碱金属原子；
第2区域，其收纳所述碱金属释放材料；以及
第3区域，其收纳液体状或固体状的所述碱金属原子。
2.根据权利要求1所述的原子室，其中，
在所述第1区域与所述第2区域之间存在所述第3区域。
3.根据权利要求1所述的原子室，其中，
在所述第2区域与所述第3区域之间存在所述第1区域。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的原子室，其中，
所述原子室具备将所述第1区域和所述第2区域之间连通的连通孔，
所述连通孔的宽度比所述碱金属释放材料的宽度小。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的原子室，其中，
所述原子室具备配置在所述第2区域的吸气材料。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的原子室，其中，
所述内部空间中的除气体状的所述碱金属原子之外的气体的分压为10-4Pa以下。
7.一种原子室的制造方法，其特征在于，
所述制造方法包括以下工序：
准备工序，准备室容器，该室容器具有内部空间，该内部空间具有第1区域、第2区域以及第3区域，在所述内部空间的所述第2区域收纳含有碱金属的固体状的化合物；
释放工序，通过对所述第2区域进行加热而使所述碱金属从所述化合物中释放出来；以及
调温工序，使所述第3区域的温度比所述第1区域的温度低。
8.根据权利要求7所述的原子室的制造方法，其中，
所述准备工序包括密封所述内部空间的步骤。
9.根据权利要求7或8所述的原子室的制造方法，其中，
在所述释放工序之后还包括将所述第2区域去除的去除工序。
10.根据权利要求9所述的原子室的制造方法，其中，
比所述调温工序靠后地进行所述去除工序。
11.根据权利要求9或10所述的原子室的制造方法，其中，
在所述准备工序中，所述第1区域和所述第2区域经由连通孔连通，
所述去除工序包括封闭所述连通孔的步骤。
12.根据权利要求7～11中的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，多个所述室容器相连接。
13.一种量子干涉装置，其特征在于，
所述量子干涉装置具备权利要求1～6中的任意一项所述的原子室。
14.根据权利要求13所述的量子干涉装置，其中，
所述第1区域的温度比所述第3区域的温度高。
15.一种原子振荡器，其特征在于，
所述原子振荡器具备权利要求1～6中的任意一项所述的原子室。
16.一种电子设备，其特征在于，
所述电子设备具备权利要求1～6中的任意一项所述的原子室。
17.一种移动体，其特征在于，
所述移动体具备权利要求1～6中的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 | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20161026 |