CN107104667A - 原子室及其制法、干涉装置、振荡器、电子设备及移动体 - Google Patents

原子室及其制法、干涉装置、振荡器、电子设备及移动体 Download PDF

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Abstract

本发明涉及原子室及其制造方法、量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体。课题：提供一种能够具有高耐热性的原子室。解决手段：一种原子室，其为在内部填充碱金属的原子室，其包含：由包含具有极性基团的化合物的材料形成的内壁；涂布于上述内壁的、由具有与上述极性基团发生消除反应的官能团和非极性基团的第1分子形成的第1涂层；以及涂布于上述第1涂层的、由非极性的第2分子形成的第2涂层，上述第2分子为聚丙烯、聚乙烯或聚甲基戊烯。

Description

原子室及其制法、干涉装置、振荡器、电子设备及移动体
技术领域
本发明涉及原子室及其制造方法、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由光和微波产生的双共振现象的方式、以及利用了由波长不同的两种光产生的量子干涉效应(CPT：Coherent PopulationTrapping)的方式，任一种原子振荡器均具备封入了碱金属的气室(原子室)。
例如在日本特开2013-181941号公报中，记载了：通过在气室的内壁形成OTS层，可减轻气室的内壁表面的极性基团的暴露，并且通过在OTS层上形成石蜡层，能够提高气室内壁的非松弛特性，将这种气室用于原子振荡器。
发明内容
发明所要解决的课题
但是，石蜡的熔点低，因此，如JP-A-2013-181941那样形成有石蜡层的原子室的耐热性成为问题。
本发明的几种方式的目的之一在于提供能够具有高耐热性的原子室。另外，本发明的几种方式的目的之一在于提供能够具有高耐热性的原子室的制造方法。另外，本发明的几种方式的目的之一在于提供包含上述原子室的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备、移动体。
另外，在日本特开2013-181941号公报记载的气室的情况下，碱金属进入到OTS层(涂层)，构成内壁的分子与构成涂层的分子的结合被该碱金属切断，有时涂层发生剥离。
本发明的几种方式的目的之一在于提供能够降低涂层剥离的可能性的原子室。另外，本发明的几种方式的目的之一在于提供能够降低涂层剥离的可能性的原子室的制造方法。本发明的几种方式的目的之一在于提供包含上述原子室的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备、移动体。
用于解决课题的手段
本发明是为了解决至少一部分上述课题而进行的，可以以下述方式或应用例来实现。
[应用例1]
本应用例的原子室为在内部填充碱金属的原子室，
其包含：
由包含具有极性基团的化合物的材料形成的内壁；
涂布于上述内壁的、由具有与上述极性基团发生消除反应的官能团和非极性基团的第1分子形成的第1涂层；以及
涂布于上述第1涂层的、由非极性的第2分子形成的第2涂层，
上述第2分子为聚丙烯、聚乙烯或聚甲基戊烯。
在这样的原子室的情况下，由于聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯与石蜡相比熔点更高，因此与第2分子为石蜡的情况相比，第2涂层的熔点高，能够具有高耐热性。
[应用例2]
在本应用例的原子室中，
上述第1分子可以为烷基硅烷、醇或聚酰亚胺。
在这样的原子室的情况下，能够提高第1涂层的取向性，进而，还能够提高第2涂层的取向性。因此，在这样的原子室的情况下，能够抑制碱金属进入到第1分子之间或第2分子之间。
[应用例3]
在本应用例的原子室中，
上述烷基硅烷可以为十八烷基三甲氧基硅烷或十八烷基三氯硅烷。
在这样的原子室的情况下，在第1分子为十八烷基三甲氧基硅烷(ODS)的情况下，ODS的甲氧基能够与形成内壁的材料的极性基团发生消除反应，在第1分子为十八烷基三氯硅烷(OTS)的情况下，OTS的氯能够与形成内壁的材料的极性基团发生消除反应。
[应用例4]
在本应用例的原子室中，
上述第1分子可以为十八烷基三甲氧基硅烷，
上述第2分子可以为聚丙烯。
在这样的原子室的情况下，与例如第1分子为OTS、第2分子为聚乙烯的情况相比，易于操作，能够具有更高的耐热性。
[应用例5]
本应用例的原子室为在内部填充碱金属的原子室，
其包含：
涂布于内壁的、由第1分子形成的第1涂层；
涂布于上述第1涂层的、由具有与上述第1分子发生消除反应的官能团和非极性基团的第2分子形成的第2涂层；以及
涂布于上述第2涂层的、由非极性的第3分子形成的第3涂层，
上述第1分子为不与碱金属发生置换反应的金属氧化物。
在这样的原子室的情况下，即使碱金属进入到涂层中，也能够抑制形成内壁的材料的分子与第1分子的结合被该碱金属切断的情况。因此，在这样的原子室的情况下，能够降低涂层剥离的可能性。
[应用例6]
在本应用例的原子室中，
上述第1分子可以为钽氧化物、锆氧化物、铪氧化物或钛氧化物。
在这样的原子室的情况下，能够抑制第1分子与碱金属发生置换反应。
[应用例7]
在本应用例的原子室中，
上述第2分子可以为烷基硅烷、醇或聚酰亚胺。
在这样的原子室的情况下，能够提高第2涂层的取向性，进而，还能够提高第3涂层的取向性。因此，在这样的原子室的情况下，能够抑制碱金属进入到第2分子之间或第3分子之间。
[应用例8]
在本应用例的原子室中，
上述第3分子可以为聚丙烯、聚乙烯或聚甲基戊烯。
在这样的原子室的情况下，由于聚丙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯与石蜡相比的熔点更高，因此与第3分子为石蜡的情况相比，第3涂层的熔点高，能够具有高耐热性。
[应用例9]
在本应用例的原子室中，可以是：
上述第1分子为钽氧化物，
上述第2分子为十八烷基三甲氧基硅烷，
上述第3分子为聚丙烯。
在这样的原子室的情况下，与例如第2分子为十八烷基三氯硅烷、第3分子为聚乙烯的情况相比，易于操作，能够具有更高的耐热性。
[应用例10]
本应用例的原子室的制造方法为在内部填充碱金属的原子室的制造方法，
其包括：
对由包含具有极性基团的化合物的材料形成的基材的内壁利用具有与上述极性基团发生消除反应的官能团和非极性基团的第1分子进行涂布由此形成第1涂层的工序；以及
利用非极性的第2分子对上述第1涂层进行涂布由此形成第2涂层的工序，
上述第2分子为聚丙烯、聚乙烯或聚甲基戊烯。
在这样的原子室的制造方法的情况下，可以制造能够具有高耐热性的原子室。
[应用例11]
本应用例的原子室的制造方法为在内部填充碱金属的原子室的制造方法，
其包括：
利用第1分子对基材的内壁进行涂布由此形成第1涂层的工序；
利用具有与上述第1分子发生消除反应的官能团和非极性基团的第2分子对上述第1涂层进行涂布由此形成第2涂层的工序；以及
利用非极性的第3分子对上述第2涂层进行涂布由此形成第3涂层的工序，
上述第1分子为不与碱金属发生置换反应的金属氧化物。
在这样的原子室的制造方法的情况下，可以制造能够降低涂层剥离的可能性的原子室。
[应用例12]
本应用例的量子干涉装置包含：
本应用例的原子室；
射出使上述碱金属激发的激发光的光射出部；以及
对透过上述原子室的上述激发光进行检测的光检测部。
这样的量子干涉装置由于包含本应用例的原子室，因此能够具有优异的频率稳定性。
[应用例13]
本应用例的原子振荡器包含：
本应用例的原子室；
射出使上述碱金属激发的激发光的光射出部；以及
对透过上述原子室的上述激发光进行检测的光检测部。
这样的原子振荡器由于包含本应用例的原子室，因此能够具有优异的频率稳定性。
[应用例14]
本应用例的电子设备包含本应用例的原子室。
这样的电子设备由于包含本应用例的原子室，因此能够具有优异的可靠性。
[应用例15]
本应用例的移动体包含本应用例的原子室。
这样的移动体由于包含本应用例的原子室，因此能够具有优异的可靠性。
附图说明
图1是示意性地示出第1实施方式的原子室的截面图。
图2是示意性地示出第1实施方式的原子室的截面图。
图3是示意性地示出第1实施方式的原子室的立体图。
图4是用于说明第1实施方式的基材的内壁附近的状态的图。
图5是用于说明ODS与基材的内壁的反应的图。
图6是用于说明聚丙烯与ODS的反应的图。
图7是用于说明第1实施方式的原子室的制造方法的流程图。
图8是示意性地示出第1实施方式的原子室的制造工序的截面图。
图9是示意性地示出第1实施方式的原子室的制造工序的截面图。
图10是示意性地示出第2实施方式的原子室的截面图。
图11是用于说明第2实施方式的基材的内壁附近的状态的图。
图12是用于说明ODS与钽氧化物与基材的内壁的反应的图。
图13是用于说明聚丙烯与ODS的反应的图。
图14是用于说明第2实施方式的原子室的制造方法的流程图。
图15是第3实施方式的原子振荡器的功能框图。
图16是用于说明第3实施方式的原子振荡器的原子室内的碱金属的能量状态的图。
图17是针对第3实施方式的原子振荡器示出从光射出部射出的两种光的频率差与利用光检测部检测到的检测强度的关系的曲线图。
图18是用于说明第4实施方式的电子设备的图。
图19是用于说明第5实施方式的移动体的图。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的适当实施方式进行详细说明。需要说明的是，以下说明的实施方式并非对权利要求中所记载的本发明的内容进行不当的限定。另外，下文中说明的构成并非全部为本发明的必要构成要件。
1.第1实施方式
1.1.原子室
首先，参照附图对第1实施方式的原子室进行说明。图1是示意性地示出第1实施方式的原子室100的截面图。图2是示意性地示出第1实施方式的原子室100的截面图，是图1所示的区域A的放大图。图3是示意性地示出第1实施方式的原子室100的立体图。
如图1～图3所示，原子室100包含基材10和涂层20。涂层20具有第1涂层22和第2涂层24。原子室100例如用于原子振荡器。
基材10具有主体部12和夹着主体部12而设置的一对窗部14、16。在主体部12形成有圆柱状的贯通孔13。利用贯通孔13形成了原子室100的内部空间S。需要说明的是，贯通孔13的截面形状不限于圆形，例如可以为四边形、五边形等多边形、椭圆等。主体部12的材质例如为玻璃、水晶、金属、树脂、有机硅等。
窗部14、16以封闭贯通孔13的方式夹着主体部12而设置。窗部14、16的形状例如为板状。利用主体部12和窗部14、16形成了原子室100的内部空间S。在内部空间S中封入气态的碱金属(金属原子)。在内部空间S中填充气态的碱金属。需要说明的是，封入在内部空间S中的碱金属可以一部分以气态存在，余量作为剩余部分以液态或固态存在。另外，在内部空间S中可以根据需要将氩气、氖气等稀有气体、氮气等非活性气体作为缓冲气体与碱金属一同封入。
窗部14、16上设置有与内部空间S连通的贯通孔17。贯通孔17由密封材料18进行了密封。由此，能够将内部空间S气密地密封。密封材料18的材质例如为银焊料、Au/Sn合金等金属、钒系(V-P-O)等的低熔点玻璃。需要说明的是，虽未进行图示，但贯通孔17也可以仅设置在窗部14、16中的任意一者上。
窗部14、16由可透射从后述的原子振荡器的光射出部射出的激发光的材料形成。该激发光使气态的碱金属激发。窗部14、16由包含具有极性基团的化合物的材料形成。具体而言，窗部14、16由石英玻璃、硼硅酸盐玻璃等材料形成。这些材料包含硅和氧(例如以硅和氧作为主要成分)，在表面的硅上结合有作为极性基团的羟基(参照图4)。即，窗部14、16由包含具有极性基团的化合物的材料形成。需要说明的是，主体部12可以由与窗部14、16相同的材料形成。
第1涂层22设置于基材10的内壁10a的表面。第1涂层22只要至少设置于窗部14、16的内壁即可，但优选如图1所示设置于窗部14、16的内壁和主体部12的内壁。此外，虽未进行图示，但第1涂层22也可以设置于密封材料18的内部空间S侧的表面。第1涂层22涂布于内壁10a。第1涂层22的厚度例如为几纳米。
第1涂层22由具有与形成内壁10a的材料的极性基团(例如羟基)发生消除反应的官能团和非极性基团的第1分子形成。具体而言，第1涂层22通过使第1分子的官能团与形成内壁10a的材料的羟基发生化学反应而形成。
形成第1涂层22的第1分子为烷基硅烷、醇或聚酰亚胺。在第1分子为烷基硅烷的情况下，烷基硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷(ODS：octadecyltrimethoxysilane、CH3(CH2)17Si(OCH3)3)或十八烷基三氯硅烷(OTS：octadecyltrichlorosilane、CH3(CH2)17SiCl3)。ODS的化学式为下述式(1)。ODS的分解温度为200℃左右。OTS的化学式为下述式(2)。OTS的分解温度为200℃左右。
[化1]
在使用ODS作为形成第1涂层22的第1分子的情况下，ODS具有与形成内壁10a的材料的羟基发生消除反应的甲氧基。ODS例如以分散于环己烷、己烷、三氯甲烷等溶剂中的状态涂布至内壁10a的表面。当ODS到达形成内壁10a的材料的羟基时，ODS的甲氧基和羟基的氢脱去，ODS的硅与形成内壁10a的材料的氧结合(图5参见)。由此，形成第1涂层22。
需要说明的是，ODS的硅与内壁10a的氧的结合方式对于各个ODS可以是不同的，例如如图5所示，有时ODS的2个硅与由内壁10a的硅脱去的氧结合。
在使用OTS作为形成第1涂层22的第1分子的情况下，形成内壁10a的材料的羟基与氯发生消除反应。
如图5所示，形成第1涂层22的第1分子的烃(非极性基团)具有直链结构。图示的例中，形成各个第1分子的碳原子的链与内壁10a的垂线平行地延伸。由此，第1涂层22具有高取向性。
需要说明的是，在形成第1涂层22的第1分子为醇的情况下，第1分子例如为癸醇、十八烷醇等直链醇。
第2涂层24设置于第1涂层22的表面。第2涂层24涂布于第1涂层22。第2涂层24由非极性的第2分子形成。
形成第2涂层24的第2分子为聚丙烯(PP：polypropylene)、聚乙烯(PE：polyethylene)或聚甲基戊烯(PMP：polymethylpentene)。用作第2分子的聚丙烯可以为等规立构聚丙烯，也可以为间规立构聚丙烯。第1分子可以为ODS，第2分子可以为PP。
PP的化学式为下述式(3)。PP的熔点为170℃左右。PP的数均分子量Mn为5000左右，PP的重均分子量Mw为12000左右。PE的化学式为下述式(4)。PE的熔点为120℃左右。PP和PE例如可以通过电子射线照射进行交联而具有高熔点。PE的MI(melt index，熔融指数)为2.2g/10分钟(190℃/2.16kg)左右。PMP的化学式为下述式(5)。PMP的熔点为230℃左右。
[化2]
形成第2涂层24的第2分子物理吸附于形成第1涂层22的第1分子上。图6是示出在使用ODS作为第1分子、使用PP作为第2分子的情况下PP物理吸附于ODS上的状态的图。PP虽为非极性分子，但分子量大，因此，与ODS的非极性基团之间产生强的分子间引力。并且，PP通过该分子间引力物理吸附于ODS的非极性基团上。由此，形成第2涂层24。
通过使形成第2涂层24的第2分子多次堆积，能够调整第2涂层24的厚度。第2涂层24的厚度例如为几百纳米。利用第2涂层24，能够减轻内壁10a的暴露。由此，涂层20对内壁10a具有高被覆率。此外，第2涂层24受到第1涂层22的取向性的影响而具有高取向性。第2涂层24能够抑制由于碱金属与内壁10a撞击而使碱金属的电子自旋状态松弛的情况。即，第2涂层24能够提高原子室100对碱金属的非松弛特性。
原子室100例如具有下述特征。
原子室100的情况下，包含涂布于内壁10a、由具有与极性基团发生消除反应的官能团和非极性基团的第1分子形成的第1涂层22；和涂布于第1涂层22、由非极性的第2分子形成的第2涂层24，第2分子为PP、PE或PMP。PP、PE、PMP与石蜡相比熔点更高(石蜡的熔点为80℃左右)。因此，原子室100的情况下，与第2分子为石蜡时相比，第2涂层24的熔点高，能够具有高耐热性。此外，原子室100的情况下，利用第2涂层24，能够抑制内壁10a的暴露。因此，原子室100的情况下，即使在更高温(例如100℃以上)的条件下，碱金属与第2涂层24撞击而不与内壁10a撞击的可能性也高，能够减小撞击给碱金属的量子状态所带来的影响。具体而言，原子室100的情况下，即使在更高温的条件下，也能够减轻撞击所引起的碱金属的电子自旋状态的松弛。
原子室100的情况下，第1分子为烷基硅烷、醇或聚酰亚胺。因此，原子室100的情况下，能够提高第1涂层22的取向性。即，原子室100的情况下，形成第1涂层22的第1分子的烃链(非极性基团)各自沿相同的取向延伸。由此，原子室100的情况下，还能够提高第2涂层24的取向性。因此，原子室100的情况下，能够抑制碱金属进入第1分子之间、第2分子之间。此外，即使第2涂层24熔解，由于第1涂层22发生了取向，因此，也能够在不进行熟化的情况下仅通过暂时冷却使第2涂层24的取向性恢复。
原子室100的情况下，第1分子为ODS或OTS。因此，原子室100的情况下，在第1分子为ODS的情况下，ODS的甲氧基能够与形成内壁10a的材料的极性基团发生消除反应，在第1分子为OTS的情况下，OTS的氯能够与形成内壁10a的材料的极性基团发生消除反应。
原子室100的情况下，第1分子为ODS，第2分子为PP。例如在第1分子为OTS的情况下，在与内壁10a发生消除反应时，有时会产生处理中需要注意的氯化氢，但在ODS的情况下，不需要这样的注意，能够容易地进行处理。此外，PP的熔点比PE高。因此，通过使第1分子为ODS、使第2分子为PP，原子室100易于处理，能够具有更高的耐热性。
1.2.原子室的制造方法
接着，参照附图对第1实施方式的原子室的制造方法进行说明。图7是用于说明第1实施方式的原子室100的制造方法的流程图。图8和图9是示意性地示出第1实施方式的原子室100的制造工序的截面图。
如图8所示，在主体部12上接合窗部14、16，形成基材10(步骤S1)。作为主体部12与窗部14、16的接合方法，例如使用基于接合剂的接合方法、直接接合方法、阳极接合方法等。
如图9所示，利用第1分子对基材10的内壁10a进行涂布，由此形成第1涂层22(步骤S2)。第1涂层22例如利用涂布法、CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相堆积)法等形成。在利用涂布法形成第1涂层22的情况下，使第1分子分散于规定的溶剂中，通过贯通孔17将该溶剂涂布于内壁10a的表面后，使其干燥。在利用CVD法形成第1涂层22的情况下，通过贯通孔17使气态的第1分子堆积于内壁10a的表面。
接着，利用第2分子对第1涂层22进行涂布，由此形成第2涂层24(步骤S3)。由此，能够形成涂层20。第2涂层24例如利用涂布法、真空蒸镀法等形成。在利用涂布法形成第2涂层24的情况下，使第2分子分散于规定的溶剂中，通过贯通孔17将该溶剂涂布于第1涂层22的表面后，使其干燥。在利用真空蒸镀法形成第2涂层24的情况下，通过贯通孔17使气态的第2分子堆积于第1涂层22的表面。
如图1所示，通过贯通孔17将气态的碱金属送入内部空间S(步骤S4)。碱金属的送入在涂层22、24不发生熔解的条件(温度和压力)下进行。
接着，利用密封材料18将贯通孔17密封(步骤S5)。例如利用激光等使球状的密封材料(未图示)熔融，由此能够形成对贯通孔17进行密封的密封材料18。由此，能够将封入有碱金属的内部空间S气密地密封。
通过上述工序，能够制造原子室100。
原子室100的制造方法的情况下，能够制造可具有高耐热性的原子室100。
2.第2实施方式
2.1.原子室
接着，参照附图对第2实施方式的原子室进行说明。图10是示意性地示出本实施方式的原子室110的截面图。以下，对于第2实施方式的原子室110中与上述第1实施方式的原子室100的构成构件具有同样功能的构件，赋予同一符号，并省略且详细说明。
如图10所示，原子室110的情况下，涂层20在如下方面与上述原子室100不同：具有第1涂层122、第2涂层124和第3涂层126。
如上所述，窗部14、16由包含具有极性基团的化合物的材料形成。具体而言，窗部14、16由石英玻璃、硼硅酸盐玻璃等材料形成。这些材料包含硅和氧(例如以硅和氧作为主要成分)，在表面的硅上结合有作为极性基团的羟基(参照图11)。
第1涂层122设置于基材10的内壁10a的表面。第1涂层122只要至少设置于窗部14、16的内壁即可，但优选如图10所示设置于窗部14、16的内壁和主体部12的内壁。此外，虽未进行图示，但第1涂层122也可以设置于密封材料18的内部空间S侧的表面。第1涂层122涂布于内壁10a。第1涂层122的厚度例如为几十纳米。
第1涂层122由作为金属氧化物的第1分子形成。第1分子例如为钽氧化物(TaOx)、锆氧化物(ZrOx)、铪氧化物(HfOx)或钛氧化物(TiOx)。如图12所示，第1分子的氧对形成内壁10a的材料的羟基进行置换，将第1分子的金属原子(在图示的例中为钽)与形成内壁10a的材料的硅结合。
形成第1涂层122的第1分子是不与碱金属发生化学反应(具体而言不发生置换反应)的金属氧化物。即，将第1分子的金属原子与形成内壁10a的材料的硅结合的第1分子的氧不被碱金属进行置换。由此，能够减小涂层20从内壁10a剥离的可能性。
第2涂层124设置于第1涂层122的表面。第2涂层124涂布于第1涂层122。第2涂层124的厚度例如为几纳米。
第2涂层124由具有与形成第1涂层122的第1分子发生消除反应的官能团和非极性基团的第2分子形成。具体而言，第2涂层124通过使第2分子的官能团与第1分子发生化学反应而形成。
形成第2涂层124的第2分子为烷基硅烷、醇或聚酰亚胺。在第2分子为烷基硅烷的情况下，烷基硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷(ODS)或十八烷基三氯硅烷(OTS)。
在使用ODS作为形成第2涂层124的第2分子的情况下，ODS的甲氧基被形成第1涂层122的第1分子的氧置换，如图12所示，第1分子的氧将第1分子的金属原子(图示的例中为钽)与ODS的硅结合。由此，形成第2涂层124。ODS例如以分散于环己烷、己烷、三氯甲烷等溶剂中的状态涂布至第1涂层122的表面。
在使用OTS作为形成第2涂层124的第2分子的情况下，OTS的氯被形成第1涂层122的第1分子的氧所置换。
如图12所示，形成第2涂层124的第2分子的烃(非极性基团)具有直链结构。图示的例中，形成各个第2分子的碳原子的链与内壁10a的垂线平行地延伸。由此，第2涂层124具有高取向性。
需要说明的是，在形成第2涂层124的第2分子为醇的情况下，第2分子例如为癸醇、十八烷醇等直链醇。
第3涂层126设置于第2涂层124的表面。第3涂层126涂布于第2涂层124。第3涂层126由非极性的第3分子形成。
形成第3涂层126的第3分子为聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)或聚甲基戊烯(PMP)。用作第3分子的聚丙烯可以为等规立构聚丙烯，也可以为间规立构聚丙烯。第1分子可以为钽氧化物，第2分子可以为ODS，第3分子可以为PP。
形成第3涂层126的第3分子物理吸附于形成第2涂层124的第2分子上。图13是示出在使用ODS作为第2分子、使用PP作为第3分子的情况下PP物理吸附于ODS上的状态的图。PP虽为非极性分子，但分子量大，因此，与ODS的非极性基团之间产生强的分子间引力。并且，PP通过该分子间引力物理吸附于ODS的非极性基团上。由此，形成第3涂层126。
通过使形成第3涂层126的第3分子多次堆积，能够调整第3涂层126的厚度。第3涂层126的厚度例如为几百纳米。利用第3涂层126，能够减轻内壁10a的暴露。由此，涂层20对内壁10a具有高被覆率。此外，第3涂层126受到第2涂层124的取向性的影响而具有高取向性。第3涂层126能够抑制由于碱金属与内壁10a撞击而使碱金属的电子自旋状态松弛的情况。即，第3涂层126能够提高原子室100对碱金属的非松弛特性。
原子室110例如具有下述特征。
原子室110的情况下，包含涂布于内壁10a、由第1分子形成的第1涂层122；涂布于第1涂层122、由具有与第1分子发生消除反应的官能团和非极性基团的第2分子形成的第2涂层124；和涂布于第2涂层124、由非极性的第3分子形成的第3涂层126，第1分子是不与碱金属发生置换反应的金属氧化物。因此，原子室110的情况下，即使碱金属进入了涂层20，也能够抑制由于该碱金属而使形成内壁10a的材料的分子与第1分子的结合被切断的情况。因此，原子室110的情况下，能够降低涂层20剥离的可能性。
原子室110的情况下，第1分子为钽氧化物、锆氧化物、铪氧化物或钛氧化物。因此，原子室110的情况下，能够抑制第1分子与碱金属发生置换反应。
原子室110的情况下，第2分子为烷基硅烷、醇或聚酰亚胺。因此，原子室110的情况下，能够提高第2涂层124的取向性。即，原子室110的情况下，形成第2涂层124的第2分子的烃链(非极性基团)各自沿相同的取向延伸。由此，原子室110的情况下，还能够提高第3涂层126的取向性。因此，原子室110的情况下，能够抑制碱金属进入第2分子之间、第3分子之间。此外，即使第3涂层126熔解，由于第2涂层124发生了取向，因此，也能够不进行熟化而仅通过暂时冷却使第3涂层126的取向性恢复。
原子室110的情况下，第3分子为PP、PE或PMP。PP、PE、PMP与石蜡相比熔点更高(石蜡的熔点为80℃左右)。因此，原子室110的情况下，与第3分子为石蜡的情况相比，第3涂层126的熔点高，能够具有高耐热性。此外，原子室110的情况下，利用第3涂层126，能够抑制内壁10a的暴露。因此，原子室110的情况下，即使在更高温(例如100℃以上)的条件下，碱金属与第3涂层126撞击而不与内壁10a撞击的可能性也高，能够减小撞击给碱金属的量子状态所带来的影响。具体而言，原子室110的情况下，即使在更高温的条件下，也能够减轻撞击所引起的碱金属的电子自旋状态的松弛。
原子室110的情况下，第1分子为钽氧化物，第2分子为ODS，第3分子为PP。例如在第2分子为OTS的情况下，在与第1分子发生消除反应时，有时会产生处理中需要注意的氯，但在ODS的情况下，不需要这样的注意，能够容易地进行处理。此外，PP的熔点比PE高。因此，通过使第2分子为ODS、使第3分子为PP，原子室110易于处理，能够具有更高的耐热性。
2.2.原子室的制造方法
接着，参照附图对第2实施方式的原子室的制造方法进行说明する。图14是用于说明第2实施方式的原子室110的制造方法的流程图。
原子室110的制造方法中的步骤S111、S115、S116分别与上述原子室100的制造方法中的步骤S1、S4、S5基本相同。因此，步骤S111、S115、S116的说明省略，对步骤S112、S113、S114进行说明。
利用第1分子对基材10的内壁10a进行涂布，由此形成第1涂层122(步骤S112)。第1涂层122例如利用CVD法、ALD法、溅射法、离子喷镀法、溶胶凝胶法等形成。例如在利用CVD法形成第1涂层122的情况下，通过贯通孔17使气态的第1分子堆积于内壁10a的表面。
接着，利用第2分子对第1涂层122进行涂布，由此形成第2涂层124(步骤S113)。第2涂层124例如利用涂布法、CVD法等形成。在利用涂布法形成第2涂层124的情况下，使第2分子分散于规定的溶剂中，通过贯通孔17将该溶剂涂布于第1涂层122的表面后，使其干燥。在利用CVD法形成第2涂层124的情况下，通过贯通孔17使气态的第2分子堆积于第1涂层122的表面。
接着，利用第3分子对第2涂层124进行涂布，由此形成第3涂层126(步骤S114)。由此，能够形成涂层20。第3涂层126例如利用涂布法、真空蒸镀法等形成。在利用涂布法形成第3涂层126的情况下，使第3分子分散于规定的溶剂中，通过贯通孔17将该溶剂涂布于第2涂层124的表面后，使其干燥。在利用真空蒸镀法形成第3涂层126的情况下，通过贯通孔17使气态的第3分子堆积于第2涂层124的表面。
通过上述工序，能够制造原子室110。
原子室110的制造方法的情况下，能够制造可降低涂层20剥离的可能性的原子室110。
3.第3实施方式
接着，参照附图对第3实施方式的原子振荡器(量子干涉装置)进行说明。本发明的量子干涉装置包含本发明的原子室。下文中，对包含原子室100作为本发明的原子室的原子振荡器进行说明。需要说明的是，本发明的量子干涉装置除了应用于原子振荡器以外，例如还可以应用于磁传感器、量子存储器等。
图15是第3实施方式的原子振荡器200的功能框图。图16是用于说明第3实施方式的原子振荡器200的原子室100内的碱金属的能量状态的图。图17是示出第3实施方式的原子振荡器200中从光射出部射出的两种光的频率差与利用光检测部检测到的检测强度的关系的曲线图。
原子振荡器200是利用量子干涉效应的原子振荡器。利用量子干涉效应的原子振荡器200与利用双共振效应的原子振荡器相比能够实现小型化。
如图15所示，原子振荡器200具有原子室(气室)100、光射出部210、光学部件220、222、224、226、光检测部230、加热器240、温度传感器250、磁场产生部260和控制部270。
首先，对原子振荡器200的原理进行简单说明。
原子振荡器200的情况下，在原子室100内封入有气态的铷、铯、钠等碱金属(金属原子)。
如图16所示，碱金属具有3级系的能级，可取能级的不同两种基态(基态1、2)和激发态这3种状态。此处，基态1是比基态2更低的能量状态。
对于这种气态的碱金属，将频率的不同两种共振光L1、L2照射到气态的碱金属上时，共振光L1、L2在碱金属中的光吸收率(光透过率)根据共振光L1的频率ω1与共振光L2的频率ω2之差(ω1-ω2)而发生变化。并且，当共振光L1的频率ω1与共振光L2的频率ω2之差(ω1-ω2)和基态1与基态2的能量差所相当的频率一致时，从基态1、2向激发态的激发各自停止。此时，共振光L1、L2均不被碱金属吸收而透射。将这种现象称为CPT现象或电磁感应透明化现象(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)。
此处，例如若将共振光L1的频率ω1固定而使共振光L2的频率ω2发生变化，则当共振光L1的频率ω1与共振光L2的频率ω2之差(ω1-ω2)和基态1与基态2的能量差所相当的频率ω0一致时，如图17所示，光检测部230的检测强度陡峭地上升。将这种陡峭的信号称为EIT信号。EIT信号是根据碱金属的种类而确定的固有值。因此，通过使用EIT信号作为基准，能够实现高精度的振荡器。
以下，依次对原子振荡器200的各部分进行详细说明。需要说明的是，关于原子室100，如上述的“1.1.原子室”和“1.2.原子室的制造方法”中所说明的那样。
[光射出部]
光射出部(光源)210射出使原子室100内的碱金属激发的激发光L。具体而言，光射出部210射出如上所述的频率不同的两种光(共振光L1和共振光L2)作为激发光L。
共振光L1将原子室100内的碱金属从上述基态1向激发态激发。另一方面，共振光L2将原子室100内的碱金属从上述基态2向激发态激发。
作为光射出部210，只要能够射出如上所述的激发光，则没有特别限定，例如使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)等半导体激光器等。
光射出部210与后述的控制部270的激发光控制部272连接，基于光检测部230的检测结果进行驱动控制。光射出部210由未图示的温度调节元件(发热电阻体、帕尔帖元件等)调节温度至规定温度。
[光学部件]
光学部件220、222、224、226设置于光射出部210与原子室100之间的激发光L的光路上。图15所示的例中，从光射出部210侧起向原子室100侧依次配置有第1光学部件220、第2光学部件222、第3光学部件224、第4光学部件226。
第1光学部件220为透镜。第1光学部件220能够使激发光L毫无损失地照射至原子室100。第1光学部件220具有使激发光L为平行光的功能。因此，能够简单地防止激发光L在原子室100的内壁发生反射。由此，在原子室100内适当地产生激发光的共振，其结果，能够提高原子振荡器200的振荡特性。
第2光学部件222为偏振片。第2光学部件222能够将来自光射出部210的激发光L的偏振调整为规定取向。
第3光学部件224为衰减滤光器(ND滤光器，中性密度滤光器)。第3光学部件224能够调整(减少)入射至原子室100的激发光L的强度。因此，即使在光射出部210的输出大的情况下，也能够使入射至原子室100的激发光达到所期望的光量。
第4光学部件226为λ/4波长板。第4光学部件226能够将来自光射出部210的激发光L从直线偏振光转变为圆偏振光(右圆偏振光或左圆偏振光)。
[光检测部]
光检测部230对透过原子室100的激发光L(共振光L1、L2)的强度进行检测。作为光检测部230，只要能够检测激发光L，则没有特别限定，例如使用太阳能电池、光二极管等光检测器(光接收元件)。光检测部230与后述的控制部270的激发光控制部272连接。
[加热器]
加热器(加热部)240对原子室100(具体而言为原子室100内的碱金属)进行加热。由此，能够使原子室100内的碱金属维持于适当浓度的气态。加热器240通过导电(直流)而发热，例如可以由设置于原子室100的外表面上的2个发热电阻体(未图示)构成。加热器240与后述的控制部270的温度控制部274电连接而进行导电。
此处，一个发热电阻体设置于原子室100的窗部14(入射侧窗部)，另一个发热电阻体设置于原子室100的窗部16(射出侧窗部)。通过在窗部14、16分别配置发热电阻体，能够防止碱金属在窗部14、16结露。其结果，能够使原子振荡器200的特性(振荡特性)长期保持优异。
这样的发热电阻体由对激发光L具有透射性的材料、例如ITO(Indium Tin Oxide，铟锡氧化物)、IZO(Indium Zinc Oxide，铟锌氧化物)、In3O3、SnO2、含Sb的SnO2、含Al的ZnO等氧化物等透明电极材料构成。
发热电阻体例如可以使用等离子体CVD、热CVD之类的CVD法、真空蒸镀等干式镀覆法、溶胶凝胶法等而形成。
需要说明的是，加热器240只要能够将原子室100加热，则并不限定于上述方式，可以使用各种加热器。另外，加热器240与原子室100可以是不接触的。另外，可以使用帕尔贴元件代替加热器240或者与加热器240合用来对原子室100进行加热。
[温度传感器]
温度传感器250对加热器240或原子室100的温度进行检测。并且，基于该温度传感器250的检测结果，控制加热器240的发热量。由此，能够使原子室100内的碱金属维持于所期望的温度。需要说明的是，温度传感器250的设置位置没有特别限定，例如可以在加热器240上，也可以在原子室100的外表面上。
作为温度传感器250，没有特别限定，可以使用热敏电阻、热电偶等公知的各种温度传感器。温度传感器250通过未图示的配线与后述的控制部270的温度控制部274电连接。
[磁场产生部]
磁场产生部260产生磁场，该磁场使原子室100内的碱金属的简并的多个能级发生塞曼分裂。磁场产生部260能够通过塞曼分裂使碱金属的进行了简并的不同能级间的间隙扩大，从而提高分辨率。其结果，能够提高原子振荡器200的振荡频率的精度。
磁场产生部260例如由以夹着原子室100的方式配置的亥姆霍兹线圈、或者以覆盖原子室100的方式配置的螺线管线圈构成。由此，能够在原子室100内产生单向的均匀磁场。需要说明的是，磁场产生部260所产生的磁场为恒磁场(直流磁场)，但也可以叠加有交流磁场。磁场产生部260与后述的控制部270的磁场控制部276电连接而进行导电控制。
[控制部]
控制部270对光射出部210、加热器240和磁场产生部260进行控制。控制部270具有控制光射出部210的共振光L1、L2的频率的激发光控制部272、控制原子室100内的碱金属的温度的温度控制部274、和控制来自磁场产生部260的磁场的磁场控制部276。
激发光控制部272基于光检测部230的检测结果来控制从光射出部210射出的共振光L1、L2的频率。具体而言，激发光控制部272对于从光射出部210射出的共振光L1、L2的频率进行控制，使得由光检测部230检测到的(ω1-ω2)达到上述的碱金属固有的频率ω0。此外，激发光控制部272对于从光射出部210射出的共振光L1、L2的中心频率进行控制。此外，虽未进行图示，但激发光控制部272具备电压控制型水晶振荡器(振荡电路)，基于光检测部230的检测结果同步地调整该电压控制型水晶振荡器的振荡频率，同时作为原子振荡器200的输出信号进行输出。
温度控制部274基于温度传感器250的检测结果来控制对加热器240的导电。由此，能够将原子室100维持在所期望的温度范围内。
磁场控制部276控制对磁场产生部260的导电，以使磁场产生部260所产生的磁场恒定。
这样的控制部270例如设置于安装在基板上的IC(Integrated Circuit，集成电路)芯片。
原子振荡器200包含即使在更高温的条件下也能够减轻撞击所致的碱金属的电子自旋状态的松弛的原子室100。因此，原子振荡器200的情况下，能够增大EIT信号的强度，并且能够减小EIT信号的线宽(EIT信号的半峰宽)。由此，原子振荡器200能够具有优异的频率稳定性。
4.第4实施方式
接着，参照附图对第4实施方式的电子设备进行说明。本发明的电子设备包含本发明的原子振荡器。下文中，对包含原子振荡器200作为本发明的原子振荡器的定位系统进行说明。图18是用于说明利用了GPS(Global Positioning System，全球定位系统)卫星的定位系统300的图。
如图18所示，定位系统300包含GPS卫星310、基站装置320和GPS接收装置330。
GPS卫星310发送定位信息(GPS信号)。
基站装置320例如具有：经由设置于电子基准点(GPS连续观测站)的天线322高精度地接收来自GPS卫星310的定位信息的接收装置324、和经由天线326发送利用接收装置324接收的定位信息的发送装置328。接收装置324具有原子振荡器200作为基准频率振荡源。利用接收装置324接收的定位信息实时地由发送装置328进行发送。
GPS接收装置330具有：经由天线332接收来自GPS卫星310的定位信息的卫星接收部334、和经由天线336接收来自基站装置320的定位信息的基站接收部338。
定位系统300的情况下，包含能够具有优异的频率稳定性的原子振荡器200。因此，定位系统300能够具有优异的可靠性。
需要说明的是，包含本发明的原子振荡器的电子设备不限于定位系统，例如可以应用于移动电话、数码相机、喷墨式喷射装置(例如喷墨打印机)、个人计算机(便携式计算机、笔记本型个人计算机)、电视机、摄像机、录像机、车载导航装置、寻呼机、电子记事本(也包含带有通讯功能的记事本)、电子词典、电子计算器、电子游戏机、文字处理器、工作站、可视电话、安保用电视监控器、电子望远镜、POS终端、医疗设备(例如电子体温计、血压计、血糖仪、心电图测量装置、超声波诊断装置、电子内窥镜)、鱼群探测仪、各种测定仪器、测量仪器类(例如车辆、飞机、船舶的测量仪器类)、飞行模拟器、地面数字广播、移动电话基站等。
5.第5实施方式
接着，参照附图对第5实施方式的移动体进行说明。本发明的移动体包含本发明的原子振荡器。下文中，对包含原子振荡器200作为本发明的原子振荡器的汽车进行说明。图19是用于说明第5实施方式的汽车400的图。
如图19所示，汽车400具有车身410和4个车轮420，按照利用设置于车身410的未图示的动力源(发动机)使车轮420旋转的方式构成。汽车400中内置有原子振荡器200。
汽车400的情况下，包含能够具有优异的频率稳定性的原子振荡器200。因此，汽车400能够具有优异的可靠性。
需要说明的是，包含本发明的原子振荡器的移动体不限于汽车，例如可以应用于喷气机、直升机等飞机、船舶、火箭、人造卫星等。
本发明包含与实施方式中所说明的构成实质上相同的构成(例如功能、方法和结果相同的构成、或者目的和效果相同的构成)。另外，本发明包含对实施方式中所说明的构成的非本质性的部分进行了置换而得到的构成。另外，本发明包含与实施方式中所说明的构成发挥相同作用效果的构成或者能够达到相同目的的构成。另外，本发明包含在实施方式中所说明的构成中附加公知技术而得到的构成。
[符号说明]
10…基材、10a…内壁、12…主体部、13…贯通孔、14、16…窗部、17…贯通孔、18…密封材料、20…涂层、22…第1涂层、24…第2涂层、100、110…原子室、122…第1涂层、124…第2涂层、126…第3涂层、200…原子振荡器、210…光射出部、220…第1光学部件、222…第2光学部件、224…第3光学部件、226…第4光学部件、230…光检测部、240…加热器、250…温度传感器、260…磁场产生部、270…控制部、272…激发光控制部、274…温度控制部、276…磁场控制部、300…定位系统、310…GPS卫星、320…基站装置、322…天线、324…接收装置、326…天线、328…发送装置、330…GPS接收装置、332…天线、334…卫星接收部、336…天线、338…基站接收部、400…汽车、410…车身、420…车轮。

Claims (15)

1.一种原子室，其为在内部填充碱金属的原子室，
所述在内部填充碱金属的原子室包含：
由包含具有极性基团的化合物的材料形成的内壁；
涂布于所述内壁的、由具有与所述极性基团发生消除反应的官能团和非极性基团的第1分子形成的第1涂层；以及
涂布于所述第1涂层的、由非极性的第2分子形成的第2涂层，
所述第2分子为聚丙烯、聚乙烯或聚甲基戊烯。
2.如权利要求1所述的原子室，其中，所述第1分子为烷基硅烷、醇或聚酰亚胺。
3.如权利要求2所述的原子室，其中，所述烷基硅烷为十八烷基三甲氧基硅烷或十八烷基三氯硅烷。
4.如权利要求1～3中任一项所述的原子室，其中，
所述第1分子为十八烷基三甲氧基硅烷，
所述第2分子为聚丙烯。
5.一种原子室，其为在内部填充碱金属的原子室，
所述在内部填充碱金属的原子室包含：
涂布于内壁的、由第1分子形成的第1涂层；
涂布于所述第1涂层的、由具有与所述第1分子发生消除反应的官能团和非极性基团的第2分子形成的第2涂层；以及
涂布于所述第2涂层的、由非极性的第3分子形成的第3涂层，
所述第1分子为不与碱金属发生置换反应的金属氧化物。
6.如权利要求5所述的原子室，其中，所述第1分子为钽氧化物、锆氧化物、铪氧化物或钛氧化物。
7.如权利要求5或6所述的原子室，其中，所述第2分子为烷基硅烷、醇或聚酰亚胺。
8.权利要求5～7中任一项所述的原子室，其中，所述第3分子为聚丙烯、聚乙烯或聚甲基戊烯。
9.如权利要求5～8中任一项所述的原子室，其中，
所述第1分子为钽氧化物，
所述第2分子为十八烷基三甲氧基硅烷，
所述第3分子为聚丙烯。
10.一种原子室的制造方法，其为在内部填充碱金属的原子室的制造方法，
所述在内部填充碱金属的原子室的制造方法包括：
对由包含具有极性基团的化合物的材料形成的基材的内壁利用具有与所述极性基团发生消除反应的官能团和非极性基团的第1分子进行涂布由此形成第1涂层的工序；以及
利用非极性的第2分子对所述第1涂层进行涂布由此形成第2涂层的工序，
所述第2分子为聚丙烯、聚乙烯或聚甲基戊烯。
11.一种原子室的制造方法，其为在内部填充碱金属的原子室的制造方法，
所述在内部填充碱金属的原子室的制造方法包括：
利用第1分子对基材的内壁进行涂布由此形成第1涂层的工序；
利用具有与所述第1分子发生消除反应的官能团和非极性基团的第2分子对所述第1涂层进行涂布由此形成第2涂层的工序；以及
利用非极性的第3分子对所述第2涂层进行涂布由此形成第3涂层的工序，
所述第1分子为不与碱金属发生置换反应的金属氧化物。
12.一种量子干涉装置，其包含：
权利要求1～9中任一项所述的原子室；
射出使所述碱金属激发的激发光的光射出部；以及
对透过所述原子室的所述激发光进行检测的光检测部。
13.一种原子振荡器，其包含：
权利要求1～9中任一项所述的原子室；
射出使所述碱金属激发的激发光的光射出部；以及
对透过所述原子室的所述激发光进行检测的光检测部。
14.一种电子设备，其包含权利要求1～9中任一项所述的原子室。
15.一种移动体，其包含权利要求1～9中任一项所述的原子室。
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