CN109565283B - 原子振荡器以及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，提供一种得到的EIT信号的线宽更细且精度高的原子振荡器以及具备原子振荡器的电子设备。本发明是一种原子振荡器(100)，具备：光源(1)；气室(2)，具有封入了碱金属原子的内部空间(2a)；以及光检测器(3)，对从光源(1)出射并透射了气室(2)的光进行检测。在原子振荡器(100)中，在相对于光源(1)而言的气室(2)的远端(气室(2)的出射侧)，光源(1)的照射区域(基于光源(1)的光斑直径(W2)的面积)比内部空间(2a)的截面积(基于内径(R1)的面积)大。

Description

原子振荡器以及电子设备

技术领域

本发明涉及原子振荡器以及具备原子振荡器的电子设备。

背景技术

原子振荡器通过对气密封入有铷、铯等的原子的气室照射两种波长不同的激光，从而能够利用量子干涉效应(Coherent Population Trapping(CPT)，相干布居捕获)得到共振频率。已知，气室中的原子吸收激光，并根据两种光的频率差，光吸收特性(透射率)变化。特别是，原子振荡器利用两种光中的任一者都不被吸收而透射的现象(Electromagnetically Induced Transparency(EIT)，电磁感应透明)，检测未被原子吸收而透射的透射光光谱作为EIT信号。关于具体的原子振荡器的结构，例如，在专利文献1(日本特开2009-164331号公报)有所公开。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-164331号公报

发明内容

发明要解决的课题

被检测的EIT信号在特定的频率成为洛伦兹函数性的信号，线宽越细，越是良好的信号，成为精度高的原子振荡器。但是，已知根据入射到气室的光的强度，EIT信号会受到影响，在以往的原子振荡器中，存在由于该影响而使EIT信号的线宽变粗的问题。

具体地，用作原子振荡器的信号源的石英振荡器的振荡的频率根据温度等环境变化而变动，而为了修正该变动，利用了原子振荡器的量子部中的EIT信号。原子振荡器感测在石英振荡器中振荡的频率并进行修正，但是若EIT信号的线宽粗，则如果不产生大的频率变动就不进行修正，不能实现精度高的振荡器。

因此，本发明的目的在于，提供一种得到的EIT信号的线宽更细且精度高的原子振荡器以及具备原子振荡器的电子设备。

用于解决课题的技术方案

本发明的一个方式涉及的原子振荡器具备：光源；气室，具有封入了碱金属原子的内部空间；以及光检测部，对从光源出射并透射了气室的光进行检测，在相对于光源而言的气室的远端，光源的照射区域比内部空间的截面积大。

本发明的另一个方式涉及的原子振荡器具备：光源；气室，具有封入了碱金属原子的内部空间；以及光检测部，对从光源出射并透射了气室的光进行检测，在相对于光源而言的近端，使从光源出射的光的一部分入射到气室。

本发明的一个方式涉及的电子设备具备上述记载的原子振荡器。

发明效果

根据本发明，在相对于光源而言的气室的远端，使得光源的照射区域比内部空间的截面积大，或者在相对于光源而言的近端，使从光源出射的光的一部分入射到气室，由此，可得到线宽更细的EIT信号，能够使精度提高。

附图说明

图1是用于说明本发明的实施方式1涉及的原子振荡器的结构的概略图。

图2是用于说明本发明的实施方式1涉及的原子振荡器的功能的框图。

图3是用于说明相对于光源的光斑直径的相对光强度与位置的关系的图。

图4是用于说明光源的光斑直径与EIT信号的线宽的关系的图。

图5是用于说明本发明的实施方式1的变形例涉及的原子振荡器的结构的概略图。

图6是用于说明本发明的实施方式1的变形例涉及的内部空间的形状与光源的光斑直径的关系的概略图。

图7是用于说明对准偏移量与EIT信号的线宽的关系的图。

图8是用于说明本发明的实施方式2涉及的原子振荡器的结构的概略图。

图9是用于说明本发明的实施方式3涉及的原子振荡器的结构的概略图。

图10是用于说明本发明的实施方式3涉及的原子振荡器的装置结构的剖视图。

图11是用于说明本发明的实施方式3涉及的原子振荡器的另一个装置结构的剖视图。

图12是用于说明本发明的实施方式3涉及的原子振荡器的变形例的结构的概略图。

图13是用于说明本发明的实施方式4涉及的原子振荡器的结构的概略图。

图14是用于说明由原子振荡器的结构造成的光强度的密度的差异的概略图。

图15是用于说明本发明的实施方式5涉及的原子振荡器的结构的概略图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式涉及的原子振荡器进行详细说明。另外，图中相同的附图标记表示相同或相当的部分。

(实施方式1)

以下，参照附图对本发明的实施方式1涉及的原子振荡器进行说明。图1是用于说明本发明的实施方式1涉及的原子振荡器100的结构的概略图。在图1中，在原子振荡器100的结构之中，从光源到光检测器对量子部进行了图示。原子振荡器除了量子部以外，还包含后述的光源波长控制电路以及频率控制电路的结构(参照图2)，虽然未特别图示，但是还包含成为信号源的石英振荡器以及将来自量子部的输出信号反馈给石英振荡器的反馈电路等结构。在本说明书中，为了使说明简单，对原子振荡器的量子部进行说明。此外，在以下的记载中，存在将原子振荡器的量子部仅记载为原子振荡器的情况。

图1所示的原子振荡器100由光源1、气室2、光检测器3、波长板4以及ND(NeutralDensity，中灰密度)滤光器5构成。原子振荡器100将来自光源1的光1A经由波长板4以及ND滤光器5入射到气室2，并用光检测器3对透射了气室2的光进行检测而得到EIT信号。

图2是用于说明本发明的实施方式1涉及的原子振荡器100的功能的框图。在图2所示的原子振荡器100中，除了图1所示的原子振荡器100的量子部的结构以外，还图示了进行驱动所需的温度控制电路6、9、光源波长控制电路7、以及频率控制电路8。

进而，对图1以及图2所示的原子振荡器100的构成要素进行详细说明。光源1例如使用单模的VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting LASER，垂直腔面发射激光器)。具体地，将光的波长为894.6nm的Cs-D1线的VCSEL用于光源1。另外，光源1也可以使用光的波长为852.3nm的Cs-D2线的VCSEL、光的波长为795.0nm的Rb-D1线的VCSEL、光的波长为780.2nm的Rb-D2线的VCSEL等。此外，光源1并不限定于VCSEL，也可以使用DFB(DistributedFeedback，分布反馈)激光器、DBR(Distributed Bragg Reflector，分布布拉格反射器)激光器等。

在光源1使用VCSEL的情况下，光的波长由于VCSEL的个体差异而产生偏差，因此使用温度控制电路6进行调整，使得能够输出894.6nm的波长的光。温度控制电路6基于通过设置在光源1的附近的热敏电阻、热电偶测定的温度，通过设置在光源1的加热器对温度进行调节。另外，作为对从VCSEL输出的光的波长进行控制的方法，除了调整温度以外，还有调整动作电流的方法。

来自光源1的光在入射到气室2之前通过波长板4以及ND滤光器5。波长板4用于改变来自光源1的光的偏振。从光源1出来的光一般是直线偏振光。使用了直线偏振光的EIT信号使用根据外部磁场而大幅变动的能级，因此容易产生频率变动。因此，通常在原子振荡器中使用由外部磁场造成的频率变动小的能级，因此使用波长板4，将来自光源1的直线偏振光的光用波长板4改变为圆偏振光的光而入射到气室2。另外，用波长板4变换后的圆偏振光可以是右旋圆偏振光，也可以是左旋圆偏振光。

ND滤光器5是用于使来自光源1的光的强度衰减的光学部件。在原子振荡器中，已知若入射到气室的光的强度过强，则EIT信号的线宽变粗的功率展宽效应。因此，即使在光源1使用几mW以下的VCSEL的情况下，为了得到良好的EIT信号(EIT信号的线宽细)，也使用透射率为30％以下程度的ND滤光器5。另外，若通过ND滤光器5使入射到气室2的光的强度过度衰减，则EIT信号自身变得不能观测，因此需要基于EIT信号的检测限度而设定最佳的ND值。在ND滤光器5中，有在玻璃基板蒸镀金属膜并对光进行反射的反射型、材料自身对光进行吸收的吸收型。

气室2是对K、Na、Cs、Rb等的碱金属气体(原子)进行了气密封入的密封容器。气室2由在相对于光源1而言的近端入射光的入射窗(入射侧)、在远端出射光的出射窗(出射侧)、以及保持入射窗和出射窗的侧壁(侧面)构成。在原子振荡器的气室中，气密封入有Cs、Rb的碱金属气体。在气室2的尺寸为10mm以下的情况下，为了增加内部空间2a内的碱金属气体，用温度控制电路9对加热器等进行调节而使气室2变暖。例如，如果是用于原子振荡器的气室，则作为使用温度，是30℃～125℃程度。温度控制电路9基于通过设置在气室2的附近的热敏电阻、热电偶测定的温度，通过设置在气室2的加热器对温度进行调节。

在气室2中需要的碱金属气体的量是饱和蒸气压的量。但是，碱金属气体由于与气室2的容器发生反应等而逐渐被消耗，因此在气室2封入有比饱和蒸气压的量多的碱金属气体。具体地，如果是一边的长度为几mm程度的气室，则在气室2封入有几μg程度的碱金属。另外，比饱和蒸气压的量更多地封入的碱金属以固体或液体的状态留在内部空间2a内。

关于气室2，为了入射来自光源1的光，需要至少在光路径上是透明的。因此，气室2的入射/出射窗使用石英玻璃、硼硅酸盐玻璃、硅铝酸盐玻璃等的玻璃。另外，气室2的侧面使用玻璃、能够与玻璃进行阳极接合的Si。

关于气室2的容器尺寸，在光轴方向以及相对于光轴垂直的方向中的任一方向上都大的情况下，能够得到更良好的EIT信号。这是因为，在气室2内光照到碱金属气体的区域变大，光照到碱金属气体的时间变长。但是，期望是小型的原子振荡器，关于气室的容器尺寸，一边的长度为1mm～10mm程度。

在气室2中除了碱金属气体以外还封入有缓冲气体。若气室内仅为碱金属气体，则存在碱金属原子与容器壁面在短时间碰撞而使观测的时间变短的问题。因此，为了延长观测的时间，将被称为缓冲气体的惰性气体与碱金属气体一同封入到气室内。由此，通过碱金属气体与缓冲气体碰撞，从而降低移动速度而延长直到与容器壁面碰撞为止的时间，延长观测的时间。封入的惰性气体有He、N₂、Ne、Ar、Kr、Xe。在气室封入300Torr以下程度的惰性气体。另外，为了抑制缓冲气体的温度特性对EIT信号的影响，同时封入温度特性不同的惰性气体。例如，将具有负的温度特性的Ar和具有正的温度特性的N₂同时封入到气室。

在气室2中，作为碱金属气体封入有Cs，作为缓冲气体封入有Ar与Ne的混合气体(Ar与Ne的比率为7：3，合计压力为75Torr)。此外，气室2的动作温度为70℃，关于气室2的容器尺寸，光轴方向上的长度为2mm。

已知，若对气室2施加外部磁场，则碱金属的能级进行塞曼分裂，可得到多个EIT信号。因此，为了降低外部磁场的影响，气室2采用了施加磁屏蔽2b以及偏置磁场2c的结构。磁屏蔽2b使用电磁软铁、硅钢、坡莫合金、非晶体等磁性材料。偏置磁场2c使用三轴的亥姆霍兹线圈(未图示)在光轴方向上施加。另外，对气室2施加偏置磁场2c的结构并不限定于亥姆霍兹线圈。

光检测器3使用PD(photo diode，光电二极管)。PD是将光变换为电流的元件，例如是在近红外波长具有吸收带的Si的PIN光电二极管。PIN光电二极管虽然能够通过施加反向偏置电压而进行高速的响应，但是在用于原子振荡器的情况下，并不特别需要高速的响应，因此不施加反向偏置电压。

光检测器3从通过PD得到的信号检测EIT信号的峰位置和吸收线的峰位置。为了得到良好的EIT信号，需要在吸收线的峰位置产生CPT，吸收线的峰位置相当于来自光源1的光的波长。

光源波长控制电路7对来自光源1的光的波长进行控制。具体地，光源波长控制电路7根据通过光检测器3得到的吸收线的峰位置，对DC电源(未图示)的电流(或电压)进行修正，从而进行控制使得来自光源1的光的波长在吸收线的峰位置处稳定。

频率控制电路8根据从光检测器3得到的信号生成叠加于光源1的驱动电流的RF信号，并对RF信号的频率进行控制，使得气室2内成为CPT状态。具体地，频率控制电路8基于温度补偿石英振荡器(TCXO)的信号(10MHz)使用电压控制振荡器(VCO)以及相位同步电路(PLL)来生成输入到光源1的4.596315885kHz的RF信号。另外，频率控制电路8对RF信号的频率进行调制(例如，10kHz)而对来自光源1的光的波长进行扫描，使得能够通过光检测器3来检测EIT信号的峰位置以及吸收线的峰位置。

在本实施方式1涉及的原子振荡器100中，对前述的结构中的光源1与气室2的位置关系进行重新考虑而构成为使入射到气室2的来自光源1的光的强度变得均匀。

在用于光源1的VCSEL那样的激光中，越靠近中心部，光的强度越强，在相对于光轴垂直的方向上，光的强度成为高斯分布。因此，光源1具有如下的特性，即，越增大光斑直径(照射区域)，处于与光源1的中心部相距一定的距离(例如，从中心部起1mm)的周边部处的光的强度差变得越小。利用该特性，在本实施方式1涉及的原子振荡器100中，增大入射到气室2的光源1的光斑直径而谋求光的强度的均匀化。

在此，对在入射到气室2的光的强度不均匀的情况下EIT信号的线宽变粗的理由进行说明。首先，认为功率展宽是理由之一。功率展宽是如下现象，即，入射到Cs等的碱金属气体的光的强度密度越大，EIT信号的线宽变得越粗。因此，在光的强度不均匀的情况下，在光的强度密度大的区域中产生功率展宽而使EIT信号的线宽变粗，对整个区域中的EIT信号的线宽造成影响。

接着，认为光致频移是理由之一。光致频移是如下的现象，即，在光入射到碱金属气体的情况下，碱金属气体具有的固有的能级由于该光的影响而变化。由光致频移造成的能级的变化量根据光的强度而不同。因此，在光的强度不均匀的情况下，在光的强度强的区域和光的强度弱的区域，由光致频移造成的能级的变化量不同，对EIT信号的线宽造成影响。

具体地，在本实施方式1涉及的原子振荡器100中，为了谋求光的强度的均匀化，重新考虑了光源1的光斑直径相对于气室2的容器尺寸的大小。在图1所示的原子振荡器100中，在气室2的内径R1为2mm、气室2的宽度R2为4mm的情况下，气室2的入射侧的光源1的光斑直径W1变得大于4mm。也就是说，气室2的入射侧的光源1的光斑直径W1大于气室2的内径R1以及气室2的宽度R2。另外，气室2的截面形状为正方形，其外形的一边的长度为气室2的宽度R2。光源1的光斑直径在光轴方向上扩展，因此气室2的出射侧的光源1的光斑直径W2变得更加大于光斑直径W1。

在此，对光源1的光斑直径与光的强度的关系进一步进行说明。图3是用于说明相对于光源1的光斑直径的相对光强度与位置的关系的图。在图3分别图示了光源1的光斑直径为2mm的情况下的曲线图A、光源1的光斑直径为3mm的情况下的曲线图B、光源1的光斑直径为4mm的情况下的曲线图C。在曲线图A的情况下，在光源1的中心部(位置0.0mm)相对光强度为1.0，相对于此，在光源1的周边部(位置±1.0mm)相对光强度大幅变化为大约0.1。但是，在曲线图B的情况下，在光源1的中心部(位置0.0mm)相对光强度为大约0.25，相对于此，在光源1的周边部(位置±1.0mm)相对光强度为大约0.15，变化小。此外，在曲线图C的情况下，在光源1的中心部(位置0.0mm)相对光强度为大约0.1，相对于此，在光源1的周边部(位置±1.0mm)相对光强度为大约0.1，变化更小。

因此，原子振荡器100通过增大气室2的入射侧的光的光斑直径，从而能够使气室2内的光的强度均匀化而得到良好的EIT信号。具体地，图4是用于说明光源1的光斑直径与EIT信号的线宽的关系的图。在图4示出了光源1的光斑直径为2mm、3mm、4mm时测定了EIT信号的线宽的结果。另外，在图4的测定中，调整为，即使使光斑直径变化为2mm、3mm、4mm，照射到形成于气室2的内部空间2a的来自光源1的光量也相同。在光源1的光斑直径为2mm的情况下，EIT信号的线宽为大约lkHz，相对于此，在光源1的光斑直径为3mm的情况下，EIT信号的线宽变细为大约0.7kHz。此外，在光源1的光斑直径为4mm的情况下，EIT信号的线宽变细为大约0.7kHz。因此，光源1的光斑直径优选设为与气室2的内部空间2a的内径R1相比为1.5倍以上。

在原子振荡器100中，为了增大气室2的入射侧的光源1的光斑直径，通过改变光源1与气室2之间的距离而进行调整。另外，光源1的光斑直径使用如下的一般的定义，即，设为相对于峰的光强度成为1/e²的光强度的范围。

虽然在图1所示的原子振荡器100中，示出了气室2的入射侧的光源1的光斑直径W1大于气室2的宽度R2的例子，但是并不限定于此。原子振荡器只要至少气室的出射侧的光源的光斑直径大于气室的宽度即可，在气室的入射侧，光源的光斑直径也可以小于气室的宽度。具体地，图5是用于说明本发明的实施方式1的变形例涉及的原子振荡器100a的结构的概略图。在原子振荡器100a中，气室2的出射侧的光源1的光斑直径W4变得大于气室2的宽度R2。但是，在原子振荡器100a中，气室2的入射侧的光源1的光斑直径W3变得小于气室2的宽度R2。另外，气室2的容器具有厚度，在气室2形成的内部空间2a的尺寸小于容器尺寸。也就是说，相对于气室2的宽度R2，气室2的内径R1小。因此，如果严格地规定，则原子振荡器100a只要气室2的出射侧的光源1的光斑直径W4大于气室2的内径R1即可。另外，内部空间2a在长方体的气室2的内侧形成为圆柱状，内部空间2a的截面形状为内径为R1的圆形。

像以上那样，在本实施方式1涉及的原子振荡器100、100a中，只要至少气室2的出射侧的光源1的光斑直径W2、W4大于气室2的内径R1，就能够得到良好的EIT信号。也就是说，在原子振荡器100、100a中，在相对于光源1而言的气室2的远端(气室2的出射侧)，光源1的照射区域(基于光源1的光斑直径W2、W4的面积)比内部空间2a的截面积(基于内径R1的面积)大。因此，在本实施方式1涉及的原子振荡器100、100a中，成为得到的EIT信号的线宽更细且精度高的原子振荡器。

如图1以及图5所示，在原子振荡器100、100a中，在相对于光源1而言的近端(气室2的入射侧)，仅使从光源1出射的光的一部分入射到气室2。即，气室2使从光源1出射的光中的中央部入射，但是不使周边部入射。本来，如果有效地利用来自光源1的光，则需要在气室2的入射侧使光源1的光斑直径小于气室2的内径R1。但是，在本实施方式1涉及的原子振荡器100、100a中，为了使光的强度均匀化而并未有效地利用光，特意仅使从光源1出射的光的一部分入射到气室2。因此，在原子振荡器100、100a中，EIT信号的线宽变细，能够得到良好的EIT信号。

另外，虽然说明了气室2的形状是宽度为R2的长方体且内部空间2a的形状是内径为R1的圆柱状，但是并不限定于此。例如，气室2的形状也可以是圆柱状，内部空间2a的形状也可以是长方体。在原子振荡器100、100a中，即使在内部空间2a的形状为长方体的情况下，也只要在相对于光源1而言的气室2的远端(气室2的出射侧)，光源1的照射区域比内部空间2a的截面积大即可。在此，在内部空间2a的形状设为长方体的情况下，也可以在一部分具有不入射光的部分。具体地，图6是用于说明本发明的实施方式1的变形例涉及的内部空间2a的形状与光源1的光斑直径的关系的概略图。在图6的(a)中，示出了内部空间2a的形状设为圆柱状的情况下的内部空间2a的截面与光源1的光斑1a的关系，光源1的光斑1a将内部空间2a的截面全部覆盖。另一方面，在图6的(b)中，示出了内部空间2a的形状设为长方体的情况下的内部空间2a的截面与光源1的光斑1a的关系，光源1的光斑1a未能将内部空间2a的截面全部覆盖，在一部分残留有不入射光的部分。但是，光源1的光斑1a的面积(光源1的照射区域)比内部空间2a的截面积大。

(实施方式2)

如图3所示，若光源1的光斑直径小，则即使从光源1的中心部稍微偏移，光的强度也会大幅变化，但是若增大光源1的光斑直径，则即使从光源1的中心部稍微偏移，光的强度的变化也小。这意味着，在原子振荡器中，即使光源的光轴从气室的中心轴偏移，入射到气室的光的强度也不会变化，示出了相对于光轴的偏移(对准偏移)的耐受性变大。

图7是用于说明对准偏移量与EIT信号的线宽的关系的图。在图7中，用点A示出对光源1的光斑直径为2mm的情况下的对准偏移量和EIT信号的线宽的变化进行测定的结果。同样地，在图7中，用点B、点C分别示出对光源1的光斑直径为3mm、4mm的情况下的对准偏移量和EIT信号的线宽的变化进行测定的结果。具体地，在光源1的光斑直径为2mm的情况下(点A)，在光源的光轴与气室的中心轴一致时(对准偏移量0mm)，EIT信号的线宽为大约1kHz。但是，分别在对准偏移量为-1mm时，EIT信号的线宽大幅变化为大约1.08kHz，在对准偏移量为1mm时，EIT信号的线宽大幅变化为大约1.12kHz。另一方面，在光源1的光斑直径为3mm的情况下(点B)，无论在对准偏移量为0mm时，还是在对准偏移量为±1mm时，EIT信号的线宽均为大约0.7kHz，是大致恒定的。同样地，在光源1的光斑直径为4mm的情况下(点C)，无论在对准偏移量为0mm时，还是在对准偏移量为±1mm时，EIT信号的线宽均为大约0.7kHz，是大致恒定的。另外，在对准偏移量为±2mm时对EIT信号的线宽的影响最小的是光源1的光斑直径为4mm的情况(点C)。

如前所述，利用通过使来自光源的光均匀化而入射到气室从而相对于对准偏移的耐受性增大这一情况，在原子振荡器中，也可以采用特意使光源的光轴从气室的中心轴偏移的结构。图8是用于说明本发明的实施方式2涉及的原子振荡器100b的结构的概略图。原子振荡器100b是光源1的光轴1B从气室2的中心轴偏移的结构。另外，在原子振荡器100b中，对于与图1所示的原子振荡器100相同的结构标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

在原子振荡器100b中，将光源1的光轴1B与气室2的中心轴的偏移量设为D。即使在偏移量D为1mm的情况下，在原子振荡器100b中，只要至少使气室2的出射侧的光源1的光斑直径比气室2的内径大，就能够如图7中所示地得到良好的EIT信号。

(实施方式3)

在实施方式1涉及的原子振荡器100、100a中，在相对于光源1而言的近端(气室2的入射侧)，使从光源1出射的光的一部分入射到气室2。因此，在从光源1出射的光之中，存在未入射到气室2的内部空间2a的光，该光有可能被光检测器3检测到。通过光检测器3检测到的该光成为EIT信号的噪声分量。因此，对不通过光检测器对未入射到内部空间的光进行检测的结构的原子振荡器进行说明。图9是用于说明本发明的实施方式3涉及的原子振荡器100c的结构的概略图。另外，在原子振荡器100c中，对于与图1所示的原子振荡器100相同的结构标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

在原子振荡器100c中，在气室2的侧壁(侧面)设置了遮光部2d。遮光部2d通过使未入射到内部空间2a的光不向气室2的外侧透射，从而切断到达光检测器3的光路。另外，遮光部2d可以是对光进行吸收的构件、对光进行反射的构件中的任一种。具体地，作为遮光部2d的构件，例如，可考虑Si、金属膜等。

例如，在将Si用作遮光部2d的构件的情况下，在光的波长为894nm时吸收系数α为300～400cm^-1。在此，能够使用吸收系数α，将入射到遮光部2d的光(光的强度I0)在遮光部2d中前进了xcm时的光的强度I(x)表示为I(x)＝I0exp(-αx)。遮光部2d在设计上期望为90％以上的吸收量，只要在将遮光部2d的厚度设为1mm的情况下吸收系数α至少为23cm^-1以上即可。

接着，对将原子振荡器100c构成为具体的装置的情况进行说明。图10是用于说明本发明的实施方式3涉及的原子振荡器的装置结构的剖视图。另外，在图10所示的原子振荡器100c中，对于与图1所示的原子振荡器100相同的结构，标注相同的附图标记，并省略详细的说明。首先，原子振荡器100c是如下的结构，即，将设置在印刷基板1b的光源1载置在电路基板10上，在图中向上照射光而使光入射到气室2。印刷基板1b作为光源1而安装有VCSEL，并形成有用于对用于调节该VCSEL的温度的加热器6a和热敏电阻6b进行连接的布线图案。加热器6a以及热敏电阻6b与温度控制电路6连接。

因为是向上照射光而使光入射到气室2的结构，所以气室2经由隔离件11设置在光源1的上侧。隔离件11具有保持气室2并使与光源1的光轴位置、距离恒定的功能。因此，光源1的光斑直径能够通过隔离件11的高度进行调整。

在气室2的出射侧配置有设置于印刷基板3a的光检测器3。印刷基板3a作为光检测器3而安装有PD，并形成有用于对用于调节气室2的温度的加热器9a和热敏电阻9b进行连接的布线图案。加热器9a以及热敏电阻9b与温度控制电路9连接。

原子振荡器100c通过陶瓷构件12将光源1、气室2以及光检测器3等封装为一个。陶瓷构件12与印刷基板1b、3a导通，并与电路基板10的布线连接。印刷基板3a和电路基板10经由导线布线3b连接。为了提高加热器6a、9a的效率，通过陶瓷构件12进行了封装的内部也可以进行真空密封。

接着，对在图10所示的原子振荡器100c中遮光部2d如何发挥功能进行说明。为了使说明易懂，图示了未设置遮光部2d的另一个装置结构。图11是用于说明本发明的实施方式3涉及的原子振荡器100d的另一个装置结构的剖视图。图11所示的原子振荡器100d除了气室2不具有遮光部2d以外，是相同的结构。

首先，原子振荡器100d能够通过从光源1出射的光透射气室2的内部空间2a并到达光检测器3的光路1C来得到EIT信号。但是，因为在原子振荡器100d中不具有遮光部2d，所以存在如下的光路1D，即，从光源1出射的光在陶瓷构件12反射并从气室2的侧面入射，且透射气室2的内部空间2a并到达光检测器3。像光路1D那样未恰当地透射气室2的内部空间2a而被光检测器3检测到的光成为EIT信号的噪声分量，原子振荡器100d不能得到良好的EIT信号。因此，图10所示的原子振荡器100c通过在气室2设置遮光部2d，从而使得像光路1D那样的光不被光检测器3检测到而得到良好的EIT信号。

此外，因为原子振荡器100d不具有遮光部2d，所以存在从光源1出射的光透射气室2的侧面并到达热敏电阻9b的光路1E。在原子振荡器100d中，如图11所示，在气室2附近配置有用于感测温度的热敏电阻9b，若无用的光照到该热敏电阻9b，则有可能不能进行准确的温度测定。因此，图10所示的原子振荡器100c通过在气室2设置遮光部2d而使得像光路1E那样的光照不到热敏电阻9b，防止了热敏电阻9b的误动作。特别是，如图10所示，通过在气室2的入射侧使光源1的光斑直径小于气室的宽度，从而不再存在朝向气室外的光，进而，通过设置遮光部2d，从而能够防止照射到气室2的光造成的热敏电阻9b的误动作。例如，如果气室2的宽度R2为3mm～5mm程度，则在气室2的入射侧使光源1的光斑直径为3mm～5mm程度以下。

像以上那样，本实施方式涉及的原子振荡器100c在气室2的侧壁设置有由对光进行吸收的构件或对光进行反射的构件构成的遮光部2d，因此能够消除未恰当地透射气室2的内部空间2a而到达光检测器3的光，能够降低EIT信号的噪声分量而得到良好的EIT信号。另外，遮光部2d期望光的吸收系数为23cm^-1以上。

另外，虽然在原子振荡器100c中对在气室2的侧壁设置遮光部2d的结构进行了说明，但是并不限定于此。例如，原子振荡器也可以将遮光构件设置在光源与气室之间，该遮光构件进行遮光，使得从光源出射的光的一部分不入射到气室。具体地，图12是用于说明本发明的实施方式3涉及的原子振荡器100e的变形例的结构的概略图。另外，在原子振荡器100e中，对于与图1所示的原子振荡器100相同的结构，标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

在图12所示的原子振荡器100e中，在气室2的入射侧配置有遮光构件25。遮光构件25进行遮光，使得从光源1出射的光的一部分不入射到气室2，从而对未恰当地透射气室2的内部空间2a而到达光检测器3光进行遮光。遮光构件25只要配置在光源1与气室2之间就可以是任意位置。例如，通过使ND滤光器5具有遮光功能而使得对从光源1出射的光的一部分进行遮光，从而可以用作遮光构件25。也就是说，ND滤光器5对恰当地透射气室2的内部空间2a而到达光检测器3的光的强度进行调节，并且对未恰当地透射气室2的内部空间2a而到达光检测器3的光进行遮光。

(实施方式4)

虽然在前述的原子振荡器中，说明了从光源出来的光是直到到达检测器为止都扩展的光，但是在本实施方式涉及的原子振荡器中，对使从光源出来的扩展的光变为平行光而使其透射气室的结构进行说明。图13是用于说明本发明的实施方式4涉及的原子振荡器100f的结构的概略图。另外，在原子振荡器100f中，对于与图1所示的原子振荡器100相同的结构，标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

原子振荡器100f配置有使得在光源1与气室2之间变为平行光的透镜等光学构件13。作为使得成为平行光的透镜等光学构件13，例如，可考虑准直透镜等。在原子振荡器100f中，通过光学构件13变为平行光的光透射气室2并到达光检测器3。另外，虽然在原子振荡器100f中未配置波长板4以及ND滤光器5，但是也可以根据需要配置波长板4以及ND滤光器5。

对透射气室2的光为平行光的情况与不是平行光的情况的差异进行更详细的说明。图14是用于说明由原子振荡器的结构造成的光强度的密度的差异的概略图。在图14的(a)图示了原子振荡器100，从光源1出来的光1A是直到到达光检测器3为止都扩展的光。因此，若对气室2的入射侧的光强度的密度1G和气室2的出射侧的光强度的密度1H进行比较，则光强度的密度1H更低。因而，透射气室2的内部空间2a的光的光强度的密度在光轴方向上连续地变化，光强度的密度根据气室2的位置而不同。

另一方面，在图14的(b)图示了原子振荡器100f，从光源1出来的光1A通过光学构件13变换为平行光1F并到达光检测器3。因此，若对气室2的入射侧的光强度的密度1I和气室2的出射侧的光强度的密度1J进行比较，则为相同的光强度的密度。因而，透射气室2的内部空间2a的光的光强度的密度在光轴方向上变得恒定，光强度的密度不根据气室2的位置而变化。透射气室2的内部空间2a的光强度的密度恒定的情况下，EIT信号的线宽变得更细，能够得到良好的EIT信号。

像以上那样，本实施方式涉及的原子振荡器100f还具备在光源1与气室2之间使从光源1出射的光变为沿着光轴的平行光的光学构件13，因此能够得到良好的EIT信号。另外，若除了对光学构件13附加使扩展的光变为平行光的功能以外还附加将光的强度均匀化的功能，则也可以使用复眼透镜。

(实施方式5)

在实施方式1涉及的原子振荡器100中，作为将来自光源1的光的强度均匀化的方法而对增大光源1的光斑直径的结构进行了说明。在本实施方式涉及的原子振荡器中，对使用扩散板将来自光源1的光的强度均匀化的方法进行说明。图15是用于说明本发明的实施方式5涉及的原子振荡器100g的结构的概略图。另外，在原子振荡器100g中，对于与图9所示的原子振荡器100c相同的结构，标注相同的附图标记，并省略详细的说明。

原子振荡器100g在光源1与气室2之间配置有使从光源1出射的光扩散的扩散构件14。作为扩散构件14，例如，可考虑聚碳酸酯板等。在原子振荡器100g中，对于来自光源1的光1A，通过扩散构件14对光进行扩散而变换为扩散光1K。扩散光1K与光1A相比，光的强度被均匀化。另外，虽然在原子振荡器100g中未配置波长板4以及ND滤光器5，但是也可以根据需要配置波长板4以及ND滤光器5。

像以上那样，在原子振荡器100g中，通过扩散构件14将来自光源1的光1A的强度均匀化，因此EIT信号的线宽变细，能够得到良好的EIT信号。此外，在原子振荡器100g中，通过扩散构件14来谋求光的强度的均匀化，因此能够抑制使光源1的光斑直径变大的情况。若增大光源1的光斑直径，则需要确保光源1与气室2的距离，但是通过用扩散构件14来谋求光的强度的均匀化，从而能够缩短光源1与气室2的距离而将原子振荡器100g小型化。

(变形例)

虽然在前述的实施方式涉及的原子振荡器中，对利用量子干涉效应(CPT)得到共振频率的结构进行了说明，但是不限于此。原子振荡器的动作原理还有利用了光和微波的被称为双共振法的方法，前述的实施方式涉及的原子振荡器也能够同样地应用于双共振法。

前述的实施方式涉及的原子振荡器能够作为原子钟的基准振荡器来使用，并且能够用于需要基准振荡器的便携式电话基站的电子设备、便携式电话(智能电话)、像车载导航系统那样的利用了GPS系统的需要位置信息的接收机等电子设备。此外，前述的实施方式涉及的原子振荡器的量子部还能够作为磁传感器等各种传感器来使用，还能够用于作为传感器而组装了原子振荡器的量子部的电子设备。

关于前述的实施方式涉及的原子振荡器，只要没有特别限制，就可以将各个实施方式自由地进行组合。例如，可以将在实施方式1涉及的原子振荡器100记载的结构和在实施方式5涉及的原子振荡器100g记载的结构进行组合。此外，也可以将在实施方式1的变形例涉及的原子振荡器100b记载的结构和在实施方式4涉及的原子振荡器100f记载的结构进行组合。

应认为，此次公开的实施方式在所有的方面均为例示，并不是限制性的。本发明的范围并不是由上述的说明示出，而是由权利要求书示出，意图包括与权利要求书等同的意思以及范围内的所有的变更。

附图标记说明

1：光源，1b、3a：印刷基板，2：气室，2a：内部空间，2b：磁屏蔽，2c：偏置磁场，2d：遮光部，3：光检测器，3b：导线布线，4：波长板，5：ND滤光器，6、9：温度控制电路，6a、9a：加热器，6b、9b：热敏电阻，7：光源波长控制电路，8：频率控制电路，10：电路基板，11：隔离件，12：陶瓷构件，13：光学构件，14：扩散构件，25：遮光构件，100、100a～100g：原子振荡器。

Claims (10)

1.一种原子振荡器，具备：

光源；

气室，具有封入了碱金属原子的内部空间；以及

光检测部，对从所述光源出射并透射了所述气室的光进行检测，

在相对于所述光源而言的所述气室的远端，所述光源的光斑直径比所述气室的内径大，所述气室的入射侧的光源的光斑直径与所述气室的内径相比为1.5倍以上。

2.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述光源的光斑直径在所述内部空间内随着接近所述光检测部而变大。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的原子振荡器，其中，

所述气室具备：

入射窗，在相对于所述光源而言的所述气室的近端入射来自所述光源的光；

出射窗，在所述气室的所述远端将透射了所述内部空间的光出射到所述光检测部；以及

侧壁，保持所述入射窗和所述出射窗，

所述侧壁具有由吸收光的构件构成的遮光部。

4.根据权利要求3所述的原子振荡器，其中，

所述遮光部的光的吸收系数为23cm^-1以上。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的原子振荡器，其中，

所述原子振荡器还具备：遮光构件，在所述光源与所述气室之间，进行遮光，使得从所述光源出射的光的一部分不入射到所述气室。

6.根据权利要求1或权利要求2所述的原子振荡器，其中，

所述原子振荡器还具备：光学构件，在所述光源与所述气室之间，使从所述光源出射的光变成沿着光轴的平行光。

7.根据权利要求1或权利要求2所述的原子振荡器，其中，

所述原子振荡器还具备：扩散构件，在所述光源与所述气室之间，使从所述光源出射的光扩散。

8.根据权利要求1或权利要求2所述的原子振荡器，其中，

所述光源的光轴设置为从所述气室的中心轴偏移。

9.一种原子振荡器，具备：

光源；

气室，具有封入了碱金属原子的内部空间；以及

光检测部，对从所述光源出射并透射了所述气室的光进行检测，

在相对于所述光源而言的近端，使从所述光源出射的光的一部分入射到所述气室，所述气室的入射侧的光源的光斑直径与所述气室的内径相比为1.5倍以上。

10.一种电子设备，具备权利要求1～权利要求9中的任一项所述的原子振荡器。

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