JP2007178272A - 原子周波数取得装置および原子時計 - Google Patents

Abstract

【課題】原子時計の精度を維持しつつ、さらに小型化を図る。
【解決手段】内部にセシウム原子ガスを封入したセル１１０と、セル１１０内部に入射して原子ガスを励起させるレーザ光を発振するレーザダイオード１２０と、セル１１０を通過したレーザ光を受光するフォトディテクタ１３０を備え、セル１１０は、レーザダイオード１２０から発振されセル１１０に入射したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された反射面１１２と、反射面１１２で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された反射面１１３を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、原子周波数取得装置および原子時計に関する。

原子の固有振動数を基準として発振器の周波数制御を行う原子時計が、従来の水晶振動子に代わって様々な場面で利用されるようになっている。中でもＣＰＴ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｐｐｉｎｇ）方式の原子時計は小型化、省電力化に適しており、今後携帯電話などへの適用も見込まれている。

米国特許第６，９００，７０２号明細書 米国特許第６，５７０，４５９号明細書

本発明の目的は、原子時計の精度を維持しつつ、さらに小型化を図ることである。

本発明の原子周波数取得装置は、内部に原子ガスを封入したセルと、前記セル内部に入射して前記原子ガスを励起させるレーザ光を発振するレーザ光源と、前記セルを通過したレーザ光を受光する受光部を備え、前記セルは、内部に少なくとも１つのレーザ光反射部を有するものである。

これにより、セル内でのレーザ光の光路を長くすることが可能となり、原子ガス中を通過する距離を確保できるので、装置の精度を落とさずに小型化を図ることができる。

前記セルは、前記レーザ光源から発振され前記セルに入射したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第１の反射部と、前記第１の反射部で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第２の反射部を備えるようにすることにより、簡単な構成でセル内の光路を確保することができる。
前記レーザ光源には、例えば面発光レーザの光源を用いることができる。

また、前記反射部にはレーザ光の反射効率をあげる反射膜が設けられている。反射膜は、たとえばＡｌ合金やＡｇ合金など、レーザ光を反射するものを用いることができる。

また、前記レーザ光源と前記受光部を一体に形成することにより、レーザ光源と受光部の位置合わせが簡略化される。

また、前記反射部が曲面形状を有するようにすれば、レーザ光が広がり角度を持って出射された場合にも、反射面の集光作用によって広がりを抑えることができ、受光部での受光量を上げて装置の精度を向上させることができる。

本発明による原子周波数取得装置は、原子時計において時間標準周波数を取得するために用いることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ’線での断面図、図２（ｂ）は上面図である。原子周波数取得装置１００は、ＣＰＴ方式の原子時計において、時間標準周波数を取得するために用いられる。
図１および図２に示すように、原子周波数取得装置１００は、電子時計を実装する電子機器の基板２００上に設置された、セル１１０、レーザダイオード（レーザ光源）１２０およびフォトディテクタ（受光部）１３０を備えている。セル１１０の上面には、ヒータ３００が設置されている。
レーザダイオード１２０、フォトディテクタ１３０、およびヒータ３００は、配線（図示せず）によって駆動回路に接続されている。

セル１１０は、突起部１１４によって基板２００に設置されている。レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、ここでは一体化して形成されている。
レーザダイオード１２０はここではＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ：垂直面発光レーザダイオード）である。

セル１１０は光の透過部のみガラスで、他は例えば金属などで形成されており、内部にキャビティ（空洞）１１１を有している。セルの材料としては、ガラスの他にも、レーザダイオード１２０から発振されるレーザ光（ここではＶＣＳＥＬの波長８５２ｎｍ）を透過するものを用いることができる。キャビティ１１１には、セシウム原子ガスが封入されている。キャビティ１１１の壁面には、反射面１１２，１１３（第１、第２の反射部）が形成されている。反射面１１２，１１３には金属膜等が形成されており、レーザ光を反射する。
反射面１１２は、レーザダイオード１２０から発振され、セル１１０に入射したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成されている。また、反射面１１３は、反射面１１２で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成されている。セル１１０は、ガラスで形成されていてもよい。

ヒータ３００は、キャビティ１１１内の温度を一定（８０度〜１３０度）に保つための加熱ヒータであり、セル１１０内を加熱することにより、セシウム原子密度を増やし、レーザ光により励起される原子数を高めている。励起される原子数が増えることにより、感度が向上し原子周波数取得装置１００の精度があがる。

次に、原子周波数取得装置１００の動作について説明する。
レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光（Ｌ）は、図２（ａ）に示すようにセル１１０内部へ透過し、反射面１１２で反射されて光路を９０度回転させ、反射面１１３で反射されて光路を再度９０度回転させた後、セル１１０の壁を透過してフォトディテクタ１３０に受光される。レーザ光はキャビティ１１１内を通過する間にキャビティ１１１内のセシウム原子を励起する。励起されたセシウム原子ガスを通過するレーザ光の強度が最大になる時のレーザ光の上側と下側のサイドバンド周波数差が、セシウム原子の固有周波数と一致する。よって、フォトディテクタ１３０に受光されるレーザ光の強度が最大となるように外部回路でフィードバック制御することにより、レーザダイオード１２０の変調周波数が調整される。
フィードバック制御系は、原子周波数取得装置１００に接続された制御回路およびローカルオシレータを備えて構成され、フォトディテクタ１３０の出力が制御回路を経由してローカルオシレータに供給されてフィードバック制御を行い、ローカルオシレータの発振周波数を上述のセシウム原子の固有周波数を基準として安定化している。
上記のようにして調整された発振周波数がローカルオシレータから取得され、原子時計の標準信号として利用される。

実施の形態１によれば、セル１１０内のレーザ光は、反射面１１２，１１３において進行方向を変えることにより、光路長を多く確保することができる。よって、セル１１０自体の容積が小さくても、レーザ光がセシウム原子ガス中を通過する距離を長くできるので、より多くのセシウム原子を励起することが可能となり、原子周波数取得装置１００の精度を保つことができる。

図３（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１によるセル１１０の変形例を示す図である。なお、図３（ａ）〜（ｄ）は、図２（ａ）に示す断面図に対応している。
図３（ａ）は、セル１１０の反射面１１２，１１３に対応する部分の外側の壁面に、レーザ光の反射率をあげるための反射膜１１５を設けている。反射膜１１５は、たとえばＡｌ合金やＡｇ合金など、レーザ光（ここではＶＣＳＥＬの波長８５２ｎｍ）を反射するものを用いることができる。このように外壁に反射膜１１５を設けることで、製造工程の簡略化が可能になる場合がある。

図３（ｂ）では、図２（ａ）と同様に、セル１１０に入射したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された反射面１１６と、反射面１１６で反射されたレーザ光が４５度の入射角で入射するように形成された反射面１１７が設けられており、図２（ａ）に比べ、セル１１０の高さを大きく、横幅を小さく形成している。このような形状にすることで、横方向の幅は小さくすることができるため、基板２００の面積が制限される場合などにこの構成を用いることができる。

また、図３（ｃ）では、キャビティ１１１が半円形に形成されており、セル１１０に入射したレーザ光は、反射点１１８で光路を９０度変え、反射点１１９でさらに光路を９０度変えてフォトディテクタ１３０に入射する。曲面状の反射面を形成することで、レーザ光が広がり角度を持って出射された場合にも、反射面の集光作用によって広がりを抑えることができ、フォトディテクタ１３０での受光量を上げて、原子周波数取得装置１００の精度を上げることができる。
図３（ｄ）では、セル１１０は上部にレンズ１４０が設けられており、セル１１０内部を通過したレーザ光はレンズ１４０に入射し、レンズ１４０内の２箇所で反射されて光路を変え、再びセル１１０内を通ってフォトディテクタ１３０に入射する。このようなレンズ１４０は、例えばインクジェットなどの方法で紫外線硬化樹脂等を滴下することによって形成することも可能であり、容易に製造することができるので、製造コストを下げることができる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図５（ａ）は、図４のＡ−Ａ’線での断面図、図５（ｂ）は原子周波数取得装置１００の上面図である。図１と同一の符号は同一の構成要素を表している。
実施の形態１と同様に、レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は一体化して形成されているが、中央部にレーザダイオード１２０が設けられ、その周囲を同心円状に囲むようにフォトディテクタ１３０が設けられている。
レーザダイオード１２０から出射したレーザ光（Ｌ）は、一定の放射角を有し、広がりながら直進する。セル１１０に入射した光は、反射面１５１で反射され、左右のフォトディテクタ１３０に入射する。

実施の形態２は実施の形態１に比べ、レーザ光が広がった場合でも、高効率で受光することができるので、装置の制度を上げることができる。
また、セル１１０内にレーザ光を反射させるための斜面を形成する必要がないので、製造が容易である。なお、実施の形態２は、セル１１０の高さ方向の大きさをある程度確保できる場合に有効である。

図１は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置の構造を示す斜視図である。 図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ’線での断面図、図２（ｂ）は原子周波数取得装置の上面図である。 図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施の形態１によるセルの変形例である。 図４は、本発明の実施の形態２による原子周波数取得装置の構造を示す斜視図である。 図５（ａ）は、図４のＡ−Ａ’線での断面図、図５（ｂ）は原子周波数取得装置の上面図である。

符号の説明

１００ 原子周波数取得装置、１１０ セル、１１１ キャビティ、１１２，１１３，１１６，１１７，１５１ 反射面、１１４ 突起部、１１５ 反射膜、１２０ レーザダイオード、１３０ フォトディテクタ、１４０ レンズ、２００ 基板、３００ ヒータ

Claims (7)

1. 内部に原子ガスを封入したセルと、
   前記セル内部に入射して前記原子ガスを励起させるレーザ光を発振するレーザ光源と、
   前記セルを通過したレーザ光を受光する受光部を備え、
   前記セルは、内部に少なくとも１つのレーザ光反射部を有することを特徴とする原子周波数取得装置。
2. 前記セルは、前記レーザ光源から発振され前記セルに入射したレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第１の反射部と、
   前記第１の反射部で反射されたレーザ光が、４５度の入射角で入射するように形成された第２の反射部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の原子周波数取得装置。
3. 前記受光部は、前記レーザ光源の周囲を囲むように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の原子周波数取得装置。
4. 前記レーザ光源と前記受光部は、一体に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の原子周波数取得装置。
5. 前記レーザ光源は、面発光レーザの光源であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の原子周波数取得装置。
6. 前記反射部が曲面形状を有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の原子周波数取得装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載の原子周波数取得装置を備えた原子時計。
   
   

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