JP2009089116A - Optical module for atomic oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は原子発振器用の光学モジュールに関し、特に発光素子、受光素子、ガスセルなどからなる光学モジュールの性能の向上、および小型化、薄型化技術に関するものである。 The present invention relates to an optical module for an atomic oscillator, and more particularly to an improvement in performance of an optical module composed of a light emitting element, a light receiving element, a gas cell, and the like, as well as a reduction in size and thickness.
ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属を用いた原子発振器は、原子のエネルギー遷移を利用する際に、金属原子をガス状態に保つ必要があるため、金属原子を気密封入したガスセルを高温に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、光とマイクロ波を利用した2重共鳴法と、2種類のレーザ光による量子干渉効果(以下CPT:Coherent Population Trappingと記す)を利用する方法に大別される。そして、2つの方法共にガスセルに入射した光が、金属原子ガスにどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた光検出器で検出することにより、原子共鳴を検知して制御系にて水晶発振器などの基準信号をこの原子共鳴に同期させて出力を得ている。
ガスセルを用いた原子発振器の動作原理については、特許文献1に詳しく記述されている。また、CPTを利用した原子発振器は、発光素子、ガスセル、及び受光素子を一体的に構成して光学系のモジュールを形成している場合が多いが、これについては、特許文献2に従来の方式が開示されている。
An atomic oscillator using an alkali metal such as rubidium or cesium needs to keep the metal atom in a gas state when utilizing the energy transition of the atom. Therefore, the gas cell in which the metal atom is hermetically sealed is kept operating at a high temperature. ing. The operation principle of an atomic oscillator is roughly classified into a double resonance method using light and microwaves, and a method using a quantum interference effect (hereinafter referred to as CPT: Coherent Population Trapping) using two types of laser light. Both methods detect the atomic resonance by detecting how much light incident on the gas cell is absorbed by the metal atomic gas, and detect the atomic resonance in the control system. An output is obtained by synchronizing a reference signal such as this with the atomic resonance.
The operation principle of an atomic oscillator using a gas cell is described in detail in Patent Document 1. In many cases, an atomic oscillator using the CPT integrally forms a light emitting element, a gas cell, and a light receiving element to form an optical system module. Is disclosed.
なお、従来の光学モジュールとして、特許文献3により開示された構造のものがあり、特許文献2に示した光学モジュールの構造と異なった方法で、CPTを利用した光学モジュールを構成する方法について説明している。それによれば、円筒形のガスセルの対向する一方の面の中央部に発光素子を配置し、その発光素子を取り囲むように受光素子を配置する。そして、ガスセルの他方の面に反射板を備え、ガスセルの一方の面に配置された発光素子から放射された光が、ガスセルの他方の面において反射され、反射された光が、ガスセルの一方の面に配置された受光素子に入射されるようにしている。
しかしながら、特許文献2に開示されているような従来の光学モジュールは、次のような問題があった。前述したように、原子発振器の動作原理は、金属原子を気密封入したガスセルに入射した光が、金属原子ガスにどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた光検出器で検出して原子共鳴を検知することに有る。そこで、原子発振器の性能を向上させるためには、ガスセルに入射した光を反対側において光検出する際に、光が吸収される時と光が吸収されない時のレベル差を大きくすることが望ましい。そのためには、光と金属原子ガスとの接触時間を増加させることが必要であり、そのためガスセル内を光が伝搬する際の光の光路を長くして、光と接触する金属原子ガスを多くすることが望ましい。
一方、特許文献2に示した従来の光学モジュールの構造は、各構成要素を縦積みに配置し、発光素子と受光素子とを対向配置したものであるので、ガスセル内を光が伝搬する際の光の光路を長くするため、ガスセルの全長を長くすると、光学モジュールが大きくなるという問題がった。
However, the conventional optical module disclosed in Patent Document 2 has the following problems. As described above, the operation principle of the atomic oscillator is that atomic resonance is detected by detecting how much light incident on the gas cell in which the metal atoms are hermetically sealed is absorbed by the metal atom gas by the photodetector provided on the opposite side. Is to detect. Therefore, in order to improve the performance of the atomic oscillator, it is desirable to increase the level difference between when light is absorbed and when light is not absorbed when light incident on the gas cell is detected on the opposite side. For this purpose, it is necessary to increase the contact time between the light and the metal atomic gas. For this reason, the optical path of light when the light propagates in the gas cell is lengthened, and the metal atomic gas in contact with the light is increased. It is desirable.
On the other hand, the structure of the conventional optical module shown in Patent Document 2 is such that each component is arranged vertically, and the light emitting element and the light receiving element are opposed to each other. If the total length of the gas cell is increased in order to lengthen the optical path of light, there is a problem that the optical module becomes large.
図6に、従来の原子発振器用の光学モジュールの構造図を示す。図6に示すように、従来の光学モジュール101は、発光素子102、受動光学素子103、ガスセル104、および受光素子105を縦積みに配置し、発光素子102と受光素子105を対向配置している。なお、受動光学素子103は、発光素子102から出射した光を集光したり、偏光状態を変えたりするなどのため、NDフィルタとレンズと波長板とを備えている。光学モジュール101の概略動作を説明すると、発光素子102が出射するコヒーレント光106は、受動光学素子103に入力され、コヒーレント光106の集光、偏光などを行い、ガスセル104に入射する。ガスセル104は、2つの波長を有するコヒーレント106の一方、或いは両方の波長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。ガスセル104を透過した透過光は、受光素子105により受光される。このように動作する従来の光学モジュール101は、原子発振器の性能を向上させるためにガスセル104の全長を長くすると光学モジュール101の構造が大きくなり、原子発振器を小型化、薄型化する際に問題となっていた。また、原子発振器の小型化、薄型化のために、ガスセル104の全長を短く抑えると、原子発振器は、ノイズの影響を受けやすくなりS/N特性が悪化するといった問題があった。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、ガスセルの全長を長くすることなしに原子発振器の性能を向上させることを目的とする。
また本発明は従来のガスセルの全長を短くして光学モジュールを小型化、薄型化することを目的とする。
FIG. 6 shows a structural diagram of a conventional optical module for an atomic oscillator. As shown in FIG. 6, in the conventional
The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the performance of an atomic oscillator without increasing the total length of a gas cell.
Another object of the present invention is to make the optical module smaller and thinner by shortening the overall length of the conventional gas cell.
上記目的を達成するために本発明は、波長が異なるコヒーレント光としての2種類の共鳴光を入射したときに、量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器用の光学モジュールであって、前記共鳴光となる光を出射する発光素子と、量子干渉された前記光を検出する受光素子と、ガス状の金属原子を封入して入射した光を量子干渉させると共に長手方向側面に反射膜が形成されたガスセルと、傾斜部に反射膜が形成された台形プリズムと、を備え、前記発光素子が出射した光を前記台形プリズムにより反射させて前記ガスセル内に入射させると共に、前記ガスセル内に入射させた前記光を前記ガスセルの長手方向側面に形成された前記反射膜により多重反射させて伝搬し、伝搬した前記光を前記台形プリズムの前記反射膜により反射させて前記受光素子に入射させるようにした。
このような本発明によれば、発光素子が出射した光は、ガスセル内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬されるので、従来のように発光素子が出射した光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬させる場合に比べて、ガスセル内を伝搬する光の光路が長くなる。従って、光と金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。
また、本発明によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルに比べて全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。
In order to achieve the above object, the present invention provides an optical system for an atomic oscillator that controls an oscillation frequency by utilizing a light absorption characteristic due to a quantum interference effect when two types of resonance light as coherent light having different wavelengths are incident. A light-emitting element that emits light as the resonance light, a light-receiving element that detects the quantum-interfered light, and a light source that encloses gaseous metal atoms and causes quantum interference between incident light and a longitudinal direction A gas cell having a reflective film formed on a side surface and a trapezoidal prism having a reflective film formed on an inclined portion; and the light emitted from the light emitting element is reflected by the trapezoidal prism and is incident on the gas cell; The light incident on the gas cell is propagated by being reflected by the reflection film formed on the side surface in the longitudinal direction of the gas cell, and the propagated light is transmitted to the trapezoidal prism. And so as to be incident on the light receiving element is reflected by the serial reflective film.
According to the present invention, since the light emitted from the light emitting element is propagated while multiply-reflecting the side surfaces facing in the longitudinal direction in the gas cell, the light emitted from the light emitting element in the gas cell as in the conventional case. The optical path of light propagating in the gas cell is longer than when propagating straight as it is. Therefore, the time during which the light and the metal atomic gas are in contact with each other increases, and the performance of the atomic oscillator can be improved without increasing the total length of the gas cell.
Further, by using the gas cell according to the present invention, the total length can be shortened as compared with the conventional gas cell, and the shape of the optical module can be reduced, and the atomic oscillator can be reduced in size and thickness.
また本発明は、波長が異なるコヒーレント光としての2種類の共鳴光を入射したときに、量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器用の光学モジュールであって、前記共鳴光となる光を出射する発光素子と、量子干渉された前記光を検出する受光素子と、ガス状の金属原子を封入して入射した光を量子干渉させると共に長手方向側面に反射膜が形成されたガスセルと、前記ガスセルの短手方向両側にそれぞれに設けられ、傾斜部に反射膜が形成されたプリズムと、を備え、前記発光素子が出射した光を前記プリズムにより反射させて前記ガスセル内に入射させ、前記ガスセル内に入射させた前記光を前記ガスセル内の長手方向側面に形成された前記反射膜により多重反射させて伝搬し、伝搬した前記光を前記プリズムにより反射させて前記受光素子に入射させるようにしたことを特徴とする。
このような本発明によれば、発光素子が出射した光は、ガスセル内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬されるので、従来のように発光素子が出射した光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬させる場合に比べて、ガスセル内を伝搬する光の光路が長くなる。従って、光と金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。
Further, the present invention is an optical module for an atomic oscillator that controls an oscillation frequency using light absorption characteristics due to a quantum interference effect when two types of resonant light as coherent light having different wavelengths are incident. A light-emitting element that emits light that becomes resonance light, a light-receiving element that detects the quantum-interfered light, and encapsulates gaseous metal atoms to cause quantum interference of incident light and to form a reflective film on the side surface in the longitudinal direction A gas cell, and prisms provided on both sides of the gas cell in the short-side direction, each of which has a reflecting film formed on an inclined portion, and the light emitted from the light emitting element is reflected by the prism so as to be reflected in the gas cell. The light incident on the gas cell is propagated by being reflected by the reflective film formed on the side surface in the longitudinal direction in the gas cell, and the propagated light is transmitted to the gas cell. Is reflected by the rhythm is characterized in that so as to be incident on the light receiving element.
According to the present invention, since the light emitted from the light emitting element is propagated while multiply-reflecting the side surfaces facing in the longitudinal direction in the gas cell, the light emitted from the light emitting element in the gas cell as in the conventional case. The optical path of light propagating in the gas cell is longer than when propagating straight as it is. Therefore, the time during which the light and the metal atomic gas are in contact with each other increases, and the performance of the atomic oscillator can be improved without increasing the total length of the gas cell.
また、本発明によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルに比べて全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。
また、本発明によれば、発光素子が出射する光を反射してガスセル内に反射光を入射したり、ガスセルが出射した光を反射して受光素子に入射する2つのプリズムをガスセルの短手方向の両側にそれぞれ配置しており、原子発振器をさらに薄型化することができる。
また、本発明は反射膜が、金属膜からなることを特徴としている。
このような本発明によれば、反射膜として金属膜を使用しており、金属膜は、膜の形成工程が簡易であるので、反射膜として金属膜を使用することにより安価な光学モジュールを構成することができる。
Further, by using the gas cell according to the present invention, the total length can be shortened as compared with the conventional gas cell, and the shape of the optical module can be reduced, and the atomic oscillator can be reduced in size and thickness.
In addition, according to the present invention, the light emitted from the light emitting element is reflected so that the reflected light is incident on the gas cell, or the two prisms that reflect the light emitted from the gas cell and enter the light receiving element are arranged in the short side of the gas cell. The atomic oscillator can be further reduced in thickness by being arranged on both sides in the direction.
Further, the present invention is characterized in that the reflective film is made of a metal film.
According to the present invention, a metal film is used as the reflection film, and the metal film has a simple film formation process. Therefore, an inexpensive optical module is configured by using the metal film as the reflection film. can do.
また本発明は、反射膜が誘電体多層膜からなることを特徴としている。
このような本発明によれば、反射膜として誘電体多層膜を使用しており、誘電体多層膜は、反射効率が優れているとともに、反射された光の偏光状態を保持できる。従って、反射膜として誘電体多層膜を使用することにより、性能の優れた光学モジュールを構成することができる。
また、本発明は、コヒーレント光がレーザ光であることを特徴としている。
このような本発明によれば、ガスセルに光を入射して量子干渉させる発光素子として、レーザを使用した。従って、レーザが出射する光は、波長の単色性が良く、位相の揃ったコヒーレンスがよい光であるので、光学モジュールは、優れた量子干渉効果を実現することができる。
また、本発明は、ガス状の金属原子が、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴としている。
このような本発明によれば、ガス状の金属原子としてセシウム原子を使用すると、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ガス状の金属原子としてルビジウム原子を使用すると、廉価な原子発振器を実現できる。従って、原子発振器の要求性能とコストを考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。
Further, the present invention is characterized in that the reflection film is made of a dielectric multilayer film.
According to the present invention as described above, the dielectric multilayer film is used as the reflective film, and the dielectric multilayer film has excellent reflection efficiency and can maintain the polarization state of the reflected light. Therefore, an optical module having excellent performance can be configured by using a dielectric multilayer film as the reflective film.
Further, the present invention is characterized in that the coherent light is laser light.
According to the present invention as described above, a laser is used as a light emitting element that causes light to enter a gas cell to cause quantum interference. Therefore, since the light emitted from the laser has good monochromaticity in wavelength and good coherence in phase, the optical module can realize an excellent quantum interference effect.
In addition, the present invention is characterized in that the gaseous metal atom is rubidium or cesium.
According to the present invention, when a cesium atom is used as a gaseous metal atom, a highly accurate atomic oscillator can be realized. In addition, when rubidium atoms are used as gaseous metal atoms, an inexpensive atomic oscillator can be realized. Therefore, any metal atom can be selected in consideration of the required performance and cost of the atomic oscillator.
図1は、原子発振器の光学系の要部構成を示したブロック図である。原子発振器1は、ガス状の金属原子を封入したガスセル4と、ガスセル4中の金属原子ガスに共鳴光を供給するコヒーレント光源3と、コヒーレント光源3から出射された光をガスセル4に導く第1の導光手段8と、ガスセル4を透過した透過光7を光検出器5に導く第2の導光手段9と、第2の導光手段9により導かれた透過光7を検出する光検出器5と、からなる光学モジュール2と、光検出器5により検出された信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路6と、を備えて構成されている。なお、ここでは、原子発振器の周波数制御についての詳細な説明は省略する。
原子発振器1は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉を利用したものであり、ガスセル4内に波長が異なるコヒーレント光としての2種類の共鳴光を入射したときに、量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する。この方式は、2つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している系において、同時に照射される2つの共鳴光の周波数が正確に第1の基底準位と第2の基底準位のエネルギー差に一致すると、原子は2つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位への励起が停止する。CPTはこの原理を利用して、2つの共鳴光の一方、或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセル4での光吸収が停止する状態を検出するものである。
FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of an optical system of an atomic oscillator. The atomic oscillator 1 includes a gas cell 4 in which gaseous metal atoms are sealed, a coherent
The atomic oscillator 1 utilizes quantum interference of coherent light such as laser light. When two types of resonance light as coherent light having different wavelengths are incident on the gas cell 4, light absorption characteristics due to the quantum interference effect are obtained. Is used to control the oscillation frequency. In this system, in a system in which two ground levels receive resonance light and are resonantly coupled with a common excitation level, the frequency of the two resonance lights irradiated at the same time is accurately set to the first ground level. When the energy difference between the second ground levels coincides, the atom becomes a superposition of the two ground levels, and the excitation to the excited level stops. CPT uses this principle to detect a state in which light absorption in the gas cell 4 stops when the wavelength of one or both of the two resonance lights is changed.
図2は、CPT方式による原子の3準位系を説明する図の一例である。原子発振器に用いられるルビジウムやセシウムの基底準位は、核スピン−電子スピン相互作用による超微細構造により2種類の基底準位に分かれている。これらの基底準位の原子は光を吸収して、よりエネルギーの高い準位へ励起する。また、図2の様に2つの基底準位が光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している状態を2光子共鳴と言う。図2において、第1の基底準位23と第2の基底準位24は準位のエネルギーが若干異なるため、共鳴光もそれぞれ第1の共鳴光20と第2の共鳴光22とは波長が若干異なる。同時に照射される第1の共鳴光20と第2の共鳴光22の周波数差(波長の差)が正確に第1の基底準位23と第2の基底準位24のエネルギー差に一致すると、図2の系は、2つの基底準位の重ね合わせ状態になり、励起準位21への励起が停止する。CPTはこの原理を利用して、第1の共鳴光20と第2の共鳴光22のどちらか、または両方の波長を変化させたときに、ガスセル4において光吸収(つまり励起準位21への転換)が停止する状態を検出、利用する方式である。
FIG. 2 is an example of a diagram illustrating a three-level system of atoms by the CPT method. The rubidium and cesium ground levels used in the atomic oscillator are divided into two kinds of ground levels by the hyperfine structure due to the nuclear spin-electron spin interaction. These ground level atoms absorb light and excite to higher energy levels. A state in which two ground levels receive light and are resonantly coupled to a common excitation level as shown in FIG. 2 is called two-photon resonance. In FIG. 2, since the
次に、本発明に係る光学モジュールの具体的な実施形態について説明する。
図3は、本発明の第1の実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示した図である。光学モジュール31は、ベース基板32の所定の位置に発光素子(コヒーレント光源)33と、受光素子(光検出器)34とを搭載し、スペーサ35を介して導光手段となる受動光学素子36と、ガス状の金属原子を封入したガスセル37と、台形プリズム38と、を順次積み上げた構造である。また、受動光学素子36は、発光素子33から出射した光を集光したり、偏光状態を変えたりするなどのため、NDフィルタ39と、レンズ40と、波長板41と、を備えている。
また、台形プリズム38の二つの傾斜部には、反射膜42a、42bが形成され、入射した光を所定の角度に反射するようになっている。また、ガスセル37の長手方向の対向する側面には、反射膜43a、43bが形成され、入射した光を所定の角度で多重反射して伝搬するようになっている。
Next, specific embodiments of the optical module according to the present invention will be described.
FIG. 3 is a diagram schematically showing the configuration of the optical module according to the first embodiment of the present invention. The
Reflecting
次に、図3に示した光学モジュール31の概略動作について説明する。発光素子33から出射されたコヒーレント光44aは、受動光学素子36に入射し、透過率を変化させるNDフィルタ39により光量調整された後、レンズ40において集光し、さらに波長板41により偏光してガスセル37に入射する。そして、コヒーレント光44aは、ガスセル37をそのまま透過して、台形プリズム38に入射される。入射されたコヒーレント光44aは、台形プリズム38の一方の傾斜部に形成された反射膜42aにより反射し、ガスセル37内に入射される。また、台形プリズム38の一方の傾斜部の角度は、入射したコヒーレント光44aを反射した際に、反射したコヒーレント光44bがガスセル37の長手方向の側面に形成された反射膜43aに所定の角度で入射するよう設定されている。
次に、ガスセル37内に入射されたコヒーレント光44bは、反射膜43aにより反射されて対向する側面に形成された反射膜43bに入射される。そして、反射膜43bに入射されたコヒーレント光44bは、さらに所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜43aに入射し、ガスセル37内を多重反射して伝搬する。ガスセル37は、2つの波長を有するコヒーレント光44bのどちらか、または両方の波長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。
Next, a schematic operation of the
Next, the
次に、反射膜43aに入射されたコヒーレント光44bは、所定の角度で反射されてガスセル37を透過し、台形プリズム38に入射される。そして、入射したコヒーレント光44bは、台形プリズム38の他方の傾斜部に形成された反射膜42bにより所定の角度で反射される。台形プリズム38の他方の傾斜部の角度は、入射したコヒーレント光44bを反射した際に、反射したコヒーレント光44cが、受光素子34の光軸上を伝搬するように設定されている。そこで、台形プリズム38の他方の傾斜部に形成した反射膜42bにより反射されたコヒーレント光44cは、ガスセル37を透過し、前述した受動光学素子36を経由して受光素子34により受光される。
このように第1の実施形態によれば、コヒーレント光44bは、ガスセル37内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬しており、従来の光学モジュールは、コヒーレント光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬することに比べて、ガスセル37内でのコヒーレント光44bの光路が長くなる。従って、コヒーレント光44bと金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。また、第1の実施形態によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルの全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。
Next, the
As described above, according to the first embodiment, the
次に、台形プリズム38に形成した反射膜42a、42bと、ガスセル37に形成した反射膜43a、43bについて説明する。
一般的に光学素子に反射膜を形成する手段としては、金属膜を形成する方法と誘電体多層膜を形成する方法とがあり、それぞれの特徴を生かして使用される。
金属膜を用いた反射膜としては、アルミニュームなどの金属材料を蒸着した後、表面に保護膜を形成したものが多く使用されている。金属膜は、形成工程が多層膜を形成する場合と比べて簡易であり、安価である。また、金属膜において反射された光は、偏光方向が回転する性質を有しており、その性質を考慮して使用する。
次に、誘電体多層膜を用いた反射膜は、2種類、或いは3種類の誘電体材料を交互に多層に積層して、光の干渉効果により反射膜として機能させたものである。誘電体多層膜は、前述した金属膜と比べてその製造工程が複雑であり、金属膜より高価なものであるが、誘電体多層膜において反射された光は、偏光方向が回転されないという性質を有している。
Next, the
In general, as a means for forming a reflective film on an optical element, there are a method of forming a metal film and a method of forming a dielectric multilayer film, which are used taking advantage of their respective characteristics.
As a reflection film using a metal film, a film in which a protective film is formed on the surface after a metal material such as aluminum is deposited is often used. The metal film is simpler and cheaper than the case where the formation process is a multilayer film. The light reflected by the metal film has a property of rotating the polarization direction, and is used in consideration of the property.
Next, the reflective film using the dielectric multilayer film is one in which two or three kinds of dielectric materials are alternately laminated in a multilayer and function as a reflective film due to the light interference effect. The dielectric multilayer film is more complicated in manufacturing process than the metal film described above and is more expensive than the metal film. However, the light reflected by the dielectric multilayer film does not rotate in the polarization direction. Have.
図4に、ガスセルに反射膜として誘電体多層膜を形成した場合の構成を模式的に示した図を示す。図4に示すように、ガスセル37の長手方向の対向する側面に、誘電体多層膜からなる反射膜43a、43bを形成している。反射膜43a、43bは、例えば、低屈折率の誘電体材質と高屈折率の誘電体材料を交互に多層に成膜したものであり、低屈折率の誘電体材質と高屈折率の誘電体材料の膜厚を調整することにより、極めて高い反射率を得るようにしたものである。
本発明のように、ガス状の金属原子を封入したガスセル内に光を入射してCPT現象を発生させる場合は、入射させる光の偏光方向をそろえたほうが大きなCPT現象を発生させることができるといわれている。そこで、本発明に係る光学モジュールに反射膜を形成する際は、光学モジュールの性能やコストを勘案して、適宜に金属膜や誘電体多層膜のどちらかを選択すればよい。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a configuration in the case where a dielectric multilayer film is formed as a reflective film in the gas cell. As shown in FIG. 4,
As in the present invention, when light is incident into a gas cell in which gaseous metal atoms are sealed to generate the CPT phenomenon, it is possible to generate a larger CPT phenomenon by aligning the polarization direction of the incident light. It is said. Therefore, when forming a reflective film on the optical module according to the present invention, a metal film or a dielectric multilayer film may be appropriately selected in consideration of the performance and cost of the optical module.
次に、本発明に係る光学モジュールの第2の実施形態について説明する。第2の実施形態は、発光素子が出射する光をガスセル内に屈曲させるプリズムを、第1の実施形態のようにガスセルの面に配置せずに、ガスセルの短辺側の側面に配置したことが特徴である。従って、第1の実施形態と比べ更なる薄型化が可能となる。
図5は、本発明の第2の実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示した図である。光学モジュール51は、ベース基板52の所定の位置に発光素子(コヒーレント光源)53と、受光素子(光検出器)54とを搭載し、スペーサ55を介して導光手段となる受動光学素子56と、ガス状の金属原子を封入したガスセル57と、を順次積み上げた構造である。また、ガスセル57の短辺側の側面のそれぞれには、光学ブロック58a、58bを介してプリズム59a、59bを配置している。また、受動光学素子56は、発光素子53から出射した光を集光したり、偏光状態を変えたりするなどのため、NDフィルタ60と、レンズ61と、波長板62と、を備えている。
また、プリズム59a、59bのそれぞれの傾斜部には、反射膜63a、63bが形成され、入射した光を所定の角度で反射するようになっている。また、ガスセル57の長手方向の対向する側面には、反射膜64a、64bが形成され、入射した光は、所定の角度で多重反射して伝搬するようになっている。
Next, a second embodiment of the optical module according to the present invention will be described. In the second embodiment, the prism that bends the light emitted from the light emitting element into the gas cell is not disposed on the surface of the gas cell as in the first embodiment, but is disposed on the side surface on the short side of the gas cell. Is a feature. Therefore, the thickness can be further reduced as compared with the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram schematically showing a configuration of an optical module according to the second embodiment of the present invention. The
次に、図5により光学モジュール51の概略動作について説明する。発光素子53から出射されたコヒーレント光65aは、受動光学素子56に入射し、透過率を変化させるNDフィルタ60により光量調整された後、レンズ61において集光し、さらに波長板62により偏光して光学ブロック58aを透過し、プリズム59aに入射する。プリズム59aの傾斜部には、反射膜63aが形成されており、また、プリズム59aの傾斜部の角度は、入射したコヒーレント光65aを反射した際に、反射したコヒーレント光65bがガスセル57の長手方向の側面に形成された反射膜64aに所定の角度で入射するよう設定されている。
プリズム59aの傾斜部に形成した反射膜63aにより反射したコヒーレント光65bは、ガスセル57内に入射され、反射膜64aにより反射されて対向する側面に形成された反射膜64bに入射される。そして、反射膜64bに入射されたコヒーレント光65bは、所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜64aに入射する。反射膜64aに入射されたコヒーレント光65bは、反射膜64aにより反射されて対向する側面に形成された反射膜64bに入射され、さらに所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜64aに入射される。そして、コヒーレント光65bは、所定の角度で反射されてガスセル57を透過し、プリズム59bに入射される。このように、ガスセル57内に入射されたコヒーレント光65bは、多重反射してガスセル57を伝搬する。また、ガスセル57は、2つの波長を有するコヒーレント光65bのどちらか、または両方の波長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。
Next, a schematic operation of the
The
プリズム59bの傾斜部には、反射膜63bが形成されており、コヒーレント光65bは、所定の角度で反射される。プリズム59bの傾斜部の角度は、入射したコヒーレント光65bを反射した際に、反射したコヒーレント光65cが、受光素子54の光軸上を伝搬するように設定されている。そこで、コヒーレント光65cは、光学ブロック58bを透過し、前述した受動光学素子56を経由して受光素子54により受光される。
このように第2の実施形態によれば、コヒーレント光65bは、ガスセル57内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬しており、従来の光学モジュールは、コヒーレント光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬することに比べて、ガスセル57内でのコヒーレント光65bの光路は長くなる。従って、コヒーレント光65bと金属原子ガスが接触する時間を増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。また、第2の実施形態によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルの全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。また、第2の実施形態は、コヒーレント光を反射してガスセル内に入射するプリズムを、ガスセルの短辺の両側面にそれぞれ配置したので、第1の実施形態より光学モジュールを、さらに薄型化することが可能となる。
A
Thus, according to the second embodiment, the
また、光学モジュール51に形成する反射膜は、前述した金属膜、或いは誘電体多層膜を適宜選択して使用すればよい。また、ガスセル57に形成した反射膜64a、64bは、ガスセル57の長手方向の側面の全体に形成しても良いし、所定の位置に限定して形成しても良い。
なお、本実施の形態で説明した発光素子は、コヒーレント光を出射するレーザとすることが望ましい。レーザ光は波長の単色性がよく、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスがよい、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができるので、その点でレーザ光は最適である。
また、本実施の形態で説明したガスセルに使用するガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムとする。例えば、1次原子標準器に使われるセシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また2次標準器で使われるルビジウム原子は手軽に広く普及しているため、これを使えば小型で低価格な原子発振器を実現できる。従って、金属原子として何を用いるかは、使用目的により選択すればよい。また、本実の施形態では、金属原子としてルビジウム、セシウムを用いたが、3準位系を持った原子であればどのような原子を用いても構わない。
Further, as the reflective film formed on the
Note that the light-emitting element described in this embodiment is preferably a laser that emits coherent light. Laser light has good monochromaticity in wavelength and has a uniform phase. Coherence is defined as a measure of the stability of the wavelength and phase of light. Since light with good coherence, that is, with stable wavelength and phase, can cause quantum interference effects, laser light is optimal in that respect.
The gaseous metal atom used in the gas cell described in this embodiment is rubidium or cesium. For example, a cesium atom used in a primary atom standard can be used to realize a highly accurate atomic oscillator. The rubidium atom used in the secondary standard is easily and widely used, so it can be used to realize a small and low-priced atomic oscillator. Therefore, what is used as the metal atom may be selected according to the purpose of use. In the present embodiment, rubidium and cesium are used as metal atoms, but any atom may be used as long as it has a three-level system.
1…原子発振器、2、31、51…光学モジュール、3…コヒーレント光源、4、37、57…ガスセル、5…光検出器、6…周波数制御回路、7…透過光、8…第1の導光手段、9…第2の導光手段、20…第1の共鳴光、21…励起準位、22…第2の共鳴光、23…第1の基底準位、24…第2の基底準位、32、52…ベース基板、33、53…発光素子、34、54…受光素子、35、55…スペーサ、36、56…受動光学素子、38…台形プリズム、39、60…NDフィルタ、40、61…レンズ、41、62…波長板、42a、42b、43a、43b、63a、63b、64a、64b…反射膜、44a、44b、44c、65a、65b、65c…コヒーレント光、58a、58b…光学ブロック、59a、59b…プリズム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Atomic oscillator, 2, 31, 51 ... Optical module, 3 ... Coherent
Claims (6)
前記共鳴光となる光を出射する発光素子と、量子干渉された前記光を検出する受光素子と、ガス状の金属原子を封入して入射した光を量子干渉させると共に長手方向側面に反射膜が形成されたガスセルと、傾斜部に反射膜が形成された台形プリズムと、を備え、
前記発光素子が出射した光を前記台形プリズムにより反射させて前記ガスセル内に入射させると共に、前記ガスセル内に入射させた前記光を前記ガスセルの長手方向側面に形成された前記反射膜により多重反射させて伝搬し、伝搬した前記光を前記台形プリズムの前記反射膜により反射させて前記受光素子に入射させるようにしたことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。 An optical module for an atomic oscillator that controls an oscillation frequency by utilizing light absorption characteristics due to a quantum interference effect when two types of resonant light as coherent lights having different wavelengths are incident.
A light emitting element that emits light that becomes the resonance light, a light receiving element that detects the quantum-interfered light, a quantum metal interference between incident light encapsulating gaseous metal atoms, and a reflective film on the side surface in the longitudinal direction A formed gas cell, and a trapezoidal prism having a reflective film formed on the inclined portion,
The light emitted from the light emitting element is reflected by the trapezoidal prism and is incident on the gas cell, and the light incident on the gas cell is multiple-reflected by the reflective film formed on the side surface in the longitudinal direction of the gas cell. An optical module for an atomic oscillator, wherein the propagated light is reflected by the reflective film of the trapezoidal prism and is incident on the light receiving element.
前記共鳴光となる光を出射する発光素子と、量子干渉された前記光を検出する受光素子と、ガス状の金属原子を封入して入射した光を量子干渉させると共に長手方向側面に反射膜が形成されたガスセルと、前記ガスセルの短手方向両側にそれぞれに設けられ、傾斜部に反射膜が形成されたプリズムと、を備え、
前記発光素子が出射した光を前記プリズムにより反射させて前記ガスセル内に入射させ、前記ガスセル内に入射させた前記光を前記ガスセル内の長手方向側面に形成された前記反射膜により多重反射させて伝搬し、伝搬した前記光を前記プリズムにより反射させて前記受光素子に入射させるようにしたことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。 An optical module for an atomic oscillator that controls an oscillation frequency by utilizing light absorption characteristics due to a quantum interference effect when two types of resonant light as coherent lights having different wavelengths are incident.
A light emitting element that emits light that becomes the resonance light, a light receiving element that detects the quantum-interfered light, a quantum metal interference between incident light encapsulating gaseous metal atoms, and a reflective film on the side surface in the longitudinal direction A gas cell formed, and a prism provided on each of both sides of the gas cell in the short-side direction, and having a reflecting film formed on the inclined portion,
The light emitted from the light emitting element is reflected by the prism and is incident on the gas cell, and the light incident on the gas cell is multiple-reflected by the reflective film formed on the side surface in the longitudinal direction of the gas cell. An optical module for an atomic oscillator, wherein the propagated light is reflected by the prism and is incident on the light receiving element.
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