JP2009164331A - 原子発振器および発振デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】高品質かつ大きなＥＩＴ信号を得られる原子発振器および発振デバイスを提供する。
【解決手段】波長が異なるコヒーレント光として２種類の共鳴光を入射したときの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１０の光学系であって、ガス状の金属原子を封入したガスセル１２と、前記ガスセル１２中の金属原子３０に前記共鳴光を供給するコヒーレント光源であるレーザ光発振源１４と、前記ガスセル１２を透過した光を検出する光検出器１６と、を備え、レーザ光発振源１４と前記ガスセル１２との間の光軸Ｏ上には、レーザ光１８の光束を前記ガスセル１２の内部空間２０より狭い範囲で拡張可能な光束拡張手段２２が配設されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器と、これを実装した発振デバイスに関し、特に原子発振器を構成するコヒーレント光の光学系に関するものである。

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、原子をガス状態に保つ必要があるため、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二重共鳴法（特許文献１参照）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（特許文献２参照）に大別される。

図９（ａ）にＣＰＴを利用した従来技術に係る原子発振器の構成を示す。原子発振器２００は、半導体レーザ２０２、ガスセル２０４、及び光検出器２０６を一体的に構成して光学系を形成している（特許文献２参照）。ガスセル２０４の中にはルビジウム原子やセシウム原子といった量子吸収体となるアルカリ金属原子（不図示）が封入されている。半導体レーザ２０２は波長の異なる２種類のレーザ光（カップリング光とプローブ光）を生成しガスセル５４へ出力している。原子発振器２００は、ガスセル２０４に入射したレーザ光が、金属原子ガスにどれだけ吸収されたかを反対側である透過光側に設けられた光検出器２０６で検出することにより、原子共鳴を検知して周波数制御回路２０８等の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。

図９（ｂ）に量子吸収体のエネルギー準位を示す。量子吸収体のエネルギー準位は、２つの基底準位（基底準位１、基底準位２）と励起準位を有する３準位系（例えばΛ型準位系）により構成される。ここで同時に照射される２つの共鳴光の周波数（ω１、ω２）の差が正確に基底準位１と、基底準位２のエネルギー差に一致すると、３準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態となり、励起準位への励起が停止する。

すなわち、図９（ｃ）の光吸収スペクトルに示すように、ガスセル２０４中の量子吸収体は半導体レーザ２０２から発せられたレーザ光を吸収し、２種類の光の周波数差に応じて光吸収特性（透過率）が変化するが、カップリング光とプローブ光の周波数が特定の値のときに、２種類の光のいずれも吸収せず透過する現象が知られている（電磁誘起透明化現象、ＥＩＴ現象、ＥＩＴ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｉｎｄｕｃｅｄ
Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｓｙ）。ＣＰＴはこのＥＩＴ現象を利用して、２つの共鳴光が一方或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する状態をδ関数的な形状を持つＥＩＴ信号（図９（ｃ）参照）として検出して利用するものである。特許文献２においてはアルカリ金属原子を封入したガスセルへ、コリメートした半導体レーザ（アルカリ金属原子の基底状態の超微細構造のエネルギー差を有する二波長）を入射窓より入射させている。
特開平１０−２８４７７２ ＵＳ６８０６７８４Ｂ２

図９（ａ）に示される、従来の原子発振器２００の光学系では、レーザ光のビーム径はガスセル２０４の断面積よりかなり小さなものとなっている。そのためレーザ光はレーザ径をほとんど変えずにガスセル２０４内の一部の原子と相互作用し、出射側窓を直進し、
対向する光検出器２０６の一部に到達する構造となっている。

しかしこのような構成をとると、ガスセル２０４内の光路上の一部の金属原子としか光−原子相互作用が起きず、大半の原子は無駄に存在することになる。またこのようにレーザ径が小さいと、レーザ光を垂直方向に横切る金属原子は、レーザ光との相互作用時間ｔが短くなる。光−原子相互作用によるＥＩＴ信号の線幅（エネルギー幅）は不確定性原理によりｔに逆比例する。したがって、レーザ径が小さいと、図９（ｃ）に示すＥＩＴ信号の線幅（検出強度の半値幅）が広がり、信号としての品質が劣化する。

光−原子相互作用によるＥＩＴ信号の線幅は、レーザ光の電場振幅（強度）に逆比例する性質がある。これはラビ周波数が電場に比例して高くなることに由来する現象である。即ちレーザ光が強いと、ＥＩＴ信号の線幅が広がり、信号としての品質が低下する。さらに光検出器２０６の受光面積が大きい場合、そのレーザ径に相当する部分の領域しか利用されず、検出器本来の十分なＳ／Ｎ比を獲得できない。

また、特許文献１のようにレーザ光の光軸上であってレーザ光発振源とガスセルとの間にレンズを配設し、レンズによりレーザ光を広げてガスセル中の金属原子に満遍なく光を照射させることも考えられる。しかしガスセル内部の内壁近傍の金属原子は壁面と衝突するため、これにより原子共鳴の条件が緩和され、結果的にＥＩＴ信号の線幅が大きくなる。

そこで本発明は上記問題を解決し、高品質かつ大きなＥＩＴ信号を得られる原子発振器および発振デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。

［適用例１］波長が異なるコヒーレント光として２種類の共鳴光を入射したときの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の光学系であって、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、前記ガスセル中の金属原子に前記共鳴光を供給するコヒーレント光源と、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出器と、を備え、コヒーレント光源と前記ガスセルとの間の光軸上には、コヒーレント光の光束を前記ガスセルの内部空間より狭い範囲で拡張可能な光束拡張手段が配設されたことを特徴とする原子発振器。
上記構成により、コヒーレント光が光束拡張手段を通過するとその光束が拡張される。よってガスセルの内部空間にある大半の金属原子にコヒーレント光が照射され、ガスセル内の大半の金属原子と光−原子相互作用を起こすことができ、大きな検出強度のＥＩＴ信号を得ることができる。さらに拡張後の光束は内部空間より狭く、ガスセルの内壁近傍にある金属原子を照射しないため、ＥＩＴ信号の線幅が大きくなり、ＥＩＴ信号の品質が低下することを防止できる。
またコヒーレント光の光束は前記光束拡張手段に拡張され、それによって個々の金属原子に照射される光強度は小さくなるため、上述の線幅を狭くすることができ、ＥＩＴ信号としての品質が向上する。また光検出器の受光面がコヒーレント光の本来の光束よりも大きい場合であっても、コヒーレント光を前記光束拡張手段に通すことにより拡張され、光検出器の受光面全体に満遍なくコヒーレント光を受光させることができ、光検出器本来のＳ／Ｎ比を確保することができる。

［適用例２］前記光束拡張手段は凸レンズまたは凹レンズであって、凸レンズまたは凹レンズによって拡張されたコヒーレント光の光束を、前記内部空間の終端において、前記
終端の断面より狭い範囲で拡張可能な位置に配設されたことを特徴とする適用例１記載の原子発振器。
凸レンズを用いた場合、コヒーレント光の光束は凸レンズを透過して一度焦点を結ぶものの、その後前記光束は拡張しながらガスセルに到達し、ガスセル内においても引き続き光束を拡張させながらガスセル内を通過し、ガスセル内の金属原子を照射する。
凹レンズを用いた場合、コヒーレント光の光束は凹レンズを透過したのち拡張しながらガスセルに到達し、ガスセル内においても引き続き光束を拡張させながらガスセル内を通過し、ガスセル内の金属原子を照射する。
よって、ガスセルの内部空間にある大半の金属原子にコヒーレント光が照射され、ガスセル内の大半の金属原子と光−原子相互作用を起こすことができ、大きな検出強度のＥＩＴ信号を得ることができる。
また、いずれのレンズもコヒーレント光の光束を、前記内部空間の終端において、前記終端の断面より狭い範囲で拡張可能な位置に配設されているため、内部空間の側面に光が当たることがなく、これにより内部空間の内壁近傍にある金属原子を照射しないため、ＥＩＴ信号の線幅が大きくなり、ＥＩＴ信号の品質が低下することを防止できる。
したがって、製造が容易で安価であり、高品質かつ大きなＥＩＴ信号を得られる原子発振器となる。

［適用例３］前記光束拡張手段は、コヒーレント光の光束を前記ガスセルの内部空間より狭い範囲で拡張しつつ平行光を形成可能なレンズ群であることを特徴とする適用例１記載の原子発振器。
レンズ群はコヒーレント光の光束を拡張するレンズと、拡張されたコヒーレント光の光束を平行光に調整するレンズとから構成されている。またコヒーレント光の光束の拡張比は各レンズの焦点距離、及びレンズ間の距離によって決定される。上記構成により、レンズ群を通過したコヒーレント光はその光束が拡張された平行光となり、ガスセルに入射される。よって平行光の拡張比を適切に調整することによりガスセル内部の壁面近傍の金属原子にコヒーレント光を照射することを回避することができる。さらに、ガスセルの内部空間の入射光側領域にある大半の金属原子にもコヒーレント光を照射可能となるため、適用例２の場合よりも大きなＥＩＴ信号を得ることができる。さらには平行光であるためコヒーレント光の散乱を防止し、光検出器からコヒーレント光が漏れることを防止して、光検出器のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

［適用例４］前記光束拡張手段は、コヒーレント光の光束を前記ガスセルの内部空間より狭い範囲で拡張しつつ平行光を形成可能な反射鏡群であることを特徴とする適用例１記載の原子発振器。
反射鏡群はコヒーレント光の光束を反射して拡張する副鏡と、拡張されたコヒーレント光の光束を反射して平行光に調整する主鏡とから構成されている。またコヒーレント光の拡張比は各反射鏡の焦点距離、及び反射鏡間の距離によって決定される。よって拡張比を適切に調整することにより適用例３と同様の効果を有する。
さらに、反射鏡による光の反射において色収差は発生しないため、反射鏡群を通過したコヒーレント光の光束は波長によってその幅は変化せず一定である。したがって、拡張されたコヒーレント光の光束において２波長が空間的に分離した部分は発生しないため、適用例３と同一の幅に光束を拡張した場合でも、適用例３よりも大きなＥＩＴ信号を得ることができる。また反射鏡はガスセルを収納する金属ケースの内側に曲率を与え鏡面処理することによっても得られるので、大掛かりな光学系を必要とせず、コストダウンを図ることができる。

［適用例５］前記ガスセルの光検出器側の光軸上には、コヒーレント光の光束を収束して平行光を形成可能なレンズ群が配設されていることを特徴とする適用例１乃至４のいずれか一例に記載の原子発振器。
光検出器は受光面積が大きくなると暗電流が増大し、Ｓ／Ｎ比が低下する場合があるため、受光面積が小さいものが用いられる場合がある。ところが適用例１乃至４の場合のようにコヒーレント光が拡張されたままであると、受光面積が小さい光検出器ではガスセルを透過する全てのコヒーレント光を拾いきれないため、ＥＩＴ信号が小さくなる。そこでガスセルの後段に上述のレンズ群を配設する。
レンズ群は、光束が拡張されたコヒーレント光の光束を収束するレンズと、収束したコヒーレント光の光束を平行光に調整するレンズとから構成される。またコヒーレント光の収束比は各レンズの焦点距離、及びレンズ間の距離によって決定される。
よって収束比を適切に調整することにより後段の光検出器の受光面の大きさに合わせた平行光が形成可能となる。さらに平行光であるから、光検出器の位置を光軸上であれば自由に設計することができる。

［適用例６］前記ガスセルの光検出器側の光軸上に凸レンズを配設したことを特徴とする適用例１乃至４のいずれか一例に記載の原子発振器。
拡張したコヒーレント光を凸レンズに通すことによってコヒーレント光の光束は前記凸レンズの焦点位置より前までは収束し、それ以後であれば再び拡張する。よって光検出器の光軸上の位置を適切に設計することにより、光検出器の受光面の大きさに合わせた光束を選択可能となる。また適用例５のようにレンズを複数枚用いる必要はないので、設計が容易となり適用例５よりもコストダウンを図ることができる。

［適用例７］前記ガスセルの光検出器側の光軸上には、コヒーレント光の光束を収束して平行光を形成可能な反射鏡群が配設されていることを特徴とする適用例１乃至４のいずれか一例に記載の原子発振器。
反射鏡群は拡張したコヒーレント光の光束を反射して収束する主鏡と、収束したコヒーレント光の光束を反射して平行光に調整する副鏡とから構成されている。またコヒーレント光の収束比は各反射鏡の焦点距離、及び反射鏡間の距離によって決定される。よって収束比を適切に調整することにより適用例５と同様の効果を有する。
さらに、反射鏡による光の反射において色収差は発生しないため、反射鏡群を通過したコヒーレント光の光束は波長によってその幅は変化せず一定である。したがって、光検出器に到達する光束の幅は波長によって変化しないので、光学系に起因するＳ／Ｎ比の波長依存性を低減した高品質なＥＩＴ信号を得ることができ、特に適用例４に本適用例を用いた場合はその効果は顕著となる。

［適用例８］前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする適用例１乃至７のいずれか一例に記載の原子発振器。
普通の光は、いろいろな波長が混ざり位相がランダムな光である。これに対してレーザ光は波長の単色性が良く、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。コヒーレンスが良い、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。その点ではレーザ光は最適である。

［適用例９］前記ガス状の金属原子は、ルビジウム又はセシウムであることを特徴とする適用例１乃至８のいずれか一例に記載の原子発振器。
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、ルビジウム原子は手軽に広く普及している。よって、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択することができる。

［適用例１０］適用例１乃至９のいずれか一例に記載の原子発振器を組みこんだ発振デバイス。適用例１乃至９のいずれか一例に記載の原子発振器を組み込むことにより高品質かつ大きなＥＩＴ信号を得られる発振デバイスとなる。

以下、本発明に係る原子発振器および発振デバイスを図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

図１に本発明の第１実施形態に係る原子発振器を示す。図１（ａ）は第１実施形態の原子発振器１０の全体構成図、図１（ｂ）、（ｃ）はレンズ配置を示す。なお、理解しやすくするため、図１（ｂ）、（ｃ）において描かれているレンズの曲率と焦点距離は誇張して描かれており、以後の実施形態においても同様とする。

図１（ａ）に示すように、第１実施形態に係る原子発振器１０は、波長が異なるコヒーレント光として２種類の共鳴光を入射したときの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の光学系であって、ガス状の金属原子を封入したガスセル１２と、前記ガスセル中の金属原子に前記共鳴光を供給するコヒーレント光源であるレーザ光発振源１４と、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出器１６と、を備え、レーザ光発振源１４と前記ガスセル１２との間の光軸上には、コヒーレント光であるレーザ光１８の光束を前記ガスセルの内部空間２０より狭い範囲で拡張可能な光束拡張手段２２が配設され、前記光束拡張手段２２は凸レンズ２４または凹レンズ２６であって、凸レンズ２４または凹レンズ２６によって拡張されたコヒーレント光であるレーザ光１８の光束を、前記内部空間２０の終端面２８において、前記終端面２８より狭い範囲で拡張可能な位置に配設されている。尚、本発明の趣旨は、原子発振器１０を構成する光学系の構成にあるので、原子発振器１０の周波数制御についての詳細な説明は省略する。

図１（ａ）において、コヒーレント光源であるレーザ光発振源１４（半導体レーザが適している）は２種類の発振波長をもち、一定の光束の幅（直径）でコリメートされたレーザ光１８（カップリング光、プローブ光）を同時に同一の光軸Ｏの方向に照射できるように構成されている。カップリング光及びプローブ光はともに同一の直径（大きさＤ_１）光束を有するものとする。さらに２種類の波長のレーザ光１８は波長ごとに独立に変化させることができるものとする。これによりひとつのガスセル１２内の金属原子３０に波長の異なる２種類のレーザ光１８を同時照射し、レーザ光１８の波長を制御して、ＥＩＴ信号を伴う光吸収を金属原子３０に行わせることができる。

前記レーザ光１８の光軸Ｏの先には光検出器１６が配設されている。光検出器１６はレーザ光１８の可変波長領域において光検出感度を有する周波数特性を持つものとする。また光検出器１８は後述の光束拡張手段２２により拡張されガスセル１２を透過した出射光３４の光束を全て捉えることができる大きさの受光面を有しているものとする。光検出器１６とレーザ光発振源１４との間は周波数制御回路３２等の制御系が電気的に介装され、光検出器１６で後述のガスセル１２を透過した出射光３４を検出することにより、ＥＩＴ信号に係る原子共鳴を検知して水晶発振器（不図示）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。

レーザ光発振源１４と光検出器１６とを直線状に結ぶレーザ光の光軸Ｏ上にはガスセル１２が介装されている。ガスセル１２は入射窓３６、出射窓３８、胴体４０から構成されている。ガスセル１２は原子発振器１０を動作する際に金属原子３０のＥＩＴ現象が発生する適正温度となるようにヒータ（不図示）によって加熱される。入射窓３６、および出射窓３８はレーザ光１８を透過するガラス等の材料で作られている。胴体４０は中空の円筒形状をした筐体であり、その端面に入射窓３６及び出射窓３８を接合することにより、密閉された円筒形の内部空間２０（直径Ｄ_０）を形成する。胴体４０は一定の剛性があり原子発振器１０の動作温度において変形・溶解・腐食等しないものであればいかなる材料
でも良いが、熱膨張等を考慮すると入射窓３６、出射窓３８と同一の材料を用いることが望ましい。ガスセル１２は、円筒形の内部空間２０の中心線とレーザ光１８の光軸Ｏが一致するようにレーザ光１８の光軸Ｏ上に配設される。

また上述の内部空間２０には量子吸収体であるセシウム、ルビジウム等の金属原子３０が封入されている。金属原子３０は、前記内部空間２０の温度と真空度から決定される金属原子３０の飽和蒸気圧に従い、気体の状態で一定の濃度で前記内部空間２０に存在している。

金属原子３０の封入は、胴体に金属原子３０を導入するための導入孔（不図示）を形成し、導入孔から真空ポンプ、坩堝、配管等からなる真空系（不図示）を接続し、真空ポンプにより、一定の真空度にまで真空にし、前記坩堝に予め投入された金属原子３０の固体を、坩堝を加熱することにより蒸発させ、坩堝のある部分（高温）と前記内部空間２０との温度勾配を利用して金属原子３０を前記内部空間２０に移動させ、その後前記導入孔（不図示）を封じることにより行う、あるいは金属原子３０が気体で存在する系内で胴体４０、入射窓３６、出射窓３８の接合を行えば良い。なお室温、および原子発振器１０の作動時のガスセルの温度において金属原子３０が析出しないように、金属原子３０の飽和蒸気圧を考慮しつつ、金属原子３０の封入時の、真空度、坩堝と内部空間２０の温度等、を適切に調整する必要がある。

レーザ光発振源１４とガスセル１２との間のレーザ光１８の光軸Ｏ上には、レーザ光１８の光束を拡張する光束拡張手段２２が介装され第１実施形態においては凸レンズ２４（図１（ｂ））、または凹レンズ２６（図１（ｃ））が介装されている。凸レンズ２４はレーザ光１８の波長可変領域は全て透過可能であるとする。また凸レンズ２４は片面に凸部を有する片凸型でも両面に凸部を有する両凸型でもよい（図１（ｂ）では片凸型）。同様に凹レンズ２６もレーザ光１８の波長可変領域は全て透過可能であるとし、凹レンズ２４は片面に凹部を有する片凹型でも両面に凹部を有する両凹型でもよい（図１（ｃ）では片凹型）。片凸型、片凹型を用いる場合は、レーザ光が反射されレーザ光発振源１４に戻り、レーザ発振に悪影響を及ぼさないように、各レンズは各レンズの凸部２４ａ及び凹部２６ａをレーザ光発振源１４側に向けて配設することが望ましい。また凸レンズ２４、凹レンズ２６の直径はレーザ光１８の光束（直径Ｄ_１）を漏らさない程度の大きさがあれば良い。なお、凸レンズ２４及び凹レンズ２６の焦点距離はレンズ材料の屈折率、凸部２４ａおよび凹部２６ａの曲率によって決定される。
図１（ｂ）に示すように、光束拡張手段として凸レンズ２４（焦点距離ｆ_１）を用いた場合、凸レンズ２４とガスセル１２の内部空間２０の終端面２８との距離Ｌ_１は、

となる。また図１（ｃ）に示すように凹レンズ２６（焦点距離ｆ_２）を用いた場合は、

となる。ここでＤ_２、Ｄ_３は内部空間２０の終端部２８におけるレーザ光１８の光束の直径である。したがって、距離Ｌ_１は直径Ｄ_２、Ｄ_３が前記終端部２８の面内（直径Ｄ_０）に収まる大きさになるように、すなわちＤ_２、Ｄ_３＜Ｄ_０となるように設計する必要がある。

ここで、同一の焦点距離（立体角）をもって同一の直径Ｄ_２を形成する場合には、光束
拡張手段２２として凹レンズ２６を用いたほうが、光束拡張手段２２とガスセル１２との距離を短くすることができる。なお、ガスセル１２からの出射光３４は進行しながら空間的に広がっていくので、これを漏らすことなく捉えられる位置にまで光検出器１６をガスセル１２に近づけて配設する必要がある。

上記構成のもと、第１実施形態にかかる原子発振器１０の動作について説明する。まず、２種類の波長を持つレーザ光発振源１４を起動させ、レーザ光１８を照射させ、凸レンズ２４または凹レンズ２６を経由して入射窓３６からレーザ光１８を入射し、レーザ光１８の波長を適切に制御して金属原子３０に量子干渉効果を伴う光吸収を行わせ、ガスセル１２の出射窓３８からの出射光３４を光検出器１６が検出してＥＩＴ信号を伴う光吸収スペクトルを測定する。

図１（ｂ）に示すように、光束拡張手段２２として凸レンズ２４を使用した場合、レーザ光１８の光束は、凸レンズ２４を通過後、焦点位置において一旦焦点を結ぶものの、その後レーザ光１８の進行方向に進みつつ円錐を形成するように空間的に分散し、ガスセル１２の終端部２８の面内を通過して、レーザ光１８の光束は最終的に出射光３４として光検出器に到達する。また図１（ｃ）に示すように、光束拡張手段２２として凹レンズ２６を使用した場合、レーザ光１８の光束は、凹レンズ２６を通過後、レーザ光１８の進行方向に進みつつ円錐を形成するように空間的に分散し、ガスセル１２の終端部２８の面内を通過して、レーザ光１８の光束は最終的に出射光３４として光検出器１６に到達する。

このとき、図１（ｂ）、（ｃ）の斜線の領域にある金属原子３０はすべてレーザ光１８が照射される。よってレーザ光１８は、凸レンズ２４または凹レンズ２６を通過してその光束を広げられることにより、金属原子３０は内部空間２０に均一に分布するから、レーザ光１８が光束拡張手段２２を経由せず、レーザ光発振源１４から出力された平行光をガスセルに直接透過させた場合（光束の直径はＤ_１のまま）と比較してより多くの金属原子３０に照射可能となる。

また光検出器１６の受光面は円錐形に広げられた光束を包含する立体角となるように適切に配置され、分散されたレーザ光２２はすべて受光面に到達するため、レーザ光２２の光軸Ｏ上に凸レンズ２４、または凹レンズ２６を介装したものと、そうでないものとで受光する出射光３４の強度に変化はないが、上述のようにレーザ光２２が照射される金属原子３０の数は多くなるため、結果的にＥＩＴ信号の大きさ（図９（ｃ）参照）は上記各レンズを介装した場合の方が大きくなる。

したがって第１実施形態によれば、コヒーレント光であるレーザ光１８が光束拡張手段２２を通過するとその光束が拡張される。よってガスセル１２の内部空間２０にある大半の金属原子３０にレーザ光１８が照射され、ガスセル１２内の大半の金属原子３０と光−原子相互作用を起こすことができ、大きな検出強度のＥＩＴ信号を得ることができる。さらに拡張後の光束は内部空間２０（直径Ｄ_０）より狭く、ガスセル１２の内壁近傍にある金属原子３０を照射しないため、ＥＩＴ信号の線幅が大きくなり、ＥＩＴ信号の品質が低下することを防止できる。

またレーザ光１８の光束は前記光束拡張手段２２で拡張され、それによって個々の金属原子３０に照射される光強度は小さくなるため、上述の線幅を狭くすることができ、ＥＩＴ信号としての品質が向上する。また光検出器１６の受光面がレーザ光発振源１４から出射されたレーザ光１８の本来の光束（直径Ｄ_１）よりも大きい場合であっても、レーザ光１８を前記光束拡張手段２２に通すことにより拡張され、光検出器１６の受光面全体に満遍なくレーザ光１８（出射光３４）を受光させることができ、光検出器１６本来のＳ／Ｎ比を確保することができる。

光束拡張手段２２として凸レンズ２４を用いた場合、レーザ光１８の光束は凸レンズ２４を透過して一度焦点を結ぶものの、その後前記光束は拡張しながらガスセル１２に到達し、ガスセル１２内においても引き続き光束を拡張させながらガスセル１２内を通過し、ガスセル１２内の金属原子３０を照射する。凹レンズ２６を用いた場合、レーザ光１８の光束は凹レンズ２６を透過したのち拡張しながらガスセル１２に到達し、ガスセル１２内においても引き続き光束を拡張させながらガスセル１２内を通過し、ガスセル１２内の金属原子３０を照射する。

よって、凸レンズ２４または凹レンズ３０という簡単な構成で、ガスセル１２の内部空間２０にある大半の金属原子３０にレーザ光１８が照射され、ガスセル１２内の大半の金属原子３０と光−原子相互作用を起こすことができ、大きな検出強度のＥＩＴ信号を得ることができる。

また、いずれのレンズも、前記内部空間２０の終端（終端部２８）において、レーザ光１８の光束を前記終端の断面より狭い範囲で拡張可能な位置に配設されているため、ガスセル１２の内壁にレーザ光１８が当たることがなく、これにより内部空間２０の内壁近傍にある金属原子３０を照射しないため、ＥＩＴ信号の線幅が大きくなり、ＥＩＴ信号の品質が低下することを防止できる。
したがって、製造が容易で安価であり、高品質かつ大きなＥＩＴ信号を得られる原子発振器１０となる。

図２に第２実施形態に係る原子発振器の概略図を示す。基本的構成は第１実施形態と同様であるが、光束拡張手段２２は、コヒーレント光であるレーザ光１８の光束をガスセル１２の内部空間２０より狭い範囲で拡張しつつ平行光を形成可能なレンズ群４２、４８としている。レンズ群４２は凸レンズ４４、凸レンズ４６の組み合わせ（図２（ａ））からなり、レンズ群４８は凹レンズ５０と凸レンズ５２の組み合わせ（図２（ｂ））から構成されており、各レンズの中心とレーザ光１８の光軸Ｏとを合わせて配設されている。凸レンズ４４および凹レンズ５０はレーザ光発振源１４から出力されたレーザ光１８の光束を拡張するものであり、凸レンズ４６および凸レンズ５２は拡張されたレーザ光１８の光束を平行光に調整するものである。凸レンズ４４及び凹レンズ５０の直径はレーザ光１８の光束（直径Ｄ_１）を漏らさない程度の大きさがあればよく、凸レンズ４６及び凸レンズ５２の直径はガスセル１２の内部空間２０のレーザ光１８の光軸Ｏに垂直な断面と同程度の大きさがあれば良い。

図２（ａ）に示すように、凸レンズ４４（焦点距離ｆ_３）と凸レンズ４６と（焦点距離ｆ_４）の焦点位置が光軸Ｏ上の１点に重なるように両者の間隔Ｌ_２は、

に設計されている。これにより、凸レンズ４４と凸レンズ４６とからなるレンズ群４２を通過したレーザ光は光束が拡張された平行光５４としてガスセルに入射される。このとき平行光５４の光束の直径Ｄ_４は、

となるので、平行光５４が内部空間２０（直径Ｄ_０）を形成するガスセル１２の内壁もしくは内壁近傍の金属原子３０を照射しないように、すなわちＤ_４＜Ｄ_０となるように、ｆ_３とｆ_４の比で決定されるレーザ光１８の光束の拡張比を設計する必要がある。

同様に、図２（ｂ）に示すように、凹レンズ５０（焦点距離ｆ_５）と凸レンズ５２（焦点距離ｆ_６）の焦点位置が光軸Ｏ上の１点に重なるように両者の間隔Ｌ_３は、

に設計されている。これにより、凹レンズ４８と凸レンズ５０とからなるレンズ群４８を通過したレーザ光は光束が拡張された平行光５６としてガスセルに入射される。このとき平行光５８の光束の直径Ｄ_５は、

となるので、直径Ｄ_５を有する平行光５６が内部空間２０を形成するガスセル１２の内壁もしくは内壁近傍の金属原子３０を照射しないように、すなわちＤ_５＜Ｄ_０となるようにｆ_５とｆ_６の比で決定されるレーザ光１８の光束の拡張比を設計する必要がある。レンズ群４２、またはレンズ群４８を通過した平行光５４、５６、およびガスセル１２からの出射光３４は平行光であるので、光検出器１６の受光面は出射光３４の光束の直径（Ｄ_４、Ｄ_５）と同程度であれば、光検出器１６とガスセル１２との距離は任意に設計することができる。同様に出射光５８も平行であるからガスセル１２と光検出器１６との距離も任意に設計することができる。

レンズ群４２、またはレンズ群４８によって光束が拡張されたレーザ光１８は平行光５４（直径Ｄ_４）、平行光５６（直径Ｄ_５）となりガスセル１２の内部空間２０を進行し、図２（ａ）、（ｂ）の斜線部分に存在する金属原子３０を照射する。よって内部空間２０の終端部２８側のみならず、入射窓３６側にある大半の金属原子３０に対してもレーザ光１８を照射して、光−原子相互作用を起こさせることが可能となる。

したがって、第２実施形態によれば、レンズ群４２、４８を通過したコヒーレント光であるレーザ光１８はその光束が拡張された平行光となり、ガスセル１２に入射される。よって平行光の拡張比を適切に調整することによりガスセル１２内部の壁面近傍の金属原子３０にレーザ光１８を照射することを回避することができる。さらに、ガスセル１２の内部空間２０の入射光側領域にある大半の金属原子にもレーザ光を照射可能となるため、第１実施形態の場合よりも大きなＥＩＴ信号を得ることができる。さらには平行光であるためレーザ光の散乱を防止し、光検出器１６からレーザ光１８が漏れることを防止して、光検出器１８のＳ／Ｎ比を向上させることができる。

図３（ａ）に第３実施形態に係る原子発振器１０の概略図を示す。基本的構成は第１実施形態と同様であるが、光束拡張手段２２は、コヒーレント光の光束を前記ガスセルの内部空間より狭い範囲で拡張しつつ平行光を形成可能な反射鏡群６０となっている。
反射鏡群６０は放物面の凸面を有する円形の副鏡６２（焦点距離ｆ_７）、放物面の凹面を有する円形の主鏡６４（焦点距離ｆ_８）とから構成される。

図３（ｂ）に示すように、主鏡６４の凹面側および副鏡６２の凸面側にはアルミ蒸着等により鏡面処理（斜線部分）がなされている。主鏡６４の凹部の中心位置には、レーザ光１８を入射させるための入射窓６６が形成されている。入射窓６６はレーザ光１８の光束（直径Ｄ_１）にケラレが生じない程度の直径を有し、主鏡６４と同心円を形成している。入射窓６６は主鏡６４のアルミ蒸着等を行う前に入射窓６６の外形に合わせた形状のマスクを施し、アルミ蒸着等を行った後にマスクを除去することにより得られる。または入射窓６６の外形に合わせて主鏡６４の中心部を刳り貫いた後にアルミ蒸着等を行うことによ
っても得られる。すなわち、主鏡６４の材料がレーザ光１８を透過する材料であれば、入射窓６６に主鏡６４の材料があっても差し支えはない。また主鏡６４の直径はガスセル１２の内部空間２０の光軸Ｏに垂直な断面の大きさと同程度あれば良い。なお、主鏡６４は後述の原子発振器１０のケーシングに形成することが可能である。

一方、副鏡６２には入射窓は必要ないので、副鏡６２を形成する材料はレーザ光１８を透過するか否かは問わない。また主鏡６４で反射されるレーザ光１８が副鏡６２によりケラレを生じ得ることを考慮すれば、副鏡６２の直径は小さいほど望ましいが、レーザ光１８の光束をガスセル１２側に直接漏らさない程度の大きさは必要である。

上述のように鏡面処理された反射鏡群６０は、主鏡６４の凹面側と副鏡６２の凸面側を互いに向かい合わせ、主鏡６４と副鏡６２との焦点位置をレーザ光１８の光軸Ｏ上の１点に合わせて配設されている。よってレーザ光１８の光軸Ｏ上において、主鏡６４の凹面と副鏡６２の凸面との距離Ｌ_４は、

となる。

このとき、主鏡６４の凹面側はガスセル１２側に、副鏡６２の凸面側はレーザ光発振源１４側に向け、それぞれの中心位置をレーザ光１８の光軸Ｏと一致させて配設されている。これにより主鏡６４は副鏡６２から反射されたレーザ光１８を漏らすことなく捉えて反射してレーザ光１８の光軸Ｏを共有する平行光６８を形成する。平行光６８の光束の直径Ｄ_６は、

である。よってＤ_６の大きさが内部空間２０（直径Ｄ_０）のレーザ光１８の光軸Ｏと垂直な断面の面内に収まる値となるように、すなわちＤ_６＜Ｄ_０となるようにｆ_７とｆ_８の比で決定されるレーザ光１８の光束の拡張比を設計する必要があるが、第３実施形態においては、反射作用によってレーザ光の光束を拡張させるので、前記拡張比には波長依存性（色収差）はなく、Ｄ_６の大きさは波長に関わらず一定である。また平行光６８を形成するため、上述同様の理由から反射鏡群５８とガスセル１２との距離は任意に設計することができる。同様に出射光７０も平行であるのでガスセル１２と光検出器１６との距離も任意に設計することができる。

上記構成のもと、レーザ光１８を反射鏡群６０に向けて出力すると、レーザ光１８は主鏡６４の中心にある入射窓６６を通過して副鏡６２に到達する。するとレーザ光１８は副鏡６２の焦点位置を中心として一定の立体角を持つ円錐を形成するように放射状に反射され、その光束を拡張させながら主鏡６４に到達する。主鏡６４と副鏡６２の焦点位置は一致するので、副鏡６２から反射されたレーザ光１８は主鏡６４により光束が拡張された平行光６８に調整されるとともに、主鏡６４および副鏡６２の中心はレーザ光１８の光軸Ｏ上にあるので、平行光６８はレーザ光１８の光軸Ｏ上を進行してガスセル１２に入射する。入射した平行光６８は内部空間２０にある大半の金属原子３０に照射されるが、平行光６８の光束の断面は内部空間２０の光軸Ｏに垂直な断面より内側を通過するので、平行光６８はガスセル１２の内壁近傍の金属原子３０に照射することはない。

したがって、第３実施形態によれば、よって拡張比を適切に調整することにより第２実施形態と同様の効果を有する。さらに、反射鏡による光の反射において色収差は発生しな
いため、反射鏡群６０を通過したレーザ光１８の光束は波長によってその幅は変化せず一定である。したがって、拡張されたレーザ光１８の光束において２波長が空間的に分離した部分は発生しないため、第２実施形態と同一の幅（直径）に光束を拡張した場合でも、第２実施形態よりも大きなＥＩＴ信号を得ることができる。また反射鏡はガスセル１２を収納するケーシングの内側に曲率を与え鏡面処理することによっても得られるので、大掛かりな光学系を必要とせず、コストダウンを図ることができる。

図４に第４実施形態に係る原子発振器１０の概略図を示す。第４実施形態に係る原子発振器１０の基本的構成は、第１実施形態乃至第３実施形態の構成に加えて、ガスセル１２の光検出器１６側の光軸Ｏ上に、レーザ光１８の光束を収束して平行光７２（８６）を形成可能なレンズ群７４（レンズ群８０）が配設されている。図４（ａ）はレンズ群７４を用いた場合の概略図、図４（ｂ）はレンズ群８０を用いた場合の概略図である。第４実施形態は第１実施形態乃至第３実施形態とは構造的に何ら干渉しないため、第４実施形態は第１実施形態乃至第３実施形態と同時に構成可能であり、後述の第５実施形態、第６実施形態も同様である。

光検出器は受光面積が大きくなると暗電流が増大し、Ｓ／Ｎ比が低下する場合があるため、受光面積が小さいものが用いられる場合がある。ところが第１実施形態乃至第３実施形態の場合のようにレーザ光１８の光束が拡張されたままであると、受光面積が小さい光検出器８８ではガスセルを透過する全てのレーザ光１８（出射光３４、５８、７０）を捉えきれないため、ＥＩＴ信号が小さくなる。そこでガスセル１２の後段に上述のレンズ群７４（レンズ群８０）を配設している。

レンズ群７４（レンズ群８０）は、光束が拡張されたレーザ光１８の光束を収束する凸レンズ７６（凸レンズ８２）と、収束したレーザ光１８の光束を平行光に調整する凸レンズ７８（凹レンズ８４）とから構成される。よってレンズ群７２（レンズ群７８）は、第２実施形態に係るレンズ群４２（レンズ群４８）の前後配置を光軸Ｏ上で逆にして、ガスセル１２と光検出器８８との間に配設したものと同様である。よって、レーザ光１８の収束比（拡張比の逆数）は第２実施形態と同様に各レンズの焦点距離、及びレンズ間の距離によって決定される。

よって第４実施形態によれば、収束比を適切に調整することにより、出射光３４、５８、７０を後段の光検出器の受光面の大きさに合わせた平行光に形成可能となる。さらに平行光であるから、光検出器８８の位置を光軸Ｏ上であれば自由に設計することができる。

図５に第５実施形態に係る原子発振器の概略図を示す。第５実施形態に係る原子発振器の基本的構成は、第１実施形態乃至第３実施形態の構成に加えて、ガスセル１２の光検出器１６側の光軸Ｏ上に凸レンズ９０を配設している。

凸レンズ９０の直径は、その配設位置において出射光３４、５８、７０のいずれの場合においても捉えきれる大きさが必要である。第１実施形態に本実施形態を適用する場合において、凸レンズ９０の焦点距離を、凸レンズ９０の設置位置と第１実施形態に係る凸レンズ２４または凹レンズ２６の焦点位置との距離よりも短くなるように設計すれば、第１実施形態に係る出射光３４は凸レンズ９０によって収束する。なお、上記焦点位置との距離と同じ場合、出射光３４は凸レンズ９０によって平行光となる。第２実施形態の出射光５８、第３実施形態の出射光７０は平行光であるので凸レンズ９０を透過すると、凸レンズ９０の焦点距離分進行した点で焦点を結び、その後は再びその光束は拡張する。

よって光検出器９２の光軸Ｏ上の位置を適切に設計することにより、光検出器９２の受光面の大きさに合わせた光束を選択可能となる。また第４実施形態のようにレンズを複数
枚用いる必要はないので、設計が容易となり第４実施形態よりもコストダウンを図ることができる。

図６に第６実施形態に係る原子発振器の概略図を示す。第６実施形態に係る原子発振器の基本的構成は、第１実施形態乃至第３実施形態の構成に加えて、ガスセル１２の光検出器１６側の光軸Ｏ上には、レーザ光１２の光束（出射光３４、５８、７０）を収束して平行光９４を形成可能な反射鏡群９６が配設されている。

反射鏡群９６は拡張した出射光３４、５８、７０の光束を反射して収束する主鏡９８と、収束した出射光３４、５８、７０の光束を反射して平行光に調整する副鏡１００とから構成されている。よって反射鏡群９６は第３実施形態の反射鏡群６０の光軸Ｏ上の前後配置を逆にして、ガスセル１２と光検出器１０２との間に配設したものと同様である。よってレーザ光１２の収束比は第３実施形態同様に各反射鏡の焦点距離、及び反射鏡間の距離によって決定される。また第３実施形態同様に反射鏡群９６において色収差は発生しないので、収束比には波長依存性はなく、反射鏡群９６を通過したレーザ光の光束の直径は波長によらず一定である。

したがって第６実施形態によれば、収束比を適切に調整することにより第４実施形態と同様の効果を有する。また第３実施形態と同様に、反射鏡はガスセル１２を収納するケーシング（不図示）の内側に曲率を与え鏡面処理することによっても得られるので、大掛かりな光学系を必要とせず、コストダウンを図ることができる。

さらに、反射鏡群９６を通過したレーザ光１８の直径は波長によらず一定であり、光検出器に到達する光束の直径（幅）は波長によって変化しないので、光学系に起因するＳ／Ｎ比の波長依存性を低減した高品質なＥＩＴ信号を得ることができ、特に第３実施形態に第６実施形態を用いた場合は、レーザ光１８の全ての光路上において上述の波長依存性がなくなるので、その効果は顕著となる。

ガスセルの内壁近傍の金属原子にレーザ光を照射するとＥＩＴ信号の品質が低下することについてはすでに述べた。そこでガスセルの内壁からどの程度はなれた距離の金属原子にレーザを照射すべきかについて述べる。

図７（ａ）に、ガスセルと光束が拡張されたレーザ光との関係を示した概略図を示す。ガスセル１２内には金属原子３０のみが気体として存在していると仮定する。このとき金属原子３０はガスセル１２内でガスセル１２内の温度や圧力等に依存した速度で、他の金属原子３０と衝突しつつ運動している。金属原子３０が全て均一な速度で運動している場合は、その平均自由行程（他の金属原子に衝突するまで進行可能な距離の平均値）λは、

と表される。ここで、σは衝突断面積、ｎは数密度を表す。また全ての金属原子３０の速度がＭａｘｗｅｌｌ−Ｂｏｌｚｍａｎｎ分布に従う場合は、その平均自由行程λは、

と表される。金属粒子３０がその平均自由行程λよりも短い距離の壁面近傍に存在する場合は、前記金属原子は壁面に衝突する確立が高くなるので、平均自由行程λは壁面という境界条件が加わることにより、その長さは短くなるものと考えられる。そして、これが原
因となり、図８（ｂ）に示すように、レーザ光１８の光束の外周と壁面との距離Ｌが平均自由行程λ以下になった場合には、ＥＩＴ信号の半値幅は著しく増大するものと考えられる。

したがって、レーザ光１８の光束を光束拡張手段２２によって拡張する場合は、図７（ａ）に示すように、本発明に最適なガスセル１２の内壁から内部空間２０（直径Ｄ_０）側の距離Ｌが、ガスセル１２の内壁から内部区間２０側に、ガスセル１２に存在する金属原子の平均自由行程λ以上の長さとなるようにレーザ光１８の光束の直径を調整する必要がある。すなわち、ガスセル１２の内壁からλ以上離れた金属原子３０にレーザを照射する必要がある。このとき、レーザ光１８の光束の直径の最大値Ｄ_λは、

となる。

本発明において、直径Ｄ_０は１０ｍｍ程度である。また実際のガスセル１２内部の金属原子３０のみならず他の気体も混在しているが、その真空度は１Ｔｏｒｒ前後に保たれており、このとき気体の平均自由行程は１００μｍ程度の大きさであるから、金属原子の平均自由行程λも同程度の長さを有するものと考えられる。よって本発明において、９．８ｍｍ程度の幅を最大値（Ｄ_λ）としてレーザ光１８の拡張比を調整する必要がある。

図８に第７実施形態に係る原子発振器を組み込んだ発振デバイスを示す概略図（正面図）ある。
図８（ａ）に示すように、第７実施形態に係る原子発振器を組み込んだ発振デバイス１１０はケーシング１１２、レーザ光発振源１１４、光束拡張手段１１６、ガスセル１１８、光束収束手段１２０、光検出器１２２とから構成されている。ケーシング１１２は一端を開口した壷を逆さまにしたような形状で、一定の剛性を有する筐体であり、前記開口した部分を下にして基板１２４に固定されている。また、その内部にレーザ光発振源１１４、光束拡張手段１１６、ガスセル１１８、光収束手段１２０、光検出器１２２を包含している。レーザ光発振源１１４は、第１実施形態で述べたレーザ光発振源１４と同様の構成でレーザ光１２６を発するもので、その下端に固定用のダボ（棒）１２８が配設され、上端にはレーザ光１２６が出射されるレンズ１３０が配設されている。さらに上端にはレンズ１３０を上端に露出させつつ周囲を囲むように、後述のユニット１３６を固定するための平板状の土台１３２が配設されている。そして基板１２４のケーシング１１２の開口部分によって囲まれた部分に形成されたダボ穴１３４に前記ダボ１２８を挿入することにより、レーザ光発振源１２６は基板１２４に固定される。

光束拡張手段１１６、ガスセル１１８、光束収束手段１２０、光検出器１２２は一体型のユニット１３６を形成しており、上述の順番に下から積みあがって接着固定されている。光束拡張手段１１６は上述の第１実施形態乃至第３実施形態のいずれかに記載の光束拡張手段２２と同様の形態をもつ。ガスセル１１８は金属原子１３８を封入した中空の筐体であり、その上面および下面にはガスセル保護用のコーティング膜１４０（波長板等含む）が介装されている。

光束収束手段１２０は上述の第４実施形態乃至第６実施形態に記載されたいずれかのレンズ状の形態をもつ。光検出器１２２は光収束手段１２０と固定するための固定材１４２に埋め込まれ、受光面１４４を固定材１４２の下端に露出させている。そして前記ユニット１３６はその下端とレーザ光発振源１１４の上端にある土台１３２とを、ばね等の弾性体１４６を介して固定されている。またユニット１３６の側面とケーシング１１２の内壁との間も弾性体１４８を介して固定されている。

ケーシング側面及び上面にはねじ穴１５４、１５６があけられ、それぞれのねじ穴１５４、１５６には調整ねじ１５０、１５２がねじ込まれている。調整ねじ１５０の先端はユニット１３６（光束拡張手段１１６）の側面に当接している。また調整ねじ１５２はユニット１３６（光検出器１２２）の上端に当接している。

弾性体１４６はユニット１３６を上方に付勢可能であり、調整ねじ１５２によるユニット１３６への上からの押し付けがないとき、ユニット１３６の釣り合いの位置は、ユニット１３６の光軸上の最適なアライメント位置より上方（調整ねじ１５２側）に位置するものとする。また弾性体１４８はユニット１３６を側面から調整ねじ１５０の方向に付勢可能であり、調整ねじ１５２による側面からの押し付けがなく弾性体１４８が無付勢であるときは、ユニット１３６はレーザ光１２６の光軸より調整ねじ１５０側に位置するものとする。また調整ねじ１５０、１５２は一定の剛性を有するケーシング１１２に保持される関係にあり、調整ねじ１５０、１５２からの反力を受けても動かないので、調整ねじ１５０、１５２はユニット１３６へ押し付け力を与えることができる。これによりユニット１３６はレーザ光発振源１１４に固定されつつも一定の範囲で自由に動かすことができ、光軸調整をしてユニット１３６を最適なアライメント位置に固定することが可能となる。光軸調整はレーザ光１２６を発振させ、光検出器１２２でレーザ光１２６を検出しながら、光検出器１２２が検出するレーザ光１２６の強度が最大となるように調整ねじ１５０、１５２を回すことによりユニット１３６の位置を調整することが可能となる。

また図８（ｂ）に示すように、調整ねじ１５０、１５２の代わりに電流調整により長さを変えられる圧電素子等で形成されたアクチュエータ１５８（横方向に伸縮可能）、１６０（縦方向に伸縮可能）をケーシング内壁とユニットとの間に介装して接合することによっても行うことができる。これによりケーシング１１２にねじ穴を開ける必要はなく、弾性体１４６、１４８も不要であり、手作業なしに電流調整のみで光軸調整を行うことができる。

さらに図８（ｃ）に示すように、土台１３２とユニット１３６とをアクチュエータ１６２、１６４を介して接合することもできる。アクチュエータ１６２、１６４はアクチュエータ１５８等と同様に圧電素子等で形成されている。またアクチュエータ１６２、１６４は同一の特性のものを用いればよい。両者に同一の電流が流れているときは同じ長さになっているとする。また両者は独立に電流調整が可能であるものとする。よって両者に同一の大きさの電流を流しつつ、その値を変化させるとユニット１３６は矢印１６６に示すように上下にシフトし、両者に異なった値の電流を流すとユニット１３６は矢印１６８に示すように傾斜させることができる。
したがって第７実施形態においては、第１実施形態乃至第６実施形態のいずれかの原子発振器を組み込むことにより高品質かつ大きなＥＩＴ信号を得られる発振デバイスとなる。

なお、いずれの実施形態においてもガスセル１２の内部空間２０の形状は円筒形であることを前提として述べてきたが、光束が拡張されたレーザ光１８がガスセルの胴体４０に当たらない構成であれば他の形状、たとえば断面が矩形の角柱形、断面が６角型の６角柱形でも良い。

第１実施形態の原子発振器の概略図である。 第２実施形態の原子発振器の概略図である。 第３実施形態の原子発振器の概略図である。 第４実施形態の原子発振器の概略図である。 第５実施形態の原子発振器の概略図である。 第６実施形態の原子発振器の概略図である。 ガスセルと光束が拡張されたレーザ光との関係を示した概略図である。 第７実施形態の発振デバイスの概略図である。 従来技術の原子発振器の概略図とエネルギー準位、光吸収スペクトルである。

符号の説明

１０………原子発振器、１２………ガスセル、１４………レーザ光発振源、１６………光検出器、１８………レーザ光、２０………内部空間、２２………光束拡張手段、２４………凸レンズ、２６………凹レンズ、２８………終端部、３０………金属原子、３２………周波数制御回路、３４………出射光、３６………入射窓、３８………出射窓、４０………胴体、４２………レンズ群、４４………凸レンズ、４６………凸レンズ、４８………レンズ群、５０………凹レンズ、５２………凸レンズ、５４………平行光、５６………平行光、５８………出射光、６０………反射鏡群、６２………副鏡、６４………主鏡、６６………入射窓、６８………平行光、７０………出射光、７２………平行光、７４………レンズ群、７６………凸レンズ、７８………凸レンズ、８０………レンズ群、８２………凸レンズ、８４………凹レンズ、８６………平行光、８８………光検出器、９０………凸レンズ、９２………光検出器、９４………平行光、９６………反射鏡群、９８………主鏡、１００………副鏡、１０２………光検出器、１１０………発振デバイス、１１２………ケーシング、１１４………レーザ光発振源、１１６………光束拡張手段、１１８………ガスセル、１２０………光束収束手段、１２２………光検出器、１２４………基板、１２６………レーザ光、１２８………ダボ、１３０………レンズ、１３２………土台、１３４………ダボ穴、１３６………ユニット、１３８………金属原子、１４０………コーティング薄膜、１４２………固定材、１４４………受光面、１４６………弾性体、１４８………弾性体、１５０………調整ねじ、１５２………調整ねじ、１５４………ねじ穴、１５６………ねじ穴、１５８………アクチュエータ、１６０………アクチュエータ、１６２………アクチュエータ、１６４………アクチュエータ、１６６………矢印、１６８………矢印、２００………原子発振器、２０２………半導体レーザ、２０４………ガスセル、２０６………光検出器、２０８………周波数制御回路。

Claims (10)

1. 波長が異なるコヒーレント光として２種類の共鳴光を入射したときの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の光学系であって、
   ガス状の金属原子を封入したガスセルと、前記ガスセル中の金属原子に前記共鳴光を供給するコヒーレント光源と、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出器と、を備え
   コヒーレント光源と前記ガスセルとの間の光軸上には、コヒーレント光の光束を前記ガスセルの内部空間より狭い範囲で拡張可能な光束拡張手段が配設されたことを特徴とする原子発振器。
2. 前記光束拡張手段は凸レンズまたは凹レンズであって、凸レンズまたは凹レンズによって拡張されたコヒーレント光の光束を、前記内部空間の終端において、前記終端の断面より狭い範囲で拡張可能な位置に配設されたことを特徴とする請求項１記載の原子発振器。
3. 前記光束拡張手段は、コヒーレント光の光束を前記ガスセルの内部空間より狭い範囲で拡張しつつ平行光を形成可能なレンズ群であることを特徴とする請求項１記載の原子発振器。
4. 前記光束拡張手段は、コヒーレント光の光束を前記ガスセルの内部空間より狭い範囲で拡張しつつ平行光を形成可能な反射鏡群であることを特徴とする請求項１記載の原子発振器。
5. 前記ガスセルの光検出器側の光軸上には、拡張されたコヒーレント光の光束を収束して平行光を形成可能なレンズ群が配設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の原子発振器。
6. 前記ガスセルの光検出器側の光軸上に凸レンズを配設したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の原子発振器。
7. 前記ガスセルの光検出器側の光軸上には、コヒーレント光の光束を収束して平行光を形成可能な反射鏡群が配設されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の原子発振器。
8. 前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の原子発振器。
9. 前記ガス状の金属原子は、ルビジウム又はセシウムであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の原子発振器。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の原子発振器を組み込んだ発振デバイス。

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