JP2009164334A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、良好なＥＩＴ信号を得られる原子発振器を提供する。
【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始発振器１０の光学系であって、ガス状の金属原子１２を封入したガスセル１４と、前記ガスセル１４中の金属原子１２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部１６と、前記ガスセル１４を透過した光を検出する光検出器１８とを備え、前記ガスセル１４のコヒーレント光の入射光側の窓である入射窓２０は、入射光であるレーザ光２２の屈折手段３０によって形成されており、前記屈折手段３０は凹レンズ３０ａとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器に関し、特に原子発振器を構成するガスセルの実装技術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６（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５０は、半導体レーザ５２、ガスセル５４、及び光検出器５６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５４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５２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５０は、ガスセル５４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５６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５８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６（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６（ｃ）の光吸収スペクトルに示すように、ガスセル５４中の量子吸収体は半導体レーザ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６（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６（ａ）に示される、従来の原子発振器５０の光学系では、レーザ光のビーム径はガスセル５４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５４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５６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５４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６（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５６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路上であってレーザ光源部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が、このような構成では部品点数が多くなるため、原子発振器の小型化には不向きである。
そこで本発明は上記問題を解決し、小型化が可能で、良好なＥＩＴ信号を得られる原子発振器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、を備え前記ガスセルのコヒーレント光の入射側に、第１の屈折手段が形成されていることを特徴としている。
ガスセル材料と空気とは屈折率が同じではないため、入射光のガスセルの入射角によって、入射光の進行方向は異なったものとなる。またガスセル材料の屈折率が光の断面積方向で不均一であればそれによっても入射光は屈折する。よって、一定の断面積をもって進行する光は、前記屈折手段を通ると光の断面積方向の要素ごとにそれぞれ異なった方向に屈折するため、結果的に空間的に分散して進行する。
したがって、ガスセルの入射光側に第１の屈折手段を組み込むことにより、コヒーレント光はガスセル内に分散され、ガスセル内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。
またコヒーレント光は第１の屈折手段により分散され、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。また検出器の受光面積がコヒーレント光の本来の断面積よりも大きい場合であっても、コヒーレント光を上記第１の屈折手段に通すことにより分散され、検出器の受光部分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、検出器本来のＳ／Ｎ比を確保することができる。
さらに、ガスセルと屈折手段とが一体化されたことにより、前記ガスセルを組み込んだデバイスの小型化に有利である。また部品点数が増えないため、第１の屈折手段を外付けにした場合よりも製造プロセスの簡易化され、製造コストを下げることができるとともに
、デバイスの歩留まりを高め、デバイスの信頼性を向上させることができる。

［適用例２］前記第１の屈折手段は凹レンズであることを特徴とする適用例１記載の原子発振器。
これにより、コヒーレント光は凹レンズ状の凹部を透過して直ちに空間的に分散してガスセル内に広がり、ガスセル内の金属原子を照射する。よって製造が容易で安価、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］前記第１の屈折手段は凸レンズであることを特徴とする適用例１記載の原子発振器。
これにより、コヒーレント光は凸レンズ状の凸部を透過して一度焦点を結ぶものの、その後空間的に分散してガスセル内に広がり、ガスセル内の金属原子を照射する。よって適用例２同様に、製造が容易で安価、かつ大きなＥＩＴ信号を得られる原子発振器となる。

［適用例４］前記第１の屈折手段は屈折率分布型レンズであることを特徴とする適用例１記載の原子発振器。
屈折率分布型レンズは半径方向に屈折率が同心円状に分布し、中心から離れるほど屈折率が小さくなる。また屈折率分布型レンズの厚みを変えることによって凸レンズ的にも凹レンズ的にも光束を空間的に分散させることができる。よって平板であっても凹レンズ的または凸レンズ的な屈折手段のいずれかを選択可能であり、コヒーレント光による光束を空間的に分散させることができる。
したがって、このような構成にすることにより、適用例２、３と同様の作用効果を有するとともに、平板構造であり上述の凸部がないため、さらなる小型化を行うことができるとともに、その屈折率を適切に選択することにより、ガスセルの外形を変えずに高精度な光路制御が可能となる。
またコヒーレント光源とガスセルとの間に介装される平板光学素子（波長板等）との密着スタック構造が容易であるため、前記平板光学素子を含めて小型化を図ることができる。また光学素子間に隙間が発生しないため防塵効果があり、デバイスの長期の信頼性が確保できる。

［適用例５］前記ガスセルの光検出器側に第２の屈折手段が形成され、該第２の屈折手段は凸レンズによって形成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。
光検出器の受光面積が小さい場合には、分散したコヒーレント光を拾いきれず、大きなＥＩＴ信号を得ることはできない。そこで上記構成にすることにより、光−原子相互作用を受けて透過・出射されたコヒーレント光は凸部によって収束するため、光検出器は収束したコヒーレント光を小さな受光面積で受光して、大きな検出強度のＥＩＴ信号を得ることができる。

［適用例６］前記第２の屈折手段は屈折率分布型レンズで形成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。
上記構成により、適用例５と同様の作用効果を有するとともに、ガスセルの光検出側も平板構造であるため、ガスセルと光検出器との間に介装される平板光学素子および光検出器との密着スタック構造が可能である。よって適用例４と同様に前記平板光学素子を含めて小型化を図ることができ、光学素子間に隙間が発生しないため防塵効果があり、デバイスの長期の信頼性が確保できる。

［適用例７］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６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８］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７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。

以下、本発明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（ａ）は本発明の第１実施形態に係る原子発振器の構成図である。第１実施形態にかかる原子発振器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１２を封入したガスセル１４と、前記ガスセル１４中の金属原子１２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部１６と、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出器１８とを備え、前記ガスセルのコヒーレント光の入射光側の窓である入射窓２０は、入射光であるレーザ光２２の屈折手段３０（第１の屈折手段）によって形成され、前記屈折手段３０は凹レンズ３０ａとなっている。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部１６（半導体レーザが適している）は２種類の発振波長をもち、コリメートされたレーザ光２２（カップリング光、プローブ光）を同時に同一の光軸方向に発振できるように構成されている。さらに２種類の波長のレーザ光２２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内の金属原子１２に波長の異なる２種類のレーザ光２２を同時照射し、レーザ光２２の波長を制御して、ＥＩＴ信号を伴う光吸収を金属原子１２に行わせることができる。

前記レーザ光２２の光軸方向の先には光検出器１８が配設されている。光検出器１８はレーザ光２２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。光検出器１８とレーザ光発振部１６との間は周波数制御回路２４等の制御系が電気的に介装され、光検出器１８で光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。さらに光検出器１８の受光面は円錐形に広げられた光束を包含する立体角（中心は後述の凹レンズ３０ａ、凸レンズ３０ｂ、屈折率分布型レンズ３０ｃの焦点位置）を形成するように適切に配置されている。

レーザ光発振部１６と光検出器１８とを直線状に結ぶレーザ光の光軸上にはガスセル１４が介装されている。ガスセル１４は入射窓２０、出射窓２６、胴体２８から構成されている。ガスセル１４は原子発振器１０を動作する際に金属原子の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２０、および出射窓２６はレーザ光２２を透過するガラス等の材料で作られており、その外形は胴体２８の端面の外形に合わせて形成されている。胴体２８はその端面に入射窓２０及び出射窓２６を接合することにより、密閉された内部空間２９を形成し、矩形や円筒形等の形状をした筐体
である。胴体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２０、出射窓２６と同一の材料を用いることが望ましい。また上述の内部空間２９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１２が封入されている。金属原子１２は、前記内部空間の温度と真空度から決定される金属原子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に存在している。

金属原子１２の封入は、胴体に金属原子１２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１２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２９との温度勾配を利用して金属原子１２を前記内部空間２９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１２が気体で存在する系内で胴体２８、入射窓２０、出射窓２６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１２が入射窓２０、出射窓２６のレーザ光路部に析出しないように、金属原子１２の飽和蒸気圧を考慮しつつ、金属原子１２の封入時の、真空度、坩堝と内部空間２９の温度等、を適切に調整する必要がある。

図１（ｂ）に示すように、入射窓２０は、レーザ光２２を屈折・分散させる凹レンズ３０ａ（第１の屈折手段）となっており、ガスセル１４の外側に凹部３２が形成されている。すなわち、ガスセル１４と入射窓２０に形成された凹部３２とは一体構造となっている。これにより、レーザ光発振部１６とガスセル１４との間に凹レンズ３０ａが介装された光学系となる。

凹レンズ型の入射窓２０は、入射窓２０の材料（ガラス等）を高温で溶かして、凹部３２を含む入射窓２０の外形を形成する雌型に流し込んで冷却して固めて雌型から取り出す、あるいは平板状の入射窓２０の材料を研磨機や研磨剤を用いて凹型に研磨する等して形成することができる。また凹レンズ３０ａとなる入射窓２０の材料はレーザ光２２の可変領域において透明であるだけでなく、屈折率の波長分散性がなく、２種類の波長のレーザ光２２は前記凹レンズ３０ａによって波長にかかわらず同様に空間的に分散し、異なる波長ごとに空間的に異なる方向に分離して分散すること（色収差）はないものとする。なお、凹レンズ３０ａの焦点距離は凹部３２の曲率と入射窓２０の材料の屈折率によって定まる。また、入射窓２０の内部空間２９側にも曲率を与えてレンズ効果を持たせることも可能であるが、入射窓２０と胴体２８との密閉性を考慮すると、内部空間２９側は平面であることが望ましい。

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部１６を起動させ、レーザ光２２を発振させ、入射窓２０からレーザ光２２を入射し、レーザ光２２の波長を適切に制御して金属原子１２に量子干渉効果を伴う光吸収を行わせ、その光吸収スペクトルを光検出器１８を介して測定する。このとき、凹レンズ３０ａとなる入射窓２０の材料（ガラス等）の屈折率は外部の空気と異なるため、前記材料をレンズ状に形成すると、一定の断面積をもって進行する光は、前記入射窓２０を通ると光の断面積方向の要素ごとにそれぞれ異なった方向に屈折する。そして図１（ｂ）に示すように、凹レンズ３０ａの場合、結果的にレーザ光２２による光束は進行方向に円錐（斜線の領域）を形成するように広がって空間的に分散することになる。そして凹レンズ３０ａによってガスセル１４内で空間的に広げられたレーザ光２２は出射窓２６から出て出射光３４となり、出射光３４は光検出器１８の受光面に到達する。

このとき斜線の領域にある金属原子１２はすべてレーザ光２２が照射される。よってレ
ーザ光２２は入射窓２０、すなわち凹レンズ３０ａを通過してその光束を広げられることにより、金属原子１２は内部空間２９に均一に分布するから、レーザ光２２の光束が平行光の場合と比較してより多くの金属原子１２に照射可能となる。

また光検出器１８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の光軸上に凹レンズ３０ａを介装したものと、そうでないものとで受光する出射光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１２の数は多くなるため、結果的にＥＩＴ信号の大きさ（図６（ｃ）参照）は凹レンズ３０ａ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、ガスセル１４の入射光側の窓である入射窓２０に屈折手段３０である凹レンズ３０ａを形成することにより、コヒーレント光であるレーザ光２２はガスセル１４内に分散され、ガスセル１４内にある大半の金属原子１２にレーザ光２２が照射され、ガスセル１４内の大半の金属原子１２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。

またレーザ光２２は入射窓２０、すなわち凹レンズ３０ａにより分散され、個々の金属原子１２に照射される光強度は小さくなるため、図６（ｃ）に示す光吸収スペクトル中に存在するＥＩＴ信号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１８の受光面積がレーザ光の光束の本来の断面積よりも大きい場合であっても、レーザ光を上記屈折手段に通すことにより分散され、光検出器１８の受光部分全体に満遍なくコヒーレント光であるレーザ光２２を受光させることができ、光検出器１８本来のＳ／Ｎ比を確保することができる。

さらに、ガスセル１４と凹レンズ３０ａとが一体化されたことにより、前記ガスセル１４を組み込んだデバイスの小型化に有利である。また部品点数が増えないため、屈折手段３０である凹レンズ３０を外付けにした場合よりも製造プロセスの簡易化され、製造コストを下げることができるとともに、デバイスの歩留まりを高め、デバイスの信頼性を向上させることができる。

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、入射窓２０が凸レンズ状に形成されている。凸レンズ３０ｂ（第１の屈折手段）は第１実施形態と同様に入射窓２０と一体化した構造である。凸レンズ３０ｂの形成方法は第１実施形態における凹レンズ３０ａと同様である。なお、凸レンズ３０ｂの凸部３６の曲率は、凸部３６が形成する凸レンズ３０ｂの焦点距離、より正確に言えば凸レンズ３０ｂの光軸方向の終端から焦点までの作動距離（バックフォーカス長）が胴体の光軸方向の長さよりも相当程度短くなるように設計する必要がある。

これにより、コヒーレント光であるレーザ光２２は凸レンズ状の入射窓２０を通過して一度焦点を結ぶものの、その後空間的に分散してガスセル１４内に広がり、ガスセル１４内の図２の斜線部分に存在する金属原子１２を照射する。よって第１実施形態同様に、製造が容易で安価、かつ大きなＥＩＴ信号が得られる原子発振器となる。

図３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、入射窓２０を形成する屈折手段３０（第１の屈折手段）が屈折率分布型レンズ３０ｃとなっている。屈折率分布型レンズ３０ｃは、平板ガラス状素材であるが、その屈折率は半径の関数として放物線的に変化し、

と表される。ここで、ｎ_ｒは光軸から距離ｒでの屈折率、ｎ_０は光軸での設計屈折率、Ａは正の定数を表す。レンズの場合は空気とレンズとの境界においてのみ光を屈折させ、光はレンズ媒質中においては直進する。一方、屈折率分布型レンズの場合は前記境界のみならず、屈折率分布型レンズ内においても屈折する性質をもつ。よって屈折率分布型レンズの焦点距離ｆは厚みＬに依存し、

となり、焦点距離ｆは厚みＬに対して三角関数的に変化する。よって厚みＬが十分大きい場合、屈折率分布型レンズに入射された平行光は、定在波の包絡線を描くように屈折率分布型レンズ内でその光束の収束・分散を繰り返すことになる。
また、作動距離（バックフォーカス長）ｄ_ｗは、

となる。屈折率分布型レンズは一度焦点を結ぶが、作動距離ｄ_ｗは正の値のみならず、負の値にもなり得る。正の値の場合は、図３（ａ）に示す凸レンズのように屈折率分布型レンズ３０ｃの後方で焦点を結び、その後光束を円錐状に広げて分散させる。負の値の場合は、図３（ｂ）に示すように屈折率分布型レンズ３０ｃ内で焦点を結び、その後光束を円錐状に広げて分散させる、すなわち外部から見ると凹レンズ的に光束を分散させる。よって厚みＬを適切に設計することにより、凸レンズ的または凹レンズ的な屈折手段３０を有する入射窓２０のいずれかを選択可能であり、レーザ光２２による光束を空間的に分散させることができる。なお、

の場合、屈折率分布型レンズ３０ｃから出た光は平行光となる。レーザ光の光束の中心が屈折率分布型レンズの屈折率がｎ_０となる部分を通るように、屈折率分布型レンズを胴体に配設する必要がある。

したがって、第３実施形態によれば、第１実施形態または第２実施形態と同様の作用効果を有するとともに、平板構造であり上述の凸部３６がないため、さらなる小型化を行うことができるとともに、その屈折率を適切に選択することにより、ガスセル１４の外形を変えずに高精度な光路制御が可能となる。

また実際にはレーザ光発振部１６とガスセル１４との間の光軸上に波長板等の平板光学素子（不図示）が介装されているが、これと屈折率分布型レンズ３０ｃとは平面同士を向き合わせて接合することが可能となる。よって第３実施形態によれば、これら追加の平板光学素子との密着スタック構造が容易であるため、前記平板光学素子を含めて小型化を図ることができる。また光学素子間に隙間が発生しないため防塵効果があり、デバイスの長期の信頼性が確保できる。

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実施形態と同様であるが、ガスセルの光検出器側である出射窓２６ が凸レンズ３８（第２の屈折手段）によって形成されている。またガスセル１４の出射窓２６側には受光面積が小さい光検出器４２が配設されている。凸レンズ３８の凸部４０の形成方法は基本的に第２実施形態の凸部３６と同様である。また凸部４０の焦点距離は入射窓２０を形成する屈折手段３０（図４では凹レンズ３０ａ）の焦点距離よりも短くなるように設計する。これにより入射窓２０を形成する屈折手段３０により空間的に分散されたレーザ光２２の光束は凸部４０を通過すると収束する。そして図４に示すように光束が適当な断面積にまで収束する位置に前記断面積と同程度の受光面積をもつ光検出器４２を配設すれば小さな受光面積で効率よくレーザ光２２を受光できる。

したがって、第４実施形態によれば、光−原子相互作用を受けて透過・出射されたコヒーレント光であるレーザ光２２は凸部４０によって収束するため、光検出器４２は収束したレーザ光２２を小さな受光面積で受光して、大きな検出強度のＥＩＴ信号を得ることができる。なお、第４実施形態は第１実施形態乃至第３実施形態とは独立した構成であるため、第１実施形態乃至第３実施形態の構成を第４実施形態の構成を付加することができ、上述の凹レンズ３０ａのほかに屈折手段３０（第１の屈折手段）として凸レンズ３０ｂ、屈折率分布型レンズ３０ｃを用いることができる。

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４実施形態と同様であるが、ガスセル１４の光検出器１８側の窓である出射窓２６は屈折率分布型レンズ４４（第２の屈折手段）によって形成されている。

上述のように屈折率分布型レンズ４４はその厚みＬを変えることにより焦点距離ｆを変えることができる。よって第４実施形態と同様に第５実施形態においても、出射窓を形成する屈折率分布型レンズ（第２の屈折手段）の焦点距離ｆは入射窓２０を形成する屈折手段３０（第１の屈折手段）の焦点距離よりも短くなるように厚みＬを設計することにより、前記屈折手段３０により空間的に分散されたレーザ光２２の光束を収束させることができる。

したがって第５実施形態によれば、第４実施形態と同様の作用効果を有するとともに、ガスセル１４の光検出器１８側も平板構造であるため、ガスセル１４と光検出器１８との間に介装された平板光学素子（不図示）および光検出器１８との密着スタック構造が可能である。よって第３実施形態と同様に前記平板光学素子を含めて小型化を図ることができ、光学素子間に隙間が発生しないため防塵効果があり、デバイスの長期の信頼性が確保できる。また第４実施形態と同様に、屈折手段３０（第１の屈折手段）として、凹レンズ３０ａ、凸レンズ３０ｂ、屈折率分布型レンズ３０ｃを用いることができる。

第１実施形態乃至第３実施形態において、凹部３２、凸部３６、屈折率分布型レンズ３０ｃは入射窓２０のレーザ光発振部１６側の面全域を構成しているが、レーザ光２２の光束は小さいため、入射窓２０の光軸上であって、前記光束と同程度の断面積の大きさに凹部３２、凸部３６、屈折率分布型レンズ３０ｃを形成してもよい。

第４実施形態、第５実施形態においては、ガスセル１４の光検出器側の出射窓２６である凸レンズ３８もしくは屈折率分布型レンズ４４の焦点距離を、入射窓２０を形成する屈折手段３０の焦点距離と同程度となるように調整してバックフォーカスを長くしてもよい。これにより、ガスセル１４と光検出器４２とを距離を置いて配設することができ、ガスセル１４から発する熱による光検出器４２のノイズの発生を抑制することができる。なお、前記焦点距離を前記屈折手段３０が形成する焦点位置と一致させるように調整した場合は、ガスセル１４から出射した出射光３４の光束を平行光とすることができる。

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。 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………金属原子、１４………ガスセル、１６………レーザ光発振部、１８………光検出器、２０………入射窓、２２………レーザ光、２４………周波数制御回路、２６………出射窓、２８………胴体、３０………屈折手段、３０ａ………凹レンズ、３０ｂ………凸レンズ、３０ｃ………屈折率分布型レンズ、３２………凹部、３４………出射光、３６………凸部、３８………凹レンズ、４０………凸部、４２………光検出器、４４………屈折率分散型レンズ、５０………原子発振器、５２………半導体レーザ、５４………ガスセル、５６………光検出器、５８………周波数制御回路。

Claims (8)

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
   前記ガスセルのコヒーレント光の入射側に、第１の屈折手段が形成されていることを特徴とする原子発振器。
2. 前記第１の屈折手段は凹レンズであることを特徴とする請求項１記載の原子発振器。
3. 前記第１の屈折手段は凸レンズであることを特徴とする請求項１記載の原子発振器。
4. 前記第１の屈折手段は屈折率分布型レンズ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に第２の屈折手段が形成され、該第２の屈折手段は凸レンズによって形成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. 前記第２の屈折手段は屈折率分布型レンズで形成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。
7. 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６のいずれか一項に記載の原子発振器。
8. 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７のいずれか一項に記載の原子発振器。

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