JP2009231688A - 光学系及び原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】リペアコストを低減した原子発振器の光学系を提供する。
【解決手段】この光学系１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１００の光学系１であって、共鳴光２ａを出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセル５と、ガスセル５を透過した光を検出する光検出器（光検出手段）６と、ガスセル５を所定の温度に加熱するヒータ（加熱手段）３、４、と、ガスセル５とヒータ３、４とを一体に構成したガスセルコンポーネント９を挿抜可能とするホルダ７と、光検出器６の出力信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路８と、を備えて構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器の光学系に関し、さらに詳しくは、加熱手段とガスセルを一体構成としたガスセルコンポーネントの挿抜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一定の温度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が、両者共にガスセルに入射した光が、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。
図６は従来の原子発振器の物理パッケージを模式化した図である。この図から明らかにように、従来の物理パッケージは、光源としての半導体レーザ５０、レーザ光を平行光に変換する平行レンズ５１、光の強度を補正するＮＤフィルタ５２、光の位相を１／４波長偏光する１／４波長板５３、セルを加熱するヒータ５４、アルカリ蒸気セル５５、及び光検出器５６が積層された構造で、且つ、図示は省略するが、ヒータ５４と光検出器５６にはボンディングワイヤにより基板と接続されている（特許文献１参照）。
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しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術に使用されるセルユニット５７は、長時間の使用によりガスセルとしての機能が低下してくる。セルユニット５７が劣化した場合、物理パッケージが一体化されているため、セルユニット５７だけを取り外して、リフレッシュしたり新品と交換することができなかった。即ち、使用可能な光検出器５６や半導体レーザ５０も同時に破棄せざるを得ず、リペアコストが高くなるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、物理パッケージの中で最も消耗し易く劣化の速いセルユニットをヒータと一体構成にしてガスセルコンポーネントとして構成し、このガスセルコンポーネントを挿抜可能とするホルダを設けることにより、リペアコストを低減した原子発振器の光学系を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は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の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、前記共鳴光を出射するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセルと該ガスセルを所定の温度に加熱する加熱手段とを一体に構成したガスセルコンポーネントを挿抜可能とするホルダと、前記ガスセルコンポーネントを透過した光を検出する光検出手段と、を基板上に配置し、前記加熱手段に電力を給電する加熱電極を設け、前記ガスセルコンポーネントが前記ホルダに挿入されたときに、前記加熱電極と接触して前記加熱手段に電力を給電するホルダ電極を前記ホルダに備えたことを特徴とする。

本発明では、コヒーレント光源、ガスセルコンポーネント、及び光検出手段を予め分割しておき、特に、ガスセルコンポーネントをガスセルと加熱手段とを一体にして構成し、このガスセルコンポーネントを挿抜可能とするためにホルダを設け、このホルダに加熱手段に給電する電極を備える。これにより、ガスセルを交換或いはリフレッシュすることが容易となり、リペアコストを低減することができる。

［適用例２］前記ガスセルコンポーネントの前記コヒーレント光源が入射及び出射する側に、前記加熱手段を設けたことを特徴とする。

ガスセルコンポーネントをホルダに挿抜する構成にした場合、コヒーレント光源が入射する方向は必然的に決定される。従って、コヒーレント光源が入射する部分は、ガスセルに金属が付着しないように他の部分に比べて温度を高くする必要がある。また、同様にガスセルが透過する部分もガスセルに金属が付着しないように、他の部分に比べて温度を高くする必要がある。そこで本発明は、コヒーレント光源が入射及び出射する側に、加熱手段を設ける。これにより、コヒーレント光源の入射及び出射面に金属が付着することを防止することができる。

［適用例３］前記ガスセルコンポーネントの形状を直方体としたことを特徴とする。

ガスセルは、光が入射する方向に加熱手段が向くようにホルダに挿入する必要がある。そこで本発明では、ガスセルコンポーネントの形状を直方体とすることにより、加熱手段の何れかの面が必ず光源側に向くようにして誤挿入を防止する。これにより、必ず正しい方向にガスセルコンポーネントを挿入することができる。

［適用例４］前記ガスセルコンポーネントの形状を立方体とし、該立方体の全ての面に前記加熱手段を設けたことを特徴とする。

ガスセルコンポーネントが直方体の場合、誤挿入は防止できるが、光の入射面は２面に限定される。そこで本発明では、ガスセルコンポーネントの形状を立方体（キュウビックタイプ）とし、各面（６面）に加熱手段を設ける。これにより、加熱手段の面に金属が付着した場合は、他の面が光の入射面となるように変更することができると共に、挿入する面を意識することなく挿入することができる。

［適用例５］前記加熱電極を矩形の前記加熱手段の各辺に設けたことを特徴とする。

本発明では全ての面に設けられた加熱手段に加熱電極を備え、ホルダに挿入されたときにその面の加熱手段の加熱電極がホルダ電極と接触するように構成する。これにより、光が入射する面の加熱手段が必ずホルダのホルダ電極から電力を給電することができる。

［適用例６］前記加熱手段は、透明発熱膜により構成されていることを特徴とする。

加熱手段は必ず光の入射面となる。従って、その面は光が通過できるように透明でなければならない。これにより、加熱手段を光が透過することができる。

［適用例７］前記ガスセルコンポーネント、及び前記光検出手段を前記コヒーレント光源の光路上に配置したことを特徴とする。

ガスセルコンポーネントの一方の加熱手段は光の入射面となり、対向する加熱手段は光の出射面となる。従って、コヒーレント光源の光路上にガスセルコンポーネントと光検出手段を配置する必要がある。これにより、同一平面状に光学系を構成することができる。

［適用例８］上記に記載の光学系を原子発振器に備えたことを特徴とする。

これにより、ＣＰＴを利用した方式の場合は、強度の揃った電磁波誘起透明化（以下ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparencyと記す）現象によるＥＩＴ信号を得てＳ／Ｎを向上させた光学系を備えた原子発振器を提供することができる。

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は本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。この光学系１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１００の光学系１であって、共鳴光２ａを出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセル５とガスセル５を所定の温度に加熱するヒータ（加熱手段）３、４とを一体に構成したガスセルコンポーネント９を挿抜可能とするホルダ７と、ガスセルコンポーネント９を透過した光を検出する光検出器（光検出手段）６と、を基板１２上に配置し、ヒータ３、４に電力を給電するヒータ電極（加熱電極）を設け、ガスセルコンポーネント９がホルダ７に挿入されたときに、ヒータ電極と接触してヒータ３、４に電力を給電するホルダ電極をホルダ７に備えている（詳細は後述する）。また、本発明の主旨は、原子発振器を構成する光学系の構成にあるので、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。

即ち、本発明の原子発振器１００は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉効果を利用したものである。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３準位系（例えばΛ型準位系）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基底準位１と基底準位２のエネルギ差に一致すると、３準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位３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、ガスセルでの光吸収が停止する状態を検出して利用するものである。そして、本発明の光学系１は、コヒーレント光源２、ガスセルコンポーネント９、及び光検出手段を予め分割しておき、特に、ガスセルコンポーネント９をガスセル５とヒータ３、４とを一体にして構成し、このガスセルコンポーネント９を挿抜可能とするためにホルダ７を設け、このホルダ７にヒータ３、４に給電する電極を備える。これにより、ガスセル５を交換或いはリフレッシュすることが容易となり、リペアコストを低減することができる。

図２はＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する一例である。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、基底準位１（２３）と基底準位２（２４）は準位のエネルギが若干異なるため、共鳴光もそれぞれ共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）と波長が若干異なる。同時に照射される共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）の周波数差（波長の差）が正確に基底準位１（２３）と基底準位２（２４）のエネルギ差に一致すると、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、共鳴光１（２０）と共鳴光２（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３での光吸収（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。

図３（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系を側面から見た図であり、図３（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系を上面から見た図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。この光学系１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１００の光学系１であって、共鳴光２ａを出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセル５と、ガスセル５を透過した光を検出する光検出器６と、ガスセル５を所定の温度に加熱するヒータ３、４と、ガスセル５とヒータ３、４とを一体に構成したガスセルコンポーネント９を挿抜可能とするホルダ７と、を備え、これらが共鳴光２ａの光軸２ｂ上にくるように基板１２に併置されている。尚、ガスセル５は入射側の窓部１０と出射側の窓部１１により挟まれるように構成されている（以下、入射側の窓部１０、ガスセル５、及び出射側の窓部１１を含めてガスセル５と呼ぶ）。また、ヒータ３、４はＩＴＯ等の透明発熱膜により構成する。

また、ヒータ３、４の両側面には、基板１２からヒータを加熱するための電力を給電するヒータ電極３ａ、３ｂ及び４ａ、４ｂが備えられている。そして、ホルダ側には、ガスセルコンポーネント９を挿入したときに、各ヒータ電極と接触するためのホルダ電極７ａ〜７ｄが備えられている。図３では、ヒータ電極３ａ、３ｂがホルダ電極７ａ、７ｄに、ヒータ電極４ａ、４ｂがホルダ電極７ｂ、７ｃと接触するように挿入されるが、１８０°反転して、ヒータ電極３ａ、３ｂがホルダ電極７ｃ、７ｂに、ヒータ電極４ａ、４ｂがホルダ電極７ｄ、７ａと接触するように挿入しても構わない。即ち、共鳴光２ａはヒータ３、４の何れから入射しても構わない。即ち、ガスセルコンポーネント９は、光が入射する方向にヒータ３又は４がくるようにホルダ７に挿入する必要がある。そこで本実施形態では、ガスセルコンポーネント９の形状を直方体とすることにより、ヒータ３、４の何れかの面が必ずコヒーレント光源２側に向くようにして誤挿入を防止する。これにより、必ず正しい方向にガスセルコンポーネント９を挿入することができる。
即ち、ガスセルコンポーネント９、及び光検出器６をコヒーレント光源２の光路２ｂ上に配置する。従って、コヒーレント光源２の光路上にガスセルコンポーネント９と光検出器６を配置する必要がある。これにより、同一平面状に光学系１を構成することができる。

図４はヒータ電極とホルダ電極の位置関係を説明する模式図である。ヒータ３、４は面状に構成されているため、ヒータ全面に均一に電力を供給することが重要である。即ち、ヒータに電流が均一に流れるように、ヒータ電極を極力ヒータの一方の端縁の全面と対向する端縁の全面に設けることが重要である。これにより、ヒータ電極から給電された電力は、ヒータ全面を流れてヒータを均一に加熱する。
図４（ａ）のヒータは、ガスセルコンポーネント９ａの１つの面を全てヒータ３で覆い、ヒータ３の電極３ａ、３ｂは、ガスセルコンポーネント９ａの側面に設ける。このときのホルダ電極との位置関係は、図３のようになり、電力Ｅをヒータ３の側面からホルダ電極７ａ、７ｄを介して給電する。この方法は、ヒータ３をガスセルコンポーネント９ａの入射面の全面に設けることができ、加熱効率を高めることができる。

図４（ｂ）のヒータは、Ｕの字型にパターニングして、ヒータ３の電極３ａ、３ｂは、ガスセルコンポーネント９ｂの前面に設ける。このときのホルダ電極との位置関係は、電力Ｅをヒータ３の前面からホルダ電極７ａ、７ｄを介して給電する。この方法は、ヒータ３の面積がパターニングした分小さくなるが、ヒータ３をカットしたＡ部から光を入射させることができるので、ヒータにコストの高い透明発熱膜を使用する必要がなくなる。
図４（ｃ）のヒータは、ガスセルコンポーネント９ｃの１つの面を全てヒータ３で覆い、ヒータ３の電極３ａ、３ｂは、ガスセルコンポーネント９ｃの前面に設ける。このときのホルダ電極との位置関係は、電力Ｅをヒータ３の前面からホルダ電極７ａ、７ｄを介して給電する。この方法は、ヒータ３をガスセルコンポーネント９ｃの入射面の全面に設けることができるが、ヒータ電極３ａ、３ｂの面積分ヒータ面積を低下させてしまう。しかし、ヒータの加工が容易となる。以上、この実施形態では３種類の場合について説明したが、これ以外の方法であっても構わない。

図５（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系の斜視図であり、図５（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系を上面から見た図である。このガスセルコンポーネント９ｄは、ガスセルコンポーネント９ｄの形状を立方体とし、この立方体の全ての面にヒータを設けたことを特徴とする。ガスセルコンポーネントが直方体の場合（図３参照）、誤挿入は防止できるが、光の入射面は２面に限定される。そこで本実施形態では、ガスセルコンポーネント９ｄの形状を立方体（キュウビックタイプ）とし、各面（６面）Ａ〜Ｆにヒータを設ける。例えば、Ａ面にはヒータ３０を全面に設け、Ａ面の各辺に対応する位置にヒータ電極３０Ａ〜３０Ｄを備える。また、対向するＣ面にはヒータ４０を全面に設け、Ｃ面の各辺に対応する位置にヒータ電極４０Ａ〜４０Ｄを備える。他のＢ面、Ｃ面、Ｅ面、及びＦ面にも図示は省略するが夫々４つのヒータ電極を備える。図５（ａ）の状態でガスセルコンポーネント９ｄをホルダ７に挿入すると、電極３０Ａは電極７ａと接触し、電極３０Ｃは電極７ｄと接触する。同じく、対向するＣ面の電極４０Ａは電極７ｂと接触し、電極４０Ｃは電極７ｃと接触する。

即ち、本実施形態では全ての面に設けられたヒータにヒータ電極を備え、ホルダ７に挿入されたときに、その面のヒータ電極がホルダ電極と接触するように構成する。これにより、光が入射する面の加熱手段が必ずホルダのホルダ電極から電力を給電することができる。これにより、ヒータの面に金属が付着した場合は、他の面が光の入射面となるように変更することができると共に、挿入する面を意識することなく挿入することができる。また、光が入射する面のヒータが必ずホルダ７のホルダ電極から電力を給電することができる。
また、本発明の光学系を原子発振器に備えることにより、信号強度の揃ったＥＩＴ信号を得てＳ／Ｎを向上させた光学系を備えた原子発振器を提供することができる。

本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。 ＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系を側面から見た図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系を上面から見た図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系を上から見た図、（ｂ）は本発明の第３の実施形態に係る光学系を上から見た図、（ｃ）は本発明の第４の実施形態に係る光学系を上から見た図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系の斜視図であり、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系を上面から見た図である。 従来のガスセルの構成図である。

符号の説明

１ 光学系、２ コヒーレント光源、３、４ ヒータ、３ａ、３ｂ ヒータ電極、４ａ、４ｂ ヒータ電極、５ ガスセル、６ 光検出器、７ ホルダ、７ａ〜７ｄ ホルダ電極、８ 周波数制御回路、１００ 原子発振器

Claims (8)

1. 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、
   前記共鳴光を出射するコヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセルと該ガスセルを所定の温度に加熱する加熱手段とを一体に構成したガスセルコンポーネントを挿抜可能とするホルダと、
   前記ガスセルコンポーネントを透過した光を検出する光検出手段と、
   を基板上に配置し、
   前記加熱手段に電力を給電する加熱電極を設け、前記ガスセルコンポーネントが前記ホルダに挿入されたときに、前記加熱電極と接触して前記加熱手段に電力を給電するホルダ電極を前記ホルダに備えたことを特徴とする原子発振器の光学系。
2. 前記ガスセルコンポーネントの前記コヒーレント光源が入射及び出射する側に、前記加熱手段を夫々設けたことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
3. 前記ガスセルコンポーネントの形状を直方体としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器の光学系。
4. 前記ガスセルコンポーネントの形状を立方体とし、該立方体の全ての面に前記加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
5. 前記加熱電極を矩形の前記加熱手段の各辺に設けたことを特徴とする請求項１又は４に記載の原子発振器の光学系。
6. 前記加熱手段は、透明発熱膜により構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
7. 前記ガスセルコンポーネント、及び前記光検出手段を前記コヒーレント光源の光路上に配置したことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
8. 請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする原子発振器。

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