JP2010003944A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセルを効率よく均一に加熱することにより低消費エネルギーで高精度な基準周波数を得ることが可能な原子発振器を提供する。
【解決手段】原子発振器の物理部としての物理パッケージ１は、ガスセル１０と、赤外線ヒータ５５と、ガスセル１０および赤外線ヒータ５５を包囲するように設けられた断面略楕円形状の包囲体９０とにより構成されている。包囲体９０は、楕円柱状の保持部材９２と、この保持部材９２の側面に設けられた赤外線反射膜９５とからなる。保持部材９２の断面形状である楕円の軌道上に形成された赤外線反射膜９５の任意の点を反射点とした２焦点にガスセル１０と赤外線ヒータ５５とが配置されて保持されている。ガスセル１０内には、アルカリ金属を気化させた多数の金属原子が、ＣＯ₂などの赤外活性振動モードを有する分子を含む多数の緩衝ガスの分子とともに封入されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、ガスセルを効率よく均一に加熱することにより低消費エネルギーで高精度な基準周波数を得ることが可能な原子発振器に関するものである。

ルビジウム、セシウムなど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、ガスセル内に封入されたアルカリ金属の金属原子を蒸気状態に保つ必要があるため、金属原子を気密封止したガスセルを所定の高温に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、アルカリ金属原子を励起する光およびマイクロ波を利用した二重共鳴法（例えば特許文献１を参照）と、２種類の干渉光により量子干渉効果（以下ＣＰＴ：Coherent Population Trappingと記す）を利用する方法（例えば特許文献２を参照）とに大別される。

図７（ａ）に、ＣＰＴを利用した従来技術にかかる原子発振器の構成を模式的に示す。
図７（ａ）に示す原子発振器２５０は、光源としての半導体レーザ２３０、ガスセル２１０、および光検出手段としての光検出器２４０を含む構成にて光学系を形成している（特許文献２を参照）。ガスセル２１０の内部には、ルビジウム原子やセシウム原子などの量子吸収体となるアルカリ金属原子（図示せず）が封入されている。半導体レーザ２３０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）を生成してガスセル２１０に出力している。原子発振器２５０は、ガスセル２１０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、ガスセル２１０を挟んで半導体レーザ２３０の反対側に配置された光検出器２４０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２２０などの制御系にて水晶発振器などの基準信号をその原子共鳴に同期させて出力を得ている。

図７（ｂ）には、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）とにより構成される。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、基底準位１と基底準位２とのエネルギー差に正確に一致すると、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７（ｃ）に示す光吸収スペクトルのように、ガスセル２１０内の量子吸収体は半導体レーザ２３０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（光の透過率）が変化するが、カップリング光とプローブ光との周波数差が特定の値のときに、２種類の光のいずれも吸収せずに透過する現象であるＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）現象（電磁誘起透明化現象）として知られている。ＣＰＴはこのＥＩＴ現象を利用して、２つの共鳴光が一方ある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現象をδ関数的な形状を持つＥＩＴ信号として検出して利用するものである。

ところで、原子発振器においては、ガスセル中の金属原子の原子密度を一定にして金属原子ガスへの光の吸収度合いを正確に検知するために、ガスセル内の金属原子の蒸気を一定の温度（例えば８０℃）に保つための加熱手段およびそれを制御する温度制御系を備えている。例えば、光源からの光の光路の入射面および出射面を形成するガスセルの窓部に、光透過性を有する透明発熱体からなる膜状の加熱ヒータを設けた構成の原子発振器が提案されている（例えば特許文献３を参照）。

特許文献３に記載の原子発振器は、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、ガスセルを所定の温度に加熱する加熱手段と、ガスセル中の金属原子を励起する励起光の光源としての半導体レーザと、ガスセルを透過した励起光を検出する光検出手段としての光検出器と、を備えている。
ガスセルは、筒状（チューブ状）の密閉容器であって、筒部（第１のレイヤー）と、該筒部の両端の開口部をそれぞれ封鎖して励起光の光路の入射面および出射面を形成する窓部（第２のレイヤー、第３のレイヤー）とにより構成され、内部に密閉されたキャビティが形成されている。また、励起光の光路となる各窓部それぞれの外側の面には、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極膜（透明発熱体）からなる加熱手段としての加熱ヒータ膜が設けられている。
そして、ガスセルの光路の入射面となる窓部の外側に配置された半導体レーザから入射された光が、筒部内のキャビティを通過しながらガス化された金属原子を励起し、その励起光が出射面となる窓部の外側に配置された光検出器に向けて出射されるように配置されている。

特開平１０−２８４７７２号公報 米国特許第６８０６７８４号明細書Ｂ２ 米国特許出願公開第２００６／００２２７６号明細書Ａ１

しかしながら、特許文献３に記載の原子発振器のように、加熱ヒータなどの加熱手段によりガスセルの一部を加熱し、その熱伝導によってガスセル内の温度を制御する方法では、加熱効率がよいとはいえず、ガスセルに温度分布が生じやすい。ガスセルに温度分布が生じた場合には、ガスセル中のガス化された金属原子の原子密度が変化して、原子ガスへの光の吸収度合いが変化して原子共鳴の検知に誤差を生じたり、検知できなったりする虞があった。
また、加熱効率が低いためにガスセルの加熱にかかる消費電力が増大するという問題があった。

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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

〔適用例１〕本適用例にかかる原子発振器は、励起光を出射する光源と、前記励起光が励起すべきガス状の金属原子が封入されたガスセルと、前記ガスセル内を、前記金属原子がガス化される温度に加熱するための赤外線を放射する赤外線放射手段と、前記ガスセルおよび前記赤外線放射手段を前記赤外線が透過可能な状態で包囲する断面略楕円形状の包囲体と、前記包囲体の断面形状である略楕円の外周の面に設けられた赤外線反射体と、を有し、前記ガスセルと前記赤外線放射手段とが、前記赤外線反射体の楕円軌道上の一点を反射点とする２焦点にそれぞれ配置されていることを特徴とする。

ここで、楕円軌道上の一点を反射点とする２焦点とは、楕円内の一つの焦点から放射された光が、楕円の軌道上で反射してもう一つの焦点に集中するという楕円の性質をいう。
上記構成によれば、断面略楕円形状の略楕円の外周の面に赤外線反射体が設けられた包囲体に、赤外線放射手段とガスセルとが、楕円軌道上に設けられた赤外線反射体の一点を反射点とする２焦点にそれぞれ配置されて包囲されている。これにより、一方の焦点に配置された赤外線放射手段から放射される赤外線が、他方の焦点に配置されたガスセルに効率よく且つ均一に到達し、ガスセルに封入された金属原子を赤外線の輻射によって効率よく且つ均一に加熱することができる。したがって、ガスセル中のガス化された金属原子の密度を一定に保つことが可能になり、金属原子ガスへの光の吸収による原子共鳴の検知が安定して行えるので、高精度な原子発振器を提供することができる。

〔適用例２〕上記適用例にかかる原子発振器において、前記ガスセル内に、前記ガス状の金属原子とともに赤外活性振動モードを有する分子を含む緩衝ガスが封入されていることを特徴とする。

赤外活性振動モードを有する分子は赤外線を効率よく吸収しガスセル内を高速で飛びまわる挙動を示すので、ガスセル内の金属原子をさらに効率的且つ均一に加熱することができる。

〔適用例３〕上記適用例にかかる原子発振器において、前記赤外線反射体が透磁率の高い磁性材料からなることを特徴とする。

上記構成によれば、ガスセルを包囲する包囲体の赤外線反射体がシールド効果を奏し、ガスセルを外部磁界などから遮蔽することができる。これにより、地磁気などの外部磁界のゆらぎによってガスセル内の金属原子のエネルギー準位が変化して起こる共鳴周波数の時間変動が抑えられる。

〔適用例４〕上記適用例にかかる原子発振器において、前記包囲体が赤外線を透過する材料からなり、前記ガスセルと前記赤外線放射手段とが、前記包囲体に形成された貫通孔に挿設されていることを特徴とする。

この構成によれば、複雑な保持機構を設けなることなく、包囲体の内部にガスセルおよび赤外線放射手段を保持することができる。

〔適用例５〕上記適用例にかかる原子発振器において、前記包囲体が赤外線を吸収しにくい光透過性材料からなり、前記ガスセルが前記包囲体に形成されたキャビティからなることを特徴とする。

この構成によれば、ガスセルを別途形成して包囲体のなかに配置する場合に比して、ガスセル保持部材が不要となり構造が簡略化される。また、ガスセルを複数の部品を接合することにより形成した場合のように、接合部分の封止不良によるガスセルの信頼性の劣化を抑えることができる。

〔適用例６〕上記適用例にかかる原子発振器において、前記ガスセルを透過した励起光の強度を検出する光検出手段を備え、前記包囲体の内部に、前記光源および前記光検出手段が収容されていることを特徴とする。

この構成によれば、原子発振器の光学系を一体化することにより原子発振器の小型化に寄与できる。
また、原子発振器の光学系を包囲体の内部で温度制御することが可能になるので、光学系の温度制御を行うことによって、より高精度な温度維持を行って原子発振器の性能に寄与することが可能となる。

〔適用例７〕上記適用例にかかる原子発振器において、前記光源にはコヒーレント光を照射するコヒーレント光源が用いられ、前記光源から波長が異なる２種類の励起光としての前記コヒーレント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ことを特徴とする。

上記構成の原子発振器は、２種類の波長が異なるコヒーレント光による量子干渉効果による所謂ＣＰＴを利用した原子発振器であり、二重共鳴法による原子発振器に比してガスセルの励起光の進行方向の長さを短くできるため小型化に適している。したがって、ガスセル内の金属原子を均一に加熱することにより優れた性能を有する小型の原子発振器を提供することができる。

以下、原子発振器の一実施形態について、図面を参照して説明する。
なお、本実施形態の原子発振器においては、ガスセルおよびその加熱手段により構成される物理部を物理パッケージと呼ぶ。

図１は、本実施形態にかかる原子発振器の物理パッケージを模式的に説明するものであり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面をＢ方向からみた断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ線断面をＤ方向からみた断面図である。
また、図２は、原子発振器のガスセルを模式的に説明するものであり、（ａ）は励起光の入射面側からみた側面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ線断面図である。
また、図３は、物理パッケージにおける加熱手段としての赤外線の進路を模式的に説明する図である。
また、図４は、本実施形態の原子発振器の光学系の要部構成図である。

（物理パッケージ）
図１において、物理パッケージ１は、ガスセル１０と、赤外線放射手段としての赤外線ヒータ５５と、ガスセル１０および赤外線ヒータ５５を包囲するように設けられた断面略楕円形状の包囲体９０とにより構成されている。

包囲体９０は、例えばガラスなどの赤外線を吸収しにくい材料からなり後述するガスセル１０および赤外線ヒータ５５を保持する楕円柱状の保持部材９２と、この保持部材９２の側面に設けられた赤外線反射体としての赤外線反射膜９５とからなる。すなわち、赤外線反射膜９５は、保持部材９２の断面形状である楕円の外周の面に設けられている。
赤外線反射膜９５の材料は、少なくとも赤外線反射体であればよいが、物理パッケージ１のシールド効果を奏する高透磁率磁性材料であることが好ましく、本実施形態では、Ｆｅ（鉄）−Ｎｉ（ニッケル）合金からなる所謂パーマロイを用いている。
また、本実施形態の物理パッケージ１では、その楕円柱状の外形をなす包囲体９０の底面側を水平横方向に向け、側面側を鉛直方向に向けて使用される例を説明するが、これに限らず、底面側を鉛直方向に向けて使用することもできる。

保持部材９２において、その断面形状である楕円の軌道上の一点を反射点とした２焦点の位置には、一方の側面側から他方の側面側に貫通する貫通孔がそれぞれ設けられ、各貫通孔にガスセル１０と赤外線ヒータ５５が挿設されている。すなわち、保持部材９２の楕円の外周の面に形成された赤外線反射膜９５の一点を反射点とした２焦点にガスセル１０と赤外線ヒータ５５とがそれぞれ配置されて保持されている。

（ガスセル）
次に、物理パッケージ１の主要部であるガスセルについて説明する。
図２において、ガスセル１０は、円筒部１１と、その円筒部１１の両端の開口部を封鎖する窓部１２，１３とからなり、内部に密閉された空間Ｔが形成されている。この空間Ｔ内には、ルビジウムやセシウムなどのアルカリ金属を気化させた多数の金属原子１８が、ＣＯ₂（二酸化炭素）などの赤外活性振動モードを有する分子を含む緩衝ガスの分子１９とともに封入されている。なお、緩衝ガスの分子１９は、ＣＯ₂などの赤外活性振動モードを有する分子からなるガスと、Ｎｅ（ネオン）などの不活性ガスとの混合ガスを用いてもよい。

空間Ｔ内に金属原子１８および緩衝ガスの分子１９が封入されたガスセル１０において、金属原子ガスを励起する励起光の光路の入射面および出射面を形成する各窓部１２，１３は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料からなる。一方、円筒部１１は、赤外線ヒータ５５（図１を参照）からの赤外線を赤外活性振動モードを有する緩衝ガスの分子１９まで透過させる必要があるので、例えば、窓部１２，１３と同じガラスなどの赤外線を吸収しにくい材料を用いて形成する。

次に、物理パッケージ１における包囲体９０内での、赤外線ヒータ５５からガスセル１０への赤外線の照射経路について説明する。図３は、物理パッケージ１の楕円形状の断面（図１（ｃ）と同じ断面）において、赤外線ヒータの焦点５５Ｐからガスセルの焦点１０Ｐへの赤外線の照射経路を模式的に示した説明図である。
包囲体９０の断面形状である楕円には、一つの焦点からから放射された光が、楕円の軌道上で反射してもう一つの焦点に集中するという性質がある。すなわち、図３において、断面楕円形状の包囲体９０内の一つの焦点である赤外線ヒータの焦点５５Ｐから放射された赤外線は、包囲体９０の楕円の外周の面に形成された赤外線反射膜９５の一点で反射して、もう一つの焦点であるガスセルの焦点１０Ｐに集中するということであり、赤外線ヒータの焦点５５Ｐから放射された赤外線が赤外線反射膜９５上のどこの点で反射しても、必ず他方の焦点であるガスセルの焦点１０Ｐに行き着く。

この楕円の有する２焦点の性質により、赤外線ヒータ５５（図１を参照）から放射される赤外線の輻射によって、図２（ｂ）に示すガスセル１０内の多数の金属原子１８および緩衝ガスの分子１９がまんべんなく熱を吸収して加熱される。このうち、緩衝ガスの分子１９に含まれるＣＯ₂などの赤外活性振動モードを有する分子は、赤外線ヒータ５５から照射された赤外線を吸収しやすく、吸収した赤外線（光）エネルギーをガスセル１０内の金属原子１８に熱エネルギーとして渡すことで、より効率よく均一に加熱するのに供する。

（原子発振器）
次に、上記した物理パッケージ１を備えた原子発振器について説明する。
図４に示すように、原子発振器１００は、上記の物理パッケージ１と、励起光の光源である半導体レーザ３０と、光検出手段としてのフォトセンサ４０と、フォトセンサ４０で検出された励起光の強度に基づいて半導体レーザ３０の出力を制御する周波数制御回路６０および赤外線ヒータ５５の温度制御を行う温度制御部５０と、を有している。半導体レーザ３０は、物理パッケージ１のガスセル１０の励起光の入射面側である窓部１２側に配置され、フォトセンサ４０はガスセル１０の励起光の出射面側である窓部１３側に配置されている。フォトセンサ４０の出力は、温度制御部５０および周波数制御回路６０に送信されるように接続されている。周波数制御回路６０で生成された周波数制御データは、半導体レーザ３０に送信されるように接続されている。また、温度制御部５０は、赤外線ヒータ５５に接続されている。

半導体レーザ３０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）を生成してガスセル１０に出力している。また、フォトセンサ４０は、例えば太陽電池あるいはフォトダイオードなどからなる。
原子発振器１００は、ガスセル１０に入射したレーザ光が、ガスセル１０内の金属原子１８（図２（ｂ）を参照）にどれだけ吸収されたかを、フォトセンサ４０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６０に備えられた水晶発振器などの基準信号をその原子共鳴に同期させて出力を得ている。

本実施形態の原子発振器１００は、金属原子ガスが封入されたガスセル１０に、干渉性を有するコヒーレント光としての波長の異なる２種類の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所謂ＣＰＴを利用したものである。この方式では、二つの基底準位が励起光を受けて、共通の励起準位と励起結合しているΛ型準位において、同時に照射される二つの励起光（共鳴光）の周波数が正確に基底準位１と基底準位２のエネルギー差に一致すると、Λ型準位は二つの基底状態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、二つの励起光（共鳴光）の一方あるいは両方の波長を変化させたときに、ガスセル１０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（図７（ｂ）、（ｃ）を参照）。

上記実施形態の原子発振器１００によれば、赤外線ヒータ５５とガスセル１０とが、赤外線反射膜９５が設けられた包囲体９０の断面形状である楕円の２焦点に配置されているので、赤外線ヒータ５５から放射される赤外線の輻射により、ガスセル１０に封入された金属原子１８を効率よく且つ均一に加熱することができる。
しかも、ガスセル１０内には、金属原子１８とともに、赤外線を吸収しやすく赤外線に励起されて振動しガスセル内を高速で飛びまわる挙動を示すＣＯ₂などの赤外活性振動モードを有する分子を含む緩衝ガスの分子１９が封入されているので、ガスセル１０内の金属原子１８をさらに効率的且つ均一に加熱することができる。
したがって、ガスセル１０中のガス化された金属原子１８の密度を一定に保つことが可能になって、金属原子ガスへの光の吸収による原子共鳴の検知が安定して行えることにより、高精度な原子発振器１００を提供することができる。

また、上記実施形態では、物理パッケージ１の包囲体９０の赤外線反射膜９５として透磁率の高い磁性材料であるパーマロイを用いている。
これにより、ガスセル１０を包囲する包囲体９０の赤外線反射膜９５がシールド効果を奏し、ガスセル１０を外部磁界などから遮蔽することができるので、地磁気などの外部磁界によってガスセル１０内の金属原子１８の原子密度が変動して起こる共鳴周波数の検出の誤差などを抑えることができる。

また、上記実施形態の原子発振器１００は、光源にコヒーレント光を照射するコヒーレント光源としての半導体レーザ３０が用いられ、この半導体レーザ３０から波長が異なる２種類の励起光としてのコヒーレント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ＣＰＴを用いた原子発振器１００とした。
これにより、二重共鳴法による原子発振器に比して、ガスセルの励起光の進行方向の長さを短くできるので、小型の原子発振器１００を提供することができる。

（変形例１）
上記実施形態では、円筒部１１と窓部１２，１３とからなるガスセル１０を形成し、このガスセル１０と赤外線ヒータ５５とを、包囲体９０の保持部材９２に設けられた二つの貫通孔にそれぞれ挿設させて配置する構成とした。これに限らず、保持部材にキャビティを形成し、そのキャビティをガスセルとして用いることもできる。
図５は、保持部材に形成したキャビティをガスセルとして用いた原子発振器の物理パッケージを模式的に説明するものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）は、（ａ）のＦ−Ｆ線断面図である。なお、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。

図５に示すように、物理パッケージ１０１は、楕円柱状の保持部材１９２、および保持部材１９２の側面に設けられた赤外線反射膜９５からなる包囲体１９０を有している。また、保持部材１９２の断面形状である楕円の２焦点の位置には、保持部材１９２の形成された円筒形状のキャビティからなるガスセル１１０、および保持部材１９２を貫通する貫通孔に挿設された赤外線ヒータ５５がそれぞれ配置されている。
包囲体１９０の保持部材１９２は、赤外線を吸収しにくく且つ光透過性を有する例えばガラスなどの材料からなる。これにより、包囲体１９０の断面形状である楕円の一つの焦点である赤外線ヒータ５５から放射された赤外線が赤外線反射膜９５の一点で反射し、他方の焦点であるガスセル１１０に行き着くとともに、光源からの励起光の入射面と出射面がガスセル１１０に形成される。

ガスセル１１０内には、金属原子ガスおよび赤外活性振動モードを有する分子からなる緩衝ガスが封入されている。ガスセル１１０に金属原子ガスおよび緩衝ガスを封入するには、例えば、保持部材１９２にガスセル１１０まで連通する封入孔を設けておき（図示せず）、この封入孔から金属原子ガスを生成する金属および緩衝ガスを装填してから封入孔を封止剤によって封止する方法などを用いることができる。

上記変形例１の物理パッケージ１０１によれば、上記実施形態の物理パッケージ１のようにガスセル１０を別途形成して包囲体９０のなかに配置する場合（図１を参照）に比して構造が簡略化される。また、ガスセルを複数の部品を接合することにより形成した場合に比して接合部分あるいは封止部分が少なくなるので、接合部分あるいは封止部分の封止不良によるガスセルの信頼性の劣化が起こりにくい。

（変形例２）
上記実施形態および変形例１では、包囲体９０，１９０に、赤外線ヒータ５５、ガスセル１０，１１０、および赤外線反射膜９５を備えた物理パッケージ１，１０１を形成し、この物理パッケージ１０１と、励起光の光源や光検出手段などの光学系とにより原子発振器１００を構成した。これに限らず、物理パッケージや光学系を包囲体によって包囲し、原子発振器を一体に形成する構成にしてもよい。
図６は、物理パッケージおよび光学系の主要部を包囲体のなかに収容して一体に形成した原子発振器を模式的に説明するものであり、（ａ）は側面図、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ線断面図である。

図６に示す原子発振器２００は、包囲体２９０内に、物理パッケージ１と、半導体レーザ３０およびフォトセンサ４０からなる原子発振器の光学系と、温度制御部５０とが収容されて一体に形成されている。
物理パッケージ１は、上記実施形態の物理パッケージ１と同じ構成を有し、ガラスなどの赤外線を吸収しにくい材料からなる楕円柱状の保持部材９２と、保持部材９２の断面形状である楕円の２焦点にそれぞれ配置されて保持されたガスセル１０および赤外線ヒータ５５とからなる。

上記した物理パッケージ１は、楕円柱状の保持部材９２の側面を覆って、且つ、保持部材９２の楕円柱の両上面側それぞれに所定の空間を設けて形成された包囲体２９０により包囲されている。また、包囲体２９０の内壁には、パーマロイなどの高透磁率を有する赤外線反射体からなる赤外線反射膜２９５が設けられている。なお、図６では、赤外線反射膜２９５が、包囲体２９０と物理パッケージ１との間を含む包囲体２９０の内壁全面に設けられた例を説明する。これに限らず、赤外線反射膜２９５は少なくとも楕円柱状の保持部材９２の側面に沿って形成されていればよく、例えば、包囲体２９０がガラスなどの赤外線を吸収せずに透過する材料により形成されている場合には、包囲体２９０の外壁側に設けられていてもよい。

包囲体２９０内において、楕円柱状の保持部材９２（物理パッケージ１）の両上面側と包囲体２９０との間にそれぞれ形成されている空間には、励起光の光源である半導体レーザ３０、光検出手段としてのフォトセンサ４０、および赤外線ヒータ５５の温度制御を行う温度制御部５０が設置されている。半導体レーザ３０は、ガスセル１０の励起光の入射面側である窓部１２側に配置され、フォトセンサ４０はガスセル１０の励起光の出射面側である窓部１３側に配置されている。また、温度制御部５０は赤外線ヒータ５５に接続されている。半導体レーザ３０、フォトセンサ４０、温度制御部５０のそれぞれは、図示しない保持部材により包囲体２９０内に保持されている。
なお、上記実施形態で説明した原子発振器１００（図４を参照）において説明した、フォトセンサ４０で検出された励起光の強度に基づいて半導体レーザ３０の出力を制御する周波数制御回路６０を包囲体２９０内に収容する構成としてもよい。

この構成によれば、包囲体２９０内に、原子発振器の物理部である物理パッケージ１および半導体レーザ３０やフォトセンサ４０などの光学系を収容して一体化することにより小型の原子発振器２００を提供することができる。
また、物理パッケージ１と、半導体レーザ３０やフォトセンサ４０などの光学系を包囲する包囲体２９０の内壁に、高透磁率材料からなる赤外線反射膜２９５が設けられているので、この赤外線反射膜２９５のシールド効果により、原子発振器２００の物理部としての物理パッケージ１および光学系が外部の磁界あるいは電界の影響を受けにくく安定した性能を有する原子発振器２００を提供することができる。
また、包囲体２９０内を温度制御する温度制御系を別途設ける構成とすれば、原子発振器の光学系も包囲体２９０の内部で一定の温度に温度制御することが可能になるので、より高精度な温度維持を行って原子発振器の性能の安定化と向上に寄与することができる。

以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態および変形例２では、断面楕円形状の包囲体９０，２９０内の２焦点に配置されるガスセル１０および赤外線ヒータ５５は、赤外線を透過する材料からなる保持部材９２により保持する構成とした。これに限らず、保持部材は、包囲体９０，２９０の断面楕円形状における２焦点の位置関係に、ガスセル１０および赤外線ヒータ５５を赤外線が授受可能な状態で保持できる構造体であればよく、ガスセル１０および赤外線ヒータ５５の保持部材による保持部分以外が包囲体内に形成される空間に配置される構成であってもよい。

また、上記実施形態および変形例１、変形例２では、楕円柱状の保持部材９２，１９２の側面部または包囲体２９０の内壁に設ける赤外線反射体としての赤外線反射膜９５，２９５の材料に、パーマロイなどの高透磁率磁性材料を用いて磁気遮蔽膜としての機能を兼ね備える構成とした。これに限らず、赤外線反射膜は少なくとも赤外線反射体であればよく、例えば、保持部材９２，１９２の側面部または包囲体２９０の内壁にアルミニウムなどの金属を蒸着またはスパッタすることにより得られる赤外線反射膜であってもよい。または、高透磁率磁性材料以外の金属からなる赤外線反射膜の外側に磁気遮蔽効果のある磁気遮蔽膜を別途設ける構成としてもよい。

また、上記実施形態および変形例１、変形例２では、外形が円柱形状の物理パッケージ１やその保持部材９２あるいは包囲体９０，１９０，２９０について説明した。これに限らず、物理パッケージやその支持体あるいは包囲体は断面が楕円状であればよく、その外形は楕円球状であってもよく、楕円球状が球状に近似であってもよい。また、包囲体９０，１９０，２９０の断面楕円状とは断面略楕円状を指すものであって、必ずしも断面外形が曲面でなくてもよく、例えば楕円に内接または外接する多角形状の断面であってもよい。

また、上記実施形態および変形例１、変形例２では、開口部の形状が円形である円筒形の筒部である円筒部１１を有するガスセル１０、または円筒形のキャビティからなるガスセル１１０について説明した。これに限らず、ガスセルは断面楕円形状の円筒形であってよく、また、原子発振器に求める精度によっては多角柱状のガスセルであってもよい。また、筒部の長手方向断面が、その中央を頂部として両端側に向けて幅が狭くなる所謂断面コンベックス状であってもよい。

また、上記実施形態および変形例２の原子発振器１００，２００では、ガスセル１０，１１０の入射面側の窓部１２側に光源としての半導体レーザ３０を配置し、出射面側の窓部１２側に光検出手段としてのフォトセンサ４０を配置する構成としている。これに限らず、ガスセルの光の一方の窓部側に光源および光検出手段を配置し、ガスセルの他方の窓部側に光反射体を設けて、光源から出射される励起光を反射体により反射させ光検出手段に入射させる構成としてもよい。
このようにすれば、励起光の光路長を確保しながらガスセルの励起光の光路方向の長さを短くすることができるので、原子発振器の小型化が可能になる。

また、上記実施形態では、ＣＰＴを用いた原子発振器１００について説明したが、上記実施形態および変形例１、変形例２の原子発振器１００，２００およびそれに用いる物理パッケージ１、光源からの光とマイクロ波を利用した二重共鳴法による原子発振器にも適用できる。

（ａ）は、本実施形態にかかる原子発振器の物理パッケージを模式的に説明する斜視図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面をＢ方向からみた断面図、（ｃ）は、（ａ）のＣ線断面をＤ方向からみた断面図。 （ａ）は、ガスセルを模式的に説明する側面図、（ｂ）は、（ａ）のＥ−Ｅ線断面図。 物理パッケージにおける赤外線の進路の説明図。 本実施形態の原子発振器の光学系の要部構成図。 （ａ）は、物理パッケージの変形例を模式的に説明する側面図、（ｂ）は、（ａ）のＦ−Ｆ線断面図。 （ａ）は、原子発振器の変形例を模式的に説明する側面図、（ｂ）は、（ａ）のＧ−Ｇ線断面図。 （ａ）は、原子発振器の従来例を説明する模式図、（ｂ）は、原子発振器のエネルギー準位の説明図、（ｃ）は、原子発振器の光吸収スペクトルの説明図。

符号の説明

１，１０１…原子発振器の物理部としての物理パッケージ、１０，１１０，２１０…ガスセル、１１…円筒部、１２，１３…窓部、１８…ガス状の金属原子、１９…緩衝ガスの分子、３０，２３０…光源としての半導体レーザ、４０，２４０…光検出手段としてのフォトセンサ、５０…温度制御部、５５…赤外線放射手段としての赤外線ヒータ、６０，２２０…周波数制御回路、９０，１９０，２９０…包囲体、９２，１９２…保持部材、９５，２９５…赤外線反射体としての赤外線反射膜、１００，２００，２５０…原子発振器。

Claims (7)

1. 励起光を出射する光源と、
   前記励起光が励起すべきガス状の金属原子が封入されたガスセルと、
   前記ガスセル内を、前記金属原子がガス化される温度に加熱するための赤外線を放射する赤外線放射手段と、
   前記ガスセルおよび前記赤外線放射手段を前記赤外線が透過可能な状態で包囲する断面略楕円形状の包囲体と、
   前記包囲体の断面形状である略楕円の外周の面に設けられた赤外線反射体と、を有し、
   前記ガスセルと前記赤外線放射手段とが、前記赤外線反射体の楕円軌道上の一点を反射点とする２焦点にそれぞれ配置されていることを特徴とする原子発振器。
2. 請求項１に記載の原子発振器において、
   前記ガスセル内に、前記ガス状の金属原子とともに赤外活性振動モードを有する分子を含む緩衝ガスが封入されていることを特徴とする原子発振器。
3. 請求項１または２に記載の原子発振器において、
   前記赤外線反射体が透磁率の高い磁性材料からなることを特徴とする原子発振器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子発振器において、
   前記包囲体が赤外線を透過する材料からなり、前記ガスセルと前記赤外線放射手段とが、前記包囲体に形成された貫通孔に挿設されていることを特徴とする原子発振器。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子発振器において、
   前記包囲体が赤外線を吸収しにくい光透過性材料からなり、前記ガスセルが前記包囲体に形成されたキャビティからなることを特徴とする原子発振器。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の原子発振器において、
   前記ガスセルを透過した励起光の強度を検出する光検出手段を備え、
   前記包囲体の内部に、前記光源および前記光検出手段が収容されていることを特徴とする原子発振器。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の原子発振器であって、
   前記光源がコヒーレント光を照射するコヒーレント光源が用いられ、
   前記光源から波長が異なる２種類の励起光としての前記コヒーレント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ことを特徴とする原子発振器。

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