JP2010263593A

JP2010263593A - 原子発振器の光学系及び原子発振器

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Publication number: JP2010263593A
Application number: JP2009127577A
Authority: JP
Inventors: Koji Chindo; 幸治珎道
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-07-03
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-11-18
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: US20100002231A1; US7911611B2; JP5532679B2

Abstract

【課題】ガスセルの出射側に蛍光遮蔽手段を備えることにより、光検出器への蛍光の漏れ光の入射を防止して透過光のＳ／Ｎを改善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６０は、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、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６０であって、共鳴光６を出射する光源１と、共鳴光６を所定の振動方向に偏光する偏光板１２と、光源１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６を通過させるガスセル２と、ガスセル２を通過した透過光７を検出する光検出手段としての光検出器４と、を備え、ガスセル２から放射された蛍光５を遮蔽する偏光手段としての偏光板３をガスセル２の出射側に配置した。
【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、原子発振器を構成するガスセルから出射される透過光のＳ／Ｎ比を改善する構成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と、２種類のレーザー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。しかし、ＣＰＴ法において、共鳴光の波長がガスセルに光が吸収される波長になっているときは、ガスセルに吸収された光によりガスセル内の金属原子は蛍光を発する。この蛍光は光検出器に漏れ光として入射するため、本来の透過光レベルを高める結果、検出信号のＳ／Ｎ比を悪化させていた。

特許文献１には、ビームスプリッターにより分岐した光源の一部を検出して、光源のパワーを一定に制御するＣＰＴを利用した原子発振器について開示されている。

米国特許第６２６５９４５号明細書Ｂ１

特許文献１に開示されている従来の光学系の構成は、図６に示すように、ＶＣＳＥＬ５０から出射したレーザー光は、ビームスプリッター５３により分岐されて、一方の光はＯＰＴＩＣＡＬＰＷＲ．ＤＥＴＥＣＴＯＲ５２で検出され、他方の光はＣＥＬＬ５５を通過してＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮＤＥＴＥＣＴＯＲ５６により検出される。また、ＣＥＬＬ５５からは、蛍光が発光されてＦＬＵＯＲＥＳＣＥＮＣＥＤＥＴＥＣＴＯＲ５４によりＴＲＡＮＳＭＩＳＳＩＯＮＤＥＴＥＣＴＯＲ５６とは相補的な信号が検出される。しかし、本従来例では、発光された蛍光を遮蔽する手段がないので、透過光のＳ／Ｎ比を悪化させるといった課題に対しては解決されていない。

本発明は、かかる課題に鑑み、ガスセルの出射側に蛍光遮蔽手段を備えることにより、光検出器への蛍光の漏れ光の入射を防止して透過光のＳ／Ｎを改善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〕本発明の原子発振器の光学系は、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、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光源と、前記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前記共鳴光を通過させるガスセルと、前記金属原子ガスを通過した透過光を検出する光検出手段と、を備え、前記金属原子ガスから前記光検出手段へ出射された蛍光の少なくとも一部を遮蔽する蛍光遮蔽手段を、前記金属原子ガスと前記光検出手段との間に備えたことを特徴とする。

共鳴光の波長がガスセルに光が吸収される波長になっているときは、ガスセルに吸収された光によりガスセル内の金属原子は蛍光を発する。この蛍光は光検出手段に漏れ光として入射するため、本来の透過光レベルを高める結果、検出信号のＳ／Ｎ比を悪化させていた。そこで本発明では、ガスセルから放射された蛍光を遮蔽する蛍光遮蔽手段をガスセルの出射側に配置する。これにより、透過光を検出する信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。

〔適用例２〕前記蛍光遮蔽手段は、前記透過光を選択的に通過させる偏光手段により構成されていることを特徴とする。

光源から出射された共鳴光は所定の振動方向に偏光するために偏光手段を通過してガスセルに入射される。従って、蛍光遮蔽手段を透過光と同じ偏光方向を有する偏光手段により構成しておくことにより、透過光のみを通過させて、蛍光を通過させないようにすることができる。これにより、透過光を選択的に通過させることができる。

［適用例３］前記蛍光遮蔽手段は、前記透過光が通過可能な開口部を有する遮蔽板により構成されていることを特徴とする。

ガスセルから発光する蛍光は、ランダムに四方に拡散する。特にガスセルの出射側から拡散する蛍光が光検出手段に入射する可能性が強い。そこで本発明では、透過光が通過するのに必要な開口部を設け、それ以外の蛍光を遮蔽するように構成する。これにより、簡易な構造により透過光のみを通過させて漏れ光としての蛍光を遮蔽することができる。

〔適用例４〕前記蛍光遮蔽手段は、前記偏光手段及び前記遮蔽板から構成されていることを特徴とする。

偏光手段により偏光しても、若干の蛍光は偏光手段から漏れる可能性がある。そこで偏光手段と遮蔽板を直列に配置して蛍光遮蔽手段を構成する。これにより、より効果的に蛍光の漏れ光を遮蔽することができる。

〔適用例５〕前記蛍光遮蔽手段を、前記ガスセルの出射側に密着して配置したことを特徴とする。

ガスセルから光検出手段までの距離が長いほど、周辺の漏れ光が光検出手段に入射する可能性が高くなる。そこで本発明では、蛍光遮蔽手段をガスセルの出射側に密着して配置する。これにより、周辺の漏れ光が光検出手段に入射する確率を低くすると共に、光学系を小型化することができる。

［適用例６］前記ガスセル外周に前記蛍光を吸収する蛍光吸収部材を備えたことを特徴とする。

ガスセルは周辺が透明なガラスにより構成されているため、全ての面から蛍光が発光される可能性がある。そして、ガスセル周辺に反射部材があると、それに反射して迷光として光検出手段に入射する虞がある。そこで本発明では、ガスセル外周に蛍光を吸収する蛍光吸収部材を備える。これにより、ガスセルから発光された蛍光が迷光として光検出手段に入射することを防止することができる。

［適用例７］前記偏光手段は、偏光フィルター又はビームスプリッターにより構成されていることを特徴とする。

偏光フィルターはある１つの振動方向の光を取り出すためのフィルターであり、また、ビームスプリッターは、入射した光の一部を反射し、一部は透過する性質を有する。また偏光成分を分離できる偏光ビームスプリッターを使用することもできる。これにより、透過光と蛍光を簡単な構造で確実に分離することができる。

［適用例８］本発明の原子発振器の光学系は、適用例１において前記ガスセルが偏光ガラスによって形成され、該偏光ガラスが前記蛍光遮蔽手段を兼用するものであることを特徴とする。

ガスセルを偏光ガラスで形成することにより、ガスセル自体（偏光ガラス）が蛍光を遮蔽する機能を備えるため部品点数（蛍光遮蔽手段）を削減することができる。

［適用例９］本発明の原子発振器は、適用例１乃至適用例８のいずれか一項に記載の原子発振器の光学系を備えたことを特徴とする。

蛍光の強度を検出してコヒーレント光源にフィードバックすることにより、コヒーレント光源から出射した光の総合的な変動をリアルタイムに検出してコヒーレント光源の光強度を一定に制御することができるので、Ｓ／Ｎが向上した高性能な原子発振器を提供することができる。

ＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する一例を示す図。（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系の概略構成を示す模式図、（ｂ）は偏光板をガスセルに密着して構成した図。（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系の概略構成を示す模式図、（ｂ）は遮蔽板をガスセルに密着して構成した図。（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る光学系の概略構成を示す模式図、（ｂ）は遮蔽板と偏光板をガスセルに密着して構成した図。（ａ）は本発明の光学系に使用されるガスセルから発光される蛍光の発散を防止する方法を説明する図、（ｂ）はガスセル出射側から見た図。従来の構成による光学系のブロック図。

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ＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する一例を示す図である。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１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１において、第１基底準位２３と第２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共鳴光２０と第２共鳴光２２と波長が若干異なる。同時に照射される第１共鳴光２０と第２共鳴光２２の周波数差（波長の差）が正確に第１基底準位２３と第２基底準位２４のエネルギー差に一致すると、図１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共鳴光２０と第２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２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。しかし、ガスセル２での光吸収が停止するまで、ガスセル２に吸収された光によりガスセル内の金属原子は蛍光５を発する。

図２（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系の概略構成を示す模式図である。図２（ｂ）は偏光板をガスセルに密着して構成した図である。この光学系６０は、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、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６０であって、共鳴光６を出射する光源１と、共鳴光６を所定の振動方向に偏光する偏光板１２と、光源１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６を通過させるガスセル２と、ガスセル２を通過した透過光７を検出する光検出手段としての光検出器４と、を備え、ガスセル２から放射された蛍光５を遮蔽する偏光手段としての偏光板３をガスセル２の出射側に配置した。また、図２（ｂ）のように偏光板３をガスセル２の出射側に密着して配置しても良い。また、偏光板３をガスセル２の出射側の内壁に配置するようにしても良い。或いは、ガスセル２の光検出器４に対向している面を偏光ガラスによって形成し、前記偏光ガラスによって蛍光５を遮蔽するようにしても良い。このとき透過光７の偏光方向と偏光ガラスの偏光方向とを同じ方向にする。なお、ガスセル２全体を偏光ガラスで形成しても良い。

即ち、光源１の波長がガスセル２に光が吸収される波長になっているときは、ガスセル２に吸収された光によりガスセル内の金属原子は蛍光５を発する。この蛍光５は特定の偏光方向を持たず（偏光方向が様々な方向を向いている）、光検出器４に漏れ光として入射するため、本来の透過光レベルを高める結果、検出信号のＳ／Ｎ比を悪化させていた。そこで本実施形態では、ガスセル２から放射された蛍光５を遮蔽する偏光板３をガスセル２の出射側に配置する。これにより、透過光７を検出する信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。また、光源１から出射された共鳴光６は所定の偏光方向を有する直線偏光であり、偏光板１２を通過してガスセル２に入射される。従って、偏光手段を透過光と同じ偏光方向を有する偏光板３により構成しておくことにより、透過光７のみを通過させて、蛍光５をほとんど通過させないようにすることができる。これにより、透過光７を選択的に通過させることができる。尚、偏光板１２はガスセル２の入射面、或いは光源１の表面に取り付けても構わない。また、本実施例においては、光源１から出射する共鳴光６を円偏光にしても良い。この場合も偏光板１２の偏光方向と偏光板３の偏光方向とを同じ方向に揃えておけば良い。

図３（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系の概略構成を示す模式図である。図３（ｂ）は遮蔽板をガスセルに密着して構成した図である。同じ構成要素には図２と同じ参照番号を付して説明する。この光学系６１は、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、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６１であって、共鳴光６を出射する光源１と、光源１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６を通過させるガスセル２と、ガスセル２を通過した透過光７を検出する光検出手段としての光検出器４と、を備え、ガスセル２から放射された蛍光５を遮蔽する遮蔽板８をガスセル２の出射側に配置した。また、図３（ｂ）のように遮蔽板８をガスセル２の出射側に密着して配置しても良い。或いは、ガスセル２の光検出器４に対向する面を遮蔽板とし、遮蔽板のピンホールの部分をガラス等の透明部材としても良い。このようにすれば小型化が可能である。また、光検出器４とガスセル２との間に光ファイバーを配置し、透過光７を光検出器４の受光面に導くようにしても良い。このとき、光検出器４の受光面はどのような方向にも設定しても良い。例えば図３において、光検出器４の受光面を右側に向けておく。このようにすれば、光ファイバー自体を蛍光遮蔽手段として機能させることができるので、光ファイバーを遮蔽板８として用いることができる。

即ち、ガスセル２から発光する蛍光５は、ランダムに四方に拡散する。特にガスセル２の出射側から拡散する蛍光５ａが光検出器４に入射する可能性が強い。そこで本実施形態では、透過光７が通過するのに必要な開口部としてのピンホール９を設け、それ以外の蛍光５を遮蔽するように構成する。これにより、簡易な構造により透過光７のみを通過させて漏れ光としての蛍光を遮蔽することができる。

図４（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る光学系の概略構成を示す模式図である。図４（ｂ）は遮蔽板と偏光板をガスセルに密着して構成した図である。同じ構成要素には図２と同じ参照番号を付して説明する。この光学系６２は、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、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６２であって、共鳴光６を出射する光源１と、共鳴光６を所定の振動方向に偏光する偏光板１２と、光源１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６を通過させるガスセル２と、ガスセル２を通過した透過光７を検出する光検出手段としての光検出器４と、を備え、ガスセル２から放射された蛍光５を遮蔽する遮蔽板８と偏光板３をガスセル２の出射側に配置した。また、図４（ｂ）のように遮蔽板８と偏光板３をガスセル２の出射側に密着して配置しても良い。尚、本実施形態では、ガスセル２側からみて、遮蔽板８、偏光板３の順で配置しているが、逆でも構わない。

即ち、偏光板３により偏光しても、若干の蛍光は偏光板３から漏れる可能性がある。そこで偏光板３と遮蔽板８を直列に配置して蛍光遮蔽手段を構成する。これにより、より効果的に蛍光の漏れ光を遮蔽することができる。また、ガスセル２から光検出器４までの距離が長いほど、周辺の漏れ光が光検出器４に入射する可能性が高くなる。そこで図２（ｂ）〜図４（ｂ）のように、蛍光遮蔽手段をガスセル２の出射側に密着して配置する。これにより、周辺の漏れ光が光検出器４に入射する確率を低くすると共に、光学系を小型化することができる。

図５（ａ）は本発明の光学系に使用されるガスセルから発光される蛍光の発散を防止する方法を説明する図であり、図５（ｂ）はガスセル出射側から見た図である。この蛍光吸収部材６３はガスセル２の外周に蛍光５を吸収する蛍光吸収部材としての反射防止筒１０を備え、その筒の入射側と出射側に光が通過する通過孔１１を備えた。この蛍光吸収部材としては、１）ガスセル２を収めるケース内面に黒色塗料又は濃色塗料を塗る方法と、２）ガスセル２を収めるケースを黒色の樹脂材料により構成する方法と、３）ガスセル２を収めるケースをアルマイト処理などの黒色化する表面処理を施す方法がある。

即ち、ガスセル２は周辺が透明なガラスにより構成されているため、全ての面から蛍光５が発光される可能性がある。そして、ガスセル２周辺に反射部材があると、それに反射して迷光として光検出器４に入射する虞がある。そこで本実施形態では、ガスセル２外周に蛍光を吸収する蛍光吸収部材を備える。これにより、ガスセル２から発光された蛍光が迷光として光検出器４に入射することを防止することができる。

また、偏光手段として偏光フィルター又はビームスプリッターにより構成しても構わない。即ち、偏光フィルターはある１つの振動方向の光を取り出すためのフィルターであり、また、ビームスプリッターは、入射した光の一部を反射し、一部は透過する性質を有する。従って、偏光成分を分離できる偏光ビームスプリッターを使用することもできる。これにより、透過光７と蛍光５を簡単な構造で確実に分離することができる。

また、上記の光学系を原子発振器に備えることにより、蛍光の強度を検出してコヒーレント光源にフィードバックして、コヒーレント光源から出射した光の総合的な変動をリアルタイムに検出してコヒーレント光源の光強度を一定に制御することができるので、Ｓ／Ｎが向上した高性能な原子発振器を提供することができる。

１…光源、２…ガスセル、３，１２…偏光板、４…光検出器、５…蛍光、６…共鳴光、７…透過光、８…遮蔽板、９…ピンホール、１０…反射防止筒、１１…通過孔、６０，６１，６２…光学系、６３…蛍光吸収部材。

Claims

共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、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光源と、
前記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前記共鳴光を通過させるガスセルと、
前記金属原子ガスを通過した透過光を検出する光検出手段と、
を備え、
前記金属原子ガスから前記光検出手段へ出射された蛍光の少なくとも一部を遮蔽する蛍光遮蔽手段を、前記金属原子ガスと前記光検出手段との間に備えたことを特徴とする原子発振器の光学系。
前記蛍光遮蔽手段は、前記透過光を選択的に通過させる偏光手段により構成されている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。
前記蛍光遮蔽手段は、前記透過光が通過可能な開口部を有する遮蔽板により構成されている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。
前記蛍光遮蔽手段は、前記偏光手段及び前記遮蔽板から構成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の原子発振器の光学系。
前記蛍光遮蔽手段を、前記ガスセルに密着して配置したことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の原子発振器の光学系。
前記ガスセル外周に前記蛍光を吸収する蛍光吸収部材を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の原子発振器の光学系。
前記偏光手段は、偏光フィルター又はビームスプリッターにより構成されていることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項４に記載の原子発振器の光学系。
前記ガスセルが偏光ガラスによって形成され、該偏光ガラスが前記蛍光遮蔽手段を兼用するものであることを特徴とする請求項１記載の原子発振器の光学系。
請求項１乃至請求項８のいず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の光学系。