JP2013143497A - 原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器 - Google Patents

原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器 Download PDF

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Abstract

【課題】高い周波数精度を有する原子発振器用の光学モジュールを提供する。
【解決手段】光学モジュール１は、量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、異なる２つの波長を有する共鳴光Ｌを出射する光源部２と、アルカリ金属原子ガスを封入し、共鳴光Ｌが照射されるガスセル４と、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌの強度を検出する光検出部６と、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせるガス流生成部８と、を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器用の光学モジュールおよび原子発振器に関する。
近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が提案され、装置の小型化や低消費電力化が期待されている。ＣＰＴを利用した原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる２種類の波長（周波数）を有するコヒーレント光を照射すると、コヒーレント光の吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象：Electromagnetically Induced Transparency）を利用した発振器である。
原子発振器では、通常、ルビジウムやセシウム等のアルカリ金属原子は、酸化シリコン等からなる容器（ガスセル）に閉じ込められ、このガスセルにコヒーレント光を照射することで、ＥＩＴ現象を発現させる。ガスセル内では、アルカリ金属原子は、ガス状（気体状）である。このような原子発振器では、ガスセル内の原子密度の変化を防ぐために、ガスセルの温度は、一定になるように制御されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００７−３３６１３６号公報
しかしながら、このようなガスセルでは、アルカリ金属原子ガスを構成する個々のアルカリ金属原子は、ランダムな方向に向かって運動している。したがって、アルカリ金属原子ガスを構成する個々のアルカリ金属原子は、コヒーレント光の進行方向と同じ方向の速度成分に分布を持つ。アルカリ金属原子がコヒーレント光の進行方向と同じ方向の速度成分に分布を持つと、光のドップラー効果（ドップラーシフト）により、コヒーレント光の見かけ上の波長（周波数）、すなわち、アルカリ金属原子から見たコヒーレント光の波長（周波数）に分布を生じる。これにより、得られるＥＩＴ信号の線幅（光吸収幅）が広がってしまい、周波数精度が低下してしまう場合がある。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、高い周波数精度を有する原子発振器用の光学モジュールを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記原子発振器用の光学モジュールを有する原子発振器を提供することにある。
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールは、
量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、
異なる２つの波長を有する共鳴光を出射する光源部と、
アルカリ金属原子ガスを封入し、前記共鳴光が照射されるガスセルと、
前記ガスセルを透過した前記共鳴光の強度を検出する光検出部と、
前記アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせるガス流生成部と、
を含む。
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることにより、アルカリ金属原子がランダムな方向に運動する場合と比べて、アルカリ金属原子の、共鳴光の進行方向と同じ方向の速度成分のばらつきを、小さくすることができる。これにより、光のドップラー効果（ドップラーシフト）に起因してＥＩＴ信号の線幅が広がることを抑制することができる。したがって、高い周波数精度を有することができる。
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガス流生成部は、前記ガスセル内に温度勾配を生じさせてもよい。
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、簡易な構成でアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができる。
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガス流生成部は、前記ガスセルに熱を供給するヒーターを含んでいてもよい。
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、簡易な構成でアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができる。
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガス流生成部は、前記ガスセルに光を照射する発光部と、前記発光部から照射された光を吸収して熱を発生する光吸収部と、を含んでいてもよい。
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、簡易な構成でアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができる。
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガス流生成部は、前記アルカリ金属原子ガスに、前記共鳴光の進行方向と平行な方向の流れを生じさせてもよい。
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、ＥＩＴの発現効率を高めることができる。
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガス流生成部は、前記アルカリ金属原子ガスに、前記共鳴光の進行方向に対して垂直な方向の流れを生じさせてもよい。
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることにより、アルカリ金属原子がランダムな方向に運動する場合と比べて、アルカリ金属原子の、共鳴光の進行方向と同じ方向の速度成分のばらつきを、小さくすることができる。
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールにおいて、
前記ガスセルは、直方体であり、
前記ガス流生成部は、
前記ガスセルの第１面に設けられた第１ヒーターと、
前記ガスセルの前記第１面に対向する第２面に設けられた第２ヒーターと、
を有し、
前記第１ヒーターの温度は、前記第２ヒーターの温度よりも高くてもよい。
このような原子発振器用の光学モジュールによれば、簡易な構成でアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができる。
本発明に係る原子発振器は、
本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含む。
このような原子発振器によれば、本発明に係る原子発振器用の光学モジュールを含むため、高い周波数精度を有することができる。
第１実施形態に係る原子発振器の機能ブロック図。 図２（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波及び第２側帯波の関係を示す図、図２（Ｂ）は光源部で発生する共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。 第１実施形態に係る原子発振器の構成を示す図。 第１実施形態に係る原子発振器の光学モジュールを模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係る原子発振器の光学モジュールを模式的に示す断面図。 図６（Ａ）はアルカリ金属原子がランダムに運動している場合のガスセル内を模式的に示す図、図６（Ｂ）はアルカリ金属原子がランダムに運動している場合のアルカリ金属原子のＸ方向の速度成分の分布を示すグラフ。 図７（Ａ）はアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせた場合のガスセル内を模式的に示す図、図７（Ｂ）はアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせた場合のアルカリ金属原子のＸ方向の速度成分の分布を示すグラフ。 第２実施形態に係る原子発振器の光学モジュールを模式的に示す斜視図。 第２実施形態に係る原子発振器の光学モジュールを模式的に示す断面図。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 第１実施形態
まず、第１実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る原子発振器１００の機能ブロック図である。
原子発振器１００は、量子干渉効果（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。原子発振器１００は、光学モジュール１と、制御部１０１と、を含んで構成されている。
光学モジュール１は、光源部２と、ガスセル４と、光検出部６と、ガス流生成部８と、を含んで構成されている。
光源部２は、異なる２つの波長を有する共鳴光Ｌを出射する。光源部２において発生する共鳴光Ｌは、中心周波数ｆ０に対して上側サイドバンドに周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍを有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ０に対して下側サイドバンドに周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍを有する第２側帯波Ｗ２と、を含む（図２参照）。
ガスセル４には、共鳴光Ｌが照射される。ガスセル４は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（アルカリ金属原子ガス）が封入されたものである。ガスセル４に封入されるアルカリ金属としては、ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等が挙げられる。
光検出部６は、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌの強度を検出する。
ガス流生成部８は、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせる。ここで、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせるとは、アルカリ金属原子ガスに動きを生じさせることをいう。すなわち、ガスセル内のアルカリ金属原子全体をみたときに、アルカリ金属原子の運動に一定の傾向を生じさせることをいう。ガス流生成部８が、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることにより、アルカリ金属原子がランダムな方向に運動する場合と比べて、アルカリ金属原子の、共鳴光の進行方向と同じ方向の速度成分のばらつきを、小さくすることができる。その理由については後述する。
制御部１０１は、光検出部６の検出結果に基づいて、第１側帯波Ｗ１および第２側帯波Ｗ２の波長（周波数）差が、ガスセル４に封入されたアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。制御部１０１は、光検出部６の検出結果に基づいて、変調周波数ｆｍを含む信号を発生させる。そして、光源部２は、この変調周波数ｆｍを含む信号に基づいて所定の周波数ｆ０を有する基本波Ｆを変調して、周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍを有する第１側帯波Ｗ１、および周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍを有する第２側帯波Ｗ２を発生させる。
図２（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと第１側帯波Ｗ１及び第２側帯波Ｗ２の関係を示す図である。図２（Ｂ）は、共鳴光の周波数スペクトラムを示す図である。
図２（Ｂ）に示すように、光源部２において発生する共鳴光Ｌは、中心周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０はレーザー光の中心波長）を有する基本波Ｆと、中心周波数ｆ０に対して上側サイドバンドに周波数ｆ１を有する第１側帯波Ｗ１と、中心周波数ｆ０に対して下側サイドバンドに周波数ｆ２を有する第２側帯波Ｗ２と、を含む。第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ１は、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍであり、第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ２は、ｆ２＝ｆ０−ｆｍである。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、第１側帯波Ｗ１の周波数ｆ１と第２側帯波Ｗ２の周波数ｆ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。したがって、アルカリ金属原子は、周波数ｆ１を有する第１側帯波Ｗ１と周波数ｆ２を有する第２側帯波Ｗ２によってＥＩＴ現象を起こす。
ここで、ＥＩＴ現象について説明する。アルカリ金属原子と光との相互作用は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。図２（Ａ）に示すように、アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位ＧＬ１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ１）を有する第１側帯波Ｗ１、あるいは基底準位ＧＬ２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ２）を有する第２側帯波Ｗ２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、光吸収が起きる。ところが、図２（Ｂ）に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致する第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。このＥＩＴ現象を利用し、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
以下、第１実施形態に係る原子発振器のより具体的な構成について説明する。
図３は、第１実施形態に係る原子発振器１００の構成を示す図である。
原子発振器１００は、図３に示すように、半導体レーザー１０２と、ガスセル４と、光検出器１０６と、ガス流生成部１０８と、第１検波回路１６０と、第１低周波発振器１６２と、電流駆動回路１６４と、第２検波回路１７０と、第２低周波発振器１７２と、検波用変調回路１７４と、変調周波数発生回路１７６と、を含んで構成されている。
半導体レーザー１０２は、ガスセル４に含まれるアルカリ金属原子に共鳴光Ｌを照射することができる。半導体レーザー１０２が出射するレーザー光は、電流駆動回路１６４が出力する駆動電流によって中心周波数ｆ０（中心波長λ０）が制御され、変調周波数発生回路１７６の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１６４による駆動電流に、変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１０２が出射するレーザー光に変調をかけることができる。これにより、半導体レーザー１０２は、第１側帯波Ｗ１、および第２側帯波Ｗ２を含む共鳴光Ｌを出射することができる。
半導体レーザー１０２は、例えば、面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。面発光型半導体レーザーにおいて発生する光は、可干渉性を有するため、量子干渉効果を得るために好適である。なお、半導体レーザー１０２は、端面発光型レーザーであってもよい。
ガスセル４は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（アルカリ金属原子ガス）が封入されたものである。このガスセル４に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数（波長）を有する２つの光波が照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線における基底準位ＧＬ１と基底準位ＧＬ２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの２つの光波が照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
光検出器１０６は、ガスセル４を透過した共鳴光Ｌを検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。光検出器１０６は、例えば、フォトダイオードである。
ガス流生成部１０８は、ガスセル４に熱を供給して、ガスセル４に温度勾配を生じさせる。これにより、対流によって、ガスセル４内のアルカリ金属原子ガスに流れが生じる。
第１検波回路１６０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する第１低周波発振器１６２の発振信号を用いて、光検出器１０６の出力信号を同期検波する。
電流駆動回路１６４は、第１検波回路１６０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生して、レーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）を制御する。なお、第１検波回路１６０による同期検波を可能とするために、電流駆動回路１６４により発生する駆動電流には第１低周波発振器１６２の発振信号（第１検波回路１６０に供給される発振信号と同じ）が重畳される。
半導体レーザー１０２、ガスセル４、光検出器１０６、第１検波回路１６０、および電流駆動回路１６４を通るフィードバックループによりレーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）が微調整されて安定する。
第２検波回路１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する第２低周波発振器１７２の発振信号を用いて光検出器１０６の出力信号を同期検波する。
変調周波数発生回路１７６は、第２検波回路１７０の出力信号の電圧に応じた変調周波数ｆｍを有する変調信号を発生させる。
この変調信号は、検波用変調回路１７４によって、第２低周波発振器１７２の発振信号（第２検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）で変調がかけられ、半導体レーザー１０２に供給される。これにより、変調周波数ｆｍをわずかにスイープさせながら第２検波回路１７０による同期検波が行われ、光検出器１０６の出力信号が最大になるように変調周波数ｆｍが微調整される。
原子発振器１００において、共鳴光Ｌの第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数差がガスセル４に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２の周波数に応じて光検出器１０６の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、半導体レーザー１０２、ガスセル４、光検出器１０６、第２検波回路１７０、変調周波数発生回路１７６、検波用変調回路１７４、を通るフィードバックループにより、第１側帯波Ｗ１と第２側帯波Ｗ２との周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、変調周波数は極めて安定した周波数になるので、変調信号を原子発振器１００の出力信号（クロック出力）とすることができる。
ここで、光学モジュール１の構成についてより具体的に説明する。
図４は、光学モジュール１を模式的に示す斜視図である。図５は、光学モジュール１を模式的に示す断面図である。なお、図５は、図４のＶ−Ｖ線断面図である。図４および図５では、便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。
光学モジュール１では、図４に示すように、半導体レーザー１０２、コリメートレンズ１０３、ガスセル４、光検出器１０６が、Ｘ軸に沿って配置されている。
半導体レーザー１０２から出射される共鳴光Ｌは、Ｘ軸に沿って進行する。すなわち、ここでは、共鳴光Ｌの光軸は、Ｘ軸に平行であり、共鳴光Ｌの進行方向（光軸方向）とは、Ｘ方向である。
光学モジュール１は、半導体レーザー１０２とガスセル４との間に、共鳴光Ｌを平行光に変換するためのコリメートレンズ１０３を有していてもよい。
半導体レーザー１０２から出射された共鳴光Ｌは、コリメートレンズ１０３を介して、ガスセル４に入射される。半導体レーザー１０２は、ガスセル４の中心を避けて共鳴光Ｌを照射する。図示の例では、ガスセル４は、直方体であり、共鳴光Ｌは、ガスセル４の中心（直方体の中心）を避けて、ガスセル４の中心よりも第２ヒーター１０８ｂ側（＋Ｙ方向）にずれた位置を通過している。ガスセル４の中心付近は、アルカリ金属原子ガスの流れＳが弱いため、ガスセル４の外側付近と比べて、アルカリ金属原子のＸ方向（進行方向）の速度成分のばらつきが大きいためである。
ガスセル４は、図示の例では、直方体である。ガスセル４の形状は、直方体に限定されず、その他の多面体や、円柱、球体であってもよい。
ガス流生成部１０８は、第１ヒーター１０８ａと、第２ヒーター１０８ｂと、を有している。第１ヒーター１０８ａは、ガスセル４の第１側面（第１面）４ａに設けられている。また、第２ヒーター１０８ｂは、第１側面４ａに対向する第２側面（第２面）４ｂに設けられている。第１側面４ａおよび第２側面４ｂは、共鳴光Ｌの光軸と公差しない面（すなわち共鳴光Ｌが入射しない面）であり、本実施形態では、垂線がＹ軸と平行となる面である。第１ヒーター１０８ａおよび第２ヒーター１０８ｂは、ガスセル４に熱を供給することができる。
ガス流生成部１０８は、例えば、第１ヒーター１０８ａおよび第２ヒーター１０８ｂを制御するための制御部（図示せず）を有している。制御部は、例えば、第１ヒーター１０８ａの温度が第２ヒーター１０８ｂの温度よりも高くなるように制御を行う。これにより、ガスセル４内に温度勾配が生じ、対流によって、アルカリ金属原子ガスに一定の流れＳが生じる。
図５に示す例では、アルカリ金属原子ガスに、共鳴光Ｌの進行方向（Ｘ方向）からみて、右まわりにまわる流れＳが生じている。したがって、共鳴光Ｌが照射される領域において、アルカリ金属原子ガスの流れＳは、ガスセル４の下面側から上面側に向かって生じている。すなわち、共鳴光Ｌが照射される領域において、アルカリ金属原子ガスの流れＳは、共鳴光Ｌの進行方向（Ｘ方向）に対して、垂直な方向（Ｚ方向）に生じている。
図６（Ａ）は、アルカリ金属原子がランダムに運動している場合のガスセル内を模式的に示す図である。図６（Ｂ）は、アルカリ金属原子がランダムに運動している場合におけるアルカリ金属原子のＸ方向の速度成分の分布を示すグラフである。図７（Ａ）は、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせた場合のガスセル内を模式的に示す図である。図７（Ｂ）は、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせた場合におけるアルカリ金属原子のＸ方向の速度成分の分布を示すグラフである。図６（Ｂ）および図７（Ｂ）の横軸は、アルカリ金属原子のＸ方向の速度である。なお、Ｘ方向は、共鳴光Ｌの進行方向である。
図６に示すように、ガスセル内において、アルカリ金属原子がランダムに運動している場合（アルカリ金属原子ガスに流れが生じていない場合）、アルカリ金属原子のＸ方向の速度成分は、ばらつきが大きい。これに対して、図７に示すように、ガスセル内にＺ方向の流れを生じさせた場合、アルカリ金属原子のＸ方向の速度成分は、アルカリ金属原子がランダムに運動している場合と比べて、ばらつきが小さい。
なお、図７の例では、アルカリ金属原子ガスにＺ方向の流れを生じさせているが、アルカリ金属原子ガスにその他の方向（例えば、Ｘ方向やＹ方向）の流れを生じさせた場合についても同様に、アルカリ金属原子のＸ方向の速度成分は、アルカリ金属原子がランダムに運動している場合と比べて、ばらつきが小さくなる。
このように、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることによって、アルカリ金属原子がランダムに運動する場合と比べて、アルカリ金属原子のＸ方向（共鳴光Ｌの進行方向）の速度成分の大きさのばらつきを、小さくすることができる。アルカリ金属原子のＸ方向（共鳴光Ｌの進行方向）の速度成分のばらつきを小さくすることにより、光のドップラー効果（ドップラーシフト）に起因してＥＩＴ信号の線幅（光吸収幅、ＥＩＴ現象が生じる周波数差の範囲）が広がることを抑制することができる。すなわち、周波数精度の低下を抑制することができる。したがって、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることによって、周波数精度の低下を抑制することができる。
なお、半導体レーザー１０２、光検出器１０６、ガス流生成部１０８は、それぞれ図１に示す光源部２、光検出部６、ガス流生成部８に対応する。また、第１検波回路１６０、第１低周波発振器１６２、電流駆動回路１６４、第２検波回路１７０、第２低周波発振器１７２、検波用変調回路１７４、変調周波数発生回路１７６で構成される回路は、図１に示す制御部１０１に対応する。
本実施形態に係る光学モジュール１および原子発振器１００は、例えば、以下の特徴を有する。
光学モジュール１によれば、上述したように、ガス流生成部１０８によってアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることにより、光のドップラー効果に起因する周波数精度の低下を抑制することができる。したがって、光学モジュール１は、高い周波数精度を有することができる。
光学モジュール１によれば、ガス流生成部１０８は、ガスセル４内に温度勾配を生じさせることによって、アルカリ金属原子ガスに流れＳを生じさせることができる。これにより、例えば、上述したようにヒーター１０８ａ，１０８ｂ等を用いた簡易な構成でアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができる。したがって、装置の簡略化を図ることができる。さらに、アルカリ金属原子ガスに対流を生じさせることにより、アルカリ金属原子ガスの流れＳを一定にすることができる。これにより、アルカリ金属原子のＸ方向（共鳴光Ｌの進行方向）の速度成分の大きさのばらつきを、より小さくすることができる。
本実施形態に係る原子発振器１００は、光学モジュール１を含むため、高い周波数精度を有することができる。
なお、上述した実施形態では、ガス流生成部１０８は、２つのヒーター１０８ａ，１０８ｂを用いてアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせていたが、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができればヒーターの数は特に限定されない。
２．第２実施形態
次に、第２実施形態に係る原子発振器について、図面を参照しながら説明する。図８は、第２実施形態に係る原子発振器の光学モジュール２０１を模式的に示す斜視図である。図９は、光学モジュール２０１を模式的に示す断面図である。なお、図９は、図８のＩＸ−ＩＸ線断面図である。以下、第２実施形態に係る光学モジュール２０１において、第１実施形態に係る光学モジュール１の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
光学モジュール２０１では、ガス流生成部１０８は、図８および図９に示すように、発光部２１０と、発光部２１０から出射した光を吸収する光吸収部２２０と、を含んで構成されている。
発光部２１０は、ガスセル４に光を照射することによって熱を供給することができる。発光部２１０は、例えば、赤外線ＩＲを出射し、光吸収部２２０は赤外線ＩＲを吸収可能な材料によって形成されている。発光部２１０から出射された赤外線ＩＲは、光吸収部２２０に照射される。発光部２１０としては、例えば、赤外ランプ、半導体レーザー等の発光装置を用いることができる。
光吸収部２２０は、発光部２１０から出射された赤外線ＩＲを吸収して発熱する。これにより、ガスセル４に熱を供給することができる。光吸収部２２０は、図示の例では、ガスセル４の下面に設けられている。ガスセル４には、第１側面４ａから第２側面４ｂまで貫通する貫通孔５が設けられている。そのため、光吸収部２２０によりガスセル４の下面側から熱を供給することによって、アルカリ金属原子ガスに貫通孔５の周囲をまわる流れＳを生じさせることができる。
図９に示す例では、アルカリ金属原子ガスに、共鳴光Ｌの進行方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）からみて、右まわりにまわる流れＳが生じている。共鳴光Ｌは、貫通孔５の上方（貫通孔５よりも＋Ｚ方向側）を通っている。そのため、共鳴光Ｌが照射される領域において、アルカリ金属原子ガスの流れＳは、共鳴光Ｌの進行方向（Ｘ方向）と平行な方向に生じている。したがって、アルカリ金属原子がランダムな方向に運動する場合と比べて、アルカリ金属原子のＸ方向（共鳴光Ｌの進行方向）の速度成分のばらつきを小さくすることができる。さらに、共鳴光Ｌの進行方向とアルカリ金属原子ガスの流れＳの方向が同じであるため、共鳴光Ｌの進行方向とアルカリ金属原子ガスの流れＳの方向が異なる場合と比べて、ＥＩＴの発現効率を高めることができる。これは、共鳴光Ｌの進行方向とアルカリ金属原子ガスの流れＳの方向が同じ場合、共鳴光Ｌの進行方向とアルカリ金属原子ガスの流れＳの方向が異なる場合と比べて、アルカリ金属原子と共鳴光Ｌの相互作用時間が長くなるためである。
なお、本実施形態に係る原子発振器のその他の構成は、上述した原子発振器１００と同様であり、その説明を省略する。
本実施形態に係る光学モジュールは、例えば、以下の特徴を有する。
本実施形態に係る光学モジュール２０１によれば、第１実施形態に係る光学モジュール１と同様に、ガス流生成部１０８によってアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることにより、光のドップラー効果に起因する周波数精度の低下を抑制することができる。したがって、光学モジュール２０１は、高い周波数精度を有することができる。
光学モジュール２０１によれば、ガス流生成部１０８は、ガスセル内に温度勾配を生じさせることによって、アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができる。これにより、例えば、上述したように発光部２１０および光吸収部２２０等を用いた簡易な構成でアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができる。したがって、装置の簡略化を図ることができる。
本実施形態に係る光学モジュール２０１によれば、共鳴光Ｌの進行方向とアルカリ金属原子ガスの流れＳの方向が同じであるため、共鳴光Ｌの進行方向とアルカリ金属原子ガスの流れＳの方向が異なる場合と比べて、ＥＩＴの発現効率を高めることができる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
例えば、上述した第１実施形態では、図５に示すように、共鳴光Ｌが照射される領域において、アルカリ金属原子ガスの流れＳが、共鳴光Ｌの進行方向（Ｘ方向）に対して、垂直な方向（Ｚ方向）に生じている場合について説明した。また、上述した第２実施形態では、図９に示すように、共鳴光Ｌが照射される領域において、アルカリ金属原子ガスの流れＳが、共鳴光Ｌの進行方向（Ｘ方向）と同じ方向に生じている場合について説明したが、共鳴光Ｌが照射される領域における、アルカリ金属原子ガスの流れＳの方向は特に限定されない。アルカリ金属原子ガスの流れＳの方向が、共鳴光Ｌの進行方向に対してどの方向であったとしても、上述したように、アルカリ金属原子のＸ方向の速度成分は、アルカリ金属原子がランダムな方向に運動している場合と比べて、ばらつきが小さくなる。したがって、共鳴光Ｌが照射される領域において、アルカリ金属原子ガスに流れＳが生じていれば、その流れＳの方向によらず、原子発振器の周波数精度を向上させることができる。
また、例えば、ガス流生成部１０８は、上述した第１実施形態では、図４に示すように、ヒーター１０８ａ，１０８ｂを含んで構成され、上述した第２実施形態では、図８に示すように、発光部２１０および光吸収部２２０を含んで構成されていたが、ガス流生成部の構成は、これに限定されない。ガス流生成部は、ガスセル内のアルカリ金属原子ガスに流れを生じさせることができれば、その構成は特に限定されない。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
Ｓ 流れ、Ｌ 共鳴光、１ 光学モジュール、２ 光源部、４ ガスセル、
４ａ 第１側面、４ｂ 第２側面、５ 貫通孔、６ 光検出部、８ ガス流生成部、
１００ 原子発振器、１０１ 制御部、１０２ 半導体レーザー、
１０３ コリメートレンズ、１０６ 光検出器、１０８ ガス流生成部、
１０８ａ 第１ヒーター、１０８ｂ 第２ヒーター、１６０ 第１検波回路、
１６２ 第１低周波発振器、１６４ 電流駆動回路、１７０ 第２検波回路、
１７２ 第２低周波発振器、１７４ 検波用変調回路、１７６ 変調周波数発生回路、
２０１ 光学モジュール

Claims (8)

  1. 量子干渉効果を利用する原子発振器用の光学モジュールであって、
    異なる２つの波長を有する共鳴光を出射する光源部と、
    アルカリ金属原子ガスを封入し、前記共鳴光が照射されるガスセルと、
    前記ガスセルを透過した前記共鳴光の強度を検出する光検出部と、
    前記アルカリ金属原子ガスに流れを生じさせるガス流生成部と、
    を含む、ことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。
  2. 前記ガス流生成部は、前記ガスセル内に温度勾配を生じさせる、ことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器用の光学モジュール。
  3. 前記ガス流生成部は、前記ガスセルに熱を供給するヒーターを含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
  4. 前記ガス流生成部は、前記ガスセルに光を照射する発光部と、前記発光部から照射された光を吸収して熱を発生する光吸収部と、を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
  5. 前記ガス流生成部は、前記アルカリ金属原子ガスに、前記共鳴光の進行方向と平行な方向の流れを生じさせる、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
  6. 前記ガス流生成部は、前記アルカリ金属原子ガスに、前記共鳴光の進行方向に対して垂直な方向の流れを生じさせる、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
  7. 前記ガスセルは、直方体であり、
    前記ガス流生成部は、
    前記ガスセルの第１面に設けられた第１ヒーターと、
    前記ガスセルの前記第１面に対向する第２面に設けられた第２ヒーターと、
    を有し、
    前記第１ヒーターの温度は、前記第２ヒーターの温度よりも高い、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子発振器用の光学モジュールを含む、ことを特徴とする原子発振器。
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