JP2015185911A - 原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents
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Abstract
【課題】余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを提供すること、また、かかる原子セルを備える量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】本発明のガスセル２は、アルカリ金属と、気体状のアルカリ金属が封入されている空間Ｓ１と、液体状または固体状のアルカリ金属が配置されている空間Ｓ２と、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを連通させているとともに、空間Ｓ２の幅よりも狭い幅の部分を有する空間Ｓ３と、備える。【選択図】図５
Description
本発明は、原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。
いずれの方式の原子発振器においても、通常、アルカリ金属をガスセル（原子セル）内に封入し、そのアルカリ金属を一定のガス状態に保つために、ガスセルをヒーターにより所定温度に加熱する。
ここで、一般に、ガスセル内のアルカリ金属は、そのすべてがガス化するのではなく、一部が余剰分として液体となる。このような余剰分のアルカリ金属原子は、ガスセルの温度の低い部分に析出（結露）することにより液体となるが、励起光の通過領域に存在すると、励起光を遮ってしまい、その結果、原子発振器の発振特性の低下を招くこととなる。
そこで、特許文献１に係るガスセルでは、アルカリ金属を析出させるための凹部がガスセルの内壁面に設けられている。
しかし、特許文献１に係るガスセルでは、凹部内に析出した余剰分のアルカリ金属が励起光の通過領域に比較的近くで面し、熱拡散等により状態が時間的に変動しているため、励起されるガス状のアルカリ金属の一部が凹部内の余剰分のアルカリ金属と接触することにより、励起されるガス状のアルカリ金属の状態が不均一となり、その結果、発振特性が低下（例えば周波数変動）するという問題があった。
本発明の目的は、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを提供すること、また、かかる原子セルを備える量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。
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］
本発明の原子セルは、金属と、
気体状の前記金属が封入されている光通過部と、
液体状または固体状の前記金属が配置されている金属溜り部と、
前記光通過部と前記金属溜り部とを連通させていて、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有する連通部と、
を備えることを特徴とする。
本発明の原子セルは、金属と、
気体状の前記金属が封入されている光通過部と、
液体状または固体状の前記金属が配置されている金属溜り部と、
前記光通過部と前記金属溜り部とを連通させていて、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有する連通部と、
を備えることを特徴とする。
このような原子セルによれば、連通部が金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有するため、金属溜り部の大きさを確保しつつ、金属溜り部内の液体状の金属が光通過部へ移動することを低減して（液体状の金属の挙動を安定化して）、光通過部内の気体状の金属に対する液体状の金属の影響を低減することができる。その結果、余剰分の金属による特性の低下を抑制することができる。
［適用例２］
本発明の原子セルでは、１対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置されていて、前記１対の窓部とともに前記光通過部を構成し、前記金属溜り部および前記連通部を備えている胴体部と、
を有することが好ましい。
本発明の原子セルでは、１対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置されていて、前記１対の窓部とともに前記光通過部を構成し、前記金属溜り部および前記連通部を備えている胴体部と、
を有することが好ましい。
これにより、光通過部、金属溜り部および連通部を有する小型な原子セルを高精度かつ簡単に形成することができる。
［適用例３］
本発明の原子セルでは、前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向から見たときに、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有することが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向から見たときに、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有することが好ましい。
これにより、連通部を１対の窓部間の全域にわたって形成することができる。そのため、共鳴信号スペクトル形状の対称性が向上し、それにより周波数安定度を向上させることができる。また、基板に厚さ方向に貫通する貫通孔を形成するという簡単な方法で、金属溜り部よりも幅の狭い連通部を有する胴体部を形成することができる。
［適用例４］
本発明の原子セルでは、前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向から見たときに、前記光通過部の幅に対して１／５以下の幅の部分を有することが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向から見たときに、前記光通過部の幅に対して１／５以下の幅の部分を有することが好ましい。
これにより、光通過部内の気体状の金属に対する金属溜り部内の液体状の金属の影響を効果的に低減することができる。
［適用例５］
本発明の原子セルでは、前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向に対して交差する方向から見たときに、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有することが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向に対して交差する方向から見たときに、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有することが好ましい。
これにより、連通部の光通過部側の開口と１対の窓部のうちの少なくとも一方の窓部との間の距離を大きくすることができる。そのため、液体状の金属が窓部側に移動するのを効果的に低減することができる。その結果、余剰分の金属による特性の低下をより効果的に抑制することができる。
［適用例６］
本発明の原子セルでは、前記胴体部と前記窓部とが加熱接合されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単に胴体部と各窓部とを気密接合することができる。
本発明の原子セルでは、前記胴体部と前記窓部とが加熱接合されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単に胴体部と各窓部とを気密接合することができる。
［適用例７］
本発明の原子セルでは、前記胴体部は、シリコンを含んで構成されていることが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記胴体部は、シリコンを含んで構成されていることが好ましい。
これにより、ＭＥＭＳ加工技術を用いて、光通過部、金属溜り部および連通部を高精度に形成するとともに、原子セルの小型化を図ることができる。
［適用例８］
本発明の原子セルでは、前記光通過部と前記金属溜り部との間の前記連通部に沿った距離が、前記連通部の幅よりも大きいことが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記光通過部と前記金属溜り部との間の前記連通部に沿った距離が、前記連通部の幅よりも大きいことが好ましい。
これにより、光通過部内の気体状の金属に対する金属溜り部内の液体状の金属の影響を効果的に低減することができる。
［適用例９］
本発明の原子セルでは、前記光通過部と前記金属溜り部との間の前記連通部に沿った距離が、前記連通部の幅に対して２倍以上であることが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記光通過部と前記金属溜り部との間の前記連通部に沿った距離が、前記連通部の幅に対して２倍以上であることが好ましい。
これにより、光通過部内の気体状の金属に対する金属溜り部内の液体状の金属の影響をより効果的に低減することができる。
［適用例１０］
本発明の量子干渉装置は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
本発明の量子干渉装置は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを備えた量子干渉装置を提供することができる。
［適用例１１］
本発明の原子発振器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
本発明の原子発振器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを備えた原子発振器を提供することができる。
［適用例１２］
本発明の電子機器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
本発明の電子機器は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを備えた電子機器を提供することができる。
［適用例１３］
本発明の移動体は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
本発明の移動体は、本発明の原子セルを備えることを特徴とする。
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子セルを備えた移動体を提供することができる。
以下、本発明の原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の量子干渉装置を備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
まず、本発明の原子発振器（本発明の量子干渉装置を備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。また、図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。また、図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。この原子発振器１は、図１に示すように、ガスセル２（原子セル）と、光出射部３と、光学部品４１、４２、４３、４４と、光検出部５と、ヒーター６と、温度センサー７と、磁場発生部８と、制御部１０とを備える。
まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
図１に示すように、原子発振器１では、光出射部３がガスセル２に向けて励起光ＬＬを出射し、ガスセル２を透過した励起光ＬＬを光検出部５が検出する。
図１に示すように、原子発振器１では、光出射部３がガスセル２に向けて励起光ＬＬを出射し、ガスセル２を透過した励起光ＬＬを光検出部５が検出する。
ガスセル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
光出射部３から出射された励起光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光１、２を含んでおり、この２種の共鳴光１、２を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
例えば、光出射部３が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部５の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、発振器を構成することができる。
以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
［ガスセル］
ガスセル２内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、ガスセル２内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
［ガスセル］
ガスセル２内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、ガスセル２内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
後に詳述するが、ガスセル２は、貫通孔を有する胴部と、この胴部の貫通孔の開口を塞ぐ１対の窓部とを有し、これにより、気体状のアルカリ金属と、余剰分である液体状または固体状のアルカリ金属とが封入される内部空間が形成さている。
［光出射部］
光出射部３（光源）は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有する。
光出射部３（光源）は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有する。
より具体的には、光出射部３は、励起光ＬＬとして、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。共鳴光１は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。一方、共鳴光２は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。
この光出射部３としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
なお、光出射部３は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。
［光学部品］
複数の光学部品４１、４２、４３、４４は、それぞれ、前述した光出射部３とガスセル２との間における励起光ＬＬの光路上に設けられている。ここで、光出射部３側からガスセル２側へ、光学部品４１、光学部品４２、光学部品４３、光学部品４４の順に配置されている。
複数の光学部品４１、４２、４３、４４は、それぞれ、前述した光出射部３とガスセル２との間における励起光ＬＬの光路上に設けられている。ここで、光出射部３側からガスセル２側へ、光学部品４１、光学部品４２、光学部品４３、光学部品４４の順に配置されている。
光学部品４１は、レンズである。これにより、励起光ＬＬを無駄なくガスセル２へ照射することができる。
また、光学部品４１は、励起光ＬＬを平行光とする機能を有する。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。そのため、ガスセル２内での励起光の共鳴を好適に生じさせ、その結果、原子発振器１の発振特性を高めることができる。
光学部品４２は、偏光板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬの偏光を所定方向に調整することができる。
光学部品４３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、ガスセル２に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光出射部３の出力が大きい場合でも、ガスセル２に入射する励起光を所望の光量とすることができる。本実施形態では、前述した光学部品４２を通過した所定方向の偏光を有する励起光ＬＬの強度を光学部品４３により調整する。
光学部品４４は、λ／４波長板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。
後述するように磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、仮に直線偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位に均等に分散して存在することとなる。その結果、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数が他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に少なくなるため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が減少し、所望のＥＩＴ信号の強度が小さくなり、その結果、原子発振器１の発振特性の低下をもたらす。
これに対し、後述するように磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号の強度が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
［光検出部］
光検出部５は、ガスセル２内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
光検出部５は、ガスセル２内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この光検出部５としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。
［ヒーター］
ヒーター６（加熱部）は、前述したガスセル２（より具体的にはガスセル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。
ヒーター６（加熱部）は、前述したガスセル２（より具体的にはガスセル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。
このヒーター６は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。この発熱抵抗体は、ガスセル２に対して接触して設けられていてもよいし、ガスセル２に対して非接触で設けられていてもよい。
例えば、発熱抵抗体をガスセル２に対して接触して設ける場合、ガスセル２の１対の窓部にそれぞれ発熱抵抗体を設ける。これにより、ガスセル２の窓部にアルカリ金属原子が結露するのを防止することができる。その結果、原子発振器１の特性（発振特性）を長期にわたり優れたものとすることができる。このような発熱抵抗体は、励起光に対する透過性を有する材料、具体的には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成される。また、発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。
また、発熱抵抗体をガスセル２に対して非接触で設ける場合、熱伝導性に優れる金属等、セラミックス等の部材を介して発熱抵抗体からガスセル２へ伝熱すればよい。
なお、ヒーター６は、ガスセル２を加熱することができるものであれば、前述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター６に代えて、または、ヒーター６と併用して、ペルチェ素子を用いて、ガスセル２を加熱してもよい。
［温度センサー］
温度センサー７は、ヒーター６またはガスセル２の温度を検出するものである。そして、この温度センサー７の検出結果に基づいて、前述したヒーター６の発熱量が制御される。これにより、ガスセル２内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
温度センサー７は、ヒーター６またはガスセル２の温度を検出するものである。そして、この温度センサー７の検出結果に基づいて、前述したヒーター６の発熱量が制御される。これにより、ガスセル２内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
なお、温度センサー７の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター６上であってもよいし、ガスセル２の外表面上であってもよい。
温度センサー７としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
［磁場発生部］
磁場発生部８は、ガスセル２内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。
磁場発生部８は、ガスセル２内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。
この磁場発生部８は、例えば、ガスセル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、ガスセル２を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。これにより、ガスセル２内に一方向の均一な磁場を生じさせることができる。
また、磁場発生部８が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。
［制御部］
制御部１０は、光出射部３、ヒーター６および磁場発生部８をそれぞれ制御する機能を有する。
制御部１０は、光出射部３、ヒーター６および磁場発生部８をそれぞれ制御する機能を有する。
この制御部１０は、光出射部３の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部１２と、ガスセル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部１１と、磁場発生部８からの磁場を制御する磁場制御部１３とを有する。
励起光制御部１２は、前述した光検出部５の検出結果に基づいて、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。より具体的には、励起光制御部１２は、前述した周波数差（ω１−ω２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω０となるように、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。
ここで、励起光制御部１２は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部５の検知結果に基づいて同期・調整しながら、その電圧制御型水晶発振器の出力信号を原子発振器１の出力信号として出力する。
例えば、励起光制御部１２は、図示しないが、この電圧制御型水晶発振器からの出力信号を周波数逓倍する逓倍器を備えており、この逓倍器により逓倍された信号（高周波信号）を直流バイアス電流に重畳して駆動信号として光出射部３に入力する。これにより、光検出部５でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器を制御することで、電圧制御型水晶発振器から所望の周波数の信号が出力されることとなる。この逓倍器の逓倍率は、例えば、原子発振器１からの出力信号の所望の周波数をｆとしたとき、ω０／（２×ｆ）である。これにより、電圧制御型水晶発振器の発振周波数がｆであるとき、逓倍器からの信号を用いて、光出射部３に含まれる半導体レーザー等の発光素子を変調して、周波数差（ω１−ω２）がω０となる２つの光を出射させることができる。
また、温度制御部１１は、温度センサー７の検出結果に基づいて、ヒーター６への通電を制御する。これにより、ガスセル２を所望の温度範囲内に維持することができる。例えば、ガスセル２は、ヒーター６により、例えば、７０℃程度に温度調節される。
また、磁場制御部１３は、磁場発生部８が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部８への通電を制御する。
このような制御部１０は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。
（ガスセルの詳細な説明）
図４は、図１に示す原子発振器が備える原子セルの斜視図、図５（ａ）は、図４に示す原子セルの横断面図、図５（ｂ）は、図４に示す原子セルの縦断面図である。
図４は、図１に示す原子発振器が備える原子セルの斜視図、図５（ａ）は、図４に示す原子セルの横断面図、図５（ｂ）は、図４に示す原子セルの縦断面図である。
なお、図４では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、その図示された各矢印の先端側を「＋（プラス）」、基端側を「−（マイナス）」という。また、以下では、説明の便宜上、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。また、＋Ｚ軸方向側を「上」、−Ｚ軸方向側を「下」ともいう。
図４および図５に示すように、ガスセル２は、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。
胴体部２１には、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１が形成されている。この貫通孔２１１は、貫通孔２１１ａ、２１１ｂと、貫通孔２１１ａ、２１１ｂ間を連通させる貫通孔２１１ｃとで構成されている。
胴体部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さいガスセル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴体部２１を容易に形成することができる。すなわち、ＭＥＭＳ加工技術を用いて、空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を高精度に形成するとともに、ガスセル２の小型化を図ることができる。
そして、胴体部２１の−Ｚ軸方向側の端面（下端面）には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の＋Ｚ軸方向側の端面（上端面）には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１の両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ａによる空間Ｓ１と、貫通孔２１１ｂによる空間Ｓ２と、貫通孔２１１ｃによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。この内部空間Ｓには、アルカリ金属が収納されている。ここで、胴体部２１および１対の窓部２２、２３は、アルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを構成している「壁部」であるといえる。
胴体部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、気密的に接合できるものであれば、特に限定されず、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができるが、直接接合法、陽極接合法等の加熱接合法を用いることが好ましい。これにより、比較的簡単に胴体部２１と各窓部２２、２３とを気密接合することができる。
空間Ｓ１は、主に、気体状のアルカリ金属が収納されており、この空間Ｓ１内に収納されている気体状のアルカリ金属は、励起光ＬＬによって励起される。すなわち、空間Ｓ１は、励起光ＬＬが通過する「光通過部（光通過空間）」を構成する。本実施形態では、空間Ｓ１の横断面は、四角形をなしており、一方、実際に励起光ＬＬが通過する領域の横断面は、円形をなし、かつ、空間Ｓ１の横断面よりも若干小さく設定されている。なお、空間Ｓ１の横断面形状は、四角形に限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。
空間Ｓ２は、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている「金属溜り部」である。この空間Ｓ２は、空間Ｓ３を介して空間Ｓ１に連通している。したがって、アルカリ金属Ｍは、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属が不足したとき、気体状となって、励起光ＬＬの励起に供される。また、Ｚ軸方向（１対の窓部２２、２３が重なる（並ぶ）方向）から見たときに（以下、「平面視」ともいう）、この空間Ｓ２の幅Ｗ３（Ｙ軸方向に沿った長さ）は、空間Ｓ１の幅ＷＸ（Ｘ軸方向に沿った長さ）およびＷＹ（Ｙ軸方向に沿った長さ）よりも狭い。これにより、ガスセル２の小型化を図ることができる。
このような空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３は、前述したように、胴体部２１に形成されている貫通孔２１１の両端開口が１対の窓部２２、２３により封鎖されることにより形成されている。これにより、空間Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を有する小型なガスセル２を高精度かつ簡単に形成することができる。具体的には、例えば、シリコン基板やガラス基板等の基板をエッチング等の微細加工技術を用いて加工することにより、小型でかつ高精度な胴体部２１を容易かつ効率的に作成することができる。そのため、小型なガスセル２を高精度かつ簡単に形成することができる。特に、ＣＰＴを利用した方式の原子発振器は、二重共鳴現象を利用した方式の原子発振器に比し、小型化に向いており、近年、様々な機器への組み込みが期待され、さらなる小型化の要請も強いことから、小型なガスセル２を高精度かつ簡単に形成することができるという効果は、ＣＰＴを利用した方式の原子発振器１において重要となる。
このような空間Ｓ２の具体的な幅Ｗ３は、余剰分のアルカリ金属Ｍの体積やガスセル２全体の体積等に応じて決められるものであり、特に限定されないが、０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることがより好ましい。
また、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、Ｚ軸方向から見たとき、空間Ｓ２が四角形をなしている。なお、空間Ｓ２の横断面形状は、四角形に限定されず、例えば、五角形等の他の多角形、円形、楕円形等であってもよい。
また、空間Ｓ１と空間Ｓ２とを連通させている「連通部」である空間Ｓ３は、Ｚ軸方向から見たとき、直線的に延びた形状をなしている。また、Ｚ軸方向（１対の窓部２２、２３が重なる方向）から見たときに、空間Ｓ３の幅Ｗ２（Ｙ軸方向に沿った長さ）は、空間Ｓ２の幅Ｗ３（Ｙ軸方向に沿った長さ）よりも狭い。
このような胴体部２１に接合されている各窓部２２、２３は、前述した光出射部３からの励起光に対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、ガスセル２の空間Ｓ１内へ励起光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、ガスセル２の空間Ｓ１内から励起光ＬＬが出射する出射側窓部である。
また、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。
また、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。
窓部２２、２３の構成材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。窓部２２、２３をガラス材料で構成した場合、シリコン材料で構成された胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合法により簡単に気密的に接合することができる。なお、窓部２２、２３の厚さや励起光の強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。
以上説明したように構成されたガスセル２は、空間Ｓ１（光通過部）と空間Ｓ２（金属溜り部）とを連通させている空間Ｓ３（連通部）が空間Ｓ２の幅Ｗ３よりも狭い幅Ｗ２の部分を有するため、必要な液体状のアルカリ金属Ｍを収納し得る空間Ｓ２の大きさを確保しつつ、空間Ｓ２内の液体状のアルカリ金属Ｍが空間Ｓ１へ移動することを低減して、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属に対する液体状のアルカリ金属Ｍの影響を低減することができる。その結果、余剰分のアルカリ金属による特性の低下を抑制することができる。
また、本実施形態では、前述したように、空間Ｓ３は、１対の窓部２２、２３が重なる方向から見たときに、空間Ｓ２の幅Ｗ３よりも狭い幅の部分を有する。そして、空間Ｓ２は、１対の窓部２２、２３間の全域にわたって形成されている。そのため、共鳴信号スペクトル形状の対称性が向上し、それにより周波数安定度を向上させることができる。また、基板に厚さ方向に貫通する貫通孔２１１を形成するという簡単な方法で、空間Ｓ２よりも幅の狭い空間Ｓ３を有する胴体部２１を形成することができる。
図６（ａ）は、光通過部の幅Ｗに対する連通部の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ）と周波数安定度との関係を示すグラフ、図６（ｂ）は、連通部の幅Ｗ２に対する、連通部に沿った光通過部と金属溜り部との間の距離Ｌの比（Ｌ／Ｗ２）と周波数安定度との関係を示すグラフである。
本発明者らは、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹをそれぞれ２ｍｍとし、空間Ｓ３の幅Ｗ２が異なる複数のガスセルを用意し、それぞれのガスセルを用いた原子発振器の１日当たりの周波数安定度を測定したところ、空間Ｓ１の幅Ｗに対する空間Ｓ２の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ）と周波数安定度との関係について、図６（ａ）に示すような結果を得た。ここで、比（Ｗ２／Ｗ）と周波数安定度との関係は、実際に励起光が通過する領域の幅Ｗ１に対する空間Ｓ１の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と周波数安定度との関係とほぼ等しいものとみなすことができる。なお、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹが上記と異なる場合においても、同様の測定をしたところ、図６（ａ）に示す結果と同様の傾向を示すが、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹが小さいほど、上記傾向が顕著に現れた。すなわち、空間Ｓ１が小さいほど、液体状のアルカリ金属の影響が大きくなる。
このような図６（ａ）に示す結果から、Ｗ２／Ｗは、１／５以下であることが好ましく、１／６以下であることがより好ましく、１／７以下であることがさらに好ましい。このような範囲内となる幅Ｗ２の部分を空間Ｓ３が有していることにより、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属に対する空間Ｓ２内の液体状のアルカリ金属Ｍの影響を効果的に低減することができる。
具体的な幅Ｗ２は、０．１μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上３００μｍ以下であることがより好ましく、１０μｍ以上２００μｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、空間Ｓ１が小さくても、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属に対する空間Ｓ２内の液体状のアルカリ金属Ｍの影響を効果的に低減することができる。これに対し、幅Ｗ２が大きすぎると、ガスセル２の小型化が困難となる。一方、幅Ｗ２が小さすぎると、ガスセル２を製造する際の加工が難しい。
また、本発明者らは、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹをそれぞれ２ｍｍとし、空間Ｓ３の幅Ｗ２を１００μｍとし、空間Ｓ３の長さが異なる複数のガスセルを用意し、それぞれのガスセルを用いた原子発振器の１日当たりの周波数安定度を測定したところ、空間Ｓ３の幅Ｗ２に対する、空間Ｓ３に沿った空間Ｓ１と空間Ｓ２との間の距離Ｌの比（Ｌ／Ｗ２）と周波数安定度との関係について、図６（ｂ）に示すような結果を得た。ここで、距離Ｌは、厳密には、空間Ｓ３に沿った空間Ｓ１と空間Ｓ２内のアルカリ金属Ｍとの間の距離である。なお、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹが上記と異なる場合においても、同様の測定をしたところ、図６（ｂ）に示す結果と同様の傾向を示すが、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹが小さいほど、上記傾向が顕著に現れた。すなわち、空間Ｓ１が小さいほど、液体状のアルカリ金属の影響が大きくなる。
このような図６（ｂ）に示す結果から、距離Ｌは、空間Ｓ３の幅Ｗ２よりも大きいことが好ましく、空間Ｓ３の幅Ｗ２に対して２倍以上であることがより好ましく、空間Ｓ３の幅Ｗ２に対して３倍以上であることがさらに好ましい。これにより、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属に対する空間Ｓ３内の液体状のアルカリ金属Ｍの影響を効果的に低減することができる。
具体的な距離Ｌは、２００μｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましく、２００μｍ以上１ｍｍ以下であることがより好ましく、３００μｍ以上８００μｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、ガスセル２の小型化を図りつつ、空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属に対する空間Ｓ２内の液体状のアルカリ金属Ｍの影響を効果的に低減することができる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
本実施形態は、連通部の形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図７は、本発明の第２実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
本実施形態は、連通部の形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図７に示すガスセル２Ａ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１に代えて、胴体部２１Ａを備えている。
胴体部２１Ａには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ａが形成されている。この貫通孔２１１Ａは、貫通孔２１１ａ、２１１ｂと、貫通孔２１１ａ、２１１ｂ間を連通させる貫通孔２１１ｄとで構成されている。そして、１対の窓部２２、２３により貫通孔２１１Ａの両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ａによる空間Ｓ１と、貫通孔２１１ｂによる空間Ｓ２と、貫通孔２１１ｄによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。
本実施形態の空間Ｓ３は、中間部から空間Ｓ１側へ幅が拡がっている部分と、中間部から空間Ｓ２へ幅が拡がっている部分と、を有する。この空間Ｓ３は、その最小幅である幅Ｗ２が前述した第１実施形態で述べたような関係を有する。
以上説明したような第２実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図８は、本発明の第３実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図８は、本発明の第３実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
本実施形態は、金属溜り部および連通部の配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第３実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図８に示すガスセル２Ｂ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１に代えて、胴体部２１Ｂを備えている。
胴体部２１Ｂには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ｂが形成されている。この貫通孔２１１Ｂは、貫通孔２１１ａ、２１１ｅと、貫通孔２１１ａ、２１１ｅ間を連通させる貫通孔２１１ｆとで構成されている。そして、１対の窓部２２、２３により貫通孔２１１Ｂの両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ａによる空間Ｓ１と、貫通孔２１１ｅによる空間Ｓ２と、貫通孔２１１ｆによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。
本実施形態の空間Ｓ３は、平面視で四角形をなす空間Ｓ１の角部に開口している。これにより、実際に励起光ＬＬが通過する領域に対し、空間Ｓ２内の液体状のアルカリ金属Ｍの影響をより低減することができる。
以上説明したような第３実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図９は、本発明の第４実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
本実施形態は、光通過部の形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図９は、本発明の第４実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
本実施形態は、光通過部の形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第４実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図９に示すガスセル２Ｃ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１に代えて、胴体部２１Ｃを備えている。
胴体部２１Ｃには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ｃが形成されている。この貫通孔２１１Ｃは、貫通孔２１１ｇ、２１１ｂと、貫通孔２１１ｇ、２１１ｂ間を連通させる貫通孔２１１ｃとで構成されている。そして、１対の窓部２２、２３により貫通孔２１１Ｃの両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ｇによる空間Ｓ１と、貫通孔２１１ｂによる空間Ｓ２と、貫通孔２１１ｃによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。
本実施形態の空間Ｓ１は、平面視で空間Ｓ１と空間Ｓ２とは並ぶ方向を短辺方向とする長方形をなしている。この空間Ｓ１は、その短辺方向の幅である幅ＷＹが幅Ｗとして前述した第１実施形態で述べたような関係を有する。
以上説明したような第４実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第５実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第５実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
本実施形態は、光通過部、金属溜り部および連通部の形状および配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第５実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図１０に示すガスセル２Ｄ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１に代えて、胴体部２１Ｄを備えている。
胴体部２１Ｄには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ｄが形成されている。この貫通孔２１１Ｄは、円柱状の貫通孔２１１ｈ、２１１ｉと、貫通孔２１１ｈ、２１１ｉ間を連通させるスリット状の貫通孔２１１ｊとで構成されている。そして、１対の窓部２２、２３により貫通孔２１１Ｄの両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ｈによる空間Ｓ１と、貫通孔２１１ｉによる空間Ｓ２と、貫通孔２１１ｊによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。
以上説明したような第５実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第６実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
次に、本発明の第６実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第６実施形態に係る原子セルを示す横断面図である。
本実施形態は、金属溜り部および連通部の配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。また、本実施形態は、連通部の構成が異なる以外は、前述した第５実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第６実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図１１に示すガスセル２Ｅ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１に代えて、胴体部２１Ｅを備えている。
胴体部２１Ｅには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ｅが形成されている。この貫通孔２１１Ｅは、円柱状の貫通孔２１１ｋ、２１１ｌと、貫通孔２１１ｋ、２１１ｌ間を連通させるスリット状の貫通孔２１１ｍとで構成されている。そして、１対の窓部２２、２３により貫通孔２１１Ｅの両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ｋによる空間Ｓ１と、貫通孔２１１ｌによる空間Ｓ２と、貫通孔２１１ｍによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。
本実施形態の空間Ｓ３は、平面視で屈曲または湾曲した部分を有する。これにより、ガスセル２Ｅの小型化を図りつつ、空間Ｓ３の長さを長くすることができる。また、空間Ｓ３の屈曲または湾曲した部分が空間Ｓ２から空間Ｓ１へのアルカリ金属の移動を制限することができる。そのため、実際に励起光ＬＬが通過する領域に対し、空間Ｓ２内の液体状のアルカリ金属Ｍの影響をより低減することができる。
以上説明したような第６実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第７実施形態＞
次に、本発明の第７実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第７実施形態に係る原子セルを示す斜視図である。
次に、本発明の第７実施形態について説明する。
図１２は、本発明の第７実施形態に係る原子セルを示す斜視図である。
本実施形態は、金属溜り部および連通部の配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第７実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。
図１２に示すガスセル２Ｆ（原子セル）は、第１実施形態の胴体部２１に代えて、胴体部２１Ｆを備えている。
胴体部２１Ｆには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ｆが形成されている。この貫通孔２１１Ｂは、貫通孔２１１ａと、厚さ方向の途中に設けられた空洞部２１１ｎ、２１１ｏとで構成されている。そして、１対の窓部２２、２３により貫通孔２１１Ｆの両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ａによる空間Ｓ１と、空洞部２１１ｎによる空間Ｓ２と、空洞部２１１ｏによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。
本実施形態の空間Ｓ２、Ｓ３は、それぞれ、１対の窓部２２、２３が重なる方向に対して垂直な方向に沿って延びている。したがって、空間Ｓ３は、１対の窓部２２、２３が重なる方向に対して交差する方向から見たときに、空間Ｓ２の幅よりも狭い幅の部分を有する。これにより、空間Ｓ３の空間Ｓ１側の開口と１対の窓部２２、２３との間の距離を大きくすることができる。そのため、空間Ｓ２内の液体状のアルカリ金属が窓部２２、２３側に移動するのを効果的に低減することができる。その結果、余剰分のアルカリ金属による特性の低下をより効果的に抑制することができる。
以上説明したような第７実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
２．電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。
以下、本発明の電子機器について説明する。
図１３は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
図１３は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
図１３に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。
ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。
３．移動体
図１４は、本発明の移動体の一例を示す図である。
図１４は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。
以上、本発明の原子セル、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
また、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる量子干渉装置に本発明の原子セルを用いた場合を例として説明したが、本発明の原子セルは、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる二重共鳴装置にも用いることができる。
１‥‥原子発振器
２‥‥ガスセル
２Ａ‥‥ガスセル
２Ｂ‥‥ガスセル
２Ｃ‥‥ガスセル
２Ｄ‥‥ガスセル
２Ｅ‥‥ガスセル
２Ｆ‥‥ガスセル
３‥‥光出射部
５‥‥光検出部
６‥‥ヒーター
７‥‥温度センサー
８‥‥磁場発生部
１０‥‥制御部
１１‥‥温度制御部
１２‥‥励起光制御部
１３‥‥磁場制御部
２１‥‥胴体部
２１Ａ‥‥胴体部
２１Ｂ‥‥胴体部
２１Ｃ‥‥胴体部
２１Ｄ‥‥胴体部
２１Ｅ‥‥胴体部
２１Ｆ‥‥胴体部
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
４１‥‥光学部品
４２‥‥光学部品
４３‥‥光学部品
４４‥‥光学部品
１００‥‥測位システム
２００‥‥ＧＰＳ衛星
２１１‥‥貫通孔
２１１Ａ‥‥貫通孔
２１１Ｂ‥‥貫通孔
２１１Ｃ‥‥貫通孔
２１１Ｄ‥‥貫通孔
２１１Ｅ‥‥貫通孔
２１１Ｆ‥‥貫通孔
２１１ａ‥‥貫通孔
２１１ｂ‥‥貫通孔
２１１ｃ‥‥貫通孔
２１１ｄ‥‥貫通孔
２１１ｅ‥‥貫通孔
２１１ｆ‥‥貫通孔
２１１ｇ‥‥貫通孔
２１１ｈ‥‥貫通孔
２１１ｉ‥‥貫通孔
２１１ｊ‥‥貫通孔
２１１ｋ‥‥貫通孔
２１１ｌ‥‥貫通孔
２１１ｍ‥‥貫通孔
２１１ｎ‥‥空洞部
２１１ｏ‥‥空洞部
３００‥‥基地局装置
３０１‥‥アンテナ
３０２‥‥受信装置
３０３‥‥アンテナ
３０４‥‥送信装置
４００‥‥ＧＰＳ受信装置
４０１‥‥アンテナ
４０２‥‥衛星受信部
４０３‥‥アンテナ
４０４‥‥基地局受信部
１５００‥‥移動体
１５０１‥‥車体
１５０２‥‥車輪
Ｌ‥‥距離
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｓ‥‥内部空間
Ｓ１‥‥空間
Ｓ２‥‥空間
Ｓ３‥‥空間
Ｗ‥‥幅
Ｗ１‥‥幅
Ｗ２‥‥幅
Ｗ３‥‥幅
ＷＸ‥‥幅
ＷＹ‥‥幅
２‥‥ガスセル
２Ａ‥‥ガスセル
２Ｂ‥‥ガスセル
２Ｃ‥‥ガスセル
２Ｄ‥‥ガスセル
２Ｅ‥‥ガスセル
２Ｆ‥‥ガスセル
３‥‥光出射部
５‥‥光検出部
６‥‥ヒーター
７‥‥温度センサー
８‥‥磁場発生部
１０‥‥制御部
１１‥‥温度制御部
１２‥‥励起光制御部
１３‥‥磁場制御部
２１‥‥胴体部
２１Ａ‥‥胴体部
２１Ｂ‥‥胴体部
２１Ｃ‥‥胴体部
２１Ｄ‥‥胴体部
２１Ｅ‥‥胴体部
２１Ｆ‥‥胴体部
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
４１‥‥光学部品
４２‥‥光学部品
４３‥‥光学部品
４４‥‥光学部品
１００‥‥測位システム
２００‥‥ＧＰＳ衛星
２１１‥‥貫通孔
２１１Ａ‥‥貫通孔
２１１Ｂ‥‥貫通孔
２１１Ｃ‥‥貫通孔
２１１Ｄ‥‥貫通孔
２１１Ｅ‥‥貫通孔
２１１Ｆ‥‥貫通孔
２１１ａ‥‥貫通孔
２１１ｂ‥‥貫通孔
２１１ｃ‥‥貫通孔
２１１ｄ‥‥貫通孔
２１１ｅ‥‥貫通孔
２１１ｆ‥‥貫通孔
２１１ｇ‥‥貫通孔
２１１ｈ‥‥貫通孔
２１１ｉ‥‥貫通孔
２１１ｊ‥‥貫通孔
２１１ｋ‥‥貫通孔
２１１ｌ‥‥貫通孔
２１１ｍ‥‥貫通孔
２１１ｎ‥‥空洞部
２１１ｏ‥‥空洞部
３００‥‥基地局装置
３０１‥‥アンテナ
３０２‥‥受信装置
３０３‥‥アンテナ
３０４‥‥送信装置
４００‥‥ＧＰＳ受信装置
４０１‥‥アンテナ
４０２‥‥衛星受信部
４０３‥‥アンテナ
４０４‥‥基地局受信部
１５００‥‥移動体
１５０１‥‥車体
１５０２‥‥車輪
Ｌ‥‥距離
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｓ‥‥内部空間
Ｓ１‥‥空間
Ｓ２‥‥空間
Ｓ３‥‥空間
Ｗ‥‥幅
Ｗ１‥‥幅
Ｗ２‥‥幅
Ｗ３‥‥幅
ＷＸ‥‥幅
ＷＹ‥‥幅
温度センサー７としては、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
例えば、励起光制御部１２は、図示しないが、この電圧制御型水晶発振器からの出力信号を周波数逓倍する逓倍器を備えており、この逓倍器により逓倍された信号（高周波信号）を直流バイアス電流に重畳して駆動信号として光出射部３に入力する。これにより、光検出部５でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器を制御することで、電圧制御型水晶発振器から所望の周波数の信号が出力されることとなる。この逓倍器の逓倍率は、例えば、原子発振器１からの出力信号の所望の周波数をｆとしたとき、ω０／（２×ｆ）である。これにより、電圧制御型水晶発振器の発振周波数がｆであるとき、逓倍器からの信号を用いて、光出射部３に含まれる半導体レーザー等の発光素子から光を変調して、周波数差（ω１−ω２）がω０となる２つの光を出射させることができる。
本発明者らは、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹをそれぞれ２ｍｍとし、空間Ｓ３の幅Ｗ２が異なる複数のガスセルを用意し、それぞれのガスセルを用いた原子発振器の１日当たりの周波数安定度を測定したところ、空間Ｓ１の幅Ｗに対する空間Ｓ３の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ）と周波数安定度との関係について、図６（ａ）に示すような結果を得た。ここで、比（Ｗ２／Ｗ）と周波数安定度との関係は、実際に励起光が通過する領域の幅Ｗ１に対する空間Ｓ３の幅Ｗ２の比（Ｗ２／Ｗ１）と周波数安定度との関係とほぼ等しいものとみなすことができる。なお、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹが上記と異なる場合においても、同様の測定をしたところ、図６（ａ）に示す結果と同様の傾向を示すが、空間Ｓ１の幅ＷＸ、ＷＹが小さいほど、上記傾向が顕著に現れた。すなわち、空間Ｓ１が小さいほど、液体状のアルカリ金属の影響が大きくなる。
本実施形態の空間Ｓ１は、平面視で空間Ｓ１と空間Ｓ２とは並ぶ方向を短辺方向とする長方形をなしている。この空間Ｓ１は、その短辺方向の幅である幅ＷＸが幅Ｗとして前述した第１実施形態で述べたような関係を有する。
胴体部２１Ｆには、Ｚ軸方向に貫通している貫通孔２１１Ｆが形成されている。この貫通孔２１１Ｆは、貫通孔２１１ａと、厚さ方向の途中に設けられた貫通孔２１１ｎ、２１１ｏとで構成されている。そして、１対の窓部２２、２３により貫通孔２１１Ｆの両端開口が封鎖され、貫通孔２１１ａによる空間Ｓ１と、貫通孔２１１ｎによる空間Ｓ２と、貫通孔２１１ｏによる空間Ｓ３とを有する内部空間Ｓが形成されている。
１‥‥原子発振器
２‥‥ガスセル
２Ａ‥‥ガスセル
２Ｂ‥‥ガスセル
２Ｃ‥‥ガスセル
２Ｄ‥‥ガスセル
２Ｅ‥‥ガスセル
２Ｆ‥‥ガスセル
３‥‥光出射部
５‥‥光検出部
６‥‥ヒーター
７‥‥温度センサー
８‥‥磁場発生部
１０‥‥制御部
１１‥‥温度制御部
１２‥‥励起光制御部
１３‥‥磁場制御部
２１‥‥胴体部
２１Ａ‥‥胴体部
２１Ｂ‥‥胴体部
２１Ｃ‥‥胴体部
２１Ｄ‥‥胴体部
２１Ｅ‥‥胴体部
２１Ｆ‥‥胴体部
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
４１‥‥光学部品
４２‥‥光学部品
４３‥‥光学部品
４４‥‥光学部品
１００‥‥測位システム
２００‥‥ＧＰＳ衛星
２１１‥‥貫通孔
２１１Ａ‥‥貫通孔
２１１Ｂ‥‥貫通孔
２１１Ｃ‥‥貫通孔
２１１Ｄ‥‥貫通孔
２１１Ｅ‥‥貫通孔
２１１Ｆ‥‥貫通孔
２１１ａ‥‥貫通孔
２１１ｂ‥‥貫通孔
２１１ｃ‥‥貫通孔
２１１ｄ‥‥貫通孔
２１１ｅ‥‥貫通孔
２１１ｆ‥‥貫通孔
２１１ｇ‥‥貫通孔
２１１ｈ‥‥貫通孔
２１１ｉ‥‥貫通孔
２１１ｊ‥‥貫通孔
２１１ｋ‥‥貫通孔
２１１ｌ‥‥貫通孔
２１１ｍ‥‥貫通孔
２１１ｎ‥‥貫通孔
２１１ｏ‥‥貫通孔
３００‥‥基地局装置
３０１‥‥アンテナ
３０２‥‥受信装置
３０３‥‥アンテナ
３０４‥‥送信装置
４００‥‥ＧＰＳ受信装置
４０１‥‥アンテナ
４０２‥‥衛星受信部
４０３‥‥アンテナ
４０４‥‥基地局受信部
１５００‥‥移動体
１５０１‥‥車体
１５０２‥‥車輪
Ｌ‥‥距離
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｓ‥‥内部空間
Ｓ１‥‥空間
Ｓ２‥‥空間
Ｓ３‥‥空間
Ｗ‥‥幅
Ｗ１‥‥幅
Ｗ２‥‥幅
Ｗ３‥‥幅
ＷＸ‥‥幅
ＷＹ‥‥幅
２‥‥ガスセル
２Ａ‥‥ガスセル
２Ｂ‥‥ガスセル
２Ｃ‥‥ガスセル
２Ｄ‥‥ガスセル
２Ｅ‥‥ガスセル
２Ｆ‥‥ガスセル
３‥‥光出射部
５‥‥光検出部
６‥‥ヒーター
７‥‥温度センサー
８‥‥磁場発生部
１０‥‥制御部
１１‥‥温度制御部
１２‥‥励起光制御部
１３‥‥磁場制御部
２１‥‥胴体部
２１Ａ‥‥胴体部
２１Ｂ‥‥胴体部
２１Ｃ‥‥胴体部
２１Ｄ‥‥胴体部
２１Ｅ‥‥胴体部
２１Ｆ‥‥胴体部
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
４１‥‥光学部品
４２‥‥光学部品
４３‥‥光学部品
４４‥‥光学部品
１００‥‥測位システム
２００‥‥ＧＰＳ衛星
２１１‥‥貫通孔
２１１Ａ‥‥貫通孔
２１１Ｂ‥‥貫通孔
２１１Ｃ‥‥貫通孔
２１１Ｄ‥‥貫通孔
２１１Ｅ‥‥貫通孔
２１１Ｆ‥‥貫通孔
２１１ａ‥‥貫通孔
２１１ｂ‥‥貫通孔
２１１ｃ‥‥貫通孔
２１１ｄ‥‥貫通孔
２１１ｅ‥‥貫通孔
２１１ｆ‥‥貫通孔
２１１ｇ‥‥貫通孔
２１１ｈ‥‥貫通孔
２１１ｉ‥‥貫通孔
２１１ｊ‥‥貫通孔
２１１ｋ‥‥貫通孔
２１１ｌ‥‥貫通孔
２１１ｍ‥‥貫通孔
２１１ｎ‥‥貫通孔
２１１ｏ‥‥貫通孔
３００‥‥基地局装置
３０１‥‥アンテナ
３０２‥‥受信装置
３０３‥‥アンテナ
３０４‥‥送信装置
４００‥‥ＧＰＳ受信装置
４０１‥‥アンテナ
４０２‥‥衛星受信部
４０３‥‥アンテナ
４０４‥‥基地局受信部
１５００‥‥移動体
１５０１‥‥車体
１５０２‥‥車輪
Ｌ‥‥距離
ＬＬ‥‥励起光
Ｍ‥‥アルカリ金属
Ｓ‥‥内部空間
Ｓ１‥‥空間
Ｓ２‥‥空間
Ｓ３‥‥空間
Ｗ‥‥幅
Ｗ１‥‥幅
Ｗ２‥‥幅
Ｗ３‥‥幅
ＷＸ‥‥幅
ＷＹ‥‥幅
Claims (13)
- 金属と、
気体状の前記金属が封入されている光通過部と、
液体状または固体状の前記金属が配置されている金属溜り部と、
前記光通過部と前記金属溜り部とを連通させていて、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有する連通部と、
を備えることを特徴とする原子セル。 - １対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置されていて、前記１対の窓部とともに前記光通過部を構成し、前記金属溜り部および前記連通部を備えている胴体部と、
を有する請求項１に記載の原子セル。 - 前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向から見たときに、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有する請求項２に記載の原子セル。
- 前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向から見たときに、前記光通過部の幅に対して１／５以下の幅の部分を有する請求項２または３に記載の原子セル。
- 前記連通部は、前記１対の窓部が重なる方向に対して交差する方向から見たときに、前記金属溜り部の幅よりも狭い幅の部分を有する請求項２ないし４のいずれか１項に記載の原子セル。
- 前記胴体部と前記窓部とが加熱接合されている請求項２ないし５のいずれか１項に記載の原子セル。
- 前記胴体部は、シリコンを含んで構成されている請求項２ないし６のいずれか１項に記載の原子セル。
- 前記光通過部と前記金属溜り部との間の前記連通部に沿った距離が、前記連通部の幅よりも大きい請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子セル。
- 前記光通過部と前記金属溜り部との間の前記連通部に沿った距離が、前記連通部の幅に対して２倍以上である請求項８に記載の原子セル。
- 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする量子干渉装置。
- 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする原子発振器。
- 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子セルを備えることを特徴とする移動体。
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