JP2015185984A - Atomic cell, method for manufacturing atomic cell, quantum interference device, atomic oscillator, electronic equipment, and mobile body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原子セル、原子セルの製造方法、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。
The present invention relates to an atomic cell, an atomic cell manufacturing method, a quantum interference device, an atomic oscillator, an electronic device, and a moving object.
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。
As an oscillator having long-term highly accurate oscillation characteristics, an atomic oscillator that oscillates based on energy transition of an alkali metal atom such as rubidium or cesium is known.
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 Tr
apping)を利用した方式とに大別される。
In general, the operating principle of an atomic oscillator is based on a method using a double resonance phenomenon by light and microwave and a quantum interference effect (CPT: Coherent Population Tr) by two types of light having different wavelengths.
It is roughly divided into methods using apping).
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。
In any type of atomic oscillator, an alkali metal is usually enclosed in a gas cell (atomic cell), and the gas cell is heated to a predetermined temperature by a heater in order to keep the alkali metal in a certain gas state.
一般に、ガスセルは、ガラスで構成されており、ガスセル内に封入されたアルカリ金属
は、ガラスに吸収される性質があるため、その吸収によりガスセル内のアルカリ金属が経
時的に減少する量を見込んで、必要量よりも多めに封入されている。このような余剰分の
アルカリ金属は、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して存
在するが、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。
In general, the gas cell is made of glass, and the alkali metal sealed in the gas cell has the property of being absorbed by the glass. Therefore, the amount of alkali metal in the gas cell is expected to decrease over time due to the absorption. Enclosed more than necessary. Such excess alkali metal is present as a liquid by precipitating (condensation) in the low temperature part of the gas cell, but if it is present in the excitation light passage region, it blocks the excitation light, resulting in atoms. The oscillation characteristics of the oscillator are degraded.
そこで、特許文献1に係るガスセルでは、励起光の通過領域に赤外線吸収部材を設ける
とともに、その赤外線吸収部材に赤外線を照射し、励起光の通過領域の温度を高めている
。
Therefore, in the gas cell according to
しかし、特許文献1に係るガスセルでは、赤外線を照射する光源が別途必要となるため
、小型化および省電力化を図ることが難しいという問題があった。
However, the gas cell according to
本発明の目的は、小型化および省電力化を図ることができる原子セルおよびその製造方
法を提供すること、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。
An object of the present invention is to provide an atomic cell that can be reduced in size and save power and a method for manufacturing the same, and to provide a quantum interference device, an atomic oscillator, an electronic device, and a moving body including the atomic cell. There is.
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。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
本発明の原子セルは、金属と、
前記金属が封入されている内部空間を構成していて、内部に金属を含んでいる壁部と、
を有し、
前記壁部は、前記内部空間側よりも金属の濃度が高いブロック層が配置されていること
を特徴とする。
[Application Example 1]
The atomic cell of the present invention comprises a metal,
An internal space in which the metal is enclosed, and a wall portion containing the metal inside;
Have
The wall is provided with a block layer having a metal concentration higher than that of the internal space.
このような原子セルによれば、壁部の少なくとも一部が金属を含んでいるブロック層で
構成されているため、内部空間から壁部の内部へ金属が移動(吸収または浸透)すること
をブロック層によりブロックすることができる。そのため、内部空間に封入されている金
属が壁部に吸収または浸透されるのを低減することができる。その結果、内部空間に封入
する余剰の金属の量を減らすことができ、それに伴って、従来のような余剰の金属の結露
(析出)を防止するための熱量(加熱量)を少なくすることができ、または加熱手段その
ものも不要とすることができるため、小型化および省電力化を図ることができる。
According to such an atomic cell, since at least a part of the wall portion is composed of a block layer containing a metal, it blocks the movement (absorption or permeation) of the metal from the internal space to the inside of the wall portion. Can be blocked by layer. Therefore, it is possible to reduce the metal encapsulated in the internal space from being absorbed or penetrated into the wall portion. As a result, the amount of surplus metal enclosed in the internal space can be reduced, and accordingly, the amount of heat (heating amount) for preventing condensation (precipitation) of surplus metal as in the prior art can be reduced. In addition, since the heating means itself can be dispensed with, it is possible to reduce the size and power consumption.
[適用例2]
本発明の原子セルでは、前記壁部は、ガラスを含む部分を有し、
前記部分に前記ブロック層が配置されていることが好ましい。
[Application Example 2]
In the atomic cell of the present invention, the wall has a portion containing glass,
It is preferable that the block layer is disposed in the portion.
ガラスは、結晶構造の隙間が大きく、金属が吸収または浸透されやすい。したがって、
壁部のガラスで構成されている部分にブロック層を設けることで、その効果が顕著に発揮
される。
Glass has a large crystal structure gap, and metal is easily absorbed or penetrated. Therefore,
The effect is remarkably exhibited by providing a block layer in the part comprised by the glass of a wall part.
[適用例3]
本発明の原子セルでは、前記ブロック層における金属の濃度のピーク位置は、前記壁部
の厚み方向の中心よりも内壁面側にあることが好ましい。
これにより、ブロック層のブロック機能を効果的に高めることができる。
[Application Example 3]
In the atomic cell of the present invention, it is preferable that the peak position of the metal concentration in the block layer is closer to the inner wall surface than the center in the thickness direction of the wall portion.
Thereby, the block function of a block layer can be improved effectively.
[適用例4]
本発明の原子セルでは、前記壁部は、
1対の窓部と、
前記1対の窓部間に配置されていて前記1対の窓部とともに前記内部空間を構成してい
る胴体部と、
を有し、
前記ブロック層は、前記窓部および前記胴体部のうちの少なくとも一方に配置されてい
ることが好ましい。
[Application Example 4]
In the atomic cell of the present invention, the wall portion is
A pair of windows,
A body part disposed between the pair of window parts and constituting the internal space together with the pair of window parts;
Have
It is preferable that the block layer is disposed on at least one of the window portion and the body portion.
これにより、窓部および胴体部のうちの少なくとも一方の主材料が金属を吸収する性質
を有していても、金属の吸収または浸透を低減することができる。
Thereby, even if the main material of at least one of a window part and a trunk | drum part has the property to absorb a metal, absorption or osmosis | permeation of a metal can be reduced.
[適用例5]
本発明の原子セルでは、前記ブロック層は、前記内部空間を囲んでいることが好ましい
。
[Application Example 5]
In the atomic cell of the present invention, it is preferable that the block layer surrounds the internal space.
これにより、壁部全体の主材料が金属を吸収する性質を有していても、金属の吸収また
は浸透を低減することができる。
Thereby, even if the main material of the whole wall part has a property which absorbs a metal, absorption or osmosis | permeation of a metal can be reduced.
[適用例6]
本発明の原子セルでは、前記ブロック層に含まれている金属は、前記内部空間に封入さ
れている金属と同族の元素であることが好ましい。
これにより、ブロック層のブロック機能を効果的に高めることができる。
[Application Example 6]
In the atomic cell of the present invention, it is preferable that the metal contained in the block layer is an element belonging to the same group as the metal enclosed in the internal space.
Thereby, the block function of a block layer can be improved effectively.
[適用例7]
本発明の原子セルの製造方法は、光透過性を有する窓部形成用基板と、凹部または貫通
孔を有する胴体部形成用基板と、を準備する工程と、
前記窓部形成用基板および前記胴体部形成用基板のうちの少なくとも一方の表面に金属
膜を形成する工程と、
加熱処理により前記金属膜から前記窓部形成用基板または前記胴体部形成用基板に金属
を拡散させる工程と、
前記加熱処理後の前記金属膜の少なくとも一部を除去する工程と、
前記窓部形成用基板および前記胴体部形成用基板で構成される内部空間に金属を封入す
る工程と、
を含むことを特徴とする。
[Application Example 7]
The method for producing an atomic cell of the present invention includes a step of preparing a window part forming substrate having light transmittance and a body part forming substrate having a recess or a through hole,
Forming a metal film on at least one surface of the window portion forming substrate and the body portion forming substrate;
Diffusing metal from the metal film to the window portion forming substrate or the body portion forming substrate by heat treatment;
Removing at least a part of the metal film after the heat treatment;
Encapsulating metal in an internal space formed by the window portion forming substrate and the body portion forming substrate;
It is characterized by including.
このような原子セルの製造方法によれば、壁部の内壁面の少なくとも一部が金属を含ん
でいるブロック層で構成されている原子セルを得ることができる。そのため、得られる原
子セルの小型化および省電力化を図ることができる。
According to such an atomic cell manufacturing method, it is possible to obtain an atomic cell in which at least a part of the inner wall surface of the wall portion is constituted by a block layer containing a metal. Therefore, it is possible to reduce the size and power consumption of the obtained atomic cell.
[適用例8]
本発明の原子セルの製造方法では、前記胴体部形成用基板は、ガラスを含んでいること
が好ましい。
[Application Example 8]
In the method for manufacturing an atomic cell according to the present invention, the body part forming substrate preferably contains glass.
ガラスは、結晶構造の隙間が大きく、金属が吸収または浸透されやすい。したがって、
壁部のガラスで構成されている部分にブロック層を設けることで、その効果が顕著に発揮
される。また、ガラスで構成された胴体部形成用基板は、シリコンまたはガラスで構成さ
れた窓部形成用基板に対して加熱接合等により比較的簡単に気密的な接合が可能である。
Glass has a large crystal structure gap, and metal is easily absorbed or penetrated. Therefore,
The effect is remarkably exhibited by providing a block layer in the part comprised by the glass of a wall part. Further, the body portion forming substrate made of glass can be relatively easily and hermetically bonded to the window portion forming substrate made of silicon or glass by heat bonding or the like.
[適用例9]
本発明の原子セルの製造方法では、前記加熱処理の温度が60℃以上800℃以下であ
ることが好ましい。
これにより、ブロック層のブロック機能を効果的に高めることができる。
[Application Example 9]
In the method for producing an atomic cell according to the present invention, the temperature of the heat treatment is preferably 60 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.
Thereby, the block function of a block layer can be improved effectively.
[適用例10]
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属膜を除去する工程は、酸洗浄により行うこ
とが好ましい。
[Application Example 10]
In the method for manufacturing an atomic cell according to the present invention, the step of removing the metal film is preferably performed by acid cleaning.
これにより、窓部形成用基板や胴体部形成用基板の表面に残存した余分な金属を簡単か
つ効果的に除去することができる。
This makes it possible to easily and effectively remove excess metal remaining on the surface of the window forming substrate and the body forming substrate.
[適用例11]
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属膜を除去する工程よりも後に、前記窓部形
成用基板と前記胴体部形成用基板とを加熱接合することにより前記内部空間を形成する工
程を含むことが好ましい。
[Application Example 11]
The method for manufacturing an atomic cell according to the present invention includes a step of forming the internal space by thermally bonding the window portion forming substrate and the body portion forming substrate after the step of removing the metal film. It is preferable.
これにより、比較的簡単に、窓部形成用基板や胴体部形成用基板に金属膜の形成、金属
の拡散、および金属膜の除去を行うことができる。
Thereby, it is possible to relatively easily form the metal film, diffuse the metal, and remove the metal film on the window forming substrate and the body forming substrate.
[適用例12]
本発明の原子セルの製造方法では、前記金属膜を除去する工程よりも後に、前記窓部形
成用基板または前記胴体部形成用基板の金属を加熱処理により押し込み拡散させる工程を
含むことが好ましい。
[Application Example 12]
In the method for manufacturing an atomic cell according to the present invention, it is preferable to include a step of pushing and diffusing the metal of the window portion forming substrate or the body portion forming substrate by heat treatment after the step of removing the metal film.
これにより、ブロック層の内部に、ブロック層の内部空間側の面よりも金属の濃度が高
い部分を設けることができる。
As a result, a portion having a higher metal concentration than the surface of the block layer on the inner space side can be provided inside the block layer.
[適用例13]
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、小型化および省電力化が図られた原子セルを備える量子干渉装置を提供す
ることができる。
[Application Example 13]
The quantum interference device of the present invention includes the atomic cell of the present invention.
Accordingly, it is possible to provide a quantum interference device including an atomic cell that is reduced in size and power consumption.
[適用例14]
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。
[Application Example 14]
The atomic oscillator of the present invention includes the atomic cell of the present invention.
これにより、小型化および省電力化が図られた原子セルを備える原子発振器を提供する
ことができる。
Thereby, it is possible to provide an atomic oscillator including an atomic cell that is reduced in size and power consumption.
[適用例15]
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。
[Application Example 15]
The electronic device of the present invention includes the atomic cell of the present invention.
これにより、小型化および省電力化が図られた原子セルを備える電子機器を提供するこ
とができる。
Thereby, an electronic device provided with the atomic cell in which size reduction and power saving were achieved can be provided.
[適用例16]
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。
[Application Example 16]
The moving body of the present invention includes the atomic cell of the present invention.
これにより、小型化および省電力化が図られた原子セルを備える移動体を提供すること
ができる。
Thereby, a mobile object provided with the atomic cell in which size reduction and power saving were achieved can be provided.
以下、本発明の原子セル、原子セルの製造方法、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。
Hereinafter, an atomic cell, a manufacturing method of an atomic cell, a quantum interference device, an atomic oscillator, an electronic apparatus, and a moving body of the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
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。
1. Atomic oscillator (quantum interference device)
First, the atomic oscillator of the present invention (the atomic oscillator including the quantum interference device of the present invention) will be described. In the following, an example in which the quantum interference device of the present invention is applied to an atomic oscillator will be described.
The quantum interference device of the present invention is not limited to this, in addition to an atomic oscillator, for example, a magnetic sensor,
It can also be applied to quantum memories.
<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。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic diagram showing an atomic oscillator (quantum interference device) according to a first embodiment of the present invention. 2 is a diagram for explaining the energy state of the alkali metal, and FIG. 3 is a relationship between the frequency difference between the two lights emitted from the light emitting part and the intensity of the light detected by the light detecting part. It is a graph which shows.
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。
An
42, 43, 44, a
First, the principle of the
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。
As shown in FIG. 1, in the
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。
The
Three ground states (ground states 1 and 2) and an excited state can be taken. Here, the
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。
The excitation light LL emitted from the
Depending on the difference (ω1-ω2) between the frequency ω1 of the
The light absorptivity (light transmittance) of the
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。
When the difference (ω1−ω2) between the frequency ω1 of the
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。
For example, when the
As shown in FIG. 3, the detected intensity rises sharply. Such a steep signal is detected as an EIT signal. This EIT signal has an eigenvalue determined by the type of alkali metal. Therefore, an oscillator can be configured by using such an EIT signal.
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。
Hereinafter, each part of the
[Gas cell]
The
An inert gas such as nitrogen may be enclosed with the alkali metal gas as a buffer gas.
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が封入される内部空間が形成
さている。
As will be described in detail later, the
[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。
[Light emitting part]
The light emitting unit 3 (light source) has a function of emitting excitation light LL that excites alkali metal atoms in the
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。
More specifically, the
It emits seed light (
Resonance).
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。
The
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。
The
[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。
[Optical parts]
The plurality of
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
It is possible to adjust (decrease) the intensity of the excitation light LL incident on. Therefore, the
Even if the output of is high, the excitation light incident on the
Is adjusted by the
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。
The
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。
As will be described later, in the state where the alkali metal atoms in the
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。
On the other hand, when the alkali metal atom is irradiated with circularly polarized excitation light in a state where the alkali metal atom in the
Among the multiple levels in which the alkali metal atom is Zeeman split due to the interaction between the excitation light and the alkali metal atom, the number of alkali metal atoms at the desired energy level is changed to the number of alkali metal atoms at other energy levels. On the other hand, it can be relatively increased. Therefore, desired EIT
The number of atoms that develop the phenomenon increases, and the intensity of the desired EIT signal increases. As a result, the oscillation characteristics of the
[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。
[Photodetection section]
The
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。
The
[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。
[heater]
The heater 6 (heating unit) has a function of heating the above-described gas cell 2 (more specifically, an alkali metal in the gas cell 2). Thereby, the alkali metal in the
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。
The heater 6 includes, for example, a heating resistor that generates heat when energized.
The heating resistor may be provided in contact with the
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Sn
O2、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。
For example, when the heating resistor is provided in contact with the
IZO (Indium Zinc Oxide), In 3 O 3 , SnO 2 , Sb-containing Sn
O 2, formed of a transparent electrode material of the oxide such as Al-containing ZnO. The heating resistor is
For example, it can be formed using a chemical vapor deposition method (CVD) such as plasma CVD or thermal CVD, a dry plating method such as vacuum deposition, a sol-gel method, or the like.
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。
Further, when the heating resistor is provided in a non-contact manner with respect to the
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。
The heater 6 is not limited to the above-described form as long as the
[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。
[Temperature sensor]
The temperature sensor 7 detects the temperature of the heater 6 or the
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。
The installation position of the temperature sensor 7 is not particularly limited, and may be on the heater 6 or on the outer surface of the
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。
The temperature sensor 7 is not particularly limited, and various known temperature sensors such as a thermistor and a thermocouple can be used.
[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。
[Magnetic field generator]
The magnetic
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。
The
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。
The magnetic field generated by the
[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。
[Control unit]
The
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。
The
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。
The excitation
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。
Here, although not shown, the excitation
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。
For example, although not shown, the pumping
f). As a result, when the oscillation frequency of the voltage controlled crystal oscillator is f, a signal from the multiplier is used to modulate a light emitting element such as a semiconductor laser included in the
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。
Further, the
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。
The magnetic field control unit 13 controls energization to the magnetic
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。
Such a
The configuration of the
(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。また、図6
は、図5に示すブロック層の内部空間側の面(内壁面)からの深さと金属濃度との関係を
示すグラフである。
(Detailed description of gas cell)
4 is a perspective view of the atomic cell included in the atomic oscillator shown in FIG. 1, FIG. 5A is a cross-sectional view of the atomic cell shown in FIG. 4, and FIG. 5B is a cross-sectional view of the atomic cell shown in FIG. It is a longitudinal cross-sectional view. In addition, FIG.
These are the graphs which show the relationship between the depth from the surface (inner wall surface) by the side of the internal space of a block layer shown in FIG. 5, and a metal concentration.
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。
In FIG. 4, for convenience of explanation, the three axes orthogonal to each other are the X axis, the Y axis, and the Z axis.
The axis is illustrated, and the leading end side of each illustrated arrow is “+ (plus)” and the base end side is “− (
Minus) ”. In the following, for convenience of explanation, the direction parallel to the X axis is referred to as “X axis direction”.
A direction parallel to the Y axis is referred to as a “Y axis direction”, and a direction parallel to the Z axis is referred to as a “Z axis direction”. +
The Z-axis direction side is also referred to as “upper”, and the −Z-axis direction side is also referred to as “lower”.
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。
As shown in FIGS. 4 and 5, the
胴体部21には、Z軸方向に貫通している円柱状の貫通孔211が形成されている。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。
The
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、気体状のアルカリ金属が収納されている内部
空間Sが形成されている。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。
The
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、特に限定されないが、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。
The joining method of the
内部空間Sは、主に、気体状のアルカリ金属が収納されており、この内部空間S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、内部
空間Sは、励起光LLが通過する「光通過空間」を構成する。本実施形態では、内部空間
Sの横断面は、円形をなしており、一方、光通過空間の横断面は、内部空間Sの横断面と
相似形状をなし、かつ、内部空間Sの横断面よりも若干小さく設定されている。なお、内
部空間Sの横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円
形等であってもよい。
The internal space S mainly stores gaseous alkali metal, and the gaseous alkali metal stored in the internal space S is excited by the excitation light LL. That is, the internal space S constitutes a “light passage space” through which the excitation light LL passes. In the present embodiment, the cross section of the internal space S has a circular shape, while the cross section of the light passage space has a similar shape to the cross section of the internal space S and is more than the cross section of the internal space S. Is also set slightly smaller. The cross-sectional shape of the internal space S is not limited to a circle, and may be, for example, a polygon such as a quadrangle or a pentagon, an ellipse, or the like.
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の内部空
間S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の内部
空間S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。
Each
Each of the
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。
Although it will not specifically limit as a constituent material of the
Is made of a glass material, the
この窓部22の内部空間Sに面する部分には、内部空間Sの内壁面の一部を構成してい
るブロック層221が設けられている。同様に、窓部23の内部空間Sに面する部分には
、内部空間Sの内壁面の一部を構成しているブロック層231が設けられている。
A
このブロック層221、231は、窓部22、23を構成する材料(母材)に金属を拡
散させたものである。そして、このブロック層221、231は、それぞれ、その内部に
、ブロック層221、231の内部空間S側の面よりも金属の濃度が高い部分が設けられ
ている。より具体的には、例えば、ブロック層221、231は、それぞれ、図6に示す
ような濃度分布で、金属が拡散されている。なお、図6は、ブロック層221、231に
含まれる金属としてセシウム(Cs)を用いた場合の濃度分布の一例である。
The block layers 221 and 231 are obtained by diffusing metal into the material (base material) constituting the
このようなブロック層221、231は、窓部22、23の母材の結晶構造の隙間が金
属で埋められているため、内部空間Sから窓部22、23の内部へのアルカリ金属の移動
(吸収または浸透)を低減させたりまたは妨げようとしたりする機能(以下、「ブロック
機能」または「ブロック性」ともいう)を有する。そのため、内部空間Sに封入されてい
るアルカリ金属が窓部22、23に吸収または浸透されるのを低減することができる。そ
の結果、内部空間Sに封入する余剰のアルカリ金属の量を少なくすることができ、それに
伴って、従来のような余剰のアルカリ金属の結露(析出)を防止するための加熱手段も不
要となるため、小型化および省電力化を図ることができる。
In such block layers 221 and 231, the gap in the crystal structure of the base material of the
ここで、ブロック層221、231の内部空間S側の面よりも金属の濃度が高い部分を
内部空間Sの内壁面に近い位置とすることにより、前述したようなブロック性を確保する
ことができる。すなわち、ブロック層221、231における金属の濃度のピーク位置が
窓部22、23の内壁面側(窓部22、23の中心よりも内部空間S側)にあることによ
り、ブロック層221、231のブロック機能を効果的に高めることができる。
Here, by setting the portion where the metal concentration is higher than the surface of the block layers 221 and 231 on the side of the internal space S to a position close to the inner wall surface of the internal space S, it is possible to ensure the block property as described above. . That is, the peak position of the metal concentration in the block layers 221 and 231 is on the inner wall surface side of the
また、ブロック層221、231の内部空間S側の面における金属濃度を低めることに
より、胴体部21と窓部22、23との加熱接合時の接合性を良好なものとすることがで
きる。また、本実施形態では、ブロック層221、231は、窓部22、23の胴体部2
1との接合面を除く部分に配置されている。これにより、胴体部21と窓部22、23と
の加熱接合時の接合性を良好なものとすることができる。
Further, by reducing the metal concentration on the surface of the block layers 221 and 231 on the inner space S side, it is possible to improve the bondability at the time of heat bonding between the
1 is disposed in a portion excluding the joint surface with 1. Thereby, the joining property at the time of the heat joining of the trunk | drum 21 and the
また、窓部22、23の母材がガラスで構成されている場合、ガラスは、結晶構造の隙
間が大きく、アルカリ金属が吸収または浸透されやすい。したがって、窓部22、23に
ブロック層221、223を設けることで、その効果が顕著に発揮される。すなわち、窓
部22、23の主材料がアルカリ金属を吸収する性質を有していても、アルカリ金属の吸
収または浸透を低減することができる。
Moreover, when the base material of the
また、ブロック層221、231に含まれている金属は、内部空間Sに封入されている
金属が窓部22、23に吸収または浸透されるのをブロックすることができれば、特に限
定されず、内部空間Sに封入されている金属と異なっていてもよいが、内部空間Sに封入
されている金属と同族の元素、すなわち、ルビジウム、セシウム、ナトリウム等アルカリ
金属であることが好ましく、内部空間Sに封入されている金属と同一の金属であることが
より好ましい。これにより、ブロック層221、231のブロック機能を効果的に高める
ことができる。
Further, the metal contained in the block layers 221 and 231 is not particularly limited as long as the metal enclosed in the internal space S can be blocked from being absorbed or penetrated into the
また、ブロック層221、231の金属濃度は、窓部22、231を構成する母材(例
えばガラス)の金属の固溶限度に対して、1%以上10%以下であることが好ましく、2
%以上8%以下であることがより好ましい。これにより、前述したようなブロック性と加
熱接合時の接合性との両立を効果的に図ることができる。
The metal concentrations of the block layers 221 and 231 are preferably 1% or more and 10% or less with respect to the solid solution limit of the metal of the base material (for example, glass) constituting the
It is more preferable that it is 8% or more. Thereby, coexistence with the block property as mentioned above and the joining property at the time of heat joining can be aimed at effectively.
また、ブロック層221、231の内部空間S側の面の金属濃度をA[Atoms/c
m3]とし、ブロック層221、231の前述したピーク位置での金属濃度をBとしたと
き、B/Aは、10以上105以下であることが好ましく、102以上104以下である
ことがより好ましい。これにより、前述したようなブロック性と加熱接合時の接合性との
両立を図ることができる。
Further, the metal concentration on the inner space S side surface of the block layers 221 and 231 is set to A [Atoms / c.
m 3 ] and B / A is preferably 10 or more and 10 5 or less, and
また、具体的なブロック層221、231の内部空間S側の面の金属濃度は、前述した
ピーク位置にもよるが、102Atoms/cm3以上1015Atoms/cm3以下
であることが好ましく、105Atoms/cm3以上1011Atoms/cm3以下
であることがより好ましい。これにより、前述したようなブロック性と加熱接合時の接合
性との両立を効果的に図ることができる。
In addition, the specific metal concentration on the surface of the block layers 221 and 231 on the inner space S side is preferably 10 2 atoms / cm 3 or more and 10 15 atoms / cm 3 or less, although it depends on the peak position described above. More preferably, it is 10 5 atoms / cm 3 or more and 10 11 atoms / cm 3 or less. Thereby, coexistence with the block property as mentioned above and the joining property at the time of heat joining can be aimed at effectively.
また、具体的なブロック層221、231のピーク位置での金属濃度は、そのピーク位
置にもよるが、108Atoms/cm3以上1018Atoms/cm3以下であるこ
とが好ましく、1010Atoms/cm3以上1015Atoms/cm3以下である
ことがより好ましい。これにより、前述したようなブロック性と加熱接合時の接合性との
両立を効果的に図ることができる。
The metal concentration at the peak position of the
また、具体的なブロック層221、231の金属濃度のピーク位置は、内部空間Sの内
壁面(ブロック層221、231の内表面)から、0.05μm以上1μm以下の範囲内
にあることが好ましく、0.1μm以上0.5μm以下の範囲内にあることがより好まし
い。これにより、前述したようなブロック性と加熱接合時の接合性との両立を効果的に図
ることができる。
In addition, the specific peak positions of the metal concentrations of the block layers 221 and 231 are preferably in the range of 0.05 μm or more and 1 μm or less from the inner wall surface of the internal space S (inner surfaces of the block layers 221 and 231). More preferably, it is in the range of 0.1 μm to 0.5 μm. Thereby, coexistence with the block property as mentioned above and the joining property at the time of heat joining can be aimed at effectively.
また、ブロック層221、231の厚さは、0.5μm以上10μm以下であることが
好ましく、1μm以上5μm以下であることがより好ましい。これにより、比較的簡単に
ブロック層221、231を形成し得るとともに、ブロック層221、231のブロック
性を優れたものとすることができる。これに対し、ブロック層221、231の厚さが薄
すぎると、ブロック層221、231の金属濃度によっては、ブロック性が不足する傾向
を示す。一方、ブロック層221、231の厚さが厚すぎると、ブロック層221、23
1の形成が困難になったり、ブロック層221、231の金属濃度によっては、励起光の
透過性が不足する傾向を示したりする。ここで、ブロック層221、231の厚さとは、
金属濃度が10Atoms/cm3以上である部分の厚さをいう。
The thicknesses of the block layers 221 and 231 are preferably 0.5 μm or more and 10 μm or less, and more preferably 1 μm or more and 5 μm or less. Thereby, the block layers 221 and 231 can be formed relatively easily, and the block properties of the block layers 221 and 231 can be made excellent. On the other hand, if the block layers 221 and 231 are too thin, the block property tends to be insufficient depending on the metal concentration of the block layers 221 and 231. On the other hand, if the block layers 221 and 231 are too thick, the block layers 221 and 23
1 may be difficult to form, or depending on the metal concentration of the block layers 221 and 231, the transparency of the excitation light tends to be insufficient. Here, the thicknesses of the block layers 221 and 231 are:
The thickness of the portion where the metal concentration is 10 atoms / cm 3 or more.
以上説明したようなブロック層221、231を有するガスセル2は、以下のようにし
て製造することができる。
The
(原子セルの製造方法)
以下、本発明の原子セルの製造方法について、前述したガスセル2を製造する場合を例
に説明する。なお、以下では、胴体部21がシリコンで構成され、窓部22、23がガラ
スで構成されている場合を例に説明する。
(Atom cell manufacturing method)
Hereinafter, the case of manufacturing the above-described
図7は、図5に示す原子セルの製造方法(ブロック層の形成工程)を示す図、図8は、
図7に示すブロック層の形成工程における窓部形成用基板の表面からの深さと金属濃度と
の関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a diagram showing a manufacturing method (block layer forming step) of the atomic cell shown in FIG. 5, and FIG.
It is a graph which shows the relationship between the depth from the surface of the board | substrate for window part formation in the formation process of the block layer shown in FIG. 7, and a metal concentration.
ガスセル2の製造方法は、[1]窓部形成用基板および胴体部形成用基板を準備する工
程と、[2]窓部形成用基板にブロック層221、231を形成する工程と、[3]窓部
形成用基板および胴体部形成用基板で構成された内部空間Sにアルカリ金属を封入する工
程と、を有する。以下、各工程を順次説明する。
The manufacturing method of the
[1]
まず、図7(a)に示すように、窓部形成用基板22Xを準備する。この窓部形成用基
板22Xは、光透過性を有するガラス基板であって、後述する工程[2]でブロック層2
21が形成され、その後、必要に応じてダイシングされることによって窓部22となる基
板である。
[1]
First, as shown in FIG. 7A, a
21 is a substrate that becomes the
一方、図示しないが、窓部23を形成するための基板として、窓部形成用基板22Xと
同様の窓部形成用基板を準備するとともに、胴体部21を形成するための基板として、貫
通孔211を有する胴体部形成用基板(シリコン基板)を準備する。
On the other hand, although not shown, a window forming substrate similar to the
[2]
2−1
次に、図7(b)に示すように、窓部形成用基板22Xの一方の面に金属膜20を形成
する。この金属膜20は、ブロック層221の形成領域に対応して配置される。
[2]
2-1
Next, as shown in FIG. 7B, a
金属膜20の構成材料として、前述したブロック層221中の金属を用いる。また、金
属膜20の形成方法としては、例えば、真空蒸着法等を用いることができる。また、金属
膜20の厚さは、ブロック層221の形成に必要な金属量以上であれば、特に限定されな
い。なお、金属膜20の形成前に、窓部形成用基板22Xを酸洗浄等を行ってもよい。
As the constituent material of the
2−2
次に、図7(c)に示すように、金属膜20および窓部形成用基板22Xを加熱処理す
る。これにより、金属膜20から窓部形成用基板22Xに金属を拡散(熱拡散)させ、拡
散層221Xを形成する。
2-2
Next, as shown in FIG. 7C, the
この加熱処理の温度は、金属膜20の金属を窓部形成用基板22Xに拡散でき、かつ、
窓部形成用基板22Xの軟化点以下であればよいが、60℃以上800℃以下であること
が好ましく、300℃以上800℃以下であることがより好ましく、400℃以上700
℃以下であることがさらに好ましい。これにより、ブロック層221のブロック機能を効
果的に高めることができる。
The temperature of the heat treatment can diffuse the metal of the
Although it should just be below the softening point of the board |
More preferably, it is not higher than ° C. Thereby, the block function of the
また、この加熱処理は、還元雰囲気または不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。
これにより、ブロック層221のブロック機能を効果的に高めることができる。
Further, this heat treatment is preferably performed in a reducing atmosphere or an inert gas atmosphere.
Thereby, the block function of the
また、この加熱処理の処理時間は、ブロック層221の厚さに応じて決められるもので
あり、特に限定されないが、10分間以上10時間以下程度である。
The heat treatment time is determined according to the thickness of the
ここで、熱拡散のプロファイルはFick法則に従う。加熱処理の処理時間tがt1、
t2であるときの拡散層221Xの金属濃度分布を図8に示す。なお、t1<t2である
。
Here, the profile of thermal diffusion follows Fick's law. The heat treatment time t is t 1 ,
The metal concentration distribution of the
2−3
次に、加熱処理後に残存した金属膜20を除去する。これにより、図7(d)に示すよ
うに、拡散層221Xが露出する。
2-3
Next, the
この金属膜20を除去する工程は、酸洗浄により行うことが好ましい。これにより、窓
部形成用基板22Xの表面に残存した余分な金属を簡単かつ効果的に除去することができ
る。
The step of removing the
2−4
次に、金属膜20がない状態でさらなる加熱処理によって押し込み拡散を行う。これに
より、図7(e)に示すように、ブロック層221を有する窓部22が得られる。
2-4
Next, indentation diffusion is performed by further heat treatment in the absence of the
この押し込み拡散は、前述した工程2−2における加熱処理と同様の温度で行うことが
できる。また、本工程の処理時間は、前述したように熱拡散のプロファイルがFick法
則に従うので、ブロック層221の厚さに応じて決められる。本工程における加熱処理後
に得られるブロック層221の金属濃度分布は、図8に示すようになる。図8では、前述
した工程2−2における加熱処理の処理時間tをt2とし、前述した工程2−3を行った
後、本工程の加熱処理を行った場合(t=t3)を示している。このような押し込み拡散
により、ブロック層221の内部に、ブロック層221の内部空間S側の面よりも金属の
濃度が高い部分を設けることができる。
This indentation diffusion can be performed at the same temperature as the heat treatment in Step 2-2 described above. Further, the processing time of this step is determined according to the thickness of the
以上説明した工程[2]により、ブロック層221を有する窓部22が得られる。また
、図示しないが、同様にして、ブロック層231を有する窓部23を得ることができる。
これにより、図9(a)に示すように、胴体部21および窓部22、23が得られる。な
お、ブロック層231の形成は、窓部23を形成するための窓部形成用基板を胴体部形成
用基板に接合した後に、その接合体(凹部を有する胴体部形成用基板)に対して行っても
よい。
By the process [2] described above, the
Thereby, as shown to Fig.9 (a), the trunk | drum 21 and the
[3]
次に、アルカリ金属の雰囲気下で、図9(b)に示すように、胴体部21に対して窓部
22、23を接合する。これにより、内部空間Sが形成されるとともに、内部空間Sにア
ルカリ金属が封入される。
[3]
Next, the
本工程では、胴体部21と窓部22、23との接合は、加熱接合の1種である陽極接合
により行うことが好ましい。このように、金属膜20を除去する工程の後、窓部22、2
3と胴体部21とを加熱接合することにより内部空間Sを形成する工程を有することによ
り、比較的簡単に、金属膜20の形成、金属の拡散、および金属膜20の除去を行うこと
ができる。また、信頼性の高い気密接合が可能となる。
In this step, it is preferable that the
3 and the
以上説明したようなガスセル2の製造方法によれば、窓部22、23の内壁面が金属を
含んでいるブロック層221、231で構成されているガスセル2を得ることができる。
そのため、得られるガスセル2の小型化および省電力化を図ることができる。
According to the manufacturing method of the
Therefore, it is possible to reduce the size and power consumption of the obtained
<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。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
図10(a)は、本発明の第2実施形態に係る原子セルの横断面図、図10(b)は、
図10(a)に示す原子セルの縦断面図である。
FIG. 10A is a cross-sectional view of an atomic cell according to the second embodiment of the present invention, and FIG.
It is a longitudinal cross-sectional view of the atomic cell shown to Fig.10 (a).
本実施形態は、胴体部にもブロック層を設けた以外は、前述した第1実施形態と同様で
ある。
This embodiment is the same as the first embodiment described above except that the body layer is also provided with a block layer.
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。
In the following description, the second embodiment will be described with a focus on differences from the above-described embodiment, and description of similar matters will be omitted.
図10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。
A
胴体部21Aの内部空間Sに面する部分には、内部空間Sの内壁面の一部を構成してい
るブロック層212が設けられている。このブロック層212は、胴体部21Aを構成す
る材料(母材)に金属を拡散させたものである。そして、前述した第1実施形態のブロッ
ク層221、231と同様、このブロック層212は、その内部に、ブロック層212の
内部空間S側の面よりも金属の濃度が高い部分が設けられている。
A
このようなブロック層212を設けることにより、例えば胴体部21の母材がガラスで
構成されている場合、胴体部21Aにアルカリ金属が吸収または浸透されるのを低減する
ことができる。
By providing such a
また、本実施形態では、ブロック層212、221、231により内部空間Sが囲まれ
ている。これにより、内部空間Sを区画形成する壁部全体の主材料が金属を吸収する性質
を有していても、金属の吸収または浸透を低減することができる。
In the present embodiment, the internal space S is surrounded by the block layers 212, 221, and 231. Thereby, even if the main material of the whole wall part which divides and forms internal space S has a property which absorbs a metal, absorption or osmosis | permeation of a metal can be reduced.
以上説明したようなブロック層212、221、231を有するガスセル2Aは、以下
のようにして製造することができる。なお、以下では、胴体部21Aおよび窓部22、2
3がそれぞれガラスで構成されている場合を例に説明する。また、前述した第1実施形態
と同様の事項については、その説明を省略する。
The
The case where 3 is each comprised with glass is demonstrated to an example. Further, the description of matters similar to those of the first embodiment described above is omitted.
図11が、図10に示す原子セルの製造方法(窓部形成用基板と胴体部形成用基板との
接合工程)を示す図である。
FIG. 11 is a diagram showing a method for manufacturing the atomic cell shown in FIG. 10 (joining step of the window portion forming substrate and the body portion forming substrate).
ガスセル2Aの製造方法は、[1A]窓部形成用基板および胴体部形成用基板を準備す
る工程と、[2A]窓部形成用基板にブロック層212、221、231を形成する工程
と、[3A]窓部形成用基板および胴体部形成用基板で構成された内部空間Sにアルカリ
金属を封入する工程と、を有する。以下、各工程を順次説明する。
The manufacturing method of the
[1A]
まず、前述した第1実施形態と同様に、窓部形成用基板および胴体部形成用基板を準備
する。
[1A]
First, similarly to the first embodiment described above, a window part forming substrate and a body part forming substrate are prepared.
[2A]
次に、前述した第1実施形態と同様に、ブロック層221、231を形成する。また、
ブロック層212も、ブロック層221、231と同様に形成することができる。これに
より、図11(a)に示すように、胴体部21および窓部22、23が得られる。ここで
、ブロック層231を形成する前に、窓部23を形成するための窓部形成用基板と胴体部
形成用基板とを接合しておき、その接合体に対して、金属膜の成膜、加熱処理による拡散
、洗浄を行うことにより、ブロック層231と一括してブロック層212を形成すること
ができる。
[2A]
Next, the block layers 221 and 231 are formed as in the first embodiment described above. Also,
The
[3A]
次に、アルカリ金属の雰囲気下で、図11(b)に示すように、胴体部21Aに対して
窓部22、23を接合する。これにより、内部空間Sが形成されるとともに、内部空間S
にアルカリ金属が封入される。
[3A]
Next, as shown in FIG. 11B, the
Alkaline metal is sealed in
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。
2. Electronic equipment The atomic oscillator described above can be incorporated into various electronic equipment. Such an electronic device has excellent reliability.
以下、本発明の電子機器について説明する。
図12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。
Hereinafter, the electronic apparatus of the present invention will be described.
FIG. 12 is a diagram showing a schematic configuration when the atomic oscillator of the present invention is used in a positioning system using a GPS satellite.
図12に示す測位システム100は、GPS衛星200と、基地局装置300と、GP
S受信装置400とで構成されている。
The
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3
01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。
The
The
A receiving
With.
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。
Here, the receiving
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。
The
3.移動体
図13は、本発明の移動体の一例を示す図である。
3. Mobile Object FIG. 13 is a diagram showing an example of a mobile object of the present invention.
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。
In this figure, a moving
According to such a moving body, excellent reliability can be exhibited.
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。
Note that the electronic apparatus of the present invention is not limited to the above-described ones. For example, a mobile phone, a digital still camera, an ink jet discharge device (for example, an ink jet printer), a personal computer (a mobile personal computer, a laptop personal computer). , TV, camcorder, video tape recorder, car navigation device, pager, electronic notebook (including communication function), electronic dictionary, calculator, electronic game device, word processor, workstation, video phone, TV monitor for security,
Electronic binoculars, POS terminal, medical equipment (eg electronic thermometer, blood pressure meter, blood glucose meter, electrocardiogram measuring device, ultrasonic diagnostic device, electronic endoscope), fish detector, various measuring devices, instruments (eg, vehicle, aircraft) , Ship instruments), flight simulators, digital terrestrial broadcasting, mobile phone base stations, and the like.
以上、本発明の原子セル、原子セルの製造方法、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。
As described above, the atomic cell, the atomic cell manufacturing method, the quantum interference device, the atomic oscillator, the electronic apparatus, and the moving body of the present invention have been described based on the illustrated embodiments. However, the present invention is not limited to these. Absent.
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。
Moreover, the structure of each part of this invention can be substituted by the thing of the arbitrary structures which exhibit the same function of embodiment mentioned above, and arbitrary structures can also be added.
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。
Moreover, you may make it this invention combine arbitrary structures of each embodiment mentioned above.
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。
In the above-described embodiment, the case where the atomic cell of the present invention is used in a quantum interference device that resonantly transitions cesium or the like using the quantum interference effect of two types of light having different wavelengths has been described as an example. The atomic cell of the invention is not limited to this, and can also be used for a double resonance apparatus that makes a resonance transition of rubidium or the like by utilizing a double resonance phenomenon caused by light and microwaves.
前述した実施形態では、ブロック層を形成した後に、窓部形成用基板と胴体部形成用基
板とを接合する場合を例に説明したが、これに限定されず、例えば、窓部形成用基板と胴
体部形成用基板とを接合して内部空間を形成するとともに、窓部形成用基板または胴体部
形成用基板に内部空間と外部とを連通させる孔を形成しておき、その孔を通じて、金属膜
の形成、拡散、洗浄およびアルカリ金属の導入を行った後に、その孔を封止してもよい。
In the embodiment described above, the case where the window portion forming substrate and the body portion forming substrate are joined after the block layer is formed has been described as an example. A body portion forming substrate is joined to form an internal space, and a window portion forming substrate or a body portion forming substrate is formed with a hole that communicates the internal space with the outside, and a metal film is formed through the hole. After forming, diffusing, washing and introducing an alkali metal, the hole may be sealed.
1‥‥原子発振器
2‥‥ガスセル
2A‥‥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
20‥‥金属膜
21‥‥胴体部
21A‥‥胴体部
22‥‥窓部
22X‥‥窓部形成用基板
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
212‥‥ブロック層
221‥‥ブロック層
221X‥‥拡散層
231‥‥ブロック層
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
LL‥‥励起光
S‥‥内部空間
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記金属が封入されている内部空間を構成していて、内部に金属を含んでいる壁部と、
を有し、
前記壁部は、前記内部空間側よりも金属の濃度が高いブロック層が配置されていること
を特徴とする原子セル。 Metal,
An internal space in which the metal is enclosed, and a wall portion containing the metal inside;
Have
The atomic cell, wherein the wall portion is provided with a block layer having a higher metal concentration than the inner space side.
前記部分に前記ブロック層が配置されている請求項1に記載の原子セル。 The wall has a portion containing glass,
The atomic cell according to claim 1, wherein the block layer is disposed in the portion.
内壁面側にある請求項1または2に記載の原子セル。 3. The atomic cell according to claim 1, wherein a peak position of the metal concentration in the block layer is closer to an inner wall surface than a center in a thickness direction of the wall portion.
1対の窓部と、
前記1対の窓部間に配置されていて前記1対の窓部とともに前記内部空間を構成してい
る胴体部と、
を有し、
前記ブロック層は、前記窓部および前記胴体部のうちの少なくとも一方に配置されてい
る請求項1ないし3のいずれか1項に記載の原子セル。 The wall is
A pair of windows,
A body part disposed between the pair of window parts and constituting the internal space together with the pair of window parts;
Have
4. The atomic cell according to claim 1, wherein the block layer is disposed on at least one of the window portion and the body portion. 5.
の原子セル。 The atomic cell according to claim 1, wherein the block layer surrounds the internal space.
素である請求項1ないし5のいずれか1項に記載の原子セル。 The atomic cell according to any one of claims 1 to 5, wherein the metal contained in the block layer is an element of the same group as the metal sealed in the internal space.
を準備する工程と、
前記窓部形成用基板および前記胴体部形成用基板のうちの少なくとも一方の表面に金属
膜を形成する工程と、
加熱処理により前記金属膜から前記窓部形成用基板または前記胴体部形成用基板に金属
を拡散させる工程と、
前記加熱処理後の前記金属膜の少なくとも一部を除去する工程と、
前記窓部形成用基板および前記胴体部形成用基板で構成される内部空間に金属を封入す
る工程と、
を含むことを特徴とする原子セルの製造方法。 A window forming substrate having optical transparency, a body forming substrate having a recess or a through hole, and
The process of preparing
Forming a metal film on at least one surface of the window portion forming substrate and the body portion forming substrate;
Diffusing metal from the metal film to the window portion forming substrate or the body portion forming substrate by heat treatment;
Removing at least a part of the metal film after the heat treatment;
Encapsulating metal in an internal space formed by the window portion forming substrate and the body portion forming substrate;
A method for producing an atomic cell, comprising:
ルの製造方法。 The method for producing an atomic cell according to claim 7 or 8, wherein the temperature of the heat treatment is 60 ° C or higher and 800 ° C or lower.
載の原子セルの製造方法。 The method for manufacturing an atomic cell according to claim 7, wherein the step of removing the metal film is performed by acid cleaning.
を加熱接合することにより前記内部空間を形成する工程を含む請求項7ないし10のいず
れか1項に記載の原子セルの製造方法。 11. The method according to claim 7, further comprising a step of forming the internal space by thermally bonding the window portion forming substrate and the body portion forming substrate after the step of removing the metal film. A method for producing an atomic cell according to claim 1.
板の金属を加熱処理により押し込み拡散させる工程を含む請求項7ないし11のいずれか
1項に記載の原子セルの製造方法。 The atom according to any one of claims 7 to 11, further comprising a step of pushing and diffusing the metal of the window portion forming substrate or the body portion forming substrate by heat treatment after the step of removing the metal film. Cell manufacturing method.
装置。 A quantum interference device comprising the atomic cell according to claim 1.
器。 An atomic oscillator comprising the atomic cell according to claim 1.
。 An electronic apparatus comprising the atomic cell according to claim 1.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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