JP2016092442A - 原子セルの製造方法、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
【解決手段】本発明の原子セル2の製造方法は、内部空間Sを構成していて一部が光透過部である壁部を有し、光透過部に液体状または固体状のアルカリ金属M1が配置されている構造体を準備する準備工程と、光透過部を加熱することにより、アルカリ金属Mの量が光透過部の中央部よりも外周部側で多くなるように分布を調整する調整工程と、を含む。
【選択図】図7
Description
本発明の原子セルの製造方法は、内部空間を構成していて少なくとも一部が光透過部である壁部を有し、前記光透過部に液体状または固体状の金属原子が配置されている構造体を準備する準備工程と、
前記金属原子の量が前記光透過部の中央部よりも外周部側で多くなるように分布を調整する調整工程と、
を含むことを特徴とする。
本発明の原子セルの製造方法では、前記調整工程において、前記光透過部を加熱することで分布を調整することが好ましい。
これにより、内部空間が封止された状態でも、調整工程を行うことができる。
本発明の原子セルの製造方法では、前記準備工程は、
一方の面側に開口し、底部が前記光透過部を構成する凹部を備えるベース部を準備するベース部準備ステップと、
前記底部に前記金属原子を配置する配置ステップと、
前記凹部を封止して前記内部空間を形成する封止ステップと、
を含むことが好ましい。
これにより、小型な原子セルを効率的に製造することができる。
本発明の原子セルの製造方法では、前記配置ステップにおいて、成膜により前記金属原子を前記底部に配置することが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記調整工程において、前記金属原子が前記底部の外周部に沿って配置されるように前記調整を行うことが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記底部が平面視で角部を有し、
前記調整工程において、前記金属原子が前記角部に配置されるように前記調整を行うことが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記準備工程において、前記構造体は、前記光透過部の外周部に設けられている凹状の収納部を有し、
前記調整工程において、前記金属原子の少なくとも一部を前記収納部に配置することが好ましい。
本発明の原子セルの製造方法では、前記収納部は、前記光透過部の外周部に沿って延びていることが好ましい。
本発明の原子セルは、本発明の原子セルの製造方法を用いて製造されたことを特徴とする。
本発明の原子セルは、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対の窓部とともに内部空間を構成している胴体部と、
前記内部空間にて前記1対の窓部のうちの少なくとも一方の窓部上に前記窓部の中央部よりも外周部側で量が多くなるように配置されている液体状または固体状の金属原子と、
を備えることを特徴とする。
本発明の原子セルでは、前記1対の窓部のうちの少なくとも一方の窓部と前記胴体部との接続部に設けられていて前記金属原子が配置されている凹状の収納部を備えることが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記収納部は、前記接続部に沿って延びていることが好ましい。
本発明の原子セルでは、前記収納部は、前記窓部に設けられている凹部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、前記収納部は、前記胴体部に設けられている段差部を含んで構成されていることが好ましい。
これにより、液体状または固体状の金属原子を光通過領域から遠ざけることができる。
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、優れた周波数安定度を有する量子干渉装置を提供することができる。
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、優れた周波数安定度を有する原子発振器を提供することができる。
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。
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。
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。
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に示すように、原子発振器1では、光出射部3が原子セル2に向けて励起光LLを出射し、原子セル2を透過した励起光LLを光検出部5が検出する。
[原子セル]
原子セル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、原子セル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。
光出射部3(光源)は、原子セル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。
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と原子セル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側から原子セル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。
光検出部5は、原子セル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。
ヒーター6(加熱部)は、前述した原子セル2(より具体的には原子セル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、原子セル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。
温度センサー7は、ヒーター6または原子セル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、原子セル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。
磁場発生部8は、原子セル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。
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の各部の構成を簡単に説明した。
図4(a)は、図1に示す原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図4(b)は、図4(a)中のA−A線断面図(横断面図)である。図5は、図1に示す原子発振器が備える原子セルの他の使用例を説明するための縦断面図である。
図4(a)に示すように、原子セル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。この原子セル2では、胴体部21が1対の窓部22、23の間に配置されていて、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Sを胴体部21および1対の窓部22、23が区画形成(構成)している。
また、窓部22、23は、それぞれ、板状をなしている。
以下、本発明の原子セルの製造方法について、前述した原子セル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。
1−1第1接合工程(ベース部準備ステップ)
まず、図6(a)に示すように、胴体部形成用基板210と窓部形成用基板220とを接合する。
次に、図6(b)に示すように、貫通孔211による凹部の底部にアルカリ金属M1を配置する。より具体的には、開口部501を有するマスク500を用いて気相成膜法により、窓部形成用基板220の貫通孔211内に露出した面上に、アルカリ金属M1を成膜する。これにより、所望量のアルカリ金属M1を簡単かつ高精度に配置することができる。
次に、図6(c)に示すように、胴体部形成用基板210(第1基板の一方の面側)と窓部形成用基板230とを接合する。これにより、貫通孔211で構成された凹部内が封止され、内部空間Sが形成される。
次に、図7(a)に示すように、窓部形成用基板220を加熱することにより、アルカリ金属M1の量の分布を調整する。このとき、窓部形成用基板220の励起光LLが通過することとなる部分の中央部(以下、単に「中央部」という)を中心的に加熱する。これにより、窓部形成用基板220の中央部上のアルカリ金属M1を窓部形成用基板220の外周部側へ移動させることができる。その結果、窓部形成用基板220の中央部よりも外周部側の方で量が多くなるように分布して配置されたアルカリ金属Mが形成されることとなる。
次に、例えばダイシングにより、胴体部形成用基板210および窓部形成用基板220、230からなる積層構造体(接合体)を個片化する。これにより、図7(b)に示すように、原子セル2が得られる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
以上説明したような原子セル2Aは、以下のようにして製造することができる。
1A−1第1接合工程(ベース部準備ステップ)および1A−2配置ステップ
まず、図9(a)に示すように、前述した第1実施形態の第1接合工程1−1および配置ステップ1−2と同様に、胴体部形成用基板210と窓部形成用基板220Aとを接合した後、貫通孔211による凹部内にアルカリ金属M1を配置する。
次に、図9(b)に示すように、前述した第1実施形態の1−3第2接合工程と同様に、胴体部形成用基板210(第1基板の一方の面側)と窓部形成用基板230とを接合する。
次に、図9(c)に示すように、窓部形成用基板220Aを加熱することにより、アルカリ金属M1の量の分布を調整する。このとき、窓部形成用基板220Aの中央部を中心的に加熱する。これにより、窓部形成用基板220Aの中央部上のアルカリ金属M1を窓部形成用基板220Aの外周部側へ移動させることができる。その結果、窓部形成用基板220Aの中央部よりも外周部側の方で量が多くなるように分布して配置されたアルカリ金属Mが形成されることとなる。
次に、前述した第1実施形態の[3]個片化工程と同様に、胴体部形成用基板210および窓部形成用基板220A、230からなる積層構造体(接合体)を個片化する。これにより、原子セル2Aが得られる。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
次に、本発明の第5実施形態について説明する。
次に、本発明の第6実施形態について説明する。
次に、本発明の第7実施形態について説明する。
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。
図15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。
GPS衛星200は、測位情報(GPS信号)を送信する。
図16は、本発明の移動体の一例を示す図である。
2‥‥原子セル
2A‥‥原子セル
2B‥‥原子セル
2C‥‥原子セル
2D‥‥原子セル
2E‥‥原子セル
2F‥‥原子セル
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
21B‥‥胴体部
21C‥‥胴体部
21D‥‥胴体部
21E‥‥胴体部
21F‥‥胴体部
22‥‥窓部
22A‥‥窓部
22C‥‥窓部
22D‥‥窓部
22E‥‥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
210‥‥胴体部形成用基板
211‥‥貫通孔
211B‥‥貫通孔
211C‥‥貫通孔
211D‥‥貫通孔
211E‥‥貫通孔
211F‥‥貫通孔
212‥‥段差部
212C‥‥段差部
212D‥‥段差部
212E‥‥段差部
220‥‥窓部形成用基板
220A‥‥窓部形成用基板
221‥‥凹部
221C‥‥凹部
221D‥‥凹部
221E‥‥凹部
230‥‥窓部形成用基板
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
500‥‥マスク
501‥‥開口部
1500‥‥移動体
1501‥‥車体
1502‥‥車輪
LL‥‥励起光
M‥‥アルカリ金属
M1‥‥アルカリ金属
S‥‥内部空間
Claims (18)
- 内部空間を構成していて少なくとも一部が光透過部である壁部を有し、前記光透過部に液体状または固体状の金属原子が配置されている構造体を準備する準備工程と、
前記金属原子の量が前記光透過部の中央部よりも外周部側で多くなるように分布を調整する調整工程と、
を含むことを特徴とする原子セルの製造方法。 - 前記調整工程において、前記光透過部を加熱することで分布を調整する請求項1に記載の原子セルの製造方法。
- 前記準備工程は、
一方の面側に開口し、底部が前記光透過部を構成する凹部を備えるベース部を準備するベース部準備ステップと、
前記底部に前記金属原子を配置する配置ステップと、
前記凹部を封止して前記内部空間を形成する封止ステップと、
を含む請求項1または2に記載の原子セルの製造方法。 - 前記配置ステップにおいて、成膜により前記金属原子を前記底部に配置する請求項3に記載の原子セルの製造方法。
- 前記調整工程において、前記金属原子が前記底部の外周部に沿って配置されるように前記調整を行う請求項3または4に記載の原子セルの製造方法。
- 前記底部が平面視で角部を有し、
前記調整工程において、前記金属原子が前記角部に配置されるように前記調整を行う請求項3または4に記載の原子セルの製造方法。 - 前記準備工程において、前記構造体は、前記光透過部の外周部に設けられている凹状の収納部を有し、
前記調整工程において、前記金属原子の少なくとも一部を前記収納部に配置する請求項1ないし6のいずれか1項に記載の原子セルの製造方法。 - 前記収納部は、前記光透過部の外周部に沿って延びている請求項7に記載の原子セルの製造方法。
- 請求項1ないし8のいずれか1項に記載の原子セルの製造方法を用いて製造されたことを特徴とする原子セル。
- 1対の窓部と、
前記1対の窓部間に配置されていて前記1対の窓部とともに内部空間を構成している胴体部と、
前記内部空間にて前記1対の窓部のうちの少なくとも一方の窓部上に前記窓部の中央部よりも外周部側で量が多くなるように配置されている液体状または固体状の金属原子と、
を備えることを特徴とする原子セル。 - 前記1対の窓部のうちの少なくとも一方の窓部と前記胴体部との接続部に設けられていて前記金属原子が配置されている凹状の収納部を備える請求項10に記載の原子セル。
- 前記収納部は、前記接続部に沿って延びている請求項11に記載の原子セル。
- 前記収納部は、前記窓部に設けられている凹部を含んで構成されている請求項10ないし12のいずれか1項に記載の原子セル。
- 前記収納部は、前記胴体部に設けられている段差部を含んで構成されている請求項10ないし13のいずれか1項に記載の原子セル。
- 請求項9ないし14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9ないし14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9ないし14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9ないし14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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