JP2017011680A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】周波数安定度の向上を図ること。【解決手段】本実施形態の原子発振器は、第１のアルカリ金属と第１のバッファガスとが封入された第１の領域と第２のアルカリ金属と第１のバッファガスと異なる周波数温度係数の第２のバッファガスとが封入された第２の領域とを含むガスセルと、ガスセルにレーザ光を照射する光源と、光源によりガスセルに照射されたレーザ光のうち、ガスセルを透過した光を検出する光検出器と、第１の領域を透過した光及び第２の領域を透過した光に基づいて算出される共鳴周波数の差に応じてガスセルの温度を制御する制御装置とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、原子発振器に関する。

アルカリ金属の基底準位から励起準位までのエネルギー遷移等を利用して、極めて正確に時間を計測する原子時計（原子発振器）の一つ方式として、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式が知られている。ＣＰＴ方式では、アルカリ金属及びバッファガスが封入されたアルカリ金属セルの温度が変化すると、共鳴周波数が変動（シフト）する、所謂バッファガスシフトが発生し、原子発振器の周波数安定度が低下することがある。

そこで、従来では、アルカリ金属セルに異なる種類のバッファガスを混合して封入することで、温度変化に対する共鳴周波数のシフト量を小さくする方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。この方法では、アルカリ金属セルに封入するバッファガスの混合比率を厳密に制御する必要がある。

また、アルカリ金属セルの内部に配置された測温素子を用いてアルカリ金属セルの温度を制御する方法が知られている。この方法では、測温素子からアルカリ金属セルの外部に配線を取り出すための貫通電極等を設ける必要があるため、構造が複雑化する。一方、アルカリ金属セルの外部に測温素子を配置すると、外気温の変化等によりアルカリ金属セルの内部と測温素子の測温部との間に温度勾配が生じ、測定誤差が生じやすくなる。

さらに、アルカリ金属の吸収スペクトルの深さに基づいて、アルカリ金属セルの内部の温度を検出する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。この方法では、アルカリ金属セルの吸収スペクトルを検出するフォトセンサの検出分解能によって検出精度が決まるため、高い精度で温度を検出しようとすると検出分解能の高いフォトセンサを用いる必要がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、周波数安定度の向上を図ることを目的とする。

本実施形態の原子発振器は、第１のアルカリ金属と第１のバッファガスとが封入された第１の領域と第２のアルカリ金属と前記第１のバッファガスと異なる周波数温度係数の第２のバッファガスとが封入された第２の領域とを含むガスセルと、前記ガスセルにレーザ光を照射する光源と、前記光源により前記ガスセルに照射されたレーザ光のうち、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出器と、前記第１の領域を透過した光及び前記第２の領域を透過した光に基づいて算出される共鳴周波数の差に応じて前記ガスセルの温度を制御する制御装置とを有する。

本実施形態によれば、周波数安定度の向上を図ることができる。

実施形態１に係る原子発振器の概略構成図である。 実施形態１に係るアルカリ金属セルの概略構成図である。 実施形態１に係るアルカリ金属セルの他の例を示す概略構成図である。 実施形態１に係る原子発振器の動作を説明するフローチャートである。 実施形態１に係る原子発振器の動作の他の例を説明するフローチャートである。 環境温度と分周比の差との関係について説明する図（１）である。 環境温度と分周比の差との関係について説明する図（２）である。 実施形態２に係るアルカリ金属セルの概略構成図である。 実施形態３に係る原子発振器の概略構成図である。 実施形態３に係るアルカリ金属セルの概略構成図である。 実施形態４に係る原子発振器の概略構成図である。 実施形態５に係るアルカリ金属セルの概略構成図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

［実施形態１］
（原子発振器の構成）
実施形態１に係る原子発振器の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、実施形態１に係る原子発振器の概略構成図である。

実施形態１に係る原子発振器は、ＣＰＴ方式の原子発振器であり、レーザ光源１０、コリメートレンズ２０、アルカリ金属セル３０、フォトダイオード４０、ＣＰＵ５０、６０を有する。実施形態１に係る原子発振器は、レーザ光源１０を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、このサイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光をアルカリ金属セル３０に入射させる。これにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものである。

レーザ光源１０は、アルカリ金属セル３０にレーザ光を照射する光源の一例である。実施形態１では、レーザ光源１０として、面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）が用いられている。レーザ光源１０から出射されるレーザ光は、１３３ＣｓのＤ１線と略等しい波長が８９５ｎｍのレーザ光である。なお、小型で、かつ、低消費電力でレーザ光を出射させることができ、より一層消費電力を低くすることができるという観点から、レーザ光源１０としては、ＶＣＳＥＬを用いることが好ましい。

レーザ光源１０には、電源７０により生成される直流信号と位相同期回路（ＰＬＬ：Phase Locked Loop）８０により生成されるＲＦ変調信号とが重畳された電気信号が入力される。ＲＦ変調信号としては、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ：Temperature Compensated Crystal Oscillator）９０により生成される信号をＰＬＬ８０により逓倍した信号が用いられる。なお、ＴＣＸＯ９０は、基準発振器の一例である。

具体的には、例えばＴＣＸＯ９０の周波数を１０ＭＨｚ、ＰＬＬ８０の逓倍率を４６０とすると、４．６ＧＨｚのＲＦ変調信号が得られる。また、ＰＬＬ８０の逓倍率を周期的に変化させることで、周波数変調されたＲＦ変調信号をレーザ光源１０に入力することができる。周波数変調は、後述のロックイン検出に利用する。

アルカリ金属セル３０は、アルカリ金属セル及びバッファガスが封入されたガスセルの一例である。アルカリ金属セル３０の詳細については後述する。アルカリ金属セル３０の外部には、ヒータ１００及び測温素子１１０が配置されている。ヒータ１００は、アルカリ金属セル３０を加熱する加熱部の一例である。測温素子１１０は、アルカリ金属セル３０の温度を測定する素子であり、例えばサーミスタ、白金測温体である。

フォトダイオード４０は、レーザ光源１０によりアルカリ金属セル３０に照射されたレーザ光のうち、アルカリ金属セル３０を透過した光を検出し、光の強度に応じた検出信号（電圧信号）を出力する光検出器の一例である。

ＣＰＵ５０は、アルカリ金属セル３０の第１の領域３１を透過した光及び第２の領域３２を透過した光に基づいて算出される共鳴周波数の差が一定となるようにアルカリ金属セル３０の温度を制御する制御装置の一例である。具体的には、ＣＰＵ５０は、ロックインアンプ１２０により生成される信号に基づいて、ヒータ１００の温度を制御する。なお、第１の領域３１及び第２の領域については後述する。また、ＣＰＵ５０は、測温素子１１０により検出される温度に基づいて、アルカリ金属セル３０の温度を制御することができる機能を有することが好ましい。

ＣＰＵ６０は、ロックインアンプ１２０により生成される信号に基づいて、ＣＰＴ共鳴の中心周波数を常に捉えるようにＴＣＸＯ９０の周波数を微調整することで、ＴＣＸＯ９０の経時変動による周波数のズレを補正する第２の制御装置の一例である。

ロックインアンプ１２０は、ＰＬＬ８０により生成される周波数変調周期の参照信号と、フォトダイオード４０により生成される検出信号とを用いてロックイン検出を行うことでＣＰＴ共鳴の中心周波数を検出する。

なお、実施形態１では、レーザ光源１０から出射されるレーザ光の波長を安定化させるために、不図示のロックインアンプによるロックイン検波を行い、アルカリ金属セル３０に封入されたアルカリ金属原子の吸収量が最大となるように制御している。レーザ光源１０であるＶＣＳＥＬの波長を制御する方法としては、駆動する電流量、あるいはＶＣＳＥＬの温度により制御する方法が挙げられる。

また、アルカリ金属セル３０には、磁場に対して最も変動の少ないＣＰＴ共鳴を測定するため、不図示のコイルにより、磁束密度Ｂが約１０μＴとなる静磁場が印加され、ゼーマン分裂させることでＣＰＴ共鳴を選別している。また、地磁気等による外部磁場を遮断するため、アルカリ金属セル３０及びコイルを不図示の磁気シールドで覆っている。

次に、実施形態１に係るアルカリ金属セル３０の構成について、図２を参照しながら説明する。図２は、実施形態１に係るアルカリ金属セルの概略構成図である。図２（ａ）は概略断面図であり、図２（ｂ）はレーザ光が入射する側の面からアルカリ金属セルを視たときの概略平面図である。

アルカリ金属セル３０は、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、第１の領域３１と第２の領域３２とを含む。第１の領域３１と第２の領域３２とは、レーザ光の伝搬方向に対して並列に設けられており、第１の領域３１と第２の領域３２の両方にレーザ光源１０から照射されるレーザ光が照射される。

第１の領域３１は、例えば開口部３３ａが形成されたシリコン基板３３に２枚のガラス基板３４が接合されることにより形成された空洞である。第１の領域３１には、第１のアルカリ金属と第１のバッファガスとが封入されている。

第２の領域３２は、例えば開口部３３ａが形成されたシリコン基板３３に２枚のガラス基板３４が接合されることにより形成された空洞である。第２の領域３２には、第２のアルカリ金属と第２のバッファガスとが封入されている。第２のバッファガスは、第１のバッファガスと異なる周波数温度係数を有する。

ここで、周波数温度係数とは、温度変化に対するアルカリ金属原子の共鳴周波数のシフト量の割合を表す。また、温度が高くなるほどアルカリ金属原子の共鳴周波数が高くなる場合、周波数温度係数は正の値となり、温度が高くなるほどアルカリ金属原子の共鳴周波数が低くなる場合、周波数温度係数は負の値となる。

なお、実施形態１では、第１のアルカリ金属としてセシウム（Ｃｓ）、第１のバッファガスとして窒素（Ｎ_２）が封入されており、第２のアルカリ金属としてＣｓ、第２のバッファガスとしてアルゴン（Ａｒ）が封入されている。また、第１の領域３１及び第２の領域３２の圧力は、各々４．０ｋＰａとなっている。

アルカリ金属セル３０の製造方法としては、特に限定されるものではない。例えばシリコン基板３３に開口部３３ａを形成した後、開口部３３ａにアルカリ金属及びバッファガスを封入し、２枚のガラス基板３４とシリコン基板３３とを陽極接合により接合させる方法等の公知の方法を用いることができる。

次に、アルカリ金属及びバッファガスが封入されたアルカリ金属セル３０の温度が変化すると、共鳴周波数が変動する、所謂バッファガスシフトの温度特性について説明する。

Ｎ_２が封入されている場合、Ｎ_２が正の周波数温度係数を有するため、アルカリ金属セル３０の内部の温度が高くなるほど共鳴周波数が高くなる。一方、Ａｒが封入されている場合、Ａｒが負の周波数温度係数を有するため、アルカリ金属セル３０の内部の温度が高くなるほど共鳴周波数が低くなる。

例えば、ある時刻ｔ０においてＣｓ＋Ｎ_２が封入されたアルカリ金属セル３０（以下「Ｃｓ＋Ｎ_２セル」という。）の共鳴周波数がｆ１［Ｈｚ］、Ｃｓ＋Ａｒが封入されたアルカリ金属セル３０（以下「Ｃｓ＋Ａｒセル」という。）の共鳴周波数がｆ２［Ｈｚ］であったとする。また、各々のアルカリ金属セル３０の内部の温度がＴ０［Ｋ］であったとする。

このとき、アルカリ金属セル３０の内部の温度がＴ０［Ｋ］からＴ１［Ｋ］に変化したとすると、Ｃｓ＋Ｎ_２セルの共鳴周波数ｆ１'はｆ１＋α（Ｔ１−Ｔ０）［Ｈｚ］で表され、Ｃｓ＋Ａｒセルの共鳴周波数ｆ２'はｆ２＋β（Ｔ１−Ｔ０）［Ｈｚ］で表される。なお、αはＮ_２の周波数温度係数［Ｈｚ／Ｋ］であり、βはＡｒの周波数温度係数［Ｈｚ／Ｋ］である。

ところで、アルカリ金属セル３０が原子発振器として動作している際、ｆ１及びｆ２の値を直接測定することは困難であり、仮に測定する場合、より正確な周波数標準を参照して比較する必要がある。しかしながら、ｆ１とｆ２との差については、以下で説明するように、ＰＬＬ８０の分周比の差として測定することができる。

ＴＣＸＯ９０の基準周波数をｆ０［Ｈｚ］とすると、時刻ｔ０において、Ｃｓ＋Ｎ_２セルのＣＰＴ共鳴ピークを検出した際に設定した分周比Ａはｆ１／ｆ０に相当し、Ｃｓ＋ＡｒセルのＣＰＴ共鳴ピークを検出した際に設定した分周比Ｂはｆ２／ｆ０に相当する。したがって、この分周比の差Ｂ−Ａは、（ｆ２−ｆ１）／ｆ０に相当する。

アルカリ金属セル３０の温度がＴ１［Ｋ］に変化した場合の分周比を考える。Ｃｓ＋Ｎ_２セルのＣＰＴ共鳴ピークを検出する分周比Ａ'はｆ１'／ｆ０に相当する。また、Ｃｓ＋ＡｒセルのＣＰＴ共鳴ピークを検出する分周比Ｂ'はｆ２'／ｆ０に相当する。なお、ｆ０はｆ１又はｆ２に基づいてフィードバック制御されているため、周波数ドリフトが十分小さく、温度がＴ０［Ｋ］の場合と温度がＴ１［Ｋ］の場合とにおいて同じ値とすることができる。したがって、分周比の差Ｂ'−Ａ'は、（ｆ２'−ｆ１'）／ｆ０に相当する。

上記の関係式により、分周比の差Ｂ'−Ａ'は、下記の数式１で表される。

数式１における第1項はセルの内部の温度がＴ０［Ｋ］の際の分周比であり、既知の値である。また、数式１における第２項のα、βは既知の定数であり、ｆ０は上記の理由により定数とすることができる。したがって、数式１を用いると、温度の変化Ｔ１−Ｔ０は、下記の数式２で表される。

すなわち、ｆ１とｆ２との差を、ＰＬＬ８０の分周比の差として測定することができる。

なお、図２では、第１の領域３１と第２の領域３２とがレーザ光の伝搬方向に対して並列に設けられている形態について説明したが、本発明はこの点において限定されるものではない。第１の領域３１と第２の領域３２とは、各々の領域に対する共鳴周波数を検出することができるように設けられていればよく、例えば図３に示すように、レーザ光の伝搬方向に対して直列に設けられていてもよい。なお、図３は、実施形態１に係るアルカリ金属セルの他の例を示す概略構成図である。図３（ａ）は概略断面図であり、図３（ｂ）はレーザ光が入射する側の面からアルカリ金属セルを視たときの概略平面図である。

図３に示すアルカリ金属セル３０の製造方法としては、特に限定されるものではない。例えば２枚のシリコン基板３３の各々に開口部３３ａを形成した後、各々の開口部３３ａにアルカリ金属及びバッファガスを封入し、３枚のガラス基板３４と２枚のシリコン基板３３とを陽極接合により接合させる方法等の公知の方法を用いることができる。

（原子発振器の動作）
実施形態１に係る原子発振器の動作の一例について、図４を参照しながら説明する。図４は、実施形態１に係る原子発振器の動作を説明するフローチャートである。

まず、原子発振器が起動すると、アルカリ金属セル３０の温度が室温から動作温度（例えば、７０〜１００℃）まで上昇する。このとき、ＣＰＵ５０は、測温素子１１０により計測されたアルカリ金属セル３０の温度に基づいて、アルカリ金属セル３０の温度が一定となるようにヒータ１００に供給される電流を制御する（ステップＳ１）。

続いて、ＣＰＵ５０は、測温素子１１０により計測された温度と設定温度との差の絶対値が所定温度Ｎよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ２）。なお、所定温度Ｎは、測温素子１１０による温度制御の目標精度であり、例えば１ｍＫとすることができる。

ステップＳ２において、測温素子１１０により計測された温度と設定温度との差の絶対値が所定温度Ｎよりも小さくないと判定された場合、ステップＳ１へ戻る。ステップＳ２において、測温素子１１０により計測された温度と設定温度との差の絶対値が所定温度Ｎよりも小さいと判定された場合、ＣＰＵ５０は、不図示のカウンタのカウンタ値ｉを「０」に設定する（ステップＳ３）。その後、ＣＰＵ５０は、Ｃｓ＋Ｎ_２セルの共鳴ピークを検出し、ロックイン出力を不図示の記録装置に記録する（ステップＳ４）。

続いて、ＣＰＵ５０は、カウンタ値ｉが所定回数Ｍよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ５）。なお、所定回数Ｍは、周波数フィードバックに対する温度フィードバックの割合であり、例えば１０回とすることができる。この場合、周波数フィードバック動作を１０回実行するごとに温度フィードバック動作が実行される。

ステップＳ５において、カウンタ値ｉが所定回数Ｍよりも小さいと判定された場合、ＣＰＵ６０は、ロックイン出力が目標値となるようにＴＣＸＯ９０の周波数を調整する周波数フィードバック動作を実行した後、カウンタ値ｉに「１」を加える（ステップＳ６）。その後、ステップＳ４へ戻る。

ステップＳ５において、カウンタ値ｉが所定回数Ｍよりも小さくないと判定された場合、ＣＰＵ５０は、Ｃｓ＋Ｎ_２セルの共鳴ピークが検出されたときの分周比Ａ'を不図示の記録装置に記録する（ステップＳ７）。続いて、ＣＰＵ５０は、Ｃｓ＋Ａｒセルの共鳴ピークを検出し、共鳴ピークが検出されたときの分周比Ｂ'を記録する（ステップＳ８）。

続いて、ＣＰＵ５０は、前回記録されたＣｓ＋Ｎ_２セルの分周比Ａ及び前回記録されたＣｓ＋Ａｒセルの分周比Ｂが存在するか否かを判定する（ステップＳ９）。

ステップＳ９において、分周比Ａ及び分周比Ｂが存在しないと判定された場合、ＣＰＵ５０は、今回記録された分周比の値を前回記録された分周比の値として記録する（ステップＳ１３）。すなわち、「Ａ'」を「Ａ」として記録し、「Ｂ'」を「Ｂ」として記録する。その後、ステップＳ３へ戻る。

ステップＳ９において、分周比Ａ及び分周比Ｂが存在すると判定された場合、ＣＰＵ５０は、今回記録された分周比の差Ｂ'−Ａ'が、前回記録された分周比の差Ｂ−Ａよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０において、今回記録された分周比の差Ｂ'−Ａ'が、前回記録された分周比の差Ｂ−Ａよりも大きいと判定された場合、ＣＰＵ５０は、ヒータ１００に供給する電流を大きくする（ステップＳ１１）。その後、ＣＰＵ５０は、今回記録された分周比の値を前回記録された分周比の値として記録する（ステップＳ１３）。すなわち、「Ａ'」を「Ａ」として記録し、「Ｂ'」を「Ｂ」として記録する。その後、ステップＳ３へ戻る。

ステップＳ１０において、今回記録された分周比の差Ｂ'−Ａ'が、前回記録された分周比の差Ｂ−Ａよりも大きくないと判定された場合、ＣＰＵ５０は、ヒータ１００に供給する電流を小さくする（ステップＳ１２）。その後、ＣＰＵ５０は、今回記録された分周比の値を前回記録された分周比の値として記録する（ステップＳ１３）。すなわち、「Ａ'」を「Ａ」として記録し、「Ｂ'」を「Ｂ」として記録する。その後、ステップＳ３へ戻る。

実施形態１では、各領域（第１の領域３１、第２の領域３２）に対するＣＰＴ共鳴ピークを検出するための分周比の差を用いることで、アルカリ金属セル３０の内部の温度を検出することができる。なお、実施形態１では、２つのＣＰＴ共鳴ピークを同時に観測することはできないが、分周比Ａと分周比Ｂとを交互に設定する方法等により、２つのＣＰＵ共鳴ピークを検出することができる。

また、実施形態１では、ＣＰＵ５０が分周比の差Ｂ−Ａを計測し、この値が一定となるようにアルカリ金属セル３０の外部に設けられたヒータ１００をフィードバック制御する。このため、アルカリ金属セル３０の内部の温度を高い精度で安定に保つことができる。

また、実施形態１では、分周比の差を用いて算出される共鳴周波数の差に基づいて、アルカリ金属セル３０の内部の温度を検出しているので、Ｃｓ自身の温度を高い精度で検出している。これに対して、サーミスタ、白金抵抗体等の測温素子１１０を用いた場合には、測定対象と測温素子１１０との間の温度差の影響を受けるためアルカリ金属セル３０の内部の温度を精度よく検出することができない。すなわち、実施形態１では、測温素子１１０を用いる場合と比較して、アルカリ金属セル３０の温度を高精度に制御することができる。

また、共鳴周波数の差に基づいて温度を検出するため、温度検出精度がフォトダイオード４０等の光検出器の分解能に制限されることはない。さらに、ロックイン検出を行うことで、低い信号強度であっても高精度に共鳴周波数を検出することができる。

結果として、周波数安定度の高い原子発振器を提供することができる。

また、実施形態１に係る原子発振器は、アルカリ金属セル３０の温度を測定する測温素子１１０を有し、ＣＰＵ５０は、原子発振器が所定の動作温度となっていない場合、測温素子１１０により検出される温度に基づいてアルカリ金属セル３０の温度を制御する。

このため、原子発振器の起動直後等の温度が不安定なときであっても、測温素子１１０を用いてアルカリ金属セル３０の温度を制御することができる。また、原子発振器の温度が所定の動作温度に達した後は、共鳴周波数の差に基づいて、アルカリ金属セル３０の温度を制御する。結果として、温度が不安定な起動直後及び温度が安定した後のいずれの場合であっても、アルカリ金属セル３０の温度を高い精度で制御することができる。

以上に説明したように、実施形態１に係る原子発振器は、第１のアルカリ金属と第１のバッファガスとが封入された第１の領域と第２のアルカリ金属と第１のバッファガスと異なる周波数温度係数の第２のバッファガスとが封入された第２の領域とを含むガスセルと、ガスセルにレーザ光を照射する光源と、光源によりガスセルに照射されたレーザ光のうち、ガスセルを透過した光を検出する光検出器と、第１の領域を透過した光及び第２の領域を透過した光に基づいて算出される共鳴周波数の差が一定となるようにガスセルの温度を制御する制御装置とを有する。このため、アルカリ金属セル３０の温度を高精度に制御することができ、温度の変化による共鳴周波数の変動を抑制することができる。結果として、原子発振器における周波数安定度の向上を図ることができる。

なお、実施形態１では、バッファガスの組み合わせとしてＮ_２とＡｒとを用いたが、本発明はこの点において限定されるものではなく、周波数温度係数の異なる組み合わせであればよい。中でも、計測できる温度の精度を高くすることができるという観点から、バッファガスの組み合わせとしては、正の周波数温度係数を持つガスと負の周波数温度係数を持つガスとの組み合わせであることが好ましい。アルカリ金属セル３０の内部の温度がＴ１［Ｋ］の場合の分周比の差Ｂ'−Ａ'をＴ１で微分すると、（β−α）／ｆ０となる。すなわち、βとαとの差の絶対値が大きいほど、温度変化に対する分周比の差の感度が高いと言える。α＞０とβ＜０、又は、α＜０、β＞０の組み合わせの場合に感度が大きくなる。

具体的には、例えばアルカリ金属としてＣｓを使用した場合、正の周波数温度係数を持つガスとしては、Ｎ_２、Ｎｅ、Ｈｅ等を用いることができ、負の周波数温度係数を持つガスとしては、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０等を用いることができる。中でも、アルカリ金属としてＣｓを使用した場合、Ｎ_２とＸｅとの組み合わせであることが好ましい。これにより、周波数温度係数の差が特に大きくなるため、温度変化の検出精度が特に高くなる。

次に、実施形態１に係る原子発振器の動作の他の例について、図５を参照しながら説明する。図５は、実施形態１に係る原子発振器の動作の他の例を説明するフローチャートである。

図５に示されるように、ステップＳ１１からステップＳ１５までについては、前述したステップＳ１からステップＳ５まで（図４参照）と同様の動作とすることができる。

ステップＳ１５において、カウンタ値ｉが所定回数Ｍよりも小さいと判定された場合、ＣＰＵ６０は周波数フィードバック動作を行い、ＣＰＵ５０は温度フィードバック動作を行うと共に、カウンタ値ｉに「１」を加える（ステップＳ１６）。具体的には、周波数フィードバック動作では、ＣＰＵ６０は、ロックイン出力が目標値となるようにＴＣＸＯ９０の周波数を調整する。温度フィードバック動作では、ＣＰＵ５０は、測温素子１１０により計測された温度が設定温度に近づくようにヒータ１００の出力を調整する。ヒータ１００の出力は、例えばヒータ１００に供給される電流を調整することにより調整される。その後、ステップＳ１４へ戻る。

ステップＳ１５において、カウンタ値ｉが所定回数Ｍよりも小さくないと判定された場合、ＣＰＵ５０は、Ｃｓ＋Ｎ_２セルの共鳴ピークが検出されたときの分周比Ａ'を不図示の記録装置に記録する（ステップＳ１７）。続いて、ＣＰＵ５０は、Ｃｓ＋Ａｒセルの共鳴ピークを検出し、共鳴ピークが検出されたときの分周比Ｂ'を記録する（ステップＳ１８）。

続いて、ＣＰＵ５０は、ステップＳ１７及びステップＳ１８において今回記録された分周比の差Ａ'−Ｂ'を用いて、測温素子１１０の設定温度を変更する（ステップＳ１９）。具体的には、ＣＰＵ５０は、分周比の差Ａ'−Ｂ'を用いて、下記の数式３により、新たな測温素子１１０の設定温度Ｔｓ'を算出し、測温素子１１０の設定温度Ｔｓを新たな設定温度Ｔｓ'に変更する（ステップＳ１９）。その後、ステップＳ１３へ戻る。なお、測温素子１１０の設定温度Ｔｓとは、これまでに設定温度が変更されていない場合には初期設定温度であり、これまでに設定温度が変更されている場合には直前の変更後の設定温度である。

数式３において、Ｄ及びＥは定数である。具体的には、定数Ｄは分周比の差Ａ'−Ｂ'の変化量に対してどれだけ設定温度を変化させるかの係数であり、定数Ｅは基準とする分周比の差に相当する値である。

定数Ｄについては、測温素子１１０により測定される温度（以下「測温素子温度Ｔｍｏｎ」ともいう。）が一定となるようにヒータ１００の出力（以下「ヒータ出力Ｐ」ともいう。）を調整した場合における、原子発振器の周囲の温度（以下「環境温度Ｔａｍｂ」ともいう。）の変化量に対する分周比の差Ａ'−Ｂ'の変化量の比率と同程度に設定することが好ましい。言い換えれば、定数Ｄは、環境温度ＴａｍｂをＸ軸、分周比の差Ａ'−Ｂ'をＹ軸とし、環境温度Ｔａｍｂと分周比の差Ａ'−Ｂ'との関係をグラフに表した場合における傾きと同程度に設定することが好ましい。

定数Ｅについては、ある環境温度Ｔａｍｂを基準とし、その環境温度Ｔａｍｂにおける測温素子温度Ｔｍｏｎが測温素子１１０の設定温度Ｔｓとなる分周比の差Ａ'−Ｂ'として設定することが好ましい。

以下、図６及び図７を参照しながら、測温素子１１０の設定温度Ｔｓを変更する動作について説明する。図６及び図７は、環境温度と分周比の差との関係について説明する図である。より具体的には、図６は、測温素子１１０の設定温度Ｔｓを一定に保持する場合の例を示しており、図７は、測温素子１１０の設定温度Ｔｓを前述した数式３により変更する場合の例を示している。なお、図６及び図７においては、周波数温度係数の差α−βが０より大きい（α−β＞０）場合を示している。

図６（ａ）及び図７（ａ）は、環境温度Ｔａｍｂ（図中、横軸で示す。）と測温素子温度Ｔｍｏｎ（図中、縦軸で示す。）との関係を示している。

図６（ｂ）及び図７（ｂ）は、環境温度Ｔａｍｂ（図中、横軸で示す。）とアルカリ金属セル３０の内部の温度（以下「ガス温度Ｔｇａｓ」ともいう。）（図中、縦軸で示す。）との関係を示している。

図６（ｃ）及び図７（ｃ）は、環境温度Ｔａｍｂ（図中、横軸で示す。）とヒータ出力Ｐ（図中、縦軸で示す。）との関係を示している。

図６（ｄ）及び図７（ｄ）は、環境温度Ｔａｍｂ（図中、横軸で示す。）と分周比の差Ａ'−Ｂ'（図中、縦軸で示す。）との関係を示している。

測温素子１１０の設定温度Ｔｓを一定に保持する場合、図６（ｃ）に示されるように、環境温度Ｔａｍｂが上昇するとヒータ出力Ｐを低下させる制御が働き、図６（ａ）に示されるように、測温素子温度Ｔｍｏｎが一定に保持される。このとき、アルカリ金属セル３０の内部と測温素子１１０との間で生じる温度勾配が変化するため、図６（ｂ）に示されるように、環境温度Ｔａｍｂの変動に対応してガス温度Ｔｇａｓが変動する。なお、ガス温度Ｔｇａｓが低下するか上昇するかについては、アルカリ金属セル３０、ヒータ１００、測温素子１１０等の配置関係に依存するが、図６（ｂ）では一例として、環境温度Ｔａｍｂが上昇するとガス温度Ｔｇａｓが低下する場合を示している。そして、ガス温度Ｔｇａｓの低下により、図６（ｄ）に示されるように、分周比の差Ａ'−Ｂ'が低下するため、周波数安定度が低下する。

これに対し、前述の実施形態１に係る原子発振器の動作の他の例で示したように、測温素子１１０の設定温度Ｔｓを分周比の差Ａ'−Ｂ'に応じて動的に変更する場合、環境温度Ｔａｍｂの変動に伴うガス温度Ｔｇａｓの変動を抑制することができる。その結果、周波数安定度が向上する。例えば、分周比の差Ａ'−Ｂ'が低下した場合、分周比の差Ａ'−Ｂ'に応じて測温素子１１０の設定温度Ｔｓを高くすることにより、図７（ｃ）に示されるように、ガス温度Ｔｇａｓの変動を抑制することができる。そして、ガス温度Ｔｇａｓの変動を抑制することができるので、図７（ｄ）に示されるように、環境温度Ｔａｍｂの変動に伴う分周比の差Ａ'−Ｂ'の変動を抑制することができる。その結果、周波数安定度が向上する。なお、測温素子１１０の設定温度Ｔｓを動的に変更する場合には、図７（ａ）及び図７（ｃ）に示されるように、測温素子温度Ｔｍｏｎ及びヒータ出力Ｐについても、測温素子１１０の設定温度Ｔｓを一定に保持する場合と異なる傾向を示す。

以上、図６及び図７を参照しながら、α−β＞０、かつ、環境温度Ｔａｍｂが上昇した場合にガス温度Ｔｇａｓが低下する場合について説明したが、α−β＜０であってもよく、環境温度Ｔａｍｂが上昇した場合にガス温度Ｔｇａｓが低下する場合であってもよい。

α−β＜０の場合、環境温度Ｔａｍｂの変動に対する分周比の差Ａ'−Ｂ'の変動の方向がα−β＞の場合と逆方向になるが、定数Ｄの符号を適切に設定（α−β＜０の場合とは逆の符号に設定）することにより、同様の効果を得ることができる。また、環境温度Ｔａｍｂが上昇した場合にガス温度Ｔｇａｓが上昇する場合についても、定数Ｄの符号を適切に設定（環境温度Ｔａｍｂが少々した場合にガス温度Ｔｇａｓが低下する場合とは逆の符号に設定）することにより、同様の効果を得ることができる。

ところで、例えば環境温度の変化を打ち消すために、環境温度を測定するための測温素子をアルカリ金属セルの内部もしくは周囲に追加し、その温度をもとに環境温度の変化による周波数変動を抑制する制御構成が考えられる。しかしながら、環境温度の分布やアルカリ金属セルの内部からの発熱状況により、測温素子をアルカリ金属セル内もしくは周囲のどの部分に配置するかによって環境温度の測定値が大きく異なるため、一様な係数を設定することは困難である。また、原子発振器の製品毎に安定性がばらつく要因となり得る。

また、例えばアルカリ金属セルの外部に複数の測温素子を配置し、複数の測温素子間の温度差に基づいて環境温度の変動による周波数変動を抑制する制御構成が考えられる。しかしながら、アルカリ金属セル内に生じる温度勾配はミリケルビン（ｍＫ）オーダーの微小な値であり、測温素子の精度のばらつき、測温素子の設置箇所のばらつき等により、温度勾配を高精度に測定することは困難である。

これに対し、本実施形態では、環境温度Ｔａｍｂの変動によって生じるガス温度Ｔｇａｓと測温素子温度Ｔｍｏｎとの間の微小な温度勾配を分周比の差Ａ'−Ｂ'として高精度に計測することができる。そして、計測した結果を用いて測温素子１１０の設定温度Ｔｓを調整することにより、環境温度Ｔａｍｂの変動による周波数変動を抑制することができる。

また、本実施形態では、ヒータ出力Ｐの制御設計が容易であるという利点を有する。測温素子温度Ｔｍｏｎとヒータ出力Ｐ間の温度フィードバック動作は独立している。ヒータ出力Ｐの制御時定数と、設定温度Ｔｓの更新の時定数を調整することにより、制御を安定化させることができる。

［実施形態２］
実施形態２に係る原子発振器について、図８を参照しながら説明する。図８は、実施形態２に係るアルカリ金属セルの概略構成図である。図８（ａ）は概略断面図であり、図８（ｂ）はレーザ光が入射する側の面からアルカリ金属セルを視たときの概略平面図である。

実施形態２に係る原子発振器は、図８に示すように、アルカリ金属セル３０が第１のアルカリ金属セル３０１と第２のアルカリ金属セル３０２とを含む点が実施形態１に係る原子発振器と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。

実施形態２に係るアルカリ金属セル３０は、図８に示すように、第１のアルカリ金属セル３０１と第２のアルカリ金属セル３０２とを含む。そして、第１のアルカリ金属セル３０１と第２のアルカリ金属セル３０２の両方にレーザ光源１０から照射されるレーザ光が照射される。

第１のアルカリ金属セル３０１は、第１の領域３１を含む第１のガスセルの一例である。第１の領域３１には、第１のアルカリ金属及び第１のバッファガスが封入されている。

第２のアルカリ金属セル３０２は、第２の領域３２を含む第２のガスセルの一例である。第２のアルカリ金属セル３０２は、第１のアルカリ金属セル３０１を内包するように形成されている。第２の領域３２には、第２のアルカリ金属及び第２のバッファガスが封入されている。

アルカリ金属セル３０の製造方法としては、特に限定されるものではなく、例えば以下の方法により製造することができる。

まず、厚さの異なる２つのシリコン基板３３の各々に開口部３３ａを形成する。続いて、厚さの薄いほうのシリコン基板３３と２枚のガラス基板３４とを陽極接合により接合させることで、内包される側の第１のアルカリ金属セル３０１を作製する。続いて、厚さの厚いほうのシリコン基板３３の開口部３３ａの内部に第１のアルカリ金属セル３０１を内包するように配置した後、シリコン基板３３と２枚のガラス基板３４とを陽極接合により接合させることで、第２のアルカリ金属セル３０２を作製する。これにより、図８に示したアルカリ金属セル３０が製造される。

実施形態２では、第２のアルカリ金属セル３０２が第１のアルカリ金属セル３０１を内包するように配置されているため、二つの領域３１、３２の温度差を小さくすることができる。このため、特に高い精度でアルカリ金属セル３０の温度を制御することができる。

［実施形態３］
実施形態３に係る原子発振器について、図９及び図１０を参照しながら説明する。図９は、実施形態３に係る原子発振器の概略構成図である。図１０は、実施形態３に係るアルカリ金属セルの概略構成図である。図１０（ａ）は概略断面図であり、図１０（ｂ）はレーザ光が入射する側の面からアルカリ金属セルを視たときの概略平面図である。

実施形態３に係る原子発振器は、図９に示すように、２つのフォトダイオードとビームスプリッタを有する点で実施形態１に係る原子発振器と異なる。また、実施形態３に係る原子発振器は、図１０に示すように、アルカリ金属セル３０の第１の領域３１と第２の領域３２の配置が実施形態１に係る原子発振器と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。

実施形態３に係る原子発振器は、図９に示すように、レーザ光源１０、コリメートレンズ２０、アルカリ金属セル３０、第１のフォトダイオード４０１、第２のフォトダイオード４０２、ビームスプリッタ１３０を有する。

第１のフォトダイオード４０１は、レーザ光源１０によりアルカリ金属セル３０に照射されたレーザ光のうち、アルカリ金属セル３０の第１の領域３１を透過した光を検出する第１の光検出器の一例である。

第２のフォトダイオード４０２は、レーザ光源１０によりアルカリ金属セル３０に照射されたレーザ光のうち、アルカリ金属セル３０の第２の領域３２を透過した光を検出する第２の光検出器の一例である。

実施形態３に係るアルカリ金属セル３０は、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示すように、第１の領域３１と第２の領域３２とを含む。第１の領域３１と第２の領域３２とは、レーザ光の伝搬方向に対して並列に設けられている。

第１の領域３１は、シリコン基板３３の一方の面から他方の面まで貫通するように形成されている。これに対して、第２の領域３２は、シリコン基板３３の一方の面から他方の面まで貫通することなく凹部形状に形成されている。そして、第１の領域３１と第２の領域３２の両方にレーザ光源１０から照射されるレーザ光が照射される。

実施形態３に係るアルカリ金属セル３０に対して、レーザ光源１０からレーザ光が照射されると、第１の領域３１に入射したレーザ光は、第１の領域３１を通ってシリコン基板３３の一方の面から他方の面に透過する。透過した光は、第１のフォトダイオード４０１によって検出される。

これに対して、第２の領域３２に入射したレーザ光は、第２の領域３２とシリコン基板３３との界面によって反射する。反射した光は、図９に示すように、ビームスプリッタ１３０によって９０°反射し、第２のフォトダイオード４０２によって検出される。

実施形態３では、第１の領域３１を透過した光と第２の領域３２を透過した光とを異なるフォトダイオードによって検出する。このため、一方の共鳴信号が他方の共鳴信号に対するノイズとなることを抑制することができる。

［実施形態４］
実施形態４に係る原子発振器について、図１１を参照しながら説明する。図１１は、実施形態４に係る原子発振器の概略構成図である。

実施形態４に係る原子発振器は、図１１に示すように、コリメートレンズ２０を有しない点、ビームスプリッタ１３０を有しない点、及び、第２のフォトダイオード４０２の配置が異なる点で、実施形態３に係る原子発振器と異なる。以下、実施形態３と異なる点を中心に説明する。

実施形態４に係る原子発振器は、図１１に示すように、レーザ光源１０、アルカリ金属セル３０、第１のフォトダイオード４０１、第２のフォトダイオード４０２を有する。

第２のフォトダイオード４０２は、アルカリ金属セル３０に対してレーザ光源１０が設けられた側に第１のフォトダイオード４０１と対向するように配置されている。第２のフォトダイオード４０２は、レーザ光の伝搬方向から視たときの大きさがレーザ光源１０よりも大きいサイズを有する。これにより、第２のフォトダイオード４０２は、アルカリ金属セル３０により反射された光を効率よく検出することができる。

実施形態４に係るアルカリ金属セル３０は、実施形態３に係るアルカリ金属セル３０と同様の構成とすることができる。

実施形態４に係るアルカリ金属セル３０に対して、レーザ光源１０からレーザ光が照射されると、レーザ光は拡散光としてアルカリ金属セル３０の内部に入射する。そして、シリコン基板３３を貫通する領域である第１の領域３１に入射したレーザ光は、第１のフォトダイオード４０１によって検出される。一方、シリコン基板３３を貫通していない領域である第２の領域３２に入射したレーザ光は、第２の領域３２とシリコン基板３３との界面によって反射し、レーザ光源１０が設けられた側に伝搬する。そして、レーザ光源１０が設けられた側に伝搬した光は、第２のフォトダイオード４０２によって検出される。

実施形態４では、第１の領域３１を透過した光と第２の領域３２を透過した光とを異なるフォトダイオードによって検出する。このため、一方の共鳴信号が他方の共鳴信号に対するノイズとなることを抑制することができる。

［実施形態５］
実施形態５に係る原子発振器について、図１２を参照しながら説明する。図１２は、実施形態５に係るアルカリ金属セルの概略構成図である。図１２（ａ）は概略断面図であり、図１２（ｂ）はレーザ光が入射する側の面からアルカリ金属セルを視たときの概略平面図である。

実施形態５に係る原子発振器は、図１２（ｂ）に示すように、レーザ光の伝搬方向からの平面視において、第１の領域３１の面積が第２の領域３２の面積よりも大きい点で、実施形態１に係る原子発振器と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。

実施形態５に係るアルカリ金属セル３０は、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、第１の領域３１と第２の領域３２とを含み、レーザ光の伝搬方向からの平面視において、第１の領域３１の面積が第２の領域３２の面積よりも大きい。そして、第１の領域３１と第２の領域３２の両方にレーザ光源１０から照射されるレーザ光が照射される。

実施形態５に係る原子発振器は、ＣＰＵ６０がレーザ光の伝搬方向からの平面視における面積が大きい第１の領域３１を透過する光の共鳴周波数に基づいて、ＴＣＸＯ９０の発振周波数を制御する。このため、レーザ光と相互作用するアルカリ金属原子の数が多くなるため、信号強度が大きい共鳴線を得ることができる。また、レーザ光とアルカリ金属原子との相互作用時間が大きくなるため、線幅の狭い共鳴線を得ることができる。結果として、特に周波数安定度の高い原子発振器が得られる。

なお、２つの共鳴周波数の差を用いた温度制御については、差分が得られればよいので、一方の領域から得られる共鳴信号の信号強度が小さくても周波数安定度への影響は小さい。

また、実施形態５では、ＣＰＵ６０を用いてＴＣＸＯ９０の発振周波数を制御する形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、前述したＣＰＵ５０がＴＣＸＯ９０の発振周波数を制御する形態であってもよい。

以上、原子発振器を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１０ レーザ光源
３０ アルカリ金属セル
３０１ 第１のアルカリ金属セル
３０２ 第２のアルカリ金属セル
３１ 第１の領域
３２ 第２の領域
４０ フォトダイオード
４０１ 第１のフォトダイオード
４０２ 第２のフォトダイオード
５０、６０ ＣＰＵ
９０ ＴＣＸＯ
１１０ 測温素子

米国特許６３２０４７２号明細書 特開２０１０−２４５８０５号公報 特開２００７−３３６１３６号公報

Claims (9)

1. 第１のアルカリ金属と第１のバッファガスとが封入された第１の領域と第２のアルカリ金属と前記第１のバッファガスと異なる周波数温度係数の第２のバッファガスとが封入された第２の領域とを含むガスセルと、
   前記ガスセルにレーザ光を照射する光源と、
   前記光源により前記ガスセルに照射されたレーザ光のうち、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出器と、
   前記第１の領域を透過した光及び前記第２の領域を透過した光に基づいて算出される共鳴周波数の差に応じて前記ガスセルの温度を制御する制御装置と
   を有することを特徴とする原子発振器。
2. 前記制御装置は、前記共鳴周波数の差が一定となるように前記ガスセルの温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記制御装置は、前記共鳴周波数の差に応じて、前記ガスセルの温度制御における制御目標値を変更することを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
4. 前記第１のバッファガスの前記周波数温度係数は正の値であり、
   前記第２のバッファガスの前記周波数温度係数は負の値であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の原子発振器。
5. 前記第１のアルカリ金属及び前記第２のアルカリ金属はＣｓあり、
   前記第１のバッファガスは、Ｎｅ、Ｎ_２、Ｈｅのいずれかのガスであり、
   前記第２のバッファガスは、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＨ_４、Ｃ_２Ｈ_６、Ｃ_３Ｈ_８、Ｃ_４Ｈ_１０のいずれかのガスであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の原子発振器。
6. 前記ガスセルの温度を測定する測温素子を有し、
   前記制御装置は、前記原子発振器が所定の動作温度でない場合、前記測温素子により検出される温度に基づいて、前記ガスセルの温度を制御することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の原子発振器。
7. 前記ガスセルは、前記第１の領域を含む第１のガスセルと、前記第２の領域を含む第２のガスセルとを含み、
   前記第１のガスセルが前記第２のガスセルに内包されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の原子発振器。
8. 前記光検出器は、前記第１の領域を透過した光を検出する第１の光検出器と前記第２の領域を透過した光を検出する第２の光検出器とを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の原子発振器。
9. 前記第１の領域及び前記第２の領域のうち、レーザ光の伝搬方向からの平面視における面積が大きいほうの領域を透過する光の共鳴周波数に基づいて、基準発振器の発振周波数を制御する第２の制御装置を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の原子発振器。

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