JP2020167591A - 原子発振器および周波数信号生成システム - Google Patents
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Abstract
【課題】周波数安定性を高めることができる原子発振器および周波数信号生成システムを提供すること。【解決手段】本発明の原子発振器は、アルカリ金属原子が収容される内部空間を規定する壁部を有する原子セルと、前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する発光素子と、前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、を含み、前記原子セルは、気体の前記アルカリ金属原子が収容され、前記光出射部からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、を有し、前記第３部分において、前記ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部の間の距離が、前記ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かって一定の減少率で減少する。【選択図】図９
Description
本発明は、原子発振器および周波数信号生成システム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を利用した方式とに大別される。
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を利用した方式とに大別される。
例えば、特許文献１に示す原子発振器は、原子セルと、原子セルに向って光を出射する光出射部と、原子セルを通過した光を受光する光検出器とを備えている。また、原子セルは、気体状のアルカリ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アルカリ金属が配置されている金属溜り部と、光通過部と金属溜り部とを連通し、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。
特許文献１の原子セルにおいては、金属溜り部に配置されている液体状または固体状のアルカリ金属は、光通過部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、励起光の励起に供される。また、連通部に幅が狭い部分を有することで、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、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。
しかしながら、特許文献１には、光通過部から金属溜り部へのアルカリ金属原子の移動については記載がない。特許文献１に記載されている原子セルでは、連通部が狭いため、光通過部から金属溜り部にアルカリ金属原子を移動させたい場合に、連通部によってアルカリ金属原子の移動が滞るおそれがある。すると、液体状または固体状のアルカリ金属原子が光通過部に残留してしまい、原子発振器の周波数特性の低下を招くおそれがある。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の適用例として実現することが可能である。
本適用例に係る原子発振器は、アルカリ金属原子が収容される内部空間を規定する壁部を有する原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する発光素子と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、を含み、
前記原子セルは、気体の前記アルカリ金属原子が収容され、前記光出射部からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、を有し、
前記第３部分において、前記ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部の間の距離が、前記ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かって一定の減少率で減少する。
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する発光素子と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、を含み、
前記原子セルは、気体の前記アルカリ金属原子が収容され、前記光出射部からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、を有し、
前記第３部分において、前記ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部の間の距離が、前記ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かって一定の減少率で減少する。
本適用例に係る原子発振器では、前記第２部分を、前記ｘ軸と前記ｘ軸および前記ｙ軸と直交するｚ軸とを含むｘｚ平面で切断したときに前記壁部で囲まれる部分の断面積は、前記第１部分を前記ｘｚ平面で切断したときに前記壁部で囲まれる部分の断面積よりも小さいことが好ましい。
本適用例に係る原子発振器では、前記第３部分において、前記ｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部は、前記ｘ軸および前記ｙ軸を含むｘｙ平面に対して傾斜していることが好ましい。
本適用例に係る原子発振器では、前記第３部分において、前記ｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部は、前記ｙ軸および前記ｚ軸を含むｙｚ平面に対して傾斜していることが好ましい。
本適用例に係る原子発振器では、前記原子セルの前記第１部分を加熱するヒーターをさらに含むことが好ましい。
本適用例に係る周波数信号生成システムでは、原子発振器と、
前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
前記原子発振器は、
アルカリ金属原子が収容される内部空間を規定する壁部を有する原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する発光素子と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、を含み、
前記原子セルは、気体の前記アルカリ金属原子が収容され、前記光出射部からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、を有し、
前記第３部分において、前記ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部の間の距離が、前記ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かうに連れて一定の減少率で減少する。
前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
前記原子発振器は、
アルカリ金属原子が収容される内部空間を規定する壁部を有する原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する発光素子と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、を含み、
前記原子セルは、気体の前記アルカリ金属原子が収容され、前記光出射部からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、を有し、
前記第３部分において、前記ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部の間の距離が、前記ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かうに連れて一定の減少率で減少する。
以下、本発明の原子発振器および周波数信号生成システム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
まず、本発明の原子発振器について説明する。
まず、本発明の原子発振器について説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す模式図である。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である。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４は、図１に示す原子発振器を模式的に示す斜視図である。図５は、図１に示す原子発振器が備える第２ユニットの断面図である。図６は、図５に示す伝熱部の斜視図である。図７は、図５に示す放熱部の斜視図である。図８は、図１に示す原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。図９は、図８中のＡ−Ａ線断面図である。
図１は、第１実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す模式図である。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である。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４は、図１に示す原子発振器を模式的に示す斜視図である。図５は、図１に示す原子発振器が備える第２ユニットの断面図である。図６は、図５に示す伝熱部の斜視図である。図７は、図５に示す放熱部の斜視図である。図８は、図１に示す原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。図９は、図８中のＡ−Ａ線断面図である。
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、発光素子を含むユニットである第１ユニット２と、光検出素子を含むユニットである第２ユニット３と、第１、第２ユニット２、３間に設けられた光学系ユニットと、第１ユニット２および第２ユニット３を制御する制御回路６と、を備える。
この原子発振器１は、図１に示すように、発光素子を含むユニットである第１ユニット２と、光検出素子を含むユニットである第２ユニット３と、第１、第２ユニット２、３間に設けられた光学系ユニットと、第１ユニット２および第２ユニット３を制御する制御回路６と、を備える。
ここで、図４に示すように、第１ユニット２は、発光素子２１と、発光素子２１を収納する第１パッケージ２２とを備える。
また、第２ユニット３は、原子セル３１と、光検出素子３２と、コイル３５と、伝熱部８と、放熱部９と、これらを収納する磁気シールド３８と、ヒーター３３と、温度センサー３４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、発光素子２１が原子セル３１に向けて励起光ＬＬを出射し、原子セル３１を透過した励起光ＬＬを光検出素子３２が検出する。
図１に示すように、原子発振器１では、発光素子２１が原子セル３１に向けて励起光ＬＬを出射し、原子セル３１を透過した励起光ＬＬを光検出素子３２が検出する。
原子セル３１内には、気体のアルカリ金属原子が封入されている。アルカリ金属原子は、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。
発光素子２１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原子に照射したとき、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のアルカリ金属原子における光吸収率（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、アルカリ金属原子に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
例えば、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、光検出素子３２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、アルカリ金属原子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、本実施形態の原子発振器１の具体的な構成について説明する。
図４は、図１に示す原子発振器を模式的に示す斜視図、図５は、図１に示す原子発振器が備える第２ユニットの断面図、図６は、図５に示す伝熱部の斜視図である。なお、以下では、互いに直交する３つの軸として、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を図示している。ｘ軸は発光素子２１と光検出素子３２とを結ぶ線分に沿う軸であり、発光素子から出射された励起光ＬＬはｘ軸に沿って進む。ｙ軸は、後述する原子セル３１の第１部分Ｓ１と第２部分Ｓ２とが並ぶ軸である。以下の説明では、ｘ軸においては、相対的に発光素子２１側を「＋（プラス）」、相対的に光検出素子３２側を「−（マイナス）」という場合がある。また、ｙ軸においては、相対的に第２部分Ｓ２側を「＋（プラス）」、第１部分Ｓ１側を「−（マイナス）」という場合がある。ｚ軸の「＋（プラス）」はｘ軸の「＋（プラス）」を上、ｙ軸の「＋（プラス）」が奥となるように座標系を見たときの右側である。図示においては各矢印の先端側が「＋（プラス）」、基端側が「−（マイナス）」である。
図４は、図１に示す原子発振器を模式的に示す斜視図、図５は、図１に示す原子発振器が備える第２ユニットの断面図、図６は、図５に示す伝熱部の斜視図である。なお、以下では、互いに直交する３つの軸として、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸を図示している。ｘ軸は発光素子２１と光検出素子３２とを結ぶ線分に沿う軸であり、発光素子から出射された励起光ＬＬはｘ軸に沿って進む。ｙ軸は、後述する原子セル３１の第１部分Ｓ１と第２部分Ｓ２とが並ぶ軸である。以下の説明では、ｘ軸においては、相対的に発光素子２１側を「＋（プラス）」、相対的に光検出素子３２側を「−（マイナス）」という場合がある。また、ｙ軸においては、相対的に第２部分Ｓ２側を「＋（プラス）」、第１部分Ｓ１側を「−（マイナス）」という場合がある。ｚ軸の「＋（プラス）」はｘ軸の「＋（プラス）」を上、ｙ軸の「＋（プラス）」が奥となるように座標系を見たときの右側である。図示においては各矢印の先端側が「＋（プラス）」、基端側が「−（マイナス）」である。
原子発振器１は、図１および図４に示すように、第１ユニット２と、第２ユニット３と光学系ユニットと、制御回路６とを備える。そして、第１ユニット２および第２ユニット３は、配線および図示しないコネクターを介して制御回路６に電気的に接続され、制御回路６により駆動制御される。
以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
（第１ユニット）
前述したように、第１ユニット２は、発光素子２１と、発光素子２１を収納する第１パッケージ２２とを備える。
（第１ユニット）
前述したように、第１ユニット２は、発光素子２１と、発光素子２１を収納する第１パッケージ２２とを備える。
［光出射部］
発光素子２１は、原子セル３１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。
発光素子２１は、原子セル３１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、発光素子２１は、前述したような周波数の異なる２種の光、すなわち、共鳴光１および共鳴光２を含む光を励起光ＬＬとして出射するものである。
共鳴光１の周波数ω１は、原子セル３１中のアルカリ金属原子を前述した基底状態１から励起状態に励起、すなわち、共鳴し得るものである。
また、共鳴光２の周波数ω２は、原子セル３１中のアルカリ金属原子を前述した基底状態２から励起状態に励起、すなわち、共鳴し得るものである。
この発光素子２１としては、前述したような励起光ＬＬ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：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の半導体レーザー等を用いることができる。
［第１パッケージ］
第１パッケージ２２は、前述した発光素子２１を収納する。
この第１パッケージ２２は、図４に示すように、外形形状がブロック状をなす筐体で構成されている。また、第１パッケージ２２からは、例えば、図示しない複数の端子が配置されており、これらは、配線を介して発光素子２１に電気的に接続されている。そして、前記各端子は、図示しない配線等で配線基板と電気的に接続されている。この配線としては、例えば、フレキシブル配線基板や、ソケットを有する配線等を用いることができる。
第１パッケージ２２は、前述した発光素子２１を収納する。
この第１パッケージ２２は、図４に示すように、外形形状がブロック状をなす筐体で構成されている。また、第１パッケージ２２からは、例えば、図示しない複数の端子が配置されており、これらは、配線を介して発光素子２１に電気的に接続されている。そして、前記各端子は、図示しない配線等で配線基板と電気的に接続されている。この配線としては、例えば、フレキシブル配線基板や、ソケットを有する配線等を用いることができる。
また、第１パッケージ２２の第２ユニット３側の壁部には、窓部２３が設けられている。この窓部２３は、原子セル３１と発光素子２１との間の光軸、すなわち、励起光ＬＬの軸ａ上に設けられている。そして、窓部２３は、前述した励起光ＬＬに対して透過性を有する。
本実施形態では、窓部２３は、ガラスである。なお、窓部２３は、励起光ＬＬに対する透過性を有するものであれば、ガラスに限定されず、例えば、後述する光学系ユニットのような光学部品であってもよいし、単なる光透過性の板状部材であってもよい。このような第１パッケージ２２の窓部２３以外の部分の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス、金属、樹脂等を用いることができる。
第１パッケージ２２の窓部２３以外の部分は励起光に対して透過性を有さないことが好ましい。第１パッケージ２２の窓部２３以外の部分と窓部２３とを別体で形成し、これらを公知の接合方法により接合すればよい。
また、第１パッケージ２２内が気密空間であることが好ましい。これにより、第１パッケージ２２内を減圧状態または不活性ガス封入状態とすることができ、その結果、原子発振器１の特性を向上させることができる。
また、第１パッケージ２２内には、発光素子２１の温度を調節する図示しない温度調節素子や温度センサー等が収納されている。かかる温度調節素子としては、例えば、発熱抵抗体、ペルチェ素子等が挙げられる。
（第２ユニット）
前述したように、第２ユニット３は、原子セル３１と、光検出素子３２と、コイル３５と、伝熱部８と、放熱部９と、これらを収納する磁気シールド３８と、ヒーター３３と、温度センサー３４とを備える。
前述したように、第２ユニット３は、原子セル３１と、光検出素子３２と、コイル３５と、伝熱部８と、放熱部９と、これらを収納する磁気シールド３８と、ヒーター３３と、温度センサー３４とを備える。
［ガスセル］
原子セル３１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原子が封入されている。また、原子セル３１内には、必要に応じて、アルゴン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属原子ガスとともに封入されていてもよい。
原子セル３１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原子が封入されている。また、原子セル３１内には、必要に応じて、アルゴン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属原子ガスとともに封入されていてもよい。
例えば、原子セル３１は、図５に示すように、貫通孔３１１ａを有する本体部３１１と、その貫通孔３１１ａの両開口を封鎖する１対の窓部３１２、３１３とを有する。これにより、前述したようなアルカリ金属原子が封入される内部空間Ｓが形成されている。
本体部３１１を構成する材料としては、特に限定されず、金属材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や窓部３１２、３１３との接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。
このような本体部３１１には、窓部３１２、３１３が気密的に接合されている。これにより、原子セル３１の内部空間Ｓを気密空間とすることができる。
本体部３１１と窓部３１２、３１３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、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。
また、窓部３１２、３１３を構成する材料としては、前述したような励起光ＬＬ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、シリコン材料、ガラス材料、水晶等が挙げられる。
このような各窓部３１２、３１３は、前述した発光素子２１からの励起光ＬＬに対する透過性を有している。そして、一方の窓部３１２は、原子セル３１内へ入射する励起光ＬＬが透過するものであり、他方の窓部３１３は、原子セル３１内を通過した励起光ＬＬが透過するものである。
また、原子セル３１は、ヒーター３３により加熱され、所定温度に温度調節される。
また、原子セル３１は、ヒーター３３により加熱され、所定温度に温度調節される。
［光検出部］
光検出素子３２は、原子セル３１内を透過した励起光ＬＬ、すなわち、共鳴光１、２の強度を検出する機能を有する。
光検出素子３２は、原子セル３１内を透過した励起光ＬＬ、すなわち、共鳴光１、２の強度を検出する機能を有する。
この光検出素子３２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受光素子を用いることができる。
また、光検出素子３２は、本実施形態では、磁気シールド３８内に収納されているが、磁気シールド３８の外側に設けられていてもよい。この場合、磁気シールド３８には、原子セル３１を通過した励起光ＬＬが通過する窓部が形成されている。
［コイル］
コイル３５は、通電により、内部空間Ｓに励起光ＬＬの軸ａに沿った方向、すなわち、平行な方向の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、内部空間Ｓに存在するアルカリ金属原子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、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。
コイル３５は、通電により、内部空間Ｓに励起光ＬＬの軸ａに沿った方向、すなわち、平行な方向の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、内部空間Ｓに存在するアルカリ金属原子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、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。
なお、コイル３５が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。このコイル３５としては、特に限定されず、例えば、ソレノイド型を構成するように原子セル３１の外周に沿って巻回して設けられていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように１対のコイルを対向させてもよい。本実施形態では、コイル３５は、ソレノイド型で構成され、伝熱部８、原子セル３１および放熱部９の外側に巻回されている。
このコイル３５は、図示しない配線を介して、後述する制御回路６の磁場制御回路６３に電気的に接続されている。これにより、コイル３５に通電を行うことができる。
［磁気シールド］
磁気シールド３８は、外形形状がブロック状をなす筐体で構成されており、内部にコイル３５、伝熱部８、原子セル３１および放熱部９を収納する。この磁気シールド３８は、磁気シールド性を有し、原子セル３１内のアルカリ金属原子を外部磁界から遮蔽する機能を有している。これにより、コイル３５の磁場の磁気シールド３８内での安定性の向上を図ることができる。よって、原子発振器１の発振特性の向上を図ることができる。
磁気シールド３８は、外形形状がブロック状をなす筐体で構成されており、内部にコイル３５、伝熱部８、原子セル３１および放熱部９を収納する。この磁気シールド３８は、磁気シールド性を有し、原子セル３１内のアルカリ金属原子を外部磁界から遮蔽する機能を有している。これにより、コイル３５の磁場の磁気シールド３８内での安定性の向上を図ることができる。よって、原子発振器１の発振特性の向上を図ることができる。
また、磁気シールド３８の第１ユニット２側の壁部には、その厚さ方向に貫通する窓部３８２が設けられている。これにより、発光素子２１から出射した光が窓部３８２を介して原子セル３１内に入射することができる。
このような磁気シールド３８の構成材料としては、磁気シールド性を有する材料が用いられ、例えば、Ｆｅ、各種鉄系合金（ケイ素鉄、パーマロイ、アモルファス、センダスト、コバール）等の軟磁性材料が挙げられ、中でも、磁気シールド性が優れるという観点から、コバール、パーマロイ等のＦｅ−Ｎｉ系合金を用いることが好ましい。
また、磁気シールド３８は、例えば、図示しない開口を有しており、光検出素子３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５は、開口を経由して、図示しない配線等で配線基板と電気的に接続されている。この配線としては、例えば、フレキシブル配線基板や、ソケットと接続された配線等を用いることができる。
［ヒーター］
ヒーター３３は、前述した原子セル３１、より具体的には原子セル３１中のアルカリ金属原子を加熱する機能を有する。これにより、原子セル３１中のアルカリ金属原子を所望濃度のガス状に維持することができる。
ヒーター３３は、前述した原子セル３１、より具体的には原子セル３１中のアルカリ金属原子を加熱する機能を有する。これにより、原子セル３１中のアルカリ金属原子を所望濃度のガス状に維持することができる。
ヒーター３３は、磁気シールド３８の外側に、比較的熱伝導率が高い伝熱板３９を介して磁気シールド３８に接続されている。ヒーター３３は、通電により発熱するため、発熱した際、磁場が生じる。しかしながら、ヒーター３３は、磁気シールド３８の外側にもうけられているため、ヒーター３３から生じる磁場が原子セル３１内のコイル３５が発生させる磁場に影響を及ぼすのを効果的に抑制することができる。
なお、ヒーター３３は、原子セル３１を加熱することができるものであれば、特に限定されず、例えば、発熱抵抗体を有する各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター３３は原子セル３１に対して非接触であってもよい。また、ヒーター３３に代えて、または、ヒーター３３と併用して、ペルチェ素子を用いて、原子セル３１を加熱してもよい。
このようなヒーター３３は、後述する制御回路６の温度制御回路６２に電気的に接続され、通電制御される。
［温度センサー］
温度センサー３４は、ヒーター３３または原子セル３１の温度を検出するものである。そして、この温度センサー３４の検出結果に基づいて、前述したヒーター３３の発熱量が制御される。これにより、原子セル３１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３４は、ヒーター３３または原子セル３１の温度を検出するものである。そして、この温度センサー３４の検出結果に基づいて、前述したヒーター３３の発熱量が制御される。これにより、原子セル３１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３４の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター３３上であってもよいし、原子セル３１の外表面上であってもよい。
温度センサー３４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。
このような温度センサー３４は、図示しない配線を介して、後述する制御回路６の温度制御回路６２に電気的に接続されている。
（光学系ユニット）
前述したような第１ユニット２と第２ユニット３との間には、減光フィルター４１、集光レンズ４２、１／４波長板４３が配置されている。この複数の減光フィルター４１、集光レンズ４２、１／４波長板４３は、それぞれ、前述した第１パッケージ２２内の発光素子２１と、前述した原子セル３１との間の光軸、すなわち、軸ａ上に設けられている。
前述したような第１ユニット２と第２ユニット３との間には、減光フィルター４１、集光レンズ４２、１／４波長板４３が配置されている。この複数の減光フィルター４１、集光レンズ４２、１／４波長板４３は、それぞれ、前述した第１パッケージ２２内の発光素子２１と、前述した原子セル３１との間の光軸、すなわち、軸ａ上に設けられている。
また、本実施形態では、第１ユニット２側から第２ユニット３側へ、減光フィルター４１、集光レンズ４２、１／４波長板４３の順に配置されている。減光フィルター４１は、前述した発光素子１０２からの光ＬＬの強度を減少させる。また、集光レンズ４２は、例えば光ＬＬを平行光に近づけるように光ＬＬの放射角度を調整する。また、１／４波長板４３は、光ＬＬに含まれる周波数の異なる２種の光を直線偏光から円偏光、すなわち、右円偏光または左円偏光に変換する。
なお、減光フィルター４１、集光レンズ４２、１／４波長板４３の平面視形状は、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形をなしていてもよい。
また減光フィルター４１、集光レンズ４２、１／４波長板４３は、前述した種類、配置順、数等に限定されない。
前述したようにコイル３５の磁場により原子セル３１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、前述したようにコイル３５の磁場により原子セル３１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。
［制御部］
図１に示す制御回路６は、ヒーター３３、コイル３５および発光素子２１をそれぞれ制御する機能を有する。本実施形態では、制御回路６は、ＩＣ（Integrated Circuit）チップで構成されている。なお、制御回路６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサーであってもよい。すなわち、プロセッサーで図示しない記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで、後述する励起光制御回路６１、温度制御回路６２、磁場制御回路６３の機能を実現してもよい。なお、制御部８０は、単一のＩＣまたはＣＰＵであってもよいし、複数のデジタル回路またはアナログ回路の組み合わせであってもよい。
図１に示す制御回路６は、ヒーター３３、コイル３５および発光素子２１をそれぞれ制御する機能を有する。本実施形態では、制御回路６は、ＩＣ（Integrated Circuit）チップで構成されている。なお、制御回路６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなプロセッサーであってもよい。すなわち、プロセッサーで図示しない記憶装置に記憶されたプログラムを実行することで、後述する励起光制御回路６１、温度制御回路６２、磁場制御回路６３の機能を実現してもよい。なお、制御部８０は、単一のＩＣまたはＣＰＵであってもよいし、複数のデジタル回路またはアナログ回路の組み合わせであってもよい。
このような制御回路６は、発光素子２１の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御回路６１と、原子セル３１中のアルカリ金属原子の温度を制御する温度制御回路６２と、原子セル３１に印加する磁場を制御する磁場制御回路６３とを有する。
励起光制御回路６１は、前述した光検出素子３２の検出結果に基づいて、発光素子２１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、励起光制御回路６１は、前述した光検出素子３２の検出結果に基づいて、前述した周波数差（ω１−ω２）がアルカリ金属原子固有の周波数ω０となるように、発光素子２１から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。
また、励起光制御回路６１は、図示しないが、電圧制御型発振器を備えており、その電圧制御型発振器の発振周波数を光検出素子３２の検知結果に基づいて同期・調整しながら原子発振器１の出力信号として出力する。
また、温度制御回路６２は、温度センサー３４の検出結果に基づいて、ヒーター３３への通電を制御する。これにより、原子セル３１を所望の温度範囲内に維持することができる。
また、磁場制御回路６３は、コイル３５が発生する磁場が一定となるように、コイル３５への通電を制御する。
以上、原子発振器１の各部について説明した。
以上、原子発振器１の各部について説明した。
次に、伝熱部８、放熱部９および第２ユニット３の各部の位置関係について詳細に説明する。
［伝熱部］
図５に示すように、伝熱部８は、原子セル３１の外側に配置され、原子セル３１の一部を覆っている。この伝熱部８は、原子セル３１よりも熱伝導率の高い材料で構成されており、ヒーター３３から発生する熱を原子セル３１に伝達する機能を有している。従って、伝熱部８は原子セル３１に接していることが好ましいが、伝熱部８と原子セル３１との間で熱の移動が行われれば、直接接触していても、熱伝導性の接着剤等を介して間接的に接していてもよい。
図５に示すように、伝熱部８は、原子セル３１の外側に配置され、原子セル３１の一部を覆っている。この伝熱部８は、原子セル３１よりも熱伝導率の高い材料で構成されており、ヒーター３３から発生する熱を原子セル３１に伝達する機能を有している。従って、伝熱部８は原子セル３１に接していることが好ましいが、伝熱部８と原子セル３１との間で熱の移動が行われれば、直接接触していても、熱伝導性の接着剤等を介して間接的に接していてもよい。
図６に示すように、伝熱部８は、ｙ軸に沿った方向からみたとき四角形の板状をなす基部８１と、基部８１の縁部から＋ｙ軸に沿って立設した４つの壁部８２、８３、８４、８５とで構成されている。壁部８２と壁部８４とは、ｘ軸に沿って対向しており、壁部８２が＋ｘ軸側に位置し、壁部８４が−ｘ軸側に位置している。また、壁部８３と壁部８５とは、ｚ軸に沿って対向しており、壁部８３が＋ｚ軸側に位置し、壁部８５が−ｚ軸側に位置している。これらの壁部８２〜８５は、連結されており、全体として筒状をなしている。また、基部８１と各壁部８２〜８５とで囲まれた部分は、原子セル３１の一部が挿入される第１凹部８６となっている。
また、基部８１は、−ｙ軸側に位置する面８１１と、ｚ軸に沿って対向する面８１２および面８１３、ｘ軸に沿って対向する面８１４および面８１５を有している。この基部８１には、面８１１に開放し、かつ、面８１２および面８１３に開放する第２凹部８７が形成されている。この第２凹部８７は、コイル３５の一部が挿入される部分である。これにより、コイル３５は、第２凹部８７が形成されている分、外径を小さくすることができる。よって、原子発振器１の小型化を図ることができる。
また、壁部８２には、その厚さ方向に貫通する窓部８２１が設けられ、壁部８４には、その厚さ方向に貫通する窓部８４１が設けられている。各窓部８２１、８４１は、ｘ軸に沿った方向からみたとき、重なっている。これにより、第１凹部８６内に原子セル３１を挿入した状態で、励起光ＬＬは、窓部８２１、原子セル３１の窓部３１２、３１３、窓部８４１を順に介して光検出素子３２に入射することができる。また、伝熱部８がｘ軸に沿って原子セル３１の窓部８２１から窓部８４１までの間を覆っているので、励起光ＬＬの光路上のアルカリ金属原子の密度にムラが生じにくい。そのため、原子発振器１の周波数を安定させやすい。なお、伝熱部８の形状は上述の形状に限定されず、ヒーター３３と原子セル３１との間に配置され、後述する原子セル３１の第１部分Ｓ１にヒーター３３の熱を伝えることができる形状であればよい。
［放熱部］
図５に示すように、放熱部９は、原子セル３１の外側に配置され、原子セル３１の、伝熱部８が覆っている部分とは異なる一部を覆っている。この放熱部９は、原子セル３１よりも熱伝導率が高い材料で構成されている。本実施形態の放熱部９の材料は伝熱部８の材料と同じであるが、異なっていてもよい。伝熱部８と放熱部９とは離間しており、伝熱部８の熱が放熱部９に伝わりにくい。そのため、放熱部９は、原子セル３１の熱を放熱する機能を有している。
図５に示すように、放熱部９は、原子セル３１の外側に配置され、原子セル３１の、伝熱部８が覆っている部分とは異なる一部を覆っている。この放熱部９は、原子セル３１よりも熱伝導率が高い材料で構成されている。本実施形態の放熱部９の材料は伝熱部８の材料と同じであるが、異なっていてもよい。伝熱部８と放熱部９とは離間しており、伝熱部８の熱が放熱部９に伝わりにくい。そのため、放熱部９は、原子セル３１の熱を放熱する機能を有している。
また、図７に示すように、放熱部９は、ｙ軸に沿った方向からみたとき四角形の板状をなす基部９１と、基部９１の縁部から−ｙ軸に沿って立設した４つの壁部９２、９３、９４、９５とに分けることができる。壁部９２と壁部９４とは、ｘ軸に沿ってに対向しており、壁部９２が＋ｘ軸側に位置し、壁部９４が−ｘ軸側に位置している。また、壁部９３と壁部９５とは、ｚ軸に沿って対向しており、壁部９３が＋ｚ軸側に位置し、壁部９５が−ｚ軸側に位置している。
基部９１と各壁部９２〜９５とで囲まれた部分は、原子セル３１の一部が挿入される第３凹部９６となっている。なお、放熱部９の形状は上述の形状に限定されず、原子セル３１の、伝熱部８に対し＋ｙ軸側の少なくとも一部を覆っていればよい。例えば、基部９１および壁部９２〜９５のうち少なくとも１つを省略してもよく、放熱部８のｘ軸に沿った長さが原子セル３１の長さよりも短くてもよい。
このような伝熱部８および放熱部９を構成する材料としては、比較的熱伝導率が高く、かつ、コイル２０５から原子セル２０１への磁界を阻害しない材料であれば特に限定されない。熱伝導率は、１０Ｗ・ｍ−１・Ｋ−１以上であることが好ましい。例えば、アルミニウム等の非磁性の金属材料を用いることができる。
このような原子発振器１では、伝熱部８および放熱部９は、伝熱部８の第１凹部８６に原子セル３１を挿入し、原子セル３１の伝熱部８から露出している部分を放熱部９の第３凹部９６に挿入するようにして原子セル３１の外側に配置されている。このため、原子セル３１はｙ軸に沿って一端から伝熱部８に覆われ、他端から放熱部９に覆われる。これにより、原子セル３１の放熱部９に対応する部分の温度を、原子セル３１の伝熱部８に対応する部分の温度よりも低くすることができる。よって、内部空間Ｓの温度が低い部分において余剰分のアルカリ金属原子を結露させることができる。このため、励起光ＬＬが通過する部分から離れた位置に容易に余剰分を貯留することができる。その結果、余剰分が励起光ＬＬを遮ることに起因する原子発振器１の周波数特性の低下を効果的に抑制することができる。
さて、図１６は、従来の原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。この原子セルの内部空間は、光が通過する部分Ｘ１と、液体または固体のアルカリ金属原子を収容する部分Ｘ２と、部分Ｘ１および部分Ｘ２を連通する連通路Ｘ３と、を有する。図示のように、連通路Ｘ３の幅が、部分Ｘ１および部分Ｘ２よりも狭いため、余剰分のアルカリ金属原子を部分Ｘ１から部分Ｘ２に移動させたい場合に、アルカリ金属原子が連通路Ｘ３にに移動せず、部分Ｘ１に留まってしまうおそれがある。さらに、部分Ｘ１と連通路Ｘ３との境界部に段差部Ｘ４が形成されているため、この段差部Ｘ４付近に余剰分のアルカリ金属原子が液体または固体として付着してしまうおそれがある。この場合、部分Ｘ１に残ってしまった液体または固体のアルカリ金属原子が部分Ｘ１内に広がったり移動したりして励起光の光路にかかってしまうと、周波数安定性の低下を招いてしまう。
そこで、原子発振器１では、以下のような構成とすることにより上記課題を解決した。以下、原子セル３１の内部の形状について説明する。
図９に示すように、原子セル３１の内部空間Ｓを規定する内面は、ｘ軸を法線とする断面の形状、すなわち、ｙｚ平面に沿った断面で見たとき、−ｙ軸側の内面３１Ａおよび＋ｙ軸側の内面３１Ｂが円弧状をなしている。また、これらの円弧を接続する＋ｚ軸側の内面３１Ｃおよび−ｚ軸側の内面３１Ｄは、直線状をなしており、それぞれ、ｙ軸に対して傾斜している。このような断面形状は、図８に示すように、ｘ軸に沿った方向の全体において同じである。なお、図８は、図５に示す原子セル３１と同じ断面で見た断面図であり、ｚ軸に沿った方向の略中央部で切断した断面図である。このことは、図１０、図１２、図１４および図１６についても同様である。
このような原子セル３１は、その内側に、３つの領域である第１部分Ｓ１と、第２部分Ｓ２と、第３部分Ｓ３とを有している。これらの第１〜第３部分Ｓ１〜Ｓ３は、それぞれ、壁部、より具体的には壁部の内面と、各内面によって規定される内部空間Ｓの一部とを含む。すなわち、原子セル３１の内部空間Ｓは、第１部分Ｓ１に含まれる領域、第２部分Ｓ２に含まれる領域、および、第３部分Ｓ３に含まれる領域、の３つに分けることができる。
第１部分Ｓ１は、励起光ＬＬが通過する部分であり、内面３１Ａを含む。また、第１部分Ｓ１は、図５に示すように、ヒーター３３および伝熱部８によって加熱される部分である。第１部分Ｓ１に含まれる内部空間Ｓ１の領域は、ｙｚ平面に沿った断面における内面３１Ａの円弧から同じ曲率の仮想円弧Ｆ１を設定したとき、内面３１Ａおよび仮想円弧Ｆ１で囲まれる円の内側の領域である。また、第１部分Ｓ１は、ｘｙ平面に沿った断面で見たとき、ｘ軸に沿った全体を含む。換言すると、第１部分Ｓ１は、窓部３１２の内面の一部および窓部３１３の内面の一部を含む。
第２部分Ｓ２は、液体または固体のアルカリ金属原子を収容する部分である。また、第２部分Ｓ２は、図５に示すように、放熱部９によって放熱、すなわち、冷却される部分である。なお、第２部分Ｓ２は、一部が放熱部９に覆われていればよく、他の部分は放熱部９に覆われていても、伝熱部８に覆われていても、伝熱部８および放熱部９のどちらにも覆われていなくてもよい。一部が放熱部９に覆われていれば、その部分の温度が原子セル３１の中で最も低くなるので、液体または固体のアルカリ金属原子を当該部分に集めることができる。第２部分Ｓ２に含まれる内部空間Ｓの領域は、ｙｚ平面に沿った断面における内面３１Ｂの円弧から同じ曲率の仮想円弧Ｆ２を設定したとき、内面３１Ｂおよび仮想円弧Ｆ２で囲まれる円の内側の領域である。また、第２部分Ｓ２は、ｘｙ平面に沿った断面で見たとき、ｘ軸に沿った全体を含む。本実施形態では、第２部分Ｓ２は、窓部３１２の内面の一部および窓部３１３の内面の一部を含む。
第１部分Ｓ１のｙ軸に沿った最大長さＬ１と、内部空間Ｓのｙ軸に沿った最大長さＬとの比Ｌ１／Ｌは、０．３以上０．９以下であるのが好ましく、０．５以上０．８以下であるのがより好ましい。これにより、第１部分Ｓ１のｙ軸に沿った長さを十分に確保することができるので、励起光ＬＬが通過する際に、第２部分Ｓ２に存在する液体または固体のアルカリ金属原子に励起光ＬＬが照射される可能性を低減できる。なお、各部分のある軸に沿った最大長さとは、当該部分の当該軸と交わる内面と、当該部分の定義に従って決定される当該部分の当該軸上の仮想面との間の最大長さである。また、内部空間Ｓのｙ軸に沿った最大長さＬは、内部空間Ｓを規定する、ｙ軸と交わる２つの内面の間の最大長さである。最小長さについては、上記の「最大」を「最小」と読み替えればよい。
第２部分Ｓ２のｙ軸に沿った最大長さＬ２と、内部空間Ｓのｙ軸に沿った最大長さＬとの比Ｌ２／Ｌは、０．０５以上０．３以下であるのが好ましく、０．１以上０．２以下であるのがより好ましい。これにより、第２部分Ｓ２のｙ軸に沿った長さを十分に確保することができ、液体または固体のアルカリ金属原子を第２部分Ｓ２に収容することができる。
また、第２部分Ｓ２を前記ｘ軸と前記ｘ軸および前記ｙ軸と直交するｚ軸とを含むｘｚ平面で切断したときに壁部で囲まれる部分の断面積は、第１部分Ｓ１をｘｚ平面で切断したときに壁部で囲まれる部分の断面積よりも小さい。これにより、第１部分Ｓ１の大きさを十分に確保することができる。また、第２部分Ｓ２の上記断面積が第１部分Ｓ１の上記断面積以上の大きさである場合と比較して、第２部分Ｓ２の温度が変化した場合に第２部分における気体のアルカリ金属原子の量が少ない。第２部分の気体のアルカリ金属原子の量が変動すると、第１部分のアルカリ金属原子の密度が変動するので、第２部分Ｓ２の断面積が小さいことで、温度変化に伴う第１部分のアルカリ金属原子密度の変動を低減でき、周波数安定度を向上できる。なお、ここでの断面積は、各部分に含まれる内部空間Ｓの領域の断面積、すなわち、各部分の壁と各部分の仮想円弧とで囲まれる部分の断面積である。なお、仮想円弧に代えて、各部分の壁と、各部分の壁の両端を通る仮想直線とによって囲まれる部分の断面積を比較してもよい。
第３部分Ｓ３は、第１部分Ｓ１と第２部分Ｓ２との間に位置し、これらを接続する部分である。この第３部分Ｓ３は、第１部分Ｓ１のアルカリ金属原子の余剰分が第２部分Ｓ２に向かって移動する際に通過する部分である。第３部分Ｓ３の少なくとも一部は、伝熱部９に覆われていてもよい。第３部分Ｓ３の温度を第２部分Ｓ２よりも高くできるので、第３部分Ｓ３においてアルカリ金属原子を気体の状態に保ち、伝熱部９に覆われていない場合と比較して第２部分Ｓ２まで容易に移動させることができる。第３部分Ｓ３は、ｙｚ平面に沿った断面において、前述した仮想円弧Ｆ１、仮想円弧Ｆ２、内面３１Ｃおよび内面３１Ｄに囲まれた領域である。また、第３部分Ｓ３は、ｘｙ平面に沿った断面で見たとき、ｘ軸に沿った方向の全体を含む。本実施形態では、第３部分Ｓ３は、窓部３１２の内面の一部および窓部３１３の内面の一部を含む。
この第３部分Ｓ３のｙ軸に沿った最小長さＬ３と、内部空間Ｓのｙ軸に沿った最大長さＬとの比Ｌ３／Ｌは、０．０５以上０．３以下であるのが好ましく、０．１以上０．２以下であるのがより好ましい。最小長さＬ３が大きすぎると、第１部分Ｓ１と第２部分Ｓ２との距離が遠くなり、原子セル３１が大型化してしまう。最小長さＬ３が小さすぎると、第２部分Ｓ２に収容された液体または固体のアルカリ金属原子が第１部分Ｓ１に近づきやすくなり、励起光ＬＬに影響を与える可能性がある。最小長さＬ３を上記数値範囲内とすることにより、原子セル３１を小型化でき、かつ、原子発振器１の周波数安定度の低下を低減できる。
ここで、第３部分Ｓ３の壁部の内面３１Ｃおよび内面３１Ｄは、平面で構成されており、かつ、＋ｙ軸側に向うに連れて互いに接近するようにｙ軸に対して傾斜している。このため、第３部分Ｓ３の壁部のうち、ｙ軸に沿って対向する２つの壁部の間の距離が、ｙ軸に沿って第１部分Ｓ１から第２部分Ｓ２へ向かって一定の減少率で減少している。これにより、図１６に示すような段差部Ｘ４を省略することができ、余剰分のアルカリ金属原子が内面３１Ｃまたは内面３１Ｄに沿って第２部分Ｓ２に円滑に移動できる。よって、余剰分のアルカリ金属原子を第２部分Ｓ２に収容することができる。なお、第２部分Ｓ２は第１部分Ｓ１よりも温度が低いので、余剰分のアルカリ金属原子が冷却されて液体または固体になり、内面３１Ｂに付着さする。その結果、余剰分のアルカリ金属原子が第１部分Ｓ１に残存するのを防止または低減することができ、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
なお、ｙ軸に沿って対向する壁部の間の距離が第１部分Ｓ１から第２部分Ｓ２に向かって減少していたとしても、一定の減少率で減少していない場合、すなわち、気体のアルカリ金属原子が移動する際のコンダクタンスが第３部分の途中で変化する場合には、上記効果を得られない恐れがある。例えば、内面３１Ｃおよび内面３１Ｄの一部に段差が形成されていたり、一方または双方が曲面である場合には、第１部分Ｓ１また第２部分Ｓ２に余剰のアルカリ金属原子が残ってしまう恐れがある。
ｙ軸に沿って対向する壁部の間の距離の減少率は、減少率が５％／ｍｍ以上５０％／ｍｍ以下であるのが好ましく、１５％／ｍｍ以上４０％／ｍｍ以下であるのがより好ましく、２５％／ｍｍ以上３５％／ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。これにより、アルカリ金属原子が第２部分に移動しやすく、また、上述したように第２部分Ｓ２の壁部に囲まれる断面積を小さくすることができるので、原子発振器１の周波数安定度を向上させることができる。
なお、一定の減少率とは、減少率の変化率が０．１％／以上５％以下程度の範囲内で減少率が増減している場合も含む。
また、ｙｚ平面に沿った断面において、第３部分Ｓ３の最小幅、すなわち、ｚ軸に沿った最小長さが、第２部分Ｓ２のｚ軸に沿った最大長さと同じであるため、第２部分Ｓ２と第３部分Ｓ３との間で気体のアルカリ金属原子の移動が段差によって妨げられることがない。そのため、第２部分Ｓ２内の液体または固体のアルカリ金属原子が気化して第１部分Ｓ１に供給される際にも、上記と同様に、円滑に移動することができる。
以上説明したように、原子発振器１は、アルカリ金属原子が収容される内部空間Ｓを規定する壁部を有する原子セル３１と、アルカリ金属原子を励起する光である励起光ＬＬを出射する発光素子２１と、原子セル３１を透過した光を検出する光検出素子３２と、を含み、原子セル３１は、気体のアルカリ金属原子が収容され、光検出素子３２からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分Ｓ１と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容される第２部分Ｓ２と、第１部分Ｓ１と第２部分Ｓ２との間に位置し、第１部分Ｓ１と第２部分Ｓ２とを接続する第３部分Ｓ３と、を有し、第３部分Ｓ３において、ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの壁部の間の距離が、ｙ軸に沿って第１部分Ｓ１から第２部分Ｓ２へ向かって一定の減少率で減少する。
これにより、図１６に示すような段差部Ｘ４を省略することができ、余剰分のアルカリ金属原子が内面３１Ｃまたは内面３１Ｄに沿って第２部分Ｓ２に円滑に移動する。よって、余剰分のアルカリ金属原子を第２部分Ｓ２に収容することができる。その結果、余剰分のアルカリ金属原子が第１部分Ｓ１に残存するのを防止または低減することができ、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
また、内面３１Ａの円弧の径Ｄ１は、内面３１Ｂの円弧の径Ｄ２よりも大きい。Ｄ１／Ｄ２は、１．１以上１０以下であるのが好ましく、４以上６以下であるのがより好ましい。内面３１Ｃおよび内面３１Ｄのｙ軸に対する傾斜角度は、Ｄ１／Ｄ２によって決定するため、Ｄ１／Ｄ２を上記数値範囲とすることにより、内面３１Ｃおよび内面３１Ｄのｙ軸に対する傾斜角度を所望の傾斜角度にすることができる。また、内面３１Ａの円弧の径Ｄ１が、内面３１Ｂの円弧の径Ｄ２よりも大きいと、原子セル３１において、第１部分Ｓ１の容積が第２部分Ｓ２の容積よりも大きい。そのため、第１部分のアルカリ金属原子密度の変動を低減でき、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
また、このように、第３部分Ｓ３において、ｙ軸に沿って対向する２つの壁部は、前記ｘ軸および前記ｙ軸を含むｘｙ平面に対して傾斜している。これにより、上述したように、余剰分のアルカリ金属原子を第２部分Ｓ２に移動させるという効果を発揮することができる。
また、内面３１Ｃおよび内面３１Ｄは、＋ｙ軸側に向うに連れて互いに接近するようにｙ軸に対して傾斜している。また、内面３１Ｃおよび内面３１Ｄのｙ軸に対する傾斜角度は、同じである。この傾斜角度は、１０°以上８０°以下であるのが好ましく、２０°以上４０°以下であるのがより好ましい。
また、原子発振器１は、原子セル３１の第１部分Ｓ１を加熱するヒーター３３をさらに含むため、この作動を調整することにより、余剰分のアルカリ金属原子が第１部分Ｓ１および第２部分Ｓ２の間を行き来することができる。なお、第２部分Ｓ２側には、温度調整素子としてのペルチェ素子が設けられていてもよい。
＜第２実施形態＞
図１０は、第２実施形態に係る原子発振器が備える原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。図１１は、図１０中のＢ−Ｂ線断面図である。
図１０は、第２実施形態に係る原子発振器が備える原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。図１１は、図１０中のＢ−Ｂ線断面図である。
本実施形態は、原子セルの構成が異なること以外は、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、本実施形態に関し、前述した第１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に示すように、原子セル３１の内部空間Ｓに臨む内面は、ｙｚ平面に沿った断面で見たとき、−ｙ軸側の内面３１Ｅおよび＋ｙ軸側の内面３１Ｆが円弧状をなしている。また、これらの円弧を接続する＋ｚ軸側の内面３１Ｇおよび−ｚ軸側の内面３１Ｈは、直線状をなしている。
また、内面３１Ｅおよび内面３１Ｆの円弧の径は、同じである。内面３１Ｇおよび内面３１Ｈは、ｙｚ平面と平行である。
また、ｘｙ平面に沿った断面で見たとき、原子セル３１の内部空間Ｓに臨む内面は、−ｘ軸側に位置する内面３１Ｊと、＋ｘ軸側に位置する内面３１Ｋとを有する。内面３１Ｊは、ｙｚ平面と平行な平面である。また、内面３１Ｋは、ｙｚ平面と平行な平面である内面３１Ｍと、ｙｚ平面に対して傾斜した傾斜面３１Ｌとを有する。傾斜面３１Ｌは、内面３１Ｅから内面３１Ｆに向かうにしたがって内面３１Ｊに接近するように傾斜している。
このような原子セル３１では、内面３１Ｅから内面３１Ｆの−ｙ軸側の端部までの領域が第１部分Ｓ１である。また、残りの部分を２分割したとき、＋ｙ軸側の領域が第２部分Ｓ２であり、−ｙ軸側の領域が第３部分Ｓ３である。
第１部分Ｓ１のｙ軸に沿った最大長さＬ１と、内部空間Ｓのｙ軸に沿った最大長さＬとの比Ｌ１／Ｌは、０．３以上０．９以下であるのが好ましく、０．５以上０．８以下であるのがより好ましい。これにより、第１部分Ｓ１のｙ軸に沿った長さを十分に確保することができ、励起光ＬＬが通過する際に、液体または固体のアルカリ金属原子がその通過を阻害するのを高い確度で防止することができる。
第２部分Ｓ２のｙ軸に沿った最大長さＬ２と、内部空間Ｓのｙ軸に沿った最大長さＬとの比Ｌ２／Ｌは、０．０５以上０．３以下であるのが好ましく、０．１以上０．２以下であるのがより好ましい。これにより、第２部分Ｓ２のｙ軸に沿った長さを十分に確保することができ、液体または固体のアルカリ金属原子を十分に収容することができる。
第３部分Ｓ３のｙ軸に沿った最小長さＬ３と、内部空間Ｓのｙ軸に沿った最大長さＬとの比Ｌ３／Ｌは、０．０５以上０．３以下であるのが好ましく、０．１以上０．２以下であるのがより好ましい。最小長さＬ３を上記数値範囲内とすることにより、後述するような、アルカリ金属原子を第２部分Ｓ２に移動させるという効果を顕著に発揮することができる。
このような原子セル３１では、図１０に示すように、第３部分Ｓ３において、ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの壁部の間の距離が、ｙ軸に沿って第１部分Ｓ１から第２部分Ｓ２へ向かって一定の減少率で減少する。これにより、図１６に示すような段差部Ｘ４を省略することができ、余剰分のアルカリ金属原子が傾斜面３１Ｌに沿って第２部分Ｓ２に円滑に移動する。よって、余剰分のアルカリ金属原子を第２部分Ｓ２に収容することができる。その結果、余剰分のアルカリ金属原子が第１部分Ｓ１に残存するのを防止または低減することができ、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
＜第３実施形態＞
図１２は、第３実施形態に係る原子発振器が備える原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。図１３は、図１２中のＣ−Ｃ線断面図である。
図１２は、第３実施形態に係る原子発振器が備える原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。図１３は、図１２中のＣ−Ｃ線断面図である。
本実施形態は、原子セルの構成が異なること以外は、前述した第２実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第２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および図１３に示すように、本実施形態では、内面３１Ｊは、傾斜面３１Ｌと、内面３１Ｍとを有する。傾斜面３１Ｌは、内面３１Ｅから内面３１Ｆに向かうにしたがって内面３１Ｋに接近するように傾斜している。
このような原子セル３１では、図１２に示すように、第３部分Ｓ３において、ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの壁部の間の距離が、ｙ軸に沿って第１部分Ｓ１から第２部分Ｓ２へ向かって一定の減少率で減少する。これにより、図１６に示すような段差部Ｘ４を省略することができ、余剰分のアルカリ金属原子が傾斜面３１Ｌに沿って第２部分Ｓ２に円滑に移動する。よって、余剰分のアルカリ金属原子を第２部分Ｓ２に収容することができる。その結果、余剰分のアルカリ金属原子が第１部分Ｓ１に残存するのを防止または抑制することができ、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
＜第４実施形態＞
図１４は、第４実施形態に係る原子発振器が備える原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。図１５は、図１４中のＤ−Ｄ線断面図である。
図１４は、第４実施形態に係る原子発振器が備える原子セルのｘｙ平面に沿った断面図である。図１５は、図１４中のＤ−Ｄ線断面図である。
本実施形態は、原子セルの構成が異なること以外は、前述した第２実施形態と同様である。なお、以下の説明では、本実施形態に関し、前述した第２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１４および図１５に示すように、本実施形態では、内面３１Ｊおよび内面３１Ｋは、それぞれ、傾斜面３１Ｌと、内面３１Ｍとを有する。内面３１Ｊの傾斜面３１Ｌは、内面３１Ｅから内面３１Ｆに向かうにしたがって内面３１Ｋに接近するように傾斜している。内面３１Ｋの傾斜面３１Ｌは、内面３１Ｅから内面３１Ｆに向かうにしたがって内面３１Ｊに接近するように傾斜している。すなわち、各傾斜面３１Ｌは、互いに接近するように傾斜している。また、各傾斜面の傾斜角度は、同じである。
このような原子セル３１では、図１４に示すように、第３部分Ｓ３において、ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの壁部の間の距離が、ｙ軸に沿って第１部分Ｓ１から第２部分Ｓ２へ向かって一定の減少率で減少する。これにより、図１６に示すような段差部Ｘ４を省略することができ、余剰分のアルカリ金属原子が傾斜面３１Ｌに沿って第２部分Ｓ２に円滑に移動する。よって、余剰分のアルカリ金属原子を第２部分Ｓ２に収容することができる。その結果、余剰分のアルカリ金属原子が第１部分Ｓ１に残存するのを防止または低減することができ、原子発振器１の周波数安定性を高めることができる。
＜原子発振器適用例＞
以上説明したような原子発振器１は、各種の周波数信号生成システムに組み込むことができる。以下、そのような周波数信号生成システムの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１は、各種の周波数信号生成システムに組み込むことができる。以下、そのような周波数信号生成システムの実施形態について説明する。
図１７は、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星を利用した測位システム、すなわち、周波数信号生成システムの一例の概略構成を示す図である。
図１７に示す測位システム１１００は、基地局装置１３００と、ＧＰＳ受信装置１４００とで構成されている。ここで、原子発振器１を搭載した電子機器を周波数信号生成システムと呼ぶこともできるし、原子発振器１を搭載した電子機器を含む複数の電子機器からなる各種システムを周波数信号生成システムと呼ぶこともできる。
ＧＰＳ衛星１２００は、測位用情報を含む衛星信号（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置１３００は、例えば電子基準点としてのＧＰＳ連続観測局に設置されたアンテナ１３０１を介してＧＰＳ衛星１２００からの衛星信号を受信する受信装置１３０２と、受信した衛星信号から受信装置１３０２が取得した測位用情報をアンテナ１３０３を介して送信する送信装置１３０４とを備える。
基地局装置１３００は、例えば電子基準点としてのＧＰＳ連続観測局に設置されたアンテナ１３０１を介してＧＰＳ衛星１２００からの衛星信号を受信する受信装置１３０２と、受信した衛星信号から受信装置１３０２が取得した測位用情報をアンテナ１３０３を介して送信する送信装置１３０４とを備える。
ここで、受信装置１３０２は、その基準周波数発振源である原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部１３０２ａと、を備える。また、受信装置１３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１３０４により送信される。
このように、周波数信号生成システムである受信装置１３０２は、原子発振器１を含む。このような受信装置１３０２によれば、原子発振器１の原子セル３１周辺の温度勾配を低減することで、受信装置１３０２の特性を向上させることができる。また、上述した受信装置１３０２を含むことで、周波数信号生成システムの別の一例である測位システム１１００の特性を向上させることができる。
ＧＰＳ受信装置１４００は、ＧＰＳ衛星１２００からの測位情報をアンテナ１４０１を介して受信する衛星受信部１４０２と、基地局装置１３００からの測位情報をアンテナ１４０３を介して受信する基地局受信部１４０４とを備える。
以上のように、周波数信号生成システムの一例としての測位システム１１００の受信装置１３０２は、原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部１３０２ａと、を備えている。
また、原子発振器１は、アルカリ金属原子が収容される内部空間Ｓを画成する壁部を有する原子セル３１と、アルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを原子セル３１に向って出射する発光素子と、原子セル３１を透過した光を受光する受光素子と、を含む。また、原子セル３１は、アルカリ金属原子が収容され、発光素子からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分Ｓ１と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容され、第１部分Ｓ１に対して、ｘ軸と直交するｙ軸に沿って離間した第２部分Ｓ２と、第１部分Ｓ１および第２部分Ｓ２を接続する第３部分と、を有する。そして、原子セル３１は、第３部分Ｓ３に臨む壁部のうち、ｘ軸に沿って対向する壁部の内面３１Ｊの傾斜面３１Ｌおよび内面３１Ｋの傾斜面３１Ｌの離間距離が、ｙ軸に沿って第１部分Ｓ１から第２部分Ｓ２へ向かうに連れて一定の減少率で減少する部分を有するか、または、第３部分Ｓ３に臨む壁部のうち、ｘ軸およびｙ軸の双方と直交するｚ軸に沿って対向する壁部の内面の離間距離が、ｙ軸に沿って第１部分Ｓ１から第２部分Ｓ２へ向かうに連れて一定の減少率で減少する部分を有する。
このような発明によれば、前述した原子発振器１の利点を生かし、測位システム１１００および受信装置１３０２の特性を向上させることができる。
なお、周波数信号生成システムは、前述したものに限定されず、原子発振器１と、原子発振器１からの周波数信号を処理する処理部とを含むシステムであればよい。例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、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（Point of Sales）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。また、複数の電子機器等から構成される周波数信号生成システムは、原子発振器１からの信号を処理して信号を生成するシステムであればよく、前述したものに限定されず、例えば、クロック伝送システム等であってもよい。
以上、本発明の原子発振器および周波数信号生成システムを図示の実施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、原子発振器および周波数信号生成システムを構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、任意の構成物が付加されていてもよい。
１…原子発振器、２…第１ユニット、２１…発光素子、２２…第１パッケージ、２３…窓部、３…第２ユニット、３１…原子セル、３１Ａ…内面、３１Ｂ…内面、３１Ｃ…内面、３１Ｄ…内面、３１Ｅ…内面、３１Ｆ…内面、３１Ｇ…内面、３１Ｈ…内面、３１Ｊ…内面、３１Ｋ…内面、３１Ｌ…傾斜面、３１Ｍ…内面、３１１…本体部、３１１ａ…貫通孔、３１２…窓部、３１３…窓部、３２…光検出素子、３３…ヒーター、３４…温度センサー、３５…コイル、３８…磁気シールド、３８２…窓部、３９…伝熱板、４１…減光フィルター、４２…集光レンズ、４３…１／４波長板、６…制御回路、６１…励起光制御回路、６２…温度制御回路、６３…磁場制御回路、８…伝熱部、８１…基部、８１１…面、８１２…面、８１３…面、８１４…面、８１５…面、８２…壁部、８２１…窓部、８３…壁部、８４…壁部、８４１…窓部、８５…壁部、８６…第１凹部、８７…第２凹部、９…放熱部、９１…基部、９２…壁部、９３…壁部、９４…壁部、９５…壁部、９６…第３凹部、１１００…測位システム、１２００…ＧＰＳ衛星、１３００…基地局装置、１３０１…アンテナ、１３０２…受信装置、１３０２ａ…処理部、１３０３…アンテナ、１３０４…送信装置、１４００…ＧＰＳ受信装置、１４０１…アンテナ、１４０２…衛星受信部、１４０３…アンテナ、１４０４…基地局受信部、Ｄ１…径、Ｄ２…径、Ｆ１…仮想円弧、Ｆ２…仮想円弧、ＬＬ…励起光、Ｓ…内部空間、Ｓ１…第１部分、Ｓ２…第２部分、Ｓ３…第３部分、Ｘ１…部分、Ｘ２…部分、Ｘ３…連通路、Ｘ４…段差部、ａ…軸、ω０…周波数、ω１…周波数、ω２…周波数
Claims (6)
- アルカリ金属原子が収容される内部空間を規定する壁部を有する原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する発光素子と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、を含み、
前記原子セルは、気体の前記アルカリ金属原子が収容され、前記光出射部からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、を有し、
前記第３部分において、前記ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部の間の距離が、前記ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かって一定の減少率で減少する、原子発振器。 - 前記第２部分を、前記ｘ軸と前記ｘ軸および前記ｙ軸と直交するｚ軸とを含むｘｚ平面で切断したときに前記壁部で囲まれる部分の断面積は、前記第１部分を前記ｘｚ平面で切断したときに前記壁部で囲まれる部分の断面積よりも小さい、請求項１に記載の原子発振器。
- 前記第３部分において、前記ｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部は、前記ｘ軸および前記ｙ軸を含むｘｙ平面に対して傾斜している、請求項１または２に記載の原子発振器。
- 前記第３部分において、前記ｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部は、前記ｙ軸および前記ｚ軸を含むｙｚ平面に対して傾斜している、請求項１または２に記載の原子発振器。
- 前記原子セルの前記第１部分を加熱するヒーターをさらに含む、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 原子発振器と、
前記原子発振器からの周波数信号を処理する処理部と、を備え、
前記原子発振器は、
アルカリ金属原子が収容される内部空間を規定する壁部を有する原子セルと、
前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する発光素子と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出素子と、を含み、
前記原子セルは、気体の前記アルカリ金属原子が収容され、前記光出射部からの光がｘ軸に沿って通過する第１部分と、液体または固体のアルカリ金属原子が収容される第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間に位置し、前記第１部分と前記第２部分とを接続する第３部分と、を有し、
前記第３部分において、前記ｘ軸と直交するｙ軸に沿って対向する２つの前記壁部の間の距離が、前記ｙ軸に沿って前記第１部分から前記第２部分へ向かうに連れて一定の減少率で減少する、周波数信号生成システム。
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