JP4853704B2

JP4853704B2 - 原子周波数取得装置および原子時計

Info

Publication number: JP4853704B2
Application number: JP2005377485A
Authority: JP
Inventors: 智子小山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-12-28
Also published as: JP2007178273A

Description

本発明は、原子周波数取得装置および原子時計に関する。

原子の固有振動数を基準として発振器の周波数制御を行う原子時計が、従来の水晶振動子に代わって様々な場面で利用されるようになっている。中でもＣＰＴ（ＣｏｈｅｒｅｎｔＰｏｐｕｌａｔｉｏｎＴｒａｐｐｉｎｇ）方式の原子時計は小型化、省電力化に適しており、今後携帯電話などへの適用も見込まれている。

米国特許第６，９００，７０２号明細書米国特許第６，５７０，４５９号明細書

本発明の目的は、原子時計の精度を維持しつつ、さらに小型化を図ることである。

本発明の原子周波数取得装置は、レーザ光源と原子ガスが封入された空洞部を有し、かつ当該空洞部に前記レーザ光源からの光が照射されるセルと、前記セルに照射された光のうち前記セルを通過した光を受光する受光部と、前記レーザ光源からの光を前記空洞部に導入する第１の導波路と、前記セルを通過した光を前記受光部に導入する第２の導波路と、を備え、前記第１および第２の導波路の各々は、当該導波路に入射した光の進行方向を変える少なくとも１つの光反射部を備えたものである。

これにより、第１および第２の導波路により、レーザ光がセル内で最長の光路をとるようにレーザ光を導くことができるので、セル内でレーザ光が原子ガス中を通過する距離を長くすることが可能となり、装置の精度を落とさずに小型化を図ることができる。
また、前記第１および第２の導波路の各々に備えられたレーザ光反射部によって光路を変えることによりレーザ光を導くことができる。

また、前記第１の導波路は、前記レーザ光源からの光が、４５度の入射角で入射する第１の反射部を備え、前記第２の導波路は、前記セルを通過した光が、４５度の入射角で入射する第２の反射部を備えることにより、レーザ光源からの出射方向がセル内の最長の光路方向と直交する場合に対応できる。
この場合、レーザ光源には、例えば面発光レーザの光源を用いることができる。

本発明による原子周波数取得装置は、原子時計において時間標準周波数を取得するために用いることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置１００の構造を示す斜視図、図２（ａ）は図１のＡ−Ａ’線での断面図、図２（ｂ）は上面図である。原子周波数取得装置１００は、ＣＰＴ方式の原子時計において、時間標準周波数を取得するために用いられる。
図１および図２に示すように、原子周波数取得装置１００は、基板２００上に設置された、セル１１０、レーザダイオード（レーザ光源）１２０、フォトディテクタ（受光部）１３０、第１の導波路１４０および第２の導波路１５０を備えている。セル１１０の上面には、ヒータ３００が設置されている。レーザダイオード１２０、フォトディテクタ１３０、およびヒータ３００は、配線（図示せず）によって駆動回路に接続されている。

セル１１０は、突起部１１４によって基板２００に設置されている。レーザダイオード１２０とフォトディテクタ１３０は、基板２００上にセル１１０を挟んで配置されている。
レーザダイオード１２０はここではＶＣＳＥＬ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅ−ｅｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ：垂直面発光レーザダイオード）である。

セル１１０は、光の透過部のみガラスで、他は、例えば金属などで形成されており、内部にキャビティ（空洞）１１１を有している。セルの材料としては、ガラスの他にも、レーザダイオード１２０から発振されるレーザ光（ここではＶＣＳＥＬの波長８５２ｎｍ）を透過するものを用いることができる。キャビティ１１１には、セシウム原子ガスが封入されている。

第１の導波路１４０は、一面がレーザダイオード１２０に接し、他の面がセル１１０の入射面１１２に接している。第１の導波路１４０はレーザダイオード１２０から出力されたレーザ光が４５度の入射角で入射する反射部１４１を有している。反射部１４１には金属膜等が形成されており、レーザ光を反射する。
第２の導波路１５０は、一面がフォトディテクタ１３０に接し、他の面がセル１１０の出射面１１３に接している。第２の導波路１５０は出射面１１３から出力されたレーザ光が４５度の入射角で入射する反射部１５１を有している。反射部１５１には金属膜等が形成されており、レーザ光を反射する。
第１の導波路１４０および第２の導波路１５０は、例えばインクジェット法によって形成することができる。

ヒータ３００は、キャビティ１１１内の温度を一定（８０度〜１３０度）に保つための加熱ヒータであり、セル１１０内を加熱することにより、セシウム原子密度を増やし、レーザ光により励起される原子数を高めている。励起される原子数が増えることにより、感度が向上し原子周波数取得装置１００の精度があがる。

次に、原子周波数取得装置１００の動作について説明する。
レーザダイオード１２０から出射されたレーザ光（Ｌ）は、図２（ａ）に示すように第１の導波路１４０を進行し、反射部１４１で反射されて光路を９０度回転させ、セル１１０の入射面１１２を透過してセル１１０に入射する。

レーザ光はセル１１０内を基板２００に平行に直進し、出射面１１３からセル１１０の外へ出ると、第２の導波路１５０を通る。レーザ光は反射部１５１で反射されて光路を９０度回転させ、フォトディテクタ１３０に導入される。

レーザ光はセル１１０内を通過する間にセシウム原子を励起する。励起されたセシウム原子ガスを通過するレーザ光の強度が最大になる時のレーザ光の上側と下側のサイドバンド周波数差が、セシウム原子の固有周波数と一致する。よって、フォトディテクタ１３０に受光されるレーザ光の強度が最大となるように外部回路でフィードバック制御することにより、レーザダイオード１２０の変調周波数が調整される。
フィードバック制御系は、原子周波数取得装置１００に接続された制御回路およびローカルオシレータを備えて構成され、フォトディテクタ１３０の出力が制御回路を経由してローカルオシレータに供給されてフィードバック制御を行い、ローカルオシレータの発振周波数を上述のセシウム原子の固有周波数を基準として安定化している。
上記のようにして調整された発振周波数がローカルオシレータから取得され、原子時計の標準信号として利用される。

実施の形態１によれば、レーザダイオード１２０から出力されたレーザ光を、第１の導波路１４０の反射部１４１において進行方向を変えることによりセル１１０に導入し、さらにセル１１０を通過したレーザ光を第２の導波路１５０の反射部１５１において進行方向を変えることによりフォトディテクタ１３０に導入するようにしたので、レーザダイオード１２０の出射方向に関わりなく、レーザ光がセル１１０内の最長の光路を通るようにすることができる。よって、セル１１０自体の容積が小さくても、レーザ光がセシウム原子ガス中を通過する距離を長くできるので、より多くのセシウム原子を励起することが可能となり、原子周波数取得装置１００の精度を保つことができる。
また、反射部１４１および反射部１５１が曲面状の反射面を形成することで、レーザ光が広がり角度を持って入射した場合にも、反射面の集光作用によって広がりを抑えることができ、フォトディテクタ１３０での受光量を上げて、原子周波数取得装置１００の精度を上げることができる。

なお、入射面１１２および出射面１１３をレーザ光の光軸に垂直な面から傾斜させてもよい。これにより、レーザ光の一部が入射面１１２および出射面１１３において反射されることにより、光路を逆に進んでレーザダイオード１２０に戻る（戻り光）を防止することができる。

図３は、実施の形態１による原子周波数取得装置１００の変形例である。図に示すように、第１の導波路１４０の反射部１４１および第２の導波路１５０の反射部１５１に対応する部分の外側の壁面に、レーザ光の反射率をあげるための反射膜１４２，１５２を設けている。図１および図２と同一の符号は同一の構成要素を表している。反射膜１４２，１５２は、たとえばＡｌ合金やＡｇ合金など、レーザ光（ここではＶＣＳＥＬの波長８５２ｎｍ）を反射するものを用いることができる。
また、反射膜１４２，１５２が曲面状の反射面を形成することで、レーザ光が広がり角度を持って入射した場合にも、反射面の集光作用によって広がりを抑えることができ、フォトディテクタ１３０での受光量を上げて、原子周波数取得装置１００の精度を上げることができる。

図１は、本発明の実施の形態１による原子周波数取得装置の構造を示す斜視図である。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ’線での断面図、図２（ｂ）は原子周波数取得装置の上面図である。図３は、実施の形態１による原子周波数取得装置の変形例の断面図である。

符号の説明

１００原子周波数取得装置、１１０セル、１１１キャビティ、１１２入射面、１１３出射面、１１４突起部、１２０レーザダイオード、１３０フォトディテクタ、１４０第１の導波路、１５０第２の導波路、１４１，１５１反射部、１４２，１５２反射膜、２００基板、３００ヒータ

Claims

レーザ光源と
原子ガスが封入された空洞部を有し、かつ当該空洞部に前記レーザ光源からの光が照射されるセルと、
前記セルに照射された光のうち前記セルを通過した光を受光する受光部と、
前記レーザ光源からの光を前記空洞部に導入する第１の導波路と、
前記セルを通過した光を前記受光部に導入する第２の導波路と、を備え、
前記第１および第２の導波路の各々は、当該導波路に入射した光の進行方向を変える少なくとも１つの光反射部を備えたことを特徴とする原子周波数取得装置。
前記第１の導波路は、前記レーザ光源からの光が、４５度の入射角で入射する第１の反射部を備え、
前記第２の導波路は、前記セルを通過した光が、４５度の入射角で入射する第２の反射部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の原子周波数取得装置。
前記レーザ光源は、面発光レーザの光源であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の原子周波数取得装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の原子周波数取得装置を備えた原子時計。