JP6160021B2

JP6160021B2 - 原子発振器

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Publication number: JP6160021B2
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Inventors: 智博田村
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Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2017-07-12
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Description

本発明は、原子発振器に関するものである。

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（例えば、特許文献１参照）。
このような原子発振器は、アルカリ金属を緩衝ガスとともに封入したガスセルと、ガスセル内のアルカリ金属を励起する光を出射する光出射部と、ガスセルを透過した光を検出する光検出部とを備える。

しかし、従来の原子発振器では、ガスセル内での励起光の横断面積がガスセルのアルカリ金属を封入した領域の断面積に対して極めて小さいため、励起光が照射されないアルカリ金属原子の量が多く、その結果、発振特性を低下させてしまうという問題があった。
また、ガスセルに入射する励起光の断面形状がガスセルのアルカリ金属を封入した領域の断面形状と合致しないため、仮に励起光の横断面積を大きくすると、励起光がガスセルの内壁で反射してしまい、この場合でも、発振特性を低下させてしまう。

米国特許第６３２０４７２号明細書

本発明の目的は、優れた発振特性を有する原子発振器を提供することにある。

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。
［適用例１］
本発明の原子発振器は、金属原子が封入される内部空間を有するガスセルと、
前記ガスセル内の前記金属原子を励起するための励起光を出射する光出射部と、
前記ガスセルと前記光出射部との間の光軸上に設けられ、前記内部空間における前記励起光の横断面の輪郭形状が前記内部空間の横断面の輪郭形状に沿うように、前記励起光を調整するための光学部品と、
前記ガスセルを収容し、開口を有する箱体と、前記開口を覆った状態で前記箱体に接合されている透過性の蓋体を有するパッケージと、を備え、
前記光学部品は、前記内部空間の横断面の輪郭形状に沿っている形状の開口部を有する遮光部材であり、
前記遮光部材は、前記蓋体の外周面に設けられており、
前記パッケージ内は、減圧状態であることを特徴とする。

このように構成された原子発振器によれば、励起光の横断面形状をガスセルの内部空間の横断面形状に合致させることにより、励起光がガスセルの内壁で反射するのを防止しつつ、励起光が照射されないアルカリ金属原子の量を少なくすることができる。そのため、所望の偏光を有する励起光によりガスセル内のアルカリ金属原子を効率的に励起し、優れた発振特性を得ることができる。
また、光学部品の光軸方向での位置合わせを不要としつつ、励起光の横断面形状をガスセルの内部空間の横断面形状に合致させることができる。

［適用例２］
本発明の原子発振器では、前記内部空間における前記励起光の横断面積をＳ１とし、前記内部空間の横断面積をＳ２としたとき、
Ｓ１／Ｓ２が０．５以上１以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、励起光がガスセルの内壁で反射するのを防止するとともに、励起光が照射されないアルカリ金属原子の量を少なくすることができる。

［適用例３］
本発明の原子発振器では、前記光出射部と前記遮光部材との間に設けられたレンズを備えることが好ましい。
これにより、ガスセルに入射する励起光の平行度や光量等を調整することができる。
［適用例４］
本発明の原子発振器では、前記レンズは、前記励起光を平行光とする機能を有することが好ましい。
これにより、励起光がガスセル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。
［適用例５］
本発明の原子発振器は、前記パッケージの前記透過性を有する部分に接合された枠体を備え、
前記枠体には、前記励起光が通過する方向に貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔内に、前記レンズおよび前記遮光部材が設置されていることが好ましい。
［適用例６］
本発明の原子発振器は、前記貫通孔は、前記パッケージ側に設けられた大径部と、前記大径部よりも径が小さい小径部と、前記大径部と前記小径部との間に設けられ、前記大径部よりも径が小さく、前記小径部よりも径が大きい中間部と、を有し、
前記遮光部材は、前記大径部内に設けられ、
前記レンズは、前記中間部の内壁と前記小径部の内壁との間に形成された段差に当接して前記中間部内に設けられていることが好ましい。

［適用例７］
本発明の原子発振器では、前記光軸に沿った方向における前記内部空間の長さをＬとし、前記内部空間における前記励起光の横断面での幅をＷとしたとき、Ｌ／Ｗは、１以上２以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、ガスセルの大型化を防止しつつ、ガスセル内での励起光の共鳴を好適に生じさせることができる。

［適用例８］
本発明の原子発振器では、前記内部空間を透過した前記励起光を検出する光検出部を備え、
前記内部空間における前記励起光の横断面積が、前記光検出部の前記励起光を受光する受光面の面積よりも小さいことが好ましい。
これにより、ガスセルを透過した励起光のすべてを光検出部で受光し、光検出部の検出精度を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。図１に示す原子発振器の制御系を説明するためのブロック図である。図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内の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１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフである。図１に示す原子発振器に備えられたガスセルを示す斜視図である。図１に示す原子発振器の光学系を説明するための模式図である。本発明の第２実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。図７に示す原子発振器の光学部品を説明するための模式図である。

以下、本発明の原子発振器を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
なお、以下では、量子干渉効果を利用した原子発振器に本発明を適用した場合を一例として説明するが、本発明は、これに限定されるものでななく、二重共鳴現象を利用した原子発振器にも適用可能である。

＜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の概略構成を示す断面図、図２は、図１に示す原子発振器の制御系を説明するためのブロック図、図３は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図４は、図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフ、図５は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセルを示す斜視図、図６は、図１に示す原子発振器の光学系を説明するための模式図である。

なお、図１、５、６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「＋側」、基端側を「−側」とする。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」といい、また、＋Ｚ方向側（図２の上側）を「上」、−Ｚ方向側（図２の下側）を「下」という。

図１に示す原子発振器１は、ガスセル２と、光出射部３と、光検出部４と、ヒーター６と、レンズ１０と、減光フィルター１１と、ペルチェ素子１２と備え、これらが本体９に直接的または間接的に支持されている。
また、この原子発振器１は、図２に示すように、温度センサー７と、コイル８と、制御部５とを備える。なお、温度センサー７およびコイル８も本体９に直接的または間接的に支持されているが、図１では、説明の便宜上、これらの図示を省略している。

まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
原子発振器１では、ガスセル２の内部空間Ｓに、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Ｇ（金属原子）が封入されている。
アルカリ金属は、図３に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、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。

このようなガス状のアルカリ金属に対して周波数の異なる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すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）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。
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。

光出射部３は、ガスセル２に向けて、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。
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４の検出強度は、図４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。

以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
［本体］
本体９は、下側に開口する箱状の箱体９１と、箱体９１の開口を覆う蓋体９２と、上側に開口する箱状の箱体９３と、箱体９３の開口を覆う蓋体９４と、蓋体９２と蓋体９４との間に設けられた枠状の枠体９５とを備える。

箱体９１および蓋体９２は、ガスセル２と、光検出部４と、ヒーター６とを収納する内部空間を有する第１のパッケージを構成する。
箱体９１は、例えば、各種金属材料や各種樹脂材料等で構成されている。
蓋体９２は、励起光ＬＬの光路上に設けられ、光出射部３からの励起光に対する透過性を有する。この蓋体９２は、例えば、ガラス等の光透過性を有する材料で構成されている。

また、蓋体９２は、箱体９１に対して公知の接合法により接合されている。なお、箱体９１と蓋体９２との接合方法としては、気密的に接合されているのが好ましい。この場合、例えば、第１パッケージ内を減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態とすることにより、原子発振器１の信頼性を向上させることができる。
また、箱体９３および蓋体９４は、光出射部３およびペルチェ素子１２収納する第２のパッケージを構成する。
箱体９３は、例えば、各種金属材料や各種樹脂材料等で構成されている。
蓋体９４は、励起光ＬＬの光路上に設けられ、光出射部３からの励起光に対する透過性を有する。この蓋体９４は、例えば、ガラス等の光透過性を有する材料で構成されている。

また、蓋体９４は、箱体９３に対して公知の接合法により接合されている。なお、箱体９３と蓋体９４との接合方法としては、気密的に接合されているのが好ましい。この場合、例えば、第１パッケージ内を減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態とすることにより、原子発振器１の信頼性を向上させることができる。
このような第１のパッケージの蓋体９２と第２のパッケージの蓋体９４との間には、枠体９５が設けられ、蓋体９２および蓋体９４は、枠体９５を介して接合されている。かかる接合方法としては、特に限定されず、例えば、紫外線硬化型の接着剤等を用いて接合することができる。

枠体９５は、レンズ１０および減光フィルター１１を保持する第３のパッケージを構成する。
この枠体９５には、励起光ＬＬの通過する方向に貫通する貫通孔９５１が形成され、この貫通孔９５１内にレンズ１０および減光フィルター１１が設置されている。
より具体的に説明すると、貫通孔９５１は、第１のパッケージ側（ガスセル２側）に設けられた大径部９５１ａと、第２のパッケージ側（光出射部３側）に設けられた小径部９５１ｂと、大径部９５１ａと小径部９５１ｂとの間に設けられた中間部９５１ｃとを有する。

大径部９５１ａ内には、減光フィルター１１が設けられ、中間部９５１ｃ内には、レンズ１０が設けられている。ここで、中間部９５１ｃは、大径部９５１ａよりも径が小さく、小径部９５１ｂよりも径が大きい。そのため、中間部９５１ｃの内壁と大径部９５１ａおよび小径部９５１ｂの内壁との間には、それぞ、段差が形成されている。そして、減光フィルター１１は、中間部９５１ｃの内壁と大径部９５１ａの内壁との間に形成された段差に当接することにより枠体９５に対して光軸ａに平行な方向（Ｚ軸方向）での位置決めがなされている。また、レンズ１０は、中間部９５１ｃの内壁と小径部９５１ｂの内壁との間に形成された段差に当接することにより枠体９５に対して光軸ａに平行な方向（Ｚ軸方向）での位置決めがなされている。

このような枠体９５の構成材料としては、特に限定されないが、熱伝導率の低い材料、具体的には、熱伝導率が０．５（Ｗ・ｍ^−１・ｋ^−１）以下の材料を用いることが好ましい。これにより、第３パッケージの断熱性により第１パッケージと第２パッケージとを熱的に分離することができる。その結果、原子発振器１の信頼性を高めることができる。
例えば、枠体９５を構成する熱伝導率の低い材料としては、特に限定されないが、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば２層以上の積層体として）用いることができる。

［ガスセル］
ガスセル２は、内部空間Ｓを有する。この内部空間Ｓ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Ｇが封入されている。
このガスセル２は、柱状の貫通孔２１１を有する本体部２１と、貫通孔２１１の一方の開口を封鎖する窓部２２と、貫通孔２１１の他方の開口を封鎖する窓部２３とを有する。これにより、内部空間Ｓが形成される。

本実施形態では、本体部２１の貫通孔２１１は、円柱状をなす。そのため、貫通孔２１１の横断面（光軸ａに対して垂直な方向での断面）、すなわち、内部空間Ｓの横断面は、円形をなす。なお、貫通孔２１１の横断面形状は、円形に限定されず、楕円形、四角形等の多角形等であってもよい。
この本体部２１を構成する材料は、特に限定されず、金属材料、樹脂材料等であってもよく、窓部２２、２３と同様にガラス材料、水晶等であってもよい。
このような本体部２１の貫通孔２１１の一方（上側）の開口を覆うように窓部２２が設けられ、貫通孔２１１の他方（下側）の開口側を覆うように窓部２３が設けられている。これにより、貫通孔２１１の両端開口が封鎖される。

また、窓部２２、２３は、本体部２１に対して気密的に接合されている。これにより、内部空間Ｓを気密空間とすることができる。
本体部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、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。

窓部２２、２３は、それぞれ、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。本実施形態では、窓部２３は、内部空間Ｓへ入射する励起光が透過するものであり、窓部２２は、内部空間Ｓから出射した励起光が透過するものである。
本実施形態では、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。
この窓部２２、２３を構成する材料としては、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。

［光出射部］
光出射部３は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光を出射する機能を有する。
より具体的には、光出射部３は、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の周波数ω１は、ガスセル２中のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものである。
また、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル２中のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
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。

［ペルチェ素子］
ペルチェ素子１２は、光出射部３を加熱または冷却する機能を有する。これにより、光出射部３が所望の特性の励起光ＬＬを出射することができ、原子発振器１の信頼性を向上させることができる。が向上する。
また、ペルチェ素子１２に流れる電流の向きを制御することにより、光出射部３側の面を発熱面と吸熱面とで切り換えることができる。そのため、環境温度の範囲が広くても、光出射部３を所望の温度（例えば、３０℃程度）に温調することができる。

なお、光出射部３の温度を検知する温度センサーが設け、かかる温度センサーの検知結果に基づいてペルチェ素子１２の駆動を制御することができる。
また、図示しないが、ペルチェ素子１２は、後述する制御部５に電気的に接続されている。
なお、ペルチェ素子１２は、省略してもよい。

［光検出部］
光検出部４は、ガスセル２の内部空間Ｓ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。
この光検出部４は、励起光ＬＬを受光する受光面４１を有する。
この受光面４１は、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面積をＳ１とし、受光面４１の面積をＳ３としたとき、Ｓ１＜Ｓ３なる関係を満たす。これにより、ガスセル２を透過した励起光ＬＬのすべてを光検出部４で受光し、光検出部４の検出精度を高めることができる。
この光検出部４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。

［レンズ］
レンズ１０は、ガスセル２と光出射部３との間の光軸ａ上に設けられている。
特に、このレンズ１０は、図５および図６に示すように、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面形状と内部空間Ｓの横断面形状とが相似した形状となるように、励起光ＬＬの横断面形状を調整するための光学部品である。言い換えると、レンズ１０は、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面の輪郭を内部空間Ｓの横断面の輪郭に沿うように、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面形状を整形する機能を有する光学部品である。

このような機能により、励起光ＬＬがガスセル２の内壁（貫通孔２１１の壁面）で反射するのを防止しつつ、励起光ＬＬが照射されないアルカリ金属原子の量を少なくすることができる。そのため、所望の偏光を有する励起光によりガスセル２内のアルカリ金属原子を効率的に励起し、優れた発振特性を得ることができる。
また、レンズ１０が前述したような機能を有することにより、光出射部３からの励起光ＬＬの光量を無駄なく利用しつつ、励起光ＬＬの横断面形状をガスセル２の内部空間Ｓの横断面形状に合致させることができる。

また、レンズ１０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（貫通孔２１１の壁面）で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。
また、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面積をＳ１とし、内部空間Ｓの横断面積をＳ２としたとき、Ｓ１＜Ｓ２の関係を満たす。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁（貫通孔２１１の壁面）で反射するのを防止することができる。

特に、Ｓ１／Ｓ２は、０．５以上１以下であるのが好ましく、０．５以上０．９以下であるのがより好ましい。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁（貫通孔２１１の壁面）で反射するのを防止するとともに、励起光ＬＬが照射されないアルカリ金属原子の量を少なくすることができる。
これに対し、Ｓ１／Ｓ２が小さすぎると、励起光が照射されないアルカリ金属原子の量が多く、その結果、発振特性を低下させてしまう。一方、Ｓ１／Ｓ２が大きすぎると（特に１よりも大きいと）、内部空間Ｓの形状等によっては、励起光がガスセルの内壁で反射してしまい、発振特性を低下させてしまう場合がある。

また、光軸ａに沿った方向における内部空間Ｓの長さをＬとし、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面での幅をＷとしたとき、Ｌ／Ｗは、１以上２以下である。これにより、ガスセル２の大型化を防止しつつ、ガスセル２内での励起光の共鳴を好適に生じさせることができる。
これに対し、Ｌ／Ｗが１よりも小さいと、励起光ＬＬの強度、内部空間Ｓ内でのアルカリ金属の濃度や種類等によっては、ガスセル２内での励起光の共鳴が不十分となり、原子発振器１の発振特性を低下させる傾向を示す。一方、Ｌ／Ｗが２よりも大きいと、ガスセル２の大型化、ひいては、原子発振器１の大型化を招いてしまう。

［減光フィルター］
減光フィルター１１（ＮＤフィルター）は、光出射部３とガスセル２との間の光路上に設けられている。
この減光フィルター１１は、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。これにより、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。
なお、この減光フィルター１１は、光出射部３の出力が適度である場合、省略することができる。また、減光フィルター１１に加えて、または、減光フィルター１１に代えて、λ／４波長板、偏光板を設置してもよい。

［ヒーター］
ヒーター６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ガス状に維持することができる。
ヒーター６は、ガスセル２の外表面上に設けられている。

本実施形態では、ヒーター６は、ガスセル２の窓部２２上に設けられたヒーター６１と、ガスセル２の窓部２３上に設けられたヒーター６２とで構成されている。これにより、ヒーター６１、６２は、ガスセル２を挟むように設けられている。
このようなヒーター６１、６２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の光路上に配置されている。これにより、ガスセル２の窓部２２、２３の励起光の光路となる部分を効率的に加熱することができる。そのため、ガスセル２の内壁面の励起光の光路となる部分にアルカリ金属原子が析出（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の長寿命化を図ることができる。

ヒーター６１、６２は、それぞれ、通電により発熱する発熱抵抗体で構成されている。また、本実施形態では、ヒーター６１、６２は、それぞれ、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光に対する透過性を有する。これにより、ガスセル２の励起光の入射部および出射部をそれぞれ効率的に加熱することができる。なお、本実施形態では、励起光は、ヒーター６２を介してガスセル２内に入射され、ガスセル２内からヒーター６１を介して出射される。
このヒーター６１、６２は、それぞれ、薄膜状をなしている。このような薄膜状のヒーター６１、６２は公知の成膜法を用いて簡単かつ高精度に形成することができる。また、ヒーター６１、６２を簡単化および小型化することができる。また、ガスセル２が直接的に加熱される。そのため、ガスセル２を効率的に加熱することができる。

このようなヒーター６１、６２の構成材料としては、前述したように通電により発熱するとともに励起光に対する光透過性を有するものであれば、特に限定されないが、例えば、ＩＴＯ（ＩｎｄｉｕｍＴｉｎＯｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（ＩｎｄｉｕｍＺｉｎｃＯｘｉｄｅ）、Ｉｎ_３Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｓｂ含有ＳｎＯ_２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料を用いるのが好ましく、特にＩＴＯを用いるのが好ましい。
このような透明電極材料は、好適な光透過性を有するとともに、通電により効率的に発熱することができる。

また、ヒーター６１、６２がそれぞれ透明電極材料で構成されていると、ヒーター６１、６２をガスセル２の外表面の励起光の光路となる部分に設けることができる。そのため、ガスセル２の励起光の入射部および出射部をヒーター６１、６２により効率的に加熱することができる。
ヒーター６１、６２の厚さは、特に限定されないが、例えば、０．１μｍ以上１ｍｍ以下程度である。

また、ヒーター６１、６２の形成は、特に限定されないが、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。
このようなヒーター６１、６２は、後述する制御部５の温度制御回路５２に電気的に接続され、それぞれ通電される。

［温度センサー］
温度センサー７は、ヒーター６１、ヒーター６２またはガスセル２の温度を検出するものである。前述したようなヒーター６１、６２の発熱量は、この温度センサー７の検出結果に基づいて制御される。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。

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６１または６２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。
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。
このような温度センサー７は、図示しない配線を介して、後述する制御部５の温度制御回路５２に電気的に接続されている。

［コイル］
コイル８は、通電により、磁場を発生させる機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属に磁場を印加することにより、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー状態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。

このコイル８の設置位置は、特に限定されず、図示しないが、例えば、ソレノイド型を構成するようにガスセル２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対のコイルをガスセル２を介して対向させてもよい。
このコイル８は、図示しない配線を介して、後述する制御部５の磁場制御回路５３に電気的に接続されている。これにより、コイル８に通電を行うことができる。
このようなコイル８の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、銀、銅、パラジウム、白金、金、または、これらの合金等が挙げられ、これらのうち１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。

［制御部］
制御部５は、ヒーター６１、６２、コイル８および光出射部３をそれぞれ制御する機能を有する。
このような制御部５は、光出射部３の共鳴光１、２の周波数を制御する周波数制御回路５１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回路５２と、ガスセル２に印加する磁場を制御する磁場制御回路５３とを有する。

周波数制御回路５１は、前述した光検出部４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、周波数制御回路５１は、前述した光検出部４によって検出された（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。
また、温度制御回路５２は、温度センサー７の検出結果に基づいて、ヒーター６１、６２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。ここで、温度センサー７は、ガスセル２の温度を検知する温度検知手段を構成する。
また、磁場制御回路５３は、コイル８が発生する磁場が一定となるように、コイル８への通電を制御する。
また、制御部５は、光出射部３が所定の温度となるように、ペルチェ素子１２を制御する機能をも有する。

以上説明したような本実施形態の原子発振器１によれば、励起光ＬＬの横断面形状をガスセル２の内部空間Ｓの横断面形状に合致させることにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁で反射するのを防止しつつ、励起光ＬＬが照射されないアルカリ金属原子の量を少なくすることができる。そのため、所望の偏光を有する励起光ＬＬによりガスセル２内のアルカリ金属原子を効率的に励起し、優れた発振特性を得ることができる。

＜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。
図７は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図、図８は、図７に示す原子発振器の光学部品を説明するための模式図である。
本実施形態にかかる原子発振器は、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面形状を整形する光学部品の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態にかかる原子発振器と同様である。

なお、以下の説明では、第２実施形態の原子発振器に関し、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。また、図７、８において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図７に示す原子発振器１Ａは、前述した第１実施形態の原子発振器１において、レンズ１０、減光フィルター１１および枠体９５に代えて、レンズ１０Ａ、遮光部材１３および枠体９５Ａを備える。

この原子発振器１Ａは、枠体９５Ａを有する本体９Ａを備える。
この本体９Ａの枠体９５Ａは、蓋体９２と蓋体９４との間に設けられている。そして、枠体９５Ａは、レンズ１０Ａを保持する第３のパッケージを構成する。
この枠体９５Ａには、励起光ＬＬの通過する方向に貫通する貫通孔９５２が形成され、この貫通孔９５２内にレンズ１０Ａおよび遮光部材１３が設置されている。

より具体的に説明すると、貫通孔９５２は、第１のパッケージ側（ガスセル２側）に設けられた大径部９５２ａと、第２のパッケージ側（光出射部３側）に設けられた小径部９５２ｂと、大径部９５２ａと小径部９５２ｂとの間に設けられた中間部９５２ｃとを有する。
大径部９５２ａ内には、遮光部材１３が臨むように設けられ、中間部９５２ｃ内には、レンズ１０Ａが設けられている。ここで、大径部９５２ａは、後述するように蓋体９２上に設けられた遮光部材１３が枠体９５Ａに接触するのを防止する逃げ部を構成する。また、中間部９５２ｃは、大径部９５２ａよりも径が小さく、小径部９５２ｂよりも径が大きい。そのため、中間部９５２ｃの内壁と大径部９５２ａおよび小径部９５２ｂの内壁との間には、それぞ、段差が形成されている。そして、レンズ１０Ａは、中間部９５２ｃの内壁と小径部９５２ｂの内壁との間に形成された段差に当接することにより枠体９５Ａに対して光軸ａに平行な方向（Ｚ軸方向）での位置決めがなされている。

レンズ１０Ａは、光出射部３と遮光部材１３との間の光軸ａ上に設けられている。これにより、ガスセル２に入射する励起光ＬＬの平行度や光量等を調整することができる。
また、レンズ１０Ａ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（貫通孔２１１の壁面）で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。
このようなレンズ１０Ａに対してガスセル２側には、遮光部材１３が設けられている。より具体的には、遮光部材１３は、レンズ１０Ａとガスセル２との間の光軸ａ上に設けられている。本実施形態では、本体９Ａの蓋体９２の下面上には、遮光部材１３が設けられている。

遮光部材１３は、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面形状を内部空間Ｓの横断面形状に合致させる機能を有する光学部品である。言い換えると、遮光部材１３は、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面の輪郭を内部空間Ｓの横断面の輪郭に沿うように、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面形状を整形する機能を有する光学部品である。
この遮光部材１３は、内部空間Ｓの横断面形状に対応する形状の開口部１３１を有する。これにより、内部空間Ｓにおける励起光ＬＬの横断面形状を整形する光学部品の光軸方向での位置合わせを不要としつつ、励起光ＬＬの横断面形状をガスセル２の内部空間Ｓの横断面形状に合致させることができる。

以上説明したような第２実施形態に係る原子発振器１Ａによっても、優れた発振特性を発揮することができる。
以上、本発明の原子発振器について、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。
また、本発明の原子発振器では、各部の構成は、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。

また、本発明の原子発振器は、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。
また、前述した実施形態において、本体９、９Ａの構成は一例であり、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、蓋体９２、９４に代えて、励起光の光路に沿って貫通する貫通孔が設けられた部材を設けてもよい。この場合、かかる部材は、光透過性を有しない材料で構成されていてもよい。また、蓋体９２、９４を省略して、箱体９１、９３を直接枠体９５に接合してもよい。

１‥‥原子発振器１Ａ‥‥原子発振器２‥‥ガスセル３‥‥光出射部４‥‥光検出部５‥‥制御部６‥‥ヒーター７‥‥温度センサー８‥‥コイル９‥‥本体９Ａ‥‥本体１０‥‥レンズ１０Ａ‥‥レンズ１１‥‥減光フィルター１２‥‥ペルチェ素子１３‥‥遮光部材２１‥‥本体部２２‥‥窓部２３‥‥窓部４１‥‥受光面５１‥‥周波数制御回路５２‥‥温度制御回路５３‥‥磁場制御回路６１‥‥ヒーター６２‥‥ヒーター９１‥‥箱体９２‥‥蓋体９３‥‥箱体９４‥‥蓋体９５‥‥枠体９５Ａ‥‥枠体１３１‥‥開口部２１１‥‥貫通孔９５１‥‥貫通孔９５１ａ‥‥大径部９５１ｂ‥‥小径部９５１ｃ‥‥中間部９５２‥‥貫通孔９５２ａ‥‥大径部９５２ｂ‥‥小径部９５２ｃ‥‥中間部ａ‥‥光軸Ｇ‥‥アルカリ金属ＬＬ‥‥励起光Ｓ‥‥内部空間 ω０‥‥周波数 ω１‥‥周波数 ω２‥‥周波数

Claims

金属原子が封入される内部空間を有するガスセルと、
前記ガスセル内の前記金属原子を励起するための励起光を出射する光出射部と、
前記ガスセルと前記光出射部との間の光軸上に設けられ、前記内部空間における前記励起光の横断面の輪郭形状が前記内部空間の横断面の輪郭形状に沿うように、前記励起光を調整するための光学部品と、
前記ガスセルを収容し、開口を有する箱体と、前記開口を覆った状態で前記箱体に接合されている透過性の蓋体を有するパッケージと、を備え、
前記光学部品は、前記内部空間の横断面の輪郭形状に沿っている形状の開口部を有する遮光部材であり、
前記遮光部材は、前記蓋体の外周面に設けられており、
前記パッケージ内は、減圧状態であることを特徴とする原子発振器。
前記内部空間における前記励起光の横断面積をＳ１とし、前記内部空間の横断面積をＳ２としたとき、
Ｓ１／Ｓ２が０．５以上１以下の範囲内にある請求項１に記載の原子発振器。
前記光出射部と前記遮光部材との間に設けられたレンズを備える請求項１または２に記載の原子発振器。
前記レンズは、前記励起光を平行光とする機能を有する請求項３に記載の原子発振器。
前記パッケージの前記透過性を有する部分に接合された枠体を備え、
前記枠体には、前記励起光が通過する方向に貫通する貫通孔が形成されており、
前記貫通孔内に、前記レンズおよび前記遮光部材が設置されている請求項３または４に記載の原子発振器。
前記貫通孔は、前記パッケージ側に設けられた大径部と、前記大径部よりも径が小さい小径部と、前記大径部と前記小径部との間に設けられ、前記大径部よりも径が小さく、前記小径部よりも径が大きい中間部と、を有し、
前記遮光部材は、前記大径部内に設けられ、
前記レンズは、前記中間部の内壁と前記小径部の内壁との間に形成された段差に当接して前記中間部内に設けられている請求項５に記載の原子発振器。
前記光軸に沿った方向における前記内部空間の長さをＬとし、前記内部空間における前記励起光の横断面での幅をＷとしたとき、Ｌ／Ｗは、１以上２以下の範囲内にある請求項１ないし６のいずれかに記載の原子発振器。
前記内部空間を透過した前記励起光を検出する光検出部を備え、
前記内部空間における前記励起光の横断面積が、前記光検出部の前記励起光を受光する受光面の面積よりも小さい請求項１ないし７のいずれかに記載の原子発振器。