JP6476751B2 - 原子セルの製造方法、原子セル、量子干渉装置、原子発振器および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、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。

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（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。いずれの方式の原子発振器においても、通常、アルカリ金属を封入した原子セル（ガスセル）を備えている（例えば、特許文献１参照）。

このような原子セルとしては、近年の原子発振器（特に、ＣＰＴ方式の原子発振器）の小型化の要請に伴って小型化を図るべく、複数の基板を積層した構造を有するものが知られている。このような原子セルを製造する際、例えば、特許文献１では、厚さ方向に貫通する貫通孔が形成された基板の一方の面にガラス基板を接合してなる２つの部材を用意し、一方の部材のガラス基板の貫通孔側の面上にアルカリ金属を配置した後に、２つの部材を互いに接合することにより、アルカリ金属が封入された内部空間を形成する。

ここで、一般に、原子セル内には、アルカリ金属が経時的に減少する量を見込んだ多めの量のアルカリ金属が封入され、余剰のアルカリ金属は液体状または固体状として存在することとなる。

しかし、特許文献１に係る原子セルでは、アルカリ金属に照射する光を通過させるべきガラス基板の領域上に余剰のアルカリ金属が多く存在することとなるため、光の透過量が減少したり、光の一部が液体または固体状態のアルカリ金属と作用したりすることで、特性の低下を招くという問題があった。例えば、ＣＰＴ方式の原子発振器では、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を基準信号として用いるが、特許文献１に係る原子セルでは、ＥＩＴ信号の強度が小さくなってしまい、その結果、周波数安定度が低下するという問題があった。

特開２０１３−３８３８２号公報

本発明の目的は、周波数安定度を向上させることができる原子セルの製造方法および原子セルを提供すること、また、かかる原子セルを備える量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体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。

このような原子セルの製造方法によれば、得られる原子セルにおいて、光透過部の中央部に配置される液体状または固体状の金属原子の量が少ないため、光を効率的に透過させることができる。そのため、例えば、ＥＩＴ方式の量子干渉装置に用いた場合、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができ、その結果、周波数安定度を向上させることができる。

［適用例２］
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。

［適用例３］
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。

［適用例４］
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。

これにより、小型な原子セルを製造する場合であっても、配置ステップにおいて、所望量の液体状または固体状の金属原子を所望の位置および範囲に容易に配置することができる。

［適用例５］
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。

これにより、内部空間に配置される液体状または固体状の金属原子の量が多くても、液体状または固体状の金属原子を窓部の外周部に配置することができる。

［適用例６］
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。

これにより、得られる原子セルにおいて、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。

［適用例７］
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。

これにより、得られる原子セルにおいて、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。

［適用例８］
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。

これにより、得られる原子セルにおいて、内部空間に配置される液体状または固体状の金属原子の量が多くても、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。

［適用例９］
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。

このような原子セルによれば、光透過部の中央部に配置される液体状または固体状の金属原子の量が少ないため、光を効率的に透過させることができる。そのため、例えば、ＥＩＴ方式の量子干渉装置に用いた場合、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができ、その結果、周波数安定度を向上させることができる。

［適用例１０］
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。

このような原子セルによれば、光透過部（窓部）の中央部に配置される液体状または固体状の金属原子の量が少ないため、光を効率的に透過させることができる。そのため、例えば、ＥＩＴ方式の量子干渉装置に用いた場合、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができ、その結果、周波数安定度を向上させることができる。

［適用例１１］
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。

これにより、液体状または固体状の金属原子を窓部の外周部に安定的に配置することができる。

［適用例１２］
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。

これにより、内部空間に配置される液体状または固体状の金属原子の量が多くても、液体状または固体状の金属原子を窓部の外周部に安定的に配置することができる。

［適用例１３］
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。

これにより、液体状または固体状の金属原子が収納部からはみ出て窓部の中央部へ移動するのを低減することができる。

［適用例１４］
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。

［適用例１５］
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。

［適用例１６］
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。

［適用例１７］
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。

これにより、周波数安定度を向上させることができる原子セルを備える電子機器を提供することができる。

［適用例１８］
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。

これにより、周波数安定度を向上させることができる原子セルを備える移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）を示す概略図である。 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。 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。 （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、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。 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に示す原子セルの製造方法における準備工程（配置ステップ）および封止ステップを示す図である。 図４に示す原子セルの製造方法における調整工程および個片化工程を示す図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。 図８に示す原子セルの製造方法における配置ステップ、封止ステップおよび調整工程を示す図である。 （ａ）は、本発明の第３実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。 （ａ）は、本発明の第４実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。 （ａ）は、本発明の第５実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。 （ａ）は、本発明の第６実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。 （ａ）は、本発明の第７実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、（ｂ）は、（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。 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。 本発明の移動体の一例を示す図である。

以下、本発明の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（量子干渉装置）
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。

＜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（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、原子セル２（ガスセル）と、光出射部３と、光学部品４１、４２、４３、４４と、光検出部５と、ヒーター６と、温度センサー７と、磁場発生部８と、制御部１０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、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２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、アルカリ金属は、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。

光出射部３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。

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５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の各部を簡単に説明する。
［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。

ここで、原子セル２内には、余剰のアルカリ金属が液体状または固体状として存在している。なお、この点については、後に詳述する。

［光出射部］
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。

より具体的には、光出射部３は、励起光ＬＬとして、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）を出射するものである。共鳴光１は、原子セル２内のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。一方、共鳴光２は、原子セル２内のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態へ励起（共鳴）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。

なお、光出射部３は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。

［光学部品］
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。

光学部品４１は、レンズである。これにより、励起光ＬＬを無駄なく原子セル２へ照射することができる。なお、光学部品４１は、省略することができる。

光学部品４２は、偏光板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬの偏光を所定方向に調整することができる。

光学部品４３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、原子セル２に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光出射部３の出力が大きい場合でも、原子セル２に入射する励起光を所望の光量とすることができる。本実施形態では、前述した光学部品４２を通過した所定方向の偏光を有する励起光ＬＬの強度を光学部品４３により調整する。なお、光学部品４３は、省略することができる。

光学部品４４は、λ／４波長板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。

後述するように磁場発生部８の磁場により原子セル２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信号の強度が小さくなり、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、後述するように磁場発生部８の磁場により原子セル２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信号の強度が大きくなり、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。

［光検出部］
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。

この光検出部５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。

［ヒーター］
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。

このヒーター６は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。この発熱抵抗体は、原子セル２に対して接触して設けられていてもよいし、原子セル２に対して非接触で設けられていてもよい。

例えば、発熱抵抗体を原子セル２に対して接触して設ける場合、原子セル２の１対の窓部にそれぞれ発熱抵抗体を設ける。これにより、原子セル２の窓部にアルカリ金属原子が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の特性（発振特性）を長期にわたり優れたものとすることができる。このような発熱抵抗体は、励起光に対する透過性を有する材料、具体的には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、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で構成される。また、発熱抵抗体は、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。

また、発熱抵抗体を原子セル２に対して非接触で設ける場合、熱伝導性に優れる金属等、セラミックス等の部材を介して発熱抵抗体から原子セル２へ伝熱すればよい。

なお、ヒーター６は、原子セル２を加熱することができるものであれば、前述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター６に代えて、または、ヒーター６と併用して、ペルチェ素子を用いて、原子セル２を加熱してもよい。

［温度センサー］
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。

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６上であってもよいし、原子セル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。

［磁場発生部］
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。

この磁場発生部８は、例えば、原子セル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、原子セル２を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。これにより、原子セル２内に一方向の均一な磁場を生じさせることができる。

また、磁場発生部８が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。

［制御部］
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。

この制御部１０は、光出射部３の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部１２と、原子セル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部１１と、磁場発生部８からの磁場を制御する磁場制御部１３とを有する。

励起光制御部１２は、前述した光検出部５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、励起光制御部１２は、前述した周波数差（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。

ここで、励起光制御部１２は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部５の検知結果に基づいて同期・調整しながら、その電圧制御型水晶発振器の出力信号を原子発振器１の出力信号として出力する。

例えば、励起光制御部１２は、図示しないが、この電圧制御型水晶発振器からの出力信号を周波数逓倍する逓倍器を備えており、この逓倍器により逓倍された信号（高周波信号）を直流バイアス電流に重畳して駆動信号として光出射部３に入力する。これにより、光検出部５でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器を制御することで、電圧制御型水晶発振器から所望の周波数の信号が出力されることとなる。この逓倍器の逓倍率は、例えば、原子発振器１からの出力信号の所望の周波数をｆとしたとき、ω０／（２×ｆ）である。これにより、電圧制御型水晶発振器の発振周波数がｆであるとき、逓倍器からの信号を用いて、光出射部３に含まれる半導体レーザー等の発光素子を変調して、周波数差（ω１−ω２）がω０となる２つの光を出射させることができる。

また、温度制御部１１は、温度センサー７の検出結果に基づいて、ヒーター６への通電を制御する。これにより、原子セル２を所望の温度範囲内に維持することができる。例えば、原子セル２は、ヒーター６により、例えば、７０℃程度に温度調節される。

また、磁場制御部１３は、磁場発生部８が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部８への通電を制御する。
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。

（原子セルの詳細な説明）
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。

なお、以下では、説明の便宜上、図４（ａ）中の上側を「上」、下側を「下」という。
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。

そして、内部空間Ｓにて窓部２２上には、窓部２２の中央部よりも外周部側で量が多くなるように分布して液体状または気体状のアルカリ金属Ｍ（金属原子）が配置されている。

ここで、胴体部２１および窓部２２、２３は、内部空間Ｓを構成していている「壁部」を構成し、また、この壁部の一部であって、窓部２２、２３の内部空間Ｓに対応する部分がそれぞれ「光透過部」を構成している。

胴体部２１は、上下方向を厚さ方向とする板状をなしており、この胴体部２１には、胴体部２１の厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１が形成されている。

この胴体部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さい原子セル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴体部２１を容易に形成することができる。特に、シリコンは、エッチングによる微細加工が可能である。したがって、胴体部２１をシリコンを用いて構成することにより、原子セル２の小型化を図っても、胴体部２１を簡単かつ高精度に形成することができる。また、胴体部２１がシリコンを用いて構成されていると、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。

このような胴体部２１の下面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の上面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１の下端側開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１の上端側開口が窓部２３により封鎖されている。そして、貫通孔２１１による内部空間Ｓが気密空間として形成されている。

胴体部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、気密的に接合できるものであれば、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、表面活性化接合法等を用いることができるが、直接接合法または陽極接合法を用いることが好ましい。これにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。

このような胴体部２１に接合されている各窓部２２、２３は、前述した光出射部３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２２は、原子セル２の内部空間Ｓ内へ励起光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、原子セル２の内部空間Ｓ内から励起光ＬＬが出射する出射側窓部である。
また、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。

窓部２２、２３の構成材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されず、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられるが、ガラス材料を用いることが好ましい。これにより、励起光に対する透過性を有する窓部２２、２３を実現することができる。また、胴体部２１がシリコンで構成されている場合、ガラスを用いて窓部２２、２３を構成することにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。なお、窓部２２、２３の厚さや励起光の強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。この場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを直接接合することができる。

このような胴体部２１および窓部２２、２３により区画形成された内部空間Ｓには、気体状のアルカリ金属が収納されている。この内部空間Ｓ内に収納されている気体状のアルカリ金属は、励起光ＬＬによって励起される。すなわち、貫通孔２１１内の空間の少なくとも一部は、励起光ＬＬが通過する「光通過空間」を構成する。本実施形態では、貫通孔２１１の横断面は、円形をなしており、一方、光通過空間の横断面は、図示しないが、貫通孔２１１の横断面と相似形状（すなわち円形）をなし、かつ、貫通孔２１１の横断面よりも小さく設定されている。なお、貫通孔２１１の横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。

また、内部空間Ｓには、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている。このアルカリ金属Ｍは、窓部２２の内部空間Ｓ側の面上に配置されている。この液体状または固体状のアルカリ金属Ｍは、内部空間Ｓ内の気体状のアルカリ金属と飽和蒸気圧で平衡状態となっており、これにより、内部空間Ｓ内の気体状のアルカリ金属を所定濃度に保つことができる。

特に、アルカリ金属Ｍは、窓部２２の外周部に配置されている。本実施形態では、アルカリ金属Ｍは、窓部２２の外周部に沿ってその全周に亘って配置されている。これにより、励起光ＬＬが窓部２２を通過する際に、励起光ＬＬがアルカリ金属Ｍに遮られることを低減することができる。したがって、内部空間Ｓの気体状のアルカリ金属を励起光ＬＬにより効率的に励起することができ、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができる。その結果、周波数安定度を高めることができる。

また、アルカリ金属Ｍは、窓部２２の中央部側から外周部側に向けて連続的に厚さが厚くなるように形成されている。そして、アルカリ金属Ｍの窓部２２とは反対側の面が湾曲面をなしている。このように、アルカリ金属Ｍは、窓部２２の中央部よりも外周部側の方で量が多くなるように配置されている。

ここで、原子発振器１の小型化のため原子セル２と光出射部３との間の距離を小さくする必要がある場合、原子セル２と光出射部３との間にレンズが配置されていても、内部空間Ｓでの励起光ＬＬを平行光とすることが難しく、励起光ＬＬは、図４（ａ）に示すように、内部空間Ｓにおいて入射側から出射側に向かうに従って幅が拡がることとなる。したがって、窓部２２での励起光ＬＬの幅は窓部２３での励起光ＬＬの幅よりも小さい。そのため、窓部２２から励起光ＬＬを入射することにより、窓部２２の外周部にアルカリ金属Ｍが配置されていても、励起光ＬＬが窓部２２を通過する際にアルカリ金属Ｍに遮られるのを低減しつつ、励起光ＬＬが照射される内部空間Ｓの気体状のアルカリ金属の量を多くすることができる。また、小型化のために原子セル２と光出射部３との間にレンズが配置されていない場合でも同様である。

なお、図５に示すように、窓部２３を、原子セル２の内部空間Ｓ内へ励起光ＬＬが入射する入射側窓部として用い、窓部２２を、原子セル２の内部空間Ｓ内から励起光ＬＬが出射する出射側窓部として用いることもできる。この場合、入射した励起光ＬＬが、液体または固体状態のアルカリ金属と作用する前に、先に気体状態のアルカリ金属と作用することで、特性が低下することを低減することができる。

なお、図示では、窓部２２の中央部にはアルカリ金属Ｍが配置されていないが、窓部２２の外周部に配置した液体状または固体状のアルカリ金属の厚さよりも薄く、かつ、必要な強度のＥＩＴ信号を得られる程度の厚さであれば、窓部２２の中央部に液体状または固体状のアルカリ金属が配置されていてもよい。

以上説明したような原子セル２によれば、窓部２２の中央部に配置される液体状または固体状のアルカリ金属Ｍの量が少ないため、光を効率的に透過させることができる。そのため、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができ、その結果、周波数安定度を向上させることができる。

以上説明したような原子発振器１が備える原子セル２は、以下のようにして製造することができる。

（原子セルの製造方法）
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。

図６は、図４に示す原子セルの製造方法における準備工程（配置ステップ）および封止ステップを示す図、図７は、図４に示す原子セルの製造方法における調整工程および個片化工程を示す図である。

原子セル２の製造方法は、［１］準備工程と、［２］調整工程と、［３］個片化工程と、を有する。以下、各工程を順次説明する。

［１］準備工程
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。

ここで、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０からなる構造体は、貫通孔２１１の一端開口が窓部形成用基板２２０により封鎖されてなる凹部を備えており、「ベース部」を構成している。この凹部は、一方の面側に開口していて底部が光透過部を構成している。

胴体部形成用基板２１０は、前述した胴体部２１を形成するためのシリコン基板であって、貫通孔２１１を有する。また、窓部形成用基板２２０は、前述した窓部２２を形成するためのガラス基板である。

本実施形態では、胴体部形成用基板２１０は、複数組の貫通孔２１１を有し、後述する［３］個片化工程で個片化されることにより、胴体部２１となる。また、窓部形成用基板２２０は、後述する［３］個片化工程で個片化されることにより窓部２２となる。ここで、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０とが接合されてなる接合体（積層体）は、一方の面側に開口している貫通孔２１１による凹部を有する「ベース部」を構成している。

胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０との接合は、加熱接合の１種である陽極接合により行うことが好ましい。これにより、比較的簡単に、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０とを気密的に接合することができる。

１−２配置ステップ
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。

ここで、マスク５００に形成された開口部５０１は、アルカリ金属Ｍ１が胴体部形成用基板２１０の上面に付着するのを防止するように形成されている。本実施形態では、開口部５０１は、貫通孔２１１の開口に一致するように形成されている。なお、マスク５００の開口部５０１は、貫通孔２１１の開口よりも小さい幅で形成されていてもよい。

マスク５００の構成材料としては、特に限定されないが、シリコンを用いることが好ましい。すなわち、マスク５００としてシリコン基板を用いることが好ましい。これにより、高精度な位置および寸法の開口部５０１を有するマスク５００を実現することができる。

また、アルカリ金属Ｍ１の成膜方法としては、気相成膜法の中でも、蒸着法を用いることが好ましい。これにより、アルカリ金属Ｍの化学的変化を低減しつつ、窓部形成用基板２２０上にアルカリ金属Ｍ１を配置することができる。

また、気相成膜以外でも、液体状のアルカリ金属の所定体積をピペットで注入してもよく、固体状のアルカリ金属を秤量して配置しても良い。または、窒化物等のアルカリ金属を秤量して配置しても良い。この場合は、封止ステップの後であって調整工程よりも前に、化合物を還元することで、アルカリ金属Ｍ１を配置することができる。

１−３第２接合工程（封止ステップ）
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。

ここで、窓部形成用基板２３０は、凹部を有するベース部に接合される「蓋部」を構成している。また、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０、２３０は、内部空間Ｓを構成していている「壁部」を構成し、また、この壁部の一部であって、窓部形成用基板２２０、２３０の内部空間Ｓに対応する部分がそれぞれ「光透過部」を構成している。そして、この光透過部には、前述したよう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。

窓部形成用基板２３０は、前述した窓部２３を形成するためのガラス基板である。また、窓部形成用基板２３０は、後述する［３］個片化工程で個片化されることにより窓部２３となる。ここで、窓部形成用基板２３０は、前述した胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０からなる第１基板に接合される「第２基板」を構成している。

胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０との接合方法としては、前述した胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０との接合方法と同様の方法を用いることができる。すなわち、１−３封止ステップにおいて、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２３０との接合を加熱接合の一種である陽極接合により行うことができる。

［２］調整工程
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。

本工程に用いる加熱方法としては、前述したようなアルカリ金属の量の分布に調整可能であれば、特に限定されないが、レーザー（エネルギー線）を用いることが好ましい。これにより、窓部形成用基板２２０の中央部を局所的に加熱することができる。そのため、窓部形成用基板２２０の中央部に配置されたアルカリ金属を効率的に加熱して窓部形成用基板２２０の外周部側へ移動させることができる。

また、効率的に加熱を行う観点から、レーザーの波長域としては、赤外域であることが好ましい。なお、本工程に用いる加熱方法は、レーザーに限らず、例えば、レーザー以外の光、Ｘ線、γ線のような電磁波、電子線、イオンビームのような粒子線等や、またはこれらのエネルギー線を２種以上組み合わせたものを用いることができる。

また、本工程に用いる加熱方法として、加熱された棒状のピンの先端を中央部に接触させても良い。

［３］個片化工程
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。

本実施形態では、前述したように、［１］準備工程において、第１基板が貫通孔２１１による凹部を複数有し、［３］個片化工程において、第１基板と第２基板とを接合した接合体、すなわち、胴体部形成用基板２１０と窓部形成用基板２２０、２３０とを接合した接合体を貫通孔２１１による凹部ごとに個片化する。これにより、効率的に原子セルを製造することができる。

また、［２］調整工程の後に［３］個片化工程を行うこと、すなわち、［３］個片化工程の前に［２］調整工程を行うことで、［２］調整工程を効率的に行うことができる。

以上説明したような原子セル２の製造方法によれば、前述したような効果を奏する原子セル２を得ることができる。すなわち、得られる原子セル２において、光透過部の中央部に配置される液体状または固体状のアルカリ金属Ｍの量が少ないため、光を効率的に透過させることができる。そのため、ＥＩＴ信号の強度を大きくすることができ、その結果、周波数安定度を向上させることができる。

また、前述した原子セル２の製造方法では、［１］準備工程が１−１ベース部準備ステップ、１−２配置ステップおよび１−３封止ステップを含んでいるので、すなわち、複数の基板の貼り合わせにより内部空間Ｓを区画形成する壁部を形成するので、例えばＭＥＭＳ技術等を用いて、小型な原子セル２を効率的に製造することができる。

特に、上述した製造方法では、胴体部形成用基板２１０がシリコンを含み、窓部形成用基板２２０、２３０がそれぞれガラスを含んでいることにより、エッチング技術やフォトリソグラフィ技術を用いて小型で高精度な原子セル２を製造することができる。

また、１−２配置ステップにおいて、貫通孔２１１による凹部の底部に成膜によりアルカリ金属Ｍ１を配置するため、例えば上述したようなＭＥＭＳ技術等を用いた小型な原子セル２を製造する場合であっても、１−２配置ステップにおいて、所望量の液体状または固体状のアルカリ金属Ｍ１を所望の位置および範囲に容易に配置することができる。

また、［２］調整工程において、アルカリ金属Ｍが貫通孔２１１による凹部の底部の外周部に沿って配置されるように調整を行うため、内部空間Ｓに配置される液体状または固体状のアルカリ金属Ｍの量が多くても、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを窓部２２の外周部に配置することができる。

＜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８（ａ）は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図８（ｂ）は、図８（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。

本実施形態は、一方の窓部の構成および液体状または固体状のアルカリ金属の配置が異なる以外は、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、第２実施形態に関し、前述した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８に示す原子セル２Ａは、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２Ａ、２３とを有している。

窓部２２Ａの胴体部２１側の面には、胴体部２１の貫通孔２１１の壁面に沿って環状の凹部２２１（溝）が形成されている。窓部２２Ａの厚さ方向からみたとき、図８に示すように、凹部２２１の内周縁は、貫通孔２１１の壁面よりも内側に位置し、凹部２２１の外周縁は、貫通孔２１１の壁面よりも外側に位置している。

このような凹部２２１内には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている。このように凹部２２１内にアルカリ金属Ｍを配置することにより、凹部２２１による段差によりアルカリ金属Ｍが窓部２２Ａの中央部側へ移動するのを阻止することができる。また、前述したように、窓部２２Ａの厚さ方向からみたとき、凹部２２１の外周縁が貫通孔２１１の壁面よりも外側に位置しているので、アルカリ金属Ｍを励起光の通過領域から遠ざけることができる。

以上のように構成された原子セル２Ａにおいて、凹部２２１は、窓部２２Ａと胴体部２１との接続部に設けられていてアルカリ金属Ｍが配置されている凹状の「収納部」を構成している。このような収納部を設けることにより、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを窓部２２Ａの外周部に安定的に配置することができる。

また、凹部２２１が窓部２２Ａと胴体部２１との接続部に沿って延びているため、内部空間Ｓに配置される液体状または固体状のアルカリ金属Ｍの量が多くても、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを窓部２２Ａの外周部に安定的に配置することができる。

特に、凹部２２１が窓部２２Ａに設けられているため、窓部２２Ａの中央部と外周部との間に形成された凹部２２１による段差により、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが凹部２２１からはみ出て窓部の中央部へ移動するのを低減することができる。
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。

図９は、図８に示す原子セルの製造方法における配置ステップ、封止ステップおよび調整工程を示す図である。

原子セル２Ａの製造方法は、［１Ａ］準備工程と、［２Ａ］調整工程と、［３Ａ］個片化工程と、を有する。以下、各工程を順次説明する。

［１Ａ］準備工程
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。

窓部形成用基板２２０Ａは、前述した窓部２２Ａを形成するためのガラス基板であり、後述する［３Ａ］個片化工程で個片化されることにより窓部２２Ａとなる。

１Ａ−３第２接合工程（封止ステップ）
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。

［２Ａ］調整工程
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。

特に、本実施形態では、上述した加熱により、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の凹部２２１内へ移動させることができる。そのため、アルカリ金属Ｍ１が窓部形成用基板２２０Ａの中央部に戻ってしまうのを低減することができる。

［３Ａ］個片化工程
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。

以上説明したような原子セル２Ａの製造方法によれば、［１Ａ］準備工程において、胴体部形成用基板２１０および窓部形成用基板２２０Ａ、２３０からなる構造体が光透過部の外周部に設けられている凹部２２１（凹状の収納部）を有していて、［２Ａ］調整工程において、アルカリ金属Ｍを凹部２２１に収納するため、得られる原子セル２Ａにおいて、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを光通過領域から遠ざけることができる。

また、凹部２２１が光透過部の外周部に沿って延びているため、得られる原子セル２Ａにおいて、内部空間Ｓに配置される液体状または固体状のアルカリ金属Ｍの量が多くても、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを光通過領域から遠ざけることができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図１０（ａ）は、本発明の第３実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。

本実施形態は、胴体部の構成および液体状または固体状のアルカリ金属の配置が異なる以外は、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、第３実施形態に関し、前述した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１０に示す原子セル２Ｂは、胴体部２１Ｂと、胴体部２１Ｂを挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。

胴体部２１Ｂは、上下方向を厚さ方向とする板状をなしており、この胴体部２１Ｂには、胴体部２１Ｂの厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１Ｂが形成されている。この貫通孔２１１Ｂの壁面の窓部２２側の端部には、貫通孔２１１Ｂの幅が拡がるように、周方向の全域にわたって段差部２１２が設けられている。

この段差部２１２は、窓部２２とともに凹部を構成している。この凹部内には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている。このようにアルカリ金属Ｍを外側に退避するように配置することにより、励起光の通過領域を大きくすることができる。

以上のように構成された原子セル２Ｂにおいて、段差部２１２および窓部２２で構成された凹部は、窓部２２と胴体部２１Ｂとの接続部に設けられていてアルカリ金属Ｍが配置されている凹状の「収納部」を構成している。これにより、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを窓部２２の外周部に安定的に配置することができる。

また、段差部２１２および窓部２２で構成された凹部が窓部２２と胴体部２１Ｂとの接続部に沿って延びているため、内部空間Ｓに配置される液体状または固体状のアルカリ金属Ｍの量が多くても、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを窓部２２の外周部に安定的に配置することができる。

特に、段差部２１２が胴体部２１Ｂに設けられているため、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを光通過領域から遠ざけることができる。

＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。

図１１（ａ）は、本発明の第４実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。

本実施形態は、胴体部および一方の窓部の構成および液体状または固体状のアルカリ金属の配置が異なる以外は、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、第４実施形態に関し、前述した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に示す原子セル２Ｃは、胴体部２１Ｃと、胴体部２１Ｃを挟んで設けられた１対の窓部２２Ｃ、２３とを有している。

胴体部２１Ｃは、上下方向を厚さ方向とする板状をなしており、この胴体部２１Ｃには、胴体部２１Ｃの厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１Ｃが形成されている。この貫通孔２１１Ｃの壁面の窓部２２Ｃ側の端部には、貫通孔２１１Ｃの幅が拡がるように、周方向の全域にわたって段差部２１２Ｃが設けられている。

また、窓部２２Ｃの胴体部２１Ｃ側の面には、胴体部２１Ｃの貫通孔２１１Ｃの壁面に沿って環状の凹部２２１Ｃ（溝）が形成されている。窓部２２Ｃの厚さ方向からみたとき、図１１に示すように、凹部２２１Ｃの内周縁および外周縁は、それぞれ、貫通孔２１１Ｃの壁面よりも外側に位置している。

このような凹部２２１Ｃは、前述した段差部２１２Ｃとともに凹部を構成している。この凹部内には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている。このようにアルカリ金属Ｍを外側に退避するように配置することにより、励起光の通過領域を大きくすることができる。

特に、本実施形態では、アルカリ金属Ｍは、凹部２２１Ｃ内に配置されている。これにより、凹部２２１Ｃによる段差によりアルカリ金属Ｍが窓部２２Ｃの中央部側へ移動するのを阻止することができる。しかも、前述したように、窓部２２Ｃの厚さ方向からみたとき凹部２２１Ｃの内周縁および外周縁がそれぞれ貫通孔２１１の壁面よりも外側に位置しているので、凹部２２１Ｃ内にアルカリ金属Ｍを配置することにより、励起光の通過領域を大きくすることができる。

以上のように構成された原子セル２Ｃにおいて、段差部２１２Ｃおよび凹部２２１Ｃで構成された凹部は、窓部２２Ｃと胴体部２１Ｃとの接続部に設けられていてアルカリ金属Ｍが配置されている凹状の「収納部」を構成している。これにより、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを窓部２２Ｃの外周部に安定的に配置することができる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について説明する。

図１２（ａ）は、本発明の第５実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。

本実施形態は、胴体部および一方の窓部の構成および液体状または固体状のアルカリ金属の配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。また、本実施形態は、胴体部の段差部および窓部の凹部の形成範囲が異なる以外は、前述した第４実施形態と同様である。

なお、以下の説明では、第５実施形態に関し、前述した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に示す原子セル２Ｄは、胴体部２１Ｄと、胴体部２１Ｄを挟んで設けられた１対の窓部２２Ｄ、２３とを有している。

胴体部２１Ｄは、上下方向を厚さ方向とする板状をなしており、この胴体部２１Ｄには、胴体部２１Ｄの厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１Ｄが形成されている。この貫通孔２１１Ｄの壁面の窓部２２Ｄ側の端部には、貫通孔２１１Ｄの幅が拡がるように、周方向の一部に段差部２１２Ｄが設けられている。

また、窓部２２Ｄの胴体部２１Ｄ側の面には、段差部２１２Ｄに対応して凹部２２１Ｄ（溝）が形成されている。

このような凹部２２１Ｄは、前述した段差部２１２Ｄとともに凹部を構成している。この凹部内には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている。このように、アルカリ金属Ｍを配置するための凹部を貫通孔２１１Ｄの周方向での一部に設けることによって、原子セル２Ｄの小型化を図ったり、胴体部２１Ｄと窓部２２Ｄとの接合面積を大きくして信頼性を高めたりすることができる。

＜第６実施形態＞
次に、本発明の第６実施形態について説明する。

図１３（ａ）は、本発明の第６実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。

本実施形態は、胴体部および一方の窓部の構成および液体状または固体状のアルカリ金属の配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。また、本実施形態は、内部空間の横断面形状が異なる以外は、前述した第５実施形態と同様である。

なお、以下の説明では、第６実施形態に関し、前述した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１３に示す原子セル２Ｅは、胴体部２１Ｅと、胴体部２１Ｅを挟んで設けられた１対の窓部２２Ｅ、２３とを有している。

胴体部２１Ｅは、上下方向を厚さ方向とする板状をなしており、この胴体部２１Ｅには、胴体部２１Ｅの厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１Ｅが形成されている。この貫通孔２１１Ｅの横断面形状は、四角形である。そして、この貫通孔２１１Ｅの壁面の窓部２２Ｅ側の端部には、貫通孔２１１Ｅの幅が拡がるように、上記四角形の１つの角部に対応する位置に段差部２１２Ｅが設けられている。

また、窓部２２Ｅの胴体部２１Ｅ側の面には、段差部２１２Ｅに対応して凹部２２１Ｅ（溝）が形成されている。

このような凹部２２１Ｅは、前述した段差部２１２Ｅとともに凹部を構成している。この凹部内には、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが配置されている。このように、アルカリ金属Ｍを配置するための凹部を貫通孔２１１Ｅの周方向での一部に設けることによって、原子セル２Ｅの小型化を図ったり、胴体部２１Ｅと窓部２２Ｅとの接合面積を大きくして信頼性を高めたりすることができる。特に、本実施形態では、横断面形状が四角形である貫通孔２１１Ｅの角部に対応してアルカリ金属Ｍが配置されているため、アルカリ金属Ｍが励起光の通過領域における気体状のアルカリ金属に悪影響を与えることを低減することができる。

以上のように構成された原子セル２Ｅを製造するに際しては、調整工程において、アルカリ金属Ｍが貫通孔２１１Ｅによる凹部の底部の角部に配置されるように調整を行う。これにより、得られる原子セル２Ｅにおいて、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを光通過領域から遠ざけることができる。

＜第７実施形態＞
次に、本発明の第７実施形態について説明する。

図１４（ａ）は、本発明の第７実施形態に係る原子発振器が備える原子セルの縦断面図、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）中のＡ−Ａ線断面図（横断面図）である。

本実施形態は、内部空間の形状および液体状または固体状のアルカリ金属の配置が異なる以外は、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、第７実施形態に関し、前述した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に示す原子セル２Ｆは、胴体部２１Ｆと、胴体部２１Ｆを挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。

胴体部２１Ｆは、上下方向を厚さ方向とする板状をなしており、この胴体部２１Ｆには、胴体部２１Ｆの厚さ方向（上下方向）に貫通している貫通孔２１１Ｆが形成されている。この貫通孔２１１Ｆの横断面形状は、四角形である。

このような貫通孔２１１Ｆを１対の窓部２２、２３により封鎖して形成された内部空間Ｓには、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている。このアルカリ金属Ｍは、貫通孔２１１Ｆの角部に対応して窓部２２の外周部上に配置されている。これにより、アルカリ金属Ｍが励起光の通過領域における気体状のアルカリ金属に悪影響を与えることを低減することができる。

２．電子機器
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。

以下、本発明の電子機器について説明する。
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。

図１５に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。

基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。

ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。

ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。

３．移動体
図１６は、本発明の移動体の一例を示す図である。

この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。

なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、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、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。

以上、本発明の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、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の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、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる量子干渉装置に本発明の原子セルを用いた場合を例として説明したが、本発明の原子セルは、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる二重共鳴装置にも用いることができる。

１‥‥原子発振器
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 (11)

1. 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、
   を含み、
   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を特徴とする原子セルの製造方法。
2. 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、
   を含み、
   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１に記載の原子セルの製造方法。
3. 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２に記載の原子セルの製造方法。
4. 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２に記載の原子セルの製造方法。
5. 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４のいずれか１項に記載の原子セルの製造方法。
6. 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、
   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と、
   を備え、
   前記収納部は、前記接続部に沿って延びていることを特徴とする原子セル。
7. 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、
   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と、
   を備え、
   前記収納部は、前記窓部に設けられている凹部と、前記胴体部に設けられている段差部との少なくとも一方を含んで構成されていることを特徴とする原子セル。
8. 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、
   前記金属原子は、前記窓部の中央部側から外周部側に向けて連続的に厚さが厚くなるように配置されていることを特徴とする原子セル。
9. 請求項６ないし８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。
10. 請求項６ないし８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。
11. 請求項６ないし８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。

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