JP6741072B2 - 原子発振器および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、原子発振器および原子発振器を備える電子機器に関する。

原子発振器は、ルビジウム、セシウム等の原子を気密封入したガスセルに２種類の波長の異なるレーザ光を照射することで、量子干渉効果（Coherent Population Trapping（ＣＰＴ））を利用して共鳴周波数を得ることができる。ガスセル中の原子はレーザ光を吸収し、２種類の光の周波数差に応じて光吸収特性（透過率）が変化することが知られている。特に、原子発振器は、２種類の光のいずれも吸収されずに透過する現象（Electromagnetically Induced Transparency（ＥＩＴ））を利用して、原子に吸収されず透過する透過光スペクトルをＥＩＴ信号として検出している。具体的な原子発振器の構成については、例えば特許文献１（特開２００９−１６４３３１号公報）に開示されている。

特開２００９−１６４３３１号公報

検出されるＥＩＴ信号は、特定の周波数においてローレンツ関数的な信号となり、線幅が細いほど良好な信号であり、精度の高い原子発振器となる。しかし、ガスセルに入射される光の強度によりＥＩＴ信号が影響を受けることが知られており、従来の原子発振器では、当該影響によりＥＩＴ信号の線幅が太くなってしまう問題があった。

具体的に、原子発振器の信号源として用いられる水晶発振器は温度などの環境変化により発振する周波数が変動するが、当該変動を補正するために原子発振器の量子部におけるＥＩＴ信号を利用している。原子発振器は、水晶発振器で発振する周波数を検知して補正しているが、ＥＩＴ信号の線幅が太いと大きな周波数変動が生じないと補正が行われず、精度の高い発振器を実現することができない。

そこで、本発明の目的は、得られるＥＩＴ信号の線幅がより細く、精度の高い原子発振器および原子発振器を備える電子機器を提供する。

本発明の一形態に係る原子発振器は、光源と、アルカリ金属原子が封入された内部空間を有するガスセルと、光源から出射され、ガスセルを透過した光を検出する光検出部とを備え、光源に対するガスセルの遠方端において、光源の照射領域が内部空間の断面積より広く、光源に対するガスセルの近方端において光源から出射された光の一部をガスセルに入射させ、ガスセルの入射側での光のスポット径が、ガスセルの内径よりも１．５倍以上である。

本発明の一形態に係る電子機器は、上記に記載の原子発振器を備える。

本発明によれば、光源に対するガスセルの遠方端において、光源の照射領域が内部空間の断面積より広くなるように、または光源に対する近方端において光源から出射された光の一部をガスセルに入射させるようにすることで、線幅がより細いＥＩＴ信号が得られ、精度を向上させることができる。

本発明の実施の形態１に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態１に係る原子発振器の機能を説明するためのブロック図である。 光源のスポット径に対する相対的光強度と位置との関係を説明するための図である。 光源のスポット径とＥＩＴ信号の線幅との関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態１の変形例に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態１の変形例に係る内部空間の形状と光源のスポット径との関係を説明するための概略図である。 アライメントずれ量とＥＩＴ信号の線幅との関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態３に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態３に係る原子発振器の装置構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３に係る原子発振器の別の装置構成を説明するための断面図である。 本発明の実施の形態３に係る原子発振器の変形例の構成を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態４に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。 原子発振器の構成による光強度の密度の違いを説明するための概略図である。 本発明の実施の形態５に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。

以下に、本発明の実施の形態に係る原子発振器について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

（実施の形態１）
以下に、本発明の実施の形態１に係る原子発振器について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態１に係る原子発振器１００の構成を説明するための概略図である。図１では、原子発振器１００の構成のうち、光源から光検出器までは量子部について図示してある。原子発振器は、量子部以外に、後述する光源波長制御回路および周波数制御回路の構成（図２参照）や、特に図示していないが信号源となる水晶発振器および量子部からの出力信号を水晶発振器にフィードバックするフィードバック回路などの構成を含んでいる。本願明細書では、説明を簡単にするために原子発振器の量子部について説明する。また、以下の記載において、原子発振器の量子部を単に原子発振器と記載する場合がある。

図１に示す原子発振器１００は、光源１、ガスセル２、光検出器３、波長板４およびＮＤ（Neutral Density）フィルタ５で構成されている。原子発振器１００は、光源１からの光１Ａを波長板４およびＮＤフィルタ５を介してガスセル２に入射し、ガスセル２を透過した光を光検出器３で検出してＥＩＴ信号を得ている。

図２は、本発明の実施の形態１に係る原子発振器１００の機能を説明するためのブロック図である。図２に示す原子発振器１００では、図１に示した原子発振器１００の量子部の構成以外に、駆動するために必要な温度コントロール回路６，９、光源波長制御回路７、および周波数制御回路８も図示している。

さらに、図１および図２に示した原子発振器１００の構成要素について詳しく説明する。光源１は、例えばシングルモードのＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を用いる。具体的には、光の波長が８９４．６ｎｍのＣｓ−Ｄ１線のＶＣＳＥＬを光源１に用いる。なお、光源１には、光の波長が８５２．３ｎｍのＣｓ−Ｄ２線のＶＣＳＥＬ、７９５．０ｎｍのＲｂ−Ｄ１線のＶＣＳＥＬ、７８０．２ｎｍのＲｂ−Ｄ２線のＶＣＳＥＬなどを用いてもよい。また、光源１は、ＶＣＳＥＬに限定されずＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザやＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザなどを用いてもよい。

光源１にＶＣＳＥＬを用いる場合、ＶＣＳＥＬの個体差により光の波長がばらつくため、温度コントロール回路６を用いて８９４．６ｎｍの波長の光が出力できるように調整している。温度コントロール回路６は、光源１の近傍に設けたサーミスタや熱電対で測定した温度に基づき、光源１に設けたヒータで温度を調節する。なお、ＶＣＳＥＬから出力される光の波長を制御する方法として、温度を調整する以外に動作電流を調整する方法もある。

光源１からの光は、ガスセル２に入射されるまでに、波長板４およびＮＤフィルタ５を通過する。波長板４は、光源１からの光の偏光を変えるために用いる。光源１から出た光は、一般的に直線偏光である。直線偏光を用いたＥＩＴ信号は、外部磁場により大きく変動するエネルギー準位を使用するため周波数変動が生じやすい。そのため、通常、原子発振器では、外部磁場による周波数変動の小さい準位を用いるため、波長板４を用いて光源１からの直線偏光の光を波長板４で円偏光の光に変えてガスセル２に入射している。なお、波長板４で変換した円偏光は、右回り円偏光でも左回り円偏光でもよい。

ＮＤフィルタ５は、光源１からの光の強度を減衰させるための光学部品である。原子発振器では、ガスセルに入射する光の強度が強すぎるとＥＩＴ信号の線幅が太くなるパワーブロードニング効果が知られている。そのため、光源１に数ｍＷ以下のＶＣＳＥＬを用いる場合でも、良好なＥＩＴ信号（ＥＩＴ信号の線幅が細い）を得るために透過率３０％以下程度のＮＤフィルタ５を用いる。なお、ＮＤフィルタ５でガスセル２に入射する光の強度を減衰させすぎるとＥＩＴ信号自体が観測できなくなるので、ＥＩＴ信号の検出限界を踏まえて最適のＮＤ値を設定する必要がある。ＮＤフィルタ５には、ガラス基板に金属膜を蒸着し光を反射する反射型や素材自体が光を吸収する吸収型がある。

ガスセル２は、Ｋ，Ｎａ，Ｃｓ，Ｒｂなどのアルカリ金属ガス（原子）を気密封入した密封容器である。ガスセル２は、光源１に対する近方端に光を入射する入射窓（入射側）と、遠方端に光を出射する出射窓（出射側）と、入射窓と出射窓とを保持する側壁（側面）とで構成されている。原子発振器のガスセルでは、Ｃｓ，Ｒｂのアルカリ金属ガスが気密封入されている。ガスセル２のサイズが１０ｍｍ以下の場合、内部空間２ａ内のアルカリ金属ガスを増やすため、ヒータ等を温度コントロール回路９で調節してガスセル２を温めている。例えば、原子発振器に用いるガスセルであれば、使用温度として３０℃〜１２５℃程度である。温度コントロール回路９は、ガスセル２の近傍に設けたサーミスタや熱電対で測定した温度に基づき、ガスセル２に設けたヒータで温度を調節する。

ガスセル２で必要とされるアルカリ金属ガスの量は、飽和蒸気圧の量である。しかし、アルカリ金属ガスはガスセル２の容器と反応する等により徐々に消費されるため、ガスセル２には飽和蒸気圧の量よりも多くのアルカリ金属ガスが封入されている。具体的に、一辺の長さが数ｍｍ程度のガスセルであれば数μｇ程度のアルカリ金属がガスセル２に封入してある。なお、飽和蒸気圧の量よりも多く封入したアルカリ金属は固体または液体の状態で内部空間２ａ内に留まることになる。

ガスセル２は、光源１からの光を入射するため、少なくとも光経路上において透明であることが必要である。そのため、ガスセル２の入出射窓には、石英ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラスなどのガラスが用いられる。なお、ガスセル２の側面には、ガラスやガラスと陽極接合が可能なＳｉが用いられる。

ガスセル２の容器サイズは、光軸方向および光軸に対して垂直方向のいずれの方向においても大きい方が良好なＥＩＴ信号を得ることができる。これは、ガスセル２内でアルカリ金属ガスに光が当たる領域が広くなり、アルカリ金属ガスに光が当たる時間が長くなるためである。ただし、小型の原子発振器が望まれており、ガスセルの容器サイズは、一辺の長さが１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。

ガスセル２には、アルカリ金属ガス以外にバッファガスが封入されている。ガスセル内にアルカリ金属ガスのみであると、容器壁面にアルカリ金属原子が短時間で衝突して観測する時間が短くなる問題があった。そこで、観測する時間を延ばすためにバッファガスと呼ばれる不活性ガスをアルカリ金属ガスと共にガスセル内に封入する。これにより、アルカリ金属ガスがバッファガスと衝突することで移動速度を低減して容器壁面に衝突するまでの時間を長くして、観測する時間を延ばしている。封入する不活性ガスは、Ｈｅ，Ｎ_２，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅがある。ガスセルには、３００Ｔｏｒｒ以下程度の不活性ガスを封入する。なお、バッファガスの温度特性によるＥＩＴ信号への影響を抑えるため、温度特性の異なる不活性ガスを同時に封入する。例えば、ガスセルにマイナスの温度特性を持つＡｒとプラスの温度特性を持つＮ_２とを同時に封入する。

ガスセル２では、アルカリ金属ガスとしてＣｓ、バッファガスとしてＡｒとＮｅとの混合ガス（ＡｒとＮｅとの比率は７：３で合計圧力７５Ｔｏｒｒ）を封入している。また、ガスセル２の動作温度は７０℃で、ガスセル２の容器サイズは光軸方向の長さが２ｍｍである。

ガスセル２に外部磁場が加わるとアルカリ金属のエネルギー準位がゼーマン分裂し、複数のＥＩＴ信号が得られることが知られている。そこで、ガスセル２は、外部磁場の影響を低減するために、磁気シールド２ｂおよびバイアス磁場２ｃを加える構成を採用している。磁気シールド２ｂは、電磁軟鉄、珪素鋼、パーマロイ、アモルファス等の磁性材料が用いられる。バイアス磁場２ｃは、３軸のヘルムホルツコイル（図示せず）を用いて光軸方向に加えている。なお、ガスセル２にバイアス磁場２ｃを印加する構成は、ヘルムホルツコイルに限定されない。

光検出器３には、ＰＤ（photo diode）を用いている。ＰＤは、光を電流に変換する素子で、例えば近赤外波長に吸収帯を持つＳｉのＰＩＮフォトダイオードである。ＰＩＮフォトダイオードは、逆バイアス電圧を印加することで高速な応答が可能となるが、原子発振器に用いる場合は特に高速な応答を必要としないため逆バイアス電圧は印加していない。

光検出器３は、ＰＤで得た信号からＥＩＴ信号のピーク位置と吸収線のピーク位置を検出する。良好なＥＩＴ信号を得るためには吸収線のピーク位置でＣＰＴを生じさせる必要があり、吸収線のピーク位置が光源１からの光の波長に相当する。

光源波長制御回路７は、光源１からの光の波長を制御している。具体的に、光源波長制御回路７は、光検出器３で得た吸収線のピーク位置に応じてＤＣ電源（図示せず）の電流（または電圧）を補正して、吸収線のピーク位置で光源１からの光の波長が安定するように制御している。

周波数制御回路８は、光検出器３から得た信号に応じて光源１の駆動電流に重畳させるＲＦ信号を生成し、ガスセル２内がＣＰＴ状態となるようにＲＦ信号の周波数を制御している。具体的に、周波数制御回路８は、光源１に入力する４．５９６３１５８８５ｋＨｚのＲＦ信号を、温度補償水晶発振器（ＴＣＸＯ）の信号（１０ＭＨｚ）を基に電圧制御発振器（ＶＣＯ）および位相同期回路（ＰＬＬ）を用いて生成している。なお、周波数制御回路８は、ＥＩＴ信号のピーク位置および吸収線のピーク位置を光検出器３で検出できるように、ＲＦ信号の周波数を変調（例えば、１０ｋＨｚ）して光源１からの光の波長を掃引している。

本実施の形態１に係る原子発振器１００では、前述した構成のうち光源１とガスセル２との位置関係を見直してガスセル２に入射する光源１からの光の強度が均一になるように構成している。

光源１に用いるＶＣＳＥＬのようなレーザ光では、光の強度が中心部に近づくほど強くなり、光軸に対して垂直な方向において光の強度がガウス分布となっている。そのため、光源１は、スポット径（照射領域）を大きくするほど光源１の中心部から一定の距離（例えば、中心部から１ｍｍ）にある周辺部における光の強度差が小さくなる特性を有している。当該特性を利用して、本実施の形態１に係る原子発振器１００では、ガスセル２に入射する光源１のスポット径を大きくして光の強度の均一化を図っている。

ここで、ガスセル２に入射する光の強度が均一でない場合、ＥＩＴ信号の線幅が太くなる理由について説明する。まず、パワーブロードニングが理由の一つと考えられる。パワーブロードニングは、Ｃｓ等のアルカリ金属ガスに入射する光の強度密度が大きいほどＥＩＴ信号の線幅が太くなる現象である。そのため、光の強度が均一でない場合、光の強度密度が大きい領域においてパワーブロードニングが生じてＥＩＴ信号の線幅が太くなり、全体の領域におけるＥＩＴ信号の線幅に影響を与える。

次に、ライトシフトが理由の一つと考えられる。ライトシフトは、アルカリ金属ガスに光が入射した場合、当該光の影響でアルカリ金属ガスが持つ固有のエネルギー準位が変化する現象である。ライトシフトによるエネルギー準位の変化量は、光の強度によって異なる。そのため、光の強度が均一でない場合、光の強度が強い領域と、光の強度が弱い領域とでライトシフトによるエネルギー準位の変化量が異なり、ＥＩＴ信号の線幅に影響を与える。

具体的に、本実施の形態１に係る原子発振器１００では、光の強度の均一化を図るために、ガスセル２の容器サイズに対する光源１のスポット径の大きさを見直している。図１に示す原子発振器１００では、ガスセル２の内径Ｒ１が２ｍｍ、ガスセル２の幅Ｒ２が４ｍｍである場合に、ガスセル２の入射側での光源１のスポット径Ｗ１が４ｍｍより大きくなっている。つまり、ガスセル２の入射側での光源１のスポット径Ｗ１は、ガスセル２の内径Ｒ１およびガスセル２の幅Ｒ２よりも大きい。なお、ガスセル２の断面形状は正方形であり、その外形の一辺の長さがガスセル２の幅Ｒ２である。光源１のスポット径は光軸方向に広がるため、ガスセル２の出射側での光源１のスポット径Ｗ２は、スポット径Ｗ１よりさらに大きくなっている。

ここで、光源１のスポット径と光の強度との関係についてさらに説明する。図３は、光源１のスポット径に対する相対的光強度と位置との関係を説明するための図である。図３には、光源１のスポット径が２ｍｍの場合のグラフＡ、光源１のスポット径が３ｍｍの場合のグラフＢ、光源１のスポット径が４ｍｍの場合のグラフＣがそれぞれ図示されている。グラフＡの場合、光源１の中心部（位置０．０ｍｍ）で相対的光強度が１．０であるのに対して、光源１の周辺部（位置±１．０ｍｍ）で相対的光強度が約０．１と大幅に変化している。しかし、グラフＢの場合、光源１の中心部（位置０．０ｍｍ）で相対的光強度が約０．２５であるのに対して、光源１の周辺部（位置±１．０ｍｍ）で相対的光強度が約０．１５と変化が小さい。また、グラフＣの場合、光源１の中心部（位置０．０ｍｍ）で相対的光強度が約０．１であるのに対して、光源１の周辺部（位置±１．０ｍｍ）で相対的光強度が約０．１とさらに変化が小さい。

そのため、原子発振器１００は、ガスセル２の入射側での光のスポット径を大きくすることでガスセル２内での光の強度を均一化して良好なＥＩＴ信号を得ることができる。具体的に、図４は、光源１のスポット径とＥＩＴ信号の線幅との関係を説明するための図である。図４には、光源１のスポット径が２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍにおいてＥＩＴ信号の線幅を測定した結果が示されている。なお、図４の測定では、ガスセル２に形成された内部空間２ａに照射される光源１からの光量が、スポット径を２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍと変化させても同じになるように調整してある。光源１のスポット径が２ｍｍの場合、ＥＩＴ信号の線幅が約１ｋＨｚであるのに対して、光源１のスポット径が３ｍｍの場合、ＥＩＴ信号の線幅が約０．７ｋＨｚと細くなっている。また、光源１のスポット径が４ｍｍの場合、ＥＩＴ信号の線幅が約０．７ｋＨｚと細くなっている。従って、光源１のスポット径は、ガスセル２の内部空間２ａの内径Ｒ１よりも１．５倍以上にすることが好ましい。

原子発振器１００では、ガスセル２の入射側での光源１のスポット径を大きくするために、光源１とガスセル２との間の距離を変えることで調整している。なお、光源１のスポット径は、ピークの光強度に対して１／ｅ^２の光強度となる範囲とする一般的な定義を用いている。

図１に示した原子発振器１００では、ガスセル２の入射側での光源１のスポット径Ｗ１がガスセル２の幅Ｒ２より大きくなる例を示しているが、これに限定されない。原子発振器は、少なくともガスセルの出射側での光源のスポット径がガスセルの幅より大きくなればよく、ガスセルの入射側で光源のスポット径がガスセルの幅より小さくてもよい。具体的に、図５は、本発明の実施の形態１の変形例に係る原子発振器１００ａの構成を説明するための概略図である。原子発振器１００ａでは、ガスセル２の出射側での光源１のスポット径Ｗ４がガスセル２の幅Ｒ２より大きくなる。しかし、原子発振器１００ａでは、ガスセル２の入射側での光源１のスポット径Ｗ３がガスセル２の幅Ｒ２より小さくなっている。なお、ガスセル２の容器には厚みが有り、ガスセル２に形成された内部空間２ａのサイズは容器サイズより小さい。つまり、ガスセル２の幅Ｒ２に対してガスセル２の内径Ｒ１は小さい。そのため、厳密に規定するならば、原子発振器１００ａは、ガスセル２の出射側での光源１のスポット径Ｗ４がガスセル２の内径Ｒ１より大きければよい。なお、内部空間２ａは、直方体のガスセル２の内側に円柱状に形成されており、内部空間２ａの断面形状は内径Ｒ１の円形である。

以上のように、本実施の形態１に係る原子発振器１００，１００ａでは、少なくともガスセル２の出射側での光源１のスポット径Ｗ２，Ｗ４がガスセル２の内径Ｒ１より大きければ、良好なＥＩＴ信号を得ることができる。つまり、原子発振器１００，１００ａは、光源１に対するガスセル２の遠方端（ガスセル２の出射側）において、光源１の照射領域（光源１のスポット径Ｗ２，Ｗ４に基づく面積）が内部空間２ａの断面積（内径Ｒ１に基づく面積）より広い。そのため、本実施の形態１に係る原子発振器１００，１００ａでは、得られるＥＩＴ信号の線幅がより細く、精度の高い原子発振器となる。

図１および図５に示すように、原子発振器１００，１００ａでは、光源１に対する近方端（ガスセル２の入射側）において光源１から出射された光の一部のみをガスセル２に入射させている。すなわち、ガスセル２は、光源１から出射された光において中央部を入射させているが、周辺部を入射させていない。本来、光源１からの光を有効に利用するのであれば、ガスセル２の入射側においてガスセル２の内径Ｒ１よりも光源１のスポット径を小さくする必要がある。しかし、本実施の形態１に係る原子発振器１００，１００ａでは、光の強度を均一化させるために光を有効に利用せず、あえて光源１から出射された光の一部のみをガスセル２に入射させている。そのため、原子発振器１００，１００ａでは、ＥＩＴ信号の線幅が細くなり、良好なＥＩＴ信号を得ることができる。

なお、ガスセル２の形状が幅Ｒ２の直方体で、内部空間２ａの形状が内径Ｒ１の円柱状であると説明したが、これに限定されない。例えば、ガスセル２の形状が円柱状であっても、内部空間２ａの形状が直方体であってもよい。原子発振器１００，１００ａは、内部空間２ａの形状が直方体の場合であっても、光源１に対するガスセル２の遠方端（ガスセル２の出射側）において、光源１の照射領域が内部空間２ａの断面積より広ければよい。ここで、内部空間２ａの形状が直方体とした場合に、一部に光が入射しない部分があってもよい。具体的に、図６は、本発明の実施の形態１の変形例に係る内部空間２ａの形状と光源１のスポット径との関係を説明するための概略図である。図６（ａ）では、内部空間２ａの形状が円柱状とした場合の内部空間２ａの断面と光源１のスポット１ａとの関係を示しており、光源１のスポット１ａが内部空間２ａの断面を全て覆っている。一方、図６（ｂ）では、内部空間２ａの形状が直方体とした場合の内部空間２ａの断面と光源１のスポット１ａとの関係を示しており、光源１のスポット１ａが内部空間２ａの断面を全て覆うことができず一部に光が入射しない部分が残っている。しかし、光源１のスポット１ａの面積（光源１の照射領域）は、内部空間２ａの断面積より広くなっている。

（実施の形態２）
図３で示したように、光源１のスポット径が小さいと光源１の中心部から少しずれても光の強度が大きく変化するが、光源１のスポット径を大きくすると光源１の中心部から少しずれても光の強度の変化が小さい。このことは、原子発振器において、光源の光軸がガスセルの中心軸からずれてもガスセルに入射される光の強度が変化しないことを意味しており、光軸のずれ（アライメントずれ）に対する耐性が大きくなることを示している。

図７は、アライメントずれ量とＥＩＴ信号の線幅との関係を説明するための図である。図７には、光源１のスポット径が２ｍｍの場合のアライメントずれ量とＥＩＴ信号の線幅との変化を測定した結果を点Ａで示している。同様に、図７には、光源１のスポット径が３ｍｍ、４ｍｍの場合のアライメントずれ量とＥＩＴ信号の線幅との変化を測定した結果を点Ｂ、点Ｃでそれぞれ示している。具体的に、光源１のスポット径が２ｍｍの場合（点Ａ）、光源の光軸がガスセルの中心軸と一致しているとき（アライメントずれ量０ｍｍ）にＥＩＴ信号の線幅が約１ｋＨｚである。しかし、アライメントずれ量が−１ｍｍのときＥＩＴ信号の線幅が約１．０８ｋＨｚに、アライメントずれ量が１ｍｍのときＥＩＴ信号の線幅が約１．１２ｋＨｚに、それぞれ大きく変化している。一方、光源１のスポット径が３ｍｍの場合（点Ｂ）、アライメントずれ量０ｍｍのときも±１ｍｍのときもＥＩＴ信号の線幅が約０．７ｋＨｚとほぼ一定である。同様に、光源１のスポット径が４ｍｍの場合（点Ｃ）、アライメントずれ量０ｍｍのときも±１ｍｍのときもＥＩＴ信号の線幅が約０．７ｋＨｚとほぼ一定である。なお、アライメントずれ量±２ｍｍのとき、ＥＩＴ信号の線幅への影響が最も小さいのが光源１のスポット径が４ｍｍの場合（点Ｃ）である。

前述のように、ガスセルに光源からの光を均一化して入射することで、アライメントずれに対する耐性が大きくなることを利用して、原子発振器において、あえて光源の光軸をガスセルの中心軸からずらした構成を採用してもよい。図８は、本発明の実施の形態２に係る原子発振器１００ｂの構成を説明するための概略図である。原子発振器１００ｂは、光源１の光軸１Ｂがガスセル２の中心軸からずれた構成である。なお、原子発振器１００ｂにおいて、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器１００ｂでは、光源１の光軸１Ｂとガスセル２の中心軸とのズレ量をＤとしている。ズレ量Ｄが１ｍｍの場合であっても、原子発振器１００ｂでは、少なくともガスセル２の出射側での光源１のスポット径をガスセル２の内径より大きくしていれば、図７で示したように良好なＥＩＴ信号を得ることができる。

（実施の形態３）
実施の形態１に係る原子発振器１００，１００ａでは、光源１に対する近方端（ガスセル２の入射側）において光源１から出射された光の一部をガスセル２に入射させている。そのため、光源１から出射された光のうちガスセル２の内部空間２ａに入射しない光が存在し、当該光が光検出器３で検出される可能性がある。光検出器３で検出された当該光は、ＥＩＴ信号のノイズ成分となる。そこで、内部空間に入射しない光を光検出器で検出しない構成の原子発振器について説明する。図９は、本発明の実施の形態３に係る原子発振器１００ｃの構成を説明するための概略図である。なお、原子発振器１００ｃにおいて、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器１００ｃでは、ガスセル２の側壁（側面）に遮光部２ｄを設けた。遮光部２ｄは、内部空間２ａに入射しない光をガスセル２の外側へ透過させないことで、光検出器３に至る光路を遮断している。なお、遮光部２ｄは、光を吸収する部材、光を反射する部材のどちらでもよい。具体的に、遮光部２ｄの部材として、例えばＳｉや金属膜などが考えられる。

例えば、Ｓｉを遮光部２ｄの部材として用いた場合、光の波長が８９４ｎｍのとき吸収係数αが３００〜４００ｃｍ^−１である。ここで、吸収係数αを用いて、遮光部２ｄに入射した光（光の強度Ｉ０）が遮光部２ｄの中をｘｃｍ進んだときの光の強度Ｉ（ｘ）を、Ｉ（ｘ）＝Ｉ０ｅｘｐ（−αｘ）と表すことができる。遮光部２ｄは、設計上９０％以上の吸収量が望ましく、遮光部２ｄの厚みを１ｍｍとした場合少なくとも吸収係数αが２３ｃｍ^−１以上であればよい。

次に、原子発振器１００ｃを具体的な装置として構成した場合について説明する。図１０は、本発明の実施の形態３に係る原子発振器の装置構成を説明するための断面図である。なお、図１０に示す原子発振器１００ｃにおいて、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。まず、原子発振器１００ｃは、プリント基板１ｂに設けた光源１を回路基板１０の上に載せ、図中上向きに光を照射してガスセル２に光を入射させる構成である。プリント基板１ｂは、光源１としてＶＣＳＥＬを実装してあり、当該ＶＣＳＥＬの温度を調節するためのヒータ６ａとサーミスタ６ｂとを接続するための配線パターンが形成してある。ヒータ６ａおよびサーミスタ６ｂは、温度コントロール回路６に接続されている。

光を上向きに照射してガスセル２に光を入射させる構成であるため、ガスセル２は、スペーサ１１を介して光源１の上側に設けられている。スペーサ１１は、ガスセル２を保持し光源１との光軸位置、距離を一定にする機能を有している。そのため、光源１のスポット径は、スペーサ１１の高さにより調整することができる。

ガスセル２の出射側には、プリント基板３ａに設けた光検出器３が配置されている。プリント基板３ａは、光検出器３としてＰＤを実装してあり、ガスセル２の温度を調節するためのヒータ９ａとサーミスタ９ｂとを接続するための配線パターンが形成してある。ヒータ９ａおよびサーミスタ９ｂは、温度コントロール回路９に接続されている。

原子発振器１００ｃは、光源１、ガスセル２および光検出器３などをセラミック部材１２で１つにパッケージされている。セラミック部材１２は、プリント基板１ｂ，３ａと導通しており、回路基板１０の配線と接続してある。プリント基板３ａと回路基板１０とは、ワイヤ配線３ｂを介して接続されている。セラミック部材１２でパッケージした内部は、ヒータ６ａ，９ａの効率を高めるために真空封止してもよい。

次に、図１０に示した原子発振器１００ｃにおいて、遮光部２ｄがどのように機能しているかについて説明する。説明を分かりやすくするために、遮光部２ｄを設けない別の装置構成を図示する。図１１は、本発明の実施の形態３に係る原子発振器１００ｃの別の装置構成を説明するための断面図である。図１１に示す原子発振器１００ｄは、ガスセル２が遮光部２ｄを有していない以外、同じ構成である。

まず、原子発振器１００ｄは、光源１から出射した光がガスセル２の内部空間２ａを透過し光検出器３に至る光路１ＣによりＥＩＴ信号を得ることができる。しかし、原子発振器１００ｄでは、遮光部２ｄを有していないため、光源１から出射した光がセラミック部材１２で反射してガスセル２の側面から入射し、ガスセル２の内部空間２ａを透過し光検出器３に至る光路１Ｄが存在する。光路１Ｄのようにガスセル２の内部空間２ａを上手く透過しないで光検出器３で検出される光は、ＥＩＴ信号のノイズ成分となり、原子発振器１００ｄは、良好なＥＩＴ信号を得ることができない。そこで、図１０に示した原子発振器１００ｃは、ガスセル２に遮光部２ｄを設けることで光路１Ｄのような光が光検出器３で検出されないようにして、良好なＥＩＴ信号を得ている。

また、原子発振器１００ｄは、遮光部２ｄを有していないため、光源１から出射した光がガスセル２の側面を通過しサーミスタ９ｂに至る光路１Ｅが存在する。原子発振器１００ｄでは、図１１に示すようにガスセル２付近に温度をセンシングのためのサーミスタ９ｂが配置されており、当該サーミスタ９ｂに不要な光が当たると正確な温度測定ができない虞がある。そこで、図１０に示した原子発振器１００ｃは、ガスセル２に遮光部２ｄを設けることで光路１Ｅのような光がサーミスタ９ｂに当たらないようにして、サーミスタ９ｂの誤動作を防止している。特に、図１０に示すように、ガスセル２の入射側で光源１のスポット径をガスセルの幅より小さくさせることで、ガスセル外に向かう光が存在しなくなり、さらにガスセル２に照射された光が遮光部２ｄを設けることで、サーミスタ９ｂの誤動作を防止できる。例えば、ガスセル２の幅Ｒ２が３ｍｍ〜５ｍｍ程度であれば、ガスセル２の入射側で光源１のスポット径を３ｍｍ〜５ｍｍ程度以下にする。

以上のように、本実施の形態に係る原子発振器１００ｃは、ガスセル２の側壁に光を吸収する部材または光を反射する部材で構成された遮光部２ｄを設けているので、ガスセル２の内部空間２ａを上手く透過しないで光検出器３に至る光を取り除き、ＥＩＴ信号のノイズ成分を低減して良好なＥＩＴ信号を得ることができる。なお、遮光部２ｄは、光の吸収係数が２３ｃｍ^−１以上であることが望ましい。

なお、原子発振器１００ｃでは、ガスセル２の側壁に遮光部２ｄを設ける構成について説明したが、これに限定されない。例えば、原子発振器は、光源から出射された光の一部がガスセルに入射されないように遮光する遮光部材を光源とガスセルとの間に設けてもよい。具体的に、図１２は、本発明の実施の形態３に係る原子発振器１００ｃの変形例の構成を説明するための概略図である。なお、原子発振器１００ｅにおいて、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図１２に示す原子発振器１００ｅでは、ガスセル２の入射側に遮光部材２５を配置している。遮光部材２５は、光源１から出射された光の一部をガスセル２に入射させないように遮光することで、ガスセル２の内部空間２ａを上手く透過しないで光検出器３に至る光を遮光している。遮光部材２５は、光源１とガスセル２との間に配置されれば、いずれの位置であってもよい。例えば、ＮＤフィルタ５に光源１から出射された光の一部を遮光するように遮光機能を持たせることで遮光部材２５として用いてもよい。つまり、ＮＤフィルタ５は、ガスセル２の内部空間２ａを上手く透過して光検出器３に至る光の強度を調節するとともに、ガスセル２の内部空間２ａを上手く透過しないで光検出器３に至る光を遮光する。

（実施の形態４）
前述の原子発振器では、光源から出た光が検出器に至るまで広がる光であると説明したが、本実施の形態に係る原子発振器では、光源から出た広がる光を平行光にしてガスセルを透過させる構成について説明する。図１３は、本発明の実施の形態４に係る原子発振器１００ｆの構成を説明するための概略図である。なお、原子発振器１００ｆにおいて、図１に示す原子発振器１００と同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器１００ｆは、光源１とガスセル２の間に平行光にするレンズ等の光学部材１３を配置してある。平行光にするレンズ等の光学部材１３として、例えばコリメータレンズなどが考えられる。原子発振器１００ｆでは、光学部材１３で平行光になった光がガスセル２を透過して光検出器３に至る。なお、原子発振器１００ｆでは、波長板４およびＮＤフィルタ５を配置していないが、必要に応じて波長板４およびＮＤフィルタ５を配置してもよい。

ガスセル２を透過する光が平行光である場合と、平行光でない場合との違いについてさらに詳しく説明する。図１４は、原子発振器の構成による光強度の密度の違いを説明するための概略図である。図１４（ａ）には原子発振器１００ａが図示されており、光源１から出た光１Ａは光検出器３に至るまで広がる光である。そのため、ガスセル２の入射側での光強度の密度１Ｇとガスセル２の出射側での光強度の密度１Ｈとを比較すると、光強度の密度１Ｈの方が低くなる。よって、ガスセル２の内部空間２ａを透過する光は、光軸方向に光強度の密度が連続的に変化することになり、ガスセル２の位置によって光強度の密度が異なることになる。

一方、図１４（ｂ）には原子発振器１００ｆが図示されており、光源１から出た光１Ａが光学部材１３で平行光１Ｆに変換され光検出器３に至る。そのため、ガスセル２の入射側での光強度の密度１Ｉとガスセル２の出射側での光強度の密度１Ｊとを比較すると、同じ光強度の密度である。よって、ガスセル２の内部空間２ａを透過する光は、光軸方向に光強度の密度が一定となり、ガスセル２の位置によって光強度の密度が変化しない。ガスセル２の内部空間２ａを透過する光強度の密度が一定の方が、ＥＩＴ信号の線幅が細くなり良好なＥＩＴ信号を得ることができる。

以上のように、本実施の形態に係る原子発振器１００ｆは、光源１とガスセル２との間に、光源１から出射され光を光軸に沿った平行光にする光学部材１３をさらに備えるので、良好なＥＩＴ信号を得ることができる。なお、光学部材１３に広がる光を平行光にする機能に加えて、光の強度を均一化する機能を付加するのであればフライアイレンズを用いてもよい。

（実施の形態５）
実施の形態１に係る原子発振器１００では、光源１からの光の強度を均一化する手段として光源１のスポット径を大きくする構成について説明した。本実施の形態に係る原子発振器では、拡散板を用いて光源１からの光の強度を均一化する手段について説明する。図１５は、本発明の実施の形態５に係る原子発振器１００ｇの構成を説明するための概略図である。なお、原子発振器１００ｇにおいて、図９に示す原子発振器１００ｃと同じ構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

原子発振器１００ｇは、光源１とガスセル２の間に、光源１から出射され光を拡散させる拡散部材１４を配置してある。拡散部材１４として、例えばポリカーボネート板などが考えられる。原子発振器１００ｇでは、光源１からの光１Ａを拡散部材１４で光を拡散して拡散光１Ｋに変換する。拡散光１Ｋは、光１Ａに比べて光の強度が均一化されている。なお、原子発振器１００ｇでは、波長板４およびＮＤフィルタ５を配置していないが、必要に応じて波長板４およびＮＤフィルタ５を配置してもよい。

以上のように、原子発振器１００ｇでは、拡散部材１４で光源１からの光１Ａの強度が均一化されているので、ＥＩＴ信号の線幅が細くなり、良好なＥＩＴ信号を得ることができる。また、原子発振器１００ｇでは、拡散部材１４で光の強度の均一化を図っているので、光源１のスポット径を大きくすることを抑制することができる。光源１のスポット径を大きくすると光源１とガスセル２との距離を確保する必要があるが、拡散部材１４で光の強度の均一化を図ることで光源１とガスセル２との距離を短くして原子発振器１００ｇを小型化することが可能となる。

（変形例）
前述の実施の形態に係る原子発振器では、量子干渉効果（ＣＰＴ）を利用して共鳴周波数を得る構成について説明したが、これに限られない。原子発振器の動作原理には、光とマイクロ波を利用した二重共鳴法と呼ばれる方法があり、前述の実施の形態に係る原子発振器は、二重共鳴法にも同様に適用することができる。

前述の実施の形態に係る原子発振器は、原子時計の基準発振器として使用することができると共に、基準発振器を必要とする携帯電話基地局の電子機器、携帯電話（スマートフォン）、カーナビケーションシステムのようなＧＰＳシステムを利用した位置情報を必要とする受信機などの電子機器に用いることができる。また、前述の実施の形態に係る原子発振器の量子部は、磁気センサ等の各種センサとしても使用することが可能であり、センサとして原子発振器の量子部を組み込む電子機器にも用いることができる。

前述の実施の形態に係る原子発振器は、特に制限がない限り、それぞれの実施の形態を自由に組み合わせてよい。例えば、実施の形態１に係る原子発振器１００に記載の構成と、実施の形態５に係る原子発振器１００ｇに記載の構成とを組み合わせてもよい。また、実施の形態１の変形例に係る原子発振器１００ａに記載の構成と、実施の形態４に係る原子発振器１００ｆに記載の構成とを組み合わせてもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 光源、１ｂ，３ａ プリント基板、２ ガスセル、２ａ 内部空間、２ｂ 磁気シールド、２ｃ バイアス磁場、２ｄ 遮光部、３ 光検出器、３ｂ ワイヤ配線、４ 波長板、５ ＮＤフィルタ、６，９ 温度コントロール回路、６ａ，９ａ ヒータ、６ｂ，９ｂ サーミスタ、７ 光源波長制御回路、８ 周波数制御回路、１０ 回路基板、１１ スペーサ、１２ セラミック部材、１３ 光学部材、１４ 拡散部材、２５ 遮光部材、１００，１００ａ〜１００ｇ 原子発振器。

Claims (8)

1. 光源と、
   アルカリ金属原子が封入された内部空間を有するガスセルと、
   前記光源から出射され、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出部とを備え、
   前記光源に対する前記ガスセルの遠方端において、前記光源の照射領域が前記内部空間の断面積より広く、
   前記光源に対する前記ガスセルの近方端において前記光源から出射された光の一部を前記ガスセルに入射させ、
   前記ガスセルの入射側での光のスポット径が、前記ガスセルの内径よりも１．５倍以上である、原子発振器。
2. 前記光源の照射領域は、前記内部空間内において前記光検出部に近づくにつれて広くなる、請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記ガスセルは、
   前記光源に対する前記ガスセルの近方端に、前記光源からの光を入射する入射窓と、
   前記ガスセルの前記遠方端に、前記内部空間を透過した光を前記光検出部に出射する出射窓と、
   前記入射窓と前記出射窓とを保持する側壁とを備え、
   前記側壁は、光を吸収する部材で構成された遮光部を有する請求項１または請求項２に記載の原子発振器。
4. 前記遮光部は、光の吸収係数が２３ｃｍ^−１以上である請求項３に記載の原子発振器。
5. 前記光源と前記ガスセルとの間に、前記光源から出射された光の一部が前記ガスセルに入射されないように遮光する遮光部材をさらに備える、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の原子発振器。
6. 前記光源と前記ガスセルとの間に、前記光源から出射された光を光軸に沿った平行光にする光学部材をさらに備える、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の原子発振器。
7. 前記光源と前記ガスセルとの間に、前記光源から出射された光を拡散させる拡散部材を備える、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の原子発振器。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の前記原子発振器を備える、電子機器。

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