JP7473319B2 - Atomic oscillator and frequency signal generating system - Google Patents

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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Description

本発明は、原子発振器及び周波数信号生成システムに関する。 The present invention relates to an atomic oscillator and a frequency signal generating system.

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。
原子発振器は、アルカリ金属原子をガスセル内に封入し、そのアルカリ金属原子をガス状に保つために、ガスセルをヒーターにより所定温度に加熱している。しかし、ガスセル内のガス状のアルカリ金属原子は、経年劣化により減少してしまうので、長期間使用すると原子発振器の性能が劣化するという問題があった。
例えば特許文献1では、ガスセルを加熱する伝熱部と離間した位置に放熱部を配置し、ガスセル内のアルカリ金属原子を全てガス化するのではなく、一部をガスセルの温度の低い部分である放熱部に析出させ、液体として同封している。そのため、経年劣化によるガス状のアルカリ金属原子の減少を、液状のアルカリ金属原子から気化させることで補っている。
Atomic oscillators that oscillate based on the energy transition of alkali metal atoms such as rubidium and cesium are known as oscillators that have high-precision oscillation characteristics over a long period of time.
In an atomic oscillator, alkali metal atoms are sealed in a gas cell, and the gas cell is heated to a specified temperature by a heater to keep the alkali metal atoms in a gaseous state. However, the gaseous alkali metal atoms in the gas cell decrease with age, so there is a problem that the performance of the atomic oscillator deteriorates after long-term use.
For example, in Patent Document 1, a heat dissipation part is arranged at a position separated from a heat transfer part that heats the gas cell, and instead of gasifying all of the alkali metal atoms in the gas cell, some of them are precipitated in the heat dissipation part, which is a low-temperature part of the gas cell, and enclosed as a liquid. Therefore, the decrease in gaseous alkali metal atoms due to aging is compensated for by vaporizing the liquid alkali metal atoms.

特開2015-122597号公報JP 2015-122597 A

しかしながら、特許文献1に記載の原子発振器は、放熱部がガスセルの熱を外部へ逃がすことでガスセルの一部の温度を低くするため、ガスセルの冷却の程度が外気の温度に影響され易いので、ガスセルの温度分布を安定させることが難しいという課題があった。 However, the atomic oscillator described in Patent Document 1 has a heat dissipation section that releases heat from the gas cell to the outside, thereby lowering the temperature of part of the gas cell. This means that the degree of cooling of the gas cell is easily affected by the outside air temperature, making it difficult to stabilize the temperature distribution of the gas cell.

原子発振器は、発光素子と、アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子から出射された光が入射する原子セルと、前記原子セルを覆い、前記原子セルを第1温度に加熱するヒーターと、前記ヒーターによって前記第1温度に加熱される第1部分と、前記原子セルに接し、ペルチェ効果によって前記第1温度よりも低い第2温度に制御される第2部分と、を含み、前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置される温度制御素子と、前記原子セルを透過した光を検出する受光素子と、を含む。 The atomic oscillator includes a light-emitting element, an atomic cell that contains alkali metal atoms and receives the light emitted from the light-emitting element, a heater that covers the atomic cell and heats the atomic cell to a first temperature, a first portion that is heated to the first temperature by the heater, and a second portion that is in contact with the atomic cell and is controlled to a second temperature lower than the first temperature by the Peltier effect, and includes a temperature control element disposed between the heater and the atomic cell, and a light-receiving element that detects the light that has passed through the atomic cell.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子に接続されている定電流源を含むことが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable to include a constant current source connected to the temperature control element.

上記の原子発振器において、前記原子セルの光が入射する面の温度、及び、前記原子セルの光が出射する面の温度は、前記第2温度よりも高いことが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the temperature of the surface of the atomic cell where the light enters and the temperature of the surface of the atomic cell where the light exits are higher than the second temperature.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子は、第1温度制御面、第2温度制御面、及び前記第1温度制御面と前記第2温度制御面とを接続する半導体層を含むペルチェ素子であり、前記第1部分は、前記ペルチェ素子の前記第1温度制御面であり、前記第2部分は、前記ペルチェ素子の前記第2温度制御面であり、前記ヒーターから前記原子セルに向かって、前記第1部分、前記半導体層、前記第2部分の順に並んでいることが好ましい。 In the above atomic oscillator, the temperature control element is a Peltier element including a first temperature control surface, a second temperature control surface, and a semiconductor layer connecting the first temperature control surface and the second temperature control surface, and the first part is the first temperature control surface of the Peltier element, and the second part is the second temperature control surface of the Peltier element, and it is preferable that the first part, the semiconductor layer, and the second part are arranged in this order from the heater toward the atomic cell.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子は、第1の金属と、前記第1の金属とは異なる第2の金属と、を含み、前記第2部分は、前記第1の金属と前記第2の金属との接合部であることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the temperature control element includes a first metal and a second metal different from the first metal, and the second portion is a junction between the first metal and the second metal.

上記の原子発振器において、前記第1部分は、前記第1の金属の前記ヒーターに接する部分、及び、前記第2の金属の前記ヒーターに接する部分であることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the first portion is a portion of the first metal that contacts the heater and a portion of the second metal that contacts the heater.

上記の原子発振器において、前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置され、前記ヒーターによって前記第1温度に加熱されているシールドを含み、前記第1部分は、前記第1の金属の前記シールドに接する部分であることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the oscillator includes a shield that is disposed between the heater and the atomic cell and is heated to the first temperature by the heater, and the first portion is a portion of the first metal that contacts the shield.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子は、磁場を発生させるコイルであることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the temperature control element is a coil that generates a magnetic field.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子の前記第1部分と前記定電流源とは、第3の金属で接続されていることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the first portion of the temperature control element and the constant current source are connected by a third metal.

周波数信号生成システムは、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、発光素子と、アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子から出射された光が入射する原子セルと、前記原子セルを覆い、前記原子セルを第1温度に加熱するヒーターと、前記ヒーターによって前記第1温度に加熱される第1部分と、前記原子セルに接し、ペルチェ効果によって前記第1温度よりも低い第2温度に制御される第2部分と、を含み、前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置される温度制御素子と、前記原子セルを透過した光を検出する受光素子と、を含む。 The frequency signal generating system includes an atomic oscillator and a processing unit that processes a frequency signal from the atomic oscillator. The atomic oscillator includes a light-emitting element, an atomic cell that contains alkali metal atoms and into which light emitted from the light-emitting element is incident, a heater that covers the atomic cell and heats the atomic cell to a first temperature, a first portion that is heated to the first temperature by the heater, and a second portion that is in contact with the atomic cell and is controlled to a second temperature lower than the first temperature by the Peltier effect. The system also includes a temperature control element disposed between the heater and the atomic cell, and a light-receiving element that detects light that has passed through the atomic cell.

第1実施形態に係る原子発振器を示す概略図。FIG. 1 is a schematic diagram showing an atomic oscillator according to a first embodiment. 第1実施形態に係る原子発振器を模式的に示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating an atomic oscillator according to a first embodiment. 第1実施形態に係る原子セルユニットを模式的に示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating an atomic cell unit according to the first embodiment. 図3のA-A線での断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 第2実施形態に係る原子セルユニットを模式的に示す断面図。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating an atomic cell unit according to a second embodiment. 第3実施形態に係る原子セルユニットを模式的に示す断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an atomic cell unit according to a third embodiment. 第4実施形態に係る原子セルユニットを模式的に示す断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an atomic cell unit according to a fourth embodiment. 第5実施形態に係る原子セルユニットを模式的に示す断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an atomic cell unit according to a fifth embodiment. 第6実施形態に係る原子セルユニットを模式的に示す断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an atomic cell unit according to a sixth embodiment. 第7実施形態に係る原子セルユニットを模式的に示す断面図。FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating an atomic cell unit according to a seventh embodiment. 第8実施形態に係る原子セルユニットを模式的に示す断面図。FIG. 23 is a cross-sectional view illustrating an atomic cell unit according to the eighth embodiment. 第9実施形態に係る周波数信号生成システムを示す概略構成図。FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing a frequency signal generating system according to a ninth embodiment.

1.第1実施形態
先ず、第1実施形態に係る原子発振器1について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施形態に係る原子発振器1を示す概略図である。
1. First Embodiment First, an atomic oscillator 1 according to a first embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an atomic oscillator 1 according to the present embodiment.

原子発振器1は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の2つの共鳴光を同時に照射したときに当該2つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果(CPT:Coherent Population Trapping)を利用した原子発振器である。なお、この量子干渉効果による現象は、電磁誘起透明化(EIT:Electromagnetically Induced Transparency)現象とも言う。また、本実施形態に係る原子発振器1は、光及びマイクロ波による二重共鳴現象を利用した原子発振器であってもよい。 The atomic oscillator 1 is an atomic oscillator that utilizes the quantum interference effect (CPT: Coherent Population Trapping), a phenomenon that occurs when two resonant lights of specific different wavelengths are simultaneously irradiated onto an alkali metal atom, and the two resonant lights are transmitted through the alkali metal atom without being absorbed. Note that this phenomenon caused by the quantum interference effect is also called the electromagnetically induced transparency (EIT) phenomenon. The atomic oscillator 1 according to this embodiment may also be an atomic oscillator that utilizes the double resonance phenomenon caused by light and microwaves.

原子発振器1は、図1に示すように、発光素子10と、光学系ユニット20と、原子セルユニット30と、発光素子10及び原子セルユニット30を制御する制御ユニット40と、を含む。 As shown in FIG. 1, the atomic oscillator 1 includes a light-emitting element 10, an optical system unit 20, an atomic cell unit 30, and a control unit 40 that controls the light-emitting element 10 and the atomic cell unit 30.

発光素子10は、周波数の異なる2種の光を含んでいる直線偏光の光LLを出射する。発光素子10は、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)などである。 The light-emitting element 10 emits linearly polarized light LL that contains two types of light with different frequencies. The light-emitting element 10 is, for example, a vertical cavity surface-emitting laser (VCSEL).

光学系ユニット20は、発光素子10と原子セルユニット30との間に配置されている。光学系ユニット20は、減光フィルター21と、レンズ22と、1/4波長板23と、を有している。 The optical system unit 20 is disposed between the light-emitting element 10 and the atomic cell unit 30. The optical system unit 20 has a neutral density filter 21, a lens 22, and a quarter-wave plate 23.

減光フィルター21は、発光素子10から出射された光LLの強度を減少させる。レンズ22は、光LLの放射角度を調整する。具体的には、レンズ22は、光LLを平行光にする。1/4波長板23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に変換する。 The neutral density filter 21 reduces the intensity of the light LL emitted from the light emitting element 10. The lens 22 adjusts the radiation angle of the light LL. Specifically, the lens 22 converts the light LL into parallel light. The quarter-wave plate 23 converts the two types of light with different frequencies contained in the light LL from linearly polarized light to circularly polarized light.

原子セルユニット30は、原子セル31と、受光素子32と、ヒーター33と、温度センサー34と、コイル35と、温度制御素子36と、を有している。 The atomic cell unit 30 has an atomic cell 31, a light receiving element 32, a heater 33, a temperature sensor 34, a coil 35, and a temperature control element 36.

原子セル31は、受光素子32から出射される光LLを透過する。原子セル31には、アルカリ金属原子が収容されている。アルカリ金属原子は、互いに異なる2つの基底準位と励起準位とからなる3準位系のエネルギー準位を有する。原子セル31には、発光素子10から出射された光LLが減光フィルター21、レンズ22、及び1/4波長板23を介して入射する。 The atomic cell 31 transmits the light LL emitted from the light receiving element 32. The atomic cell 31 contains an alkali metal atom. The alkali metal atom has a three-level energy level system consisting of two mutually different ground levels and an excited level. The light LL emitted from the light emitting element 10 enters the atomic cell 31 via the neutral density filter 21, the lens 22, and the quarter-wave plate 23.

受光素子32は、原子セル31を通過した光LLを受光し検出する。受光素子32は、例えば、フォトダイオードである。 The light receiving element 32 receives and detects the light LL that has passed through the atomic cell 31. The light receiving element 32 is, for example, a photodiode.

ヒーター33は、原子セル31を第1温度T1になるように制御する。ヒーター33は、原子セル31に収容されたアルカリ金属原子を加熱し、アルカリ金属原子の少なくとも一部をガス状態にする。第1温度T1は、例えば、60℃以上70℃以下である。 The heater 33 controls the atomic cell 31 to a first temperature T1. The heater 33 heats the alkali metal atoms contained in the atomic cell 31, causing at least a portion of the alkali metal atoms to become gaseous. The first temperature T1 is, for example, 60°C or higher and 70°C or lower.

温度センサー34は、原子セル31の温度を検出する。温度センサー34は、例えば、サーミスタ、熱電対等の各種温度センサーである。
コイル35は、原子セル31に収容されたアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させる。
The temperature sensor 34 detects the temperature of the atomic cell 31. The temperature sensor 34 is, for example, one of various temperature sensors such as a thermistor or a thermocouple.
The coil 35 applies a magnetic field in a predetermined direction to the alkali metal atoms contained in the atomic cell 31, and Zeeman-splits the energy levels of the alkali metal atoms.

アルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光した共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、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多くなる。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信号が大きくなる。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。 When an alkali metal atom is irradiated with a circularly polarized resonant light pair in a state where the alkali metal atom has undergone Zeeman splitting, the number of alkali metal atoms at the desired energy level among the multiple levels at which the alkali metal atom has undergone Zeeman splitting becomes relatively large compared to the number of alkali metal atoms at other energy levels. Therefore, the number of atoms that exhibit the desired EIT phenomenon increases, and the desired EIT signal becomes larger. As a result, the oscillation characteristics of the atomic oscillator 1 can be improved.

温度制御素子36は、ペルチェ効果を利用し、原子セル31の一部を第1温度T1よりも低い第2温度T2になるように冷却する。第2温度T2は、例えば、第1温度T1よりも1℃以上低い温度である。温度制御素子36は、例えば、ペルチェ素子である。 The temperature control element 36 utilizes the Peltier effect to cool a portion of the atomic cell 31 to a second temperature T2 that is lower than the first temperature T1. The second temperature T2 is, for example, a temperature that is 1° C. or more lower than the first temperature T1. The temperature control element 36 is, for example, a Peltier element.

制御ユニット40は、温度制御回路41と、定電流源42と、磁場制御回路43と、光源制御回路44と、を有している。 The control unit 40 has a temperature control circuit 41, a constant current source 42, a magnetic field control circuit 43, and a light source control circuit 44.

温度制御回路41は、温度センサー34の検出結果に基づいて、原子セル31の内部が所望の温度となるように、ヒーター33への通電を制御する。 The temperature control circuit 41 controls the power supply to the heater 33 based on the detection result of the temperature sensor 34 so that the inside of the atomic cell 31 reaches the desired temperature.

定電流源42は、温度制御素子36に直流電流を流し、原子セル31の一部を第2温度T2になるように制御する。 The constant current source 42 passes a direct current through the temperature control element 36, controlling a portion of the atomic cell 31 to a second temperature T2.

磁場制御回路43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。 The magnetic field control circuit 43 controls the current flow to the coil 35 so that the magnetic field generated by the coil 35 is constant.

光源制御回路44は、受光素子32の検出結果に基づいて、EIT現象が生じるように、受光素子32から出射された光LLに含まれる2種の光の周波数を制御する。ここで、これら2種の光が原子セル31に収容されたアルカリ金属原子の2つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数差の共鳴光対となったとき、EIT現象が生じる。光源制御回路44は、2種の光の周波数の制御に同期して安定化するように発振周波数が制御される電圧制御型発振器(図示せず)を備えており、この電圧制御型発振器(VCO:Voltage Controlled Oscillator)の出力信号を原子発振器1の出力信号であるクロック信号CLKとして出力する。 Based on the detection result of the light receiving element 32, the light source control circuit 44 controls the frequency of the two types of light contained in the light LL emitted from the light receiving element 32 so that the EIT phenomenon occurs. Here, when these two types of light become a resonant light pair with a frequency difference corresponding to the energy difference between the two ground levels of the alkali metal atom contained in the atomic cell 31, the EIT phenomenon occurs. The light source control circuit 44 is equipped with a voltage controlled oscillator (not shown) whose oscillation frequency is controlled so as to be stabilized in synchronization with the control of the frequency of the two types of light, and outputs the output signal of this voltage controlled oscillator (VCO: Voltage Controlled Oscillator) as the clock signal CLK, which is the output signal of the atomic oscillator 1.

次に、原子発振器1の具体的な構成について説明する。
図2は、第1実施形態に係る原子発振器1を模式的に示す断面図である。図3は、第1実施形態に係る原子セルユニット30を模式的に示す断面図である。図4は、図3のA-A線での断面図である。また、図2~図4、及び後述する図5~図11では、互いに直交する3軸として、X軸、Y軸、及びZ軸を図示している。
Next, a specific configuration of the atomic oscillator 1 will be described.
Fig. 2 is a cross-sectional view that typically shows the atomic oscillator 1 according to the first embodiment. Fig. 3 is a cross-sectional view that typically shows the atomic cell unit 30 according to the first embodiment. Fig. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in Fig. 3. In addition, in Figs. 2 to 4 and Figs. 5 to 11 described below, an X-axis, a Y-axis, and a Z-axis are illustrated as three mutually orthogonal axes.

原子発振器1は、図2に示すように、発光素子10と、光学系ユニット20と、原子セルユニット30と、制御ユニット40と、外容器50と、を含む。 As shown in FIG. 2, the atomic oscillator 1 includes a light-emitting element 10, an optical system unit 20, an atomic cell unit 30, a control unit 40, and an outer container 50.

発光素子10は、光源基板11に配置されている。光源基板11は、外基部51上に設けられた断熱部材53に配置され、例えば、図示しないネジによって断熱部材53と共に外基部51に固定されている。発光素子10は、制御ユニット40の光源制御回路44と電気的に接続されている。 The light emitting element 10 is arranged on the light source substrate 11. The light source substrate 11 is arranged on a heat insulating member 53 provided on an outer base 51, and is fixed to the outer base 51 together with the heat insulating member 53 by, for example, a screw (not shown). The light emitting element 10 is electrically connected to the light source control circuit 44 of the control unit 40.

光学系ユニット20は、断熱部材53を介して外基部51に配置されている。光学系ユニット20は、減光フィルター21と、レンズ22と、1/4波長板23と、これらを保持しているホルダー24と、を有している。ホルダー24は、例えば、図示しないネジによって断熱部材53と共に外基部51に固定されている。 The optical system unit 20 is disposed on the outer base 51 via a heat insulating member 53. The optical system unit 20 has a neutral density filter 21, a lens 22, a quarter-wave plate 23, and a holder 24 that holds these. The holder 24 is fixed to the outer base 51 together with the heat insulating member 53, for example, by a screw (not shown).

ホルダー24には、貫通孔が設けられており、光LLの通過領域である。貫通孔には、減光フィルター21、レンズ22、及び1/4波長板23が発光素子10側からこの順で配置されている。 The holder 24 has a through hole, which is an area through which the light LL passes. In the through hole, a neutral density filter 21, a lens 22, and a quarter-wave plate 23 are arranged in this order from the light-emitting element 10 side.

原子セルユニット30は、断熱部材53を介して外基部51に配置され、例えば、図示しないネジによって断熱部材53と共に外基部51に固定されている。
原子セルユニット30は、図3及び図4に示すように、原子セル31と、受光素子32と、ヒーター33と、温度センサー34と、コイル35と、温度制御素子36と、内容器となるシールド37と、を含む。原子セル31、ヒーター33、及びシールド37は、長手方向がX軸に沿った円筒形状であり、ヒーター33の内側にシールド37が配置され、シールド37の内側に原子セル31と、受光素子32と、温度センサー34と、コイル35と、温度制御素子36と、が配置されている。
The atomic cell unit 30 is disposed on the outer base 51 via a heat insulating member 53, and is fixed to the outer base 51 together with the heat insulating member 53 by, for example, screws (not shown).
3 and 4, the atom cell unit 30 includes an atom cell 31, a light receiving element 32, a heater 33, a temperature sensor 34, a coil 35, a temperature control element 36, and a shield 37 serving as an inner container. The atom cell 31, the heater 33, and the shield 37 are cylindrical in shape with the longitudinal direction along the X-axis, and the shield 37 is disposed inside the heater 33, and the atom cell 31, the light receiving element 32, the temperature sensor 34, the coil 35, and the temperature control element 36 are disposed inside the shield 37.

原子セル31には、気体のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が収容されている。原子セル31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とともに収容されていてもよい。 The atomic cell 31 contains an alkali metal such as gaseous rubidium, cesium, or sodium. If necessary, the atomic cell 31 may contain a rare gas such as argon or an inert gas such as nitrogen as a buffer gas together with the alkali metal atoms.

原子セル31には、発光素子10から出射された光LLが入射する。原子セル31の壁部の材質は、例えば、ガラスなどである。原子セル31の壁部は、原子セル31の内部空間Sを規定している。原子セル31の内部空間Sは、例えば、アルカリ金属原子の飽和蒸気圧となっている。発光素子10から出射された光LLは、内部空間Sを通過する。原子セル31と温度制御素子36とが接している位置の原子セル31の内部空間S側の面には、例えば、液体のアルカリ金属原子60が存在する。これにより、内部空間Sの気体のアルカリ金属原子が原子セル31の壁部との反応等により減少した場合、液体のアルカリ金属原子60が気化して、内部空間Sにおける気体のアルカリ金属原子の濃度を一定に保つことができる。 The light LL emitted from the light emitting element 10 is incident on the atomic cell 31. The material of the wall of the atomic cell 31 is, for example, glass. The wall of the atomic cell 31 defines the internal space S of the atomic cell 31. The internal space S of the atomic cell 31 is, for example, saturated vapor pressure of alkali metal atoms. The light LL emitted from the light emitting element 10 passes through the internal space S. For example, liquid alkali metal atoms 60 are present on the surface of the atomic cell 31 on the internal space S side at the position where the atomic cell 31 and the temperature control element 36 are in contact. As a result, when the gaseous alkali metal atoms in the internal space S are reduced due to a reaction with the wall of the atomic cell 31, the liquid alkali metal atoms 60 are vaporized, and the concentration of the gaseous alkali metal atoms in the internal space S can be kept constant.

受光素子32は、原子セル31を透過した光LLを検出し、原子セル31の発光素子10側とは反対側に配置されている。受光素子32は、制御ユニット40の光源制御回路44と電気的に接続されている。 The light receiving element 32 detects the light LL that has passed through the atomic cell 31, and is disposed on the opposite side of the atomic cell 31 from the light emitting element 10 side. The light receiving element 32 is electrically connected to the light source control circuit 44 of the control unit 40.

ヒーター33は、原子セル31、受光素子32、温度センサー34、コイル35、温度制御素子36、及びシールド37を収容し、原子セル31を覆っている。ヒーター33は、制御ユニット40の温度制御回路41と電気的に接続されている。
ヒーター33は、原子セル31に配置された温度センサー34の温度情報に基づいて、原子セル31を第1温度T1になるように加熱している。ヒーター33は、例えば、シートヒーターで原子セル31全体を覆ってもよく、発熱素子と銅などの熱伝導率の高い金属との組み合わせであってもよい。
The heater 33 houses the atom cell 31, the light receiving element 32, the temperature sensor 34, the coil 35, the temperature control element 36, and the shield 37, and covers the atom cell 31. The heater 33 is electrically connected to a temperature control circuit 41 of the control unit 40.
The heater 33 heats the atom cell 31 to a first temperature T1 based on temperature information from a temperature sensor 34 disposed in the atom cell 31. The heater 33 may be, for example, a sheet heater that covers the entire atom cell 31, or may be a combination of a heating element and a metal with high thermal conductivity such as copper.

温度センサー34は、原子セル31に複数配置されており、原子セル31の温度を検出する。なお、温度センサー34は、ヒーター33が原子セル31を第1温度T1に加熱できれば、数および配置は限定されない。例えば、温度センサー34は1つであってもよく、シールド37の外部に配置されていてもよい。
コイル35は、例えば、原子セル31の外周に沿って巻回して設けられているソレノイド型のコイル、又は、原子セル31を介して対向するヘルムホルツ型の1対のコイルである。コイル35は、原子セル31の内部に光LLの光軸LAに沿った方向の磁場を発生させる。これにより、原子セル31に収容された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ゼーマン分裂により拡げて、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、温度センサー34及びコイル35は、制御ユニット40の温度制御回路41及び磁場制御回路43と電気的に接続されている。
A plurality of temperature sensors 34 are arranged in the atom cell 31 and detect the temperature of the atom cell 31. The number and arrangement of the temperature sensors 34 are not limited as long as the heater 33 can heat the atom cell 31 to the first temperature T1. For example, the number of the temperature sensors 34 may be one, and the temperature sensor 34 may be arranged outside the shield 37.
The coil 35 is, for example, a solenoid coil wound around the outer periphery of the atomic cell 31, or a pair of Helmholtz coils facing each other across the atomic cell 31. The coil 35 generates a magnetic field in a direction along the optical axis LA of the light LL inside the atomic cell 31. This makes it possible to widen the gap between different degenerate energy levels of the alkali metal atoms contained in the atomic cell 31 by Zeeman splitting, thereby improving the resolution and reducing the linewidth of the EIT signal.
The temperature sensor 34 and the coil 35 are electrically connected to a temperature control circuit 41 and a magnetic field control circuit 43 of the control unit 40 .

温度制御素子36は、原子セル31を第1温度T1に加熱するヒーター33と原子セル31との間に複数配置され、第1部分361である第1温度制御面P1、第2部分363である第2温度制御面P2、及び第1温度制御面P1と第2温度制御面P2とを接続する半導体層362を含むペルチェ素子である。ヒーター33から原子セル31に向かって、第1部分361、半導体層362、第2部分363の順に並んでいる。温度制御素子36は、第1部分361から図示しない2つの配線により、制御ユニット40の定電流源42と電気的に接続されている。
温度制御素子36の第1部分361がヒーター33によって第1温度T1に加熱され、原子セル31に接する第2部分363がペルチェ効果によって第1温度T1よりも低い第2温度T2に制御される。そのため、温度制御素子36の第2部分363と接する原子セル31の一部は、第1温度T1よりも低い第2温度T2に冷却される。これは、温度制御素子36に定電流源42から直流電流を流すことで、第1温度制御面P1と第2温度制御面P2とにペルチェ効果により温度差を発生させることができ、原子セル31と接する第2温度制御面P2を吸熱させることができるためである。
そのため、冷却された原子セル31の内部空間S内に、気体のアルカリ金属原子が冷却されて液化した液体のアルカリ金属原子60を発生させることができる。
The temperature control element 36 is a Peltier element arranged between the atom cell 31 and the heater 33 that heats the atom cell 31 to a first temperature T1, and includes a first temperature control surface P1 as a first portion 361, a second temperature control surface P2 as a second portion 363, and a semiconductor layer 362 that connects the first temperature control surface P1 and the second temperature control surface P2. The first portion 361, the semiconductor layer 362, and the second portion 363 are arranged in this order from the heater 33 toward the atom cell 31. The temperature control element 36 is electrically connected to the constant current source 42 of the control unit 40 from the first portion 361 by two wirings (not shown).
The first portion 361 of the temperature control element 36 is heated to a first temperature T1 by the heater 33, and the second portion 363 in contact with the atom cell 31 is controlled to a second temperature T2 lower than the first temperature T1 by the Peltier effect. Therefore, a part of the atom cell 31 in contact with the second portion 363 of the temperature control element 36 is cooled to a second temperature T2 lower than the first temperature T1. This is because a temperature difference can be generated between the first temperature control surface P1 and the second temperature control surface P2 by the Peltier effect by passing a direct current from the constant current source 42 to the temperature control element 36, and the second temperature control surface P2 in contact with the atom cell 31 can be made to absorb heat.
Therefore, in the internal space S of the cooled atom cell 31, the gaseous alkali metal atoms are cooled and liquefied to generate liquid alkali metal atoms 60.

温度制御素子36の光軸LAに沿った位置は任意であるが、原子セル31の中央付近が好ましい。例えば、原子セル31の光軸LAに沿った長さの1/3以上2/3以下の範囲に配置するとよい。原子セル31の光LLが入射する面M1および原子セル31の光が出射する面M2の両方から第2温度T2となる部分を離すことができるので、面M1および面M2に液体のアルカリ金属原子60が付着し難くできる。これにより、原子セル31に入射する光LLの強度、および、原子セル31から出射する光LLの強度が低下し難くなるので、原子発振器1の周波数精度の低下を抑制できる。 The temperature control element 36 may be positioned anywhere along the optical axis LA, but is preferably located near the center of the atomic cell 31. For example, it may be positioned within a range of 1/3 to 2/3 of the length along the optical axis LA of the atomic cell 31. Since the portion at the second temperature T2 can be separated from both the surface M1 where the light LL of the atomic cell 31 is incident and the surface M2 where the light of the atomic cell 31 is emitted, it is possible to make it difficult for liquid alkali metal atoms 60 to adhere to the surfaces M1 and M2. This makes it difficult for the intensity of the light LL incident on the atomic cell 31 and the intensity of the light LL emitted from the atomic cell 31 to decrease, thereby suppressing a decrease in the frequency accuracy of the atomic oscillator 1.

なお、原子セル31は、面M1の温度及び面M2の温度が第2温度T2よりも高い第1温度T1となるように、ヒーター33によって加熱されている。 The atomic cell 31 is heated by the heater 33 so that the temperature of the surface M1 and the temperature of the surface M2 become a first temperature T1 that is higher than the second temperature T2.

シールド37は、原子セル31、受光素子32、温度センサー34、コイル35、及び温度制御素子36を収容し、ヒーター33の内部に配置されている。シールド37の発光素子10側の壁部には、ガラスなどの透明部材37aが配置されている。そのため、発光素子10から出射された光LLを原子セル31に入射させることができる。 The shield 37 houses the atomic cell 31, the light receiving element 32, the temperature sensor 34, the coil 35, and the temperature control element 36, and is disposed inside the heater 33. A transparent member 37a such as glass is disposed on the wall of the shield 37 on the side of the light emitting element 10. Therefore, the light LL emitted from the light emitting element 10 can be incident on the atomic cell 31.

シールド37の材質は、例えば、鉄、ケイ素鉄、パーマロイ、スーパーマロイ、センダスト、銅などである。このような材料を用いることにより、原子セル31は、外部からの磁気を遮断することができる。これにより、外部からの磁気によって原子セル31内のアルカリ金属原子が影響を受けることを抑え、原子発振器1の発振特性の安定化を図ることができる。ここで、「抑える」とは、ある事象が生じることを完全にとめる場合と、ある事象の程度を少なくする場合と、を含む。 The material of the shield 37 is, for example, iron, silicon iron, permalloy, supermalloy, sendust, copper, etc. By using such materials, the atomic cell 31 can block external magnetism. This makes it possible to suppress the influence of external magnetism on the alkali metal atoms in the atomic cell 31, and stabilize the oscillation characteristics of the atomic oscillator 1. Here, "suppress" includes cases where an event is completely stopped from occurring, and cases where the severity of an event is reduced.

制御ユニット40は、図2に示すように、回路基板45を有している。回路基板45は、複数のリードピン54を介して、外基部51に固定されている。回路基板45は、図示しないIC(Integrated Circuit)チップが配置されており、ICチップは、温度制御回路41、磁場制御回路43、及び光源制御回路44として機能する。ICチップは、発光素子10及び原子セルユニット30と電気的に接続されている。 As shown in FIG. 2, the control unit 40 has a circuit board 45. The circuit board 45 is fixed to the outer base 51 via a plurality of lead pins 54. An IC (Integrated Circuit) chip (not shown) is arranged on the circuit board 45, and the IC chip functions as a temperature control circuit 41, a magnetic field control circuit 43, and a light source control circuit 44. The IC chip is electrically connected to the light-emitting element 10 and the atomic cell unit 30.

外容器50は、発光素子10、光学系ユニット20、原子セルユニット30、及び制御ユニット40を収容している。外容器50は、外基部51と、外基部51とは別体の外蓋部52と、を有している。外容器50の材質は、例えば、シールド37と同じである。そのため、外容器50は、外部からの磁気を遮断することができ、外部からの磁気によって原子セル31内のアルカリ金属原子が影響を受けることを抑えることができる。 The outer container 50 houses the light emitting element 10, the optical system unit 20, the atomic cell unit 30, and the control unit 40. The outer container 50 has an outer base 51 and an outer lid 52 that is separate from the outer base 51. The material of the outer container 50 is, for example, the same as that of the shield 37. Therefore, the outer container 50 can block external magnetic fields and can prevent the alkali metal atoms in the atomic cell 31 from being affected by external magnetic fields.

本実施形態では、4つの温度制御素子36が配置された構成であるが、これに限定されることはなく、温度制御素子36は1つ以上であれはよい。 In this embodiment, four temperature control elements 36 are arranged, but this is not limited to this and one or more temperature control elements 36 may be arranged.

本実施形態の原子発振器1は、ヒーター33で温度を安定させた内側に原子セル31を配置するので、原子セル31の温度が外気の温度の影響を受け難い。また、冷却にペルチェ効果を利用してヒーター33の温度を基準に第1部分361と第2部分363との間に一定の温度差をつけることで、ヒーター33の内側で原子セル31の一部を冷却してもヒーター33の温度が変動し難くできるので、原子セル31の温度分布を安定にすることができる。そのため、高精度な原子発振器1を得ることができる。 In the atomic oscillator 1 of this embodiment, the atomic cell 31 is placed inside the heater 33, whose temperature is stabilized, so that the temperature of the atomic cell 31 is less susceptible to the effect of the outside air temperature. In addition, by using the Peltier effect for cooling to create a constant temperature difference between the first part 361 and the second part 363 based on the temperature of the heater 33, the temperature of the heater 33 is less likely to fluctuate even if part of the atomic cell 31 is cooled inside the heater 33, so that the temperature distribution of the atomic cell 31 can be stabilized. As a result, a highly accurate atomic oscillator 1 can be obtained.

また、温度制御素子36が定電流源42に接続されているため、ペルチェ効果によって生じる温度差が一定に保たれる。従って、温度制御素子36の原子セル31と接する第2部分363を安定して第2温度T2に制御することができる。 In addition, because the temperature control element 36 is connected to the constant current source 42, the temperature difference caused by the Peltier effect is kept constant. Therefore, the second part 363 of the temperature control element 36 that contacts the atomic cell 31 can be stably controlled to the second temperature T2.

また、原子セル31の光LLが入射する面M1の温度、及び、原子セル31の光LLが出射する面M2の温度が第2温度T2よりも高いため、2つの面に気体のアルカリ金属原子が液体として析出しないので、光を遮ることがなく、安定した発振特性を得ることができる。 In addition, since the temperature of the surface M1 where the light LL of the atomic cell 31 is incident and the temperature of the surface M2 where the light LL of the atomic cell 31 is emitted are higher than the second temperature T2, the gaseous alkali metal atoms do not precipitate as a liquid on the two surfaces, so the light is not blocked and stable oscillation characteristics can be obtained.

また、温度制御素子36がヒーター33から原子セル31に向かって、第1部分361、半導体層362、第2部分363の順に並んでいるので、第1温度T1となる第1温度制御面P1と第2温度制御面P2との間にペルチェ効果により温度差を発生させることができ、原子セル31と接する第2温度制御面P2によって吸熱させることができる。従って、原子セル31の温度分布を安定に維持した状態で、原子セル31の一部を冷却することができる。 In addition, since the temperature control element 36 is arranged from the heater 33 toward the atomic cell 31 in the order of the first portion 361, the semiconductor layer 362, and the second portion 363, a temperature difference can be generated between the first temperature control surface P1, which is at the first temperature T1, and the second temperature control surface P2 by the Peltier effect, and heat can be absorbed by the second temperature control surface P2 that is in contact with the atomic cell 31. Therefore, a part of the atomic cell 31 can be cooled while maintaining a stable temperature distribution of the atomic cell 31.

2.第2実施形態
次に、第2実施形態に係る原子発振器1aについて、図5を参照して説明する。
図5は、第2実施形態に係る原子セルユニット30aを模式的に示す断面図である。
2. Second Embodiment Next, an atomic oscillator 1a according to a second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view that illustrates a schematic diagram of an atom cell unit 30a according to the second embodiment.

本実施形態の原子発振器1aは、第1実施形態の原子発振器1に比べ、原子セルユニット30aの構成が異なること以外は、第1実施形態の原子発振器1と同様である。なお、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。 The atomic oscillator 1a of this embodiment is similar to the atomic oscillator 1 of the first embodiment, except that the configuration of the atomic cell unit 30a is different from that of the atomic oscillator 1 of the first embodiment. Note that the following description will focus on the differences from the first embodiment described above, and similar items will be given the same reference numerals and their description will be omitted.

原子発振器1aの原子セルユニット30aは、図5に示すように、温度制御素子36が発光素子10側から第1部分361、半導体層362、第2部分363の順で並んでおり、第1部分361は、第1温度T1に加熱されており、第2部分363は、ペルチェ効果により第2温度T2に冷却されている。
原子セル31とコイル35との間及び受光素子32とシールド37との間には、ヒーター33の熱を伝えるための伝熱部材70が配置されている。
温度制御素子36の受光素子32側には、第2部分363と原子セル31とに接する伝熱部材71が配置されている。伝熱部材71は、伝熱部材70及びシールド37とは離れている。伝熱部材71は、第2温度T2に冷却された第2部分363の熱を原子セル31に伝え、伝熱部材71と接する原子セル31の一部を冷却することができる。そのため、伝熱部材71と接する原子セル31の内部空間S内に、気体のアルカリ金属原子が冷却されて液化した液体のアルカリ金属原子60を発生させることができる。
As shown in FIG. 5, in the atomic cell unit 30a of the atomic oscillator 1a, the temperature control element 36 is arranged in the order of a first portion 361, a semiconductor layer 362, and a second portion 363 from the light-emitting element 10 side, and the first portion 361 is heated to a first temperature T1, and the second portion 363 is cooled to a second temperature T2 by the Peltier effect.
Between the atom cell 31 and the coil 35 and between the light receiving element 32 and the shield 37 , a heat transfer member 70 for transferring heat from the heater 33 is disposed.
A heat transfer member 71 is disposed on the light receiving element 32 side of the temperature control element 36, in contact with the second portion 363 and the atom cell 31. The heat transfer member 71 is separated from the heat transfer member 70 and the shield 37. The heat transfer member 71 transfers heat from the second portion 363 cooled to the second temperature T2 to the atom cell 31, and can cool a part of the atom cell 31 in contact with the heat transfer member 71. Therefore, liquid alkali metal atoms 60 can be generated in the internal space S of the atom cell 31 in contact with the heat transfer member 71, in which the gaseous alkali metal atoms are cooled and liquefied.

伝熱部材70及び伝熱部材71の材質は、コイル35から原子セル31への磁界を阻害せず、熱伝導率の高い材料であることが好ましく、例えば、アルミニウム等の金属である。 The material of the heat transfer member 70 and the heat transfer member 71 is preferably a material that does not impede the magnetic field from the coil 35 to the atomic cell 31 and has high thermal conductivity, such as a metal such as aluminum.

このような構成とすることで、原子セル31の一部を冷却している状態で、原子セル31の温度分布を安定にすることができる。また、冷却される部分が原子セル31の受光素子32側、すなわち面M2付近であるので、原子セル31内において気体のアルカリ金属原子に照射される光LLの強度が変動し難い。従って、原子発振器1の周波数精度の低下を抑制できる。 By adopting such a configuration, the temperature distribution of the atomic cell 31 can be stabilized while a portion of the atomic cell 31 is cooled. In addition, since the portion to be cooled is the light receiving element 32 side of the atomic cell 31, i.e., near the surface M2, the intensity of the light LL irradiated to the gaseous alkali metal atoms in the atomic cell 31 is unlikely to fluctuate. Therefore, the deterioration of the frequency accuracy of the atomic oscillator 1 can be suppressed.

3.第3実施形態
次に、第3実施形態に係る原子発振器1bについて、図6を参照して説明する。
図6は、第3実施形態に係る原子セルユニット30bを模式的に示す断面図である。
3. Third Embodiment Next, an atomic oscillator 1b according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view that illustrates a schematic diagram of an atom cell unit 30b according to the third embodiment.

本実施形態の原子発振器1bは、第1実施形態の原子発振器1に比べ、原子セルユニット30bの構成が異なること以外は、第1実施形態の原子発振器1と同様である。なお、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。 The atomic oscillator 1b of this embodiment is similar to the atomic oscillator 1 of the first embodiment, except that the atomic cell unit 30b has a different configuration compared to the atomic oscillator 1 of the first embodiment. Note that the following description will focus on the differences from the first embodiment described above, and similar items will be given the same reference numerals and their description will be omitted.

原子発振器1bの原子セルユニット30bは、図6に示すように、発光素子10側から第1部分361、半導体層362、第2部分363の順で並ぶ温度制御素子36と、受光素子32側から第1部分361、半導体層362、第2部分363の順で並ぶ温度制御素子36と、が原子セル31とコイル35との間に配置され、2つの温度制御素子36の間に伝熱部材72が配置されている。2つの第2部分363は、ペルチェ効果により第2温度T2に冷却されているので、伝熱部材72が第2温度T2に冷却され、伝熱部材72と接する原子セル31の一部を冷却することができる。そのため、伝熱部材72と接する原子セル31の内部空間S内に、気体のアルカリ金属原子が冷却されて液化した液体のアルカリ金属原子60を発生させることができる。
また、原子セル31とコイル35及びシールド37との間には、ヒーター33の熱を保持するための伝熱部材70が配置されている。
6, the atomic cell unit 30b of the atomic oscillator 1b includes temperature control elements 36 arranged in the order of the first portion 361, the semiconductor layer 362, and the second portion 363 from the light-emitting element 10 side, and temperature control elements 36 arranged in the order of the first portion 361, the semiconductor layer 362, and the second portion 363 from the light-receiving element 32 side, which are disposed between the atomic cell 31 and the coil 35, and a heat transfer member 72 is disposed between the two temperature control elements 36. Since the two second portions 363 are cooled to the second temperature T2 by the Peltier effect, the heat transfer member 72 is cooled to the second temperature T2, and a part of the atomic cell 31 in contact with the heat transfer member 72 can be cooled. Therefore, in the internal space S of the atomic cell 31 in contact with the heat transfer member 72, the gaseous alkali metal atoms are cooled and liquefied to generate liquid alkali metal atoms 60.
In addition, a heat transfer member 70 for retaining the heat of the heater 33 is disposed between the atom cell 31 and the coil 35 and the shield 37 .

このような構成とすることで、原子セル31の一部を冷却している状態で、原子セル31の温度分布を安定にすることができる。 By using this configuration, the temperature distribution of the atomic cell 31 can be stabilized while a portion of the atomic cell 31 is cooled.

4.第4実施形態
次に、第4実施形態に係る原子発振器1cについて、図7を参照して説明する。
図7は、第4実施形態に係る原子セルユニット30cを模式的に示す断面図である。
4. Fourth Embodiment Next, an atomic oscillator 1c according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view that illustrates a schematic diagram of an atom cell unit 30c according to the fourth embodiment.

本実施形態の原子発振器1cは、第1実施形態の原子発振器1に比べ、原子セルユニット30cの構成と温度制御素子36cの構成が異なること以外は、第1実施形態の原子発振器1と同様である。なお、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。 The atomic oscillator 1c of this embodiment is similar to the atomic oscillator 1 of the first embodiment, except that the configuration of the atomic cell unit 30c and the configuration of the temperature control element 36c are different from those of the atomic oscillator 1 of the first embodiment. Note that the following description will focus on the differences from the first embodiment described above, and similar items will be given the same reference numerals and their description will be omitted.

原子発振器1cの原子セルユニット30cは、図7に示すように、ヒーター33に貫通孔33cが設けられており、シールド37にも貫通孔33cと重なる位置に貫通孔37cが設けられている。貫通孔33c,37c内には、第1の金属38aと、第1の金属38aとは異なる第2の金属38bと、で構成される温度制御素子36cが配置されている。
温度制御素子36cは、第1の金属38aと第2の金属38bとの接合部である第2部分392を原子セル31に接して配置し、第1の金属38aのヒーター33と接する部分、及び、第2の金属38bのヒーター33に接す部分である第1部分391,393をヒーター33に接して配置している。また、第1部分391,393は、配線となる第3の金属38c,38dによって定電流源42に電気的に接続されている。なお、本実施形態では、第1の金属38a及び第2の金属38bから定電流源42までの配線の一部の図示を省略している。また、第1部分391,393は、第1の金属38aと第2の金属38bとが直接ヒーター33に接していなくてもよく、被覆されていてもよい。
7, in the atomic cell unit 30c of the atomic oscillator 1c, a through hole 33c is provided in the heater 33, and a through hole 37c is also provided in the shield 37 at a position overlapping with the through hole 33c. A temperature control element 36c composed of a first metal 38a and a second metal 38b different from the first metal 38a is disposed in the through holes 33c and 37c.
In the temperature control element 36c, the second portion 392, which is a junction between the first metal 38a and the second metal 38b, is disposed in contact with the atomic cell 31, and the portion of the first metal 38a in contact with the heater 33 and the first portions 391 and 393, which are portions of the second metal 38b in contact with the heater 33, are disposed in contact with the heater 33. The first portions 391 and 393 are electrically connected to the constant current source 42 by the third metals 38c and 38d, which serve as wiring. In this embodiment, a part of the wiring from the first metal 38a and the second metal 38b to the constant current source 42 is not shown. In addition, the first portions 391 and 393 may be covered by the first metal 38a and the second metal 38b, and may not be directly in contact with the heater 33.

一般に、異なる2種の金属の線の両端を互いにつないで、2つの接点の間に温度差を与えると、起電力が生じる。逆に、2つの接点に電流、電圧を流すと、2つの接点の間で温度差を生じさせることができ、ペルチェ効果を得ることができる。
そのため、温度制御素子36cは、ペルチェ効果により、ヒーター33で第1温度T1に加熱されている第1部分391,393を基準にし、第2部分392と一定の温度差をつけることができる。よって、第2部分392を第2温度T2に冷却し、第2部分392に接している原子セル31の一部を吸熱することによって、冷却することができる。
なお、第1の金属38aと第2の金属38bとの組み合わせとしては、クロメルとアルメル、クロメルとコンスタンタン、白金ロジウム合金と白金、ニクロムと金鉄合金等が挙げられる。
Generally, when two different metal wires are connected at both ends and a temperature difference is applied between the two junctions, an electromotive force is generated. Conversely, when a current or voltage is passed through the two junctions, a temperature difference can be generated between the two junctions, resulting in the Peltier effect.
Therefore, the temperature control element 36c can provide a certain temperature difference with the second portion 392 based on the first portions 391, 393 heated to the first temperature T1 by the heater 33 due to the Peltier effect. Therefore, the second portion 392 can be cooled to the second temperature T2 and a part of the atomic cell 31 in contact with the second portion 392 can be cooled by absorbing heat.
Combinations of the first metal 38a and the second metal 38b include chromel and alumel, chromel and constantan, platinum-rhodium alloy and platinum, nichrome and iron-gold alloy, and the like.

この構成によれば、温度制御素子36cの第1の金属38aと第2の金属38bとの接合部である第2部分392を原子セル31に接することで、ペルチェ効果により第2部分392が原子セル31の熱を吸熱し、原子セル31の温度分布を安定に維持した状態で、原子セル31の一部を冷却することができる。 According to this configuration, by contacting the second part 392, which is the junction between the first metal 38a and the second metal 38b of the temperature control element 36c, with the atomic cell 31, the second part 392 absorbs heat from the atomic cell 31 due to the Peltier effect, and a part of the atomic cell 31 can be cooled while maintaining a stable temperature distribution of the atomic cell 31.

また、第1の金属38aのヒーター33と接する部分、及び、第2の金属38bのヒーター33と接する部分である第1部分391,393を有することで、ペルチェ効果を利用し、第1部分391,393の温度を基準にし、第2部分392と一定の温度差をつけることができるので、原子セル31の温度分布を安定に維持した状態で、原子セル31の第2部分392と接する部分を冷却することができる。 In addition, by having the first parts 391, 393, which are the part of the first metal 38a that contacts the heater 33 and the part of the second metal 38b that contacts the heater 33, it is possible to utilize the Peltier effect to create a constant temperature difference between the second part 392 and the temperature of the first parts 391, 393 as a reference, and therefore it is possible to cool the part of the atomic cell 31 that contacts the second part 392 while maintaining a stable temperature distribution of the atomic cell 31.

また、第1部分391,393と定電流源42とが第3の金属38c,38dで接続されているため、第3の金属38c,38dに安価な材料を用いることで、原子発振器1cの低コスト化が図れる。 In addition, since the first parts 391 and 393 are connected to the constant current source 42 by the third metals 38c and 38d, the cost of the atomic oscillator 1c can be reduced by using an inexpensive material for the third metals 38c and 38d.

5.第5実施形態
次に、第5実施形態に係る原子発振器1dについて、図8を参照して説明する。
図8は、第5実施形態に係る原子セルユニット30dを模式的に示す断面図である。
5. Fifth Embodiment Next, an atomic oscillator 1d according to a fifth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view that illustrates a schematic diagram of an atom cell unit 30d according to the fifth embodiment.

本実施形態の原子発振器1dは、第1実施形態の原子発振器1に比べ、原子セルユニット30dの構成と温度制御素子36dの構成が異なること以外は、第1実施形態の原子発振器1と同様である。なお、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。 The atomic oscillator 1d of this embodiment is similar to the atomic oscillator 1 of the first embodiment, except that the configuration of the atomic cell unit 30d and the configuration of the temperature control element 36d are different from those of the atomic oscillator 1 of the first embodiment. Note that the following description will focus on the differences from the first embodiment described above, and similar items will be given the same reference numerals and their description will be omitted.

原子発振器1dの原子セルユニット30dは、図8に示すように、温度制御素子36dの第2部分392が原子セル31に接して配置され、温度制御素子36dの第1部分391,393がシールド37に接して配置されている。 As shown in FIG. 8, the atomic cell unit 30d of the atomic oscillator 1d is arranged such that the second part 392 of the temperature control element 36d is in contact with the atomic cell 31, and the first parts 391 and 393 of the temperature control element 36d are in contact with the shield 37.

この構成によれば、第1の金属38aの第1部分391がヒーター33により第1温度T1に加熱されているシールド37に接しているので、ペルチェ効果を利用し、シールド37と接する第1部分391の温度を基準にし、第2部分392と一定の温度差をつけることができる。そのため、原子セル31の温度分布を安定に維持した状態で、原子セル31の第2部分392に接する部分を冷却することができる。 According to this configuration, the first portion 391 of the first metal 38a is in contact with the shield 37 that is heated to the first temperature T1 by the heater 33, so that the Peltier effect can be used to set the temperature of the first portion 391 in contact with the shield 37 as the reference temperature, and a certain temperature difference can be created between the first portion 391 and the second portion 392. Therefore, the portion of the atomic cell 31 in contact with the second portion 392 can be cooled while maintaining a stable temperature distribution in the atomic cell 31.

6.第6実施形態
次に、第6実施形態に係る原子発振器1eについて、図9を参照して説明する。
図9は、第6実施形態に係る原子セルユニット30eを模式的に示す断面図である。
6. Sixth Embodiment Next, an atomic oscillator 1e according to a sixth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 9 is a cross-sectional view that illustrates a schematic diagram of an atom cell unit 30e according to the sixth embodiment.

本実施形態の原子発振器1eは、第1実施形態の原子発振器1に比べ、原子セルユニット30eの構成と温度制御素子36eの構成が異なること以外は、第1実施形態の原子発振器1と同様である。なお、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。 The atomic oscillator 1e of this embodiment is similar to the atomic oscillator 1 of the first embodiment, except that the configuration of the atomic cell unit 30e and the configuration of the temperature control element 36e are different from those of the atomic oscillator 1 of the first embodiment. Note that the following description will focus on the differences from the first embodiment described above, and similar items will be given the same reference numerals and their description will be omitted.

原子発振器1eの原子セルユニット30eは、図9に示すように、温度制御素子36eの第2部分392が原子セル31に接して配置され、温度制御素子36eの第1部分391,393がシールド37に接して配置されている。第1の金属38a及び第2の金属38bから定電流源42までの配線となる第3の金属38c、38dは、より合されて、コイル35とシールド37との間に配置されている。 As shown in FIG. 9, in the atomic cell unit 30e of the atomic oscillator 1e, the second part 392 of the temperature control element 36e is arranged in contact with the atomic cell 31, and the first parts 391 and 393 of the temperature control element 36e are arranged in contact with the shield 37. The third metals 38c and 38d, which are the wiring from the first metal 38a and the second metal 38b to the constant current source 42, are twisted together and arranged between the coil 35 and the shield 37.

この構成によれば、第5実施形態と同様な効果が得られる。また、配線となる第3の金属38c、38dがより合されているので、配線による電流磁場の発生を抑えることができ、安定した発振特性を得ることができる。 This configuration provides the same effects as the fifth embodiment. In addition, because the third metals 38c and 38d that form the wiring are twisted together, it is possible to suppress the generation of a current magnetic field due to the wiring, and stable oscillation characteristics can be obtained.

7.第7実施形態
次に、第7実施形態に係る原子発振器1fについて、図10を参照して説明する。
図10は、第7実施形態に係る原子セルユニット30fを模式的に示す断面図である。
7. Seventh Embodiment Next, an atomic oscillator 1f according to a seventh embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 10 is a cross-sectional view that illustrates a schematic view of an atom cell unit 30f according to the seventh embodiment.

本実施形態の原子発振器1fは、第1実施形態の原子発振器1に比べ、原子セルユニット30fの構成と温度制御素子36fの構成が異なること以外は、第1実施形態の原子発振器1と同様である。なお、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。 The atomic oscillator 1f of this embodiment is similar to the atomic oscillator 1 of the first embodiment, except that the configuration of the atomic cell unit 30f and the configuration of the temperature control element 36f are different from those of the atomic oscillator 1 of the first embodiment. Note that the following description will focus on the differences from the first embodiment described above, and similar items will be given the same reference numerals and their description will be omitted.

原子発振器1fの原子セルユニット30fは、図10に示すように、原子セル31を覆う円筒状の第1の金属70aと、原子セル31及び受光素子32を覆う円筒状の第2の金属70bと、で構成される温度制御素子36fが配置されている。第1の金属70aと第2の金属70bとは、原子セル31の長手方向の中央部で接合されており、この接合部が第2部分392として原子セル31に接している。第1の金属70aの第2部分392とは反対側の端部が第1部分391であり、第2の金属70bの第2部分392とは反対側の端部が第1部分393であり、それぞれヒーター33により加熱されているシールド37に接しているので、ペルチェ効果を利用し、シールド37と接する第1部分391,393の温度を基準にし、第2部分392と一定の温度差をつけることができる。 As shown in FIG. 10, the atomic cell unit 30f of the atomic oscillator 1f is provided with a temperature control element 36f composed of a cylindrical first metal 70a covering the atomic cell 31 and a cylindrical second metal 70b covering the atomic cell 31 and the light receiving element 32. The first metal 70a and the second metal 70b are joined at the center of the atomic cell 31 in the longitudinal direction, and this joint is in contact with the atomic cell 31 as the second part 392. The end of the first metal 70a opposite to the second part 392 is the first part 391, and the end of the second metal 70b opposite to the second part 392 is the first part 393, which are in contact with the shield 37 heated by the heater 33, respectively, so that a certain temperature difference can be created between the first part 391 and the second part 392 by utilizing the Peltier effect and the temperature of the first part 391 and 393 in contact with the shield 37 as a reference.

この構成によれば、線材などに比べて熱容量の大きい形状の第1の金属70aと第2の金属70bとで、原子セル31を覆っているので、原子セル31の温度分布を安定に維持した状態で、原子セル31の第2部分392に接する部分を冷却することができる。 With this configuration, the atomic cell 31 is covered with the first metal 70a and the second metal 70b, which have a shape with a larger heat capacity than wire material or the like, so that the portion of the atomic cell 31 that contacts the second portion 392 can be cooled while maintaining a stable temperature distribution of the atomic cell 31.

8.第8実施形態
次に、第8実施形態に係る原子発振器1gについて、図11を参照して説明する。
図11は、第8実施形態に係る原子セルユニット30gを模式的に示す断面図である。
8. Eighth Embodiment Next, an atomic oscillator 1g according to an eighth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view that illustrates a schematic diagram of an atomic cell unit 30g according to the eighth embodiment.

本実施形態の原子発振器1gは、第1実施形態の原子発振器1に比べ、原子セルユニット30gと温度制御素子36gの構成の構成が異なること以外は、第1実施形態の原子発振器1と同様である。なお、前述した第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項は同じ符号を付してその説明を省略する。 The atomic oscillator 1g of this embodiment is similar to the atomic oscillator 1 of the first embodiment, except that the atomic cell unit 30g and the temperature control element 36g are different in configuration compared to the atomic oscillator 1 of the first embodiment. Note that the following description will focus on the differences from the first embodiment described above, and similar items will be given the same reference numerals and their description will be omitted.

原子発振器1gの原子セルユニット30gは、図11に示すように、コイルで構成されている温度制御素子36gが原子セル31とヒーター33との間に配置されている。温度制御素子36gは、第1の金属35aと、第2の金属35bと、第3の金属35c、35dと、でコイルを構成している。第1の金属35aと第2の金属35bとは、原子セル31の長手方向の中央部で接合されており、この接合部が第2部分392となる。第2部分392と原子セル31との間には、第2部分392と原子セル31とに接する伝熱部材74が配置されている。第1の金属35aの第2部分392とは反対側の端部の第1部分391に第3の金属35cが接合され、第2の金属35bの第2部分392とは反対側の端部の第1部分393に第3の金属35dが接合されている。第1部分391,393がヒーター33により加熱されて第1温度T1となるので、ペルチェ効果を利用し、第1部分391,393の温度を基準にし、第2部分392と一定の温度差をつけることができる。そのため、第2部分392に接している伝熱部材74を冷却し、原子セル31の伝熱部材74に接している一部を冷却することができる。 As shown in FIG. 11, the atomic cell unit 30g of the atomic oscillator 1g has a temperature control element 36g, which is composed of a coil, arranged between the atomic cell 31 and the heater 33. The temperature control element 36g is composed of a coil made of a first metal 35a, a second metal 35b, and third metals 35c and 35d. The first metal 35a and the second metal 35b are joined at the center of the longitudinal direction of the atomic cell 31, and this joint becomes the second part 392. A heat transfer member 74 is arranged between the second part 392 and the atomic cell 31, which contacts the second part 392 and the atomic cell 31. The third metal 35c is joined to the first part 391 at the end opposite the second part 392 of the first metal 35a, and the third metal 35d is joined to the first part 393 at the end opposite the second part 392 of the second metal 35b. Since the first parts 391 and 393 are heated by the heater 33 to a first temperature T1, the Peltier effect can be used to set the temperature of the first parts 391 and 393 as a reference and create a certain temperature difference with the second part 392. Therefore, the heat transfer member 74 in contact with the second part 392 can be cooled, and the part of the atomic cell 31 in contact with the heat transfer member 74 can be cooled.

この構成によれば、温度制御素子36gで磁場を発生させるコイルを構成しているので、原子セル31内のアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、安定した発振特性を得ることができる。また、温度制御素子36gとコイルとが別である場合よりも部品点数を減らせるので、原子発振器1gの小型化及び低コスト化が図れる。 With this configuration, the temperature control element 36g forms a coil that generates a magnetic field, so that a magnetic field in a predetermined direction can be applied to the alkali metal atoms in the atomic cell 31, and stable oscillation characteristics can be obtained. In addition, the number of parts can be reduced compared to when the temperature control element 36g and the coil are separate, which allows the atomic oscillator 1g to be made smaller and less expensive.

9.第9実施形態
次に、第9実施形態に係る周波数信号生成システムについて、図12を参照して説明する。以下のクロック伝送システム(タイミングサーバー)90は、周波数信号生成システムの一例である。
図12は、第9実施形態に係る周波数信号生成システムを示す概略構成図である。
9. Ninth Embodiment Next, a frequency signal generation system according to a ninth embodiment will be described with reference to Fig. 12. A clock transmission system (timing server) 90 described below is an example of a frequency signal generation system.
FIG. 12 is a schematic configuration diagram showing a frequency signal generating system according to the ninth embodiment.

クロック伝送システム90は、本実施形態に係る原子発振器1~1gを含む。以下では、一例として、原子発振器1を含むクロック伝送システム90について説明する。 The clock transmission system 90 includes atomic oscillators 1 to 1g according to this embodiment. Below, as an example, a clock transmission system 90 including atomic oscillator 1 will be described.

クロック伝送システム90は、時分割多重方式のネットワーク内の各装置のクロックを一致させるものであって、N(Normal)系及びE(Emergency)系の冗長構成を有するシステムである。 The clock transmission system 90 synchronizes the clocks of each device in a time division multiplexing network, and is a system with a redundant configuration of an N (Normal) system and an E (Emergency) system.

クロック伝送システム90は、図12に示すように、A局が有する上位であり、N系のクロック供給装置901及びSDH(Synchronous Digital Hierarchy)装置902と、B局が有する上位であり、E系のクロック供給装置903及びSDH装置904と、C局が有する下位のクロック供給装置905及びSDH装置906,907と、を備える。クロック供給装置901は、原子発振器1を有し、N系のクロック信号を生成する。クロック供給装置901内の原子発振器1は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック908,909からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。なお、クロック供給装置901,903は、原子発振器1からの周波数信号を処理する処理部に相当する。 As shown in FIG. 12, the clock transmission system 90 includes an N-system clock supply device 901 and an SDH (Synchronous Digital Hierarchy) device 902 that are higher-level devices owned by station A, an E-system clock supply device 903 and an SDH device 904 that are higher-level devices owned by station B, and a lower-level clock supply device 905 and SDH devices 906 and 907 that are lower-level devices owned by station C. The clock supply device 901 has an atomic oscillator 1 and generates an N-system clock signal. The atomic oscillator 1 in the clock supply device 901 generates a clock signal in synchronization with a more accurate clock signal from master clocks 908 and 909 that include atomic oscillators using cesium. The clock supply devices 901 and 903 correspond to processing units that process the frequency signal from the atomic oscillator 1.

SDH装置902は、クロック供給装置901からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、N系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置905に伝送する。クロック供給装置903は、原子発振器1を有し、E系のクロック信号を生成する。クロック供給装置903内の原子発振器1は、セシウムを用いた原子発振器を含むマスタークロック908,909からのより高精度なクロック信号と同期して、クロック信号を生成する。 The SDH device 902 transmits and receives a main signal based on the clock signal from the clock supply device 901, and also superimposes an N-system clock signal onto the main signal and transmits it to the subordinate clock supply device 905. The clock supply device 903 has an atomic oscillator 1 and generates an E-system clock signal. The atomic oscillator 1 in the clock supply device 903 generates a clock signal in synchronization with a more accurate clock signal from master clocks 908 and 909, which include atomic oscillators using cesium.

SDH装置904は、クロック供給装置903からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行うとともに、E系のクロック信号を主信号に重畳し、下位のクロック供給装置905に伝送する。クロック供給装置905は、クロック供給装置901,903からのクロック信号を受信し、その受信したクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。 The SDH device 904 transmits and receives the main signal based on the clock signal from the clock supply device 903, and also superimposes the E-system clock signal onto the main signal and transmits it to the downstream clock supply device 905. The clock supply device 905 receives the clock signals from the clock supply devices 901 and 903, and generates a clock signal in synchronization with the received clock signal.

クロック供給装置905は、通常、クロック供給装置901からのN系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。そして、N系に異常が発生した場合、クロック供給装置905は、クロック供給装置903からのE系のクロック信号に同期して、クロック信号を生成する。このようにN系からE系に切り換えることにより、安定したクロック供給を担保し、クロックパス網の信頼性を高めることができる。SDH装置906は、クロック供給装置905からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。同様に、SDH装置907は、クロック供給装置905からのクロック信号に基づいて、主信号の送受信を行う。これにより、C局の装置をA局又はB局の装置と同期させることができる。 The clock supply device 905 normally generates a clock signal in synchronization with the N system clock signal from the clock supply device 901. If an abnormality occurs in the N system, the clock supply device 905 generates a clock signal in synchronization with the E system clock signal from the clock supply device 903. By switching from the N system to the E system in this way, a stable clock supply is ensured and the reliability of the clock path network can be improved. The SDH device 906 transmits and receives the main signal based on the clock signal from the clock supply device 905. Similarly, the SDH device 907 transmits and receives the main signal based on the clock signal from the clock supply device 905. This allows the equipment at station C to be synchronized with the equipment at stations A and B.

本実施形態に係る周波数信号生成システムは、クロック伝送システム90に限定されない。周波数信号生成システムは、原子発振器1が搭載され、原子発振器1の周波数信号を利用する各種の装置及び複数の装置から構成されるシステムを含む。 The frequency signal generation system according to this embodiment is not limited to the clock transmission system 90. The frequency signal generation system includes various devices and systems that are equipped with an atomic oscillator 1 and use the frequency signal of the atomic oscillator 1, and are composed of multiple devices.

本実施形態に係る周波数信号生成システムは、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、デジタルスチルカメラ、液体吐出装置(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、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、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、心磁計)、魚群探知機、GNSS(Global Navigation Satellite System)周波数標準器、各種測定機器、計器類(例えば、自動車、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター、地上デジタル放送システム、携帯電話基地局、移動体(自動車、航空機、船舶等)であってもよい。 The frequency signal generating system according to this embodiment may be, for example, a smartphone, a tablet terminal, a watch, a mobile phone, a digital still camera, a liquid ejection device (e.g., an inkjet printer), a personal computer, a television, a video camera, a video tape recorder, a car navigation device, a pager, an electronic organizer, an electronic dictionary, a calculator, an electronic game device, a word processor, a workstation, a videophone, a security television monitor, an electronic binoculars, a POS (point of sales) terminal, a medical device (e.g., an electronic thermometer, a blood pressure monitor, a blood glucose meter, an electrocardiogram measuring device, an ultrasonic diagnostic device, an electronic endoscope, a magnetocardiograph), a fish finder, a GNSS (Global Navigation Satellite System) frequency standard, various measuring instruments, instruments (e.g., instruments in automobiles, aircraft, ships), a flight simulator, a terrestrial digital broadcasting system, a mobile phone base station, a moving object (automobiles, aircraft, ships, etc.).

以下、実施形態から導き出される内容を記載する。 The following is a summary of what can be derived from the embodiment:

原子発振器は、発光素子と、アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子から出射された光が入射する原子セルと、前記原子セルを覆い、前記原子セルを第1温度に加熱するヒーターと、前記ヒーターによって前記第1温度に加熱される第1部分と、前記原子セルに接し、ペルチェ効果によって前記第1温度よりも低い第2温度に制御される第2部分と、を含み、前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置される温度制御素子と、前記原子セルを透過した光を検出する受光素子と、を含む。 The atomic oscillator includes a light-emitting element, an atomic cell that contains alkali metal atoms and receives the light emitted from the light-emitting element, a heater that covers the atomic cell and heats the atomic cell to a first temperature, a first portion that is heated to the first temperature by the heater, and a second portion that is in contact with the atomic cell and is controlled to a second temperature lower than the first temperature by the Peltier effect, and includes a temperature control element disposed between the heater and the atomic cell, and a light-receiving element that detects the light that has passed through the atomic cell.

この構成によれば、ヒーターで温度を安定させた内側に原子セルを配置するので、原子セルの温度が外気の温度の影響を受け難い。また、冷却にペルチェ効果を利用してヒーターの温度を基準に第1部分と第2部分との間に一定の温度差をつけることで、ヒーターの内側で原子セルの一部を冷却してもヒーターの温度が変動し難くできるので、原子セルの温度分布を安定にすることができる。そのため、高精度な原子発振器を得ることができる。 With this configuration, the atomic cell is placed inside the heater, where the temperature is stabilized, so the temperature of the atomic cell is less susceptible to the effects of the outside air temperature. In addition, by using the Peltier effect for cooling to create a constant temperature difference between the first and second parts based on the heater temperature, the heater temperature is less likely to fluctuate even if part of the atomic cell is cooled inside the heater, so the temperature distribution of the atomic cell can be stabilized. As a result, a highly accurate atomic oscillator can be obtained.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子に接続されている定電流源を含むことが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable to include a constant current source connected to the temperature control element.

この構成によれば、温度制御素子が定電流源に接続されているため、ペルチェ効果を利用して温度制御素子の原子セルと接する第2部分を安定して第2温度に制御することができる。 With this configuration, since the temperature control element is connected to a constant current source, the second part of the temperature control element that contacts the atomic cell can be stably controlled to the second temperature by utilizing the Peltier effect.

上記の原子発振器において、前記原子セルの光が入射する面の温度、及び、前記原子セルの光が出射する面の温度は、前記第2温度よりも高いことが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the temperature of the surface of the atomic cell where the light enters and the temperature of the surface of the atomic cell where the light exits are higher than the second temperature.

この構成によれば、原子セルの光が入射する面の温度、及び、原子セルの光が出射する面の温度が第2温度よりも高いため、2つの面に気体のアルカリ金属原子が液化して付着しないので、光を遮ることがなく、安定した発振特性を得ることができる。 With this configuration, the temperature of the surface of the atomic cell where the light enters and the temperature of the surface of the atomic cell where the light exits are higher than the second temperature, so the gaseous alkali metal atoms do not liquefy and adhere to the two surfaces, and stable oscillation characteristics can be obtained without blocking the light.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子は、第1温度制御面、第2温度制御面、及び前記第1温度制御面と前記第2温度制御面とを接続する半導体層を含むペルチェ素子であり、前記第1部分は、前記ペルチェ素子の前記第1温度制御面であり、前記第2部分は、前記ペルチェ素子の前記第2温度制御面であり、前記ヒーターから前記原子セルに向かって、前記第1部分、前記半導体層、前記第2部分の順に並んでいることが好ましい。 In the above atomic oscillator, the temperature control element is a Peltier element including a first temperature control surface, a second temperature control surface, and a semiconductor layer connecting the first temperature control surface and the second temperature control surface, and the first part is the first temperature control surface of the Peltier element, and the second part is the second temperature control surface of the Peltier element, and it is preferable that the first part, the semiconductor layer, and the second part are arranged in this order from the heater toward the atomic cell.

この構成によれば、温度制御素子がヒーターから原子セルに向かって、第1部分、半導体層、第2部分の順に並んでいるので、第1温度となる第1温度制御面と第2温度制御面との間にペルチェ効果により温度差を発生させることができ、原子セルと接する第2温度制御面によって吸熱させることができる。従って、原子セルの温度分布を安定に維持した状態で、原子セルの一部を冷却することができる。 According to this configuration, the temperature control element is arranged from the heater toward the atomic cell in the order of the first portion, the semiconductor layer, and the second portion, so that a temperature difference can be generated between the first temperature control surface, which is at the first temperature, and the second temperature control surface by the Peltier effect, and heat can be absorbed by the second temperature control surface that is in contact with the atomic cell. Therefore, a part of the atomic cell can be cooled while maintaining a stable temperature distribution in the atomic cell.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子は、第1の金属と、前記第1の金属とは異なる第2の金属と、を含み、前記第2部分は、前記第1の金属と前記第2の金属との接合部であることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the temperature control element includes a first metal and a second metal different from the first metal, and the second portion is a junction between the first metal and the second metal.

この構成によれば、温度制御素子の第1の金属と第2の金属との接合部である第2部分を原子セルに接することで、ペルチェ効果により第2部分が原子セルの熱を吸熱し、原子セルの温度分布を安定に維持した状態で、原子セルの一部を冷却することができる。 According to this configuration, by contacting the second part, which is the junction between the first metal and the second metal of the temperature control element, with the atomic cell, the second part absorbs heat from the atomic cell due to the Peltier effect, and a part of the atomic cell can be cooled while maintaining a stable temperature distribution of the atomic cell.

上記の原子発振器において、前記第1部分は、前記第1の金属の前記ヒーターに接する部分、及び、前記第2の金属の前記ヒーターに接する部分であることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the first portion is a portion of the first metal that contacts the heater and a portion of the second metal that contacts the heater.

この構成によれば、第1の金属の前記ヒーターに接する部分、及び、第2の金属の前記ヒーターに接する部分である第1部分において、ペルチェ効果を利用し、ヒーター側の第1部分の温度を基準にし、第2部分と一定の温度差をつけることができるので、原子セルの温度分布を安定に維持した状態で、原子セルの第2部分と接する部分を冷却することができる。 With this configuration, the Peltier effect can be used in the portion of the first metal that contacts the heater and the first portion, which is the portion of the second metal that contacts the heater, to create a constant temperature difference between the second portion and the temperature of the first portion on the heater side as the reference temperature, so that the portion of the atomic cell that contacts the second portion can be cooled while maintaining a stable temperature distribution in the atomic cell.

上記の原子発振器において、前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置され、前記ヒーターによって前記第1温度に加熱されているシールドを含み、前記第1部分は、前記第1の金属の前記シールドに接する部分であることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the oscillator includes a shield that is disposed between the heater and the atomic cell and is heated to the first temperature by the heater, and the first portion is a portion of the first metal that contacts the shield.

この構成によれば、第1の金属の第1部分がヒーターにより第1温度に加熱されているシールドに接しているので、ペルチェ効果を利用し、シールドと接する第1部分の温度を基準にし、第2部分と一定の温度差をつけることができる。そのため、原子セルの温度分布を安定に維持した状態で、原子セルの第2部分と接する部分を冷却することができる。 With this configuration, the first portion of the first metal is in contact with the shield that is heated to the first temperature by the heater, so that the Peltier effect can be used to set the temperature of the first portion in contact with the shield as the reference temperature and create a constant temperature difference with the second portion. Therefore, the portion of the atomic cell in contact with the second portion can be cooled while maintaining a stable temperature distribution of the atomic cell.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子は、磁場を発生させるコイルであることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the temperature control element is a coil that generates a magnetic field.

この構成によれば、温度制御素子で磁場を発生させるコイルを構成することで、原子セル内のアルカリ金属原子に所定方向の磁場を印加し、安定した発振特性を得ることができる。また、温度制御素子とコイルとが別である場合よりも部品点数を減らせるので、原子発振器の小型化及び低コスト化が図れる。 With this configuration, by configuring a coil that generates a magnetic field with the temperature control element, a magnetic field in a specified direction can be applied to the alkali metal atoms in the atomic cell, resulting in stable oscillation characteristics. In addition, the number of parts can be reduced compared to when the temperature control element and the coil are separate, making it possible to reduce the size and cost of the atomic oscillator.

上記の原子発振器において、前記温度制御素子の前記第1部分と前記定電流源とは、第3の金属で接続されていることが好ましい。 In the above atomic oscillator, it is preferable that the first portion of the temperature control element and the constant current source are connected by a third metal.

この構成によれば、第1部分と定電流源とが第3の金属で接続されているため、第3の金属に安価な材料を用いることで、原子発振器の低コスト化が図れる。 With this configuration, the first portion and the constant current source are connected by the third metal, so that the cost of the atomic oscillator can be reduced by using an inexpensive material for the third metal.

周波数信号生成システムは、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、発光素子と、アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子から出射された光が入射する原子セルと、前記原子セルを覆い、前記原子セルを第1温度に加熱するヒーターと、前記ヒーターによって前記第1温度に加熱される第1部分と、前記原子セルに接し、ペルチェ効果によって前記第1温度よりも低い第2温度に制御される第2部分と、を含み、前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置される温度制御素子と、前記原子セルを透過した光を検出する受光素子と、を含む。 The frequency signal generating system includes an atomic oscillator and a processing unit that processes a frequency signal from the atomic oscillator. The atomic oscillator includes a light-emitting element, an atomic cell that contains alkali metal atoms and receives light emitted from the light-emitting element, a heater that covers the atomic cell and heats the atomic cell to a first temperature, a first portion that is heated to the first temperature by the heater, and a second portion that is in contact with the atomic cell and is controlled to a second temperature lower than the first temperature by the Peltier effect. The system also includes a temperature control element disposed between the heater and the atomic cell, and a light-receiving element that detects light that has passed through the atomic cell.

この構成によれば、高精度の原子発振器を備えているため、高性能な周波数信号生成システムを提供することができる。 This configuration provides a high-performance frequency signal generation system because it is equipped with a high-precision atomic oscillator.

1,1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g…原子発振器、10…発光素子、11…光源基板、20…光学系ユニット、21…減光フィルター、22…レンズ、23…1/4波長板、24…ホルダー、30…原子セルユニット、31…原子セル、32…受光素子、33…ヒーター、34…温度センサー、35…コイル、36…温度制御素子、37…シールド、40…制御ユニット、41…温度制御回路、42…定電流源、43…磁場制御回路、44…光源制御回路、45…回路基板、50…外容器、51…外基部、52…外蓋部、53…断熱部材、54…リードピン、60…液体のアルカリ金属原子、90…周波数信号生成システムとしてのクロック伝送システム、361…第1部分、362…半導体層、363…第2部分、LA…光軸、LL…光、M1…面、M2…面、P1…第1温度制御面、P2…第2温度制御面、S…内部空間、T1…第1温度、T2…第2温度。 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g... atomic oscillator, 10... light emitting element, 11... light source substrate, 20... optical system unit, 21... neutral density filter, 22... lens, 23... quarter wave plate, 24... holder, 30... atomic cell unit, 31... atomic cell, 32... light receiving element, 33... heater, 34... temperature sensor, 35... coil, 36... temperature control element, 37... shield, 40... control unit, 41... temperature control circuit, 42... constant current source, 43... magnetic field control control circuit, 44...light source control circuit, 45...circuit board, 50...outer container, 51...outer base, 52...outer lid, 53...insulating material, 54...lead pin, 60...liquid alkali metal atoms, 90...clock transmission system as frequency signal generation system, 361...first part, 362...semiconductor layer, 363...second part, LA...optical axis, LL...light, M1...surface, M2...surface, P1...first temperature control surface, P2...second temperature control surface, S...internal space, T1...first temperature, T2...second temperature.

Claims (10)

発光素子と、
アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子から出射された光が入射する原子セルと、
前記原子セルを覆い、前記原子セルを第1温度に加熱するヒーターと、
前記ヒーターによって前記第1温度に加熱される第1部分と、前記原子セルに接し、ペルチェ効果によって前記第1温度よりも低い第2温度に制御される第2部分と、を含み、前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置される温度制御素子と、
前記原子セルを透過した光を検出する受光素子と、を含
前記アルカリ金属原子の少なくとも一部が液体状態で前記原子セル内に存在する、原子発振器。
A light-emitting element;
an atomic cell that contains alkali metal atoms and into which the light emitted from the light-emitting element is incident;
a heater covering the atomic cell and heating the atomic cell to a first temperature;
a temperature control element including a first portion heated to the first temperature by the heater and a second portion in contact with the atomic cell and controlled to a second temperature lower than the first temperature by a Peltier effect, the temperature control element being disposed between the heater and the atomic cell;
a light receiving element that detects light transmitted through the atomic cell ,
At least a portion of the alkali metal atoms are present in the atomic cell in a liquid state .
前記温度制御素子に接続されている定電流源を含む、請求項1に記載の原子発振器。 The atomic oscillator of claim 1, including a constant current source connected to the temperature control element. 前記原子セルの光が入射する面の温度、及び、前記原子セルの光が出射する面の温度は、前記第2温度よりも高い、請求項1又は請求項2に記載の原子発振器。 The atomic oscillator according to claim 1 or 2, wherein the temperature of the surface of the atomic cell on which the light enters and the temperature of the surface of the atomic cell from which the light exits are higher than the second temperature. 前記温度制御素子は、第1温度制御面、第2温度制御面、及び前記第1温度制御面と前記第2温度制御面とを接続する半導体層を含むペルチェ素子であり、
前記第1部分は、前記ペルチェ素子の前記第1温度制御面であり、
前記第2部分は、前記ペルチェ素子の前記第2温度制御面であり、
前記ヒーターから前記原子セルに向かって、前記第1部分、前記半導体層、前記第2部分の順に並んでいる、請求項1乃至請求項3の何れか一項に記載の原子発振器。
the temperature control element is a Peltier element including a first temperature control surface, a second temperature control surface, and a semiconductor layer connecting the first temperature control surface and the second temperature control surface,
the first portion being the first temperature control surface of the Peltier element;
the second portion being the second temperature control surface of the Peltier element;
4. The atomic oscillator according to claim 1, wherein the first portion, the semiconductor layer, and the second portion are arranged in this order from the heater toward the atomic cell.
前記温度制御素子は、第1の金属と、前記第1の金属とは異なる第2の金属と、を含み、
前記第2部分は、前記第1の金属と前記第2の金属との接合部である、請求項2に記載の原子発振器。
the temperature control element includes a first metal and a second metal different from the first metal;
The atomic oscillator according to claim 2 , wherein the second portion is a junction between the first metal and the second metal.
前記第1部分は、前記第1の金属の前記ヒーターに接する部分、及び、前記第2の金属の前記ヒーターに接する部分である、請求項5に記載の原子発振器。 The atomic oscillator of claim 5, wherein the first portion is a portion of the first metal that contacts the heater and a portion of the second metal that contacts the heater. 前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置され、前記ヒーターによって前記第1温度に加熱されているシールドを含み、
前記第1部分は、前記第1の金属の前記シールドに接する部分である、請求項5に記載の原子発振器。
a shield disposed between the heater and the atomic cell and heated to the first temperature by the heater;
6. The atomic oscillator according to claim 5, wherein the first portion is a portion of the first metal that contacts the shield.
前記温度制御素子は、磁場を発生させるコイルである、請求項5に記載の原子発振器。 The atomic oscillator of claim 5, wherein the temperature control element is a coil that generates a magnetic field. 前記温度制御素子の前記第1部分と前記定電流源とは、第3の金属で接続されている、請求項5乃至請求項8の何れか一項に記載の原子発振器。 The atomic oscillator according to any one of claims 5 to 8, wherein the first portion of the temperature control element and the constant current source are connected by a third metal. 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、
発光素子と、
アルカリ金属原子が収容され、前記発光素子から出射された光が入射する原子セルと、
前記原子セルを覆い、前記原子セルを第1温度に加熱するヒーターと、
前記ヒーターによって前記第1温度に加熱される第1部分と、前記原子セルに接し、ペルチェ効果によって前記第1温度よりも低い第2温度に制御される第2部分と、を含み、前記ヒーターと前記原子セルとの間に配置される温度制御素子と、
前記原子セルを透過した光を検出する受光素子と、を含
前記アルカリ金属原子の少なくとも一部が液体状態で前記原子セル内に存在する、周波数信号生成システム。
An atomic oscillator;
A processing unit that processes a frequency signal from the atomic oscillator,
The atomic oscillator comprises:
A light-emitting element;
an atomic cell that contains alkali metal atoms and into which light emitted from the light-emitting element is incident;
a heater covering the atomic cell and heating the atomic cell to a first temperature;
a temperature control element including a first portion heated to the first temperature by the heater and a second portion in contact with the atomic cell and controlled to a second temperature lower than the first temperature by a Peltier effect, the temperature control element being disposed between the heater and the atomic cell;
a light receiving element that detects light transmitted through the atomic cell ,
At least a portion of the alkali metal atoms are present in the atomic cell in a liquid state .
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