JPWO2018096730A1 - 原子発振器および電子機器 - Google Patents
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Abstract
本発明の目的は、減光フィルタ自体を不要、または少なくとも減光特性の高い減光フィルタを不要とする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。本発明は、光源（１）と、アルカリ金属原子が封入された内部空間（２ａ）を有するガスセル（２）と、光源（１）から出射され、ガスセル（２）を透過した光を検出する光検出器（３）とを備える原子発振器（１００）である。内部空間（２ａ）に封入したアルカリ金属原子（１０）を液体の状態または固体の状態として少なくとも入射窓（２Ｆ）に付着させることにより、入射窓（２Ｆ）に入射する光を減光する。
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２０１３−２３９６１１号公報）に開示されている。
特許文献１に開示されている原子発振器では、光源である半導体レーザとガスセルとの間に減光フィルタ（ＮＤフィルタ）を設けている。減光フィルタは、半導体レーザの出射光の一部のみを透過させ、減光フィルタを透過した光がガスセルに入射する。一般的に、半導体レーザを原子発振器に用いた場合、最適なＥＩＴ信号を得るために必要とされる光強度以上の光がガスセルに入射されるので、ガスセルに入射する光を調整する減光フィルタが必須の構成となっている。
しかし、特許文献１に開示されている原子発振器では、光源とガスセルとの間に減光フィルタを設ける必要があるため、部品点数が多くなるという問題があった。また、原子発振器に減光フィルタを用いる場合であっても、減光フィルタのみで最適なＥＩＴ信号を得るために必要とされる光強度まで減光するには、減光特性の高い減光フィルタが必要となる。特に減光フィルタに吸収型を採用した場合、減光特性が厚みに依存するため高い減光特性を得るためには厚い減光フィルタが必要となる。その結果、特許文献１に開示されている原子発振器では、減光フィルタを小型化できない問題があった。
そこで、本発明の目的は、減光フィルタ自体を不要、または少なくとも減光特性の高い減光フィルタを不要とする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、ガスセルは、光源からの光を入射する入射窓と、光検出部に光を出射する出射窓と、入射窓と出射窓とを保持する側壁と含み、内部空間に封入したアルカリ金属原子を液体の状態または固体の状態として少なくとも入射窓に付着させることにより、入射窓に入射する光を減光する。
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、少なくとも入射窓に内部空間に封入したアルカリ金属原子を液体の状態または固体の状態として付着させることにより、入射窓に入射する光を減光するので、減光フィルタ自体を不要、または少なくとも減光特性の高い減光フィルタを不要とすることができる。
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１から光検出器３までは量子部について図示してある。原子発振器１００は、量子部以外に、後述する光源波長制御回路７および周波数制御回路８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。
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１から光検出器３までは量子部について図示してある。原子発振器１００は、量子部以外に、後述する光源波長制御回路７および周波数制御回路８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、光学部材４、波長板５およびヒータ９ａで構成されている。原子発振器１００は、光源１からの光１Ａを光学部材４および波長板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。原子発振器１００を原子時計に用いるのであれば、温度コントロール回路６は、光源１を３０℃〜１２５℃辺りの温度範囲で調節する。なお、温度コントロール回路６は、光源１の近くに配置されたサーミスタや熱電対などのセンサ（図示せず）によって温度を測定しながら光源１の温度を調節している。
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。ＣＳＡＣ（Chip-Scale Atomic Clock）用途の原子発振器１００に用いる光源１には、動作電流として０．８〜２ｍＡ程度のＶＣＳＥＬが用いられる。本実施の形態１に係る光源１では、ＶＣＳＥＬの動作温度を７６．９℃、動作電流（ＤＣ電流値）を１．１ｍＡとして実験を行っている。また、光源１のＶＣＳＥＬは、入力側にバイアス・ティ（Bias Tees）を設け、当該バイアス・ティでＤＣ電流と４．５９６３１５８８５ＧＨｚのＲＦ信号とを合成した信号を入力側に入力している。そのため、光源１のＶＣＳＥＬは、周波数変調することでＣｓの遷移周波数である９．１９２６３１７７０ＧＨｚ差を持つ２つの光を１次のサイドバンドで作り出している。ＲＦ信号の信号強度は、ＶＣＳＥＬまでの配線やＶＣＳＥＬ自体のインピーダンス、ＤＣ電流、動作温度によって最適値が異なるため測定系によって大きく値が異なる。本実施の形態１に係る光源１では、ＥＩＴ信号の信号強度（ピークの信号強度とボトムの信号強度との差）が最大となるように調整している。ＥＩＴ信号の信号強度が最大となる条件が、ＶＣＳＥＬからの光の１次のサイドバンドの強度が最大になる周波数変調に相当する。ＶＣＳＥＬを周波数変調した場合、１次のサイドバンド以外にキャリア成分や２次以降の高次モードの成分も発生するが、これらの成分はノイズ要因となるため１次のサイドバンド以外の成分はなるべく抑圧することが望ましい。
原子発振器１００は、光源１とガスセル２の間にレンズ等の光学部材４を配置してある。光学部材４は、光源１から出射された拡散光を平行（コリメート）光にしたり、スポット径を変えたりとガスセル２に入射する光形状を調整するために用いられる。本実施の形態１に係る光学部材４では、スポット径が２ｍｍとなるようにコリメータレンズを使用している。なお、光源１のスポット径は、ピークの光強度に対して１／ｅ２の光強度となる範囲とする一般的な定義を用いている。原子発振器１００では、光学部材４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。
さらに、原子発振器１００は、光源１とガスセル２の間に波長板５を配置してある。波長板５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５を用いて光源１からの直線偏光の光を波長板５で円偏光の光に変えてガスセル２に入射している。本実施の形態１に係る波長板５では、右回り円偏光となるように波長板を配置している。なお、ガスセル２に入射する円偏光は、右回り円偏光でも左回り円偏光でもよい。
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９ａ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ガスがガスセル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原子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。
さらに、本実施の形態１に係るガスセル２では、ヒータ９ａを用いて内部空間２ａ内に留まる固体または液体の状態のアルカリ金属原子を、入射窓に集めて付着させている。具体的に、アルカリ金属原子が相対的に温度の低い領域に固体または液体の状態となって集まる性質を利用して、ガスセル２の出射窓に設けたヒータ９ａで出射窓を加熱して、出射窓に対して入射窓の温度を低くして、アルカリ金属原子を入射窓に集めて付着させている。図３は、本発明の実施の形態１に係るガスセル２内の状態を説明するための図である。図３に示すガスセル２では、光源１から出た光１Ａを遮らない出射窓２Ｒの位置にヒータ９ａが設けられている。具体的に、ヒータ９ａは、出射窓２Ｒにおける光１Ａの光軸の周辺部に設けられている。ガスセル２は、ヒータ９ａでガスセル２を加熱することで出射窓２Ｒに対して入射窓２Ｆの温度が低くなるような温度勾配を内部空間２ａに生じさせる。そのため、出射窓２Ｒ側に対して入射窓２Ｆ側の飽和蒸気圧の量が小さくなり、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が入射窓２Ｆに多く集まることになる。つまり、気化したアルカリ金属原子１０は、出射窓２Ｒ側に比べ温度の低い入射窓２Ｆ側で冷却されることで凝集し、固体または液体の状態となる。なお、ヒータ９ａは、通常、ガスセル２内に封入してあるアルカリ金属ガスの原子数量を確保するためにガスセル２を高温に加熱しているが、本実施の形態１では固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに集めるためにも使用している。もちろん、アルカリ金属ガスの原子数量を確保するためのヒータと、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに集めるためのヒータとを分けてガスセル２に設けてもよい。
従来の原子発振器では、光路上に固体または液体の状態のアルカリ金属原子が集まらないようにして光源から光検出器３に至る光を妨げないようにガスセルが設計されていた。しかし、本実施の形態１に係るガスセル２では、固体または液体の状態のアルカリ金属原子が光を減光する特性を有していることを利用して、入射窓２Ｆに集めた固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして用いている。つまり、本実施の形態１に係る原子発振器１００では、光源１からの光の強度を減衰させる減光フィルタに代えて、図３に示すガスセル２の入射窓２Ｆに集めた固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして利用している。
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に用いる部材は、光源１からの光をなるべく透過させる高透過率の部材が望ましく、ＡＲコート等反射防止加工を行ってもよい。
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，Ｎ２，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Ｎ２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６７℃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原子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）を用いて発生させ、光軸方向に約１００ｍＧの磁場として印加されている。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、前述したようにガスセル２の入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子を集めて付着させて減光フィルタとして用いている（図３参照）。以下、実験結果を示しながら本実施の形態１に係る原子発振器１００について説明する。図３に示すガスセル２の入射窓２Ｆには、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０（例えば、Ｃｓ）が集まっている。そのため、ガスセル２の入射窓２Ｆに入射した光は、アルカリ金属原子１０で散乱または吸収されるため、入射窓２Ｆに入射した光の透過率は低下する。なお、以下の説明では、アルカリ金属原子１０としてＣｓを用いた実験結果を示しているが、Ｋ，Ｎａ，Ｒｂなどのアルカリ金属原子を用いても同様の効果が得られる。
図４は、光源１からの光の透過率と光検出器３での信号強度との関係を説明するための図である。図４では、横軸を透過率（％）に、縦軸を信号強度（Ｖ）にそれぞれ設定してある。図４に示すように、入射窓２Ｆにアルカリ金属原子１０を多く集めるほど透過率が低下し、それに伴い光検出器３で検出される光の強度が低下する。なお、図４では、アルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆ側に集めた場合の測定結果を点Ｆ、アルカリ金属原子１０を出射窓２Ｒ側に集めた場合の測定結果を点Ｒとしてそれぞれ示している。光源１からの光の透過率と光検出器３での信号強度との関係は、アルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆ側に集めても、出射窓２Ｒ側に集めてもほぼ同じ結果となっている。
次に、原子発振器１００で得られるＥＩＴ信号は、ＥＩＴ信号の線幅が細いほど良好である。しかし、ＥＩＴ信号の線幅が太くなる理由としてパワーブロードニングと、ライトシフトとがある。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、光源とガスセルとの間に減光フィルタを配置することで、ガスセルに入射する光の強度を減衰させてパワーブロードニングを抑制することができる。
次に、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。つまり、ライトシフトは、ＥＩＴ信号を発生させる周波数が光の影響でわずかに変動する。また、ライトシフトは、入射する光の強度の変化にも影響を受けるため、減光フィルタで入射する光の強度を減衰させておくことで、光源１の変化に対してガスセル２に入射する光の強度の変化を小さくしてライトシフトを抑制することができる。
原子発振器１００は、ＥＩＴ信号の線幅が細い良好なＥＩＴ信号を得るために、パワーブロードニングおよびライトシフトを抑制する必要がある。従来の原子発振器では、ガスセルに入射する光の強度を減光フィルタで減衰していたが、原子発振器１００では、図３のようにアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆ側に付着させ減光フィルタとして用いることで、ガスセル２に入射する光の強度を減衰させている（図４参照）。
具体的に、アルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆ側に集めることで、ＥＩＴ信号の線幅が細い良好なＥＩＴ信号を得ることを説明する。図５は、光源からの光の透過率とＥＩＴ信号の線幅との関係を説明するための図である。図５では、横軸を透過率（％）に、縦軸を線幅（Ｈｚ）にそれぞれ設定してある。図５に示すように、アルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆ側に集め透過率を低下させるとＥＩＴ信号の線幅が細くなっている（点Ｆ）。例えば、点Ｆは、透過率が１００％（減光率０％）のときにＥＩＴ信号の線幅が約２．０ｋＨｚであるが、透過率が６０％（減光率４０％）になるとＥＩＴ信号の線幅が約１．６ｋＨｚとなり、ＥＩＴ信号の線幅が約２０％改善している。さらに、透過率が１０％（減光率９０％）になるとＥＩＴ信号の線幅が約０．８ｋＨｚとなり、ＥＩＴ信号の線幅が約６０％改善している。なお、比較例としてアルカリ金属原子１０を出射窓２Ｒ側に集めた場合、透過率を低下させてもＥＩＴ信号の線幅は変化しない（点Ｒ）。例えば、点Ｒは、透過率が６０％（減光率４０％）のときにＥＩＴ信号の線幅が約２．１ｋＨｚで、透過率が１０％（減光率９０％）のときもＥＩＴ信号の線幅が約２．１ｋＨｚと変化しない。これは、アルカリ金属原子１０を出射窓２Ｒ側に集めても、ガスセル２に入射する光の強度を減衰させることができず、パワーブロードニングおよびライトシフトを抑制することができないためである。
図５の点Ｒが示すように、アルカリ金属原子１０を出射窓２Ｒ側に集めて付着させて出射窓２Ｒ側の透過率を変化させても、ＥＩＴ信号の線幅には影響を与えない。しかし、図４で示したように出射窓２Ｒ側に付着したアルカリ金属原子１０により出射窓２Ｒを透過する光の強度が減衰するため、光検出器３で検出できる光の信号強度が低下することになる。そのため、出射窓２Ｒ側に付着したアルカリ金属原子１０は、ＥＩＴ信号の特性を悪化させる可能性がある。
アルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆ側に集めた場合、アルカリ金属原子１０が粒状に分布した形で入射窓２Ｆの内部空間２ａ側に付着する。これは入射窓２Ｆの部材との関係によるものと考えられるが、光の透過率が同じであれば入射窓２Ｆの内部空間２ａ側に付着するアルカリ金属原子１０の状態は粒状に限定されず、一様な膜状であっても良い。
ここで、透過率は、ガスセル２の入射窓２Ｆから入った光の強度に対してガスセル２内部を通って出射窓２Ｒから出力された光の強度の割合とする。ただし、実際のガスセル２の入射窓２Ｆにアルカリ金属原子１０を付着させた場合、入射窓２Ｆの部材（例えば、ガラス）による反射および吸収の影響が存在するため、透過率の測定は、入射窓２Ｆの部材による反射および吸収を別途測定し、その影響を除く必要がある。なお、透過率は、吸収線自体の吸収量が光の強度によって影響を受けるため、アルカリ金属原子１０の吸収波長からずらした波長で測定する。なお、減光率は、１００％−透過率で求められる。
また、ＥＩＴ信号の信号強度およびＥＩＴ信号の線幅について説明する。図６は、光源１からの光の周波数とＥＩＴ信号との関係を説明するための図である。図６では、横軸を周波数（ｋＨｚ）に、縦軸をＥＩＴ信号の信号強度（Ｖ）にそれぞれ設定してある。図６では、ＥＩＴ信号の信号強度が最大となる周波数を０（ゼロ）ｋＨｚとなるように周波数を変換して図示してある。ＥＩＴ信号の信号強度Ｉは、ＥＩＴ信号のピークの信号強度とＥＩＴ信号のボトムの信号強度との差である。ＥＩＴ信号の線幅ＬＷは、ＥＩＴ信号の信号強度Ｉが５０％のときの周波数幅である。
以上のように、本実施の形態１に係る原子発振器１００では、光源１と、アルカリ金属原子１０が封入された内部空間２ａを有するガスセル２と、光源１から出射され、ガスセル２を透過した光を検出する光検出器３とを備えている。ガスセル２は、光源１からの光を入射する入射窓２Ｆと、光検出器３に光を出射する出射窓２Ｒと、入射窓２Ｆと出射窓２Ｒとを保持する側壁と含む。内部空間２ａに封入したアルカリ金属原子１０を液体の状態または固体の状態として少なくとも入射窓２Ｆに付着させることにより、入射窓２Ｆに入射する光を減光する。そのため、原子発振器１００では、減光フィルタ自体を設けなくても良好なＥＩＴ信号を得ることができる。原子発振器１００では、仮に減光フィルタ自体を不要にすることができなくとも、入射窓２Ｆに付着させたアルカリ金属原子１０で入射窓２Ｆに入射する光をある程度減光することができるので、減光特性の高い減光フィルタを用いなくてもよい。
原子発振器１００では、良好なＥＩＴ信号を得るために減光特性の高い減光フィルタを用いなくてもよいので、吸収型の減光フィルタであれば厚みを薄くすることができる。原子発振器１００では、液体の状態または固体の状態として入射窓２Ｆに付着させるアルカリ金属原子１０の量は、他の面に付着させるアルカリ金属原子１０の量より多いため、逆にＥＩＴ信号の線幅の改善に寄与しない出射窓２Ｒ側へのアルカリ金属原子１０の付着を抑えることができる。原子発振器１００は、出射窓２Ｒ側へのアルカリ金属原子１０の付着を抑えることで、ＥＩＴ信号の特性悪化を防ぐこともできる。
原子発振器１００では、少なくとも出射窓２Ｒの温度に対する入射窓２Ｆの温度が低いので、ガスセル２にアルカリ金属原子１０（例えば、Ｃｓ）のガス圧を飽和蒸気圧の量よりも多めに入れたアルカリ金属原子１０が固体や液体の状態となって入射窓２Ｆ側に付着する。入射窓２Ｆ側に付着した固体や液体の状態となったアルカリ金属原子１０が減光フィルタと同様の機能を持っているので、原子発振器１００は、入射窓２Ｆ側に付着したアルカリ金属原子１０が減光フィルタと同程度の透過率になるように設定すれば、減光フィルタが不要となり光学系を簡素化することができる。なお、原子発振器１００は、ガスセル２の入射窓２Ｆにおいて光源１からの光を４０％以上減光（透過率６０％以下）するように、入射窓２Ｆ側に付着したアルカリ金属原子１０を設定できれば、ＥＩＴ信号の線幅を改善することができる（図５参照）。
（変形例）
原子発振器１００では、ガスセル２の出射窓２Ｒにヒータ９ａ（第１加熱部）を設け、ヒータ９ａで出射窓２Ｒを加熱することで固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、ヒータ９ａは、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く集めることができれば、出射窓２Ｒに設けられる構成に限定されない。図７は、本発明の実施の形態１の変形例に係る原子発振器１００ａの構成およびガスセル２内の状態を説明するための概略図である。なお、図７（ａ）が原子発振器１００ａの構成を示し、図７（ｂ）がガスセル２内の状態を示している。
原子発振器１００では、ガスセル２の出射窓２Ｒにヒータ９ａ（第１加熱部）を設け、ヒータ９ａで出射窓２Ｒを加熱することで固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、ヒータ９ａは、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く集めることができれば、出射窓２Ｒに設けられる構成に限定されない。図７は、本発明の実施の形態１の変形例に係る原子発振器１００ａの構成およびガスセル２内の状態を説明するための概略図である。なお、図７（ａ）が原子発振器１００ａの構成を示し、図７（ｂ）がガスセル２内の状態を示している。
図７（ａ）に示す原子発振器１００ａは、ガスセル２の出射窓２Ｒ側の側壁（側面）にヒータ９ａを設け、ヒータ９ａで出射窓２Ｒ側の側壁を加熱することで固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成である。図７（ｂ）に示すガスセル２では、ヒータ９ａで出射窓２Ｒ側の側壁を加熱することで、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図７（ｂ）に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図７（ｂ）に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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１に示す原子発振器１００では、コリメータレンズである光学部材４で光源１から出た光を平行光にし、平行光になった光をガスセル２に入射して光検出器３で検出する構成である。しかし、ガスセル２を透過する光は平行光に限定されない。図７（ａ）に示す原子発振器１００ａでは、光源１から出た光が光検出器３に至るまで広がる光である。原子発振器１００ａでは、光源１から出た光を平行光にする必要がないため光学部材４を設けていない。また、原子発振器１００ａでは、ガスセル２の入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０だけで光源１からの光の強度を十分に減衰できないため、減光フィルタ１３を設けてある。なお、原子発振器１００ａ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。
減光フィルタ１３は、光源１からの光の強度を減衰させるためのＮＤ（Neutral Density）フィルタである。なお、減光フィルタ１３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。減光フィルタ１３には、ガラス基板に金属膜を成膜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。
原子発振器１００ａに用いる減光フィルタ１３は、ガスセル２の入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０と組み合わせて、ガスセル２に入射する光源１からの光の強度を減衰させている。そのため、減光フィルタ１３は、高い減光特性が要求されないため、吸収型であれば厚みを薄くすることが可能となる。
さらに、別の変形例について説明する。図３に示したガスセル２では、出射窓２Ｒのみにヒータ９ａを設ける構成であった。しかし、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集められる構成であれば、ガスセルの構成は出射窓２Ｒのみにヒータ９ａを設ける構成に限定されない。図８は、本発明の実施の形態１の別の変形例に係るガスセル２内の状態を説明するための図である。なお、図８に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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８に示すガスセル２では、出射窓２Ｒにヒータ９ａを設け、入射窓２Ｆの側壁側にヒータ９ｂ（第２加熱部）をさらに設けている。これにより、図８に示すガスセル２は、ヒータ９ａで出射窓２Ｒを加熱し、ヒータ９ｂで入射窓２Ｆの外側（側壁側）を加熱することで固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆの中心部に多く集めて付着させることができる。光源１からの光はガスセル２の内部空間２ａを透過して光検出器３に至る。そのため、入射窓２Ｆの周辺部に比べて中心部の方が、液体の状態または固体の状態として付着させるアルカリ金属原子１０の量が多いので、ガスセル２の中心軸を通る光軸１Ｂの光の強度をより減衰させることが可能となる。
また、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、入射窓２Ｆの中心部に固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く付着させることで光の強度の均一化を図ることも可能である。
なお、入射窓２Ｆの中心部に固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く付着させるため、温度コントロール回路９（温度調節部）がヒータ９ａ（第１加熱部）の温度に対してヒータ９ｂ（第２加熱部）の温度が低くなるように調節する。また、ヒータ９ｂは、入射窓２Ｆの側壁側に設ける場合に限定されず、側壁の入射窓２Ｆ側に設けてもよい。
（実施の形態２）
本実施の形態１に係る原子発振器１００では、ガスセル２の出射窓２Ｒにヒータ９ａを設け、ヒータ９ａで出射窓２Ｒを加熱することで固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めて付着させる構成であれば、ガスセルの構成はヒータ９ａを設ける構成に限定されない。図９は、本発明の実施の形態２に係るガスセル内の状態を説明するための図である。
本実施の形態１に係る原子発振器１００では、ガスセル２の出射窓２Ｒにヒータ９ａを設け、ヒータ９ａで出射窓２Ｒを加熱することで固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めて付着させる構成であれば、ガスセルの構成はヒータ９ａを設ける構成に限定されない。図９は、本発明の実施の形態２に係るガスセル内の状態を説明するための図である。
図９に示すガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くすることで、入射窓２Ｆ側の放熱性を高めている。入射窓２Ｆ側の放熱性が高いガスセル２は、出射窓２Ｒに対して入射窓２Ｆの温度が低くなるような温度勾配を内部空間２ａに生じさせる。そのため、出射窓２Ｒ側に対して入射窓２Ｆ側の飽和蒸気圧の量が小さくなり、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が入射窓２Ｆに多く集まることになる。図９に示すガスセル２では、部材の厚みが薄い入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図９に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図９に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。
以上のように、ガスセル２は、入射窓２Ｆ側を構成する部材の厚みが出射窓２Ｒ側を構成する部材の厚みより薄いので、入射窓２Ｆ側の放熱性が高く固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させることができる。
（変形例）
入射窓２Ｆ側の放熱性を高めるために、放熱部材を入射窓２Ｆ側に設けてもよい。図１０は、本発明の実施の形態２の変形例に係るガスセル２内の状態を説明するための図である。図１０に示すガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて構成する部材の厚みを薄くした入射窓２Ｆに放熱部材１１を設けて、入射窓２Ｆ側の放熱性をさらに高めている。放熱部材１１は、放熱性の高い部材であれば、例えば熱伝導性の高い材料（例えば、カーボン、ガラス、シリコン、アルミニウムなどの金属材料）、金属材料をフィン状に加工して放熱性を高めた部材、電気的にファンを駆動して冷却する部材、これらを組み合わせた部材などである。なお、放熱部材１１は、バイアス磁場２ｃに影響を与えない非磁性の材料が望ましい。また、放熱部材１１を設ける位置は、入射窓２Ｆの側壁側に設ける場合に限定されず、側壁の入射窓２Ｆ側に設けてもよい。図１０に示すガスセル２では、放熱部材１１を設けた入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図１０に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図１０に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。
入射窓２Ｆ側の放熱性を高めるために、放熱部材を入射窓２Ｆ側に設けてもよい。図１０は、本発明の実施の形態２の変形例に係るガスセル２内の状態を説明するための図である。図１０に示すガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて構成する部材の厚みを薄くした入射窓２Ｆに放熱部材１１を設けて、入射窓２Ｆ側の放熱性をさらに高めている。放熱部材１１は、放熱性の高い部材であれば、例えば熱伝導性の高い材料（例えば、カーボン、ガラス、シリコン、アルミニウムなどの金属材料）、金属材料をフィン状に加工して放熱性を高めた部材、電気的にファンを駆動して冷却する部材、これらを組み合わせた部材などである。なお、放熱部材１１は、バイアス磁場２ｃに影響を与えない非磁性の材料が望ましい。また、放熱部材１１を設ける位置は、入射窓２Ｆの側壁側に設ける場合に限定されず、側壁の入射窓２Ｆ側に設けてもよい。図１０に示すガスセル２では、放熱部材１１を設けた入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図１０に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図１０に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。
以上のように、ガスセル２は、入射窓２Ｆ側に放熱部材１１を設けることで、入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させることができる。なお、図１０に示すガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて構成する部材の厚みを薄くした入射窓２Ｆに放熱部材１１を設けているが、入射窓２Ｆ側の放熱性を高めることができれば、出射窓２Ｒと同じ厚みの部材の入射窓２Ｆに放熱部材１１を設けてもよい。
（実施の形態３）
本実施の形態２に係るガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くすることで入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めて付着させる構成であれば、ガスセルの構成は出射窓２Ｒに比べて構成する部材の厚みが薄い入射窓２Ｆを用いる構成に限定されない。図１１は、本発明の実施の形態３に係るガスセル内の状態を説明するための図である。
本実施の形態２に係るガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くすることで入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めて付着させる構成であれば、ガスセルの構成は出射窓２Ｒに比べて構成する部材の厚みが薄い入射窓２Ｆを用いる構成に限定されない。図１１は、本発明の実施の形態３に係るガスセル内の状態を説明するための図である。
図１１に示すガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて熱伝導性の高い部材を入射窓２Ｆａに用いることで、入射窓２Ｆａ側の放熱性を高めている。入射窓２Ｆａ側の放熱性が高いガスセル２は、出射窓２Ｒに対して入射窓２Ｆａの温度が低くなるような温度勾配を内部空間２ａに生じさせる。そのため、出射窓２Ｒ側に対して入射窓２Ｆａ側の飽和蒸気圧の量が小さくなり、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が入射窓２Ｆａに多く集まることになる。図１１に示すガスセル２では、熱伝導性の高い部材を用いた入射窓２Ｆａに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図１１に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆａに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図１１に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。
熱伝導性の高い部材を用いた入射窓２Ｆａは、単一の材料で構成しても、複合材料で構成してもよい。例えば、入射窓２Ｆａは、光源１からの光が透過する部分をガラスで構成し、それ以外の部分を金属材料で構成した複合材料でもよい。
以上のように、ガスセル２は、入射窓２Ｆａを構成する部材の熱伝導性が出射窓２Ｒを構成する部材の熱伝導性より高いので、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆａに多く集めて付着させることができる。
（変形例）
熱伝導性の高い部材を入射窓に用いるのではなく、ガスセル２の外側に設けてもよい。図１２は、本発明の実施の形態３の変形例に係るガスセル２内の状態を説明するための図である。図１２に示すガスセル２では、熱伝導性の高い部材１２（例えば、アルミニウム、真鍮等の非磁性の金属材料）でガスセル２全体を覆い、熱伝導性の高い部材１２を介してヒータ９ａでガスセル２を加熱する構成である。つまり、図１２に示すガスセル２では、ヒータ９ａでガスセル２を直接加熱するのではなく、熱伝導性の高い部材１２でガスセル２を間接的に加熱している。なお、図１２に示すガスセル２では、熱伝導性の高い部材１２を介してガスセル２を間接的に加熱しているので、ヒータ９ａの配置位置は熱伝導性の高い部材１２のいずれの場所でもよく、配置位置は特に制限されない。
熱伝導性の高い部材を入射窓に用いるのではなく、ガスセル２の外側に設けてもよい。図１２は、本発明の実施の形態３の変形例に係るガスセル２内の状態を説明するための図である。図１２に示すガスセル２では、熱伝導性の高い部材１２（例えば、アルミニウム、真鍮等の非磁性の金属材料）でガスセル２全体を覆い、熱伝導性の高い部材１２を介してヒータ９ａでガスセル２を加熱する構成である。つまり、図１２に示すガスセル２では、ヒータ９ａでガスセル２を直接加熱するのではなく、熱伝導性の高い部材１２でガスセル２を間接的に加熱している。なお、図１２に示すガスセル２では、熱伝導性の高い部材１２を介してガスセル２を間接的に加熱しているので、ヒータ９ａの配置位置は熱伝導性の高い部材１２のいずれの場所でもよく、配置位置は特に制限されない。
また、熱伝導性の高い部材１２は、出射窓２Ｒ側の開口部Ｂに比べて入射窓２Ｆ側の開口部Ａを大きくしている。そのため、出射窓２Ｒ側と比べ入射窓２Ｆ側でのガスセル２と熱伝導性の高い部材１２との接触面積が小さくなるので、入射窓２Ｆ側の加熱能力が小さくなる。入射窓２Ｆ側の加熱能力が小さいガスセル２は、出射窓２Ｒに対して入射窓２Ｆの温度が低くなるような温度勾配を内部空間２ａに生じさせる。そのため、出射窓２Ｒ側に対して入射窓２Ｆ側の飽和蒸気圧の量が小さくなり、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が入射窓２Ｆに多く集まることになる。図１２に示すガスセル２では、開口部Ａが大きい入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図１２に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図１２に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。
以上のように、ガスセル２は、熱伝導性の高い部材１２でガスセル２を覆い、出射窓２Ｒ側の開口部Ｂに比べて入射窓２Ｆ側の開口部Ａを大きくすることで、入射窓２Ｆ側の加熱能力を小さくして固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させることができる。
（実施の形態４）
本実施の形態２に係るガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くすることで入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めて付着させる構成であれば、ガスセルの構成は限定されない。図１３は、本発明の実施の形態４に係るガスセル内の状態を説明するための図である。
本実施の形態２に係るガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くすることで入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めて付着させる構成であれば、ガスセルの構成は限定されない。図１３は、本発明の実施の形態４に係るガスセル内の状態を説明するための図である。
図１３に示すガスセル２では、入射窓２Ｆの内部空間２ａ側の面に溝を形成することで、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めている。図１３（ａ）に示すガスセル２では、光源１から出た光１Ａが透過する入射窓２Ｆの部分（中心部）に溝２Ｓを形成してある。溝２Ｓは、他の入射窓２Ｆの面よりも低くなっており、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く集まることになる。図１３（ａ）に示すガスセル２では、溝２Ｓを設けた入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図１３（ａ）に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図１３（ａ）に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。
溝の形状は、図１３（ａ）に示す溝２Ｓに限定されず、図１３（ｂ）に示す溝２Ｔのように入射窓２Ｆの中心部に向かって溝が深くなる形状でもよい。図１３（ｂ）に示すガスセル２では、溝２Ｔのように入射窓２Ｆの中心部に向かって溝を深くすることで、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が入射窓２Ｆの中心部に多く集まり付着する構成となる。そのため、図１３（ｂ）に示すガスセル２では、ガスセル２に入射する光源１からの光の強度をより減衰させることが可能となるので、ガウス分布となっているレーザ光に対して光の強度の均一化を図ることも可能となる。
図１３（ｂ）に示すガスセル２では、溝２Ｔを設けた入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図１３（ｂ）に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図１３（ｂ）に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。なお、溝の数は、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示したように入射窓２Ｆの中心部に１つ設ける構成に限定されない。例えば、図示していないが、入射窓２Ｆの中心部に小さな溝を複数設けてもよい。
以上のように、入射窓２Ｆは、中心部において内部空間２ａ側の面に少なくとも１つの溝２Ｓ，２Ｔ（凹部）が形成されているので、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させることができる。さらに、溝２Ｔ（凹部）は、周辺部に比べて中心部の方を深くすることで、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆの中心部に多く集めることができる。なお、溝を形成する位置は、ガスセル２に入射する光が入射窓２Ｆの中心部であるため、図１３のように入射窓２Ｆの中心部に溝２Ｓ，２Ｔを形成しているが、入射窓２Ｆの中心部からずらして光を入射させる場合は、光の入射位置に合わせて溝２Ｓ，２Ｔの位置をずらして形成する。
（実施の形態５）
本実施の形態２に係るガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くすることで入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めて付着させる構成であれば、ガスセルの構成は限定されない。図１４は、本発明の実施の形態５に係るガスセル内の状態を説明するための図である。
本実施の形態２に係るガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くすることで入射窓２Ｆ側の放熱性を高めて、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めて付着させる構成とした。しかし、入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めて付着させる構成であれば、ガスセルの構成は限定されない。図１４は、本発明の実施の形態５に係るガスセル内の状態を説明するための図である。
図１４に示すガスセル２では、少なくとも出射窓２Ｒの内部空間２ａ側の面にアルカリ金属原子１０が付着することを阻害するコーティング膜を形成することで、固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を入射窓２Ｆに多く集めている。図１４（ａ）に示すガスセル２では、出射窓２Ｒの内部空間２ａ側の面にパラフィン系材料のコーティング膜２Ｃを形成してある。パラフィン系材料のコーティング膜２Ｃが形成してある出射窓２Ｒの面は、アルカリ金属原子１０の付着が阻害されるので、入射窓２Ｆの面に固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く集まることになる。図１４（ａ）に示すガスセル２では、出射窓２Ｒの面にコーティング膜２Ｃが形成してあるので、コーティング膜２Ｃが形成されていない入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図１４（ａ）に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図１４（ａ）に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。
コーティング膜２Ｃを形成する面は、図１４（ａ）に示すように出射窓２Ｒの面に限定されず、図１４（ｂ）に示すように入射窓２Ｆの面以外の面に形成してもよい。具体的に、図１４（ｂ）に示すガスセル２では、出射窓２Ｒの面、側壁の面にパラフィン系材料のコーティング膜２Ｃを形成してある。そのため、図１４（ｂ）に示すガスセル２では、入射窓２Ｆの面以外の面にアルカリ金属原子１０の付着が阻害されるので、入射窓２Ｆの面に固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０がより多く集まることになる。図１４（ｂ）に示すガスセル２では、コーティング膜２Ｃが形成されていない入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０が多く付着している様子が示されている。そのため、図１４（ｂ）に示すガスセル２でも、図３で示したガスセル２と同様、入射窓２Ｆに付着した固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を減光フィルタとして機能させることができる。なお、図１４（ｂ）に示すガスセル２において、図３に示すガスセル２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。
以上のように、ガスセル２は、出射窓２Ｒの内部空間２ａ側の面に、液体の状態または固体の状態のアルカリ金属原子１０が付着することを阻害するコーティング膜２Ｃをさらに含むので、コーティング膜２Ｃが形成されていない入射窓２Ｆに固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を多く集めることができる。なお、コーティング膜２Ｃを側壁の内部空間２ａ側の面にさらに設けてもよい。ここで、コーティング膜２Ｃは、パラフィン系材料であると説明したが、液体の状態または固体の状態のアルカリ金属原子１０が付着することを阻害する材料であればよく、例えば、オクタデシルトリクロロシラン等の有機ケイ素系化合物などであってもよい。
（その他の変形例）
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。
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に係るガスセル２に設けたヒータ９ａの構成と、実施の形態２に係るガスセル２で出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くする構成とを組み合わせてもよい。また、実施の形態３に係るガスセル２で出射窓２Ｒに比べて熱伝導性の高い部材を入射窓２Ｆａに用いる構成と、実施の形態５に係るガスセル２で出射窓２Ｒの内部空間２ａ側の面にコーティング膜２Ｃを形成する構成とを組み合わせてもよい。
図１１で説明した熱伝導性の高い部材を用いた入射窓２Ｆａの変形例として、例えば、入射窓の表面に熱伝導性の高い材料のパターンを形成することが考えられる。なお、熱伝導性の高い材料は、光源の波長に対して透過率の高い材料を用いることが望ましい。図１５は、熱伝導性の高い材料のパターンを形成した入射窓を構成を説明するための概略図である。図１５に示す入射窓２Ｆは、外側の表面にＩＴＯなどの透明電極で網状の電極パターン２５が形成してある。電極パターン２５を形成した部分は、他の部分に比べて熱伝導性が高くなるため、付近にある気化したアルカリ金属原子を冷却して固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０に凝集させることができる。つまり、入射窓２Ｆは、電極パターン２５を形成することで、凝集させたい位置に固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を凝集させることが可能となる。なお、電極パターン２５の線幅や形成する間隔等を変更することで、入射窓２Ｆの所望する位置に所望する量の固体または液体の状態のアルカリ金属原子１０を凝集させることが可能となる。また、図１５に示すガスセル２では、出射窓２Ｒに比べて入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを薄くしてあるが、電極パターン２５による放熱効果が得られるのであれば入射窓２Ｆを構成する部材の厚みを出射窓２Ｒと同じまたは厚くしてもよい。
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、４ 光学部材、５ 波長板、６，９ 温度コントロール回路、９ａ，９ｂ ヒータ、７ 光源波長制御回路、８ 周波数制御回路、１０ アルカリ金属原子、１１ 放熱部材、１２ 熱伝導性の高い部材、１３ 減光フィルタ、１００，１００ａ 原子発振器。
Claims (16)
- 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、
前記ガスセルは、前記光源からの光を入射する入射窓と、前記光検出部に光を出射する出射窓と、前記入射窓と前記出射窓とを保持する側壁と含み、
前記内部空間に封入した前記アルカリ金属原子を液体の状態または固体の状態として少なくとも前記入射窓に付着させることにより、前記入射窓に入射する光を減光する、原子発振器。 - 液体の状態または固体の状態として前記入射窓に付着させる前記アルカリ金属原子の量は、他の面に付着させる前記アルカリ金属原子の量より多い、請求項１に記載の原子発振器。
- 前記入射窓は、周辺部に比べて中心部の方が、液体の状態または固体の状態として付着させる前記アルカリ金属原子の量が多い、請求項２に記載の原子発振器。
- 前記ガスセルは、前記入射窓において前記光源からの光を４０％以上減光する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 前記ガスセルは、少なくとも前記出射窓の温度に対する前記入射窓の温度が低い、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 前記ガスセルは、前記出射窓側に第１加熱部をさらに有する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 前記ガスセルは、前記入射窓の前記側壁側に第２加熱部をさらに有する、請求項６に記載の原子発振器。
- 前記第１加熱部および前記第２加熱部の温度を調節する温度調節部をさらに備え、
前記温度調節部は、前記第１加熱部の温度に対して前記第２加熱部の温度が低くなるように調節する、請求項７に記載の原子発振器。 - 前記ガスセルは、前記入射窓側に放熱部材をさらに有する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 前記ガスセルは、前記入射窓を構成する部材の熱伝導性が前記出射窓を構成する部材の熱伝導性より高い、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 前記ガスセルは、前記入射窓を構成する部材の厚みが前記出射窓を構成する部材の厚みより薄い、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 前記入射窓は、中心部において前記内部空間側の面に少なくとも１つの凹部が形成されている、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 前記凹部は、周辺部に比べて中心部の方が深い、請求項１２に記載の原子発振器。
- 前記ガスセルは、前記出射窓の前記内部空間側の面に、液体の状態または固体の状態の前記アルカリ金属原子が付着することを阻害するコーティング膜をさらに含む、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の原子発振器。
- 前記ガスセルは、前記コーティング膜を前記側壁の前記内部空間側の面にさらに設ける、請求項１４に記載の原子発振器。
- 請求項１〜請求項１５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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