WO2018096730A1 - 原子発振器および電子機器 - Google Patents

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WO2018096730A1
WO2018096730A1 PCT/JP2017/027678 JP2017027678W WO2018096730A1 WO 2018096730 A1 WO2018096730 A1 WO 2018096730A1 JP 2017027678 W JP2017027678 W JP 2017027678W WO 2018096730 A1 WO2018096730 A1 WO 2018096730A1
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gas cell
window
atomic oscillator
alkali metal
light
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PCT/JP2017/027678
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Inventor
賢二 松田
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • G04F5/145—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks using Coherent Population Trapping
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S1/00—Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/06—Gaseous, i.e. beam masers

Definitions

  • the present invention relates to an atomic oscillator and an electronic device including the atomic oscillator.
  • An atomic oscillator uses a quantum interference effect (Coherent Population Trapping (CPT)) to obtain a resonance frequency by irradiating a gas cell in which atoms such as rubidium and cesium are hermetically sealed with laser light having two different wavelengths. Can do. It is known that atoms in the gas cell absorb laser light and the light absorption characteristics (transmittance) change according to the frequency difference between the two types of light. In particular, the atomic oscillator detects a transmitted light spectrum that is transmitted without being absorbed by atoms as an EIT signal by utilizing a phenomenon (Electromagnetically Induced Transparency (EIT)) in which neither of the two types of light is transmitted. Yes.
  • EIT Electromagnetically Induced Transparency
  • a specific configuration of the atomic oscillator is disclosed in, for example, Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2013-239611).
  • a neutral density filter (ND filter) is provided between a semiconductor laser as a light source and a gas cell.
  • the neutral density filter transmits only part of the light emitted from the semiconductor laser, and the light transmitted through the neutral density filter enters the gas cell.
  • a neutral density filter that adjusts the light incident on the gas cell. Is an essential configuration.
  • the atomic oscillator disclosed in Patent Document 1 has a problem that the number of parts increases because it is necessary to provide a neutral density filter between the light source and the gas cell.
  • a neutral density filter having a high neutral density characteristic can be used to reduce the light intensity required to obtain an optimum EIT signal using only the neutral density filter. Is required.
  • the neutral density filter depends on the thickness, so that a thick neutral density filter is required to obtain a high neutral density characteristic.
  • the atomic oscillator disclosed in Patent Document 1 has a problem that the neutral density filter cannot be reduced in size.
  • an object of the present invention is to provide an atomic oscillator that eliminates the need for a neutral density filter, or at least a neutral density filter having a high neutral density characteristic, and an electronic device including the atomic oscillator.
  • An atomic oscillator includes a light source, a gas cell having an internal space in which alkali metal atoms are enclosed, and a light detection unit that detects light emitted from the light source and transmitted through the gas cell.
  • a light detection unit that detects light emitted from the light source and transmitted through the gas cell.
  • Including an incident window that receives light from the light source, an exit window that emits light to the light detection unit, and a sidewall that holds the entrance window and the exit window, and the alkali metal atoms enclosed in the internal space are in a liquid state or By adhering at least to the incident window as a solid state, light incident on the incident window is reduced.
  • An electronic apparatus includes the atomic oscillator described above.
  • At least the alkali metal atom sealed in the internal space is attached to the incident window as a liquid state or a solid state, thereby dimming the light incident on the incident window, so that the neutral density filter itself is unnecessary.
  • a neutral density filter having a high neutral density characteristic can be dispensed with.
  • FIG. 1 is a schematic diagram for explaining the configuration of an atomic oscillator 100 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the quantum part is illustrated from the light source 1 to the photodetector 3 in the configuration of the atomic oscillator 100.
  • the atomic oscillator 100 includes a configuration of a light source wavelength control circuit 7 and a frequency control circuit 8 (see FIG. 2), which will be described later, and a crystal oscillator serving as a signal source and an output signal from the quantum unit, although not particularly illustrated.
  • a configuration such as a feedback circuit for feeding back to the crystal oscillator is included.
  • the quantum part of an atomic oscillator will be described for the sake of simplicity.
  • the quantum part of the atomic oscillator may be simply referred to as an atomic oscillator.
  • the atomic oscillator 100 receives the light 1A from the light source 1 through the optical member 4 and the wave plate 5 and enters the gas cell 2, and the light transmitted through the gas cell 2 is detected by the photodetector 3 to obtain an EIT signal.
  • FIG. 2 is a block diagram for explaining the function of the atomic oscillator 100 according to the first embodiment of the present invention.
  • the atomic oscillator 100 shown in FIG. 2 also includes temperature control circuits 6 and 9, a light source wavelength control circuit 7, and a frequency control circuit 8 necessary for driving. It is shown.
  • the components of the atomic oscillator 100 shown in FIGS. 1 and 2 will be described in detail.
  • the light source 1 for example, a single mode VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting LASER) is used. Specifically, a VCSEL having a Cs-D1 line with a light wavelength of 894.6 nm is used as the light source 1.
  • a CSEL-D2 line VCSEL with a light wavelength of 852.3 nm, a 795.0 nm Rb-D1 line VCSEL, a 780.2 nm Rb-D2 line VCSEL, or the like may be used.
  • the light source 1 is not limited to a VCSEL, and a DFB (Distributed Feedback) laser, a DBR (Distributed Bragg Reflector) laser, or the like may be used.
  • the temperature control circuit 6 When a VCSEL is used for the light source 1, since the wavelength of light varies due to individual differences of the VCSEL, the temperature control circuit 6 is used to adjust so that light with a wavelength of 894.6 nm can be output.
  • the temperature control circuit 6 adjusts the temperature with a heater provided in the light source 1 based on a temperature measured by a thermistor or a thermocouple provided near the light source 1. If the atomic oscillator 100 is used for an atomic clock, the temperature control circuit 6 adjusts the light source 1 in a temperature range of about 30 ° C. to 125 ° C.
  • the temperature control circuit 6 adjusts the temperature of the light source 1 while measuring the temperature by a sensor (not shown) such as a thermistor or a thermocouple disposed near the light source 1.
  • the light source 1 used in the atomic oscillator 100 for CSAC uses a VCSEL having an operating current of about 0.8 to 2 mA.
  • the experiment is performed with the VCSEL operating temperature of 76.9 ° C. and the operating current (DC current value) of 1.1 mA.
  • the VCSEL of the light source 1 is provided with a bias tee (Bias Tees) on the input side, and a signal obtained by synthesizing a DC current and an RF signal of 4.596315885 GHz with the bias tee is input to the input side. Therefore, the VCSEL of the light source 1 generates two lights having a difference of 9.192631770 GHz, which is a Cs transition frequency, in the primary sideband by frequency modulation.
  • the signal strength of the RF signal varies greatly depending on the measurement system because the optimum value varies depending on the wiring to the VCSEL, the impedance of the VCSEL itself, the DC current, and the operating temperature.
  • the signal intensity of the EIT signal (the difference between the peak signal intensity and the bottom signal intensity) is adjusted to be maximum.
  • the condition that the signal intensity of the EIT signal is maximized corresponds to the frequency modulation that maximizes the intensity of the primary sideband of the light from the VCSEL.
  • the VCSEL is frequency-modulated, carrier components and second-order and higher-order mode components are generated in addition to the first-order sideband.
  • these components cause noise, components other than the first-order sideband are preferably used. It is desirable to suppress it.
  • an optical member 4 such as a lens is disposed between the light source 1 and the gas cell 2.
  • the optical member 4 is used to adjust the shape of light incident on the gas cell 2 by making the diffused light emitted from the light source 1 parallel (collimated) light or changing the spot diameter.
  • a collimator lens is used so that the spot diameter is 2 mm.
  • the spot diameter of the light source 1 uses a general definition of a range in which the light intensity is 1 / e 2 with respect to the peak light intensity.
  • the light converted into parallel light by the optical member 4 passes through the gas cell 2 and reaches the photodetector 3.
  • the atomic oscillator 100 has a wave plate 5 disposed between the light source 1 and the gas cell 2.
  • the wave plate 5 is used to change the polarization of light from the light source 1.
  • the light emitted from the light source 1 is generally linearly polarized light. Since the EIT signal using linearly polarized light uses an energy level that fluctuates greatly by an external magnetic field, frequency fluctuations are likely to occur. Therefore, in general, an atomic oscillator uses a level whose frequency fluctuation due to an external magnetic field is small, so that the linearly polarized light from the light source 1 is changed to circularly polarized light by the wavelength plate 5 to the gas cell 2 using the wavelength plate 5. Incident.
  • the wave plate 5 is arranged so as to be clockwise circularly polarized light.
  • the circularly polarized light incident on the gas cell 2 may be clockwise circularly polarized light or counterclockwise circularly polarized light.
  • the gas cell 2 is a sealed container in which an alkali metal gas (atom) such as K, Na, Cs, or Rb is hermetically sealed.
  • the gas cell 2 includes an incident window (incident side) that enters light at a near end with respect to the light source 1, an exit window (exit side) that emits light at a far end, and a side wall (side surface) that holds the incident window and the exit window. ) And.
  • alkali metal gases of Cs and Rb are hermetically sealed.
  • the heater 9a is adjusted by the temperature control circuit 9 to warm the gas cell 2 in order to increase the alkali metal gas in the internal space 2a.
  • the operating temperature is about 30 ° C. to 125 ° C.
  • the temperature control circuit 9 adjusts the temperature with a heater provided in the gas cell 2 based on a temperature measured by a thermistor or a thermocouple provided in the vicinity of the gas cell 2.
  • the amount of alkali metal gas required in the gas cell 2 is the amount of saturated vapor pressure.
  • the gas cell 2 contains more alkali metal gas than the amount of saturated vapor pressure.
  • an alkali metal gas of about several ⁇ g is sealed in the gas cell 2.
  • the alkali metal atom enclosed more than the amount of the saturated vapor pressure stays in the internal space 2a in a solid or liquid state.
  • the solid or liquid alkali metal atoms remaining in the internal space 2a are collected and attached to the incident window using the heater 9a.
  • the emission window is heated by a heater 9a provided in the emission window of the gas cell 2, and the emission is performed.
  • the temperature of the incident window is lowered with respect to the window, and alkali metal atoms are collected and attached to the incident window.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a state in the gas cell 2 according to Embodiment 1 of the present invention. In the gas cell 2 shown in FIG.
  • a heater 9a is provided at a position of the exit window 2R that does not block the light 1A emitted from the light source 1. Specifically, the heater 9a is provided in the periphery of the optical axis of the light 1A in the exit window 2R.
  • the gas cell 2 heats the gas cell 2 with the heater 9a to generate a temperature gradient in the internal space 2a so that the temperature of the entrance window 2F is lower than the exit window 2R. Therefore, the amount of saturated vapor pressure on the incident window 2F side becomes smaller than that on the exit window 2R side, and a large amount of alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state gather in the incident window 2F.
  • the vaporized alkali metal atoms 10 are aggregated by being cooled on the incident window 2F side where the temperature is lower than that on the emission window 2R side, and become a solid or liquid state.
  • the heater 9a normally heats the gas cell 2 to a high temperature in order to secure the atomic quantity of the alkali metal gas sealed in the gas cell 2, but in the first embodiment, the heater 9a is in a solid or liquid state. It is also used to collect the alkali metal atoms 10 in the incident window 2F.
  • a heater for securing the atomic quantity of alkali metal gas and a heater for collecting solid or liquid alkali metal atoms 10 in the incident window 2F may be provided separately in the gas cell 2.
  • the gas cell is designed so as not to block light from the light source to the photodetector 3 by preventing solid or liquid alkali metal atoms from collecting on the optical path.
  • the solid or liquid state of the solid or liquid collected in the incident window 2F is utilized by utilizing the property that the alkali metal atoms in the solid or liquid state attenuate light.
  • the alkali metal atom 10 in the state is used as a neutral density filter. That is, in the atomic oscillator 100 according to the first embodiment, instead of the neutral density filter that attenuates the intensity of light from the light source 1, the solid or liquid state collected in the incident window 2F of the gas cell 2 shown in FIG. Alkali metal atoms 10 are used as a neutral density filter.
  • the gas cell 2 is required to be transparent at least on the light path in order to receive light from the light source 1. Therefore, glass such as quartz glass, borosilicate glass, and aluminosilicate glass is used for the entrance / exit window of the gas cell 2. Note that glass or Si capable of anodic bonding with glass is used for the side surface of the gas cell 2.
  • the member used for the gas cell 2 is preferably a member having a high transmittance that transmits light from the light source 1 as much as possible, and may be subjected to antireflection processing such as AR coating.
  • a better EIT signal can be obtained when the container size of the gas cell 2 is larger in both the optical axis direction and the direction perpendicular to the optical axis. This is because the area in which the light hits the alkali metal gas in the gas cell 2 becomes wider, and the time for the light to hit the alkali metal gas becomes longer.
  • a small atomic oscillator is desired, and the gas cell container has a side length of about 1 mm to 10 mm.
  • the gas cell 2 contains a buffer gas in addition to the alkali metal gas.
  • a buffer gas in addition to the alkali metal gas.
  • an inert gas called a buffer gas is enclosed in a gas cell together with an alkali metal gas.
  • the inert gas to be sealed includes He, N 2 , Ne, Ar, Kr, and Xe.
  • inert gas of about 300 Torr or less is sealed in the gas cell.
  • inert gases having different temperature characteristics are sealed simultaneously.
  • Ar having a negative temperature characteristic and N 2 having a positive temperature characteristic are simultaneously sealed in the gas cell.
  • the gas cell 2 contains Cs as the alkali metal gas and a mixed gas of Ar and Ne as the buffer gas (the ratio of Ar to Ne is 7: 3 and the total pressure is 75 Torr).
  • the operating temperature of the gas cell 2 is 67 ° C., and the container size of the gas cell 2 is 2 mm in the optical axis direction.
  • the gas cell 2 employs a configuration in which the magnetic shield 2b and the bias magnetic field 2c are added in order to reduce the influence of the external magnetic field.
  • the magnetic shield 2b is made of a magnetic material such as electromagnetic soft iron, silicon steel, permalloy, or amorphous.
  • the bias magnetic field 2c is generated using a triaxial Helmholtz coil (not shown), and is applied as a magnetic field of about 100 mG in the optical axis direction.
  • the configuration for applying the bias magnetic field 2c to the gas cell 2 is not limited to the Helmholtz coil.
  • the PD photo diode
  • the PD is an element that converts light into a current, and is, for example, a Si PIN photodiode having an absorption band at a near infrared wavelength.
  • a PIN photodiode can respond at high speed by applying a reverse bias voltage. However, when used for an atomic oscillator, the PIN photodiode does not require a high-speed response, so no reverse bias voltage is applied.
  • the photodetector 3 detects the peak position of the EIT signal and the peak position of the absorption line from the signal obtained by the PD. In order to obtain a good EIT signal, it is necessary to generate CPT at the peak position of the absorption line, and the peak position of the absorption line corresponds to the wavelength of light from the light source 1.
  • the light source wavelength control circuit 7 controls the wavelength of light from the light source 1. Specifically, the light source wavelength control circuit 7 corrects the current (or voltage) of a DC power source (not shown) according to the peak position of the absorption line obtained by the photodetector 3, and at the peak position of the absorption line. Control is performed so that the wavelength of light from the light source 1 is stabilized.
  • the frequency control circuit 8 generates an RF signal to be superimposed on the driving current of the light source 1 in accordance with the signal obtained from the photodetector 3, and controls the frequency of the RF signal so that the gas cell 2 is in the CPT state. .
  • the frequency control circuit 8 generates a voltage-controlled oscillator (VCO) and a phase-locked loop (PLL) based on a 4.596315585 kHz RF signal input to the light source 1 based on a temperature-compensated crystal oscillator (TCXO) signal (10 MHz). ).
  • the frequency control circuit 8 modulates the frequency of the RF signal (for example, 10 kHz) so that the photodetector 3 can detect the peak position of the EIT signal and the peak position of the absorption line, and the wavelength of the light from the light source 1. Are sweeping.
  • alkali metal atoms in a solid or liquid state are collected and attached to the incident window 2F of the gas cell 2 and used as a neutral density filter (see FIG. 3).
  • the atomic oscillator 100 according to the first embodiment will be described with reference to experimental results.
  • alkali metal atoms 10 for example, Cs
  • the transmittance of the light incident on the incident window 2F decreases.
  • experimental results using Cs as the alkali metal atom 10 are shown, but the same effect can be obtained by using an alkali metal atom such as K, Na, or Rb.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the transmittance of light from the light source 1 and the signal intensity at the photodetector 3.
  • the horizontal axis is set for transmittance (%) and the vertical axis is set for signal intensity (V).
  • V signal intensity
  • the more alkali metal atoms 10 are collected in the incident window 2F the lower the transmittance, and accordingly, the intensity of light detected by the photodetector 3 decreases.
  • the measurement result when the alkali metal atoms 10 are collected on the incident window 2F side is shown as a point F
  • the measurement result when the alkali metal atoms 10 are collected on the emission window 2R side is shown as a point R.
  • the relationship between the transmittance of light from the light source 1 and the signal intensity at the photodetector 3 is almost the same regardless of whether the alkali metal atoms 10 are collected on the entrance window 2F side or the exit window 2R side. Yes.
  • the EIT signal obtained by the atomic oscillator 100 is better as the line width of the EIT signal is smaller.
  • the reasons why the line width of the EIT signal is increased include power broadening and write shift.
  • Power broadening is a phenomenon in which the line width of an EIT signal increases as the intensity density of light incident on an alkali metal gas such as Cs increases. Therefore, by arranging a neutral density filter between the light source and the gas cell, the intensity of light incident on the gas cell can be attenuated to suppress power broadening.
  • light shift is a phenomenon in which, when light is incident on an alkali metal gas, the inherent energy level of the alkali metal gas changes due to the influence of the light. That is, in the light shift, the frequency at which the EIT signal is generated varies slightly due to the influence of light.
  • the light shift is also affected by the change in the intensity of the incident light. Therefore, the light incident on the gas cell 2 with respect to the change in the light source 1 can be obtained by attenuating the intensity of the incident light with the neutral density filter.
  • the light shift can be suppressed by reducing the change in the intensity of the light.
  • the atomic oscillator 100 needs to suppress power broadening and light shift in order to obtain a good EIT signal with a narrow line width of the EIT signal.
  • the intensity of light incident on the gas cell is attenuated by the neutral density filter.
  • the alkali metal atom 10 is attached to the incident window 2F side as shown in FIG. By using it, the intensity of light incident on the gas cell 2 is attenuated (see FIG. 4).
  • FIG. 5 is a diagram for explaining the relationship between the transmittance of light from the light source and the line width of the EIT signal.
  • the horizontal axis is set for transmittance (%)
  • the vertical axis is set for line width (Hz).
  • the line width of the EIT signal is about 2.0 kHz when the transmittance is 100% (the light attenuation rate is 0%), but when the transmittance is 60% (the light attenuation rate is 40%), The line width of the signal is about 1.6 kHz, and the line width of the EIT signal is improved by about 20%. Furthermore, when the transmittance is 10% (light attenuation rate 90%), the line width of the EIT signal is about 0.8 kHz, and the line width of the EIT signal is improved by about 60%.
  • the line width of the EIT signal does not change even if the transmittance is lowered (point R).
  • the line width of the EIT signal is about 2.1 kHz, and the EIT signal is also when the transmittance is 10% (dimming rate 90%).
  • the line width does not change to about 2.1 kHz. This is because even if the alkali metal atoms 10 are collected on the exit window 2R side, the intensity of light incident on the gas cell 2 cannot be attenuated, and power broadening and light shift cannot be suppressed.
  • the line width of the EIT signal is not affected.
  • the intensity of light transmitted through the exit window 2R is attenuated by the alkali metal atoms 10 attached to the exit window 2R side, so that the signal intensity of light that can be detected by the photodetector 3 is reduced. become. For this reason, the alkali metal atoms 10 attached to the exit window 2R side may deteriorate the characteristics of the EIT signal.
  • the alkali metal atoms 10 When the alkali metal atoms 10 are collected on the incident window 2F side, the alkali metal atoms 10 are attached to the inner space 2a side of the incident window 2F in a granular distribution. This is considered to be due to the relationship with the member of the incident window 2F. However, if the light transmittance is the same, the state of the alkali metal atoms 10 attached to the inner space 2a side of the incident window 2F is not limited to granular, It may be a uniform film.
  • the transmittance is a ratio of the intensity of light output from the exit window 2R through the inside of the gas cell 2 to the intensity of light input from the entrance window 2F of the gas cell 2.
  • a member for example, glass
  • the transmittance is measured at a wavelength shifted from the absorption wavelength of the alkali metal atom 10 because the amount of absorption of the absorption line itself is affected by the intensity of light.
  • the light extinction rate is obtained by 100% -transmittance.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the relationship between the frequency of light from the light source 1 and the EIT signal.
  • the horizontal axis is set to frequency (kHz)
  • the vertical axis is set to signal intensity (V) of the EIT signal.
  • the frequency at which the signal intensity of the EIT signal is maximized is converted so as to be 0 (zero) kHz.
  • the signal strength I of the EIT signal is the difference between the peak signal strength of the EIT signal and the bottom signal strength of the EIT signal.
  • the line width LW of the EIT signal is a frequency width when the signal intensity I of the EIT signal is 50%.
  • the gas cell 2 includes an entrance window 2F that receives light from the light source 1, an exit window 2R that emits light to the photodetector 3, and a sidewall that holds the entrance window 2F and the exit window 2R.
  • the alkali metal atoms 10 sealed in the internal space 2a are attached to at least the incident window 2F in a liquid state or a solid state, thereby dimming light incident on the incident window 2F.
  • the atomic oscillator 100 can obtain a good EIT signal without providing the neutral density filter itself.
  • the neutral density filter itself cannot be made unnecessary, the light incident on the incident window 2F can be dimmed to some extent by the alkali metal atoms 10 attached to the incident window 2F. It is not necessary to use a neutral density filter with high optical characteristics.
  • the thickness of the absorption type neutral density filter can be reduced.
  • the amount of the alkali metal atoms 10 attached to the incident window 2F as a liquid state or a solid state is larger than the amount of the alkali metal atoms 10 attached to the other surface. It is possible to suppress the adhesion of alkali metal atoms 10 to the exit window 2R side that does not contribute to the improvement.
  • the atomic oscillator 100 can also prevent the deterioration of the characteristics of the EIT signal by suppressing the adhesion of the alkali metal atoms 10 to the exit window 2R side.
  • the alkali metal in which the gas pressure of the alkali metal atoms 10 (for example, Cs) is put in the gas cell 2 more than the amount of the saturated vapor pressure.
  • the atoms 10 become solid or liquid and adhere to the incident window 2F side. Since the alkali metal atoms 10 in the solid or liquid state attached to the incident window 2F side have the same function as the neutral density filter, the atomic oscillator 100 has the alkali metal atoms 10 attached to the incident window 2F side. If the transmittance is set to be approximately the same as that of the neutral density filter, the neutral density filter is unnecessary and the optical system can be simplified.
  • the atomic oscillator 100 can set the alkali metal atoms 10 attached to the incident window 2F side so that the light from the light source 1 is reduced by 40% or more (transmittance 60% or less) in the incident window 2F of the gas cell 2. , The line width of the EIT signal can be improved (see FIG. 5).
  • FIG. 7 is a schematic diagram for explaining the configuration of the atomic oscillator 100a and the state in the gas cell 2 according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • 7A shows the configuration of the atomic oscillator 100a
  • FIG. 7B shows the state in the gas cell 2.
  • the atomic oscillator 100a shown in FIG. 7A is provided with a heater 9a on the side wall (side surface) of the gas cell 2 on the exit window 2R side, and the heater 9a heats the side wall on the exit window 2R side so that it is in a solid or liquid state. In this configuration, a large amount of alkali metal atoms 10 are collected and attached to the incident window 2F.
  • the heater 9a heats the side wall on the exit window 2R side so that a large amount of solid or liquid alkali metal atoms 10 are attached to the entrance window 2F. ing. Therefore, in the gas cell 2 shown in FIG. 7B as well, as in the gas cell 2 shown in FIG.
  • the solid or liquid alkali metal atoms 10 attached to the incident window 2 ⁇ / b> F can function as a neutral density filter.
  • symbol is attached
  • the atomic oscillator 100 shown in FIG. 1 has a configuration in which light emitted from the light source 1 is collimated by an optical member 4 that is a collimator lens, and the collimated light is incident on the gas cell 2 and detected by the photodetector 3. is there.
  • the light transmitted through the gas cell 2 is not limited to parallel light.
  • the atomic oscillator 100 a shown in FIG. 7A the light emitted from the light source 1 spreads to the photodetector 3.
  • the optical member 4 is not provided because it is not necessary to make the light emitted from the light source 1 into parallel light.
  • the neutral density filter 13 is provided.
  • the neutral density filter 13 is an ND (Neutral Density) filter for attenuating the intensity of light from the light source 1. If the intensity of light incident on the gas cell 2 is attenuated too much by the neutral density filter 13, the EIT signal itself cannot be observed. Therefore, it is necessary to set an optimum ND value in consideration of the detection limit of the EIT signal.
  • the neutral density filter 13 includes a reflection type in which a metal film is formed on a glass substrate and reflects light, and an absorption type in which the material itself absorbs light.
  • the neutral density filter 13 used in the atomic oscillator 100a attenuates the intensity of light from the light source 1 incident on the gas cell 2 in combination with the solid or liquid alkali metal atoms 10 attached to the incident window 2F of the gas cell 2. Yes. For this reason, the neutral density filter 13 does not require high dimming characteristics, so that the thickness can be reduced if it is an absorption type.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a state in the gas cell 2 according to another modification of the first embodiment of the present invention.
  • symbol is attached
  • a heater 9a is provided on the exit window 2R, and a heater 9b (second heating unit) is further provided on the side wall side of the entrance window 2F.
  • the emission window 2R is heated by the heater 9a
  • the outside (side wall side) of the incident window 2F is heated by the heater 9b, so that the alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state are incident.
  • a large amount can be collected and attached to the center of the window 2F.
  • the light from the light source 1 passes through the internal space 2 a of the gas cell 2 and reaches the photodetector 3.
  • the amount of alkali metal atoms 10 to be deposited in a liquid state or a solid state is larger in the central portion than in the peripheral portion of the incident window 2F, so that the light of the optical axis 1B passing through the central axis of the gas cell 2 is increased.
  • the strength can be further attenuated.
  • the intensity of light increases as it approaches the center, and the intensity of light has a Gaussian distribution in a direction perpendicular to the optical axis. Therefore, it is possible to make the light intensity uniform by attaching a large amount of solid or liquid alkali metal atoms 10 to the center of the entrance window 2F.
  • the temperature control circuit 9 (temperature adjustment unit) is heated by the heater 9b with respect to the temperature of the heater 9a (first heating unit). It adjusts so that the temperature of (2nd heating part) may become low.
  • the heater 9b is not limited to the case where the heater 9b is provided on the side of the incident window 2F, and may be provided on the side of the incident window 2F.
  • a heater 9a is provided in the exit window 2R of the gas cell 2, and the exit window 2R is heated by the heater 9a, whereby alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state are provided in the entrance window 2F. It was set as the structure which collects and attaches many.
  • the configuration of the gas cell is not limited to the configuration in which the heater 9a is provided as long as a large number of solid or liquid alkali metal atoms 10 are collected and attached to the incident window 2F.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining a state in the gas cell according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the heat radiation on the incident window 2F side is enhanced by making the thickness of the member constituting the incident window 2F thinner than that of the exit window 2R.
  • the gas cell 2 having high heat dissipation on the incident window 2F side generates a temperature gradient in the internal space 2a such that the temperature of the incident window 2F is lower than the emission window 2R. Therefore, the amount of saturated vapor pressure on the incident window 2F side becomes smaller than that on the exit window 2R side, and a large amount of alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state gather in the incident window 2F.
  • the heat radiation at the entrance window 2F side is high and the alkali in a solid or liquid state Many metal atoms 10 can be collected and attached to the incident window 2F.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining a state in the gas cell 2 according to a modification of the second embodiment of the present invention.
  • the heat radiation member 11 is provided on the incident window 2F in which the thickness of the constituent member is made thinner than that of the emission window 2R, and the heat radiation performance on the incident window 2F side is further enhanced.
  • the heat dissipation member 11 is a member with high heat dissipation, for example, a material with high heat conductivity (for example, a metal material such as carbon, glass, silicon, aluminum, etc.) or a metal material is processed into a fin shape to improve heat dissipation. A member that electrically drives a fan to cool it, a member that combines these, and the like.
  • the heat dissipating member 11 is preferably a non-magnetic material that does not affect the bias magnetic field 2c. Further, the position where the heat radiating member 11 is provided is not limited to the case where it is provided on the side of the incident window 2F, and may be provided on the side of the incident window 2F. In the gas cell 2 shown in FIG.
  • the gas cell 2 is provided with the heat radiating member 11 on the incident window 2F side, so that the heat radiation property on the incident window 2F side is improved and a large amount of solid or liquid alkali metal atoms 10 are collected in the incident window 2F. Can be attached.
  • the heat radiation member 11 is provided in the entrance window 2F which made the thickness of the member comprised compared with the exit window 2R thin, if the heat dissipation on the entrance window 2F side can be improved, The heat radiation member 11 may be provided on the entrance window 2F having the same thickness as the exit window 2R.
  • the heat radiation on the incident window 2F side is improved by reducing the thickness of the member constituting the incident window 2F compared to the exit window 2R, and the alkali metal in a solid or liquid state A large number of atoms 10 are collected and attached to the incident window 2F.
  • the configuration of the gas cell is configured as compared with the emission window 2R. It is not limited to the structure using the incident window 2F with a thin member.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a state in the gas cell according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the heat radiation property on the incident window 2Fa side is enhanced by using a member having higher thermal conductivity for the incident window 2Fa than the emission window 2R.
  • the gas cell 2 having high heat dissipation on the incident window 2Fa side generates a temperature gradient in the internal space 2a such that the temperature of the incident window 2Fa is lower than the emission window 2R. Therefore, the amount of saturated vapor pressure on the incident window 2Fa side is smaller than that on the emission window 2R side, and a large amount of alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state gather in the incident window 2Fa.
  • the incident window 2Fa using a member having high thermal conductivity may be composed of a single material or a composite material.
  • the entrance window 2Fa may be a composite material in which a part through which light from the light source 1 is transmitted is made of glass and the other part is made of a metal material.
  • the thermal conductivity of the member constituting the incident window 2Fa is higher than the thermal conductivity of the member constituting the exit window 2R, so that the alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state are introduced into the incident window 2Fa. Many can be collected and adhered to.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a state in the gas cell 2 according to a modification of the third embodiment of the present invention.
  • the entire gas cell 2 is covered with a member 12 having high thermal conductivity (for example, a nonmagnetic metal material such as aluminum or brass), and the gas cell is heated by the heater 9a via the member 12 having high thermal conductivity. 2 is heated. That is, in the gas cell 2 shown in FIG. 12, the gas cell 2 is indirectly heated by the member 12 with high heat conductivity, instead of directly heating the gas cell 2 by the heater 9a.
  • the arrangement position of the heater 9a is any place of the member 12 with high heat conductivity. Well, the arrangement position is not particularly limited.
  • the member 12 having high thermal conductivity has a larger opening A on the entrance window 2F side than the opening B on the exit window 2R side. Therefore, the contact area between the gas cell 2 on the incident window 2F side and the member 12 having high thermal conductivity is smaller than that on the emission window 2R side, and the heating capability on the incident window 2F side is reduced.
  • the gas cell 2 having a small heating capacity on the incident window 2F side generates a temperature gradient in the internal space 2a such that the temperature of the incident window 2F is lower than the emission window 2R. Therefore, the amount of saturated vapor pressure on the incident window 2F side becomes smaller than that on the exit window 2R side, and a large amount of alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state gather in the incident window 2F.
  • the gas cell 2 covers the gas cell 2 with the member 12 having high thermal conductivity, and the opening portion A on the incident window 2F side is made larger than the opening portion B on the emission window 2R side.
  • FIG. 13 is a diagram for explaining a state in the gas cell according to Embodiment 4 of the present invention.
  • a large number of solid or liquid alkali metal atoms 10 are collected in the incident window 2F by forming grooves on the surface of the incident window 2F on the inner space 2a side.
  • a groove 2S is formed in the portion (center portion) of the incident window 2F through which the light 1A emitted from the light source 1 is transmitted.
  • the groove 2S is lower than the surface of the other incident window 2F, and many alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state gather.
  • FIG. 13 (a) a state is shown in which many alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state are attached to the incident window 2F provided with the groove 2S.
  • the solid or liquid alkali metal atoms 10 attached to the incident window 2 ⁇ / b> F can function as a dark filter.
  • symbol is attached
  • the shape of the groove is not limited to the groove 2S shown in FIG. 13A, and may be a shape in which the groove becomes deeper toward the center of the incident window 2F like the groove 2T shown in FIG.
  • the solid or liquid alkali metal atoms 10 are placed at the center of the entrance window 2F. It becomes a structure that many gather and adhere. Therefore, in the gas cell 2 shown in FIG. 13B, the intensity of light from the light source 1 incident on the gas cell 2 can be further attenuated, so that the intensity of the light with respect to the laser light having a Gaussian distribution. It is also possible to achieve uniformization.
  • the number of grooves is not limited to the configuration in which one groove is provided at the center of the entrance window 2F as shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b).
  • a plurality of small grooves may be provided in the center of the entrance window 2F.
  • the incident window 2F has at least one groove 2S, 2T (recessed portion) formed on the surface on the inner space 2a side in the central portion, the alkali metal atom 10 in a solid or liquid state is allowed to enter the incident window 2F. A large amount can be collected and adhered to 2F. Further, the groove 2T (concave portion) is deeper in the central portion than in the peripheral portion, so that many alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state can be collected in the central portion of the incident window 2F. In addition, since the light incident on the gas cell 2 is at the center of the incident window 2F, the grooves 2S and 2T are formed at the center of the incident window 2F as shown in FIG. When light is incident from the center of the window 2F, the grooves 2S and 2T are formed by shifting the positions according to the light incident position.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining a state in the gas cell according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state are formed. Many are collected in the entrance window 2F.
  • a coating film 2C of paraffinic material is formed on the surface of the emission window 2R on the inner space 2a side. Since the surface of the exit window 2R on which the coating film 2C of paraffinic material is formed prevents the adhesion of alkali metal atoms 10, a large amount of solid or liquid alkali metal atoms 10 gather on the surface of the entrance window 2F. It will be.
  • the alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state are formed in the entrance window 2F where the coating film 2C is not formed. A large amount of adhesion is shown. Therefore, in the gas cell 2 shown in FIG. 14A as well, as in the gas cell 2 shown in FIG. 3, the solid or liquid alkali metal atoms 10 attached to the incident window 2 ⁇ / b> F can function as a dark filter.
  • symbol is attached
  • the surface on which the coating film 2C is formed is not limited to the surface of the exit window 2R as shown in FIG. 14A, and may be formed on a surface other than the surface of the entrance window 2F as shown in FIG. Good.
  • a coating film 2C of paraffinic material is formed on the surface of the emission window 2R and the surface of the side wall.
  • the alkali metal atoms 10 are inhibited from adhering to a surface other than the surface of the incident window 2F. Will gather more.
  • the gas cell 2 further includes the coating film 2C that prevents the alkali metal atoms 10 in a liquid state or a solid state from adhering to the surface of the exit window 2R on the inner space 2a side.
  • the coating film 2C may be further provided on the surface of the side wall on the side of the internal space 2a.
  • the coating film 2C has been described as being a paraffinic material, but may be any material that prevents the alkali metal atoms 10 in a liquid state or a solid state from adhering to the coating film 2C, such as octadecyltrichlorosilane. It may be an organosilicon compound.
  • the configuration for obtaining the resonance frequency using the quantum interference effect (CPT) has been described.
  • the present invention is not limited to this.
  • the operation principle of the atomic oscillator includes a method called a double resonance method using light and microwaves, and the atomic oscillator according to the above-described embodiment can be similarly applied to the double resonance method.
  • the atomic oscillator according to the above-described embodiment can be used as a reference oscillator of an atomic clock, and can be used as an electronic device of a mobile phone base station, a mobile phone (smart phone), a car navigation system, etc. that require the reference oscillator. It can be used for an electronic device such as a receiver that requires position information using a GPS system.
  • the atomic oscillator according to the above-described embodiment may be freely combined with each other unless there is a particular limitation.
  • the configuration of the heater 9a provided in the gas cell 2 according to Embodiment 1 is combined with the configuration in which the thickness of the member constituting the entrance window 2F is made thinner than the exit window 2R in the gas cell 2 according to Embodiment 2. May be.
  • a configuration in which a member having higher thermal conductivity than the exit window 2R is used for the entrance window 2Fa, and in the gas cell 2 according to the fifth embodiment, on the inner space 2a side of the exit window 2R. You may combine with the structure which forms the coating film 2C in the surface.
  • FIG. 15 is a schematic diagram for explaining the configuration of an incident window in which a pattern of a material having high thermal conductivity is formed.
  • the incident window 2F shown in FIG. 15 has a net-like electrode pattern 25 formed of a transparent electrode such as ITO on the outer surface.
  • the vaporized alkali metal atoms in the vicinity can be cooled and aggregated into the solid or liquid alkali metal atoms 10. it can. That is, by forming the electrode pattern 25, the entrance window 2F can agglomerate the alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state at a position to be agglomerated. Note that by changing the line width of the electrode pattern 25, the interval between the electrode patterns 25, and the like, it is possible to agglomerate a desired amount of alkali metal atoms 10 in a solid or liquid state at a desired position of the incident window 2F. Further, in the gas cell 2 shown in FIG.
  • the thickness of the member constituting the entrance window 2F is made thinner than that of the exit window 2R. However, if the heat radiation effect by the electrode pattern 25 can be obtained, the entrance window 2F is constructed.
  • the thickness of the member may be the same as or thicker than the exit window 2R.

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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

原子発振器および電子機器
　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。
特開２０１３－２３９６１１号公報
　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。
本発明の実施の形態１に係る原子発振器の構成を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態１に係る原子発振器の機能を説明するためのブロック図である。 本発明の実施の形態１に係るガスセル内の状態を説明するための図である。 光源からの光の透過率と光検出部での信号強度との関係を説明するための図である。 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。 光源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。 本発明の実施の形態１の変形例に係る原子発振器の構成およびガスセル内の状態を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態１の別の変形例に係るガスセル内の状態を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係るガスセル内の状態を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の変形例に係るガスセル内の状態を説明するための図である。 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。 本発明の実施の形態３の変形例に係るガスセル内の状態を説明するための図である。 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。 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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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)

  1. 　光源と、
    　アルカリ金属原子が封入された内部空間を有するガスセルと、
    　前記光源から出射され、前記ガスセルを透過した光を検出する光検出部とを備え、
    　前記ガスセルは、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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　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。
  14. 　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。
  15. 　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。
  16. 　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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