WO2025004352A1 - ガスセル及び原子時計用構造 - Google Patents

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internal space
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laser light
substrate
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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

Definitions

  • This disclosure relates to a gas cell and a structure for an atomic clock.
  • the gas cell disclosed herein comprises a plate-shaped substrate having an internal space filled with gas, and a laser light inlet optically coupled to the internal space on a side of the substrate.
  • the gas cell disclosed herein satisfies the relationship L1 ⁇ L2 between the thickness dimension L1 of the internal space and the optical path length L2 of the laser light traveling within the internal space in a plane perpendicular to the thickness direction.
  • the atomic clock structure comprises a gas cell, a laser element optically coupled to the laser light inlet, and a photodetector optically coupled to the internal space.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an atomic clock structure including a gas cell according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the gas cell according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a horizontal cross-sectional view of the gas cell according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of an atomic clock structure equipped with a heater.
  • FIG. 5 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of an atomic clock structure equipped with a heater.
  • FIG. 6 is a diagram showing a vertical cross-sectional configuration of an atomic clock.
  • FIG. 7 is a block diagram of an atomic clock.
  • FIG. 8 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the second embodiment.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the third embodiment.
  • FIG. 10 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the fourth embodiment.
  • FIG. 11 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the fifth embodiment.
  • FIG. 12 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the sixth embodiment.
  • FIG. 13 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the seventh embodiment.
  • FIG. 14 is a horizontal cross-sectional view of the gas cell.
  • FIG. 15 is a horizontal cross-sectional view of the gas cell.
  • FIG. 16 is a horizontal cross-sectional view of the gas cell.
  • FIG. 17 is a horizontal cross-sectional view of the gas cell.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an atomic clock structure with a gas cell according to the first embodiment.
  • the atomic clock structure 100 includes a gas cell GC, a laser element 3 optically coupled to a laser light inlet W IN of the gas cell GC, and a photodetector 4 optically coupled to an internal space IS (including the space in the first recess 1C) of the gas cell GC via a laser light outlet W OUT .
  • a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) can be used as the laser element 3, and a photodiode can be used as the photodetector 4, but other types of elements may also be used.
  • the optical component 5 is interposed between the gas cell GC and the laser element 3.
  • the optical component 5 is one or more optical elements selected from a group of optical elements such as a lens, an optical filter, and a quarter-wave plate.
  • the optical component 5 may include all of a lens, an optical filter, and a quarter-wave plate, and these optical elements may be arranged in order from the laser element 3 side toward the gas cell GC.
  • the laser light introduced into the optical waveguide 1A travels in the Y-axis direction within the optical waveguide 1A and is emitted from the other end face of the optical waveguide 1A.
  • the laser light emitted from the optical waveguide 1A is irradiated onto the gas in the internal space IS.
  • This gas contains an alkali metal such as cesium (Cs) or rubidium (Rb). This gas may also contain a rare gas.
  • this gas contains an alkali metal, absorption of the laser light occurs according to its energy level. By controlling the energy level and frequency of the laser light, the absorption rate of the laser light in the gas changes. If the control signal given to the laser element 3 is feedback-controlled so that it matches the specific energy level difference of the alkali atoms that make up the gas, the frequency (clock) of the output signal from the feedback control circuit will be an accurate value.
  • the gas cell GC is provided with a first auxiliary space 1D and a second auxiliary space 1E that communicate with the internal space IS and in which some of the gas raw material in the internal space IS can remain. That is, a solid raw material containing an alkali metal is placed in advance in the first auxiliary space 1D and the second auxiliary space 1E. During production, when this solid raw material is heated and vaporized to be converted into gas in the internal space, some of the raw material (including impurities, etc.) may remain in the first auxiliary space 1D and the second auxiliary space 1E.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the first embodiment.
  • An optical waveguide 1A is disposed on the first side S1 of the plate-shaped substrate.
  • the optical waveguide 1A can be formed by etching the upper surface of the substrate 1 to form a groove, and then embedding a laser light transmitting material inside the groove.
  • An example of a laser light transmitting material is glass (SiO 2 ).
  • No optical waveguide is formed in the lid member 2. Except for the absence of an optical waveguide, the shape of the lid member 2 is the same as that of the substrate 1. That is, the lid member 2 has a first auxiliary space and a second auxiliary space having the same shapes as the first auxiliary space 1D and the second auxiliary space 1E shown in FIG. 1.
  • the main space of the internal space IS of the gas cell GC is composed of a first recess 1C formed in the substrate 1 and a second recess 2C formed in the lid material 2.
  • the depth direction of the first recess 1C is the negative direction of the Z axis
  • the depth direction of the second recess 2C is the positive direction of the Z axis.
  • the first recess 1C is connected to the first auxiliary space 1D via a first raw material gas inlet 1D1.
  • the second recess 2C is connected to the first auxiliary space (not shown) of the lid material 2 via a second raw material gas inlet 2D1.
  • the first recess 1C is connected to the second auxiliary space 1E (see FIG. 1) via a raw material gas inlet (not shown).
  • the second recess 2C is connected to the second auxiliary space (not shown) of the lid material 2 via a raw material gas inlet (not shown).
  • a first window material 1B is embedded in the area on the second side surface S2 side of the first recess 1C.
  • a second window material 2B is embedded in the area on the second side surface S2 side of the second recess 2C.
  • These window materials can be formed by embedding a laser light transmitting material in the area on the second side surface side of each recess after the formation of each recess.
  • An example of a laser light transmitting material is glass (SiO 2 ). This may be formed by creating a block of the window material in a separate process and fixing the block in the area on the second side surface side of the recess.
  • the dimension L1 in the thickness direction (Z-axis direction) of the internal space IS of the gas cell GC is set to be small.
  • the optical path length L2 of the laser light traveling along the Y-axis within the internal space IS is greater than the dimension L1.
  • the relationship of dimension L1 ⁇ optical path length L2 is satisfied.
  • the optical path length L2 within the internal space IS is also the dimension of the internal space IS in the Y-axis direction.
  • the laser light is reflected so that it travels back and forth inside the internal space IS along the Y-axis direction.
  • the relationship L1 ⁇ L2 is satisfied.
  • the angles of the walls at both ends in the Y-axis direction that define the internal space IS can be slightly inclined from the XZ plane, and a reflective film can be provided on these walls.
  • the dimension L1 satisfies 0.1 ⁇ m ⁇ L1 ⁇ 1000 ⁇ m. If L1 is smaller than the lower limit, it becomes practically difficult to introduce laser light. If L1 exceeds the upper limit, the gas cell cannot be made sufficiently small. More preferably, the dimension L1 satisfies 1 ⁇ m ⁇ L1 ⁇ 500 ⁇ m. This gas cell GC is thinner than existing structures, so it can be installed in small devices such as mobile phones.
  • the optical path length L2 (dimension) can be set, for example, to 100 ⁇ m ⁇ L2 ⁇ 5000 ⁇ m. If L2 is smaller than the lower limit, the amount of gas for the atomic clock will be insufficient. If L2 exceeds the upper limit, the gas cell cannot be made sufficiently small.
  • FIG. 3 is a horizontal cross-sectional view of the gas cell according to the first embodiment. This figure is an XY cross-sectional view taken along the line indicated by the arrows III-III in FIG. 2.
  • the first auxiliary space 1D and the second auxiliary space 1E are also located in the horizontal cross section of the substrate 1 where the internal space IS exists. Since the first auxiliary space 1D and the second auxiliary space 1E are formed from recesses, these recesses can be formed simultaneously when the first recess 1C is formed. The recesses can be formed by etching or the like.
  • the horizontal cross-sectional shape of the optical waveguide 1A is rectangular.
  • the optical waveguide 1A extends along the Y-axis direction.
  • the XZ cross-sectional shape of the optical waveguide 1A is also rectangular, but it can also be a trapezoid or a triangle.
  • a rectangle is an easy shape to process, and can also transmit laser light sufficiently.
  • the horizontal cross-sectional shape of the internal space IS includes a trapezoid.
  • the internal space IS has a second width X2 on the photodetector side that is wider than the first width X1 on the laser element side. Even if the laser light widens as it approaches the photodetector, it can still be adequately detected.
  • the first raw material gas inlet 1D1 and the second raw material gas inlet 1E1 communicate with the hypotenuse of the trapezoidal internal space IS, and communicate with the first auxiliary space 1D and the second auxiliary space 1E, respectively.
  • the shape of the first auxiliary space 1D is rectangular, and the direction of the first center line DX1 of the shape of the path from here to the first raw material gas inlet 1D1 is oriented in the direction of the XZ plane including the end face on the emission side of the gas cell.
  • the shape of the second auxiliary space 1E is rectangular, and the direction of the second center line EX1 of the shape of the path from here to the second raw material gas inlet 1E1 is oriented in the direction of the XZ plane including the end face on the emission side of the gas cell. It is also possible to arrange the window material so that it is not located on the extension line of these center lines. Depending on the shape of the gas introduction path, it is also possible to suppress adhesion of raw materials to the optical waveguide and window material when introducing gas into the internal space.
  • the shape of each auxiliary space can be set to a circle, ellipse, etc. instead of a rectangle.
  • Figure 4 shows the cross-sectional configuration of an atomic clock structure equipped with a heater.
  • the atomic clock structure 100 includes a second heater H2 attached to the upper cover material 2 that constitutes a plate-shaped substrate.
  • the atomic clock structure 100 includes a coil CL that surrounds the plate-shaped substrate (substrate 1 and cover material 2) along the Y-axis direction.
  • the coil CL provides a static magnetic field inside the gas cell and suppresses the influence of external magnetic fields such as geomagnetism.
  • the raw material can be vaporized by heating with the second heater H2.
  • the second heater H2 can be used to control the gas pressure in the internal space IS if necessary, or to control the temperature of the laser element 3 arranged nearby.
  • Figure 5 shows the cross-sectional configuration of an atomic clock structure equipped with a heater.
  • This atomic clock structure 100 has a structure in which a first heater H1 is further attached to the underside of the substrate 1 in the atomic clock structure 100 shown in FIG. 4.
  • the first heater H1 can function in the same way as the second heater H2.
  • Figure 6 shows the vertical cross-sectional structure of an atomic clock.
  • the atomic clock 200 includes a wiring board 10, an atomic clock structure 100 mounted on the wiring board 10, and a control circuit 20 mounted on the wiring board 10.
  • the control circuit 20 processes electrical signals in the atomic clock structure 100 and outputs a clock signal.
  • the control circuit 20 can supply a drive signal to the laser element 3, receive a signal from the photodetector 4, generate a feedback signal from the received signal, and generate a drive signal for the laser element 3 from the feedback signal.
  • the control circuit 20 can also control the power supplied to the first heater H1 and the second heater H2 based on the feedback signal or independently of the feedback signal.
  • Figure 7 is a block diagram of an atomic clock.
  • the control circuit 20 includes a drive circuit 20A that generates a drive signal (drive current) and a feedback control circuit 20B that receives the output signal of the photodetector 4 and performs feedback control of the drive signal.
  • a laser light irradiation type atomic clock a laser light is irradiated onto a gas cell and output light from the gas cell is detected. The output light intensity changes due to the energy level transition of the gas.
  • the output signal of the photodetector 4 is feedback controlled to generate a drive signal of a specific frequency so as to obtain a desired output light intensity that correlates with the energy level difference in the alkali atoms, and this frequency is used to measure time. The number of pulses contained in the signal of this frequency can also be measured and a clock signal S OUT can be output.
  • the feedback control circuit 20B detects the level of the low-frequency component of the photodetector 4 and adjusts the frequency and amplitude of the drive signal output from the drive circuit 20A so that the detection level meets the target conditions.
  • the feedback control circuit 20B can include a synchronous detection circuit to which the output signal of the photodetector 4 is input, a loop filter to which the error signal of the synchronous detection circuit is input, a local oscillator to which the control signal output from the loop filter is input, and a high-frequency synthesizer to which the output of the local oscillator is input.
  • the drive signal output from the high-frequency synthesizer is input to the drive circuit 20A.
  • the feedback control circuit 20B can also obtain an accurate frequency by utilizing the phenomenon of CPT (Coherent Population Trapping).
  • CPT Cosmetic Population Trapping
  • the drive signal modulates the output frequency of the laser element, and laser light of two sideband frequencies can be generated.
  • the difference frequency of these sideband frequencies matches the transition frequency corresponding to a specific energy level difference of the alkali atom, CPT resonance occurs.
  • the intensity of the transmitted light increases, so by monitoring the level of the low-frequency components of the photodetector 4, it is possible to obtain the frequency corresponding to a specific energy level difference of the atom.
  • the wavelength of the laser light output from the laser element 3 can also be changed.
  • the wavelength of the laser light can be controlled by the temperature generated by the laser element 3 by the drive signal itself, the temperature of the laser element 3 controlled by the power supplied to the heater, or the pressure applied to the laser element 3 when a piezoelectric element is attached to the laser element 3. Such control can be performed as necessary. Many types of control methods are known for atomic clocks, so an appropriate one can be adopted.
  • FIG. 8 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the second embodiment.
  • This gas cell GC is the gas cell shown in Figure 2, in which the first window material 1B and the second window material 2B are integrated into one unit, forming the first window material 1B.
  • This gas cell has the advantage of increasing light transmittance because there are no seams between the window materials.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the third embodiment.
  • This gas cell GC is made by taking the first window material 1B from the gas cell shown in FIG. 8 out of the recess and attaching it as the third window material GCB to the light-emitting side surface of the substrate 1 and the lid material 2.
  • This gas cell has the advantage of being easier to manufacture than the structure shown in FIG. 8.
  • FIG. 10 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the fourth embodiment.
  • This gas cell GC is the gas cell shown in FIG. 9, with the lid 2 replaced by a simple plate. In other words, the bottom surface of the lid 2 is flat. This has the advantage that the lid 2 does not need to be processed.
  • FIG. 11 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the fifth embodiment.
  • This gas cell GC is the gas cell shown in FIG. 10 with a thinner lid material 2.
  • the thickness of the lid material 2 is smaller than the thickness of the substrate 1.
  • FIG. 12 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the sixth embodiment.
  • This gas cell GC has the depth of the first recess 1C in the substrate 1 shown in FIG. 11 made the same as the depth of the optical waveguide 1A, and the thickness of the substrate 1 made thinner.
  • This structure has the advantage of making the gas cell even smaller. It is also possible to omit the formation of the first recess 1C and instead place a frame-shaped plate material of the same thickness as the optical waveguide 1A between the substrate 1 and the lid material 2. If a deeper recess is required, it is also possible to adopt a structure in which a frame-shaped plate material is placed on the substrate 1, an optical waveguide and a window material are placed on top of that, a frame-shaped plate material is further laminated on top of that, and the lid material 2 is placed on top of that. In this structure, resin or glass may be interposed between the plates as necessary.
  • FIG. 13 is a vertical cross-sectional view of a gas cell according to the seventh embodiment.
  • This gas cell GC is formed by attaching a lid material 2 to the upper surface of a substrate 1 having a first recess 1C.
  • the substrate 1 and the lid material 2 are made of a laser light transmitting material (SiO 2 ).
  • the periphery of the gas cell can be covered with a light-shielding material. It is also possible to include a light-shielding material such as carbon in the area of the laser light transmitting material that does not transmit laser light.
  • Figure 14 is a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • This gas cell has the horizontal cross-sectional shape of the internal space IS in the gas cell shown in Figure 3 modified from a trapezoid to a rectangle.
  • the width of the internal space IS in the X-axis direction is constant (second width X2).
  • This structure can increase the gas volume in the horizontal plane more than the structure in Figure 3.
  • Figure 15 is a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • This gas cell is an example of the gas cell shown in FIG. 14, in which the position of the first auxiliary space 1D is set within the wall surface on the laser light incident side of the substrate 1.
  • the first auxiliary space 1D is adjacent to the optical waveguide 1A.
  • the first auxiliary space 1D is connected to the inside of the first recess 1C via the first raw material gas inlet 1D1.
  • an auxiliary space and a raw material gas inlet connected thereto may be provided at a position in the lid material opposite the first auxiliary space 1D and the first raw material gas inlet 1D1.
  • Figure 16 is a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • This gas cell is an example of the gas cell shown in FIG. 15, in which the second auxiliary space 1E is set in the wall surface on the laser light incident side of the substrate 1.
  • the second auxiliary space 1E is adjacent to the optical waveguide 1A.
  • the second auxiliary space 1E is connected to the inside of the first recess 1C via the second raw material gas inlet 1E1.
  • an auxiliary space and a raw material gas inlet connected thereto may be provided in a position in the lid material opposite the second auxiliary space 1E and the second raw material gas inlet 1E1.
  • Figure 17 shows a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • This gas cell is the gas cell shown in FIG. 15 with a plurality of first auxiliary spaces 1D, and each first auxiliary space 1D is connected to the first recess 1C via the first raw material gas inlet 1D1.
  • the positions of these first auxiliary spaces 1D do not have to be on the same horizontal plane, and they may be distributed along the thickness direction.
  • an auxiliary space and a raw material gas inlet connected thereto may be provided in a position in the lid opposite the first auxiliary space 1D and the first raw material gas inlet 1D1.
  • the gas cell has a plurality of auxiliary spaces distributed, so it is also possible to increase the uniformity of the raw material gas flow when the gas is introduced.
  • Figure 18 is a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • This gas cell is an example in which the positions of the first auxiliary space 1D and the second auxiliary space 1E in the gas cell shown in FIG. 16 are moved into the wall surface on the laser light emission side of the substrate 1.
  • the first auxiliary space 1D is connected to the inside of the first recess 1C via the first raw material gas inlet 1D1.
  • the second auxiliary space 1E is connected to the inside of the first recess 1C via the second raw material gas inlet 1E1.
  • an auxiliary space and a raw material gas inlet connected thereto may be provided in a position in the lid material opposite the auxiliary space and raw material gas inlet formed in the substrate 1.
  • This gas cell can obtain the same effect as the gas cell shown in FIG. 16.
  • the shape of the auxiliary space in the horizontal plane is not limited to a circle, and various shapes such as an ellipse are possible.
  • Figure 19 is a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • auxiliary space is not shown, but an auxiliary space as described above can be used.
  • the gas cell of this example is an example in which the second width X2 of the internal space IS is set small in the gas cell of FIG. 14.
  • the auxiliary space can also be provided within the wall surfaces located at both ends in the width direction. In this case, the gas cell can be made smaller.
  • Figure 20 shows a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • the gas cell of this example is an example in which the longitudinal direction of the optical waveguide 1A is tilted with respect to the Y axis in the gas cell of FIG. 15.
  • the second width X2 of the first window material 1B on the laser light emission side can be set to the second width X2 of the internal space IS.
  • the optical path length L2 of the laser light traveling in the internal space IS can be set to be longer than the dimension of the internal space IS in the Y axis direction.
  • the laser light in the internal space IS can be configured to be reflected by the inner wall surface of the substrate 1. A reflective film may be provided on this inner wall surface. In this case, the gas cell can be made smaller.
  • Figure 21 shows a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • the gas cell of this example is an example of the gas cell of FIG. 20, in which multiple optical waveguides 1A are provided in the wall surface on the laser light incident side, and the longitudinal direction of each optical waveguide 1A is parallel to the Y axis. Since this structure has multiple optical waveguides 1A, it is possible to increase the amount of incident laser light.
  • Figure 22 is a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • the auxiliary space is not shown, but an auxiliary space as described above can be used.
  • the gas cell of this example is an example in which the position of the internal space IS is arranged asymmetrically with respect to the X-axis position of the optical waveguide 1A in the gas cell of FIG. 15. Even with this structure, it is possible to reduce the size of the gas cell.
  • Figure 23 is a horizontal cross-sectional view of a gas cell.
  • the gas cell of this example is an example in which the position of the first window material 1B in the gas cell shown in FIG. 15 is moved to the inside of the wall surface on the laser light incident surface side.
  • a reflective film M1 may be provided on the inner wall surface located at the end of the Y-axis direction in the internal space IS. Examples of materials for the reflective film M1 include metals such as aluminum.
  • the optical path length L2 of the laser light in the internal space IS becomes longer due to reflection, so the dimension of the gas cell in the Y-axis direction becomes smaller.
  • the laser element and the photodetector are arranged adjacent to each other along the X-axis direction.
  • the auxiliary space that serves as the source of gas raw material can have various positions, shapes, dimensions, and quantities as long as it is connected to the internal space, and is not limited to the above examples.
  • the gas generated by decomposition of the raw material in the auxiliary space is supplied to the internal space.
  • the substrate is equipped with an optical waveguide, but it is also possible to use a structure that does not have an optical waveguide and simply uses a through hole to introduce laser light.
  • the above-mentioned gas cell and atomic clock structure can be miniaturized. If an atomic clock can be made sufficiently small, it will be possible to mount the atomic clock in a variety of devices.
  • a miniaturized atomic clock can be mounted in a mobile phone, an automobile, a robot, a drone, a global positioning system (GPS), or a security system.
  • GPS global positioning system
  • REFERENCE SIGNS LIST 1 substrate, 1A: optical waveguide, 2: lid, 3: laser element, 4: photodetector, 100: atomic clock structure, GC: gas cell, IS: internal space, L IN , L OUT : laser light, W IN : laser light inlet, W OUT : laser light outlet.

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  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

このガスセルＧＣは、ガスが充填された内部空間ＩＳを有する板状の基板を備え、基板の第１側面Ｓ１に、内部空間ＩＳに光学的に結合したレーザ光導入口ＷＩＮを備えている。ガスセルＧＣは、基板の第１側面Ｓ１とは逆側の第２側面Ｓ２に、内部空間ＩＳに光学的に結合したレーザ光出射口ＷＯＵＴを備えている。ガスセルＧＣにおいて、内部空間ＩＳにおける厚み方向の寸法Ｌ１と、厚み方向に垂直な平面内において、内部空間ＩＳ内を進行するレーザ光の光路長Ｌ２とは、Ｌ１＜Ｌ２の関係を満たしている。

Description

ガスセル及び原子時計用構造
　本開示は、ガスセル及び原子時計用構造に関する。
　原子時計は、正確な時間を計測する装置として知られている。原子時計には、幾つかの種類がある。近年では、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping)のように、ガスセル内のガスに、レーザ光を照射するタイプの原子時計が期待されている。ガスセル内には、ルビジウム（Ｒｂ）又はセシウム（Ｃｓ）などのアルカリ金属等を含むガスが封入される。計測方式としては、様々なタイプのものが考えられる。原子時計における物理的な構造部分、すなわち、レーザ素子、光検出器及びガスセルを備えた原子時計用構造についても、検討が行われている。特許文献１～特許文献３は、ガスセルを備えた原子時計を開示している。
特開２００９－２７３０８８号公報 特開２０１９－００７７６３号公報 特開２０１６－１７１４１９号公報
　ガスセル及びガスセルを備えた原子時計用構造の小型化が期待されている。
　本開示のガスセルは、ガスが充填された内部空間を有する板状の基板を備え、基板の側面に、前記内部空間に光学的に結合したレーザ光導入口を備える。本開示のガスセルは、内部空間における厚み方向の寸法Ｌ１と、厚み方向に垂直な平面内において、内部空間内を進行するレーザ光の光路長Ｌ２とは、Ｌ１＜Ｌ２の関係を満たす。原子時計用構造は、ガスセルと、前記レーザ光導入口に光学的に結合したレーザ素子と、前記内部空間に光学的に結合した光検出器とを備える。
図１は、第１実施形態に係るガスセルを備えた原子時計用構造の分解斜視図である。F 図２は、第１実施形態に係るガスセルの縦断面図である。 図３は、第１実施形態に係るガスセルの水平断面図である。 図４は、ヒータを備えた原子時計用構造の縦断面構成を示す図である。 図５は、ヒータを備えた原子時計用構造の縦断面構成を示す図である。 図６は、原子時計の縦断面構成を示す図である。 図７は、原子時計のブロック図である。 図８は、第２実施形態に係るガスセルの縦断面図である。 図９は、第３実施形態に係るガスセルの縦断面図である。 図１０は、第４実施形態に係るガスセルの縦断面図である。 図１１は、第５実施形態に係るガスセルの縦断面図である。 図１２は、第６実施形態に係るガスセルの縦断面図である。 図１３は、第７実施形態に係るガスセルの縦断面図である。 図１４は、ガスセルの水平断面図である。 図１５は、ガスセルの水平断面図である。 図１６は、ガスセルの水平断面図である。 図１７は、ガスセルの水平断面図である。 図１８は、ガスセルの水平断面図である。 図１９は、ガスセルの水平断面図である。 図２０は、ガスセルの水平断面図である。 図２１は、ガスセルの水平断面図である。 図２２は、ガスセルの水平断面図である。 図２３は、ガスセルの水平断面図である。
　以下、実施の形態に係るガスセル及び原子時計用構造について説明する。なお、同一要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
　図１は、第１実施形態に係るガスセルを備えた原子時計用構造の分解斜視図である。
　原子時計用構造１００は、ガスセルＧＣと、ガスセルＧＣのレーザ光導入口ＷＩＮに光学的に結合したレーザ素子３と、ガスセルＧＣの内部空間ＩＳ（第１凹部１Ｃ内の空間を含む）に、レーザ光出射口ＷＯＵＴを介して、光学的に結合した光検出器４とを備えている。レーザ素子３として垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）を用いることができ、光検出器４としてフォトダイオードを用いることができるが、別のタイプの素子を用いてもよい。
　ガスセルＧＣと、レーザ素子３との間には、光学部品５が介在している。光学部品５は、レンズ、光学フィルタ及び１／４波長板などの光学要素群から選択される１個以上の光学要素である。光学部品５は、レンズ、光学フィルタ及び１／４波長板を全て備えていてもよく、これらの光学要素をレーザ素子３の側からガスセルＧＣに向けて、順番に並べて配置することもできる。
　ガスセルＧＣは、ガスが充填された内部空間ＩＳを有する板状の基板を備えている。板状の基板は、基板１と蓋材２を組み合わせてなる。説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定する。基板１の厚み方向をＺ軸とし、基板１の長手方向をＹ軸とし、基板１の幅方向をＸ軸とし、これらの軸は、互いに直交している。板状の基板の第１側面Ｓ１には、この内部空間ＩＳに光学的に結合したレーザ光導入口ＷＩＮが設けられている。レーザ素子３から出射されたレーザ光ＬＩＮは、Ｙ軸方向に進行し、光学部品５を介して、レーザ光導入口ＷＩＮに到達する。ガスセルＧＣは、レーザ光導入口ＷＩＮと内部空間ＩＳとの間に配置された光導波路１Ａを備えている。レーザ光導入口ＷＩＮは、光導波路１Ａの一方の端面である。光導波路１Ａは、Ｙ軸に沿って延びている。
　光導波路１Ａ内に導入されたレーザ光は、光導波路１Ａ内をＹ軸方向に進行して、光導波路１Ａの他方の端面から出射される。光導波路１Ａから出射したレーザ光は、内部空間ＩＳ内のガスに照射される。このガスは、セシウム（Ｃｓ）又はルビジウム（Ｒｂ）などのアルカリ金属を含むガスである。このガスは、希ガスを含むこともできる。
　このガスが、アルカリ金属を含む場合、そのエネルギーレベルに応じて、レーザ光の吸収が生じる。レーザ光のエネルギーレベル及び周波数を制御することで、ガスにおけるレーザ光の吸収率が変化する。ガスを構成するアルカリ原子の特定のエネルギーレベル差に一致するように、レーザ素子３に与える制御信号をフィードバック制御すると、フィードバック制御回路からの出力信号の周波数（クロック）は、正確な値となる。
　内部空間ＩＳ内をＹ軸方向に沿って進行し、これを通過したレーザ光は、第１窓材１Ｂの一方の端面に入射し、他方の端面（レーザ光出射口ＷＯＵＴ）から外部に出射される。換言すれば、ガスセルＧＣは、板状の基板の第１側面Ｓ１とは逆側の第２側面Ｓ２に、内部空間ＩＳに光学的に結合したレーザ光出射口ＷＯＵＴを備えている。レーザ光出射口ＷＯＵＴから出射したレーザ光ＬＯＵＴは、光検出器４に入射する。
　ガスセルＧＣは、内部空間ＩＳに連通し、内部空間ＩＳ内のガスの原料の一部が残留可能な第１補助空間１Ｄ及び第２補助空間１Ｅを備えている。すなわち、第１補助空間１Ｄ及び第２補助空間１Ｅ内には、予め、アルカリ金属を含む固体原料が配置されている。製造時において、この固体原料を加熱することで気化させ、内部空間内のガスに変換すると、第１補助空間１Ｄ及び第２補助空間１Ｅ内に原料の一部（不純物などを含む）が残留する場合がある。
　ガスセルＧＣは、基板１の上面に固定された蓋材２を備えている。基板１の上面は、ＸＹ平面に平行である。蓋材２は、内部空間ＩＳ内を密閉状態とするために用いられる。蓋材２と基板１との間に接着剤を介在させることができる。基板１及び蓋材２の一方又は両方の材料は、それぞれ半導体又は金属とすることもできる。基板１及び蓋材２の一方又は両方の材料は、それぞれガラス又は樹脂とすることもできる。基板１及び蓋材２のいずれかの材料が、熱に対して溶ける材料であれば、これらの界面に熱と圧力を加えて、接着させることもできる。なお、本例の基板１の材料はシリコン（Ｓｉ）であり、蓋材２の材料もシリコン（Ｓｉ）であるとする。
　図２は、第１実施形態に係るガスセルの縦断面図である。
　板状の基板の第１側面Ｓ１側には、光導波路１Ａが配置されている。光導波路１Ａは、基板１の上面をエッチングして溝を形成した後、溝内部にレーザ光透過材料を埋め込むことで、形成することができる。レーザ光透過材料の一例はガラス（ＳｉＯ２）である。蓋材２には、光導波路は形成されていない。光導波路が無い点を除いて、蓋材２の形状と、基板１の形状は同一である。すなわち、蓋材２は、図１に示した第１補助空間１Ｄ及び第２補助空間１Ｅと同一形状の第１補助空間及び第２補助空間を備えている。
　ガスセルＧＣの内部空間ＩＳの主要空間は、基板１に形成された第１凹部１Ｃと、蓋材２に形成された第２凹部２Ｃとから構成される。第１凹部１Ｃの深さ方向はＺ軸の負方向であり、第２凹部２Ｃの深さ方向はＺ軸の正方向である。第１凹部１Ｃは、第１原料ガス導入口１Ｄ１を介して、第１補助空間１Ｄに連通している。同様に、第２凹部２Ｃは、第２原料ガス導入口２Ｄ１を介して、蓋材２の第１補助空間（図示せず）に連通している。同様に、図示しない原料ガス導入口を介して、第１凹部１Ｃは、第２補助空間１Ｅ（図１参照）に連通している。同様に、図示しない原料ガス導入口を介して、第２凹部２Ｃは、蓋材２の第２補助空間（図示せず）に連通している。
　第１凹部１Ｃの第２側面Ｓ２側の領域内には、第１窓材１Ｂが埋め込まれている。同様に、第２凹部２Ｃの第２側面Ｓ２側の領域内には、第２窓材２Ｂが埋め込まれている。これらの窓材は、それぞれの凹部の形成後に、その第２側面側の領域内に、レーザ光透過材料を埋め込むことで、形成することができる。レーザ光透過材料の一例はガラス（ＳｉＯ２）である。窓材のブロックを別工程で作成しておき、凹部の第２側面側の領域内に、ブロックを固定することで、これを形成してもよい。
　ガスセルＧＣの内部空間ＩＳにおける厚み方向（Ｚ軸方向）の寸法Ｌ１は、小さく設定されている。この厚み方向（Ｚ軸方向）に垂直な平面（ＸＹ平面）内において、内部空間ＩＳ内を、Ｙ軸に沿って進行するレーザ光の光路長Ｌ２は、寸法Ｌ１よりも大きい。すなわち、寸法Ｌ１＜光路長Ｌ２の関係を満たしている。本例の内部空間ＩＳ内の光路長Ｌ２は、内部空間ＩＳのＹ軸方向の寸法でもある。
　レーザ光が、内部空間ＩＳの内部をＹ軸方向に沿って往復するようにレーザ光を反射させる構造とすることも可能である。この構造においても、Ｌ１＜Ｌ２の関係は満たされている。レーザ光を往復させるには、内部空間ＩＳを規定するＹ軸方向両端の壁面の角度をＸＺ面から僅かに傾斜させ、これらの壁面に反射膜を設ければよい。
　寸法Ｌ１は、０．１μｍ≦Ｌ１≦１０００μｍを満たしている。Ｌ１が、下限値よりも小さくなると、実質的にレーザ光を導入することが難しくなる。Ｌ１が、上限値を超えると、ガスセルを十分に小型化できない。寸法Ｌ１は、更に好ましくは１μｍ≦Ｌ１≦５００μｍを満たすことができる。このガスセルＧＣは、既存の構造よりも薄いので、携帯電話などの小型機器に搭載することも可能となる。
　光路長Ｌ２（寸法）は、例えば、１００μｍ≦Ｌ２≦５０００μｍに設定することができる。Ｌ２が、下限値よりも小さくなると、原子時計用のガス量が十分ではなくなる。Ｌ２が、上限値を超えると、ガスセルを十分に小型化できない。
　図３は、第１実施形態に係るガスセルの水平断面図である。同図は、図２に示したＩＩＩ－ＩＩＩ矢印線に沿ったＸＹ断面図である。
　同図に示されるように、内部空間ＩＳが存在する基板１の水平断面内において、第１補助空間１Ｄ及び第２補助空間１Ｅも位置している。第１補助空間１Ｄ及び第２補助空間１Ｅは凹部から形成されるので、これらの凹部は、第１凹部１Ｃの形成時に同時に形成することができる。凹部の形成方法としては、エッチング等を用いることができる。
　光導波路１Ａの水平断面形状は、長方形である。光導波路１ＡはＹ軸方向に沿って延びている。なお、光導波路１ＡのＸＺ断面の形状も長方形であるが、台形又は三角形とすることも可能である。なお、長方形は、加工しやすい形状であり、また、レーザ光を十分に伝達することもできる。
　内部空間ＩＳの水平断面形状は、台形を含んでいる。内部空間ＩＳは、光検出器側の第２幅Ｘ２が、レーザ素子側の第１幅Ｘ１よりも広い。レーザ光が光検出器に向かうにしたがって広がっても、十分にレーザ光を検出することができる。
　水平断面内において、台形の内部空間ＩＳの斜辺には、第１原料ガス導入口１Ｄ１及び第２原料ガス導入口１Ｅ１が連通し、第１補助空間１Ｄ及び第２補助空間１Ｅにそれぞれ連通している。水平断面内において、第１補助空間１Ｄの形状を長方形とし、ここから第１原料ガス導入口１Ｄ１に至る経路の形状の第１中心線ＤＸ１の方向は、ガスセルの出射側の端面を含むＸＺ面の方向に向かっている。同様に、水平断面内において、第２補助空間１Ｅの形状を長方形とし、ここから第２原料ガス導入口１Ｅ１に至る経路の形状の第２中心線ＥＸ１の方向は、ガスセルの出射側の端面を含むＸＺ面の方向に向かっている。これらの中心線の延長線上に窓材が位置ないように配置することもできる。ガス導入経路の形状により、内部空間内へガス導入を行う場合の光導波路及び窓材への原料の付着を抑制することもできる。なお、各補助空間の形状は、長方形ではなく、円形又は楕円形等に設定することも可能である。
　図４は、ヒータを備えた原子時計用構造の縦断面構成を示す図である。
　同図では、構造を分かりやすく説明するために、レーザ素子３、光検出器４、光学部品５、ガスセルＧＣは、隙間を介して、示されている。これらの素子は、必要に応じて、密着させることもできる。原子時計用構造１００は、板状の基板を構成する上部の蓋材２に取り付けられた第２ヒータＨ２を備えている。原子時計用構造１００は、板状の基板（基板１及び蓋材２）をＹ軸方向に沿って囲むコイルＣＬを備えている。コイルＣＬは、ガスセル内部に静磁場を与えるものであり、地磁気等による外部磁場の影響を抑制している。第２ヒータＨ２による加熱により、原料を気化させることができる。その他、第２ヒータＨ２は、必要に応じて、内部空間ＩＳ内のガス圧力制御に用いることもでき、或いは、近接配置されたレーザ素子３の温度制御を行うことも可能である。
　図５は、ヒータを備えた原子時計用構造の縦断面構成を示す図である。
　この原子時計用構造１００は、図４に示した原子時計用構造１００における基板１の下面に、さらに第１ヒータＨ１を取り付けた構造を有している。第１ヒータＨ１は、第２ヒータＨ２と同様に機能させることができる。
　図６は、原子時計の縦断面構成を示す図である。
　原子時計２００は、配線基板１０と、配線基板１０上に搭載された原子時計用構造１００と、配線基板１０上に搭載された制御回路２０を備えている。制御回路２０は、原子時計用構造１００における電気信号を処理し、クロック信号を出力する。制御回路２０は、レーザ素子３に駆動信号を供給し、光検出器４からの信号を受信し、受信した信号からフィードバック信号を生成し、フィードバック信号からレーザ素子３の駆動信号を生成することができる。制御回路２０は、フィードバック信号に基づいて、或いは、フィードバック信号とは独立して、第１ヒータＨ１及び第２ヒータＨ２への供給電力を制御することもできる。
　図７は、原子時計のブロック図である。
　制御回路２０は、駆動信号（駆動電流）を生成する駆動回路２０Ａと、光検出器４の出力信号を受信して、駆動信号のフィードバック制御を行うフィードバック制御回路２０Ｂを備えている。レーザ光照射タイプの原子時計においては、レーザ光をガスセルに照射し、ガスセルからの出力光を検出する。ガスのエネルギーレベル遷移に起因して、出力光強度が変化する。原子時計においては、アルカリ原子におけるエネルギーレベル差に相関する目的の出力光強度が得られるように、光検出器４の出力信号をフィードバック制御して、特定の周波数の駆動信号を生成し、この周波数を利用して時間を計測している。この周波数の信号に含まれるパルス数を計測し、クロック信号ＳＯＵＴを出力することもできる。
　フィードバック制御回路２０Ｂは、光検出器４の低周波成分のレベルを検出し、検出レベルが目的の条件を満たすように、駆動回路２０Ａから出力される駆動信号の周波数及び振幅を調整する。例えば、フィードバック制御回路２０Ｂは、光検出器４の出力信号が入力される同期検波回路と、同期検波回路の誤差信号が入力されるループフィルタと、ループフィルタから出力される制御信号が入力される局部発振器と、局部発振器の出力が入力される高周波シンセサイザを備えることができる。高周波シンセサイザから出力された駆動信号は、駆動回路２０Ａに入力される。フィードバック制御回路２０Ｂは、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping)の現象を利用して、正確な周波数を得ることもできる。この場合、駆動信号は、レーザ素子の出力周波数を変調するものであり、２つのサイドバンド周波数のレーザ光を発生させることができる。これらのサイドバンド周波数の差周波数が、アルカリ原子の特定のエネルギーレベル差に対応した遷移周波数に一致した場合、ＣＰＴ共鳴が生じる。ＣＰＴ共鳴時には、透過光強度が増加するので、光検出器４の低周波成分のレベルをモニタすれば、原子の特定のエネルギーレベル差に対応した周波数を得ることができる。
　また、レーザ素子３から出力されるレーザ光の波長を変更することもできる。レーザ光の波長は、駆動信号自身によりレーザ素子３の発生する温度、ヒータへの供給電力により制御されるレーザ素子３の温度、又は、レーザ素子３に圧電素子を取り付けた場合にレーザ素子３に与えられる圧力などにより、制御することもできる。必要に応じて、このような制御を行うことも可能である。原子時計においては、数多くの種類の制御法が知られているので、適当なものを採用することができる。
　図８は、第２実施形態に係るガスセルの縦断面図である。
　このガスセルＧＣは、図２に示したガスセルにおける第１窓材１Ｂ及び第２窓材２Ｂを一体化し、一体化したものを第１窓材１Ｂとしたものである。このガスセルは、窓材の継ぎ目がないため、光透過率が増加するという利点がある。
　図９は、第３実施形態に係るガスセルの縦断面図である。
　このガスセルＧＣは、図８に示したガスセルにおける第１窓材１Ｂを、凹部内から取り出して、これを第３窓材ＧＣＢとして、基板１及び蓋材２の光出射面側の側面に貼り付けたものである。このガスセルは、図８の構造よりも、製造しやすいという利点がある。
　図１０は、第４実施形態に係るガスセルの縦断面図である。
　このガスセルＧＣは、図９に示したガスセルの蓋材２を単なる板に変更したものである。すなわち、蓋材２の下面は、平坦面である。蓋材２を加工しないでよいという利点がある。
　図１１は、第５実施形態に係るガスセルの縦断面図である。
　このガスセルＧＣは、図１０に示したガスセルの蓋材２の厚みを薄くしたものである。すなわち、基板１の厚みよりも、蓋材２の厚みの方が小さい。この構造は、ガスセルをさらに小型化できるという利点がある。
　図１２は、第６実施形態に係るガスセルの縦断面図である。
　このガスセルＧＣは、図１１に示した基板１の第１凹部１Ｃの深さを、光導波路１Ａの深さと同一とし、基板１の厚みを薄くしたものである。この構造は、ガスセルをさらに小型化できるという利点がある。なお、第１凹部１Ｃの形成を省略して、代わりに、光導波路１Ａと同じ厚みの枠状の板材を、基板１と蓋材２との間に配置することもできる。なお、凹部の深さが必要な場合は、基板１上に枠状の板材を配置し、その上に光導波路と窓材を配置し、さらにその上に枠状の板材を積層し、その上に蓋材２を配置する構造を採用することもできる。この構造の場合、必要に応じて、板材間に樹脂又はガラスなどを介在させてもよい。
　図１３は、第７実施形態に係るガスセルの縦断面図である。
　このガスセルＧＣは、第１凹部１Ｃを備えた基板１の上面に蓋材２を貼りつけたものである。基板１及び蓋材２は、レーザ光透過材料（ＳｉＯ２）から構成されている。外部からの光を抑制するため、ガスセルの周囲を遮光材料で被覆することができる。また、レーザ光透過材料内において、レーザ光を透過させない領域内に、カーボン等の遮光材料を含有させることも可能である。
　図１４は、ガスセルの水平断面図である。
　このガスセルは、図３に示したガスセルにおける内部空間ＩＳの水平断面形状を、台形から長方形に変形したものである。すなわち、内部空間ＩＳのＸ軸方向の幅が一定（第２幅Ｘ２）である。この構造は、図３の構造よりも、水平面内のガス容量を増加させることができる。
　図１５は、ガスセルの水平断面図である。
　このガスセルは、図１４に示したガスセルにおいて、第１補助空間１Ｄの位置を、基板１のレーザ光入射面側の壁面内に設定した例である。第１補助空間１Ｄは、光導波路１Ａに隣接する。第１補助空間１Ｄは、第１原料ガス導入口１Ｄ１を介して、第１凹部１Ｃ内に連通している。上述の例と同様に、第１補助空間１Ｄ及び第１原料ガス導入口１Ｄ１に対向する蓋材内の位置に、補助空間及びこれに連通した原料ガス導入口を設けてもよい。この構造によれば、内部空間ＩＳの第２幅Ｘ２の外側に位置する壁の厚さを薄くすることができ、さらなる小型化が可能である。
　図１６は、ガスセルの水平断面図である。
　このガスセルは、図１５に示したガスセルにおいて、第２補助空間１Ｅを、基板１のレーザ光入射面側の壁面内に設定した例である。第２補助空間１Ｅは、光導波路１Ａに隣接する。第２補助空間１Ｅは、第２原料ガス導入口１Ｅ１を介して、第１凹部１Ｃ内に連通している。上述の例と同様に、第２補助空間１Ｅ及び第２原料ガス導入口１Ｅ１に対向する蓋材内の位置に、補助空間及びこれに連通した原料ガス導入口を設けてもよい。この構造によれば、ガスセルが複数の補助空間を備えているので、個々の補助空間の体積を小さくすることができ、光入射面側の壁面の厚さを小さくすることも可能であり、さらなる小型化が可能である。
　図１７は、ガスセルの水平断面図である。
　このガスセルは、図１５に示したガスセルにおいて、第１補助空間１Ｄの数を複数にしたものであり、個々の第１補助空間１Ｄは、それぞれ第１原料ガス導入口１Ｄ１を介して、第１凹部１Ｃ内に連通している。これらの第１補助空間１Ｄの位置は、同一の水平面内に無くてもよく、厚み方向に沿って分散して配置されていてもよい。上述の例と同様に、第１補助空間１Ｄ及び第１原料ガス導入口１Ｄ１に対向する蓋材内の位置に、補助空間及びこれに連通した原料ガス導入口を設けてもよい。この構造によれば、ガスセルが分散配置された複数の補助空間を備えているので、ガス導入時の原料ガス流の均一性を増加させることも可能である。
　図１８は、ガスセルの水平断面図である。
　このガスセルは、図１６に示したガスセルにおいて、第１補助空間１Ｄ及び第２補助空間１Ｅの位置を、基板１のレーザ光出射面側の壁面内に移動させた例である。第１補助空間１Ｄは、第１原料ガス導入口１Ｄ１を介して、第１凹部１Ｃ内に連通している。第２補助空間１Ｅは、第２原料ガス導入口１Ｅ１を介して、第１凹部１Ｃ内に連通している。上述の例と同様に、基板１に形成した補助空間及び原料ガス導入口に対向する蓋材内の位置に、補助空間及びこれに連通した原料ガス導入口を設けてもよい。このガスセルは、図１６に示したガスセルと同様の効果を得ることができる。なお、補助空間の水平面内形状は、円形に限定されず、楕円形等の様々な形状とすることが可能である。
　図１９は、ガスセルの水平断面図である。
　同図では、補助空間の図示を省略しているが、上述のような補助空間を採用することができる。本例のガスセルは、図１４のガスセルにおいて、内部空間ＩＳの第２幅Ｘ２を小さく設定した例である。補助空間は、幅方向両端に位置する壁面内に設けることも可能である。この場合、ガスセルを小型化することができる。
　図２０は、ガスセルの水平断面図である。
　同図では、補助空間の図示を省略しているが、上述のような補助空間を採用することができる。本例のガスセルは、図１５のガスセルにおいて、光導波路１Ａの長手方向をＹ軸に対して傾斜させた例である。なお、レーザ光出射側の第１窓材１Ｂの第２幅Ｘ２は、内部空間ＩＳの第２幅Ｘ２に設定することができる。このガスセルでは、内部空間ＩＳ内を進行するレーザ光の光路長Ｌ２を、内部空間ＩＳのＹ軸方向の寸法よりも、長く設定することができる。内部空間ＩＳ内のレーザ光は、基板１の内壁面において反射される構成とすることができる。この内壁面上に反射膜を設けることとしてもよい。この場合、ガスセルを小型化することができる。
　図２１は、ガスセルの水平断面図である。
　同図では、補助空間の図示を省略しているが、上述のような補助空間を採用することができる。本例のガスセルは、図２０のガスセルにおいて、レーザ光入射面側の壁面内に複数の光導波路１Ａを設け、各光導波路１Ａの長手方向をＹ軸に平行とした場合の例である。この構造は、複数の光導波路１Ａを備えているので、レーザ光の入射光量を増加させることができる。
　図２２は、ガスセルの水平断面図である。
　同図では、補助空間の図示を省略しているが、上述のような補助空間を採用することができる。本例のガスセルは、図１５のガスセルにおいて、内部空間ＩＳの位置を光導波路１ＡのＸ軸方向位置に対して、非対称に配置した例である。この構造においても、ガスセルの小型化が可能である。
　図２３は、ガスセルの水平断面図である。
　同図では、補助空間の図示を省略しているが、上述のような補助空間を採用することができる。本例のガスセルは、図１５に示したガスセルにおける第１窓材１Ｂの位置を、レーザ光入射面側の壁面内に移動させた例である。内部空間ＩＳ内のＹ軸方向の端部に位置する内壁面上には、必要に応じて、反射膜Ｍ１を設けてもよい。反射膜Ｍ１の材料としては、アルミニウム等の金属が例示される。光導波路１Ａから内部空間ＩＳ内に導入されたレーザ光は、反射膜Ｍ１により反射され、第１窓材１Ｂを介して外部に出力され、光検出器に導入される。レーザ光の内部空間ＩＳ内の光路長Ｌ２は、反射により長くなるので、ガスセルのＹ軸方向の寸法は小さくなる。なお、この構造においては、レーザ素子と光検出器は、Ｘ軸方向に沿って隣接して配置される。
　上述のように、ガス原料の供給源となる補助空間は、内部空間内に連通していれば、その位置、形状、寸法、数量としては、様々な例を採用することができ、上述の例に限定されない。いずれの場合も、補助空間内において、原料分解により発生したガスは、内部空間内に供給される。なお、基板は光導波路を備えた方が好ましいが、光導波路を備えないで、単なる貫通孔を用いて、レーザ光を導入する構造も可能である。
　以上、説明したように、上述のガスセル及び原子時計用構造は、小型化が可能である。原子時計を十分に小型化できると、様々な機器に、原子時計を搭載することが可能となる。例えば、携帯電話、自動車、ロボット、ドローン、全地球測位システム（ＧＰＳ）、又は、セキュリティシステムなどに、小型化された原子時計を搭載することができる。
　以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上述した例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。また、異なる実施形態における要素を組み合わせて他の実施形態を形成することが可能である。また、以上の説明から、本開示の種々の実施形態は、説明の目的本明細書において説明されており、本開示の範囲及び主旨から逸脱することなく種々の変更をなし得ることが、理解されるであろう。したがって、本明細書に開示した種々の実施形態は限定することを意図しておらず、真の範囲と主旨は、添付の特許請求の範囲によって示される。
　１…基板、１Ａ…光導波路、２…蓋材、３…レーザ素子、４…光検出器、１００…原子時計用構造、ＧＣ…ガスセル、ＩＳ…内部空間、ＬＩＮ，ＬＯＵＴ…レーザ光、ＷＩＮ…レーザ光導入口、ＷＯＵＴ…レーザ光出射口。

Claims (13)

  1. 　ガスが充填された内部空間を有する板状の基板を備え、
    　前記基板の側面に、前記内部空間に光学的に結合したレーザ光導入口を備える、
    ガスセル。
  2. 　前記基板の前記側面とは逆側の側面に、前記内部空間に光学的に結合したレーザ光出射口を備える、
    請求項１に記載のガスセル。
  3. 　前記内部空間における厚み方向の寸法Ｌ１と、
    　前記厚み方向に垂直な平面内において、前記内部空間内を進行するレーザ光の光路長Ｌ２とは、
    　Ｌ１＜Ｌ２の関係を満たす、
    請求項１に記載のガスセル。
  4. 　前記寸法Ｌ１は、０．１μｍ≦Ｌ１≦１０００μｍを満たす、
    請求項３に記載のガスセル。
  5. 　前記内部空間に連通し、前記ガスの原料の一部が残留可能な補助空間を有する、
    請求項１に記載のガスセル。
  6. 　前記内部空間が存在する前記基板の水平断面内において、前記補助空間も位置する、
    請求項５に記載のガスセル。
  7. 　前記ガスは、アルカリ金属を含む、
    請求項１に記載のガスセル。
  8. 　前記レーザ光導入口と前記内部空間との間に配置された光導波路備える、
    請求項１に記載のガスセル。
  9. 　前記光導波路の水平断面形状は、長方形である、
    請求項８に記載のガスセル。
  10. 　前記内部空間の水平断面形状は、台形を含む、
    請求項１に記載のガスセル。
  11. 　前記内部空間の水平断面形状は、長方形を含む、
    請求項１に記載のガスセル。
  12. 　前記基板に取り付けられたヒータを備える、
    請求項１に記載のガスセル。
  13. 　請求項１～請求項１２のいずれか一項に記載のガスセルと、
    　前記レーザ光導入口に光学的に結合したレーザ素子と、
    　前記内部空間に光学的に結合した光検出器と、
    を備える原子時計用構造。
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