JP5375279B2 - 原子発振器 - Google Patents
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Description
図6(a)に示す原子発振器250は、光源としての半導体レーザー230、ガスセル210、および光検出手段としての光検出器240を含む構成にて光学系を形成している(特許文献2を参照)。ガスセル210の内部には、ルビジウム原子やセシウム原子などの量子吸収体となるアルカリ金属原子(図示せず)が封入されている。半導体レーザー230は、波長の異なる2種類のレーザー光(カップリング光とプローブ光)を生成してガスセル210に出力している。原子発振器250は、ガスセル210に入射したレーザー光が、金属原子ガスにどれだけ吸収されたかを、ガスセル210に対して半導体レーザー230の反対側に配置された光検出器240で検出することにより、原子共鳴を検知して周波数制御回路220などの制御系にて水晶発振器などの基準信号をその原子共鳴に同期させて出力を得ている。
すなわち、図6(c)に示す光吸収スペクトルのように、ガスセル210内の量子吸収体は半導体レーザー230から発せられたレーザー光を吸収し、2種類の光の周波数差に応じて光吸収特性(光の透過率)が変化するが、カップリング光とプローブ光との周波数差が特定の値のときに、2種類の光のいずれも吸収せずに透過する現象(電磁誘起透明化現象、EIT(Electromagnetically Induced Transparency)現象)として知られている。CPTはこのEIT現象を利用して、2つの共鳴光(第1共鳴光、第2共鳴光)が一方あるいは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する現象をδ関数的な形状を持つEIT信号として検出して利用するものである。
このような小型化の要求にこたえるものとして、例えば、光源からの光の光路の入射面および出射面を形成するガスセルの窓部に、光透過性を有する透明発熱体からなる膜状の加熱ヒーターを設けた構成の原子発振器が提案されている(例えば特許文献3を参照)。
原子発振器150は、ガス状の金属原子を封入したガスセル110と、ガスセル110を所定の温度に加熱する加熱手段としての第1の加熱ヒーター112および第2の加熱ヒーター113と、ガスセル110中の金属原子を励起する励起光の光源としての半導体レーザー130と、ガスセル110を透過した励起光を検出する光検出手段としての光検出器140と、を備えている。
ガスセル110は、筒状(チューブ状)の密閉容器であって、第1のレイヤーとしての筒部101と、該筒部の両端の開口部をそれぞれ封鎖して励起光(図中矢印)の光路の入射面および出射面を形成する第2のレイヤーとしての窓部102第3のレイヤーとしての窓部103とにより構成され、内部に密閉されたキャビティT2が形成されている。また、各窓部102,103それぞれの外側の面には、第1の加熱ヒーター112および第2の加熱ヒーター113が設けられている。そして、ガスセル110の光路の入射面となる窓部102の外側に配置された半導体レーザー130から入射された光が、筒部101内のキャビティT2を通過しながら金属原子を励起し、その励起光が出射面となる窓部103の外側に配置された光検出器140に向けて出射されるように配置されている。
励起光の入射面および出射面を形成する各窓部102,103はガラスなどの光透過性を有する材料からなり、それらの窓部102,103に設けられる第1の加熱ヒーター112および第2の加熱ヒーター113にも光透過性を有する透明発熱体を用いる必要がある。光透過性を有する発熱体としては、例えばITO(Indium Tin Oxide)などの透明電極膜を用いることができる。このような膜状の加熱ヒーター112,113を加熱手段としていることにより、ガスセル110およびそれを用いた原子発振器150の小型化を可能としている。
ヒーター配線は各加熱ヒーターからの熱漏出の経路になり得るので、ヒーター配線が多いほどにガスセルの加熱効率の低下を招いて消費電力を増大させたり、ガスセルに温度分布が生じて原子発振器の精度の劣化を招いたりする虞がある。このため、ガスセルに設けられる加熱ヒーターのヒーター配線はなるべく減らしたい。
また、ヒーター配線が多いほど、配線スペースが大きくなるため原子発振器の小型化の障壁になるとともに、制御回路基板の回路構成が複雑になるという問題があった。
両端が開口している筒状の部材、前記一方の開口を封鎖している第1の部材、及び前記他方の開口を封鎖している第2の部材を有し、前記筒状の部材、前記第1の部材、及び前記第2の部材で閉鎖されている内部空間に前記ガス状の金属原子が封入されたガスセルと、
前記第1の部材の外側に備えられている第1の加熱手段と、
前記第2の部材の外側に備えられている第2の加熱手段と、
前記第1の加熱手段及び前記第2の加熱手段を制御する温度制御回路を有している基板と、
前記第1の加熱手段と前記基板とを接続する第1の配線と、
前記第2の加熱手段と前記基板とを接続する第2の配線と、
前記第1の加熱手段と前記第2の加熱手段を接続している第3の配線と、を備え、
前記第1の加熱手段および前記第2の加熱手段は、それぞれ、透明発熱体であり、
前記第3の配線は、前記筒状の部材の外面に備えられ、導電性ペーストを用いて形成された部分を含んでいること特徴とする。
また、図2は、本実施形態の原子発振器を説明するものであり、(a)は模式断面図、(b)は上側からみた模式平面図である。
まず、本実施形態の原子発振器の主要部であるガスセルについて説明する。
図1において、ガスセル10は、筒部としての円筒部1と、その円筒部1の両端の開口部を封鎖する窓部2,3とにより、密閉されたキャビティT1が形成されている。このキャビティT1内には、ルビジウムやセシウムなどのアルカリ金属を気化させた多数の金属原子が封入される(図示せず)。
なお、キャビティT1内に金属原子ガスが封入されたガスセル10において、金属原子ガスを励起する励起光の光路の入射面および出射面を形成する各窓部2,3は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料からなる。一方、円筒部1は光透過性を必要としないので、金属や樹脂などにより形成されていてもよく、また、窓部2,3と同じガラスなどの光透過性材料により形成されていてもよい。
第1の加熱ヒーター12の一端部分からは第1のヒーター配線22が引き出されている。また、第2の加熱ヒーター13の一端部分からは第2のヒーター配線23が引き出されている。第1の加熱ヒーター12および第2の加熱ヒーター13は、第1のヒーター配線22および第2のヒーター配線23を介して温度制御回路を有する後述する制御回路基板に接続されている。
なお、本実施形態の第3のヒーター配線15は、第1の加熱ヒーター12および第2の加熱ヒーター13と同じITOなどの透明電極膜からなり、ガスセル10上に同一プロセスで形成することが可能である。
次に、上記したガスセル10を備えた原子発振器について説明する。
図2に示すように、原子発振器50は、上記のガスセル10と、温度制御回路を含む原子発振器50の各種制御回路を有する制御回路基板5と、励起光の光源としての光源ランプ30と、光検出手段としてのフォトセンサー40と、光学素子層35および光反射層45とを有している。本実施形態では、ガスセル10の励起光の入射面側である窓部2の外側に光学素子層35が配置され、さらにその外側に光源ランプ30およびフォトセンサー40が配置され、励起光の出射面側である窓部3の外側に光反射層45が設けられている。そして、図2(a)の矢印に示すように、光源ランプ30から出射された励起光は、光学素子層35を介して窓部2から窓部3の方向にガスセル10内を通過してから、光反射層45により反射されて再び窓部3から窓部2の方向に戻り、窓部2を通過した励起光がさらに光学素子層35を通過してフォトセンサー40に入射するようになっている。これにより、ガスセル10内での励起光の光路を長くすることが可能になり、金属原子ガス中を通過する距離を確保できるので、原子発振器50の精度を落とさずに小型化を図ることを可能にしている。
また、フォトセンサー40は、例えば太陽電池あるいはフォトダイオードなどからなる。
また、光反射層45は、例えば、ガラスにアルミニウムなどを蒸着して得られる全反射膜を有した所謂反射鏡である。
また、上記構成において、光学素子層35は、励起光のうち不要な光成分を取り除いて必要な光成分のみ透過させる分光を行ったり、光の強度を調整したりする光学層であって、例えば、ND(Neutral Density)フィルターや波長板、あるいはそれらを積層させたものなどが用いられる。ここで、NDフィルターは、光源ランプから出射される光のエネルギーの相対分光分布を変えることなく光の強さを減らす、何等の分光選択吸収も示さない中性濃度の光学フィルターである。なお、原子発振器50に求められる精度によっては光学素子層35を設けない構成としてもよい。
この構成によれば、二重共鳴法による原子発振器に比してガスセルの励起光の進行方向の長さを短くできるため小型化に適しているので、ヒーター配線の数を少なくできることにより第1の加熱ヒーター12および第2の加熱ヒーター13の熱効率の低下を抑える効果を特に顕著に奏する。
これにより、ガスセル10内部に磁界が生じにくくなるので、磁力によって共鳴周波数が変化することによる原子発振器50の精度の劣化を防止することができる。
上記実施形態では、ガスセル10の第1の加熱ヒーター12と第2の加熱ヒーター13とを接続するヒーター配線として、図1に示すような形状の第3のヒーター配線15を設けたが、ヒーター配線の形状はこれに限らない。第1の加熱ヒーター12および第2の加熱ヒーター13の一定の熱効率を確保しながら接続を図れるものであればヒーター配線の形状は特に問わない。
例えば、図3は、上記実施形態の第3のヒーター配線15とは異なる形状のヒーター配線の一例を説明するものであり、図1(c)と同じ方向からみた本変形例のガスセルの模式側面図である。なお、上記実施形態と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
なお、本変形例では、三本の第3のヒーター配線65により第1の加熱ヒーター62と第2の加熱ヒーター63とを接続したが、ヒーター配線の本数および太さなどの形状については図3の第3のヒーター配線65の本数や形状に特に限定されない。
上記実施形態および変形例1では、第3のヒーター配線15,65を、第1の加熱ヒーター12,62と第2の加熱ヒーター13,63とを電気的に接続するヒーター配線としてのみ用いる構成について説明した。第3のヒーター配線は、その材質や形状によってガスセルの加熱に供する第3の加熱ヒーターとして用いることも可能である。
図4は、第3のヒーター配線を第3の加熱ヒーターとして用いるガスセルを説明するものであり、図1(c)と同じ方向からみた模式側面図である。なお、上記実施形態および変形例と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
上記実施形態および変形例1、変形例2では、第3のヒーター配線15,65,75を、第1の加熱ヒーター12,62と第2の加熱ヒーター13,63と同じ材料であるITOなどの透明電極膜により形成した。これに限らず、第3のヒーター配線は、第1の加熱ヒーターおよび第2の加熱ヒーターとは別の導電性材料により形成してもよい。
図5は、第3のヒーター配線を、第1の加熱ヒーターおよび第2の加熱ヒーターとは異なる材料により形成したガスセルを説明するものであり、図1(c)と同じ方向からみた模式側面図である。なお、上記実施形態および変形例と同じ構成については同一符号を付して説明を省略する。
Claims (5)
- ガス状の金属原子を励起する励起光を出射する光源と、
両端が開口している筒状の部材、前記一方の開口を封鎖している第1の部材、及び前記他方の開口を封鎖している第2の部材を有し、前記筒状の部材、前記第1の部材、及び前記第2の部材で閉鎖されている内部空間に前記ガス状の金属原子が封入されたガスセルと、
前記第1の部材の外側に備えられている第1の加熱手段と、
前記第2の部材の外側に備えられている第2の加熱手段と、
前記第1の加熱手段及び前記第2の加熱手段を制御する温度制御回路を有している基板と、
前記第1の加熱手段と前記基板とを接続する第1の配線と、
前記第2の加熱手段と前記基板とを接続する第2の配線と、
前記第1の加熱手段と前記第2の加熱手段を接続している第3の配線と、を備え、
前記第1の加熱手段および前記第2の加熱手段は、それぞれ、透明発熱体であり、
前記第3の配線は、前記筒状の部材の外面に備えられ、導電性ペーストを用いて形成された部分を含んでいること特徴とする原子発振器。 - 前記第3の配線は、金属材料または透明電極材料で構成された部分を含んでいることを特徴とする請求項1に記載の原子発振器。
- 前記第3の配線が前記筒状の部材の外面を加熱するものであることを特徴とする請求項1または2に記載の原子発振器。
- 前記第3の配線は、複数本の配線で構成されている請求項1乃至3のいずれか一項に記載の原子発振器。
- 前記ガス状の金属原子に発生する電磁誘起透明化現象を利用した請求項1乃至4のいずれか一項に記載の原子発振器。
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