JP6291768B2 - 原子共鳴遷移装置、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents
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Description
本発明は、原子共鳴遷移装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。
いずれの方式の原子発振器においても、通常、アルカリ金属をガスセル（原子セル）内に封入し、そのアルカリ金属を一定のガス状態に保つために、ガスセルをヒーターにより所定温度に加熱する。
ここで、一般に、ガスセル内のアルカリ金属は、そのすべてがガス化するのではなく、一部が余剰分として液体となる。このような余剰分のアルカリ金属原子は、ガスセルの温度の低い部分に析出（結露）することにより液体となるが、励起光の通過領域に存在すると、励起光を遮ってしまい、その結果、原子発振器の発振特性の低下を招くこととなる。
そこで、特許文献１に係るガスセルでは、アルカリ金属を析出させるための凹部がガスセルの内壁面に設けられている。
ここで、一般に、ガスセル内のアルカリ金属は、そのすべてがガス化するのではなく、一部が余剰分として液体となる。このような余剰分のアルカリ金属原子は、ガスセルの温度の低い部分に析出（結露）することにより液体となるが、励起光の通過領域に存在すると、励起光を遮ってしまい、その結果、原子発振器の発振特性の低下を招くこととなる。
そこで、特許文献１に係るガスセルでは、アルカリ金属を析出させるための凹部がガスセルの内壁面に設けられている。
しかし、特許文献１に係るガスセルでは、凹部内に析出した余剰分のアルカリ金属が励起光の通過領域に比較的近くで面した状態であるため、励起されるガス状のアルカリ金属の一部が凹部内の余剰分のアルカリ金属と接触してしまい、それにより、励起されるガス状のアルカリ金属の状態が不均一となり、その結果、発振特性が低下（例えば周波数変動）するという問題があった。
本発明の目的は、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子共鳴遷移装置および原子発振器を提供すること、また、かかる原子共鳴遷移装置を備える信頼性に優れた電子機器および移動体を提供することにある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］
本発明の原子セルは、１対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置され、前記１対の窓部とともに内部空間を構成している胴部と、
前記内部空間に封入されている金属原子と、を備え、
前記内部空間の、前記１対の窓部が並ぶ方向に対して交わる断面において、互いに垂直な方向に沿った長さをＬ１およびＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１≧１．１の関係を満たすことを特徴とする。
［適用例１］
本発明の原子セルは、１対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置され、前記１対の窓部とともに内部空間を構成している胴部と、
前記内部空間に封入されている金属原子と、を備え、
前記内部空間の、前記１対の窓部が並ぶ方向に対して交わる断面において、互いに垂直な方向に沿った長さをＬ１およびＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１≧１．１の関係を満たすことを特徴とする。
このような原子セルによれば、長手形状部の長手方向（第１方向）での一端部に余剰分である液体状または固体状の金属原子を配置するとともに、他端側に偏在した位置に気体状の金属原子に共鳴する共鳴光対を含む光を照射することにより、当該光の幅を大きくして当該光と胴部の内壁面との間の距離が小さくなっても、当該光と液体状または固体状の金属原子との間の距離を大きくすることができる。その結果、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる。
［適用例２］
本発明の原子セルでは、前記断面を有する長手形状部が、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿って延在していることが好ましい。
これにより、長手形状部の長手方向（第１方向）での一端部に配置される液体状または固体状の金属原子の量を十分に確保することができる。
本発明の原子セルでは、前記断面を有する長手形状部が、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿って延在していることが好ましい。
これにより、長手形状部の長手方向（第１方向）での一端部に配置される液体状または固体状の金属原子の量を十分に確保することができる。
［適用例３］
本発明の原子セルでは、前記Ｌ２は、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿った前記内部空間の全域に亘って揃っていることが好ましい。
これにより、一定幅の貫通孔を有する胴部を用いればよいため、胴部の形成が比較的容易となる。
本発明の原子セルでは、前記Ｌ２は、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿った前記内部空間の全域に亘って揃っていることが好ましい。
これにより、一定幅の貫通孔を有する胴部を用いればよいため、胴部の形成が比較的容易となる。
［適用例４］
本発明の原子セルでは、前記Ｌ２が、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿った前記内部空間の端部または途中で大きい部分を有していることが好ましい。
これにより、固体状または液体状の金属原子を所望の局所的な位置に容易に配置することができる。
本発明の原子セルでは、前記Ｌ２が、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿った前記内部空間の端部または途中で大きい部分を有していることが好ましい。
これにより、固体状または液体状の金属原子を所望の局所的な位置に容易に配置することができる。
［適用例５］
本発明の原子セルでは、前記断面形状は、楕円形であることが好ましい。
これにより、内部空間の無駄なスペースを少なくすることができる。その結果、原子セルの小型化を図ることができる。また、原子セルの内部空間の壁面が曲面部を有するので、原子セルの製造が簡単になる。
本発明の原子セルでは、前記断面形状は、楕円形であることが好ましい。
これにより、内部空間の無駄なスペースを少なくすることができる。その結果、原子セルの小型化を図ることができる。また、原子セルの内部空間の壁面が曲面部を有するので、原子セルの製造が簡単になる。
［適用例６］
本発明の原子セルでは、前記Ｌ１は、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、原子セルの小型化を図ることができる。また、このように原子セルが小型である場合、発振特性を高める観点から、共鳴光対を含む光が照射される気体状の金属原子の量を多くするため、共鳴光対を含む光の幅をできるだけ大きくする必要がある。このような場合に、共鳴光対を含む光と胴部の内壁面との間の距離が小さくなっても、前述したＬ１およびＬ２の関係を満たすことにより、共鳴光対を含む光と固体状または液体状の金属原子との間の距離を、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制し得る程度に大きくすることができる。
本発明の原子セルでは、前記Ｌ１は、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、原子セルの小型化を図ることができる。また、このように原子セルが小型である場合、発振特性を高める観点から、共鳴光対を含む光が照射される気体状の金属原子の量を多くするため、共鳴光対を含む光の幅をできるだけ大きくする必要がある。このような場合に、共鳴光対を含む光と胴部の内壁面との間の距離が小さくなっても、前述したＬ１およびＬ２の関係を満たすことにより、共鳴光対を含む光と固体状または液体状の金属原子との間の距離を、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制し得る程度に大きくすることができる。
［適用例７］
本発明の原子共鳴遷移装置は、本発明の原子セルと、
前記金属原子を共鳴させるための共鳴光対を含む光を前記原子セルに向けて出射する光出射部と、を備え、
前記長手形状部は、長手方向での一端部に液体状または固体状の金属原子が配置されている金属溜り部を有し、
前記胴部の内壁面と前記光との間の距離をＤ１とし、前記金属溜り部に配置されている液体状または固体状の金属原子と前記光との間の距離をＤ２としたとき、
２×Ｄ１≦Ｄ２の関係を満たすことを特徴とする。
本発明の原子共鳴遷移装置は、本発明の原子セルと、
前記金属原子を共鳴させるための共鳴光対を含む光を前記原子セルに向けて出射する光出射部と、を備え、
前記長手形状部は、長手方向での一端部に液体状または固体状の金属原子が配置されている金属溜り部を有し、
前記胴部の内壁面と前記光との間の距離をＤ１とし、前記金属溜り部に配置されている液体状または固体状の金属原子と前記光との間の距離をＤ２としたとき、
２×Ｄ１≦Ｄ２の関係を満たすことを特徴とする。
このような原子共鳴遷移装置によれば、長手形状部の長手方向（第１方向）での一端部に余剰分である液体状または固体状の金属原子を配置するとともに、他端側に偏在した位置に気体状の金属原子に共鳴する共鳴光対を含む光を照射することにより、当該光の幅を大きくして当該光と胴部の内壁面との間の距離が小さくなっても、当該光と液体状または固体状の金属原子との間の距離を大きくすることができる。その結果、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる。
［適用例８］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記１対の窓部が並ぶ方向から見たとき、前記長手形状部の中心と前記光の中心とが前記長手方向にずれていることが好ましい。
これにより、長手形状部の長手方向（第１方向）での一端部に余剰分である液体状または固体状の金属原子を配置するとともに、他端側に偏在した位置に気体状の金属原子に共鳴する共鳴光対を含む光を照射することができる。
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記１対の窓部が並ぶ方向から見たとき、前記長手形状部の中心と前記光の中心とが前記長手方向にずれていることが好ましい。
これにより、長手形状部の長手方向（第１方向）での一端部に余剰分である液体状または固体状の金属原子を配置するとともに、他端側に偏在した位置に気体状の金属原子に共鳴する共鳴光対を含む光を照射することができる。
［適用例９］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記Ｄ１は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、共鳴光対を含む光が照射される気体状の金属原子の量を多くしながら、胴部の内壁面近傍の他と挙動の異なる金属原子が共鳴光対を含む光に共鳴することによる特性の低下を抑制することができる。
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記Ｄ１は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内にあることが好ましい。
これにより、共鳴光対を含む光が照射される気体状の金属原子の量を多くしながら、胴部の内壁面近傍の他と挙動の異なる金属原子が共鳴光対を含む光に共鳴することによる特性の低下を抑制することができる。
［適用例１０］
本発明の原子共鳴遷移装置は、金属原子が封入されている内部空間を有する原子セルと、
前記金属原子を共鳴させるための共鳴光対を含む光を前記原子セルに向けて出射する光出射部と、を備え、
前記内部空間は、前記内部空間の壁面の一部に液体状または固体状の金属原子を配置している金属溜り部を有し、
前記内部空間の壁面と前記光との間の距離をＤ１とし、前記金属溜り部に配置されている液体状または固体状の金属原子と前記光との間の距離をＤ２としたとき、
２×Ｄ１≦Ｄ２の関係を満たすことを特徴とする。
本発明の原子共鳴遷移装置は、金属原子が封入されている内部空間を有する原子セルと、
前記金属原子を共鳴させるための共鳴光対を含む光を前記原子セルに向けて出射する光出射部と、を備え、
前記内部空間は、前記内部空間の壁面の一部に液体状または固体状の金属原子を配置している金属溜り部を有し、
前記内部空間の壁面と前記光との間の距離をＤ１とし、前記金属溜り部に配置されている液体状または固体状の金属原子と前記光との間の距離をＤ２としたとき、
２×Ｄ１≦Ｄ２の関係を満たすことを特徴とする。
このような原子共鳴遷移装置によれば、長手形状部の長手方向（第１方向）での一端部に余剰分である液体状または固体状の金属原子を配置するとともに、他端側に偏在した位置に気体状の金属原子に共鳴する共鳴光対を含む光を照射することにより、当該光の幅を大きくして当該光と胴部の内壁面との間の距離が小さくなっても、当該光と液体状または固体状の金属原子との間の距離を大きくすることができる。その結果、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる。
［適用例１１］
本発明の原子発振器は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子発振器を提供することができる。
［適用例１２］
本発明の電子機器は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
［適用例１３］
本発明の移動体は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する移動体を提供することができる。
本発明の原子発振器は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、余剰分の金属原子による特性の低下を抑制することができる原子発振器を提供することができる。
［適用例１２］
本発明の電子機器は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
［適用例１３］
本発明の移動体は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、優れた信頼性を有する移動体を提供することができる。
以下、本発明の原子共鳴遷移装置、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の原子共鳴遷移装置を備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の原子共鳴遷移装置を原子発振器（量子干渉装置）に適用した例を説明するが、本発明の原子共鳴遷移装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の原子共鳴遷移装置を備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の原子共鳴遷移装置を原子発振器（量子干渉装置）に適用した例を説明するが、本発明の原子共鳴遷移装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（原子共鳴遷移装置）を示す概略図である。また、図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（原子共鳴遷移装置）を示す概略図である。また、図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。
この原子発振器１は、図１に示すように、ガスセル２（原子セル）と、光出射部３と、光学部品４１、４２、４３、４４と、光検出部５と、ヒーター６と、温度センサー７と、磁場発生部８と、制御部１０とを備える。
まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
この原子発振器１は、図１に示すように、ガスセル２（原子セル）と、光出射部３と、光学部品４１、４２、４３、４４と、光検出部５と、ヒーター６と、温度センサー７と、磁場発生部８と、制御部１０とを備える。
まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
図１に示すように、原子発振器１では、光出射部３がガスセル２に向けて励起光ＬＬを出射し、ガスセル２を透過した励起光ＬＬを光検出部５が検出する。
ガスセル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
ガスセル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
光出射部３から出射された励起光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光１、２を含んでおり、この２種の共鳴光１、２を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
例えば、光出射部３が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部５の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、発振器を構成することができる。
以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
［ガスセル］
ガスセル２内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、ガスセル２内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
［ガスセル］
ガスセル２内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、ガスセル２内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
後に詳述するが、ガスセル２は、胴部２１と、胴部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有し、胴部２１および１対の窓部２２、２３により、気体状のアルカリ金属と、余剰分である液体状または固体状のアルカリ金属とが封入される内部空間Ｓ１が形成さている（図５および図６参照）。なお、ガスセル２の構成については、内部空間Ｓ１と励起光ＬＬとの位置関係の説明とともに、後に詳述する。
このようなガスセル２は、ヒーター６により、例えば、７０℃程度に温度調節される。
このようなガスセル２は、ヒーター６により、例えば、７０℃程度に温度調節される。
［光出射部］
光出射部３（光源）は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有する。
より具体的には、光出射部３は、励起光ＬＬとして、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。
光出射部３（光源）は、ガスセル２中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有する。
より具体的には、光出射部３は、励起光ＬＬとして、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を出射するものである。
共鳴光１は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。一方、共鳴光２は、ガスセル２内のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態へ励起（共鳴）し得るものである。
この光出射部３としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
このような光出射部３は、後述する制御部１０の励起光制御部１２に接続され、光検出部５の検出結果に基づいて駆動制御される（図１参照）。
また、このような光出射部３は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。
この光出射部３としては、前述したような励起光を出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
このような光出射部３は、後述する制御部１０の励起光制御部１２に接続され、光検出部５の検出結果に基づいて駆動制御される（図１参照）。
また、このような光出射部３は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。
［光学部品］
複数の光学部品４１、４２、４３、４４は、それぞれ、前述した光出射部３とガスセル２との間における励起光ＬＬの光路上に設けられている。
ここで、光出射部３側からガスセル２側へ、光学部品４１、光学部品４２、光学部品４３、光学部品４４の順に配置されている。
複数の光学部品４１、４２、４３、４４は、それぞれ、前述した光出射部３とガスセル２との間における励起光ＬＬの光路上に設けられている。
ここで、光出射部３側からガスセル２側へ、光学部品４１、光学部品４２、光学部品４３、光学部品４４の順に配置されている。
光学部品４１は、レンズである。これにより、励起光ＬＬを無駄なくガスセル２へ照射することができる。
また、光学部品４１は、励起光ＬＬを平行光とする機能を有する。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。そのため、ガスセル２内での励起光の共鳴を好適に生じさせ、その結果、原子発振器１の発振特性を高めることができる。
また、光学部品４１は、励起光ＬＬを平行光とする機能を有する。これにより、励起光ＬＬがガスセル２の内壁で反射するのを簡単かつ確実に防止することができる。そのため、ガスセル２内での励起光の共鳴を好適に生じさせ、その結果、原子発振器１の発振特性を高めることができる。
光学部品４２は、偏光板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬの偏光を所定方向に調整することができる。
光学部品４３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、ガスセル２に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光出射部３の出力が大きい場合でも、ガスセル２に入射する励起光を所望の光量とすることができる。本実施形態では、前述した光学部品４２を通過した所定方向の偏光を有する励起光ＬＬの強度を光学部品４３により調整する。
光学部品４４は、λ／４波長板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。
光学部品４３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、ガスセル２に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光出射部３の出力が大きい場合でも、ガスセル２に入射する励起光を所望の光量とすることができる。本実施形態では、前述した光学部品４２を通過した所定方向の偏光を有する励起光ＬＬの強度を光学部品４３により調整する。
光学部品４４は、λ／４波長板である。これにより、光出射部３からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。
後述するように磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン***した状態において、仮に直線偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン***した複数の準位に均等に分散して存在することとなる。その結果、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数が他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に少なくなるため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が減少し、所望のＥＩＴ信号の強度が小さくなり、その結果、原子発振器１の発振特性の低下をもたらす。
これに対し、後述するように磁場発生部８の磁場によりガスセル２内のアルカリ金属原子がゼーマン***した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン***した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号の強度が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
［光検出部］
光検出部５は、ガスセル２内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この光検出部５としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。
このような光検出部５は、後述する制御部１０の励起光制御部１２に接続されている（図１参照）。
光検出部５は、ガスセル２内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この光検出部５としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。
このような光検出部５は、後述する制御部１０の励起光制御部１２に接続されている（図１参照）。
［ヒーター］
ヒーター６（加熱部）は、前述したガスセル２（より具体的にはガスセル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。
このヒーター６は、通電（直流）により発熱するものであり、例えば、図示しないが、ガスセル２の外表面上に設けられた２つの発熱抵抗体で構成されている。
ヒーター６（加熱部）は、前述したガスセル２（より具体的にはガスセル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。
このヒーター６は、通電（直流）により発熱するものであり、例えば、図示しないが、ガスセル２の外表面上に設けられた２つの発熱抵抗体で構成されている。
ここで、一方の発熱抵抗体は、ガスセル２の窓部２２（入射側窓部）に設けられ、他方の発熱抵抗体は、ガスセル２の窓部２３（出射側窓部）上に設けられている。各窓部２２、２３のそれぞれに発熱抵抗体を配置することにより、ガスセル２の窓部２２、２３にアルカリ金属原子が結露するのを防止することができる。その結果、原子発振器１の特性（発振特性）を長期にわたり優れたものとすることができる。
このような発熱抵抗体は、励起光に対する透過性を有する材料、具体的には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成される。
また、発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。
また、発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。
なお、ヒーター６は、ガスセル２を加熱することができるものであれば、前述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター６は、ガスセル２に対して非接触であってもよい。また、ヒーター６に代えて、または、ヒーター６と併用して、ペルチェ素子を用いて、ガスセル２を加熱してもよい。
このようなヒーター６は、後述する制御部１０の温度制御部１１に電気的に接続され、通電される（図１参照）。
このようなヒーター６は、後述する制御部１０の温度制御部１１に電気的に接続され、通電される（図１参照）。
［温度センサー］
温度センサー７は、ヒーター６またはガスセル２の温度を検出するものである。そして、この温度センサー７の検出結果に基づいて、前述したヒーター６の発熱量が制御される。これにより、ガスセル２内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
なお、温度センサー７の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター６上であってもよいし、ガスセル２の外表面上であってもよい。
温度センサー７としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
このような温度センサー７は、図示しない配線を介して、後述する制御部１０の温度制御部１１に電気的に接続されている（図１参照）。
温度センサー７は、ヒーター６またはガスセル２の温度を検出するものである。そして、この温度センサー７の検出結果に基づいて、前述したヒーター６の発熱量が制御される。これにより、ガスセル２内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
なお、温度センサー７の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター６上であってもよいし、ガスセル２の外表面上であってもよい。
温度センサー７としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
このような温度センサー７は、図示しない配線を介して、後述する制御部１０の温度制御部１１に電気的に接続されている（図１参照）。
［磁場発生部］
磁場発生部８は、ガスセル２内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン***させる磁場を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン***により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。
磁場発生部８は、ガスセル２内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン***させる磁場を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン***により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。
この磁場発生部８は、例えば、ガスセル２を挟むように配置されたヘルムホルツコイル、または、ガスセル２を覆うように配置されたソレノイドコイルで構成されている。これにより、ガスセル２内に一方向の均一な磁場を生じさせることができる。
また、磁場発生部８が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。
このような磁場発生部８は、後述する制御部１０の磁場制御部１３に電気的に接続され、通電制御される（図１参照）。
また、磁場発生部８が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。
このような磁場発生部８は、後述する制御部１０の磁場制御部１３に電気的に接続され、通電制御される（図１参照）。
［制御部］
制御部１０は、光出射部３、ヒーター６および磁場発生部８をそれぞれ制御する機能を有する。
この制御部１０は、光出射部３の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部１２と、ガスセル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部１１と、磁場発生部８からの磁場を制御する磁場制御部１３とを有する。
制御部１０は、光出射部３、ヒーター６および磁場発生部８をそれぞれ制御する機能を有する。
この制御部１０は、光出射部３の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部１２と、ガスセル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部１１と、磁場発生部８からの磁場を制御する磁場制御部１３とを有する。
励起光制御部１２は、前述した光検出部５の検出結果に基づいて、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。より具体的には、励起光制御部１２は、前述した光検出部５によって検出された（ω１−ω２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω０となるように、光出射部３から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。
また、励起光制御部１２は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部５の検知結果に基づいて同期・調整しながら原子発振器１の出力信号として出力する。
また、励起光制御部１２は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部５の検知結果に基づいて同期・調整しながら原子発振器１の出力信号として出力する。
また、温度制御部１１は、温度センサー７の検出結果に基づいて、ヒーター６への通電を制御する。これにより、ガスセル２を所望の温度範囲内に維持することができる。
また、磁場制御部１３は、磁場発生部８が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部８への通電を制御する。
このような制御部１０は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
また、磁場制御部１３は、磁場発生部８が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部８への通電を制御する。
このような制御部１０は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
（ガスセルの内部空間と励起光との位置関係）
次に、ガスセル２の内部空間Ｓ１と励起光ＬＬとの位置関係について説明する。
図４は、図１に示す原子発振器が備えるガスセルの斜視図、図５は、図４に示すガスセルの縦断面図、図６は、図４に示すガスセルの横断面図である。また、図７は、距離Ｄ１、Ｄ２と周波数安定度Δｆ／ｆとの関係を示すグラフである。
なお、図４〜図６では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、その図示された各矢印の先端側を「＋（プラス）」、基端側を「−（マイナス）」という。また、以下では、説明の便宜上、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。
次に、ガスセル２の内部空間Ｓ１と励起光ＬＬとの位置関係について説明する。
図４は、図１に示す原子発振器が備えるガスセルの斜視図、図５は、図４に示すガスセルの縦断面図、図６は、図４に示すガスセルの横断面図である。また、図７は、距離Ｄ１、Ｄ２と周波数安定度Δｆ／ｆとの関係を示すグラフである。
なお、図４〜図６では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、その図示された各矢印の先端側を「＋（プラス）」、基端側を「−（マイナス）」という。また、以下では、説明の便宜上、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ軸方向」という。
まず、ガスセル２の構成を簡単に説明する。
図４および図５に示すように、ガスセル２は、胴部２１と、胴部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。
胴部２１には、Ｚ軸方向に貫通している柱状の貫通孔２１１が形成されている。
胴部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さいガスセル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴部２１を容易に形成することができる。
図４および図５に示すように、ガスセル２は、胴部２１と、胴部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。
胴部２１には、Ｚ軸方向に貫通している柱状の貫通孔２１１が形成されている。
胴部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さいガスセル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴部２１を容易に形成することができる。
このような胴部２１の−Ｚ軸方向側の端面には、窓部２２が接合され、一方、胴部２１の＋Ｚ軸方向側の端面には、窓部２３が接合されている。これにより、図５および図６に示すように、貫通孔２１１による内部空間Ｓ１が形成されている。
胴部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、気密的に接合できるものであれば、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。
胴部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、気密的に接合できるものであれば、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。
窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなし、その板面が励起光ＬＬの軸に対して垂直となるように設置されている。
また、各窓部２２、２３は、前述した光出射部３からの励起光ＬＬに対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、ガスセル２の内部空間Ｓ１内へ励起光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、ガスセル２の内部空間Ｓ１内から励起光ＬＬが出射する出射側窓部である。
また、各窓部２２、２３は、前述した光出射部３からの励起光ＬＬに対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、ガスセル２の内部空間Ｓ１内へ励起光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、ガスセル２の内部空間Ｓ１内から励起光ＬＬが出射する出射側窓部である。
窓部２２、２３の構成材料としては、前述したような励起光に対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。窓部２２、２３をガラス材料で構成した場合、シリコン材料で構成された胴部２１と窓部２２、２３とを陽極接合法により簡単に気密的に接合することができる。なお、窓部２２、２３の厚さや励起光の強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。
内部空間Ｓ１には、気体状のアルカリ金属が収納されている。この内部空間Ｓ１内に収納されている気体状のアルカリ金属は、励起光ＬＬによって励起される。
また、内部空間Ｓ１には、余剰分として、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている。特に、この液体状または固体状のアルカリ金属Ｍは、内部空間Ｓ１の＋Ｘ軸方向側の端部に配置されており、「金属溜り部」を構成している。このアルカリ金属Ｍは、内部空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属が不足したとき、気体状となって、励起光ＬＬの励起に供される。
また、内部空間Ｓ１には、余剰分として、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍが収納されている。特に、この液体状または固体状のアルカリ金属Ｍは、内部空間Ｓ１の＋Ｘ軸方向側の端部に配置されており、「金属溜り部」を構成している。このアルカリ金属Ｍは、内部空間Ｓ１内の気体状のアルカリ金属が不足したとき、気体状となって、励起光ＬＬの励起に供される。
特に、内部空間Ｓ１は、図６に示すように、Ｚ軸に垂直な断面（すなわち、１対の窓部２２、２３が並ぶ方向に対して垂直な断面）がＸ軸方向（第１方向）に沿って延びている長手形状をなしている。そして、かかる断面におけるＸ軸方向に対して垂直なＹ軸方向（第２方向）に沿った内部空間Ｓ１の長さをＬ１とし、かかる断面におけるＸ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の長さをＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１≧１．１の関係を満たす。
このようなＬ１およびＬ２の関係により、前述したように内部空間Ｓ１のＸ軸方向での一端部に余剰分である液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを配置した状態で、内部空間Ｓ１のＸ軸方向での他端側に偏在した位置に励起光ＬＬを照射することにより、励起光ＬＬの幅ｄを大きくして励起光ＬＬと胴部２１の内壁面との間の距離Ｄ１が小さくなっても、励起光ＬＬと液体状または固体状のアルカリ金属Ｍとの間の距離Ｄ２を大きくすることができる。その結果、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
具体的に説明すると、胴部２１の内壁面と励起光ＬＬとの間の距離をＤ１とし、液体状または固体状のアルカリ金属Ｍと励起光ＬＬとの間の距離をＤ２としたとき、２×Ｄ１≦Ｄ２の関係を満たす。これにより、励起光ＬＬの幅ｄを大きくして励起光ＬＬと胴部２１の内壁面との間の距離Ｄ１が小さくなっても、励起光ＬＬと液体状または固体状のアルカリ金属Ｍとの間の距離Ｄ２を大きくすることができる。
距離Ｄ２を変化させて周波数安定度Δｆ／ｆを測定した結果、図７に示すように、１／Ｄ２が１／（２×Ｄ１）以下であると、周波数安定度Δｆ／ｆが良好であるのに対し、１／Ｄ２が１／（２×Ｄ１）を超えると、周波数安定度Δｆ／ｆが急激に悪化する。
言い換えると、Ｄ２が（２×Ｄ１）以上であると、周波数安定度Δｆ／ｆが良好であるのに対し、Ｄ２が（２×Ｄ１）未満であると、周波数安定度Δｆ／ｆが急激に悪化する。
言い換えると、Ｄ２が（２×Ｄ１）以上であると、周波数安定度Δｆ／ｆが良好であるのに対し、Ｄ２が（２×Ｄ１）未満であると、周波数安定度Δｆ／ｆが急激に悪化する。
このような観点から、距離Ｄ２を比較的大きく確保する必要があるため、前述したようなＬ２／Ｌ１≧１．１の関係が導かれる。
また、Ｌ１およびＬ２は、前述したような関係を満たしていればよいが、１．３≦Ｌ２／Ｌ１≦２の関係を満たすことが好ましく、１．５≦Ｌ２／Ｌ１≦１．８の関係を満たすことがより好ましい。これにより、前述したようなＤ１およびＤ２の関係を満足しながら、内部空間Ｓ１の無駄なスペースを少なくすることができる。なお、ガスセル２の内部空間Ｓ１のスペースの無駄を問題としない場合、前述したＤ１およびＤ２の関係を満たしていれば、Ｌ１およびＬ２の関係は前述した関係を満たしていなくても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制するという効果を得ることができる。
本実施形態では、Ｚ軸方向から見たとき、内部空間Ｓ１は長方形（矩形）をなし、一方、励起光ＬＬは円形をなしている。
また、Ｌ１およびＬ２は、前述したような関係を満たしていればよいが、１．３≦Ｌ２／Ｌ１≦２の関係を満たすことが好ましく、１．５≦Ｌ２／Ｌ１≦１．８の関係を満たすことがより好ましい。これにより、前述したようなＤ１およびＤ２の関係を満足しながら、内部空間Ｓ１の無駄なスペースを少なくすることができる。なお、ガスセル２の内部空間Ｓ１のスペースの無駄を問題としない場合、前述したＤ１およびＤ２の関係を満たしていれば、Ｌ１およびＬ２の関係は前述した関係を満たしていなくても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制するという効果を得ることができる。
本実施形態では、Ｚ軸方向から見たとき、内部空間Ｓ１は長方形（矩形）をなし、一方、励起光ＬＬは円形をなしている。
ここで、Ｚ軸方向から見たとき、内部空間Ｓ１（長手形状部）の中心Ｐ１と励起光ＬＬの中心Ｐ２とがＸ軸方向にずれている。これにより、内部空間Ｓ１のＸ軸方向での一端部に余剰分である液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを配置するとともに、他端側に偏在した位置に励起光ＬＬを照射することができる。なお、内部空間Ｓ１（長手形状部）の中心Ｐ１は、Ｚ軸方向から見たときの内部空間Ｓ１（長手形状部）の幾何学的な重心であり、同様に、励起光ＬＬの中心Ｐ２は、Ｚ軸方向から見たときの励起光ＬＬの幾何学的な重心（中心軸）である。
また、本実施形態では、Ｘ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の長さＬ２は、Ｚ軸方向（すなわち１対の窓部２２、２３が並ぶ方向）に沿った内部空間Ｓ１の全域に亘って一定である。ここで、Ｚ軸に垂直な断面が前述したＬ１およびＬ２の関係を満たす部分が「長手形状部」を構成し、かかる長手形状部は、Ｚ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の全域に亘って設けられている。
このように長手形状部がＺ軸方向に沿って延びていることにより、長手形状部の長手方向（Ｘ軸方向）での一端部に配置される液体状または固体状のアルカリ金属Ｍの量を十分に確保することができる。
このように長手形状部がＺ軸方向に沿って延びていることにより、長手形状部の長手方向（Ｘ軸方向）での一端部に配置される液体状または固体状のアルカリ金属Ｍの量を十分に確保することができる。
また、長手形状部がＺ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の全域に亘って設けられていることにより、一定幅の貫通孔２１１を有する胴部２１を用いればよいため、胴部２１の形成が比較的容易となる。このような貫通孔２１１の形成は、例えば、胴部２１をシリコン材料やガラス材料で構成する場合、ウエットエッチングを用いて比較的簡単かつ高精度に行うことができる。
また、長さＬ１は、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましく、１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下であることがより好ましい。これにより、ガスセル２の小型化を図ることができる。また、このようにガスセル２が小型である場合、発振特性を高める観点から、励起光ＬＬが照射される気体状のアルカリ金属の原子の量を多くするため、励起光ＬＬの幅ｄをできるだけ大きくする必要がある。このような場合に、励起光ＬＬと胴部２１の内壁面との間の距離Ｄ１が小さくなっても、前述したＬ１およびＬ２の関係やＤ１およびＤ２の関係を満たすことにより、励起光ＬＬと固体状または液体状のアルカリ金属Ｍの原子との間の距離Ｄ２を、余剰分のアルカリ金属Ｍの原子による特性の低下を抑制し得る程度に大きくすることができる。
また、距離Ｄ１は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であることがより好ましく、０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、励起光ＬＬが照射される気体状のアルカリ金属の原子の量を多くしながら、胴部２１の内壁面近傍の他と挙動の異なるアルカリ金属の原子が励起光ＬＬに共鳴することによる特性の低下を抑制することができる。
以上説明したような原子発振器１によれば、長手形状部を構成する内部空間Ｓ１のＸ軸方向での一端部に余剰分である液体状または固体状のアルカリ金属Ｍを配置するとともに、他端側に偏在した位置に励起光ＬＬを照射するので、励起光ＬＬの幅ｄを大きくして励起光ＬＬと胴部２１の内壁面との間の距離Ｄ１が小さくなっても、励起光ＬＬと液体状または固体状のアルカリ金属Ｍとの間の距離Ｄ２を大きくすることができる。その結果、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図８は、本発明の第２実施形態に係るガスセルを示す横断面図である。
本実施形態は、原子セルの内部空間の横断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図８は、本発明の第２実施形態に係るガスセルを示す横断面図である。
本実施形態は、原子セルの内部空間の横断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図８において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図８に示すガスセル２Ａ（原子セル）は、第１実施形態の胴部２１に代えて、胴部２１Ａを備えている。
図８に示すガスセル２Ａ（原子セル）は、第１実施形態の胴部２１に代えて、胴部２１Ａを備えている。
胴部２１Ａには、Ｚ軸方向に貫通している柱状の貫通孔２１１Ａが形成されている。この貫通孔２１１Ａは、Ｚ軸方向から見たとき、楕円状または長円状をなしている。
すなわち、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に沿った内部空間Ｓ１（長手形状部）の断面形状は、楕円形または長円形である。これにより、内部空間Ｓ１の無駄なスペースを少なくすることができる。その結果、ガスセル２Ａの小型化を図ることができる。また、ガスセル２Ａの内部空間Ｓ１の壁面が曲面部を有するので、ガスセル２Ａの製造が簡単になる。
以上説明したような第２実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
すなわち、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に沿った内部空間Ｓ１（長手形状部）の断面形状は、楕円形または長円形である。これにより、内部空間Ｓ１の無駄なスペースを少なくすることができる。その結果、ガスセル２Ａの小型化を図ることができる。また、ガスセル２Ａの内部空間Ｓ１の壁面が曲面部を有するので、ガスセル２Ａの製造が簡単になる。
以上説明したような第２実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図９は、本発明の第３実施形態に係るガスセルを示す縦断面図である。
本実施形態は、原子セルの内部空間の縦断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図９は、本発明の第３実施形態に係るガスセルを示す縦断面図である。
本実施形態は、原子セルの内部空間の縦断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第３実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図９において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図９に示すガスセル２Ｂ（原子セル）は、第１実施形態の胴部２１に代えて、胴部２１Ｂを備えている。
図９に示すガスセル２Ｂ（原子セル）は、第１実施形態の胴部２１に代えて、胴部２１Ｂを備えている。
胴部２１Ｂには、Ｚ軸方向に貫通している柱状の貫通孔２１１Ｂが形成されている。この貫通孔２１１Ｂは、Ｘ軸方向に沿った幅が＋Ｚ軸方向側から−Ｚ軸方向側に向かうに従って次第に（本実施形態では連続的に）大きくなっている。
すなわち、Ｘ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の長さは、Ｚ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の一端部で大きくなっており、かかる一端部が「長手形状部」を構成している。これにより、固体状または液体状のアルカリ金属Ｍの原子を所望の局所的な位置（図９では内部空間Ｓ１の−Ｚ軸方向側の端部）に容易に配置することができる。
すなわち、Ｘ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の長さは、Ｚ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の一端部で大きくなっており、かかる一端部が「長手形状部」を構成している。これにより、固体状または液体状のアルカリ金属Ｍの原子を所望の局所的な位置（図９では内部空間Ｓ１の−Ｚ軸方向側の端部）に容易に配置することができる。
ここで、内部空間Ｓ１の−Ｚ軸方向側の端部は、Ｘ軸方向に沿った長さがＬ２であり、内部空間Ｓ１の＋Ｚ軸方向側の端部は、Ｘ軸方向に沿った長さがＬ２よりも小さいＬ３である。この長さＬ３は、励起光ＬＬの通過領域を確保する観点から、長さＬ１と等しいかまたは大きいことが好ましい。
以上説明したような第３実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
以上説明したような第３実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第４実施形態に係るガスセルを示す縦断面図である。
本実施形態は、原子セルの内部空間の縦断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
図１０は、本発明の第４実施形態に係るガスセルを示す縦断面図である。
本実施形態は、原子セルの内部空間の縦断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第４実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１０において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
本実施形態のガスセル２Ｃ（原子セル）は、第１実施形態の胴部２１に代えて、胴部２１Ｃを備えている。
本実施形態のガスセル２Ｃ（原子セル）は、第１実施形態の胴部２１に代えて、胴部２１Ｃを備えている。
胴部２１Ｃには、Ｚ軸方向に貫通している柱状の貫通孔２１１Ｃが形成されている。この貫通孔２１１Ｃは、Ｘ軸方向に沿った幅がＺ軸方向での途中で大きくなっている。
すなわち、Ｘ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の長さは、Ｚ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の途中で大きくなっており、かかる途中部分が「長手形状部」を構成している。これにより、固体状または液体状のアルカリ金属Ｍの原子を所望の局所的な位置（図１０では内部空間Ｓ１のＺ軸方向での途中部分）に容易に配置することができる。
すなわち、Ｘ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の長さは、Ｚ軸方向に沿った内部空間Ｓ１の途中で大きくなっており、かかる途中部分が「長手形状部」を構成している。これにより、固体状または液体状のアルカリ金属Ｍの原子を所望の局所的な位置（図１０では内部空間Ｓ１のＺ軸方向での途中部分）に容易に配置することができる。
ここで、内部空間Ｓ１のＺ軸方向での途中部分は、Ｘ軸方向に沿った長さがＬ２であり、内部空間Ｓ１のＺ軸方向での両端部は、それぞれ、Ｘ軸方向に沿った長さがＬ２よりも小さいＬ４である。この長さＬ４は、励起光ＬＬの通過領域を確保する観点から、長さＬ１と等しいかまたは大きいことが好ましい。
以上説明したような第４実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
以上説明したような第４実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第５実施形態に係るガスセルを示す横断面図である。
本実施形態は、原子セルの横断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第５実施形態に係るガスセルを示す横断面図である。
本実施形態は、原子セルの横断面形状が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第５実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図１１において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
本実施形態のガスセル２Ｄ（原子セル）は、第１実施形態の胴部２１に代えて、胴部２１Ｄを備えている。
本実施形態のガスセル２Ｄ（原子セル）は、第１実施形態の胴部２１に代えて、胴部２１Ｄを備えている。
胴部２１Ｄには、Ｚ軸方向に貫通している柱状の貫通孔２１１Ｄが形成されている。この貫通孔２１１Ｄは、Ｚ軸方向から見たとき、楕円状または長円状をなしている。
すなわち、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に沿った内部空間Ｓ１（長手形状部）の断面形状は、楕円形または長円形である。これにより、内部空間Ｓ１の無駄なスペースを少なくすることができる。その結果、ガスセル２Ｄの小型化を図ることができる。
すなわち、Ｚ軸方向に対して垂直な方向に沿った内部空間Ｓ１（長手形状部）の断面形状は、楕円形または長円形である。これにより、内部空間Ｓ１の無駄なスペースを少なくすることができる。その結果、ガスセル２Ｄの小型化を図ることができる。
特に、本実施形態では、Ｚ軸方向から見たとき、内部空間Ｓ１の長手方向は、胴部２１Ｄの四角形をなす外形の辺に対して傾斜して配置されている。言い換えると、Ｚ軸方向から見たとき、楕円形または長円形をなす内部空間Ｓ１の長手方向は、四角形をなす胴部２１Ｄの対角線に沿って配置されている。これにより、内部空間Ｓ１を胴部２１Ｄに効率的に配置し、ガスセル２Ｄの小型化を図ることができる。
以上説明したような第５実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
以上説明したような第５実施形態によっても、余剰分のアルカリ金属Ｍによる特性の低下を抑制することができる。
２．電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。
以下、本発明の電子機器について説明する。
図１２は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。
以下、本発明の電子機器について説明する。
図１２は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
図１２に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。
ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。
３．移動体
図１３は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
図１３は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
なお、本発明の原子発振器を備える電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。
以上、本発明の原子共鳴遷移装置、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
以上、本発明の原子共鳴遷移装置、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
また、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる量子干渉装置を本発明の原子共鳴遷移装置の例として説明したが、本発明の原子共鳴遷移装置は、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる二重共鳴装置にも適用可能である。
また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
また、前述した実施形態では、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果を利用してセシウム等を共鳴遷移させる量子干渉装置を本発明の原子共鳴遷移装置の例として説明したが、本発明の原子共鳴遷移装置は、これに限定されず、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用してルビジウム等を共鳴遷移させる二重共鳴装置にも適用可能である。
１‥‥原子発振器 ２‥‥ガスセル（原子セル） ２Ａ‥‥ガスセル（原子セル） ２Ｂ‥‥ガスセル（原子セル） ２Ｃ‥‥ガスセル（原子セル） ２Ｄ‥‥ガスセル（原子セル） ３‥‥光出射部 ５‥‥光検出部 ６‥‥ヒーター ７‥‥温度センサー ８‥‥磁場発生部 １０‥‥制御部 １１‥‥温度制御部 １２‥‥励起光制御部 １３‥‥磁場制御部 ２１‥‥胴部 ２１Ａ‥‥胴部 ２１Ｂ‥‥胴部 ２１Ｃ‥‥胴部 ２１Ｄ‥‥胴部 ２２‥‥窓部 ２３‥‥窓部 ４１‥‥光学部品 ４２‥‥光学部品 ４３‥‥光学部品 ４４‥‥光学部品 １００‥‥測位システム ２００‥‥衛星 ２１１‥‥貫通孔 ２１１Ａ‥‥貫通孔 ２１１Ｂ‥‥貫通孔 ２１１Ｃ‥‥貫通孔 ２１１Ｄ‥‥貫通孔 ３００‥‥基地局装置 ３０１‥‥アンテナ ３０２‥‥受信装置 ３０３‥‥アンテナ ３０４‥‥送信装置 ４００‥‥受信装置 ４０１‥‥アンテナ ４０２‥‥衛星受信部 ４０３‥‥アンテナ ４０４‥‥基地局受信部 １５００‥‥移動体 １５０１‥‥車体 １５０２‥‥車輪 ｄ‥‥幅 Ｄ１‥‥距離 Ｄ２‥‥距離 ＬＬ‥‥励起光 Ｍ‥‥アルカリ金属（固体状または液体状の金属原子） Ｐ１‥‥中心 Ｐ２‥‥中心 Ｓ１‥‥内部空間
Claims (12)
- 金属原子が封入されている内部空間を有する原子セルと、
前記金属原子を共鳴させるための共鳴光対を含む光を前記原子セルに向けて出射する光出射部と、を備え、
前記内部空間は、前記内部空間の壁面の一部に液体状または固体状の金属原子を配置している金属溜り部を有し、
前記内部空間の壁面と前記光との間の距離をＤ１とし、前記金属溜り部に配置されている液体状または固体状の金属原子と前記光との間の距離をＤ２としたとき、
２×Ｄ１≦Ｄ２の関係を満たすことを特徴とする原子共鳴遷移装置。 - 前記原子セルは、１対の窓部と、
前記１対の窓部の間に配置され、前記１対の窓部とともに前記内部空間を構成している胴部と、を備え、
前記内部空間の、前記１対の窓部が並ぶ方向に対して交わる断面において、互いに垂直な方向に沿った長さをＬ１およびＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１≧１．１の関係を満たす請求項１に記載の原子共鳴遷移装置。 - 前記断面を有する長手形状部が、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿って延在している請求項２に記載の原子共鳴遷移装置。
- 前記Ｌ２は、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿った前記内部空間の全域に亘って揃っている請求項３に記載の原子共鳴遷移装置。
- 前記Ｌ２が、前記１対の窓部が並ぶ方向に沿った前記内部空間の端部または途中で大きい部分を有している請求項３に記載の原子共鳴遷移装置。
- 前記断面形状は、楕円形である請求項３ないし５のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
- 前記Ｌ１は、０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下の範囲内にある請求項３ないし６のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
- 前記１対の窓部が並ぶ方向から見たとき、前記長手形状部の中心と前記光の中心とが前記長手形状部の長手方向にずれている請求項３ないし７のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
- 前記Ｄ１は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲内にある請求項１ないし８のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
- 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする原子発振器。
- 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする電子機器。
- 請求項１ないし９のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする移動体。
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