(57)【要約】【課題】光源の光パワーのバラツキが所定の範囲変動しても一定の光吸収量を得ることができる原子発振器の光学系を提供する。【解決手段】この光学系１００は、共鳴光２を出射する光源１と、光源１から出射された共鳴光２を導く出射光路を複数の出射光路ａ〜ｃの中から選択する光スイッチ３と、複数の出射光路ａ〜ｃに夫々配置され、共鳴光４が通過する長さが夫々異なる複数のガスセル５、６、７と、複数の入射光路Ａ〜Ｃが各ガスセル５、６、７の出射側に配置され、光スイッチ３により選択されたガスセルを通過した励起光８を導く入射光路Ａを複数の入射光路Ａ〜Ｃの中から選択する光スイッチ９と、励起光１０を検出するＰＤ１１と、ＰＤ１１により検出された励起光１０の吸収量に基づいて光スイッチ３及び光スイッチ９を制御する制御部１２と、を備えて構成される。【選択図】図１
2010226424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干渉効果を
利用したＣＰＴ法により、光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器の光学
系であって、
前記共鳴光を出射する光源と、
前記光源から出射された共鳴光を導く複数の出射光路中から特定の出射光路を選択する
第１の光路選択手段と、
前記複数の出射光路に夫々配置され、ガス状のセシウム金属原子を封入すると共に、前
記共鳴光が通過する長さが夫々異なる複数のガスセルと、
複数の入射光路が前記各ガスセルの出射側に配置され、前記第１の光路選択手段により
選択されたガスセルを通過した励起光を導く入射光路を前記複数の入射光路の中から選択
する第２の光路選択手段と、
前記第２の光路選択手段により選択された入射光路により導かれた励起光を検出する光
検出手段と、
前記光検出手段により検出された前記励起光の吸収量に基づいて前記第１の光路選択手
段及び前記第２の光路選択手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記励起光の吸収量が予め定めた規定値範囲外であることを検出した
場合は、前記出射光路及び前記入射光路を他のガスセルに切り替えるように前記第１の光
路選択手段及び前記第２の光路選択手段を制御することを特徴とする原子発振器の光学系
。
【請求項２】
前記各ガスセルに該ガスセルを加熱する加熱手段を夫々備え、前記制御手段は、前記励
起光の吸収量が予め定めた規定値範囲内であることを検出した場合は、前記第１の光路選
択手段及び前記第２の光路選択手段により選択された前記出射光路及び前記入射光路に配
置されたガスセルのみを加熱制御することを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光
学系。
【請求項３】
前記励起光に係る吸収量の規定値範囲は、前記ガス状のセシウム金属原子による共鳴光
の吸収量と前記加熱手段により加熱される前記ガスセルの温度変化による該共鳴光の吸収
量変化とを含む値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器の光学系。
【請求項４】
前記第１の光路選択手段及び前記第２の光路選択手段は、光ビームを反射するマイクロ
ミラーにより構成されるＭＥＭＳ光スイッチにより構成されていることを特徴とする請求
項１乃至３の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器の光学系に関し、さらに詳しくは、原子発振器を構成するガスセ
ルから出射される励起光のＳ／Ｎ比を改善する構成技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属を用いた原子発振器は、原子のエネルギ遷移を
利用する際に、原子をガス状態に保つ必要があるため、原子を気密封入したガスセルを高
温に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、光とマイクロ波を利用した二重共
鳴法と、２種類のレーザー光による量子干渉効果（以下ＣＰＴ：Coherent Population Tr
appingと記す）を利用する方法に大別されるが、両者共にガスセルに入射した光が、原子
ガスにどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた検出器で検出することにより、原子共
鳴を検知して制御系にて水晶発振器などの基準信号をこの原子共鳴に同期させて出力を得
ている。しかし、原子ガスに吸収される光の吸収量は、光源の強度とガスセル内の気化し
ている原子密度によって影響される。また、小型原子発振器で使われる半導体レーザーは
、波長と光パワーの製造ばらつきが大きいため、吸収量が製造やロットバラツキ若しくは
経時変動などで大きく変わると、原子発振器としての動作を安定化させるために、レーザ
ーの選別、レーザーバラツキの低減化などを実施しなければならず、そのために多大のコ
ストが必要となるといった問題がある。
特許文献１には、ガスセル１個構成でヒーターを取り付け、ガスセル内の原子ガスの密
度を上昇させることで吸収スペクトル量を調整するルビジウム原子発振器について開示さ
れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−３４４３１４公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示されている従来技術は、レーザーやランプなどの製造バラツキや経時
変動による波長と光パワーの関係が大きく変わるため、光の吸収量の安定化を図ることが
困難であるといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、共鳴光が通過する長さが夫々異な
る複数のガスセルを備え、光源の光パワーに応じて複数のガスセルの中から光吸収量が規
定値範囲内になるガスセルを選択することにより、光源の光パワーのバラツキが所定の範
囲変動しても一定の光吸収量を得ることができる原子発振器の光学系を提供することを目
的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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
形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量
子干渉効果を利用したＣＰＴ法により、光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子
発振器の光学系であって、前記共鳴光を出射する光源と、前記光源から出射された共鳴光
を導く複数の出射光路中から特定の出射光路を選択する第１の光路選択手段と、前記複数
の出射光路に夫々配置され、ガス状のセシウム金属原子を封入すると共に、前記共鳴光が
通過する長さが夫々異なる複数のガスセルと、複数の入射光路が前記各ガスセルの出射側
に配置され、前記第１の光路選択手段により選択されたガスセルを通過した励起光を導く
入射光路を前記複数の入射光路の中から選択する第２の光路選択手段と、前記第２の光路
選択手段により選択された入射光路により導かれた励起光を検出する光検出手段と、前記
光検出手段により検出された前記励起光の吸収量に基づいて前記第１の光路選択手段及び
前記第２の光路選択手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記励起光の
吸収量が予め定めた規定値範囲外であることを検出した場合は、前記出射光路及び前記入
射光路を他のガスセルに切り替えるように前記第１の光路選択手段及び前記第２の光路選
択手段を制御することを特徴とする。
【０００７】
同じ密度のガス状のセシウム金属原子を封入したガスセルは、共鳴光が通過する経路が
長いほど光の吸収量が大きくなる。本発明では、経路の長さが異なる複数のガスセルを用
意し、各ガスセルの入射側と出射側に光の経路を切り替える光スイッチを夫々備える。そ
して入射側の光スイッチに共鳴光を入射して光スイッチにより選択されたガスセルにその
共鳴光を入射する。共鳴光は所定の波長に対する光パワーの特性が電源毎に異なるので、
通過したガスセルの光吸収量（即ち、ガスセルの経路長により決まる）によって規定値範
囲内になるか否かは、出射側の光スイッチから出射される光の強度を光検出手段により検
出するまでわからない。検出の結果、光の吸収量が予め定めた規定値範囲外であることを
検出した場合は、各光スイッチを他のガスセルに切り替えるように制御する。この動作を
順次行なって吸収量が規定値範囲内になるまで繰り返す。これにより、光源の光パワーの
バラツキが所定の範囲変動しても一定の光吸収量を得ることができる。
【０００８】
［適用例２］前記各ガスセルに該ガスセルを加熱する加熱手段を夫々備え、前記制御手
段は、前記励起光の吸収量が予め定めた規定値範囲内であることを検出した場合は、前記
第１の光路選択手段及び前記第２の光路選択手段により選択された前記出射光路及び前記
入射光路に配置されたガスセルのみを加熱制御することを特徴とする。
【０００９】
ガスセルには、ガスセル自体の温度を一定に保つためにヒーター等の加熱手段が備えら
れている。本発明では１つのガスセルが選択されて、そのガスセルとの組み合わせで励起
光の吸収量が予め定めた規定値範囲内であることを検出した場合は、それ以外のガスセル
は使用しないので、そのガスセルを加熱手段で加熱する必要がない。そこで本発明では、
吸収量が予め定めた規定値範囲内であることを検出した場合は、選択されたガスセルのみ
を加熱制御する。これにより、不要な電力を消費することを防止することができる。
【００１０】
［適用例３］前記励起光に係る吸収量の規定値範囲は、前記ガス状のセシウム金属原子
による共鳴光の吸収量と前記加熱手段により加熱される前記ガスセルの温度変化による該
共鳴光の吸収量変化とを含む値であることを特徴とする。
【００１１】
ガスセルの温度を制御することによっても、光の吸収量を変えることが可能であるが、
その量は少ないので波長に対する光パワーのバラツキを吸収するまでには至らない。そこ
で本発明では、ガス状のセシウム金属原子による共鳴光の吸収量と加熱手段により加熱さ
れるガスセルの温度変化による共鳴光の吸収量変化とを含む値を規定値範囲とする。これ
により、温度による調整幅を含むことにより全体の調整幅を拡げることができる。
【００１２】
［適用例４］前記第１の光路選択手段及び前記第２の光路選択手段は、光ビームを反射
するマイクロミラーにより構成されるＭＥＭＳ光スイッチにより構成されていることを特
徴とする。
【００１３】
光信号をスイッチングする一つの方法として、光信号を電気信号に一旦変換して、その
電気信号をオン・オフすることにより実現できる。しかし、光信号を電気信号に変換する
場合、光電変換素子が必要となり、変換時に信号のロスが発生する。そこで本発明では、
ＭＥＭＳ光スイッチを使用して光を直接スイッチングする。これにより、光電変換素子を
必要としないため、低損失なスイッチをコンパクトに実現することができる。
【００１４】
［適用例５］原子発振器に適用例１乃至４の何れか一項に記載の光学系を備えたことを
特徴とする。
【００１５】
光源の光パワーの変動に対して常に一定のＥＭＩ信号を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の構成を示す図である。
【図２】光源の光パワーとレーザー波長の関係を表す図である。
【図３】光吸収量とレーザー波長の関係を示す図である。
【図４】本発明の光学系の動作を説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の構成を示す図である。この光学系
１００は、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法、又は２種類の共鳴光による量子干
渉効果を利用したＣＰＴ法により、光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振
器の光学系１００であって、共鳴光２を出射する光源１と、光源１から出射された共鳴光
２を導く出射光路を複数の出射光路ａ〜ｃの中から選択する光スイッチ（第１の光路選択
手段）３と、複数の出射光路ａ〜ｃに夫々配置され、ガス状のセシウム金属原子を封入す
ると共に、共鳴光４が通過する長さが夫々異なる複数のガスセル５、６、７と、各ガスセ
ル５、６、７に備えられたヒーター５ａ、６ａ、７ａと、複数の入射光路Ａ〜Ｃが各ガス
セル５、６、７の出射側に配置され、光スイッチ３により選択されたガスセル（図の場合
はガスセル５）を通過した励起光８を導く入射光路Ａを複数の入射光路Ａ〜Ｃの中から選
択する光スイッチ（第２の光路選択手段）９と、光スイッチ９により選択された入射光路
により導かれた励起光１０を検出するＰＤ（Photo Ditector）（光検出手段）１１と、Ｐ
Ｄ１１により検出された励起光１０の吸収量に基づいて光スイッチ３及び光スイッチ９を
制御する制御部（制御手段）１２と、制御部１２の信号に基づいて光スイッチ３及び光ス
イッチ９を駆動するスイッチ駆動部１３と、を備え、制御部１２は、励起光１０の吸収量
が予め定めた規定値範囲外であることを検出した場合は、出射光路ａ及び入射光路Ａを他
のガスセルに切り替えるように光スイッチ３及び光スイッチ９を制御する。尚、制御部１
２は光スイッチ３及び光スイッチ９を選択する場合、必ず同じガスセルが選択されるよう
に光スイッチ３及び光スイッチ９を駆動する。また、図示を省略するが、ヒーター５ａ、
６ａ、７ａには温度を検出する温度センサーが夫々備えられ、制御部１２に入力されてい
る。
【００１８】
つぎに本発明の光学系１００の動作について説明する。電源が入れられると、制御部１
２はイニシャル動作として光スイッチ３の出射光路ａと光スイッチ９の入射光路Ａを選択
する。その結果、光源１から出射した共鳴光２は光スイッチ３に入射して出射光路ａから
出射する。その共鳴光４はガスセル５に入射する。ガスセル５は１番短いガスセルのため
、共鳴光４の吸収量は最も少ない。ガスセル５から出射した励起光８は光スイッチ９の入
射光路Ａに入射する。励起光８は光スイッチ９の出射光路から出射して励起光１０となり
ＰＤ１１に入射する。ＰＤ１１では励起光１０の光の強度を電気信号に変換して制御部１
２に入力する。制御部１２では、ＰＤ１１の吸収波形から予め設定した規定値の範囲内に
収まっているか否かを判断する。もし、範囲内に収まってなく規定値より小さい場合は、
光の吸収量を増加させるため、光スイッチ３の出射光路ｂと光スイッチ９の入射光路Ｂを
選択して更に長いガスセル６を選択する。そして、上記と同じ動作を繰り返して、予め設
定した規定値の範囲内に収まるようにする。
即ち、同じ密度のガス状のセシウム金属原子を封入したガスセルは、共鳴光が通過する
経路が長いほど光の吸収量が大きくなる。本実施形態では、経路の長さが異なる複数のガ
スセル５、６、７を用意し、各ガスセルの入射側と出射側に光の経路を切り替える光スイ
ッチ３とスイッチ９を夫々備える。そして入射側の光スイッチ３に共鳴光２を入射して光
スイッチ３により選択されたガスセル５にその共鳴光４を入射する。共鳴光４は所定の波
長に対する光パワーの特性が電源毎に異なるので、通過したガスセル５の光吸収量（即ち
、ガスセルの経路長により決まる）によって規定値範囲内になるか否かは、出射側の光ス
イッチ９から出射される光１０の強度をＰＤ１１により検出するまでわからない。検出の
結果、光の吸収量が予め定めた規定値範囲外であることを検出した場合は、各光スイッチ
３、９を他のガスセル６に切り替えるように制御する。この動作を順次行なって吸収量が
規定値範囲内になるまで繰り返す。これにより、光源１の光パワーのバラツキが所定の範
囲変動しても一定の光吸収量を得ることができる。
【００１９】
また、光スイッチ３及び９は、光ビームを反射するマイクロミラーにより構成されるＭ
ＥＭＳ光スイッチにより構成されている。即ち、光信号をスイッチングする一つの方法と
して、光信号を電気信号に一旦変換して、その電気信号をオン・オフすることにより実現
できる。しかし、光信号を電気信号に変換する場合、光電変換素子が必要となり、変換時
に信号のロスが発生する。そこで本実施形態では、ＭＥＭＳ光スイッチを使用して光を直
接スイッチングする。これにより、光電変換素子を必要としないため、低損失なスイッチ
をコンパクトに実現することができる。
【００２０】
図２は光源の光パワーとレーザー波長の関係を表す図である。縦軸に光パワー、横軸に
レーザー波長を表すと、各レーザーＡ〜Ｄは夫々異なる勾配の特性を示し、吸収波長λに
引いた直線１４と交差する光パワーが夫々Ｐａ〜Ｐｄとなり、レーザーによって光パワー
にバラツキがあることが分かる。即ち、同じ長さ（同じ光の吸収量）のガスセルを使用し
た場合、光源がレーザーＡ〜Ｄを使用すると、光パワーがＰａ〜Ｐｄと変化するので、そ
の結果、ＥＩＴ信号のレベルも変動することになる。
【００２１】
図３は光吸収量とレーザー波長の関係を示す図である。図３（ａ）は本発明との比較す
るために示す従来の特性を示す図である。図３（ｂ）は本発明による特性を示す図である
。従来は、同じ長さのガスセルを使用するため、光源との組み合わせで一義的に特性２４
が決定する。そして、ガスセルに備えられたヒーターの温度を変化させることにより、調
整幅２５の範囲で調整が可能である。しかし、この調整幅２５では要求する特性が出せな
い場合は、光源を換えるしか方法が無かった。そこで本発明では、図３（ｂ）に示すよう
に、光の吸収量が規定より大きいときの特性２６と、規定の吸収量を示す特性２８と、光
の吸収量が規定より小さいときに特性２９を考えた場合、始めにガスセル６に共鳴光４を
入射してＰＤ１１により検出した特性が特性２６の場合、光の吸収量が規定より大きいの
で、吸収量を下げる必要がある。そこで制御部１２は、ガスセルの長さが短いガスセル５
に共鳴光４を入射させるために、光スイッチ３と９を切り替える。これにより光吸収量が
減少して特性２８になる。逆にガスセル７に共鳴光４を入射してＰＤ１１により検出した
特性が特性２９の場合、光の吸収量が規定より小さいので、吸収量を上げる必要がある。
そこで制御部１２は、ガスセルの長さが長いガスセル６に共鳴光４を入射させるために、
光スイッチ３と９を切り替える。これにより光吸収量が増加して特性２８になる。この結
果、本発明による調整可能な範囲は調整幅３２となり、従来の調整幅２５に比べて格段に
広くすることができる。
即ち、ガスセルの温度を制御することによっても、光の吸収量を変えることが可能であ
るが、その量は少ないので波長に対する光パワーのバラツキを吸収するまでには至らない
。そこで本実施形態では、ガス状のセシウム金属原子による共鳴光の吸収量と加熱手段に
より加熱されるガスセルの温度変化による共鳴光の吸収量変化とを含む値を規定値範囲と
する。これにより、温度による調整幅を含むことにより全体の調整幅を拡げることができ
る。
【００２２】
図４は本発明の光学系の動作を説明するフローチャートである。電源が入れられると、
制御部１２はイニシャル動作として光スイッチ３の出射光路ａと光スイッチ９の入射光路
Ａを選択する（Ｓ１）。その結果、光源１から出射した共鳴光２は光スイッチ３に入射し
て出射光路ａから出射する。その共鳴光４はガスセル５に入射する。ガスセル５は１番短
いガスセルのため、共鳴光４の吸収量は最も少ない。ガスセル５から出射した励起光８は
光スイッチ９の入射光路Ａに入射する。励起光８は光スイッチ９の出射光路から出射して
励起光１０となりＰＤ１１に入射する。ＰＤ１１では励起光１０の光の強度を電気信号に
変換して制御部１２に入力する（Ｓ２）。制御部１２では、ＰＤ１１の吸収波形から予め
設定した規定値の範囲内に収まっているか否かを判断する（Ｓ３）。もし、範囲内に収ま
ってなく規定値より小さい場合は（Ｓ３でＮＯ）、光の吸収量を増加させるため、光スイ
ッチ３の出射光路ｂと光スイッチ９の入射光路Ｂを選択して更に長いガスセル６を選択す
る（Ｓ５）。そして、選択したガスセルが最終ガスセルか否かを判定する（Ｓ６）。最終
ガスセルの場合は何らかの異常があると判断して異常信号を出力する（Ｓ７）。一方、ス
テップＳ６で最終ガスセルでなければ、ステップＳ２に戻って繰り返す。また、ステップ
Ｓ３で吸収量が規定値の範囲内であれば（Ｓ３でＹＥＳ）他のガスセルのヒーターは不要
であるのでＯＦＦする（Ｓ４）。
【００２３】
尚、本実施形態では、イニシャル動作として長さが一番短いガスセルからスタートした
が、一番長いガスセルからスタートしても構わない。或いは、規定値に最も近いガスセル
を決めておきそこからスタートするようにしてもよい。
ガスセルには、ガスセル自体の温度を一定に保つためにヒーター等の加熱手段が備えら
れている。本実施形態では１つのガスセルが選択されて、そのガスセルとの組み合わせで
励起光の吸収量が予め定めた規定値範囲内であることを検出した場合は、それ以外のガス
セルは使用しないので、そのガスセルを加熱手段で加熱する必要がない。そこで、吸収量
が予め定めた規定値範囲内であることを検出した場合は、選択されたガスセルのみを加熱
制御する。これにより、不要な電力を消費することを防止することができる。
【符号の説明】
【００２４】
１  光源、２  共鳴光、３、９  光スイッチ、５、６、７  ガスセル、１１  ＰＤ、１
２  制御部、１００  光学系
【図１】
2010226424.tif 000003
【図２】
2010226424.tif 000004
【図３】
2010226424.tif 000005
【図４】
2010226424.tif 000006