(57)【要約】【課題】ガスセルの加熱効率の低下および光源の過熱を防止し、出力周波数が安定するとともに長寿命で信頼性の高い小型の原子発振器を提供する。【解決手段】原子発振器の物理部５０は、ガスセル１０の一方の窓部２の外側にヒータ２５、光学素子層１５、ペルチェ素子２１、傾斜部材３５がこの順に重ねられ、傾斜部材３５の傾斜の頂部から両側に形成された傾斜面にＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０が配置されている。また、ガスセル１０の他方の窓部３の外側には光反射膜４５が形成されている。すなわち、ペルチェ素子２１の低温となる面側にＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０が配置され、ペルチェ素子２１の高温となる面側にヒータ２５が配置されている。また、光透過性を有さない傾斜部材３５、ペルチェ素子２１、ヒータ２５の励起光の光路となる領域には貫通孔３５ａ，３５ｂ，２１ａ，２１ｂ，２５ａ，２５ｂが設けられている。【選択図】図２
2010109525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒部と、該筒部の両側の開口部分をそれぞれ封鎖する窓部とにより密閉されたキャビティが形成され、前記キャビティ内にガス状の金属原子が封入されたガスセルと、
一方の前記窓部に設けられた光反射手段と、
他方の前記窓部側に密着させて設けられ、前記ガスセルを所定の温度に加熱する第１の加熱手段と、
前記第１の加熱手段の前記ガスセルとは反対側に設けられ、前記光反射手段に光の出射部を向けて配置され前記ガスセル中の前記金属原子を励起する励起光の光源、および、前記光反射手段により反射された前記励起光を検出する光検出手段と、
前記光源および前記光検出手段と前記第１の加熱手段との間に配置されたペルチェ素子と、
を少なくとも有することを特徴とする原子発振器の物理部。
【請求項２】
請求項１に記載の原子発振器の物理部において、
前記光源および前記光検出手段がそれぞれ配置される二つの傾斜面を有する傾斜部材であって、前記光源および前記光検出手段がそれぞれ配置される前記傾斜面同士のなす角度が、前記光源から照射された前記励起光が前記光反射手段で反射して前記光検出手段の受光部に入射されるように設定された前記傾斜部材を備えていることを特徴とする原子発振器の物理部。
【請求項３】
請求項１または２に記載の原子発振器の物理部において、
前記光源から出射され前記光反射手段で反射されて前記光検出手段に至る前記励起光の光路にある部材のうち、光透過性を有さない部材の前記光路となる領域に貫通孔が形成されていることを特徴とする原子発振器の物理部。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の原子発振器の物理部において、
前記第１の加熱手段が透明電極膜からなる薄膜ヒータであることを特徴とする原子発振器の物理部。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の原子発振器の物理部において、
前記一方の窓部側に第２の加熱手段を備えたことを特徴とする原子発振器の物理部。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器の要部である原子発振器の物理部に関し、さらに詳しくは、光源やガスセルの温度が安定化され、高精度で小型化が可能な原子発振器の物理部に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ルビジウム、セシウムなどのアルカリ金属を用いた原子発振器は、原子のエネルギー遷移を利用する際に、ガスセル内に、緩衝ガスとともにアルカリ金属原子を蒸気状態に保つ必要があるため、原子を気密封止したガスセルを所定の高温に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、アルカリ金属原子を励起する光およびマイクロ波を利用した二重共鳴法（例えば特許文献１を参照）と、２種類の干渉光により量子干渉効果（以下ＣＰＴ：Coherent Population Trappingと記す）を利用する方法（例えば特許文献２を参照）とに大別される。例えば、特許文献２のＣＰＴを利用した原子発振器は、光源としての半導体レーザ、ガスセル、および光検出手段としての光検出器を含む構成にて原子発振器の要部である原子発振器の物理部（光学系）を構成している。ガスセルの内部には、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が封入されている。半導体レーザは、波長の異なる２種類のレーザ光（カップリング光とプローブ光）を生成してガスセルに出力している。原子発振器は、ガスセルに入射したレーザ光が、金属原子ガスにどれだけ吸収されたかを、ガスセルに対して半導体レーザの反対側に配置された光検出器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。
【０００３】
ところで、原子発振器において、ガスセル中の原子密度が変化すると、原子ガスへの光の吸収度合いが変化して原子共鳴の検知に誤差を生じたり、検知できなくなるといった問題が起こる。このため、実用化されている原子発振器は、ガスセル内の原子の蒸気を一定の温度（例えば８０℃）に保つための加熱手段およびそれを制御する温度制御系を備えている。一方、原子発振器を搭載する電子機器の小型の要求が高まるのに伴い、原子発振器の小型化が必須となるため、ガスセルの加熱手段にも、ガスセルの温度を一定に保って且つ小型であることが要求される。
また、半導体レーザは、高温下ではエージング特性が著しく悪くなって寿命が低下して原子発振器の寿命を短くする大きな要因となってしまうとともに、安定したレーザ光の照射ができなくなって原子発振器の出力周波数の精度を低下させる要因となり得る。このため、半導体レーザの過熱を抑えて、温度を一定に保持する必要がある。
このような要求にこたえるために、直流電流を流した際に一方の面から他方の面に熱の移動が生じるペルチェ効果を利用したペルチェ素子の特性を利用して、光源などの温度制御を図る構成の原子発振器の物理部が提案されている（例えば特許文献３、特許文献４を参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−２８４７７２号公報
【特許文献２】米国特許第６８０６７８４号明細書Ｂ２
【特許文献３】米国特許第６３２０４７２号明細書Ｂ１
【特許文献４】特開平６−１２０５８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献３に記載の原子発振器の物理部では、ペルチェ素子の一方の面を光源に密着させることにより光源の温度制御を可能としているが、ペルチェ素子の他方の面が、原子発振器の物理部の温度制御に寄与する配置となっていない。例えば、ペルチェ素子の他方の面とガスセルとは離間しているため、ペルチェ素子がガスセルの温度制御に寄与しにくい配置となっているなど、原子発振器の物理部において、ペルチェ素子の特性を活かした温度制御が図れる構造とはなっていなかった。
また、特許文献４に記載の原子発振器の物理部においても、ペルチェ素子の一方の面に配置された吸熱板により光源の過熱を防止する構造となっているが、ペルチェ素子の他方の面が原子発振器の物理部の温度制御に寄与しにくい配置となっている。さらに、ペルチェ素子により温度制御される光源の光を、光ファイバを介してガスセルに照射する構成となっているために、原子発振器の小型化が困難であるとともに、高コストになるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
〔適用例１〕本適用例にかかる原子発振器の物理部は、筒部と、該筒部の両側の開口部分をそれぞれ封鎖する窓部とにより密閉されたキャビティが形成され、前記キャビティ内にガス状の金属原子が封入されたガスセルと、一方の前記窓部に設けられた光反射手段と、他方の前記窓部側に密着させて設けられ、前記ガスセルを所定の温度に加熱する第１の加熱手段と、前記第１の加熱手段の前記ガスセルとは反対側に設けられ、前記光反射手段に光の出射部を向けて配置され前記ガスセル中の前記金属原子を励起する励起光の光源、および、前記光反射部により反射された前記励起光を検出する光検出手段と、前記光源および前記光検出手段と前記第１の加熱手段との間に配置されたペルチェ素子と、を少なくとも有することを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、直流電流を流した際に一方の面から他方の面に熱の移動が生じるペルチェ効果を利用したペルチェ素子の特性を利用して、光源および光検出手段、あるいはガスセルの効果的な温度制御が可能になる。すなわち、ペルチェ素子の低温となる一方の面側により、光源の過熱を防止するとともに光検出手段の温度を均一に保持することが可能になり、光源および光検出手段それぞれの特性の安定化と長寿命化を図ることができる。また、ペルチェ素子の高温となる他方の面側により、第１の加熱手段の熱損失を抑えることによって、第１の加熱手段によるガスセルの加熱効率をよくする効果を奏する。したがって、出力周波数が安定し、長寿命で信頼性の高い原子発振器を提供することができる。
【０００９】
〔適用例２〕上記適用例にかかる原子発振器の物理部において、前記光源および前記光検出手段がそれぞれ配置される二つの傾斜面を有する傾斜部材であって、前記光源および前記光検出手段がそれぞれ配置される前記傾斜面同士のなす角度が、前記光源から照射された前記励起光が前記光反射手段で反射して前記光検出手段の受光部に入射されるように設定された前記傾斜部材を備えていることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、ガスセルの窓部の面に光反射膜を積層させることなどにより比較的容易に形成することが可能な光反射手段により、光源から照射されガスセルを通過した励起光を反射させて再びガスセルを通過させ、光検出手段に入射させる原子発振器の物理部を構成することができる。
【００１１】
〔適用例３〕上記適用例にかかる原子発振器の物理部において、前記光源から出射され前記光反射手段で反射されて前記光検出手段に至る前記励起光の光路にある部材のうち、光透過性を有さない部材の前記光路となる領域に貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、貫通孔により励起光の光路を確保することができるので、各部材に光透過性がなくてもよく部材の材料の選択肢が広がり、優れた特性の各部材により原子発振器の物理部を構成することができる。
【００１３】
〔適用例４〕上記適用例にかかる原子発振器の物理部において、前記第１の加熱手段が透明電極膜からなる薄膜ヒータであることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、第１の加熱手段が光透過性を有しているので励起光の光路を確保するために貫通孔を設ける必要がない。このように、第１の加熱手段の加工が不要となるので、原子発振器の加工工程の簡略化が図れ、加工コストを抑えることができる。
【００１５】
〔適用例５〕上記適用例にかかる原子発振器の物理部において、前記一方の窓部側に第２の加熱手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、一方の窓部側の温度を高温に保つことができるので、ガスセルに封入したアルカリ金属原子の一部が固化してガスセルの一方の窓部の内側に付着するのを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、原子発振器の物理部の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本実施形態にかかる原子発振器のガスセルを模式的に説明するものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
また、図２は、本実施形態の原子発振器の物理部を説明するものであり、（ａ）は上側からみた平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１９】
（ガスセル）
まず、本実施形態の原子発振器の物理部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Ｔが形成されている。このキャビティＴ内には、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を気化させた多数の金属原子（図示せず）が封入されている。
なお、キャビティＴ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。
【００２０】
（原子発振器）
次に、上記したガスセル１０を備えた原子発振器の物理部について説明する。
図２に示すように、原子発振器の物理部５０は、上記のガスセル１０、図示しない温度制御回路を含む原子発振器の物理部５０の各種制御回路を有する制御回路基板５、傾斜部材３５、励起光の光源としてのＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）３０、光検出手段としてのフォトセンサ４０、光学素子層１５、ガスセル１０の第１の加熱手段としてのヒータ２５、光源からの励起光の光反射手段としての光反射膜４５、ＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０あるいはガスセル１０の温度制御を行うペルチェ素子２１を有している。
詳細には、ガスセル１０の励起光の光路方向の一方の窓部２の外側にヒータ２５、光学素子層１５、ペルチェ素子２１、傾斜部材３５がこの順に重ねられ、傾斜部材３５の傾斜の頂部から両側に形成された一方の傾斜面にＶＣＳＥＬ３０が配置され、他方の傾斜面にフォトセンサ４０が配置され、さらに、ガスセル１０の励起光の光路方向の他方の窓部３の外側に光反射膜４５が積層されて形成されている。
【００２１】
図２（ａ）の矢印に示すように、ＶＣＳＥＬ３０から出射された励起光は、傾斜部材３５、ペルチェ素子２１、光学素子層１５、ヒータ２５を通過してガスセル１０を窓部２から窓部３の方向に通過し、窓部３の外側に設けられた光反射膜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ヒータ２５、光学素子層１５、ペルチェ素子２１、および傾斜部材３５を通過してフォトセンサ４０に入射するようになっている。ここで、ＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０が配置される傾斜部材３５の各傾斜面が傾斜角度は、ＶＣＳＥＬ３０から出射された励起光が、光反射膜４５で反射されてフォトセンサ４０に入射されるように設定される。このように、光反射膜４５を介してガスセル１０内に励起光を往復されることにより、ガスセル１０内での励起光の光路を長くして金属原子ガス中を通過する距離を多く確保することできるので、原子発振器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。
【００２２】
また、上記矢印にて示した原子発振器の物理部５０の励起光の光路において、光透過性を有さない部材には励起光を透過できるように貫通孔が設けられている。具体的には、傾斜部材３５の励起光の光路となる領域には貫通孔３５ａ，３５ｂが設けられ、ペルチェ素子２１の励起光の光路となる領域には貫通孔２１ａ，２１ｂが設けられ、ヒータ２５の励起光の光路となる領域には貫通孔２５ａ，２５ｂが設けられている。
【００２３】
本実施形態の原子発振器の物理部５０は、後述するように、金属原子ガスが封入されたガスセル１０に、干渉性を有するコヒーレント光としての波長の異なる２種類の光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する所謂ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器の要部として説明する。ここで、コヒーレント光とは、半導体レーザによるレーザ光などのような干渉性を有した光をいう。光源としてのＶＣＳＥＬ３０は、コヒーレント光の光源である半導体レーザの一種であり、面発光することにより省電力で強度の高い光を照射することができる。
【００２４】
また、フォトセンサ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。
【００２５】
また、ペルチェ素子２１は、直流電流を流すことにより一方の面から他方の面に熱の移動が生じるペルチェ効果を利用した半導体素子である。本実施形態では、ペルチェ素子２１の一方の面側に傾斜部材３５を介して配置されたＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０と、他方の面側に光学素子層１５を介して配置されたヒータ２５とのそれぞれの温度の保持や安定化に供している。すなわち、ペルチェ素子２１の低温となる一方の面側が、ＶＣＳＥＬ３０の過熱を防止する熱吸収を行うとともにフォトセンサ４０の温度を均一に保持し、高温となる他方の面側が、光学素子層１５の加熱を行うことによりヒータ２５の熱の光学素子層１５への伝導を抑えて、ヒータ２５によるガスセル１０の加熱効率をよくする効果を奏する。
このようなペルチェ素子２１の作用をより効果的にするために、ペルチェ素子２１とＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０との間に配置される傾斜部材３５、あるいは、ペルチェ素子２１とヒータ２５との間に配置される光学素子層１５は、熱伝導性のよい材料からなることが好ましい。例えば、傾斜部材３５の材料としては、アルミニウムなどの金属やセラミック、あるいはシリコンなどを用いることができる。また、光学素子層１５は、ガラス基材に光学処理を施したものなどを用いることができる。
【００２６】
また、光学素子層１５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なったり、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である。
【００２７】
また、光反射膜４５は、ガラスなどからなる窓部３に例えばアルミニウムなどを蒸着して得られる全反射膜であり、窓部３側に反射鏡を形成する。
【００２８】
（原子発振器の動作）
次に、本実施形態にかかる原子発振器の動作原理について説明する。
原子発振器の動作原理は、アルカリ金属原子を励起する光およびマイクロ波を利用した二重共鳴法と、２種類の干渉光により量子干渉効果（ＣＰＴ）を利用する方法とに大別される。先に述べたように、本実施形態では、ＣＰＴを利用した原子発振器の動作原理の一例について説明する。
【００２９】
図２に示す原子発振器の物理部５０において、光源としてのＶＣＳＥＬ３０は、励起光としての波長の異なる２種類のレーザ光（カップリング光とプローブ光）を生成してガスセル１０に出力している。ＶＣＳＥＬ３０からガスセル１０に入射したレーザ光（励起光）は、ガスセル１０内（キャビティＴ）を通過してから光反射膜４５で反射され、ふたたびガスセル１０内を通過してからフォトセンサ４０に至る。このとき、ガスセル１０内を往復して通過する励起光が、ガスセル１０内部に封入された金属原子ガスにどれだけ吸収されたかを、フォトセンサ４０で検出することにより原子共鳴を検知し、図示しない周波数制御回路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ることによって出力を得ている。
【００３０】
図３（ａ）には、量子吸収体のエネルギー準位を示す。量子吸収体のエネルギー準位は、２つの基底準位（基底準位１、基底準位２）と、励起準位を有する３準位系（例えばΛ型準位系）とにより構成される。ここで、同時に照射される２つの共鳴光の周波数（ω１、ω２）の差が、基底準位１と基底準位２とのエネルギー差に正確に一致すると、３準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態となり、励起準位への励起が停止する。
すなわち、図３（ｂ）に示す光吸収スペクトルのように、ガスセル１０内の量子吸収体は光源（ＶＣＳＥＬ３０）から発せられたレーザ光を吸収し、２種類の光の周波数差に応じて光吸収特性（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であるＥＩＴ（Electromagnetically Induced Transparency）現象（電磁誘起透明化現象）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。
【００３１】
上記実施形態の原子発振器の物理部５０によれば、一方の面から他方の面に熱の移動が生じるペルチェ効果を利用したペルチェ素子２１の特性を利用して、光源としてのＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０、あるいはガスセル１０の効果的な温度制御が可能になる。すなわち、ペルチェ素子２１の低温となる一方の面側により、傾斜部材３５を介して、ＶＣＳＥＬ３０の過熱を防止するとともにフォトセンサ４０の温度を均一に保持することが可能になり、ＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０それぞれの特性の安定化と長寿命化を図ることができる。また、ペルチェ素子２１の高温となる他方の面側により、光学素子層１５の加熱を行うことによってヒータ２５の熱の光学素子層１５への伝導を抑え、ヒータ２５によるガスセル１０の加熱効率をよくする効果を奏する。したがって、出力周波数が安定し、長寿命で信頼性の高い原子発振器を提供することができる。
【００３２】
また、上記実施形態の原子発振器の物理部５０によれば、ヒータ２５により加熱させたいガスセル１０と、高温になるのを望まないＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０とを、ペルチェ素子２１を間に挟むことにより近接させて配置させることを可能とした。また、ＶＣＳＥＬ３０からガスセル１０に照射された励起光を光反射膜４５で反射させ、ガス化された金属原子が封入されたガスセル１０のキャビティ内に励起光を往復させることにより、ガスセル１０内を通過する励起光の光路の距離を長く確保できる構成とした。これらの構成により、ペルチェ素子２１により出力周波数が安定し、長寿命で信頼性の高い原子発振器の小型化を実現できる。
【００３３】
上記実施形態で説明した原子発振器の物理部５０は、以下の変形例として実施することも可能である。
【００３４】
（変形例１）
上記実施形態では、ＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０を傾斜部材３５の各傾斜面に配置した。そして、その傾斜部材３５のＶＣＳＥＬ３０またはフォトセンサ４０が設置される各傾斜面の傾斜角度を、ＶＣＳＥＬ３０から出射されガスセル１０の窓部３の外側に設けられた光反射膜４５により反射された励起光がフォトセンサ４０に入射するように設定する構成とした。これに限らず、複数の光反射面を用いて励起光の反射角度を調整する構造とすることにより、傾斜部材を用いることなく、ＶＣＳＥＬ３０とフォトセンサ４０とを同一平面に設けることが可能になる。
図４は、二つの光反射面を有する光反射部を用いた原子発振器の物理部を模式的に説明する断面図であり、図２（ｂ）と同じ断面を図示したものである。なお、本変形例の原子発振器の物理部の構成のうち、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。
【００３５】
図４に示すように、変形例１の原子発振器の物理部１５０は、制御回路基板５上に、ガスセル１０、ＶＣＳＥＬ３０、フォトセンサ４０、ペルチェ素子１２１、光学素子層１５、ヒータ１２５、および光反射部１４５を有している。
詳細には、ガスセル１０の励起光の光路方向の一方の窓部２の外側にヒータ１２５、光学素子層１５、ペルチェ素子１２１がこの順に重ねられ、ペルチェ素子１２１の光学素子層１５が重ねられた面と異なる面側にＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０が配置されている。ここで、直流電流を流した際に高温または低温となるペルチェ素子１２１の二つの面のうち、低温となる一方の面側にＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０が直接配置され、高温となる他方の面側にガスセル１０が光学素子層１５を介して配置されている。
また、ガスセル１０の励起光の光路方向の他方の窓部３の外側には、２つの光反射面１４５ａ，１４５ｂを有する光反射部１４５が配置されている。
【００３６】
図４の矢印に示すように、ＶＣＳＥＬ３０から出射された励起光は、ペルチェ素子１２１、光学素子層１５、ヒータ１２５を通過してガスセル１０を窓部２から窓部３の方向に通過し、窓部３の外側に設けられた光反射部１４５の一方の光反射面１４５ａに至る。光反射面１４５ａには金属膜等が形成されており、励起光を反射する。また、光反射面１４５ａは、ガスセル１０を通過した励起光が４５度の入射角で入射するように形成されている。光反射面１４５ａで反射された励起光は、その励起光が４５度の入射角で入射するように形成された光反射部１４５の他方の光反射面１４５ｂに入射して反射する。そして、光反射面１４５ｂで反射した励起光が、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ヒータ１２５、光学素子層１５、ペルチェ素子１２１を通過してフォトセンサ４０に入射するようになっている。
このような原子発振器の物理部１５０の励起光の光路において、光透過性を有さない部材には励起光を透過させる貫通孔が設けられている。具体的には、ペルチェ素子１２１の励起光の光路となる領域には貫通孔１２１ａ，１２１ｂが設けられ、ヒータ１２５の励起光の光路となる領域には貫通孔１２５ａ，１２５ｂが設けられている。
【００３７】
上記変形例１の原子発振器の物理部１５０の構成によれば、ペルチェ素子１２１の二つの面のうち、直流電流を流した際に低温となる一方の面側にＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０が直接配置されている。これにより、ペルチェ素子１２１の低温となる一方の面側によるＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０の温度制御をより効果的におこなうことができるので、原子発振器の出力周波数の安定化、長寿命化、あるいは高信頼性の確保により顕著な効果を奏する。
【００３８】
（変形例２）
上記実施形態および変形例１では、光透過性を有さない部材のひとつとして、ヒータ２５またはヒータ１２５の励起光の光路となる領域に貫通孔２５ａ，２５ｂまたは貫通孔１２５ａ，１２５ｂを設けて励起光の光路を確保した。これに限らず、光透過性を有するヒータ材料を適用することにより、貫通孔を設けなくてもよい。
図５および図６は、透明電極膜からなるヒータを設けた原子発振器の物理部を模式的に説明する断面図である。なお、図５は、上記実施形態の原子発振器の物理部５０の構成において、透明電極膜からなるヒータを用いた構成を示し、図６は、上記変形例１の原子発振器の物理部１５０の構成において、透明電極膜からなるヒータを用いた構成を示している。また、本変形例（変形例２）の原子発振器の物理部の構成のうち、上記実施形態または上記変形例１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。
【００３９】
図５に示す原子発振器の物理部２５０Ａは、制御回路基板５上に、ガスセル１０、傾斜部材３５、該傾斜部材に配置されたＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０、ペルチェ素子２１、光学素子層１５、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極膜からなる第１の加熱手段としての透明電極ヒータ２２５、および光反射膜４５を有している。
詳細には、ガスセル１０の励起光の光路方向の一方の窓部２の外側に透明電極ヒータ２２５、光学素子層１５、ペルチェ素子２１、傾斜部材３５がこの順に重ねられ、傾斜部材３５のペルチェ素子２１と重ねられた面と異なる方向に形成された傾斜面にＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０がそれぞれ配置されている。すなわち、直流電流を流した際に高温または低温となるペルチェ素子２１の二つの面のうち、低温となる一方の面側にＶＣＳＥＬ３０およびフォトセンサ４０が傾斜部材３５を介して配置され、高温となる他方の面側にガスセル１０が光学素子層１５および透明電極ヒータ２２５を介して配置されている。
また、ガスセル１０の励起光の光路方向の他方の窓部３の外側には金属膜などからなる光反射膜４５が設けられている。
【００４０】
図５に矢印で示すＶＣＳＥＬ３０から出射された励起光の光路において、光透過性を有さない部材には励起光を透過させる貫通孔が設けられている。具体的には、傾斜部材３５の励起光の光路となる領域には貫通孔３５ａ，３５ｂが設けられ、ペルチェ素子２１の励起光の光路となる領域には貫通孔２１ａ，２１ｂが設けられている。
【００４１】
上記変形例２の原子発振器の物理部２５０Ａ，２５０Ｂの構成によれば、上記実施形態および変形例１の原子発振器の物理部５０，１５０に比して、第１の加熱手段としての透明電極ヒータ２２５が光透過性を有しているので、励起光の光路を確保するために貫通孔を設ける必要がない。このように、第１の加熱手段の加工が不要となるので、原子発振器の加工工程の簡略化が図れ、加工コストを抑えることができる。
【００４２】
以上、発明者によってなされた本発明の実施の形態について具体的に説明したが、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。
【００４３】
例えば、上記実施形態および変形例では、開口部の形状が円形である円筒形の筒部である円筒部１を有するガスセル１０を用いた原子発振器の物理部について説明した。これに限らず、ガスセルの筒部は開口部の形状が楕円形の円筒形であってよく、また、原子発振器に求める精度によっては多角柱状の筒部であってもよい。また、筒部の長手方向断面が、その中央を頂部として両端側に向けて幅が狭くなる所謂断面コンベックス状であってもよい。
【００４４】
また、上記実施形態および変形例では、光源としてのＶＣＳＥＬ３０からガスセル１０までの間、およびガスセル１０から光検出手段としてのフォトセンサ４０の間に光学素子層１５を配置したが、原子発振器に求められる周波数基準としての要求精度等によっては光学素子層１５を設けない構成としてもよい。
【００４５】
また、上記実施形態および変形例においては、ガスセル１０の窓部２側にのみヒータ２５，１２５を配置したが、本発明にあってはこれに限らず。窓部３側にもヒータ（第２の加熱手段）を備えるようにしても良い。
例えば、図２において、窓部３と光反射膜４５との間に第２の加熱手段としてヒータを配置する。ここで、ヒータの一部に貫通孔を設け励起光が通過するようにしておく。ヒータとして光透過性を有するものであれば貫通孔を設けなくて良いことは言うまでもない。或いは、光反射膜４５の上にヒータ（第２の加熱手段）を配置するようにしても良い。
このようにすれば、窓部３側を比較的高温に保つことができ、ガスセル１０に封入したアルカリ金属原子の一部が凝集して窓部３の内側に付着するのを防止することができる。
すなわち、窓部３側の温度が下がると、アルカリ金属原子の一部が凝集して窓部３の内側に付着し、光の透過が阻害されて光の出力強度の低下をもたらし、原子発振器の周波数制御が不安定になって性能の劣化を招く虞がある。そこで、本実施例はこれを防止するのである。
【００４６】
また、上記実施形態では、ＣＰＴを用いた原子発振器の物理部５０，１５０，２５０Ａ，２５０Ｂの構成について説明したが、本発明が、光源からの光とマイクロ波を利用した二重共鳴法による原子発振器にも適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】（ａ）は、本実施形態にかかる原子発振器のガスセルを上側からみた平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図
【図２】（ａ）は、原子発振器の物理部の一実施形態を上側からみた平面図、（ｂ）は、（ａ）のＢ−Ｂ線断面図。
【図３】（ａ）は、原子発振器におけるエネルギー準位の説明図、（ｂ）は、光吸収スペクトルの説明図。
【図４】変形例１の原子発振器の物理部を説明する断面図。
【図５】変形例２の原子発振器の物理部を説明する断面図。
【図６】変形例２の原子発振器の物理部を説明する断面図。
【符号の説明】
【００４８】
１…筒部としての円筒部、２，３…窓部、５…制御回路基板、１０…ガスセル、１５…光学素子層、２１，１２１…ペルチェ素子、２１ａ，２１ｂ，１２１ａ，１２１ｂ…ペルチェ素子の貫通孔、２５，１２５…第１の加熱手段としてのヒータ、２５ａ，２５ｂ，１２５ａ，１２５ｂ…ヒータの貫通孔、３０…光源としてのＶＣＳＥＬ、３５…傾斜部材、３５ａ，３５ｂ…傾斜部材の貫通孔、４０…光検出手段としてのフォトセンサ、４５…光反射手段としての光反射膜、５０，１５０，２５０Ａ，２５０Ｂ…原子発振器の物理部、１４５…光反射手段としての光反射部、１４５ａ，１４５ｂ…光反射部の光反射面、１５０…物理部、２２５…第１の加熱手段としての透明電極ヒータ、Ｔ…ガスセルのキャビティ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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