(57)【要約】【課題】共鳴信号のＳＮ比やコントラストが向上した短期安定性に優れた原子発振器を提供すること。【解決手段】レーザー光検出器６０の反射面６１で反射される反射光１３のうち、原子セル３０に入射する再入射反射光１４の光量を減少でき、再入射反射光１４により励起されるアルカリ金属元素３１の数を少なくでき、レーザー光源１０から射出されたレーザー光１２により励起されるアルカリ金属元素３１の数が減少しない。したがって、有効な共鳴信号が多く得られ、共鳴信号のＳＮ比の低下や共鳴コントラストの低下が抑えられ、短期安定性に優れた原子発振器１００を得ることができる。また、レーザー光源１０に再入射する再入射反射光も減少し、レーザー光源１０の発振異常を抑えることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を射出する励起光源と、
前記励起光が入射する原子セルと、
前記原子セルに封入されたアルカリ金属元素と、
前記原子セルからの射出光を検出する光検出部を備えた光検出器と、
前記原子セルと前記光検出部との間に位置し、
前記射出光で前記光検出器の反射面で反射される反射光のうち、前記原子セルに再入射する再入射反射光の光量を、前記反射光の光量より減少させる光量減少手段とを備えた
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の原子発振器において、
前記光量減少手段は、光アイソレーターである
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
請求項２に記載の原子発振器において、
前記光アイソレーターは、位相偏光プリズムとλ／４波長板との組み合わせからなる
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
請求項２に記載の原子発振器において、
前記光アイソレーターは、偏光子とλ／４波長板との組み合わせからなる
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項５】
請求項１に記載の原子発振器において、
前記光量減少手段は、前記反射面を傾けて、前記再入射反射光の光量を減少させる
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、原子のエネルギー準位間の遷移を利用した原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子のエネルギー準位間の遷移を利用した原子発振器として、励起光とマイクロ波を用いた二重共鳴方式またはＣＰＴ（Coherent  Population  Trapping）方式を用いたものが知られている。いずれの方法も、基底準位から励起準位への励起用レーザー光を、Ｃｓ（セシウム）、Ｒｂ（ルビジウム）等のアルカリ金属元素が封入された原子セルに入射させ、原子セルからの射出光の強度を検出する。そして、アルカリ金属元素の２つのエネルギー準位間のエネルギー差に相当する波長における吸収および共鳴を利用して、原子発振器の出力する基準周波数を安定制御している。原子発振器は、原子のエネルギー準位間のエネルギー差を利用しているため、理論上は経年変化のない高精度な基準周波数が得られる。しかし、現実には、原子セルの形状や消費電力の制約による影響や、光検出器等が有限の精度や誤差を持っているため、原子発振器の高精度化は難しい。
原子発振器として、原子セルである吸収セルのレーザー光の射出方向に光検出器を配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１５４０２２号公報（３頁、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光検出器では、原子セルからの射出光であるレーザー光が反射し、反射光は再び原子セルに再入射し、さらには原子セルを透過しレーザー光源にも再入射する。ここで、原子セルに再入射した再入射反射光は、アルカリ金属元素を励起するが、その共鳴信号はレーザー光源に向かう。
また、再入射反射光により励起されたアルカリ金属元素は、レーザー光源からの入射光による励起に関与できず、共鳴信号のＳＮ比の低下や共鳴コントラストの低下を招く。さらに、レーザー光源に再入射した再入射反射光は、レーザー光源の発振異常を引き起こす可能性がある。このように、光検出器における反射光の存在は、原子発振器の短期安定性を低下させる。
【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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
励起光を射出する励起光源と、前記励起光が入射する原子セルと、前記原子セルに封入されたアルカリ金属元素と、前記原子セルからの射出光を検出する光検出部を備えた光検出器と、前記原子セルと前記光検出部との間に位置し、前記射出光で前記光検出器の反射面で反射される反射光のうち、前記原子セルに再入射する再入射反射光の光量を、前記反射光の光量より減少させる光量減少手段とを備えたことを特徴とする原子発振器。
【０００７】
この適用例によれば、光検出器の反射面で反射される反射光のうち、原子セルに入射する再入射反射光の光量が減少するので、再入射反射光により励起されるアルカリ金属元素の数が少なくなり、励起光源から射出された励起光により励起されるアルカリ金属元素の数が減少しない。したがって、有効な共鳴信号が多く得られ、共鳴信号のＳＮ比の低下や共鳴コントラストの低下が抑えられ、短期安定性に優れた原子発振器が得られる。
また、励起光源に再入射する再入射反射光も減少し、励起光源の発振異常が抑えられる。
なお、反射面とは、光検出部を収めた光検出器の表面、光検出部の表面等である。
【０００８】
［適用例２］
上記に記載の原子発振器において、前記光量減少手段は、光アイソレーターであることを特徴とする原子発振器。
この適用例では、光量減少手段に光アイソレーターを用いることにより、光量減少手段に必要なスペースを大きくとることなく反射光が遮断される。したがって、短期安定性に優れた小型の原子発振器が得られる。
【０００９】
［適用例３］
上記に記載の原子発振器において、前記光アイソレーターは、位相偏光プリズムとλ／４波長板との組み合わせからなることを特徴とする原子発振器。
この適用例では、位相偏光プリズムとλ／４波長板とを組み合わせることで光アイソレーターを構成しているので、短期安定性に優れ、コストが抑えられた原子発振器が得られる。
【００１０】
［適用例４］
上記に記載の原子発振器において、前記光アイソレーターは、偏光子とλ／４波長板との組み合わせからなることを特徴とする原子発振器。
この適用例では、偏光子とλ／４波長板とを組み合わせることで光アイソレーターを構成しているので、短期安定性に優れ、コストが抑えられた原子発振器が得られる。
【００１１】
［適用例５］
上記に記載の原子発振器において、前記光量減少手段は、前記反射面を傾けて、前記再入射反射光の光量を減少させることを特徴とする原子発振器。
この適用例では、光検出器の反射面を傾けるだけで原子セルへの再入射反射光の光量が減少する。したがって、短期安定性に優れ、構成部品が少なくコストが抑えられた原子発振器が簡便に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１実施形態における原子発振器の構成を示す構成図。
【図２】レーザー光検出器の概略断面図。
【図３】第２実施形態における原子発振器の構成を示す構成図。
【図４】第３実施形態における原子発振器の構成を示す構成図。
【図５】第４実施形態における原子発振器の構成を示す構成図。
【図６】レーザー光検出器の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（第１実施形態）
以下、本実施形態の原子発振器１００を図面に基づいて詳しく説明する。以下、本実施形態では、ＣＰＴ方式の原子発振器１００について説明する。
図１は、原子発振器１００の構成を示す構成図である。
図１において、原子発振器１００は、励起光源としてのレーザー光源１０と、光路加工手段２０と、原子セル３０と、光量減少手段としての光アイソレーター４０と、集光手段５０と、光検出器としてのレーザー光検出器６０とを備えている。これらは、この順番に光軸Ｘ上に配置されている。
【００１４】
原子発振器１００では、レーザー光検出器６０で検出される原子セル３０からの射出光としてのレーザー光１１の強度分布が一定になるように、図示しない水晶振動子等から構成される基準発振源の基準周波数を制御している。
【００１５】
レーザー光源１０としては、半導体レーザー、垂直共振器面発光レーザー（Vertical  Cavity  Surface  Emitting  LASER）等を用いることができる。これらのレーザー光源１０から射出される励起光としてのレーザー光１２は、駆動電流で波長を制御することができる。
基準発振源は、例えば１０ＭＨｚの発振を行っている。この発振は、逓倍回路によって例えば９２０倍され、図示しないレーザー変調手段によってこの高周波成分を直流バイアスに重畳し、レーザー光源１０に送られる。レーザー光源１０からは、周波数ν１のカップリング光と周波数ν２のプローブ光とが射出される。
ここで、２つの周波数の光は、両方ともに右偏光であるか、あるいは左偏光で揃っている。
【００１６】
レーザー光源１０から射出されたレーザー光１２は、光路加工手段２０に入射して加工された後、原子セル３０に入射する。
【００１７】
原子セル３０は、レーザー光１２を透過する容器で構成され、アルカリ金属元素３１のガスが封入されている。容器としては、例えばガラスなどの光透過性を有する材料からなる。
アルカリ金属元素３１としては、Ｒｂ，Ｃｓ等を用いることができる。アルカリ金属元素３１は蒸気になりやすく、原子セル３０を、Ｃｓでは３０℃程度、Ｒｂでは４０℃程度に暖めることによって、ガス化させることができる。また、原子セル３０は、アルカリ金属元素３１のドップラー運動や原子セル３０の壁との衝突の影響を少なくするために、緩衝気体として、Ａｒ，Ｎ2等を含んでいてもよい。
【００１８】
光路加工手段２０は、レーザー光源１０から射出したレーザー光１２を所望の軸径の平行光に整形する。整形には、コリーメートレンズを用いることができる。
ここで、所望の軸径とは、レーザー光１２が原子セル３０に入射してアルカリ金属元素３１と相互作用する際に、原子セル３０の壁と衝突したアルカリ金属元素３１の影響が少なくなるような、壁から離れた領域を透過する径であって、アルカリ金属元素３１の共鳴信号のＳＮ比が向上するようにできるだけ大きいレーザー光の径をいう。
【００１９】
また、光路加工手段２０において、原子セル３０中で色々な方向に飛び交っているアルカリ金属元素３１との相互作用効果を高めるために、λ／４波長板を用いてレーザー光１２を円偏光に加工してもよい。
さらに、アルカリ金属元素３１の共鳴信号のＳＮ比や全半値幅にも光量依存性があるため、ＮＤフィルター、１／２波長板と偏光フィルターとを組み合わせたもの等で原子セル３０への入射光量を調整してもよい。
【００２０】
原子セル３０を射出したレーザー光１１は、光アイソレーター４０を経て、集光手段５０に入射し、次にレーザー光検出器６０に入射する。
光アイソレーター４０は、レーザー光１１でレーザー光検出器６０の反射面６１で反射される反射光１３のうち、原子セル３０に入射する再入射反射光１４の光量を、反射光１３の光量より減少させる。
光アイソレーター４０としては、磁性ガーネットの結晶と二枚の偏光子を備えた、よく知られたものを用いることができる。
【００２１】
レーザー光検出器６０は、原子セル３０に入射したレーザー光１２と原子セル３０に封入されたアルカリ金属元素３１との相互作用の後に原子セル３０から射出されるレーザー光１１を検出し、電気信号７０を出力する。レーザー光検出器６０としては、フォトダイオード、太陽電池等を用いることができる。
【００２２】
レーザー光検出器６０における反射面６１を説明するために、図２に、レーザー光検出器６０の概略断面図を示した。
図２において、例えばレーザー光検出器６０は、容器６２と容器６２に納められた光検出部としてのレーザー光検出部６５を備えている。また、容器６２は、レーザー光を透過する窓６３を備えている。レーザー光は窓６３を透過してレーザー光検出部６５に達する。
【００２３】
反射面６１としては、窓６３の表面、レーザー光検出部６５の表面等が考えられ、それぞれで反射光１３が生じる。一般に、レーザー光検出部６５の表面による反射の大きさが、窓６３の表面の反射の大きさより大きいと考えられる。
ここで、レーザー光検出部６５は、容器６２に収められてなくてもよい。この場合、反射光１３は、レーザー光検出部６５の表面による反射が大部分を占める。
【００２４】
以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）レーザー光検出器６０の反射面６１で反射される反射光１３のうち、原子セル３０に入射する再入射反射光１４の光量を減少でき、再入射反射光１４により励起されるアルカリ金属元素３１の数を少なくでき、レーザー光源１０から射出されたレーザー光１２により励起されるアルカリ金属元素３１の数が減少しない。したがって、有効な共鳴信号が多く得られ、共鳴信号のＳＮ比の低下や共鳴コントラストの低下が抑えられ、短期安定性に優れた原子発振器１００を得ることができる。
また、レーザー光源１０に再入射する再入射反射光も減少し、レーザー光源１０の発振異常を抑えることができる。
【００２５】
（２）光アイソレーター４０を用いることにより、必要なスペースを大きくとることなく反射光１３が遮断できる。したがって、短期安定性に優れた小型の原子発振器１００を得ることができる。
【００２６】
（第２実施形態）
図３（ａ）および（ｂ）に、本実施形態における原子発振器２００の構成を示す構成図を示した。
図３（ａ）は、レーザー光源１０からレーザー光検出器６０に向かう順方向のレーザー光の挙動を示し、図３（ｂ）は、レーザー光検出器６０からレーザー光源１０に向かう逆方向のレーザー光の挙動を示している。第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付した。
【００２７】
原子発振器２００は、第１実施形態における原子発振器１００の光アイソレーターとして位相偏光プリズム４１とλ／４波長板４２とを備えている。
位相偏光プリズム４１は、原子セル３０と集光手段５０との間で、そのコート面４１１と光軸Ｘとのなす角度が４５°となるように配置されている。λ／４波長板４２は、位相偏光プリズム４１と集光手段５０との間に配置されている。その他の構成は、第１実施形態と同様であり、同じ符号を付した。
【００２８】
図３（ａ）において、第１実施形態と同様に、レーザー光源１０を射出したレーザー光１２は、光路加工手段２０によって平行光に整形され、円偏光に加工される。レーザー光１２は、原子セル３０に入射してアルカリ金属元素３１と相互作用した後、レーザー光１１として射出され、位相偏光プリズム４１に入射する。
レーザー光１１は、位相偏光プリズム４１のコート面４１１でＰ偏光成分１１１とＳ偏光成分１１２とに分かれる。この場合、Ｐ偏光成分１１１のみが直進し、Ｓ偏光成分１１２はコート面４１１で反射する。直進したＰ偏光成分１１１は、λ／４波長板４２を通過することにより円偏光となり、レーザー光検出器６０で検出される。
【００２９】
図３（ｂ）において、レーザー光検出器６０の反射面６１で反射したレーザー光１３１は、円偏光のまま再びλ／４波長板４２を通過し、Ｓ偏光のレーザー光１３２となり、位相偏光プリズム４１に入射する。Ｓ偏光のレーザー光１３２は、光軸Ｘに直角な方向にコート面４１１で反射され、位相偏光プリズム４１で透過が制限される。
【００３０】
以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（３）位相偏光プリズム４１とλ／４波長板４２とを組み合わせることで光アイソレーターを構成しているので、短期安定性に優れ、コストが抑えられた原子発振器２００を得ることができる。
【００３１】
（第３実施形態）
図４に、本実施形態における原子発振器３００の構成を示す構成図を示した。
図４（ａ）は、レーザー光源１０からレーザー光検出器６０に向かう順方向のレーザー光の挙動を示し、図４（ｂ）は、レーザー光検出器６０からレーザー光源１０に向かう逆方向のレーザー光の挙動を示している。
原子発振器３００は、原子発振器１００の光アイソレーターとして偏光子４３とλ／４波長板４２とを備えている。λ／４波長板４２の結晶軸は、偏光子４３の透過軸と方位角４５°だけずらして配置されている。その他の構成は、第２実施形態と同様であり、同じ符号を付した。
【００３２】
図４（ａ）において、第１実施形態と同様に、レーザー光源１０を射出したレーザー光１２は、光路加工手段２０によって平行光に整形され、円偏光に加工される。レーザー光１２は、原子セル３０に入射してアルカリ金属元素３１と相互作用した後、レーザー光１１として射出され、偏光子４３に入射する。
レーザー光１１は、偏光子４３で直線偏光のＰ偏光成分１１３となり、さらにλ／４波長板４２を通過することにより円偏光となり、レーザー光検出器６０で検出される。
【００３３】
図４（ｂ）において、レーザー光検出器６０の反射面６１で反射したレーザー光１３３は、円偏光のまま再びλ／４波長板４２に入射し、振動面が偏光子４３の透過軸と９０°ずれた直線偏光の反射光１３４となり、偏光子４３に入射する。直線偏光の反射光１３４は偏光子４３で透過が制限される。
【００３４】
以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（４）偏光子４３とλ／４波長板４２とを組み合わせることで光アイソレーターを構成しているので、短期安定性に優れ、コストが抑えられた原子発振器３００を得ることができる。
【００３５】
（第４実施形態）
図５に、本実施形態における原子発振器４００の構成を示す構成図を示した。
本実施形態は、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態とは異なり、光量減少手段としての光アイソレーターを備えていない。その他の構成は、第１実施形態、第２実施形態および第３実施形態と同様であり、同じ符号を付した。
【００３６】
図５において、レーザー光検出器６０は、その反射面６１が光軸Ｘに対して傾くように配置されている。光軸Ｘに対して傾くように配置するとは、光軸Ｘと反射面６１とのなす角度を９０°あるいは０°以外に配置することをいう。
【００３７】
図６（ａ）および（ｂ）に、本実施形態におけるレーザー光検出器６０の概略断面図を示した。これらは、本実施形態におけるレーザー光検出器６０の反射面６１を傾ける一例であり、これらの例に限られるものではない。
図６（ａ）において、レーザー光検出器６０全体は、光軸Ｘに対して傾くように配置されている。
この例では、反射面６１としての窓６３の表面およびレーザー光検出部６５の表面が光軸Ｘに対して傾く。
図６（ｂ）において、反射面６１としてのレーザー光検出部６５のみが、光軸Ｘに対して傾くように配置されている。
【００３８】
光軸Ｘと反射面６１とのなす角度が大きいほど、反射光１３４は、原子セル３０とは大きく異なる方向へ反射され、原子セル３０に入射する再入射反射光１４１は減少する。
【００３９】
以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（５）レーザー光検出器６０の反射面６１を傾けるだけで原子セル３０への再入射反射光１４１の光量が減少する。したがって、短期安定性に優れ、構成部品が少なくコストが抑えられた原子発振器４００を簡便に得ることができる。
また、反射面６１としてのレーザー光検出部６５の表面での反射が大きい場合、レーザー光検出部６５を傾けるだけでも前述の効果が得られる。
【００４０】
以上、原子発振器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において、様々な形態で実施し得ることができる。
例えば、光量減少手段は、反射面に形成された反射防止膜であってもよし、実施形態で説明した光量減少手段と反射面に形成された反射防止膜とを併用してもよい。
【００４１】
また、小型化の進むＣＰＴ方式においては、高いＳＮ比が求められ前述の効果はよりあるが、二重共鳴方式においても、実施形態の適用は可能で、同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００４２】
１０…励起光源としてのレーザー光源、１１…射出光としてのレーザー光、１２…励起光としてのレーザー光、１３，１３１，１３２，１３３，１３４…反射光としてのレーザー光、１４，１４１…再入射反射光、３０…原子セル、３１…アルカリ金属元素、４０…光量減少手段としての光アイソレーター、４１…光アイソレーターとしての位相偏光プリズム、４２…光アイソレーターとしてのλ／４波長板、４３…光アイソレーターとしての偏光子、６０…光検出器としてのレーザー光検出器、６１…反射面、６５…光検出部としてのレーザー光検出部、１００，２００，３００，４００…原子発振器。
【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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