(57)【要約】      （修正有）【課題】原子時計の寸法および消費電力を低減する。【解決手段】原子時計の物理パッケージ１０はブロック２０を有し、ブロック２０は光学ガラス、ガラスセラミック材料、または他の適当な材料から形成される。物理パッケージ１０は、真空チャンバキャビティとして機能する角度のついた複数の測定ボア２２，２４、および光通路を有する。物理パッケージ１０は、ブロック２０の外側の所定位置に真空気密シールを用いて固定される。この所定位置は、２つの光通路が交差する位置である。物理パッケージ１０は、光学的に澄んだ窓を有し、この窓は、ブロックの外側の測定ボア２２，２４の開口のところの所定位置に真空気密シールを用いて固定され、この位置は２つの光通路が交差する位置である。物理パッケージ１０はフィルチューブを有し、フィルチューブはブロック２０の外側で真空チャンバキャビティの端部のところで真空気密シールを用いて固定される。【選択図】図１
2010103483.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子時計（１００）のための物理パッケージ装置（１０）であって、
前記物理パッケージ（１０）はブロック（２０）を有し、
前記ブロック（２０）は、
互いに所定の角度で配置された、前記ブロックの外側の複数の面と、
前記ブロックの前記面のうちの１つから前記ブロックを通って前記ブロックの反対側の面まで延びる中心ボア（６０）と、
前記ブロックの前記面の１つから前記ブロックを通って前記中心ボアまで延びる、１つまたはそれ以上の計測ボア（２２、２４）と、
複数の光通路（３１−３５）と、を有し、前記光通路の各々は、前記ブロックの前記面の１つから、前記光通路が前記ブロックを通って延びる面の角度に対して所定の角度で、前記ブロックの他の面まで延び、前記光通路は、前記ブロックの前記面のうちの１つの面で、前記光通路の他の１つと交差し、
前記ブロックは光学的に澄んだ複数の窓（５１−５３）を有し、前記複数の窓のうちの１つは、真空気密シールを用いて、前記ブロックの前記面のうちの１つに、前記光通路の１つが他の前記光通路と交差する位置で固定され、前記複数の窓の残りは、前記計測ボアの外部開口に真空気密シールを用いて固定され、
前記ブロックは複数のミラー（４１−４５）を有し、前記複数のミラーの各々は、前記ブロックの前記面の１つに、前記光通路の１つが前記光通の他の１つと交差する他の位置のところで、真空気密シールを用いて固定され、
前記物理パッケージ装置は、前記ブロックの第１面に真空気密シールを用いて固定される、入口フィルチューブ（７１）と、
前記ブロックの第２面に真空気密シールを用いて固定される、出口フィルチューブ（７２）と、を有する、
物理パッケージ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記真空気密シールはフリットシールであり、
前記ブロックは、約５ｃｍ３より小さい容積を備え、
前記ミラーは誘電体多層膜を備える、装置。
【請求項３】
正確な周波数標準を形成するのに用いられる物理パッケージ（１０）を操作する方法であって、前記方法は、
前記物理パッケージに原子を貯蔵するステップ（４１０）を有し、前記物理パッケージは、
複数の面を備えるブロック（２０）を有し、前記ブロックは、
前記複数の面の１つから反対側の面まで延びる中心ボア（６０）と、
複数の光通路（３１−３５）と、を有し、前記光通路の各々は前記複数の面の１つから反対側の面まで延び、
前記物理パッケージは複数のミラー（４１−４５）を有し、前記ミラーの各々は、前記ブロックの前記面の１つに、前記複数の光通路の１つの端部のところで、真空気密シールを用いて固定され、
前記物理パッケージは、光学的に澄んだ複数の窓（５１−５３）を有し、前記窓の各々は、前記ブロックの前記面の１つに、複数のボアの１つのところで、真空気密シールを用いて固定され、
前記方法は、前記物理パッケージをほぼ真空になるように排気するステップ（４２０）と、
磁場と光源からの光ビームとを用いて磁気光学トラップを形成するステップ（４３０）とを有し、前記光は、光学的に澄んだ前記窓の１つを通って前記物理パッケージに入り、また、前記光は、前記複数の光通路を通って逆反射される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００９年８月１１日に出願された米国仮出願６１／０８７９４７号の優先権を主張するものであり、この出願の開示の全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本願は、同日に出願された「ＣＯＬＤ  ＡＴＯＭ  ＭＩＣＲＯ  ＰＲＩＭＡＲＹ  ＳＴＡＮＤＡＲＤ」との表題の米国特許出願に関連し、この開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
一次周波数標準器は、校正が必要なく、最小の時間ロスで長期間自律的に作動する原子時計である。このような原子時計の１つは、原子時計の非電子的な部分において、セシウム（Ｃｓ）またはルビジウム（Ｒｂ）のような、レーザー冷却されたアルカリ金属の膨張雲を用いる。原子時計の非電子的な部分はときどき物理パッケージと称される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
通常、これらの一次周波数標準器および対応する物理パッケージは大きく、そして多くの電力を消費する。一次周波数標準器およびその物理パッケージの寸法および消費電力を低減する進歩があったが、これらを軍事応用および民間応用の両方を達成するためのさらなる低減は困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
物理パッケージの実施形態は、冷却原子を貯蔵する小さなチャンバ装置を提供し、この原子が以下に説明するように一次周波数標準器として機能する。より具体的には、この小さなチャンバ装置は、原子センサ（加速度計を含む）に用いられる物理パッケージであり、特に原子時計に用いられる。物理パッケージは、光学ガラス、ガラスセラミック材料、またはいくつかの他の適当な材料を有するブロックの周りに形成される。このブロックの外側は、互いに所定の角度で位置する複数の面を備えるように形状付けられる。このブロックの形状は、角度の付いた複数のボアを備え、このボアはブロックを貫通して設けられ、ルビジウムのようなアルカリ金属のための真空チャンバキャビティ、レーザーのような光源からの光ビームの光路、計測ポート、として機能する。光学的に澄んだ窓、または金属または誘電体多層膜を備えるもののようなミラーは、ボア経路の上で、ブロックの外側に真空気密シールを用いて固定される。ニッケル−鉄合金のような適当な材料から形成されるフィルチューブが、真空チャンバキャビティの端部において、ブロックの外側に真空気密シールを用いて固定される。フィルチューブは様々な目的のために用いられ、ルビジウムを物理パッケージの真空チャンバ内に導入すること、適正なレベルの真空度を達成するために物理パッケージの内部を真空引きすること、などを含む。これらがなされた後、フィルチューブは真空気密シールを達成し、真空を維持するためにシールされる。
【０００５】
原子時計のための物理パッケージの一実施形態は、ブロックを有し、このブロックはブロックの外側に互いに所定の角度で位置決めされた複数の面を備え、ブロックは、ブロックの１つの面からブロックを貫通してブロックの反対側の面まで延びる中心ボアを有し、この中心ボアはフィルチューブで終端し、ブロックの１つの面からブロックを通って中心ボアまで延びる１つまたはそれ以上の測定ボア、および、ブロックの１つの面からブロックを通って、その面の角度に対して所定の角度で、ブロックの他の面まで延びる複数の光通路を有し、光通路の各々は、ブロックの内部で中心ボアの少なくとも一部のところで交差し、また、ブロックの１つの面において光通路の別の１つと交差し；物理パッケージは、光学的に澄んだ複数の窓を有し、この窓の１つは、ブロックの１つの面に所定位置において真空気密シールを用いて固定され、この位置は１つの光通路が他の光通路と交差する位置であり、残りの光通路は、測定ボアの外部開口の上で、真空気密シールを用いて固定され；物理パッケージは、複数のミラーを有し、このミラーの各々は、真空気密シールを用いて、ブロックの１つの面に、他の位置で、固定され、この他の位置は、１つの光通路が他の光通路と交差する位置であり；物理パッケージは、入口フィルチューブを有し、これは、真空気密シールを用いて、中心ボアの一方の端部の上で、ブロックの１つの面に固定され、また、外側フィルチューブを有し、これは、真空気密シールを用いて、真空チャンバキャビティの他の端部の上で、ブロックの反対側の面に固定される。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】原子時計の物理パッケージの一実施形態の概略的な透視図（ｘ線図）である。
【図２】原子時計の物理パッケージの一実施形態の外側斜視図である。
【図３】原子時計に組み込まれた物理パッケージの一実施形態の概略図である。
【図４】正確な周波数標準を形成するのに用いられる物理パッケージの操作方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
図面において、様々な図における同一の参照符号および指標は類似の素子を示している。
図１は、原子時計のための物理パッケージ１０の一実施形態の概略的なＸ線図（透視図）である。物理パッケージ１０は、ブロック２０；ブロック２０内に掘られた第１測定ボア２２および第２測定ボア２４；ブロック２０内に掘られた、光通路３０として一括して参照される複数の光通路を有し、光通路は、符号３１から３５でそれぞれ示される第１光通路から第５光通路を有する。物理パッケージ１０は、ミラー４０として一括して参照される複数のミラーを有し、ミラー４０は、ある光通路３０が交差する位置においてブロック２０の外側で固定され、ミラー４０は、それぞれ符号４１から４５で示される第１ミラーから第５ミラーを有する。物理パッケージ１０は、窓５０で一括して参照される光学的に澄んだ複数の窓５０を有し、窓５０は、ブロック２０の外側に、ある光通路３０が交差するところで固定された第１窓５１（第１窓５１は破線で示されており、これは第１窓５１が物理パッケージ１０の後ろ側にあることを示している）を有し、窓５０は、第１測定ボア２２の外部開口に固定された第２窓５２、および第２測定ボア２４の外部開口に固定された第３窓５３を有する。物理パッケージ１０は、ブロック２０に掘られた中心ボア６０を有する。物理パッケージ１０は、フィルチューブ７０を有し、フィルチューブ７０は、中心ボア６０の各端部のところでブロック２０に固定された入口フィルチューブ７１および出口フィルチューブ７２を含む。
【０００８】
複数の光通路３０は、角度の付いたボアとなるような幾何配置でブロック２０内に掘られ、原子時計において、レーザーのような単一の光源（図示せず）だけを用いればよいようにする。また、この配置は、複数のミラー４０が、光ビーム（図示せず）を単一の光源からブロック２０の光通路３０に向かわせることを許容する。ブロック２０の外側は、光通路３０の傾斜したボアの幾何配置を収容するように形状付けられる。フィルチューブ７０は、原子時計の動作に必要とされるアルカリ金属（セシウム、または他の適当なアルカリ金属）をシステムに導入するために用いることができ、また、真空を形成するためにブロック２０の内部を真空引きするために用いることができる。たとえば、フィルチューブ７０は、排気前にアルカリ金属カプセルまたは容器を配置するために用いることができる。これがなされた後、フィルチューブは、真空気密シールを達成するためにシールされ、様々な技術を用いて真空を維持する。たとえばこの技術はピンチおよび溶接を含む。チャンバは排気されてシールされた真空を生成し、その後、アルカリ金属は、真空下でカプセルを潰すことにより（または他の適当な技術により）チャンバ内に開放される。換言すれば、アルカリ金属は排気前にチャンバ内に導入されるが、アルカリ金属原子は、排気およびシールされるまでは開放されない。
【０００９】
また、フィルチューブ７０は、物理パッケージ１０の放電洗浄のためのプラズマを形成するための電極としても機能し、また、真空引きを増強し（つまりキャビティを真空引きする）、物理パッケージ１０のベーキング（つまり、排気を促進するためにブロック２０を加熱する）を行うことができる。図１に示される物理パッケージ１０の実施形態は、いくつかのガス（たとえば水素）の分圧を制限するために材料のゲッタリングを含む。
【００１０】
機能面として、図１に示す物理パッケージ１０は原子時計の中で以下のように動作する。垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, “VCSEL”）または他のタイプのレーザーのような単一の光源（図示せず）からの光ビームは、第１窓５１を通って物理パッケージ１０内に導かれ、第１光通路３１内に入る（光の順序を確認すること）。光ビームは、その後、中心ボア６０を通って第１光通路３１を進み、第４ミラー４４に到る。第４ミラー４４は光ビームを反射して、光ビームは、中心ボア６０を通って第２光通路３４を進み第３ミラー４３に到る。その後、第３ミラー４３は、光ビームを反射して、光ビームは中心ボア６０を通って第３光通路３３を進み第２ミラー４２に致る。次に、第２ミラー４２は光ビームを反射して、光ビームは中心ボア６０を通り第４光通路３２を進み、第１ミラー４１に到る。その後、光ビームは第１ミラー４１で反射されて、第１光通路３１を通る。光ビームは第５ミラー４５で反対方向に反射して経路を戻り、第１窓５１を通ってブロック２０を出る。この効果は、複数のミラー４０が光ビームを単一の光源からブロック２０の光通路３０を進ませ、互いに９０°の角度で交差する３つの反対に反射するビームを形成するということである。クロック信号は、第１測定ボア２２および第２測定ボア２４を通してフォトダイオード（図示せず）を用いて読まれる。フォトダイオードは、第２窓５２および第３窓５３の外側に位置し、これらの窓に取り付けられる。物理パッケージ１０の代替実施形態において、多数の測定ポートを用いてもよい。
【００１１】
物理パッケージ１０の部品を構成するのに様々な材料および方法を用いることができる。たとえば、ブロック２０を構成する適切な材料は、ＭＡＣＯＲ（登録商標）のようなガラスセラミック材料、およびＢＫ−７またはＺｅｒｏｄｕｒ（登録商標）のような光学ガラスを含む。一般に、ブロックを構成するのに用いられる材料は、以下の性質を備えるべきである。すなわち、真空気密であり、水素またはヘリウムに対して非透過性であり、中心ボア６０内に導入される材料（たとえばルビジウム）と反応しない、という性質を備えるべきである。ブロック２０の他の性質は、不活性ガス（たとえばアルゴン）に対する低い透過性を備え、ブロック２０の外側面にミラー４０を接続するためのフリット接合に適合的であることを含み、また、ブロック２０は高温（たとえば２００℃以上）でベーキング可能であることを含む。ブロック２０は様々な方法で製造することができる。物理パッケージの一実施形態において、ここで物理パッケージはガラスセラミック材料から形成され、材料の固体を所望の寸法に切断し、所望の光通路３０の幾何配置に適合するように成形する。その後、寸法付けられ且つ形状付けられたブロック２０内に、光通路３０および中心ボア６０が掘られる。生成されるブロック２０の容積は、約１ｃｍ３から約５ｃｍ３の範囲とすることができる。ブロック２０の光通路３０の直径は、ブロック２０の容積に依存し、１ｃｍ３程度の寸法を許容することができる。また、ブロック２０の中心ボア６０の直径もブロック２０の容積に依存する。
【００１２】
ブロック２０の形成に続いて、物理パッケージ１０の他の部品をブロック２０に取り付けることにより物理パッケージ１０の形成が完成する。一般に、複数のミラー４０、複数の光学的に澄んだ窓５０、およびフィルチューブ７０を、能動的な真空引きを必要とせずに、物理パッケージ１０内の真空を維持するシールをもたらすことができる材料および技術を用いて、ブロック２０に取り付けなければならない。約１０−７ｔｏｒｒからと１０−８ｔｏｒｒの真空圧力が許容される。物理パッケージ１０の一実施形態において、複数のミラー４０は、真空気密シールを形成する様々な技術を用いて、ブロック２０の外側の、いくつかの光通路３０が交差する位置に固定される。様々なタイプのミラーを物理パッケージに用いることができ、たとえば、高反射率であり、単一層または多層金属または誘電体多層膜を備える光学的に滑らかなミラーを含む。ミラー４０は、平面ミラーまたは必要に応じて光ビームを僅かに集束させる湾曲ミラーとすることができる。ミラー４０の寸法はブロック２０の容積に依存するであろう。複数の光学的に澄んだ窓５０は、真空気密シールを形成するためのフリットシーリングのような様々な知られた技術を用いて、第１測定ボア２２および第２測定ボアの外部開口に固定される。光学的に澄んだ窓５０を構成する適当な材料は、たとえば反射防止膜を備えるＢＫ−７ガラスを含む。窓５０の寸法はブロック２０の容積に依存するであろう。物理パッケージの代替実施形態において、ミラー４０または光学的に澄んだ窓５０あるいはその両者は、ブロック２０の内部に真空気密な手法で配置される。フィルチューブ７１、７２は、たとえばフリットシーリングのような、またはスウェージロックまたはＯリングを用いる、真空気密シールを形成する様々な技術を用いて、ブロック２０の中心ボア６０に固定される。入口フィルチューブ７１および出口フィルチューブ７２のための適切な材料は、たとえば、ニッケル、鉄、アルミニウム、およびＩＮＶＡＲ（商標）のようなニッケル−鉄合金を含む。入口フィルチューブ７１および出口フィルチューブ７２は、約１ｍｍから約５ｍｍの範囲の直径とすることができる。
【００１３】
図２は原子時計のための物理パッケージ１０の一実施形態の外側斜視図である。図２および上述の説明から、物理パッケージ１０はブロック２０、複数の光通路３０、入口フィルチューブ７１および出口フィルチューブ７２を含む。ブロック２０は、ブロックの外側に、互いに所定角度で複数の面２２を含むように成形される。この形状は、光通路３０のための傾斜したボアの幾何配置に適合的である。
【００１４】
図３は、センサ装置１００に統合された物理パッケージの一実施形態の概略図である。センサ装置１００は、物理パッケージ１１０を有する原子センサ（たとえば加速度計または原子時計）である。図３に示される実施形態において、センサ装置１００は原子時計である。物理パッケージ１１０は、ルビジウム（たとえばＲｂ−８７）またはセシウムのようなアルカリ金属原子１３０を受動真空下（ゲッタリング剤を備えても備えなくてもよい）に保持する真空チャンバキャビティ１２０を有する。また、物理パッケージ１１０は、光ビーム１６０を単一のレーザー光源１７０から物理パッケージ１１０に導く、光通路１４０およびミラー１５０の配置を有し、また、少なくとも１つの光検出ポート１８０（図示の実施形態では２つ示されている）を有する。
【００１５】
また、原子時計１００は、半導体レーザーである単一のレーザー光源１７０を備えるミクロ光学ベンチ１９０を有し、レーザーは、たとえば垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, “VCSEL”）、分布帰還型レーザー（distributed feedback laser）、または端面発光レーザー（edge emitting laser）である。原子時計１００はさらに、ルビジウム（Ｒｂ−８７）またはセシウムのようなアルカリ金属を含むミクロ形成蒸気セル１９２を有し、また、光ビーム１６０を蒸気セル１９２および物理パッケージ１１０に分配するためのビームスプリッタ１９４を有する。原子時計１００はさらに、磁場を生成するための、ヘルムホルツコイルおよび反ヘルムホルツコイルのような複数の磁場コイル２００を有する。
【００１６】
また、図３に示す原子時計１００は制御電子機器２１０を有する。光通路１４０およびミラー１５０の配置は、光ビーム１６０を単一のレーザー光源１７０から物理パッケージ１１０を通るように導き、互いに９０°で交差する３つの逆反射光学ビームを真空チャンバキャビティ１２０内で形成する。光学ビームおよび磁場コイル２００により生成される磁場は、バックグラウンドの蒸気からアルカリ金属原子１３０（たとえばＲｂ−８７原子）を、遅くさせ、冷却し、およびトラップするために、また、Ｒｂ−８７原子をＭＯＴ内にトラップするために、組み合わせて用いられる（光学ビームの交差点の中心のところで約一千万の原子が約２０μＫで存在する）。折り畳まれた逆反射ビーム経路は、単一の光源１７０を効率的に使用する。ミラー１５０（たとえば誘電体ミラー）および、回折光学系は、光学ビームを操作し、また、光学ビームの偏光を制御するためにそれぞれ用いられ、一方で、散乱光および寸法を最小化する。アルカリ金属を含む蒸気セル１９２は、単一のレーザー光源１７０からの光ビーム１６０の周波数を、アルカリ金属の所定の原子遷移に安定化させるために用いられる。
【００１７】
また、原子時計１００の実施形態は、ローカルオシレータ（Local Oscillator, “LO”）（図示せず）、アンテナ（図示せず）、および光検出器（図示せず）を有する。１つの光検出器が図３の光検出ポート１８０の各々に用いられる。ＬＯは、アルカリ金属の所定の原子遷移に対応するマイクロ波信号を発生させるために用いられる。アンテナは、マイクロ波信号をＬＯから物理パッケージのアルカリ金属原子１３０に伝達するために用いられる。光検出器は、アルカリ金属原子１３０（たとえばＲｂ−８７原子）の発光を検出するために用いられる。
【００１８】
図４は、正確な周波数標準を形成するために用いられる物理パッケージの操作方法の一実施形態を示すフローチャートである。方法４００は、物理パッケージ内に原子を貯蔵するステップを有する（ブロック４１０）。また、方法４００は、物理パッケージをほぼ真空にするように排気するステップを有する（ブロック４２０）。真空度の実施形態は、約１×１０−８ｔｏｒｒ以下の圧力である。物理パッケージを操作するいくつかの実施形態においては、物理パッケージ内に原子を貯蔵するステップ（ブロック４１０）、およびほぼ真空に物理パッケージを排気するステップ（ブロック４２０）は、一度だけ行われる。
【００１９】
方法４００はさらに、磁場および光源からの光ビームを用いて磁気光学トラップを形成するステップ（ブロック４３０）を有し、ここで光は、１つの光学的に澄んだ窓を通して物理パッケージに入り、複数の光通路を通って逆反射される。正確な周波数標準を形成するのに用いられる物理パッケージを操作する方法４００の実施形態は、さらに、磁場および磁気光学トラップを消滅させ、原子が高エネルギー状態から低エネルギー状態に遷移することを許容するために小さなバイアス磁場を与えるステップ（ブロック４４０）を有する。ローカルオシレータにより生成され、また、原子の周波数分割を検出するためにアンテナにより原子に結合されるマイクロ波信号を用いて、タイムドメインＲａｍｓｅｙ分光またはＲａｂｉ分光が行われる（ブロック４５０）。方法４００はさらに、光検出器で原子の発光を測定するステップ（ブロック４６０）を有し、高いグラウンド状態のエネルギーレベルにおける原子の割合を決定し、ローカルオシレータにより生成されたマイクロ波信号の周波数を、高エネルギー状態の原子の数を最大化する周波数に対して安定させる（ブロック４７０）。ＬＯ周波数は、２つのグラウンド超微細レベルの間のエネルギー差に対応する。方法４００のいくつかの実施形態において、いくつかのブロックは繰り返され、クロック信号を維持し、ＬＯを原子共鳴にロックする。たとえば、ブロック４３０からブロック４７０は、物理パッケージの操作の間、ループするようにすることができる。
【００２０】
物理パッケージの設計は、原子時計において、（６つの別々のビームまたは３組の逆反射するビームまたはいくつかの組み合わせの代わりに）たった１つの光／レーザービームの使用を可能にする。ミラーの位置および傾斜するボアは、単一の光／レーザービームが、互いに９０°で交差する３つの逆反射するビームを形成するように、物理パッケージの周りのミラーにより光路形成することを許容する。クロック信号はフォトダイオードを用いて読み、フォトダイオードは光学的に澄んだ窓の外側に取り付けられる。
【００２１】
以上の物理パッケージの設計は、現存する原子時計と比べて多くの明瞭な利点を備える原子時計の製造を可能にする。このように利点は、寸法および消費電力の低減、能動的な真空引きをせずに超高真空を維持する能力、高真空製造との適合性などを含む。
【００２２】
以上のように本発明の実施形態が図示および説明されたが、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく多くの変更が可能である。ある１つの実施形態に関して説明された特徴は、他の実施形態の特徴に組み合わせることができ、または置換することができる。従って、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示に限定されない。本発明は添付の特許請求の範囲により決定される。
【図１】
2010103483.tif 000003
【図２】
2010103483.tif 000004
【図３】
2010103483.tif 000005
【図４】
2010103483.tif 000006
【外国語明細書】
2010103483000001.pdf