(57)【要約】【課題】専用の電源を不要として、小型化と省エネを実現した原子発振器を提供する。【解決手段】本実施形態に係る原子発振器１００は、アルカリ金属原子（Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ）が封入された原子セル３と、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるための共鳴光２を照射する半導体レーザー（光源）１と、原子セル３を透過した透過光（共鳴光対）４を検出する光検出手段５と、アルカリ金属原子が発する蛍光６の強度に応じた電力を発電する太陽電池（発電手段）７と、太陽電池７から供給された電力によってアルカリ金属原子に与える磁場を発生するコイル（磁場発生手段）８と、光検出手段５で検知した信号を同期制御する制御手段９と、を備えて構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子が封入された原子セルと、
前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるための共鳴光を照射する光源と、
前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光、或いは前記アルカリ金属原子が発する蛍光を検出して、前記共鳴光の強度或いは前記蛍光の強度に応じた電力を発電する発電手段と、
前記発電手段から供給された電力によって前記アルカリ金属原子に与える磁場を発生する磁場発生手段と、を備えたことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記発電手段が少なくとも前記原子セルの光軸方向と平行な面を取り囲むように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記発電手段は、前記共鳴光の入射側と出射側に夫々開口部を備えた構成としたことを特徴とする請求項１または２のいずれか一項に記載の原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関し、特に、原子セルが受ける外来磁場からの影響を低減した原子発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘起透過方式（ＥＩＴ方式、ＣＰＴ方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、アルカリ金属原子に波長の異なる二つの共鳴光を同時に照射することにより、二つの共鳴光の吸収が停止する電磁誘起透過現象（ＥＩＴ或いはＣＰＴ現象）を利用した発振器である。電磁誘起透過現象を発現する際に、アルカリ金属原子に吸収されたレーザー光によりアルカリ金属原子が蛍光を発することが知られている。原子発振器を安定させるＥＩＴ信号の観測方法は２通りある。即ち、電磁誘起透過現象により透過したレーザー光を直接観測する方法と、アルカリ金属原子から発光された蛍光を観測する方法である。さらに、ＥＩＴ信号はアルカリ金属原子の遷移により、磁場の影響が大きい信号と小さい信号がある。そこで、アルカリ金属原子に磁場をかけ、最も磁場の影響が少ない信号を取り出さなければいけない。その結果、磁場を発生するコイルに電流を流すための電力が生じ、原子発振器の小型化と省エネの障壁となっている。
従来技術として特許文献１には、アルカリ金属原子から発生された蛍光を検出して、電磁誘起透過現象を得る原子発振器について開示されている。この従来技術においても、外来磁場の影響を少なくするために、弱磁場を原子セルに供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＵＳ６３２０４７２Ｂ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、原子セルに強制的に磁場を供給するための電源が必要となり、装置の小型化、省エネを実現し難い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、アルカリ金属原子から発光した蛍光、又はアルカリ金属原子を透過した光を光電素子で受光して電力を発電し、当該電力を外来磁場の影響を少なくするための磁場を発生するエネルギーとして利用することにより、専用の電源を不要として小型化と省エネ化を実現した原子発振器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］アルカリ金属原子が封入された原子セルと、前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるための共鳴光を照射する光源と、前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光、或いは前記アルカリ金属原子が発する蛍光を検出して、前記共鳴光の強度或いは前記蛍光の強度に応じた電力を発電する発電手段と、前記発電手段から供給された電力によって前記アルカリ金属原子に与える磁場を発生する磁場発生手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
本発明の原子発振器においては、外来磁場の影響が少ない信号を取り出すために、所定量の磁場を原子セルに供給する。そのとき、本発明では、磁場を発生するための電源として、原子セルから発生する蛍光、或いはアルカリ金属原子を透過した共鳴光を発電手段により光電変換して電力を得ている。これにより、磁場を発生するための電力及び回路部が削減され、原子発振器の小型化、省エネに貢献することができる。
【０００８】
［適用例２］前記発電手段が少なくとも前記原子セルの光軸方向と平行な面を取り囲むように設けられていることを特徴とする。
【０００９】
原子セルから発光する蛍光は、原子セルの全ての面から発光するが、原子セルの側面から発光する蛍光が最も多いので、少なくとも原子セルの側面を囲むように発電手段を設ける。これにより、原子セルから発光する蛍光を効率よく受光することができる。
【００１０】
［適用例３］前記発電手段は、前記共鳴光の入射側と出射側に夫々開口部を備えた構成としたことを特徴とする。
【００１１】
原子セルの入射側と出射側は共鳴光が通過するため、障害となるものを配置できない。しかし、これらの部分からも蛍光が発光するため、その部分にも発電手段を配置することにより受光効率が高くなる。そこで本発明では、原子セルの入射側と出射側に相当する部分の発電手段に開口部を備え、共鳴光の通過を阻害することなく、発電効率を高めるものである。これにより、蛍光の受光効率を更に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。
【図３】ＥＩＴ方式の原理を説明する図である。
【図４】（ａ）は、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させたときの透過光強度と共鳴光対の周波数差の関係をグラフにした図であり、（ｂ）はアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させたときの蛍光強度と共鳴光対の周波数差の関係をグラフにした図である。
【図５】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る原子セルと太陽電池の配置を示す側断面図、（ｂ）は原子セルの出射口から見た前面図である。
【図６】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る原子セルと光検出手段の配置を示す側断面図、（ｂ）は原子セルの出射口から見た前面図である。
【図７】太陽電池により得られる電流量について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
図１は本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る原子発振器１００は、アルカリ金属原子（Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ等）が封入された原子セル３と、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるための共鳴光２を照射する半導体レーザー（光源）１と、原子セル３を透過した透過光（共鳴光対）４を検出する光検出手段５と、アルカリ金属原子が発する蛍光６の強度に応じた電力を発電する太陽電池（発電手段）７と、太陽電池７から供給された電力によってアルカリ金属原子に与える磁場を発生するコイル（磁場発生手段）８と、光検出手段５で検知した信号に基づいて原子発振器１００を同期制御する制御手段９と、を備えて構成されている。
【００１５】
原子セル３内のアルカリ金属原子のうち、電磁誘起透過現象（ＣＰＴ、ＥＩＴ）を発現しないアルカリ金属原子が相当数存在する。それらの気体状のアルカリ金属原子は、様々な速度分布を持って存在している。その中で、速度がゼロのごく一部のアルカリ金属原子は、電磁誘起透過現象を発現するが、速度の速い相当数の原子はドップラー効果により共鳴光対の波長が見かけ上変化するため、電磁誘起透過現象を発現しない。この電磁誘起透過現象を発現しない相当数のアルカリ金属原子は、共鳴光対４の一方を吸収し励起状態に励起され、再びエネルギー的に安定な基底状態へと戻る。このとき励起状態のアルカリ金属原子が基底状態へと戻るときにエネルギーを放出して蛍光６を発光する（自然放出という）。当然、電磁誘起透過現象を発現したときも蛍光６を発する。
本実施形態では、原子セル３から発光した蛍光６を太陽電池７で受光して光電変換を行い、発電した電力を原子セル３に巻き回したコイル８（詳細は後述する）に給電することにより、原子セル３内のアルカリ金属原子に所定の磁場を供給することができる。
【００１６】
図２は本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。本実施形態に係る原子発振器１１０は、アルカリ金属原子（Ｎａ、Ｒｂ、Ｃｓ等）が封入された原子セル３と、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるための共鳴光２を照射する半導体レーザー（光源）１と、原子セル３を透過した透過光（共鳴光対）４の強度に応じた電力を発電する太陽電池（発電手段）７と、太陽電池７から供給された電力によってアルカリ金属原子に与える磁場を発生するコイル（磁場発生手段）８と、アルカリ金属原子が発する蛍光６を検出する光検出手段５と、光検出手段５で検知した信号に基づいて原子発振器１１０を同期制御する制御手段９と、を備えて構成されている。
図２が図１と異なる点は、電磁誘起透過現象を発現させるための光を蛍光６により行い、太陽電池７で発電する光を原子セル３を透過した透過光４により行なっている点である。この場合、発電のための光強度は、図１の蛍光に比べて非常に大きいため、同じ磁場の強度を得るためにコイル８の巻き数を少なくすることができる。
【００１７】
本実施形態では、原子セル３から透過した透過光４を太陽電池７で受光して光電変換を行い、発電した電力を原子セル３に巻き回したコイル８（詳細は後述する）に給電することにより、原子セル３に所定の磁場を供給することができる。
以上の説明のとおり、本実施形態の原子発振器１００、１１０は、外来磁場の影響が少ない信号を取り出すために、所定量の磁場を原子セル３に供給する。そのとき、本実施形態では、磁場を発生するための電源として、原子セル３から発生する蛍光６、或いはアルカリ金属原子を透過した透過光４を太陽電池７により光電変換して電力を得ている。これにより、磁場を発生するための電源を別に備える必要がなくなるので、原子発振器１００、１１０の小型化、及び省エネに貢献することができる。
【００１８】
尚、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるためには、周波数の異なる２つの共鳴光（周波数ω１、ω２）２をアルカリ金属原子に照射する必要がある。ＥＩＴ方式による原子発振器は、図３に示すように、第１基底準位３３と第２基底準位３４は準位のエネルギーが若干異なるため（ΔＥ１２）、共鳴光もそれぞれ第１共鳴光３１と第２共鳴光３２の波長ｆ１、ｆ２が若干異なる。同時に照射される第１共鳴光３１と第２共鳴光３２の周波数差ｆ１−ｆ２（波長の差：ω１−ω２）が正確に第１基底準位３３と第２基底準位３４のエネルギー差ΔＥ１２に一致すると、図３の系は２つの基底準位の重ね合わせ状態になり、励起準位３０への励起が停止する（ＥＩＴ現象と呼ぶ）。ＥＩＴはこの原理を利用して、第１共鳴光３１と第２共鳴光３２のどちらか，または両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収（つまり励起準位３０への転換）が停止する状態を検出、利用する方式である。
【００１９】
図４（ａ）は、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させたときの透過光強度と共鳴光対の周波数差の関係をグラフにした図であり、図４（ｂ）はアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させたときの蛍光強度と共鳴光対の周波数差の関係をグラフにした図である。図４（ａ）から明らかなとおり、共鳴光対の周波数差がゼロに近づくと、アルカリ原子により共鳴光が吸収されて透過光強度は急激に低下し、共鳴光対の周波数差がゼロになると、電磁誘起透過現象を発現して吸収が停止してＥＩＴ信号が発現する。また、図４（ｂ）では、逆に共鳴光対の周波数差がゼロに近づくと、原子セル３から蛍光６が発光して蛍光の強度は急激に上昇し、共鳴光対の周波数差がゼロになると、電磁誘起透過現象を発現して蛍光が停止（実際には完全に停止しない）してＥＩＴ信号が発現する。
このように、原子セル３からは、透過光４によるＥＩＴ信号（図４（ａ））と、蛍光６によるＥＩＴ信号（図４（ｂ））が発現するため、図１の第１の実施形態では、透過光４によるＥＩＴ信号で原子発振器を制御して、蛍光６を磁場を発生するための電力を発電する光に使用する。また、図２の第２の実施形態では、蛍光６によるＥＩＴ信号で原子発振器を制御して、透過光４を磁場を発生するための電力を発電する光に使用する。
【００２０】
図５（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る原子セルと太陽電池の配置を示す側断面図、図５（ｂ）は原子セルの出射口から見た前面図である。同じ構成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。本実施形態では、太陽電池７が原子セル３の全面を取り囲むように設けられている。そして、電源１から照射された共鳴光２を原子セル３に入射する入射口１０、及び原子セル３から透過した透過光４の出射口１１に夫々開口部１０ａ、１１ａを備えた。そして、太陽電池７の外周にコイル８を巻きまわし、太陽電池７とコイル８はワイヤ１２により電気的に接続されている。本実施形態では、光源１から照射された共鳴光２は開口部１０ａを通過して原子セル３の入射口１０から入射して、原子セル３の出射口１１ａから開口部１１を通過して光検出手段５により検出される。
【００２１】
原子セル３内では、共鳴光により光が吸収されて、そのときのエネルギーを放出することにより蛍光６が発光する（図４（ｂ））。蛍光６は、原子セル３の全面から放出され、周囲に設けた太陽電池７により受光されて蛍光強度に応じた電力が発電される。その電力は、コイル８に流れ、コイル８の巻数（Ｔ）と太陽電池７により発電された電力でコイル８に流れる電流（Ａ）の積ＡＴに比例した磁場が発生する（詳細は後述する）。尚、図では、太陽電池７と原子セル３を離して配置したが、太陽電池７を原子セル３に密着して配置しても構わない。
【００２２】
また、原子セル３から発光する蛍光６は、原子セル３の全ての面から発光する。しかし、原子セル３の側面から発光する蛍光６が最も多いので、少なくとも原子セル３の側面を囲むように太陽電池７を設ける。これにより、原子セル３から発光する蛍光６を効率よく受光することができる。
また、原子セル３の入射側と出射側は共鳴光２が通過するため、障害となるものを配置できない。しかし、これらの部分からも蛍光６が発光するため、その部分にも太陽電池７を配置することにより受光効率が高くなる。そこで本実施形態では、原子セル３の入射側と出射側に当たる太陽電池７（或いは受光手段５）に開口部１０ａ、１１ａを備え、共鳴光２の通過を阻害することなく、発電効率を高めるものである。これにより、蛍光６の受光効率を更に高めることができる。
【００２３】
図６（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る原子セルと光検出手段の配置を示す側断面図、図６（ｂ）は原子セルの出射口から見た前面図である。同じ構成要素には図２と同じ参照番号を付して説明する。
本実施形態では、光検出手段（例えば太陽電池等）５が原子セル３の全面を取り囲むように設けられている。そして、電源１から照射された共鳴光２を原子セル３に入射する入射口１０、及び原子セル３から透過した透過光４の出射口１１に夫々開口部１０ａ、１１ａを備えた。そして、光検出手段５の外周にコイル８を巻きまわし、透過光４の出射口１１に太陽電池７を配置し、太陽電池７とコイル８はワイヤ１２により電気的に接続されている。本実施形態では、光源１から照射された共鳴光２は開口部１０ａを通過して原子セル３の入射口１０から入射して、原子セル３の出射口１１ａから開口部１１を通過して太陽電池７により検出される。また、原子セル３内では、共鳴光により光が吸収されて、そのときのエネルギーを放出することにより蛍光６が発光する（図４（ｂ））。蛍光６は、原子セル３の全面から放出され、周囲に設けた光検出手段５によりＥＩＴ信号（図４（ｂ））が検出される。
【００２４】
従って、本実施形態では、光検出手段５の出力は制御手段９に接続される。また、太陽電池７により受光された共鳴光４により、その強度に応じた電力が発電されてコイル８に流れ、コイル８の巻数（Ｔ）と太陽電池７により発電された電力でコイル８に流れる電流（Ａ）の積ＡＴに比例した磁場が発生する（詳細は後述する）。尚、図では、光検出手段５と原子セル３を離して配置したが、光検出手段５を原子セル３に密着して配置しても構わない。
【００２５】
図７は太陽電池により得られる電流量について説明する図である。
まず、磁場の強さについて検討する。０．１Ｇａｕｓｓ程度の磁場をかける時、２．５ｕＡ程度の電流だと、コイルの巻き数が１万回ほど必要である。また、現在の観測系でＰＤで観測した信号ｖｓ光強度の関係は、５ｕＷ／Ｖである。現在のプロトタイプでの吸収スペクトルの深さは、図から１Ｖ程度なので、５ｕＷ程度の蛍光が発生している。
一般的なＰＤの受光感度は、０．５Ａ／Ｗなので、すべての蛍光をキャッチできたとして、０．５×５×１０−６＝２．５ｕＡ以上の電流が磁場発生へ貢献できる。
【符号の説明】
【００２６】
１  半導体レーザー、２  共鳴光、３  原子セル、４  透過光、５  光検出手段、６  蛍光、７  太陽電池、８  コイル、９  制御手段、１０  入射口、１１  出射口、１２  ワイヤ、３０  励起基準、３１  第１共鳴光、３２  第２共鳴光、３３  第１基底準位、３４  第２基底準位、１００、１１０  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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【図７】
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