(57)【要約】【課題】量子干渉効果（ＣＰＴ）現象を強く得られるようにし、高い信号／雑音比を確保した原子発振器を提供する。【解決手段】原子発振器１０は、コヒーレント光源１４（発光素子）と、このコヒーレント光源１４から出力される共鳴光を透過するガスセル２０と、ガスセル２０を透過した光を検出する光検出器１６（受光素子）と、を備えている。そしてガスセル２０は、共鳴光の透過方向に対して交差する方向に沿った仕切り部２２を有し、この内部を複数の部屋２４に分割した構成である。この仕切り部２２は、ガスセル２０の内部に複数設けることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子と、前記発光素子から出力される共鳴光を透過するガスセルと、前記ガスセルを透過した光を検出する受光素子と、を備え、
前記ガスセルは、共鳴光の透過方向に対して仕切り部を有し、この内部を複数の部屋に分割した、
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記ガスセルの内部に設けた部屋は、前記仕切り部に設けた開口部によってつながっ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】
前記開口部は、前記仕切り部における共鳴光が通過する部分に設けたことを特徴とする請求項２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記ガスセルの内部に設けた部屋は、共鳴光の入射側が出射側に比べて幅が狭くなっ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５】
前記仕切り部を複数設けたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか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、原子発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器は、半導体レーザやガスセル、光検出器等を備えている。そして特許文献１に記載されたＣＰＴを利用した原子発振器の物理セル構造は、半導体レーザ、ガスセルおよび光検出器を一体的に縦積みした構造である。半導体レーザは、波長の異なる２種類の光（カップリング光とプローブ光）を生成し、ガスセルへ出力するようになっている。このガスセルの中には、ルビジウム原子やセシウム原子といったアルカリ金属原子（量子吸収体）を封入している。そしてガスセル中の量子吸収体は前記光を吸収し、２種類の光の周波数差に応じて吸収特性が変化することになる。なおカップリング光とプローブ光の周波数差がある特定な値のときに、２種類の光をいずれも吸収せず透過する現象が知られている（電磁誘導透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象）。
【０００３】
また原子発振器に使用するガスセルを励起光の光軸方向に対して薄型化することが提案されている。そして特許文献２に記載された原子発振取得装置では、通常よりも薄くしたガスセルを用いている。具体的には、このガスセルは筒状、特に円筒状のものが好ましく、且つ、筒側面の長さが０．１ｍｍ〜５ｍｍであることが好ましく、１ｍｍ〜２ｍｍであればより好ましいとされている。
【０００４】
また特許文献３に記載されたルビジウム原子発振器では、光ポンピング光源と光検出器との間に金属ケースを配設し、この金属ケース内に複数のガスセルおよび誘電体共振器を組み合わせて配設している。
【０００５】
また特許文献４に記載されたルビジウム原子発振器では、２つの球を連通させた形状（まゆ形）のルビジウムガスセルをキャビティの内部に配設している。そしてキャビティとルビジウムガスセルとの間に受光素子を配設するとともに、チューニング用の突出棒がキャビティの壁面を貫通しつつ、ルビジウムガスセルを避けるようにして配設してある。
【特許文献１】米国特許第６８０６７８４号
【特許文献２】特許第３７５５００１号公報（５頁）
【特許文献３】特開平６−２４４７２２号公報（３頁、図４（Ａ））
【特許文献４】特開平５−１９０９３４号公報（２頁右欄、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述したようにガスセルを薄型化することで、励起光に対するセル内の原子の熱運動のドップラー効果を抑えることができるため、検出する吸収線の高Ｑ化が図れる。しかしながら、セルを薄型にしたことで、ＣＰＴとしての強度が弱くなり、検出後のＳ／Ｎ（信号／雑音）が小さくなる問題があった。
【０００７】
また特許文献３に記載された発明のガスセルは個別になっているので、光ポンピング光源と光検出器との間にガスセルを複数配設すると、光ポンピング光源から出た光の透過ガラス枚数は“ガスセル数×２枚”となる。このためガスセルの配設する数が多くなると、光の減衰量が大きくなってしまう。またガスセルには、その内部の圧力と外部の圧力との差による気圧差が生じるので、この気圧差に耐え得るガラスの厚さが必要になる。また各ガスセル内のバッファガス圧が製造上ばらつくことを避けられないので、それぞれのガス
セルがある温度において同じ原子共鳴（ＥＩＴ現象）の中心周波数を持つ事ができない。そのためＥＩＴ特性の得られる中心周波数が各々のガスセル間でずれてしまい、複数のガスセル全体としてのＥＩＴの凸型特性がブロードになるため、最終的には発振器としての周波数安定度が悪化してしまう。さらに、このルビジウム原子発振器は、金属ケース（マイクロ波共振部）が必須になってしまう。そして金属ケース内に、ガスセルとともに、誘電体を配設しなければならないので、その分の体積が邪魔になり小型化できない。
【０００８】
また特許文献４に記載された発明のガスセルには、キャビティに設けた光入射孔を通して光が入射するようになっているが、キャビティに挿入された調整棒（２つの球が連通している箇所）で光が遮られてしまうのを避けるために、この調整棒付近に光を通すことができない。すなわち調整棒を差し込む部分は、硝子封体の胴回り部を絞っているため、ガスセルの体積を効率よく使えないという問題がある。またガスセルは硝子封体の胴回り部を絞る構造になっているので、速度の速い原子（熱振動の速い側に分布する原子）は光軸に対して直角でない面に衝突することになる。このため衝突による緩和が発生する割合が低下してしまうという問題がある。さらに、このルビジウム原子発振器は、調整棒が必須となっている。
【０００９】
そこで本発明は、ＣＰＴ現象を強く得られるようにし、高いＳ／Ｎを確保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】
【００１０】
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。
【００１１】
［適用例１］発光素子と、前記発光素子から出力される共鳴光を透過するガスセルと、前記ガスセルを透過した光を検出する受光素子と、を備え、前記ガスセルは、共鳴光の透過方向に対して仕切り部を有し、この内部を複数の部屋に分割した、ことを特徴とする原子発振器。
原子発振器は、ガスセルの内部を仕切り部によって複数の部屋に分割する構成としたので、ＣＰＴ現象が強く得られるようになり、高い信号／雑音（Ｓ／Ｎ）を確保できる。また仕切り部は隣り合う部屋で共通になっているので、１つの部屋を有するガスセルを複数設ける場合に比べて、共鳴光が通過する仕切り部の数を減少させることができる。このため光の減衰量を小さくできる。
【００１２】
［適用例２］前記ガスセルの内部に設けた部屋は、前記仕切り部に設けた開口部によってつながっていることを特徴とする適用例１に記載の原子発振器。
このような原子発振器は、ガスセル内部のガスの圧力等を均一にできるので、各部屋間の特性のばらつきを無くすことができる。
【００１３】
［適用例３］前記開口部は、前記仕切り部における共鳴光が通過する部分に設けたことを特徴とする適用例２に記載の原子発振器。
これにより共鳴光は仕切り部を透過しなくなるので、光の減衰を防ぐことができ、また共鳴光の強度を高くする必要がないので、線幅が広がるのを防止できる。さらにバッファガスの圧力が各部屋で共通になるので、各部屋間の特性のばらつきを無くすことができる。
【００１４】
［適用例４］前記ガスセルの内部に設けた部屋は、共鳴光の入射側が出射側に比べて幅が狭くなっていることを特徴とする適用例１に記載の原子発振器。
このような部屋の幅（共鳴光が通過する方向の幅）にすると、共鳴光の入射側の部屋では、原子の熱運動の速度が出射側の部屋に比べて遅くなる。また共鳴光は、仕切り部を透
過することにより、入射側が出射側に比べて強度が小さくなる。このため共鳴光の出射側の部屋が入射側よりも広くなっていたとしても、共鳴光の強度が減衰しているので、信号の半値幅が広くなることを防止できる。
【００１５】
［適用例５］前記仕切り部を複数設けたことを特徴とする適用例１ないし４のいずれかに記載の原子発振器。
これによりガスセルの内部に少なくとも３つ以上の部屋を設けることになる。このためＣＰＴ現象がより強く得られるようになり、高い信号／雑音（Ｓ／Ｎ）を確保できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る原子発振器の最良の実施形態について説明する。図１は原子発振器の構成を説明するブロック図である。原子発振器１０は、ＣＰＴを利用しており、カップリング光とプローブ光の周波数差がこの狭い領域に収まるよう二つの光の周波数を制御している。このため原子発振器１０は、光学系１２および周波数制御回路１８を備えている。光学系１２は、ガスセル２０、このガスセル２０に共鳴光（入射光）を供給するコヒーレント光源１４（発光素子）、および、ガスセル２０を通過した透過光を検出する光検出器１６（受光素子）を備えている。また周波数制御回路１８は、光検出器１６から検出された信号により、発振周波数を制御するようになっている。
【００１７】
図２はガスセルの断面図である。ガスセル２０は、共鳴光が透過する方向に対して交差した仕切り部２２を有しており、ガスセル２０の内部を複数の部屋２４に分割している。この仕切り部２２は、共鳴光が透過することができるものであり、共鳴光が透過する光軸に対して直角または略直角になる設計となっている。このため各部屋２４に封入された原子において、速度の速いものに対しての緩和が効率よく起きる。
【００１８】
すなわち各部屋２４には、ガス状の金属原子ととともに、バッファガス（緩衝用の充填ガス）を気密封入しているが、これらの原子には速度の速いものから遅いものまで色々の速度のものが混在して分布している。このうち速度の速い原子（励起状態の原子）がＥＩＴ現象に寄与すると、原子から見た光の波長がドップラー効果により見かけ上変化するため、このドップラー効果によりＥＩＴ現象における検出幅（Δω）を広げてしまうことが知られている（図３を参照）。なお図３は共鳴光（カップリング光ω１）と共鳴光（プローブ光ω２）との周波数差と、ＥＩＴ信号強度との関係を示す図である。したがって、ドップラー効果による検出幅の拡大を防止するには、ＥＩＴ現象に寄与する速度の速い原子をできるだけ少なくする必要がある。このため本実施形態ではガスセル２０の内部に仕切り部２２を設けて、速度の速い原子を仕切り部２２に衝突させることにより、速やかに基底状態（速度が遅い状態）へと移行させている。
【００１９】
そして速度の速い原子はすぐに仕切り部２２に衝突してしまい、光と係わる時間が短くなるため、光吸収を起こさずに基底状態（速度が遅い状態）へと移行する確率が高くなる。一方、速度が遅くなった原子は仕切り部２２に衝突するまでの時間が長くなり、光と係わる時間が充分長くなるため、光を吸収する確率が高くなる。つまり、光軸に対して垂直に仕切り部２２を設けることにより、光路上に速度の速い原子がとどまっている確率を低くしているのである。
なお図２に示す場合では、仕切り部２２が７個あるので、部屋２４が８個ある。また金属原子は、ルビジウムやセシウム等のアルカリ金属であればよい。
【００２０】
また共鳴光が透過する方向の部屋２４の幅（セル厚）は、この部屋２４に封入した原子の速度を遅くする設定にしてあればよい。すなわち部屋２４内を熱運動している原子は仕切り部２２等に衝突すると減速するので、セル厚を薄くすると遅い原子の割合が多くなる。このため検出幅（Δω）が狭くなり、非常に鋭いＥＩＴ信号強度を得る。
【００２１】
図４はセル厚とＥＩＴスペクトルの半値幅との関係を示す図である。図４に示すように、セル厚が薄くなっていった場合、セル厚が１ｍｍ程度から半値幅が狭くなることがわかる。このため本実施形態のガスセル２０では、セル厚を１ｍｍ以下にして、各部屋２４での原子の速度を遅くして、この原子と共鳴光とのドップラー効果で信号の線幅が広がるのを防止している。
【００２２】
このようにガスセル２０の内部を複数の部屋２４に分割し、隣り合う部屋２４の間に設けた仕切り部２２を共通化している。このため部屋２４を有していないガスセル２０を共鳴光が透過する方向に複数配設する場合に比べて、図２に示すガスセル２０では、共鳴光が透過する仕切り部２２の数を減らすことができる。すなわち図２に示すガスセル２０では、共鳴光が仕切り部２２によって減衰するのを防ぐことが可能となる。
なおガスセル２０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、高温に保たれている。
【００２３】
このような、２種類のレーザ光による量子干渉効果を利用する原子発振器１０は、ガスセル２０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光検出器１６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。そして原子発振器１０では、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の基底準位と共鳴結合している３準位系（例えばΛ型準位系）において、同時に照射される２つの共鳴光の周波数が正確に第１の基底準位と第２の基底準位のエネルギ差に一致すると、３準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、励起準位への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの共鳴光の一方または両方の波長（周波数）を変化させたときに、ガスセル２０での光吸収が停止する状態を検出して利用するものである。
【００２４】
以上に説明した原子発振器１０では、ガスセル２０の内部を光軸方向に対して複数の部屋２４に仕切る構成としたので、ＣＰＴ現象を強く得ることができ、高いＳ／Ｎを確保できる。また薄型のセルを複数以上重ねる構成としても、ＣＰＴ現象が強く得られるようになり、高いＳ／Ｎを確保できる。
【００２５】
またガスセル２０には、共鳴光を遮る物体（例えば、マイクロ波の同調を取る調整棒）が挿入されていないので、仕切り部２２のどの部分であっても共鳴光が透過できる。このためガスセル２０全体の体積（立方体、円柱型など）全てを効率よく利用できる。
【００２６】
またガスセル２０は、隣り合う部屋２４の間に共通の仕切り部２２を設けている。このため共鳴光が透過する仕切り部２２（ガラス）の枚数は“部屋数＋１枚”でよいので、共鳴光の減衰量を少なくできる。例えば、２つの部屋２４を有するガスセル２０では、これらの部屋２４を共鳴光が通過する間の透過硝子枚数は３枚であるため光の減衰が少なくなる。
【００２７】
また仕切り部２２を構成するガラス板は、ガラス（透明の素材）であれば、ガスセル２０の外部の大気圧と部屋２４内のガス圧との差（気圧差）に耐える必要がないので、基本的に強度は問わない。したがって製造可能な範囲で仕切り部２２の厚さを薄くできる。
【００２８】
また本実施形態に係る原子発振器１０はＣＰＴ方式のため、従来技術のようにマイクロ波の波長を短縮のための誘電体は不要となり、また金属ケースは不要となる。
【００２９】
なおガスセル２０は、図２に示す形態ばかりでなく、以下に説明する形態であってもよい。図５はガスセルの第１変形例を説明する断面図である。第１変形例のガスセル３０は
、仕切り部２２に開口部３２を設けており、各部屋２４を開口部３２によってつなげている。これによりバッファガスが互いに各部屋２４へ流動できるようになり、各部屋２４のバッファガスの圧力や温度が均一になるので、各部屋２４間の特性のばらつきを無くすことができる。
【００３０】
そして開口部３２は、仕切り部２２の任意の位置に設けることができる。このため開口部３２は、図６に示すように、共鳴光が通過する位置に設けることもできる。これにより共鳴光が仕切り部２２を透過しなくなるので光の減衰を防ぐことができ、また共鳴光の強度を高くする必要がないので、線幅が広がるのを防止できる。さらにバッファガスの圧力を各部屋２４で共有することにより、各部屋２４間の特性のばらつきを無くすことができる。
【００３１】
図７はガスセルの第２変形例を説明する断面図である。第２変形例のガスセル３６は、共鳴光が入射する側のセル厚が、出射する側のセル厚に比べて狭くなっている。このような部屋２４の幅にすると、共鳴光の入射側の部屋２４では原子の熱運動の速度が、出射側の部屋２４に比べて遅くなる。また共鳴光は、仕切り部２２を透過することにより、入射側が出射側に比べて強度が小さくなる。このため共鳴光の出射側の部屋２４が入射側よりも広くなっていたとしても、共鳴光の強度が減衰しているので、信号の半値幅が広くなることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】原子発振器の構成を説明するブロック図である。
【図２】ガスセルの断面図である。
【図３】共鳴光（カップリング光ω１）と共鳴光（プローブ光ω２）との周波数差と、ＥＩＴ信号強度との関係を示す図である。
【図４】セル厚とＥＩＴスペクトルの半値幅との関係を示す図である。
【図５】ガスセルの第１変形例を説明する断面図である。
【図６】共鳴光の通過部分に開口部を設けたガスセルの断面図である。
【図７】ガスセルの第２変形例を説明する断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０………原子発振器、２０，３０，３６………ガスセル、２２………仕切り部、２４………部屋、３２………開口部。
【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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