(57)【要約】【課題】コストを低減し、且つ加熱手段としての性能を向上させた光学系を提供する。【解決手段】この光学系１は、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴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原子発振器１００の光学系１であって、共鳴光７を出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセル４と、ガスセル４の共鳴光７の透過方向の両側方に配置されガスセル４を所定の温度に加熱するヒータ（加熱手段）３、５と、ガスセル４を透過した光を再びガスセル４に導く導光手段６と、ガスセル４を透過した透過光８を検出する光検出器（光検出手段）９と、を備えている。原子発振器１００は光検出器９の出力信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路１０を更に備えて構成されている。【選択図】図１
2009218535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴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原子発振器の光学系であって、
前記共鳴光を出射するコヒーレント光源と、
前記コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセルと、
前記ガスセルを透過した透過光を検出する光検出手段と、
前記ガスセルの共鳴光透過方向の少なくとも一側方に配置され該ガスセルを所定の温度に加熱する加熱手段と、を備え、
前記共鳴光、又は/及び、前記透過光の光路に相当する前記加熱手段の部位に開口部を備えたことを特徴とする原子発振器の光学系。
【請求項２】
前記ガスセルを透過した光を再び該ガスセルに導く導光手段を備え、
前記光検出手段と前記コヒーレント光源とを前記ガスセルに対して同一側に併置したことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
【請求項３】
前記加熱手段は、セラミックヒータにより構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器の光学系。
【請求項４】
前記導光手段は、反射部材又はプリズムにより構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器の光学系。
【請求項５】
前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
【請求項６】
前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
【請求項７】
前記コヒーレント光源から発光された光を集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子を前記コヒーレント光源と前記ガスセルとの間に配置したことを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
【請求項８】
請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学系を備えた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、原子発振器の光学系に関し、さらに詳しくは、原子発振器を構成する光学系に含まれる加熱手段の構成技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属を用いた原子発振器は、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、原子を気密封入したガスセルを一定の温度に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、光とマイクロ波を利用した二重共鳴法と、２種類のレーザ光による量子干渉効果（以下ＣＰＴ：Coherent Population Trappingと記す）を利用する方法に大別されるが、両者共にガスセルに入射した光が、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検出器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。
特許文献１には、ＣＰＴを利用した原子発振器のガスセル構造について開示されている。上記でも説明したとおり、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、原子を気密封入したガスセルを一定の温度に保って動作させている。図５にはガスセル２００を一定の温度に保持するために、キャビティ２４０の周囲にレイヤ２１０、２２０、２３０を配して、レイヤ２１０と２２０を挟むようにヒータ２１５により加熱してキャビティ２４０の温度を一定に保持している。
【特許文献１】ＵＳ２００６／００２２７６１Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に開示されている従来技術では、ＩＴＯ（ヒータ２１５）などの透明発熱膜をセルの上面、下面に配置し、これに通電することでセル加熱を行なっていた。発熱膜は所謂ベタ膜であるため、使用する光の波長域を透過させる程度に透明である必要があった。しかし、透明発熱膜とはいっても完全に透明ではないため信号のＳ／Ｎを劣化させる原因となっている。また透明発熱膜の材料としてインジウムを使用するため、部品コストが高くなるといった問題がある。また、透明発熱膜は通電することにより熱を発生し、且つ透明な材質であるために、加熱手段として利用するには便利であるが、必ずしも加熱手段として最適な材料とはいえなかった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、光が通過する部分に開口を設けたヒータをガスセルの加熱手段とすることにより、透明発熱膜を敢えて使用する必要がなくなり、その結果、信号のＳ／Ｎを向上させると共に、ヒータの選択範囲を拡げて安価なヒータを使用することによりコストを低減し、且つ加熱手段としての性能を向上させた光学系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】
【０００４】
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。
【０００５】
［適用例１］波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴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原子発振器の光学系であって、前記共鳴光を出射するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセルと、前記ガスセルを透過した透過光を検出する光検出手段と、前記ガスセルの共鳴光透過方向の少なくとも一側方に配置され該ガスセルを所定の温度に加熱する加熱手段と、を備え、前記共鳴光、又は／及び、前記透過光の光路に相当する前記加熱手段の部位に開口部を備えたことを特徴とする。
【０００６】
従来の光学系のガスセルを加熱するヒータは、ＩＴＯなどの透明発熱膜が使用されていた。しかし、ＩＴＯは透明発熱膜とはいっても完全に透明ではなかった。そのため、共鳴光がＩＴＯを通過するときに光量が減衰してその分Ｓ／Ｎを劣化させていた。そこで本発明では、加熱手段（ヒータ）の光が通過する部分に開口部を設ける。これにより、光の減衰をなくし、信号のＳ／Ｎを向上させると共に、ヒータの選択範囲を拡げて安価なヒータを使用することによりコストを低減し、且つ加熱手段としての性能を向上させることができる。
【０００７】
［適用例２］前記ガスセルを透過した光を再び該ガスセルに導く導光手段を備え、
前記光検出手段と前記コヒーレント光源とをガスセルに対して同一側に併置したことを特徴とする。
【０００８】
本発明の光学系は、コヒーレント光源と光検出手段とをガスセルに対して同一側に実装し、透過光が光検出手段により受光されるように導光手段を構成した。これにより、ボンディングワイヤが短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系全体の実装も容易にすることができる。
【０００９】
［適用例３］前記加熱手段は、セラミックヒータにより構成されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の加熱手段には、光が通過する開口部が設けられている。従って、加熱手段全体を透明発熱膜にする必要はない。そこで本発明では、加熱手段として最も多く普及しているセラミックヒータを使用する。セラミックヒータは、小型で薄い面状発熱体のため、小スペースの加熱が可能である。また、面状発熱体のため、ガスセルを均一に加熱することができる。また、高ワット密度設計のため昇温速度が速い等の優れた特性を持っている。これにより、ＩＴＯと比較して安価で、且つ、優れた特性の加熱手段を構成することができる。
【００１１】
［適用例４］前記導光手段は、反射部材又はプリズムにより構成されていることを特徴とする。
【００１２】
導光手段に入射した光を所定の位置に折り返すにはミラー等の反射部材又はプリズム等の全反射部材が最適である。これにより、容易に光路を設定することが可能となる。
【００１３】
［適用例５］前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする。
【００１４】
普通の光は、いろいろな波長が混ざり位相がランダムな光である。これに対してレーザ光は波長の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではレーザ光は最適である。
【００１５】
［適用例６］前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴とする。
【００１６】
セシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ルビジウム原子は手軽に広く普及している。よって、原子発振器の要求性能とコストを考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。
【００１７】
［適用例７］前記コヒーレント光源から発光された光を集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子を前記コヒーレント光源と前記ガスセルとの間に配置したことを特徴とする。
【００１８】
光学系には、コヒーレント光源から発光された光を集光して、平行光になるように補正するためにレンズや波長板といった受動光学素子が使用される。この受動光学素子は、ガスセルに入射する前であればどこに配置しても構わない。そこで本発明では、受動光学素子をコヒーレント光源とガスセルとの間に配置する。これにより、光を正確に光検出手段に入射させることができる。
【００１９】
［適用例８］請求項１乃至７の何れか一項に記載の光学系を原子発振器に備えたことを特徴とする。
【００２０】
光の減衰をなくし、信号のＳ／Ｎを向上させると共に、ヒータの選択範囲を拡げて安価なヒータを使用することによりコストを低減し、且つ加熱手段としての性能を向上させた光学系を備えた原子発振器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
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。
図１は本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。この光学系１は、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴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原子発振器１００の光学系１であって、共鳴光７を出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に共鳴光を透過させるガスセル４と、ガスセル４の共鳴光７の透過方向の両側方に配置されガスセル４を所定の温度に加熱するヒータ（加熱手段）３、５と、ガスセル４を透過した光を再びガスセル４に導く導光手段６と、ガスセル４を透過した透過光８を検出する光検出器（光検出手段）９と、を備えている。原子発振器１００は光検出器９の出力信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路１０を更に備えて構成されている。尚、本発明の主旨は、原子発振器を構成する光学系の構成にあるので、原子発振器の周波数制御についての詳細な説明は省略する。また、図１では、導光手段６を用いてガスセル４を透過した光を再びガスセル４に入射させて、コヒーレント光源２と同じ側にある光検出器９に入射させているが、コヒーレント光源２と光検出器９を対向させる構成でも構わない。
【００２２】
即ち、本発明の原子発振器１００は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉効果を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起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基底準位１と基底準位２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３への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの共鳴光の一方或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状態を検出して利用するものである。そして、本発明の光学系１は、コヒーレント光源２と光検出器９をガスセル４に対して同一側に実装し、コヒーレント光源２から出射した共鳴光７はヒータ３の開口部３ａを通過してガスセル４に入射し、ガスセル４を透過した光７ａはヒータ５の開口部５ａを通過して導光手段６に入射する。導光手段６は光７ａを屈曲して光８として、ヒータ５の開口部５ｂを通過させて再びガスセル４に入射する。ガスセル４を透過した光８ａはヒータ３の開口部３ｂを通過して光検出器９に入射する。
即ち、従来の光学系のガスセルを加熱するヒータは、ＩＴＯなどの透明発熱膜が使用されていた。しかし、ＩＴＯは透明発熱膜とはいっても完全に透明ではなかった。そのため、共鳴光がＩＴＯを通過するときに光量が減衰してその分Ｓ／Ｎを劣化させていた。そこで本実施形態では、ヒータ３、５の光が通過する部分に開口部３ａ、３ｂ、５ａ、５ｂを設ける。これにより、光の減衰をなくし、信号のＳ／Ｎを向上させると共に、ヒータの選択範囲を拡げて安価なヒータを使用することによりコストを低減し、且つ加熱手段としての性能を向上させることができる。
【００２３】
図２はＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する一例である。原子発振器に用いられるルビジウムやセシウムの基底準位は、核スピン−電子スピン相互作用による超微細構造により２種類の基底準位に分かれている。これらの基底準位の原子は光を吸収して、よりエネルギーの高い準位へ励起する。また、図２の様に２つの基底準位が光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している状態を２光子共鳴と言う。図２において、基底準位１（２３）と基底準位２（２４）は準位のエネルギが若干異なるため、共鳴光もそれぞれ共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）と波長が若干異なる。同時に照射される共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）の周波数差（波長の差）が正確に基底準位１（２３）と基底準位２（２４）のエネルギ差に一致すると、図２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２１への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）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３での光吸収（つまり励起準位２１への転換）が停止する状態を検出、利用する方式である。
【００２４】
図３（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。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。この光学系１Ａは、コヒーレント光源２とフォトダイオード（光検出器）９を対向配置し、コヒーレント光源２から発光された光２ａをレンズで集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子１１と、ガスセル４と、このガスセル４を加熱するヒータ１２、１３により構成されている。そして、ヒータ１２、１３はガスセル４を挟むように加熱する。また、ヒータ１２には開口部１２ａを備え、ヒータ１３には開口部１３ａを夫々備える。これにより、コヒーレント光源２から出射した共鳴光２ａは、開口部１２ａを通過してガスセル４に入射してガスセル４内を通過し、ヒータ１３の開口部１３ａを通過してフォトダイオード９に入射する。尚、図３（ａ−１）はヒータ１２、１３を上面から見た図であり、夫々のヒータ１２、１３には、開口部１２ａ、１３ａが設けられている。この開口部１２ａ、１３ａは、光２ａが遮られずに通過できる大きさであれば良い。
【００２５】
図３（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。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。この光学系１Ｂは、コヒーレント光源２とフォトダイオード（光検出器）９を併置し、コヒーレント光源２から発光された光２ａをレンズで集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子１１と、ガスセル４と、このガスセル４を加熱するヒータ３、５と、ガスセル４を透過した光を導光する導光手段６と、を備えて構成されている。そして、ヒータ３、５はガスセル４を挟むように加熱する。また、ヒータ３には開口部３ａ、３ｂを備え、ヒータ５には開口部５ａ、５ｂを夫々備える。そして、導光手段６には、光を４５度に屈曲する例えば、ミラー６ａ、６ｂを備えている。これにより、コヒーレント光源２から出射した共鳴光２ａは、開口部３ａを通過してガスセル４に入射してガスセル４内を通過し、ヒータ５の開口部５ａを通過してミラー６ａにより屈曲されてミラー６ｂに入射し、ミラー６ｂにより更に屈曲されて開口部５ｂを通過してガスセル４に再び入射する。ガスセル４を透過した光２ｂは開口部３ｂを通過してフォトダイオード９に入射する。尚、図３（ｂ−１）はヒータ３、５を上面から見た図であり、夫々のヒータ３、５には、開口部３ａ、５ａと３ｂ、５ｂが設けられている。この開口部３ａ、５ａと３ｂ、５ｂは、光２ａ、２ｂが遮られずに通過できる大きさであれば良い。
即ち、本実施形態の光学系１Ｂは、コヒーレント光源２とフォトダイオード９をガスセル４に対して同一側に実装し、透過光２ｂがフォトダイオード９により受光されるように導光手段６を構成した。これにより、図示しない基板に実装する場合にボンディングワイヤが短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系全体の実装も容易にすることができる。
【００２６】
図４（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。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。この光学系１Ｃは、図３（ａ）のガスセルからヒータ１３を省略したものである。動作は図３（ａ）と同様であるので省略する。ガスセル４は、大きさによりヒータによる温度分布が生じる虞がある。そのような場合は、図３（ａ）のようにガスセルを挟むように構成するのが好ましい。しかし、ガスセルが小さい場合は、１枚のヒータでも大きな温度分布を生じることなくガスセル４を加熱することが可能である。尚、図４（ａ）ではヒータを取り付ける位置が、ガスセル４の下側としているが、ガスセル４の上側でも構わない。また、図４（ａ−１）はヒータ１２を上面から見た図であり、ヒータ１２には、開口部１２ａが設けられている。この開口部１２ａは、光２ａが遮られずに通過できる大きさであれば良い。
【００２７】
図４（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。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。この光学系１Ｄは、図３（ｂ）のガスセルからヒータ５を省略したものである。動作は図３（ｂ）と同様であるので省略する。ガスセル４は、大きさによりヒータによる温度分布が生じる虞がある。そのような場合は、図３（ｂ）のようにガスセルを挟むように構成するのが好ましい。しかし、ガスセルが小さい場合は、１枚のヒータでも大きな温度分布を生じることなくガスセル４を加熱することが可能である。尚、図４（ｂ）ではヒータを取り付ける位置が、ガスセル４の下側としているが、ガスセル４の上側でも構わない。また、図４（ｂ−１）はヒータ３を上面から見た図であり、ヒータ３には、開口部３ａと３ｂが設けられている。この開口部３ａと３ｂは、光２ａ、２ｂが遮られずに通過できる大きさであれば良い。
【００２８】
本発明のヒータには、光が通過する開口部が設けられている。従って、ヒータ全体を透明発熱膜にする必要はない。そこで本発明では、ヒータとして最も多く普及しているセラミックヒータを使用する。セラミックヒータは、小型で薄い面状発熱体のため、小スペースの加熱が可能である。また、面状発熱体のため、ガスセル４を均一に加熱することができる。また、高ワット密度設計のため昇温速度が速い等の優れた特性を持っている。これにより、ＩＴＯと比較して安価で、且つ、優れた特性の加熱手段を構成することができる。
また、導光手段６に入射した光を所定の位置に折り返すにはミラー等の反射部材が最適である。これにより、容易に光路を設定することが可能となる。
また、普通の光は、いろいろな波長が混ざり位相がランダムな光である。これに対してレーザ光は波長の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではコヒーレント光源２としてはレーザ光は最適である。
【００２９】
また、ガスセル４に封入するガス状の金属原子に、ルビジウム、又はセシウムを使用する。セシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ルビジウム原子は手軽に広く普及している。よって、原子発振器の要求性能とコストを考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。
また、コヒーレント光源２から発光された光を集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子１１をコヒーレント光源２とガスセル４との間に配置する。光学系には、コヒーレント光源２から発光された光を集光して、平行光になるように補正するためにレンズや波長板といった受動光学素子１１が使用される。この受動光学素子１１は、ガスセル４に入射する前であればどこに配置しても構わない。そこで本実施形態では、受動光学素子１１をコヒーレント光源２とガスセル４との間に配置する。これにより、光を正確にフォトダイオード９に入射させることができる。
また、本発明の光学系を原子発振器に備えることにより、光の減衰をなくし、信号のＳ／Ｎを向上させると共に、ヒータの選択範囲を拡げて安価なヒータを使用することによりコストを低減し、且つ加熱手段としての性能を向上させた光学系を備えた原子発振器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。
【図２】ＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する図である。
【図３】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図、（ａ−１）は（ａ）の上面図、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図、（ｂ−１）は（ｂ）の上面図である。
【図４】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図、（ａ−１）は（ａ）の上面図、（ｂ）は本発明の第４の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図、（ｂ−１）は（ｂ）の上面図である。
【図５】従来のガスセルの構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  光学系、２  コヒーレント光源、３、５  ヒータ、４  ガスセル、６  導光手段、９  光検出器、１０  周波数制御回路、１００  原子発振器
【図１】
2009218535.tif 000003
【図２】
2009218535.tif 000004
【図３】
2009218535.tif 000005
【図４】
2009218535.tif 000006
【図５】
2009218535.tif 000007