(57)【要約】【課題】複数の受光素子を発光素子と同一側に併置し、複数の受光素子を電気的に接続するワイヤボンディングを短くしてモジュール実装を容易とし、且つＥＩＴ信号レベルを大きくしてＳ／Ｎを改善した光学系を備えた原子発振器を提供する。【解決手段】ガス状の金属原子を封入したガスセル４と、ガスセル４中の金属原子に共鳴光を供給するコヒーレント光源２と、ガスセル４を通過した透過光５を光検出器８、９に導く導光手段１３と、導光手段１３により導かれた透過光６、７を検出する光検出器（光検出手段）８、９と、光検出器８、９から検出された信号を合成する合成回路１０と、合成回路１０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１１と、を備えて構成されている。【選択図】図１
2009123729.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、
ガス状の金属原子を封入したガスセルと、該ガスセル中の金属原子に前記共鳴光を供給
するコヒーレント光源と、前記ガスセルを透過した光を検出する複数の光検出手段と、前
記ガスセルを透過した光を前記複数の光検出手段に導く導光手段と、を備え、
前記複数の光検出手段を前記コヒーレント光源と同一側に併置したことを特徴とする原
子発振器の光学系。
【請求項２】
前記導光手段により導かれた光が複数の透過光として再び前記ガスセルに入射し、該ガ
スセルを透過した複数の光が前記各光検出手段により夫々受光されるように構成したこと
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】
前記複数の光検出手段からの出力信号を合成する合成回路を備えた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、ビームスプリッタ、又は／及び、ハーフミラーであることを特徴とす
る請求項１又は２項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
に含まれる光源と受光素子の実装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高
温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 Trap
ping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。ここで、ＣＰＴを利用した原子発振器は、発光素子、ガスセル、及び受光素子を一
体的に構成して光学系を形成している（特許文献１参照）。
また、特許文献２として図８には、ガスセル１１１の一方面に発光素子１１２と受光素
子１１３を配置し、ガスセル１１１の他方面に反射素子１１４を配置し、発光素子１１２
からの光を反射手段１１４で反射して、これを受光素子１１２で受光する光学系について
開示されている。
【特許文献１】ＵＳ６８０６７８４Ｂ２
【特許文献２】ＵＳ７０６４８３５Ｂ２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、特許文献１に開示されている従来の光学系の構成では、図７に示すように発光
素子９３、ガスセル９５、及び受光素子９０が縦積みに配置されている。このため、最上
面に配置した受光素子９０を電気的に接続するボンディングワイヤ９１が長くなり、モジ
ュールの実装構造が複雑となるばかりでなく、受光素子９０から得られる信号が微弱なた
めにワイヤに重畳するノイズの影響を受けやすくなりＳ／Ｎ特性が良くないといった問題
もある。
また、特許文献２に開示されている従来技術は、受光素子１１３を円状にして受光素子
１１３全体に光が当たるようにしているため、受光面積をある程度広くする必要がある。
しかし、受光素子１１３の面積を大きくすると、暗電流が増加してノイズが大きくなると
共に、ガスセルのサイズが大きくなってしまうといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、発光素子から発光した光を導光手段により複数の透過光
として折り返すことにより、複数の受光素子を発光素子と同一側に併置し、複数の受光素
子を電気的に接続するボンディングワイヤを短くしてモジュール実装を容易とし、且つＥ
ＩＴ信号レベルを大きくしてＳ／Ｎを改善した光学系を備え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】
【０００４】
本発明はかかる課題を解決するために、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、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、該ガスセル中の
金属原子に前記共鳴光を供給するコヒーレント光源と、前記ガスセルを透過した光を検出
する複数の光検出手段と、前記ガスセルを透過した光を前記複数の光検出手段に導く導光
手段と、を備え、前記複数の光検出手段を前記コヒーレント光源と同一側に併置したこと
を特徴とする。
本発明の原子発振器は、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、本発明の光学系は、コヒーレント光源
と複数の光検出手段を同一側に実装し、透過光が複数の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、ワイヤボンディングが短くなり、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。
【０００５】
また、前記導光手段により導かれた光が複数の透過光として再び前記ガスセルに入射し
、該ガスセルを透過した複数の光が前記各光検出手段により夫々受光されるように構成し
たことを特徴とする。
ガスセルを透過した光は、ガスセルの光路が長いほど光の強度比は強くなる。そこで本
発明では、導光手段により光路を複数に折り返して光が再びガスセルを透過するように構
成する。これにより、より大きな透過光のコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ
特性を向上することができる。
また、前記複数の光検出手段からの出力信号を合成する合成回路を備えたことを特徴と
する。
複数の光検出手段からは、夫々受光した光に応じたレベルの信号が出力される。この信
号を原子発振器の周波数制御回路にフィードバックするには、１つの信号としてまとめる
必要がある。そこで本発明では、複数の光検出手段からの出力信号を合成する合成回路を
備える。これにより、レベルの高いＥＩＴ信号を得ることができる。
【０００６】
また、前記導光手段は、ビームスプリッタ、又は／及び、ハーフミラーであることを特
徴とする。
本発明の光学系は、光源から放射されたコヒーレント光をガスセルに透過させ、その透
過光を再び複数の光検出手段に戻す必要がある。そのためには、透過光を偏光、又は反射
させる必要がある。偏光にはビームスプリッタ、ハーフミラー、反射にはミラーが最適で
ある。これにより、透過光を複数の共鳴光に分離することができる。
また、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。
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。
また、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。
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。
【０００７】
また、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の間に配置したことを特徴とする。
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、光が正確に導光手段に
入射させることができる。
また、上記構成による光学系を原子発振器に備えたことを特徴とする。
ガスセルを複数回通過する構造としたことで、より大きなＥＩＴ信号を得る光学系とす
ることができるので、Ｓ／Ｎが向上した高性能な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】
【０００８】
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
、ガス状の金属原子を封入したガスセル４と、ガスセル４中の金属原子に共鳴光３を供給
するコヒーレント光源２と、ガスセル４を通過した透過光５を光検出器８、９に導く導光
手段１３と、導光手段１３により導かれた透過光６、７を検出する光検出器（光検出手段
）８、９と、光検出器８、９から検出された信号を合成する合成回路１０と、合成回路１
０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１１と、を備えて構成されて
いる。尚、導光手段１３により２つに導光された透過光１２は再びガスセル４に入射され
て透過光６、７を得る。また、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。
【０００９】
即ち、本実施形態の原子発振器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（詳細は後述する）。この光吸収
が停止する状態でガスセル４を通過する透過光をＥＩＴ信号と呼ぶ。そして、本実施形態
の光学系１は、２つの光検出器８、９をコヒーレント光源２と同一側に実装し、透過光６
、７が光検出器８、９により受光されるように導光手段１３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。
また、光検出器８、９からは、夫々受光した光に応じたレベルの信号が出力される。こ
の信号を原子発振器の周波数制御回路１１にフィードバックするには、１つの信号として
まとめる必要がある。そこで本発明では、光検出器８、９からの出力信号を合成する合成
回路１０を備える。これにより、レベルの高いＥＩＴ信号を得ることができる。
また、本発明の光学系１は、コヒーレント光源２から放射された共鳴光３をガスセル４
に透過させ、その透過光５を再び光検出器８、９に戻す必要がある。そのためには、透過
光５を分岐、又は反射させる必要がある。分岐にはビームスプリッタ、ハーフミラー、反
射にはミラーが最適である。これにより、透過光５を複数の透過光１２に分離することが
できる。
【００１０】
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（２
３）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。
【００１１】
図３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。この光学系
１Ａは、基板３８上に発光素子３４と受光素子３３、３５を併置し、夫々の素子がボンデ
ィングワイヤ２５により基板３８に電気的に接続されている。そして、スペーサ３６ａ、
３６ｂにより所定の距離を確保して、その上に発光素子３４から発光されたコヒーレント
光３４ａを集光したり、平行光に変換したり、或いは偏光状態を変える受動光学素子３２
を備え、更にその上にガスセル３９を重ね合わせ、スペーサ３７ａ、３７ｂにより距離を
確保してガスセル３９を通過した透過光を分岐するビームスプリッタ３１と、ビームスプ
リッタ３１を通過した透過光３４ｃを反射するミラー３０を配置している。尚、発光素子
３４として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、受光素子３５、３３としてフォトダイオード
が良く使用される。また、スペーサ３７ａ、３７ｂは、高さを異なるように構成してミラ
ー３０に所定の角度が形成されるようにしている。
次に、図３により概略動作について説明する。発光素子３４から発光されたコヒーレン
ト光３４ａは、受動光学素子３２により集光されて平行光に補正されてガスセル３９に入
射する。ガスセル３９は２つの波長を有するコヒーレント光３４ａの一方或いは両方の波
長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。ガスセル３９を通過した透過
光３４ｂはビームスプリッタ３１により透過光３４ｄと３４ｃに分岐される。透過光３４
ｄはガスセル３９、受動光学素子３２を通過して受光素子３５により受光される。一方の
透過光３４ｃは、ミラー３０により反射されて、透過光として再びガスセル３９に入射す
る。即ち、ガスセル３９を通過した透過光３４ｂは、ガスセル３９の光路が長く相互作用
が大きいほど光の強度比は強くなる。そこで本実施形態では、ビームスプリッタ３１とミ
ラー３０により光路を折り返して透過光３４ｄ、３４ｃが再びガスセル３９を通過するよ
うに構成する。これにより、より大きなコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ特
性を向上することができる。
【００１２】
尚、本実施形態のコヒーレント光３４ａは、レーザ光を使用している。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。また、ガスセ
ル３９に使用するガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムである。１次原子標準
器に使われ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、２次標
準器で使われるルビジウム原子は手軽に広く普及しているため、これを使えば一般的には
小型で低価格な原子発振器を実現できる。従って、金属原子に何を用いるかは、使用目的
により選択すればよい。なお、本実施例ではルビジウム、セシウムを用いたがΛ型準位系
等の３準位系を持った原子であればどのような原子であっても構わない。
光学系１Ａには、発光素子３４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３２が使用される。この受動光学素子３
２は、ガスセル３９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３２を発光素子３４とガスセル３９との間に配置する。これにより、
光を正確に導光手段に入射させることができる。以下、同様の構成とする。
【００１３】
図４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。図４が図
３と異なる点は、受光素子を２つから４つに増加した点である。これを実現するために、
ビームスプリッタを３つ備えている。即ち、この光学系１Ｂは、基板５２上に発光素子４
６と受光素子４４、４５、４７、４８を併置し、夫々の素子がボンディングワイヤ２５に
より基板５２に電気的に接続されている。そして、スペーサ５１ａ、５１ｂにより所定の
距離を確保して、その上に発光素子４６から発光されたコヒーレント光４６ａを集光した
り、平行光に変換したり、或いは偏光状態を変える受動光学素子５０を備え、更にその上
にガスセル５３を重ね合わせ、スペーサ４９ａ、４９ｂにより距離を確保してガスセル５
３を通過した透過光４６ｂを分岐するビームスプリッタ４３、４２、４１と、ビームスプ
リッタ４１を通過した透過光４６ｇを反射するミラー４０を配置している。尚、発光素子
４６として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、受光素子４４、４５、４７、４８としてフォ
トダイオードが良く使用される。また、スペーサ４９ａ、４９ｂは、高さを異なるように
構成してミラー４０に所定の角度が形成されるようにしている。
【００１４】
次に、図４により概略動作について説明する。発光素子４６から発光されたコヒーレン
ト光４６ａは、受動光学素子５０により集光されて平行光に補正されてガスセル５３に入
射する。ガスセル５３は２つの波長を有するコヒーレント光４６ａの一方或いは両方の波
長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。ガスセル５３を通過した透過
光４６ｂはビームスプリッタ４３により透過光４６ｎと４６ｄに分岐される。透過光４６
ｎはガスセル５３、受動光学素子５０を通過して受光素子４５により受光される。一方の
透過光４６ｄは、ビームスプリッタ４２により透過光４６ｅと４６ｇに分岐される。透過
光４６ｅはガスセル５３、受動光学素子５０を通過して受光素子４７により受光される。
一方の透過光４６ｇは、ビームスプリッタ４１により透過光４６ｈと４６ｊに分岐される
。透過光４６ｈはガスセル５３、受動光学素子５０を透過して受光素子４４により受光さ
れる。透過光４６ｊはミラー４０により反射されて、透過光４６ｋとして再びガスセル５
３、受動光学素子５０を通過して受光素子４８により受光される。
【００１５】
即ち、ガスセル５３を通過した透過光４６ｂは、ガスセル５３の光路が長い程、ガスセ
ル中の原子との相互作用が大きくなるので光の強度比は強くなる。そこで本実施形態では
、ビームスプリッタ４３、４２、４１とミラー４０により光路を折り返して透過光４６ｎ
、４６ｈ、４６ｅ、４６ｋが再びガスセル５３を通過するように構成する。これにより、
より大きなコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ特性を向上することができる。
この構成によれば、各ビームスプリッタの反射角度を最適な角度に調整することにより、
複数の受光素子間の間隔を狭めて光学系１Ｂの横幅を極力小さくすることができる。また
、この例ではビームスプリッタを３つとしたが、この数に限定されることなく、多くても
少なくても構わない。
【００１６】
図５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。図５が図
４と異なる点は、ビームスプリッタを横方向に配置した点である。これを実現するために
、折り返し用ミラーを２つ備えている。即ち、この光学系１Ｃは、基板６１上に発光素子
５６と受光素子５７、５８、５９、６０を併置し、夫々の素子がボンディングワイヤ２５
により基板６１に電気的に接続されている。そして、スペーサ６９ａ、６９ｂにより所定
の距離を確保して、その上に発光素子５６から発光されたコヒーレント光５６ａを集光し
たり、平行光に変換したり、或いは偏光状態を変える受動光学素子６２を備え、更にその
上にガスセル６３を重ね合わせ、スペーサ８８ａ、８８ｂにより距離を確保してガスセル
６３を通過した透過光を分岐するビームスプリッタ６７、６６、６５と、折り返しミラー
６８、６４を配置している。尚、発光素子５６として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、受
光素子５７、５８、５９、６０としてフォトダイオードが良く使用される。
【００１７】
次に、図５により概略動作について説明する。発光素子５６から発光されたコヒーレン
ト光５６ａは、受動光学素子６２により集光されて平行光に補正されてガスセル６３に入
射する。ガスセル６３は２つの波長を有するコヒーレント光５６ａの一方或いは両方の波
長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。ガスセル６３を通過した透過
光は折り返しミラー６８により直角に折り返され、透過光５６ｂはビームスプリッタ６７
により透過光５６ｃと５６ｅに分岐される。透過光５６ｃはガスセル６３、受動光学素子
６２を通過して受光素子５７により受光される。一方の透過光５６ｅは、ビームスプリッ
タ６６により透過光５６ｆと５６ｇに分岐される。透過光５６ｆはガスセル６３、受動光
学素子６２を通過して受光素子５８により受光される。一方の透過光５６ｇは、ビームス
プリッタ６５により透過光５６ｉと５６ｊに分岐される。透過光５６ｉはガスセル６３、
受動光学素子６２を通過して受光素子５９により受光される。透過光５６ｊは折り返しミ
ラー６４により直角に反射されて、透過光５６ｊとして再びガスセル６３、受動光学素子
６２を通過して受光素子６０により受光される。
【００１８】
即ち、ガスセル６３を通過した透過光５６ａは、ガスセル６３の光路が長い程、ガスセ
ル中の原子との相互作用が大きくなるので光の強度比は強くなる。そこで本実施形態では
、ビームスプリッタ６７、６６、６５と折り返しミラー６８、６４により光路を折り返し
て透過光５６ｃ、５６ｆ、５６ｉ、５６ｊが再びガスセル６３を通過するように構成する
。これにより、より大きなコントラストを得ることができ、信号のＳ／Ｎ特性を向上する
ことができる。
この構成によれば、各ビームスプリッタを横方向に配置するので、光学系１Ｃの高さを
低くすることができる。また、ビームスプリッタの間隔を極力小さく配置することにより
、複数の受光素子間の間隔を狭めて光学系１Ｂの横幅も極力小さくすることができる。ま
た、この例ではビームスプリッタを３つとしたが、この数に限定されることなく、多くて
も少なくても構わない。
【００１９】
図６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。図６が図
４と異なる点は、ビームスプリッタにより分岐された一方の光を直角に折り返すミラーを
各ビームスプリッタに備えた点である。即ち、この光学系１Ｄは、基板８９上に発光素子
７２と受光素子７０、７１、７３、７４を併置し、夫々の素子がボンディングワイヤ２５
により基板８９に電気的に接続されている。そして、スペーサ８６ａ、８６ｂにより所定
の距離を確保して、その上に発光素子７２から発光されたコヒーレント光７２ａを集光し
たり、平行光に変換したり、或いは偏光状態を変える受動光学素子７５を備え、更にその
上にガスセル７６を重ね合わせ、スペーサ８７ａ、８７ｂにより距離を確保してガスセル
７６を通過した透過光を分岐するビームスプリッタ８３、８１、７９と、折り返しミラー
８４、８２、８０、７８、７７を配置している。尚、発光素子７２として面発光型レーザ
（ＶＣＳＥＬ）、受光素子７０、７１、７３、７４としてフォトダイオードが良く使用さ
れる。
【００２０】
次に、図６により概略動作について説明する。発光素子７２から発光されたコヒーレン
ト光７２ａは、受動光学素子７５により集光されて平行光に補正されてガスセル７６に入
射する。ガスセル７６は２つの波長を有するコヒーレント光７２ａの一方或いは両方の波
長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。ガスセル７６を通過した透過
光７２ｂはビームスプリッタ８３により透過光７２ｄと７２ｃに分岐される。透過光７２
ｄは折り返しミラー８４により直角に反射され、ガスセル７６、受動光学素子７５を通過
して受光素子７１により受光される。一方の透過光７２ｃは、ビームスプリッタ８１によ
り透過光７２ｆと７２ｈに分岐される。透過光７２ｆは折り返しミラー８２により直角に
反射され、ガスセル７６、受動光学素子７５を通過して受光素子７３により受光される。
一方の透過光７２ｈは、ビームスプリッタ７９により透過光７２ｊと７２ｉに分岐される
。透過光７２ｊは折り返しミラー８０により直角に反射され、ガスセル７６、受動光学素
子７５を通過して受光素子７０により受光される。透過光７２ｉは折り返しミラー７８と
７７により直角に反射されて、透過光７２ｍとして再びガスセル７６、受動光学素子７５
を通過して受光素子７４により受光される。
【００２１】
即ち、ガスセル７６を通過した透過光７２ｂは、ガスセル７６の光路が長い程、ガスセ
ル中の原子との相互作用が大きくなるので光の強度比は強くなる。そこで本実施形態では
、ビームスプリッタ８３、８１、７９と折り返しミラー８４、８２、８０、７８、７７に
より光路を折り返して透過光７２ｊ、７２ｄ、７２ｆ、７２ｍが再びガスセル７６を通過
するように構成する。これにより、より大きなコントラストを得ることができ、信号のＳ
／Ｎ特性を向上することができる。
この構成によれば、反射角度が同じビームスプリッタを使用して、各ミラーにより再び
折り曲げて受光素子に入射させるので、同じ特性のビームスプリッタを使用することがで
きる。また、この例ではビームスプリッタを３つとしたが、この数に限定されることなく
、多くても少なくても構わない。
以上の説明では、導光手段としてビームスプリッタを使用したが、ハーフミラーを使用
しても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】特許文献１に開示されている従来の光学系の構成を示す図である。
【図８】特許文献２に開示されている従来の光学系の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  光学系、２  コヒーレント光源、３  共鳴光、４  ガスセル、５、６、７、１２  
透過光、８、９  光検出器、１０  合成回路、１１  周波数制御回路、１３  導光手段、
１００  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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【図８】
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