JP2009089116A - 原子発振器用の光学モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】ガスセルの全長を長くすることなしに原子発振器の性能を向上させること、或いは従来のガスセルの全長を短くして光学モジュールを小型化することを目的とする。
【解決手段】光学モジュール３１は、ベース基板３２の所定の位置に発光素子３３と、受光素子３４とを搭載し、スペーサ３５を介して導光手段となる受動光学素子３６と、ガス状の金属原子を封入したガスセル３７と、台形プリズム３８と、を順次積み上げた構造である。また、台形プリズム３８の二つの傾斜部の所定に位置には、反射膜４２ａ、４２ｂが形成され、入射した光を所定の角度に反射するようになっている。また、ガスセル３７の長手方向の対向する側面には、反射膜４３ａ、４３ｂが形成され、入射した光が伝搬する際に、光を所定の角度で多重反射して伝搬するようになっている。
【選択図】図３
【解決手段】光学モジュール３１は、ベース基板３２の所定の位置に発光素子３３と、受光素子３４とを搭載し、スペーサ３５を介して導光手段となる受動光学素子３６と、ガス状の金属原子を封入したガスセル３７と、台形プリズム３８と、を順次積み上げた構造である。また、台形プリズム３８の二つの傾斜部の所定に位置には、反射膜４２ａ、４２ｂが形成され、入射した光を所定の角度に反射するようになっている。また、ガスセル３７の長手方向の対向する側面には、反射膜４３ａ、４３ｂが形成され、入射した光が伝搬する際に、光を所定の角度で多重反射して伝搬するようになっている。
【選択図】図３
Description
本発明は原子発振器用の光学モジュールに関し、特に発光素子、受光素子、ガスセルなどからなる光学モジュールの性能の向上、および小型化、薄型化技術に関するものである。
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、原子のエネルギー遷移を利用する際に、金属原子をガス状態に保つ必要があるため、金属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２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。そして、２つの方法共にガスセルに入射した光が、金属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。
ガスセルを用いた原子発振器の動作原理については、特許文献１に詳しく記述されている。また、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のモジュールを形成している場合が多いが、これについては、特許文献２に従来の方式が開示されている。
ガスセルを用いた原子発振器の動作原理については、特許文献１に詳しく記述されている。また、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のモジュールを形成している場合が多いが、これについては、特許文献２に従来の方式が開示されている。
なお、従来の光学モジュールとして、特許文献３により開示された構造のものがあり、特許文献２に示した光学モジュールの構造と異なった方法で、ＣＰＴを利用した光学モジュールを構成する方法について説明している。それによれば、円筒形のガスセルの対向する一方の面の中央部に発光素子を配置し、その発光素子を取り囲むように受光素子を配置する。そして、ガスセルの他方の面に反射板を備え、ガスセルの一方の面に配置された発光素子から放射された光が、ガスセルの他方の面において反射され、反射された光が、ガスセルの一方の面に配置された受光素子に入射されるようにしている。
特開２００４−９６４１０公報
ＵＳ６８０６７８４Ｂ２
ＵＳ７０６４８３５Ｂ２
しかしながら、特許文献２に開示されているような従来の光学モジュールは、次のような問題があった。前述したように、原子発振器の動作原理は、金属原子を気密封入したガスセルに入射した光が、金属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で検出して原子共鳴を検知することに有る。そこで、原子発振器の性能を向上させるためには、ガスセルに入射した光を反対側において光検出する際に、光が吸収される時と光が吸収されない時のレベル差を大きくすることが望ましい。そのためには、光と金属原子ガスとの接触時間を増加させることが必要であり、そのためガスセル内を光が伝搬する際の光の光路を長くして、光と接触する金属原子ガスを多くすることが望ましい。
一方、特許文献２に示した従来の光学モジュールの構造は、各構成要素を縦積みに配置し、発光素子と受光素子とを対向配置したものであるので、ガスセル内を光が伝搬する際の光の光路を長くするため、ガスセルの全長を長くすると、光学モジュールが大きくなるという問題がった。
一方、特許文献２に示した従来の光学モジュールの構造は、各構成要素を縦積みに配置し、発光素子と受光素子とを対向配置したものであるので、ガスセル内を光が伝搬する際の光の光路を長くするため、ガスセルの全長を長くすると、光学モジュールが大きくなるという問題がった。
図６に、従来の原子発振器用の光学モジュールの構造図を示す。図６に示すように、従来の光学モジュール１０１は、発光素子１０２、受動光学素子１０３、ガスセル１０４、および受光素子１０５を縦積みに配置し、発光素子１０２と受光素子１０５を対向配置している。なお、受動光学素子１０３は、発光素子１０２から出射した光を集光したり、偏光状態を変えたりするなどのため、ＮＤフィルタとレンズと波長板とを備えている。光学モジュール１０１の概略動作を説明すると、発光素子１０２が出射するコヒーレント光１０６は、受動光学素子１０３に入力され、コヒーレント光１０６の集光、偏光などを行い、ガスセル１０４に入射する。ガスセル１０４は、２つの波長を有するコヒーレント１０６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１０４を透過した透過光は、受光素子１０５により受光される。このように動作する従来の光学モジュール１０１は、原子発振器の性能を向上させるためにガスセル１０４の全長を長くすると光学モジュール１０１の構造が大きくなり、原子発振器を小型化、薄型化する際に問題となっていた。また、原子発振器の小型化、薄型化のために、ガスセル１０４の全長を短く抑えると、原子発振器は、ノイズの影響を受けやすくなりＳ／Ｎ特性が悪化するといった問題があった。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、ガスセルの全長を長くすることなしに原子発振器の性能を向上させることを目的とする。
また本発明は従来のガスセルの全長を短くして光学モジュールを小型化、薄型化することを目的とする。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、ガスセルの全長を長くすることなしに原子発振器の性能を向上させることを目的とする。
また本発明は従来のガスセルの全長を短くして光学モジュールを小型化、薄型化することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明は、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に、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用の光学モジュールであって、前記共鳴光となる光を出射する発光素子と、量子干渉された前記光を検出する受光素子と、ガス状の金属原子を封入して入射した光を量子干渉させると共に長手方向側面に反射膜が形成されたガスセルと、傾斜部に反射膜が形成された台形プリズムと、を備え、前記発光素子が出射した光を前記台形プリズムにより反射させて前記ガスセル内に入射させると共に、前記ガスセル内に入射させた前記光を前記ガスセルの長手方向側面に形成された前記反射膜により多重反射させて伝搬し、伝搬した前記光を前記台形プリズムの前記反射膜により反射させて前記受光素子に入射させるようにした。
このような本発明によれば、発光素子が出射した光は、ガスセル内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬されるので、従来のように発光素子が出射した光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬させる場合に比べて、ガスセル内を伝搬する光の光路が長くなる。従って、光と金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。
また、本発明によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルに比べて全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。
このような本発明によれば、発光素子が出射した光は、ガスセル内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬されるので、従来のように発光素子が出射した光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬させる場合に比べて、ガスセル内を伝搬する光の光路が長くなる。従って、光と金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。
また、本発明によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルに比べて全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。
また本発明は、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に、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用の光学モジュールであって、前記共鳴光となる光を出射する発光素子と、量子干渉された前記光を検出する受光素子と、ガス状の金属原子を封入して入射した光を量子干渉させると共に長手方向側面に反射膜が形成されたガスセルと、前記ガスセルの短手方向両側にそれぞれに設けられ、傾斜部に反射膜が形成されたプリズムと、を備え、前記発光素子が出射した光を前記プリズムにより反射させて前記ガスセル内に入射させ、前記ガスセル内に入射させた前記光を前記ガスセル内の長手方向側面に形成された前記反射膜により多重反射させて伝搬し、伝搬した前記光を前記プリズムにより反射させて前記受光素子に入射させるようにしたことを特徴とする。
このような本発明によれば、発光素子が出射した光は、ガスセル内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬されるので、従来のように発光素子が出射した光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬させる場合に比べて、ガスセル内を伝搬する光の光路が長くなる。従って、光と金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。
このような本発明によれば、発光素子が出射した光は、ガスセル内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬されるので、従来のように発光素子が出射した光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬させる場合に比べて、ガスセル内を伝搬する光の光路が長くなる。従って、光と金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。
また、本発明によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルに比べて全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。
また、本発明によれば、発光素子が出射する光を反射してガスセル内に反射光を入射したり、ガスセルが出射した光を反射して受光素子に入射する２つのプリズムをガスセルの短手方向の両側にそれぞれ配置しており、原子発振器をさらに薄型化することができる。
また、本発明は反射膜が、金属膜からなることを特徴としている。
このような本発明によれば、反射膜として金属膜を使用しており、金属膜は、膜の形成工程が簡易であるので、反射膜として金属膜を使用することにより安価な光学モジュールを構成することができる。
また、本発明によれば、発光素子が出射する光を反射してガスセル内に反射光を入射したり、ガスセルが出射した光を反射して受光素子に入射する２つのプリズムをガスセルの短手方向の両側にそれぞれ配置しており、原子発振器をさらに薄型化することができる。
また、本発明は反射膜が、金属膜からなることを特徴としている。
このような本発明によれば、反射膜として金属膜を使用しており、金属膜は、膜の形成工程が簡易であるので、反射膜として金属膜を使用することにより安価な光学モジュールを構成することができる。
また本発明は、反射膜が誘電体多層膜からなることを特徴としている。
このような本発明によれば、反射膜として誘電体多層膜を使用しており、誘電体多層膜は、反射効率が優れているとともに、反射された光の偏光状態を保持できる。従って、反射膜として誘電体多層膜を使用することにより、性能の優れた光学モジュールを構成することができる。
また、本発明は、コヒーレント光がレーザ光であることを特徴としている。
このような本発明によれば、ガスセルに光を入射して量子干渉させる発光素子として、レーザを使用した。従って、レーザが出射する光は、波長の単色性が良く、位相の揃ったコヒーレンスがよい光であるので、光学モジュールは、優れた量子干渉効果を実現することができる。
また、本発明は、ガス状の金属原子が、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴としている。
このような本発明によれば、ガス状の金属原子としてセシウム原子を使用すると、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ガス状の金属原子としてルビジウム原子を使用すると、廉価な原子発振器を実現できる。従って、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。
このような本発明によれば、反射膜として誘電体多層膜を使用しており、誘電体多層膜は、反射効率が優れているとともに、反射された光の偏光状態を保持できる。従って、反射膜として誘電体多層膜を使用することにより、性能の優れた光学モジュールを構成することができる。
また、本発明は、コヒーレント光がレーザ光であることを特徴としている。
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また、本発明は、ガス状の金属原子が、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴としている。
このような本発明によれば、ガス状の金属原子としてセシウム原子を使用すると、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ガス状の金属原子としてルビジウム原子を使用すると、廉価な原子発振器を実現できる。従って、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。
図１は、原子発振器の光学系の要部構成を示したブロック図である。原子発振器１は、ガス状の金属原子を封入したガスセル４と、ガスセル４中の金属原子ガスに共鳴光を供給するコヒーレント光源３と、コヒーレント光源３から出射された光をガスセル４に導く第１の導光手段８と、ガスセル４を透過した透過光７を光検出器５に導く第２の導光手段９と、第２の導光手段９により導かれた透過光７を検出する光検出器５と、からなる光学モジュール２と、光検出器５により検出された信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路６と、を備えて構成されている。なお、ここでは、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。
原子発振器１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り、ガスセル４内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に、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。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ー差に一致すると、原子は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、或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセル４での光吸収が停止する状態を検出するものである。
原子発振器１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り、ガスセル４内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に、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。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ー差に一致すると、原子は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、或いは両方の波長を変化させたときに、ガスセル４での光吸収が停止する状態を検出するものである。
図２は、ＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する図の一例である。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、第１の基底準位２３と第２の基底準位２４は準位のエネルギーが若干異なるため、共鳴光もそれぞれ第１の共鳴光２０と第２の共鳴光２２とは波長が若干異なる。同時に照射される第１の共鳴光２０と第２の共鳴光２２の周波数差（波長の差）が正確に第１の基底準位２３と第２の基底準位２４のエネルギー差に一致すると、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、第１の共鳴光２０と第２の共鳴光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４において光吸収（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。
次に、本発明に係る光学モジュールの具体的な実施形態について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示した図である。光学モジュール３１は、ベース基板３２の所定の位置に発光素子（コヒーレント光源）３３と、受光素子（光検出器）３４とを搭載し、スペーサ３５を介して導光手段となる受動光学素子３６と、ガス状の金属原子を封入したガスセル３７と、台形プリズム３８と、を順次積み上げた構造である。また、受動光学素子３６は、発光素子３３から出射した光を集光したり、偏光状態を変えたりするなどのため、ＮＤフィルタ３９と、レンズ４０と、波長板４１と、を備えている。
また、台形プリズム３８の二つの傾斜部には、反射膜４２ａ、４２ｂが形成され、入射した光を所定の角度に反射するようになっている。また、ガスセル３７の長手方向の対向する側面には、反射膜４３ａ、４３ｂが形成され、入射した光を所定の角度で多重反射して伝搬するようになっている。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示した図である。光学モジュール３１は、ベース基板３２の所定の位置に発光素子（コヒーレント光源）３３と、受光素子（光検出器）３４とを搭載し、スペーサ３５を介して導光手段となる受動光学素子３６と、ガス状の金属原子を封入したガスセル３７と、台形プリズム３８と、を順次積み上げた構造である。また、受動光学素子３６は、発光素子３３から出射した光を集光したり、偏光状態を変えたりするなどのため、ＮＤフィルタ３９と、レンズ４０と、波長板４１と、を備えている。
また、台形プリズム３８の二つの傾斜部には、反射膜４２ａ、４２ｂが形成され、入射した光を所定の角度に反射するようになっている。また、ガスセル３７の長手方向の対向する側面には、反射膜４３ａ、４３ｂが形成され、入射した光を所定の角度で多重反射して伝搬するようになっている。
次に、図３に示した光学モジュール３１の概略動作について説明する。発光素子３３から出射されたコヒーレント光４４ａは、受動光学素子３６に入射し、透過率を変化させるＮＤフィルタ３９により光量調整された後、レンズ４０において集光し、さらに波長板４１により偏光してガスセル３７に入射する。そして、コヒーレント光４４ａは、ガスセル３７をそのまま透過して、台形プリズム３８に入射される。入射されたコヒーレント光４４ａは、台形プリズム３８の一方の傾斜部に形成された反射膜４２ａにより反射し、ガスセル３７内に入射される。また、台形プリズム３８の一方の傾斜部の角度は、入射したコヒーレント光４４ａを反射した際に、反射したコヒーレント光４４ｂがガスセル３７の長手方向の側面に形成された反射膜４３ａに所定の角度で入射するよう設定されている。
次に、ガスセル３７内に入射されたコヒーレント光４４ｂは、反射膜４３ａにより反射されて対向する側面に形成された反射膜４３ｂに入射される。そして、反射膜４３ｂに入射されたコヒーレント光４４ｂは、さらに所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜４３ａに入射し、ガスセル３７内を多重反射して伝搬する。ガスセル３７は、２つの波長を有するコヒーレント光４４ｂのどちらか、また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。
次に、ガスセル３７内に入射されたコヒーレント光４４ｂは、反射膜４３ａにより反射されて対向する側面に形成された反射膜４３ｂに入射される。そして、反射膜４３ｂに入射されたコヒーレント光４４ｂは、さらに所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜４３ａに入射し、ガスセル３７内を多重反射して伝搬する。ガスセル３７は、２つの波長を有するコヒーレント光４４ｂのどちらか、また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。
次に、反射膜４３ａに入射されたコヒーレント光４４ｂは、所定の角度で反射されてガスセル３７を透過し、台形プリズム３８に入射される。そして、入射したコヒーレント光４４ｂは、台形プリズム３８の他方の傾斜部に形成された反射膜４２ｂにより所定の角度で反射される。台形プリズム３８の他方の傾斜部の角度は、入射したコヒーレント光４４ｂを反射した際に、反射したコヒーレント光４４ｃが、受光素子３４の光軸上を伝搬するように設定されている。そこで、台形プリズム３８の他方の傾斜部に形成した反射膜４２ｂにより反射されたコヒーレント光４４ｃは、ガスセル３７を透過し、前述した受動光学素子３６を経由して受光素子３４により受光される。
このように第１の実施形態によれば、コヒーレント光４４ｂは、ガスセル３７内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬しており、従来の光学モジュールは、コヒーレント光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬することに比べて、ガスセル３７内でのコヒーレント光４４ｂの光路が長くなる。従って、コヒーレント光４４ｂと金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。また、第１の実施形態によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルの全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。
このように第１の実施形態によれば、コヒーレント光４４ｂは、ガスセル３７内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬しており、従来の光学モジュールは、コヒーレント光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬することに比べて、ガスセル３７内でのコヒーレント光４４ｂの光路が長くなる。従って、コヒーレント光４４ｂと金属原子ガスが接触する時間が増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。また、第１の実施形態によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルの全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。
次に、台形プリズム３８に形成した反射膜４２ａ、４２ｂと、ガスセル３７に形成した反射膜４３ａ、４３ｂについて説明する。
一般的に光学素子に反射膜を形成する手段としては、金属膜を形成する方法と誘電体多層膜を形成する方法とがあり、それぞれの特徴を生かして使用される。
金属膜を用いた反射膜としては、アルミニュームなどの金属材料を蒸着した後、表面に保護膜を形成したものが多く使用されている。金属膜は、形成工程が多層膜を形成する場合と比べて簡易であり、安価である。また、金属膜において反射された光は、偏光方向が回転する性質を有しており、その性質を考慮して使用する。
次に、誘電体多層膜を用いた反射膜は、２種類、或いは３種類の誘電体材料を交互に多層に積層して、光の干渉効果により反射膜として機能させたものである。誘電体多層膜は、前述した金属膜と比べてその製造工程が複雑であり、金属膜より高価なものであるが、誘電体多層膜において反射された光は、偏光方向が回転されないという性質を有している。
一般的に光学素子に反射膜を形成する手段としては、金属膜を形成する方法と誘電体多層膜を形成する方法とがあり、それぞれの特徴を生かして使用される。
金属膜を用いた反射膜としては、アルミニュームなどの金属材料を蒸着した後、表面に保護膜を形成したものが多く使用されている。金属膜は、形成工程が多層膜を形成する場合と比べて簡易であり、安価である。また、金属膜において反射された光は、偏光方向が回転する性質を有しており、その性質を考慮して使用する。
次に、誘電体多層膜を用いた反射膜は、２種類、或いは３種類の誘電体材料を交互に多層に積層して、光の干渉効果により反射膜として機能させたものである。誘電体多層膜は、前述した金属膜と比べてその製造工程が複雑であり、金属膜より高価なものであるが、誘電体多層膜において反射された光は、偏光方向が回転されないという性質を有している。
図４に、ガスセルに反射膜として誘電体多層膜を形成した場合の構成を模式的に示した図を示す。図４に示すように、ガスセル３７の長手方向の対向する側面に、誘電体多層膜からなる反射膜４３ａ、４３ｂを形成している。反射膜４３ａ、４３ｂは、例えば、低屈折率の誘電体材質と高屈折率の誘電体材料を交互に多層に成膜したものであり、低屈折率の誘電体材質と高屈折率の誘電体材料の膜厚を調整することにより、極めて高い反射率を得るようにしたものである。
本発明のように、ガス状の金属原子を封入したガスセル内に光を入射してＣＰＴ現象を発生させる場合は、入射させる光の偏光方向をそろえたほうが大きなＣＰＴ現象を発生させることができるといわれている。そこで、本発明に係る光学モジュールに反射膜を形成する際は、光学モジュールの性能やコストを勘案して、適宜に金属膜や誘電体多層膜のどちらかを選択すればよい。
本発明のように、ガス状の金属原子を封入したガスセル内に光を入射してＣＰＴ現象を発生させる場合は、入射させる光の偏光方向をそろえたほうが大きなＣＰＴ現象を発生させることができるといわれている。そこで、本発明に係る光学モジュールに反射膜を形成する際は、光学モジュールの性能やコストを勘案して、適宜に金属膜や誘電体多層膜のどちらかを選択すればよい。
次に、本発明に係る光学モジュールの第２の実施形態について説明する。第２の実施形態は、発光素子が出射する光をガスセル内に屈曲させるプリズムを、第１の実施形態のようにガスセルの面に配置せずに、ガスセルの短辺側の側面に配置したことが特徴である。従って、第１の実施形態と比べ更なる薄型化が可能となる。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示した図である。光学モジュール５１は、ベース基板５２の所定の位置に発光素子（コヒーレント光源）５３と、受光素子（光検出器）５４とを搭載し、スペーサ５５を介して導光手段となる受動光学素子５６と、ガス状の金属原子を封入したガスセル５７と、を順次積み上げた構造である。また、ガスセル５７の短辺側の側面のそれぞれには、光学ブロック５８ａ、５８ｂを介してプリズム５９ａ、５９ｂを配置している。また、受動光学素子５６は、発光素子５３から出射した光を集光したり、偏光状態を変えたりするなどのため、ＮＤフィルタ６０と、レンズ６１と、波長板６２と、を備えている。
また、プリズム５９ａ、５９ｂのそれぞれの傾斜部には、反射膜６３ａ、６３ｂが形成され、入射した光を所定の角度で反射するようになっている。また、ガスセル５７の長手方向の対向する側面には、反射膜６４ａ、６４ｂが形成され、入射した光は、所定の角度で多重反射して伝搬するようになっている。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光学モジュールの構成を模式的に示した図である。光学モジュール５１は、ベース基板５２の所定の位置に発光素子（コヒーレント光源）５３と、受光素子（光検出器）５４とを搭載し、スペーサ５５を介して導光手段となる受動光学素子５６と、ガス状の金属原子を封入したガスセル５７と、を順次積み上げた構造である。また、ガスセル５７の短辺側の側面のそれぞれには、光学ブロック５８ａ、５８ｂを介してプリズム５９ａ、５９ｂを配置している。また、受動光学素子５６は、発光素子５３から出射した光を集光したり、偏光状態を変えたりするなどのため、ＮＤフィルタ６０と、レンズ６１と、波長板６２と、を備えている。
また、プリズム５９ａ、５９ｂのそれぞれの傾斜部には、反射膜６３ａ、６３ｂが形成され、入射した光を所定の角度で反射するようになっている。また、ガスセル５７の長手方向の対向する側面には、反射膜６４ａ、６４ｂが形成され、入射した光は、所定の角度で多重反射して伝搬するようになっている。
次に、図５により光学モジュール５１の概略動作について説明する。発光素子５３から出射されたコヒーレント光６５ａは、受動光学素子５６に入射し、透過率を変化させるＮＤフィルタ６０により光量調整された後、レンズ６１において集光し、さらに波長板６２により偏光して光学ブロック５８ａを透過し、プリズム５９ａに入射する。プリズム５９ａの傾斜部には、反射膜６３ａが形成されており、また、プリズム５９ａの傾斜部の角度は、入射したコヒーレント光６５ａを反射した際に、反射したコヒーレント光６５ｂがガスセル５７の長手方向の側面に形成された反射膜６４ａに所定の角度で入射するよう設定されている。
プリズム５９ａの傾斜部に形成した反射膜６３ａにより反射したコヒーレント光６５ｂは、ガスセル５７内に入射され、反射膜６４ａにより反射されて対向する側面に形成された反射膜６４ｂに入射される。そして、反射膜６４ｂに入射されたコヒーレント光６５ｂは、所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜６４ａに入射する。反射膜６４ａに入射されたコヒーレント光６５ｂは、反射膜６４ａにより反射されて対向する側面に形成された反射膜６４ｂに入射され、さらに所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜６４ａに入射される。そして、コヒーレント光６５ｂは、所定の角度で反射されてガスセル５７を透過し、プリズム５９ｂに入射される。このように、ガスセル５７内に入射されたコヒーレント光６５ｂは、多重反射してガスセル５７を伝搬する。また、ガスセル５７は、２つの波長を有するコヒーレント光６５ｂのどちらか、また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。
プリズム５９ａの傾斜部に形成した反射膜６３ａにより反射したコヒーレント光６５ｂは、ガスセル５７内に入射され、反射膜６４ａにより反射されて対向する側面に形成された反射膜６４ｂに入射される。そして、反射膜６４ｂに入射されたコヒーレント光６５ｂは、所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜６４ａに入射する。反射膜６４ａに入射されたコヒーレント光６５ｂは、反射膜６４ａにより反射されて対向する側面に形成された反射膜６４ｂに入射され、さらに所定の角度で反射されて対向する側面に形成された反射膜６４ａに入射される。そして、コヒーレント光６５ｂは、所定の角度で反射されてガスセル５７を透過し、プリズム５９ｂに入射される。このように、ガスセル５７内に入射されたコヒーレント光６５ｂは、多重反射してガスセル５７を伝搬する。また、ガスセル５７は、２つの波長を有するコヒーレント光６５ｂのどちらか、また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。
プリズム５９ｂの傾斜部には、反射膜６３ｂが形成されており、コヒーレント光６５ｂは、所定の角度で反射される。プリズム５９ｂの傾斜部の角度は、入射したコヒーレント光６５ｂを反射した際に、反射したコヒーレント光６５ｃが、受光素子５４の光軸上を伝搬するように設定されている。そこで、コヒーレント光６５ｃは、光学ブロック５８ｂを透過し、前述した受動光学素子５６を経由して受光素子５４により受光される。
このように第２の実施形態によれば、コヒーレント光６５ｂは、ガスセル５７内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬しており、従来の光学モジュールは、コヒーレント光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬することに比べて、ガスセル５７内でのコヒーレント光６５ｂの光路は長くなる。従って、コヒーレント光６５ｂと金属原子ガスが接触する時間を増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。また、第２の実施形態によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルの全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。また、第２の実施形態は、コヒーレント光を反射してガスセル内に入射するプリズムを、ガスセルの短辺の両側面にそれぞれ配置したので、第１の実施形態より光学モジュールを、さらに薄型化することが可能となる。
このように第２の実施形態によれば、コヒーレント光６５ｂは、ガスセル５７内の長手方向の対向する側面を多重反射しながら伝搬しており、従来の光学モジュールは、コヒーレント光がガスセル内を直線的にそのまま伝搬することに比べて、ガスセル５７内でのコヒーレント光６５ｂの光路は長くなる。従って、コヒーレント光６５ｂと金属原子ガスが接触する時間を増加して、ガスセルの全長を長くすることなく原子発振器の性能を向上させることができる。また、第２の実施形態によるガスセルを使用することにより、従来のガスセルの全長を短くすることができ、光学モジュールの形状を小型化して、原子発振器の小型化、薄型化を実現することができる。また、第２の実施形態は、コヒーレント光を反射してガスセル内に入射するプリズムを、ガスセルの短辺の両側面にそれぞれ配置したので、第１の実施形態より光学モジュールを、さらに薄型化することが可能となる。
また、光学モジュール５１に形成する反射膜は、前述した金属膜、或いは誘電体多層膜を適宜選択して使用すればよい。また、ガスセル５７に形成した反射膜６４ａ、６４ｂは、ガスセル５７の長手方向の側面の全体に形成しても良いし、所定の位置に限定して形成しても良い。
なお、本実施の形態で説明した発光素子は、コヒーレント光を出射するレーザとすることが望ましい。レーザ光は波長の単色性がよく、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。コヒーレンスがよい、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ので、その点でレーザ光は最適である。
また、本実施の形態で説明したガスセルに使用するガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムとする。例えば、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、金属原子として何を用いるかは、使用目的により選択すればよい。また、本実の施形態では、金属原子としてルビジウム、セシウムを用いたが、３準位系を持った原子であればどのような原子を用いても構わない。
なお、本実施の形態で説明した発光素子は、コヒーレント光を出射するレーザとすることが望ましい。レーザ光は波長の単色性がよく、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。コヒーレンスがよい、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ので、その点でレーザ光は最適である。
また、本実施の形態で説明したガスセルに使用するガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムとする。例えば、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、金属原子として何を用いるかは、使用目的により選択すればよい。また、本実の施形態では、金属原子としてルビジウム、セシウムを用いたが、３準位系を持った原子であればどのような原子を用いても構わない。
１…原子発振器、２、３１、５１…光学モジュール、３…コヒーレント光源、４、３７、５７…ガスセル、５…光検出器、６…周波数制御回路、７…透過光、８…第１の導光手段、９…第２の導光手段、２０…第１の共鳴光、２１…励起準位、２２…第２の共鳴光、２３…第１の基底準位、２４…第２の基底準位、３２、５２…ベース基板、３３、５３…発光素子、３４、５４…受光素子、３５、５５…スペーサ、３６、５６…受動光学素子、３８…台形プリズム、３９、６０…ＮＤフィルタ、４０、６１…レンズ、４１、６２…波長板、４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂ…反射膜、４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、６５ａ、６５ｂ、６５ｃ…コヒーレント光、５８ａ、５８ｂ…光学ブロック、５９ａ、５９ｂ…プリズム
Claims (6)
- 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に、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用の光学モジュールであって、
前記共鳴光となる光を出射する発光素子と、量子干渉された前記光を検出する受光素子と、ガス状の金属原子を封入して入射した光を量子干渉させると共に長手方向側面に反射膜が形成されたガスセルと、傾斜部に反射膜が形成された台形プリズムと、を備え、
前記発光素子が出射した光を前記台形プリズムにより反射させて前記ガスセル内に入射させると共に、前記ガスセル内に入射させた前記光を前記ガスセルの長手方向側面に形成された前記反射膜により多重反射させて伝搬し、伝搬した前記光を前記台形プリズムの前記反射膜により反射させて前記受光素子に入射させるようにしたことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。 - 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に、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用の光学モジュールであって、
前記共鳴光となる光を出射する発光素子と、量子干渉された前記光を検出する受光素子と、ガス状の金属原子を封入して入射した光を量子干渉させると共に長手方向側面に反射膜が形成されたガスセルと、前記ガスセルの短手方向両側にそれぞれに設けられ、傾斜部に反射膜が形成されたプリズムと、を備え、
前記発光素子が出射した光を前記プリズムにより反射させて前記ガスセル内に入射させ、前記ガスセル内に入射させた前記光を前記ガスセル内の長手方向側面に形成された前記反射膜により多重反射させて伝搬し、伝搬した前記光を前記プリズムにより反射させて前記受光素子に入射させるようにしたことを特徴とする原子発振器用の光学モジュール。 - 前記反射膜は、金属膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
- 前記反射膜は、誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器用の光学モジュール。
- 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乃至請求項４の何れか一項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
- 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乃至請求項５の何れか一項に記載の原子発振器用の光学モジュール。
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