JPH10281883A - 光周波数基準セル装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の入出射面であるセルの両端面に金属原子
が析出することがなく、かつ、光吸収スペクトル特性に
飽和歪が発生することのない、常に安定したレベルのス
ペクトル線を高Ｓ／Ｎ比で観測できる光周波数基準セル
装置を実現する。 【解決手段】 セル１が光の入出射面１１ａ，１１ｂを
含む第１のセル部１１と該第１のセル部１１との間で蒸
気状態の金属原子が自由に行き来可能な第２のセル部１
２とを有している。第２のセル部１２の温度を第１のセ
ル部１１の温度より１０〜１５℃低く設定することで、
第２のセル部１２に金属原子が析出するようにして、光
の入出射面１１ａ，１１ｂに金属原子が析出しないよう
にするとともにセル１内の金属蒸気圧を適正に保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光領域の周波数計
測器や高い周波数安定度を有する光励起原子発振器等に
用いる波長安定化光源の光周波数基準セル装置に係り、
特に長期にわたって高い波長安定度を必要とする半導体
レーザ（ＬaserＤiode：以下「ＬＤ」という。）を用い
た波長安定化光源の光周波数基準セル装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、所望波長の光を得るためには、キ
ャリアガスと共に所望波長近辺に吸収スペクトラムを有
する分子・原子を封入したランプセルを高周波励振して
放電させ、所望波長を含む幅広いスペクトラムを持った
放電光を用いてきたが、近年半導体技術の進歩によりＬ
Ｄが実用化され、狭いスペクトル線幅の安定した所望波
長のみを得ることが可能となってきた。

【０００３】ＬＤは、その駆動（注入）電流、動作温度
を制御することによって発振波長を精密に制御すること
ができる。しかし、常に安定した所望波長を得るために
は、ＬＤ発振波長を所望波長情報と常に照らしてその差
がゼロとなるように前記駆動電流・動作温度の一方ある
いは双方に帰還制御する必要がある。

【０００４】基準とする所望波長情報は、円筒形真空ガ
ラス容器（セル）に所望波長の吸収スペクトラムを有す
る分子・原子を封入した基準セルを用意し、ＬＤの発振
光の一部を分岐して該基準セルの一端に入射、対向する
他端でその透過光量を受光素子で検出する。ＬＤの動作
電流（必要に応じて動作温度）を連続的に変化させてＬ
Ｄ発振波長を変え、透過光量を観測する。横軸に発振光
波長、縦軸にその透過光量を記録すると吸収スペクトラ
ムが観測できる。各吸収スペクトルのレベル底値にあた
る光波長が該分子・原子固有の吸収波長であり、前記所
望の発振光波長となる。

【０００５】光励起原子発振器等に用いる波長安定化光
源にはアルカリ金属原子が封入された基準セルが用いら
れ、一般に、基準セルに封入されたアルカリ金属原子
は、常温ではセル内壁面に薄い金属皮膜を形成して付着
しており、光を照射しても弱い吸収しか得られない。そ
こで、効率よく吸収を起こさせ、高いＳ／Ｎ比で吸収ス
ペクトラムを得るためには、封入した金属原子を蒸気状
態にする必要があり、該金属固有の融点以上に加熱しな
ければならない。また、安定した吸収スペクトラムレベ
ルを得るために、該蒸気圧は一定でなければならない。
該蒸気圧はセル温度に大きく依存することから安定した
吸収スペクトラムレベルを得るためには、該基準セルの
温度を周囲温度より高くかつ該金属の融点より高い温度
で加熱恒温化制御する必要がある。

【０００６】そこで、従来の光周波数基準セル装置は、
図８に示すように構成されていた。図８は入射光の光軸
と平行な方向の断面図である。装置の大きさは、通常、
磁気シールド槽４で長さ４ｃｍ、直径３ｃｍ程度であ
る。基準セル１はアルカリ金属原子を封入した円筒形の
ガラス容器であり、両端面１ａ，１ｂは入出射光の反射
を防ぐために光軸に対して直角よりやや角度を持たせ断
面が台形のようになっている。左上部の突起１ｃは、ア
ルカリ金属の封入に用いた管を封じ切った部分である。
基準セル１には測温素子２が貼付されている。ヒータ線
３は図８に示すように巻き枠３ａに巻かれるか、熱伝導
を考慮して加熱効果を上げるため基準セル１に直接巻き
としている。円筒形のガラス容器の中心軸（セル軸）方
向にヒータ線を巻くのは容易ではなく、また光入出射部
１ａ，１ｂにヒータ線が干渉するため、円筒側面にセル
軸に対して直交方向に巻かれるのが一般である。

【０００７】ヒータ線３を巻いた基準セル１は、該基準
セル１が挿入可能な最小の径を有し、磁路を形成し易く
するため両端が絞られた磁気シールド槽４に挿入されて
いる。この際、該基準セル１の固定は櫛バネ状に加工し
た非磁性体のセル保持具５を用いて磁気シールド槽４の
内側中央部に固定される。測温素子２とヒータ線３は図
示しない温度制御器に接続されており、測温素子２の検
出温度情報をもとに温度制御器によって、温度制御手段
であるヒータ線３に通電され、基準セル１の加熱恒温化
制御をしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように構成された
従来の光周波数基準セル装置では、加熱面が円筒側壁部
となるため、光の入出射部である該基準セル１の両端面
１ａ，１ｂは設定されるセル温度より低い周囲温度に晒
され前記円筒側壁部より温度が下がる。そのため、セル
温度を低く設定すると、基準セル１の両端面１ａ，１ｂ
にアルカリ金属原子の皮膜ができてしまう。反対に、セ
ル温度を高く設定すると、金属蒸気圧が上昇しすぎて吸
収線に歪みを生じてしまう。

【０００９】このことを、少しく詳細に説明する。前記
基準セル１は前述のごとく吸収スペクトラムを得るため
に、その一端から光を入射し、対向する他端に光を透過
させる必要がある。周囲温度が融点よりもある程度低い
とき、例えば融点が３９℃程度であるルビジウム（Ｒ
ｂ）の場合３０℃以下と低いときや、加熱動作終了時に
はどうしても外気に直接触れている基準セル１の両端面
１ａ，１ｂから冷え始め、該両端面の壁面温度が当該円
筒形ガラス容器の他部より５〜６℃以上低いと、飽和蒸
気圧が下がった分、蒸気状態でいられなくなったアルカ
リ金属原子が析出して冷えたセル端面ガラスの内壁に付
着し、その部分に金属皮膜が形成される。その結果、蒸
気圧が低下するばかりでなく照射光のセル透過率も低下
する。すなわち、光基準情報信号のＳ／Ｎ比が劣化す
る。

【００１０】セル端面の金属皮膜の形成を阻止するため
に、セルの温度を上げていくと光吸収率が増大し、吸収
スペクトラムレベルも大きくなる。しかし、実験による
と吸収率が８０％を越えると吸収スペクトラム特性に飽
和がみられ、該スペクトラム特性の極大値部分のつぶれ
が目立つようになってくる。これは金属蒸気圧が上昇し
過ぎたためで、吸収スペクトラム特性の極大値部分で線
形吸収（ＬＡＳ：Linear Absorption Spectrum）に重畳
されて検出される微小な飽和吸収（ＳＡＳ：Saturated
Absorption Spectrum）波形が弁別不能となってくる。
これでは精密に波長制御しようとする際に基準としてい
る飽和吸収分光情報が得られなくなる。

【００１１】周波数標準に一般に使用される代表的な金
属原子の微小圧力下での融点は、セル内圧：１３３×１
０の−６乗PaでＲb 原子では３９℃、セシウム（Ｃs ）
原子では２８℃程度である。セル温度を前記融点以上に
上げていくと光吸収量が増加し、それに連れて吸収スペ
クトラムレベルも増大していく。そして、ある温度にな
ると光吸収量が上限に達し、これ以上にセル温度を上げ
ると吸収線に歪みを生じて吸収スペクトラムの極大値部
分の特性がつぶれてくる。セルの形状によって多少の差
はあるが、実験に用いたセルの吸収スペクトラムに歪み
を生じない限界温度は、Ｒb 原子で約４８℃、Ｃs 原子
で約３５℃であった。

【００１２】セルの設定動作温度は各原子の融点以上で
かつ吸収スペクトラムが飽和を起こさない温度範囲でな
ければならない。冷却機能を持たない加熱方式の温度制
御手段を用いることが一般的であるため、装置の使用環
境温度上限値（常温＋１０℃程度）やそのときの装置内
の温度上昇（環境温度＋５〜１０℃）を考えると、実用
温度範囲はかなり狭い。殊にＣs 原子の場合は環境温度
が上限値に近ければ加熱しなくても前記限界温度に達す
ることも考えられ、セルの設定温度自体が微妙である。

【００１３】従来の光周波数基準セル装置には、上述の
セルの温度制御に関する問題の他、基準セルに加わる磁
場変動の問題がある。基準セル１に加わる磁場変動は、
地磁場変動を含んだ外部環境磁場変動と前述のヒータ線
３から発生する装置内擾乱磁場とがある。ヒータ線３は
熱伝達の観点から、基準セル１の極く近傍に配され、か
つ流れる電流は環境温度の変化に連れて常に変化する。
したがって、磁気的に安定な光基準情報を得るためには
外部磁場の磁気遮蔽ばかりでなく、自ら装備するヒータ
線３による磁場変動も極力抑える必要がある。

【００１４】この発明の目的は、前述の問題点を解決
し、光の入出射面であるセルの両端面に金属原子が析出
することがなく、かつ、光吸収スペクトル特性につぶれ
（飽和歪）が発生することのない、常に安定したレベル
のスペクトル線を高Ｓ／Ｎ比で観測できる光周波数基準
セル装置を実現することである。また、基準セルに加わ
る磁場変動を極力抑えてゼーマンシフトが軽減された光
周波数基準セル装置を実現すること、さらに、ゼーマン
シフトが軽減されることによって、ゼーマン変調が可能
な光周波数基準セル装置を実現することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明の請求項１の光周波数基準セル装置は、ア
ルカリ金属原子を封入したセルを有する光周波数基準セ
ル装置において、前記セルが光の入出射面を含む第１の
セル部と該第１のセル部との間で前記アルカリ金属原子
が行き来可能な第２のセル部とを有したセルであって、
前記第１のセル部を入射光の光軸方向全体にわたって覆
うように配された磁気シールド槽と、前記第１のセル部
の温度を検出するための第１の測温素子と、前記第１の
セル部の温度を制御するための第１の温度制御手段とを
備えている。

【００１６】また、本発明の請求項２の光周波数基準セ
ル装置は、請求項１の光周波数基準セル装置に加え、前
記第２のセル部の温度を検出するための第２の測温素子
と、前記第２のセル部の温度を制御するための第２の温
度制御手段とを備えて、前記第１の温度制御手段により
前記第１のセル部のアルカリ金属原子を蒸気状態とし、
前記第２の温度制御手段により該蒸気圧を制御するよう
にしている。さらに、本発明の請求項３の光周波数基準
セル装置は、請求項１または請求項２の光周波数基準セ
ル装置に加え、前記磁気シールド槽の外側に前記第１の
温度制御手段が設けられている。

【００１７】

【作用】第１の温度制御手段（加熱用ヒータ、熱電子冷
却素子、等）で加熱された第１のセル部の金属原子は蒸
気状態となって存在する。第１のセル部に照射された入
射光は、原子の固有吸収波長に対してのみ光吸収を起こ
し、その前後の波長に対しては光吸収を起こさない。波
長制御に必要な基準情報を得る第１のセル部は、前述の
ように磁気遮蔽された環境下で加熱恒温化される。一
方、該第１のセル部と自由に金属蒸気が行き来できるよ
う接続された第２のセル部は、第１のセル部より例えば
１０〜１５℃低い温度環境下に置かれる。該温度環境
は、第２のセル部を外気に触れさせることで作ってもよ
いし、強制的に温度制御することで作ってもよい。これ
により、第１のセル部が冷えていくまたは周囲温度が低
い場合、第２のセル部は第１のセル部より低温下に置か
れているため蒸気状態であった金属原子の析出は第２の
セル部で先に始まり、結果として連結管で結ばれている
第１のセル部の飽和蒸気圧を引き下げて第１のセル部両
端面（光の入出射面）への金属膜の付着（曇り）を防
ぐ。

【００１８】一方、第１のセル部が十分な光吸収率を確
保するために加熱状態にある場合、第２のセル部は第１
のセル部内蒸気圧のバッファエリアとして働く。例え
ば、設定温度範囲が特に厳しいＣs 原子の場合でも、第
２のセル部の温度を第１のセル部温度より１０〜１５℃
低く設定することによって、第１のセル部の設定温度を
４５℃程度としても過飽和状態とならず飽和蒸気圧を適
正に保つことができる。これにより、セルの実用温度範
囲を拡大することが可能となる。

【００１９】なお、第１のセル部に被せた磁気シールド
槽は、強磁性体材料で作られており、該セル部に及ぶ地
磁場の残留量また外部磁場変動の影響を抑圧し、磁場に
よって生ずる光吸収スペクトル波長のゼーマンシフトを
低減する。第１の温度制御手段が例えばヒータ線である
場合、磁気シールド槽の外側に巻けば、該ヒータ線によ
る磁場変動が第１のセル部に影響しない。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１に本発明の第一の実施の形態
を示す。図１は入射光の光軸と平行な方向の断面図であ
る。基準セル１はアルカリ金属原子を封入したガラス容
器であり、円筒形の第１のセル部１１、第２のセル部１
２、および前記第１のセル部１１と第２のセル部１２と
をつなぐ連結管１３とで構成され、第１のセル部１１と
第２のセル部１２とは連結管１３を通して蒸気状態の金
属原子が自由に行き来できるようになっている。

【００２１】第１のセル部１１は光波長基準信号を得る
部分で、一端から光を入射し対向する他端側でその透過
光量を観測するのに都合の良い（例えば、円筒形のよう
にほぼ平行端面を有する）形をした透明ガラス容器であ
る。第１のセル部１１の両端面１１ａ，１１ｂは入出射
光の反射を防ぐために光軸に対して直角よりやや角度を
持たせ断面が台形のようになっている。セルの両端面
は、その端面で照射光によって生ずる不用意な反射を起
こさないよう本実施の形態のようにセル軸に対して直角
でなく数度の傾斜を持たせて製作するかまたはセル軸に
対して直角に製作した場合は照射光軸に対して直角でな
く数度の傾斜を持たせて設置するのが一般的である。左
上部の突起１１ｃは、アルカリ金属の封入に用いた管を
封じ切った部分である。

【００２２】第２のセル部１２は、第２の温度制御手段
８と効率よく熱交換し易い形状、材質とするのがよい
が、第１のセル部１１と異なり光を透過させる必要がな
いだけ形や材質が自由である。例えば、第１のセル部１
１となるセル管球の排気・金属ガス封入ポートを長めに
残してそのまま流用し、第２のセル部１２および連結管
１３としてもよい。図２（第二の実施の形態：第２のセ
ル部１２のみ第一の実施の形態と異なる。）にその例を
示す。材質は、例えば金属等にすれば熱伝導が良く、温
度制御の応答性、自然放熱とする場合の放熱効果に優れ
る。第２のセル部１２を金属容器とすることで、封入し
たアルカリ金属原子との反応が懸念される場合は、該金
属容器の内面をガラスコートすればよい。反対に、ガラ
ス容器の外面に金属容器を熱融着することとしてもよ
い。また、図１では第２のセル部１２は第１のセル部１
１の上に位置しているが、その位置関係は適宜決めれば
よい。

【００２３】第１のセル部１１の上部には第１の測温素
子２が貼付されており、第１の温度制御手段３としての
ヒータ線が巻かれた磁気シールド槽４の中央部にセル保
持具５で固定されている。地磁気ほか外部磁場変動から
磁気遮蔽するために設けられる前記磁気シールド槽４
は、二つの部分４ａ，４ｂを嵌め合わせて構成されてお
り、第１のセル部１１が収納可能な最小の径を有し、磁
路を形成し易くするため両端が絞られて、第１のセル部
１１を包み込むようにされている。ヒータ線３は、ヒー
タ線自体を２つ折りして捩り合わせたバイファイラ巻き
として相殺作用をもたせ誘導される変動磁場を抑えてい
る。

【００２４】第２のセル部１２の上部には第２の測温素
子７が貼付されており、第２のセル部１２全体が第２の
温度制御手段８で覆われている。第２の温度制御手段８
は、例えば吸加熱動作が可能な熱電子冷却素子等を用い
る。第２のセル部１２を除く全体が保温筒６に収められ
ている。保温筒６には、第１のセル部１１の光入出射面
１１ａ，１１ｂに対応して、入出射光を通すための光入
出射孔６ａ，６ｂが空けられている。第１の測温素子
２，第１の温度制御手段３，第２の測温素子７，第２の
温度制御手段８は図示しない温度制御器に接続されてい
る。

【００２５】このように構成された第一の実施の形態の
光周波数基準セル装置においては、波長基準とする光吸
収スペクトル線を検出するための第１のセル部１１は、
第１の測温素子２の検出温度情報をもとに温度制御器に
よって電流が制御されるヒータ線３と保温筒６の構成に
よって、封入した金属原子を蒸気状態にし、十分な光吸
収率が得られる温度に加熱恒温化される。恒温化する温
度は、例えばＲｂの場合、４０〜５０℃の一点である。

【００２６】そして、第２のセル部１２は、第２の測温
素子７の検出温度情報をもとに温度制御器によって制御
される第２の温度制御手段８の構成によって、その温度
を第１のセル部１１の温度より１０〜１５℃位低めに設
定して温度安定化される。第２のセル部１２の温度を第
１のセル部１１の温度より５〜６℃以上低い温度とすれ
ば、セル１の温度が低下するときに先ず光透過に関係の
ない第２のセル部１２または連結管１３に金属蒸気から
析出した金属原子が付着して、セル１内の蒸気圧を下
げ、ひいては第１のセル部１１の端面１１ａ，１１ｂに
金属膜が形成されることを抑制する。また、これによっ
て、第１のセル部１１の金属蒸気圧を制御すること、換
言すれば一定に保つことが可能となり、常に十分な吸収
スペクトラムレベルを確保しつつかつ歪のない高Ｓ／Ｎ
比の吸収スペクトラムが得られ、長期に亘ってより安定
な基準波長情報を得ることが可能となる。なお、第１の
セル部１１を加熱恒温化する温度と周囲温度との温度
差、セルに封入する金属原子の種類、等の条件によって
は、図３（第三の実施の形態：第一の実施の形態から第
２の測温素子７および第２の温度制御手段８を除いたも
の）に示すように第２の測温素子７および第２の温度制
御手段８はなくてもよい。

【００２７】図４に本発明の第四の実施の形態を示す。
図４は入射光の光軸と平行な方向の断面図である。基準
セル１はアルカリ金属原子を封入したガラス容器であ
り、円筒形の第１のセル部１１、第２のセル部１２、お
よび前記第１のセル部１１と第２のセル部１２とをつな
ぐ連結管１３とで構成され、第１のセル部１１と第２の
セル部１２とは連結管１３を通して蒸気状態の金属原子
が自由に行き来できるようになっている。

【００２８】第１のセル部１１は光波長基準信号を得る
部分で、一端から光を入射し対向する他端側でその透過
光量を観測するのに都合の良い（例えば、円筒形のよう
にほぼ平行端面を有する）形をした透明ガラス容器であ
る。第１のセル部１１の両端面１１ａ，１１ｂは入出射
光の反射を防ぐために光軸に対して直角よりやや角度を
持たせ断面が台形のようになっている。第２のセル部１
２は、第二の実施の形態と同じように、第１のセル部１
１となるセル管球の排気・金属ガス封入ポートを長めに
残してそのまま流用し、第２のセル部１２および連結管
１３としている。

【００２９】第１のセル部１１の上部には第１の測温素
子２が貼付されており、第１の温度制御手段３としての
ヒータ線が巻かれた磁気シールド槽４の中央部にセル保
持具５で固定されている。前記磁気シールド槽４は、第
一の実施の形態の磁気シールド槽とは異なり分割されて
おらず、第１のセル部１１が挿入可能な最小の径を有
し、磁路を形成し易くするため両端が絞られて、第１の
セル部１１を包み込むようにされている。ヒータ線３
は、ヒータ線自体を２つ折りして捩り合わせたバイファ
イラ巻きとして相殺作用をもたせ誘導される変動磁場を
抑えている。

【００３０】第２のセル部１２の上部には第２の測温素
子７が貼付されており、第２のセル部１２全体が第２の
温度制御手段８で覆われている。第２の温度制御手段８
は、例えば吸加熱動作が可能な熱電子冷却素子等を用い
る。第２のセル部１２を除く全体が保温筒６に収められ
ている。保温筒６には、第１のセル部１１の光入出射面
１１ａ，１１ｂに対応して、入出射光を通すための光入
出射孔６ａ，６ｂが空けられている。第１の測温素子
２，第１の温度制御手段３，第２の測温素子７，第２の
温度制御手段８は図示しない温度制御器に接続されてい
る。このように構成された第四の実施の形態の光周波数
基準セル装置において、その動作は第一の実施の形態と
同様であるから省略する。

【００３１】前述の第一〜第四の実施の形態では、磁気
シールド槽４の外側に第１の温度制御手段３であるヒー
タ線を巻くようにしているが、加熱効果を上げるため
に、第１のセル部１１に直に巻いたり、図５（第五の実
施の形態：ヒータ線３が巻き枠３ａに巻かれて、磁気シ
ールド槽４内に有る点が第四の実施の形態と異なる。）
に示すように巻き枠３ａに巻いて第１のセル部１１に被
せてもよい。その場合、ヒータ線をバイファイラ巻きと
しても基準セル１はヒータ線から誘導される変動磁場の
影響を僅かながら受ける。従来は、ヒータ線を磁気シー
ルド槽の外側に巻くと、セルの両端面に金属が析出せず
かつセル内の金属蒸気圧が上がり過ぎないようにセル温
度を精度よく制御することが難しいので、内側に巻かざ
るをえなかった。これに対して、本発明の光周波数基準
セル装置では、第２のセル部の働きで、セル１内の金属
蒸気圧の上がり過ぎを抑えることができるから、ヒータ
線３を磁気シールド槽４の外側に巻いても、セル温度の
制御に問題はない。外側に巻くことによって、ヒータ線
３から誘導される変動磁場が基準セル１に影響しないか
ら、図６（第六の実施の形態：巻き枠９ａに巻かれたゼ
ーマン変調用コイル９が設けられている点が第四の実施
の形態と異なる。）に示すように巻き枠９ａにゼーマン
変調用コイル９を巻いたものを第１のセル部１１に被せ
れば、ゼーマン変調が可能な光周波数セル装置となる。
ゼーマン変調可能な光周波数セル装置を波長安定化光源
に用いればＬＤ発振光に変調をかけずに波長安定化がで
き、出射光として無変調光が得られる波長安定化光源が
得られる。

【００３２】また、第一〜第六の実施の形態は保温筒６
を備えているが、前述のように第１のセル部１１と第２
のセル部１２とが温度差をもって恒温化されればよいの
であるから、周囲の条件によっては保温筒６はなくても
よい。例えば、第１のセル部１１と第２のセル部１２と
の外部空間を分ける仕切りがあるだけでもよい。

【００３３】ここで、第１のセル部の温度と第２のセル
部の温度を別々に制御することの効果等について説明す
る。図７は第２のセル部の温度と吸収線の信号強度との
関係を示す図である。横軸は第２のセル部の温度、縦軸
は吸収線信号の相対信号強度である。図中、白丸、白四
角、および白菱形印はｃ線についてのものであり、白丸
は第１のセル部の温度が４０℃、白四角は第１のセル部
の温度が４５℃、白菱形は第１のセル部の温度が５０℃
の場合である。また、黒丸、黒四角、および黒菱形印は
ａ線についてのものであり、黒丸は第１のセル部の温度
が４０℃、黒四角は第１のセル部の温度が４５℃、黒菱
形は第１のセル部の温度が５０℃の場合である。

【００３４】この図から、第１のセル部と第２のセル部
とを設けて、それぞれ温度制御することによって、以下
のような効果が得られることが分かる。 ある吸収線信号強度に注目すると、第２のセル部の
温度を適性に制御した場合は信号強度の大きな信号が得
られる。・反対に第２のセル部の温度制御をしなかった
場合、連結管で結ばれた第２のセル部の温度は熱伝導に
より長期的には第１のセル部の温度に近い温度に達す
る。そして、図７に示すように、第１のセル部の温度を
４０℃に設定したａ線をのぞいては、第１のセル部の温
度に近づくにつれて信号強度が急激に低下する。・通
常、単純加熱制御されている基準セルの温度は、該基準
セルが内蔵されている波長安定化光源等の装置の筐体内
温度以下に設定することが不可能であり、該装置の使用
温度範囲の上限を３５℃とすると、該装置の内部発熱に
より装置筐体内温度は４０〜４３℃となる。第１のセル
部の温度を４０℃以上の温度に設定すると微弱な信号し
か得られない。 第１のセル部の温度をある一定温度に固定しておい
て、第２のセル部の温度を調整することで所望の吸収線
を選択することができる。・第１のセル部の温度を例え
ば４０℃に設定した場合で、第２のセル部の温度を２５
℃付近に調整するとｃ線が、また３５℃付近にするとａ
線が高い信号レベルを有する。

【００３５】本発明によれば、磁気遮蔽した環境下で光
波長基準情報を得る第１のセル部を十分な光吸収率が得
られる温度に加熱恒温化し、２室化したもう一方の第２
のセル部を別途第１のセル部より低温に温度制御するこ
とで、長期に亘って安定した所望光波長情報を得ること
が可能となった。第１のセル部の周囲温度が低い場合で
も中空の連結管でつながれ、第１のセル部より１０〜１
５℃低い温度に保たれている第２のセル部の方で金属原
子は飽和蒸気状態より析出して第２のセル部内壁へ金属
膜形成がなされ、蒸気圧を引き下げる働きをする。その
結果、第１のセル部の両端面に金属皮膜は形成されず、
光の透過の妨げとはならない。

【００３６】一方、第１のセル部はＳ／Ｎ比の良い光波
長情報を得る目的で光吸収率を促すため加熱して用いる
が、ある温度以上に加熱が進むと吸収率が上がり過ぎ、
吸収線スペクトル特性上で底値部がつぶれ、飽和がみら
れるようになる。これでは精密な光波長情報であるＳＡ
Ｓ信号が飽和歪の中に埋もれてしまい必要な吸収波長情
報を歪めてしまう恐れがある。第２のセル部の温度を第
１のセル部より例えば１０〜１５℃低く設定して置くこ
とで第２のセル部内で金属原子の析出が起き、融点が２
８℃と低くかつ３５℃で吸収スペクトラムに歪みを生ず
るＣs 原子の場合でも、第１のセル部の温度を４５℃程
度と高く設定しても飽和蒸気圧が適正に抑えられて過剰
な光吸収を防ぐことが可能となる。これは、取りも直さ
ず装置の使用環境温度範囲の拡大につながる。また、ヒ
ータ線を磁気シールド槽の外側に巻いて、ヒータ線から
誘導される変動磁場が基準セル１に影響しないように
し、ゼーマン変調用コイル９を備えれば、ゼーマン変調
が可能な光周波数セル装置となる。

【００３７】

【発明の効果】この発明の光周波数基準セル装置は、ア
ルカリ金属原子を封入したセルを、光の入出射面を含む
第１のセル部と該第１のセル部との間で前記アルカリ金
属原子が行き来可能な第２のセル部とを有したセルと
し、前記第１のセル部を入射光の光軸方向全体にわたっ
て覆うように配された磁気シールド槽と、前記第１のセ
ル部の温度を検出するための第１の測温素子と、前記第
１のセル部の温度を制御するための第１の温度制御手段
とを備えることとしたから、光の入出射面であるセルの
両端面に金属原子が析出することがなく、かつ、光吸収
スペクトル特性につぶれ（飽和歪）が発生することがな
く、常に安定したレベルのスペクトル線を高Ｓ／Ｎ比で
観測できる。

【００３８】そして、前記第２のセル部の温度を検出す
るための第２の測温素子と、前記第２のセル部の温度を
制御するための第２の温度制御手段とを備え、前記第１
の温度制御手段により前記第１のセル部のアルカリ金属
原子を蒸気状態とし、前記第２の温度制御手段により該
蒸気圧を制御するようにしたから、例えば、Ｃｓのよう
な実用温度範囲の狭い金属原子をセルに封入して用いた
としても、光の入出射面であるセルの両端面に金属原子
が析出することがなく、かつ、光吸収スペクトル特性に
つぶれ（飽和歪）が発生することがなく、常に安定した
レベルのスペクトル線を高Ｓ／Ｎ比で観測できる光周波
数基準セル装置が実現できる。このことは、長期に亘っ
て安定した所望光波長情報を得ることが可能となるこ
と、装置の使用環境温度範囲が拡大することともなって
いる。

【００３９】さらに、前記磁気シールド槽の外側に前記
第１の温度制御手段を設けることとしたから、該第１の
温度制御手段による磁場変動が基準セルに影響せず、ゼ
ーマン変調が可能な光周波数基準セル装置にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光周波数基準セル装置の第一の実施の
形態を示す図である。

【図２】本発明の光周波数基準セル装置の第二の実施の
形態を示す図である。

【図３】本発明の光周波数基準セル装置の第三の実施の
形態を示す図である。

【図４】本発明の光周波数基準セル装置の第四の実施の
形態を示す図である。

【図５】本発明の光周波数基準セル装置の第五の実施の
形態を示す図である。

【図６】本発明の光周波数基準セル装置の第六の実施の
形態を示す図である。

【図７】本発明の光周波数基準セル装置の第２のセル部
温度と吸収線信号強度の関係を示す図である。

【図８】従来の光周波数基準セル装置の一例を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ セル（基準セル） １ａ 端面（光入出射面） １ｂ 端面（光入出射面） １ｃ 突起 ２ 第１の測温素子 ３ 第１の温度制御手段（ヒータ線） ３ａ 巻き枠 ４ 磁気シールド槽 ４ａ 磁気シールド槽の部分 ４ｂ 磁気シールド槽の部分 ５ セル保持具 ６ 保温筒 ６ａ 光入出射孔 ６ｂ 光入出射孔 ７ 第２の測温素子 ８ 第２の温度制御手段 ９ ゼーマン変調用コイル ９ａ 巻き枠 １１ 第１のセル部 １１ａ 端面（光入出射面） １１ｂ 端面（光入出射面） １２ 第２のセル部 １３ 連結管

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アルカリ金属原子を封入したセル（１）を
   有する光周波数基準セル装置において、 前記セルが光の入出射面を含む第１のセル部（１１）と
   該第１のセル部との間で前記アルカリ金属原子が行き来
   可能な第２のセル部（１２）とを有したセルであって、 前記第１のセル部を入射光の光軸方向全体にわたって覆
   うように配された磁気シールド槽（４）と、 前記第１のセル部の温度を検出するための第１の測温素
   子（２）と、 前記第１のセル部の温度を制御するための第１の温度制
   御手段（３）とを備えた光周波数基準セル装置。
2. 【請求項２】前記第２のセル部の温度を検出するための
   第２の測温素子（７）と、 前記第２のセル部の温度を制御するための第２の温度制
   御手段（８）とを備え、前記第１の温度制御手段により
   前記第１のセル部のアルカリ金属原子を蒸気状態とし、
   前記第２の温度制御手段により該蒸気圧を制御するよう
   にしたことを特徴とする請求項１に記載の光周波数基準
   セル装置。
3. 【請求項３】前記磁気シールド槽の外側に前記第１の温
   度制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１
   または請求項２に記載の光周波数基準セル装置。