原子発振器および原子発振器の製造方法
【課題】 優れた特性を発揮することのできる原子発振器および原子発振器の製造方法を提供すること。
【解決手段】原子発振器１は、ガス状の金属原子を封入したガスセル３が収納された第１パッケージ２１と、ガスセル３中の金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する光出射部６が収納された第２パッケージ２２と、少なくとも１つの光学部品８が設けられた第３パッケージ２３とを有している。また、第２パッケージ２２の一方側に第３パッケージ２３が固定され、第３パッケージ２３の第２パッケージ２２と反対側に第１パッケージ２１が固定されている。光出射部６から出射した励起光ＬＬが、光学部品８を通過したのちガスセル３内に入射するよう構成されている。
【解決手段】原子発振器１は、ガス状の金属原子を封入したガスセル３が収納された第１パッケージ２１と、ガスセル３中の金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する光出射部６が収納された第２パッケージ２２と、少なくとも１つの光学部品８が設けられた第３パッケージ２３とを有している。また、第２パッケージ２２の一方側に第３パッケージ２３が固定され、第３パッケージ２３の第２パッケージ２２と反対側に第１パッケージ２１が固定されている。光出射部６から出射した励起光ＬＬが、光学部品８を通過したのちガスセル３内に入射するよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器および原子発振器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の原子発振器は、励起光を出射する光源と、励起光に光学的処理を施す光学レンズおよび偏光板を備える光学部品と、ガス状のアルカリ金属原子が封入されたガスセルと、ガスセルを通過した励起光を検出する光検出部とを有している。
【０００３】
このような原子発振器にて、その性能を向上させるためには、光源、光学部品、ガスセルおよび光検出部の互いの位置関係が重要であり、これらを高い位置精度で配置することが必要である。しかしながら、特許文献１の原子発振器では、光源、光学部品、ガスセルおよび光検出部が１つのパッケージ内に収納されているため、パッケージ内に収納された後は、互いの位置関係を外部から調節することが困難である。すなわち、特許文献１に記載の原子発振器は、光源（垂直共振器面発光レーザー：ＶＣＳＥＬ）、光学部品（レンズ、波長板等）、ガスセル、光検出部がパッケージ内に縦積みされた構成になっている。また、ガスセルや光源（ＶＣＳＥＬ）の温度を一定に保つ必要があるため、パッケージの内部は外部温度の影響を受けないように外部から熱的に遮断された構造になっている。ガスセルに入射されるレーザーのプロファイル（ビーム径の大きさ、入射角度、入射位置、偏光方向）は原子発振器の安定度特性に大きく影響を与える。よって、これら全ての部品がパッケージに収容された状態でレーザーのプロファイルを再調整することが必要である。しかしながら、特許文献１の原子発振器は、パッケージ内部を外部から熱的に遮断した構造のため、レンズ等の光学部品をパッケージの外部に露出させることが困難であり、レンズ、波長板等の光学部品の位置を外部から微調整することができない。
【０００４】
そこで、このようなパッケージ構造において、レーザーのプロファイルを微調整するためには、ガスセルをパッケージ内部から一旦取り出し、レンズ等の光学部品の位置を再調整する作業が必要になる。しかしながら、レンズ等の光学部品の位置を再調整した後に再びガスセルを収納するとガスセルの位置も微妙にずれてしまうので、レーザーのプロファイルが所望の特性が得られるまで調整作業を繰り返す必要がある。
このように、特許文献１記載の原子発振器は、所望の性能を得るためには、非効率で煩雑な調整作業を繰り返す必要があり、量産性を高めることが極めて困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許６３２０４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、優れた特性を発揮することのできる、量産性の高い原子発振器および、かかる原子発振器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
［適用例１］
本発明の原子発振器は、ガスセルが収納された第１パッケージと、
前記ガスセル中の金属原子を励起する励起光を出射する光出射部が収納された第２パッケージと、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度を所望の特性に調整するための光学部品が設けられた第３パッケージとを有し、
前記光出射部から出射した前記励起光が、前記光学部品を通過したのち前記ガスセル内に入射するように、前記第３パッケージが前記第１パッケージと前記第２パッケージとの間に挟まれた構成を備えていることを特徴とする。
これにより、第１パッケージ、第２パッケージおよび第３パッケージの位置関係を調節することにより、ガスセル、光出射部および光学部品の位置関係を所望のものとすることができるため、簡単に、優れた特性を有する原子発振器が得られる。
【０００８】
［適用例２］
本発明の原子発振器では、前記第１パッケージには、前記ガスセル内を通過した前記励起光を検出する光検出部が収納されていることが好ましい。
これにより、予め、ガスセルと光検出部の位置関係を固定することができるため、原子発振器の製造の容易化を図ることができる。
【０００９】
［適用例３］
本発明の原子発振器では、前記第３パッケージには、前記前記光学部品として光学レンズ、前記励起光の量を減少させる光学フィルター、偏光板、または波長板が配置されていることが好ましい。
これにより、励起光を原子発振器に適したものとすることができる。
【００１０】
［適用例４］
本発明の原子発振器では、前記第３パッケージには、前記励起光が通過する貫通孔が形成されており、前記貫通孔の内壁に沿った段差を有し、前記貫通孔内に前記光学部品が収容され、前記段差によって前記光学部品が保持されることが好ましい。
これにより、第３パッケージの小型化を図ることができる。
【００１１】
［適用例５］
本発明の原子発振器では、前記第１パッケージには、前記ガスセルを加熱する加熱手段が収納されており、
前記第２パッケージには、前記光出射部を加熱・冷却する加熱・冷却手段が収納されていることが好ましい。
これにより、原子発振器の特性が安定かつ向上する。
［適用例６］
本発明の原子発振器では、前記第３パッケージは、断熱性を有し、前記第１パッケージから前記第２パッケージへの熱の移動を抑止したことが好ましい。
これにより、第３パッケージの構成が簡単となる。
【００１２】
［適用例７］
本発明の原子発振器の製造方法は、ガスセルが収納された第１パッケージと、
前記ガスセル中の金属原子を励起する励起光を出射する光出射部が収納された第２パッケージと、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度を所望の特性に調整するための光学部品が設けられた第３パッケージと、
前記光出射部から出射した前記励起光が、前記光学部品を通過したのち前記ガスセル内に入射するように、前記第３パッケージが前記第１パッケージと前記第２パッケージとの間に挟まれた構成と、を備えた原子発振器の製造方法であって、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度が所望の特性を得るように、前記第１パッケージ、前記第２パッケージおよび前記第３パッケージの互いの相対的位置を位置決めする工程と、
前記第３パッケージを前記第１のパッケージおよび前記第２のパッケージに接合する工程を備えることを特徴とする。
これにより、第１パッケージ、第２パッケージおよび第３パッケージの位置関係を調節することにより、ガスセル、光出射部および光学部品の位置関係を所望のものとすることができるため、簡単に、優れた特性を有する原子発振器を製造することができる。
【００１３】
［適用例８］
本発明の原子発振器の製造方法では、前記第２パッケージに前記第３パッケージを載置し、前記第３パッケージを通して出射される前記励起光の出射方向、出射位置、偏光方向、または出射強度が所望の特性を得るように、前記第２パッケージに対する前記第３パッケージの位置決めを行う工程と、
前記第２パッケージと前記第３パッケージとを接合する工程と、
前記第２パッケージと前記第３パッケージとの接合体に前記第１パッケージを載置し、前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度が所望の特性を得るように、前記接合体に対する前記第１パッケージの位置決めを行う工程と、
前記接合体と前記第１パッケージとを接合する工程を備えることが好ましい。
これにより、優れた特性を有する原子発振器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。
【図３】図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の原子発振器および原子発振器の製造方法を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の好適な実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図、図２は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図１では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向（上下方向）を「Ｚ軸方向」と言う。
【００１６】
１．原子発振器の構成
まず、原子発振器１の構成について説明する。
なお、以下では、量子干渉効果を利用した原子発振器に本発明を適用した場合を一例として説明するが、本発明は、これに限定されるものでななく、二重共鳴効果を利用した原子発振器にも適用可能である。
図１に示す原子発振器１は、第１パッケージ２１と、第２パッケージ２２と、第３パッケージ２３とを有している。これら各パッケージ２１、２２、２３は、それぞれ、別体として形成された後、互いに位置合わせされた状態で接合されている。以下、各パッケージ２１、２２、２３について詳細に説明する。
【００１７】
（第１パッケージ）
図１に示すように、第１パッケージ２１内には、ガスセル３と、光検出部（フォトディテクター）４と、ヒーター（加熱手段）５とが収納されている。
ガスセル３は、筒状の本体部３１と、その本体部３１の両端開口部を封鎖する窓部３２、３３とを有しており、その内部に、密閉されたキャビティが形成されている。このキャビティ内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属原子が封入される。
【００１８】
窓部３２、３３は、金属原子ガスを励起する後述する励起光ＬＬの光路の入射面および出射面を構成する。そのため、各窓部３２、３３は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。一方、本体部３１は、光透過性を必要としないので、各種金属材料、各種樹脂材料などにより構成されていてもよく、また、窓部３２、３３と同じガラスなどの光透過性材料により構成されていてもよい。
【００１９】
ヒーター５は、ガスセル３を加熱する機能を有している。このようなヒーター５は、窓部３２の外側の面に設けられた第１ヒーター５１と、窓部３３の外側の面に設けられた第２ヒーター５２とを有している。これらヒーター５１、５２は、それぞれ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成された透明電極膜である。
【００２０】
ヒーター５１、５２がそれぞれ透明電極材料で構成されていると、これらヒーター５１、５２をガスセル３の外表面の励起光ＬＬの光路となる部分に設けることができる。そのため、ガスセル３の励起光ＬＬの入射部および出射部をヒーター５１、５２により効率的に加熱することができる。その結果、ガスセル３の内壁面の励起光ＬＬの光路となる部分にアルカリ金属原子が析出（結露）するのを防止することができ、原子発振器１の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
ヒーター５１、５２は、それぞれ、図示しない制御回路に接続されており、ガスセル３が所定温度となるように、その駆動が制御回路によって制御される。ガスセル３は、ヒーター５１、５２によって例えば約７０度程度に加熱・保温される。
なお、第１パッケージ２１内には、例えば、ガスセル３の窓部３２、３３の温度を検知する図示しない温度センサーが設けられていてもよい。これにより、前記温度センサーの検知結果に基づいて前記制御回路がヒーター５１、５２の駆動を制御することができるため、ガスセル３内の温調をより精度よく行うことができる。
【００２２】
光検出部４は、ガスセル３の上側に設けられている。この光検出部４は、ガスセル３を透過した励起光ＬＬ（後述する共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有している。光検出部４としては、特に限定されず、例えば、太陽電池やフォトダイオードなどを用いることができる。このように、光検出部４を第１パッケージ２１に収納することにより、ガスセル３と光検出部４の位置決めを予め行うことができ、原子発振器１の製造の容易化を図ることができる。
【００２３】
第１パッケージ２１は、箱状の本体２１１と、本体２１１の開口を覆う蓋体２１２とで構成されている。蓋体２１２は、励起光ＬＬの光路の入射面および出射面を構成する。そのため、蓋体２１２は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。一方の本体２１１は、例えば、各種金属材料や各種樹脂材料などで構成されている。より具体的には、本体２１１は、例えばコバールで構成することができる。コバールは、熱膨張率がガラスと近いため、本体２１１をコバールで構成し、蓋体２１２をガラスで構成することにより、信頼性の高い第１パッケージ２１を得ることができる。
【００２４】
なお、第１パッケージ２１は、その内部空間が気密的に封止されていてもよいし、気密的に封止されていなくてもよいが、気密的に封止されているのが好ましい。さらに、気密的に封止されている場合には、第１パッケージ２１内を、減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態とするのが好ましい。これにより、原子発振器１の信頼性が向上する。
【００２５】
（第２パッケージ）
図１に示すように、第１パッケージ２１の下側には、第３パッケージ２３を挟んで、第２パッケージ２２が設けられている。この第２パッケージ２２には、例えば垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を備える光出射部６と、光出射部６を所定温度に温調するペルチェ素子（加熱・冷却手段）７とが収納されている。
【００２６】
光出射部６は、ガスセル３中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有している。より具体的には、光出射部６は、レーザー光のような干渉性を有するコヒーレント光（励起光ＬＬ）として、周波数の異なる２種の光（共鳴光１、２）を出射する。
ここで、ガスセル３中のアルカリ金属原子は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００２７】
共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル３中のアルカリ金属原子を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものであり、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル３中のアルカリ金属原子を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
ガスセル３中のアルカリ金属原子に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、２を照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属原子に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
【００２８】
例えば、共鳴光１の周波数ω１を固定したまま、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したときに、光検出部４の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、発振器を構成することができる。
【００２９】
光出射部６は、ペルチェ素子７の上面に設けられている。ペルチェ素子７は、ペルチェ素子７に流れる電流の向きを制御することにより、その上面を発熱面または吸熱面として機能させることができる。そのため、ペルチェ素子７の上面に光出射部６を設けることにより、光出射部６をより精度よく温調することができる。このようなペルチェ素子７によって光出射部６を温調することによって、所望の特性の励起光ＬＬを出射することができ、装置の信頼性が向上する。なお、光出射部６は、ペルチェ素子７によって例えば約３０度程度に温調される。
【００３０】
なお、第２パッケージ２２内には、例えば、光出射部６の温度を検知する図示しない温度センサーが設けられていてもよい。これにより、前記温度センサーの検知結果に基づいてペルチェ素子７の駆動を制御することができるため、光出射部６の温調をより精度よく行うことができる。
第２パッケージ２２は、例えば、箱状の本体２２１と、本体２２１の開口を覆う蓋体２２２とで構成されている。蓋体２２２は、励起光ＬＬの光路の入射面および出射面を構成する。そのため、蓋体２２２は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。一方の本体２２１は、例えば、各種金属材料や各種樹脂材料などで構成されている。すなわち、第２パッケージ２２は、前述した第１パッケージ２１と同様の構成となっている。
【００３１】
なお、第２パッケージ２２は、その内部空間が気密的に封止されていてもよいし、気密的に封止されていなくてもよいが、気密的に封止されているのが好ましい。さらに、気密的に封止されている場合には、第２パッケージ２２内を、減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態とするのが好ましい。これにより、原子発振器１の信頼性が向上する。
【００３２】
（第３パッケージ）
図１に示すように、第３パッケージ２３は、第１パッケージ２１と第２パッケージ２２との間に位置している。具体的には、第３パッケージ２３は、その上面が第１パッケージ２１と接合されており、下面が第２パッケージ２２と接合されている。第３パッケージ２３と第１パッケージ２１および第２パッケージ２２との接合方法は、特に限定されず、例えば、紫外線硬化型の接着剤等を用いて接合することができる。
【００３３】
図１に示すように、第３パッケージ２３には、複数の光学部品８が配置されている。本実施形態では、光学部品８として、コリメータレンズ８１と、光学素子層８２とが配置されている。
コリメータレンズ８１は、励起光ＬＬを平行光とするための光学レンズである。一方の光学素子層８２は、励起光ＬＬのうち不要な光成分を取り除いて必要な光成分のみを通過させる分光を行ったり、光の強度を調整したりする光学層である。本実施形態の光学素子層８２は、減光フィルター（ＮＤフィルター）８２１と、λ／４波長板８２２とを積層してなるものである。このような光学部品８を第３パッケージ２３に配置することによって、励起光ＬＬに所望の光学的処理を施すことができるため、原子発振器１の特性が向上する。
なお、第３パッケージ２３に配置される光学部品８としては、これに限定されず、偏光板を備えるようにしても良い。また、光学素子層８２を省略してもよいし、減光フィルター８２１またはλ／４波長板８２２を省略してもよい。また、コリメータレンズ８１を省略してもよい。
【００３４】
第３パッケージ２３には励起光ＬＬの通過する方向に貫通孔２３１が形成されており、貫通孔２３１は、その上側から、大径部２３１ａと、大径部２３１ａよりも径が小さい中径部２３１ｂと、中径部２３１ｂよりも径が小さい小径部２３１ｃとを有している。コリメータレンズ８１は、中径部２３１ｂに設けられており、中径部２３１ｂの内壁と小径部２３１ｃの内壁との段差に当接することにより第３パッケージ２３に対して位置決めされている。また、光学素子層８２は、大径部２３１ａに設けられており、中径部２３１ｂとの段差に当接することにより第３パッケージ２３に対して位置決めされている。
このように、第３パッケージ２３に貫通孔２３１を設け、その貫通孔２３１内に光学部品８を配置することにより、第３パッケージ２３の小型化を図ることができる。
【００３５】
なお、コリメータレンズ８１は、第３パッケージ２３を第２パッケージ２２に対して位置決めする前から、例えば接着剤等によって第３パッケージ２３に固定されていてもよい。一方、光学素子層８２は、第３パッケージ２３を第２パッケージ２２に対して位置決めする前は、大径部２３１ａ内でその周方向に回転可能となっており、位置決め後に接着剤等によって第３パッケージ２３に固定されるのが好ましい。これにより、光出射部６から出射される直線偏光である励起光ＬＬの向き（電場の振動方向）とλ／４波長板８２２の向きとを簡単に調節することができる。
【００３６】
第３パッケージ２３の構成材料は、特に限定されないが、熱伝導率の低い材料、好ましくは、熱伝導率が０．５（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）以下の材料を用いることが好ましい。これにより、第３パッケージ２３に断熱性を付与することができ、第３パッケージ２３によって第１パッケージ２１と第２パッケージ２２とを熱的に分離することができる。前述したように、第１パッケージ２１は、ヒーター５によって例えば約７０程度に加熱され、一方の第２パッケージ２２は、ペルチェ素子７によって例えば約３０度に加熱される。このように、温度の異なるパッケージ２１、２２間で熱の移動が生じると、各パッケージ２１、２２内の温度が不安定となり、ガスセル３および光出射部６の温度を所定温度に維持することができずに信頼性が低下するおそれもある。そのため、本実施形態のように、第１パッケージ２１と第２パッケージ２２の間に位置する第３パッケージ２３を熱伝導率の低い材料で構成し、第３パッケージ２３に断熱性を付与することにより、上述のような熱の移動を抑制することができ、信頼性の高い原子発振器１となる。
【００３７】
第３パッケージ２３を構成する熱伝導率の低い材料としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば２層以上の積層体として）用いることができる。
【００３８】
２．原子発振器の製造方法
次いで、原子発振器１の製造方法について簡単に説明する。
原子発振器の製造方法は、各パッケージ２１、２２、２３を用意する第１工程と、第２パッケージ２２に対して第３パッケージ２３を位置決めして固定する第２工程と、第２工程で得られた第２、第３パッケージ２２、２３の集合体に対して第１パッケージ２１を位置決めして固定する第３工程とを有している。以下では、第２工程および第３工程で行われる位置決め方法について説明する。
【００３９】
［第２工程］
まず、第２パッケージ２２上に第３パッケージ２３を載置する。次いで、励起光出射部６から励起光ＬＬを出射させた状態で、第３パッケージ２３内の光学素子層８２をＺ軸周りに回転させ、励起光ＬＬの振動方向に対するλ／４波長板８２２の向きを調節する。次いで、λ／４波長板８２２の向きを維持したまま、第３パッケージ２３を第２パッケージ２２に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、励起光ＬＬの方向性（光軸位置）と平行性（コリメート特性）とが所望のものとなる位置関係を決定する。なお、これら工程は、例えば、励起光ＬＬの光路を遮るようにスクリーン等の被照射物を配置し、前記被照射物に照射された励起光ＬＬのスポットの明るさ、形状、径などを観察しながら行うことができる。または、検査・調整用のリファレンスとなるガスセルに入射させ、その吸収特性、光検出手段の検出信号（ＥＩＴ信号）の特性を確認しながら最適な状態に設定することができる。
【００４０】
励起光ＬＬの方向性（光軸位置）と平行性（コリメート特性）とが所望のものとなる位置を決定したのち、第３パッケージ２３を第２パッケージ２２に対して固定する。第３パッケージ２３と第２パッケージ２２の固定は、例えば、紫外線硬化型の接着剤を用いて行うことができる。これにより、瞬間的に２つのパッケージ２２、２３を固定することができるため、パッケージ２２、２３の位置ずれを効果的に防止することができる。なお、パッケージ２２、２３を紫外線硬化型の接着剤で接着したのち、さらに、より強力な接着剤を用いて、パッケージ２２、２３を接着してもよい。これにより、パッケージ２２、２３の固定がより強固となる。
また、これと同時に、光学素子層８２のＺ軸まわりの回転を防止するために、光学素子層８２を第３パッケージ２３に対して固定する。この固定は、パッケージ２２、２３の固定と同様の方法で行うことができる。
【００４１】
［第３工程］
まず、第２工程で得られた第２パッケージ２２と第３パッケージ２３との集合体（以下、単に「集合体」とも言う。）を用意し、その上に第１パッケージ２１を載置する。次いで、光検出部４を駆動させつつ、励起光出射部６から共鳴光１、２（励起光ＬＬ）を出射する。さらに、共鳴光１の周波数ω１を固定したまま、共鳴光２の周波数ω２を変化させていき、光検出部４の検出強度が最も高くなる共鳴光２の周波数ω２を決定する。すなわち、光検出部４がＥＩＴ信号を検出できる状態とする。
【００４２】
次いで、共鳴光１、２の周波数ω１、ω２を前述の周波数に固定した状態で、集合体に対して第１パッケージ２１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、光検出部４の検出強度が最も高くなる位置を決定する。この工程では、例えば、第１パッケージ２１を集合体に対してＸ軸方向に移動させ、光検出部４の検出強度が最も高い座量をＸ軸座標とし、第１パッケージ２１を集合体に対してＹ軸方向に移動させ、光検出部４の検出強度が最も高い座量をＹ軸座標とし、これら２つの座標に基づいて、集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを行ってもよい。このような方法によれば、Ｘ軸方向への移動とＹ軸方向への移動をそれぞれ１回ずつ行うだけでよいので、集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを簡単に行うことができる。
【００４３】
なお、上記方法は、ＥＩＴ信号の強度に基づいて集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを行う方法であるが、これに限定されず、例えば、ガスセル３による励起光ＬＬの吸収量に基づいて集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを行ってもよい。この方法によれば、共鳴光１、２の周波数ω１、ω２を調整する必要がないため、より簡単に、集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを行うことができる。すなわち、共鳴光１、２の周波数ω１、ω２の周波数差を特定の値（ω０）からずらしておき、ＥＩＴ信号が検出されない状態（共鳴光１、２が共に吸収される状態）としておくのである。
【００４４】
具体的には、まず、光検出部４を駆動させつつ、励起光出射部６から共鳴光１、２（励起光ＬＬ）を出射する。次いで、集合体に対して第１パッケージ２１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、光検出部４の検出強度が最も低くなる位置を決定する。この位置決めは、前述した方法と同様の方法で行うことができる。
上述の方法にて集合体に対して第１パッケージ２１を位置決めしたのち、第１パッケージ２１を集合体に対して固定する。第１パッケージ２１と集合体の固定は、第２パッケージ２２と第３パッケージ２３の固定と同様の方法で行うことができる。
以上の固定にて、原子発振器１が得られる。
【００４５】
このような原子発振器１によれば、励起光出射部６と、光学部品８と、ガスセル３および光検出部４との位置決めを簡単に行うことができるため、優れた発振特性を発揮することができる。特に本発明では、励起光を出射するための光出射部６およびペルチェ素子７（アクティブ部）をまとめて第２パッケージ２２に収納し、励起光に光学的処理を施すための光学部品（光学系）をまとめて第３パッケージ２３に収納し、励起光を検出するためのガスセル３および光検出部４（パッシブ部）をまとめて第１パッケージ２１に収納しているため、すなわち、各パッケージ２１、２２、２３が目的ごとに区別されている。そのため、より簡単に、励起光出射部６と、光学部品８と、ガスセル３および光検出部４との位置決めを簡単に行うことができる。
【００４６】
また、原子発振器１によれば、その製造が簡単となり、かつ実装上のバラツキを十分に補正することができ歩留まりも向上する。
以上、本発明の原子発振器および原子発振器の製造方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１‥‥原子発振器 ２１‥‥第１パッケージ ２１１‥‥本体 ２１２‥‥蓋体 ２２‥‥第２パッケージ ２２１‥‥本体 ２２２‥‥蓋体 ２３‥‥第３パッケージ ２３１‥‥貫通孔 ２３１ａ‥‥大径部 ２３１ｂ‥‥中径部 ２３１ｃ‥‥小径部 ３‥‥ガスセル ３１‥‥本体部 ３２、３３‥‥窓部 ４‥‥光検出部 ５‥‥ヒーター ５１‥‥第１ヒーター ５２‥‥第２ヒーター ６‥‥光出射部 ７‥‥ペルチェ素子 ８‥‥光学部品 ８１‥‥コリメータレンズ ８２‥‥光学素子層 ８２１‥‥減光フィルター ８２２‥‥λ／４波長板 ＬＬ‥‥励起光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器および原子発振器の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の原子発振器は、励起光を出射する光源と、励起光に光学的処理を施す光学レンズおよび偏光板を備える光学部品と、ガス状のアルカリ金属原子が封入されたガスセルと、ガスセルを通過した励起光を検出する光検出部とを有している。
【０００３】
このような原子発振器にて、その性能を向上させるためには、光源、光学部品、ガスセルおよび光検出部の互いの位置関係が重要であり、これらを高い位置精度で配置することが必要である。しかしながら、特許文献１の原子発振器では、光源、光学部品、ガスセルおよび光検出部が１つのパッケージ内に収納されているため、パッケージ内に収納された後は、互いの位置関係を外部から調節することが困難である。すなわち、特許文献１に記載の原子発振器は、光源（垂直共振器面発光レーザー：ＶＣＳＥＬ）、光学部品（レンズ、波長板等）、ガスセル、光検出部がパッケージ内に縦積みされた構成になっている。また、ガスセルや光源（ＶＣＳＥＬ）の温度を一定に保つ必要があるため、パッケージの内部は外部温度の影響を受けないように外部から熱的に遮断された構造になっている。ガスセルに入射されるレーザーのプロファイル（ビーム径の大きさ、入射角度、入射位置、偏光方向）は原子発振器の安定度特性に大きく影響を与える。よって、これら全ての部品がパッケージに収容された状態でレーザーのプロファイルを再調整することが必要である。しかしながら、特許文献１の原子発振器は、パッケージ内部を外部から熱的に遮断した構造のため、レンズ等の光学部品をパッケージの外部に露出させることが困難であり、レンズ、波長板等の光学部品の位置を外部から微調整することができない。
【０００４】
そこで、このようなパッケージ構造において、レーザーのプロファイルを微調整するためには、ガスセルをパッケージ内部から一旦取り出し、レンズ等の光学部品の位置を再調整する作業が必要になる。しかしながら、レンズ等の光学部品の位置を再調整した後に再びガスセルを収納するとガスセルの位置も微妙にずれてしまうので、レーザーのプロファイルが所望の特性が得られるまで調整作業を繰り返す必要がある。
このように、特許文献１記載の原子発振器は、所望の性能を得るためには、非効率で煩雑な調整作業を繰り返す必要があり、量産性を高めることが極めて困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許６３２０４７２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、優れた特性を発揮することのできる、量産性の高い原子発振器および、かかる原子発振器の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
［適用例１］
本発明の原子発振器は、ガスセルが収納された第１パッケージと、
前記ガスセル中の金属原子を励起する励起光を出射する光出射部が収納された第２パッケージと、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度を所望の特性に調整するための光学部品が設けられた第３パッケージとを有し、
前記光出射部から出射した前記励起光が、前記光学部品を通過したのち前記ガスセル内に入射するように、前記第３パッケージが前記第１パッケージと前記第２パッケージとの間に挟まれた構成を備えていることを特徴とする。
これにより、第１パッケージ、第２パッケージおよび第３パッケージの位置関係を調節することにより、ガスセル、光出射部および光学部品の位置関係を所望のものとすることができるため、簡単に、優れた特性を有する原子発振器が得られる。
【０００８】
［適用例２］
本発明の原子発振器では、前記第１パッケージには、前記ガスセル内を通過した前記励起光を検出する光検出部が収納されていることが好ましい。
これにより、予め、ガスセルと光検出部の位置関係を固定することができるため、原子発振器の製造の容易化を図ることができる。
【０００９】
［適用例３］
本発明の原子発振器では、前記第３パッケージには、前記前記光学部品として光学レンズ、前記励起光の量を減少させる光学フィルター、偏光板、または波長板が配置されていることが好ましい。
これにより、励起光を原子発振器に適したものとすることができる。
【００１０】
［適用例４］
本発明の原子発振器では、前記第３パッケージには、前記励起光が通過する貫通孔が形成されており、前記貫通孔の内壁に沿った段差を有し、前記貫通孔内に前記光学部品が収容され、前記段差によって前記光学部品が保持されることが好ましい。
これにより、第３パッケージの小型化を図ることができる。
【００１１】
［適用例５］
本発明の原子発振器では、前記第１パッケージには、前記ガスセルを加熱する加熱手段が収納されており、
前記第２パッケージには、前記光出射部を加熱・冷却する加熱・冷却手段が収納されていることが好ましい。
これにより、原子発振器の特性が安定かつ向上する。
［適用例６］
本発明の原子発振器では、前記第３パッケージは、断熱性を有し、前記第１パッケージから前記第２パッケージへの熱の移動を抑止したことが好ましい。
これにより、第３パッケージの構成が簡単となる。
【００１２】
［適用例７］
本発明の原子発振器の製造方法は、ガスセルが収納された第１パッケージと、
前記ガスセル中の金属原子を励起する励起光を出射する光出射部が収納された第２パッケージと、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度を所望の特性に調整するための光学部品が設けられた第３パッケージと、
前記光出射部から出射した前記励起光が、前記光学部品を通過したのち前記ガスセル内に入射するように、前記第３パッケージが前記第１パッケージと前記第２パッケージとの間に挟まれた構成と、を備えた原子発振器の製造方法であって、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度が所望の特性を得るように、前記第１パッケージ、前記第２パッケージおよび前記第３パッケージの互いの相対的位置を位置決めする工程と、
前記第３パッケージを前記第１のパッケージおよび前記第２のパッケージに接合する工程を備えることを特徴とする。
これにより、第１パッケージ、第２パッケージおよび第３パッケージの位置関係を調節することにより、ガスセル、光出射部および光学部品の位置関係を所望のものとすることができるため、簡単に、優れた特性を有する原子発振器を製造することができる。
【００１３】
［適用例８］
本発明の原子発振器の製造方法では、前記第２パッケージに前記第３パッケージを載置し、前記第３パッケージを通して出射される前記励起光の出射方向、出射位置、偏光方向、または出射強度が所望の特性を得るように、前記第２パッケージに対する前記第３パッケージの位置決めを行う工程と、
前記第２パッケージと前記第３パッケージとを接合する工程と、
前記第２パッケージと前記第３パッケージとの接合体に前記第１パッケージを載置し、前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度が所望の特性を得るように、前記接合体に対する前記第１パッケージの位置決めを行う工程と、
前記接合体と前記第１パッケージとを接合する工程を備えることが好ましい。
これにより、優れた特性を有する原子発振器を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の好適な実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。
【図３】図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の原子発振器および原子発振器の製造方法を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の好適な実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図、図２は、図１に示す原子発振器に備えられたガスセル内のアルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、図１に示す原子発振器に備えられた光出射部および光検出部について、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部の検出強度との関係を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図１では、説明の便宜上、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を図示しており、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」、Ｚ軸に平行な方向（上下方向）を「Ｚ軸方向」と言う。
【００１６】
１．原子発振器の構成
まず、原子発振器１の構成について説明する。
なお、以下では、量子干渉効果を利用した原子発振器に本発明を適用した場合を一例として説明するが、本発明は、これに限定されるものでななく、二重共鳴効果を利用した原子発振器にも適用可能である。
図１に示す原子発振器１は、第１パッケージ２１と、第２パッケージ２２と、第３パッケージ２３とを有している。これら各パッケージ２１、２２、２３は、それぞれ、別体として形成された後、互いに位置合わせされた状態で接合されている。以下、各パッケージ２１、２２、２３について詳細に説明する。
【００１７】
（第１パッケージ）
図１に示すように、第１パッケージ２１内には、ガスセル３と、光検出部（フォトディテクター）４と、ヒーター（加熱手段）５とが収納されている。
ガスセル３は、筒状の本体部３１と、その本体部３１の両端開口部を封鎖する窓部３２、３３とを有しており、その内部に、密閉されたキャビティが形成されている。このキャビティ内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属原子が封入される。
【００１８】
窓部３２、３３は、金属原子ガスを励起する後述する励起光ＬＬの光路の入射面および出射面を構成する。そのため、各窓部３２、３３は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。一方、本体部３１は、光透過性を必要としないので、各種金属材料、各種樹脂材料などにより構成されていてもよく、また、窓部３２、３３と同じガラスなどの光透過性材料により構成されていてもよい。
【００１９】
ヒーター５は、ガスセル３を加熱する機能を有している。このようなヒーター５は、窓部３２の外側の面に設けられた第１ヒーター５１と、窓部３３の外側の面に設けられた第２ヒーター５２とを有している。これらヒーター５１、５２は、それぞれ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成された透明電極膜である。
【００２０】
ヒーター５１、５２がそれぞれ透明電極材料で構成されていると、これらヒーター５１、５２をガスセル３の外表面の励起光ＬＬの光路となる部分に設けることができる。そのため、ガスセル３の励起光ＬＬの入射部および出射部をヒーター５１、５２により効率的に加熱することができる。その結果、ガスセル３の内壁面の励起光ＬＬの光路となる部分にアルカリ金属原子が析出（結露）するのを防止することができ、原子発振器１の長寿命化を図ることができる。
【００２１】
ヒーター５１、５２は、それぞれ、図示しない制御回路に接続されており、ガスセル３が所定温度となるように、その駆動が制御回路によって制御される。ガスセル３は、ヒーター５１、５２によって例えば約７０度程度に加熱・保温される。
なお、第１パッケージ２１内には、例えば、ガスセル３の窓部３２、３３の温度を検知する図示しない温度センサーが設けられていてもよい。これにより、前記温度センサーの検知結果に基づいて前記制御回路がヒーター５１、５２の駆動を制御することができるため、ガスセル３内の温調をより精度よく行うことができる。
【００２２】
光検出部４は、ガスセル３の上側に設けられている。この光検出部４は、ガスセル３を透過した励起光ＬＬ（後述する共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有している。光検出部４としては、特に限定されず、例えば、太陽電池やフォトダイオードなどを用いることができる。このように、光検出部４を第１パッケージ２１に収納することにより、ガスセル３と光検出部４の位置決めを予め行うことができ、原子発振器１の製造の容易化を図ることができる。
【００２３】
第１パッケージ２１は、箱状の本体２１１と、本体２１１の開口を覆う蓋体２１２とで構成されている。蓋体２１２は、励起光ＬＬの光路の入射面および出射面を構成する。そのため、蓋体２１２は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。一方の本体２１１は、例えば、各種金属材料や各種樹脂材料などで構成されている。より具体的には、本体２１１は、例えばコバールで構成することができる。コバールは、熱膨張率がガラスと近いため、本体２１１をコバールで構成し、蓋体２１２をガラスで構成することにより、信頼性の高い第１パッケージ２１を得ることができる。
【００２４】
なお、第１パッケージ２１は、その内部空間が気密的に封止されていてもよいし、気密的に封止されていなくてもよいが、気密的に封止されているのが好ましい。さらに、気密的に封止されている場合には、第１パッケージ２１内を、減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態とするのが好ましい。これにより、原子発振器１の信頼性が向上する。
【００２５】
（第２パッケージ）
図１に示すように、第１パッケージ２１の下側には、第３パッケージ２３を挟んで、第２パッケージ２２が設けられている。この第２パッケージ２２には、例えば垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を備える光出射部６と、光出射部６を所定温度に温調するペルチェ素子（加熱・冷却手段）７とが収納されている。
【００２６】
光出射部６は、ガスセル３中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有している。より具体的には、光出射部６は、レーザー光のような干渉性を有するコヒーレント光（励起光ＬＬ）として、周波数の異なる２種の光（共鳴光１、２）を出射する。
ここで、ガスセル３中のアルカリ金属原子は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００２７】
共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル３中のアルカリ金属原子を前述した基底状態１から励起状態に励起し得るものであり、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル３中のアルカリ金属原子を前述した基底状態２から励起状態に励起し得るものである。
ガスセル３中のアルカリ金属原子に対して周波数の異なる２種の共鳴光１、２を照射すると、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）が変化する。そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属原子に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。
【００２８】
例えば、共鳴光１の周波数ω１を固定したまま、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したときに、光検出部４の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、発振器を構成することができる。
【００２９】
光出射部６は、ペルチェ素子７の上面に設けられている。ペルチェ素子７は、ペルチェ素子７に流れる電流の向きを制御することにより、その上面を発熱面または吸熱面として機能させることができる。そのため、ペルチェ素子７の上面に光出射部６を設けることにより、光出射部６をより精度よく温調することができる。このようなペルチェ素子７によって光出射部６を温調することによって、所望の特性の励起光ＬＬを出射することができ、装置の信頼性が向上する。なお、光出射部６は、ペルチェ素子７によって例えば約３０度程度に温調される。
【００３０】
なお、第２パッケージ２２内には、例えば、光出射部６の温度を検知する図示しない温度センサーが設けられていてもよい。これにより、前記温度センサーの検知結果に基づいてペルチェ素子７の駆動を制御することができるため、光出射部６の温調をより精度よく行うことができる。
第２パッケージ２２は、例えば、箱状の本体２２１と、本体２２１の開口を覆う蓋体２２２とで構成されている。蓋体２２２は、励起光ＬＬの光路の入射面および出射面を構成する。そのため、蓋体２２２は、例えばガラスなどの光透過性を有する材料で構成されている。一方の本体２２１は、例えば、各種金属材料や各種樹脂材料などで構成されている。すなわち、第２パッケージ２２は、前述した第１パッケージ２１と同様の構成となっている。
【００３１】
なお、第２パッケージ２２は、その内部空間が気密的に封止されていてもよいし、気密的に封止されていなくてもよいが、気密的に封止されているのが好ましい。さらに、気密的に封止されている場合には、第２パッケージ２２内を、減圧状態またはアルゴンガス等の希ガスを充填した状態とするのが好ましい。これにより、原子発振器１の信頼性が向上する。
【００３２】
（第３パッケージ）
図１に示すように、第３パッケージ２３は、第１パッケージ２１と第２パッケージ２２との間に位置している。具体的には、第３パッケージ２３は、その上面が第１パッケージ２１と接合されており、下面が第２パッケージ２２と接合されている。第３パッケージ２３と第１パッケージ２１および第２パッケージ２２との接合方法は、特に限定されず、例えば、紫外線硬化型の接着剤等を用いて接合することができる。
【００３３】
図１に示すように、第３パッケージ２３には、複数の光学部品８が配置されている。本実施形態では、光学部品８として、コリメータレンズ８１と、光学素子層８２とが配置されている。
コリメータレンズ８１は、励起光ＬＬを平行光とするための光学レンズである。一方の光学素子層８２は、励起光ＬＬのうち不要な光成分を取り除いて必要な光成分のみを通過させる分光を行ったり、光の強度を調整したりする光学層である。本実施形態の光学素子層８２は、減光フィルター（ＮＤフィルター）８２１と、λ／４波長板８２２とを積層してなるものである。このような光学部品８を第３パッケージ２３に配置することによって、励起光ＬＬに所望の光学的処理を施すことができるため、原子発振器１の特性が向上する。
なお、第３パッケージ２３に配置される光学部品８としては、これに限定されず、偏光板を備えるようにしても良い。また、光学素子層８２を省略してもよいし、減光フィルター８２１またはλ／４波長板８２２を省略してもよい。また、コリメータレンズ８１を省略してもよい。
【００３４】
第３パッケージ２３には励起光ＬＬの通過する方向に貫通孔２３１が形成されており、貫通孔２３１は、その上側から、大径部２３１ａと、大径部２３１ａよりも径が小さい中径部２３１ｂと、中径部２３１ｂよりも径が小さい小径部２３１ｃとを有している。コリメータレンズ８１は、中径部２３１ｂに設けられており、中径部２３１ｂの内壁と小径部２３１ｃの内壁との段差に当接することにより第３パッケージ２３に対して位置決めされている。また、光学素子層８２は、大径部２３１ａに設けられており、中径部２３１ｂとの段差に当接することにより第３パッケージ２３に対して位置決めされている。
このように、第３パッケージ２３に貫通孔２３１を設け、その貫通孔２３１内に光学部品８を配置することにより、第３パッケージ２３の小型化を図ることができる。
【００３５】
なお、コリメータレンズ８１は、第３パッケージ２３を第２パッケージ２２に対して位置決めする前から、例えば接着剤等によって第３パッケージ２３に固定されていてもよい。一方、光学素子層８２は、第３パッケージ２３を第２パッケージ２２に対して位置決めする前は、大径部２３１ａ内でその周方向に回転可能となっており、位置決め後に接着剤等によって第３パッケージ２３に固定されるのが好ましい。これにより、光出射部６から出射される直線偏光である励起光ＬＬの向き（電場の振動方向）とλ／４波長板８２２の向きとを簡単に調節することができる。
【００３６】
第３パッケージ２３の構成材料は、特に限定されないが、熱伝導率の低い材料、好ましくは、熱伝導率が０．５（Ｗ・ｍ−１・ｋ−１）以下の材料を用いることが好ましい。これにより、第３パッケージ２３に断熱性を付与することができ、第３パッケージ２３によって第１パッケージ２１と第２パッケージ２２とを熱的に分離することができる。前述したように、第１パッケージ２１は、ヒーター５によって例えば約７０程度に加熱され、一方の第２パッケージ２２は、ペルチェ素子７によって例えば約３０度に加熱される。このように、温度の異なるパッケージ２１、２２間で熱の移動が生じると、各パッケージ２１、２２内の温度が不安定となり、ガスセル３および光出射部６の温度を所定温度に維持することができずに信頼性が低下するおそれもある。そのため、本実施形態のように、第１パッケージ２１と第２パッケージ２２の間に位置する第３パッケージ２３を熱伝導率の低い材料で構成し、第３パッケージ２３に断熱性を付与することにより、上述のような熱の移動を抑制することができ、信頼性の高い原子発振器１となる。
【００３７】
第３パッケージ２３を構成する熱伝導率の低い材料としては、特に限定されず、例えば、ポリエチレン、エチレン−酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）等のポリオレフィン、アクリル系樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ樹脂）、アクリロニトリル−スチレン共重合体（ＡＳ樹脂）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテル、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、スチレン系、ポリオレフィン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、トランスポリイソプレン系、フッ素ゴム系、塩素化ポリエチレン系等の各種熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、シリコーン樹脂、ポリウレタン等、またはこれらを主とする共重合体、ブレンド体、ポリマーアロイ等が挙げられ、これらのうちの１種または２種以上を組み合わせて（例えば２層以上の積層体として）用いることができる。
【００３８】
２．原子発振器の製造方法
次いで、原子発振器１の製造方法について簡単に説明する。
原子発振器の製造方法は、各パッケージ２１、２２、２３を用意する第１工程と、第２パッケージ２２に対して第３パッケージ２３を位置決めして固定する第２工程と、第２工程で得られた第２、第３パッケージ２２、２３の集合体に対して第１パッケージ２１を位置決めして固定する第３工程とを有している。以下では、第２工程および第３工程で行われる位置決め方法について説明する。
【００３９】
［第２工程］
まず、第２パッケージ２２上に第３パッケージ２３を載置する。次いで、励起光出射部６から励起光ＬＬを出射させた状態で、第３パッケージ２３内の光学素子層８２をＺ軸周りに回転させ、励起光ＬＬの振動方向に対するλ／４波長板８２２の向きを調節する。次いで、λ／４波長板８２２の向きを維持したまま、第３パッケージ２３を第２パッケージ２２に対してＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、励起光ＬＬの方向性（光軸位置）と平行性（コリメート特性）とが所望のものとなる位置関係を決定する。なお、これら工程は、例えば、励起光ＬＬの光路を遮るようにスクリーン等の被照射物を配置し、前記被照射物に照射された励起光ＬＬのスポットの明るさ、形状、径などを観察しながら行うことができる。または、検査・調整用のリファレンスとなるガスセルに入射させ、その吸収特性、光検出手段の検出信号（ＥＩＴ信号）の特性を確認しながら最適な状態に設定することができる。
【００４０】
励起光ＬＬの方向性（光軸位置）と平行性（コリメート特性）とが所望のものとなる位置を決定したのち、第３パッケージ２３を第２パッケージ２２に対して固定する。第３パッケージ２３と第２パッケージ２２の固定は、例えば、紫外線硬化型の接着剤を用いて行うことができる。これにより、瞬間的に２つのパッケージ２２、２３を固定することができるため、パッケージ２２、２３の位置ずれを効果的に防止することができる。なお、パッケージ２２、２３を紫外線硬化型の接着剤で接着したのち、さらに、より強力な接着剤を用いて、パッケージ２２、２３を接着してもよい。これにより、パッケージ２２、２３の固定がより強固となる。
また、これと同時に、光学素子層８２のＺ軸まわりの回転を防止するために、光学素子層８２を第３パッケージ２３に対して固定する。この固定は、パッケージ２２、２３の固定と同様の方法で行うことができる。
【００４１】
［第３工程］
まず、第２工程で得られた第２パッケージ２２と第３パッケージ２３との集合体（以下、単に「集合体」とも言う。）を用意し、その上に第１パッケージ２１を載置する。次いで、光検出部４を駆動させつつ、励起光出射部６から共鳴光１、２（励起光ＬＬ）を出射する。さらに、共鳴光１の周波数ω１を固定したまま、共鳴光２の周波数ω２を変化させていき、光検出部４の検出強度が最も高くなる共鳴光２の周波数ω２を決定する。すなわち、光検出部４がＥＩＴ信号を検出できる状態とする。
【００４２】
次いで、共鳴光１、２の周波数ω１、ω２を前述の周波数に固定した状態で、集合体に対して第１パッケージ２１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、光検出部４の検出強度が最も高くなる位置を決定する。この工程では、例えば、第１パッケージ２１を集合体に対してＸ軸方向に移動させ、光検出部４の検出強度が最も高い座量をＸ軸座標とし、第１パッケージ２１を集合体に対してＹ軸方向に移動させ、光検出部４の検出強度が最も高い座量をＹ軸座標とし、これら２つの座標に基づいて、集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを行ってもよい。このような方法によれば、Ｘ軸方向への移動とＹ軸方向への移動をそれぞれ１回ずつ行うだけでよいので、集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを簡単に行うことができる。
【００４３】
なお、上記方法は、ＥＩＴ信号の強度に基づいて集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを行う方法であるが、これに限定されず、例えば、ガスセル３による励起光ＬＬの吸収量に基づいて集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを行ってもよい。この方法によれば、共鳴光１、２の周波数ω１、ω２を調整する必要がないため、より簡単に、集合体に対する第１パッケージ２１の位置決めを行うことができる。すなわち、共鳴光１、２の周波数ω１、ω２の周波数差を特定の値（ω０）からずらしておき、ＥＩＴ信号が検出されない状態（共鳴光１、２が共に吸収される状態）としておくのである。
【００４４】
具体的には、まず、光検出部４を駆動させつつ、励起光出射部６から共鳴光１、２（励起光ＬＬ）を出射する。次いで、集合体に対して第１パッケージ２１をＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、光検出部４の検出強度が最も低くなる位置を決定する。この位置決めは、前述した方法と同様の方法で行うことができる。
上述の方法にて集合体に対して第１パッケージ２１を位置決めしたのち、第１パッケージ２１を集合体に対して固定する。第１パッケージ２１と集合体の固定は、第２パッケージ２２と第３パッケージ２３の固定と同様の方法で行うことができる。
以上の固定にて、原子発振器１が得られる。
【００４５】
このような原子発振器１によれば、励起光出射部６と、光学部品８と、ガスセル３および光検出部４との位置決めを簡単に行うことができるため、優れた発振特性を発揮することができる。特に本発明では、励起光を出射するための光出射部６およびペルチェ素子７（アクティブ部）をまとめて第２パッケージ２２に収納し、励起光に光学的処理を施すための光学部品（光学系）をまとめて第３パッケージ２３に収納し、励起光を検出するためのガスセル３および光検出部４（パッシブ部）をまとめて第１パッケージ２１に収納しているため、すなわち、各パッケージ２１、２２、２３が目的ごとに区別されている。そのため、より簡単に、励起光出射部６と、光学部品８と、ガスセル３および光検出部４との位置決めを簡単に行うことができる。
【００４６】
また、原子発振器１によれば、その製造が簡単となり、かつ実装上のバラツキを十分に補正することができ歩留まりも向上する。
以上、本発明の原子発振器および原子発振器の製造方法を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や、工程が付加されていてもよい。
【符号の説明】
【００４７】
１‥‥原子発振器 ２１‥‥第１パッケージ ２１１‥‥本体 ２１２‥‥蓋体 ２２‥‥第２パッケージ ２２１‥‥本体 ２２２‥‥蓋体 ２３‥‥第３パッケージ ２３１‥‥貫通孔 ２３１ａ‥‥大径部 ２３１ｂ‥‥中径部 ２３１ｃ‥‥小径部 ３‥‥ガスセル ３１‥‥本体部 ３２、３３‥‥窓部 ４‥‥光検出部 ５‥‥ヒーター ５１‥‥第１ヒーター ５２‥‥第２ヒーター ６‥‥光出射部 ７‥‥ペルチェ素子 ８‥‥光学部品 ８１‥‥コリメータレンズ ８２‥‥光学素子層 ８２１‥‥減光フィルター ８２２‥‥λ／４波長板 ＬＬ‥‥励起光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセルが収納された第１パッケージと、
前記ガスセル中の金属原子を励起する励起光を出射する光出射部が収納された第２パッケージと、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度を所望の特性に調整するための光学部品が設けられた第３パッケージとを有し、
前記光出射部から出射した前記励起光が、前記光学部品を通過したのち前記ガスセル内に入射するように、前記第３パッケージが前記第１パッケージと前記第２パッケージとの間に挟まれた構成を備えていることを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記第１パッケージには、前記ガスセル内を通過した前記励起光を検出する光検出部が収納されている請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記第３パッケージには、前記前記光学部品として光学レンズ、前記励起光の量を減少させる光学フィルター、偏光板、または波長板が配置されている請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記第３パッケージには、前記励起光が通過する貫通孔が形成されており、前記貫通孔の内壁に沿った段差を有し、前記貫通孔内に前記光学部品が収容され、前記段差によって前記光学部品が保持される請求項１ないし３のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項５】
前記第１パッケージには、前記ガスセルを加熱する加熱手段が収納されており、
前記第２パッケージには、前記光出射部を加熱・冷却する加熱・冷却手段が収納されている請求項１ないし４のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項６】
前記第３パッケージは、断熱性を有し、前記第１パッケージから前記第２パッケージへの熱の移動を抑止した請求項５に記載の原子発振器。
【請求項７】
ガスセルが収納された第１パッケージと、
前記ガスセル中の金属原子を励起する励起光を出射する光出射部が収納された第２パッケージと、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度を所望の特性に調整するための光学部品が設けられた第３パッケージと、
前記光出射部から出射した前記励起光が、前記光学部品を通過したのち前記ガスセル内に入射するように、前記第３パッケージが前記第１パッケージと前記第２パッケージとの間に挟まれた構成と、を備えた原子発振器の製造方法であって、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度が所望の特性を得るように、前記第１パッケージ、前記第２パッケージおよび前記第３パッケージの互いの相対的位置を位置決めする工程と、
前記第３パッケージを前記第１のパッケージおよび前記第２のパッケージに接合する工程を備えることを特徴とする原子発振器の製造方法。
【請求項８】
前記第２パッケージに前記第３パッケージを載置し、前記第３パッケージを通して出射される前記励起光の出射方向、出射位置、偏光方向、または出射強度が所望の特性を得るように、前記第２パッケージに対する前記第３パッケージの位置決めを行う工程と、
前記第２パッケージと前記第３パッケージとを接合する工程と、
前記第２パッケージと前記第３パッケージとの接合体に前記第１パッケージを載置し、前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度が所望の特性を得るように、前記接合体に対する前記第１パッケージの位置決めを行う工程と、
前記接合体と前記第１パッケージとを接合する工程を備える請求項７に記載の原子発振器の製造方法。
【請求項１】
ガスセルが収納された第１パッケージと、
前記ガスセル中の金属原子を励起する励起光を出射する光出射部が収納された第２パッケージと、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度を所望の特性に調整するための光学部品が設けられた第３パッケージとを有し、
前記光出射部から出射した前記励起光が、前記光学部品を通過したのち前記ガスセル内に入射するように、前記第３パッケージが前記第１パッケージと前記第２パッケージとの間に挟まれた構成を備えていることを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記第１パッケージには、前記ガスセル内を通過した前記励起光を検出する光検出部が収納されている請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記第３パッケージには、前記前記光学部品として光学レンズ、前記励起光の量を減少させる光学フィルター、偏光板、または波長板が配置されている請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記第３パッケージには、前記励起光が通過する貫通孔が形成されており、前記貫通孔の内壁に沿った段差を有し、前記貫通孔内に前記光学部品が収容され、前記段差によって前記光学部品が保持される請求項１ないし３のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項５】
前記第１パッケージには、前記ガスセルを加熱する加熱手段が収納されており、
前記第２パッケージには、前記光出射部を加熱・冷却する加熱・冷却手段が収納されている請求項１ないし４のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項６】
前記第３パッケージは、断熱性を有し、前記第１パッケージから前記第２パッケージへの熱の移動を抑止した請求項５に記載の原子発振器。
【請求項７】
ガスセルが収納された第１パッケージと、
前記ガスセル中の金属原子を励起する励起光を出射する光出射部が収納された第２パッケージと、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度を所望の特性に調整するための光学部品が設けられた第３パッケージと、
前記光出射部から出射した前記励起光が、前記光学部品を通過したのち前記ガスセル内に入射するように、前記第３パッケージが前記第１パッケージと前記第２パッケージとの間に挟まれた構成と、を備えた原子発振器の製造方法であって、
前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度が所望の特性を得るように、前記第１パッケージ、前記第２パッケージおよび前記第３パッケージの互いの相対的位置を位置決めする工程と、
前記第３パッケージを前記第１のパッケージおよび前記第２のパッケージに接合する工程を備えることを特徴とする原子発振器の製造方法。
【請求項８】
前記第２パッケージに前記第３パッケージを載置し、前記第３パッケージを通して出射される前記励起光の出射方向、出射位置、偏光方向、または出射強度が所望の特性を得るように、前記第２パッケージに対する前記第３パッケージの位置決めを行う工程と、
前記第２パッケージと前記第３パッケージとを接合する工程と、
前記第２パッケージと前記第３パッケージとの接合体に前記第１パッケージを載置し、前記ガスセルに対する前記励起光の入射方向、入射位置、偏光方向、または入射強度が所望の特性を得るように、前記接合体に対する前記第１パッケージの位置決めを行う工程と、
前記接合体と前記第１パッケージとを接合する工程を備える請求項７に記載の原子発振器の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１９１５２３（Ｐ２０１２−１９１５２３Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４７００（Ｐ２０１１−５４７００）
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１１日（２０１１．３．１１）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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