JP2018133644A - Gas cell, magnetism measurement device, and atom oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセル、磁気計測装置、および原子発振器に関する。 The present invention relates to a gas cell, a magnetic measurement device, and an atomic oscillator.
アルカリ金属ガスが封入されたガスセルに直線偏光を照射し、偏光面の回転角に応じて磁場を測定する光ポンピング式の磁気計測装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1には、閉容器(セル)の壁の内側の面を鎖式飽和炭化水素(パラフィン等)でコーティングし内部にアルカリ金属ガスを充満させたガスセルの構成が開示されている。コーティング材料の層(以下では、コーティング層という)は、アルカリ金属原子がセルの壁に直接衝突したときの挙動(例えば、スピン)の変化を抑制または低減する機能を有している。 There is known an optical pumping type magnetic measuring device that irradiates a gas cell filled with an alkali metal gas with linearly polarized light and measures a magnetic field in accordance with a rotation angle of a polarization plane (see, for example, Patent Document 1). Patent Document 1 discloses a configuration of a gas cell in which the inner surface of the wall of a closed container (cell) is coated with chain saturated hydrocarbon (paraffin or the like) and the inside is filled with an alkali metal gas. The layer of coating material (hereinafter referred to as the coating layer) has a function of suppressing or reducing a change in behavior (for example, spin) when an alkali metal atom directly collides with the cell wall.
しかしながら、照射された直線偏光がガスセルを透過する際に、ガスセルの壁の表面で光の反射が起きるという課題がある。光の反射によりガスセルを透過する光に損失が生じると、磁場の測定における信号成分が低下する。また、反射された光は迷光となり、磁場の測定におけるノイズ成分となる。その結果、磁場の測定における感度の低下や測定精度の低下を招いてしまう。したがって、セルの壁の表面での反射を効果的に抑えて、高感度かつ高精度で測定できるガスセルが求められている。 However, there is a problem that when the irradiated linearly polarized light passes through the gas cell, light is reflected on the surface of the wall of the gas cell. When a loss occurs in the light transmitted through the gas cell due to the reflection of light, the signal component in the measurement of the magnetic field decreases. Further, the reflected light becomes stray light and becomes a noise component in the measurement of the magnetic field. As a result, the sensitivity in the magnetic field measurement is lowered and the measurement accuracy is lowered. Therefore, there is a need for a gas cell that can effectively suppress reflection on the surface of the cell wall and perform measurement with high sensitivity and high accuracy.
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]本適用例に係るガスセルは、壁で構成された閉容器と、前記壁の内側の面に設けられた反射防止構造と、前記反射防止構造の表面を覆う鎖式飽和炭化水素と、前記閉容器に封入されたアルカリ金属ガスと、を備えたことを特徴とする。 [Application Example 1] A gas cell according to this application example includes a closed container constituted by a wall, an antireflection structure provided on an inner surface of the wall, and a chain saturated hydrocarbon covering the surface of the antireflection structure. And an alkali metal gas sealed in the closed container.
本適用例の構成によれば、閉容器を構成する壁の内側の面に反射防止構造が設けられているので、光がガスセルを透過する際に、入射側の壁の内側の面と射出側の壁の内側の面とにおける光の反射が抑えられる。また、反射防止構造の表面が鎖式飽和炭化水素からなるコーティング層で覆われているので、閉容器に封入されたアルカリ金属原子が閉容器の壁に衝突したときの挙動の変化を抑制または低減できる。これにより、閉容器の内側の面にコーティング層を有するガスセルにおいて、光の反射に起因する感度の低下や測定精度の低下を抑えることができる。 According to the configuration of this application example, since the antireflection structure is provided on the inner surface of the wall constituting the closed container, when light passes through the gas cell, the inner surface of the incident side wall and the emission side Reflection of light on the inner surface of the wall is suppressed. In addition, since the surface of the antireflection structure is covered with a coating layer made of chain saturated hydrocarbons, the change in behavior when alkali metal atoms enclosed in the closed container collide with the wall of the closed container is suppressed or reduced. it can. Thereby, in the gas cell which has a coating layer in the inner surface of a closed container, the fall of the sensitivity resulting from reflection of light and the fall of a measurement precision can be suppressed.
[適用例2]上記適用例に係るガスセルであって、前記反射防止構造として、複数の第1の凸条部が一次元配列された第1のグリッド構造を備えていることが好ましい。 Application Example 2 In the gas cell according to the application example described above, it is preferable that the antireflection structure includes a first grid structure in which a plurality of first protrusions are one-dimensionally arranged.
本適用例の構成によれば、第1の凸条部が一次元配列された第1のグリッド構造により、閉容器の内側の面における光の反射を抑えることができる。 According to the configuration of this application example, the first grid structure in which the first ridges are one-dimensionally arranged can suppress light reflection on the inner surface of the closed container.
[適用例3]上記適用例に係るガスセルであって、前記第1の凸条部の周期に対する幅の比率である占有率は、0.3以上0.7以下であることが好ましい。 Application Example 3 In the gas cell according to the application example described above, it is preferable that an occupation ratio, which is a ratio of a width to a cycle of the first ridge portion, is 0.3 or more and 0.7 or less.
本適用例の構成によれば、第1の凸条部の占有率を0.3以上0.7以下とすることで、第1のグリッド構造を容易かつ確実に形成できるとともに、第1のグリッド構造を覆うコーティング層を均一な膜厚で形成できる。 According to the configuration of this application example, the first grid structure can be easily and surely formed by setting the occupation ratio of the first protrusions to 0.3 or more and 0.7 or less, and the first grid A coating layer covering the structure can be formed with a uniform film thickness.
[適用例4]上記適用例に係るガスセルであって、前記第1の凸条部の占有率は、0.4以上0.6以下であることがより好ましい。 Application Example 4 In the gas cell according to the application example described above, it is more preferable that the occupation ratio of the first protrusion is 0.4 or more and 0.6 or less.
本適用例の構成によれば、第1の凸条部の占有率を0.4以上0.6以下とすることで、より安定して、第1のグリッド構造を容易かつ確実に形成できるとともに、第1のグリッド構造を覆うコーティング層を均一な膜厚で形成できる。 According to the configuration of this application example, the first grid structure can be easily and surely formed more stably by setting the occupation ratio of the first protrusions to 0.4 or more and 0.6 or less. The coating layer covering the first grid structure can be formed with a uniform film thickness.
[適用例5]上記適用例に係るガスセルであって、前記壁の外側の面に、複数の第2の凸条部が一次元配列された第2のグリッド構造が設けられていることが好ましい。 Application Example 5 In the gas cell according to the application example described above, it is preferable that a second grid structure in which a plurality of second protrusions are one-dimensionally arranged is provided on the outer surface of the wall. .
本適用例の構成によれば、閉容器を構成する壁の外側の面にも反射防止構造として第2のグリッド構造が設けられているので、光がガスセルを透過する際に、入射側の壁の内側の面と射出側の壁の内側の面とに加えて、入射側の壁の外側の面と射出側の壁の外側の面とにおける光の反射も抑えられる。これにより、ガスセルにおいて、光の反射に起因する感度の低下や測定精度の低下をより効果的に抑えることができる。 According to the configuration of this application example, since the second grid structure is provided as an antireflection structure on the outer surface of the wall constituting the closed container, when the light passes through the gas cell, the incident-side wall In addition to the inner surface and the inner surface of the exit side wall, reflection of light on the outer surface of the incident side wall and the outer surface of the exit side wall is also suppressed. Thereby, in a gas cell, the fall of the sensitivity resulting from reflection of light and the fall of measurement accuracy can be suppressed more effectively.
[適用例6]上記適用例に係るガスセルであって、前記第1のグリッド構造における前記第1の凸条部の占有率と、前記第2のグリッド構造における前記第2の凸条部の占有率と、が同じ場合には、前記第1の凸条部の高さは、前記第2の凸条部の高さよりも小さいことが好ましい。 Application Example 6 In the gas cell according to the application example described above, the occupancy ratio of the first ridge portion in the first grid structure and the occupancy of the second ridge portion in the second grid structure. When the rate is the same, it is preferable that the height of the first ridge is smaller than the height of the second ridge.
本適用例の構成によれば、第1のグリッド構造における第1の凸条部の占有率と第2のグリッド構造における第2の凸条部の占有率とが同じ場合に、コーティング層に覆われる壁の内側の面における光の反射率と、コーティング層に覆われない壁の外側の面における光の反射率とを同程度に抑えることができる。 According to the configuration of this application example, when the occupation ratio of the first ridges in the first grid structure is the same as the occupation ratio of the second ridges in the second grid structure, the coating layer is covered. Thus, the reflectance of light on the inner surface of the wall and the reflectance of light on the outer surface of the wall not covered with the coating layer can be suppressed to the same extent.
[適用例7]上記適用例に係るガスセルであって、前記第1のグリッド構造における前記第1の凸条部の高さと、前記第2のグリッド構造における前記第2の凸条部の高さと、が同じ場合には、前記第1の凸条部の占有率は、前記第2の凸条部の占有率よりも小さいことが好ましい。 Application Example 7 A gas cell according to the application example, wherein the height of the first ridge portion in the first grid structure and the height of the second ridge portion in the second grid structure Are the same, the occupancy of the first ridge is preferably smaller than the occupancy of the second ridge.
本適用例の構成によれば、第1のグリッド構造における第1の凸条部の高さと第2のグリッド構造における第2の凸条部の高さとが同じ場合に、コーティング層に覆われる壁の内側の面における光の反射率と、コーティング層に覆われない壁の外側の面における光の反射率とを同程度に抑えることができる。 According to the configuration of this application example, when the height of the first ridge portion in the first grid structure is the same as the height of the second ridge portion in the second grid structure, the wall covered with the coating layer The reflectance of light on the inner surface of the film and the reflectance of light on the outer surface of the wall not covered with the coating layer can be suppressed to the same level.
[適用例8]上記適用例に係るガスセルであって、前記反射防止構造として、モスアイ構造を備えていてもよい。 Application Example 8 In the gas cell according to the application example described above, a moth-eye structure may be provided as the antireflection structure.
本適用例の構成によれば、反射防止構造としてモスアイ構造を備えることで、グリッド構造と同様に光の反射を抑えることができる。 According to the configuration of this application example, by providing the moth-eye structure as the antireflection structure, reflection of light can be suppressed similarly to the grid structure.
[適用例9]本適用例に係る磁気計測装置は、上記に記載のガスセルを備えたことを特徴とする。 Application Example 9 A magnetic measuring device according to this application example includes the gas cell described above.
本適用例の構成によれば、高感度かつ高精度で磁気を測定可能な磁気計測装置を提供できる。 According to the configuration of this application example, it is possible to provide a magnetic measurement device capable of measuring magnetism with high sensitivity and high accuracy.
[適用例10]本適用例に係る原子発振器は、上記に記載のガスセルを備えたことを特徴とする。 Application Example 10 An atomic oscillator according to this application example includes the gas cell described above.
本適用例の構成によれば、高精度な原子発振器を提供できる。 According to the configuration of this application example, a highly accurate atomic oscillator can be provided.
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大、縮小、あるいは誇張して表示している。また、説明に必要な構成要素以外は図示を省略する場合がある。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings. The drawings to be used are appropriately enlarged, reduced or exaggerated so that the part to be described can be recognized. In addition, illustrations of components other than those necessary for the description may be omitted.
(第1の実施形態)
<磁気計測装置>
第1の実施形態に係る磁気計測装置の構成について、図1を参照して説明する。図1は、第1の実施形態に係る磁気計測装置の構成を示すブロック図である。第1の実施形態に係る磁気計測装置100は、非線形光学回転(Nonlinear Magneto-Optical Rotation:NMOR)を用いた磁気計測装置である。磁気計測装置100は、例えば、心臓からの磁場(心磁)や脳からの磁場(脳磁)などの生体から発生される微小な磁場を測定する生体状態測定装置(心磁計または脳磁計など)に用いられる。磁気計測装置100は、金属探知機などにも用いることができる。
(First embodiment)
<Magnetic measuring device>
The configuration of the magnetic measurement apparatus according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the magnetic measurement apparatus according to the first embodiment. The
図1に示すように、磁気計測装置100は、光源1と、光ファイバー2と、コネクター3と、偏光板4と、ガスセル10と、偏光分離器5と、光検出器(Photo Detector:PD)6と、光検出器7と、信号処理回路8と、表示装置9とを備えている。ガスセル10内には、アルカリ金属ガス(気体の状態のアルカリ金属原子)が封入されている。アルカリ金属としては、例えば、セシウム(Cs)、ルビジウム(Rb)、カリウム(K)、ナトリウム(Na)などを用いることができる。以下では、アルカリ金属としてセシウムを用いる場合を例に取り説明する。
As shown in FIG. 1, the
光源1は、セシウムの吸収線に応じた波長(例えばD1線に相当する894nm)のレーザービームを出力する装置、例えばチューナブルレーザーである。光源1から出力されるレーザービームは、連続的に一定の光量を有する、いわゆるCW(Continuous Wave)光である。 The light source 1 is a device that outputs a laser beam having a wavelength corresponding to the absorption line of cesium (for example, 894 nm corresponding to the D1 line), for example, a tunable laser. The laser beam output from the light source 1 is so-called CW (Continuous Wave) light having a constant light amount continuously.
偏光板4は、レーザービームを特定方向に偏光させ、直線偏光にする素子である。光ファイバー2は、光源1により出力されたレーザービームを、ガスセル10側に導く部材である。光ファイバー2には、例えば、基本モードのみを伝播するシングルモードの光ファイバーが用いられる。コネクター3は、光ファイバー2を偏光板4に接続するための部材である。コネクター3は、ねじ込み式であり、光ファイバー2を偏光板4に接続する。
The
ガスセル10は、内部に空隙を有する箱(セル)であり、この空隙(図2に示す主室14)にはアルカリ金属の蒸気(図2に示すアルカリ金属ガス13)が封入されている。ガスセル10の構成については、後述する。
The
偏光分離器5は、入射したレーザービームを、互いに直交する2つの偏光成分のビームに分離する素子である。偏光分離器5は、例えば、ウォラストンプリズムまたは偏光ビームスプリッターである。光検出器6および光検出器7は、レーザービームの波長に感度を有する検出器であり、入射光の光量に応じた電流を信号処理回路8に出力する。光検出器6および光検出器7は、それ自体が磁場を発生すると測定に影響を与える可能性があるので、非磁性の材料で構成されることが望ましい。光検出器6および光検出器7は、ガスセル10からみて偏光分離器5と同じ側(下流側)に配置される。
The polarization separator 5 is an element that separates an incident laser beam into beams of two polarization components orthogonal to each other. The polarization separator 5 is, for example, a Wollaston prism or a polarization beam splitter. The photodetector 6 and the photodetector 7 are detectors sensitive to the wavelength of the laser beam, and output a current corresponding to the amount of incident light to the signal processing circuit 8. It is desirable that the photodetector 6 and the photodetector 7 are made of a non-magnetic material because they themselves may affect the measurement when a magnetic field is generated. The photodetector 6 and the photodetector 7 are disposed on the same side (downstream side) as the polarization separator 5 as viewed from the
磁気計測装置100における各部の配置を、レーザービームの経路に沿って説明すると、レーザービームの経路の最上流には光源1が位置し、以下、上流側から、光ファイバー2、コネクター3、偏光板4、ガスセル10、偏光分離器5、および光検出器6,7の順で配置されている。
The arrangement of each part in the
光源1から出力されたレーザービームは、光ファイバー2に導かれて偏光板4に到達する。偏光板4を通過したレーザービームは、偏光度がより高い直線偏光になる。ガスセル10を透過しているレーザービームは、ガスセル10に封入されているアルカリ金属原子を励起(光ポンピング)する。このとき、レーザービームは、磁場の強さに応じた偏光面回転作用を受けて偏光面が回転する。ガスセル10を透過したレーザービームは偏光分離器5により2つの偏光成分のビームに分離される。2つの偏光成分のビームの光量は、光検出器6および光検出器7で計測(プロービング)される。
The laser beam output from the light source 1 is guided to the
信号処理回路8は、光検出器6および光検出器7により計測されたビームの光量を示す信号をそれぞれから受け取る。信号処理回路8は、受け取った各信号に基づいて、レーザービームの偏光面の回転角を計測する。偏光面の回転角は、レーザービームの伝播方向の磁場の強さに基づく関数で表される(例えば、D.バドカー、外5名,「原子の共鳴非線形磁気光学回転効果」,レビュー・オブ・モダン・フィジクス誌,米国,米国物理学会,2002年10月,第74巻,第4号,p.1153−1201の数式(2)を参照。数式(2)は線形光学回転に関するものであるが、NMORの場合もほぼ同様の式を用いることができる)。信号処理回路8は、偏光面の回転角からレーザービームの伝播方向における磁場の強さを測定する。表示装置9は、信号処理回路8により測定された磁場の強さを表示する。
The signal processing circuit 8 receives from each of the signals indicating the light amounts of the beams measured by the photodetector 6 and the photodetector 7. The signal processing circuit 8 measures the rotation angle of the polarization plane of the laser beam based on each received signal. The rotation angle of the polarization plane is expressed as a function based on the strength of the magnetic field in the propagation direction of the laser beam (for example, D. Budker, et al., “Resonant nonlinear magneto-optical rotation effect of atoms”, Review of See Equation (2) in Modern Physics, USA, American Physical Society, October 2002, Vol. 74, No. 4, p.1153-11201, although Equation (2) relates to linear optical rotation. In the case of NMOR, almost the same formula can be used). The signal processing circuit 8 measures the strength of the magnetic field in the propagation direction of the laser beam from the rotation angle of the polarization plane. The
続いて、第1の実施形態に係るガスセルおよびガスセルに用いられるアンプルの構成について、図2から図5を参照して説明する。 Then, the structure of the ampule used for the gas cell which concerns on 1st Embodiment, and a gas cell is demonstrated with reference to FIGS.
<ガスセル>
図2は、第1の実施形態に係るガスセルの長手方向に沿った側断面図である。図3は、図2のA−A’線に沿った平断面図である。図2および図3において、ガスセル10の高さ方向をZ軸とし、上方側を+Z方向とする。Z軸と交差する方向であって、ガスセル10の長手方向(後述する主室14とリザーバー16とが並ぶ方向)をX軸とし、図2における右側を+X方向とする。そして、Z軸およびX軸と交差する方向であって、ガスセル10の幅方向をY軸とし、図3における右側を+Y方向とする。
<Gas cell>
FIG. 2 is a side sectional view along the longitudinal direction of the gas cell according to the first embodiment. 3 is a cross-sectional plan view taken along the line AA ′ of FIG. 2 and 3, the height direction of the
図2に示すように、第1の実施形態に係るガスセル10は、閉容器としてのセル12とリッド19とを備えている。セル12は、壁11で構成された内部に空隙を有する箱(セル)である。壁11は、例えば、石英ガラスなどからなるガラス板部材である。壁11(板状の部材)の厚さは、1mm〜5mmであり、例えば、1.5mm程度である。
As shown in FIG. 2, the
セル12は、内部の空隙として、主室14と、X軸方向を長手方向とするリザーバー16とを有している。主室14とリザーバー16とは、X軸方向に沿って並ぶように配置されており、連通孔15を介して連通している。連通孔15は、主室14およびリザーバー16の上方側(+Z方向側)に設けられている。図示しないが、連通孔15をX軸方向に沿って見た形状は、例えば円形状である。連通孔15の内径は、例えば、0.4mm〜1mm程度である。
The
セル12(主室14およびリザーバー16)の内部には、アルカリ金属が蒸発したガス(以下ではアルカリ金属ガスという)13が充填されている。主室14およびリザーバー16には、アルカリ金属ガス13の他に、希ガスなどの不活性ガスが存在していてもよい。
The cell 12 (the
リザーバー16内には、アンプル20が収納されている。アンプル20のガラス管22には、貫通孔(開口部)21が形成されている。アルカリ金属ガス13は、アンプル20内に充填されていたアルカリ金属固体24(図4参照)が蒸発(ガス化)したものである。アンプル20の構成については後述する。
An
セル12の壁11の内側には、膜状のコーティング層32が配置されている。コーティング層32は、アルカリ金属原子がセル12(主室14)の壁11に直接衝突したときの挙動(例えば、スピン)の変化を抑制または低減する機能を有する。コーティング層32は、パラフィンなどの鎖式飽和炭化水素で構成されている。パラフィンの一例として、例えば、化学式(CH3(CH2)48CH3)で示されるペンタコンタンを用いることができる。
A film-
リザーバー16の長手方向における主室14および連通孔15の反対側(−X方向側)には、開口部18が設けられている。開口部18をX軸方向に沿って見た形状は、例えば円形状である。開口部18の内径は、例えば、0.4mm〜1.5mm程度である。開口部18は、封止部材30を介してセル12に接合されたリッド19で封止されている。これにより、セル12(主室14およびリザーバー16)が密封されている。
An
図3では、セル12の長手方向が図3における上下方向に沿うように図示している。図3に示すように、主室14の側部(X−Z平面に沿った部分)の壁11の内側の面112および面113には、反射防止構造として第1のグリッド構造50aが設けられている。第1のグリッド構造50aの表面は、コーティング層32に覆われている。また、主室14の側部の壁11の外側の面111および面114には、反射防止構造として第2のグリッド構造50bが設けられている。
In FIG. 3, the longitudinal direction of the
磁気計測装置100(図1参照)において、レーザービームLbは、図3におけるY軸方向に沿って、−Y方向側から+Y方向側へ照射される。レーザービームLbの照射方向から見ると、レーザービームLbは、主室14の側部の壁11の略中央部に照射されて(図2参照)、主室14内を透過する。レーザービームLbは、−Y方向側の壁11の外側の面111に略垂直に入射し、面111から内側の面112を透過して主室14内に入射し、主室14内を透過し、+Y方向側の壁11の内側の面113から外側の面114を透過して、主室14外へ射出される。
In the magnetic measurement apparatus 100 (see FIG. 1), the laser beam Lb is irradiated from the −Y direction side to the + Y direction side along the Y axis direction in FIG. When viewed from the irradiation direction of the laser beam Lb, the laser beam Lb is applied to the substantially central portion of the
このとき、レーザービームLbは、−Y方向側の壁11において、外側の面111に設けられた第2のグリッド構造50bを透過し、内側の面112に設けられた第1のグリッド構造50aを透過する。そして、レーザービームLbは、+Y方向側の壁11において、内側の面113に設けられた第1のグリッド構造50aを透過し、外側の面114に設けられた第2のグリッド構造50bを透過する。
At this time, the laser beam Lb passes through the
ここで、ガスセル10が備える反射防止構造(第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50b)の効果について、従来の反射防止構造を備えていないガスセルと比較して説明する。図29は、従来の反射防止構造を備えていないガスセルの一例を示す平断面図である。図29に示すガスセル90は、反射防止構造(第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50b)を備えていない点以外は、第1の実施形態に係るガスセル10と同じ構成を有している。
Here, the effect of the antireflection structure (the
ガスセル90にレーザービームLbが照射されると、−Y方向側の壁11の外側の面111において反射が起きる。そして、−Y方向側の壁11の内側の面112、+Y方向側の壁11の内側の面113および外側の面114でも同様の反射が起きる。壁11の各面における反射によるレーザービームLbの光損失は4%程度である。したがって、レーザービームLbが主室の4つの面を透過することにより、レーザービームLbの光損失は15%程度となる。この結果、ガスセル90から射出されるレーザービームLbの光量は、ガスセル90に入射するレーザービームLbの光量の85%程度に低下してしまう。
When the
このような反射によりガスセル90を透過するレーザービームLbに損失が生じると、磁気計測装置100での磁場の測定における信号成分が低下する。また、レーザービームLbが反射された反射光は迷光となり、磁場の測定におけるノイズ成分となる。その結果、従来のガスセル90では、磁場の測定における感度の低下や測定精度の低下を招いてしまう。
When a loss occurs in the laser beam Lb that passes through the
これに対して、第1の実施形態に係るガスセル10は、主室14の壁11に反射防止構造(第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50b)を備えているので、レーザービームLbがガスセル10を透過する際に、入射側の壁11の外側の面111および内側の面112と、射出側の壁11の内側の面113および外側の面114とにおける光の反射が抑えられる。これにより、レーザービームLbの反射に起因する感度の低下や測定精度の低下を抑えることができる。反射防止構造(第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50b)の構造とその効果については後で詳述する。
On the other hand, since the
なお、第1の実施形態に係るガスセル10は、主室14の壁11の内側の面112および面113に第1のグリッド構造50aを備え、外側の面111および面114に第2のグリッド構造50bを備えているが、ガスセルが外側の面111および面114に第2のグリッド構造50bを備えていない構成としてもよい。このような構成の場合、第1の実施形態に係るガスセル10よりも反射防止効果は低下するが、反射防止構造を備えていないガスセル90と比べて、感度の低下や測定精度の低下を抑えることができる。
The
<アンプル>
図4は、第1の実施形態に係るアンプルの長手方向に沿った断面図である。図5は、図4のB−B’線に沿った断面図である。図4に示すように、本実施形態に係るアルカリ金属を含む固形物としてのアンプル20は、長手方向を有している。図4には、アンプル20を、その長手方向がX軸方向に沿うように配置したときのX−Z断面を示している。アンプル20は、中空状のガラス管22で構成される。ガラス管22は、例えば、ホウ珪酸ガラスにより形成されている。
<Ample>
FIG. 4 is a cross-sectional view along the longitudinal direction of the ampoule according to the first embodiment. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. As shown in FIG. 4, the
ガラス管22は、一方向(図4ではX軸方向)に沿って延在しており、その両端部が溶着されている。これにより、内部が中空状のガラス管22は密封されている。なお、ガラス管22の両端部の形状は、図4に示すような丸い形状に限定されず、平面に近い形状や一部が尖った形状などであってもよい。ガラス管22の中空状の内部には、アルカリ金属固体(粒状や粉末状のアルカリ金属原子)24が充填されている。アルカリ金属固体24としては、上述したように、セシウムの他に、ルビジウム、カリウム、ナトリウムを用いることができる。
The
図4には、アンプル20(ガラス管22)が密封された状態を示している。アンプル20が製造された段階ではガラス管22は密封された状態であるが、ガスセル10が完成した段階では、ガラス管22に貫通孔21(図2参照)が形成され密封が破られる。これにより、アンプル20内のアルカリ金属固体24が蒸発してガスセル10内に流出し、セル12の空隙がアルカリ金属ガス13で満たされる(図2参照)。なお、アンプル20内からアルカリ金属固体24が蒸発して流出し易くなるように、アンプル20の上面とセル12の内面との間には、例えば+Z方向に1.5mm程度の隙間が設けられている(図2参照)。
FIG. 4 shows a state where the ampoule 20 (glass tube 22) is sealed. At the stage where the
図5に、アンプル20の長手方向と交差する方向におけるY−Z断面を示す。図5に示すように、ガラス管22のY−Z断面の形状は、例えば略円形であるが、他の形状であってもよい。ガラス管22の外径φは、0.3mm≦φ≦1.2mmである。ガラス管22の肉厚tは、0.1mm≦t≦0.5mmであり、概ね外径φの20%程度であることが好ましい。ガラス管22の肉厚tが0.1mm未満であるとガラス管22が破損し易くなり、ガラス管22の肉厚tが0.5mmを超えると、ガラス管22に貫通孔21を形成する加工(詳細は後述する)が困難となる。
FIG. 5 shows a YZ cross section in a direction intersecting the longitudinal direction of the
<反射防止構造>
次に、第1の実施形態に係るガスセルの反射防止構造を、図6、図7、および図8を参照して説明する。図6は、第1の実施形態に係る反射防止構造の概略構成を示す斜視図である。図7は、図6のC−C’線に沿った第1のグリッド構造の断面図である。図8は、図6のC−C’線に沿った第2のグリッド構造の断面図である。図6、図7、および図8は、反射防止構造(第1のグリッド構造50aまたは第2のグリッド構造50b)が設けられた主室14の側部の壁11の一部を拡大して示す図である。
<Antireflection structure>
Next, the antireflection structure for a gas cell according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 6, 7, and 8. FIG. 6 is a perspective view illustrating a schematic configuration of the antireflection structure according to the first embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view of the first grid structure taken along the line CC ′ of FIG. FIG. 8 is a cross-sectional view of the second grid structure taken along the line CC ′ of FIG. 6, 7, and 8 are enlarged views of a portion of the
図6に示すように、第1のグリッド構造50aの概略構成と第2のグリッド構造50bの概略構成とは同じである。上述したように、第1のグリッド構造50aは、主室14の側部の壁11の内側の面112および面113に設けられている。第1のグリッド構造50aは、複数の第1の凸条部52aがストライプ状に一次元配列された構成を有している。
As shown in FIG. 6, the schematic configuration of the
第1の凸条部52aは、壁11の面112および面113に複数の凹条部53aを形成することで残留した部分である。したがって、第1の凸条部52aは壁11の一部であり、第1の凸条部52aの上面が、壁11の表面(面112および面113)である。
The
第2のグリッド構造50bは、主室14の側部の壁11の外側の面111および面114に設けられている。第2のグリッド構造50bは、複数の第2の凸条部52bがストライプ状に一次元配列された構成を有している。第2の凸条部52bは、壁11の面111および面114に複数の凹条部53bを形成することで残留した部分である。したがって、第2の凸条部52bも壁11の一部であり、第2の凸条部52bの上面が、壁11の表面(面111および面114)である。
The
第1のグリッド構造50aにおける第1の凸条部52aの延在方向と、第2のグリッド構造50bにおける第2の凸条部52bの延在方向とは平行である。上述したように、ガスセル10の主室14に入射するレーザービームLb(図3参照)の波長を、894nmとする。レーザービームLbは、主室14の側部の壁11に対して垂直に入射する。レーザービームLbは、直線偏光のTE偏光とする。すなわち、直線偏光の電場の振動方向が第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの延在方向に平行な方向であるものとする。
The extending direction of the
図7は、第1のグリッド構造50aが設けられた壁11の内側の面112および面113の概略断面図である。第1の凸条部52aは、所定のピッチ(周期)で配置されている。図7には、図6に図示されていないコーティング層32を図示している。コーティング層32は、第1のグリッド構造50aにおける第1の凸条部52aの上面および側面と、隣り合う第1の凸条部52a同士の間とを覆うように配置されている。コーティング層32の膜厚は、例えば60nm程度である。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of the
図8は、第2のグリッド構造50bが設けられた壁11の外側の面111および面114の概略断面図である。第2の凸条部52bも、第1の凸条部52aと同じピッチ(周期)で配置されている。第2のグリッド構造50b上には、コーティング層32は配置されていない。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of the
図7および図8を参照して、第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bの詳細構成を説明する。第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの配置ピッチ(すなわち、凹条部53aおよび凹条部53bの配置ピッチ)である周期をpとする。第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの幅をwとする。第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの高さ(すなわち、凹条部53aおよび凹条部53bの深さ)をhとする。ここでは、一旦、第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの、周期pと、幅wと、高さhとがそれぞれ同じであるものとする。
With reference to FIG. 7 and FIG. 8, the detailed structure of the
レーザービームLbの波長をλとし、壁11を構成するガラス板部材の屈折率をn1とする。第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの周期pと、レーザービームLbの波長λと、壁11を構成するガラス板部材の屈折率n1との関係は、以下の数式1によって表される。
The wavelength of the laser beam Lb is λ, and the refractive index of the glass plate member constituting the
数式1において、ガラス板部材(例えば石英ガラス)の屈折率n1を1.45とすると、λは894nmであるので、周期p<617nmとなる。そこで、周期pを、600nmとする。 In Equation 1, and the refractive index n 1 of the glass sheet member (for example, quartz glass) and 1.45, lambda is because it is 894 nm, the period p <617 nm. Therefore, the period p is set to 600 nm.
第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bは、実効屈折率(neff)を有する薄膜とみなすことができる。数式1の条件を満たす波長に対応して、第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bに求められる実効屈折率neffは、以下の数式2によって計算できる。
The
数式2において、neff(TE)は、TE偏光に対する実効屈折率である。n2は、壁11の周囲の屈折率であり、1であるものとする。fは、第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bにおける一次元グリッドの占有率であり、以下の数式3によって表される。
In
数式3に示すように、占有率fは、第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの周期pに対する幅wの比率である。第1のグリッド構造50aについては、第1の凸条部52aの表面がコーティング層32で覆われるが、コーティング層32により凹条部53aが埋まらないようにするためには、占有率fが0.5(すなわち、幅wが周期pの1/2)程度であることが望ましい。ここでは、コーティング層32が等方的に形成される(均一な膜厚で形成される)ことを考慮して、占有率fを0.4とする。そうすると、数式2により、第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bに求められる実効屈折率neffは、1.2となる。
As shown in Formula 3, the occupation ratio f is a ratio of the width w to the period p of the
また、第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの高さhは、以下の数式4によって計算できる。
Moreover, the height h of the 1st protruding item |
数式4により、第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの高さhは、186nmとなる。これらの結果を用いて、第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bにおける反射率を試算する。数式2により求めた実効屈折率neffと、数式4により求めた第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの高さhとからフレネル係数を計算して、第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bにおける概略の反射率を求めると、反射率はほぼゼロとなる。
According to
上記の反射率は、コーティング層32が形成されていない第2のグリッド構造50bに適用できる。第1のグリッド構造50aについては、上記の反射率はコーティング層32が形成されていない状態での反射率であるため、コーティング層32が形成されることで条件が異なってくる。そこで、以下、コーティング層32で覆われた状態における第1のグリッド構造50aの反射率を試算する。
The above reflectance can be applied to the
コーティング層32の材料(例えば、ペンタコンタン)の屈折率は、壁11の屈折率n1とほぼ同じである。60nm程度の膜厚のコーティング材が第1のグリッド構造50a上に等方的に蒸着され、第1の凸条部52aの上面および側面と、隣り合う第1の凸条部52a同士の間とに同じ膜厚でコーティング層32が形成されるものとする。
The refractive index of the material of the coating layer 32 (for example, pentacontane) is almost the same as the refractive index n 1 of the
第1の凸条部52aにコーティング層32を含めると、図7に示すように、第1の凸条部52aの周期pおよび高さhは変わらないが、幅w1はコーティング層32が形成されていない状態の幅wよりも大きくなる。その結果、占有率fは、0.4から0.6程度に変化する。コーティング層32の屈折率が壁11の屈折率n1とほぼ同じであるので、コーティング層32で覆われた第1のグリッド構造50aは、占有率fが0.6の一次元グリッド構造であるとみなすことができる。
When the
占有率fを0.6として、数式2により実効屈折率neffを求めると、コーティング層32で覆われた第1のグリッド構造50aの実効屈折率neffは1.29になる。そして、数式4により、第1の凸条部52aの高さhを求めると、高さhは173nmとなる。したがって、コーティング層32で覆われる第1のグリッド構造50aについては、第1の凸条部52aを形成する際に、予めその高さhを173nmとしておくことが望ましい。
The occupancy f as 0.6, when determining the effective refractive index n eff according to
コーティング層32で覆われた状態における第1のグリッド構造50aについて、数式2により求めた実効屈折率neffと、数式4により求めた第1の凸条部52aの高さhとからフレネル係数を計算して概略の反射率を求めると、反射率は0.5%程度となる。コーティング層32で覆われることで反射率が僅かに上昇するが、反射防止構造を備えていないガスセル90に対しては反射率を格段に低下させることができる。
About the
上記の試算結果から、第1のグリッド構造50aと第2のグリッド構造50bとでは、第1のグリッド構造50a上にコーティング層32で覆われることで占有率fが変化することを踏まえて、予め第1の凸条部52aの高さhと第2の凸条部52bの高さhとを異ならせておくことが望ましい。上記の試算結果に基づけば、第1の凸条部52aと第2の凸条部52bとで占有率fを0.4とし、第1の凸条部52aの高さhを173nmとし、第2の凸条部52bの高さhを186nmとすればよい。
From the above calculation results, the
換言すれば、第1のグリッド構造50aにおける第1の凸条部52aの占有率fと、第2のグリッド構造50bにおける第2の凸条部52bの占有率fとが同じ場合には、第1の凸条部52aの高さhを、第2の凸条部52bの高さhよりも小さくすればよい。
In other words, when the occupancy rate f of the
第1の凸条部52aの占有率fと第2の凸条部52bの占有率fとは、特に限定されないが、第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bが容易かつ確実に形成できること、第1の凸条部52aにコーティング層32を均一な膜厚で形成できること、等を考慮すると、0.5を中心値として、0.3以上0.7以下の範囲が好ましく、0.4以上0.6以下の範囲がより好ましい。
The occupancy rate f of the
また、第1の凸条部52aの高さhと第2の凸条部52bの高さhとを同じとしてもよい。第1の凸条部52aの高さhと第2の凸条部52bの高さhとが同じ場合には、第1の凸条部52aの占有率fを第2の凸条部52bの占有率fよりも小さくすればよい。例えば、第1の凸条部52aの高さhと第2の凸条部52bの高さhとを173nmとする場合、第1の凸条部52aの占有率fを0.4とし、第2の凸条部52bの占有率fを0.6とすればよい。
Also, the height h of the
上記の試算では、コーティング層32の膜厚を60nmとしているが、コーティング層32の膜厚が異なる場合でも、第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの占有率fと、第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの高さhとを適切に設定することで、対応することが可能である。
In the above calculation, the thickness of the
なお、上述の説明では、レーザービームLbを直線偏光のTE偏光としたが、レーザービームLbは直線偏光のTM偏光(電場の振動方向が第1の凸条部52aおよび第2の凸条部52bの延在方向と直交する方向の直線偏光)であってもよい。レーザービームLbが直線偏光のTM偏光である場合の実効屈折率neffは、数式5によって同様に計算できる。
In the above description, the laser beam Lb is linearly polarized TE polarized light. However, the laser beam Lb is linearly polarized TM polarized light (the vibration direction of the electric field is the
次に、第1の実施形態に係る反射防止構造の形成方法を含むガスセルの製造方法を、図9から図20を参照して説明する。図9から図12は、第1の実施形態に係る反射防止構造の形成方法を説明する図である。図13から図20は、第1の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する図である。 Next, a method for manufacturing a gas cell including the method for forming an antireflection structure according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 9 to 12 are views for explaining a method of forming the antireflection structure according to the first embodiment. FIG. 13 to FIG. 20 are views for explaining a method for manufacturing a gas cell according to the first embodiment.
<反射防止構造の形成方法>
まず、図9から図12を参照して、第1の実施形態に係る反射防止構造としてのグリッド構造の形成方法を説明する。図9から図12には第1のグリッド構造50aの形成方法が示されているが、第2のグリッド構造50bの形成方法も同様である。第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bは、セル12を組み立てる前の壁11となるガラス板部材の状態において形成される。ここでは、ガラス板部材を壁11と表記する。
<Method for forming antireflection structure>
First, a method for forming a grid structure as an antireflection structure according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. Although FIGS. 9 to 12 show a method for forming the
図9に示すように、壁11の内側の面112,113にポジ型のレジスト60を、例えばスピンコート法を用いて形成する。そして、レジスト60を、レーザー干渉露光を用いてパターニングする。レーザー干渉露光に用いる光源としては、例えば、波長が266nmの連続発振DUV(Deep Ultra Violet)レーザーを用いることができる。
As shown in FIG. 9, a positive resist 60 is formed on the
図9に示すように、連続発振DUVレーザー光を、適宜2本のレーザー光DL1、DL2に分岐し、2本のレーザー光DL1、DL2を所定の角度θで交差させる。これにより、周期的な明暗からなる干渉縞を含む光(干渉光)が発生する。干渉縞のピッチ(明暗の周期)は、所定の角度θによって決まる。例えば、角度θを13度に設定することにより、干渉縞のピッチを600nmとすることができる。このような干渉光をレジスト60に照射することにより、レジスト60に干渉縞のピッチに対応した潜像パターンが形成される。 As shown in FIG. 9, the continuous wave DUV laser beam is appropriately branched into two laser beams DL1 and DL2, and the two laser beams DL1 and DL2 are crossed at a predetermined angle θ. Thereby, light (interference light) including interference fringes composed of periodic light and dark is generated. The pitch of the interference fringes (brightness / darkness cycle) is determined by a predetermined angle θ. For example, the pitch of the interference fringes can be set to 600 nm by setting the angle θ to 13 degrees. By irradiating the resist 60 with such interference light, a latent image pattern corresponding to the pitch of the interference fringes is formed on the resist 60.
続いて、干渉縞のピッチに対応した潜像パターンが形成されたレジスト60を現像する。これにより、図10に示すように、干渉縞のピッチに対応した周期を有するレジストパターン62が、壁11の面112,113に形成される。例えば、干渉縞のピッチを600nmとすれば、レジストパターン62の周期もほぼ600nmとなる。
Subsequently, the resist 60 on which the latent image pattern corresponding to the pitch of the interference fringes is formed is developed. Thereby, as shown in FIG. 10, a resist
続いて、図11に示すように、レジストパターン62をマスクとして、壁11の面112,113にドライエッチングを施す。これにより、壁11の面112,113のうちレジストパターン62で覆われていない部分が選択的に除去されて、レジストパターン62の形状が壁11の面112,113に転写される。具体的には、壁11の面112,113のうち除去された部分が凹条部53aとなり、レジストパターン62に覆われて残留した部分が第1の凸条部52aとなる。
Subsequently, as shown in FIG. 11, the
続いて、図12に示すように、レジストパターン62を除去することで、壁11の面112,113に、複数の第1の凸条部52aを有する第1のグリッド構造50aが形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 12, by removing the resist
<ガスセルの製造方法>
次に、図13から図20を参照して、第1の実施形態に係るガスセルの製造方法を説明する。図13から図20のうち、図14および図16は図3に対応する平断面図であり、それ以外は図2に対応する側断面図である。
<Gas cell manufacturing method>
Next, a gas cell manufacturing method according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 13 to 20, FIG. 14 and FIG. 16 are plan sectional views corresponding to FIG. 3, and the other portions are side sectional views corresponding to FIG. 2.
図13および図14に示す工程では、セル12を組み立てる。セル12は、例えば、石英ガラスからなるガラス板部材を壁11として組み合わせることで構成される。図示を省略するが、石英ガラスからなるガラス板を切断して、セル12を構成する各壁11に対応するガラス板部材を準備する。そして、これらのガラス板部材(壁)11を組み立て、ガラス板部材(壁)11同士を接着剤または溶着により接合して、図13および図14に示すような、主室14とリザーバー16とを有するセル12を得る。
In the steps shown in FIGS. 13 and 14, the
図14に示すように、主室14の側部の壁11となるガラス板部材の内側の面112および面113には、予め第1のグリッド構造50aが設けられている。また、主室14の側部の壁11となるガラス板部材の外側の面111および面114には、予め第2のグリッド構造50bが設けられている。図13および図14に示す段階では、コーティング層32は形成されていない。また、この段階では、セル12の開口部18は開放されている。
As shown in FIG. 14, a
続いて、図15および図16に示す工程では、セル12の壁11の内側にコーティング層32を形成する。図示を省略するが、組み立てたセル12内部の脱気を十分に行い、減圧環境下において、セル12の開口部18からリザーバー16内に、例えばニードルなどを用いてコーティング層32の材料を配置する。そして、開口部18を仮栓などで仮封止し、セル12全体を、例えば200℃程度に加熱する。
15 and 16, the
これにより、図15および図16に示すように、セル12(主室14およびリザーバー16)の壁11の内側を覆うコーティング層32が形成される。この結果、図16に示すように、主室14の側部の壁11の内側の面112および面113において、第1のグリッド構造50aがコーティング層32で覆われる。この他にも、セル12内を真空に近い状態とし、コーティング層32の材料を加熱して気相または液相の状態で、開口部18を介してセル12に導入してもよい。
Thereby, as shown in FIG. 15 and FIG. 16, the
続いて、図17に示す工程では、内面にコーティング層32が形成されたセル12のリザーバー16内にアンプル20を収納する。アンプル20は、セル12のリザーバー16側に設けられた開口部18から挿入され、リザーバー16内に配置される。この段階では、アンプル20は、図4に示すように、中空状のガラス管22の内部にアルカリ金属固体24が充填され密封された状態となっている。
Subsequently, in the step shown in FIG. 17, the
なお、アンプル20は、真空に近い低圧環境下(理想的には真空中)において、管状のガラス管22の中空部にアルカリ金属固体24を充填し、ガラス管22の両端部をそれぞれ溶着し密封して形成する。アルカリ金属固体24として用いられるセシウムなどのアルカリ金属は、反応性に富み大気中で取り扱うことができないため、低圧環境下でアンプル20内に密封された状態でセル12に収納される。
The
続いて、図18に示す工程では、セル12内からの排気を十分に行い、主室14およびリザーバー16内に不純物が極めて少ない状態で、セル12を封止する。例えば、真空に近い低圧環境下(理想的には真空中)または不活性気体中において、セル12の開口部18を、封止部材30(低融点ガラスフリット)を用いてリッド19で封止する。これにより、内部にアンプル20が収納された状態で、セル12が密封される。
Subsequently, in the step shown in FIG. 18, the
続いて、図19に示す工程では、アンプル20(ガラス管22)に貫通孔21を形成する。この工程では、パルスレーザー光40を、集光レンズ42で集光して、上方(+Z方向)側からセル12を間に介してアンプル20のガラス管22に照射する。レーザー光は指向性や収束性に優れているので、ガラス管22を容易に加工することができる。パルスレーザー光40を照射することにより、ガラス管22の上面(表面)から深さ方向(−Z方向)に加工が進む。そして、ガラス管22に貫通孔21が形成されると、アンプル20の中空部がリザーバー16と連通してアンプル20の密封が破られる。
Subsequently, in the step shown in FIG. 19, a through
図20に示すように、ガラス管22に貫通孔21を形成することにより、アンプル20内のアルカリ金属固体24(図4参照)が蒸発し、アルカリ金属ガス13となってリザーバー16内に流出する。リザーバー16内に流出したアルカリ金属ガス13は、連通孔15を通ってセル12の主室14に流入し拡散する。この結果、セル12の主室14内がアルカリ金属ガス13で満たされる。以上の工程により、ガスセル10を製造できる。
As shown in FIG. 20, by forming the through
図20に示す工程では、セル12の壁11に損傷を与えることなく、アンプル20のガラス管22に貫通孔21を形成する必要がある。そこで、壁11が石英ガラスで形成されガラス管22がホウ珪酸ガラスで形成されている場合、例えば、紫外線領域の波長のパルスレーザー光40を用いる。紫外線領域の波長の光は、石英ガラスを透過するが、ホウ珪酸ガラスには僅かに吸収される。これにより、セル12の壁11に損傷を与えることなく、アンプル20のガラス管22を選択的に加工して貫通孔21を形成することができる。
In the process shown in FIG. 20, it is necessary to form the through
なお、この工程では、アンプル20内からアルカリ金属固体24が蒸発して流出すればよいので、貫通孔21の形成に限定されず、例えば、ガラス管22に亀裂を生じさせてアンプル20を分断してもよいし、ガラス管22を破壊してもよい。
In this step, the alkali metal solid 24 only needs to evaporate and flow out from the
(第2の実施形態)
第2の実施形態では、第1の実施形態に対して、反射防止構造の構成が異なる点以外は、同じ構成を有している。ここでは、第2の実施形態に係るガスセルおよび反射防止構造について説明する。
(Second Embodiment)
The second embodiment has the same configuration as the first embodiment except that the configuration of the antireflection structure is different. Here, the gas cell and the antireflection structure according to the second embodiment will be described.
<ガスセル>
第2の実施形態に係るガスセルの構成を、図21を参照して説明する。図21は、第2の実施形態に係るガスセルの構成を示す平断面図である。図21は、第1の実施形態における図3に対応する図である。ここでは、第1の実施形態との相違点を説明する。
<Gas cell>
The configuration of the gas cell according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 21 is a plan sectional view showing the configuration of the gas cell according to the second embodiment. FIG. 21 is a diagram corresponding to FIG. 3 in the first embodiment. Here, differences from the first embodiment will be described.
図21に示すように、第2の実施形態に係るガスセル10Aは、入射側の壁11の外側の面111と、射出側の壁11の外側の面114とに、反射防止構造としての第3のグリッド構造54を備えている。第2の実施形態に係るガスセル10Aでは、第3のグリッド構造54が、入射側の壁11の外側の面111および射出側の壁11の外側の面114における中央部の、レーザービームLbが透過する領域(図2参照)に設けられている。
As shown in FIG. 21, the
<反射防止構造>
図22は、第2の実施形態に係る反射防止構造の概略構成を示す断面図である。図22は、第1の実施形態における図8に対応する図である。図22に示すように、第2の実施形態に係る反射防止構造としての第3のグリッド構造54は、複数の第3の凸条部56がストライプ状に一次元配列された構成を有している。第3の凸条部56は、壁11の外側の面111および面114の表面に配置されている。第3の凸条部56は、樹脂で構成されている。
<Antireflection structure>
FIG. 22 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of the antireflection structure according to the second embodiment. FIG. 22 is a diagram corresponding to FIG. 8 in the first embodiment. As shown in FIG. 22, the
なお、図示を省略するが、第3のグリッド構造54についても、第3の凸条部56の周期pと、幅wと、高さhとが、第1の実施形態に係る第1のグリッド構造50aおよび第2のグリッド構造50bと同様に設定される。
In addition, although illustration is abbreviate | omitted also about the
<反射防止構造の形成方法>
図23、図24、および図25を参照して、第2の実施形態に係る反射防止構造の形成方法を説明する。図23、図24、および図25は、第2の実施形態に係る反射防止構造の形成方法を説明する図である。
<Method for forming antireflection structure>
With reference to FIG. 23, FIG. 24, and FIG. 25, the formation method of the reflection preventing structure which concerns on 2nd Embodiment is demonstrated. 23, 24, and 25 are views for explaining a method of forming an antireflection structure according to the second embodiment.
第2の実施形態に係る反射防止構造としての第3のグリッド構造54の形成方法では、図23に示すように、スタンパー64を用いて第3のグリッド構造54を形成する。スタンパー64は、例えば金属からなり、凸条部66と凹条部68とが交互に配列された凹凸パターンを有する抜型となっている。凸条部66と凹条部68との凹凸パターンは、例えばフォトリソグラフィ法により形成できる。
In the method of forming the
図23に示すように、第3の凸条部56を形成する壁11の面111,114にスタンパー64を押し付ける。続いて、図24に示すように、スタンパー64の一端部に光硬化性の樹脂55を塗布し、毛細管現象によって壁11の面111,114とスタンパー64の凹凸パターンとの隙間内に浸透させる。樹脂55は、熱硬化性の樹脂等であってもよい。
As shown in FIG. 23, the
塗布した樹脂55を、スタンパー64に対して樹脂55を塗布する側の反対側から真空引きすることにより、スタンパー64の凹凸パターン全体に広げる。供給された樹脂55を、例えば窒素ガス(N2)等の不活性ガスによって加圧して、塗布側からの押込みと反対側からの真空引きにより、壁11の面111,114上に凹凸パターンに沿って広げることができる。
The applied
スタンパー64の凹凸パターン内に充填された樹脂55を、紫外線照射等の方法により露光して硬化させると、凹凸パターン内に充填された樹脂55が第3の凸条部56となる。樹脂55が硬化した後、壁11の面111,114からスタンパー64を剥離(あるいは離間)する。これにより、図25に示すように、壁11の面111,114上に第3の凸条部56が配置される。以上により、第3のグリッド構造54が形成される。第2の実施形態に係る第3のグリッド構造54は、スタンパー64を用いて形成されるので、セル12を組み立てた後でも主室14の壁11の外側の面111,114に形成することができる。
When the
なお、図21では、壁11の外側の面111,114における中央部のレーザービームLbが透過する領域に第3のグリッド構造54が形成されているが、壁11の外側の面111,114の全面に第3のグリッド構造54を形成するようにしてもよい。また、セル12を組み立てる前のガラス板部材の状態で、壁11の外側の面111,114だけでなく、壁11の内側の面112,113に第3のグリッド構造54を形成するようにしてもよい。
In FIG. 21, the
(第3の実施形態)
<原子発振器>
第1の実施形態では、ガスセル10,10Aを適用可能な装置として、磁気計測装置100を説明したが、第3の実施形態では、上記実施形態に係るガスセル10(またはガスセル10A)を適用した装置として、原子時計などの原子発振器を説明する。図26は、第3の実施形態に係る原子発振器の構成を示す概略図である。また、図27および図28は、第3の実施形態に係る原子発振器の動作を説明する図である。
(Third embodiment)
<Atomic oscillator>
In the first embodiment, the
図26に示す第3の実施形態に係る原子発振器(量子干渉装置)101は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。図26に示すように、原子発振器101は、上記実施形態に係るガスセル10(またはガスセル10A)と、光源71と、光学部品72,73,74,75と、光検出部76と、ヒーター77と、温度センサー78と、磁場発生部79と、制御部80とを備えている。
An atomic oscillator (quantum interference device) 101 according to the third embodiment shown in FIG. 26 is an atomic oscillator using a quantum interference effect. As shown in FIG. 26, the
光源71は、ガスセル10内のアルカリ金属原子を励起する励起光LLとして、後述する周波数の異なる2種の光(図27に示す共鳴光L1および共鳴光L2)を射出する。光源71は、例えば、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL)などの半導体レーザーなどで構成される。光学部品72,73,74,75は、それぞれ、光源71とガスセル10との間における励起光LLの光路上に設けられ、光源71側からガスセル10側へ、光学部品72(レンズ)、光学部品73(偏光板)、光学部品74(減光フィルター)、光学部品75(λ/4波長板)の順に配置されている。
The
光検出部76は、ガスセル10内を透過した励起光LL(共鳴光L1,L2)の強度を検出する。光検出部76は、例えば、太陽電池、フォトダイオードなどで構成されており、後述する制御部80の励起光制御部82に接続されている。ヒーター77(加熱部)は、ガスセル10内のアルカリ金属をガス状に(アルカリ金属ガス13として)維持するために、ガスセル10を加熱する。ヒーター77(加熱部)は、例えば、発熱抵抗体などで構成される。
The
温度センサー78は、ヒーター77の発熱量を制御するために、ヒーター77またはガスセル10の温度を検出する。温度センサー78は、サーミスター、熱電対などの公知の各種温度センサーで構成される。磁場発生部79は、ガスセル10内のアルカリ金属の縮退した複数のエネルギー準位をゼーマン分裂させる磁場を発生させる。ゼーマン分裂により、アルカリ金属の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器101の発振周波数の精度を高めることができる。磁場発生部79は、例えば、ヘルムホルツコイルやソレノイドコイルなどで構成される。
The
制御部80は、光源71が射出する励起光LL(共鳴光L1,L2)の周波数を制御する励起光制御部82と、温度センサー78の検出結果に基づいてヒーター77への通電を制御する温度制御部81と、磁場発生部79から発生する磁場が一定となるように制御する磁場制御部83とを有する。制御部80は、例えば、基板上に実装されたICチップに設けられている。
The
原子発振器101の原理を簡単に説明する。図27は原子発振器101のガスセル10内におけるアルカリ金属のエネルギー状態を説明する図であり、図28は原子発振器101の光源71からの2つの光の周波数差と光検出部76での検出強度との関係を示すグラフである。図27に示すように、ガスセル10内に封入されているアルカリ金属(アルカリ金属ガス13)は、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S1、基底状態S2)と、励起状態との3つの状態をとり得る。ここで、基底状態S1は、基底状態S2よりも低いエネルギー状態である。
The principle of the
このようなアルカリ金属ガス13に対して周波数の異なる2種の共鳴光L1,L2を照射すると、共鳴光L1の周波数ω1と共鳴光L2の周波数ω2との差(ω1−ω2)に応じて、共鳴光L1,L2のアルカリ金属ガス13における光吸収率(光透過率)が変化する。そして、共鳴光L1の周波数ω1と共鳴光L2の周波数ω2との差(ω1−ω2)が基底状態S1と基底状態S2とのエネルギー差に相当する周波数と一致したとき、基底状態S1,S2から励起状態への励起がそれぞれ停止する。
When such an
このとき、共鳴光L1,L2は、いずれも、アルカリ金属ガス13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(EIT:Electromagnetically Induced Transparency)現象と呼ぶ。EIT現象に伴って発生する急峻な信号であるEIT信号を光検出部76で検出し、そのEIT信号を基準信号として用いる。EIT信号は、短期周波数安定度を高める観点から、線幅(半値幅)が小さく、かつ、強度が高いことが好ましい。
At this time, the resonance lights L1 and L2 are transmitted without being absorbed by the
光源71は、ガスセル10に向けて、上述したような周波数の異なる2種の光(共鳴光L1および共鳴光L2)を射出する。ここで、例えば、共鳴光L1の周波数ω1を固定し、共鳴光L2の周波数ω2を変化させていくと、共鳴光L1の周波数ω1と共鳴光L2の周波数ω2との差(ω1−ω2)が基底状態S1と基底状態S2とのエネルギー差に相当する周波数ω0に一致したとき、光検出部76の検出強度は、図28に示すように急峻に上昇する。
The
このような急峻な信号をEIT信号と呼ぶ。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。本実施形態では、線幅が小さく高品質かつ大きなEIT信号が得られる。したがって、このようなEIT信号を基準として用いることにより、高精度な原子発振器101を実現することができる。
Such a steep signal is called an EIT signal. The EIT signal has an eigenvalue determined by the type of alkali metal. In this embodiment, a high-quality and large EIT signal is obtained with a small line width. Therefore, by using such an EIT signal as a reference, a highly accurate
原子発振器101に用いられるガスセル10には小型で長寿命であり、かつ、精度が高いことが要求されるが、上記実施形態のガスセルの構成によれば、小型で長寿命で高精度のガスセル10を安定的に製造できるので、小型で精度が高く長寿命の原子発振器101を提供できる。
The
上述した実施形態は、あくまでも本発明の一態様を示すものであり、本発明の範囲内で任意に変形および応用が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。 The above-described embodiments merely show one aspect of the present invention, and can be arbitrarily modified and applied within the scope of the present invention. As modifications, for example, the following can be considered.
(変形例1)
上記実施形態に係るガスセル10,10Aは、反射防止構造として第1の凸条部52a、第2の凸条部52b、第3の凸条部56、がストライプ状に一次元配列されたグリッド構造であったが、本発明はこのような形態に限定されない。例えば、ガスセル10,10Aが反射防止構造としてモスアイ構造を備えていてもよい。反射防止構造としてモスアイ構造を備えることで、ガスセル10,10Aが備える第1のグリッド構造50a、第2のグリッド構造50b、第3のグリッド構造54、と同様にガスセル10,10Aを透過するレーザービームLbの反射を抑えることができる。
(Modification 1)
The
(変形例2)
上記実施形態に係るガスセル10,10Aは、セル12の内部にアルカリ金属ガス13を発生させる手段としてアンプル20を用いていたが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば、アルカリ金属ガス13を発生させる手段として、アルカリ金属化合物と吸着剤とを含み、円筒形、直方体、球体などの形状を有するピルを用いることとしてもよい。図示を省略するが、このようなピルに、赤色から赤外線領域の波長の連続発振レーザー光を照射すると、アルカリ金属化合物が活性化されることでアルカリ金属が生成され、その際に放出される不純物や不純ガスは吸着剤に吸着される。アルカリ金属化合物としては、アルカリ金属としてセシウムを用いる場合、例えば、モリブデン酸セシウム、塩化セシウムなどのセシウム化合物を用いることができる。吸着剤としては、例えば、ジルコニウム粉末、アルミニウムなどを用いることができる。
(Modification 2)
In the
(変形例3)
上記実施形態に係るガスセル10,10Aは、セル12の内部にコーティング層32を形成する際に、セル12の開口部18からリザーバー16内にコーティング層32の材料を配置することとしたが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば、コーティング層32の材料を管状部材に充填し、この管状部材をセル12の開口部18からリザーバー16内に配置し、アンプル20もリザーバー16内に配置してリッド19で開口部18を封止した後に、セル12全体を加熱するようにしてもよい。なお、このようにした場合には、セル12の内部にコーティング層32が形成された後、コーティング層32の材料が充填されていた管状部材がリザーバー16内に残留する。
(Modification 3)
In the
10,10A,90…ガスセル、11…壁、12…セル(閉容器)、13…アルカリ金属ガス、32…コーティング層(鎖式飽和炭化水素)、50a…第1のグリッド構造(反射防止構造)、50b…第2のグリッド構造(反射防止構造)、52a…第1の凸条部、52b…第2の凸条部、100…磁気計測装置、101…原子発振器、111,114…外側の面、112,113…内側の面、f…占有率、h…高さ、p…周期、w…幅。
10, 10A, 90 ... gas cell, 11 ... wall, 12 ... cell (closed container), 13 ... alkali metal gas, 32 ... coating layer (chain saturated hydrocarbon), 50a ... first grid structure (antireflection structure) 50b ... second grid structure (antireflection structure), 52a ... first protrusion, 52b ... second protrusion, 100 ... magnetic measuring device, 101 ... atomic oscillator, 111,114 ...
Claims (10)
前記壁の内側の面に設けられた反射防止構造と、
前記反射防止構造の表面を覆う鎖式飽和炭化水素と、
前記閉容器に封入されたアルカリ金属ガスと、
を備えたことを特徴とするガスセル。 A closed container composed of walls,
An antireflection structure provided on the inner surface of the wall;
A chain saturated hydrocarbon covering the surface of the antireflection structure;
An alkali metal gas sealed in the closed container;
A gas cell comprising:
前記反射防止構造として、複数の第1の凸条部が一次元配列された第1のグリッド構造を備えたことを特徴とするガスセル。 The gas cell according to claim 1, wherein
A gas cell comprising a first grid structure in which a plurality of first ridges are arranged one-dimensionally as the antireflection structure.
前記第1の凸条部の周期に対する幅の比率である占有率は、0.3以上0.7以下であることを特徴とするガスセル。 The gas cell according to claim 2, wherein
The occupation ratio, which is the ratio of the width to the period of the first ridges, is 0.3 or more and 0.7 or less.
前記第1の凸条部の占有率は、0.4以上0.6以下であることを特徴とするガスセル。 The gas cell according to claim 3, wherein
The gas cell according to claim 1, wherein an occupation ratio of the first ridge portion is 0.4 or more and 0.6 or less.
前記壁の外側の面に、複数の第2の凸条部が一次元配列された第2のグリッド構造が設けられていることを特徴とするガスセル。 A gas cell according to claim 3 or 4, wherein
A gas cell comprising a second grid structure in which a plurality of second ridges are arranged one-dimensionally on the outer surface of the wall.
前記第1のグリッド構造における前記第1の凸条部の占有率と、前記第2のグリッド構造における前記第2の凸条部の占有率と、が同じ場合には、
前記第1の凸条部の高さは、前記第2の凸条部の高さよりも小さいことを特徴とするガスセル。 The gas cell according to claim 5, wherein
When the occupancy rate of the first ridges in the first grid structure and the occupancy rate of the second ridges in the second grid structure are the same,
The height of the said 1st protruding item | line part is smaller than the height of the said 2nd protruding item | line part, The gas cell characterized by the above-mentioned.
前記第1のグリッド構造における前記第1の凸条部の高さと、前記第2のグリッド構造における前記第2の凸条部の高さと、が同じ場合には、
前記第1の凸条部の占有率は、前記第2の凸条部の占有率よりも小さいことを特徴とするガスセル。 The gas cell according to claim 5, wherein
When the height of the first ridge in the first grid structure is the same as the height of the second ridge in the second grid structure,
The gas cell characterized in that an occupancy ratio of the first ridge portion is smaller than an occupancy ratio of the second ridge portion.
前記反射防止構造として、モスアイ構造を備えたことを特徴とするガスセル。 The gas cell according to claim 1, wherein
A gas cell comprising a moth-eye structure as the antireflection structure.
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|---|---|---|---|---|
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| CN117406148A (en) * | 2023-09-18 | 2024-01-16 | 江西师范大学 | Multi-parameter measurement device and method for tapered micro-nano fiber Bragg grating sensor |
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2017
- 2017-02-14 JP JP2017024696A patent/JP2018133644A/en active Pending
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