CN102195647A - 原子振荡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供可比以往提高频率精度的原子振荡器。磁场产生部(40)产生使碱金属原子(20)的第1基态能级和第2基态能级发生塞曼分裂的磁场。频率控制部(50)根据光检测部(30)的检测信号(32)，在预定的切换时刻切换第1光和第2光中的至少一方的频率，使得光源(10)出射的第1光和第2光依次成为在与多个预定的磁量子数分别对应的第1基态能级和第2基态能级之间引起跃迁的共振光对。磁场控制部(60)根据检测信号，依次取得当第1光和第2光成为与预定的磁量子数分别对应的共振光对时可确定第1基态能级和第2基态能级的能量差的特征信息，控制由磁场产生部产生的磁场的强度，使得施加给碱金属原子的磁场的强度恒定。

Description

原子振荡器

技术领域

本发明涉及原子振荡器。

背景技术

基于电磁感应透明(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)方式(有时也称作CPT(Coherent Population Trapping，相干布居囚禁)方式)的原子振荡器是利用以下现象的振荡器，即：当向碱金属原子同时照射具有可干涉性且具有相互不同的特定波长(频率)的2种共振光时，共振光的吸收停止。

众所周知，如图14所示，可使用∧型3能级系统模型来说明碱金属原子与2种共振光的相互作用机构。碱金属原子具有2个基态能级，当将以下的共振光1或共振光2分别单独照射到碱金属原子时，众所周知会产生光吸收，其中，共振光1具有相当于基态能级1与激发能级之间的能量差的频率，共振光2具有相当于基态能级2与激发能级之间的能量差的频率。然而，当向该碱金属原子同时照射共振光1和共振光2时，处于2个基态能级的重合状态，即量子干涉状态，产生透明化现象(EIT现象)，即：向激发能级的激发停止，共振光1和共振光2透射碱金属原子。例如，对于铯原子，D2线(波长是852.1nm)的基态状态由于超细微结构而分裂为具有F＝3、4的能级的2个状态，与F＝3的基态能级1和F＝4的基态能级2的能量差相当的频率是9.192631770GHz。因此，当向铯原子同时照射波长是852.1nm附近且频率差是9.192631770GHz的2种激光时，该2种激光成为共振光对而发生EIT现象。

然后，当向碱金属原子照射频率不同的2种光时，根据该2种光是否成为共振光对而碱金属原子是否发生EIT现象，光吸收举动急剧变化。表示该急剧变化的光吸收举动的信号被称作EIT信号，当共振光对的频率差与相当于2个基态能级的能量差ΔE₁₂的频率(例如，在铯原子的情况下是9.192631770GHz)准确一致时，EIT信号的级别表示峰值。因此，检测EIT信号的峰值，并进行频率控制，使得照射到碱金属原子的2种光成为共振光对，即，该2种光的频率差与相当于ΔE₁₂的频率准确一致，从而可实现高精度的振荡器。

另外，众所周知，当对碱金属原子施加磁场时，2个基态能级分别根据磁量子数分裂为多个能级(称作塞曼分裂)。即，由于2个基态能级的能量差ΔE₁₂按各磁量子数而不同，因而当使共振光对的频率差变化时，出现多个EIT信号。此时，在磁场强度微小的情况下，该多个EIT信号重合而成为线宽度宽的1个EIT信号，因而难以准确检测其峰值，频率精度劣化。然而，完全消除由干扰引起的磁场影响是极其困难的。因此，着眼于以下方面，即：对于弱磁场，即使磁场强度变动，针对磁量子数0的2个基态能级的能量差ΔE₁₂也可视为大致恒定，提出了这样的原子振荡器：将多个EIT信号完全分离的程度的弱磁场施加给碱金属原子来检测针对磁量子数0的EIT信号的峰值，从而提高频率精度。

【专利文献1】美国专利第6265945号说明书

然而，要想消除干扰影响来稳定控制弱磁场是非常困难的。而且，即使是弱磁场，严格地说，2个基态能级的能量差ΔE₁₂也会微妙地变动，因而以往的方式难以进一步提高频率精度。

发明内容

本发明正是鉴于上述问题而完成的，根据本发明的若干方式，可提供能比以往提高频率精度的原子振荡器。

(1)本发明是一种原子振荡器，该原子振荡器利用通过向碱金属原子照射共振光对而产生的电磁感应透明现象，该原子振荡器具有：气体状的碱金属原子；光源，其产生包含具有可干涉性、且频率不同的第1光和第2光的多个光来照射所述碱金属原子；磁场产生部，其产生使所述碱金属原子的第1基态能级和第2基态能级发生塞曼分裂的磁场；光检测部，其接收透射过所述碱金属原子的光，生成与接收到的光的强度对应的检测信号；频率控制部，其根据所述检测信号，进行所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率控制，使得所述第1光和所述第2光成为使所述碱金属原子发生电磁感应透明现象的共振光对；以及磁场控制部，其根据所述检测信号，控制由所述磁场产生部产生的磁场的强度，所述频率控制部按照预定的切换定时切换所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率，使得所述第1光和所述第2光依次成为在由塞曼分裂产生的多个所述第1基态能级和多个所述第2基态能级中的与多个预定的磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对，所述磁场控制部依次取得当所述第1光和所述第2光成为在与所述预定的磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时的能确定所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差的特征信息，根据取得的多个所述特征信息，控制由所述磁场产生部产生的磁场的强度，使得施加给所述碱金属原子的磁场的强度恒定。

“碱金属”是指属于在元素周期表的第一列的第1族的元素(Na，K，Rb，Cs，...)。

一般，在施加给碱金属原子的磁场的强度恒定的情况下，与碱金属原子的任意的磁量子数对应的2个基态能级的能量差恒定。因此，在磁场强度不改变的情况下，即使由于温度变化等原因而使原子振荡器的频率变化且光检测强度暂时下降，通过实施反馈控制，使得在与任意一个磁量子数对应的2个基态能级之间引起跃迁的EIT现象继续，也能实现高频率精度的原子振荡器。为了将磁场强度保持恒定，考虑了检测透射碱金属原子的光的检测强度变化来确定磁场的变化量，然而单纯地检测光检测强度的变化，并不能判断是由于磁场强度变化而使光检测强度变化、还是由于温度变化等的影响使得振荡频率发生偏差而使光检测强度变化。

因此，在本发明中，着眼于针对磁场强度变化的碱金属原子的2个基态能级的能量差的变化程度是各磁量子数特有的这一点，依次产生在与多个预定的磁量子数分别对应的2个基态能级之间引起跃迁的共振光对，根据检测信号，依次取得可确定与各个磁量子数对应的2个基态能级的能量差的多个特征信息，根据取得的多个特征信息确定磁场强度的变化量，控制成使磁场强度恒定。根据这样的结构的本发明涉及的原子振荡器，能可靠捕捉施加给碱金属原子的磁场强度的变化量来将磁场强度的变动抑制到微小范围，因而可比以往提高频率精度。

并且，根据本发明涉及的原子振荡器，无需象以往那样对碱金属原子施加弱磁场，可比以往相对地减少由干扰引起的磁场的变化量，因而磁场的稳定控制容易，因此可提高频率稳定性。

(2)优选的是，在该原子振荡器中，所述光源通过预定频率的调制信号被施加频率调制，由此，产生包含所述第1光和第2光的多个光，所述频率控制部具有：电压控制振荡器，其生成以与基于所述检测信号的振荡控制电压对应的频率进行振荡的振荡信号；频率变换部，其以给定的频率变换率对所述振荡信号进行频率变换来生成所述调制信号；以及频率切换控制部，其按照所述切换定时切换所述频率变换率，使得所述第1光和所述第2光依次成为在与所述预定的磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对。

这样，通过切换由频率变换部生成的调制信号的频率(调制频率)来对光源实施调制，容易依次产生在与多个磁量子数分别对应的2个基态能级之间引起跃迁的EIT现象。

(3)优选的是，在该原子振荡器中，所述磁场控制部依次取得当所述第1光和所述第2光成为在与所述预定的磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时的所述振荡控制电压的值，作为所述特征信息。

(4)优选的是，在该原子振荡器中，所述频率控制部切换所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率，使得所述第1光和所述第2光成为在与第1磁量子数、第2磁量子数和第3磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对，当所述第1光和所述第2光成为在与所述第1磁量子数、第2磁量子数和第3磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时，所述磁场控制部分别取得作为所述特征信息的第1特征信息、第2特征信息和第3特征信息，根据所述第1特征信息、所述第2特征信息和所述第3特征信息，计算对应于所述第1磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差与对应于所述第2磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差的差、同对应于所述第2磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差与对应于所述第3磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差的差之比，根据计算结果，控制由所述磁场产生部产生的磁场的强度。

针对磁场强度的变化，与碱金属原子的3个磁量子数m₁、m₂、m₃分别对应的2个基态能级的能量差的变化程度分别不同，因而根据对应于磁量子数m₁的2个基态能级的能量差和对应于磁量子数m₂的2个基态能级的能量差的差、与对应于磁量子数m₂的2个基态能级的能量差和对应于磁量子数m₃的2个基态能级的能量差的差的比值，可唯一地确定磁场强度。因此，根据该原子振荡器，通过计算该比值，可进行反馈控制，使得磁场强度恒定。

(5)优选的是，在该原子振荡器中，所述频率控制部切换所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率，使得所述第1光和所述第2光成为在与第1磁量子数和第2磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对，当所述第1光和所述第2光成为在与所述第1磁量子数和第2磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时，所述磁场控制部分别取得作为所述特征信息的第1特征信息和第2特征信息，根据所述第1特征信息和所述第2特征信息，计算对应于所述第1磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差与对应于所述第2磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差的差，根据计算结果，控制由所述磁场产生部产生的磁场的强度。

针对磁场强度的变化，与碱金属原子的2个磁量子数m₁、m₂分别对应的2个基态能级的能量差的变化程度分别不同，因而根据对应于磁量子数m₁的2个基态能级的能量差和对应于磁量子数m₂的2个基态能级的能量差的差值，可唯一地确定磁场强度。因此，根据该原子振荡器，通过计算该差值，可进行反馈控制，使得磁场强度恒定。

(6)优选的是，在该原子振荡器中，所述频率控制部根据由所述磁场产生部产生的磁场的强度变动程度，变更所述切换定时的周期。

(7)优选的是，该原子振荡器具有存储部，该存储部存储所述特征信息或者基于所述特征信息的能确定磁场强度的磁场强度信息，所述频率控制部根据存储在所述存储部内的所述特征信息或者所述磁场强度信息，判定由所述磁场产生部产生的磁场的强度变动程度，根据判定结果，变更所述切换定时的周期。

这样，例如在磁场频繁变动的情况下或者在磁场的变动量大的情况下，通过缩短切换时刻的周期来缩短磁场的调整周期，在磁场几乎不变动的情况下，通过延长切换时刻的周期来延长磁场的调整周期，由此能进行更细致的磁场控制，可提高频率稳定度。

附图说明

图1是本实施方式的原子振荡器的功能框图。

图2是示出第1实施方式的原子振荡器的结构的图。

图3是示出半导体激光器的出射光的频谱的概略图。

图4是用于说明铯原子的塞曼分裂后的基态能级与共振光的关系的图。

图5是示出当对铯原子施加了磁场时的磁通密度与针对各磁量子数m的f₁₂(m，m)的关系的图。

图6是示出伴随对铯原子施加的磁场的强度变化的、EIT信号的变化状况的一例的图。

图7是示出对铯原子施加的磁通密度与R＝ΔE(0，-1)/ΔE(-1，-2)或者R^-1＝ΔE(-1，-2)/ΔE(0，-1)的关系的图。

图8是示出对铯原子施加的磁通密度与R＝ΔE(+1，0)/ΔE(0，-1)或者R^-1＝ΔE(0，-1)/ΔE(+1，0)的关系的图。

图9是示出对铯原子施加的磁通密度与R＝ΔE(+1，0)/ΔE(-1，-2)或者R^-1＝ΔE(-1，-2)/ΔE(+1，0)的关系的图。

图10是示出第1实施方式的原子振荡器的变形例的结构的图。

图11是示出对铯原子施加的磁通密度与R＝ΔE(-1，-2)、ΔE(0，-1)、ΔE(+1，0)的关系的图。

图12是示出第2实施方式的原子振荡器的结构的图。

图13是示出第3实施方式的原子振荡器的结构的图。

图14是示意性示出碱金属原子的能量能级的图。

标号说明

1：原子振荡器；10：光源；12：出射光；20：碱金属原子；22：透射光；30：光检测部；32：检测信号；40：磁场产生部；50：频率控制部；52：电压控制振荡器；54：频率变换部；56：频率切换控制部；60：磁场控制部；70：存储部；100A～100D：原子振荡器；110：半导体激光器；120：气室；130：光检测器；140：磁场产生部；150：放大电路；160：检波电路；170：电流驱动电路；180：低频振荡器；190：检波电路；200：电压控制石英振荡器(VCXO)；210：调制电路；220：低频振荡器；230：频率变换电路；240：运算电路；250：比较电路；260：磁场控制电路；270：频率切换控制电路；280：电光调制器(EOM)；290：运算电路；300：历史信息存储部。

具体实施方式

以下，利用附图来详细说明本发明的优选实施方式。另外，以下说明的实施方式并不是要对权利要求中记载的本发明的内容进行不恰当的限定。并且，以下说明的所有结构不一定是本发明的必要技术特征。

图1是本实施方式的原子振荡器的功能框图。

本实施方式的原子振荡器1构成为包括光源10、碱金属原子20、光检测部30、磁场产生部40、频率控制部50以及磁场控制部60。

光源10产生包含具有可干涉性且频率不同的第1光和第2光的多个光12来照射到气体状的碱金属原子20(钠(Na)原子、铷(Rb)原子、铯(Cs)原子等)。例如，激光是具有可干涉性的光。

光检测器30接收透射过碱金属原子20的光(透射光)22，生成与接收到的光的强度对应的检测信号32。

这里，例如可以是这样的形式：在光源10和光检测部30之间配置将气体状的碱金属原子20封入密闭容器内而成的气室。并且，也可以是这样的形式：将光源20、气体状的碱金属原子20、光检测部30一起封入密闭容器内，将光源10和光检测部30相对配置。

磁场产生部40产生使碱金属原子20的第1基态能级和第2基态能级发生塞曼分裂的磁场。磁场产生部40例如由线圈来实现。

磁场控制部60根据光检测部30的检测信号32，控制由磁场产生部40产生的磁场的强度。具体地说，磁场控制部60依次取得当光源10产生的第1光和第2光成为在与预定的磁量子数分别对应的第1基态能级和第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时的可确定该第1基态能级和该第2基态能级的能量差的特征信息，根据取得的多个该特征信息，控制由磁场产生部40产生的磁场的强度，使得施加给碱金属原子20的磁场的强度恒定。例如，在磁场产生部40是线圈的情况下，磁场控制部60通过根据取得的多个特征信息控制流入该线圈的电流量，可将磁场强度控制为恒定。

频率控制部50根据光检测部30的检测信号32，进行第1光和第2光中的至少一方的频率控制，使得光源10产生的第1光和第2光成为使碱金属原子20发生EIT现象的共振光对。具体地说，频率控制部50在预定的切换时刻切换第1光和第2光中的至少一方的频率，使得光源10产生的第1光和第2光依次成为在由塞曼分裂产生的碱金属原子20的多个第1基态能级和多个第2基态能级中的与多个预定的磁量子数分别对应的第1基态能级和第2基态能级之间引起跃迁的共振光对。另外，第1光和第2光成为共振光对，不仅包含其频率差与相当于碱金属原子20的2个基态能级的能量差的频率准确一致的情况，而且还包含碱金属原子20具有发生EIT现象的范围的微小误差的情况。

频率控制部50例如可构成为包含电压控制振荡器52、频率变换部54以及频率切换控制部56。这里，电压控制振荡器52生成以与基于光检测部30的检测信号的振荡控制电压对应的频率进行振荡的振荡信号。并且，频率变换部54以给定的频率变换率对电压控制振荡器52的振荡信号进行频率变换来生成预定的频率调制信号。并且，频率切换控制部56在预定的切换时刻切换频率变换部54的频率变换率，使得光源10产生的第1光和第2光依次成为在与预定的磁量子数分别对应的第1基态能级和第2基态能级之间引起跃迁的共振光对。然后，光源10通过使用由频率变换部54生成的调制信号施加频率调制，产生包含第1光和第2光的多个光12。在该情况下，磁场控制部60可以依次取得当光源10产生的第1光和第2光成为在与预定的磁量子数分别对应的第1基态能级和第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时的电压控制振荡器52的振荡控制电压值，作为特征信息。

频率控制部50例如可以根据由磁场产生部40产生的磁场的强度变动程度，变更切换时刻(切换第1光和第2光中的至少一方的频率的时刻)的周期。具体地说，原子振荡器1包含存储部70，该存储部70存储由磁场控制部60取得的多个特征信息或者基于该特征信息的可确定磁场强度的磁场强度信息，频率控制部50可以根据存储在存储部70内的特征信息或磁场强度信息，判定由磁场产生部40产生的磁场的强度变动程度，根据判定结果，变更切换时刻的周期。

以下，说明本实施方式的原子振荡器的更具体的结构。

(1)第1实施方式

图2是示出第1实施方式的原子振荡器的结构的图。

如图2所示，第1实施方式的原子振荡器100A构成为包含半导体激光器110、气室120、光检测器130、磁场产生部140、放大电路150、检波电路160、电流驱动电路170、低频振荡器180、检波电路190、电压控制石英振荡器(VCXO)200、调制电路210、低频振荡器220、频率变换电路230、运算电路240、比较电路250、磁场控制电路260以及频率切换控制电路270。

半导体激光器110产生频率不同的多个光来照射到气室120。具体地说，根据电流驱动电路170输出的驱动电流，控制成使半导体激光器110的出射光的中心波长λ₀(中心频率是f₀)与碱金属原子的预定亮线(例如，铯原子的D2线)的波长一致。然后，半导体激光器110对频率变换电路230的输出信号实施调制而成为调制信号(调制频率f_m)。即，通过使频率变换电路230的输出信号(调制信号)与电流驱动电路170的驱动电流重叠，半导体激光器110产生实施了调制后的光。这样的半导体激光器110例如可由端面发光激光器(Edge Emitting Laser)、垂直谐振器面发光激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等的面发光激光器等实现。

图3是示出半导体激光器110的出射光的频谱的概略图。在图3中，横轴是光的频率，纵轴是光的强度。如图3所示，半导体激光器110的出射光包含具有中心频率f₀(＝v/λ₀：v是光的速度，λ₀是光的波长)的光和在其两侧分别具有f_m间隔的频率的多种光。

气室120是在容器中封入有气体状的碱金属原子(钠(Na)原子、铷(Rb)原子、铯(Cs)原子等)的气室。

磁场产生部140与气室120邻接配置，使气室120产生磁场。磁场产生部140产生的磁场的强度由磁场控制电路260控制。磁场产生部140例如可使用线圈来实现，通过由磁场控制电路260控制流经线圈的电流的大小，可调整产生的磁场的强度。

当对气室120内包含的碱金属原子施加磁场时，碱金属原子的2个基态能级通过磁场的能量分裂(塞曼分裂)，分为磁量子数不同的多个能级(塞曼分裂能级)。这里知道，塞曼分裂能级的数量根据碱金属原子的种类而不同。例如，在铯原子的情况下，如图4所示，基态能级1按照能量从高到低的顺序分为磁量子数m＝-3、-2、-1、0、+1、+2、+3的7个塞曼分裂能级。另一方面，基态能级2按照能量从高到低的顺序分为磁量子数m’＝+4、+3、+2、+1、0、-1、-2、-3、-4的9个塞曼分裂能级。因此，针对(m，m’)＝(+3，+3)、(+2，+2)、(+1，+1)、(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)、(-3，-3)的各方的基态能级1和基态能级2的能量差ΔE₁₂分别不同。因此，具有与相当于针对(m，m’)＝(+3，+3)、(+2，+2)、(+1，+1)、(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)、(-3，-3)的任意一方的ΔE₁₂的频率一致的频率差的2种光为共振光对(共振光1、共振光2)，使铯原子产生EIT现象。另外，以下，将磁量子数m的基态能级1和磁量子数m’的基态能级2的能量差标记为ΔE₁₂(m，m’)。并且，将相当于ΔE₁₂(m，m’)的频率标记为f₁₂(m，m’)。另外，满足ΔE₁₂(m，m’)＝h·f₁₂(m，m’)(h：普朗克常数)的关系。

光检测器130检测透射过气室120的光(透射光)，输出与光的强度对应的检测信号。产生EIT现象的碱金属原子的数量越多，透射过气室120的光(透射光)的强度就越大，光检测器130的输出信号(检测信号)的电压级别就越高。

光检测器130的输出信号由放大电路150放大，被输入到检波电路160和检波电路190。检波电路160使用以几赫兹～几百赫兹左右的低频率进行振荡的低频振荡器180的振荡信号，对放大电路150的输出信号进行同步检波。

电流驱动电路170产生与检波电路160的输出信号对应的大小的驱动电流并将其提供给半导体激光器110，控制半导体激光器110的出射光的中心频率f₀(中心波长λ₀)。另外，为了能进行检波电路160的同步检波，低频振荡器180的振荡信号(与提供给检波电路160的振荡信号相同的信号)与电流驱动电路170产生的驱动电流重叠。

利用通过半导体激光器110、气室120、光检测器130、放大电路150、检波电路160、电流驱动电路170的反馈环路，将半导体激光器110产生的光的中心频率f₀(中心波长λ₀)微调成与碱金属原子的预定亮线(例如，铯原子的D2线)的波长一致。

检波电路190使用以几赫兹～几百赫兹左右的低频率进行振荡的低频振荡器220的振荡信号，对放大电路150的输出信号进行同步检波。然后，根据检波电路190的输出信号的大小，对电压控制石英振荡器(VCXO)200的振荡频率进行微调。电压控制石英振荡器(VCXO)200例如可以以几兆赫兹左右进行振荡。

为了能进行检波电路190的同步检波，调制电路210将低频振荡器220的振荡信号(与提供给检波电路190的振荡信号相同)作为调制信号，对电压控制石英振荡器(VCXO)200的输出信号进行调制。调制电路210可由混频器(Mixer)、频率调制(FM：Frequency Modulation)电路、振幅调制(AM：Amplitude Modulation)电路等实现。

频率变换电路230根据设定的频率变换率，对调制电路210的输出信号进行频率变换。频率变换电路230例如可由以设定的倍率对调制电路210的输出信号的频率进行倍增的PLL(Phase Locked Loop，锁相环)电路实现。

然后，通过使频率变换电路230的输出信号与电流驱动电路170的驱动电流重叠，半导体激光器110对频率变换电路230的输出信号实施调制而成为调制信号(调制频率f_m)，产生具有图3所示的频谱的出射光。

在本实施方式中，利用通过半导体激光器110、气室120、光检测器130、放大电路150、检波电路190、电压控制石英振荡器(VCXO)200、调制电路210、频率变换电路230的反馈环路，将频率变换电路230的输出信号(调制信号)的频率(调制频率f_m)通常微调成与相当于针对(m，m’)＝(0，0)的2个基态能级的能量差ΔE₁₂(0，0)的频率f₁₂(0，0)的1/2频率准确一致。例如，在碱金属原子是铯原子的情况下，由于f₁₂(0，0)＝9.192631770GHz，因而调制频率f_m为4.596315885GHz。即，在图3所示的半导体激光器110出射的多个光中，频率差为2×f_m的2种光，例如一次边带的2种光(频率是f₁＝f₀+f_m的光和f₂＝f₀-f_m的光)为共振光对，实施反馈控制，以使碱金属原子产生EIT现象。

另外，当施加给碱金属原子的磁场的强度变化时，基态能级1和基态能级2的各塞曼分裂能级变化，相当于2个基态能级的能量差ΔE₁₂(m，m’)的频率f₁₂(m，m’)也根据磁场强度而变化。作为一例，图5示出当对铯原子施加磁场时的磁通密度和f₁₂(m，m’)的关系。在图5中，横轴表示磁通密度，纵轴表示频率。当磁通密度是0时(对铯原子不施加磁场时)，不产生塞曼分裂，因而基态能级1和基态能级2分别退缩1个能级。因此，f₁₂(+3，+3)、f₁₂(+2，+2)、f₁₂(+1，+1)、f₁₂(0，0)、f₁₂(-1，-1)、f₁₂(-2，-2)、f₁₂(-3，-3)全部为相同值(9.192631770GHz)。另一方面，当对铯原子施加磁场时发生塞曼分裂，f₁₂(+3，+3)、f₁₂(+2，+2)、f₁₂(+1，+1)、f₁₂(0，0)、f₁₂(-1，-1)、f₁₂(-2，-2)、f₁₂(-3，-3)根据磁通密度分别变化。因此，在实施反馈控制以使共振光对的频率差与f₁₂(+3，+3)、f₁₂(+2，+2)、f₁₂(+1，+1)、f₁₂(0，0)、f₁₂(-1，-1)、f₁₂(-2，-2)、f₁₂(-3，-3)中的任意一方一致的情况下，即使准确地产生一定强度的磁场，由于施加因干扰引起的磁场，因而共振光对的频率差也变动，成为使频率精度劣化的原因。

图6的(A)～图6的(C)是示出伴随对铯原子施加的磁场的强度变化的、EIT信号的变化状况的一例的图。在图6的(A)～图6的(C)中，横轴表示频率，纵轴表示信号强度。另外，以下，将磁量子数m＝m₁的基态能级1和磁量子数m’＝m₁的基态能级2的能量差ΔE₁₂(m₁，m₁)与磁量子数m＝m₂的基态能级1和磁量子数m’＝m₂的基态能级2的能量差ΔE₁₂(m₂，m₂)之差(ΔE₁₂(m₁，m₁)-ΔE₁₂(m₂，m₂))标记为ΔE(m₁，m₂)。并且，将相当于ΔE(m₁，m₂)的频率标记为f(m₁，m₂)。

图6的(A)从左到右依次示出在对铯原子施加图5的实线所示的磁通密度的磁场的情况下的针对(m，m’)＝(-2，-2)、(-1，-1)、(0，0)的EIT信号。如图6的(A)所示，针对(m，m’)＝(-1，-1)的EIT信号为峰值的频率与针对(m，m’)＝(-2，-2)的EIT信号为峰值的频率之差与相当于ΔE(-1，-2)的频率f(-1，-2)一致。并且，针对(m，m’)＝(0，0)的EIT信号为峰值的频率与针对(m，m’)＝(-1，-1)的EIT信号为峰值的频率之差与相当于ΔE(0，-1)的频率f(0，-1)一致。

图6的(B)从左到右依次示出在对铯原子施加图5的虚线所示的磁通密度的磁场的情况下(在磁场与图6的(A)相比弱的情况下)的针对(m，m’)＝(-2，-2)、(-1，-1)、(0，0)的EIT信号。在图6的(B)中，针对(m，m’)＝(-2，-2)的EIT信号为峰值的频率比图6的(A)的情况高，针对(m，m’)＝(-1，-1)、(0，0)的各EIT信号为峰值的频率均比图6的(A)的情况低。结果，f(0，-1)与f(-1，-2)之比，即ΔE(0，-1)与ΔE(-1，-2)之比R(R＝ΔE(0，-1)/ΔE(-1，-2))比图6的(A)的情况大。

图6的(C)从左到右依次示出在对铯原子施加图5的单点划线所示的磁通密度的磁场的情况下(在磁场与图6的(A)相比强的情况下)的针对(m，m’)＝(-2，-2)、(-1，-1)、(0，0)的EIT信号。在图6的(C)中，针对(m，m’)＝(-2，-2)、(-1，-1)、(0，0)的各EIT信号为峰值的频率均比图6的(A)的情况高。结果，f(0，-1)与f(-1，-2)之比，即ΔE(0，-1)与ΔE(-1，-2)之比R(R＝ΔE(0，-1)/ΔE(-1，-2))比图6的(A)的情况小。

图7的(A)是示出对铯原子施加的磁通密度与R＝ΔE(0，-1)/ΔE(-1，-2)的关系的图。在图7的(A)中，横轴表示磁通密度，纵轴表示R值。如图7的(A)所示，R在磁通密度小于约0.3T的范围内单调减少，在磁通密度是0.3T附近为最小，在磁通密度大于约0.3T的范围内单调增加。因此，在磁场仅在小于0.3T的预定范围或者大于0.3T的预定范围的任意一方内变化的情况下，磁场的强度针对R唯一确定。即，求出R就知道当时的磁场强度，因而可实施反馈控制以使磁场强度为预定大小。

并且，从图7的(A)可以看出，在磁通密度是约0.1T～约0.2T的范围内，与磁通密度的变化相比，R的变化特别大，因而磁场强度的反馈控制是容易的。因此，在本实施方式中，例如，求出ΔE(0，-1)与ΔE(-1，-2)之比R，实施反馈控制，以使磁通密度总是为约0.1T～约0.2T的范围内的预定值(例如0.15T)。

具体地说，为了依次产生针对(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)的各方的共振光对，频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率在预定时刻切换为N₀、N₁、N₂这3种。例如，在通常动作时，产生针对(m，m’)＝(0，0)的共振光对，在磁场强度调整时，依次产生针对(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)的各方的共振光对。例如，通过使频率切换控制电路270具有以一定周期重复计数动作的自动计数器，可定期产生用于进行磁场强度调整的定时信号。

为了获得当前的磁场强度信息，运算电路240进行根据来自频率切换控制电路270的定时信号计算ΔE(0，-1)与ΔE(-1，-2)之比R(R＝ΔE(0，-1)/ΔE(-1，-2))的处理。R＝ΔE(0，-1)/ΔE(-1，-2)可按下式(1)那样变形。

【算式1】

$R=\frac{\text{\ΔE}(0,-1)}{\mathrm{\ΔE}(-1,-2)}$

$=\frac{{\mathrm{\ΔE}}_{12}\left(\mathrm{0,0}\right)-{\mathrm{\ΔE}}_{12}(-1,-1)}{{\mathrm{\ΔE}}_{12}(-1,-1)-{\mathrm{\ΔE}}_{12}(-2,-2)}$

$=\frac{h\·f_{12}\left(\mathrm{0,0}\right)-h\·f_{12}(-1,-1)}{h\·f_{12}(-1,-1)-h\·f_{12}(-2,-2)}$

$=\frac{f_{12}\left(\mathrm{0,0}\right)-f_{12}(-1,-1)}{f_{12}(-1,-1)-f_{12}(-2,-2)}---\left(1\right)$

然后，针对(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)，设在稳定状态(锁定状态)下的电压控制石英振荡器(VCXO)200的振荡频率分别为f_V0、f_V1、f_V2，则f₁₂(0，0)＝2×N₀×f_V0、f₁₂(-1，-1)＝2×N₁×f_V1、f₁₂(-2，-2)＝2×N₂×f_V2，因而式(1)可按下式(2)那样变形。

【算式2】

$R=\frac{2\·N_0\·f_{V0}-2\·N_1\·f_{V1}}{2\·N_1\·f_{V1}-2\·N_2\·f_{V2}}$

$=\frac{N_0\·f_{V0}-N_1\·f_{V1}}{N_1\·f_{V1}-N_2\·f_{V2}}---\left(2\right)$

而且，针对(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)，设在稳定状态(锁定状态)下的电压控制石英振荡器(VCXO)200的振荡控制电压分别为V_c0、V_c1、V_c2，则使用系数α表示为f_V0＝α×V_c0、f_V1＝α×V_c1、f_V2＝α×V_c2，因而式(2)可按下式(3)那样变形。

【算式3】

$R=\frac{N_0\·\mathrm{\α}\·V_{c0}-N_1\·\mathrm{\α}\·V_{c1}}{N_1\·\mathrm{\α}\·V_{c1}-N_2\·\mathrm{\α}\·V_{c2}}$

$=\frac{N_0\·V_{c0}-N_1\·V_{c1}}{N_1\·V_{c1}-N_2\·V_{c2}}---\left(3\right)$

在式(3)中，N₀、N₁、N₂是例如PLL的倍率，因而是固定值。因此，知道电压控制石英振荡器(VCXO)200的振荡控制电压V_c0、V_c1、V_c2，就能计算R。

因此，运算电路240首先在频率切换控制电路230的频率变换率为N₀时，在预定时刻取得振荡控制电压V_c0(第1特征信息的一例)。然后，运算电路240在与频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率从N₀切换到N₁的时刻同步的预定时刻取得振荡控制电压V_c1(第2特征信息的一例)。然后，运算电路240在与频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率从N₁切换到N₂的时刻同步的预定时刻取得振荡控制电压V_c2(第3特征信息的一例)。这里，预定时刻只要是频率变换电路230的频率变换率为N₀、N₁、N₂的各个设定中达到稳定状态(锁定状态)后即可。例如，在切换频率变换电路230的频率变换率之后经过预定时间的情况下，可以认为达到稳定状态(锁定状态)，在电压控制石英振荡器(VCXO)200的控制电压的变动幅度收敛于预定范围的情况下，可以认为达到稳定状态(锁定状态)。这样，运算电路240取得式(3)中的V_c0、V_c1、V_c2，根据式(3)计算R。

比较电路250将运算电路240计算出的R与基准值R0进行比较，将比较结果(差分)提供给磁场控制电路260。这里，在本实施方式中，基准值R0例如是在由干扰施加的磁场是0的状态下的、磁通密度是0.15T时的ΔE(0，-1)/ΔE(-1，-2)的值，是预先通过计算求出的值。

然后，磁场控制电路260根据比较电路250的比较结果，控制由磁场产生部140产生的磁场的强度，以使运算电路240的计算结果与R0一致。例如，在磁场产生部140是线圈的情况下，磁场控制电路260通过使流经该线圈的电流量变化来控制磁场的强度。这里，在运算电路240的计算结果的R大于R0的情况下，磁场控制电路260使由磁场产生部140产生的磁场的强度增大与R-R0对应的量。另一方面，在运算电路240的计算结果的R小于R0的情况下，磁场控制电路260使由磁场产生部140产生的磁场的强度减小与R0-R对应的量。存储R-R0和磁场强度的控制量的对应表，磁场控制电路260可以参照该表来进行与计算结果的R对应的控制。这样，可控制成使施加给气室120的磁场的强度总是恒定。

另外，也可以计算ΔE(-1，-2)/ΔE(0，-1)之比，即R^-1＝ΔE(-1，-2)/ΔE(0，-1)(图7(B))，进行磁场强度的反馈控制。

另外，半导体激光器110、磁场产生部140分别对应于图1的光源10、磁场产生部40。并且，光检测器130和放大电路150的结构对应于图1的光检测部30。并且，检波电路160、电流驱动电路170、低频振荡器180、检波电路190、电压控制石英振荡器(VCXO)200、调制电路210、低频振荡器220、频率变换电路230、频率切换控制电路270的结构对应于图1的频率控制部50。并且，电压控制石英振荡器(VCXO)200、频率变换电路230、频率切换控制电路270分别对应于图1的电压控制振荡器52、频率变换部54、频率切换控制部56。并且，运算电路240、比较电路250、磁场控制电路260的结构对应于图1的磁场控制部60。

如以上说明那样，在第1实施方式的原子振荡器中，例如如图5所示，着眼于针对磁场强度的变化，与不同的3个磁量子数m₁、m₂、m₃对应的2个基态能级的能量差，即ΔE₁₂(m₁，m₁)、ΔE₁₂(m₂，m₂)、ΔE₁₂(m₃，m₃)的变化程度相互不同，并着眼于预定范围(例如，在铯原子的情况下约0.1T～约0.2T的范围)的磁场的强度与R＝{ΔE₁₂(m₁，m₁)-ΔE₁₂(m₂，m₂)}/{ΔE₁₂(m₂，m₂)-ΔE₁₂(m₃，m₃)}的值1对1对应，进行磁场强度的调整。具体地说，使半导体激光器110依次产生在与(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)的各方对应的2个基态能级之间引起跃迁的共振光对，根据光检测器130的检测信号依次取得能分别确定ΔE₁₂(0，0)、ΔE₁₂(-1，-1)、ΔE₁₂(-2，-2)的振荡控制电压V_c0、V_c1、V_c2，计算R＝{ΔE₁₂(0，0)-ΔE₁₂(-1，-1)}/{ΔE₁₂(-1，-1)-ΔE₁₂(-2，-2)}，通过将计算结果的R与基准值R0进行比较来确定磁场强度的变化量，控制成使磁场强度恒定。根据这种结构的第1实施方式的原子振荡器，能可靠捕捉施加给碱金属原子的磁场强度的变化量，将磁场强度的变动抑制到微小范围，因而可比以往提高频率精度。

并且，根据第1实施方式的原子振荡器，无需如以往那样对碱金属原子施加弱磁场，可比以往相对减少由干扰引起的磁场的变化量，因而磁场的稳定控制容易，因此可提高频率稳定性。

[变形例]

在第1实施方式中，选择(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)来计算R，然而可以选择任意的3组(m，m’)(其中，m＝m’)来计算R。例如，频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率切换为3种，以便产生针对(m，m’)＝(+1，+1)、(0，0)、(-1，-1)的共振光对，运算电路240可以变形成计算R＝ΔE(+1，0)/ΔE(0，-1)或者R^-1＝ΔE(0，-1)/ΔE(+1，0)(图8的(A)，图8的(B))。

并且，在第1实施方式中，选择3组(m，m)来计算R，然而也可以选择4组以上的(m，m’)(其中，m＝m’)来计算R。例如，频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率切换为4种，以便产生针对(m，m’)＝(+1，+1)、(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)的各方的共振光对，运算电路240可以变形成计算R＝ΔE(+1，0)/ΔE(-1，-2)或者R^-1＝ΔE(-1，-2)/ΔE(+1，0)(图9的(A)，图9的(B))。这样，由于在施加给气室120的磁场的磁通密度约0.1T～约0.2T的范围内的R或R^-1的变化更大，因而可使磁场强度的反馈控制更稳定。

并且，第1实施方式的原子振荡器100A也可以变形成图10所示的结构。图10所示的变形例的原子振荡器100B与图2所示的原子振荡器100A相比，追加了电光调制器(EOM：Electro-Optic Modulator)280。如图10所示，在原子振荡器100B中，半导体激光器110不使用频率变换电路230的输出信号(调制信号)施加调制，而产生单一频率f₀的光。该频率f₀的光入射到电光调制器(EOM)280，使用频率变换电路230的输出信号(调制信号)施加调制。结果，可产生具有与图3相同的频谱的光。图10所示的原子振荡器100B中的其它结构与图2所示的原子振荡器100A相同，因而附上相同标号，省略其说明。另外，半导体激光器110和电光调制器(EOM)280的结构对应于图1的光源10。其它的对应关系与图2所示的原子振荡器100A相同。另外，也可以使用声光调制器(AOM：Acousto-Optic Modulator)来取代电光调制器(EOM)280。

根据这些变形例的结构，可实现具有与原子振荡器100A相同的功能和效果的原子振荡器。

(2)第2实施方式

图11是示出在相当于针对(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)的各方的ΔE₁₂的频率f₁₂(0，0)、f₁₂(-1，-1)、f₁₂(-2，-2)存在图5的关系的情况下的磁通密度与ΔE(-1，-2)、ΔE(0，-1)、ΔE(+1，0)的关系的图。在图11中，横轴表示磁通密度，纵轴表示能量大小。并且，ΔE(-1，-2)、ΔE(0，-1)、ΔE(+1，0)分别由实线、虚线、单点划线表示。

如图11所示，ΔE(-1，-2)、ΔE(0，-1)、ΔE(+1，0)全部相对于磁通密度单调增加。因此，磁场强度针对ΔE(-1，-2)、ΔE(0，-1)、ΔE(+1，0)中的任意一方都唯一决定。即，在预定时刻求出ΔE(-1，-2)、ΔE(0，-1)、ΔE(+1，0)中的任意一方的情况下，即可知道当时的磁场强度，因而实施反馈控制以使磁场强度以预定大小恒定。

另外，从图11可以看出，在磁通密度约0.1T～约0.2T的范围内，针对磁通密度的强度变化，ΔE(-1，-2)、ΔE(0，-1)、ΔE(+1，0)的变化特别大，因而磁场强度的反馈控制容易。而且，在磁通密度约0.1T～约0.2T的范围内，ΔE(-1，-2)的变化率大于ΔE(0，-1)或ΔE(+1，0)的变化率。因此，在第2实施方式中，求出ΔE(-1，-2)，实施反馈控制，以使磁通密度总是约0.1T～约0.2T的范围内的预定值(例如0.15T)。

图12是示出第2实施方式的原子振荡器的结构的图。在图12中，对与图2相同的结构附上相同编号，省略或简化其说明。

如图12所示，在第2实施方式的原子振荡器100C中，与图2所示的第1实施方式的原子振荡器100A相比，运算电路240置换为运算电路290。

在本实施方式中，与第1实施方式一样，频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率在预定时刻切换为N₀、N₁、N₂这3种，使半导体激光器110产生针对(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)的各方的共振光对的任意一方。在本实施方式中，在通常动作时，产生针对(m，m’)＝(0，0)的共振光对，在调整磁场强度时，依次产生针对(m，m’)＝(-1，-1)、(-2，-2)的各方的共振光对。

为了获得当前的磁场强度信息，运算电路290进行根据来自频率切换控制电路270的定时信号计算ΔE₁₂(-1，-1)与ΔE₁₂(-2，-2)之差R(R＝ΔE(-1，-2))的处理。运算电路290取得在基于针对磁量子数m＝-1、-2的各方的共振光对的EIT现象的锁定状态下的控制电压V_c，计算R。R＝ΔE(-1，-2)可按下式(4)那样变形。

【算式4】

R＝ΔE(-1，-2)

＝ΔE₁₂(-1，-1)-ΔE₁₂(-2，-2)

＝h·{f₁₂(-1，-1)-f₁₂(-2，-2)}

＝h·{2·N₁·f_V1-2·N₂·f_V2}

＝2·h·{N₁·f_V1-N₂·f_V2}

＝2·h·{N₁·α·V_c1-N₂·α·V_c2}

＝2·α·h·{N₁·V_c1-N₂·V_c2}     …(4)

在式(4)中，N₁、N₂是例如PLL的倍率，因而是固定值。因此，知道电压控制石英振荡器(VCXO)200的振荡控制电压V_c1、V_c2，就能计算R。

因此，运算电路290首先在与频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率从N₀切换到N₁的时刻同步的预定时刻取得振荡控制电压V_c1(第1特征信息的一例)。然后，运算电路240在与频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率从N₁切换到N₂的时刻同步的预定时刻取得振荡控制电压V_c2(第2特征信息的一例)。这里，预定时刻只要是频率变换电路230的频率变换率在N₁、N₂的各方设定中达到稳定状态(锁定状态)后即可。这样，运算电路240取得式(4)中的V_c1、V_c2，根据式(4)计算R。

比较电路250将运算电路290计算出的R与基准值R0进行比较，将比较结果(差分)提供给磁场控制电路260。这里，基准值R0例如是在由干扰施加的磁场是0的状态下的ΔE(-1，-2)，是预先通过计算求出的值。

然后，磁场控制电路260根据比较电路250的比较结果，控制由磁场产生部140产生的磁场的强度，以使运算电路290的计算结果与R0一致。这里，在运算电路290的计算结果的R大于R0的情况下，磁场控制电路260使由磁场产生部140产生的磁场的强度减小与R-R0对应的量。另一方面，在运算电路290的计算结果的R小于R0的情况下，磁场控制电路260使由磁场产生部140产生的磁场的强度增大与R0-R对应的量。这样，可控制成使施加给气室120的磁场的强度总是恒定。

另外，运算电路290、比较电路250、磁场控制电路260的结构对应于图1的磁场控制部60。其它的对应关系与图2所示的原子振荡器100A相同。

如以上说明那样，在第2实施方式的原子振荡器中，例如如图5所示，着眼于针对磁场强度的变化，与不同的2个磁量子数m₁、m₂对应的2个基态能级的能量差，即ΔE₁₂(m₁，m₁)、ΔE₁₂(m₂，m₂)的变化程度相互不同，并着眼于预定范围(例如，在铯原子的情况下约0.1T～约0.2T的范围)的磁场的强度与R＝ΔE₁₂(m₁，m₁)-ΔE₁₂(m₂，m₂)的值1对1对应，进行磁场强度的调整。具体地说，使半导体激光器110依次产生在与(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)、(-2，-2)的各方对应的2个基态能级之间引起跃迁的共振光对，根据光检测器130的检测信号依次取得能分别确定ΔE₁₂(-1，-1)、ΔE₁₂(-2，-2)的振荡控制电压V_c1、V_c2，计算R＝ΔE₁₂(-1，-1)-ΔE₁₂(-2，-2)，通过将计算结果的R与基准值R0进行比较来确定磁场强度的变化量，控制成使磁场强度恒定。根据这种结构的第2实施方式的原子振荡器，能可靠捕捉施加给碱金属原子的磁场强度的变化量，将磁场强度的变动抑制到微小范围，因而可比以往提高频率精度。

并且，根据第2实施方式的原子振荡器，无需如以往那样对碱金属原子施加弱磁场，可比以往相对减少由干扰引起的磁场的变化量，因而磁场的稳定控制容易，因此可提高频率稳定性。

[变形例]

例如可以变形成，频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率切换为2种，以便产生针对(m，m’)＝(0，0)、(-1，-1)的各方的共振光对，运算电路290计算图11所示的R＝ΔE(0，-1)。

并且，例如可以变形成，频率切换控制电路270将频率变换电路230的频率变换率切换为2种，以便产生针对(m，m’)＝(+1，+1)、(0，0)的各方的共振光对，运算电路290计算图11所示的R＝ΔE(+1，0)。

并且，与图10所示的第1实施方式的原子振荡器的变形例的结构一样，在第2实施方式中，半导体激光器110可以不施加调制而产生单一频率f₀的光，使用电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)，根据频率变换电路230的输出信号(调制信号)对半导体激光器110的出射光实施调制，产生具有与图3相同的频谱的光。

根据这些变形例的结构，可实现具有与原子振荡器100C相同的功能和效果的原子振荡器。

(3)第3实施方式

在第1实施方式的原子振荡器100A中，与当前的磁场状态无关，在一定时刻切换频率变换电路230的频率变换率，以一定周期进行磁场强度的调整。与此相对，在第3实施方式中，按照磁场的状态，使切换频率变换电路230的频率变换率的时刻变化。具体地说，根据磁场强度的变动使磁场强度的调整周期变化。

图13是示出第3实施方式的原子振荡器的结构的图。在图13中，对与图2相同的结构附上相同编号，省略或简化其说明。

如图13所示，在第3实施方式的原子振荡器100D中，与图2所示的第1实施方式的原子振荡器100A相比，追加了历史信息存储部300。

历史信息存储部300每当运算电路240新进行R的计算时，将其计算结果的R值(磁场强度信息的一例)作为历史信息来存储。历史信息存储部300可使用各种存储元件作为RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)、FIFO(First In First Out，先进先出)等实现。

例如在上次存储于历史信息存储部300内的R值与运算电路240本次计算出的R值(本次存储在历史信息存储部300内的R值)之差的绝对值大于预定阈值的情况下，频率切换控制电路270判断为磁场强度的调整周期过长，将频率变换电路230的频率变换率的切换周期(运算电路240的R计算周期)设定得短。而且，例如在计算周期比预定阈值短的情况下，即在上次存储于历史信息存储部300内的R值与运算电路240本次计算出的R值(本次存储在历史信息存储部300内的R值)之差的绝对值小于预定阈值的情况下，频率切换控制电路判断为磁场强度的调整周期过短，将频率变换电路230的频率变换率的切换周期(运算电路240的R计算周期)设定得长。

这样根据第3实施方式，磁场强度的变动越剧烈，就越能缩短磁场强度的调整周期，因而可减少伴随磁场强度的变动的频率稳定精度的劣化。并且，在磁场强度的变动缓慢的情况下，可将磁场强度的调整周期设定为预定长度，因而可在保持频率稳定精度的同时优化功耗。

另外，历史信息存储部300对应于图1的存储部70。其它对应关系与图2所示的原子振荡器100A相同。

根据第3实施方式的原子振荡器，不仅获得与第1实施方式的原子振荡器相同的效果，而且还能进行细微的磁场控制，即，在磁场频繁变动的情况下或者磁场的变动量大的情况下，通过缩短切换时刻的周期来缩短磁场的调整周期，在磁场几乎不变动的情况下，通过延长切换时刻的周期来延长磁场的调整周期，可提高频率稳定性。

[变形例]

例如，历史信息存储部300可以取代运算电路240计算出的R值，而将运算电路240取得的电压控制石英振荡器(VCXO)200的振荡控制电压V_c0、V_c1、V_c2的各值(特征信息的一例)作为历史信息来存储。在该情况下，频率切换控制电路270可以根据上次存储在历史信息存储部300内的振荡控制电压V_c0、V_c1、V_c2的各值与运算电路240本次取得的V_c0、V_c1、V_c2的各值(本次存储在历史信息存储部300内的V_c0、V_c1、V_c2的各值)的各自之差的绝对值中的至少一方是大于还是小于预定阈值，判断磁场强度的调整周期是过长还是过短，调整频率变换电路230的频率变换率的切换周期(运算电路240的R计算周期)。

并且，例如，也可以在历史信息存储部300内不仅上次的历史信息，而且还存储多次的历史信息，频率切换控制电路270根据3次以上(例如，上上次、上次、本次)的历史信息，调整频率变换电路230的频率变换率的切换周期(运算电路240的R计算周期)。

并且，例如，与第1实施方式的原子振荡器的变形例一样，可以变形成运算电路240计算R＝ΔE(+1，0)/ΔE(0，-1)、R＝ΔE(+1，0)/ΔE(-1，-2)或者R-1＝ΔE(0，-1)/ΔE(+1，0)、R^-1＝ΔE(-1，-2)/ΔE(+1，0)。

并且，与图10所示的第1实施方式的原子振荡器的变形例的结构一样，在第3实施方式中，半导体激光器110可以不施加调制而产生单一频率f₀的光，使用电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)，根据频率变换电路230的输出信号(调制信号)对半导体激光器110的出射光实施调制，产生具有与图3相同的频谱的光。

根据这些变形例的结构，可实现具有与原子振荡器100D相同的功能和效果的原子振荡器。

另外，本发明不限定于本实施方式，能在本发明的主旨的范围内实施各种变形。

例如，在第1实施方式～第3实施方式中，控制成使半导体激光器110的出射光的一次边带的2种光(频率f₀±f_m)为共振光对，然而不限于此。例如，也可以控制成，中心频率f₀的光和频率是f₀+f_m的光为共振光对，并且中心频率f₀的光和频率是f₀-f_m的光为共振光对。

并且，例如在第1实施方式～第3实施方式中，通过对1个半导体激光器实施调制来产生共振光对，然而也可以更简单地，将2个半导体激光器以不同的驱动电流驱动来产生共振光对。

本发明包含与在实施方式中说明的结构实质上相同的结构(例如，功能、方法和结果相同的结构，或者目的和效果相同的结构)。并且，本发明包含置换在实施方式中说明的结构的非本质部分而得到的结构。并且，本发明包含取得与在实施方式中说明的结构相同的作用效果的结构或者可达到相同目的的结构。并且，本发明包含将公知技术附加给在实施方式中说明的结构后的结构。

Claims (7)

1.一种原子振荡器，该原子振荡器利用通过向碱金属原子照射共振光对而产生的电磁感应透明现象，该原子振荡器具有：

气体状的碱金属原子；

光源，其产生包含具有可干涉性、且频率不同的第1光和第2光的多个光来照射所述碱金属原子；

磁场产生部，其产生使所述碱金属原子的第1基态能级和第2基态能级发生塞曼分裂的磁场；

光检测部，其接收透射过所述碱金属原子的光，生成与接收到的光的强度对应的检测信号；

频率控制部，其根据所述检测信号，进行所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率控制，使得所述第1光和所述第2光成为使所述碱金属原子发生电磁感应透明现象的共振光对；以及

磁场控制部，其根据所述检测信号，控制由所述磁场产生部产生的磁场的强度，

所述频率控制部按照预定的切换定时切换所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率，使得所述第1光和所述第2光依次成为在由塞曼分裂产生的多个所述第1基态能级和多个所述第2基态能级中的与多个预定的磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对，

所述磁场控制部依次取得当所述第1光和所述第2光成为在与所述预定的磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时的能确定所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差的特征信息，根据取得的多个所述特征信息，控制由所述磁场产生部产生的磁场的强度，使得施加给所述碱金属原子的磁场的强度恒定。

2.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述光源通过预定频率的调制信号被施加频率调制，由此，产生包含所述第1光和第2光的多个光，

所述频率控制部具有：

电压控制振荡器，其生成以与基于所述检测信号的振荡控制电压对应的频率进行振荡的振荡信号；

频率变换部，其以给定的频率变换率对所述振荡信号进行频率变换来生成所述调制信号；以及

频率切换控制部，其按照所述切换定时切换所述频率变换率，使得所述第1光和所述第2光依次成为在与所述预定的磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对。

3.根据权利要求2所述的原子振荡器，其中，所述磁场控制部依次取得当所述第1光和所述第2光成为在与所述预定的磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时的所述振荡控制电压的值，作为所述特征信息。

4.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述频率控制部切换所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率，使得所述第1光和所述第2光成为在与第1磁量子数、第2磁量子数和第3磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对，

当所述第1光和所述第2光成为在与所述第1磁量子数、第2磁量子数和第3磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时，所述磁场控制部分别取得作为所述特征信息的第1特征信息、第2特征信息和第3特征信息，根据所述第1特征信息、所述第2特征信息和所述第3特征信息，计算对应于所述第1磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差与对应于所述第2磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差的差、同对应于所述第2磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差与对应于所述第3磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差的差之比，根据计算结果，控制由所述磁场产生部产生的磁场的强度。

5.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述频率控制部切换所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率，使得所述第1光和所述第2光成为在与第1磁量子数和第2磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对，

当所述第1光和所述第2光成为在与所述第1磁量子数和第2磁量子数分别对应的所述第1基态能级和所述第2基态能级之间引起跃迁的共振光对时，所述磁场控制部分别取得作为所述特征信息的第1特征信息和第2特征信息，根据所述第1特征信息和所述第2特征信息，计算对应于所述第1磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差与对应于所述第2磁量子数的所述第1基态能级和所述第2基态能级的能量差的差，根据计算结果，控制由所述磁场产生部产生的磁场的强度。

6.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，所述频率控制部根据由所述磁场产生部产生的磁场的强度变动程度，变更所述切换定时的周期。

7.根据权利要求6所述的原子振荡器，其中，

该原子振荡器具有存储部，该存储部存储所述特征信息或者基于所述特征信息的能确定磁场强度的磁场强度信息，

所述频率控制部根据存储在所述存储部内的所述特征信息或者所述磁场强度信息，判定由所述磁场产生部产生的磁场的强度变动程度，根据判定结果，变更所述切换定时的周期。

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