CN102882521B - 量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器。所述量子干涉装置，其产生电磁诱导透明现象，该量子干涉装置具有：封入有气态的碱金属原子的气室，所述碱金属原子具有2个基态能级和至少1个激发能级，所述2个基态能级具有能量差；共振光对产生单元，其产生多对共振光对，并使所述多对共振光对入射到所述气室，其中，各个所述共振光对具有保持与所述能量差相应的频率差的2种频率，各个所述共振光对的中心频率彼此不同；光检测单元，其检测通过所述气室的所述多对共振光对；以及控制单元，其根据所述光检测单元的输出信号进行控制，使得所述2种频率的频率差保持与所述能量差相应的频率差。

Description

量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器

本申请是申请日为2010年2月5日，申请号为201010113602.x，发明名称为“量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器，更详细地讲，涉及用于高效地产生EIT现象的技术。

背景技术

电磁诱导透明方式（有时也称为EIT方式、CPT方式）的原子振荡器是利用了如下这样的现象的振荡器，即：当同时向碱金属原子照射波长不同的2种共振光时，2种共振光的吸收停止（EIT现象）。图24（a）表示1个碱金属原子的能量状态。众所周知，当向碱金属原子分别单独地照射具有相当于第1基态能级23与激发能级21之间的能量差的波长的第1共振光、或具有相当于第2基态能级24与激发能级21之间的能量差的波长的第2共振光时，将引起光吸收。但是，当向该碱金属原子同时照射第1共振光和第2共振光、且同时照射的第1共振光和第2共振光之间的频率差与第1基态能级23和第2基态能级24之间的能量差（ΔE12）准确地一致时，图24（a）的系统处于2个基态能级的重合状态，即量子干涉状态，向激发能级21跃变的激发停止，产生透明（EIT）现象。利用该现象来检测第1共振光与第2共振光之间的波长差偏离ΔE12时的光吸收动作的急剧变化，并将其作为信号进行控制，由此，能够制造出高精度的振荡器。另外，ΔE12随外部磁场的强度或变动而敏感地变化，因此，能够利用EIT现象来制造高灵敏度的磁传感器。

另外，为了提高EIT现象下的光输出信号的信噪比（S/N），只要增加与共振光相互作用的碱金属的原子数量即可。例如，在专利文献1中，以改善原子振荡器的输出信号的S/N为目的，公开了以下等方法：增大封入有气态碱金属原子的气室（cell）的厚度，或增大入射到气室的激光的光束直径。无论哪一种方法，为了增大碱金属原子与共振光接触的区域，如图24（b）或图24（c）所示，均增大了气室的厚度或高度。关于这里所使用的激光，只使用了1对满足EIT现象的产生条件（発見条件）的2种波长的激光。

另外，在专利文献2中，（1）公开了关于提高EIT（CPT）方式的原子振荡器的灵敏度的技术。即，特征在于将D1线用作光源。与以往的D2线的情况相比，理论上可提高EIT（CPT）信号强度。由此，灵敏度/频率稳定度得到提高。（2）并且，使用4光波光源，利用双重Λ型跃迁使能量分裂为2个而成的Ｐ1/2激发能级（超精细结构）同时相互作用，由此，进一步改善信号强度，但这里公开的技术涉及4光波混合，不属于本发明涉及的技术领域的范围。

专利文献1：日本特开2004－96410号公报

专利文献2：USP6359916

关注气室内的构成气态碱金属原子团的各个原子，可知具有与各自的运动状态对应的一定的速度分布。如果入射到该原子团的激光的波长只有2种（一对），则在原子运动的多普勒效应（多普勒频移）的影响下，实际上可相互作用的原子只是气室内的多个原子中的、在激光入射方向上具有特定的速度分量值的极少部分的原子，有助于产生EIT的原子的比例极低。专利文献1所公开的现有技术存在下述课题，即：由于原子振荡器是在这种EIT产生效率低的状态下构成的，因此为了得到信噪比（S/N）较大的期望的吸收光谱，必须增大气室的厚度或高度中的一个，难以在维持信噪比的同时实现小型化。即，气室内的每单位体积内有助于EIT现象的原子数量保持不变。另外，专利文献2-（1）所公开的技术也存在相同的课题。

即，专利文献1、2-（1）均只使用了2种光波。气室内的碱原子具有速度分布，存在与此相伴的能量的多普勒扩展。因此，在只有2种光波的Λ型跃迁中，只与极少部分的原子相互作用，因此，每单位体积的EIT产生收获率极差。因此，存在EIT信号强度弱的问题。

实际的碱原子的激发能级具有超精细结构，分裂成图20所示的具有彼此不同的能量的能级。因此，不能用图24（a）所示的简单的Λ型3能态系统来说明以碱原子为对象的EIT现象，因此，实际上，为了高效地产生EIT，需要考虑这样的多能级。但存在这样的问题，即：至今为止，考虑了多能级的存在与伴随于上述原子速度分布的能量多普勒扩展之间的关系的研究尚不充分。

尤其，从应用了EIT现象的量子干涉器件的驱动条件的优化等角度看，像本发明这样，在使用多对共振光对的情况下考虑激发能级的能量状态来决定光源（激光）的中心频率或决定激光的调制条件是很重要的。

发明内容

本发明正是鉴于上述课题而完成的，其目的在于，提供通过生成波长不同的多对共振光对，来使气室内的更多的气态碱金属原子高效地产生EIT现象的量子干涉装置，并且通过利用该量子干涉装置而提供小型的原子振荡器、磁传感器或量子干涉传感器。

本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，可作为以下的方式或应用例来实现。

[应用例1]量子干涉装置至少具有：气态的碱金属原子；以及光源，其用于产生不同频率的共振光对，该共振光对保持与该碱金属原子的2个基态之间的能量差相应的频率差，使所述碱金属原子与所述共振光对相互作用，产生电磁诱导透明现象（EIT），其特征在于，所述共振光对的数量为多对，各个共振光对的中心频率彼此不同。

本发明的量子干涉装置的特征在于，激发激光对的数量为2对以上的多对，且各个激光对的中心频率彼此不同。由此，能够在每单位体积内，使更多的气态碱金属原子产生EIT现象。

[应用例2]特征在于，与所述碱金属原子相互作用的共振光对为线偏振光。

对于从光源射出的共振光对，在与光的传播方向垂直的面内电矢量的末端描绘出直线的情况下，该光被称为线偏振光。因此，如果不对从光源射出的共振光对实施偏振，则其为线偏振光。另外，可将光的偏振状态考虑成垂直的2个线偏振光的重合。由此，由于来自光源的共振光原本就是线偏振光，因此不需要进行偏振的手段，从而能够简化光源结构。

[应用例3]特征在于，与所述碱金属原子相互作用的所述共振光对为圆偏振光。

对于从光源射出的共振光对，在与光的传播方向垂直的面内电矢量的末端描绘出圆的情况下，该光被称为圆偏振光。经实验确认，当把共振光对转换成圆偏振光时，波长λ0的光透射强度增大到通常的6倍左右。由此，能够提高EIT现象下的光输出信号的S/N。

[应用例4]特征在于，与所述碱金属原子相互作用的所述共振光对为楕圆偏振光。

对于从光源射出的共振光对，在与光的传播方向垂直的面内电矢量的末端描绘出楕圆的情况下，该光被称为楕圆偏振光。且可知，存在这样的椭圆偏振光，即：当在共振光对的光路上，以与光路垂直的方式设置了波长板并旋转其表面时，该椭圆偏振光的偏振状态发生变化且是在垂直偏振光与圆偏振光之间连续地变化。因此，即使是楕圆偏振光，也能够提高EIT现象下的光输出信号的S/N。

[应用例5]特征在于，在所述光源与封入了所述碱金属原子的气室之间的光路上设有波长板。

波长板是指使垂直的偏振光分量之间产生相位差的多折射元件。将产生相位差π（180°）的波长板称为λ/2板或半波长板，其用于改变线偏振光的偏振方向。将产生相位差π/2（90°）的波长板称为λ/4板或四分之一波长板，其用于将线偏振光转换成圆偏振光（楕圆偏振光），或相反地将圆偏振光（楕圆偏振光）转换成线偏振光。在发明中，由于需要将线偏振光转换成圆偏振光或楕圆偏振光，因此需要使用λ/4板，利用波长板40将从光源射出的线偏振光的共振光对转换成圆偏振光或楕圆偏振光，入射到气室。由此，只需简单的结构即可提高EIT现象下的光输出信号的S/N。

[应用例6]特征在于，所述多对共振光对满足电磁诱导透明现象的产生条件，各个共振光对的光强度处于EIT信号强度线性增大的区域中的最大值P0附近。

采用这样的多对共振光对的光强度分布，能够提高光利用效率。

[应用例7]特征在于，所述多对共振光对的强度分布相对于各个对的中心频率呈高斯分布，且与最大的光强度对应的共振光对满足与该光方向的速度分量为0附近的所述碱金属的原子团对应的电磁诱导透明现象的产生条件，其强度是线性区域中的最大值P0。

由于碱金属原子的速度分布为高斯分布，因此只要预先将共振光对的光强度分布设定成高斯分布，即可利用简单的光驱动电路来实现高的光利用效率。

[应用例8]特征在于，通过振幅调制与频率调制或相位调制的合成来生成所述多对共振光对。

这种调制方式能够以较高的自由度来控制共振光对的光强度分布。

[应用例9]特征在于，通过具有正弦波、三角波、锯齿波、矩形波中的任意一个波形的信号的调制，来生成所述多对共振光对。

这种调制方式能够利用简单的光驱动电路以较高的自由度来控制共振光对的光强度分布。

[应用例10]特征在于，具有用于对所述光源进行调制的驱动电路部，该驱动电路部与其它结构部件分离，在制造过程中或在产品化后的状态下，能够任意地控制、设定所述驱动电路部的常数。

关于利用了EIT现象的“量子干涉器件”，可想到各种应用产品，例如高精度振荡器、钟表等高精度测量装置、以及以磁传感器、花粉或烟雾等微粒子检测传感器为代表的量子干涉传感器等，通过采用这种结构，能够获得与目的相符的最佳EIT信号曲线。

[应用例11]特征在于，当设所述碱金属原子的核自旋量子数为Ｉ、所述碱金属原子的P1/2的激发能级或P3/2的激发能级中的超精细结构的量子数为F’、考虑了F’＝I－1/2以及F’＝Ｉ＋1/2的多普勒扩展的两个能量的范围彼此重合的区域内的最小能量为E1、最大能量为E2时，引起所述电磁诱导透明（EIT）现象的多对共振光对中的任意一对的激发目标能量（励起先エネルギー）Eend满足E1＜Eend＜E2。

对于与满足该条件的Eend对应的共振光对，能够使具有彼此相反方向的速度分量的原子同时产生EIT，因此不容易发生功率展宽（power broadening：光功率越强EIT信号的线宽越大的现象），因此，增大了Q值（EIT信号的半值宽度的倒数），由此提高了性能指数（后面进行定义）。

[应用例12]特征在于，设所述碱金属原子的核自旋量子数为Ｉ、所述碱金属原子的激发能级的超精细结构的量子数为F’，则在考虑了F’＝I－1/2以及F’＝I＋1/2的多普勒扩展的两个能量的范围彼此不重合的状态下，当设考虑了所述多普勒扩展的所述F’＝I－1/2的能量的范围为从E11到E12（其中，E11＜E12）、考虑了所述多普勒扩展的所述F’＝I＋1/2的能量的范围为从E21到E22（其中，E21＜E22）时，引起所述电磁诱导透明现象的多对共振光对中的任意一对的激发目标能量Eend只满足E11＜Eend＜E12或E21＜Eend＜E22中的某一方的条件。

当满足该条件时，能够在保持纯粹的3能级系统Λ型跃迁的同时，实现基于多对共振光对的EIT，因此，能够增大基于重叠效应的EIT信号的增强效果。

[应用例13]该量子干涉装置使多对共振光对1次或多次地折返通过所述碱金属原子，从所述碱金属原子检测所述电磁诱导透明现象，其特征在于,当设未考虑多普勒宽度的激发能级的能量为E10、所述多对共振光对的激发目标能量为Eend 0时，所述Eend 0满足E10＜Eend 0或Eend 0＜E10。

在该情况下，能够使1对共振光在去路和回路上，分别在气室内与具有相反方向的速度分量的碱金属原子群产生EIT。因此，在这样的条件下由多对共振光对产生EIT时，与非反射型的情况相比，利用一半数量的共振光对或一半的光调制宽度，即可得到相同的效果。

[应用例14]该量子干涉装置使多对共振光对1次或多次地折返通过所述碱金属原子，从所述碱金属原子检测所述电磁诱导透明现象，其特征在于，当设引起所述电磁诱导透明现象的多对共振光对中的任意一对的激发目标能量为Eend时，所述Eend只满足Eend＜E10或E10＜Eend中的某一方的条件。

在该情况下，所有的共振光对均对EIT有贡献，且由于是反射型，因此与非反射型的情况相比，只需一半数量的共振光对即可，效率更高。

[应用例15]特征在于，所述折返次数为奇数次（去与回各自的总光路长度基本相等）。

如果光的去路与回路的光路长度基本相等，则在彼此不同的速度群中对EIT有贡献的原子的数量基本相等，因此从EIT产生效率的角度来看是有利的。

[应用例16]特征在于，原子振荡器具有所述量子干涉装置。

原子振荡器通过具有本发明的量子干涉装置，能够在S/N高的状态下产生EIT现象，因此能够实现原子振荡器的小型化。

[应用例17]特征在于，磁传感器具有本发明的上述量子干涉装置。

原子振荡器的振荡频率以原子的2个基态能级之间的能量差（ΔE12）为基准。ΔE12的值随外部磁场的强度或变动而变化，因此，对原子振荡器的气室实施了磁场屏蔽，以不受外部磁场的影响。因此，可通过去除磁场屏蔽并根据振荡频率变化读取ΔE12的变化，来制造测定外部磁场的强度和变动的磁传感器。通过具有本发明的量子干涉装置，能够在S/N较高的状态下产生EIT现象，因此能够实现磁传感器的小型化。

[应用例18]特征在于，量子干涉传感器具有本发明的所述量子干涉装置。

通过具有本发明的量子干涉装置，能够实现用于检测影响EIT信号曲线的外部干扰的各种传感器的灵敏度和精度提高以及小型化。

附图说明

图1是气态碱金属原子的速度分布的概略图。

图2是示出本发明的第1实施方式的原子振荡器的结构的图。

图3（a）及（b）是示出入射到气室（gas cell）的共振光的频谱的图。

图4是示出入射到气室的共振光和气态碱金属原子的移动方向的状态的图。

图5是说明基于原子运动的能量多普勒扩展与本发明的共振光之间的关系的示意图。

图6是示出本发明的第2实施方式的原子振荡器的结构的图。

图7是示出本发明的第3实施方式的原子振荡器的结构的图。

图8是示出本发明的实施方式的磁传感器的结构的图。

图9（a）是由波长不同的2种共振光的对引起的EIT现象的光透射强度的图，（b）是对波长不同的2种共振光的对进行调制时的EIT现象的光透射强度的图。

图10是示出本发明的第4实施方式的原子振荡器的结构的图。

图11是示出本发明的第5实施方式的原子振荡器的结构的图。

图12（a）是示出原子的“速度（一维射影）”分布（麦克斯韦玻耳兹曼分布）的图，（b）是示出原子的“速度”分布（麦克斯韦玻耳兹曼分布）的图。

图13（a）是示出正弦波调制时的高次谐波（＋分量）分布的图，（b）是示出典型的方波调制时的高次谐波（＋分量）分布的图，（c）是示出典型的三角波调制时的高次谐波（＋分量）分布的图。

图14（a）是示出光强度的线性―非线性分支点的图，（b）是示出激光频率分布的图。

图15（a）是示出EIT信号线宽的激光强度依赖性的图，（b）是针对EIT信号强度与EIT信号线宽之间的关系而示出以往与本发明的比较的图。

图16是示出CsD2线附近激光频率分布的图。

图17是示出EIT信号强度与线宽之间的关系的图。

图18是示出同一线宽下的EIT信号强度的比较的图。

图19是示出实验系统的结构的图。

图20（a）是与D2线对应的能量图，（b）是与D1线对应的能量图，（c）是考虑了多普勒扩展的激发能级附近的能量图。

图21（a）是考虑了多普勒扩展的激发能级附近的能量图，（b）是考虑了多普勒扩展的激发能级附近的能量图。

图22（a）是激发能级附近的能量图，（b）是激发能级附近的能量图，（c）是示出本发明的第6实施方式的封入了碱金属原子的气室、光源、光路以及检测器的配置结构的图。

图23（a）是激发能级附近的能量图，（b）是激发能级附近的能量图，（c）是示出本发明的第7实施方式的封入了碱金属原子的气室、光源、光路以及检测器的配置结构的图。

图24（a）是说明以往的EIT方式的原理的图，（b）、（c）是示出以往的气室与共振光之间的关系的图。

标号说明

1中心波长产生单元；2LD；3EOM；4EOM；5气室；6光检测器；7频率控制单元单元；8压控石英振荡器；9振荡器；10振荡器；11、12、13共振光；14、15、16气态铯原子；17混合器；18、19调制信号；40波长板；41未实施调制时的被线偏振光化的波形；42未实施调制时的被圆偏振光化的波形；43实施了调制时的被线偏振光化的波形；44实施了调制时的被椭圆偏振光化的波形；45实施了调制时的被圆偏振光化的波形；50、51、52、53、54原子振荡器。

具体实施方式

下面，使用附图所示的实施方式来详细说明本发明。不过，只要没有特别的记载，本实施方式所述的结构要素、种类、组合、形状、其相对配置等均只是单纯的说明例，其目的并不在于将本发明的范围仅局限于此。

这里，预先对下面将多次出现的“性能指数”进行定义。性能指数被定义为EIT信号的线宽的倒数（即Q值）与EIT信噪比（即S/N）的积。例如，由于S/N与EIT信号强度成比例，因此如果EIT信号强度增大，则性能指数提高。本发明的主要目的在于提高该性能指数。

图1示出了封入在容器中的气态碱金属原子团的速度分布的概要图。

图1的横轴表示气态碱金属原子的速度，纵轴表示具有该速度的气态碱金属原子的数量的比例。如图1所示，气态碱金属原子具有以速度0为中心的与温度对应的一定的速度分布。这里，速度表示向气态碱金属原子团照射激光时与照射方向平行的原子速度分量，将与光源相对静止的速度的值设为0。这里，本发明人注意到了气态碱金属原子的速度对EIT现象的影响很大。当气态碱金属原子的速度存在分布时，由于光的多普勒效应（多普勒频移），在共振光的视波长即从气态碱金属原子观察到的共振光的波长中，产生分布。因此，注意到，在原子团中存在相当数量的如下这样的气态碱金属原子，即：即使同时照射1对共振光1和2，这些气态碱金属原子也不会产生EIT现象而将存留下来。在采用以往的方法即同时向碱金属原子团照射1对共振光1和2的情况下，被封入在气室内的气态碱金属原子团中的对EIT现象有贡献的碱金属原子仅仅是一部分。因此，本发明人进行了研究，使得以往由于多普勒效应的影响而对EIT现象没有贡献的气态碱金属原子也能够有助于产生EIT现象。下面，对本发明进行详细说明。

图2是示出本发明的第1实施方式的原子振荡器的结构的图。该原子振荡器50利用基于入射由2对以上（如后文所述为3对）的波长不同的相干光对构成的共振光时的量子干涉效应的光吸收特性，来控制振荡频率，该原子振荡器50构成为具有：射出各共振光的LD（VCSEL）（相干光源）2；产生LD 2的中心波长的中心波长产生单元1；振荡器9，其振荡产生相当于2个不同的基态的能量差（ΔE12）的频率（9.2GHz）的1/2（4.596GHz）；振荡器10，其振荡产生25MHz左右的频率；EOM（电子光学调制元件）3、4，其利用电信号对从LD 2射出的共振光11实施频率调制；气室5，其根据经EOM 4调制的光12的波长来改变光的吸收量，封入有气态铯（Cs，碱金属）原子；光检测器（光检测单元）6，其检测从气室5透射过的光13；以及频率控制单元7，其根据光检测器6的输出，检测气室5的EIT状态，控制输出电压。另外，振荡器10的振荡频率被设定为25MHz，该频率是远小于铯原子的典型的多普勒宽度（例如在室温下大约为1GHz）的值。可对该频率进行适当变更。另外，关于振荡器9的输出频率，由于对于铯而言，相当于ΔE12的频率大约为9.2GHz（4.596GHz×2），因此，振荡器9的输出频率设为4.596GHz，其是通过对如下方式得到的频率进行倍频而生成的，所述频率是根据从频率控制单元7输出的控制电压对压控石英振荡器8进行控制而得到的。并且，利用振荡器10的频率（25MHz）对EOM3进行调制，利用振荡器9的频率（4.596GHz）对EOM 4进行调制，将EOM 3和EOM 4串联配置在LD 2的射出侧。并且，EOM 3和振荡器10的组合与EOM 4和振荡器9的组合的排列顺序也可以颠倒过来。

即，本实施方式的原子振荡器50的结构与以往的不同之处在于：针对从LD 2射出的共振光11，经由作为调制单元的EOM 3，得到2对以上（3对）的波长不同的2种共振光的对。在以往的原子振荡器中，只准备了1对波长不同的2种共振光的对，并对频率进行控制，使得同时照射的2种共振光的频率差（波长差）与各个基态能级的能量差ΔE12准确地一致。但是，由于因原子运动而产生的共振光的多普勒效应，封入在气室5中的铯原子团的共振光波长产生分布，对于1对共振光而言，只是偶尔与以满足与其波长对应的共振条件的速度运动的一部分铯原子发生相互作用，因此产生EIT现象的效率差。因此，在本实施方式中，将调制单元构成为，使得波长不同的至少4个（2个共振光对）共振光与封入在气室5中的气态的铯原子相互作用。由此，能够增大气室5的每单位体积内的有助于产生EIT现象的铯原子的数量，能够高效地取得EIT信号。

图3（a）及（b）是示出入射到气室的共振光的频谱的图。图4是示出入射到气室的共振光与气态铯原子的移动方向的状态的图。

接着，参照图3及图4对本实施方式的动作进行说明。中心波长产生单元1以中心波长为λ0（中心频率f0）的方式产生LD 2的共振光11。当EOM 3和4对LD 2的共振光11实施了频率调制时，具有图3（a）所示的频谱30～32的共振光12被输入到气室5中。这里，在图3（a）中，A－A’的频率差为9.2GHz，对于这1对共振光，通过将λ0设定成适当的值，图4所示的入射光12的方向上的速度分量小的气态铯原子15产生EIT现象。另外，B－B’的频率差也是9.2GHz，对于这1对共振光，具有与图4所示的入射光12相反方向的速度分量的气态铯原子14产生EIT现象。另外，在图3（a）中，C－C’的频率差也是9.2GHz，对于这1对共振光，具有与图4所示的入射光12相同方向的速度分量的气态铯原子16产生EIT现象。这样，气室5内的原子具有多种速度分布。因此，当如上所述地向气室5入射被赋予了边带（sideband）B、B’、C、C’的分量的共振光12时，A-A’、B-B’、以及C-C’的频率差均为9.2GHz，这3对激光均与具有对应的速度分量的气态铯原子发生相互作用，其结果，增大了对EIT现象有贡献的铯原子的比例。由此，能够得到信噪比（S/N）大的期望的EIT信号。

另外，在本实施方式中，虽然将EOM 4的调制频率设定为气态铯原子的频率差的1/2（4.596GHz），但是也可以设定为频率差9.2GHz。此时的共振光的频谱如图3（b）所示，产生了频谱33～35，但例如不使用频谱33，而是使用频谱34和35（也可以是频谱33和34）。即，A－λ0的频率差是9.2GHz，对于这1对共振光，通过将λ0设定成适当的值，在图4所示的入射光12的方向上的速度分量小的气态铯原子15产生EIT现象。B－λ1的频率差也是9.2GHz，对于这1对共振光，具有与图4所示的入射光12相反方向的速度分量的气态铯原子14产生EIT现象。另外，C－λ2的频率差也是9.2GHz，对于这1对共振光，具有与图4所示的入射光12相同方向的速度分量的气态铯原子16产生EIT现象。这样，气室5内的原子具有多种速度分布。因此，当如上述地向气室5入射被赋予了边带B、λ1、C、λ2的分量的共振光12时，A－λ0、B－λ1、以及C－λ2的频率差均为9.2GHz，这3对激光均与具有对应的速度分量的气态铯原子发生相互作用，其结果，增大了对EIT现象有贡献的铯原子的比例。由此能够得到信噪比（S/N）大的期望的EIT信号。

即，为了产生至少2对共振光对（这里为3对）的共振光，考虑使从LD 2射出的共振光重叠地产生边带，并利用其频谱。另外，需要用以下2个频率来对用于调制共振光的频率进行调制，即：相当于2个不同的基态的能量差（ΔE12）的频率（9.2GHz）的1/2的4.596GHz；以及远小于铯原子的典型的多普勒宽度（例如在室温下大约为1GHz）的值的频率（这里为25MHz）。另外，需要利用用于对光进行调制的EOM。因此在本实施方式中，准备了分别振荡产生2种频率的振荡器9和10，用各个频率对串联配置在LD 2的射出测的EOM 3和4进行调制。由此，能够基于从LD 2射出的共振光11，产生具有3对频谱的共振光，这3对频谱保持9.2GHz的频率差。

另外，在本实施方式中，EOM 3和EOM 4各设有1个，不过，也可以在LD 2的射出侧串联配置EOM 4和至少2个EOM 3。由此，可任意设定共振光对的数量，且以梳齿状的频率间隔产生。

图5是说明基于原子运动的能量多普勒扩展与本发明的共振光之间的关系的示意图。封入容器中的气态碱金属原子团的能量状态图可通过如下方式来表现：用与多普勒扩展相当的能带来置换图24所示的针对1个原子的能量状态图的激发能级。图5中的20、21、22的各能级是与图4中的分别由16、15、14表示的原子对应的激发能级。由此可知，对于具有速度分布的气态碱金属原子团，利用多个共振光对增大了对EIT现象有贡献的原子的比例。因此，例如，如果将分配给1对共振光的功率设定为与以往的功率基本相等，则吸收的饱和极限变高，总功率增大，因此，能够取得高对比度的EIT信号。另外，在总光照射功率与以往基本相等的情况下，本发明的每1对共振光的功率减小，因此抑制了EIT信号的功率展宽（光功率越强EIT信号的线宽越大的现象），与以往相比，能够取得半值宽度窄的良好的EIT信号。因此，在将其应用于振荡器的情况下，与以往相比，能够提高频率稳定性。

图6是示出本发明的第2实施方式的原子振荡器的结构的图。对相同结构要素标注与图2相同的参照标号来进行说明。图6与图2的不同之处在于，删除了EOM 4，并设置了将振荡器10和振荡器9的输出信号混合的混合器17，利用混合器17的输出信号18来驱动EOM 3，将EOM 3配置在LD 2的射出侧。由此，从EOM 3射出的共振光12产生与图3（a）相同的频谱。

即，为了对光进行调制，使用了EOM，但存在下述问题，即：如果增加频谱的数量，则必须相应地增加EOM的数量，成本增高且部件数量增加。因此，在本实施方式中，预先用混合器17混合对EOM进行调制的信号，利用其输出信号18对1个EOM 3进行调制。由此，可将EOM的数量控制为最小，能够减少部件数量。

图7是示出本发明的第3实施方式的原子振荡器的结构的图。对相同的结构要素标注与图6相同的参照标号来进行说明。图7与图6的不同之处在于，删除了EOM 3，利用混合器17的输出信号19直接对LD 2进行调制驱动。由此，从LD 2射出的共振光11产生与图3（a）相同的频谱。

即，中心波长产生单元1以中心波长为λ0的方式产生从LD 2射出的共振光11。并且，为了对中心波长进行调制，除了用EOM对从LD 2射出的共振光11进行调制的方法以外，还有对LD 2本身进行调制的方法。因此，在本实施方式中，混合器17将振荡器10和振荡器9的输出频率混合，并用混合器17混合后的信号19对LD 2本身进行调制驱动。由此，可以不需要EOM。另外，还可从圧控石英振荡器8经由PLL等（也可利用振荡器9的电路的一部分）来生成振荡器10的输出频率。在该情况下，也不需要振荡器10。

另外，省略图示，也可以将设置在以往的EIT方式的原子振荡器中的LD形成为如下结构，即：将各个不同波长的面发光激光配置成阵列状。

图8是示出本发明的实施方式的磁传感器的结构的图。对相同结构要素标注与图7相同的参照标号来进行说明。图8与图7的不同之处在于，在气室5的附近配置了被测定磁场产生源37，并具有测定频率控制单元7的输出信号的变动的磁场测定器36。原子振荡器的振荡频率以原子的2个基态能级之间的能量差（ΔE12）为基准。ΔE12的值随外部磁场的强度或变动而变化，因此，对原子振荡器的气室实施了磁场屏蔽，以不受外部磁场的影响。因此，可通过去除磁场屏蔽并根据振荡频率变化读取ΔE12的变化，来制造测定外部磁场的强度和变动的磁传感器。通过采用本发明的结构，能够在S/N较高的状态下产生EIT现象，因此能够实现磁传感器的小型化。

图9（a）是由波长不同的2个共振光的对引起的EIT现象的光透射强度的图，图9（b）是对波长不同的2个共振光的对进行调制时的EIT现象的光透射强度的图。根据图9（a）可知，波形41是来自VCSEL的经线偏振光化的光透射强度的波形，波形42表示进一步使该共振光对通过波长板而成为圆偏振光时的光透射强度。可知，波形42相对于波形41增加了大约20％的水平。另外，当如图9（b）所示地对共振光对进行调制时，多个共振光对均与具有对应的速度分布的气态铯原子发生相互作用，显现出具有多个峰值的波形43。在本实施方式中，例如图10所示，在LD 2与气室5之间，以与光路垂直的方式配置了波长板40，当逐渐旋转波长板面而使得共振光对11变成圆偏振光时，确认到在波长λ0处光透射强度为最大的波形45。因此，确认到，在共振光对从线偏振光向圆偏振光变化的过程中，光透射强度变成波形43（线偏振光）、波形44（楕圆偏振光）、波形45（圆偏振光）。

即，对于从LD 2射出的共振光对11，在与光的传播方向垂直面内电矢量的末端描绘出圆的情况下，该光被称为圆偏振光。经实验确认到：当将共振光对转换成圆偏振光时，波长λ0的光透射强度增大到通常的6倍左右。由此，能够提高EIT现象下的光输出信号的S/N。

另外，对于从LD 2射出的共振光对11，在与光的传播方向垂直的面内电矢量的末端描绘出楕圆的情况下，该光被称为楕圆偏振光。存在这样的椭圆偏振光，即：当在共振光对的光路上，以与光路垂直的方式设置了波长板并旋转其表面时，该椭圆偏振光的偏振状态发生变化且是在垂直偏振光与圆偏振光之间连续地变化。因此，即使是楕圆偏振光，也能够提高EIT现象下的光输出信号的S/N。

图10是示出本发明的第4实施方式的原子振荡器的结构的图。第4实施方式是在图7的结构中追加了波长板40而得到的结构。即，在LD 2与气室5之间，以与光路垂直的方式配置了波长板40。从LD 2射出的线偏振光的共振光对11入射到波长板40，被偏振90度相位而成为圆偏振光11a。另外，波长板40可以配置在LD 2与气室5之间的任何位置，可以位于LD 2的出射面附近，也可以位于气室5的入射口附近。

图11是示出本发明的第5实施方式的原子振荡器的结构的图。第5实施方式是在图6的结构中追加波长板40而得到的结构。即，在EOM 3与气室5之间，以与光路垂直的方式设置了波长板40。从LD 2射出的线偏振光的共振光对11经EOM 3调制后成为共振光12，入射到波长板40，被偏振90度相位而成为圆偏振光12a。另外，波长板40可以配置在EOM 3与气室5之间的任何位置处，可以配置在EOM 3的出射面附近，也可以配置在气室5的入射口附近。

即，波长板是指使垂直的偏振光分量之间产生相位差的多折射元件。将产生相位差π（180°）的波长板称为λ/2板或半波长板，其用于改变线偏振光的偏振方向。将产生相位差π/2（90°）的波长板称为λ/4板或四分之一波长板，其用于将线偏振光转换成圆偏振光（楕圆偏振光），或相反地将圆偏振光（楕圆偏振光）转换成线偏振光。在本实施方式中，由于需要将线偏振光转换成圆偏振光或楕圆偏振光，因此需要使用λ/4板，利用波长板40将从LD 2射出的线偏振光的共振光对11转换成圆偏振光或楕圆偏振光，入射到气室5。由此，只需简单的结构即可提高EIT现象下的光输出信号的S/N。

图14（a）是示出满足产生EIT的条件的2光波共振光对的光强度（横轴）与EIT信号强度（纵軸）之间的关系的图。在光强度很弱的区域，EIT信号强度与光强度保持比例关系且大致线性地变化。但是，当光强度超过某点（Ｐ0）时，即使增大光强度，EIT信号强度也不明显地变化（饱和区域）。考虑到这点，关注气室内的碱金属原子中的具有特定速度（如上所述，是指与入射光平行的速度分量）的原子团（ensemble），从光利用效率的角度来看，希望将入射光强度设定为EIT信号强度相对于入射光强度未达到饱和的最大光强度Ｐ0（强度线性地增加的区域中最大的光强度）。

作为EIT产生区域的气室内的碱金属原子（例如铯，Cs）团具有图12（b）所示的速度分布（曲线），该曲线随压力和温度等环境因素而变化，但如果仅关注某个固定方向上的速度分量的分布，则如图12（a）所示，基本呈高斯分布。当向该系统入射2光波的共振光对来产生EIT时，因该速度分布而产生能量的多普勒扩展，因此与产生EIT的频率区域的中心频率对应的EIT信号强度分布也呈高斯分布（典型情况下，经频率换算而具有1［GHz］左右的扩展）。因此，关注上述光利用效率，当设定为使得多个共振光对各自的光强度处于P0附近时，希望其分布为图14（b）所示那样，呈接近原子的速度分布即高斯分布的形状。

半导体激光器等当被施加直流电流时，发出与其电流值（Ivias）对应的频率（波长）的单色光（相干光）。如果把中心波长设为大约852［nm］并对Ivias施加4.6［GHz］的「调制」时（Imod（1）＝4.6［GHz］），在中心波长的两侧形成二者间隔为（4.6×2＝9.2［GHz］）的边带，当该2光波作为共振光对入射到气室内的Cs原子时，发生量子干涉而产生EIT现象。这里，结合前面的多普勒扩展可知，对于2光波的共振光对（1对）而言，对EIT现象有贡献的气室内的Cs原子数量非常少。即，以往EIT产生效率差。

下面使用附图详细地说明驱动半导体激光器的施加电流的状态和激光器的频率分布。图16是示出在对中心波长为大约852［nm］的单色半导体激光器实施频率调制时观测到的频率分布的图。为了将碱金属原子（Cs）作为对象原子来产生EIT，将Ivias（直流偏置电流）设定成使得中心波长成为与Cs激发能量相当的852［nm］左右，然后可以对Ivias实施4.6［GHz］的频率调制Imod（1），或者经由EOM（电子光学调制元件）产生边带，由此产生1对彼此的频率差为9.2GHz的2光波的共振光对。当对其进一步重叠任意频率（例如15［MHz］）的调制Imod（2）（重叠调制）时，2光波分别由重叠频率15［MHz］进行调制，产生具有重叠频率15［MHz］的间隔的梳（Comb）齿状的频率分布。具有这种梳齿状的频率分布的各个原来的2光波可以被看作多对共振光对，因此，只要使其与气室内的Cs原子发生作用，即可与以不同速度运动的Cs原子团同时产生EIT，EIT产生效率进一步提高（本发明）。

图16（a）是以往那样未进行重叠调制的2光波中的1个。（b）、（c）是用正弦波来重叠Imod（2）时的频谱。经调制的频率均等于15［MHz］，但（b）、（c）的调制的振幅条件不同。二者均呈现梳齿状的频率分布，并且可知，与调制振幅为0.2［V］的（b）相比，1.0［V］的（c）的频率扩展范围更大。

图17是将Cs的EIT信号的强度（纵轴）和线宽（横轴）之间的关系与现有方法进行比较的图，上述关系是通过利用考虑了本发明的重叠调制Imod（2）的激光驱动来照射多个共振光对而得到的，通过改变照射到Cs的激光功率而得到数据。图17的（a）、（b）、（c）分别与图16的（a）、（b）、（c）对应。可知与以往相比，在相同线宽的情况下，本发明的EIT信号强度远远大于以往，先前定义的“性能指数”（＝Q×（S/N））提高。在本发明方法中，还能够理解到，与（b）相比，（c）的EIT信号强度更大是因为：根据图16所示的各个激光频谱分布可知，通过捕捉气室内的速度分布更多的Cs原子，与共振光对之间相互作用的效率提高，这对产生EIT有贡献。并且确认到：在现有方法（a）中，由于无法得到EIT信号强度，因此很难实现120［kHz］以下的EIT线宽，很难提高Q值（EIT信号线宽的倒数），但在本发明（b）、（c）中，能够进一步细化线宽，因此能够大幅提高性能指数。

图18是对半值全宽（线宽）为127［kHz］下的各个EIT信号进行比较的图。确认到：与现有方法（a）相比，在本发明的（c）中，EIT信号强度大约比其大14倍。

对到此为止的结果进行总结，可明确以下结论。当要细化功率展宽的线宽时，如果降低激光功率（图15（a）），则EIT信号强度与其成比例地减弱（图15（b）），在现有方法中，在A点处EIT信号强度变成0。即，无法得到比A点处的信号线宽更窄的信号线宽。

但是，在本发明的方法中，对产生EIT信号有贡献的气室内的原子数量（密度）大幅增加，因此，在现有方法中信号强度已消失的EIT信号宽度下，能够得到充分的信号强度（B点）。即，用B点处的EIT信号强度除以A点处的EIT信号强度而得到的值表示本发明的方法相对于现有方法的最大放大率，是S/N的改善效果的指标。如果S/N得到改善，则性能指数提高，因此可与其大小成比例地提高利用了EIT现象的各种器件的性能。很明显，例如在利用了EIT现象的原子振荡器中，频率稳定度与S/N成比例地提高，如果将其应用于磁传感器（利用EIT原子振荡器的频率对外部磁场敏感地做出反应而发生变化的性质）等量子干涉传感器中，则能够产生高灵敏度等的效果。另外，在本发明中，与S/N得到改善相应地，即使减小引发EIT现象的上述气室的大小，也能够得到与以往相同的信号强度，因此，具有能够实现器件的进一步的小型化等的效果。

另外，如图15（b）所示，如果在B点处得到了充分的EIT信号强度，则可通过进一步降低激光强度来进一步细化信号线宽（排除功率展宽的影响）。例如，用点划线表示作为目标的最低信号强度线，对于本发明的方法而言，能够实现C点处的信号线宽。与先前的关于S/N的讨论相同，线宽值越小，Q值越大，因此性能指数的值变大，从而能够提高利用了EIT现象的各种器件的性能。例如，在利用了EIT现象的原子振荡器中，通过EIT信号的细线化，频率稳定度提高，如果将其应用于磁传感器（利用EIT原子振荡器的频率对外部磁场敏感地做出反应而发生变化的性质）等量子干涉传感器，则带来高精度化等效果。

通过以上讨论可知，根据本发明，通过适当地选择激光的调制方法，能够得到现有方法所无法实现的EIT信号强度和EIT线宽，因此具有这样的优点：能够大范围地确定与应用目的相符的EIT信号曲线。利用该优点，例如在EIT器件设计、制造阶段中，如果利用激光驱动电路IC等一体地独立设置能够控制上述激光调制参数（调制波形、强度等，还包括调制开启/关闭）的单元，并将相当数量的其它结构要素作为通用部件，则能够容易地分开制造专用目的的EIT器件，具有降低成本等的效果。另外，也可以预先设置这样的单元，即：产品用户自己可利用该单元，根据使用环境等适当地控制、设定上述激光调制参数。

图13示出了激光的调制方法与傅立叶分量之间的关系。（a）是用正弦波进行振幅调制（AM）时的傅立叶分量，（b）是用矩形波进行振幅调制（AM）时的傅立叶分量，（c）是用三角波进行振幅调制（AM）时的傅立叶分量。横轴是频率。矩形波调制与三角波调制相比，存在更高次的傅立叶分量。如果用频率调制（FM）或相位调制（PM）对这些合成波进一步进行重叠调制，并对激光进行作为Imod（2）的重叠调制，则能够得到任意的调制波形，并能够高自由度地控制多个共振光对的强度分布和相邻的频率间隔。由此，能够得到如下等效果：容易实现每种用途所要求的器件性能需要的EIT信号制御，精度也得到提高。

图19是示出本发明的实验系统的结构的图。其是这样的例子，即：不用Imod（1）对激光进行调制，而是利用了EOM（电子光学调制元件）。

图20是碱金属的电子状态的能量图。图20（a）是激发能级为P3/2、即与所谓的D2线对应的能量图，图20（b）是激发能级为P1/2、即与所谓的D1线对应的能量图。图20（c）表示以往的基于2光波的1对共振光对或本发明的多对共振光对与考虑了多普勒扩展的碱金属原子之间的相互作用，是满足了产生EIT现象的条件时的激发能级附近的能量图。

激发能级P3/2由超精细结构构成，在利用了EIT现象的器件的通常使用温度范围内，涉及EIT产生的F’＝I＋1/2、Ｉ－1/2的能量因多普勒扩展而重合（图20（c））。另外，在温度高的区域中，即使是激发能级P1/2的超精细结构，有时也会因多普勒扩展而发生能量重合。对激光中心频率（中心波长）进行设定，使得本发明的多个共振光对中的尽量多的共振光对的激发目标能量Eend进入该重合区域。即，如图20（c）所示，使得满足E1＜Eend＜E2。这里，所述F’表示超精细结构的量子数，所述I表示核自旋量子数。

入射到该能量重合区域的1对共振光对引起与不同的F’（超精细结构的量子数）对应的2种碱金属原子的EIT现象。即，针对具有彼此相反方向的速度分量的2种不同的速度群（ensemble：原子团）的碱金属原子，同时产生EIT。当满足这样的条件时，共振光对的光强度（光子数）被分散到各个原子团中，因此EIT信号强度不容易达到饱和，能够照射更强的激光，S/N提高。尤其是，当气室小型化而需要增强EIT信号强度时，效果更好。另外，如果所照射的总的光强度不变，则在该重合区域中，光子数以如上所述地使得不同的2种速度群的碱金属原子与光子发生相互作用的方式分散，因此其结果是，对于一方的速度群，抑制了功率展宽，细化了EIT信号的线宽（Q值增大）。即，能够提高性能指数。

图21是典型的P1/2能级的能量图。一般情况下，D1线的超精细结构能量分裂宽度比D2线大（典型为0.5～1GHz），多普勒扩展的2种能带不重合。如上所述，在D2線（激发目标能级为P3/2）的情况下，由于超精细结构的能量分裂宽度小，因此，因多普勒扩展而产生能带重合，能够使多对共振光对与同一原子同时发生相互作用。在该情况下，发生4光波混合，纯粹的3能级系统Λ型跃迁出现问题，EIT效率降低。但是，一般情况下，D1线的超精细结构能量分裂宽度比D2线大（典型为0.5～1GHz），多普勒扩展的2种能带不重合。因此，如果使用D1线，则能够在保持纯粹的3能级系统Λ型跃迁的同时，实现基于多对共振光对的EIT，因此，能够增大基于重叠效应的EIT信号的增强效果。在该情况下，存在E11＜EEN ｄ＜E12（图21（a））和E21＜Een ｄ＜E22（图21（b））这2种方法。

图22（c）是示出本发明的第6实施方式的封入了碱金属原子的气室、光源、光路以及检测器的配置结构的图。这里，由激光光源发出的光入射到气室，与碱金属原子产生EIT现象，之后，通过反射等手段而折返的光向反方向前进，由此再次与气室内的碱金属原子产生EIT现象，然后被导入到光检测器中。这是所谓的反射型。此时，如图22（a）、（b）所示，当把未考虑多普勒宽度的激发能级的能量设为E10时，如果以上述光源的单色光的激发目标能量Eend0与E10不相等（E10＜Eend0或Eend0＜E10）的方式进行选择，则能够使1对共振光在去路和回路上，分别在气室内与具有相反方向的速度分量的碱金属原子群产生EIT。因此，在这样的条件下由多个共振光对产生EIT时，与非反射型的情况相比，利用一半数量的共振光对或一半的光调制宽度，即可得到相同的本发明的效果。因此，根据本结构，激光驱动器等生成多对共振光对的机构的设计变得更容易，器件驱动时的功耗减少，有利用节能。

图23（c）是示出本发明的第7实施方式的封入了碱金属原子的气室、光源、光路以及检测器的配置结构的图。这里，从激光光源发出的光入射到气室，与碱金属原子产生EIT现象，之后，通过反射等手段，使光多次通过气室内，每当引起了EIT现象后被导入到光检测器中。这是所谓的多重反射型。此时，如图23（a）、（b）所示，如果以能够引起EIT现象的多个共振光对的所有的激发目标能量Eend只满足Eend＜E10或E10＜Eend中的任意一个条件的方式进行选择，则能够使1对共振光在去路和回路上分别在气室内与具有相反方向的速度分量的碱金属原子群产生EIT。另外，通过采用多重反射型，光路长度变得更长，从而相干时间增大，EIT信号强度更强，线宽更细。这有利于提高性能指数。另外，当把光的反射次数设为奇数次且光的去路与回路的光路长度大致相等时，在彼此不同的速度群中，对EIT有贡献的原子的数量几乎相等，因此，从EIT产生效率的角度来看是有利的。因此，在该条件下由多个共振光对引起EIT的情况下，与非反射型的情况相比，利用一半数量的共振光对或一半的光调制宽度，即可得到相同的效果。因此，根据本结构，激光驱动器等生成多对共振光对的机构的设计变得更容易，器件驱动时的功耗减少，有利于节能。

Claims (6)

1.一种量子干涉装置，其产生电磁诱导透明现象，

该量子干涉装置具有：

封入有气态的碱金属原子的气室，所述碱金属原子具有2个基态能级和至少1个激发能级，所述2个基态能级具有能量差；

相干光源，其输入混合信号以进行调制驱动，产生多对共振光对，并将所述多对共振光对入射到所述气室，其中，各个所述共振光对具有保持与所述能量差相应的频率差的2种频率，各个所述共振光对的中心频率彼此不同；

光检测单元，其检测通过所述气室的所述多对共振光对；以及

控制单元，其根据所述光检测单元的输出信号进行控制，使得所述2种频率的频率差保持与所述能量差相应的频率差。

2.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其中，

所述相干光源产生D1线的共振光对。

3.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其中，

在所述相干光源与所述气室之间的所述多对共振光对经过的光路上设有波长板。

4.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其中，

所述量子干涉装置具有用于对所述相干光源进行调制的驱动电路部。

5.一种量子干涉装置，其产生电磁诱导透明现象，

该量子干涉装置具有：

封入有气态的碱金属原子的气室，所述碱金属原子具有2个基态能级和至少1个激发能级，所述2个基态能级具有能量差；

相干光源，其射出共振光，

一个电子光学调制元件，对其输入混合信号，以对从所述相干光源射出的共振光进行调制，由此产生多对共振光对，并使所述多对共振光对入射到所述气室，其中，各个所述共振光对具有保持与所述能量差相应的频率差的2种频率，各个所述共振光对的中心频率彼此不同；

光检测单元，其检测通过所述气室的所述多对共振光对；以及

控制单元，其根据所述光检测单元的输出信号进行控制，使得所述2种频率的频率差保持与所述能量差相应的频率差。

6.一种量子干涉装置，其产生电磁诱导透明现象，

该量子干涉装置具有：

封入有气态的碱金属原子的气室，所述碱金属原子具有2个基态能级和至少1个激发能级，所述2个基态能级具有能量差；

相干光源，其射出共振光，

依次连接的多个电子光学调制元件，分别对它们输入振荡信号，以对从所述相干光源射出的共振光进行调制，由此产生多对共振光对，并使所述多对共振光对入射到所述气室，其中，各个所述共振光对具有保持与所述能量差相应的频率差的2种频率，各个所述共振光对的中心频率彼此不同；

光检测单元，其检测通过所述气室的所述多对共振光对；以及

控制单元，其根据所述光检测单元的输出信号进行控制，使得所述2种频率的频率差保持与所述能量差相应的频率差。