CN106470035A - 量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体 - Google Patents

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Abstract

本发明提供量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体。能够有效地提高EIT信号的强度。本发明的原子振荡器(1)具有：原子室(2)，其具有内部空间(S)，该内部空间(S)中封入有碱金属；第1光源部(31)，其使用来自第1光源(311)的光，使共振光对(LL1)入射到内部空间(S)，该共振光对彼此在同一方向上进行圆偏振并使碱金属共振；第2光源部(32)，其使用来自第2光源(321)的光，使调整光(LL2)从与共振光对相同一侧入射到内部空间(S)，该调整光以与共振光对相反的旋转方向进行圆偏振并使碱金属共振；以及光圈部件(34)，其被配置在内部空间(S)与第1光源及第2光源之间。

Description

量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体
技术领域
本发明涉及量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体。
背景技术
作为长期具有高精度的振荡特性的振荡器，公知有基于铷、铯等碱金属的原子的能量跃迁而进行振荡的原子振荡器。
通常，原子振荡器的工作原理大致分为利用光与微波的双共振现象的方式和利用基于波长不同的两种光的量子干涉效应(CPT：Coherent Population Trapping(相干布居俘获))的方式。使用了量子干涉效应的原子振荡器能够比使用了双共振现象的原子振荡器小型化，所以近年来被期待搭载于各种各样的设备(例如，参照专利文献1)。
例如，如专利文献1中所公开那样，使用了量子干涉效应的原子振荡器具有：封入有气体状的碱金属的气室、射出使气室中的碱金属共振的共振光对的光源以及对透过气室的共振光对进行检测的光检测器(受光部)。并且，在这样的原子振荡器中，在两种共振光的频率差为特定的值时，产生两种共振光双方不被气室内的碱金属吸收而透过的电磁感应透明化(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)现象，利用光检测器检测伴随该EIT现象产生的陡峭的信号即EIT信号，将该EIT信号作为基准信号。
专利文献1：日本特开2014-17824号公报
这里，出于提高短期频率稳定度的观点，优选EIT信号线宽(半值宽度)小且强度高。因此，例如，在专利文献1的原子振荡器中，为了提高EIT信号的强度，使用了进行圆偏振的共振光对。
但是，在专利文献1的原子振荡器中，因为仅向气室中的碱金属照射彼此在同一方向上进行圆偏振的共振光对，所以该碱金属的磁量子数的分布会产生偏倚(偏り)。因此，有助于EIT的期望的磁量子数的金属原子的数量减少，其结果是，无法充分提高EIT信号的强度。
发明内容
本发明的目的在于，提供能够有效地提高EIT信号的强度的量子干涉装置，此外，本发明的目的在于，提供具有该量子干涉装置的原子振荡器、电子设备以及移动体。
上述目的通过下述的本发明来实现。
本发明的量子干涉装置的特征在于具有：原子室，其具有内部空间，该内部空间中封入有金属；第1光源部，其具有第1发光元件，使用来自所述第1发光元件的光生成包含共振光对的第1光，并向所述内部空间入射所述第1光，其中该共振光对在彼此相同的方向上进行圆偏振并使所述金属共振；第2光源部，其具有第2发光元件，并使用来自所述第2发光元件的光来生成包含调整光的第2光，该调整光以与所述共振光对相反的旋转方向进行圆偏振并使所述金属共振，所述第2光源部使所述第2光从与所述第1光相同一侧入射到所述内部空间；以及光圈部件，其具有开口，并被配置在所述内部空间与所述第1发光元件及所述第2发光元件之间。
根据这样的量子干涉装置，除彼此在同一方向上进行圆偏振的共振光对外，还对原子室内的金属照射调整光，该调整光在原子室内以与共振光对相反的旋转方向进行圆偏振，由此，能够利用调整光来抵消或缓和由共振光对造成的磁量子数的分布的偏倚，能够减轻金属的磁量子数的分布的偏倚。因此，能够使有助于EIT的期望的磁量子数的金属原子的数量增加，其结果是，能够显著地发现通过使用进行圆偏振的共振光对来提高EIT信号的强度的效果。由此，能够有效地提高EIT信号的强度。
这里，因为在内部空间与第1发光元件及第2发光元件之间配置有光圈部件，所以能够使入射到原子室的内部空间的第1光和第2光的通过区域彼此一致或近似。因此，能够有效地减轻金属的磁量子数的分布的偏倚。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述第1光源部和所述第2光源部公共地具有1/4波长板，该1/4波长板被配置在所述第1发光元件及所述第2发光元件与所述内部空间之间。
由此，能够减少构成第1光源部和第2光源部的部件数量，并能够从第1光源部31生成包含共振光对的第1光，从第2光源部生成包含调整光的第2光。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述光圈部件被配置在所述第1发光元件及所述第2发光元件与所述1/4波长板之间。
由此，能够减少未入射到光圈部件的开口中的光被1/4波长板反射而产生不良影响。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述光圈部件被配置在所述1/4波长板与所述内部空间之间。
由此，能够缩短光圈部件与内部空间之间的距离。因此，对入射到原子室的内部空间的第1光和第2光的通过区域的形状的调整变得容易。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述光圈部件被配置在所述1/4波长板上。
由此，能够一并配置光圈部件和1/4波长板，量子干涉装置的制造变得容易。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述光圈部件被配置在所述原子室上。
由此，能够一并配置光圈部件和原子室，量子干涉装置的制造变得容易。此外，能够减少光圈部件的开口的位置相对于原子室的内部空间发生变动的情况。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述量子干涉装置还具有透镜，该透镜被配置在所述第1发光元件及所述第2发光元件与所述光圈部件之间。
由此，能够分别将入射到原子室的内部空间的第1光和第2光形成为平行光。因此，在原子室的内部空间中，能够减少第1光和第2光的功率密度在行进方向上发生变化的情况，能够抑制EIT信号的线宽的扩展，并能够有效地减轻金属的磁量子数的分布的偏倚。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述第1发光元件和所述第2发光元件被配置在同一基板上。
这样的情况下，假设省略光圈部件，在原子室的内部空间中，仅供第1光、或者仅供第2光通过的区域容易变大。因此，这样的情况下，设置光圈部件而产生的效果变得显著。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述共振光对和所述调整光中的一方为D1线，另一方为D2线。
由此，能够有效地提高EIT信号的强度。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述第1发光元件为面发光激光器。
由此，能够容易地生成具有期望的频率的共振光对。此外，因为面发光激光器射出以规定的放射角扩展的光，所以能够容易使来自第1发光元件的光与来自第2发光元件的光重合地入射到光圈部件。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述第2发光元件为面发光激光器。
由此，能够容易地生成具有期望的频率的调整光。此外，因为面发光激光器射出以规定的放射角扩展的光，所以能够容易使来自第1发光元件的光与来自第2发光元件的光重合地入射到光圈部件。
在本发明的量子干涉装置中，优选的是，所述第2发光元件为发光二极管。
由此，能够使调整光的线宽比共振光对大。因此，能够使调整光相对于广泛速度分布的金属原子共振。因此，即使调整光的中心波长稍微偏离，也能够使调整光相对于处于期望的速度的金属原子共振。其结果是，不需要对调整光的频率控制，能够简化装置结构。此外，因为发光二极管射出以规定的放射角扩展的光，所以能够容易使来自第1发光元件的光与来自第2发光元件的光重合地入射到光圈部件。
本发明的原子振荡器的特征在于具有本发明的量子干涉装置。
由此，能够提供一种具有能够有效地提高EIT信号的强度的量子干涉装置的原子振荡器。
本发明的电子设备的特征在于具有本发明的量子干涉装置。
由此，能够提供一种具有能够有效地提高EIT信号的强度的量子干涉装置的电子设备。
本发明的移动体的特征在于具有本发明的量子干涉装置。
由此，能够提供一种具有能够有效地提高EIT信号的强度的量子干涉装置的移动体。
附图说明
图1是示出本发明第1实施方式的原子振荡器(量子干涉装置)的概略图。
图2是用于简略地说明碱金属原子的能量状态的图。
图3是示出从光源部射出的两种光的频率差与由受光部检测出的光的强度之间的关系的曲线图。
图4是用于说明图1所示的原子振荡器具有的光源部、原子室和光圈部件的概略图。
图5是示出铯原子的能量状态与共振光对(第1共振光、第2共振光)以及调整光(第3共振光)之间的关系的一例的图。
图6是示出钠原子的磁量子数的分布的图，其中，(a)是示出照射σ+圆偏振的共振光的情况下的分布的图，(b)是示出照射σ-圆偏振的共振光的情况下的分布的图。
图7是用于说明本发明的第2实施方式的原子振荡器具有的光源部、原子室和光圈部件的概略图。
图8是用于说明本发明的第3实施方式的原子振荡器具有的光源部、原子室和光圈部件的概略图。
图9是示出在利用GPS卫星的定位系统中使用本发明的原子振荡器的情况下的概略结构的图。
图10是示出本发明的移动体的一个例子的图。
标号说明
1：原子振荡器；1A：原子振荡器；1B：原子振荡器；2：原子室；3：光源部；4：受光部；5：加热器；6：温度传感器；7：磁场产生部；8：控制部；21：主体部；22：窗部；23：窗部；31：第1光源部；31A：第1光源部；31B：第1光源部；32：第2光源部；32A：第2光源部；32B：第2光源部；33：基板；34：光圈部件；34B：光圈部件；71：线圈；81：温度控制部；82：光源控制部；83：磁场控制部；100：定位系统；200：GPS卫星；211：贯通孔；300：基站装置；301：天线；302：接收装置；303：天线；304：发送装置；311：第1光源；312：透镜；313：1/4波长板；321：第2光源；341：开口；400：GPS接收装置；401：天线；402：卫星接收部；403：天线；404：基站接收部；821：频率控制部；822：电压控制型石英振荡器；823：相位同步电路；1500：移动体；1501：车体；1502：车轮；a：轴线；LL：光；LL1：共振光对；LL1a：第1光；LL2：调整光；LL2a：第2光；S：内部空间。
具体实施方式
以下，根据附图所示的实施方式，对本发明的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体进行详细说明。
1.原子振荡器(量子干涉装置)
首先，对本发明的原子振荡器(具有本发明的量子干涉装置的原子振荡器)进行说明。并且，以下对将本发明的量子干涉装置应用于原子振荡器的例子进行说明，但本发明的量子干涉装置不限于此，例如也可以应用于磁传感器、量子存储器等器件。
＜第1实施方式＞
首先，简单地说明本发明第1实施方式的原子振荡器。
图1是示出本发明第1实施方式的原子振荡器(量子干涉装置)的概略图。图2是用于简略地说明碱金属原子的能量状态的图。图3是示出从光源部射出的两种光的频率差与由受光部检测出的光的强度之间的关系的曲线图。
图1所示的原子振荡器1是利用量子干涉效应的原子振荡器。如图1所示，该原子振荡器1具有原子室2(气室)、光源部3、受光部4、加热器5、温度传感器6、磁场产生部7和控制部8。
首先，简单说明原子振荡器1的原理。
如图1所示，在原子振荡器1中，光源部3向原子室2射出光LL，受光部4检测透过原子室2的光LL。
在原子室2内，封入有气体状的碱金属(金属原子)。如图2所示，碱金属具有由两个基态能级(第1基态能级和第2基态能级)和激励能级构成的三能级系统的能级。这里，第1基态能级是比第2基态能级低的能量状态。
从光源部3射出的光LL包含第1共振光和第2共振光作为频率不同的两种共振光。在向上述那样的气体状的碱金属照射这些第1共振光和第2共振光时，共振光1、2在碱金属中的光吸收率(光透过率)根据第1共振光的频率ω1与第2共振光的频率ω2之差(ω1-ω2)而发生变化。
并且，在第1共振光的频率ω1与第2共振光的频率ω2之差(ω1-ω2)和相当于第1基态能级与第2基态能级的能量差ΔE的频率一致时，从第1基态能级和第2基态能级向激励能级的激励分别停止。此时，第1共振光和第2共振光均不被碱金属吸收而透过。将这样的现象称作CPT现象或者电磁感应透明化现象(EIT：Electromagnetically InducedTransparency)。
例如，如果光源部3使第1共振光的频率ω1固定、使第2共振光的频率ω2变化，则在第1共振光的频率ω1与第2共振光的频率ω2之差(ω1-ω2)和相当于第1基态能级与第2基态能级的能量差ΔE的频率ω0一致时，受光部4的检测强度如图3所示那样陡峭地上升。将这样的陡峭的信号作为EIT信号检测出。该EIT信号具有由碱金属的种类决定的固有值。因此，通过使用这样的EIT信号作为基准，能够构成高精度的振荡器。
以下，简单说明原子振荡器1的各部分。
[气室]
在原子室2内，封入有气体状的铷、铯、钠等碱金属。此外，在原子室2内，还可以根据需要，与碱金属气体一并封入有氩、氖等稀有气体、氮等惰性气体作为缓冲气体。
详情将后述，原子室2具有：具有贯通孔的主体部；以及封闭该主体部的贯通孔的开口的一对窗部，由此形成封入有气体状的碱金属的内部空间。
[光射出部]
光源部3具有射出包含上述第1共振光和第2共振光的光LL的功能，第1共振光和第2共振光构成使原子室2内的碱金属原子共振的共振光对。
此外，光源部3射出的光LL除了包含第1共振光和第2共振光以外，还包含第3共振光。
第1共振光是将原子室2内的碱金属原子从上述第1基态能级激励到激励能级的光(probe光：探测光)。另一方面，第2共振光是将原子室2内的碱金属原子从上述第2基态能级激励到激励能级的光(coupling光：耦合光)。这里，第1共振光和第2共振光彼此在同一方向上进行圆偏振。此外，第3共振光是调整原子室2内的碱金属的磁量子数的“调整光”(repump光：再泵浦光)。该第3共振光在与第1共振光和第2共振光相反的方向上进行圆偏振。由此，能够调整原子室2内的碱金属原子的磁量子数。此外，后面将对光源部3进行详细记述。此外，“圆偏振光”是指如下这样的光：当着眼于光波的电场成分或磁场成分中的任意一方的振动时，其振动方向在与光的行进方向垂直的面内以光波的频率进行旋转，且振幅与其方向无关而固定，换言之，“圆偏振光”是指，当着眼于光波的电场成分或磁场成分中的任意一方的振动时，电场(或磁场)的振动随着传播而描绘圆的光。
[受光部]
受光部4具有检测透过原子室2内的光LL(特别是由第1共振光和第2共振光构成的共振光对)的强度的功能。
作为该受光部4，只要能够检测上述那样的光LL的强度即可，没有特别限定，例如，能够使用输出与接收到的光的强度对应的信号的光电二极管等光检测器(受光元件)。此外，后面将对受光部4的结构进行详细记述。
[加热器]
加热器5(加热部)具有对上述原子室2(更具体地是原子室2中的碱金属)进行加热的功能。由此，能够将原子室2中的碱金属维持为适当浓度的气体状。
该加热器5例如构成为包含通过通电而发热的发热电阻体。该发热电阻体可以设置成与原子室2接触，也可以设置成不与原子室2接触。
更具体而言，例如，在将发热电阻体设置成与原子室2接触的情况下，在原子室2的一对窗部分别设置发热电阻体。由此，能够防止碱金属原子在原子室2的窗部上发生结露。其结果是，能够长期使原子振荡器1的特性(振荡特性)保持优异。这样的发热电阻体由对于光LL具有透过性的材料构成，具体而言，例如由ITO(Indium Tin Oxide：氧化铟锡)、IZO(Indium Zinc Oxide：氧化铟锌)、In3O3、SnO2、含Sb的SnO2、含Al的ZnO等氧化物等的透明电极材料构成。此外，这样的发热电阻体例如能够使用等离子体CVD、热CVD那样的化学蒸镀法(CVD)、真空蒸镀等干式镀敷法、溶胶-凝胶法等来形成。
并且，在将发热电阻体设置成不与原子室2接触的情况下，可以经由热传导性优异的金属等、陶瓷等部件从发热电阻体向原子室2导热。
此外，加热器5只要能够对原子室2进行加热，则不限于上述方式，能够使用各种加热器。此外，也可以使用帕尔贴元件替代加热器5或者与加热器5一并使用帕尔贴元件，对原子室2进行温度调节。
[温度传感器]
温度传感器6具有检测加热器5或原子室2的温度的功能。
该温度传感器6被配置成例如与加热器5或原子室2接触。
作为温度传感器6，分别没有特别限定，能够使用热敏电阻、热电偶等公知的各种温度传感器。
[磁场产生部]
磁场产生部7具有向原子室2内的碱金属施加磁场的功能。由此，通过塞曼分裂，能够扩大原子室2内的碱金属原子的正在简并的不同的多个能级间的间隙，提高分辨率。其结果是，能够提高原子振荡器1的振荡频率的精度。
这里，来自磁场产生部7的磁场在原子室2内沿着光LL的行进方向(大致平行)。并且，出于使共振光对和调整光有效地作用于原子室2内的碱金属的观点，在原子室2内，来自磁场产生部7的磁场的方向相对于光LL的行进方向优选为0°以上30°以下，更优选为0°以上20°以下，进一步优选为0°以上10°以下。
该磁场产生部7由线圈构成，该线圈以构成螺线管型的方式沿着原子室2的外周卷绕设置。并且，磁场产生部7也可以由1对线圈构成，该1对线圈以构成亥姆霍兹型的方式隔着原子室2相对地设置。
此外，磁场产生部7产生的磁场可以是恒定磁场(直流磁场)，但也可以叠加有交流磁场。
[控制部]
控制部8具有分别控制光源部3、加热器5和磁场产生部7的功能。
该控制部8具有：控制光源部3的光源控制部82；控制原子室2中的碱金属的温度的温度控制部81；以及控制来自磁场产生部7的磁场的磁场控制部83。
光源控制部82具有如下功能：根据上述受光部4的检测结果，控制从光源部3射出的第1共振光和第2共振光的频率。更具体而言，光源控制部82控制从光源部3射出的第1共振光和第2共振光的频率，使得上述频率差(ω1-ω2)为上述碱金属固有的频率ω0。此外，后面将对光源控制部82的结构详细叙述。
此外，温度控制部81根据温度传感器6的检测结果来控制对加热器5的通电。由此，能够将原子室2维持在期望的温度范围内。例如，利用加热器5，将原子室2温度调节到例如70℃左右。
此外，磁场控制部83控制对磁场产生部7的通电，使得磁场产生部7产生的磁场恒定。
这样的控制部8例如被设置在安装于基板上的IC芯片中。
以上，对原子振荡器1的结构进行了简单说明。
(光源部、原子室和光圈部件的详细说明)
图4是用于说明图1所示的原子振荡器具有的光源部、原子室和光圈部件的概略图。
如图4所示，光源部3具有：第1光源部31，其射出由第1共振光和第2共振光构成的共振光对LL1作为第1光；以及第2光源部32，其射出由第3共振光构成的调整光LL2作为第2光。
第1光源部31具有第1光源311(第1发光元件)、透镜312、1/4波长板313和光圈部件34。此外，第1光源部31中，还可以在第1光源311与1/4波长板313之间配置1/2波长板。该情况下，只要使第1光源311以绕光轴旋转90°的姿态来进行设置即可。
第1光源311被配置在硅基板等基板33上。该第1光源311具有射出由进行线偏振的共振光对构成的第1光LL1a的功能。这里，第1光LL1a从第1光源311以规定的放射角扩展地射出。该放射角没有特别限定，优选为10°以上40°以下，更优选为15°以上30°以下。由此，能够将共振光对LL1在与调整光LL2重合的状态下高效地照射原子室2内。
该第1光源311只要能够射出包含第1光LL1a的光即可，没有特别限定，例如为端面发光激光器、垂直谐振器面发光激光器(VCSEL)等半导体激光器。此外，“线偏振光”是指电磁波(光)的振动面位于一个平面内的光，换言之，“线偏振光”是电场(或磁场)的振动方向恒定的光。
透镜312被配置在第1光源311与原子室2之间。由此，能够将从第1光源311以规定的放射角扩展地射出的第1光LL1a的扩展减小而形成为例如平行光，其结果是，能够将原子室2内的共振光对LL1形成为平行光。
1/4波长板313是使入射的光的垂直的偏振光成分之间产生相位差π/2(90°)的双折射元件(複屈折素子)。该1/4波长板313具有如下功能：将来自第1光源311的第1光LL1a从线偏振光转换为圆偏振光(也包含椭圆偏振光)的共振光对LL1。由此，能够生成由上述第1共振光和第2共振光构成的共振光对LL1。
光圈部件(絞り部材)34被配置在1/4波长板313的第1光源311侧的面上。该光圈部件34具有开口341，该开口341供所入射的光中的一部分区域的光通过，具有对光的宽度(直径)和形状进行调整的功能。在第1光源部31，来自第1光源311的第1光LL1a的一部分通过开口341，由此对第1光LL1a的宽度和形状进行调整。这里，光圈部件34的除开口341外的部分具有遮光性。作为这样的光圈部件34的构成材料，只要光圈部件34的除开口341外的部分能够具有遮光性，则没有特别限定，例如可采用树脂材料、金属材料等，但优选为光圈部件34的除开口341外的部分能够防止光的反射的材料。此外，光圈部件34的形成方法并不特别限定。本实施方式的情况下，例如可以使用公知的成膜法在1/4波长板313上形成光圈部件34。
如上所述，第1光源部31使用来自第1光源311的光射出共振光对LL1。
另一方面，第2光源部32具有第2光源321、透镜312、1/4波长板313和光圈部件34。这里，透镜312、1/4波长板313和光圈部件34被设置成与上述的第1光源部31共用。即，透镜312、1/4波长板313和光圈部件34可以说是由第1光源部31具有，也可以说是由第2光源部32具有。此外，第2光源部32中，可以在第2光源321与1/4波长板313之间配置1/2波长板。该情况下，只要使第2光源321以绕光轴旋转90°的姿态来进行设置即可。
第2光源321被配置在与上述的第1光源311相同的基板33上。该第2光源321具有射出第2光LL2a的功能，该第2光LL2a由在与第1光源311的线偏振的方向垂直的方向进行线偏振的共振光构成。这里，第2光LL2a从第2光源321以规定的放射角扩展地射出。该放射角没有特别限定，优选为与第1光源311的第1光LL1a的放射角相等或比该放射角稍大，具体而言，优选为10°以上50°以下，更优选为15°以上40°以下。由此，能够将调整光LL2在与共振光对LL1重合的状态下高效地照射原子室2内。
该第2光源321只要能够射出包含第2光LL2a的光即可，没有特别限定，例如为端面发光激光器、垂直谐振器面发光激光器(VCSEL)等半导体激光器、发光二极管(LED)、有机电致发光(有机EL)元件等发光元件。
这里，第2光源321的输出(第2光LL2a的强度)优选比第1光源311的输出(第1光LL1a的强度)小。由此，能够有效地发挥后述那样的调整光的作用。
透镜312被配置在第2光源321与原子室2之间。由此，能够将来自第2光源321的第2光LL2a形成为平行光，其结果是，能够将原子室2内的调整光LL2形成为平行光。
1/4波长板313具有如下功能：将来自第2光源321的第2光LL2a从线偏振光转换为圆偏振光(也包含椭圆偏振光)的调整光LL2。由此，能够生成成为上述的第3共振光的调整光LL2。这里，进行线偏振的第2光LL2a的偏振方向是与进行线偏振的第1光LL1a的偏振方向不同的方向(垂直的方向)。因此，在由1/4波长板313生成的共振光对LL1为右旋圆偏振光的情况下，由1/4波长板313生成的调整光LL2为左旋圆偏振光，另一方面，在共振光对LL1为左旋圆偏振光的情况下，调整光LL2为右旋圆偏振光。通过将这样的在彼此成为相反方向的旋转方向上进行圆偏振的共振光对LL1和调整光LL2从彼此相同侧向原子室2照射，由此，沿着原子室2的窗部22和窗部23排列的方向从同一方向观察时，在原子室2内，调整光LL2的圆偏振的旋转方向相对于共振光对LL1的圆偏振的旋转方向成为反方向。
在第2光源部32，来自第2光源321的第2光LL2a的一部分通过开口341，由此对第2光LL2a的宽度和形状进行调整。这里，优选的是，当从沿轴线a的方向观察时，在沿着光圈部件34的面上，在第1光LL1a与第2光LL2a重合的区域内包含开口341。由此，能够使通过光圈部件34的第1光LL1a和第2光LL2a的通过区域互相一致(形成为一致或近似的区域)。
如上所述地，第2光源部32使用来自第2光源321的光射出调整光LL2。
在如上构成的光源部3中，第1光源311被控制成，利用光源控制部82来射出上述第1共振光和第2共振光。
光源控制部82具有频率控制部821、电压控制型石英振荡器822(VCXO：VoltageControlled Crystal Oscillators)和相位同步电路823(PLL：phase locked loop)。
频率控制部821基于受光部4的受光强度来检测原子室2内的EIT状态，并输出与该检测结果对应的控制电压。由此，频率控制部821控制电压控制型石英振荡器822而使得能够由受光部4检测出EIT信号。
电压控制型石英振荡器822被频率控制部821控制成为期望的振荡频率，例如，以几MHz～几十MHz左右的频率进行振荡。此外，电压控制型石英振荡器822的输出信号被输入到相位同步电路823，并且，被作为原子振荡器1的输出信号输出。
相位同步电路823对来自电压控制型石英振荡器822的输出信号进行倍频。由此，相位同步电路823以与上述碱金属原子的两个不同的两个基态能级的能量差ΔE相当的频率的1/2的频率进行振荡。这样倍频后的信号(高频信号)在叠加直流偏置电流后，作为驱动信号被输入到第1光源部31的第1光源311。由此，能够对第1光源311中包含的半导体激光器等发光元件进行调制，射出频率差(ω1-ω2)为ω0的两种光即第1共振光和第2共振光。这里，直流偏置电流的电流值被未图示的偏置控制部控制为规定值。由此，能够将第1共振光和第2共振光的中心波长控制为期望那样。
此外，第1光源311和第2光源321分别被未图示的温度调节元件(发热电阻体、珀尔帖元件等)温度调节到规定温度。此外，通过调整第1光源311和第2光源321的温度，还能够控制来自第1光源311和第2光源321的光的中心波长。
来自如以上说明的那样构成的第1光源部31和第2光源部32的共振光对LL1和调整光LL2被照射到原子室2。
如图4所示，原子室2具有主体部21、隔着主体部21设置的一对窗部22、23。在该原子室2中，主体部21被配置在1对窗部22、23之间，主体部21和1对窗部22、23划分形成(构成)了封入有气体状的碱金属的内部空间S。
更具体地说明，主体部21呈板状，在该主体部21中，形成有在主体部21的厚度方向上贯通的贯通孔211。
作为该主体部21的构成材料，没有特别限定，可举出玻璃材料、石英、金属材料、树脂材料、硅材料等，这些材料中，优选使用玻璃材料、石英、硅材料中的任意一种，更优选使用硅材料。由此，即使在形成宽度或高度为10mm以下那样的较小的原子室2的情况下，也能够使用蚀刻等精细加工技术，容易形成高精度的主体部21。尤其是，硅能够进行基于蚀刻的精细加工。因此，通过使用硅构成主体部21，即使谋求原子室2的小型化，也能够简单且高精度地形成主体部21。此外，窗部22、23通常由玻璃构成，而硅的热传导性优于玻璃。因此，能够使主体部21的散热性优异。此外，在窗部22、23由玻璃构成的情况下，能够简单地利用阳极接合将主体部21与窗部22、23气密地接合，能够使原子室2的可靠性优异。
窗部22与这样的主体部21的一个面接合，另一方面，窗部23与主体部21的另一个面接合。由此，贯通孔211的一端开口被窗部22封闭，并且，贯通孔211的另一端开口被窗部23封闭。
作为主体部21与窗部22、23的接合方法，可根据它们的构成材料来决定，只要能够气密地接合即可，没有特别限定，例如，可以使用基于粘接剂的接合方法、直接接合法、阳极接合法、表面活化接合法等，但优选使用直接接合法或阳极接合法。由此，能够简单地使主体部21与窗部22、23气密地接合，能够使原子室2的可靠性优异。
与这样的主体部21接合的各窗部22、23呈板状，针对来自上述光源部3的光LL具有透过性。而且，一个窗部22是共振光对LL1和调整光LL2向原子室2的内部空间S内入射的入射侧窗部，另一方面，另一个窗部23是共振光对LL1和调整光LL2从原子室2的内部空间S内射出的射出侧窗部。
作为窗部22、23的构成材料，只要分别针对上述那样的光LL具有透过性即可，没有特别限定，例如，可举出玻璃材料、石英等，但优选使用玻璃材料。由此，能够实现针对激励光具有透过性的窗部22、23。此外，在主体部21由硅构成的情况下，通过使用玻璃来构成窗部22、23，能够简单地利用阳极接合使主体部21与窗部22、23气密地接合，能够使原子室2的可靠性优异。此外，根据窗部22、23的厚度以及光LL的强度，还能够利用硅来构成窗部22、23。在该情况下，也能够使主体部21与窗部22、23进行直接接合或阳极接合。
在被这样的窗部22、23封闭的贯通孔211内的空间即内部空间S中，主要收纳有气体状的碱金属。收纳在该内部空间S内的气体状的碱金属被光LL激励。这里，内部空间S的至少一部分构成供光LL通过的“光通过空间”。
此外，在这样构成的原子室2的外周配置有线圈71，线圈71为磁场产生部7所具有的螺线管线圈。
优选的是，在如以上说明的那样构成的原子室2内，共振光对LL1的通过区域与调整光LL2的通过区域一致、或者被包含于调整光LL2的通过区域内。在本实施方式中，在原子室2内，共振光对LL1和调整光LL2的各自的光轴与沿着原子室2的窗部22和窗部23排列的方向的轴线a平行。由此，能够使通过光圈部件34后的共振光对LL1和调整光LL2的通过区域彼此一致。此外，在原子室2内，只要能够使共振光对LL1的通过区域与调整光LL2的通过区域一致或近似，共振光对LL1和调整光LL2的各自的光轴也可以相对于轴线a倾斜。
这里，在原子室2的共振光对LL1和调整光LL2射出的一侧，在轴线a或其延长线上配置有上述受光部4，通过原子室2后的共振光对LL1被受光部4接受。另一方面，优选的是，通过原子室2后的调整光LL2不被受光部4接受。从这样的观点出发，在原子室2与受光部4之间还可以设置这样的过滤器，该过滤器允许共振光对LL1的通过并阻止调整光LL2的通过。作为这样的过滤器，例如，可以列举出将1/4波长板、偏光板(偏光子)由原子室2侧起向受光部4侧依次排列而成的过滤器。
图5是示出铯原子的能量状态与共振光对(第1共振光、第2共振光)以及调整光(第3共振光)之间的关系的一例的图。图6是示出钠原子的磁量子数的分布的图，其中，图6的(a)是示出照射σ+圆偏振的共振光的情况下的分布的图，图6的(b)是示出照射σ-圆偏振的共振光的情况下的分布的图。以下，根据图5和图6对这种情况下的共振光对和调整光的作用进行说明。
例如，在原子室2内封入有铯原子、并且从相同方向对该铯原子照射共振光对和调整光的情况下，如图5所示，使用进行σ+偏振(左旋圆偏振)的D1线作为第1共振光和第2共振光(共振光对)，使用进行σ-偏振(右旋圆偏振)的D2线作为第3共振光(调整光)。此外，也可以是，第1共振光和第2共振光为σ-偏振光，第3共振光为σ+偏振光，此外还可以是，第1共振光和第2共振光为D2线，第3共振光为D1线。
作为碱金属原子的一种的铯原子具有6S1/2的基态能级、以及6P1/2和6P3/2这两个激励能级。此外，6S1/2、6P1/2、6P3/2各能级具有分裂为多个能级的细微结构。具体而言，6S1/2能级具有F＝3、4这两个基态能级，6P1/2能级具有F’＝3、4这两个激励能级，6P3/2能级具有F”＝2、3、4、5这4个激励能级。
处于6S1/2的F＝3的第1基态能级的铯原子通过吸收D2线，能够跃迁到6P3/2的F”＝2、3、4中的任意一个激励能级，但不能跃迁到F”＝5的激励能级。处于6S1/2的F＝4的第2基态能级的铯原子通过吸收D2线，能够跃迁到6P3/2的F”＝3、4、5中的任意一个激励能级，但不能跃迁到F”＝2的激励能级。这些基于假定了电偶极跃迁的情况下的跃迁选择定则。相反，处于6P3/2的F”＝3、4中的任意一个激励能级的铯原子放射出D2线，从而能够跃迁到6S1/2的F＝3或F＝4的基态能级(原来的基态能级或另一个基态能级中的任意一个)。由这样的6S1/2的F＝3、4的两个基态能级和6P3/2的F”＝3、4中的任意一个激励能级构成的三能级能够进行基于D2线的吸收/发光的Λ型的跃迁，因此被称作Λ型三能级。同样，由6S1/2的F＝3、4的两个基态能级和6P1/2的F’＝3、4中的任意一个激励能级构成的三能级能够进行基于D1线的吸收/发光的Λ型的跃迁，因此也形成Λ型三能级。
与此相对，处于6P3/2的F”＝2的激励能级的铯原子放射出D2线，必然跃迁到6S1/2的F＝3的基态能级(原来的基态能级)，同样，处于6P3/2的F”＝5的激励能级的铯原子放射出D2线，必然跃迁到6S1/2的F＝4的基态能级(原来的基态能级)。因此，由6S1/2的F＝3、4的两个基态能级和6P3/2的F”＝2或F”＝5的激励能级构成的三能级不能进行基于D2线的吸收/放射的Λ型的跃迁，因此不形成Λ型三能级。
关于这样的铯原子，在真空中的D1线的波长为894.593nm，在真空中的D2线的波长为852.347nm，6S1/2的超细微分裂频率(ΔE)为9.1926GHz。
此外，铯原子以外的碱金属原子也同样具有形成Λ型三能级的两个基态能级和激励能级。这里，钠原子在真空中的D1线的波长为589.756nm，在真空中的D2线的波长为589.158nm，3S1/2的超细微分裂频率(ΔE)为1.7716GHz。此外，铷(85Rb)原子在真空中的D1线的波长为794.979nm，在真空中的D2线的波长为780.241nm，5S1/2的超细微分裂频率(ΔE)为3.0357GHz。此外，铷(87Rb)原子在真空中的D1线的波长为794.979nm，在真空中的D2线的波长为780.241nm，5S1/2的超细微分裂频率(ΔE)为6.8346GHz。
例如，如图6所示，作为碱金属原子的一种的钠原子具有形成Λ型三能级的两个基态能级和激励能级，3S1/2的F＝1的第1基态能级具有mF1＝-1、0、1的3个磁量子数，3S1/2的F＝2的第2基态能级具有mF2＝-2、-1、0、1、2的5个磁量子数，3P1/2的F’＝2的激励能级具有mF’＝-2、-1、0、1、2的5个磁量子数。
如图6的(a)所示，在对处于F＝1或F＝2的基态能级的钠原子照射σ+圆偏振的共振光对时，依据磁量子数增1这样的选择定则而被激励到激励能级。此时，对于处于F＝1或F＝2的基态能级的钠原子，分布朝磁量子数大的方向变化。
另一方面，如图6的(b)所示，在对处于F＝1或F＝2的基态能级的钠原子照射σ-圆偏振的共振光对时，依据磁量子数减1这样的选择定则而被激励到激励能级。此时，对于处于F＝1或F＝2的基态能级的钠原子，分布朝磁量子数小的方向变化。
此外，在图6中，为了便于说明，以简单的结构的钠原子为例示出了磁量子数的分布，而在其它碱金属原子中，基态能级和激励能级各自具有2F+1个磁量子数(磁副能级)，依据上述那样的选择定则，磁量子数的分布发生变化。
如以上所说明的那样，在从相同方向对原子室2内的碱金属照射共振光对和调整光的情况下，将共振光对和调整光中的一方设定为右旋圆偏振光，而将另一方设定为左旋圆偏振光，由此，能够减轻碱金属的磁量子数的偏倚。
在以上说明的原子振荡器1中，除彼此在同一方向上进行圆偏振的共振光对LL1外，还对碱金属照射调整光LL2，该调整光LL2在原子室2内以与共振光对LL1相反的旋转方向进行圆偏振，由此，能够利用调整光LL2来抵消或缓和由共振光对LL1造成的磁量子数的分布的偏倚，能够减轻碱金属的磁量子数分布的偏倚。因此，能够使有助于EIT的期望的磁量子数的碱金属原子的数量增加，其结果是，能够显著地发现通过使用进行圆偏振的共振光对LL1来提高EIT信号的强度的效果，由此能够有效地提高EIT信号的强度。
这里，因为在内部空间S与第1光源311(第1发光元件)、第2光源321(第2发光元件)之间配置有具有开口341的光圈部件34，所以能够使入射到原子室2的内部空间S的共振光对LL1(第1光)和调整光LL2(第2光)的通过区域彼此一致或近似。因此，能够有效地减轻碱金属的磁量子数的分布的偏倚。更具体来说，在原子室2内，能够实现共振光对LL1和调整光LL2各自的宽度方向上的光量密度(功率密度)的均匀化，并能够减少仅供共振光对LL1或调整光LL2通过的区域。因此，能够使共振光对LL1和调整光LL2的平衡变得优异，缩小EIT信号的线宽，并能够提高EIT信号的强度。
而且，在本实施方式中，因为在第1光源311、第2光源321与光圈部件34之间配置有透镜312，所以能够分别将入射到原子室2的内部空间S的共振光对LL1和调整光LL2形成为平行光。因此，在原子室2的内部空间S中，能够减少共振光对LL1和调整光LL2的功率密度在行进方向(传播方向)上发生变化的情况，能够有效地减轻碱金属的磁量子数的分布的偏倚。其结果是，能够缩窄EIT信号的线宽，并能够提高EIT信号的强度。
与此相对，假设省略光圈部件34，因为第1光源311和第2光源321被配置在同一基板33上的互不相同的位置，所以，在原子室2的内部空间S中，仅供共振光对LL1或者仅供调整光LL2通过的区域容易变大。因此，在第1光源311和第2光源321被配置在同一基板33上的情况下，设置光圈部件34而产生的效果变得显著。
此外，如前所述，第1光源部31和第2光源部32公共地具有1/4波长板313，该1/4波长板313被配置在第1光源311及第2光源321与内部空间S之间。由此，能够减少构成第1光源部31和第2光源部32的部件数量，并能够从第1光源部31生成共振光对LL1，从第2光源部32生成调整光LL2。
在本实施方式中，因为光圈部件34被配置在第1光源311及第2光源321与1/4波长板313之间，所以能够减少未入射到光圈部件34的开口341的光被1/4波长板313反射而产生不良影响的情况。
此外，因为光圈部件34被配置在1/4波长板313上，所以能够一并配置光圈部件34和1/4波长板313，原子振荡器1的制造变得容易。
此外，在共振光对LL1和调整光LL2中的一方为D1线、另一方为D2线的情况下，能够有效地产生EIT现象，其结果是，能够有效地提高EIT信号的强度。
此外，优选的是，在原子室2内，调整光LL2的强度(光量子束密度)小于共振光对LL1。由此，能够有效地减轻原子室2内的碱金属的磁量子数的偏倚。
此外，当调整光LL2的强度过强时，存在原子室2内的碱金属的磁量子数的分布大幅偏向与由共振光对LL1造成的磁量子数分布的偏倚相反一侧的情况。另一方面，当调整光LL2的强度过弱时，存在无法利用调整光LL2充分地抵消或缓和由共振光对LL1造成的磁量子数的分布的偏倚的情况。
从这样的观点出发，当将原子室2内的共振光对LL1的光量子束密度设定为D1、将原子室2内的调整光LL2的光量子束密度设定为D2时，优选D2/D1为0.1以上0.9以下，更优选为0.2以上0.7以下，进一步优选为0.3以上0.5以下。
此外，在第1光源311为面发光激光器的情况下，能够容易地生成具有期望的频率的共振光对LL1。此外，因为面发光激光器射出以规定的放射角扩展的光，所以能够容易使来自第1光源311的光与来自第2光源321的光重合地入射到光圈部件34。
相同地，在第2光源321为面发光激光器的情况下，能够容易地生成具有期望的频率的调整光LL2。此外，因为面发光激光器射出以规定的放射角扩展的光，所以能够容易使来自第1光源311的光与来自第2光源321的光重合地入射到光圈部件34。
此外，在第2光源321为发光二极管的情况下，能够使调整光LL2的线宽大于共振光对LL1的线宽。因此，能够使调整光LL2相对于广泛速度分布(幅広い速度分布)的碱金属原子共振。因此，即使调整光LL2的中心波长稍微偏离，也能够使调整光LL2相对于处于期望的速度的碱金属原子共振。其结果是，不需要对调整光LL2的频率的控制，能够简化装置结构。此外，因为发光二极管射出以规定的放射角扩展的光，所以能够容易使来自第1光源311的光与来自第2光源321的光重合地入射到光圈部件34。
＜第2实施方式＞
接下来，对本发明的第2实施方式进行说明。
图7是用于说明本发明的第2实施方式的原子振荡器所具有的光源部、原子室和光圈部件的概略图。
本实施方式中，除了省略了第1发光元件及第2发光元件与原子室之间的透镜以外，与上述第1实施方式相同。
此外，在以下的说明中，关于第2实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，省略相同事项的说明。此外，在图7中，对于与上述实施方式相同的结构，标注相同的标号。
图7所示的原子振荡器1A中，除了省略了上述第1实施方式的透镜312以外，与第1实施方式的原子振荡器1相同。即，原子振荡器1A具有：由第1光源311、1/4波长板313和光圈部件34构成的第1光源部31A；以及由第2光源321、1/4波长板313和光圈部件34构成的第2光源部32A。
在这样的原子振荡器1A中，通过省略透镜312，能够实现小型化。这里，来自第1光源311和第2光源321的光扩展并入射到光圈部件34。此外，虽然未图示，但实际上，共振光对LL1和调整光LL2也扩展地在原子室2内通过。因此，在原子室2内，共振光对LL1和调整光LL2的功率密度在行进方向上发生变化。为了降低这样的功率密度的变化造成的影响，可以缩短原子室2的沿轴线a的方向上的长度。
通过以上说明那样的第2实施方式，也能够有效地提高EIT信号的强度。
＜第3实施方式＞
接下来，对本发明的第3实施方式进行说明。
图8是用于说明本发明的第3实施方式的原子振荡器所具有的光源部、原子室和光圈部件的概略图。
本实施方式中，除了光圈部件的配置不同以外，与上述第1实施方式相同。此外，在以下的说明中，关于第3实施方式，以与上述实施方式的不同点为中心进行说明，省略相同事项的说明。此外，在图8中，对于与上述实施方式相同的结构，标注相同的标号。
图8所示的原子振荡器1B具有：由第1光源311、透镜312、1/4波长板313和光圈部件34B构成的第1光源部31B；以及由第2光源321、透镜312、1/4波长板313和光圈部件34B构成的第2光源部32B。
光圈部件34B被配置在1/4波长板313与内部空间S之间。由此，能够缩短光圈部件34B与内部空间S之间的距离。因此，对入射到原子室2的内部空间S的共振光对LL1和调整光LL2的通过区域的形状的调整变得容易。
此外，光圈部件34B被配置在原子室2上。由此，能够一并配置光圈部件34B和原子室2，原子振荡器1B的制造变得容易。此外，能够减少光圈部件34B的开口341的位置相对于原子室2的内部空间S发生变动。
通过以上说明那样的第3实施方式，也能够有效地提高EIT信号的强度。
2.电子设备
能够将以上说明那样的原子振荡器组装到各种电子设备中。
以下，对本发明的电子设备进行说明。
图9是示出在利用了GPS卫星的定位系统中使用本发明的原子振荡器的情况下的概略结构的图。
图9所示的定位系统100由GPS卫星200、基站装置300和GPS接收装置400构成。
GPS卫星200发送定位信息(GPS信号)。
基站装置300例如具有：接收装置302，其经由设置于例如电子基准点(GPS连续观测站)的天线301，高精度地接收来自GPS卫星200的定位信息；以及发送装置304，其经由天线303发送由该接收装置302接收到的定位信息。
这里，接收装置302是具有上述本发明的原子振荡器1来作为其基准频率振荡源的电子装置。这样的接收装置302具有优异的可靠性。此外，由接收装置302接收到的定位信息被发送装置304实时地发送。
GPS接收装置400具有：卫星接收部402，其经由天线401接收来自GPS卫星200的定位信息；以及基站接收部404，其经由天线403接收来自基站装置300的定位信息。
3.移动体
图10是示出本发明的移动体的一例的图。
在该图中，移动体1500构成为具有车体1501和4个车轮1502，并利用设置在车体1501上的未图示的动力源(发动机)来使车轮1502旋转。在这样的移动体1500中，内置有原子振荡器1。
此外，本发明的电子设备不限于上述电子设备，例如可以应用于智能手机、平板电脑终端、钟表、移动电话、数字静态照相机、喷墨式喷出装置(例如喷墨打印机)、个人计算机(移动型个人计算机、膝上型个人计算机)、电视、摄像机、录像机、汽车导航装置、寻呼器、电子记事本(也包含带通信功能的)、电子词典、计算器、电子游戏设备、文字处理器、工作站、电视电话、防盗用电视监视器、电子双筒望远镜、POS终端、医疗设备(例如电子体温计、血压计、血糖计、心电图计测装置、超声波诊断装置、电子内窥镜)、鱼群探测器、各种测量设备、计量仪器类(例如车辆、飞机、船舶的计量仪器类)、飞行模拟器、地面数字广播、移动电话基站、GPS模块等。
以上，基于图示的实施方式，对本发明的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备和移动体进行了说明，但本发明不限于这些。
此外，本发明的各部分的结构能够置换为发挥与上述实施方式相同的功能的任意结构，此外，也能够附加任意结构。此外，本发明也可以使上述各实施方式的任意结构彼此组合。

Claims (15)

1.一种量子干涉装置，其特征在于，该量子干涉装置具有：
原子室，其具有内部空间，该内部空间中封入有金属；
第1光源部，其具有第1发光元件，使用来自所述第1发光元件的光生成包含共振光对的第1光，并向所述内部空间入射所述第1光，其中该共振光对在彼此相同的方向上进行圆偏振并使所述金属共振；
第2光源部，其具有第2发光元件，并使用来自所述第2发光元件的光来生成包含调整光的第2光，该调整光以与所述共振光对相反的旋转方向进行圆偏振并使所述金属共振，所述第2光源部使所述第2光从与所述第1光相同一侧入射到所述内部空间；以及
光圈部件，其具有开口，并被配置在所述内部空间与所述第1发光元件及所述第2发光元件之间。
2.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其中，
所述第1光源部和所述第2光源部公共地具有1/4波长板，该1/4波长板被配置在所述第1发光元件及所述第2发光元件与所述内部空间之间。
3.根据权利要求2所述的量子干涉装置，其中，
所述光圈部件被配置在所述第1发光元件及所述第2发光元件与所述1/4波长板之间。
4.根据权利要求2所述的量子干涉装置，其中，
所述光圈部件被配置在所述1/4波长板与所述内部空间之间。
5.根据权利要求3或4所述的量子干涉装置，其中，
所述光圈部件被配置在所述1/4波长板上。
6.根据权利要求4所述的量子干涉装置，其中，
所述光圈部件被配置在所述原子室上。
7.根据权利要求1～6中的任意一项所述的量子干涉装置，其中，
所述量子干涉装置还具有透镜，该透镜被配置在所述第1发光元件及所述第2发光元件与所述光圈部件之间。
8.根据权利要求1～7中的任意一项所述的量子干涉装置，其中，
所述第1发光元件和所述第2发光元件被配置在同一基板上。
9.根据权利要求1～8中的任意一项所述的量子干涉装置，其中，
所述共振光对和所述调整光中的一方为D1线，另一方为D2线。
10.根据权利要求1～9中的任意一项所述的量子干涉装置，其中，
所述第1发光元件为面发光激光器。
11.根据权利要求1～10中的任意一项所述的量子干涉装置，其中，
所述第2发光元件为面发光激光器。
12.根据权利要求1～10中的任意一项所述的量子干涉装置，其中，
所述第2发光元件为发光二极管。
13.一种原子振荡器，其特征在于，
所述原子振荡器具有权利要求1～12中的任意一项所述的量子干涉装置。
14.一种电子设备，其特征在于，
所述电子设备具有权利要求1～12中的任意一项所述的量子干涉装置。
15.一种移动体，其特征在于，
所述移动体具有权利要求1～12中的任意一项所述的量子干涉装置。
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