CN107241095A - 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

提供量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体。小型且具有优异的振荡特性。本发明的量子干涉装置的特征在于具有：密封有碱金属原子的原子室、射出激励所述原子室内的所述碱金属原子的光的光源、检测透过所述原子室的所述光的光检测部、以及配置在所述光源与所述原子室之间并扩大从所述光源射出的所述光的辐射角的光学元件。

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
一直以来，公知例如基于铷、铯等碱金属的原子的能量转变来进行振荡的振荡器(例如参照非专利文献1)。
非专利文献1的振荡器具有：密封气体状的碱金属的室、射出激励室内的铯的光的VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直腔表面发射激光器)、检测透过室的光的光电二极管以及配置在VCSEL与室之间的隔离件。此外，在非专利文献1的振荡器中，VCSEL、隔离件、室、光电二极管依次排成一列。
现有技术文献
专利文献
非专利文献1：Proceedings of the 39th Annual Precise Time and TimeInterval Meeting(2007)/The Chip-Scale Atomic Clock-Prototype Evaluation
发明内容
此处，在上述那样的振荡器中，为了提高振荡特性，必须在某种程度上增大射入室内的光的直径(宽度)。
但是，在非专利文献1的振荡器中，由于使光以VCSEL的辐射角射入室内，因此，为了使光径大的光射入室内，VCSEL与室之间的距离增大。因此，存在不能使振荡器小型化的问题。
本发明的目的在于提供小型且具有优异的振荡特性的量子干涉装置以及原子振荡器，并且提供具有该量子干涉装置的可靠性优异的电子设备以及移动体。
用于解决课题的手段
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而完成的，能够通过以下的本发明来实现。
本发明的量子干涉装置的特征在于，其具有：原子室，其密封有碱金属原子；光源，其射出激励所述原子室内的所述碱金属原子的光；光检测部，其检测透过所述原子室的所述光；以及光学元件，其配置在所述光源与所述原子室之间，扩大从所述光源射出的所述光的辐射角。
根据这样的量子干涉装置，即使使光源与原子室之间的距离比以往短，也能够使光径大的光射入原子室内，并能够增大碱金属与从光源射出的光相互作用的区域。因此，即使光源与原子室之间的距离缩短，也能够提高光检测部中检测的例如EIT信号的强度，从而能够使量子干涉装置的短期频率特性提高。因此，根据本发明的量子干涉装置，能够实现小型化且发挥优异的振荡特性。
本发明的量子干涉装置中优选为：具有遮光部件，所述遮光部件设在所述光学元件与所述原子室之间，对通过所述光学元件扩大了所述辐射角后的所述光的一部分进行遮光。
由此，例如对作为光的一部分的光的强度低的外周部进行遮光，能够使能量密度的变化小的光射入原子室内。因此，例如通过斯塔克位移，能够缓和EIT信号的线宽增大或EIT信号的形状变为非对称的情况。其结果是能够使振荡特性进一步提高。
本发明的量子干涉装置中优选为：具有设在所述原子室与所述光学元件之间的1/4波长板。
由此，能够增大从光检测部输出的例如EIT信号。其结果是，能够使振荡特性进一步提高。此外，通过在原子室与光学元件之间设置1/4波长板，即使需要在原子室与光学元件之间设置空间，也能够有效利用该空间。
本发明的量子干涉装置中优选为：具有支承所述光源的支承部，所述光源设置在所述支承部与所述光学元件之间。
由此，通过使用支承部作为定位部件，能够容易设定与光学元件和光源的排列方向相交的方向上的光学元件及光源的相对位置关系。因此，能够容易且正确地相对于原子室配置光学元件及光源。
本发明的量子干涉装置中优选为：具有支承所述光源的支承部，所述支承部设置在所述光源与所述光学元件之间。
由此，通过使用支承部作为规定光学元件与光源之间的距离的隔离件，能够容易设定与光学元件和光源的排列方向相交的方向上的光学元件及光源的相对位置关系。因此，能够容易且正确地相对于原子室配置光学元件及光源。
本发明的量子干涉装置中优选为：所述光学元件为凹透镜。
由此，能够以简单的结构扩大辐射角。此外，例如在使用射出指向性高的光的激光器作为光源的情况下，能够保持其指向性并扩大辐射角。因此，能够减小例如EIT信号的线宽，并提高EIT信号的强度，因而能够使振荡特性进一步提高。
本发明的量子干涉装置中优选为：所述光学元件为菲涅尔透镜。
由此，能够使光学元件的厚度更薄，并扩大辐射角。此外，例如，在使用射出指向性高的光的激光器作为光源的情况下，能够保持其指向性并扩大辐射角。因此，能够减小例如EIT信号的线宽，并提高EIT信号的强度，因而，能够使振荡特性进一步提高。
本发明的量子干涉装置中优选为：所述光学元件为光扩散板。
由此，能够使光学元件的厚度更薄，并进一步扩大辐射角。因此，能够使光学元件进一步接近原子室，从而能够使本发明的量子干涉装置更小型。
本发明的量子干涉装置中优选为：所述光源的发光面与所述原子室之间的距离为0.3mm以上2.0mm以下。
由此，能够防止大型化并充分扩大光的辐射角。
本发明的量子干涉装置中优选为：通过所述光学元件扩大了所述辐射角后的所述光的所述辐射角为40°以上，
通过所述光学元件扩大了所述辐射角后的所述光的光谱线宽为100MHz以下。
由此，能够充分增大光与碱金属原子相互作用的区域，并且能够使例如EIT信号的线宽减小。因此，能够使振荡特性进一步提高。
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，能够提供小型且发挥优异的振荡特性的原子振荡器。
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，能够提供具有优异的可靠性的电子设备。
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，能够提供具有优异的可靠性的移动体。
附图说明
图1是示出具有本发明第1实施方式的量子干涉装置的原子振荡器的概要结构图。
图2是用于说明碱金属的能态的图。
图3是示出来自光出射部的两个光的频率差与光检测部中的检测强度的关系的曲线图。
图4是示出图1所示的原子振荡器的概要结构的剖视图。
图5是示出图4所示的光源、光学系统、原子室以及光检测部的示意剖视图。
图6是示意地示出通过图5所示的光学元件扩大的光的截面强度分布的图。
图7是示出具有本发明第2实施方式的量子干涉装置的原子振荡器所具有的光源、光学系统、原子室以及光检测部的示意剖视图。
图8是示出具有本发明第3实施方式的量子干涉装置的原子振荡器所具有的光源、光学系统、原子室以及光检测部的示意剖视图。
图9是示出具有本发明第4实施方式的量子干涉装置的原子振荡器所具有的原子室单元的概要结构的剖视图。
图10是示出具有本发明第5实施方式的量子干涉装置的原子振荡器的概要结构的剖视图。
图11是示出利用GPS卫星的定位系统中使用具有本发明的量子干涉装置的原子振荡器的情况下的概要结构的图。
图12是示出具备具有本发明的量子干涉装置的原子振荡器的移动体(汽车)的结构的立体图。
标号说明
1：原子振荡器；1A：原子振荡器；1B：原子振荡器；1C：原子振荡器；1D：原子振荡器；2：原子室单元；2C：原子室单元；2D：原子室单元；3：封装件；4：光学系统；4A：光学系统；4B：光学系统；5：支承部件；6：控制部；8：支承部件；20：隔离件；21：原子室；22：光出射部；24：光检测部；25：加热器；26：温度传感器；27：线圈；28：基板；29：连接部件；30：粘接剂；31：基体；32：盖体；34：端子；41：光学元件；41A：光学元件；41B：光学元件；42：遮光部件；43：光学部件；44：光学部件；45：遮光部件；51：脚部；52：连结部；53：柱部；61：激励光控制部；62：温度控制部；63：磁场控制部；82：脚部；100：定位系统；200：GPS卫星；201：基板；202：框架部；203：孔；211：主体部；212：透光部；213：透光部；214：贯通孔；221：光源；222：发光面；291：连接部件；292：连接部件；300：基站装置；301：天线；302：接收装置；303：天线；304：发送装置；400：GPS接收装置；401：天线；402：卫星接收部；403：天线；404：基站接收部；421：开口；811：框体；812：片部件；813：片部件；1500：移动体；1501：车体；1502：车轮；L2：距离；LL：激励光；N1：分布；N2：分布；S：内部空间；S1：内部空间；S2：空间；a：光轴；θ1：辐射角；θ2：辐射角；W1：宽度；L1：长度；L2：距离。
具体实施方式
下面，根据附图所示的优选实施方式，对本发明的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体进行详细说明。
1.原子振荡器
首先，对作为一种本发明的量子干涉装置的原子振荡器进行说明。另外，下面说明将本发明的量子干涉装置应用于原子振荡器的例子，但本发明的量子干涉装置不限于此，除了原子振荡器，也能够适用于例如磁传感器、量子存储器等。
<第1实施方式>
图1是示出具有本发明第1实施方式的量子干涉装置的原子振荡器的概要结构图。图2是用于说明碱金属的能态的图。图3是示出来自光出射部的两个光的频率差与光检测部中的检测强度的关系的曲线图。
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21、光出射部22、光学系统4、光检测部24、加热器25、温度传感器26、线圈27、以及控制原子振荡器1的各部的控制部6。
首先，简单地说明原子振荡器1的原理。
如图1所示，在原子振荡器1中，光出射部22向原子室21射出激励光LL，光检测部24检测透过原子室21的激励光LL。
在原子室21内密封有气体状的碱金属(金属原子)，如图2所示，碱金属具有三能级系统的能级，可得到能级不同的两个基态(基态1、2)以及激发态这3种状态。此处，基态1是比基态2低的能量状态。
从光出射部22射出的激励光LL包含频率不同的两种共振光1、2，在将该两种共振光1、2照射于上述那样的气体状的碱金属时，共振光1、2在碱金属中的光吸收率(透光率)随着共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)而变化。
并且，在共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)与相当于基态1与基态2之间的能量差的频率一致时，分别停止从基态1、2激励成激发态。此时，共振光1、2均不被碱金属吸收而透过。这样的现象称作CPT现象或者电磁诱导透明现象(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)。
例如，如果光出射部22固定共振光1的频率ω1而使共振光2的频率ω2变化，则在共振光1的频率ω1与共振光2的频率ω2之差(ω1-ω2)与相当于基态1与基态2之间的能量差的频率ω0一致时，光检测部24的检测强度如图3所示那样伴随着上述EIT现象而陡峭地上升。检测这样的陡峭的信号作为EIT信号。该EIT信号具有由碱金属的种类决定的固有值。因此，能够使用这样的EIT信号来构成振荡器。
以下，对本实施方式的原子振荡器1的各部的结构进行说明。
图4是示出图1所示的原子振荡器的概要结构的剖视图。另外，以下，为了便于说明，将图4中的上侧称为“上”、下侧称为“下”。
如图4所示，原子振荡器1具有：产生前述那样的量子干涉效应的原子室单元2、收纳原子室单元2的封装件3、以及收纳在封装件3内并将相对于封装件3支承原子室单元2的支承部件5。另外，虽未图示，在封装件3内或封装件3外以包围原子室单元2的方式配置有线圈27。此外，封装件3的外侧可以根据需要设置磁屏罩。
以下，说明原子振荡器1的各部。
<原子室单元>
原子室单元2包括：原子室21、具有光源221的光出射部22、光学系统4、光检测部24、加热器25、温度传感器26、作为支承部的基板28、以及连接部件29，并且它们被单元化。具体而言，在基板28的上表面装配有光出射部22、加热器25、温度传感器26以及连接部件29，原子室21和光学系统4由连接部件29保持，并且光检测部24通过粘接剂30与连接部件29接合。
[原子室]
在原子室21内密封有气体状的铷、铯、纳等碱金属。此外，在原子室21内，可以根据需要，与碱金属气体一同密封氩、氖等稀有气体、氮等惰性气体作为缓冲气体。
如图4所示，原子室21具有：具有柱状的贯通孔214的主体部211、以及封闭该贯通孔214的两侧开口的一对透光部212、213。由此，形成密封前述那样的碱金属的内部空间S。
在本实施方式中，贯通孔214呈圆柱状。因此，贯通孔214的横截面(与光轴a垂直的方向上的截面)、即内部空间S的横截面呈圆形。另外，贯通孔214的横截面形状不限于圆形，也可以是楕圆形、四边形等多边形等。
此外，将沿光轴a的方向上的内部空间S的长度设为L1、内部空间S的横截面的宽度设为W1时，L1/W1例如能够设为1以上2以下。长度L1例如能够设为2mm以上7mm以下。宽度W1例如能够设为2mm以上4.5mm以下。
此处，原子室21的各透光部212、213具有对于来自光出射部22的激励光LL(共振光)的透射性。并且，一个透光部212是向原子室21内射入的激励光LL透过的“入射侧透光部”，另一个透光部213是从原子室21内射出的激励光LL透过的“出射侧透光部”。
构成该透光部212、213的材料如果具有前述那样的对于激励光LL的透射性，则没有特别限定，例如可举出玻璃材料、石英等。
此外，构成原子室21的主体部211的材料没有特别限定，可以是硅材料、陶瓷材料、金属材料、树脂材料等，也可以与透光部212、213同样地是玻璃材料、石英等。
并且，各透光部212、213与主体部211气密地接合。由此，能够使原子室21的内部空间S成为气密空间。
原子室21的主体部211与透光部212、213的接合方法根据这些构成材料而确定，没有特别限定，例如可以采用使用粘接剂的接合方法、直接接合法、阳极接合法等。
[光出射部]
光出射部22具有射出激励原子室21中的碱金属原子的激励光LL的光源221。光源221以射出激励光LL的发光面222朝向原子室21侧的方式被基板28支承。
光源221射出前述那样的频率不同的两种光(共振光1和共振光2)作为激励光LL。共振光1的频率ω1可将原子室21中的碱金属从前述的基态1激励(共振)成激励态。此外，共振光2的频率ω2可将原子室21中的碱金属从前述的基态2激励(共振)成激励态。
该光源221如果能像前述那样射出激励光LL，没有特别限定，优选使用例如垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等半导体激光器等的发光元件。具体而言，优选使用光谱线宽为100MHz以下的半导体激光器。通过使用这样的射出指向性高的光的激光器，能够减小从光检测部24输出的EIT信号的线宽。其结果是能够使原子振荡器1的振荡特性提高。
[光学系统]
光学系统4设在光源221与原子室21之间，具有光学元件41、遮光部件42以及光学部件43、44。本实施方式中，从光源221侧向原子室21侧依次配置有光学元件41、遮光部件42、光学部件43以及光学部件44。另外，后面详细说明光学系统4。
[光检测部]
光检测部24具有检测透过原子室21内的激励光LL(共振光1、2)的强度的功能。
该光检测部24如果能够检测上述那样的激励光LL，则没有特别限定，能够使用例如太阳能电池、光电二极管等光检测器(受光元件)。
[加热器]
加热器25具有通过通电来发热的发热电阻体(加热部)。该加热器25是调节原子室21的温度的“温度调节单元(温度调节元件)”。由此，能够使原子室单元2维持在期望的温度，使原子振荡器1的特性优异。
本实施方式中，如前所述，加热器25设在基板28上。并且，来自加热器25的热量经由基板28以及连接部件29传递至原子室21。由此，原子室21(更具体而言是原子室21中的碱金属)被加热，能够使原子室21中的碱金属维持成期望浓度的气体状。此外，本实施方式中，来自加热器25的热量经由基板28还传递至光源221。
该加热器25与原子室21分离。由此，能够抑制由于对加热器25的通电而产生的无用磁场给原子室21内的金属原子带来不利影响。
[温度传感器]
温度传感器26检测加热器25或原子室21的温度。并且，根据该温度传感器26的检测结果，控制上述加热器25的发热量。由此，能够使原子室21内的碱金属原子维持在期望的温度。
本实施方式中，温度传感器26设在基板28上。因此，温度传感器26经由基板28检测加热器25的温度。或者，温度传感器26经由基板28以及连接部件29检测原子室21的温度。
另外，温度传感器26的设置位置不限于此，例如，也可以在连接部件29上，也可以在加热器25上，还可以在原子室21的外表面上。
温度传感器26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。
[连接部件]
连接部件29对加热器25与原子室21的各透光部212、213进行热连接。由此，利用连接部件29的导热，将来自加热器25的热量传递至各透光部212、213，从而能够加热各透光部212、213。此外，能够使加热器25与原子室21分离。因此，能够抑制由于对加热器25的通电而产生的无用磁场给原子室21内的碱金属原子带来不利影响。此外，能够减少加热器25的数量，因此，例如能够减少用于对加热器25通电的布线的数量，其结果是，能够实现原子振荡器1的小型化。
如图4所示，连接部件29由夹着原子室21设置的一对连接部件291、292构成。由此，能够容易进行连接部件29相对于原子室21的设置，并且使热量从连接部件29均匀地传递至原子室21的各透光部212、213。
一对连接部件291、292例如从原子室21的彼此相对的一对侧面的两侧以夹着原子室21的方式嵌合。并且，透光部212、213与连接部件291、292接触并进行热连接。此外，连接部件291、292分别形成为避开激励光LL的通过区域。
这样的连接部件29的构成材料优选使用导热性优异的材料，例如金属材料。此外，与后述的封装件3同样地，连接部件29的构成材料优选使用非磁性的材料，以不妨碍来自线圈27的磁场。
[基板]
基板28具有支承前述的光出射部22、加热器25、温度传感器26以及连接部件29等的功能。此外，基板28具有向连接部件29传递来自加热器25的热量的功能。由此，即使加热器25与连接部件29分离，也能够向连接部件29传递来自加热器25的热量。
此处，基板28对加热器25与连接部件29进行热连接。通过这样地将加热器25和连接部件29装配在基板28上，能够提高加热器25的设置自由度。
此外，光源221装配在基板28上，由此能够利用来自加热器25的热量对基板28上的光源221进行温度调节。
此外，基板28具有与光源221、加热器25、温度传感器26电连接的布线(未图示)。
这样的基板28的构成材料没有特别限定，例如可举出陶瓷材料、金属材料等，能够单独使用它们中的一种或组合使用两种以上。另外，在利用金属材料构成基板28的表面的情况下，能够提高基板28的表面的热的反射率，抑制来自基板28的热辐射。此外，在利用金属材料构成基板28的情况下，出于防止基板28具有的布线短路的目的，可以根据需要，在基板28的表面上设置例如由树脂材料、金属氧化物、金属氮化物等构成的绝缘层。
此外，与后述的封装件3同样地，连接部件28的构成材料优选使用非磁性的材料，以不妨碍来自线圈27的磁场。
另外，根据连接部件29的形状、加热器25的设置位置等，可以省略基板28。在该情况下，将加热器25设置在与连接部件29接触的位置即可。
[封装件]
如图4所示，封装件3具有收纳原子室单元2以及支承部件5的功能。另外，封装件3内可以收纳前述的部件以外的部件。
如图4所示，该封装件3具有板状的基体31(底座部)和有底筒状的盖体32(盖部)，盖体32的开口被基体31封闭。由此，形成收纳原子室单元2以及支承部件5的内部空间S1。此处，盖体32与原子室单元2以及支承部件5分离。即，在盖体32与原子室单元2及支承部件5之间设有空间。由此，该空间作为隔热层发挥功能，能够减少原子室单元2与封装件3的外部之间的热干扰。
基体31经由支承部件5支承原子室单元2。
此外，基体31例如是布线基板，在基体31的下表面设有多个端子34。这些多个端子34经由未图示的布线，分别与前述的光源221及基板28等电连接。
该基体31的构成材料没有特别限定，例如能够使用树脂材料、陶瓷材料等，优选使用陶瓷材料。由此，能够实现构成布线基板的基体31，同时使内部空间S1的气密性优异。
在这样的基体31上接合有盖体32。基体31与盖体32的接合方法没有特别限定，例如能够使用钎焊、缝焊、能量束焊接(激光焊接、电子束焊接等)等。另外，在基体31与盖体32之间可以夹设用于接合它们的接合部件。
此外，基体31与盖体32优选气密地接合。即，封装件3内优选为气密空间。由此，能够使封装件3内成为减压状态，其结果是能够使原子振荡器1的特性提高。
尤其是，封装件3内优选成为减压状态(真空)。由此，能够抑制经由封装件3内的空间的热传递。因此，能够抑制连接部件29与封装件3的外部之间的热干扰。此外，能够更有效地抑制原子室单元2与封装件3的外部之间的热传递。此外，在使用前述的加热器25将原子室21的温度维持在规定温度时，能够减少加热器25的功耗。
这样的盖体32的构成材料没有特别限定，例如能够使用树脂材料、陶瓷材料、金属材料等，但优选使用铁镍钴合金、42合金、不锈钢等金属材料。由此，能够实现具有磁屏蔽性的盖体32，同时使内部空间S1的气密性优异。此外，在将线圈27配置在封装件3的外部的情况下，能够使用SUS304等非磁性材料作为盖体32的构成材料。由此，能够减小内部空间S1的容积，因此，能够使内部空间S1的气密性优异，能够减少加热器25的功耗。
[支承部件]
支承部件5收纳在封装件3内，具有相对于封装件3(更具体而言是构成封装件3的一部分的基体31)支承原子室单元2的功能。
此外，支承部件5具有抑制原子室单元2与封装件3的外部之间的热传递的功能。由此，能够减少原子室单元2的各部与外部之间的热干扰。
如图4所示，该支承部件5具有：竖立设置在基体31的上面侧的多个脚部51、与多个脚部51的上端部连接并具有沿厚度方向贯通的多个孔的板状的连结部52、以及竖立设置在连结部52的上面侧并与基板28连接的多个柱部53。
在这样构成的支承部件5中，来自原子室单元2的热量依次通过柱部53、连结部52以及脚部51向基体31传递。由此，能够延长经由支承部件5A的、从原子室单元2到基体31的热传递路径。因此，能够进一步减少原子室单元2与封装件3的外部之间的热传递。
此外，作为支承部件5的构成材料，如果是导热性比较低且能确保支承部件5支承原子室单元2的刚性的材料，则没有特别限定，优选使用例如树脂材料、陶瓷材料等非金属，更优选使用树脂材料。在主要利用树脂材料构成支承部件5的情况下，能够提高支承部件5的热阻，而且，即使支承部件5的形状复杂，例如使用注塑成型等公知方法，也能够容易制造支承部件5。尤其是，在主要利用树脂材料构成支承部件5的情况下，能够容易形成由热阻大的发泡体构成的支承部件5。
此外，支承部件5的构成材料优选使用非磁性的材料，以不妨碍来自线圈27的磁场。
根据这样的支承部件5，由于配置在原子室单元2与基体31之间，能够减少原子室单元2与外部之间的热传递，高精度地进行原子室21、光源221等的温度控制。
[线圈]
图1所示的线圈27具有向原子室21内的碱金属施加磁场的功能。由此，通过塞曼分裂，扩大原子室21内的碱金属原子退化的不同能级间的能隙，能够提高分辨率。其结果是能够提高原子振荡器1的振荡频率的精度。
在本实施方式中，线圈27由以构成螺线管型的方式卷绕地设置于原子室21的外周的线圈构成。另外，线圈27也可以由以构成亥姆霍兹型的方式隔着原子室21相对设置的一对线圈构成。
此外，线圈27产生的磁场可以是直流磁场或交流磁场中的任意一种磁场，也可以是叠加直流磁场和交流磁场而成的磁场。
[控制部]
图1所示的控制部6具有分别控制加热器25、线圈27以及光出射部22的功能。
这样的控制部6具有：控制光源221的共振光1、2的频率的激励光控制部61、控制原子室21中的碱金属的温度的温度控制部62、以及控制对原子室21施加的磁场的磁场控制部63。
激励光控制部61根据前述的光检测部24的检测结果，控制从光源221射出的共振光1、2的频率。更具体而言，激励光控制部61控制从光源221射出的共振光1、2的频率，使得频率差(ω1-ω2)成为前述的碱金属固有的频率ω0。此外，激励光控制部61控制从光出射部22射出的共振光1、2的中心频率。
此处，激励光控制部61具有未图示的压控型石英振荡器(振荡电路)，根据光检测部24的检测结果，对该压控型石英振荡器的振荡频率进行同步/调整，同时输出该压控型石英振荡器的输出信号作为原子振荡器1的输出信号。
例如，激励光控制部61具有未图示的、对来自该压控型石英振荡器的输出信号进行倍频的倍增器，使通过该倍增器倍增的信号(高频信号)与直流偏置电流重叠而作为驱动信号输入至光源221。由此，通过以使光检测部24检测出EIT信号的方式控制压控型石英振荡器，从压控型石英振荡器输出期望频率的信号。例如，当来自原子振荡器1的输出信号的期望频率设为f时，该倍增器的倍频率为ω0/(2×f)。由此，当压控型石英振荡器的振荡频率为f时，使用来自倍增器的信号调制由半导体激光器等发光元件构成的光源221，能够射出频率差(ω1-ω2)为ω0的两个光。
此外，温度控制部62根据温度传感器26的检测结果，控制对加热器25的通电。由此，能够将原子室21维持在期望的温度范围内。
此外，磁场控制部63控制对线圈27的通电，使得线圈27产生的磁场恒定。
这样的控制部6例如设置在IC芯片内，IC芯片安装在装配封装部3的基板上。另外，控制部6也可以设在封装件3内(例如基体31上)。
以上对原子振荡器1的概要进行了说明。
接下来，参照图5和图6，对光学系统4进行详述。
图5是示出图4所示的光源、光学系统、原子室以及光检测部的示意剖视图。图6是示意地示出通过图5所示的光学元件扩大的光的截面强度分布的图。另外，以下，为了便于说明，将图5中的上侧称为“上”、下侧称为“下”。
[光学系统]
如图5所示，光学系统4设置在光源221与原子室21之间的激励光LL的光路上。如上所述，该光学系统4具有光学元件41、遮光部件42以及光学部件43、44。
(光学元件)
图5所示的光学元件41为凹透镜。
此处，从光源221射出的激励光LL以规定的辐射角θ1扩散地射出。为了扩大该激励光LL的辐射角θ1，设置有光学元件41。即，光学元件41具有将从光源221射出的激励光LL的辐射角θ1扩大为比其大的辐射角θ2的功能。由此，能够增大射入原子室21的激励光LL的光径。因此，在原子室21内，能够增大碱金属与激励光LL相互作用的区域，从而能够提高光检测部24检测的EIT信号的强度。其结果是，能够使短期频率特性提高，从而能够使振荡特性提高。此处，所述“辐射角”表示激励光LL的、以激励光LL的直径的光轴a为中心轴的扩展角度。所述“激励光LL的径”表示激励光LL的截面强度分布中的光强度为峰值的1/e2的位置的直径(宽度)。
此外，在本实施方式中，由于使用凹透镜作为光学元件41，能够以简单的结构将辐射角θ扩大为比其大的辐射角θ2。此外，通过使用凹透镜，例如在使用半导体激光器等射出指向性高的光的激光器作为光源221的情况下，能够保持其指向性并扩大辐射角θ1。因此，能够减小EIT信号的线宽，并提高EIT信号的强度。其结果是，能够使短期频率特性提高，从而能够使振荡特性进一步提高。另外，本实施方式中，光学元件41的透镜光学能力构成为在x轴方向与y轴方向上相同，但也可以在x轴方向与y轴方向上不同。
具体地，在本实施方式中，光学元件41优选使用非球面的凹透镜。由此，能够减小球面像差，其结果是，能够进一步减小EIT信号的线宽。
此外，光学元件41优选构成为使得θ2/θ1为2以上，更优选构成为3以上9以下，进一步优选构成为4.5以上6.0以下。由此，能够以比较简单的结构使光径足够大的激励光LL射入原子室21内。
具体而言，辐射角θ2优选为40°以上，更优选为60°以上180°以下，进一步优选为90°以上120°以下。由此，能够以比较简单的结构使光径足够大的激励光LL射入原子室21内。此外，基于同样的观点，原子室21的入射面即透光部212的外表面上的激励光LL的光束直径优选为小于宽度W1，且原子室21的出射面即透光部213的外表面上的激励光LL的光束直径优选为大于宽度W1。另外，原子室21的入射面即透光部212的外表面上的激励光LL的光束直径优选为大于宽度W1，且原子室21的出射面即透光部213的外表面上的激励光LL的光束直径优选为大于宽度W1。另外，所述“激励光LL的光束直径”是通过光学元件41扩大为辐射角θ2的激励光LL，是没有后述的遮光部件42的情况下的光束直径(光束直径)。此外，辐射角θ1取决于光源221的结构等，例如在使用VCSEL的情况下，辐射角θ1为20°左右。
这样的光学元件41的构成材料如果是具有透过激励光LL的功能的材料，则没有特别限定，例如能够使用树脂材料、玻璃材料等。另外，在本实施方式中，以凹透镜的凹面朝向原子室21侧的方式进行配置，但也可以以凹面朝向光源221侧的方式进行配置。此外，也可以使用具有两个凹面的双凹透镜等。
此外，光学元件41的厚度没有特别限定，例如为0.5mm以上2mm以下。如果是这样的厚度，则能够防止光源221与原子室21之间的距离L2过大，能够充分扩大激励光LL的辐射角θ1。
(遮光部件)
遮光部件42是具有遮光性的膜状的部件，设置在光学部件43的光学元件41侧的面上。
遮光部件42具有使激励光LL的一部分通过的开口421，除了开口421的部分具有遮光性。开口421在从光源221侧观察时呈圆形，遮光部件42以激励光LL的中央部通过开口421的方式配置。由此，通过光学元件41扩大的激励光LL的一部分即中央部通过开口421，激励光LL的剩余部分即外周部被遮光部件42遮挡。由此，通过遮光部件42调节激励光LL的光径。
此处，如图6所示，在本实施方式中，激励光LL的截面强度分布呈高斯分布。在图6中，虚线表示的分布N2示出从光源221射出的激励光LL的截面强度分布，实线表示的分布N1示出通过光学元件41扩大的激励光LL的截面强度分布。此外，在图6中，横轴表示以0(零)作为光轴a的激励光LL的直径(宽度)，纵轴表示以峰值强度(顶点)为1进行标准化的光强度。
从图6可以明确，根据前述的光学元件41，激励光LL扩大，激励光LL的光径增大。此外，激励光LL的中央部与激励光LL的外周部相比，能量密度的变化小。并且，观察分布N2可以明确，利用光学元件41扩大激励光LL的光径，由此能够进一步减小激励光LL的中央部的能量密度的变化。因此，具有：光学元件41，其扩大激励光LL；以及遮光部件42，其设置在光学元件41与原子室21之间，对通过光学元件41扩大的激励光LL的一部分即光强度低的外周部进行遮挡。由此，能够使能量密度的变化小的激励光LL射入原子室21内。因此，通过斯塔克位移(Stark shift)，能够缓和EIT信号的线宽增大、EIT信号的形状非对称的情况。
此外，如果除了开口421之外的部分具有遮光性，则遮光部件42的构成材料没有特别限定，例如能够使用树脂材料、金属材料等。此外，遮光部件42能够使用公知的成膜法形成在光学部件43上。
此外，遮光部件42优选具有吸收激励光LL的功能。由此，利用不射入原子室21内的激励光LL，能够减少对所检测的EIT信号产生不利影响。为了对遮光部件42赋予吸收激励光LL的功能，例如可以举出使遮光部件42成为黑色或暗色。
此外，遮光部件42的开口421的直径(宽度)优选为小于原子室21的内壁面的宽度W1。由此，能够防止或减少激励光LL在原子室21内碰到主体部211。其结果是，能够减小EIT信号的线宽。
(光学部件)
光学部件43是减光滤光器(ND滤光器)。由此，能够调整(减少)射入原子室21的光LL的强度。因此，即使在光源221的输出大的情况下，也能够使射入原子室21的激励光LL成为期望的光量。
光学部件44为1/4波长板。由此，能够将来自光源221的激励光LL从直线偏振转换为圆偏振(右圆偏振或左圆偏振)。通过使用圆偏振的激励光LL，能够使显现期望的EIT现象的原子数增大，增大期望的EIT信号的强度。其结果是，能够使原子振荡器1的振荡特性提高。
此外，在配置1/4波长板即光学部件44、前述的减光滤光器即光学部件44等光学部件的情况下，如本实施方式那样，优选设置在原子室21与光学元件41之间。由此，通过在原子室21与光学元件41之间设置作为1/4波长板的光学部件44，即使需要在原子室21与光学元件41之间设置空间，也能够有效利用该空间。
另外，除了光学元件41、遮光部件42、光学部件43、44，光学系统4还可以具有除此以外的透镜、偏振板等其他光学部件。此外，根据来自光源221的激励光LL的强度的不同，可省略光学部件43。
如上所述，以上说明的作为一种本发明的量子干涉装置中的原子振荡器1具有：密封有碱金属原子的原子室21、射出激励原子室21内的碱金属原子的激励光LL的光源221、检测透过原子室21的激励光LL的光检测部24、以及光学元件41。并且，光学元件41配置在光源221与原子室21之间，具有扩大从光源221射出的激励光LL的辐射角θ1的功能。根据这样的原子振荡器1，利用光学元件41，能够将辐射角θ1的激励光LL扩大为比辐射角θ1大的辐射角θ2，因此，即使使光源221与原子室21之间的距离比以往短，也能使光径大的激励光LL射入原子室21内。因此，能够增大碱金属与激励光LL相互作用的区域，能够提高光检测部24检测的EIT信号的强度。其结果是，即使使光源221与原子室21之间的距离比以往短，也能提高短期频率特性。因此，根据原子振荡器1，能够实现小型化，发挥优异的振荡特性。
为了显著地发挥这样的效果，在设光源221的发光面222与原子室21之间的距离为L2时，L2/L1优选为0.03以上2.0以下，进一步优选为0.03以上1.0以下。此外，具体而言，距离L2优选为0.3mm以上2.0mm以下，更优选为0.3mm以上1.8mm以下，进一步优选为0.3mm以上1.6mm以下。由此，能够防止原子振荡器1大型化，充分扩大激励光LL的辐射角θ1。
此外，如上所述，通过光学元件41扩大的激励光LL的辐射角θ2优选为40°以上。此外，从光源221射出的激励光LL、即通过光学元件41扩大的激励光LL的光谱线宽优选为100MHz以下。通过具有这样的辐射角θ2和光谱线宽度，能够增大通过光学元件41扩大的激励光LL与碱金属原子相互作用的区域，并且能够减小EIT信号的线宽。因此，能够使振荡特性进一步提高。
此外，如上所述，在本实施方式中，具有支承光源221的基板28，在基板28的设有光源221的一侧设有光学元件41。即，在作为支承部的基板28与光学元件41之间设有光源221。由此，能够使用基板28作为设定光源221及光学元件41的彼此相对位置的定位部件。因此，能够容易进行光轴a方向(与光学元件41和光源221的排列方向相交的方向)上的光学元件41和光源221的定位。其结果是，能够容易且正确地相对于原子室21配置光学元件41及光源221。
<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是示出具有本发明第2实施方式的量子干涉装置的原子振荡器所具有的光源、光学系统、原子室以及光检测部的示意剖视图。另外，以下为了便于说明，将图7中的上侧称为“上”、下侧称为“下”。
除了光学元件不同以外，本实施方式的原子振荡器与前述的第1实施方式相同。
另外，在以下的说明中，关于第2实施方式，以与前述的实施方式的区别点为中心进行说明，对于同样的事项，省略其说明。此外，图7中，对于与前述的实施方式同样的结构，标注同一标号。
如图7所示，本实施方式的原子振荡器1A具有的光学系统4A具有作为菲涅尔透镜的光学元件41A、遮光部件42以及光学部件43、44。
光学元件41A为菲涅尔透镜，由此，能够使光学元件41A的厚度更薄，并且能够扩大激励光LL的辐射角θ1。因此，能够使原子振荡器1A更小型化。此外，在例如使用半导体激光器等射出指向性高的光的激光器作为光源221的情况下，能够保持其指向性并扩大辐射角θ1。因此，能够减小EIT信号的线宽，并提高EIT信号的强度。其结果是，能够使短期频率特性提高，能够使振荡特性进一步提高。
利用这样的原子振荡器1A，也能够与第1实施方式同样地实现小型化，发挥优异的振荡特性。
<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是示出具有本发明第3实施方式的量子干涉装置的原子振荡器所具有的光源、光学系统、原子室以及光检测部的示意剖视图。另外，以下为了便于说明，将图8中的上侧称为“上”、下侧称为“下”。
除了光学元件不同以外，本实施方式的原子振荡器与前述的第1实施方式相同。
另外，在以下的说明中，关于第3实施方式，以与前述的实施方式的区别点为中心进行说明，对于同样的事项，省略其说明。此外，在图8中，对于与前述的实施方式同样的结构，标注同一标号。
如图8所示，本实施方式的原子振荡器1B具有的光学系统4B具有作为光扩散板的光学元件41B、遮光部件42以及光学部件43、44。
此处，光扩散板是对具有透光性的部件赋予使激励光LL扩散的功能而得到的板状部件。另外，光扩散板不限于板状，可以是片状或膜状等。
光学元件41B为光扩散板，由此，能够使光学元件41B的厚度更薄，并且能够扩大激励光LL的辐射角θ1。因此，能够使光学元件41B更接近原子室21。因此，能够使原子振荡器1B更小型化。
此外，尤其是，在光扩散板中，优选使用透镜扩散板(LSD：Light ShapingDiffuser)作为光学元件41B。在透镜扩散板的表面上形成有微小且随机的透镜阵列，能够自由地设计辐射角θ2。由此，能够使辐射角θ2成为90°以上，或者使激励光LL的直径(宽度)大于原子室21的内部空间S的宽度W1。因此，能够使能量密度的变化更小的激励光LL射入原子室21内。
根据这样的原子振荡器1B，也能够与第1实施方式同样地实现小型化，发挥优异的振荡特性。
<第4实施方式>
接下来，对本发明的第4实施方式进行说明。
图9是示出具有本发明第4实施方式的量子干涉装置的原子振荡器所具有的原子室单元的概要结构的剖视图。另外，以下为了便于说明，将图9中的上侧称为“上”、下侧称为“下”。
除了还设置有遮光部件以外，本实施方式的原子振荡器与前述的第1实施方式相同。
在以下的说明中，关于第4实施方式，以与前述的实施方式的区别点为中心进行说明，对于同样的事项，省略其说明。此外，在图9中，对于与前述的实施方式相同的结构，标注同一标号。
如图9所示，本实施方式的原子振荡器1C具有的原子室单元2C具有遮光部件45。
遮光部件45设置在原子室21具有的主体部211的外表面。此外，遮光部件45还设置在原子室21具有的透光部213的外表面中除了激励光LL的通过区域的部分。
遮光部件45与遮光部件42同样地呈膜状。此外，如果是具有遮光性的材料，则遮光部件45的构成材料没有特别限定，例如能够使用树脂材料、金属材料等。此外，遮光部件45能够使用公知的成膜法形成在主体部211及透光部213上。此外，遮光部件45优选具有吸收激励光LL的功能。由此，能够减少射入原子室21内的激励光LL中的无用的激励光LL对EIT信号产生不利影响。为了对遮光部件45赋予吸收激励光LL的功能，例如可举出使遮光部件45成为黑色或暗色。
通过具有这样的遮光部件45，能够减少射入原子室21内的激励光LL中无用的激励光LL对EIT信号产生不利影响。其结果是，能够减小EIT信号的线宽。另外，在本实施方式中，省略了第1实施方式中的遮光部件42，但也可以与第1实施方式同样地具有遮光部件42。
根据这样的原子振荡器1C，也能够与第1实施方式同样地实现小型化，发挥优异的振荡特性。
<第5实施方式>
接下来，对本发明的第5实施方式进行说明。
图10是示出具有本发明第5实施方式的量子干涉装置的原子振荡器的概要结构的剖视图。另外，以下为了便于说明，将图10中的上侧称为“上”、下侧称为“下”。
除了原子室单元及支承部件的结构不同以外，本实施方式的原子振荡器与前述的第1实施方式相同。
另外，在以下的说明中，关于第5实施方式，以与前述的实施方式的区别点为中心进行说明，对于同样的事项，省略其说明。此外，图10中，对于与前述的实施方式同样的结构，标注同一标号。
如图10所示，本实施方式的原子振荡器1D具有封装件3、原子室单元2D、以及相对于封装件3支承原子室单元2D的支承部件8。
<原子室单元>
原子室单元2D包括：原子室21、具有光源221的光出射部22、光学系统4、光检测部24、以及隔离件20，并且它们被单元化。另外，虽然未图示，但在原子室单元2D的任意位置例如隔离件20上设有加热器和温度传感器。
[隔离件]
隔离件20具有：作为支承部的基板201、以及竖立设置在基板201的外周部的框架部202。此外，在框架部202的上端部设有光学系统4具有的遮光部件42和光学部件43、44。通过这样地使遮光部件42和光学部件43、44遮挡隔离件20的上方，形成空间S2。在该空间S2中配置有光学元件41。
此外，在光学部件44上连接有原子室21，在原子室21的上表面通过未图示的粘接材料连接有光检测部24。
此外，基板201在其中央部具有沿厚度方向贯通的孔203。
在基板201的下表面以封堵孔203的下侧的开口的方式设有光源221。光源221以发光面222朝向基板201侧的方式安装在基板201上。由此，激励光LL通过孔203向原子室21射出。
另一方面，在基板201的上表面以封堵孔203的上侧的开口的方式安装有光学元件41。
由此，在基板201的上表面配置有光学元件41，在基板201的下表面配置有光源221。即，基板201设在光源221与光学元件41之间，作为支承光源221及光学元件41的支承部发挥功能。由此，能够使用基板201作为设定光学元件41与光源221之间的距离的隔离件。因此，能够容易设定光学元件41与光源221的排列方向上的光学元件41和光源221的相对位置关系。其结果是，能够容易且正确地相对于原子室21配置光学元件41及光源221。
此外，基板201具有与光源221电连接的布线(未图示)。
<支承部件>
支承部件8具有框体811、两个片部件812、813、以及脚部82。
框体811呈筒状，相对于原子室单元2分离地设置，包围原子室单元2的外周。
多个片部件812、813分别为例如挠性布线基板。片部件812的中央部与光源221连接，外周部与框体811连接。另一方面，片部件813的中央部与光检测部24连接，外周部与框体811连接。
多个脚部82与框体811的下端部连接，相对于基体31支承框体811。
此外，光源221与片部件812电连接，光检测部24与片部件813电连接。此外，片部件812、813经由未图示的布线与基体31电连接。
根据这样的原子振荡器1D，也能够与第1实施方式同样地实现小型化，发挥优异的振荡特性。
另外，在原子振荡器1D中，对在基板201的上表面配置光学元件41的结构进行了说明，但是光学元件41与基板201也可以用同一材料形成为一体。
2.电子设备
以上说明的具有本发明的量子干涉装置的原子振荡器能够装配在各种电子设备中。
以下，对具有具备本发明的量子干涉装置的原子振荡器的电子设备的一例进行说明。
图11是示出在利用GPS卫星的定位系统中使用具有本发明的量子干涉装置的原子振荡器的情况下的概要结构的图。
图11所示的定位系统100由GPS卫星200、基站装置300、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具有：接收装置302，其例如通过设置在电子基准点(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，其通过天线303发送该接收装置302接收到的定位信息。
此处，接收装置302是具有前述的本发明的原子振荡器1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，接收装置302接收到的定位信息通过发送装置304实时发送。
GPS接收装置400具有：卫星接收部402，其通过天线401接收来自GPS卫星200的定位信息；以及基站接收部404，其通过天线403接收来自基站装置300的定位信息。
作为这样的电子设备的一例的接收装置302具有具备本发明的量子干涉装置的原子振荡器1，因此，能够发挥优异的可靠性。
另外，本发明的电子设备不限于前述的电子设备，例如能够适用于智能手机、平板终端、钟表、移动电话、数字静态相机、喷墨式喷射装置(例如喷墨式打印机)、个人计算机(移动型个人计算机、膝上型个人计算机)、电视机、摄像机、录像机、车载导航装置、寻呼机、电子记事本(也包括附带通信功能)、电子辞典、计算器、电子游戏设备、文字处理器、工作站、视频电话、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、血糖仪、心电图测量装置、超声波诊断装置、电子内窥镜)、鱼群探测器、各种测定设备、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、移动电话基站等。
3.移动体
此外，前述那样的具有本发明的量子干涉装置的原子振荡器能够装配在各种移动体中。
以下，对本发明的移动体的一例进行说明。
图12是示出具备具有本发明的量子干涉装置的原子振荡器的移动体(汽车)的结构的立体图。
图12所示的移动体1500构成为具有车体1501和4个车轮1502，通过设置于车体1501的未图示的动力源(发动机)使车轮1502旋转。在这样的移动体1500中内置有原子振荡器1。并且，例如未图示的控制部根据来自原子振荡器1的振荡信号来控制动力源的驱动。
这样的移动体具有具备本发明的量子干涉装置的原子振荡器1，因此能够发挥优异的可靠性。
以上，根据图示的实施方式，对本发明的量子干涉装置、原子振荡器、电子设备以及移动体进行了说明，但本发明并不限于此，例如前述的实施方式的各部的结构可以替换为发挥同样功能的任意结构，而且也可以增加任意结构。
此外，在前述的实施方式中，本发明的量子干涉装置以利用电磁诱导透明现象(EIT)的原子振荡器为例进行了说明，但本发明的量子干涉装置不限于此，也能够适用于例如使用双重共振法的原子振荡器、石英振荡器以外的振荡器等。

Claims (13)

1.一种量子干涉装置，其特征在于，所述量子干涉装置具有：
原子室，其密封有碱金属原子；
光源，其射出激励所述原子室内的所述碱金属原子的光；
光检测部，其检测透过所述原子室的所述光；以及
光学元件，其配置在所述光源与所述原子室之间，扩大从所述光源射出的所述光的辐射角。
2.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其特征在于，
所述量子干涉装置具有遮光部件，所述遮光部件设在所述光学元件与所述原子室之间，对通过所述光学元件扩大了所述辐射角后的所述光的一部分进行遮挡。
3.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其特征在于，
所述量子干涉装置具有设在所述原子室与所述光学元件之间的1/4波长板。
4.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其特征在于，
所述量子干涉装置具有支承所述光源的支承部，
所述光源设置在所述支承部与所述光学元件之间。
5.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其特征在于，
所述量子干涉装置具有支承所述光源的支承部，
所述支承部设置在所述光源与所述光学元件之间。
6.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其特征在于，
所述光学元件为凹透镜。
7.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其特征在于，
所述光学元件为菲涅尔透镜。
8.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其特征在于，
所述光学元件为光扩散板。
9.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其特征在于，
所述光源的发光面与所述原子室之间的距离为0.3mm以上2.0mm以下。
10.根据权利要求1或2所述的量子干涉装置，其特征在于，
通过所述光学元件扩大了所述辐射角后的所述光的所述辐射角为40°以上，
通过所述光学元件扩大了所述辐射角后的所述光的光谱线宽为100MHz以下。
11.一种原子振荡器，其特征在于，所述原子振荡器具有权利要求1至10中的任意一项所述的量子干涉装置。
12.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备具有权利要求1至10中的任意一项所述的量子干涉装置。
13.一种移动体，其特征在于，所述移动体具有权利要求1至10中的任意一项所述的量子干涉装置。
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