JP2010206160A - 量子干渉装置、原子発振器、および磁気センサー - Google Patents

Abstract

【課題】ドップラー拡がりによる光共鳴波長分布を持つ原子集団に対しＥＩＴ現象を効率
よく発生させる原子発振器を提供する。
【解決手段】各共鳴光を出射するＬＤ２と、ＬＤ２の中心波長を発生する中心波長発生手
段１と、二つの異なる基底状態のエネルギー差（ΔＥ１２）に相当する周波数の１／２の
周波数を発振する発振器９と、ドップラー拡がりに対して十分小さい周波数を発振する発
振器１０と、電気信号によりＬＤ２から出射された共鳴光１１に周波数変調を与えるＥＯ
Ｍ（電気光学変調素子）３、４と、ＥＯＭ４により変調された光１２の波長により光の吸
収量を変化させる、気体状アルカリ金属（セシウム）原子を封入したガスセル５と、ガス
セル５から透過する光１３を検出する光検出器（光検出手段）６と、光検出器６の出力に
基づきガスセル５のＥＩＴ状態を検出して出力電圧を制御する周波数制御手段７と、を備
えて構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、量子干渉装置、原子発振器、および磁気センサーに関し、さらに詳しくは、
ＥＩＴ現象を効率良く発生させるための技術に関するものである。

電磁誘起透過方式（ＥＩＴ方式、ＣＰＴ方式と呼ばれることもある）による原子発振器
は、アルカリ金属原子に波長の異なる二つの共鳴光を同時に照射すると、二つの共鳴光の
吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。図２４（ａ）は一つのアル
カリ金属原子のエネルギー状態を示したものである。第１基底準位２３と励起準位２１と
のエネルギー差に相当する波長を有する第１共鳴光、あるいは第２基底準位２４と励起準
位２１とのエネルギー差に相当する波長を有する第２共鳴光を、それぞれ単独でアルカリ
金属原子に照射すると、良く知られているように光吸収が起きる。ところが、このアルカ
リ金属原子に第１共鳴光と第２共鳴光を同時に照射し、同時に照射される第１共鳴光と第
２共鳴光の周波数差が正確に第１基底準位２３と第２基底準位２４のエネルギー差（ΔＥ
１２）に一致すると、図２４（ａ）の系は２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干
渉状態になり、励起準位２１への励起が停止し透明化（ＥＩＴ）現象が起きる。この現象
を利用し、第１共鳴光と第２共鳴光との波長差がΔＥ１２からずれた時の光吸収挙動の急
峻な変化を信号として検出、制御することで、高精度な発振器をつくることができる。ま
た、ΔＥ１２は外部磁気の強さやゆらぎで敏感に変化するので、ＥＩＴ現象を利用して高
感度な磁気センサーをつくることもできる。

ところで、ＥＩＴ現象による光出力信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上させるには、
共鳴光と相互作用するアルカリ金属の原子数を増やしてやればよい。例えば、特許文献１
では、原子発振器の出力信号のＳ／Ｎを良くすることを目的として、気体状のアルカリ金
属原子を閉じ込めたセルの厚みを大きくしたり、或いはセルに入射するレーザー光のビー
ム径を大きくするといった方法が開示されている。いずれの方法も、アルカリ金属原子が
共鳴光に接触する領域を広くするために、図２４（ｂ）或いは図２４（ｃ）のようにセル
の厚みか高さを大きくしている。ここで使用されているレーザー光については、ＥＩＴ現
象の発現条件を満たす２種類の波長のレーザー光を一対のみ用いている。
また、特許文献２では、（１）ＥＩＴ（ＣＰＴ）方式原子発振器の感度向上に関する技
術が開示されている。すなわち、光源としてＤ１線を使うことを特徴とする。従来のＤ２
線の場合より理論上ＥＩＴ（ＣＰＴ）信号強度を向上できる。これにより、感度・周波数
安定度が向上する。（２）尚、４光波光源を用い、２つにエネルギー分裂しているＰ１／
２励起準位（超微細構造）を同時に２重Λ型遷移で相互作用させることで、更に信号強度
が改善されるとしているが、ここで開示されている技術は４光波混合に関するものであり
、本発明の関る技術分野の範囲外である。

特開２００４−９６４１０公報 ＵＳＰ６３５９９１６

セル内の気体状のアルカリ金属原子の集団を構成する個々の原子に着目すると、それぞ
れの運動状態に応じた一定の速度分布を持っている。この原子集団に対して入射されるレ
ーザー光の波長が２種類（一対）のみだと、原子の運動によるドップラー効果（ドップラ
ーシフト）の影響で、実際に相互作用できるのは、セル内の多数の原子の内、レーザー入
射方向に対する特定の速度成分の値を持ったごく一部の原子に限られてしまい、ＥＩＴ発
現に寄与する原子の割合が極めて低い。特許文献１に開示されている従来技術は、このよ
うなＥＩＴ発現効率が低い状態で構成された原子発振器であるので、信号対雑音比（Ｓ／
Ｎ）の大きい所望の吸収スペクトルを得るには、セルの厚みか或いは高さの何れかを大き
くしなければならず、信号対雑音比を維持しながら小型化することは困難であるという課
題があった。つまり、セル内の単位体積あたりでＥＩＴ現象に寄与する原子数に変わりは
ないままである。また、特許文献２−（１）に開示されている技術についても課題は同様
である。

即ち、特許文献１、２−（１）は、いずれも２光波のみしか使わない。セル内のアルカ
リ原子は速度分布を持っており、これに伴うエネルギーのドップラー拡がりが存在する。
そのために、２光波のみのΛ型遷移ではごく一部の原子としか相互作用しないので単位体
積当りのＥＩＴ発現収率が極端に悪い。従って、ＥＩＴ信号強度が弱いという問題点があ
る。
実在するアルカリ原子の励起準位は超微細構造をもち、図２０に示したようなお互いに
異なるエネルギーをもつ準位に分裂している。従ってアルカリ原子を対象としたＥＩＴ現
象は、図２４（ａ）に示した単純なΛ型３準位系で説明できないため、実際にＥＩＴを効
率よく発生させる為には、このような多準位を考慮する必要がある。しかし、これまで多
準位の存在と前述の原子速度分布に伴うエネルギーのドップラー拡がりとの関係を考慮し
た検討が十分なされていないという問題点があった。
特に本発明のように、複数の共鳴光対を用いる場合、励起準位のエネルギー状態を考慮
して光源（レーザー）の中心周波数を決定したり、レーザーの変調条件を決定することは
、ＥＩＴ現象を用いた量子干渉デバイスの駆動条件の最適化といった観点から重要である
。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、波長が異なる複数の共鳴光対を生
成することにより、セル内のより多くの気体状のアルカリ金属原子に対してＥＩＴ現象を
効率よく発生させる量子干渉装置を提供し、これを利用することで小型の原子発振器、磁
気センサーあるいは量子干渉センサーを提供することを目的とする。

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
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］少なくとも、気体状のアルカリ金属原子と、該アルカリ金属原子の２つの
基底状態間のエネルギー差に相当する周波数差を保持した異なる周波数の共鳴光対を発生
させるための光源と、を備え、前記アルカリ金属原子と前記共鳴光対を相互作用させて電
磁誘起透過現象（ＥＩＴ）を発生させる量子干渉装置であって、前記共鳴光対の数が複数
対であり、それぞれの共鳴光対の中心周波数は互いに異なることを特徴とする。

本発明の量子干渉装置の特徴は、励起レーザー光対の数を２対以上の複数対にして、そ
れぞれのレーザー光対の中心周波数が互いに異なるように構成した点である。これにより
、単位体積あたり、より多くの気体状のアルカリ金属原子に対してＥＩＴ現象を発生させ
ることができる。

［適用例２］前記アルカリ金属原子と相互作用させる共鳴光対を直線偏光としたことを
特徴とする。

光源から出射される共鳴光対は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクトルの先端が直
線を描く場合、その光は直線偏光と呼ばれる。従って、光源から出射する共鳴光対は偏光
をかけなければ直線偏光となる。また、光の偏光状態は直交した二つの直線偏光の重ね合
わせとして考えることができる。これにより、光源からの共鳴光は元々直線偏光のため、
偏光する手段が不必要であるため、光源の構成が単純化できる。

［適用例３］前記アルカリ金属原子と相互作用させる前記共鳴光対を円偏光としたこと
を特徴とする。

光源から出射される共鳴光対は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクトルの先端が円
を描く場合、その光は円偏光と呼ばれる。共鳴光対を円偏光に変換すると、波長λ０の光
透過強度が通常の約６倍に増大することが実験的に確認されている。これにより、ＥＩＴ
現象による光出力信号のＳ／Ｎを向上させることができる。

［適用例４］前記アルカリ金属原子と相互作用させる前記共鳴光対を楕円偏光としたこ
とを特徴とする。

光源から出射される共鳴光対は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクトルの先端が楕
円を描く場合、その光は楕円偏光と呼ばれる。共鳴光対の光路上に光路と直交するように
波長板を置いてその面を回転させると、偏光状態が変化して直交偏光と円偏光の間に連続
的に変化する楕円偏光が存在することが分かる。従って、楕円偏光であってもＥＩＴ現象
による光出力信号のＳ／Ｎを向上させることができる。

［適用例５］前記光源と前記アルカリ金属原子を封入したセルとの間の光路上に波長板
を設けたことを特徴とする。

波長板とは、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる複屈折素子のことである。位
相差π（１８０°）を生じるものをλ／２板または半波長板と呼び、直線偏光の偏光方向
を変えるために用いる。位相差π／２（９０°）を生じるものをλ／４板または四分の一
波長板と呼び、直線偏光を円偏光（楕円偏光）に変換、また逆に円偏光（楕円偏光）を直
線偏光に変換するために用いる。本発明では、直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変える必
要があるため、λ／４板が使用され、光源から出射した直線偏光の共鳴光対を波長板によ
り円偏光又は楕円偏光に変えて、ガスセルに入射させる必要がある。これにより、簡単な
構成でＥＩＴ現象による光出力信号のＳ／Ｎを向上させることができる。

［適用例６］前記複数の共鳴光対が電磁誘起透過現象の発現条件を満たしており、それ
ぞれの共鳴光対の光強度が、ＥＩＴ信号強度が線形に増大する領域の最大値Ｐ０近傍であ
ることを特徴とする。

このような複数の共鳴光対の光強度分布にすると、光利用効率を高めることができる。

［適用例７］前記複数の共鳴光対の強度分布が、それぞれの対の中心周波数に対してガ
ウス分布になっており、かつ最大の光強度に対応する共鳴光対が、該光方向の速度成分が
０近傍である前記アルカリ金属の原子集団に対応する電磁誘起透過現象の発現条件を満た
しており、その強度が線形領域の最大値Ｐ０であることを特徴とする。

アルカリ金属原子の速度分布はガウス分布であるので、共鳴光対の光強度分布を予めガ
ウス分布に設定すれば、簡単な光駆動回路で高い光利用効率が達成できる。

［適用例８］前記複数の共鳴光対の生成を、振幅変調と周波数変調または位相変調の合
成により行うことを特徴とする。

このような変調方式は、共鳴光対の光強度分布を高い自由度で制御可能である。

［適用例９］前記複数の共鳴光対の生成を、正弦波、三角波、のこぎり波、矩形波のい
ずれかの波形を有する信号による変調によって行うことを特徴とする。

このような変調方式は、簡単な光駆動回路共鳴光対の光強度分布を高い自由度で制御可
能である。

［適用例１０］前記光源を変調するための駆動回路部を備え、該駆動回路部が、その他
の構成部品と分離されており、前記駆動回路部の定数は、製造工程または製品化後の状態
で任意に制御、設定できる構造であることを特徴とする。

ＥＩＴ現象を利用した「量子干渉デバイス」は、高精度発振器、時計などの高精度計測
装置や、磁気センサー、花粉や煙といった微粒子検出センサーをはじめとする量子干渉セ
ンサーなど、いろいろな応用製品が考えられるが、このような構造とすることで目的に応
じた最適なＥＩＴ信号プロファイルを獲得できる。

［適用例１１］前記アルカリ金属原子の核スピン量子数をＩとし、前記アルカリ金属原
子のＰ１／２の励起準位またはＰ３／２の励起準位のうち、超微細構造の量子数をＦ’と
し、Ｆ’＝Ｉ−１／２、及びＦ’＝Ｉ＋１／２のドップラー拡がりを考慮した両エネルギ
ーの範囲が互いに重なっている領域の最小エネルギーをＥ１、最大エネルギーをＥ２とし
たときに、前記電磁誘起透過（ＥＩＴ）現象を起こす複数の共鳴光対のいずれかの励起先
エネルギーＥｅｎｄが、Ｅ１＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ２を満たすことを特徴とする。

該条件を満たしたＥｅｎｄに対応する共鳴光対に対しては、互いに逆方向の速度成分を
もつ原子を同時にＥＩＴ発現させることができるので、パワーブロードニング（光パワー
が強いと、ＥＩＴ信号の線幅が増大してしまう現象）が起こり難く、従ってＱ値（ＥＩＴ
信号の半値幅の逆数）を増大させることで性能指数（後で定義する）が向上する。

［適用例１２］前記アルカリ金属原子の核スピン量子数をＩとし、前記アルカリ金属原
子の励起準位の超微細構造の量子数をＦ’としたとき、Ｆ’＝Ｉ−１／２、及びＦ’＝Ｉ
＋１／２のドップラー拡がりを考慮した両エネルギーの範囲が互いに重ならない状態であ
って、前記ドップラー拡がりを考慮した前記Ｆ’＝Ｉ−１/２のエネルギーの範囲をＥ１
１からＥ１２（ただし、Ｅ１１＜Ｅ１２）とし、前記ドップラー拡がりを考慮した前記Ｆ
’＝Ｉ＋１/２のエネルギーの範囲をＥ２１からＥ２２（ただし、Ｅ２１＜Ｅ２２）とし
たときに、前記電磁誘起透過現象を起こす複数の共鳴光対のいずれかの励起先エネルギー
Ｅｅｎｄが、Ｅ１１＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ１２またはＥ２１＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ２２のいずれか一方
のみの条件を満たすことを特徴とする。

該条件を満たしたとき、純粋な３準位系Λ型遷移を維持しつつ複数の共鳴光対によるＥ
ＩＴが実現できるので、重畳効果によるＥＩＴ信号の増強効果を大きくすることができる
。

［適用例１３］前記アルカリ金属原子に対して複数の共鳴光対を１回乃至複数回折り返
して通過させ、前記アルカリ金属原子から前記電磁誘起透過現象を検出する量子干渉装置
であって、ドップラー幅を考慮しない励起準位のエネルギーをＥ１０とし、前記複数の共
鳴光対の励起先エネルギーをＥｅｎｄ０としたときに、前記Ｅｅｎｄ０がＥ１０＜Ｅｅｎ
ｄ０またはＥｅｎｄ０＜Ｅ１０を満足することを特徴とする。

この場合、一対の共鳴光で往路と復路で、それぞれセル内で逆方向の速度成分をもつア
ルカリ金属原子群とＥＩＴを起こすことができる。従ってこのような条件で複数の共鳴光
対でＥＩＴを起こす構成とした場合、反射型ではない場合に比べ、半分の数の共鳴光対、
あるいは半分の光の変調幅で同等の効果が得られる。

［適用例１４］前記アルカリ金属原子に対して複数の共鳴光対を１回乃至複数回折り返
して通過させ、前記アルカリ金属原子から前記電磁誘起透過現象を検出する量子干渉装置
であって、前記電磁誘起透過現象を起こす複数の共鳴光対のいずれかの励起先エネルギー
をＥｅｎｄとしたとき、前記Ｅｅｎｄが、Ｅｅｎｄ＜Ｅ１０またはＥ１０＜Ｅｅｎｄのい
ずれか一方のみの条件を満たすことを特徴とする。

この場合、全ての共鳴光対がＥＩＴに寄与し、反射型であるので反射型ではない場合に
比べ、半分の数の共鳴光対で済むので、より効率が高い。

［適用例１５］前記折り返し数が奇数回（往と復それぞれの総光路長がほぼ等しい）で
あることを特徴とする。

光の往路と復路の光路長をほぼ等しくすると、それぞれ異なる速度群においてＥＩＴに
寄与する原子の数がほぼ等しくなるのでＥＩＴ発現効率の観点から有利である。

［適用例１６］原子発振器に前記量子干渉装置を備えたことを特徴とする。

原子発振器に本発明の量子干渉装置を備えることにより、Ｓ／Ｎの高い状態でＥＩＴ現
象を発現させることができるため、原子発振器の小型化が可能となる。

［適用例１７］磁気センサーに本発明の前記量子干渉装置を備えたことを特徴とする。

原子発振器の発振周波数は、原子の２つの基底準位間のエネルギー差（ΔＥ１２）を基
準としている。ΔＥ１２の値は、外部磁気の強さやゆらぎで変化するため、原子発振器の
セルには、外部磁気の影響を受けないように、磁気シールドが施されている。そこで磁気
シールドを外し、ΔＥ１２の変化を発振周波数変化から読取ることにより、外部磁気の強
さや変動を測定する磁気センサーをつくることができる。本発明の量子干渉装置を備える
ことにより、Ｓ／Ｎの高い状態でＥＩＴ現象を発現させることができるため、磁気センサ
ーの小型化が可能となる。

［適用例１８］量子干渉センサーに本発明の前記量子干渉装置を備えたことを特徴とす
る。

本発明の量子干渉装置を備えることにより、ＥＩＴ信号プロファイルに影響を与える外
乱を検知するあらゆるセンサーの感度、精度の向上、小型化が可能となる。

気体状態のアルカリ金属原子の速度分布の概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）はガスセルに入射する共鳴光の周波数スペクトラムを示す図である。 ガスセルに入射した共鳴光と気体状のアルカリ金属原子の移動方向の様子を示す図である。 原子運動によるエネルギーのドップラー拡がりと本発明の共鳴光との関係を説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。 本発明の実施形態に係る磁気センサーの構成を示す図である。 （ａ）は、波長の異なる２つの共鳴光対によるＥＩＴ現象に係る光透過強度の図、（ｂ）は波長の異なる２つの共鳴光対を変調したときのＥＩＴ現象に係る光透過強度の図である。 本発明の第４の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。 （ａ）は原子の「速度（一次元射影）」分布（マックスウェル−ボルツマン分布）を示す図、（ｂ）は原子の「速さ」分布（マックスウェル−ボルツマン分布）を示す図である。 （ａ）は正弦波変調時の高調波（＋成分）分布を示す図、（ｂ）は典型的な矩形波変調時の高調波（＋成分）分布を示す図、（ｃ）は典型的な三角波変調時の高調波（＋成分）分布を示す図である。 （ａ）は光強度の線形―非線形分岐点を示す図、（ｂ）はレーザー周波数分布を示す図である。 （ａ）はＥＩＴ信号線幅のレーザー強度依存性を示す図、（ｂ）はＥＩＴ信号強度とＥＩＴ信号線幅の関係について従来と本発明の比較を示す図である。 ＣｓＤ２線近傍レーザー周波数分布を示す図である。 ＥＩＴ信号強度と線幅の関係を示す図である。 同一線幅でのＥＩＴ信号強度の比較を示す図である。 実験系の構成を示す図である。 （ａ）はＤ２線に対応するエネルギー図、（ｂ）はＤ１線に対応するエネルギー図、（ｃ）はドップラー拡がりを考慮した励起準位近傍のエネルギー図である。 （ａ）はドップラー拡がりを考慮した励起準位近傍のエネルギー図、（ｂ）はドップラー拡がりを考慮した励起準位近傍のエネルギー図である。 （ａ）は励起準位近傍のエネルギー図、（ｂ）は励起準位近傍のエネルギー図、（ｃ）本発明の第６実施形態に係るアルカリ金属原子を封入したセルと光源、光路および検出器の配置構成を示した図である。 （ａ）は励起準位近傍のエネルギー図、（ｂ）は励起準位近傍のエネルギー図、（ｃ）本発明の第７実施形態に係るアルカリ金属原子を封入したセルと光源、光路および検出器の配置構成を示した図である。 （ａ）は従来のＥＩＴ方式の原理を説明する図、（ｂ）、（ｃ）は従来のガスセルと共鳴光の関係を示す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

ここで、以下に度々でてくる「性能指数」を定義しておく。性能指数とは、ＥＩＴ信号
の線幅の逆数（即ち、Ｑ値）と、ＥＩＴ信号対雑音比（即ち、Ｓ／Ｎ）との積と定義する
。例えば、Ｓ／ＮはＥＩＴ信号強度に比例するので、ＥＩＴ信号強度が大きくなれば性能
指数は向上する。本発明の主眼は、この性能指数を向上させることにある。

図１は容器に閉じ込められた気体状のアルカリ金属原子集団の速度分布の概略図を示し
たものである。
図１の横軸は気体状のアルカリ金属原子の速度を、縦軸はその速度を有する気体状のア
ルカリ金属原子の数の割合を示している。図１に示すように、速度０を中心として気体状
のアルカリ金属原子は温度に応じた一定の速度分布を持つ。ここで、速度とは、レーザー
光を気体状のアルカリ金属原子集団に照射した時の、照射方向に平行な原子速度成分を表
し、光源に対し相対的に静止している速度の値を０としている。ここで、本願発明者らは
気体状のアルカリ金属原子の速度がＥＩＴ現象に大きく影響を与えていることに着目した
。気体状のアルカリ金属原子の速度に分布があると、光のドップラー効果（ドップラーシ
フト）により共鳴光の見かけ上の波長、すなわち気体状のアルカリ金属原子から見た共鳴
光の波長に分布を生じる。このため共鳴光１と２を１対で同時に照射してもＥＩＴ現象を
起こさずに残ってしまう気体状のアルカリ金属原子が集団の中で相当数存在することに着
目した。従来の方法、即ち共鳴光１と２を１対で同時にアルカリ金属原子集団に照射する
場合、セル内に封入されていた気体状のアルカリ金属原子集団のうち、ＥＩＴ現象に寄与
できるのは、一部のアルカリ金属原子だけであった。そこで、本願発明者らは、ドップラ
ー効果の影響のため、従来ＥＩＴ現象に寄与せず無駄になっていた気体状のアルカリ金属
原子も、ＥＩＴ現象に寄与させるべく工夫を施した。以下、本発明について詳細に説明す
る。

図２は本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。この原子発振
器５０は、波長が異なるコヒーレント光対を２対以上（後述するように３対）の共鳴光を
入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振
器であって、各共鳴光を出射するＬＤ（ＶＣＳＥＬ）（コヒーレント光源）２と、ＬＤ２
の中心波長を発生する中心波長発生手段１と、二つの異なる基底状態のエネルギー差（Δ
Ｅ１２）に相当する周波数（９．２ＧＨｚ）の１／２（４．５９６ＧＨｚ）を発振する発
振器９と、約２５ＭＨｚの周波数を発振する発振器１０と、電気信号によりＬＤ２から出
射された共鳴光１１に周波数変調を与えるＥＯＭ（電気光学変調素子）３、４と、ＥＯＭ
４により変調された光１２の波長により光の吸収量を変化させる、気体状セシウム（Ｃｓ
、アルカリ金属として）原子を封入したガスセル５と、ガスセル５から透過する光１３を
検出する光検出器（光検出手段）６と、光検出器６の出力に基づきガスセル５のＥＩＴ状
態を検出して出力電圧を制御する周波数制御手段７と、を備えて構成されている。尚、発
振器１０の発振周波数は２５ＭＨｚとしたが、この周波数はセシウム原子の典型的なドッ
プラー幅（例えば室温で約１ＧＨｚ）に対して十分小さい値である。この周波数は適宜変
更することができる。また、発振器９の出力周波数は、セシウムの場合ΔＥ１２に相当す
る周波数が約９．２ＧＨｚ（４．５９６ＧＨｚ×２）であるので、４．５９６ＧＨｚとし
、周波数制御手段７から出力される制御電圧により電圧制御水晶発振器８を制御して得ら
れた周波数を逓倍して生成される。そして、発振器１０の周波数（２５ＭＨｚ）によりＥ
ＯＭ３を変調し、発振器９の周波数（４．５９６ＧＨｚ）によりＥＯＭ４を変調して、Ｅ
ＯＭ３とＥＯＭ４をＬＤ２の出射側に直列に配置した。尚、ＥＯＭ３と発振器１０の組み
合わせと、ＥＯＭ４と発振器９の組み合わせの配列順序を逆にしても構わない。

即ち、本実施形態の原子発振器５０の構成が従来と異なる点は、ＬＤ２から出射された
共鳴光１１に対し変調手段としてＥＯＭ３を介すことで、波長が異なる２つの共鳴光対を
２対以上（３対）とした点である。従来の原子発振器では、波長の異なる２つの共鳴光対
を１対のみ用意して、同時に照射される２つの共鳴光の周波数差（波長の差）が正確に夫
々の基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に一致するように周波数を制御していた。しかし、
原子の運動による共鳴光のドップラー効果の為、ガスセル５内に閉じ込められたセシウム
原子集団の共鳴光波長には分布が生じ、１対の共鳴光では、偶然その波長に対応する共鳴
条件を満たす速度で運動している一部のセシウム原子としか相互作用をおこさないので、
ＥＩＴ現象を発生する効率が悪かった。そこで本実施形態では、波長の異なる少なくとも
４つ（２つの共鳴光対）の共鳴光をガスセル５に封入された気体状のセシウム原子と相互
作用させるように光変調手段を構成した。これにより、ガスセル５内で単位体積あたりで
ＥＩＴ現象に寄与するセシウム原子の数を増大させることが可能となり、効率よくＥＩＴ
信号を取得することができる。

図３（ａ）及び（ｂ）はガスセルに入射する共鳴光の周波数スペクトラムを示す図であ
る。図４はガスセルに入射した共鳴光と気体状のセシウム原子の移動方向の様子を示す図
である。
次に本実施形態の動作について図３及び図４を参照しながら説明する。ＬＤ２の共鳴光
１１は中心波長がλ０（中心周波数ｆ０）となるように中心波長発生手段１で発生される
。ＬＤ２の共鳴光１１に対して、ＥＯＭ３と４で周波数変調をかけると、ガスセル５には
、図３（ａ）に示す周波数スペクトラム３０〜３２を有する共鳴光１２が入力される。こ
こで、図３（ａ）において、Ａ−Ａ´の周波数差は９．２ＧＨｚであり、この一対の共鳴
光に対しては、λ０を適当な値に設定することで図４に示す入射光１２の方向に対する速
度成分が小さい気体状のセシウム原子１５がＥＩＴ現象を発生する。また、Ｂ−Ｂ´の周
波数差も９．２ＧＨｚであり、この一対の共鳴光に対しては、図４に示す入射光１２と反
対方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子１４がＥＩＴ現象を発生する。また、図３
（ａ）において、Ｃ−Ｃ´の周波数差も９．２ＧＨｚであり、この一対の共鳴光に対して
は、図４に示す入射光１２と同じ方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子１６がＥＩ
Ｔ現象を発生する。このように、ガスセル５内の原子は様々な速度分布を持っている。そ
こで上記のようにサイドバンドＢ、Ｂ´、Ｃ、Ｃ´の成分を与えた共鳴光１２をガスセル
５に入射すると、Ａ−Ａ´、Ｂ−Ｂ´、及びＣ−Ｃ´の周波数差は何れも９．２ＧＨｚと
なり、これら３対のレーザー光はいずれも対応する速度成分を持つ気体状のセシウム原子
と相互作用を起こし、その結果ＥＩＴ現象に寄与するセシウム原子の割合が増大する。こ
れにより、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の大きい所望のＥＩＴ信号を得ることができる。

尚、本実施形態ではＥＯＭ４の変調周波数を気体状のセシウム原子の周波数差の１／２
（４．５９６ＧＨｚ）としたが、周波数差の９．２ＧＨｚとしても構わない。そのときの
共鳴光の周波数スペクトラムは図３（ｂ）のようになり、周波数スペクトラム３３〜３５
が発生するが、例えば、周波数スペクトラム３３は使用せずに、周波数スペクトラム３４
と３５（周波数スペクトラム３３と３４でも可）を使用する。即ち、Ａ−λ０の周波数差
は９．２ＧＨｚであり、この一対の共鳴光に対しては、λ０を適当な値に設定することで
図４に示す入射光１２の方向に対する速度成分が小さい気体状のセシウム原子１５がＥＩ
Ｔ現象を発生する。Ｂ−λ１の周波数差も９．２ＧＨｚであり、この一対の共鳴光に対し
ては、図４に示す入射光１２と反対方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子１４がＥ
ＩＴ現象を発生する。また、Ｃ−λ２の周波数差も９．２ＧＨｚであり、この一対の共鳴
光に対しては、図４に示す入射光１２と同じ方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子
１６がＥＩＴ現象を発生する。このように、ガスセル５内の原子は様々な速度分布を持っ
ている。そこで上記のようにサイドバンドＢ、λ１、Ｃ、λ２の成分を与えた共鳴光１２
をガスセル５に入射すると、Ａ−λ０、Ｂ−λ１、及びＣ−λ２の周波数差は何れも９．
２ＧＨｚとなり、これら３対のレーザー光はいずれも対応する速度成分を持つ気体状のセ
シウム原子と相互作用を起こし、その結果ＥＩＴ現象に寄与するセシウム原子の割合が増
大する。これにより、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）の大きい所望のＥＩＴ信号を得ることがで
きる。

即ち、少なくとも２つの共鳴光対（ここでは３対）の共鳴光を発生させるためには、Ｌ
Ｄ２から出射される共鳴光にサイドバンドを重畳させて発生させ、その周波数スペクトラ
ムを利用することが考えられる。また、共鳴光を変調する周波数は、二つの異なる基底状
態のエネルギー差（ΔＥ１２）に相当する周波数（９．２ＧＨｚ）の１／２の４．５９６
ＧＨｚと、セシウム原子の典型的なドップラー幅（例えば室温で約１ＧＨｚ）に対して十
分小さい値である周波数（ここでは２５ＭＨｚ）によって変調する必要がある。また、光
を変調するためのＥＯＭを利用する。そこで本実施形態では、２種類の周波数を夫々発振
する発振器９、１０を用意して、ＬＤ２の出射側に直列に配置したＥＯＭ３と４、を夫々
の周波数で変調する。これにより、ＬＤ２から出射した共鳴光１１から、９．２ＧＨｚの
周波数差を維持した３対の周波数スペクトラムを有する共鳴光を生成することができる。
また、本実施形態ではＥＯＭ３とＥＯＭ４を１個ずつ備えたが、ＥＯＭ４と、少なくと
も２つ以上のＥＯＭ３をＬＤ２の出射側に直列に配置するようにしても良い。これにより
、共鳴光対の数を任意に設定し、櫛歯様の周波数間隔で発生させることができる。

図５は原子運動によるエネルギーのドップラー拡がりと本発明の共鳴光との関係を説明
する模式図である。容器に封入された気体状のアルカリ金属原子集団のエネルギー状態図
は、図２４に示した一つの原子に対するエネルギー状態図の励起準位をドップラー拡がり
に相当するエネルギー帯で置き換えることで表現できる。図５における２０、２１、２２
の各準位は、図４における、それぞれ１６、１５、１４で示された原子に対応する励起準
位である。これにより、速度分布を持った気体状のアルカリ金属原子集団に対して、複数
の共鳴光の対によりＥＩＴ現象に寄与する原子の割合が増大していることがわかる。そこ
で、例えば１対の共鳴光に割り当てられるパワーが従来のパワーにほぼ等しい設定にすれ
ば、吸収の飽和限界が高くなりトータルのパワーが増大するので、高いコントラストのＥ
ＩＴ信号が取得できる。また、トータルの光照射パワーが従来とほぼ等しい場合は、本発
明の１対の共鳴光あたりのパワーは減少するので、ＥＩＴ信号のパワーブロードニング（
光パワーが強いと、ＥＩＴ信号の線幅が増大してしまう現象）が抑えられ、従来に比べ、
半値幅が狭い良好なＥＩＴ信号が取得できる。従ってこれを発振器に適用した場合、周波
数安定性を従来より向上させることができる。

図６は本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。同じ構成要素
には図２と同じ参照番号を付して説明する。図６が図２と異なる点は、ＥＯＭ４を削除し
て、発振器１０、及び発振器９の出力信号を混合する混合器１７を備え、混合器１７の出
力信号１８によりＥＯＭ３を駆動して、ＥＯＭ３をＬＤ２の出射側に配置する。これによ
り、ＥＯＭ３から出射される共鳴光１２は、図３（ａ）と同様の周波数スペクトラムを発
生する。
即ち、光を変調するためには、ＥＯＭを用いているが、周波数スペクトラムの数を増や
すと、それだけＥＯＭの数を増やさなければならず、コスト的に高くなり、且つ部品点数
が増加するといった問題がある。そこで本実施形態では、ＥＯＭを変調する信号を予め混
合器１７により混合しておき、その出力信号１８により１つのＥＯＭ３を変調する。これ
により、ＥＯＭの数を最小限にして、部品点数を削減することができる。

図７は本発明の第３の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。同じ構成要素
には図６と同じ参照番号を付して説明する。図７が図６と異なる点は、ＥＯＭ３を削除し
て、混合器１７の出力信号１９により直接ＬＤ２を変調駆動する。これにより、ＬＤ２か
ら出射される共鳴光１１は、図３（ａ）と同様の周波数スペクトラムを発生する。
即ち、ＬＤ２から出射された共鳴光１１は、中心波長がλ０となるように中心波長発生
手段１で発生されている。そして、中心波長を変調するためには、ＬＤ２から出射された
共鳴光１１をＥＯＭで変調する方法以外に、ＬＤ２そのものを変調する方法がある。そこ
で本実施形態では、発振器１０、及び発振器９の出力周波数を混合する混合器１７により
混合された信号１９でＬＤ２そのものを変調駆動する。これにより、ＥＯＭを不要とする
ことができる。また、発振器１０の出力周波数は、電圧制御水晶発振器８からＰＬＬ等を
介して（発振器９の回路の一部を利用することもできる）生成することもできる。その場
合は発振器１０も不要となる。
また、図示は省略するが、従来のＥＩＴ方式による原子発振器に備えられているＬＤを
、夫々異なる波長の面発光レーザーをアレイ状に配置した構成としても構わない。

図８は本発明の実施形態に係る磁気センサーの構成を示す図である。同じ構成要素には
図７と同じ参照番号を付して説明する。図８が図７と異なる点は、ガスセル５の近傍に、
被測定磁気発生源３７を配し、周波数制御手段７の出力信号の変動を測定する磁気測定器
３６と、を備えた点である。原子発振器の発振周波数は、原子の２つの基底準位間のエネ
ルギー差（ΔＥ１２）を基準としている。ΔＥ１２の値は、外部磁気の強さやゆらぎで変
化するため、原子発振器のセルには、外部磁気の影響を受けないように、磁気シールドが
施されている。そこで磁気シールドを外し、ΔＥ１２の変化を発振周波数変化から読取る
ことにより、外部磁気の強さや変動を測定する磁気センサーをつくることができる。本発
明の構成とすることにより、Ｓ／Ｎの高い状態でＥＩＴ現象を発現させることができるた
め、磁気センサーの小型化が可能となる。

図９（ａ）は、波長の異なる２つの共鳴光対によるＥＩＴ現象に係る光透過強度の図で
あり、図９（ｂ）は波長の異なる２つの共鳴光対を変調したときのＥＩＴ現象に係る光透
過強度の図である。図９（ａ）から、波形４１はＶＣＳＥＬからの直線偏光された光透過
強度の波形であり、その共鳴光対を更に波長板を通過させて円偏光としたときの光透過強
度が波形４２である。波形４２は波形４１に対して約２０％レベルが増加しているのが分
かる。また、図９（ｂ）のように共鳴光対を変調すると、複数の共鳴光対はいずれも対応
する速度分布を持つ気体状のセシウム原子と相互作用を起こし、複数のピークを持った波
形４３が発現する。本実施形態では、例えば、図１０のようにＬＤ２とガスセル５の間に
波長板４０を光路と直交するように配置して、波長板面を徐々に回転すると共鳴光対１１
が円偏光となったときに、波長λ０で光透過強度が最大の波形４５となることが確認され
た。従って、共鳴光対を直線偏光から円偏光に変化する過程で光透過強度が波形４３（直
線偏光）、波形４４（楕円偏光）、波形４５（円偏光）となることが確認された。
即ち、ＬＤ２から出射される共鳴光対１１は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクト
ルの先端が円を描く場合、その光は円偏光と呼ばれる。共鳴光対を円偏光に変換すると、
波長λ０の光透過強度が通常の約６倍に増大することが実験的に確認されている。これに
より、ＥＩＴ現象による光出力信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
また、ＬＤ２から出射される共鳴光対１１は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクト
ルの先端が楕円を描く場合、その光は楕円偏光と呼ばれる。共鳴光対の光路上に光路と直
交するように波長板を置いてその面を回転させると、偏光状態が変化して直交偏光と円偏
光の間に連続的に変化する楕円偏光が存在することが分かる。従って、楕円偏光であって
もＥＩＴ現象による光出力信号のＳ／Ｎを向上させることができる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。第４の実
施形態は、図７の構成に波長板４０を追加した構成である。即ち、ＬＤ２とセル５の間に
波長板４０を光路と直交するように配置したものである。ＬＤ２から出射した直線偏光の
共鳴光対１１は波長板４０に入射して、９０度位相が偏光されて円偏光１１ａとなる。尚
、波長板４０はＬＤ２とセル５の間であれば何処でも良く、ＬＤ２の出射面の近傍や、セ
ル５の入射口の近傍でも構わない。

図１１は、本発明の第５の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。第５の実
施形態は、図６の構成に波長板４０を追加した構成である。即ち、ＥＯＭ３とセル５の間
に波長板４０を光路と直交するように配置したものである。ＬＤ２から出射した直線偏光
の共鳴光対１１はＥＯＭ３により変調されて共鳴光１２となり、波長板４０に入射して、
９０度位相が偏光されて円偏光１２ａとなる。尚、波長板４０はＥＯＭ３とセル５の間で
あれば何処でも良く、ＥＯＭ３の出射面の近傍や、セル５の入射口の近傍でも構わない。
即ち、波長板とは、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる複屈折素子のことであ
る。位相差π（１８０°）を生じるものをλ／２板または半波長板と呼び、直線偏光の偏
光方向を変えるために用いる。位相差π／２（９０°）を生じるものをλ／４板または四
分の一波長板と呼び、直線偏光を円偏光（楕円偏光）に変換、また逆に円偏光（楕円偏光
）を直線偏光に変換するために用いる。本実施形態では、直線偏光を円偏光又は楕円偏光
に変える必要があるため、λ／４板が使用され、ＬＤ２から出射した直線偏光の共鳴光対
１１を波長板４０により円偏光又は楕円偏光に変えて、ガスセル５に入射させる必要があ
る。これにより、簡単な構成でＥＩＴ現象による光出力信号のＳ／Ｎを向上させることが
できる。

図１４（ａ）は、ＥＩＴを発現する条件を満たしている２光波共鳴光対の光強度（横軸
）とＥＩＴ信号強度（縦軸）の関係を示した図である。光強度が十分弱い領域では、ＥＩ
Ｔ信号強度は光強度に対して比例関係を保ちながらほぼ線形に変化していく。しかしなが
ら、光強度がある点（Ｐ０）を過ぎると、光強度を増大させてもさほどＥＩＴ信号強度は
変化しない（飽和領域）。この点を考慮すると、セル内のアルカリ金属原子のうち、特定
の速度（これまで通り、入射光に平行な速度成分をさす）をもつ集団（アンサンブル）に
着目した場合、ＥＩＴ信号の強度が入射光強度に対し飽和しない最大の光強度Ｐ０（線形
に強度が増加する領域で最大の光強度）に入射光強度を設定するのが光利用効率の点から
望ましい。
ＥＩＴ発現領域となるセル内のアルカリ金属原子（例えばセシウム、Ｃｓ）集団は、図
１２（ｂ）のような速さの分布（プロファイル）をもち、圧力や温度といった環境要因で
そのプロファイルが変化するが、ある一定の方向のみの速度成分の分布に着目すると、図
１２（ａ）のようにほぼガウス分布となる。この系に２光波の共鳴光対を入射しＥＩＴを
発現させると、この速度分布によりエネルギーのドップラー拡がりが生じているので、Ｅ
ＩＴ発現の周波数領域における中心周波数に対するＥＩＴ信号強度分布もガウス分布とな
る（典型的には周波数換算で１［ＧＨｚ］ほどの拡がりをもつ）。従って前述の光利用効
率に着目すると、複数の共鳴光対のそれぞれの光強度がＰ０近傍であるように設定するの
であれば、その分布は図１４（ｂ）のように、原子の速度分布、即ちガウス分布に近い形
状であることが望ましい。
半導体レーザーなどは、直流電流を印加するとその電流値（Ｉｖｉａｓ）に応じた周波
数（波長）の単色光（コヒーレント光）を発する。中心波長を約８５２［ｎｍ］にし、Ｉ
ｖｉａｓに４．６［ＧＨｚ］の「変調」を乗せると（Ｉｍｏｄ（１）＝４．６［ＧＨｚ］
）、中心波長の両側に両者の間隔が（４．６×２＝９．２［ＧＨｚ］）のサイドバンドが
形成され、この２光波が共鳴光対としてセル内のＣｓ原子に入射されると量子干渉を起こ
してＥＩＴ現象が発現する。ここで、先のドップラー拡がりを思い出すと、２光波による
共鳴光対（１対）でＥＩＴ現象に寄与しているセル内のＣｓ原子数は非常に少ないことが
わかる。つまり従来はＥＩＴ発現効率が悪い。

半導体レーザーを駆動する印加電流の状態とレーザーの周波数分布について、図面を用
いて詳しく説明する。図１６は、中心波長が約８５２［ｎｍ］の単色半導体レーザー光に
周波数変調を与えた時に観測された周波数分布を示した図である。アルカリ金属原子とし
て、Ｃｓを対象原子としてＥＩＴを発現させるため、中心波長をＣｓの励起エネルギーに
相当する約８５２［ｎｍ］になるようにＩｖｉａｓ（直流バイアス電流）を設定し、これ
に４．６［ＧＨｚ］の周波数変調Ｉｍｏｄ（１）を与えるか、ＥＯＭ（電気光学変調素子
）を介すとサイドバンドを生じ、互いの周波数差が９．２ＧＨｚである２光波による共鳴
光対を１対発生させることができる。これにさらに任意の周波数（例えば１５［ＭＨｚ］
）の変調Ｉｍｏｄ（２）を重畳させると（重畳変調）、２光波のそれぞれが重畳周波数１
５［ＭＨｚ］で変調され、重畳周波数１５［ＭＨｚ］の間隔をもつ櫛（Ｃｏｍｂ）歯状の
周波数分布が発生する。このような櫛歯状の周波数分布をもつそれぞれの元の２光波は、
共鳴光対が複数対とみなせるので、これをセル内のＣｓ原子と作用させれば、異なる速度
で運動しているＣｓ原子集団と同時にＥＩＴを発現させることが可能となりＥＩＴ発現効
率が格段に向上する（本発明）。
図１６（ａ）は、従来のように重畳変調していない２光波のうちの一つである。（ｂ）
、（ｃ）は正弦波でＩｍｏｄ（２）を重畳した時のスペクトルである。変調された周波数
はどちらも１５［ＭＨｚ］で等しいが、変調の振幅条件が（ｂ）、（ｃ）で異なる。両者
とも櫛歯状の周波数分布を示しており、変調振幅が０．２［Ｖ］の（ｂ）より、１．０［
Ｖ］の（ｃ）の方が周波数拡がりの範囲が大きいことがわかる。

図１７は、本発明である重畳変調Ｉｍｏｄ（２）を加味したレーザー駆動により、複数
の共鳴光対を照射することで得られたＣｓのＥＩＴ信号の強度（縦軸）と線幅（横軸）の
関係を従来法と比較した図で、Ｃｓに照射されるレーザーパワーを変えることでデータを
取得した。図１７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ図１６の（ａ）、（ｂ）、（ｃ
）に対応している。従来に比べ同一線幅では本発明の方が圧倒的にＥＩＴ信号強度が大き
く、先に定義した「性能指数」（＝Ｑ×（Ｓ／Ｎ））が向上していることがわかる。本発
明方法のなかでも、（ｂ）より（ｃ）の方がＥＩＴ信号強度が大きいのは、図１６に示し
たそれぞれのレーザースペクトル分布からわかるように、セル内のより多くの速度分布の
Ｃｓ原子を捕捉することで共鳴光対との相互作用の効率が向上し、これらがＥＩＴ発現に
寄与できたためと理解できる。また、従来法（ａ）では、ＥＩＴ信号強度が得られないた
めＥＩＴ線幅を１２０［ｋＨｚ］以下にし、Ｑ値（ＥＩＴ信号線幅の逆数）を向上させる
ことが困難であったが、本発明（ｂ）、（ｃ）では更に線幅を細くでき、従って性能指数
が大幅に向上できることが確認された。
図１８は、半値全幅（線幅）が１２７［ｋＨｚ］でのそれぞれのＥＩＴ信号を比較した
図である。従来法の（ａ）に比べて本発明の（ｃ）ではＥＩＴ信号強度が約１４倍大きい
ことが確かめられた。

ここまでの結果をまとめると、以下のことが明らかとなった。パワーブロードニングに
よる線幅を狭くしようとレーザーパワーを下げていくと（図１５（ａ））それに比例して
ＥＩＴ信号強度が弱くなり（図１５（ｂ））、従来ではＡ点でＥＩＴ信号強度が０となっ
てしまう。つまり、Ａ点における信号線幅より狭い信号線幅は獲得できない。
しかし、本発明の方法だと、ＥＩＴ信号発現に寄与するセル内の原子数（密度）は大幅
に増えている為、従来法で信号強度が消失したＥＩＴ信号幅で十分な信号強度を得ること
ができる（Ｂ点）。つまりＢ点におけるＥＩＴ信号強度をＡ点におけるＥＩＴ信号強度で
除した値は、本発明の方法の従来法に対する最大増幅率を表し、Ｓ／Ｎの改善効果の指標
となる。Ｓ／Ｎが改善されれば、性能指数が向上するので、その大きさに比例してＥＩＴ
現象を利用したあらゆるデバイスの性能を向上させることができる。例えば、ＥＩＴ現象
を利用した原子発振器ではＳ／Ｎに比例して周波数安定度が向上するし、これを磁気セン
サー（ＥＩＴ原子発振器の周波数は、外部磁場に敏感に反応して変化する性質を用いる）
などの量子干渉センサーに応用すれば高感度化といった効果をもたらすことは明らかであ
る。また本発明ではＳ／Ｎが改善された分、ＥＩＴ現象を引き起こす上記セルの大きさを
小さくしても従来と同等の信号強度が得られるので、デバイスの一層の小型化が可能にな
るといった効果がある。

また、図１５（ｂ）に示したように、Ｂ点で十分なＥＩＴ信号強度が得られていれば、
さらにレーザー強度をさげることで一層の信号線幅を狭線化できる（パワーブロードニン
グの影響の排除）。例えば目標とする最低信号強度ラインを一点鎖線で示すと、本発明の
方法ではＣ点における信号線幅が達成できることになる。先のＳ／Ｎの議論と同様で、線
幅の値が小さくなるほどＱ値が大きくなり、従って性能指数の値が大きくなるので、ＥＩ
Ｔ現象を利用したあらゆるデバイスの性能を向上させることができる。例えば、ＥＩＴ現
象を利用した原子発振器ではＥＩＴ信号の狭線化によって周波数安定度が向上するし、こ
れを磁気センサー（ＥＩＴ原子発振器の周波数は外部磁場に敏感に反応し変化する性質を
用いる）などの量子干渉センサーに応用すれば高精度化といった効果をもたらす。

以上の議論から、本発明によれば、レーザーの変調方法を適切に選ぶことで従来法では
達成できないＥＩＴ信号強度やＥＩＴ線幅を得ることができるので、応用する目的に適合
したＥＩＴ信号プロファイルを広範囲に決定することができるという利点と有する。この
利点を使えば、例えばＥＩＴデバイス設計、製造段階で前記レーザー変調パラメーター（
変調Ｏｎ／Ｏｆｆも含め、変調波形や強度など）を制御できる手段をレーザー駆動回路Ｉ
Ｃ等で一体化して独立して設けておき、他の構成要素の相当数を共通部品としておけば、
目的に特化したＥＩＴデバイスを容易につくり分けることができ、コストダウンなどの効
果もある。また、前記レーザー変調パラメーターを製品ユーザー自らが利用環境等に応じ
て適切に制御、設定できる手段を設けておいてもよい。

図１３にレーザーの変調方法とフーリエ成分の関係を示す。（ａ）は正弦波で振幅変調
（ＡＭ）した場合のフーリエ成分、（ｂ）は矩形波で振幅変調（ＡＭ）した場合のフーリ
エ成分、（ｃ）は三角波で振幅変調（ＡＭ）した場合のフーリエ成分である。横軸は周波
数である。矩形波変調は三角波変調よりも比較的高次のフーリエ成分が存在する。これら
の合成波や、さらに周波数変調（ＦＭ）や位相変調（ＰＭ）にてＩｍｏｄ（２）としてレ
ーザー光を重畳変調すれば、任意の変調波形を得ることが可能となり、複数の共鳴光対の
強度分布や隣りあう周波数間隔を高い自由度で制御できる。これにより用途毎に要求され
るデバイス性能に必要なＥＩＴ信号制御が容易になり、精度も向上するといった効果が得
られる。

図１９は本発明の実験系の構成を示す図である。これは、Ｉｍｏｄ（１）でレーザーを
変調せずに、ＥＯＭ（電気光学変調素子）を利用している例である。
図２０はアルカリ金属の電子状態のエネルギー図である。図２０（ａ）は励起準位がＰ
３／２であり、いわゆるＤ２線に対応するエネルギー図であり、図２０（ｂ）は励起準位
がＰ１／２であり、いわゆるＤ１線に対応するエネルギー図である。図２０（ｃ）は、従
来のような２光波による１対の共鳴光対、あるいは本発明の複数の共鳴光対とドップラー
拡がりを考慮したアルカリ金属原子との相互作用を示し、ＥＩＴ現象が起きる条件を満た
している場合の励起準位近傍のエネルギー図である。
励起準位Ｐ３／２が超微細構造からなり、ＥＩＴ現象を利用したデバイスの通常の使用
温度範囲ではＥＩＴ発現に関与するＦ’＝Ｉ＋１／２、Ｉ−１／２はドップラー拡がりで
エネルギーが重なっている（図２０（ｃ））。また、温度が高い領域では、励起準位Ｐ１
／２の超微細構造でもドップラー拡がりによるエネルギーの重なりが起きることもある。
この重なり領域に、本発明の複数の共鳴光対のうち、なるべく多くの共鳴光対の励起先エ
ネルギーＥｅｎｄが該重なり領域に入るようにレーザー中心周波数（中心波長）を設定す
る。すなわち、図２０（ｃ）に示したように、Ｅ１＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ２を満たすようにする
。ここで、前記Ｆ’は超微細構造の量子数であり、前記Ｉは核スピン量子数を表す。
このエネルギー重なり領域に入射された１対の共鳴光対は、異なるＦ’（超微細構造の
量子数）に対応する２種類アルカリ金属原子に対してのＥＩＴ現象を起こす。すなわち、
互いに逆向きの速度成分をもつ二種類の異なる速度群（アンサンブル）のアルカリ金属原
子に対して同時にＥＩＴが起きている。このような条件が満たされていると、共鳴光対の
光強度（光子数）が、それぞれのアンサンブルに分散されるためにＥＩＴ信号強度が飽和
しにくくなり、更に強いレーザー光を照射することが可能となり、Ｓ／Ｎが向上する。特
にセルが小型化されてＥＩＴ信号強度を増強する必要があるときに、より効果を発揮する
。また、照射する総光強度が変わらないのであれば、該重なり領域では先に述べたように
異なる２種類の速度群のアルカリ金属原子と光子とが相互作用を起こすように、光子数が
分散されるため、結果として片方の速度群についてはパワーブロードニングが抑えられＥ
ＩＴ信号の線幅が狭くなる（Ｑ値の増大）。即ち性能指数を向上させることができる。

図２１は典型的なＰ１／２準位のエネルギー図である。一般にＤ１線の超微細構造エネ
ルギー分裂幅はＤ２線のそれに比べて大きく（典型的には０．５〜１ＧＨｚ）、ドップラ
ー拡がりによる二種類のエネルギー帯は重ならない。先に述べたようにＤ２線（励起先準
位がＰ３／２）の場合は、超微細構造のエネルギー分裂幅が小さいため、ドップラー拡が
りによってエネルギー帯に重なりが生じ、複数の共鳴光対が同時に同一の原子と相互作用
を起こし得る。この場合、４光波混合が起こり、純粋な３準位系Λ型遷移が破綻しＥＩＴ
効率が落ちる。しかし、一般にＤ１線の超微細構造エネルギー分裂幅はＤ２線のそれに比
べて大きく（典型的には０．５〜１ＧＨｚ）、ドップラー拡がりによる二種類のエネルギ
ー帯は重ならない。そこで、Ｄ１線を用いれば純粋な３準位系Λ型遷移を維持しつつ複数
の共鳴光対によるＥＩＴが実現できるので、重畳効果によるＥＩＴ信号の増強効果を大き
くすることができる。この場合、Ｅ１１＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ１２（図２１（ａ））と、Ｅ２１
＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ２２（図２１（ｂ））の２種類の方法がある。

図２２（ｃ）は、本発明の第６実施形態に係るアルカリ金属原子を封入したセルと光源
、光路および検出器の配置構成を示した図である。ここでは、レーザー光源より発した光
がセルに入射しアルカリ金属原子とＥＩＴ現象を起こした後、反射等の手段を介して折り
返した光が逆方向に進行することで再びセル内のルカリ金属原子とＥＩＴ現象を起こして
光検出器に導かれる。いわゆる反射型である。このとき、図２２（ａ）、（ｂ）に示した
ように、ドップラー幅を考慮しない励起準位のエネルギーをＥ１０としたときに、前記光
源の単色光の励起先エネルギーＥｅｎｄ０が、Ｅ１０に等しくない（Ｅ１０＜Ｅｅｎｄ０
またはＥｅｎｄ０＜Ｅ１０）ように選ぶと、一対の共鳴光で往路と復路で、それぞれセル
内で逆方向の速度成分をもつアルカリ金属原子群とＥＩＴを起こすことができる。従って
このような条件で複数の共鳴光対でＥＩＴを起こす構成とした場合、反射型ではない場合
に比べ、半分の数の共鳴光対、あるいは半分の光の変調幅で同等の本発明の効果が得られ
る。したがって本構成では、レーザードライバー等の複数の共鳴光対を生成する機構の設
計がより容易になり、デバイス駆動時の消費電力も減り省エネルギー化に寄与する。

図２３（ｃ）は、本発明の第７実施形態に係るアルカリ金属原子を封入したセルと光源
、光路および検出器の配置構成を示した図である。ここでは、レーザー光源より発した光
がセルに入射しアルカリ金属原子とＥＩＴ現象を起こした後、反射等の手段を介して複数
回光がセル内を通過し、都度ＥＩＴ現象を起こしてから光検出器に導かれる。いわゆる多
重反射型である。このとき、図２３（ａ）、（ｂ）に示したように、ＥＩＴ現象を起こし
得る複数の共鳴光対の全ての励起先エネルギーＥｅｎｄが、Ｅｅｎｄ＜Ｅ１０またはＥ１
０＜Ｅｅｎｄ＜のいずれか一方のみの条件を満たすように選ぶと、一対の共鳴光で往路と
復路で、それぞれセル内で逆方向の速度成分をもつアルカリ金属原子群とＥＩＴを起こす
ことができる。また多重反射型とすることで、光路長がより長くなることでコヒーレント
時間が増大し、よりＥＩＴ信号の強度が強くなり線幅も狭くなる。これは性能指数の向上
につながる。また、光の反射回数を奇数回として光の往路と復路の光路長をほぼ等しくす
ると、それぞれ異なる速度群においてＥＩＴに寄与する原子の数がほぼ等しくなるのでＥ
ＩＴ発現効率の観点から有利である。従ってこのような条件で複数の共鳴光対でＥＩＴを
起こす構成とした場合、反射型ではない場合に比べ、半分の数の共鳴光対、あるいは半分
の光の変調幅で同等の効果が得られる。したがって本構成では、レーザードライバー等の
複数の共鳴光対を生成する機構の設計がより容易になり、デバイス駆動時の消費電力も減
り省エネルギー化に寄与する。

１ 中心波長発生手段、２ ＬＤ、３ ＥＯＭ、４ ＥＯＭ、５ ガスセル、６ 光検
出器、７ 周波数制御手段、８ 電圧制御水晶発振器、９ 発振器、１０ 発振器、１１
、１２、１３ 共鳴光、１４、１５、１６ 気体状のセシウム原子、１７ 混合器１８、
１９ 変調信号、４０ 波長板、４１ 変調をかけないときの直線偏光された波形、４２
変調をかけないときの円偏光された波形、４３ 変調をかけたときの直線偏光された波
形、４４ 変調をかけたときの楕円偏光された波形、４５ 変調をかけたときの円偏光さ
れた波形、５０、５１、５２、５３、５４ 原子発振器

Claims (18)

1. 気体状のアルカリ金属原子と、
   該アルカリ金属原子の２つの基底状態間のエネルギー差に相当する周波数差を保持した
   異なる周波数の共鳴光対を発生させるための光源と、を備え、
   前記アルカリ金属原子と前記共鳴光対を相互作用させて電磁誘起透過現象を発生させる
   量子干渉装置であって、
   前記共鳴光対の数が複数対であり、それぞれの共鳴光対の中心周波数は互いに異なるこ
   とを特徴とする、量子干渉装置。
2. 前記アルカリ金属原子と相互作用させる共鳴光対を直線偏光としたことを特徴とする請
   求項１に記載の量子干渉装置。
3. 前記アルカリ金属原子と相互作用させる前記共鳴光対を円偏光としたことを特徴とする
   請求項１に記載の量子干渉装置。
4. 前記アルカリ金属原子と相互作用させる前記共鳴光対を楕円偏光としたことを特徴とす
   る請求項１に記載の量子干渉装置。
5. 前記光源と前記アルカリ金属原子を封入したセルとの間の光路上に波長板を設けたこと
   を特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
6. 前記複数の共鳴光対が電磁誘起透過現象の発現条件を満たしており、それぞれの共鳴光
   対の光強度が、ＥＩＴ信号強度が線形に増大する領域の最大値Ｐ０近傍であることを特徴
   とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の量子干渉装置。
7. 前記複数の共鳴光対の強度分布が、それぞれの対の中心周波数に対してガウス分布にな
   っており、かつ最大の光強度に対応する共鳴光対が、該光方向の速度成分が０近傍である
   前記アルカリ金属の原子集団に対応する電磁誘起透過現象の発現条件を満たしており、そ
   の強度が線形領域の最大値Ｐ０であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記
   載の量子干渉装置。
8. 前記複数の共鳴光対の生成を、振幅変調と周波数変調または位相変調の合成により行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
9. 前記複数の共鳴光対の生成を、正弦波、三角波、のこぎり波、矩形波のいずれかの波形
   を有する信号による変調によって行うことを特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
10. 前記光源を変調するための駆動回路部を備え、該駆動回路部が、その他の構成部品と分
    離されており、前記駆動回路部の定数は、製造工程または製品化後の状態で任意に制御、
    設定できる構造であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の量子干渉装
    置。
11. 前記アルカリ金属原子の核スピン量子数をＩとし、前記アルカリ金属原子のＰ１／２の
    励起準位またはＰ３／２の励起準位のうち、超微細構造の量子数をＦ’とし、Ｆ’＝Ｉ−
    １／２、及びＦ’＝Ｉ＋１／２のドップラー拡がりを考慮した両エネルギーの範囲が互い
    に重なっている領域の最小エネルギーをＥ１、最大エネルギーをＥ２としたときに、前記
    電磁誘起透過（ＥＩＴ）現象を起こす複数の共鳴光対のいずれかの励起先エネルギーＥｅ
    ｎｄが、Ｅ１＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ２を満たすことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項
    に記載の量子干渉装置。
12. 前記アルカリ金属原子の核スピン量子数をＩとし、前記アルカリ金属原子の励起準位の
    超微細構造の量子数をＦ’としたとき、Ｆ’＝Ｉ−１／２、及びＦ’＝Ｉ＋１／２のドッ
    プラー拡がりを考慮した両エネルギーの範囲が互いに重ならない状態であって、前記ドッ
    プラー拡がりを考慮した前記Ｆ’＝Ｉ−１/２のエネルギーの範囲をＥ１１からＥ１２（
    ただし、Ｅ１１＜Ｅ１２）とし、前記ドップラー拡がりを考慮した前記Ｆ’＝Ｉ＋１/２
    のエネルギーの範囲をＥ２１からＥ２２（ただし、Ｅ２１＜Ｅ２２）としたときに、前記
    電磁誘起透過現象を起こす複数の共鳴光対のいずれかの励起先エネルギーＥｅｎｄが、Ｅ
    １１＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ１２またはＥ２１＜Ｅｅｎｄ＜Ｅ２２のいずれか一方のみの条件を満
    たすことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の量子干渉装置。
13. 前記アルカリ金属原子に対して複数の共鳴光対を１回乃至複数回折り返して通過させ、
    前記アルカリ金属原子から前記電磁誘起透過現象を検出する量子干渉装置であって、ドッ
    プラー幅を考慮しない励起準位のエネルギーをＥ１０とし、前記複数の共鳴光対の励起先
    エネルギーをＥｅｎｄ０としたときに、前記Ｅｅｎｄ０がＥ１０＜Ｅｅｎｄ０またはＥｅ
    ｎｄ０＜Ｅ１０を満足することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の量子
    干渉装置。
14. 前記アルカリ金属原子に対して複数の共鳴光対を１回乃至複数回折り返して通過させ、
    前記アルカリ金属原子から前記電磁誘起透過現象を検出する量子干渉装置であって、前記
    電磁誘起透過現象を起こす複数の共鳴光対のいずれかの励起先エネルギーをＥｅｎｄとし
    たとき、前記Ｅｅｎｄが、Ｅｅｎｄ＜Ｅ１０またはＥ１０＜Ｅｅｎｄのいずれか一方のみ
    の条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の量子干渉装置。
15. 前記折り返し数が奇数回であることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の量子干渉
    装置。
16. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の量子干渉装置を備えたことを特徴とする原子発
    振器。
17. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の量子干渉装置を備えたことを特徴とする磁気セ
    ンサー。
18. 請求項１乃至１５の何れか一項に記載の量子干渉装置を備えたことを特徴とする量子干
    渉センサー。

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