JP2013239612A - 量子干渉装置、原子発振器、電子機器及び量子干渉方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セルの容積を増加させずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる量子干渉装置、原子発振器、電子機器及び量子干渉方法を提供すること。
【解決手段】原子発振器１（量子干渉装置の一例）は、原子に電磁誘起透過（ＥＩＴ）現象を発生させる共鳴光対となり得る２光波を含む光を発生させる半導体レーザー１１０と、原子の集団を収容し、半導体レーザー１１０が発生させた光が入射するガスセル１２０と、ガスセル１２０を透過した光を検出する光検出器１３０と、を含む。ガスセル１２０に収容されている原子は、半導体レーザー１１０が発生させた複数の２光波が異なる方向から照射される。
【選択図】図２

Description

本発明は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置、原子発振器、電子機器及び量子干渉方法に関する。

図１９に示すように、アルカリ金属原子は、タームシンボル²Ｓ_1/2で表される基底準位と、タームシンボル²Ｐ_1/2、²Ｐ_3/2で表される２つの励起準位とを有することが知られている。さらに、²Ｓ_1/2、²Ｐ_1/2、²Ｐ_3/2の各準位は、複数のエネルギー準位に分裂した超微細構造を有している。具体的には、²Ｓ_1/2はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの基底準位を持ち、²Ｐ_1/2はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの励起準位を持ち、²Ｐ_3/2はＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２の４つの励起準位を持っている。ここで、Ｉは核スピン量子数である。

²Ｓ_1/2のＩ−１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、²Ｐ_3/2のＩ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ＋３／２の励起準位に遷移することはできない。²Ｓ_1/2のＩ＋１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、²Ｐ_3/2のＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ−３／２の励起準位に遷移することはできない。これらは、電気双極子遷移を仮定した場合の遷移選択則による。逆に、²Ｐ_3/2のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して²Ｓ_1/2のＩ＋１／２又はＩ−１／２の基底準位（元の基底準位又は他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。ここで、²Ｓ_1/2のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と²Ｐ_3/2のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位からなる３準位（２つの基底準位と１つの励起準位からなる）は、Ｄ２線の吸収・発光によるΛ型の遷移が可能であることからΛ型３準位と呼ばれる。これに対して、²Ｐ_3/2のＩ−３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず²Ｓ_1/2のＩ−１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、²Ｐ_3/2のＩ＋３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず²Ｓ_1/2のＩ＋１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移する。すなわち、²Ｓ_1/2のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と²Ｐ_3/2のＩ−３／２又はＩ＋３／２の励起準位からなる３準位は、Ｄ２線の吸収・放出によるΛ型の遷移が不可能であることからΛ型３準位を形成しない。

気体状のアルカリ金属原子に、Λ型３準位を形成する第１の基底準位（²Ｓ_1/2のＩ−１／２の基底準位）と励起準位（例えば、²Ｐ_3/2のＩ＋１／２の励起準位）とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光１とする）と、第２の基底準位（²Ｓ_1/2のＩ＋１／２の基底準位）と励起準位とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光２とする）とを同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子コヒーレンス状態（暗状態）になり、励起準位への励起が停止する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）と呼ばれることもある）が起こることが知られている。このＥＩＴ現象を起こす共鳴光対（共鳴光１と共鳴光２）の周波数差はアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ₁₂に相当する周波数と正確に一致する。例えば、セシウム原子は、２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚであるので、セシウム原子に、周波数差が９．１９２６３１７７０ＧＨｚの２種類のＤ１線又はＤ２線のレーザー光を同時に照射すると、ＥＩＴ現象が起こる。

従って、図２０に示すように、周波数がｆ₁の光と周波数がｆ₂の光を気体状のアルカリ金属原子に同時に照射したとき、この２光波が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすか否かでアルカリ金属原子を透過する光の強度が急峻に変化する。この急峻に変化する透過光の強度を示す信号はＥＩＴ信号（共鳴信号）と呼ばれ、共鳴光対の周波数差ｆ₁−ｆ₂がΔＥ₁₂に相当する周波数ｆ₁₂と正確に一致するときにＥＩＴ信号のレベルがピーク値を示す。そこで、ＥＩＴ信号のピークトップを検出し、アルカリ金属原子に照射する２光波の光の周波数差ｆ₁−ｆ₂がΔＥ₁₂に相当する周波数ｆ₁₂と正確に一致するように制御することで、高精度な発振器を実現することができる。

ところで、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。図２１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２１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２１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。このように、気体状のアルカリ金属原子の速度に分布があると、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（周波数）、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（周波数）に分布を生じる。これは、速度の異なる原子では励起準位が見かけ上異なることを意味するので、図２２に示すように、励起準位が一定の幅の拡がり（ドップラー拡がり）を持つことになる。従って、１対の共鳴光１と共鳴光２を同時に照射しても、実際にＥＩＴ現象を起こすことができるのはレーザーの入射方向に対する特定の速度成分の値（例えば０）を持ったごく一部の原子に限られてしまい、ＥＩＴ現象を起こさないアルカリ金属原子が相当数存在することになり、ＥＩＴ発現に寄与する原子の割合が極めて低い。

そこで、特許文献１や特許文献２では、光源と受光部を同一平面内に設け、光源から出射された光がセルの内部で複数回反射した後に受光部に到達するように構成する手法が提案されている。これらの手法によれば、セル内の光の経路を長くすることで、ＥＩＴ現象を起こす原子の数を増やすことができる。

米国特許第７０６４８３５号明細書 特開２００７−１７３４４５号公報

しかしながら、いずれの手法でも、セル内の各位置では１方向の光のみが通過するので、各位置でＥＩＴ現象を起こす原子は、光の進行方向の速度成分が所定値の原子に限られ、ＥＩＴ発現効率は低いままである。

このように、ＥＩＴ発現効率が低い状態において、ＥＩＴ信号の強度を大きくするためには、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、小型化することが困難であるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、セルの容積を増加させずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる量子干渉装置、原子発振器、電子機器及び量子干渉方法を提供することができる。

本発明は前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、以下の態様または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
本適用例に係る量子干渉装置は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、前記共鳴光対となり得る２光波を含む光を発生させる光発生部と、前記原子の集団を収容し、前記光発生部が発生させた光が入射する原子セルと、前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を含み、前記原子に、複数の前記２光波が異なる方向から入射する。

本適用例に係る量子干渉装置では、原子セルに収容されている原子に、複数の２光波が互いに異なる方向から入射するので、当該原子は、当該複数の２光波の進行方向のいずれかと同じ方向の速度成分が当該２光波の周波数に応じた速度と一致すれば、ＥＩＴ現象を起こす。従って、本適用例に係る量子干渉装置によれば、各原子がＥＩＴ現象を起こす確率が高くなり、原子セルの容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる。

［適用例２］
上記適用例に係る量子干渉装置は、前記光発生部が発生させた光を反射する光反射部を含み、前記原子に、前記光反射部で反射する前の前記２光波と前記光反射部で反射した後の他の前記２光波が入射するようにしてもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、光発生部が発生させた光を反射させることで、簡単な構成で、進行方向の異なる２光波を原子に入射させることができる。

［適用例３］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光反射部は、前記原子セルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に形成されていてもよい。

例えば、光反射部は、原子セルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に貼付された光を反射する部材であってもよいし、当該面に蒸着して形成された金属膜であってもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、光反射部を原子セルの面に形成するので、量子干渉装置の小型化が容易になる。

［適用例４］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光反射部は、前記ガスセルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に付着した前記原子の集団の蒸気源となる固体原子の膜であってもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、原子セルに収容されている原子を利用して光反射部を形成するので、光反射部を別途設ける必要がなく、量子干渉装置の小型化が容易になる。

［適用例５］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記原子セルは、２つの三角形状の底面と３つの矩形状の側面を有する三角柱型であり、前記光発生部が発生させた光は、前記原子セルに第１の前記側面から入射し、第２の前記側面に形成され、又は当該第２の側面に対向して配置された前記光反射部で反射し、第３の前記側面から出射するようにしてもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、簡単な構成で、原子に、光反射部で反射する前の２光波と光反射部で反射した後の他の２光波を入射させることができる。

特に、前記原子セルは、前記２つの底面の形状がともに直角三角形であり、前記第１の側面と前記第３の側面が直交しているようにしてもよい。

このようにすれば、第１の側面（入射面）と直交する方向から原子セルに入射した光は、第２の側面に４５度の角度で入射して９０度反射し、第３の側面（出射面）と直交する方向に原子セルを出射する。従って、原子セルの任意の位置にある原子に、第１の側面と直交する方向に進行する２光波と第３の側面と直交する方向に進行する２光波が入射するので、ＥＩＴ発現効率を全体として向上させることができる。

［適用例６］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光発生部が発生させた光は、中心部が前記原子セルの入射面の重心と一致するように前記原子セルに入射するようにしてもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、原子に強度が比較的高い複数の２光波が入射するので、ＥＩＴ発現効率を高めることができる。

［適用例７］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光発生部が発生させた光の強度の半値全幅の１／２をｒ₀、前記原子セルの入射面の裏側の内壁面の重心と他の内壁面との最小距離をｒ_minとした時、ｒ₀≧ｒ_minであってもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、多くの原子にピーク値の半分以上の強度の複数の２光波が入射するので、ＥＩＴ発現効率を高めることができる。

［適用例８］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光発生部が発生させた光の強度の半値全幅の１／２をｒ₀、前記原子セルの入射面の裏側の内壁面の重心と他の内壁面との最小距離及び最大距離をそれぞれｒ_min及びｒ_maxとした時、ｒ_min≦ｒ₀≦ｒ_maxであってもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、ＥＩＴ発現効率を高めるとともに光発生部のパワー効率も比較的高く維持することができる。

［適用例９］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記光発生部は、周波数が異なる複数種類の前記２光波を発生させて前記原子セルに照射するようにしてもよい。

本適用例に係る量子干渉装置では、複数種類の２光波は、互いに周波数が異なるため、それぞれ速度の異なる原子に対する共鳴光対となる。そして、各原子には各２光波が複数の異なる方向から入射するので、ＥＩＴ現象を起こす原子の数を大幅に増やすことができる。従って、本適用例に係る量子干渉装置によれば、原子セルの容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を大幅に向上させることができる。

［適用例１０］
本適用例に係る原子発振器は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器であって、前記共鳴光対となり得る２光波を含む光を発生させる光発生部と、前記原子の集団を収容し、前記光発生部が発生させた光が入射する原子セルと、前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を含み、前記原子に、複数の前記２光波が異なる方向から入射する。

本適用例に係る原子発振器では、原子セルに収容されている原子に、複数の２光波が互いに異なる方向から入射するので、当該原子は、当該複数の２光波の進行方向のいずれかと同じ方向の速度成分が当該２光波の周波数に応じた速度と一致すれば、ＥＩＴ現象を起こす。従って、本適用例に係る原子発振器によれば、各原子がＥＩＴ現象を起こす確率が高くなり、原子セルの容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる。その結果、光検出部の検出信号のピークが高くかつ急峻になるので、この検出信号をプローブとすることで、極めて安定した周波数安定度で発振を維持することができる小型の原子発振器を実現することができる。

［適用例１１］
本適用例に係る電子機器は、上記の原子発振器を備える。

［適用例１２］
本適用例に係る量子干渉方法は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉方法であって、前記共鳴光対となり得る２光波を含む光を発生させ、原子セルに収容された前記原子に複数の前記２光波を異なる方向から照射し、前記原子セルを透過した光を検出する。

本適用例に係る量子干渉方法では、原子セルに収容されている原子に、複数の２光波を互いに異なる方向から照射するので、当該原子は、当該複数の２光波の進行方向のいずれかと同じ方向の速度成分が当該２光波の周波数に応じた速度と一致すれば、ＥＩＴ現象を起こす。従って、本適用例に係る量子干渉方法によれば、各原子がＥＩＴ現象を起こす確率が高くなり、原子セルの容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる。

原子発振器の構成例を示す図。 ＥＩＴ発現部の構造例を示す図。 ガスセルを示す図。 半導体レーザーの出射光の周波数スペクトラムの一例を示す概略図。 ＥＩＴ現象を起こす原子についての説明図。 半導体レーザーの出射光の強度の空間分布を示す概略図。 半導体レーザーの出射光のビーム径と原子セルの入射面との関係を示す図。 第２実施形態におけるＥＩＴ発現部の構造例を示す図。 第２実施形態におけるヒーターの配置の一例を示す図。 第３実施形態におけるＥＩＴ発現部の構造例を示す図。 第３実施形態においてＥＩＴ現象を起こす原子についての説明図。 第４実施形態におけるＥＩＴ発現部の構造例を示す図。 第４実施形態におけるガスセルを示す図。 第４実施形態においてＥＩＴ現象を起こす原子についての説明図。 第５実施形態の原子発振器の構成例を示す図。 第５実施形態における半導体レーザーの出射光の周波数スペクトラムの一例を示す概略図。 本実施形態の電子機器の模式図。 変形例における半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図。 アルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図。 ＥＩＴ信号の一例を示す概略図。 気体状のアルカリ金属原子集団の速度分布の概略図。 アルカリ金属原子の運動によるドップラー効果を考慮したエネルギー準位を模式的に示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

以下では、量子干渉装置の一例である原子発振器を例に挙げて説明する。

１．第１実施形態
１−１．機能構成
図１は、本実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図１に示すように、第１実施形態の原子発振器１は、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、変調回路１５０、低周波発振器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０、駆動回路２２０を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

半導体レーザー１１０（光発光部の一例）は、複数の２光波を含む光を発生させ、ガスセル１２０に照射する。半導体レーザーとしては、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどを用いることができる。特に、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、チップの上面に発光部を形成するので小型化に特に有利である。

ガスセル１２０（原子セルの一例）は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものであり、ガスセル１２０を透過した光は、光検出器１３０に入射する。

光検出器１３０（光検出部の一例）は、入射した光を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出器１３０として、フォトダイオード（ＰＤ：Photodiode）等が用いられる。

この半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０により、ＥＩＴ発現部１００（ＥＩＴ発現装置）が構成されている。図２は、本実施形態におけるＥＩＴ発現部１００の構造例を示す図であり、ＥＩＴ発現部１００を垂直方向に切断した断面図である。また、図３（Ａ）はガスセル１２０の斜視図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のガスセル１２０をＡ−Ａ’で切断した断面図である。

図２の例では、ＥＩＴ発現部１００は、半導体レーザー１１０（垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ））の発光面側にコリメートレンズ１０１とガスセル１２０が所定の間隔を設けて配置されている。

半導体レーザー１１０の発光面と反対側の面にはペルチェ素子１０３が設けられており、半導体レーザー１１０の温度が一定に保持されている。

ガスセル１２０は、底面（上面１２４と下面１２５）が直角三角形（望ましくは二等辺直角三角形）の三角柱型の透明な容器（例えばガラス容器）の中に気体状のアルカリ金属原子が封入されたものであり、矩形状の側面１２１（第１の側面）がコリメートレンズ１０１と対向するように配置されている。また、ガスセル１２０の矩形状の側面１２２（第２の側面）にはミラー１０２（光反射部の一例）が貼付されている。また、ガスセル１２０の矩形状の側面１２３（第３の側面）と対向する位置に光検出器１３０が設けられている。

半導体レーザー１１０が発生させた光は、コリメートレンズ１０２で平行光にされてガスセル１２０に側面１２１から入射する。すなわち、本実施形態では、側面１２１が入射面に相当する。ガスセル１２０に入射した光は、ミラー１０２で反射し、側面１２３から出射する。すなわち、本実施形態では、側面１２３が出射面に相当する。ガスセル１２０から出射した光は、光検出器１３０に入射する。

なお、図１では、コリメートレンズ１０１、ミラー１０２、ペルチェ素子１０３は図示を省略している。また、図１及び図２では、ガスセル１２０の内部に存在するアルカリ金属原子を気化させるためのヒーターも図示を省略している。

図１に示すように、光検出器１３０の出力信号は検波回路１４０と検波回路１７０に入力される。検波回路１４０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器１６０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。変調回路１５０は、検波回路１４０による同期検波を可能とするために、低周波発振器１６０の発振信号（検波回路１４０に供給される発振信号と同じ信号）を変調信号として検波回路１４０の出力信号を変調して駆動回路２２０に出力する。変調回路１５０は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）回路、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）回路等により実現することができる。

検波回路１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２００の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路１７０の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。

変調回路１９０は、検波回路１７０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２００の発振信号（検波回路１７０に供給される発振信号と同じ信号）を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の出力信号を変調する。変調回路１９０は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ）回路、振幅変調（ＡＭ）回路等により実現することができる。

周波数変換回路２１０は、一定の周波数変換率で変調回路１９０の出力信号を周波数変換して駆動回路２２０に出力する。周波数変換回路２１０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。

駆動回路２２０は、半導体レーザー１１０のバイアス電流を設定するとともに、変調回路１５０の出力信号に応じて当該バイアス電流を微調整して半導体レーザー１１０に供給する。すなわち、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、変調回路１５０、駆動回路２２０を通るフィードバックループ（第１のフィードバックループ）により、半導体レーザー１１０が発生させる光の中心波長λ₀（中心周波数ｆ₀）が微調整される。

具体的には、アルカリ金属原子の²Ｐ_3/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と²Ｓ_1/2のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₁（周波数ｆ₁）、アルカリ金属原子の²Ｐ_3/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と²Ｓ_1/2のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₂（周波数ｆ₂）に対して、中心波長λ₀が（λ₁＋λ₂）／２とほぼ一致する（中心周波数ｆ₀が（ｆ₁＋ｆ₂）／２とほぼ一致する）ように制御される。あるいは、アルカリ金属原子の²Ｐ_1/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と²Ｓ_1/2のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₁（周波数ｆ₁）、アルカリ金属原子の²Ｐ_1/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と²Ｓ_1/2のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₂（周波数ｆ₂）に対して、中心波長λ₀が（λ₁＋λ₂）／２とほぼ一致する（中心周波数ｆ₀が（ｆ₁＋ｆ₂）／２とほぼ一致する）ように制御されるようにしてもよい。

駆動回路２２０は、さらに、バイアス電流に、周波数変換回路２１０の出力周波数成分（変調周波数ｆ_m）の電流（変調電流）を重畳して半導体レーザー１１０に供給する。この変調電流により、半導体レーザー１１０に周波数変調がかかり、中心周波数ｆ₀の光とともに、その両側にそれぞれ周波数がｆ_mだけずれた周波数ｆ₀±ｆ_m、ｆ₀±２ｆ_m、・・・の光を発生させる。図４に、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトラムを示す。図４において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。

本実施形態では、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、周波数変換回路２１０、駆動回路２２０を通るフィードバックループ（第２のフィードバックループ）により、周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光がガスセル１２０に封入されているアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対となるように、すなわち、この２光波の周波数差２ｆ_mがΔＥ₁₂に相当する周波数ｆ₁₂と正確に一致するように微調整される。言い換えると、第２のフィードバックループにより、周波数変換回路２１０の出力周波数ｆ_mがｆ₁₂／２と正確に一致するように微調整される。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、ΔＥ₁₂に相当する周波数が９．１９２６３１７７０ＧＨｚなので、周波数変換回路２８０の出力信号の周波数が４．５９６３１５８８５ＧＨｚと一致した状態で安定する。

周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光からなる２光波は、ガスセル１２０に封入された原子のうち、当該２光波の進行方向（光の波数ベクトルの方向）の速度成分が所定値ｖ₀の原子にＥＩＴ現象を生じさせる共鳴光対となる。このｖ₀は、静止しているアルカリ金属原子の励起準位と２つの基底準位とのエネルギー差にそれぞれ相当する周波数をｆ₁₍₀₎及びｆ₂₍₀₎とした時、半導体レーザー１１０が発生させる光の中心周波数ｆ₀と（ｆ₁₍₀₎＋ｆ₂₍₀₎）／２との差に応じて決まる。ｆ₀＝（ｆ₁₍₀₎＋ｆ₂₍₀₎）／２であればｖ₀＝０、ｆ₀＞（ｆ₁₍₀₎＋ｆ₂₍₀₎）／２であればｖ₀＞０、ｆ₀＜（ｆ₁₍₀₎＋ｆ₂₍₀₎）／２であればｖ₀＜０である。

図５は、２光波と共鳴してＥＩＴ現象を起こす原子についての説明図であり、図４（Ｂ）と同じガスセル１２０の断面図である。

図５に示すように、ガスセル１２０の入射面（側面１２１）に入射する２光波の進行方向をｘ軸、当該２光波がミラー１０２で反射した後の進行方向をｙ軸、ｘ軸とｙ軸にともに直交する軸をｚ軸とすると、原子２ａには、ｘ軸方向に進行する２光波Ｑとｙ軸方向に進行する２光波Ｐが入射する。同様に、原子２ｂには、ｘ軸方向に進行する２光波Ｒとｙ軸方向に進行する２光波Ｐが入射し、原子２ｃには、ｘ軸方向に進行する２光波Ｒとｙ軸方向に進行する２光波Ｑが入射する。従って、原子２ａ，２ｂ，２ｃは、ｘ軸方向の速度成分ｖ_xが所定の速度ｖ₀に一致するか、ｙ軸方向の速度成分ｖ_yがｖ₀に一致すれば、ＥＩＴ現象を起こす。例えば、ｖ₀＝０であれば、原子２ａ，２ｂ，２ｃは、静止しているか、あるいは、ｘ軸又はｙ軸と直交する方向に動いていればＥＩＴ現象を起こす。

図５では、３つの２光波Ｐ，Ｑ，Ｒのみを図示しているが、実際には、半導体レーザー１１０の出射光には無数の２光波が含まれるから、ガスセル１２０のあらゆる位置にある原子に対して２方向から２光波が入射する。

従来のガスセルでは、各原子は１方向（ｘ軸方向）の２光波しか入射しないので、例えば、ｆ₀＝（ｆ₁₍₀₎＋ｆ₂₍₀₎）／２であれば、静止しているか、あるいは、ｘ軸と直交する方向に移動する原子しかＥＩＴ現象を起こさない。これに対して、本実施形態では、各原子に２方向（ｘ軸方向とｙ軸方向）の２光波が入射するため、静止しているか、ｘ軸又はｙ軸と直交する方向に移動する原子がＥＩＴ現象を起こす。つまり、従来と比較してＥＩＴ発現効率が２倍近くになる。従って、ピークが高く、かつ、線幅が狭い、極めて急峻なＥＩＴ信号（共鳴信号）が得られる。

上述した第２のフィードバックループにより、光検出器１３０の出力信号が、この極めて急峻なＥＩＴ信号のピーク付近になるようにロックがかかる。これにより、原子発振器１は、安定発振を維持し、極めて高い周波数安定度を実現することができる。

なお、ガスセル１２０に入射する光の強度によってもＥＩＴ発現効率が変わり、一般に、強度が高いほどＥＩＴ発現効率が高くなる。

図６は、半導体レーザー１１０の出射光の強度の空間分布を示す概略図である。図６において、横軸は、出射光の進行方向と直交する任意の軸上の位置（出射光の中心を原点とする）であり、縦軸は強度（パワー）である。図６に示すように、半導体レーザー１１０の出射光の強度の空間分布は、理想的には、中心の強度が最も高く、中心からの距離が遠くなるほど強度が低くなるガウス分布（正規分布）となる。本実施形態では、強度がピーク値Ｐ_maxの半分となる中心からの距離の２倍として定義される半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）の１／２を出射光のビーム径（半径）ｒ₀と定義する。

図７は、半導体レーザー１１０の出射光のビーム径と原子セル１２０の入射面（側面１２１）との関係を示した図である。本実施形態では、半導体レーザー１１０の出射光を、その中心部がガスセル１２０の入射面（側面１２１）の重心と一致するように、ガスセル１２０に入射させる。半導体レーザー１１０の出射光のビーム径ｒ₀（＝１／２×ＦＷＨＭ）を、ガスセル１２０の入射面（側面１２１）の裏側の内壁面の重心と他の内壁面（側面１２２、側面１２３、上面１２４、下面１２５の内壁面）との最小距離ｒ_min以上（ｒ₀≧ｒ_min）に設定すると、多くの原子にピーク値の半分以上の強度の２光波が２方向から入射するので、ＥＩＴ発現効率を比較的高くすることができる。

一方、半導体レーザー１１０の出射光のビーム径ｒ₀（＝１／２×ＦＷＨＭ）を、ガスセル１２０の入射面（側面１２１）の裏側の内壁面の重心と他の内壁面（側面１２２、側面１２３、上面１２４、下面１２５の内壁面）との最大距離ｒ_max以上（ｒ₀≧ｒ_max）に設定すると、すべての原子にピーク値の半分以上の強度の２光波が２方向から入射するので、ＥＩＴ発現効率をさらに高くすることができる。しかし、ピーク値の半分以上の強度の２光波の一部は、ガスセル１２０の外部に照射されることになるので、半導体レーザー１１０のパワー効率が低下する。また、半導体レーザー１１０の強度が高すぎると、パワーブロードニング効果により、ＥＩＴ信号の線幅が広くなってしまう。

そこで、ｒ_min≦ｒ₀≦ｒ_maxに設定することで、ＥＩＴ発現効率を比較的高くするとともに半導体レーザー１１０のパワー効率も比較的高く維持することができる。

以上に説明した第１実施形態の原子発振器では、ガスセル１２０を三角柱の形状とし、側面１２１から入射した各２光波がミラー１０２で反射して側面１２３から出射するので、各原子に２方向から異なる２光波が入射することになる。従って、本実施形態の原子発振器によれば、各原子がＥＩＴ現象を起こす確率が約２倍になり、ガスセル１２０の容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる。その結果、ＥＩＴ信号のピークがより高く急峻になり、極めて安定した周波数安定度で発振を維持することができる小型の原子発振器を実現することができる。

また、本実施形態の原子発振器によれば、ミラー１０２をガスセル１２０の側面１２２に貼付することで、ミラー１０２を配置するためのスペースがほとんど必要なく、小型化に有利である。

２．第２実施形態
第２実施形態の原子発振器は、ＥＩＴ発現部１００の構造が他の実施形態と異なる。第２実施形態の原子発振器の構成例は、図１と同様であるため、その図示及び説明を省略する。

図８は、第２実施形態におけるＥＩＴ発現部１００の構造例を示す図であり、ＥＩＴ発現部１００を垂直方向に切断した断面図である。図８において、図２と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図８に示すように、本実施形態では、半導体レーザー１１０、コリメートレンズ１０１、ガスセル１２０、光検出器１３０の配置は、第１実施形態（図２）と同じであるが、ミラー１０２は設けられていない。その代わりに、ガスセル１２０の側面１２２の内壁面に全体的にアルカリ金属膜２ｘ（光反射部の一例）が形成されている。このアルカリ金属膜２ｘは、気体状のアルカリ金属原子の元となる蒸気源であり、ガスセル１２０の側面１２２の温度を、アルカリ金属原子が気化しない程度の温度にすることで形成することができる。

本実施形態では、ガスセル１２０に入射した光は、アルカリ金属膜２ｘで反射してガスセル１２０から出射し、光検出器１３０に入射する。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、ガスセル１２０の側面１２２にアルカリ金属膜２ｘを形成するためのヒーターの配置の一例を示す図である。図９（Ａ）はガスセル１２０とヒーターの斜視図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のガスセル１２０とヒーターをＡ−Ａ’で切断した断面図である。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の例では、ガスセル１２０の入射面（側面１２１）と出射面（側面１２３）にそれぞれ透明導電膜（ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）が貼付されている。透明導電膜（ＩＴＯ）は、電流を流すことで発熱し、ヒーターとして機能する。透明導電膜（ＩＴＯ）が発熱すると、ガスセル１２０の内部に温度勾配が生じ、入射面（側面１２１）と出射面（側面１２３）の近くの温度が最も高くなり、側面１２２の近くの温度が最も低くなる。従って、透明導電膜（ＩＴＯ）に流す電流を調整し、その発熱量を制御することで、側面１２２の近くのみアルカリ金属原子が気化しない程度の温度にすることができる。これにより、ガスセル１２０の側面１２２の内壁面にのみ全体的にアルカリ金属膜２ｘを形成することができる。

なお、第２実施形態の原子発振器の動作は、第１実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

このように、第２実施形態の原子発振器では、ガスセル１２０を三角柱の形状とし、側面１２１から入射した各２光波がガスセル１２０の側面１２２に形成されたアルカリ金属膜２ｘで反射して側面１２３から出射するので、各原子に２方向から異なる２光波が入射することになる。従って、本実施形態の原子発振器によれば、各原子がＥＩＴ現象を起こす確率が約２倍になり、ガスセル１２０の容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる。その結果、ＥＩＴ信号のピークがより高く急峻になり、極めて安定した周波数安定度で発振を維持することができる小型の原子発振器を実現することができる。

また、本実施形態の原子発振器によれば、ガスセル１２０の内部に必ず存在する蒸気源を光反射部として兼用させるので、ミラー等の光反射部を別途設ける必要がなく、コストダウンや小型化に有利である。

３．第３実施形態
第３実施形態の原子発振器は、ＥＩＴ発現部１００の構造が他の実施形態と異なる。第３実施形態の原子発振器の構成例は、図１と同様であるため、その図示及び説明を省略する。

図１０は、第３実施形態におけるＥＩＴ発現部１００の構造例を示す図であり、ＥＩＴ発現部１００を垂直方向に切断した断面図である。図１０において、図２と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図１０に示すように、本実施形態では、コリメートレンズ１０１とガスセル１２０間に偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）１０７が設けられている。また、ガスセル１２０の側面１２３と対向する位置にミラー１０５が設けられており、側面１２３とミラー１０５の間に１／４波長板１０６が設けられている。さらに、光検出器１３０は、その検出面が、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７の反射面と４５度の角度を成し、かつ、ガスセル１２０の側面１２１と直交するように、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７に対向して配置されている。その他の構造は、第１実施形態（図２）と同様である。

半導体レーザー１１０が発生させた光は、コリメートレンズ１０２で平行光にされて偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７に入射する。

偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７は、入射光に含まれる２つの偏光成分（Ｘ偏光、Ｙ偏光）を分離する。偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７は、例えば、２つの三角プリズムを貼り合わせて構成され、反射面（２つの三角プリズムを貼り合わせた面）の法線と光の進行方向を含む面内に含まれる直線偏光（Ｐ偏光）を透過させ、Ｐ偏光と垂直な直線偏光（Ｓ偏光）を反射させる。そのため、本実施形態では、半導体レーザー１１０の出射光に含まれるＸ偏光とＹ偏光がそれぞれＰ偏光とＳ偏光となるように、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７の反射面の角度が調整されている。すなわち、Ｘ偏光のみが偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７を透過してガスセル１２０に側面１２１から入射する。

ガスセル１２０に入射した光（Ｘ偏光）は、ミラー１０２で反射して側面１２３から出射し、１／４波長板１０６を透過して円偏光となり、ミラー１０５で進行方向と逆方向に反射する。

ミラー１０５で反射した光（円偏光）は、１／４波長板１０６を透過して直線偏光となり、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７を透過してガスセル１２０に側面１２３から再び入射する。この直線偏光は、１／４波長板１０６を２回透過しているので、ガスセル１２０の側面１２３から出射したＸ偏光に対して、１８０度位相がずれたＹ偏光になっている。

ガスセル１２０に入射した光（Ｙ偏光）は、ミラー１０２で反射して側面１２１から出射し、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７に入射する。このＹ偏光は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７で反射され、検出器１３０に入射する。

なお、本実施形態では、ガスセル１２０の側面１２１が入射面と出射面に相当する。

図１１は、本実施形態において、２光波と共鳴してＥＩＴ現象を起こす原子についての説明図であり、図４（Ｂ）と同じガスセル１２０の断面図である。

図１１に示すように、ガスセル１２０の入射面（側面１２１）に入射する２光波の進行方向をｘ軸、当該２光波がミラー１０２で反射した後の進行方向をｙ軸、ｘ軸とｙ軸にともに直交する軸をｚ軸とすると、原子２ａには、ｘ軸のプラス方向に進行する２光波Ｑ、ｙ軸のプラス方向に進行する２光波Ｐ、ｘ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｑ、ｙ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｐが入射する。同様に、原子２ｂには、ｘ軸のプラス方向に進行する２光波Ｒ、ｙ軸のプラス方向に進行する２光波Ｐ、ｘ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｒ、ｙ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｐが入射する。同様に、原子２ｃには、ｘ軸のプラス方向に進行する２光波Ｒ、ｙ軸のプラス方向に進行する２光波Ｑ、ｘ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｒ、ｙ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｑが入射する。従って、原子２ａ，２ｂ，２ｃは、ｘ軸方向の速度成分ｖ_xが所定の速度ｖ₀又は−ｖ₀に一致するか、ｙ軸方向の速度成分ｖ_yがｖ₀又は−ｖ₀に一致すれば、ＥＩＴ現象を起こす。

図１１では、３つの２光波Ｐ，Ｑ，Ｒのみを図示しているが、実際には、半導体レーザー１１０の出射光には無数の２光波が含まれるから、ガスセル１２０のあらゆる位置にある原子に対して４方向から２光波が入射する。従って、本実施形態では、従来と比較してＥＩＴ発現効率が４倍近くになり、ピークが高く、かつ、線幅が狭い、極めて急峻なＥＩＴ信号が得られる。

このように、第３実施形態の原子発振器では、ガスセル１２０を三角柱の形状とし、側面１２１から入射した各２光波がミラー１０２で反射して側面１２３から出射し、ミラー１０５で反射してガスセル１２０に側面１２３から再び入射する。そして、ガスセル１２０に再び入射した光はミラー１０２で反射して側面１２１から出射するので、各原子に４方向から異なる２光波が入射することになる。従って、本実施形態の原子発振器によれば、各原子がＥＩＴ現象を起こす確率が約４倍になり、ガスセル１２０の容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる。その結果、ＥＩＴ信号のピークがより高く急峻になり、極めて安定した周波数安定度で発振を維持することができる小型の原子発振器を実現することができる。

なお、ｖ₀≠０の場合は、ｖ_x＝ｖ₀の原子、ｖ_x＝−ｖ₀の原子、ｖ_y＝ｖ₀の原子、ｖ_y＝−ｖ₀の原子の４種類の原子がＥＩＴ現象を起こすのに対し、ｖ₀＝０の場合は、ｖ_x＝０の原子とｖ_y＝０の原子の２種類の原子のみがＥＩＴ現象を起こす。後者の場合は、前者の場合に対して、ＥＩＴ現象を起こす原子が半分に減るが、各原子がＥＩＴ現象を起こす回数は２倍になるため、全体としてのＥＩＴ発現効率は変わらない。ただし、後者の場合は、前者の場合に対して、ＥＩＴ現象を起こす各原子から見た入射光の強度が２倍になるため、パワーブロードニング効果により、ＥＩＴ信号の線幅が広がってしまうと考えられる。そのため、ｖ₀≠０にした方が、より急峻なＥＩＴ信号が得られる可能性がある。ｖ₀≠０にするためには、半導体レーザー１１０が発生させる光の中心周波数ｆ₀がｆ₀≠（ｆ₁₍₀₎＋ｆ₂₍₀₎）／２になるように、バイアス電流の設定値を調整すればよい。

４．第４実施形態
第４実施形態の原子発振器は、ＥＩＴ発現部１００の構造が他の実施形態と異なる。第４実施形態の原子発振器の構成例は、図１と同様であるため、その図示及び説明を省略する。

図１２は、第４実施形態におけるＥＩＴ発現部１００の構造例を示す図であり、ＥＩＴ発現部１００を垂直方向に切断した断面図である。図１２において、図１０と同じ構成要素には同じ符号を付している。また、図１３（Ａ）はガスセル１２０の斜視図であり、図１３（Ｂ）は、図１３（Ａ）のガスセル１２０をＡ−Ａ’で切断した断面図である。

図１３（Ａ）及び図１３（Ｂ）に示すように、ガスセル１２０は、面１２１と面１２３を底面とする円柱型の透明な容器（例えばガラス容器）の中に気体状のアルカリ金属原子が封入されたものである。

図１２に示すように、ガスセル１２０は、円形状の底面１２１がコリメートレンズ１０１と対向するように配置されている。また、ガスセル１２０の円形状の底面１２３と対向する位置にミラー１０５が設けられており、底面１２３とミラー１０５の間に１／４波長板１０６が設けられている。その他の構造は、第３実施形態（図１０）と同様である。

半導体レーザー１１０が発生させた光は、コリメートレンズ１０２で平行光にされて偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７に入射し、Ｘ偏光のみが偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７を透過してガスセル１２０に底面１２１から入射する。

ガスセル１２０に入射した光（Ｘ偏光）は、底面１２３から出射し、１／４波長板１０６を透過して円偏光となり、ミラー１０５で進行方向と逆方向に反射する。

ミラー１０５で反射した光（円偏光）は、１／４波長板１０６を透過して直線偏光となり、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７を透過してガスセル１２０に底面１２３から再び入射する。この直線偏光は、１／４波長板１０６を２回透過しているので、ガスセル１２０の底面１２３から出射したＸ偏光に対して、１８０度位相がずれたＹ偏光になっている。

ガスセル１２０に入射した光（Ｙ偏光）は、底面１２１から出射し、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７に入射する。このＹ偏光は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１０７で反射され、検出器１３０に入射する。

なお、本実施形態では、ガスセル１２０の底面１２１が入射面と出射面に相当する。

図１４は、本実施形態において、２光波と共鳴してＥＩＴ現象を起こす原子についての説明図であり、図１３（Ｂ）と同じガスセル１２０の断面図である。

図１４に示すように、ガスセル１２０の入射面（底面１２１）に入射する２光波の進行方向をｘ軸、ｘ軸と直交する任意の軸をｙ軸、ｘ軸とｙ軸にともに直交する軸をｚ軸とすると、原子２ａには、ｘ軸のプラス方向に進行する２光波Ｐとｘ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｐが入射する。同様に、原子２ｂには、ｘ軸のプラス方向に進行する２光波Ｑ、とｘ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｑが入射する。同様に、原子２ｃには、ｘ軸のプラス方向に進行する２光波Ｒとｘ軸のマイナス方向に進行する２光波Ｒが入射する。従って、原子２ａ，２ｂ，２ｃは、ｘ軸方向の速度成分ｖ_xが所定の速度ｖ₀又は−ｖ₀に一致すれば、ＥＩＴ現象を起こす。

図１４では、３つの２光波Ｐ，Ｑ，Ｒのみを図示しているが、実際には、半導体レーザー１１０の出射光には無数の２光波が含まれるから、ガスセル１２０のあらゆる位置にある原子に対して２方向から２光波が入射する。従って、本実施形態では、従来と比較してＥＩＴ発現効率が２倍近くになり、ピークが高い急峻なＥＩＴ信号が得られる。

このように、第４実施形態の原子発振器では、ガスセル１２０を円柱の形状とし、底面１２１から入射して底面１２３から出射した各２光波がミラー１０５で反射してガスセル１２０に底面１２３から再び入射する。そして、ガスセル１２０に再び入射した光は底面１２１から出射するので、各原子に２方向から異なる２光波が入射することになる。従って、本実施形態の原子発振器によれば、各原子がＥＩＴ現象を起こす確率が約２倍になり、ガスセル１２０の容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を向上させることができる。その結果、ＥＩＴ信号のピークがより高く急峻になり、極めて安定した周波数安定度で発振を維持することができる小型の原子発振器を実現することができる。

なお、ｖ₀≠０の場合は、ｖ_x＝ｖ₀の原子とｖ_x＝−ｖ₀の原子の２種類の原子がＥＩＴ現象を起こすのに対し、ｖ₀＝０の場合は、ｖ_x＝０の原子の１種類の原子のみがＥＩＴ現象を起こす。後者の場合は、前者の場合に対して、ＥＩＴ現象を起こす原子が半分に減るが、各原子がＥＩＴ現象を起こす回数は２倍になるため、全体としてのＥＩＴ発現効率は変わらない。ただし、後者の場合は、前者の場合に対して、ＥＩＴ現象を起こす各原子から見た入射光の強度が２倍になるため、パワーブロードニング効果により、ＥＩＴ信号の線幅が広がってしまうと考えられる。そのため、ｖ₀≠０にした方が、より急峻なＥＩＴ信号が得られる可能性がある。ｖ₀≠０にするためには、半導体レーザー１１０が発生させる光の中心周波数ｆ₀がｆ₀≠（ｆ₁₍₀₎＋ｆ₂₍₀₎）／２になるように、バイアス電流の設定値を調整すればよい。

５．第５実施形態
第５実施形態の原子発振器は、半導体レーザー１１０が発生させる光が他の実施形態と異なる。図１５は、第５実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図１５において、図１と同じ構成要素には同じ符号を付している。図１５に示すように、第５実施形態の原子発振器１は、第１実施形態と同様の構成要素に加えて、周波数変換回路２３０と変調回路２４０が追加されている。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図１５の構成要素（各部）の一部を省略又は変更したり、他の構成要素を付加した構成としてもよい。

周波数変換回路２３０は、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振信号を周波数Δωの信号に変換する。Δωは、例えば、１ＭＨｚ程度の周波数であり、周波数変換回路２３０は、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振信号（例えば、数ＭＨｚ〜数ＭＨｚ〜数１０ＭＨ程度の発振信号）を分周する分周回路として実現してもよい。

変調回路２４０は、周波数変換回路２３０の出力信号によって周波数変換回路２１０の出力信号を変調する（周波数変換回路２１０出力信号によって周波数変換回路２３０の出力信号を変調させてもよい）。変調回路２４０は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ）回路、振幅変調（ＡＭ）回路等により実現することができる。

駆動回路２２０は、第１のフィードバックループにより調整されるバイアス電流に、周変調回路２４０の出力周波数成分（ｆ_mとΔω）の電流（変調電流）を重畳して半導体レーザー１１０に供給する。この変調電流により、半導体レーザー１１０に周波数変調がかかり、中心周波数ｆ₀の光とともに、その両側にそれぞれ周波数がｆ_mだけずれた周波数ｆ₀±ｆ_m、ｆ₀±２ｆ_m、・・・の光を発生させる。さらに、周波数ｆ₀、ｆ₀±ｆ_m、ｆ₀±２ｆ_m、・・・の光の両側にΔωずつ異なる周波数の光が発生する。図１６に、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトラムを示す。図１６において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。

本実施形態では、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、周波数変換回路２１０周波数変換回路２３０、変調回路２４０、駆動回路２２０を通るフィードバックループ（第２のフィードバックループ）により、周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光の周波数差２ｆ_mがΔＥ₁₂に相当する周波数ｆ₁₂と正確に一致するように微調整される。言い換えると、第２のフィードバックループにより、周波数変換回路２１０の出力周波数ｆ_mがｆ₁₂／２と正確に一致するように微調整される。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、ΔＥ₁₂に相当する周波数が９．１９２６３１７７０ＧＨｚなので、周波数変換回路２８０の出力信号の周波数が４．５９６３１５８８５ＧＨｚと一致した状態で安定する。

これにより、周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光は、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対となる。また、周波数ｆ₀＋ｆ_m＋ｎ×Δωの光と周波数ｆ₀−ｆ_m＋ｎ×Δωの光（ｎ＝１，２，・・・）も共鳴光対となり、周波数ｆ₀＋ｆ_m−ｎ×Δωの光と周波数ｆ₀−ｆ_m−ｎ×Δωの光（ｎ＝１，２，・・・）も共鳴光対となる。

第５実施形態の原子発振器の他の構成は、図１と同様であるため、その説明を省略する。なお、ＥＩＴ発現部１００は、他の実施形態のいずれの構造であってもよい。

このように、本実施形態の原子発振器では、半導体レーザー１１０が発生させる複数種類の２光波は、互いに周波数が異なるため、それぞれ速度の異なるアルカリ金属原子に対する共鳴光対となる。そして、各原子には各２光波が複数の異なる方向から入射するので、ＥＩＴ現象を起こす原子の数を大幅に増やすことができる。従って、本実施形態の原子発振器によれば、ガスセル１２０の容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を大幅に向上させることができる。その結果、ＥＩＴ信号のピークがより高く急峻になり、極めて安定した周波数安定度で発振を維持することができる小型の原子発振器を実現することができる。

６．電子機器
図１７に、本実施形態の原子発振器を搭載した電子機器（携帯端末）の模式図を示す。図１７において、携帯端末５００（ＰＨＳを含む）は、複数の操作ボタン５０２、受話口５０４及び送話口５０６を備え、操作ボタン５０２と受話口５０４との間には表示部５０８が配置されている。最近では、このような携帯端末５００においてもＧＰＳ機能を備えている。そこで、携帯端末５００には、ＧＰＳ回路のクロック源として本実施形態の原子発振器が内蔵されている。

７．変形例
本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

［変形例１］
本実施形態の原子発振器では、三角柱型又は円柱型のガスセル１２０を用いているが、ガスセル１２０は、任意の立体形状であってもよい。例えば、ガスセル１２０をより複雑な立体形状にし、ガスセル１２０の周辺に複数のミラーを配置して、各原子により多くの方向から異なる２光波が入射するようにしてもよい。

［変形例２］
第１実施形態又は第３実施形態の原子発振器において、ＥＩＴ発現部１００に含まれるミラー１０２はガスセル１２０の側面１２２の内壁面に形成されていてもよい。あるいは、ミラー１０２はガスセル１２０の側面１２２と対向させてガスセル１２０の外部に別途配置してもよい。

［変形例３］
本実施形態の原子発振器において、半導体レーザー１１０の中心波長λ₀（中心周波数ｆ₀）が、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の²Ｐ_1/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と²Ｓ_1/2のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₂（周波数ｆ₂）にほぼ一致するようにバイアス電流を設定するとともに、周波数変換回路２１０が変調回路１９０の出力信号をΔＥ₁₂に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。あるいは、本実施形態の原子発振器１において、半導体レーザー１１０の中心波長λ₀（中心周波数ｆ₀）が、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の²Ｐ_1/2のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と²Ｓ_1/2のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ₁（周波数ｆ₁）にほぼ一致するようにバイアス電流を設定するとともに、周波数変換回路２１０が変調回路１９０の出力信号をΔＥ₁₂に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。

図１８（Ａ）は、前者のケースの半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図であり、図１８（Ｂ）は、後者のケースの半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図１８（Ａ）及び図１８（Ｂ）において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。図１８（Ａ）の場合は、周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀の光の周波数差ｆ_mがΔＥ₁₂に相当する周波数に等しく、かつ、ｆ₀＋ｆ_mがｆ₁にほぼ等しく、かつ、ｆ₀がｆ₂にほぼ等しいので、周波数ｆ₀＋ｆ_mの光と周波数ｆ₀の光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。一方、図１８（Ｂ）の場合は、周波数ｆ₀の光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光の周波数差ｆ_mがΔＥ₁₂に相当する周波数にほぼ等しく、かつ、ｆ₀がｆ₁にほぼ等しく、かつ、ｆ₀−ｆ_mがｆ₂にほぼ等しいので、周波数ｆ₀の光と周波数ｆ₀−ｆ_mの光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。

［変形例４］
本実施形態の原子発振器を電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）を用いた構成に変形してもよい。すなわち、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路２１０の出力信号（変調信号）による変調がかけられず、設定されたバイアス電流に応じた単一周波数ｆ₀の光を発生させる。この周波数ｆ₀の光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）に入射し、周波数変換回路２１０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。その結果、図４と同様の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。そして、この電気光学変調器（ＥＯＭ）が発生させる光がガスセル１２０に照射される。この原子発振器では、半導体レーザー１１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）による構成が光発生部に相当する。

なお、電気光学変調器（ＥＯＭ）の代わりに、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を用いてもよい。

８．応用例
本実施形態又は変形例の原子発振器の構成は、共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる様々な量子干渉装置に応用することができる。量子干渉装置とは、原子の量子干渉状態を利用するすべての装置であり、本実施形態で説明したＥＩＴ発現部（ＥＩＴ発現装置）も量子干渉装置に含まれる。

［応用例１］
例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、ガスセル１２０の周辺の磁場の変化に追従して電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が変化するため、ガスセル１２０の近傍に磁気測定対象物を配置することで磁気センサー（量子干渉装置の一例）を実現することができる。

［応用例２］
また、例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、極めて安定した金属原子の量子干渉状態（量子コヒーレンス状態）を作り出すことができるので、ガスセル１２０に入射する共鳴光対を取り出すことで、量子コンピュータ、量子メモリー、量子暗号システム等の量子情報機器に用いる光源（量子干渉装置の一例）を実現することもできる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１ 原子発振器、２ａ，２ｂ，２ｃ アルカリ金属原子、２ｘ アルカリ金属膜、１００ ＥＩＴ発現部（ＥＩＴ発現装置）、１０１ コリメートレンズ、１０２ ミラー、１０３ ペルチェ素子、１０４ 透明導電膜（ＩＴＯ）、１０５ ミラー、１０６ １／４波長板、１０７ 偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、１１０ 半導体レーザー、１２０ ガスセル、１２１，１２２，１２３，１２４，１２５ 面、１３０ 光検出器、１４０ 検波回路、１５０ 変調回路、１６０ 低周波発振器、１７０ 検波回路、１８０ 電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１９０ 変調回路、２００ 低周波発振器、２１０ 周波数変換回路、２２０ 駆動回路、２３０ 周波数変換回路、２４０ 変調回路、５００ 携帯端末、５０２ 操作ボタン、５０４ 受話口、５０６ 送話口、５０８ 表示部

Claims (12)

1. 共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、
   前記共鳴光対となり得る２光波を含む光を発生させる光発生部と、
   前記原子の集団を収容し、前記光発生部が発生させた光が入射する原子セルと、
   前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を含み、
   前記原子に、複数の前記２光波が異なる方向から入射する、量子干渉装置。
2. 請求項１において、
   前記光発生部が発生させた光を反射する光反射部を含み、
   前記原子に、前記光反射部で反射する前の前記２光波と前記光反射部で反射した後の他の前記２光波が入射する、量子干渉装置。
3. 請求項２において、
   前記光反射部は、
   前記原子セルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に形成されている、量子干渉装置。
4. 請求項２において、
   前記光反射部は、
   前記ガスセルの入射面及び出射面のいずれとも異なる面に付着した前記原子の集団の蒸気源となる固体原子の膜である、量子干渉装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項において、
   前記原子セルは、
   ２つの三角形状の底面と３つの矩形状の側面を有する三角柱型であり、
   前記光発生部が発生させた光は、
   前記原子セルに第１の前記側面から入射し、第２の前記側面に形成され、又は当該第２の側面に対向して配置された前記光反射部で反射し、第３の前記側面から出射する、量子干渉装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項において、
   前記光発生部が発生させた光は、
   中心部が前記原子セルの入射面の重心と一致するように前記原子セルに入射する、量子干渉装置。
7. 請求項６において、
   前記光発生部が発生させた光の強度の半値全幅の１／２をｒ₀、前記原子セルの入射面の裏側の内壁面の重心と他の内壁面との最小距離をｒ_minとした時、ｒ₀≧ｒ_minである、量子干渉装置。
8. 請求項６において、
   前記光発生部が発生させた光の強度の半値全幅の１／２をｒ₀、前記原子セルの入射面の裏側の内壁面の重心と他の内壁面との最小距離及び最大距離をそれぞれｒ_min及びｒ_maxとした時、ｒ_min≦ｒ₀≦ｒ_maxである、量子干渉装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項において、
   前記光発生部は、
   周波数が異なる複数種類の前記２光波を発生させて前記原子セルに照射する、量子干渉装置。
10. 共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器であって、
    前記共鳴光対となり得る２光波を含む光を発生させる光発生部と、
    前記原子の集団を収容し、前記光発生部が発生させた光が入射する原子セルと、
    前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を含み、
    前記原子に、複数の前記２光波が異なる方向から入射する、原子発振器。
11. 請求項１０に記載の原子発振器を備えた、電子機器。
12. 共鳴光対によって原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉方法であって、
    前記共鳴光対となり得る２光波を含む光を発生させ、
    原子セルに収容された前記原子に複数の前記２光波を異なる方向から照射し、
    前記原子セルを透過した光を検出する、量子干渉方法。

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