JP2015119444A - 量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から出射した光が各部で反射されて光源に入射するのを抑制することができ、優れた周波数安定性を有する量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を提供すること。
【解決手段】本発明の量子干渉装置は、金属原子が封入されているガスセル３１と、金属原子に共鳴するための励起光ＬＬを出射する光出射部２１と、ガスセル３１と光出射部２１との間に設けられたＮＤフィルター４１と、を備えている。また、ＮＤフィルター４１のガスセル３１側の面である第２の面４１２は、光出射部２１とガスセル３１とを結ぶ線分に対して傾斜している。ガスセル３１で反射した励起光ＬＬの一部は、ＮＤフィルター４１の第２の面４１２で反射するため、光出射部２１に入射するのが抑制されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。

長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別されるが、量子干渉効果を利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器よりも小型化できることから、近年、様々な機器への搭載が期待されている。

量子干渉効果を利用した原子発振器は、例えば、特許文献１に開示されているように、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、ガスセル中の金属原子に周波数の異なる２種の共鳴光を含むレーザー光を照射する光出射部（光源）と、ガスセルを透過したレーザー光を検出する光検出部と、光出射部とガスセルとの間に設けられた光学部品とを備えている。そして、このような原子発振器では、２種類の共鳴光の周波数差が特定の値のときに２種類の共鳴光の双方がガスセル内の金属原子に吸収されずに透過する電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparensy）現象を生じるが、そのＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を光検出器で検出する。

一般的に、光検出部に向ったレーザー光は、大半は光検出部に入射するが、一部が光検出部にて反射されて、反射光として光出射部に向う。反射光は、ガスセルに入射すると、共鳴信号のＳＮ比の低下や共鳴コントラストの低下を招くおそれがある。
そこで、特許文献１に記載の原子発振器では、反射光がガスセルに入射することによる原子発振器の特性低下を抑制すべく、光量減少手段としての光アイソレーターが設けられている。この光アイソレーターは、ガスセルと光検出部との間に設けられており、ガスセルに入射される反射光の光量を減衰させて、原子発振器の特性低下を抑制している。
しかしながら、光出射部から出射したレーザー光は、ガスセルに入射する際にも反射する。このため、ガスセルで反射した反射光は、そのまま光出射部に入射するおそれがある。この反射光が光出射部に入射すると、光出射部から出射するレーザー光の周波数が不安定になる。その結果、原子発振器の周波数安定性が低下するという問題がある。

特開２０１０−２８３６４１号公報

本発明の目的は、光源から出射した光が各部で反射されて光源に入射するのを抑制することができ、優れた周波数安定性を有する量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。

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］
本発明の量子干渉装置は、金属原子が封入されているガスセルと、
前記金属原子に共鳴光対を含む光を出射する光源と、
前記ガスセルと前記光源との間に設けられている光学素子と、を備え、
前記光学素子の前記ガスセル側の面は、前記光源と前記ガスセルとを結ぶ線分に対して傾斜していることを特徴とする。

光源から出射した光の一部が、例えばガスセルで反射して光源に向う場合がある。しかしながら、ガスセルと光源との間に設けられた光学素子のガスセル側の面が、光源とガスセルとを結ぶ線分に対して傾斜している。これにより、ガスセルで反射して光源に向う光は、光学素子のガスセル側の面で反射する。よって、ガスセルで反射して光源に向う光が光源に入射するのを抑制することができる。その結果、ガスセルで反射して光源に向う光が光源に入射することによる光源の周波数安定性の低下を抑制することができる。したがって、本発明の量子干渉装置は、優れた周波数安定性を有する。

［適用例２］
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子の前記光源側の面は、前記光源と前記ガスセルとを結ぶ線分に対して傾斜しているのが好ましい。
これにより、ガスセルで反射して光源に向う光のうち、光学素子のガスセル側の面で反射されず、光源に向う光を、光学素子の光源側の面で反射させることができる。よって、ガスセルで反射して光源に向う光が光源に入射するのをより効果的に抑制することができる。

［適用例３］
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子は、減光フィルターであるのが好ましい。
これにより、ガスセルで反射して光源に向う光のうち、光学素子のガスセル側の面で反射されず、光源に向う光の光量を減衰させることができる。
［適用例４］
本発明の量子干渉装置では、前記光源と前記ガスセルとの間には、前記光学素子を含む光学素子群が配置されており、
前記光学素子は、前記光学素子群の中で最も前記光源側に配置されているのが好ましい。
これにより、光学素子群が設けられている分、原子発振器の発振特性を高めることができるとともに、光学素子群のうちの光学素子以外の光学部品で、反射した光が光源に入射するのを抑制することができる。

［適用例５］
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子の前記ガスセル側の面の、前記光源と前記ガスセルとを結ぶ線分に対する傾斜角度θ１は、８０°以下であるのが好ましい。
これにより、本発明の効果を顕著に発揮することができる。
［適用例６］
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子の前記光源側の面の、前記光源と前記ガスセルとを結ぶ線分に対する傾斜角度θ２は、前記光源から出射した光の放射角度θ３よりも大きいのが好ましい。
これにより、光源から出射した放射状の光が、光学素子の光源側の面で反射して光源に入射するのを抑制することができる。

［適用例７］
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子は、前記ガスセル側の面と、前記光源側の面とが平行な部分を有するのが好ましい。
これにより、光学素子の製造が容易になる。
［適用例８］
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子の前記ガスセル側の面は、前記光学素子の前記光源側の面に対して傾斜しているのが好ましい。
これにより、光学素子の光源側の面およびガスセル側の面の傾斜角度を適宜設定することができる。

［適用例９］
本発明の原子発振器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた原子発振器を提供することができる。
［適用例１０］
本発明の電子機器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた電子機器を提供することができる。
［適用例１１］
本発明の移動体は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、信頼性に優れた移動体を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。 アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。 光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。 図１に示す原子発振器（量子干渉装置）の斜視図である。 図１に示す原子発振器が備える光出射部およびガスセル部を説明するための模式図である。 図１に示す原子発振器が備える光学素子群を説明するための模式図である。 図６中の第１ユニットおよび光学素子を示す拡大詳細図である。 本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）が備える第１ユニットおよび光学素子を示す拡大詳細図である。 ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器（量子干渉装置）を用いた場合の概略構成を示す図である。 本発明の移動体の一例を示す図である。

以下、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．原子発振器（量子干渉装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の量子干渉装置を備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。また、図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図、図３は、光出射部から出射される２つの光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。

図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。
この原子発振器１は、図１に示すように、光出射側のユニットである第１ユニット（光源）２と、光検出側のユニットである第２ユニット３と、第１ユニット２および第２ユニット３を制御する制御部６と、第１ユニット２および第２ユニット３の間に設けられた光学部品群（光学素子群）４と、を備える。

ここで、第１ユニット２は、光出射部２１と、光出射部２１を収納する第１パッケージ２２とを備える。
また、第２ユニット３は、ガスセル３１と、光検出部３２と、ヒーター３３と、温度センサー３４と、コイル３５と、これらを収納する第２パッケージ３６と、第２パッケージ３６を収納する磁気シールド３８とを備える。
また、光学部品群４は、ＮＤフィルター４１と、レンズ４２と、偏光フィルター４３とを備える。

まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
図１に示すように、原子発振器１では、光出射部２１がガスセル３１に向けて励起光ＬＬを出射し、ガスセル３１を透過した励起光ＬＬを光検出部３２が検出する。
ガスセル３１内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。

光出射部２１から出射された励起光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光１、２を含んでおり、この２種の共鳴光１、２を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２は、いずれも、アルカリ金属に吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。

例えば、光出射部２１が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２とのエネルギー差に相当する周波数ω０に一致したとき、光検出部３２の検出強度は、図３に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、このようなＥＩＴ信号を用いることにより、発振器を構成することができる。

以下、本実施形態の原子発振器１の具体的な構成について説明する。
図４は、図１に示す原子発振器（量子干渉装置）の斜視図、図５は、図１に示す原子発振器が備える光出射部およびガスセル部を説明するための模式図、図６は、図１に示す原子発振器が備える光学素子群を説明するための模式図、図７は、図６中の第１ユニットおよび光学素子を示す拡大詳細図である。なお、以下では、図５〜図７の上側を「上」、図５の下側を「下」ともいう。また、図４〜図６では、理解を容易にするため、励起光ＬＬの主光線（光軸）のみを図示している（図８についても同様）。

以下、原子発振器１の各部を順次詳細に説明する。
（第１ユニット）
前述したように、第１ユニット２は、光出射部２１と、光出射部２１を収納する第１パッケージ２２とを備える。
［光出射部］
光出射部２１は、ガスセル３１中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する機能を有する。

より具体的には、光出射部２１は、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を含む光を励起光ＬＬとして出射するものである。
共鳴光１の周波数ω１は、ガスセル３１中のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態に励起（共鳴）し得るものである。
また、共鳴光２の周波数ω２は、ガスセル３１中のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態に励起（共鳴）し得るものである。

この光出射部２１としては、前述したような励起光ＬＬを出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等を用いることができる。
また、このような光出射部２１は、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。

［第１パッケージ］
第１パッケージ２２は、前述した光出射部２１を収納する。
この第１パッケージ２２は、図４に示すように、外形形状がブロック状をなす筐体で構成されている。また、第１パッケージ２２からは、例えば、複数のリード（図示せず）が突出しており、これらは、配線を介して光出射部２１に電気的に接続されている。そして、前記各リードは、図示しないコネクター等で配線基板と電気的に接続されている。このコネクターとしては、例えば、フレキシブル基板や、ソケット状をなすもの等を用いることができる。

また、第１パッケージ２２の第２ユニット３側の壁部には、窓部２３が設けられている。この窓部２３は、ガスセル３１と光出射部２１との間の光軸（励起光ＬＬの光軸）ａ上に設けられている。そして、窓部２３は、前述した励起光ＬＬに対して透過性を有する。
なお、窓部２３は、励起光ＬＬに対する透過性を有するものであれば、特に限定されず、例えば、レンズであってもよく、例えば、単なる光透過性の板状部材のようなレンズ以外の光学部品であってもよい。
このような第１パッケージ２２の窓部２３以外の部分の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス、金属、樹脂等を用いることができる。

ここで、第１パッケージ２２の窓部２３以外の部分が励起光に対して透過性を有する材料で構成されている場合、第１パッケージ２２の窓部２３以外の部分と窓部２３と一体的に形成することができる。また、第１パッケージ２２の窓部２３以外の部分が励起光に対して透過性を有しない材料で構成されている場合、第１パッケージ２２の窓部２３以外の部分と窓部２３とを別体で形成し、これらを公知の接合方法により接合すればよい。

また、第１パッケージ２２内が気密空間であることが好ましい。これにより、第１パッケージ２２内を減圧状態または不活性ガス封入状態とすることができ、その結果、原子発振器１の特性を向上させることができる。
また、第１パッケージ２２内には、光出射部２１の温度を調節する温度調節素子や温度センサー等が収納されている（図示せず）。かかる温度調節素子としては、例えば、発熱抵抗体（ヒーター）、ペルチェ素子等が挙げられる。
このような第１パッケージ２２によれば、光出射部２１から第１パッケージ２２外への励起光の出射を許容しつつ、光出射部２１を第１パッケージ２２内に収納することができる。

（第２ユニット）
前述したように、第２ユニット３は、ガスセル３１と、光検出部３２と、ヒーター３３と、温度センサー３４と、コイル３５と、これらを収納する第２パッケージ３６と、第２パッケージ３６を収納する磁気シールド３８とを備える。
［ガスセル］
ガスセル３１内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属が封入されている。また、ガスセル３１内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。

例えば、ガスセル３１は、図５に示すように、柱状の貫通孔３１１ａを有する本体部３１１と、その貫通孔３１１ａの両開口を封鎖する１対の窓部３１２、３１３とを有する。これにより、前述したようなアルカリ金属が封入される内部空間Ｓが形成されている。
本体部３１１を構成する材料としては、特に限定されず、金属材料、樹脂材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や窓部３１２、３１３との接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。

このような本体部３１１には、窓部３１２、３１３が気密的に接合されている。これにより、ガスセル３１の内部空間Ｓを気密空間とすることができる。
本体部３１１と窓部３１２、３１３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。

また、窓部３１２、３１３を構成する材料としては、前述したような励起光ＬＬに対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、シリコン材料、ガラス材料、水晶等が挙げられる。
このような各窓部３１２、３１３は、前述した光出射部２１からの励起光ＬＬに対する透過性を有している。そして、一方の窓部３１２は、ガスセル３１内へ入射する励起光ＬＬが透過するものであり、他方の窓部３１３は、ガスセル３１内から出射した励起光ＬＬが透過するものである。
また、ガスセル３１は、ヒーター３３により加熱され、所定温度に温度調節される。

［光検出部］
光検出部３２は、ガスセル３１内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
この光検出部３２としては、上述したような励起光を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）を用いることができる。

［ヒーター］
ヒーター３３は、前述したガスセル３１（より具体的にはガスセル３１中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、ガスセル３１中のアルカリ金属を所望濃度のガス状に維持することができる。
このヒーター３３は、通電により発熱するものであり、例えば、ガスセル３１の外表面上に設けられた発熱抵抗体で構成されている。このような発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成される。

ここで、かかる発熱抵抗体は、ガスセル３１の励起光ＬＬの入射部または出射部に設けられる場合、励起光に対する透過性を有する材料、具体的には、例えば、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、Ｉｎ_３Ｏ_３、ＳｎＯ_２、Ｓｂ含有ＳｎＯ_２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成される。

なお、ヒーター３３は、ガスセル３１を加熱することができるものであれば、特に限定されず、ガスセル３１に対して非接触であってもよい。また、ヒーター３３に代えて、または、ヒーター３３と併用して、ペルチェ素子を用いて、ガスセル３１を加熱してもよい。
このようなヒーター３３は、後述する制御部６の温度制御部６２に電気的に接続され、通電制御される。

［温度センサー］
温度センサー３４は、ヒーター３３またはガスセル３１の温度を検出するものである。そして、この温度センサー３４の検出結果に基づいて、前述したヒーター３３の発熱量が制御される。これにより、ガスセル３１内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。

なお、温度センサー３４の設置位置は、特に限定されず、例えば、ヒーター３３上であってもよいし、ガスセル３１の外表面上であってもよい。
温度センサー３４としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
このような温度センサー３４は、図示しない配線を介して、後述する制御部６の温度制御部６２に電気的に接続されている。

［コイル］
コイル３５は、通電により、内部空間Ｓに励起光ＬＬの光軸ａに沿った方向（平行な方向）の磁場を発生させる機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、内部空間Ｓに存在するアルカリ金属の原子の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。
なお、コイル３５が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。

このコイル３５の設置位置は、特に限定されず、図示しないが、例えば、ソレノイド型を構成するようにガスセル３１の外周に沿って巻回して設けられていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように１対のコイルをガスセル３１を介して対向させてもよい。
このコイル３５は、図示しない配線を介して、後述する制御部６の磁場制御部６３に電気的に接続されている。これにより、コイル３５に通電を行うことができる。

［第２パッケージ］
第２パッケージ３６は、外形形状がブロック状をなす筐体で構成され、前述したガスセル３１、光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５を収納する。また、第２パッケージ３６は、ガスセル３１、光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５を内部で直接的または間接的に支持する。

また、第２パッケージ３６の第１ユニット２側の壁部には、窓部３７が設けられている。この窓部３７は、ガスセル３１と光出射部２１との間の光軸ａ上に設けられている。そして、窓部３７は、前述した励起光に対して透過性を有する。
なお、窓部３７は、励起光に対する透過性を有するものであれば、光透過性を有するものに限定されず、例えば、レンズ、偏光板、λ／４波長板、減光フィルター等の光学部品であってもよい。
このような第２パッケージ３６の窓部３７以外の部分の構成材料としては、特に限定されず、例えば、セラミックス、金属、樹脂等を用いることができる。

［磁気シールド］
磁気シールド３８は、外形形状がブロック状をなす筐体で構成されており、内部に第２パッケージ３６を収納する。この磁気シールド３８は、磁気シールド性を有し、ガスセル３１内のアルカリ金属を外部磁界から遮蔽する機能を有している。これにより、コイル３５の磁場の磁気シールド３８内での安定性の向上を図ることができる。よって、原子発振器１の発振特性の向上を図ることができる。

また、磁気シールド３８の第１ユニット２側の壁部には、窓部３８２が設けられている。これにより、光出射部２１から出射した光が窓部３８２を介して第２パッケージ３６の窓部３７およびガスセル３１内に入射することができる。
このような磁気シールド３８の構成材料としては、磁気シールド性を有する材料が用いられ、例えば、Ｆｅ、各種鉄系合金（ケイ素鉄、パーマロイ、アモルファス、センダスト、コバール）等の軟磁性材料が挙げられ、中でも、磁気シールド性が優れるという観点から、コバール、パーマロイ等のＦｅ−Ｎｉ系合金を用いることが好ましい。

また、磁気シールド３８からは、例えば、複数のリード（図示せず）が突出しており、これらは、配線を介して光検出部３２、ヒーター３３、温度センサー３４およびコイル３５に電気的に接続されている。また、前記各リードは、図示しないコネクター等で配線基板と電気的に接続されている。このコネクターとしては、例えば、フレキシブル基板や、ソケット状をなすもの等を用いることとができる。

［制御部］
図１に示す制御部６は、ヒーター３３、コイル３５および光出射部２１をそれぞれ制御する機能を有する。
本実施形態では、制御部６は、ＩＣ（Integrated Circuit）チップで構成されている。
このような制御部６は、光出射部２１の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部６１と、ガスセル３１中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部６２と、ガスセル３１に印加する磁場を制御する磁場制御部６３とを有する。

励起光制御部６１は、前述した光検出部３２の検出結果に基づいて、光出射部２１から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。より具体的には、励起光制御部６１は、前述した光検出部３２の検出結果に基づいて、前述した周波数差（ω１−ω２）がアルカリ金属固有の周波数ω０となるように、光出射部２１から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。

また、励起光制御部６１は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部３２の検知結果に基づいて同期・調整しながら原子発振器１の出力信号として出力する。
また、温度制御部６２は、温度センサー３４の検出結果に基づいて、ヒーター３３への通電を制御する。これにより、ガスセル３１を所望の温度範囲内に維持することができる。
また、磁場制御部６３は、コイル３５が発生する磁場が一定となるように、コイル３５への通電を制御する。

（光学部品群）
図１および図４〜図６に示すように、前述したような第１ユニット２と第２ユニット３との間には、光学部品群４が配置されている。光学部品群４は、ＮＤフィルター４１と、レンズ４２と、偏光フィルター４３とを備える。また、ＮＤフィルター４１と、レンズ４２と、偏光フィルター４３とは、第１パッケージ２２内の光出射部２１と、前述した第２パッケージ３６内のガスセル３１との間の光軸ａ上に設けられている。また、本実施形態では、第１ユニット２側からＮＤフィルター４１、レンズ４２、偏光フィルター４３の順に配置されている。

［ＮＤフィルター］
図４に示すように、ＮＤフィルター（減光フィルター）４１は、板状（円板状）をなし、ガスセル３１に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させる機能を有している。このため、光出射部２１の出力が大きい場合でも、ガスセル３１に入射する励起光を所望の光量とすることができる。

また、ＮＤフィルター４１は、光軸ａに対して傾斜して設けられている。また、ＮＤフィルター４１の第１ユニット２側の面である第１の面４１１と、ＮＤフィルター４１のガスセル３１側の面である第２の面４１２とは、平面で構成され、互いに平行である。これらのことについては後述する。

なお、ＮＤフィルター４１は、上側と下側とで連続的または段階的に減光率の異なる部分を有していてもよい。この場合、ＮＤフィルター４１を上下方向での位置を調整することにより、励起光の減光率を調整することができる。
また、ＮＤフィルター４１は、それぞれ、周方向で連続的または断続的に減光率が異なる部分を有していてもよい。この場合、ＮＤフィルター４１を光軸ａ回りに回転させることにより、励起光ＬＬの減光率を調整することができる。

［レンズ］
レンズ４２は、平面で構成され、光出射部２１側に位置する面４２１と、湾曲面で構成され、ガスセル３１側に位置する面４２２とを有するコリメートレンズである。このレンズ４２は、励起光ＬＬを集光し、平行光とする機能を有している。これにより、原子発振器１では、励起光ＬＬを無駄なくガスセル３１へ照射することができる。また、内部空間Ｓに存在するアルカリ金属の原子のうち、励起光ＬＬにより共鳴するアルカリ金属の原子の数を多くすることができる。その結果、ＥＩＴ信号の強度を高めることができる。

［偏光フィルター］
偏光フィルター４３は、平面で構成され、光出射部２１側に位置する面４３１と、平面で構成され、ガスセル３１側に位置する面４３２とを有するλ／４波長板である。これにより、レンズ４２によって、平行光となった励起光ＬＬを円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。

前述したようにコイル３５の磁場によりガスセル３１内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、仮に直線偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位に均等に分散して存在することとなる。その結果、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数が他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に少なくなるため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が減少し、所望のＥＩＴ信号が小さくなり、その結果、原子発振器１の発振特性の低下をもたらす。

これに対し、前述したようにコイル３５の磁場によりガスセル３１内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の励起光をアルカリ金属原子に照射すると、励起光とアルカリ金属原子との相互作用により、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
なお、ＮＤフィルター４１、レンズ４２および偏光フィルター４３の平面視形状は、円形であるが、これに限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形をなしていてもよい。また、ＮＤフィルター４１、レンズ４２および偏光フィルター４３は、例えば、図示しない配線基板に凹部を設け、該凹部に挿入することにより配線基板に支持される。

さて、図６に示すように、第１ユニット２から出射した励起光ＬＬは、一部が第２ユニット３で反射されて反射光ＬＬ’として第１ユニット２（光出射部２１）に向う。この反射光ＬＬ’が光出射部２１に入射した場合、その光量によっては、光出射部２１の周波数安定性が低下し、その結果、原子発振器の周波数安定性が低下するおそれがある。
そこで、原子発振器１では、前述したように、ＮＤフィルター４１が、第１ユニット２および第２ユニット３との間で、かつ、第２の面４１２が光軸ａに対して傾斜して設けられている。これにより、反射光ＬＬ’は、光軸ａに対して傾斜したＮＤフィルター４１の第２の面４１２で反射される。よって、反射光が第２ユニット３に入射するのを効果的に抑制することができる。その結果、光出射部２１の周波数安定性が低下するのを抑制することができ、優れた周波数安定性を有する原子発振器１を得ることができる。

なお、本実施形態では、光軸ａは、第１ユニット２の中心点と第２ユニット３の中心点とを結ぶ線分と一致している。具体的には、光出射部２１の中心と光検出部３２の中心とを結ぶ線分と一致している。
また、励起光ＬＬがガスセル３１の窓部３１３で反射して反射光ＬＬ’が生じた場合であっても、前記と同様に、傾斜したＮＤフィルター４１の第２の面４１２で一部が反射される。これにより、前記と同様の効果を得ることができる。また、光検出部３２で生じた反射光ＬＬ’についても同様である。

さらに、前述したように、ＮＤフィルター４１は、光学部品群４の最も第１ユニット２側に配置されている。このため、レンズ４２の第１ユニット２側の面４２１で反射した反射光ＬＬ’が光出射部２１に入射するのを抑制することができるとともに、レンズ４２のガスセル３１側の面４２２で反射した反射光ＬＬ’が光出射部２１に入射するのを抑制することができる。さらに、偏光フィルター４３の第１ユニット２側の面４３１で反射した反射光ＬＬ’が光出射部２１に入射するのを抑制することができるとともに、偏光フィルター４３のガスセル３１側の面４３２で反射した反射光ＬＬ’が光出射部２１に入射するのを抑制することができる。

また、ＮＤフィルター４１の第２の面４１２の光軸ａに対する傾斜角度θ１は、８０°以下であるのが好ましく、６０°以下であるのがより好ましく、３３°であるのが特に好ましい。傾斜角度θ１が上記数値範囲に設定されていれば、前述した効果を効果的に発揮することができる。特に、傾斜角度θ１が３３°であった場合、反射光ＬＬ’を第２の面４１２で効果的に反射することができる。
なお、本明細書中では、「第２の面４１２の傾斜角度」とは、第２の面４１２の法線と、光軸ａとがなす角度（図７中に示すθ１）のことを言う。同様に、「第１の面４１１の傾斜角度」とは、第１の面４１１の法線と、光軸ａとがなす角度（図７中に示すθ２）のことを言う。

また、反射光ＬＬ’がＮＤフィルター４１の第２の面４１２で反射する際、一部が第２の面４１２で反射されず通過することも考えられる。しかしながら、ＮＤフィルター４１は、通過する光の光量を減衰させる機能を有している。このため、ＮＤフィルター４１を通過する反射光ＬＬ’の光量を減衰させることができ、その結果、反射光ＬＬ’が第２ユニット３に入射するのをより効果的に抑制することができる。
さらに、第１の面４１１も第２の面４１２と同様に、光軸ａに対して傾斜している。これにより、ＮＤフィルター４１で光量が減衰した反射光ＬＬ’は、さらにその一部が第１の面４１１で反射される。その結果、反射光ＬＬ’が第２ユニット３に入射するのをさらに効果的に抑制することができる。

ここで、図７に示すように、励起光ＬＬは、放射角度θ３で放射状に拡散している。本明細書中では、「放射角度」とは、励起光ＬＬの光束の最も外側に位置している光と、光軸ａとがなす角度のことを言う。このような励起光ＬＬは、放射角度θ３や、第１の面４１１の傾斜角度θ２や、光出射部２１とガスセル３１との離間距離等によっては、一部の光（特に、励起光ＬＬの光束のうちの最も外側に位置している光）が第１の面４１１で反射して光出射部２１に入射する可能性がある。しかしながら、傾斜角度θ２を放射角度θ３よりも大きくすることで、光出射部２１とガスセル３１との離間距離が比較的小さい場合であっても、励起光ＬＬが第１の面４１１によって反射して光出射部２１に入射するのを防止することができる。よって、より優れた周波数安定性を有する原子発振器１を得ることができるとともに、光出射部２１とガスセル３１との離間距離を比較的小さくすることができ、原子発振器１の小型化を図ることができる。

なお、光出射部２１とＮＤフィルター４１との離間距離に応じて、傾斜角度θ２を適宜設定することで、上記と同様の効果を得ることができる。例えば、光出射部２１とＮＤフィルター４１との離間距離が比較的大きい場合、傾斜角度θ２が放射角度θ３よりも小さい場合であっても、同様の効果を奏することができる。
また、前述したように、本実施形態では、第１の面４１１と第２の面４１２とは、平行である。これにより、ＮＤフィルター４１の製造が容易になる。さらに、原子発振器１では、第１の面４１１と第２の面４１２とをそれぞれ設定する作業を省略することができる。

なお、光学部品群４では、レンズ４２および偏光フィルター４３のうちのいずれか一方または双方を省略してもよい。また、光学部品群４を構成する各部は、前述した種類、配置順、数等に限定されない。例えば、ＮＤフィルター４１に換えて、レンズ、偏光フィルター、プリズム等の任意の光学素子を用いることができる。このように、光学素子が光軸ａに対して傾斜している面を有していれば、本発明の効果を得ることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図８は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）が備える第１ユニットおよび光学素子を示す拡大詳細図である。
本実施形態は光学素子の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図８において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。

図８に示すように、本実施形態のＮＤフィルター４１Ａでは、第２の面４１２は、第１の面４１１に対して傾斜している。すなわち、第１の面４１１の光軸ａに対する傾斜角度θ４と、第２の面４１２の光軸ａに対する傾斜角度θ５とは異なっている。
このような本実施形態によれば、傾斜角度θ４を、例えば光出射部２１とＮＤフィルター４１との離間距離に応じて所望の数値に設定し、傾斜角度θ４に係わらず傾斜角度θ５を所望の数値に設定することができる。換言すれば、傾斜角度θ４と傾斜角度θ５とをそれぞれ独立して設定することができる。これにより、原子発振器１の周波数安定性のさらなる向上を図ることができる。
以上説明したような量子干渉装置および原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。このような電子機器は、優れた信頼性を有する。

以下、本発明の電子機器について説明する。
２．電子機器
図９は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器（量子干渉装置）を用いた場合の概略構成を示す図である。
図９に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。

ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。

ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。

３．移動体
図１０は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。

なお、本発明の原子発振器（量子干渉装置）を備える電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。

以上、本発明の量子干渉装置および原子発振器について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明の量子干渉装置および原子発振器は、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、本発明の量子干渉装置および原子発振器は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
なお、前記実施形態では、磁気シールドが省略されていてもよい。

１……原子発振器 ２……第１ユニット ３……第２ユニット ４……光学部品群 ６……制御部 ２１……光出射部 ２２……第１パッケージ ２３……窓部 ３１……ガスセル ３２……光検出部 ３３……ヒーター ３４……温度センサー ３５……コイル ３６……第２パッケージ ３７……窓部 ３８……磁気シールド ４１……ＮＤフィルター ４１Ａ……ＮＤフィルター ４２……レンズ ４３……偏光フィルター ６１……励起光制御部 ６２……温度制御部 ６３……磁場制御部 １００……測位システム ２００……ＧＰＳ衛星 ３００……基地局装置 ３０１……アンテナ ３０２……受信装置 ３０３……アンテナ ３０４……送信装置 ３１１……本体部 ３１１ａ……貫通孔 ３１２……窓部 ３１３……窓部 ３８２……窓部 ４００……ＧＰＳ受信装置 ４０１……アンテナ ４０２……衛星受信部 ４０３……アンテナ ４０４……基地局受信部 ４１１……第１の面 ４１２……第２の面 ４２１……面 ４２２……面 ４３１……面 ４３２……面 １５００……移動体 １５０１……車体 １５０２……車輪 ＬＬ……励起光 ＬＬ’ ……反射光 Ｓ……内部空間 ａ……光軸 θ１……傾斜角度 θ２……傾斜角度 θ３……放射角度 θ４……傾斜角度 θ５……傾斜角度 ω０……周波数 ω１……周波数 ω２……周波数

Claims (11)

1. 金属原子が封入されているガスセルと、
   前記金属原子に共鳴光対を含む光を出射する光源と、
   前記ガスセルと前記光源との間に設けられている光学素子と、
   を備え、
   前記光学素子の前記ガスセル側の面は、前記光源と前記ガスセルとを結ぶ線分に対して傾斜していることを特徴とする量子干渉装置。
2. 前記光学素子の前記光源側の面は、前記光源と前記ガスセルとを結ぶ線分に対して傾斜している請求項１に記載の量子干渉装置。
3. 前記光学素子は、減光フィルターである請求項１または２に記載の量子干渉装置。
4. 前記光源と前記ガスセルとの間には、前記光学素子を含む光学素子群が配置されており、
   前記光学素子は、前記光学素子群の中で最も前記光源側に配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
5. 前記光学素子の前記ガスセル側の面の、前記光源と前記ガスセルとを結ぶ線分に対する傾斜角度θ１は、８０°以下である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
6. 前記光学素子の前記光源側の面の、前記光源と前記ガスセルとを結ぶ線分に対する傾斜角度θ２は、前記光源から出射した光の放射角度θ３よりも大きい請求項１ないし５のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
7. 前記光学素子は、前記ガスセル側の面と前記光源側の面とが平行な部分を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
8. 前記光学素子の前記ガスセル側の面は、前記光学素子の前記光源側の面に対して傾斜している請求項１ないし６のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする原子発振器。
10. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする電子機器。
11. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする移動体。

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