JP2017022653A - 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】ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を提供すること、また、かかる量子干渉装置を備える原子発振器、電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】本発明の原子発振器１は、アルカリ金属が封入されている内部空間を有している原子セル２と、第１光源３１１からの光を用いて、互いに同方向に円偏光していてアルカリ金属を共鳴させる共鳴光対ＬＬ１を出射する第１光源部３１と、第２光源３２１からの光を用いて、原子セル２内において共鳴光対ＬＬ１とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光ＬＬ２を出射する第２光源部３２と、第１光源３１１および第２光源３２１の温度を調節するヒーターと、第１光源３１１および第２光源３２１と原子セル２との間に配置されていて減光率が変化する分布を有する減光フィルター３１２と、を備える。【選択図】図４

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。

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。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（例えば、特許文献１参照）。

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、気体状のアルカリ金属を封入したガスセルと、ガスセル中のアルカリ金属を共鳴させる共鳴光対を出射する光源と、ガスセルを透過した共鳴光対を検出する光検出器（受光部）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アルカリ金属に吸収されずに透過する電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）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し、そのＥＩＴ信号を基準信号として用いる。

ここで、短期周波数安定度を高める観点から、ＥＩＴ信号は、線幅（半値幅）が小さく、かつ、強度が高いことが好ましい。そのため、例えば、特許文献１に係る原子発振器では、ＥＩＴ信号の強度を向上させる目的で、円偏光している共鳴光対を用いている。

特開２０１４−１７８２４号公報

しかし、特許文献１に係る原子発振器では、互いに同方向に円偏光している共鳴光対のみをガスセル中のアルカリ金属に照射するため、当該アルカリ金属の磁気量子数の分布に偏りが生じて、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数の金属原子の数が減少してしまい、その結果、ＥＩＴ信号の強度を十分に向上させることができないという問題があった。

本発明の目的は、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を提供すること、また、かかる量子干渉装置を備える原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。

上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の量子干渉装置は、金属が封入されている内部空間を有している原子セルと、
第１発光素子を有し、互いに同方向に円偏光していて前記金属を共鳴させる共鳴光対を含む第１光を前記原子セルに向けて出射する第１光源部と、
第２発光素子を有し、前記内部空間において前記共鳴光対とは逆の回転方向で円偏光している調整光を含む第２光を前記原子セルに向けて出射する第２光源部と、
前記第１発光素子および前記第２発光素子の温度を調節する温度調節部と、
前記第１発光素子および前記第２発光素子のうちの少なくとも一方と前記原子セルとの間に配置されていて減光率が面内方向で変化する分布を有する減光フィルターと、
を備えることを特徴とする。

このような量子干渉装置によれば、互いに同方向に円偏光している共鳴光対に加えて、原子セル内において共鳴光対とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光を原子セル内の金属に照射することにより、共鳴光対による磁気量子数の分布の偏りを調整光により相殺または緩和させ、金属の磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。そのため、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数の金属原子の数を増加させ、その結果、円偏光している共鳴光対を用いることによってＥＩＴ信号の強度を向上させる効果を顕著に発現させることができる。よって、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる。

また、第１発光素子および第２発光素子を共通（同一）の温度調節部により温度調節するため、省電力化を図ることができる。その上で、第１発光素子および第２発光素子のうちの少なくとも一方の発光素子と原子セルとの間に配置されている減光フィルターの減光率が変化する分布を有するため、第１発光素子および第２発光素子の出射光の強度が温度依存性を有していても、第１発光素子や第２発光素子に対する減光フィルターの位置や姿勢を相対的に変化させることで、第１発光素子および第２発光素子の出射光を所望の強度に調整することができる。その結果、ＥＩＴ信号の高精度化を図ることができる。

本発明の量子干渉装置では、前記第１発光素子は、面発光レーザーであることが好ましい。
これにより、所望の周波数を有する共鳴光対を容易に生成することができる。

本発明の量子干渉装置では、前記第２発光素子は、面発光レーザーであることが好ましい。
これにより、所望の周波数を有する調整光を容易に生成することができる。

本発明の量子干渉装置では、前記第２発光素子は、発光ダイオードであることが好ましい。

これにより、調整光の線幅を共鳴光対よりも大きくすることができる。そのため、幅広い速度分布の金属原子に対して調整光を共鳴させることができる。そのため、調整光の中心波長が多少ずれても、所望の速度にある金属原子に対して調整光を共鳴させることができる。その結果、調整光の周波数制御が不要となり、装置構成を簡単化することができる。

本発明の量子干渉装置では、前記減光フィルターは、前記第１発光素子および前記第２発光素子と前記原子セルとの間に配置されていることが好ましい。

これにより、第１発光素子および第２発光素子に対する減光フィルターの位置や姿勢を相対的に変化させることで、第１発光素子および第２発光素子の双方の出射光の強度を調整することができる。

本発明の量子干渉装置では、前記共鳴光対はＤ１線であり、
前記調整光はＤ２線であることが好ましい。
これにより、ＥＩＴ信号の強度を効率的に向上させることができる。

本発明の量子干渉装置では、前記第１光源部および前記第２光源部のうちの少なくとも一方の光源部は、複数の発光素子を有し、
前記減光フィルターは、前記複数の発光素子と前記原子セルとの間に配置されていることが好ましい。

これにより、複数の発光素子を選択的に切り換えて発光させることにより、発光素子に対する減光フィルターの位置や姿勢を相対的に変化させることができる。

本発明の量子干渉装置では、前記第２光の強度が前記第１光の強度よりも小さいことが好ましい。
これにより、金属の磁気量子数の偏りを効果的に低減することができる。

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、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える原子発振器を提供することができる。

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、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える電子機器を提供することができる。

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、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える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）を示す概略図である。 アルカリ金属原子のエネルギー状態を簡略的に説明するための図である。 光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光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に示す原子発振器が備える光源部を説明するための概略図である。 図４に示す光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。 図１に示す原子発振器の概略構成を示す断面図である。 図６に示す原子発振器が備える減光フィルターの平面図である。 セシウム原子のエネルギー状態と共鳴光対（第１共鳴光、第２共鳴光）および調整光（第３共鳴光）との関係の一例を示す図である。 ナトリウム原子の磁気量子数の分布を示す図であって、（ａ）は、σ_＋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図、（ｂ）は、σ₋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る原子発振器が備える第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。 図１１に示す原子発振器が備える減光フィルターの平面図である。 図１１に示す原子発振器が備える減光フィルターの変形例を示す平面図である。 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、例えば、磁気センサー、量子メモリー等のデバイスにも適用可能である。

＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る原子発振器を簡単に説明する。

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）を示す概略図である。図２は、アルカリ金属原子のエネルギー状態を簡略的に説明するための図である。図３は、光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光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、原子セル２（ガスセル）と、光源部３と、受光部４と、ヒーター５（温度調節部）と、温度センサー６と、磁場発生部７と、制御部８と、を備えている。

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、光源部３が原子セル２に向けて光ＬＬを出射し、原子セル２を透過した光ＬＬを受光部４が検出する。

原子セル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されている。アルカリ金属は、図２に示すように、２つの基底準位（第１基底準位および第２基底準位）と励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。ここで、第１基底準位は、第２基底準位よりも低いエネルギー状態である。

光源部３から出射された光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光として第１共鳴光および第２共鳴光を含んでいる。これら第１共鳴光および第２共鳴光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、第１共鳴光の周波数ω_１と第２共鳴光の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）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、第１共鳴光の周波数ω_１と第２共鳴光の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）が第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する周波数に一致したとき、第１基底準位および第２基底準位から励起準位への励起がそれぞれ停止する。このとき、第１共鳴光および第２共鳴光は、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、光源部３が第１共鳴光の周波数ω_１を固定し、第２共鳴光の周波数ω_２を変化させていくと、第１共鳴光の周波数ω_１と第２共鳴光の周波数ω_２との差（ω_１−ω_２）が第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する周波数ω_０に一致したとき、受光部４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信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を構成することができる。

以下、原子発振器１の各部を簡単に説明する。
［ガスセル］
原子セル２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、原子セル２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。

後に詳述するが、原子セル２は、貫通孔を有する胴体部と、この胴体部の貫通孔の開口を塞ぐ１対の窓部とを有し、これにより、気体状のアルカリ金属が封入される内部空間が形成されている。

［光出射部］
光源部３は、原子セル２内のアルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を構成する前述した第１共鳴光および第２共鳴光を含む光ＬＬを出射する機能を有する。

また、光源部３が出射する光ＬＬは、第１共鳴光および第２共鳴光に加えて、第３共鳴光を含んでいる。

第１共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属原子を前述した第１基底準位から励起準位へ励起する光（probe光）である。一方、第２共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属原子を前述した第２基底準位から励起準位へ励起する光（coupling光）である。ここで、第１共鳴光および第２共鳴光は、互いに同方向に円偏光している。また、第３共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属の磁気量子数を調整する「調整光」（repump光）である。この第３共鳴光は、第１共鳴光および第２共鳴光とは逆方向に円偏光している。これにより、原子セル２内のアルカリ金属原子の磁気量子数を調整することができる。なお、光源部３については、後に詳述する。なお、「円偏光」とは、光波の電場成分または磁場成分の、どちらか一方の振動に着目するとき、その振動方向が光の進行方向に対して垂直な面内で光波の周波数で回転し、振幅がその向きによらず一定である光であり、言い換えれば電場（または磁場）の振動が伝播に伴って円を描く光である。

［受光部］
受光部４は、原子セル２内を透過した光ＬＬ（特に、第１共鳴光および第２共鳴光で構成された共鳴光対）の強度を検出する機能を有する。

この受光部４としては、上述したような光ＬＬの強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、受光した光の強度に応じた信号を出力する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５（温度調節部）は、前述した原子セル２（より具体的には原子セル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、原子セル２中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。

このヒーター５は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。この発熱抵抗体は、原子セル２に対して接触して設けられていてもよいし、原子セル２に対して非接触で設けられていてもよい。

より具体的には、例えば、発熱抵抗体を原子セル２に対して接触して設ける場合、原子セル２の１対の窓部にそれぞれ発熱抵抗体を設ける。これにより、原子セル２の窓部にアルカリ金属原子が結露することを防止することができる。その結果、原子発振器１の特性（発振特性）を長期にわたり優れたものとすることができる。このような発熱抵抗体は、光ＬＬ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。また、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することができる。

また、発熱抵抗体を原子セル２に対して非接触で設ける場合、熱伝導性に優れる金属等、セラミックス等の部材を介して発熱抵抗体から原子セル２へ伝熱すればよい。

なお、ヒーター５は、原子セル２を加熱することができるものであれば、前述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター５に代えて、または、ヒーター５と併用して、ペルチェ素子を用いて、原子セル２を温度調節してもよい。

［温度センサー］
温度センサー６は、ヒーター５または原子セル２の温度を検出する機能を有する。
この温度センサー６は、例えば、ヒーター５または原子セル２に接触して配置される。

温度センサー６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。

［磁場発生部］
磁場発生部７は、原子セル２内のアルカリ金属に磁場を印加する機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、原子セル２内のアルカリ金属原子の縮退している異なる複数のエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。

ここで、磁場発生部７からの磁場は、原子セル２内において、光ＬＬの進行方向に沿っている（ほぼ平行である）。なお、原子セル２内のアルカリ金属に対して共鳴光対および調整光を効率的に作用させる観点から、原子セル２内において、磁場発生部７からの磁場の方向は、光ＬＬの進行方向に対して、０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましい。

この磁場発生部７は、例えば、ソレノイド型を構成するように原子セル２の外周に沿って巻回して設けられたコイルで構成されていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように原子セル２を介して対向して設けられた１対のコイルで構成されていてもよい。

また、磁場発生部７が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。

［制御部］
制御部８は、光源部３、ヒーター５および磁場発生部７をそれぞれ制御する機能を有する。

この制御部８は、光源部３を制御する光源制御部８２と、原子セル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部８１と、磁場発生部７からの磁場を制御する磁場制御部８３とを有する。

光源制御部８２は、前述した受光部４の検出結果に基づいて、光源部３から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する機能を有する。より具体的には、光源制御部８２は、前述した周波数差（ω_１−ω_２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω_０となるように、光源部３から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する。なお、光源制御部８２の構成については、後に詳述する。

また、温度制御部８１は、温度センサー６の検出結果に基づいて、ヒーター５への通電を制御する。これにより、原子セル２を所望の温度範囲内に維持することができる。例えば、原子セル２は、ヒーター５により、例えば、７０℃程度に温度調節される。

また、磁場制御部８３は、磁場発生部７が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部７への通電を制御する。
このような制御部８は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。

（光源部の詳細な説明）
図４は、図１に示す原子発振器が備える光源部を説明するための概略図である。図５は、図４に示す光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。

図４に示すように、光源部３は、第１共鳴光および第２共鳴光を含む共鳴光対ＬＬ１を第１の光として出射する第１光源部３１と、第３共鳴光を含む調整光ＬＬ２を第２の光として出射する第２光源部３２と、を備えている。

第１光源部３１は、第１光源３１１（第１発光素子）と、減光フィルター３１２と、λ／４波長板３１３と、を有している。なお、第１光源部３１は、第１光源３１１とλ／４波長板３１３との間にλ／２波長板が配置されていてもよい。この場合、第１光源３１１を光軸まわりに９０°回転させた姿勢で設置すればよい。また、第１光源部３１は、第１光源３１１と原子セル２との間に、レンズが配置されていてもよい。これにより、原子セル２内の共鳴光対ＬＬ１を平行光とすることができる。

第１光源３１１は、直線偏光されている共鳴光対ＬＬ１ａを出射する機能を有する。この第１光源３１１は、共鳴光対ＬＬ１ａを含む光を出射し得るものであれば特に限定されないが、例えば、端面発光レーザー、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザーである。なお、「直線偏光」とは、電磁波（光）の振動面が一平面内にある光であり、言い換えれば、電場（または磁場）の振動方向が一定な光である。

減光フィルター３１２（ＮＤフィルター）は、第１光源３１１からの共鳴光対ＬＬ１ａの強度を減少させて共鳴光対ＬＬ１ｂを生成する。これにより、第１光源３１１の出力が大きい場合でも、原子セル２に入射する共鳴光対ＬＬ１を所望の光量とすることができる。

特に、減光フィルター３１２は、減光率がその面内方向において変化する分布を有する。なお、減光フィルター３１２の減光率分布については、後に詳述する。

λ／４波長板３１３は、直交する偏光成分間に位相差π／２（９０°）を生じさせる複屈折素子である。このλ／４波長板３１３は、減光フィルター３１２で生成した共鳴光対ＬＬ１ｂを直線偏光から円偏光（楕円偏光も含む）の共鳴光対ＬＬ１に変換する機能を有する。これにより、前述した第１共鳴光および第２共鳴光で構成された共鳴光対ＬＬ１を生成することができる。

以上のように、第１光源部３１は、第１光源３１１からの光を用いて共鳴光対ＬＬ１を出射する。

一方、第２光源部３２は、原子セル２に対して、前述した第１光源部３１と同じ側に配置されている。この第２光源部３２は、第２光源３２１（第２発光素子）と、前述した第１光源部３１と共通して設けられた減光フィルター３１２およびλ／４波長板３１３と、を有している。ここで、減光フィルター３１２およびλ／４波長板３１３は、前述したように第１光源部３１が備えているともいえるし、第２光源部３２が備えているともいえる。なお、第２光源部３２は、第２光源３２１とλ／４波長板３１３との間にλ／２波長板が配置されていてもよい。この場合、第２光源３２１を光軸まわりに９０°回転させた姿勢で設置すればよい。また、第２光源部３２は、第２光源３２１と原子セル２との間に、レンズが配置されていてもよい。これにより、原子セル２内の調整光ＬＬ２を平行光とすることができる。

第２光源３２１は、前述した第１光源３１１の直線偏光の方向と直交する方向に直線偏光されている共鳴光ＬＬ２ａを出射する機能を有する。この第２光源３２１は、共鳴光ＬＬ２ａを含む光を出射し得るものであれば特に限定されないが、例えば、端面発光レーザー、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）素子等の発光素子である。

ここで、第２光源３２１の出力は、第１光源３１１の出力よりも小さいことが好ましい。これにより、後述するような調整光による作用を効果的に生じさせることができる。

減光フィルター３１２は、第２光源３２１からの共鳴光ＬＬ２ａの強度を減少させて共鳴光ＬＬ２ｂを生成する。これにより、第２光源３２１の出力が大きい場合でも、原子セル２に入射する調整光ＬＬ２を所望の光量とすることができる。

λ／４波長板３１３は、減光フィルター３１２で生成した共鳴光ＬＬ２ｂを直線偏光から円偏光（楕円偏光も含む）の調整光ＬＬ２に変換する機能を有する。これにより、前述した第３共鳴光となる調整光ＬＬ２を生成することができる。ここで、直線偏光されている共鳴光ＬＬ２ｂの偏光方向（図５に示すｂ２方向）は、直線偏光されている共鳴光対ＬＬ１ｂの偏光方向（図５に示すｂ１方向）と異なる方向（直交する方向）である。したがって、λ／４波長板３１３で生成した共鳴光対ＬＬ１が右円偏光である場合、λ／４波長板３１３で生成した調整光ＬＬ２は左円偏光であり、一方、共鳴光対ＬＬ１が左円偏光である場合、調整光ＬＬ２は右円偏光である。このような互いに反対方向となる回転方向で円偏光した共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を互いに同じ側から原子セル２に照射することにより、原子セル２の窓部２２と窓部２３とが並ぶ方向に沿って同方向から見たとき、原子セル２内において、調整光ＬＬ２の円偏光の回転方向が共鳴光対ＬＬ１の円偏光の回転方向に対して逆方向となる。

以上のように、第２光源部３２は、第２光源３２１からの光を用いて調整光ＬＬ２を出射する。

以上のように構成された光源部３は、第１光源３１１が光源制御部８２により前述した第１共鳴光および第２共鳴光を出射するように制御される。

光源制御部８２は、周波数制御部８２１と、電圧制御型水晶発振器８２２（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillators）と、位相同期回路８２３（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有している。

周波数制御部８２１は、受光部４の受光強度に基づいて原子セル２内のＥＩＴ状態を検出し、その検出結果に応じた制御電圧を出力する。これにより、周波数制御部８２１は、受光部４でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器８２２を制御する。

電圧制御型水晶発振器８２２は、周波数制御部８２１により所望の発振周波数となるように制御され、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度の周波数で発振する。また、電圧制御型水晶発振器８２２の出力信号は、位相同期回路８２３に入力されるとともに、原子発振器１の出力信号として出力される。

位相同期回路８２３は、電圧制御型水晶発振器８２２からの出力信号を周波数逓倍する。これにより、位相同期回路８２３は、前述したアルカリ金属原子の２つの異なる基底準位のエネルギー差ΔＥに相当する周波数の１／２の周波数で発振する。このように逓倍された信号（高周波信号）は、直流バイアス電流が重畳された上で駆動信号として第１光源部３１の第１光源３１１に入力される。これにより、第１光源３１１に含まれる半導体レーザー等の発光素子を変調して、周波数差（ω_１−ω_２）がω_０となる２つの光である第１共鳴光および第２共鳴光を出射させることができる。ここで、直流バイアス電流の電流値は、図示しないバイアス制御部により所定値に制御される。これにより、第１共鳴光および第２共鳴光の中心波長を所望に制御することができる。

なお、第１光源３１１および第２光源３２１は、それぞれ、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。また、第１光源３１１および第２光源３２１の温度を調整することにより、第１光源３１１および第２光源３２１からの光の中心波長を制御することもできる。

以上説明したように構成された第１光源部３１および第２光源部３２からの共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２は、原子セル２に照射される。

図５に示すように、原子セル２は、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。この原子セル２では、胴体部２１が１対の窓部２２、２３の間に配置されていて、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを胴体部２１および１対の窓部２２、２３が区画形成（構成）している。

より具体的に説明すると、胴体部２１は、板状をなしており、この胴体部２１には、胴体部２１の厚さ方向に貫通している貫通孔２１１が形成されている。

この胴体部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さい原子セル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴体部２１を容易に形成することができる。特に、シリコンは、エッチングによる微細加工が可能である。したがって、シリコンを用いて胴体部２１を構成することにより、原子セル２の小型化を図っても、胴体部２１を簡単かつ高精度に形成することができる。また、一般に、窓部２２、２３はガラスで構成されるが、シリコンはガラスに比べて熱伝導性に優れている。したがって、胴体部２１の放熱性を優れたものとすることができる。また、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。

このような胴体部２１の一方の面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の他方の面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１の一端開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１の他端開口が窓部２３により封鎖されている。

胴体部２１と窓部２２、２３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、気密的に接合できるものであれば、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、表面活性化接合法等を用いることができるが、直接接合法または陽極接合法を用いることが好ましい。これにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。

このような胴体部２１に接合されている各窓部２２、２３は、前述した光源部３からの光ＬＬに対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、原子セル２の内部空間Ｓ内へ共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２が入射する入射側窓部（第１光透過部）であり、他方の窓部２３は、原子セル２の内部空間Ｓ内から共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２が出射する出射側窓部（第２光透過部）である。また、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。

窓部２２、２３の構成材料としては、それぞれ、前述したような光ＬＬに対する透過性を有していれば、特に限定されず、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられるが、ガラス材料を用いることが好ましい。これにより、励起光に対する透過性を有する窓部２２、２３を実現することができる。また、胴体部２１がシリコンで構成されている場合、ガラスを用いて窓部２２、２３を構成することにより、胴体部２１と窓部２２、とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。なお、窓部２２、２３の厚さや光ＬＬの強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。この場合でも、胴体部２１と窓部２２、２３とを直接接合または陽極接合することができる。

このような窓部２２、２３により封鎖された貫通孔２１１内の空間である内部空間Ｓには、主に、気体状のアルカリ金属が収納されている。この内部空間Ｓ内に収納されている気体状のアルカリ金属は、光ＬＬによって励起される。ここで、内部空間Ｓの少なくとも一部は、光ＬＬが通過する「光通過空間」を構成する。

以上説明したように構成された原子セル２内において、図５に示すように、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１は、調整光ＬＬ２の光軸ａ２に対して傾斜角度θで傾斜していて、光軸ａ２と交点Ｐにて交差している。また、図５では、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１が、原子セル２の窓部２２と窓部２３とが並ぶ方向に沿った軸線ａと平行であり、一方、調整光ＬＬ２の光軸ａ２が、軸線ａに対して傾斜角度θで傾斜している。なお、図５では、光軸ａ１が軸線ａと一致している。

ここで、原子セル２の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２が出射する側において、光軸ａ１またはその延長線上には、前述した受光部４が配置されており、原子セル２を通過した共鳴光対ＬＬ１が受光部４で受光されるが、一方、光軸ａ２は、原子セル２を通過した調整光ＬＬ２を受光部４が受光しないように設定されていることが好ましい。これにより、受光部４が調整光ＬＬ２を受光してしまうのを防止または低減することができる。なお原子セル２と受光部４との間に、共鳴光対ＬＬ１の通過を許容しつつ調整光ＬＬ２の通過を阻止するフィルターを設けてもよい。かかるフィルターとしては、例えば、λ／４波長板、偏光子を原子セル２側から受光部４側へこの順で並べたものが挙げられる。

（原子発振器の具体的な構造例）
以下、本実施形態の原子発振器１の具体的な構造（物理パッケージの構成）の一例について説明する。

図６は、図１に示す原子発振器の概略構成を示す断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図６中の上側を「上」、下側を「下」という。

原子発振器１は、図６に示すように、前述したような量子干渉効果を生じさせる原子セルユニット９０と、原子セルユニット９０を収納するパッケージ９１と、パッケージ９１内に収納され、原子セルユニット９０をパッケージ９１に対して支持する支持部材９２（支持部）と、を備えている。なお、図示しないが、パッケージ９１内またはパッケージ９１外には、原子セルユニット９０を囲むように配置されたコイルで構成された磁場発生部７が配置されている。また、パッケージ９１の外側には、必要に応じて、磁気シールドが設けられていてもよい。

また、原子セルユニット９０は、原子セル２と、光源部３（光源部）と、減光フィルター３１２およびλ／４波長板３１３と、受光部４（受光部）と、ヒーター５（温度調節手段）と、温度センサー６と、基板９３と、接続部材９４と、を含み、これらがユニット化されている。具体的には、基板９３の上面に、光源部３、ヒーター５、温度センサー６および接続部材９４が搭載されており、原子セル２および減光フィルター３１２およびλ／４波長板３１３が接続部材９４に保持されているとともに、受光部４が接続部材９４に接着剤９５を介して接合されている。

接続部材９４は、ヒーター５と原子セル２の各窓部２２、２３とを熱的に接続している。これにより、ヒーター５からの熱を接続部材９４による熱伝導により各窓部２２、２３に伝達し、各窓部２２、２３を加熱することができる。また、ヒーター５と原子セル２とを離間することができる。そのため、ヒーター５への通電により生じた不要磁場が原子セル２内のアルカリ金属原子に悪影響を与えるのを抑制することができる。また、ヒーター５の数を少なくすることができるため、例えば、ヒーター５への通電のための配線の数を少なくし、その結果、原子発振器１（量子干渉装置）の小型化を図ることができる。

また、接続部材９４は、例えば、原子セル２の互いに対向する１対の側面の両側から原子セル２を挟むようにして嵌合する１対の部材で構成されている。そして、窓部２２、２３と接続部材９４とは、接触し熱的に接続されている。また、接続部材９４は、光ＬＬの通過領域を避けるように形成されている。

このような接続部材９４の構成材料としては、原子セル２を構成する材料よりも熱伝導率が大きい材料であればよいが、熱伝導性に優れた材料、例えば、金属材料を用いることが好ましい。また、後述するパッケージ９１と同様、磁場発生部７からの磁場を阻害しないよう、接続部材９４の構成材料としては、非磁性の材料を用いることが好ましい。

基板９３は、前述した第１光源３１１、第２光源３２１、ヒーター５、温度センサー６および接続部材９４等を支持する機能を有する。また、基板９３は、ヒーター５からの熱を接続部材９４へ伝達する機能を有する。これにより、ヒーター５が接続部材９４に対して離間していても、ヒーター５からの熱を接続部材９４へ伝達することができる。

ここで、基板９３は、ヒーター５と接続部材９４とを熱的に接続している。このようにヒーター５および接続部材９４を基板９３に搭載することにより、ヒーター５の設置の自由度を高めることができる。

また、第１光源３１１および第２光源３２１が基板９３に搭載されていることにより、ヒーター５からの熱により基板９３上の第１光源３１１および第２光源３２１の双方を一括して温度調節することができる。

また、基板９３は、第１光源３１１、第２光源３２１、ヒーター５、温度センサー６に電気的に接続される配線（図示せず）を有している。

このような基板９３の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、セラミックス材料、金属材料等が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、基板９３の表面を金属材料で構成した場合、基板９３の表面の熱の反射率を高め、基板９３からの熱の輻射を抑制することもできる。また、基板９３を金属材料で構成した場合、基板９３の表面には、基板９３が有する配線の短絡防止等の目的で、必要に応じて、例えば、樹脂材料、金属酸化物、金属窒化物等で構成された絶縁層が設けられていてもよい。

また、後述するパッケージ９１と同様、磁場発生部７からの磁場を阻害しないよう、基板９３の構成材料としては、非磁性の材料を用いることが好ましい。

パッケージ９１は、原子セルユニット９０および支持部材９２を収納する機能を有する。なお、パッケージ９１内には、前述した部品以外の部品が収納されていてもよい。

このパッケージ９１は、板状の基体９１１（ベース部）と、有底筒状の蓋体９１２（蓋部）と、を備え、蓋体９１２の開口が基体９１１により封鎖されている。これにより、原子セルユニット９０および支持部材９２を収納する内部空間Ｓ１が形成されている。ここで、蓋体９１２は、原子セルユニット９０および支持部材９２に対して離間している。すなわち、蓋体９１２と原子セルユニット９０および支持部材９２との間には、空間が設けられている。これにより、かかる空間が断熱層として機能し、原子セルユニット９０とパッケージ９１の外部との間の熱干渉を低減することができる。

基体９１１は、支持部材９２を介して原子セルユニット９０を支持している。
また、基体９１１は、例えば配線基板であり、基体９１１の下面には、複数の端子９１４が設けられている。この複数の端子９１４は、図示しないが、基体９１１を貫通する配線を介して、基体９１１の上面に設けられた複数の端子に電気的に接続されている。そして、基体９１１には、図示しない配線（例えば、フレキシブル配線基板やボンディングワイヤー等）を介して、前述した基板９３や受光部４等がそれぞれ電気的に接続されている。

また、基体９１１には、その厚さ方向に貫通（内部空間Ｓ１の内外を貫通）する孔９１１１（封止孔）が形成されている。この孔９１１１は、例えばＡｕＧｅ等の金属で構成された封止材９１３により気密的に塞がれている。これにより、基体９１１と蓋体９１２との接合と同時に封止する場合に比べて、内部空間Ｓ１の真空度を高くして、内部空間Ｓ１の不要ガスを低減することができる。なお、このような封止孔は、蓋体９１２に設けてもよい。

この基体９１１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等を用いることができるが、セラミック材料を用いることが好ましい。これにより、配線基板を構成する基体９１１を実現しながら、内部空間Ｓ１の気密性を優れたものとすることができる。

このような基体９１１には、蓋体９１２が接合されている。基体９１１と蓋体９１２との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等を用いることができる。なお、基体９１１と蓋体９１２との間には、これらを接合するための接合部材が介在していてもよい。

また、基体９１１と蓋体９１２とは気密的に接合されているのが好ましい。すなわち、パッケージ９１内が気密空間であることが好ましい。これにより、パッケージ９１内を減圧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。

特に、パッケージ９１内は、減圧状態（真空）であることが好ましい。これにより、パッケージ９１内の空間を介した熱の伝達を抑制することができる。そのため、接続部材９４とパッケージ９１の外部との間の熱干渉を抑制することができる。また、原子セルユニット９０とパッケージ９１の外部との間の熱の伝達をより効果的に抑制することができる。また、前述したヒーター５を用いて原子セル２の温度を所定温度に維持するにあたって、ヒーター５の消費電力を小さくすることができる。

このような蓋体９１２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、樹脂材料、セラミックス材料、金属材料等を用いることができるが、コバール、４２アロイ、ステンレス等の金属材料を用いることが好ましい。これにより、磁気シールド性を有する蓋体９１２を実現しながら、内部空間Ｓ１の気密性を優れたものとすることができる。また、磁場発生部７をパッケージ９１の外部に配置する場合は、蓋体９１２の構成材料としてはＳＵＳ３０４等の非磁性材料を用いることができる。これにより、内部空間Ｓ１の容積を小さくすることができるので、内部空間Ｓ１の気密性を優れたものとすることができたり、ヒーター５の消費電力を少なくしたりすることができる。

支持部材９２（支持部）は、パッケージ９１内に収納されており、パッケージ９１（より具体的にはパッケージ９１の一部を構成している基体９１１）に対して原子セルユニット９０を支持する機能を有する。

また、支持部材９２は、原子セルユニット９０とパッケージ９１の外部との間の熱の伝達を抑制する機能を有する。これにより、原子セルユニット９０の各部と外部との間の熱干渉を抑制することができる。

支持部材９２の構成材料としては、熱伝導性が比較的低く、かつ、支持部材９２が原子セルユニット９０を支持する剛性を確保し得る材料であれば、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等の非金属を用いることが好ましく、樹脂材料を用いることがより好ましい。支持部材９２を主として樹脂材料で構成した場合、支持部材９２の熱抵抗を高くすることができ、また、支持部材９２の形状が複雑であっても、例えば射出成型等の公知の方法を用いて、支持部材９２を容易に製造することができる。特に、支持部材９２を主として樹脂材料で構成した場合、熱抵抗が大きい発泡体で構成された支持部材９２を容易に形成することができる。

また、支持部材９２の構成材料としては、磁場発生部７からの磁場を阻害しないよう、非磁性の材料を用いることが好ましい。

以上説明したような構造を有する原子発振器１は、接続部材９４に対する減光フィルター３１２の位置および姿勢のうちの少なくとも一方が変更可能に構成されており、減光フィルター３１２の位置および姿勢のうちの少なくとも一方を変更することにより、原子セル２に照射される共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の強度を調整可能となっている。

（減光フィルターの詳細な説明）
以下、減光フィルター３１２について詳述する。

図７は、図６に示す原子発振器が備える減光フィルターの平面図である。なお、図７では、説明の便宜上、減光フィルターの面方向に沿っていて互いに直交する２つの軸としてＸ軸およびＹ軸を図示している。また、以下では、Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ軸方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ軸方向」という。

図７に示すように、減光フィルター３１２は、Ｙ軸方向に沿った領域の減光率を一定としつつ、Ｘ軸方向の一方側（図７にて左側）から他方側（図７にて右側）に向けて減光率が連続的または段階的に高くなるように、減光率が分布している。

本実施形態において、減光フィルター３１２は、平面視で、円形をなし、その中心が原子セル２の軸線ａおよび共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１に一致するように配置されている。したがって、共鳴光対ＬＬ１は、減光フィルター３１２の中心を含む第１領域を通過し、一方、調整光ＬＬ２は、減光フィルター３１２の第１領域よりも外周部側（中心からずれた位置側）の第２領域を通過することとなる。

例えば、このような減光フィルター３１２を図中矢印αで示す方向に回転させると、共鳴光対ＬＬ１に対する減光フィルター３１２の減光率を一定に保ちつつ、調整光ＬＬ２に対する減光フィルター３１２の減光率を変化させることができる。

また、減光フィルター３１２の中心と軸線ａおよび光軸ａ１との位置関係（例えばＸ軸方向での位置関係）を変化させることで、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方に対する減光フィルター３１２の減光率を変化させることもできる。なお、図１２では、調整前の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の通過領域の輪郭を実線で示し、調整後の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の通過領域の輪郭を二点鎖線で示している。

このように減光フィルター３１２の位置や姿勢を変化させることで、調整光ＬＬ２を所望の強度に調整することができる。かかる調整は、例えば、前述した原子セルユニット９０を組んだ後に行うことができる。

（調整光の作用）
図８は、セシウム原子のエネルギー状態と共鳴光対（第１共鳴光、第２共鳴光）および調整光（第３共鳴光）との関係の一例を示す図である。図９は、ナトリウム原子の磁気量子数の分布を示す図であって、図９（ａ）は、σ_＋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図、図９（ｂ）は、σ₋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図である。

例えば、原子セル２内にセシウム原子が封入され、そのセシウム原子に対して共鳴光対および調整光を同じ方向から照射する場合、図８に示すように、第１共鳴光および第２共鳴光（共鳴光対）としてσ_＋偏光（左円偏光）しているＤ１線を用い、第３共鳴光（調整光）としてσ₋偏光（右円偏光）しているＤ２線を用いる。なお、第１共鳴光および第２共鳴光がσ₋偏光、第３共鳴光がσ_＋偏光であってもよいし、また、第１共鳴光および第２共鳴光がＤ２線、第３共鳴光がＤ１線であってもよい。

アルカリ金属原子の一種であるセシウム原子は、６Ｓ_１／２の基底準位と、６Ｐ_１／２および６Ｐ_３／２の２つの励起準位と、を有する。また、６Ｓ_１／２、６Ｐ_１／２、６Ｐ_３／２の各準位は、複数のエネルギー準位に分裂した微細構造を有している。具体的には、６Ｓ_１／２準位はＦ＝３、４の２つの基底準位を有し、６Ｐ_１／２準位はＦ’＝３、４の２つの励起準位を有し、６Ｐ_３／２準位はＦ”＝２、３、４、５の４つの励起準位を有している。

６Ｓ_１／２のＦ＝３の第１基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ_３／２のＦ”＝２、３、４のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｆ”＝５の励起準位に遷移することはできない。６Ｓ_１／２のＦ＝４の第２基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ_３／２のＦ”＝３、４、５のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｆ”＝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、６Ｐ_３／２のＦ”＝３、４のいずれかの励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して６Ｓ_１／２のＦ＝３またはＦ＝４の基底準位（元の基底準位または他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。このような６Ｓ_１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ_３／２のＦ”＝３、４のいずれかの励起準位からなる３準位は、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。同様に、６Ｓ_１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ_１／２のＦ’＝３、４のいずれかの励起準位からなる３準位も、Ｄ１線の吸収・発光によるΛ型の遷移が可能であるからΛ型３準位を形成する。

これに対し、６Ｐ_３／２のＦ”＝２の励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して必ず６Ｓ_１／２のＦ＝３の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、６Ｐ_３／２のＦ”＝５の励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して必ず６Ｓ_１／２のＦ＝４の基底準位（元の基底準位）に遷移する。したがって、６Ｓ_１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ_３／２のＦ＝２またはＦ＝５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。

このようなセシウム原子は、真空中でのＤ１線の波長が８９４．５９３ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が８５２．３４７ｎｍであり、６Ｓ_１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が９．１９２６ＧＨｚである。

なお、セシウム原子以外のアルカリ金属原子も、同様に、Λ型３準位を形成する２つの基底準位と励起準位を有する。ここで、ナトリウム原子は、真空中でのＤ１線の波長が５８９．７５６ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が５８９．１５８ｎｍであり、３Ｓ_１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が１．７７１６ＧＨｚである。また、ルビジウム（^８５Ｒｂ）原子は、真空中でのＤ１線の波長が７９４．９７９ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が７８０．２４１ｎｍであり、５Ｓ_１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が３．０３５７ＧＨｚである。また、ルビジウム（^８７Ｒｂ）原子は、真空中でのＤ１線の波長が７９４．９７９ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が７８０．２４１ｎｍであり、５Ｓ_１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が６．８３４６ＧＨｚである。

例えば、図９に示すように、アルカリ金属原子の一種であるナトリウム原子は、Λ型３準位を形成する２つの基底準位と励起準位を有し、３Ｓ_１／２のＦ＝１の第１基底準位は、ｍ_Ｆ１＝−１、０、１の３つの磁気量子数を有し、３Ｓ_１／２のＦ＝２の第２基底準位は、ｍ_Ｆ２＝−２、−１、０、１、２の５つの磁気量子数を有し、３Ｐ１／２の励起準位は、ｍ_Ｆ’＝−２、−１、０、１、２の５つの磁気量子数を有する。

Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子に対してσ_＋円偏光の共鳴光対を照射すると、図９（ａ）に示すように、磁気量子数が１増えるという選択則をもって、励起準位に励起される。このとき、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子は、磁気量子数が大きい方に分布が変化する。

一方、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子に対してσ₋円偏光の共鳴光対を照射すると、図９（ｂ）に示すように、磁気量子数が１減るという選択則をもって、励起準位に励起される。このとき、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子は、磁気量子数が小さい方に分布が変化する。

なお、図９では、説明の便宜上、簡単な構造のナトリウム原子を例に磁気量子数の分布を示しているが、他のアルカリ金属原子においても、基底準位および励起準位のそれぞれは、２Ｆ＋１個の磁気量子数（磁気副準位）を有し、前述したような選択則をもって磁気量子数の分布が変化する。

以上説明したように、原子セル２内のアルカリ金属に対して共鳴光対および調整光を同じ方向から照射する場合、共鳴光対および調整光の一方を右円偏光とし、他方を左円偏光とすることにより、アルカリ金属の磁気量子数の偏りを低減することができる。

以上説明したように、原子発振器１では、互いに同方向に円偏光している共鳴光対ＬＬ１に加えて、原子セル２内において共鳴光対ＬＬ１とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光ＬＬ２をアルカリ金属に照射することにより、共鳴光対ＬＬ１による磁気量子数の分布の偏りを調整光ＬＬ２により相殺または緩和させ、アルカリ金属の磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。そのため、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数のアルカリ金属原子の数を増加させ、その結果、円偏光している共鳴光対ＬＬ１を用いることによってＥＩＴ信号の強度を向上させる効果を顕著に発現させ、よって、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる。

また、第１光源３１１および第２光源３２１を共通（同一）のヒーター５（温度調節部）により温度調節するため、省電力化を図ることができる。その上で、第１光源３１１および第２光源３２１と原子セル２との間に配置されている減光フィルター３１２の減光率が変化する分布を有するため、第１光源３１１および第２光源３２１の出射光の強度が温度依存性を有していても、第１光源３１１や第２光源３２１に対する減光フィルター３１２の位置や姿勢を相対的に変化させることで、第１光源３１１および第２光源３２１の出射光を所望の強度に調整することができる。その結果、ＥＩＴ信号の高精度化を図ることができる。

また、減光フィルター３１２が第１光源３１１および第２光源３２１と原子セル２との間に配置されているため、第１光源３１１および第２光源３２１に対する減光フィルター３１２の位置や姿勢を相対的に変化させることで、第１光源３１１および第２光源３２１の双方の出射光の強度を調整することができる。

また、共鳴光対ＬＬ１がＤ１線であり、調整光ＬＬ２がＤ２線である場合、ＥＩＴ現象を効率よく生じさせ、その結果、ＥＩＴ信号の強度を効率的に向上させることができる。

また、原子セル２内において調整光ＬＬ２の強度（光量子束密度）が共鳴光対ＬＬ１よりも小さいことが好ましい。これにより、原子セル２内のアルカリ金属の磁気量子数の偏りを効果的に低減することができる。

また、調整光ＬＬ２の強度が強すぎると、原子セル２内のアルカリ金属の磁気量子数の分布が、共鳴光対ＬＬ１による磁気量子数の分布の偏りとは反対側に大きく偏ってしまう場合がある。一方、調整光ＬＬ２の強度が弱すぎると、共鳴光対ＬＬ１による磁気量子数の分布の偏りを調整光ＬＬ２により十分に相殺または緩和させることができない場合がある。

このような観点から、原子セル２内の共鳴光対ＬＬ１の光量子束密度をＤ１とし、原子セル２内の調整光ＬＬ２の光量子束密度をＤ２としたとき、Ｄ２／Ｄ１は、０．１以上０．９以下であることが好ましく、０．２以上０．７以下であることがより好ましく、０．３以上０．５以下であることがさらに好ましい。

また、第１光源３１１が面発光レーザーである場合、所望の周波数を有する共鳴光対ＬＬ１を容易に生成することができる。

また、第２光源３２１が面発光レーザーである場合、所望の周波数を有する調整光ＬＬ２を容易に生成することができる。

また、第２光源３２１が発光ダイオードである場合、調整光ＬＬ２の線幅を共鳴光対ＬＬ１よりも大きくすることができる。そのため、幅広い速度分布のアルカリ金属原子に対して調整光ＬＬ２を共鳴させることができる。そのため、調整光ＬＬ２の中心波長が多少ずれても、所望の速度にあるアルカリ金属原子に対して調整光ＬＬ２を共鳴させることができる。その結果、調整光ＬＬ２の周波数制御が不要となり、装置構成を簡単化することができる。

＜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１０は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器の概略構成を示す断面図である。

本実施形態は、減光フィルターが原子セルと一体的に構成されている以外は、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、前述した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１０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１０に示す原子発振器１Ａは、原子セル２Ａを備える原子セルユニット９０Ａを有する。原子セル２Ａは、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた窓部２３および減光フィルター３１２Ａとを有している。ここで、胴体部２１の窓部２３とは反対側の面に、減光フィルター３１２Ａが接合されている。これにより、貫通孔２１１の窓部２３とは反対側の開口が減光フィルター３１２Ａにより封鎖されている。すなわち、減光フィルター３１２Ａは、原子セル２の内部空間Ｓ内へ共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２が入射する入射側窓部（第１光透過部）を構成している。

また、減光フィルター３１２Ａは、前述した第１実施形態の減光フィルター３１２と同様の減光率分布を有している。これにより、減光フィルター３１２Ａの位置や姿勢を原子セル２Ａごと変更することにより、共鳴光対ＬＬ１や調整光ＬＬ２の強度を調整することができる。

以上説明したような第２実施形態によっても、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図１１は、本発明の第３実施形態に係る原子発振器が備える第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。図１２は、図１１に示す原子発振器が備える減光フィルターの平面図である。

本実施形態は、第１発光素子および第２発光素子に対する減光フィルターの位置関係が異なる以外は、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３実施形態に関し、前述した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１１〜図１３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１１に示す原子発振器１Ｂでは、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１が、軸線ａに対して傾斜角度θ１で傾斜しており、一方、調整光ＬＬ２の光軸ａ２が、軸線ａに対して光軸ａ１とは反対側へ傾斜角度θ２で傾斜している。これにより、軸線ａに対する対称性が高い構成を実現することができる。

ここで、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１は、調整光ＬＬ２の光軸ａ２に対して傾斜角度θで傾斜していて、光軸ａ２と交点Ｐにて交差している。したがって、傾斜角度θは、傾斜角度θ１と傾斜角度θ２との和である。

図１１では、傾斜角度θ１と傾斜角度θ２とが互いに等しい場合を図示しているが、傾斜角度θ１と傾斜角度θ２とが互いに異なっていてもよい。

図１２に示すように、本実施形態において、減光フィルター３１２は、その中心が原子セル２の軸線ａに一致するとともに共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１および調整光ＬＬ２の光軸ａ２に対してずれる（離間する）ように配置されている。したがって、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２は、互いに周方向の異なる位置でそれぞれ減光フィルター３１２の中心からずれた領域を通過することとなる。

例えば、このような減光フィルター３１２を図中矢印αで示す方向に回転させると、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２のそれぞれに対する減光フィルター３１２の減光率を変化させることができる。

ここで、図１２では、調整前の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の通過領域の輪郭を実線で示し、調整後の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の通過領域の輪郭を二点鎖線で示しているが、実線で示す領域に共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を照射するように配置された第１発光素子および第２発光素子と、二点鎖線で示す領域に共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を照射するように配置された第１発光素子および第２発光素子とをそれぞれ配置してもよい。このような複数の発光素子と原子セル２との間に減光フィルター３１２を配置することにより、複数の発光素子を選択的に切り換えて発光させることにより、発光素子に対する減光フィルター３１２の位置や姿勢を相対的に変化させることができる。これにより、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の強度調整を行うことができる。

（変形例）
図１３は、図１１に示す原子発振器が備える減光フィルターの変形例を示す平面図である。

図１３に示す減光フィルター３１２Ｃは、Ｘ軸方向での一方側の部分が一様な減光率を有し、Ｘ軸方向での他方側の部分がＹ軸方向での一方側から他方側に向けて減光率が連続的または段階的に変化している。例えば、このような減光フィルター３１２Ｃを図中矢印αで示す方向に回転させると、共鳴光対ＬＬ１に対する減光フィルター３１２の減光率を一定に保ちつつ、調整光ＬＬ２に対する減光フィルター３１２の減光率を変化させることができる。

２．電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。

以下、本発明の電子機器について説明する。
図１４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を用いた場合の概略構成を示す図である。

図１４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１５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。

なお、本発明の電子機器は、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、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。

以上、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、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の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。

１…原子発振器、１Ａ…原子発振器、１Ｂ…原子発振器、２…原子セル、２Ａ…原子セル、３…光源部、３…原子セル、４…受光部、５…ヒーター（温度調節部）、６…温度センサー、７…磁場発生部、８…制御部、２１…胴体部、２２…窓部、２３…窓部、３１…第１光源部、３２…第２光源部、８１…温度制御部、８２…光源制御部、８３…磁場制御部、９０…原子セルユニット、９０Ａ…原子セルユニット、９１…パッケージ、９２…支持部材、９３…基板、９４…接続部材、９５…接着剤、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ衛星、２１１…貫通孔、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…第１光源（第１発光素子）、３１２…減光フィルター、３１２Ａ…減光フィルター、３１２Ｃ…減光フィルター、３１３…λ／４波長板、３２１…第２光源（第２発光素子）、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、８２１…周波数制御部、８２２…電圧制御型水晶発振器、８２３…位相同期回路、９１１…基体、９１２…蓋体、９１３…封止材、９１４…端子、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、９１１１…孔、ａ…軸線、ａ１…光軸、ａ２…光軸、ＬＬ…光、ＬＬ１…共鳴光対、ＬＬ１ａ…共鳴光対、ＬＬ１ｂ…共鳴光対、ＬＬ２…調整光、ＬＬ２ａ…共鳴光、ＬＬ２ｂ…共鳴光、Ｐ…交点、Ｓ…内部空間、Ｓ１…内部空間、θ…傾斜角度、θ１…傾斜角度、θ２…傾斜角度、ω_０…周波数、ω_１…周波数、ω_２…周波数

Claims (11)

1. 金属が封入されている内部空間を有している原子セルと、
   第１発光素子を有し、互いに同方向に円偏光していて前記金属を共鳴させる共鳴光対を含む第１光を前記原子セルに向けて出射する第１光源部と、
   第２発光素子を有し、前記内部空間において前記共鳴光対とは逆の回転方向で円偏光している調整光を含む第２光を前記原子セルに向けて出射する第２光源部と、
   前記第１発光素子および前記第２発光素子の温度を調節する温度調節部と、
   前記第１発光素子および前記第２発光素子のうちの少なくとも一方と前記原子セルとの間に配置されていて減光率が面内方向で変化する分布を有する減光フィルターと、
   を備えることを特徴とする量子干渉装置。
2. 前記第１発光素子は、面発光レーザーである請求項１に記載の量子干渉装置。
3. 前記第２発光素子は、面発光レーザーである請求項１または２に記載の量子干渉装置。
4. 前記第２発光素子は、発光ダイオードである請求項１または２に記載の量子干渉装置。
5. 前記減光フィルターは、前記第１発光素子および前記第２発光素子と前記原子セルとの間に配置されている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
6. 前記共鳴光対はＤ１線であり、
   前記調整光はＤ２線である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
7. 前記第１光源部および前記第２光源部のうちの少なくとも一方の光源部は、複数の発光素子を有し、
   前記減光フィルターは、前記複数の発光素子と前記原子セルとの間に配置されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
8. 前記第２光の強度が前記第１光の強度よりも小さい請求項１ないし７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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