JP5381400B2 - 量子干渉装置、原子発振器、および磁気センサー - Google Patents

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１２（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１２（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、ΔＥ１
２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ＳＮ比を向上させるには、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ＳＮ比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１２（ｂ）或いは図１２（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。

特開２００４−９６４１０公報

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比）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。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、あるいは磁気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］本発明の量子干渉装置は、エネルギー準位が異なる２つの基底準位を持った気体状のアルカリ金属原子に中心周波数が異なる複数の共鳴光対を入射し、前記複数の共鳴光対の前記中心周波数同士間の周波数差が前記アルカリ金属原子の速度分散に対応したドップラー幅よりも小さく、かつ、前記共鳴光対をなす２つの共鳴光の周波数差に基づくエネルギー差が前記２つの基底準位間のエネルギー差と一致しており、前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させ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（共鳴光対）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］本発明の量子干渉装置では、速度成分の異なる複数の前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させることが好ましい。
［適用例３］本発明の量子干渉装置では、前記アルカリ金属原子の速度に起因するドップラー効果を利用して、電磁誘起透過現象に寄与する前記アルカリ金属原子の数を増大させることが好ましい。
［適用例４］本発明の量子干渉装置では、光源と、
前記光源から入射された光を第１の発振信号及び第２の発振信号に基づき変調し、前記複数の共鳴光対を含む光を出射する変調手段と、を備えることが好ましい。
［適用例５］本発明の量子干渉装置では、前記変調手段は、
前記第１の発振信号に基づき入射された光を変調して出射する第１の電気光学変調素子、及び前記第２の発振信号に基づき入射された光を変調して出射する第２の電気光学変調素子を有し、前記第１の電気光学変調素子と前記第２の電気光学変調素子が直列に接続されている構成を備えることが好ましい。
［適用例６］本発明の量子干渉装置では、前記変調手段は、
前記第１の発振信号及び前記第２の発振信号を混合する混合手段と、
前記混合手段の出力信号に基づき前記光源から入射された前記光を変調して出射する電気光学変調素子と、を備えることが好ましい。
［適用例７］本発明の量子干渉装置では、第１の発振信号及び第２の発振信号を混合した信号に基づき変調された光を出射する光源を備え、
前記光源から出射された前記光が前記複数の共鳴光対を含む光であることが好ましい。
［適用例８］本発明の量子干渉装置では、前記第１の発振信号の周波数をｆ１、前記第２の発振信号の周波数をｆ２、及び前記光源から出射される光の周波数または中心周波数をｆ０としたとき、
前記複数の共鳴光対を含む光は、
周波数がｆ０− ｆ２− ｆ１の第１の共鳴光、周波数がｆ０− ｆ２の第２の共鳴光、周波数がｆ０− ｆ２＋ｆ１の第３の共鳴光、周波数がｆ０− ｆ１の第４の共鳴光、周波数がｆ０の第５の共鳴光、周波数がｆ０＋ｆ１の第６の共鳴光、周波数がｆ０＋ｆ２− ｆ１の第７の共鳴光、周波数がｆ０＋ｆ２の第８の共鳴光、及び周波数がｆ０＋ｆ２＋ｆ１の第９の共鳴光を含む光であることが好ましい。

［適用例９］本発明の量子干渉装置では、前記光源は直線偏光の光を出射するものであることが好ましい。

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１０］本発明の量子干渉装置では、前記複数の共鳴光対が波長板を通過して前記アルカリ金属原子に入射する構成を備え、前記波長板を通過した前記複数の共鳴光対は円偏光または楕円偏光の光であることが好ましい。

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ＳＮ比を向上させることができる。

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ＳＮ比を向上させることができる。

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ＳＮ比を向上させることができる。

［適用例１１］本発明の原子発振器は、本発明の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比の高い状態で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１２］本発明の磁気センサーは、本発明の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比の高い状態で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。

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。
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。このため第１共鳴光と第２共鳴光を１対で同時に照射してもＥ
ＩＴ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、即ち第１共鳴光と第２共鳴光を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（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１
０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ＥＯＭ３
を変調し、発振器９の周波数（４．５９６ＧＨｚ）によりＥＯＭ４を変調して、ＥＯＭ３
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制御手段１で制御される
。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比）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比）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１２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制御
手段１で制御されている。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比の高い状態で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ＳＮ比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ＳＮ比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ＳＮ比を向上させることが
できる。

１ 中心波長制御手段、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 (12)

1. エネルギー準位が異なる２つの基底準位を持った気体状のアルカリ金属原子に中心周波数が異なる複数の共鳴光対を入射し、前記複数の共鳴光対の前記中心周波数同士間の周波数差が前記アルカリ金属原子の速度分散に対応したドップラー幅よりも小さく、かつ、前記共鳴光対をなす２つの共鳴光の周波数差に基づくエネルギー差が前記２つの基底準位間のエネルギー差と一致しており、前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させることを特徴とする、量子干渉装置。
2. 速度成分の異なる複数の前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させることを特徴とする、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の速度に起因するドップラー効果を利用して、電磁誘起透過現象に寄与する前記アルカリ金属原子の数を増大させることを特徴とする、請求項２に記載の量子干渉装置。
4. 光源と、
   前記光源から入射された光を第１の発振信号及び第２の発振信号に基づき変調し、前記複数の共鳴光対を含む光を出射する変調手段と、を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
5. 前記変調手段は、
   前記第１の発振信号に基づき入射された光を変調して出射する第１の電気光学変調素子、及び前記第２の発振信号に基づき入射された光を変調して出射する第２の電気光学変調素子を有し、前記第１の電気光学変調素子と前記第２の電気光学変調素子が直列に接続されている構成を備えることを特徴とする請求項４に記載の量子干渉装置。
6. 前記変調手段は、
   前記第１の発振信号及び前記第２の発振信号を混合する混合手段と、
   前記混合手段の出力信号に基づき前記光源から入射された前記光を変調して出射する電気光学変調素子と、を備えることを特徴とする請求項４に記載の量子干渉装置。
7. 第１の発振信号及び第２の発振信号を混合した信号に基づき変調された光を出射する光源を備え、
   前記光源から出射された前記光が前記複数の共鳴光対を含む光であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
8. 前記第１の発振信号の周波数をｆ１、前記第２の発振信号の周波数をｆ２、及び前記光源から出射される光の周波数または中心周波数をｆ０としたとき、
   前記複数の共鳴光対を含む光は、
   周波数がｆ０− ｆ２− ｆ１の第１の共鳴光、周波数がｆ０− ｆ２の第２の共鳴光、周波数がｆ０− ｆ２＋ｆ１の第３の共鳴光、周波数がｆ０− ｆ１の第４の共鳴光、周波数がｆ０の第５の共鳴光、周波数がｆ０＋ｆ１の第６の共鳴光、周波数がｆ０＋ｆ２− ｆ１の第７の共鳴光、周波数がｆ０＋ｆ２の第８の共鳴光、及び周波数がｆ０＋ｆ２＋ｆ１の第９の共鳴光を含む光であることを特徴とする請求項４乃至７のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
9. 前記光源は直線偏光の光を出射するものであることを特徴とする請求項４乃至８のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
10. 前記複数の共鳴光対が波長板を通過して前記アルカリ金属原子に入射する構成を備え、前記波長板を通過した前記複数の共鳴光対は円偏光または楕円偏光の光であることを特徴とする請求項９に記載の量子干渉装置。
11. 請求項１乃至１０のいず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。
12. 請求項１乃至１０のいず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。

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