JP5954540B2 - 原子セルモジュール、量子干渉装置、電子機器及び原子セルの磁界制御方法 - Google Patents

原子セルモジュール、量子干渉装置、電子機器及び原子セルの磁界制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、原子セルモジュール、量子干渉装置、電子機器及び原子セルの磁界制御方法に関する。
アルカリ金属原子の一種であるセシウム原子は、図２０に示すように、６Ｓ１／２の基底準位と、６Ｐ１／２、６Ｐ３／２の２つの励起準位とを有することが知られている。さらに、６Ｓ１／２、６Ｐ１／２、６Ｐ３／２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、６Ｓ１／２はＦ＝３，４の２つの基底準位を持ち、６Ｐ１／２はＦ＝３，４の２つの励起準位を持ち、６Ｐ３／２はＦ＝２，３，４，５の４つの励起準位を持っている。
例えば、６Ｓ１／２のＦ＝３の基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ３／２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。６Ｓ１／２のＦ＝４の基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ３／２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、６Ｐ３／２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６Ｓ１／２のＦ＝３又はＦ＝４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、６Ｓ１／２のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ３／２のＦ＝３，４のいずれか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。同様に、６Ｓ１／２のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ１／２のＦ＝３，４のいずれかの励起準位からなる３準位は、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。
これに対して、６Ｐ３／２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６Ｓ１／２のＦ＝３の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、６Ｐ３／２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６Ｓ１／２のＦ＝４の基底準位（元の基底準位）に遷移する。すなわち、６Ｓ１／２のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ３／２のＦ＝２又は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。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とが知られている。
ところで、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（セシウム原子の場合、６Ｓ１／２のＦ＝３の基底準位）と励起準位（セシウム原子の場合、例えば６Ｐ３／２のＦ＝４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（セシウム原子の場合、６Ｓ１／２のＦ＝４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２１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、気体状のアルカリ金属原子を封入した原子セル（ガスセル）に２光波を照射し、光検出器によりＥＩＴ信号のピークトップを検出するように、すなわち、２光波の周波数差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。このような原子発振器に関する技術は、例えば、特許文献１に開示されている。
米国特許第６３２０４７２号明細書
ところで、アルカリ金属原子に磁場がかかると各エネルギー準位がゼーマン分裂する。例えば、図２２（Ａ）に示すように、セシウム原子の場合、６Ｓ１/２，Ｆ＝３の基底準位や６Ｐ３/２，Ｆ＝３の励起準位は、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３に対応する７つの準位に分裂し、６Ｓ１/２，Ｆ＝４の基底準位や６Ｐ３/２，Ｆ＝４の励起準位は、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３，±４に対応する９つの準位に分裂する。そして、アルカリ金属原子は、２つの基底準位の磁気量子数ｍＦが同じゼーマン準位間のエネルギー差（周波数差）に相当する周波数差の２光波を共鳴光対としてＥＩＴ現象を起こす。すなわち、アルカリ金属原子に磁場がかかった状態では、２光波の周波数差をスイープすると、アルカリ金属原子を透過する光の強度に複数のピーク、すなわち複数のＥＩＴ信号が観測される。例えば、図２２（Ｂ）に示すように、セシウム原子の場合、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３に対応する７つのＥＩＴ信号が観測される。図２２（Ｂ）に示すように、一般に、ｍＦ＝０に対応するＥＩＴ信号の強度が最も高いので、多くの原子発振器では、ガスセルに一様な定常磁場を印加し、ｍＦ＝０に対応するＥＩＴ信号が発生するように、共鳴光対の周波数差が制御されている。しかしながら、原子発振器を小型化すると、ガスセル周辺の容積が小さくなり、ガスセルに安定した磁場をかけることが難しくなる。また、ガスセルにはある程度の温度をかける必要があり、ヒーターを併設するが、外気温度の変化に応じてヒーター電流が変動するため、ヒーター電流により発生する磁場も変動する。その結果、外気温度の変動によりガスセルに印加される磁場が変動することになる。そうすると、図２３に示すように、２つの基底準位の磁気量子数ｍＦが同じゼーマン準位間のエネルギー差（周波数差）は、磁場の変動に対して２次関数的に変動するため、原子発振器の周波数安定度（特に温度特性）が劣化するという問題が生じる。さらに、原子発振器を小型にするとガスセルが小さくなり、ＥＩＴ現象を起こす原子の総量が減ることでＥＩＴ信号の強度が小さくなってしまうという問題もある。
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、原子セルの内部に発生する磁界の少なくとも一部を打ち消すことで原子に対する共鳴光の周波数変動幅を低減することができる原子セルモジュール及び原子セルの磁界制御方法、並びに、当該原子セルモジュールを用いた周波数安定度の高い量子干渉装置及
び電子機器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］
本適用例に係る原子セルモジュールは、原子が封入されている原子セルと、電流が流れることにより発熱し、前記原子セルを加熱する発熱部と、前記原子セルの内部に磁界を発生させる磁界発生部と、を含み、前記磁界発生部により発生する前記原子セルの内部の所定位置の磁界が、前記発熱部に流れる電流に基づいて発生する前記所定位置の磁界と逆向きの磁界成分を含む。
前記所定位置は、前記原子セルの内部の光路上の位置であるようにしてもよい。また、前記磁界発生部により発生する前記原子セルの内部の光路上の所定位置の磁界が、前記発熱部に流れる電流に基づいて発生する前記所定位置の磁界と逆向きかつ同じ強度になるようにしてもよい。
本適用例に係る原子セルモジュールによれば、発熱部に流れる電流に基づいて原子セル内部に発生する磁界の少なくとも一部を、磁界発生部により発生する磁界によって打ち消すことができる。従って、発熱部に流れる電流の変動により原子セル内部の磁界強度が変動する範囲をより小さくすることができ、その結果、原子セルに封入されている原子に対する共鳴光の周波数変動幅をより小さくすることができる。
［適用例２］
上記適用例に係る原子セルモジュールにおいて、前記磁界発生部は、前記発熱部に流れる電流の少なくとも一部が流れることにより、前記原子セルの内部に磁界を発生させるようにしてもよい。
本適用例に係る原子セルモジュールによれば、発熱部に流れる電流が変動しても、それに応じて磁界発生部が発生させる磁界も変動するので、発熱部に流れる電流に基づいて発生する磁界の少なくとも一部を効果的に打ち消すことができる。
［適用例３］
上記適用例に係る原子セルモジュールは、前記原子セル、前記発熱部及び前記磁界発生部を外部の磁場から遮蔽する磁気遮蔽部を含むようにしてもよい。
本適用例に係る原子セルモジュールによれば、原子セルモジュールの外部磁場の影響による共鳴光の周波数変動幅の増加を抑制することができる。
［適用例４］
本適用例に係る量子干渉装置は、上記のいずれかの原子セルモジュールと、共鳴光を含む光を発生させ、前記原子セルに照射する光発生部と、前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、前記光検出部の検出信号に基づいて前記共鳴光の周波数を制御する制御部と、を含み、前記共鳴光によって前記原子に量子干渉状態を生じさせる。
本適用例に係る量子干渉装置によれば、原子に対する共鳴光の周波数変動幅をより小さくする原子セルモジュールを用いることで、光検出部の検出信号に、縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号を発生させることができる。従って、この縮退されたＥＩＴ信号にロックするようにフィードバック制御を行うことで、周波数安定度の高い量子干渉装置を実現
することができる。
［適用例５］
上記適用例に係る量子干渉装置は、前記発熱部に流れる電流の変動に起因する前記所定位置の磁界の変動量を低減させるように、前記磁界発生部が発生させる磁界を制御する磁界制御部を含むようにしてもよい。
本適用例に係る量子干渉装置によれば、発熱部に流れる電流が変動しても、原子セル内部の磁界の変動量を低減することで縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号を安定して発生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は、前記発熱部に流れる電流に基づいて発生する磁界の強度変化を検出可能な位置に設けられている磁気検出部を含み、前記磁界制御部は、前記磁気検出部の検出信号に応じて、前記磁界発生部が発生させる磁界を制御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、発熱部に流れる電流の変動に起因して磁界強度が変動しても、磁気検出部により磁界の強度変化を検出し、検出結果に応じて原子セル内部の磁界の変動量を低減させることができるので、縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号を安定して発生させることができる。
また、本適用例に係る量子干渉装置によれば、磁気検出部が原子セルモジュールの外部磁場による磁界も含めて検出するので、外部磁場が変動しても縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号を安定して発生させることができる。
［適用例７］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記磁気検出部は、前記発熱部に接するように配置されてい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、温度がほぼ一定に保たれる発熱部に接するように磁気検出部を配置することで、磁気検出部の温度特性を補正しなくても高い周波数安定度を実現することができる。
［適用例８］
上記適用例に係る量子干渉装置は、前記発熱部に流れる電流を検出する電流検出部を含み、前記磁界制御部は、前記電流検出部の検出信号に応じて、前記磁界発生部が発生させる磁界を制御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、発熱部に流れる電流の変動に起因して磁界強度が変動しても、電流検出部により発熱部に流れる電流を検出し、検出結果に応じて原子セル内部の磁界の変動量を低減させることができるので、縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号を安定して発生させることができる。
［適用例９］
本適用例に係る電子機器は、上記のいずれかの量子干渉装置を備える。
［適用例１０］
本適用例に係る原子セルの磁界制御方法は、原子が封入されている原子セルの内部の磁界を制御する原子セルの磁界制御方法であって、前記原子セルを加熱する発熱部に流れる
電流に基づいて発生する前記原子セルの内部の所定位置の磁界と逆向きの磁界成分を含む磁界を、磁界発生部により前記所定位置に発生させる。
第１実施形態の原子発振器の機能ブロック図。 第１実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図。 第１実施形態におけるガスセルモジュールの構造の一例を示す図。 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。 ヒーター及びコイルに流れる電流の向きとガスセルの内部に発生する磁界の向きの関係の一例を示す図。 図６（Ａ）は外気温度とヒーター電流の関係を示す図であり、図６（Ｂ）はヒーター電流と磁界強度の関係を示す図であり、図６（Ｃ）はコイル電流と磁界強度の関係を示す図。 ガスセルモジュールの調整方法の一例を示すフローチャート図。 図８（Ａ）は分裂したＥＩＴ信号の一例を示す図であり、図８（Ｂ）は縮退したＥＩＴ信号の一例を示す図。 第２実施形態の原子発振器の機能ブロック図。 第２実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図。 第２実施形態におけるガスセルモジュールの構造の一例を示す図。 制御情報の作成方法の一例を示すフローチャート図。 第３実施形態の原子発振器の機能ブロック図。 第３実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図。 第３実施形態におけるガスセルモジュールの構造の一例を示す図。 制御情報の作成方法の一例を示すフローチャート図。 本実施形態の電子機器の機能ブロック図。 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。 セシウム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。 図２２（Ａ）はゼーマン分裂したエネルギー準位を示す図であり、図２２（Ｂ）は分裂したＥＩＴ信号の一例を示す図。 磁界強度と共鳴光対の周波数差の関係を示す図。
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．原子発振器
１−１．第１実施形態
［原子発振器の機能構成］
図１は、第１実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。図１に示すように、第１実施形態の原子発振器１は、原子セルモジュール１０、光発生部２０、光検出部３０及び制御部４０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。
原子セルモジュール１０は、原子セル１１、発熱部１２、磁界発生部１３及び温度検出部１４を含んで構成されている。原子セルモジュール１０は、磁気遮蔽部１５をさらに含んでいてもよい。
原子セル１１は、ガラス等の透明部材でできた容器中にΛ型３準位を有する原子（例えば、ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等のアルカリ金属原子）が封入されたものである。原子セル１１には、光発生部２０が発生させた光が入射し、入射光の一部が原子セル１１を透過する。
発熱部１２は、電流が流れることにより発熱し、原子セル１１を加熱するものである。発熱部１２は、例えば、電流量に応じた熱量を発生させるヒーターで実現することができる。例えば、原子セル１１の光の入射面及び出射面に、導電性と光透過性を有するヒーターを配置してもよい。このような導電性と光透過性を有するヒーターは、ＩＴＯ（Indium
Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の透明電極材料を用いて実現することができる。
磁界発生部１３は、原子セル１１の内部に磁界を発生させるものである。特に、本実施形態では、磁界発生部１３は、発熱部１２に流れる電流の少なくとも一部が流れることにより、原子セル１１の内部に磁界を発生させる。この磁界発生部１３により発生する原子セル１１の内部の所定位置（例えば、原子セル１１の内部の光路上の位置）の磁界は、発熱部１２に流れる電流に基づいて発生する当該所定位置の磁界と逆向きの磁界成分を含む。このような磁界発生部１３は、例えば、発熱部１２の給電線の一部を巻いたコイルで実現することができる。コイルの位置や形状（コイルの巻き数や直径等）、コイルに流す電流の向き（あるいは、コイルを巻く方向）や電流の大きさを変更することで、原子セル１１の内部の所定位置における磁界の向きや大きさを調整することができる。例えば、原子セル１１の内部における光路上の所定位置において、発熱部１２により発生する磁界と磁界発生部１３により発生する磁界が互いに打ち消しあうように（磁界強度が０に近づくように）調整してもよい。
温度検出部１４は、所定の位置に配置され、温度を検出する。温度検出部１４は、例えば、発熱部１２又は原子セル１１に接するように配置されていてもよい。温度検出部１４は、例えば、サーミスターや熱電対等の温度センサーで実現することができる。
磁気遮蔽部１５は、少なくとも、原子セル１１、発熱部１２及び磁界発生部１３を外部の磁場から遮蔽し、さらに温度検出部１４も外部の磁場から遮蔽してもよい。
光発生部２０は、原子セル１１に封入されている原子を共鳴させる共鳴光を含む光を発生させ、原子セル１１に照射する。光発生部２０は、例えば、半導体レーザーで実現することができる。半導体レーザーとしては、端面発光レーザー（E dge 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。
光検出部３０は、原子セル１１を透過した光を検出する。光検出部３０は、例えば、受光した光の強度に応じた検出信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）を用いて実現することができる。
制御部４０は、発熱制御部４１及び発振制御部４２を含んで構成されており、例えば、汎用のマイクロプロセッサーや専用回路で実現することができる。
発熱制御部４１は、温度検出部１４の検出信号に応じて発熱部１２に流れる電流を制御
する。この発熱制御部４１により、原子セル１１の内部温度をほぼ一定に保つように、発熱部１２の発熱量が制御される。
発振制御部４２は、光検出部３０の検出信号に基づいて、光発生部２０が発生させる光の周波数が制御する。この発振制御部４２により、光発生部２０が共鳴光を発生させるように制御される。
なお、このような原子発振器としては、例えば、光発生部２０に、原子セル１１に封入されている原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対を発生させるように制御するものであってもよいし、原子セル１１を空洞共振器（マイクロ波キャビティー）に収容し、光発生部２０に、原子セル１１に封入されている原子に対する共鳴光を発生させるように制御するとともに、空洞共振器にマイクロ波を印加することで発生する光マイクロ２重共鳴現象を利用するものであってもよい。
［原子発振器の具体的構成］
図２は、第１実施形態の原子発振器１の具体的な構成例を示す図である。図２に示すように、原子発振器１は、ガスセルモジュール１００、半導体レーザー２００、光検出器２１０、検波回路２２０、変調回路２３０、低周波発振器２４０、検波回路２５０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２６０、変調回路２７０、低周波発振器２８０、周波数変換回路２９０、駆動回路３００及びヒーター電流制御回路３１０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２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。
ガスセルモジュール１００は、図１の原子セルモジュール１０に対応し、ガスセル１１０、ヒーター１２０ａ，１２０ｂ、コイル１３０ａ，１３０ｂ、温度センサー１４０及び磁気シールド１５０を含んで構成されている。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に、ガスセルモジュール１００の構造の一例を示す。図３（Ａ）は、ガスセルモジュール１００の斜視図であり、図３（Ｂ）は、ガスセルモジュール１００の側面図である。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）において、説明の便宜上、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を併記しており、図３（Ｂ）は、Ｘ軸の正方向から見たガスセルモジュール１００の側面図である。
ガスセル１１０は、図１の原子セル１１に対応し、ガラス等の透明部材でできた容器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。本実施形態では、ガスセル１１０は、直方体の形状であり、Ｚ軸と直交する一方の面（入射面）１１１の所定位置（例えば中心点）から光が入射し、ガスセル１１０を透過した光が他方の面（出射面）１１２の所定位置（例えば中心点）から出射する。なお、ガスセル１１０は、円柱等の他の形状であってもよい。
２つのヒーター１２０ａ，１２０ｂは、ともに平板形状であり、ガスセル１１０の入射面１１１と出射面１１２にそれぞれ重なるように設けられている。ヒーター１２０ａの両端には、それぞれ電極１２１ａ及び１２２ａが設けられており、本実施形態では、電極１２１ａから電極１２２ａの向きに電流が流れることによりヒーター１２０ａが発熱し、ガスセル１１０を加熱する。ヒーター１２０ｂの両端には、それぞれ電極１２１ｂ及び１２２ｂが設けられており、本実施形態では、電極１２２ｂから電極１２１ｂの向きに電流が流れることにより発熱し、ガスセル１１０を加熱する。本実施形態では、ヒーター１２０ａ，１２０ｂは、透明導電膜を用いて構成されており、ヒーター１２０ａを透過した光がガスセル１１０に入射し、ガスセル１１０を透過した光がヒーター１２０ｂを透過して出射する。この２つのヒーター１２０ａ，１２０ｂは、図１の発熱部１２に対応し、ガスセル１１０の内部には、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流に応じた磁界が発生する。
温度センサー１４０は、図１の温度検出部１４に対応し、本実施形態では、ヒーター１２０ｂの表面に配置されている。ただし、温度センサー１４０を、ヒーター１２０ａ又はガスセル１１０の表面に配置してもよい。
２つのコイル１３０ａ，１３０ｂは、ガスセル１１０の入射面１１１と出射面１１２の両方に直交する（Ｙ軸と直交する）２つの面１１３，１１４とそれぞれ対向するように配置されている。コイル１３０ａの一端は、ヒーター１２０ａの電極１２１ａと接続されている。また、コイル１３０ｂの一端は、ヒーター１２０ａの電極１２２ａと接続されている。そして、図２のヒーター電流制御回路３１０の制御により、温度センサー１４０の出力信号に応じた大きさの電流が、コイル１３０ａを流れた後、ヒーター１２０ａを電極１２１ａから電極１２２ａまで流れ、さらにコイル１３０ｂを流れる。あるいは、温度センサー１４０の出力信号に応じた大きさの電流が、コイル１３０ｂを流れた後、ヒーター１２０ａを電極１２２ａから電極１２１ａまで流れ、さらにコイル１３０ａを流れる。この２つのコイル１３０ａ，１３０ｂは、図１の磁界発生部１３に対応し、当該２つのコイル１３０ａ，１３０ｂに流れる電流によりガスセル１１０の内部の所定位置に、２つのヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流により発生する磁界と逆向きの磁界を発生させるように、その位置や形状（巻き数や直径）が調整されている。
なお、本実施形態では、コイル１３０ａ，１３０ｂにはヒーター１２０ａに流れる電流の全部が流れるが、ヒーター１２０ａに流れる電流の一部のみを分流してコイル１３０ａ，１３０ｂに流すような構造にしてもよい。
また、本実施形態では、コイル１３０ａ，１３０ｂは、ヒーター１２０ｂと電気的に接続されておらず、ヒーター１２０ｂには、温度センサー１４０の出力信号に応じた大きさの電流が、電極１２２ｂから電極１２１ｂの向きあるいはその逆向きに、ヒーター電流制御回路３１０から直接供給される。ただし、ヒーター１２０ｂは、コイル１３０ａ，１３０ｂの少なくとも一方と電気的に接続されていてもよい。
ガスセル１１０、ヒーター１２０ａ，１２０ｂ、コイル１３０ａ，１３０ｂ及び温度センサー１４０は、磁気シールド１５０で覆われている。磁気シールド１５０は、図１の磁気遮蔽部１５に対応する。なお、磁気シールド１５０は、通常、透明色ではないが、図３（Ａ）では、ガスセルモジュール１００の構造を示すために、磁気シールド１５０を透明に図示している。また、図３（Ｂ）では、磁気シールド１５０の図示を省略している。
図２に戻り、半導体レーザー２００は、図１の光発生部２０に対応し、ガスセル１１０に含まれる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２光波を含む光を発生させる。半導体レーザー２００が発生させた光は、ガスセル１１０に入射する。
光検出器２１０は、図１の光検出部３０に対応し、ガスセル１１０を透過した光が入射し、入射した光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出器２１０の出力信号は検波回路２２０と検波回路２５０に入力される。
検波回路２２０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２４０の発振信号を用いて光検出器２１０の出力信号を同期検波する。変調回路２３０は、検波回路２２０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２４０の発振信号（検波回路２２０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２２０の出力信号を変調して駆動回路３００に出力する。変調回路２３０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２５０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２８０の発振信号を用いて光検出器２１０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路２５０の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２６０の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２６０は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。
変調回路２７０は、検波回路２５０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２８０の発振信号（検波回路２５０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）２６０の出力信号を変調する。変調回路２７０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２９０は、一定の周波数変換率で変調回路２７０の出力信号を周波数変換して駆動回路３００に出力する。周波数変換回路２９０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３００は、半導体レーザー２００のバイアス電流を設定するとともに、変調回路２３０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２００に供給する。すなわち、半導体レーザー２００、ガスセル１１０、光検出器２１０、検波回路２２０、変調回路２３０、駆動回路３００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２００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、第１のフィードバックループにより、アルカリ金属原子の励起準位と一方の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ１（＝ｖ／ｆ１：ｖは光の速度）、励起準位と他方の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ２（＝ｖ／ｆ２）に対して、半導体レーザー２００の出射光の中心波長λ０（＝ｖ／ｆ０）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）ようにフィードバック制御がかかる。
駆動回路３００は、さらに、バイアス電流に、周波数変換回路２９０の出力周波数成分（変調周波数ｆｍ）の電流（変調電流）を重畳して半導体レーザー２００に供給する。この変調電流により、半導体レーザー２００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ｆｍだけずれた周波数ｆ０±ｆｍ、ｆ０±２ｆｍ、・・・の光を発生させる。そして、半導体レーザー２００、ガスセル１１０、光検出器２１０、検波回路２５０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２６０、変調回路２７０、周波数変換回路２９０、駆動回路３００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＋ｆｍの光と周波数ｆ０−ｆｍの光がガスセル１１０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２９０の出力信号の周波数が４．５９６３１５８８５ＧＨｚと一致した状態で安定する。図４に、半導体レーザー２００の出射光の周波数スペクトラムの一例を示す。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。
なお、検波回路２２０、変調回路２３０、低周波発振器２４０、検波回路２５０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２６０、変調回路２７０、低周波発振器２８０、周波数変換回路２９０、駆動回路３００により構成される回路は、図１の発振制御部４２に対応する。
ヒーター電流制御回路３１０は、図１の発熱制御部４１に対応し、ガスセル１１０の温
度を一定に保つように、温度センサー１４０の検出温度に応じてヒーター１２０ａ，１２０ｂに流す電流を制御する。具体的には、ヒーター電流制御回路３１０は、外気温度が上昇することで温度センサー１４０の検出温度がわずかに上昇するとヒーター１２０ａ，１２０ｂに流す電流を減少させ、逆に外気温度が低下することで温度センサー１４０の検出温度がわずかに低下するとヒーター１２０ａ，１２０ｂに流す電流を増加させる。
ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流はコイル１３０ａ，１３０ｂにも流れるので、ガスセル１１０の内部には、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流（ヒーター電流）による磁界とコイル１３０ａ，１３０ｂに流れる電流（コイル電流）による磁界が発生する。図５は、ヒーター１２０ａ，１２０ｂ及びコイル１３０ａ，１３０ｂに流れる電流の向きとガスセル１１０の内部に発生する磁界の向きの関係の一例を示す図である。図５は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）のガスセルモジュール１００をＹＺ平面に平行かつ光路を含む面で切り、Ｘ軸の正方向から見た断面図である。なお、図５では、磁気シールド１５０の図示を省略している。
図５に示すように、ヒーター１２０ａには、例えば、＋Ｘ方向に（電極１２１ａから電極１２２ａに）電流が流れ、これによりガスセル１１０の内部の光路上にあるＰ点（例えば、ガスセル１１０の内部の中心位置）には＋Ｙ方向の磁界Ｇ１が発生する。一方、ヒーター１２０ｂには、−Ｘ方向に（電極１２２ｂから電極１２１ｂに）電流が流れ、これによりＰ点には＋Ｙ方向の磁界Ｇ２が発生する。
コイル１３０ａには、例えば、＋Ｙ方向から見て時計周りに電流が流れ、これによりＰ点には−Ｙ方向の磁界Ｇ３が発生する。同様に、コイル１３０ｂにも＋Ｙ方向から見て時計周りに電流が流れ、これによりＰ点には−Ｙ方向の磁界Ｇ４が発生する。
このように、Ｐ点において、コイル１３０ａ，１３０ｂに流れる電流（コイル電流）により発生する磁界Ｇ３，Ｇ４の向きは、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流（ヒーター電流）により発生する磁界Ｇ１，Ｇ２の向きと逆向きになる。
ここで、ヒーター電流は、ガスセル１１０をほぼ一定温度に保つために、温度の上昇に対してほぼ線形に減少する（図６（Ａ）参照）。磁界Ｇ１＋Ｇ２は、ヒーター電流の増加に対してほぼ線形に増加し（図６（Ｂ）参照）、磁界Ｇ３＋Ｇ４は、コイル電流の増加に対してほぼ線形に増加する（図６（Ｃ）参照）。本実施形態では、磁界Ｇ３，Ｇ４の向きが磁界Ｇ１，Ｇ２と逆向きになり、かつ、磁界Ｇ３＋Ｇ４が磁界Ｇ１＋Ｇ２とほぼ一致するように、ガスセルモジュール１００（特に、コイル１３０ａ，１３０ｂの位置や形状）が調整されている。
［ガスセルモジュールの調整方法］
図７は、ガスセルモジュール１００の調整方法の一例を示すフローチャート図である。
まず、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流すヒーター電流を所定値に設定する（Ｓ１０）。
次に、周波数差をスイープしながら２光波を原子セルに照射し、原子セルの透過光の検出信号をモニターする（Ｓ１２）。例えば図５のＰ点において、ヒーター電流により発生する磁場Ｇ１＋Ｇ２の強度とコイル電流により発生する磁場Ｇ３＋Ｇ４の強度が異なっていれば、その強度差に応じた周波数間隔でＥＩＴ信号が分裂する（図８（Ａ）参照）。一方、磁場Ｇ１＋Ｇ２の強度と磁場Ｇ３＋Ｇ４の強度がほぼ一致すれば、ＥＩＴ信号は１つに縮退する（図８（Ｂ）参照）。
ステップＳ１２のモニターの結果、ＥＩＴ信号が縮退していない場合（Ｓ１４のＮ）、分裂したＥＩＴ信号に応じて、コイル１３０ａ，１３０ｂの巻き数、直径、位置の一部または全部を変更し（Ｓ１８）、ステップＳ１２のモニターを再び行う。
ステップＳ１２のモニターの結果、ＥＩＴ信号が縮退している場合（Ｓ１４のＹ）、ＥＩＴ信号の幅が許容範囲でなければ（Ｓ１６のＮ）、コイル１３０ａ，１３０ｂの巻き数、直径、位置の一部または全部を変更し（Ｓ１８）、ステップＳ１２のモニターを再び行う。一方、ＥＩＴ信号の幅が許容範囲であれば（Ｓ１６のＹ）、コイル１３０ａ，１３０ｂの巻き数、直径、位置を固定し（Ｓ２０）、ガスセルモジュール１００の調整を終了する。
以上に説明したように、第１実施形態の原子発振器によれば、例えば図７のフローチャートに従ってガスセルモジュール１００が調整されており、ヒーター電流が所定値の時、ガスセル１１０の内部の光路上の所定位置（例えば、ガスセル１１０の内部の中心位置）において、コイル１３０ａ，１３０ｂに流れるコイル電流により発生する磁界が、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流により発生する磁界と逆向きかつほぼ同じ強度になって互いに打ち消しあい、その結果、縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号が得られる。本実施形態では、外気温度の変動に応じてヒーター電流による磁界強度が変動しても、コイ
ル電流による磁界強度も同様に変動して打ち消しあうので、外気温度によらず縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号が得られる。従って、この縮退されたＥＩＴ信号にロックするようにフィードバック制御を行うことで、周波数安定度の高い原子発振器を実現することができる。
１−２．第２実施形態
［原子発振器の機能構成］
図９は、第２実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。図９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。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図９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。
図９に示すように、第２実施形態の原子発振器１では、第１実施形態の原子発振器１に対して、原子セルモジュール１０に磁気検出部１６が追加されるとともに、制御部４０に磁界制御部４３が追加されている。また、磁界発生部１３の機能が第１実施形態と異なる。
磁界発生部１３は、原子セル１１の内部に磁界を発生させるものであり、磁界発生部１３により発生する原子セル１１の内部の所定位置（例えば、原子セル１１の内部の光路上の位置）の磁界が、発熱部１２に流れる電流に基づいて発生する当該所定位置の磁界と逆向きの磁界成分を含むように、磁界発生部１３の形状や配置が決定される。このような磁界発生部１３は、例えば、コイルで実現することができる。コイルの位置や形状（コイルの巻き数や直径等）、コイルに流す電流の向き（あるいは、コイルを巻く方向）や電流の大きさを変更することで、原子セル１１の内部の所定位置における磁界の向きや大きさを調整することができる。例えば、原子セル１１の内部における光路上の所定位置において、発熱部１２により発生する磁界と磁界発生部１３により発生する磁界が互いに打ち消しあうように（磁界強度が０に近づくように）調整してもよい。
磁気検出部１６は、発熱部１２に流れる電流に基づいて発生する磁界の強度変化を検出可能な位置に設けられている。磁気検出部１６は、例えば、発熱部１２又は原子セル１１に接するように配置されていてもよい。磁気検出部１６は、例えば、コイルやホール素子等の磁気センサーで実現することができる。
磁界制御部４３は、発熱部１２に流れる電流の変動に起因する原子セル１１の内部における所定位置の磁界の変動量を低減させるように、磁界発生部１３が発生させる磁界を制御する。特に、本実施形態では、磁界制御部４３は、磁気検出部１６の検出信号に応じて、磁界発生部１３が発生させる磁界を制御する。例えば、磁界制御部４３は、磁気検出部１６が検出する磁界が強いほど、磁界発生部１３が発生させる磁界を強くするように制御してもよい。
第２実施形態の原子発振器１のその他の機能構成については、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
［原子発振器の具体的構成］
図１０は、第２実施形態の原子発振器１の具体的な構成例を示す図である。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。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図１０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。
図１０に示すように、第２実施形態の原子発振器１では、第１実施形態の原子発振器１に対して、コイル電流制御回路３２０が追加されるとともに、ガスセルモジュール１００に磁気センサー１６０が追加されている。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に、本実施形態におけるガスセルモジュール１００の構造の一例を示す。図１１（Ａ）は、ガスセルモジュール１００の斜視図であり、図１１（Ｂ）は、ガスセルモジュール１００の側面図である。図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）において、説明の便宜上、直交する３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を併記しており、図１１（Ｂ）は、Ｘ軸の正方向から見たガスセルモジュール１００の側面図である。
ガスセル１１０、ヒーター１２０ａ，１２０ｂ及び温度センサー１４０の構造及び配置は、第１実施形態と同様であり、その説明を省略する。
磁気センサー１６０は、図９の磁気検出部１６に対応し、磁気シールド１５０の内部の所定位置に設けられている。本実施形態では、磁気センサー１６０は、ヒーター１２０ｂの表面に配置されているが、ヒーター１２０ａ又はガスセル１１０の表面に配置してもよいし、ガスセル１１０の内部に配置してもよい。ヒーター１２０ａ，１２０ｂの表面の温度やガスセル１１０の表面及び内部の温度はほぼ一定に保たれるので、磁気センサー１６０をこれらのいずれかに配置することで磁気センサー１６０の温度特性を補正する必要がなくなる。
２つのコイル１３０ａ，１３０ｂは、ガスセル１１０の入射面１１１と出射面１１２の両方に直交する（Ｙ軸と直交する）２つの面１１３，１１４とそれぞれ対向するように配置されているが、第１実施形態と異なり、ヒーター１２０ａ，１２０ｂと電気的に接続されていない。コイル１３０ａ，１３０ｂには、図１０のコイル電流制御回路３２０の制御により、磁気センサー１６０の出力信号に応じた大きさの電流が流れる。この２つのコイル１３０ａ，１３０ｂは、図９の磁界発生部１３に対応し、当該２つのコイル１３０ａ，１３０ｂに流れる電流によりガスセル１１０の内部の所定位置に、２つのヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流により発生する磁界と逆向きの磁界を発生させるように、その位置や形状（巻き数や直径）が調整されている。
図１０に戻り、メモリー３３０は、不揮発性のメモリーであり、制御情報３３２が記憶されている。制御情報３３２は、磁気センサー１６０の検出値とコイル電流の設定値との対応関係が定義された情報である。
コイル電流制御回路３２０は、図９の磁界制御部４３に対応し、磁気センサー１６０の検出値と制御情報３３２に基づいて、コイル１３０ａ，１３０ｂに流す電流（コイル電流）を制御する。具体的には、コイル電流制御回路３２０は、磁気センサー１６０の検出値が所定量以上変化した場合、コイル電流を、制御情報３３２において磁気センサー１６０の検出値に対応づけられている設定値に変更する。制御情報３３２において磁気センサー１６０の検出値に対応するコイル電流の設定値が定義されていない場合は、線形補間等の手法を用いてコイル電流の設定値を算出すればよい。
第２実施形態の原子発振器１のその他の具体的構成については、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
ガスセル１１０の内部には、ヒーター電流による磁界とコイル電流による磁界が発生する。本実施形態では、ヒーター１２０ａには、例えば、＋Ｘ方向に（電極１２１ａから電極１２２ａに）電流が流れ、これによりガスセル１１０の内部の光路上にあるＰ点（例えば、ガスセル１１０の内部の中心位置）には＋Ｙ方向の磁界Ｇ１が発生する。一方、ヒーター１２０ｂには、−Ｘ方向に（電極１２２ｂから電極１２１ｂに）電流が流れ、これによりＰ点には＋Ｙ方向の磁界Ｇ２が発生する。
コイル１３０ａには、例えば、＋Ｙ方向から見て時計周りに電流が流れ、これによりＰ点には−Ｙ方向の磁界Ｇ３が発生する。同様に、コイル１３０ｂにも＋Ｙ方向から見て時計周りに電流が流れ、これによりＰ点には−Ｙ方向の磁界Ｇ４が発生する。
なお、ヒーター電流とコイル電流の向き及び磁界Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の向きは、図５と同じであるため、その図示を省略する。
このように、Ｐ点において、コイル１３０ａ，１３０ｂに流れる電流（コイル電流）により発生する磁界Ｇ３，Ｇ４の向きは、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流（ヒーター電流）により発生する磁界Ｇ１，Ｇ２の向きと逆向きになる。本実施形態では、コイル電流制御回路３２０により、外気温度の変動範囲に対して常に磁界Ｇ３＋Ｇ４が磁界Ｇ１＋Ｇ２とほぼ一致するようにコイル電流が制御される。
［制御情報の作成方法］
図１２は、制御情報３３２の作成方法の一例を示すフローチャート図である。
まず、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流すヒーター電流とコイル１３０ａ，１３０ｂに流すコイル電流を所定値に設定する（Ｓ１００）。
次に、周波数差をスイープしながら２光波を原子セルに照射し、原子セルの透過光の検出信号をモニターする（Ｓ１０２）。
ステップＳ１０２のモニターの結果、ＥＩＴ信号が縮退していない場合（Ｓ１０４のＮ）、分裂したＥＩＴ信号に応じて、コイル電流の設定値を変更し（Ｓ１０８）、ステップＳ１０２のモニターを再び行う。
ステップＳ１０２のモニターの結果、ＥＩＴ信号が縮退している場合（Ｓ１０４のＹ）、ＥＩＴ信号の幅が許容範囲でなければ（Ｓ１０６のＮ）、コイル電流の設定値を変更し（Ｓ１０８）、ステップＳ１０２のモニターを再び行う。一方、ＥＩＴ信号の幅が許容範囲であれば（Ｓ１０６のＹ）、磁気センサー１６０の検出値とコイル電流の設定値を取得する（Ｓ１１０）。
そして、所定数のヒーター電流値に対してステップＳ１０２〜Ｓ１１０の処理が未終了であれば（Ｓ１１２のＮ）、ヒーター電流を次の所定値に設定し（Ｓ１１４）、ステップＳ１０２〜Ｓ１１０の処理を行う。
一方、所定数のヒーター電流値に対してステップＳ１０２〜Ｓ１１０の処理が終了すれば（Ｓ１１２のＹ）、ステップＳ１１０で取得した磁気センサー１６０の検出値とコイル電流の設定値とを対応づけて制御情報３３２を作成し、メモリー３３０に記憶する（Ｓ１１６）し、処理を終了する。
以上に説明したように、第２実施形態の原子発振器によれば、例えば図１２のフローチャートに従って作成した制御情報３３２に従い、磁気センサー１６０の検出値に応じてコイル電流の設定値を変更することで、外気温度の変動に応じてヒーター電流による磁界強度が変動しても、コイル電流による磁界強度も同様に変動して打ち消しあうので、外気温度によらず縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号が得られる。
また、原子発振器１が小型化されると、ガスセルモジュール１００に十分な磁気シールド１５０を設けることができない場合もあるが、本実施形態の原子発振器によれば、磁気センサー１６０はヒーター電流やコイル電流による磁界だけでなく外部磁場による磁界も含めて検出する。従って、制御情報３３２を用いてコイル電流を制御することで、外部磁場が変動しても常に縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号が得られる。
従って、この縮退されたＥＩＴ信号にロックするようにフィードバック制御を行うことで、周波数安定度の高い原子発振器を実現することができる。
１−３．第３実施形態
［原子発振器の機能構成］
図１３は、第３実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。図１３において、図９と同じ構成要素には同じ符号を付している。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図１３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。
図１３に示すように、第３実施形態の原子発振器１では、第２実施形態の原子発振器１に対して、原子セルモジュール１０の磁気検出部１６の代わりに制御部４０に電流検出部４４が追加されている。また、磁界制御部４３の機能が第２実施形態と異なる。
電流検出部４４は、発熱部１２に流れる電流を検出する。
磁界制御部４３は、電流検出部４４の検出信号に応じて、磁界発生部１３が発生させる磁界を制御する。例えば、磁界制御部４３は、電流検出部４４が検出する電流が大きいほど、磁界発生部１３が発生させる磁界を強くするように制御してもよい。
第３実施形態の原子発振器１のその他の機能構成については、第２実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
［原子発振器の具体的構成］
図１４は、第３実施形態の原子発振器１の具体的な構成例を示す図である。図１４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。なお、本実施形態の原子発振器は、適宜、図１４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。
図１４に示すように、第３実施形態の原子発振器１では、第２実施形態の原子発振器１に対して、磁気センサー１６０の代わりに電流検出回路３４０が設けられている。
電流検出回路３４０は、図１３の電流検出部４４に対応し、ヒーター１２０ａ，１２０ｂの一方又は両方に流れるヒーター電流を検出する。
本実施形態では、制御情報３３２は、第２実施形態と異なり、電流検出回路３４０の検出値とコイル電流の設定値との対応関係が定義された情報である。
コイル電流制御回路３２０は、図１３の磁界制御部４３に対応し、電流検出回路３４０の検出値と制御情報３３２に基づいて、コイル１３０ａ，１３０ｂに流す電流（コイル電流）を制御する。具体的には、コイル電流制御回路３２０は、電流検出回路３４０の検出
値が所定量以上変化した場合、コイル電流を、制御情報３３２において電流検出回路３４０の検出値に対応づけられている設定値に変更する。制御情報３３２において電流検出回路３４０の検出値に対応するコイル電流の設定値が定義されていない場合は、線形補間等の手法を用いてコイル電流の設定値を算出すればよい。
なお、図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）に示すように、本実施形態におけるガスセルモジュール１００の構造は、磁気センサー１６０が削除されていることを除き、第２実施形態のガスセルモジュール１００（図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）参照）と同じであるため、その説明を省略する。
第３実施形態の原子発振器１のその他の具体的構成については、第２実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
ガスセル１１０の内部には、ヒーター電流による磁界とコイル電流による磁界が発生する。本実施形態では、ヒーター１２０ａには、例えば、＋Ｘ方向に（電極１２１ａから電極１２２ａに）電流が流れ、これによりガスセル１１０の内部の光路上にあるＰ点（例えば、ガスセル１１０の内部の中心位置）には＋Ｙ方向の磁界Ｇ１が発生する。一方、ヒーター１２０ｂには、−Ｘ方向に（電極１２２ｂから電極１２１ｂに）電流が流れ、これによりＰ点には＋Ｙ方向の磁界Ｇ２が発生する。
コイル１３０ａには、例えば、＋Ｙ方向から見て時計周りに電流が流れ、これによりＰ点には−Ｙ方向の磁界Ｇ３が発生する。同様に、コイル１３０ｂにも＋Ｙ方向から見て時計周りに電流が流れ、これによりＰ点には−Ｙ方向の磁界Ｇ４が発生する。
なお、ヒーター電流とコイル電流の向き及び磁界Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４の向きは、図５と同じであるため、その図示を省略する。
このように、Ｐ点において、コイル１３０ａ，１３０ｂに流れる電流（コイル電流）により発生する磁界Ｇ３，Ｇ４の向きは、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流れる電流（ヒーター電流）により発生する磁界Ｇ１，Ｇ２の向きと逆向きになる。本実施形態では、コイル電流制御回路３２０により、外気温度の変動範囲に対して常に磁界Ｇ３＋Ｇ４が磁界Ｇ１＋Ｇ２とほぼ一致するようにコイル電流が制御される。
［制御情報の作成方法］
図１６は、制御情報３３２の作成方法の一例を示すフローチャート図である。
まず、ヒーター１２０ａ，１２０ｂに流すヒーター電流とコイル１３０ａ，１３０ｂに
流すコイル電流を所定値に設定する（Ｓ２００）。
次に、周波数差をスイープしながら２光波を原子セルに照射し、原子セルの透過光の検出信号をモニターする（Ｓ２０２）。
ステップＳ２０２のモニターの結果、ＥＩＴ信号が縮退していない場合（Ｓ２０４のＮ）、分裂したＥＩＴ信号に応じて、コイル電流の設定値を変更し（Ｓ２０８）、ステップＳ２０２のモニターを再び行う。
ステップＳ２０２のモニターの結果、ＥＩＴ信号が縮退している場合（Ｓ２０４のＹ）、ＥＩＴ信号の幅が許容範囲でなければ（Ｓ２０６のＮ）、コイル電流の設定値を変更し（Ｓ２０８）、ステップＳ２０２のモニターを再び行う。一方、ＥＩＴ信号の幅が許容範囲であれば（Ｓ２０６のＹ）、電流検出回路３４０の検出値とコイル電流の設定値を取得する（Ｓ２１０）。
そして、所定数のヒーター電流値に対してステップＳ２０２〜Ｓ２１０の処理が未終了であれば（Ｓ２１２のＮ）、ヒーター電流を次の所定値に設定し（Ｓ２１４）、ステップＳ２０２〜Ｓ２１０の処理を行う。
一方、所定数のヒーター電流値に対してステップＳ２０２〜Ｓ２１０の処理が終了すれば（Ｓ２１２のＹ）、ステップＳ２１０で取得した電流検出回路３４０の検出値とコイル電流の設定値とを対応づけて制御情報３３２を作成し、メモリー３３０に記憶する（Ｓ２１６）し、処理を終了する。
以上に説明したように、第３実施形態の原子発振器によれば、例えば図１６のフローチャートに従って作成した制御情報３３２に従い、電流検出回路３４０の検出値に応じてコイル電流の設定値を変更することで、外気温度の変動に応じてヒーター電流による磁界強度が変動しても、コイル電流による磁界強度も同様に変動して打ち消しあうので、外気温度によらず縮退された信号強度の高いＥＩＴ信号が得られる。従って、この縮退されたＥＩＴ信号にロックするようにフィードバック制御を行うことで、周波数安定度の高い原子発振器を実現することができる。
２．電子機器
図１７は、本実施形態の電子機器の機能ブロック図である。本実施形態の電子機器４００は、クロック生成部４１０、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）４２０、操作部４３０、ＲＯＭ（Read Only Memory）４４０、ＲＡＭ（Random Access Memory）４５０、通信部４６０、表示部４７０、音出力部４８０を含んで構成されている。なお、本実施形態の電子機器は、図１７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。
クロック生成部４１０は、原子発振器４１２の発振信号を原振クロックとして、各種のクロック信号を生成する。原子発振器４１２は、例えば、前述した実施形態の原子発振器１である。
ＭＰＵ４２０は、ＲＯＭ４４０等に記憶されているプログラムに従い、クロック生成部４１０が生成する各種のクロック信号を用いて各種の計算処理や制御処理を行う。具体的には、ＭＰＵ４２０は、操作部４３０からの操作信号に応じた各種の処理、外部とデータ通信を行うために通信部４６０を制御する処理、表示部４７０に各種の情報を表示させるための表示信号を送信する処理、音出力部４８０に各種の音を出力させる処理等を行う。
操作部４３０は、操作キーやボタンスイッチ等により構成される入力装置であり、ユーザーによる操作に応じた操作信号をＭＰＵ４２０に出力する。
ＲＯＭ４４０は、ＭＰＵ４２０が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。
ＲＡＭ４５０は、ＭＰＵ４２０の作業領域として用いられ、ＲＯＭ４４０から読み出されたプログラムやデータ、操作部４３０から入力されたデータ、ＭＰＵ４２０が各種プログラムに従って実行した演算結果等を一時的に記憶する。
通信部４６０は、ＭＰＵ４２０と外部装置との間のデータ通信を成立させるための各種制御を行う。
表示部４７０は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等により構成される表示装置であり、ＭＰＵ４２０から入力される表示信号に基づいて各種の情報を表示する。
音出力部４８０は、スピーカー等の音を出力する装置である。
原子発振器４１２として本実施形態の原子発振器１を組み込むことにより、より信頼性の高い電子機器を実現することができる。
図１８に、本実施形態の電子機器の一例として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１８において、携帯端末５００（ＰＨＳ、スマートフォンを含む）（電子機器４００の一例）は、複数の操作ボタン５０２（操作部４３０の一例）、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（表示部４７０の一例）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。
本実施形態の電子機器としては、この他にも種々の電子機器が考えられ、例えば、パーソナルコンピューター（例えば、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、タブレット型パーソナルコンピューター）、携帯電話機などの移動体端末、ディジタルスチールカメラ、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）、ルーターやスイッチなどのストレージエリアネットワーク機器、ローカルエリアネットワーク機器、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、ゲーム用コントローラー、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）、フライトシュミレーター、ヘッドマウントディスプレイ、モーショントレース、モーショントラッキング、モーションコントローラー、ＰＤＲ（歩行者位置方位計測）等が挙げられる。
３．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］
図１２のフローチャートにおいて、ヒーター電流の設定値を振る代わりに外気温度を振って、磁気センサー１６０の検出値とコイル電流の設定値とを取得し、制御情報３３２を
作成するようにしてもよい。同様に、図１６のフローチャートにおいて、ヒーター電流の設定値を振る代わりに外気温度を振って、電流検出回路３４０の検出値とコイル電流の設定値とを取得し、制御情報３３２を作成するようにしてもよい。
［変形例２］
本実施形態の原子発振器において、第１のフィードバックループにより、半導体レーザー２００の出射光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が、ガスセル１１０に封入されたアルカリ金属原子の励起準位と一方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）、励起準位と他方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、λ１又はλ２とほぼ一致する（中心周波数ｆ０がｆ１又はｆ２とほぼ一致する）ように制御するとともに、第２のフィードバックループにより、周波数変換回路２９０が変調回路２７０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１９（Ａ）は、中心波長λ０がλ２と一致するケースの半導体レーザー２００の出射光の周波数スペクトルを示す概略図であり、図１９（Ｂ）は、中心波長λ０がλ１と一致するケースの半導体レーザー２００の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図１９（Ａ）及び図１９（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１９（Ａ）の場合は、周波数ｆ０＋ｆｍの光と周波数ｆ０の光の周波数差ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数に等しく、かつ、ｆ０＋ｆｍ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＋ｆｍの光と周波数ｆ０の光がガスセル１１０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１９（Ｂ）の場合は、周波数ｆ０の光と周波数ｆ０−ｆｍの光の周波数差ｆｍ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−ｆｍがｆ２にほぼ等しいので、周波数ｆ０の光と周波数ｆ０−ｆｍの光がガスセル１１０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３］
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２００は、周波数変換回路２９０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２９０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１１０に照射される。この原子発振器では、半導体レーザー２００と電気光学変調器（ＥＯＭ）による構成が図１、図９又は図１３の光発生部２０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。
４．応用例
本実施形態又は変形例の原子発振器の構成は、共鳴光によって原子に量子干渉状態を生じさせる様々な量子干渉装置に応用することができる。
［応用例１］
例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器において、磁気シールド１５０を無くすことにより、ガスセルモジュール１００の周辺の磁場の変化に追従して電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）２６０の発振周波数が変化する。従って、ガスセルモジュール１００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１１０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、１０ 原子セルモジュール、１１ 原子セル、１２ 発熱部、１３ 磁界発生部、１４ 温度検出部、１５ 磁気遮蔽部、１６ 磁気検出部、２０ 光発生部、３０ 光検出部、４０ 制御部、４１ 発熱制御部、４２ 発振制御部、４３ 磁界制御部、４４ 電流検出部、１００ ガスセルモジュール、１１０ ガスセル、１２０ａ，１２０ｂ ヒーター、１２１ａ，１２１ｂ 電極、１２２ａ，１２２ｂ 電極、１３０ａ，１３０ｂ コイル、１４０ 温度センサー、１５０ 磁気シールド、１６０ 磁気センサー、２００ 半導体レーザー、２１０ 光検出器、２２０ 検波回路、２３０ 変調回路、２４０ 低周波発振器、２５０ 検波回路、２６０ 電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、２７０ 変調回路、２８０ 低周波発振器、２９０ 周波数変換回路、３００ 駆動回路、３１０ ヒーター電流制御回路、３２０ コイル電流制御回路、３３０ メモリー、３３２ 制御情報、３４０ 電流検出回路、４００ 電子機器、４１０ クロック生成部、４１２ 原子発振器、４２０ ＭＰＵ、４３０ 操作部、４４０ ＲＯＭ、４５０ ＲＡＭ、４６０ 通信部、４７０ 表示部、４８０ 音出力部、５００ 携帯端末、５０２
操作ボタン、５０４ 受話口、５０６ 送話口、５０８ 表示部

Claims (10)

  1. 原子が封入されている原子セルと、
    電流が流れることにより発熱し、前記原子セルを加熱する発熱部と、
    前記原子セルの内部に磁界を発生させる磁界発生部と、を含み、
    前記磁界発生部により発生する前記原子セルの内部の所定位置の磁界が、前記発熱部に流れる電流に基づいて発生する前記所定位置の磁界と逆向きの磁界成分を含む、原子セルモジュール。
  2. 請求項１において、
    前記磁界発生部は、
    前記発熱部に流れる電流の少なくとも一部が流れることにより、前記原子セルの内部に磁界を発生させる、原子セルモジュール。
  3. 請求項１又は２において、
    前記原子セル、前記発熱部及び前記磁界発生部を外部の磁場から遮蔽する磁気遮蔽部を含む、原子セルモジュール。
  4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の原子セルモジュールと、
    共鳴光を含む光を発生させ、前記原子セルに照射する光発生部と、
    前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、
    前記光検出部の検出信号に基づいて前記共鳴光の周波数を制御する制御部と、を含み、
    前記共鳴光によって前記原子に量子干渉状態を生じさせる、量子干渉装置。
  5. 請求項４において、
    前記発熱部に流れる電流の変動に起因する前記所定位置の磁界の変動量を低減させるように、前記磁界発生部が発生させる磁界を制御する磁界制御部を含む、量子干渉装置。
  6. 請求項５において、
    前記原子セルモジュールは、
    前記発熱部に流れる電流に基づいて発生する磁界の強度変化を検出可能な位置に設けられている磁気検出部を含み、
    前記磁界制御部は、
    前記磁気検出部の検出信号に応じて、前記磁界発生部が発生させる磁界を制御する、量子干渉装置。
  7. 請求項６において、
    前記磁気検出部は、前記発熱部に接するように配置されている、量子干渉装置。
  8. 請求項５において、
    前記発熱部に流れる電流を検出する電流検出部を含み、
    前記磁界制御部は、
    前記電流検出部の検出信号に応じて、前記磁界発生部が発生させる磁界を制御する、量子干渉装置。
  9. 請求項４乃至８のいずれか一項に記載の量子干渉装置を備えた、電子機器。
  10. 原子が封入されている原子セルの内部の磁界を制御する原子セルの磁界制御方法であって、
    前記原子セルを加熱する発熱部に流れる電流に基づいて発生する前記原子セルの内部の
    所定位置の磁界と逆向きの磁界成分を含む磁界を、磁界発生部により前記所定位置に発生させる、原子セルの磁界制御方法。
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