JP6136110B2 - 量子干渉装置、原子発振器及び電子機器 - Google Patents

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及び原子発振器に関する。

図１６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１７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、共鳴光対は半導体レーザーなどを用いて発生させるが、レーザー光等のコヒーレント光は、その性質によりビームの中心の強度が最も高く、その強度分布をビーム断面で見ると、ビーム中心から距離が遠ざかるにつれて同心円状に強度が減衰し、理想的には、ガウス分布（正規分布）となる。

個々の原子がレーザー光との量子干渉作用でＥＩＴ現象を起こす際、レーザー光の強度に依存して原子の周辺の電界強度が変わり、その結果、原子内の電子エネルギー状態が変化する。そのため、各原子がＥＩＴ現象を起こす共鳴光対の周波数は、レーザー光の強度によって異なる（この現象は、パワーシフト（シュタルクシフト）と呼ばれる）。また、レーザー光の強度が高いと、個々の原子が発現するＥＩＴ信号の強度と線幅も大きくなる性質がある（この現象は、パワーブロードニングと呼ばれる）。多数の金属原子が一定の空間密度で同時にＥＩＴ現象を起こすと、パワーシフト（シュタルクシフト）やパワーブロードニングの影響により、ＥＩＴ信号はレーザー光の強度分布に依存したプロファイル挙動を示す。結果的に、ＥＩＴ信号のピークトップの位置がシフトしたり、対称性が崩れたり、あるいは線幅が広がってしまい、原子発振器の周波数安定度を劣化させる原因となる。

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、パワーシフト（シュタルクシフト）やパワーブロードニングの影響を低減し、良好な共鳴信号が得られる量子干渉装置、原子発振器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］
本適用例に係る量子干渉装置は、金属原子と、前記金属原子が封入された原子セルと、前記金属原子にＥＩＴ現象（電磁励起透過現象）を起こさせる共鳴光対を含む光を発生させる光発生部と、を有し 前記金属原子は、入射する前記光の強度により、前記ＥＩＴ現象によるＥＩＴ信号（共鳴信号）に影響を受けるものであり、前記原子セルと前記光発生部との間に配置されていて、前記光が入射する入射面を有するフィルターを有し、前記光は、前記フィルターの入射面での空間強度分布は、前記入射面の基準点と重なる中心部の強度が高く、中心部から遠いほど強度が低い特性を有しており、前記中心部が前記基準点と重なるように前記フィルターに入射し、前記フィルターは前記入射面において、前記基準点に近い位置より遠い位置の方が前記光の透過率が高い。

本適用例に係る量子干渉装置では、光発生部が発生させる光は、一般に、中心ほど強度
が高く中心から離れる程強度が低くなるので、フィルターを透過することで、強度の空間
分布がより平坦になって原子の集団に入射する。従って、本適用例に係る量子干渉装置に
よれば、各原子に入射する光の強度の差に起因するパワーシフト（シュタルクシフト）や
パワーブロードニングの影響を低減し、良好な共鳴信号を得ることができる。
更に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の、強度が最も高い中心部の透過率を最も低くすることができるので、原子の集団に入射する光の強度の空間分布をより平坦にすることができる。

［適用例２］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記フィルターは、前記入射面における前記透過率の分布が、前記基準点からの距離に対して逆ガウス分布になっていてもよい。

光発生部が発生させる光は、理想的には、中心からの距離に対してガウス分布（正規分布）となる。従って、本適用例に係る量子干渉装置によれば、フィルターの透過特性を逆ガウス分布とすることで、原子の集団に入射する光の強度の空間分布をより平坦にすることができる。その結果、本適用例に係る量子干渉装置によれば、より良好な共鳴信号を得ることができる。

［適用例３］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記フィルターは、前記光発生部が発生させた光の一部を吸収する吸収型のフィルターであり、前記入射面の前記基準点から遠い位置ほど吸収率が低いようにしてもよい。

一般に、吸収率が低いほど透過率が高くなるので、本適用例に係る量子干渉装置によれば、入射面の基準点から遠い位置ほど透過率が高いフィルターを実現することができる。

［適用例４］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記フィルターは、前記光発生部が発生させた光の一部を反射する反射型のフィルターであり、前記入射面の前記基準点から遠い位置ほど反射率が低いようにしてもよい。

一般に、反射率が低いほど透過率が高くなるので、本適用例に係る量子干渉装置によれば、入射面の基準点から遠い位置ほど透過率が高いフィルター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において、前記光発生部が発生させた前記光の強度の半値全幅の１／２をｒ0、前記フィルターの前記入射面の、前記基準点から透過率が前記基準点の透過率の２倍となる位置までの距離をｒ1とした時、ｒ0＝ｒ1であってもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、光発生部が発生させた光の、中心部の光と中心部の１／２の強度の光のフィルター透過後の強度を一致させることができるので、原子の集団に入射する光の強度の空間分布をさらに平坦にすることができる。

［適用例６］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記フィルターは、前記原子の集団を収容す
る原子セルの入射面と一体で配置されていてもよい。

本適用例に係る量子干渉装置によれば、フィルターを原子セルの入射面に配置するので、量子干渉装置の小型化が容易になる。

［適用例８］
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、前記共鳴光対を含む光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させた光が入射するフィルターと、前記フィルターを透過した光が入射する前記原子の集団と、前記原子の集団を透過した光を検出する光検出部と、を含み、前記フィルターは、前記光発生部が発生させた光が入射する入射面の基準点から遠い位置ほど透過率が高い。

本適用例に係る原子発振器では、光発生部が発生させる光は、一般に、中心ほど強度が高く中心から離れる程強度が低くなるので、フィルターを透過することで、強度の空間分布がより平坦になって原子の集団に入射する。従って、本適用例に係る原子発振器によれば、各原子に入射する光の強度の差に起因するパワーシフト（シュタルクシフト）やパワーブロードニングの影響を低減し、良好な共鳴信号を得ることができる。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原子発振器を実現することができる。

［適用例９］
本適用例に係る電子機器は、上記の原子発振器を備える。

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。 減光フィルターとガスセルの斜視図。 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。 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。 減光フィルターの透過特性の一例を示す概略図。 ガスセルの入射光の強度の空間分布を示す概略図。 シミュレーションにおける入射光の強度の空間分布を示す概略図。 シミュレーションにより得られたＥＩＴ信号のプロファイルを示す図。 シミュレーションにより得られたＥＩＴ信号のピークトップの位置の時間 第２実施形態におけるＥＩＴ発現部の構造例を示す図。 第２実施形態におけるガスセルの斜視図。 本実施形態の電子機器の模式図。 変形例における減光フィルターの透過特性の一例を示す概略図。 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。

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、減光フィルター（ＮＤフィルター）１０２、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。

減光フィルター１０２は、半導体レーザー１１０の出射光の一部のみを透過させ、減光フィルター１０２を透過した光はガスセル１２０に入射する。

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、減光フィルター１０２、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は減光フィルター１０２とガスセル１２０の斜視図である。

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、減光フィルター１０２、ガスセル１２０、光検出器１３０が、この順にそれぞれ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。

減光フィルター１０２は、円盤状の半透明な部材であり、円形状の底面１０２ａ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。

ガスセル１２０は、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り、円形状の底面１２１が減光フィルター１０２の底面１０２ｂ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で平行光にされて減光フィルター１０２に入射する。減光フィルター１０２に入射した光の一部は、減光フィルター１０２を透過してガスセル１２０に底面１２１から入射し、底面１２３から出射する。すなわち、底面１２１と底面１２３は、それぞれ入射面と出射面に相当する。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とペルチェ素子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、減光フィルター１０２、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、減光フィルター１０２、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。

ところで、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光の強度は、空間の位置によって異なっている。図５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５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５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）となっている。図５の例では、中心からの距離がｒ₀である−ｒ₀と＋ｒ₀の位置の強度が、中心の強度（ピーク値Ｐ_max）の半分となっている。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。

半導体レーザー１１０の出射光を、コリメートレンズ１０１を介して直接ガスセル１２０に照射した場合、ガスセル１２０に収容されている各原子は、その位置により入射する共鳴光対の強度が異なるため、パワーシフト（シュタルクシフト）やパワーブロードニングの影響により、良好なＥＩＴ信号（共鳴信号）が得られない。

そこで、本実施形態では、ガスセル１２０に入射するレーザー光の強度の空間分布を平坦に近づけるために、コリメートレンズ１０１とガスセル１２０の間に減光フィルター１０２が配置されており、レーザー光を、その中心が入射面１０２ａの中心点に一致するように、減光フィルター１０２に入射させる。この減光フィルター１０２は、入射面１０２ａの中心点（基準点の一例）から遠い位置ほど透過率が高い透過特性を有する。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）に、減光フィルター１０２の透過特性の一例を示す。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において、横軸は、入射面１０２ａ内の中心点を通る任意の軸上の位置（中心点を原点とする）であり、縦軸は光の透過率である。ｒ₀は入射面１０２ａに入射するレーザー光のビーム径、ｒ₁は入射面１０２ａの半径である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）の例では、ともに、減光フィルター１０２は、入射面１０２ａの中心点の透過率が最も低く、中心点からの距離が離れるほど透過率が高くなる、逆ガウス分布の透過特性を有している。図６（Ａ）の例では、入射面１０２ａの中心点の透過率が１０％であり、中心点からの距離がｒ₀の位置の透過率が５５％であり、入射面１０２ａの周辺部（中心点からの距離がｒ₁の位置）の透過率が１００％になっている。また、図６（Ｂ）の例では、入射面１０２ａに入射するレーザー光のビーム径ｒ₀が入射面１０２ａの半径ｒ₁と一致しており、入射面１０２ａの中心点の透過率が５０％であり、入射面１０２ａの周辺部（中心点からの距離がｒ₁の位置）の透過率が１００％になっている。

図６（Ａ）や図６（Ｂ）に示したような逆ガウス分布の透過特性の減光フィルターは、吸収型、反射型のいずれのフィルターでも実現することができる。

例えば、ガラス等の透明部材の中に、その中心部から色素等の光吸収物質を適当な時間だけ自然拡散させることで、入射面の中心からの距離に対してガウス分布の吸収特性（言い換えると逆ガウス分布の透過特性）を有する吸収型の減光フィルターを実現することができる。吸収率は、光吸収物質の濃度により調整することができる。

また、例えば、ガラス基板等の透明基板の片面に、クロム等の光反射物質の膜を、中心部から周辺部まで徐々に膜厚が小さくなるように形成することで、入射面の中心からの距離に対してガウス分布の反射特性（言い換えると逆ガウス分布の透過特性）を有する反射型の減光フィルターを実現することができる。反射率は、光反射物質の膜厚（塗布する量）により調整することができる。

図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、図５の強度分布を有するレーザー光が、それぞれ図６（Ａ）及び図６（Ｂ）の透過特性を有する減光フィルター１０２を透過してガスセル１２０に入射する時の強度分布の一例を示す図である。図７（Ａ）及び図７（Ｂ）において、横軸は、レーザー光の進行方向と直交する任意の軸上の位置（レーザー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７（Ａ）の例では、減光フィルター１０２を透過した後のレーザー光の中心の強度が、減光フィルター１０２を透過する前の１／１０になっており、強度分布がより平坦に近づいている。また、図７（Ｂ）の例では、減光フィルター１０２を透過した後のレーザー光の強度分布が平坦になっており、すべての位置の強度が等しくなっている。

このように、本実施形態では、ガスセル１２０の入射面１２１と対向する位置に減光フィルター１０２を配置することで、ガスセル１２０の入射するレーザー光の空間分布を平坦に近づけることができる。これにより、パワーシフト（シュタルクシフト）やパワーブロードニングの影響を低減させ、ＥＩＴ信号のプロファイルを改善することができる。

この効果を確認するため、ガスセル１２０に収容されるアルカリ金属原子のエネルギー遷移をモデル化し、当該原子の集団に３パターンの異なる強度分布の光をそれぞれ入射してシミュレーションを行い、ＥＩＴ信号のプロファイルを得た。

図８（Ａ）〜図８（Ｃ）は、当該シミュレーションに用いた３パターンの入射光の強度の空間分布を示し、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、それぞれ図８（Ａ）〜図８（Ｃ）のパターンの入射光を用いたシミュレーションにより得られたＥＩＴ信号のプロファイルを示す図である。図８（Ａ）〜図８（Ｃ）において、横軸は、入射光の進行方向と直交する任意の軸上の位置（入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。また、図９（Ａ）〜図９（Ｃ）において、横軸は共鳴光対の周波数、縦軸は原子を透過した光の強度（パワー）である。

図８（Ａ）のパターンの入射光は、従来のように、減光フィルター１０２が無い場合にガスセル１２０に入射されるレーザー光に対応し、この入射光を用いたシミュレーションでは、図９（Ａ）に示すように、非対称かつ線幅の広いＥＩＴ信号が得られた。

図８（Ｂ）のパターンの入射光は、減光フィルター１０２により強度の空間分布がより平坦に近づいたレーザー光に対応し、この入射光を用いたシミュレーションでは、図９（Ｂ）に示すように、図９（Ａ）よりも非対称性が改善され、かつ、線幅が狭いＥＩＴ信号が得られた。

図８（Ｂ）のパターンの入射光は、減光フィルター１０２により強度の空間分布が完全に平坦になったレーザー光に対応し、この入射光を用いたシミュレーションでは、図９（Ｃ）に示すように、対象かつ線幅の狭い良好なＥＩＴ信号が得られた。

なお、通常、レーザー光の強度分布は時間変動する。一方、ＥＩＴ信号を光透過光量として検出する光検出器１３０の検出感度には面内の分布がある。典型的には光検出器１３０の中心部は周囲よりも光検出感度が高く、同じ光強度に対して大きな出力（電圧）を発生する。このような場合、ＥＩＴ信号のピークトップの位置（極大値を示す周波数）も時間変動する。そこで、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）の３パターンの入射光を用いて、ＥＩＴ信号のピークトップの位置の時間変動のシミュレーションを行った。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、図８（Ａ）〜図８（Ｃ）の３パターンの入射光用いたシミュレーションにより得られた結果を示す図である。図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）において、横軸は時間、縦軸はＥＩＴ信号のピークトップの位置（極大値を示す周波数）である。

図８（Ａ）のパターンの入射光を用いたシミュレーションでは、図１０（Ａ）に示すように、ＥＩＴ信号のピークトップの位置の時間変動幅が大きい。

図８（Ｂ）のパターンの入射光を用いたシミュレーションでは、図１０（Ｂ）に示すように、図１０（Ａ）よりもＥＩＴ信号のピークトップの位置の時間変動幅が小さくなっている。

図８（Ｃ）のパターンの入射光を用いたシミュレーションでは、図１０（Ｃ）に示すように、ＥＩＴ信号のピークトップの位置の時間変動はほとんどなくなっている。

図９（Ａ）〜図９（Ｃ）及び図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）のシミュレーション結果から、ガスセル１２０の入射光の光強度分布がより平坦であるほど、ＥＩＴ信号の対称性や線幅が良くなり、かつ、ＥＩＴ信号ピークトップの位置の時間変動幅がより小さいという効果が得られることがわかる。

以上に説明したように、第１実施形態の原子発振器では、半導体レーザー１１０から出射したレーザー光は、その中心部が減光フィルター１０２の入射面１０２ａの中心点に入射する。減光フィルター１０２は、入射面１０２ａの中心点から遠い位置ほど光の透過率が高いので、減光フィルター１０２を透過したレーザー光は、強度の空間分布がより平坦になってガスセル１２０に入射する。従って、本実施形態の原子発振器によれば、各原子に入射するレーザー光の強度の差に起因するパワーシフト（シュタルクシフト）やパワーブロードニングの影響を低減させ、対称性がよく線幅が狭いＥＩＴ信号を得ることができる。その結果、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原子発振器を実現することができる。

なお、減光フィルター１０２は、半導体レーザー１１０とガスセル１２０の間にあればよく、例えば、半導体レーザー１１０とコリメートレンズ１０１の間に配置されていてもよい。

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１１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。また、図１２はガスセル１２０の斜視図である。図１１及び図１２において、図２及び図３と同じ構成要素には同じ符号を付している。

図１１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）と同様であるが、ガスセル１２０と減光フィルター１０２が一体となっている。具体的には、ガスセル１２０の底面１２１（入射面）に減光フィルター１０２が形成されており、減光フィルター１０２の入射面１０２ａがガスセル１２０の底面１２１（入射面）にもなっている。減光フィルター１０２は、第１実施形態（図６（Ａ）や図６（Ｂ）等）と同様の透過特性を有するフィルターであり、吸収型のフィルターでも反射型のフィルターでもよい。

半導体レーザー１１０が発生させたレーザー光は、コリメートレンズ１０２で平行光にされて、その中心が底面１２１の中心点に一致するようにガスセル１２０に入射する。ガスセル１２０に入射した光は、その一部のみが減光フィルター１０２を透過してアルカリ金属原子に入射し、ガスセル１２０の底面１２３から出射する。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、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。

以上に説明したように、第２実施形態の原子発振器では、半導体レーザー１１０から出射したレーザー光は、その中心部がガスセル１２０の底面１２１（減光フィルター１０２の入射面１０２ａ）の中心点に入射する。ガスセル１２０の底面１２１に形成された減光フィルター１０２は、底面１２１（入射面１０２ａ）の中心点から遠い位置ほど光の透過率が高いので、減光フィルター１０２を透過したレーザー光は、強度の空間分布がより平坦になってガスセル１２０内のアルカリ金属原子に入射する。従って、本実施形態の原子発振器によれば、各原子に入射するレーザー光の強度の差に起因するパワーシフト（シュタルクシフト）やパワーブロードニングの影響を低減させ、対称性がよく線幅が狭いＥＩＴ信号を得ることができる。その結果、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、減光フィルター１０２をガスセル１２０の底面１２１（入射面）に形成することで、減光フィルター１０２とガスセル１２０の間の空間を無くすことができるので、コストダウンや小型化に有利である。

３．電子機器
図１３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１３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。

４．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、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。また、減光フィルター１０２も円盤状でなくてもよく、例えば、ガスセル１２０の入射面の形状とフィルター１０２の入射面（出射面）の形状を一致させてもよい。

［変形例２］
本実施形態の原子発振器では、減光フィルター１０２の透過特性（入射面１０２ａにおける透過率の分布）はガウス分布であるが、これに限らず、入射面１０２ａの基準点（例えば中心点）から遠い位置ほど透過率が高ければよい。減光フィルター１０２を吸収型のフィルターで実現する場合、吸収特性（入射面１０２ａにおける吸収率の分布）はガウス分布に限らず、入射面１０２ａの基準点（例えば中心点）から遠い位置ほど吸収率が低ければよい。また、減光フィルター１０２を反射型のフィルターで実現する場合、反射特性（入射面１０２ａにおける反射率の分布）はガウス分布に限らず、入射面１０２ａの基準点（例えば中心点）から遠い位置ほど反射率が低ければよい。

例えば、図１４（Ａ）や図１４（Ｂ）に示すように、減光フィルター１０２は、入射面１０２ａの中心点から周辺部まで、透過率が一定の割合で線形に増加するような透過特性（吸収率が一定の割合で線形に減少するような吸収特性、あるいは反射率が一定の割合で線形に減少するような反射特性）を有していてもよい。

［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１５（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１５（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１５（Ａ）及び図１５（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１５（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１５（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。

５．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、１００ ＥＩＴ発現部（ＥＩＴ発現装置）、１０１ コリメートレンズ、１０２ 減光フィルター、１０２ａ 減光フィルターの入射面、１０３ ペルチェ素子、１１０ 半導体レーザー、１２０ ガスセル、１２１，１２３ ガスセルの底面、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 (8)

1. 金属原子と、前記金属原子が封入された原子セルと、
   前記金属原子にＥＩＴ現象（電磁励起透過現象）を起こさせる共鳴光対を含む光を発生させる光発生部と、を有し
   前記金属原子は、入射する前記光の強度により、前記ＥＩＴ現象によるＥＩＴ信号（共鳴信号）に影響を受けるものであり、
   前記原子セルと前記光発生部との間に配置されていて、前記光が入射する入射面を有するフィルターを有し、
   前記光は、前記フィルターの入射面での空間強度分布は、前記入射面の基準点と重なる中心部の強度が高く、中心部から遠いほど強度が低い特性を有しており、前記中心部が前記基準点と重なるように前記フィルターに入射し、
   前記フィルターは前記入射面において、前記基準点に近い位置より遠い位置の方が前記光の透過率が高い、ことを特徴とする量子干渉装置。
2. 前記フィルターは、
   前記入射面における前記透過率の分布が、前記基準点からの距離に対して逆ガウス分布を含む請求項１に記載の量子干渉装置。
3. 前記フィルターは、
   光の一部を吸収する吸収型のフィルターであり、前記入射面において前記基準点に近い位置より遠い位置の方が吸収率が低い請求項１又は２に記載の量子干渉装置。
4. 前記フィルターは、
   光の一部を反射する反射型のフィルターであり、前記入射面において前記基準点に近い位置より遠い位置の方が反射率が低い請求項１又は２に記載の量子干渉装置。
5. 前記光発生部が発生させた前記光の強度の半値全幅の１／２をｒ0、前記フィルターの前記入射面の、前記基準点から透過率が前記基準点の透過率の２倍となる位置までの距離をｒ1とした時、ｒ0＝ｒ1である請求項４に記載の量子干渉装置。
6. 前記フィルターは、
   前記原子セルの入射面と一体で配置されている請求項１乃至５のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の量子干渉装置を備えている原子発振器。
8. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の量子干渉装置を備えている電子機器。

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