JP6136110B2 - 量子干渉装置、原子発振器及び電子機器 - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
本適用例に係る電子機器は、上記の原子発振器を備える。
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。
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。
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。
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。
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。
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2P1/2のI−1/2の励起準位(I+1/2の励起準位でもよい)と2S1/2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2P1/2のI−1/2の励起準位(I+1/2の励起準位でもよい)と2S1/2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。
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。
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。
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。
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。
Claims (8)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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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