JP6142989B2 - 量子干渉装置、原子発振器、磁気センサー及び量子干渉装置の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、量子干渉装置、原子発振器、磁気センサー及び量子干渉装置の製造方法に関する。
アルカリ金属原子の一種であるセシウム原子は、図１５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。
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１６に示すように、周波数がω1の光と周波数がω2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ω1−ω2がΔＥ12に相当する周波数ω12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ω1−ω2がΔＥ12に相当する周波数ω12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。
ところで、光源やガスセルの経年劣化などでアルカリ金属原子に照射される光の強度が低下すると、シュタルクシフトにより原子発振器の周波数がｆ1→ｆ2→ｆ3のように低い方向にシフトしてしまう（図１７）。シュタルクシフトは原子と光が相互作用をしていれば必ず起こる。しかしながら、従来の原子発振器では、シュタルクシフトによる周波数変動のキャンセルが行われていない、もしくは十分でないため、高い長期安定度を実現することが難しいという問題があった。
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、従来よりも長期安定度を向上させることが可能な量子干渉装置、原子発振器、磁気センサー及び量子干渉装置の製造方法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、前記金属原子を封入しているセルと、前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を前記セルに照射する光源と、前記セルを透過した光を検出する光検出部と、前記セル内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を有し、前記光源が照射する共鳴光対の強度が変化した時、前記光検出部の出力信号が極大値となる時の前記共鳴光対の周波数差が、シュタルクシフトを打ち消す方向にシフトするように、前記セル内部の磁場が設定されている。
本適用例に係る量子干渉装置は、金属原子と、前記金属原子を封入しているセルと、前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を前記セルに照射する光源と、前記セルを透過した光を検出する光検出部と、前記セル内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を有し、前記光源が照射する共鳴光対の強度が変化した時、前記光検出部の出力信号が極大値となる時の前記共鳴光対の周波数差が、シュタルクシフトを打ち消す方向にシフトするように、前記セル内部の磁場が設定されている。
本適用例に係る量子干渉装置によれば、時間の経過とともに共鳴光対の強度が低下するとＥＩＴ信号のピーク位置が変動し、原子発振器の周波数がシフトするが、このシフトの方向がシュタルクシフトを打ち消す方向になるようにセル内部の磁場が設定されているので、結果的に、周波数シフトを小さくすることができる。従って、原子発振器の長期安定度を向上させることができる。
［適用例２］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記セル内部の磁場は、前記光源が発生させる共鳴光対の前記セルへの照射方向に偏差を有していてもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記セル内部の磁場は、前記光源が発生させる共鳴光対の前記セルへの照射方向に偏差を有していてもよい。
［適用例３］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記セル内部の磁場が最も強い位置と前記セルの中心とが異なっていてもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記セル内部の磁場が最も強い位置と前記セルの中心とが異なっていてもよい。
［適用例４］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記セル内部の磁場は、前記光源が発生させる光が前記セルに入射する位置と前記セルから出射する位置とで強度が異なっていてもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記セル内部の磁場は、前記光源が発生させる光が前記セルに入射する位置と前記セルから出射する位置とで強度が異なっていてもよい。
［適用例５］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記磁場発生部は、前記金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段が兼用されていてもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記磁場発生部は、前記金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段が兼用されていてもよい。
例えば、金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段は、c-fieldコイルであってもよい。
本適用例に係る量子干渉装置によれば、シュタルクシフトを低減させるための磁場を発生させる専用の手段を設ける必要がないので原子発振の小型化に有利である。
［適用例６］
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記磁場偏差発生部は、前記金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段とは別に設けられていてもよい。
上記適用例に係る量子干渉装置において、前記磁場偏差発生部は、前記金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段とは別に設けられていてもよい。
本適用例に係る量子干渉装置によれば、シュタルクシフトを低減させるための磁場を発生させる手段と金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための磁場を発生させる手段とを別個に設けることで、それぞれの磁場の調整自由度が高いため、シュタルクシフトを精度よくキャンセルすることが可能となる。
［適用例７］
本適用例に係る原子発振器は、上記のいずれかの量子干渉装置を含む。
本適用例に係る原子発振器は、上記のいずれかの量子干渉装置を含む。
［適用例８］
本適用例に係る磁気センサーは、上記のいずれかの量子干渉装置を含む。
本適用例に係る磁気センサーは、上記のいずれかの量子干渉装置を含む。
［適用例９］
本適用例に係る量子干渉装置の製造方法は、金属原子と、前記金属原子を封入しているセルと、２光波を含む光を発生させて前記セルに照射する光源と、前記セルを透過した光を検出する光検出部と、前記セル内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を含む物理パッケージを準備する物理パッケージ準備工程と、前記２光波の強度が変化した時、前記光検出部の出力信号が極大値となる時の前記２光波の周波数差が、シュタルクシフトを打ち消す方向にシフトするように、前記磁場発生部が発生させる磁場を設定する磁場設定工程と、を含む。
本適用例に係る量子干渉装置の製造方法は、金属原子と、前記金属原子を封入しているセルと、２光波を含む光を発生させて前記セルに照射する光源と、前記セルを透過した光を検出する光検出部と、前記セル内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を含む物理パッケージを準備する物理パッケージ準備工程と、前記２光波の強度が変化した時、前記光検出部の出力信号が極大値となる時の前記２光波の周波数差が、シュタルクシフトを打ち消す方向にシフトするように、前記磁場発生部が発生させる磁場を設定する磁場設定工程と、を含む。
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。
１．原子発振器
１−１．第１実施形態
［原子発振器の構成］
図１は、第１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１０、減光フィルター（ＮＤフィルター）１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、磁場発生部１５、検波回路１６、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７、変調回路１８、低周波発振器１９、周波数変換回路２０、検波回路２１、変調回路２２、低周波発振器２３、駆動回路２４、磁場設定回路２５、バイアス設定回路２６、メモリー２７及び周波数変換回路２８を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器１は、適宜、図１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
１−１．第１実施形態
［原子発振器の構成］
図１は、第１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１０、減光フィルター（ＮＤフィルター）１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、磁場発生部１５、検波回路１６、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７、変調回路１８、低周波発振器１９、周波数変換回路２０、検波回路２１、変調回路２２、低周波発振器２３、駆動回路２４、磁場設定回路２５、バイアス設定回路２６、メモリー２７及び周波数変換回路２８を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器１は、適宜、図１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、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１０（光源の一例）は、例えば、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や端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）などであり、半導体レーザー１０が発生させた光は、減光フィルター１１に入射する。
減光フィルター１１は、半導体レーザー１０の出射光の一部のみを透過させ、減光フィルター１１を透過した光は１／４波長板１２に入射する。
１／４波長板１２は、入射した光をσ＋円偏光にして透過させ、１／４波長板１２を透過した光はガスセル１３に入射する。
ガスセル１３（セルの一例）は、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（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）とともにネオン（Ｎｅ）やアルゴン（Ａｒ）等のバッファーガスが封入されたもので
ある。ガスセル１３に入射した光の一部はガスセル１３を透過し、光検出器１４に入射する。
ある。ガスセル１３に入射した光の一部はガスセル１３を透過し、光検出器１４に入射する。
光検出器１４（光検出部の一例）は、ガスセル１３を透過した光を検出し、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出部１４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。光検出器１４の出力信号は検波回路１６と検波回路２１に入力される。
磁場発生部１５は、ガスセル１３の内部の少なくとも一部に磁場を発生させるものである。磁場発生部１５は、例えば、コイルで実現することができ、コイルの位置、形状（例えば、コイルを巻く方向、巻き数、直径等）、電流の大きさや向き等を調整することで所望の磁場を発生させることができる。
磁場がかかると、アルカリ金属原子の各エネルギー準位が２Ｆ＋１個に分裂（ゼーマン分裂）する。例えば、セシウム原子の場合、図２（Ａ）に示すように、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。セシウム原子にσ＋円偏光が入射すると、ΔｍＦ＝＋１の選択則に従って励起するため、例えば、６Ｓ1/2，Ｆ＝３，４の基底準位と６Ｐ3/2，Ｆ’＝４の励起準位の間で、７つのΛ型３準位が形成される。従って、この状態では、２光波の周波数差をスイープすると、図４（Ｂ）に示すように７つのＥＩＴ信号が観測される。特に、６Ｓ1/2，Ｆ＝３，４のｍＦ＝０の基底準位と６Ｐ3/2，Ｆ’＝４のｍＦ＝＋１の励起準位の間で形成されるΛ型３準位に対応するＥＩＴ信号の強度が最も高いので、このＥＩＴ信号を発生させるように、共鳴光対の周波数差を制御するのが有効である。
半導体レーザー１０、減光フィルター１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４及び磁場発生部１５は、１つの筐体に収容されており、物理パッケージ１００を構成している。
検波回路１６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１９の発振信号を用いて光検出器１４の出力信号を検波する。そして、検波回路１６の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。
変調回路１８は、検波回路１６による検波を可能とするために、低周波発振器１９の発振信号（検波回路１６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）１７の出力信号を変調する。変調回路１８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。
周波数変換回路２０は、一定の周波数変換率で変調回路１８の出力信号を周波数変換して駆動回路２４に出力する。周波数変換回路２０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。
検波回路２１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２３の発振信号を用いて光検出器１４の出力信号を検波する。
変調回路２２は、検波回路２１による検波を可能とするために、低周波発振器２３の発
振信号（検波回路２１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２１の出力信号を変調して駆動回路２４に出力する。変調回路２２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。
振信号（検波回路２１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２１の出力信号を変調して駆動回路２４に出力する。変調回路２２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。
磁場設定回路２５は、メモリー２７に記憶されている設定情報に応じて磁場発生部１５が発生させる磁場の強度を設定する処理を行う。例えば、磁場発生部１５をコイルで実現し、磁場設定回路２５は、メモリー２７に記憶されている設定情報に応じて当該コイルに流す電流量を設定するようにしてもよい。
バイアス設定回路２６は、駆動回路２４を介して、メモリー２７に記憶されている設定情報に応じて半導体レーザー１０にバイアス電流を設定する処理（半導体レーザー１０が発生させる光の中心波長を設定する処理）を行う。
メモリー２７は、不揮発性のメモリーであり、磁場発生部１５が発生させる磁場の強度の設定情報や半導体レーザー１０のバイアス電流の設定情報が記憶されている。メモリー２７は、例えば、ＭＯＮＯＳ（Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon）メモリー等のフラッシュメモリーやＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等で実現することができる。
駆動回路２４は、半導体レーザー１０のバイアス電流を設定するとともに、変調回路２２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１０に供給する。すなわち、半導体レーザー１０、減光フィルター１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、検波回路２１、変調回路２２、駆動回路２４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１０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。
駆動回路２４は、さらに、バイアス電流に、周波数変換回路２０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１０に供給する。この変調電流により、半導体レーザー１０に周波数変調がかかり、中心周波数ｆ0（中心波長λ0）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１０、減光フィルター１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、検波回路１６、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７、変調回路１８、周波数変換回路２０、駆動回路２４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１３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、第２のフィードバックループにより、磁気量子数ｍＦ＝０の基底準位を有するアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすように、変調周波数ｆmがフィードバック制御される。具体的には、第２のフィードバックループにより、１次のサイドバンドである周波数ｆ0＋ｆmの光と周波数ｆ0−ｆmの光の周波数差（＝２ｆm）が、アルカリ金属原子の磁気量子数ｍｆ＝０の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数ω12と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、ω12が９．１９２６３１７７０ＧＨｚ＋ΔＨｚ（Δは磁界強度の２次関数で表される周波数）なので、変調周波数ｆmは４．５９６３１５８８５ＧＨｚ＋Δ／２Ｈｚと正確に一致する。図３に、半導体レーザー１０の出射光の周波数スペクトラムの一例を示す。図３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。
このように、アルカリ金属原子のＥＩＴ現象を利用することで、第２のフィードバックループに含まれる、周波数変換回路２０の出力信号や電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１
７の出力信号は、それぞれ所定の周波数で安定する。
７の出力信号は、それぞれ所定の周波数で安定する。
周波数変換回路２８は、一定の周波数変換率で電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の出力信号を周波数変換し、所望の周波数（例えば、１０．００・・・ＭＨｚ）のクロック信号を生成する。このクロック信号が外部出力される。周波数変換回路２０は、例えば、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）により実現することができる。
図１において、物理パッケージ１００を除く構成要素（回路）は、例えば、１チップの集積回路（ＩＣ）で実現することができる。
なお、図１では、半導体レーザー１０、減光フィルター（ＮＤフィルター）１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４、磁場発生部１５、検波回路１６、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７、変調回路１８、低周波発振器１９、周波数変換回路２０、検波回路２１、変調回路２２、低周波発振器２３、駆動回路２４、磁場設定回路２５、バイアス設定回路２６及びメモリー２７により、量子干渉装置２００が構成されている。ただし、本実施形態の量子干渉装置２００は、適宜、図１の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
［検波原理］
次に、検波回路１６による検波原理について説明する。前述のように、本実施形態では、変調回路１８が、低周波発振器１９が発生させる数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の正弦波を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振信号を周波数変調し、周波数変換回路２０に入力している。これにより、半導体レーザー１０が発生させる２光波の周波数差を正弦波の振幅によって決まる数百Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度の範囲で掃引し、検波回路１６により光検出器１４の出力信号をこの正弦波で同期検波することで、光検出器１４の出力に現れるＥＩＴ信号の左右の面積が等しいところをピークとみなして検出している。ＥＩＴ信号が左右対称の場合、図４（Ａ）に示すように、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波（掃引信号）のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップと一致している状態では、光検出器１４の出力信号には、直流成分と周波数が２ｆs（周期が１／２ｆs）の一定振幅の低周波数成分が含まれるが、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の低周波数成分は極めて小さい。従って、検波回路１６によってｆsの周波数成分はほとんど検波されない。一方、図４（Ｂ）に示すように、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも低い方向にずれた状態では、光検出器１４の出力信号は、周波数が２ｆs（周期が１／２ｆs）で１／ｆs周期毎に振幅が変化する。つまり、光検出器１４の出力信号には、直流成分と２ｆsの周波数成分以外に、ｆsの周波数成分も含まれる。そのため、検波回路１６によってｆsの周波数成分が検波され、検波回路１６の出力信号の電圧値は、図４（Ａ）の場合の電圧値（基準電圧値）よりも高い電圧値となる。この検波回路１６の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７に入力されるので、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数は高い方向（２光波の周波数差がω12に近づく方向）に変化する。一方、図示を省略するが、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも高い方向にずれた状態では、光検出器１４の出力信号は、図４（Ｂ）の信号に対して位相が１８０度異なる信号となる。従って、検波回路１６の出力信号の電圧値は負（基準電圧値よりも低い電圧値）となり、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数は低い方向（２光波の周波数差がω12に近づく方向）に変化する。
次に、検波回路１６による検波原理について説明する。前述のように、本実施形態では、変調回路１８が、低周波発振器１９が発生させる数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の正弦波を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振信号を周波数変調し、周波数変換回路２０に入力している。これにより、半導体レーザー１０が発生させる２光波の周波数差を正弦波の振幅によって決まる数百Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度の範囲で掃引し、検波回路１６により光検出器１４の出力信号をこの正弦波で同期検波することで、光検出器１４の出力に現れるＥＩＴ信号の左右の面積が等しいところをピークとみなして検出している。ＥＩＴ信号が左右対称の場合、図４（Ａ）に示すように、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波（掃引信号）のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップと一致している状態では、光検出器１４の出力信号には、直流成分と周波数が２ｆs（周期が１／２ｆs）の一定振幅の低周波数成分が含まれるが、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の低周波数成分は極めて小さい。従って、検波回路１６によってｆsの周波数成分はほとんど検波されない。一方、図４（Ｂ）に示すように、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも低い方向にずれた状態では、光検出器１４の出力信号は、周波数が２ｆs（周期が１／２ｆs）で１／ｆs周期毎に振幅が変化する。つまり、光検出器１４の出力信号には、直流成分と２ｆsの周波数成分以外に、ｆsの周波数成分も含まれる。そのため、検波回路１６によってｆsの周波数成分が検波され、検波回路１６の出力信号の電圧値は、図４（Ａ）の場合の電圧値（基準電圧値）よりも高い電圧値となる。この検波回路１６の出力信号が電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７に入力されるので、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数は高い方向（２光波の周波数差がω12に近づく方向）に変化する。一方、図示を省略するが、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも高い方向にずれた状態では、光検出器１４の出力信号は、図４（Ｂ）の信号に対して位相が１８０度異なる信号となる。従って、検波回路１６の出力信号の電圧値は負（基準電圧値よりも低い電圧値）となり、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数は低い方向（２光波の周波数差がω12に近づく方向）に変化する。
このような検波原理により、ＥＩＴ信号が左右対称の場合には、ＥＩＴ信号のピークトップにロックがかかる。一方、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合は、図５（Ａ）に示すように、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波（掃引信号）のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップと一致している状態では、光検出器１４の出力信号には、直流成
分と２ｆsの周波数成分以外に、ｆsの周波数成分も含まれる。そのため、検波回路１６によってｆsの周波数成分が検波され、検波回路１６の出力信号の電圧値は、図５（Ｂ）の場合の電圧値（基準電圧値）よりも低い電圧値となる。また、図５（Ｂ）に示すように、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも低い方向に所定量だけずれた状態では、光検出器１４の出力信号には、直流成分と周波数が２ｆs（周期が１／２ｆs）の一定振幅の低周波数成分が含まれるが、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の低周波数成分は極めて小さい。従って、検波回路１６によってｆsの周波数成分はほとんど検波されず、この状態で安定する。すなわち、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合には、ＥＩＴ信号のピークトップからずれた位置にロックがかかる。
分と２ｆsの周波数成分以外に、ｆsの周波数成分も含まれる。そのため、検波回路１６によってｆsの周波数成分が検波され、検波回路１６の出力信号の電圧値は、図５（Ｂ）の場合の電圧値（基準電圧値）よりも低い電圧値となる。また、図５（Ｂ）に示すように、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の正弦波のゼロクロス点ａ，ｃ，ｅがＥＩＴ信号のピークトップよりも低い方向に所定量だけずれた状態では、光検出器１４の出力信号には、直流成分と周波数が２ｆs（周期が１／２ｆs）の一定振幅の低周波数成分が含まれるが、周波数がｆs（周期が１／ｆs）の低周波数成分は極めて小さい。従って、検波回路１６によってｆsの周波数成分はほとんど検波されず、この状態で安定する。すなわち、ＥＩＴ信号が左右非対称の場合には、ＥＩＴ信号のピークトップからずれた位置にロックがかかる。
［周波数の長期安定度の向上］
検波回路１６がＥＩＴ信号の左右の面積が等しいところをピークとみなして周波数をロックする性質を持つため、ＥＩＴ信号が左右対称であれば、ＥＩＴ信号の強度が下がってもロックする周波数はずれないはずである。しかしながら、ガスセル１３に照射される光の強度が低下すると、シュタルクシフトにより実際にはロックする周波数が低くなる方向に変動することになる。従って、ＥＩＴ信号が左右対称であれば、高い長期安定度を実現することが難しい。
検波回路１６がＥＩＴ信号の左右の面積が等しいところをピークとみなして周波数をロックする性質を持つため、ＥＩＴ信号が左右対称であれば、ＥＩＴ信号の強度が下がってもロックする周波数はずれないはずである。しかしながら、ガスセル１３に照射される光の強度が低下すると、シュタルクシフトにより実際にはロックする周波数が低くなる方向に変動することになる。従って、ＥＩＴ信号が左右対称であれば、高い長期安定度を実現することが難しい。
これに対して、ＥＩＴ信号が非対称にゆがんでいた場合、ＥＩＴ信号の強度が下がったときにロックする周波数もずれる。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、ＥＩＴ信号（光検出器１４の出力信号））とロック周波数（共鳴光対の周波数差）とをプロットしたグラフの一例である。図６（Ａ）及び図６（Ｂ）において、縦軸はガスセル１３を透過する光の透過率（検出器１４の出力信号強度）であり、横軸は周波数（共鳴光対の周波数差）である。例えば、図６（Ａ）に示すように、ＥＩＴ信号が左側（低周波側）に傾いていた場合、ＥＩＴ信号の強度が下がるにつれて、ロック周波数がｆ1→ｆ2→ｆ3のように下がっていく。逆に、図６（Ｂ）に示すように、ＥＩＴ信号が右側（高周波側）に傾いていた場合、ＥＩＴ信号の強度が下がるにつれて、ロック周波数がｆ1→ｆ2→ｆ3のように上がっていく。
しかしながら、ガスセル１３に照射される光の強度が低下するとシュタルクシフトによる周波数の低下も生じるため、図６（Ａ）に示したように、ＥＩＴ信号が左側（低周波側）に傾いて非対称であれば、周波数のずれがシュタルクシフト分だけさらに大きくなるが、図６（Ｂ）に示したように、ＥＩＴ信号が右側（高周波側）に傾いて非対称であれば、周波数のずれがシュタルクシフト分だけ小さくなる。逆に言えば、ＥＩＴ信号を右側（高周波側）に傾いて非対称にすることで、シュタルクシフトをキャンセルすることが可能である。結果的に、図７に示すように、光源１３の出射光の強度の低下によりＥＩＴ信号が低下しても、ロック周波数を初期の周波数ｆ1のまま変動しないようにすることができる。これにより、高い長期安定度を実現することが可能となる。
そこで、本実施形態では、ＥＩＴ信号を左右非対称にするために、磁場発生部１５は、ガスセル１３の内部に偏差を有する磁場を発生させる。すなわち、本実施形態では、磁界発生部１５は、ガスセル１３に収容されているアルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段（例えばc-fieldコイル）を、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせる用途にも兼用される。磁場に偏差を持たせることで、ガスセル１３の内部には磁場が大きいところと小さいところができる。磁場がかかるとアルカリ金属原子のエネルギー準位はゼーマン分裂を起こすが、分裂幅は磁場の大きさに依存するため、磁場が偏差を持っていれば、それぞれの原子がＥＩＴ現象を起こす共鳴光対の周波数差が磁場の強度に応じて異なる（磁場強度の２乗に比例する）。ＥＩＴ信号は、各原子のＥＩＴ現象による信号の重ね合わせとなるので、結果的に左右非対称となる。特に、相対的に強い磁場を受ける原子が相対的に弱い磁場を受ける原子よりも多くなるように磁場の分布を設定す
れば、ＥＩＴ信号が右側（高周波側）に傾いて非対称になるので、シュタルクシフトをキャンセルすることが可能になる。
れば、ＥＩＴ信号が右側（高周波側）に傾いて非対称になるので、シュタルクシフトをキャンセルすることが可能になる。
ＥＩＴ信号を左右非対称にする方法としては、例えば、図８（Ａ）〜図８（Ｅ）に示す方法が考えられる。図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は、ガスセル１３を光の進行方向（光軸方向）と垂直な方向から視た図である。
例えば、図８（Ａ）に示すように、ガスセル１３の一部のみをコイル３０で覆い、コイル３０に所定の電流を流せば、ガスセル１３の内部では、コイル３０で覆われた空間は相対的に磁場強度が大きく、コイル３０で覆われていない空間はコイル３０から離れるほど磁場強度が小さくなる。これにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができ、コイル３０に流す電流の大きさ、コイル３０の巻き数や直径、コイル３０の光軸方向の長さや位置を調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図８（Ａ）において、コイル３０が図１の磁場発生部１５に対応する。
また、例えば、図８（Ｂ）に示すように、ガスセル１３を巻き数が部分毎に異なる１つのコイル３０で覆い、コイル３０に所定の電流を流せば、ガスセル１３の内部では、コイル３０の巻き数が多い空間ほど相対的に磁場強度が大きくなり、コイル３０の巻き数が少ない空間ほど相対的に磁場強度が小さくなる。これにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができ、コイル３０に流す電流の大きさ、コイル３０の巻き数や直径等を調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図８（Ｂ）において、コイル３０が図１の磁場発生部１５に対応する。
また、例えば、図８（Ｃ）に示すように、ガスセル１３を２つのコイル３０，３１（３つ以上のコイルでもよい）で覆い、例えば、コイル３０に流す所定の電流をコイル３１に流す所定の電流よりも大きくすれば、ガスセル１３の内部では、コイル３０で覆われた空間は相対的に磁場強度が大きく、コイル３１で覆われた空間は相対的に磁場強度が小さくなる。これにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができ、コイル３０，３１に流す電流の大きさや向き、コイル３０，３１の巻き数や直径、コイル３０，３１の光軸方向の長さや位置等を調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図８（Ｃ）において、コイル３０及びコイル３１が図１の磁場発生部１５に対応する。
また、例えば、図８（Ｄ）に示すように、ガスセル１３を直径が部分毎に異なる１つのコイル３０で覆い、コイル３０に所定の電流を流せば、ガスセル１３の内部では、コイル３０の直径が短い空間ほど相対的に磁場強度が大きくなり、コイル３０の直径が長い空間ほど相対的に磁場強度が小さくなる。これにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができ、コイル３０に流す電流の大きさ、コイル３０の巻き数や直径等を調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図８（Ｄ）において、コイル３０が図１の磁場発生部１５に対応する。
また、例えば、図８（Ｅ）に示すように、ガスセル１３の光の入射側と出射側に２つのコイル３０，３１を対向させたヘルムホルツコイルを配置し、コイル３０とコイル３１とで、電流の大きさ、電流の向き、巻き数、直径、光軸方向の長さ、位置等のパラメーターの一部又は全部を異ならせることにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができる。これらのパラメーターを調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図８（Ｅ）において、コイル３０及びコイル３１が図１の磁場発生部１５に対応する。
図８（Ａ）〜図８（Ｅ）に示したいずれの方法でも、磁場発生部１５が発生させる磁場は、半導体レーザー１０が発生させる光のガスセル１３（アルカリ金属原子）への照射方向に偏差を有しており、ガスセル１３に光が入射する位置とガスセル１３から光が出射する位置とで磁場の強度が異なっている。また、磁場発生部１５が発生させる磁場が最も強い位置とガスセル１３の中心（アルカリ金属原子を収容する容器の中心）とが異なっている。このように、本実施形態では、半導体レーザー１０の出射光の強度が変化した時、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対の周波数差が、シュタルクシフトと逆方向にシフトするように、ガスセル１３の内部の磁場（磁場の偏差）が設定されている。
図９（Ａ）は、図８（Ａ）に示したように、ガスセルの一部のみをコイルで覆い、コイルに流す電流の大きさを５通りに設定して半導体レーザーの出射光（ガスセルの入射光）の強度と原子発振器の周波数偏差との関係を取得した実験結果のグラフである。図９（Ｂ）は、比較のため、ガスセルの全部をコイルで覆い、コイルに流す電流の大きさを５通りに設定して半導体レーザーの出射光（ガスセルの入射光）の強度と原子発振器の周波数偏差との関係を取得した実験結果のグラフである。
図９（Ｂ）のグラフは、ガスセル内部の磁場が一様の場合、コイルに流す電流（すなわち、ガスセル内部の磁場の強度）を変えても、光強度が変化するとシュタルクシフトにより周波数が変化してしまうことを示している。一方、図９（Ａ）のグラフは、ガスセル内部の磁場に偏差を持たせてその強度を変えれば、光強度の変化に対する周波数の変化量（周波数感度）を小さくすることができることを示している。従って、磁場の偏差と強度を調整すれば、シュタルクシフトをほとんどキャンセルすることも可能であり、原子発振器の長期安定度を従来よりも向上させることができる。
［原子発振器の製造方法］
図１０は、本実施形態の原子発振器１の製造方法の一例を示すフローチャート図である。
図１０は、本実施形態の原子発振器１の製造方法の一例を示すフローチャート図である。
まず、図１に示した物理パッケージ１００を準備する（Ｓ１０）。例えば、既存の物理パッケージ１００を用意してもよいし、半導体レーザー１０、減光フィルター１１、１／４波長板１２、ガスセル１３、光検出器１４及び磁場発生部１５を用意して物理パッケージ１００を組み立ててもよい。
次に、磁場発生部１５（コイル等）の位置や形状等、ガスセル１０の内部の磁場の分布を決定するパラメーターを初期設定する（Ｓ２０）。
次に、半導体レーザー１０の変調周波数ｆmをω12／２を中心として低周波数で掃引し、半導体レーザー１０のバイアス電流を所定範囲で変更してロックする周波数をそれぞれ測定する（Ｓ３０）。変調周波数ｆmを掃引する低周波数は、図１の低周波発振器１９の周波数と一致させればよい。変調周波数ｆmをω12／２を中心として低周波数で掃引させる信号は、例えば、シグナルジェネレーターで発生させることができる。
次に、ステップＳ３０における各バイアス電流値での周波数の測定結果から、光強度に対する周波数感度を計算する（Ｓ４０）。
周波数感度が閾値よりも大きい場合は（Ｓ５０のＮ）、周波数感度が閾値以下となるまで、ガスセル１０内部の磁場の分布を決定するパラメーターの設定を変更しながら（Ｓ６０）、ステップＳ３０以降の処理を繰り返し行う。
そして、周波数感度が閾値以下になれば（Ｓ５０のＹ）、最後に、物理パッケージ１００と回路（ＩＣ）を接続し、原子発振器１を組み立てる（Ｓ５０）。
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、ＥＩＴ信号が非対称となることで、半導体レーザー１００の出射光の強度が低下した時にシュタルクシフトによる周波数の変動をある程度キャンセルすることができるので、長期安定度を向上させることができる。
１−２．第２実施形態
第１実施形態では、磁場発生部１５は、ガスセル１３に収容されているアルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段（例えばc-fieldコイル）を、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせる用途にも兼用されているが、第２実施形態の原子発振器では、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるために一様な磁場を発生させる手段（例えばc-fieldコイル）と、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせる手段が別個に設けられる。
第１実施形態では、磁場発生部１５は、ガスセル１３に収容されているアルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段（例えばc-fieldコイル）を、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせる用途にも兼用されているが、第２実施形態の原子発振器では、アルカリ金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるために一様な磁場を発生させる手段（例えばc-fieldコイル）と、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせる手段が別個に設けられる。
図１１は、第２実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図１１において、第１実施形態（図１）と同様の構成には同じ符号を付している。図１１に示すように、第２実施形態の原子発振器１は、第１実施形態の原子発振器に対して、磁場発生部１５が定常磁場発生部４０及び磁場偏差発生部４１に置き換えられており、その他の構成は同様である。
定常磁場発生部４０は、ガスセル１３の内部に定常磁場（一様な磁場）を発生させるものである。磁場発生部１５は、例えば、コイルで実現することができ、コイルの位置、形状（例えば、コイルを巻く方向、巻き数、直径等）、電流の大きさや向き等を調整することで所望の磁場を発生させることができる。
磁場偏差発生部４１（磁場発生部の一例）は、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせるためのものである。磁場偏差発生部４１は、例えば、磁石やコイルで実現することができ、磁石の位置、形状、強度等、あるいは、コイルの位置、形状（例えば、コイルを巻く方向、巻き数、直径等）、電流の大きさや向き等を調整することで所望の磁場を発生させることができる。
磁場設定回路２５は、メモリー２７に記憶されている設定情報に応じて定常磁場発生部４０及び磁場偏差発生部４１がそれぞれ発生させる磁場の強度を設定する処理を行う。例えば、定常磁場発生部４０及び磁場偏差発生部４１を別個のコイルで実現し、磁場設定回路２５は、メモリー２７に記憶されている設定情報に応じて各コイルに流す電流量を設定するようにしてもよい。
図１１におけるその他の構成は、第１実施形態（図１）と同様であるため、その説明を省略する。
本実施形態においてＥＩＴ信号を左右非対称にする方法としては、例えば、図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示す方法が考えられる。図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は、ガスセル１３を光の進行方向（光軸方向）と垂直な方向から視た図である。
例えば、図１２（Ａ）に示すように、ガスセル１３をコイル５０で覆い、コイル５０に所定の電流を流して、ガスセル１３の内部に一様な磁場を発生させる。さらに、ガスセル１３の近くに磁石６０を配置することで、ガスセル１３の内部では、磁石６０に近い空間ほど相対的に磁場強度が大きくなり、磁石６０から遠い空間ほど相対的に磁場強度が小さ
くなる。これにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができ、磁石６０の位置、形状、強度、コイル５０に流す電流の大きさ、コイル５０の巻き数や直径等を調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図１２（Ａ）において、コイル５０が図１１の定常磁場発生部４０に対応し、磁石６０が図１１の磁場偏差発生部４１に対応する。
くなる。これにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができ、磁石６０の位置、形状、強度、コイル５０に流す電流の大きさ、コイル５０の巻き数や直径等を調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図１２（Ａ）において、コイル５０が図１１の定常磁場発生部４０に対応し、磁石６０が図１１の磁場偏差発生部４１に対応する。
また、例えば、図１２（Ｂ）に示すように、ガスセル１３をコイル５０で覆い、コイル５０に所定の電流を流して、ガスセル１３の内部に一様な磁場を発生させる。さらに、ガスセル１３の光の入射側又は出射側（あるいは両方）にコイル５２を配置して所定の電流を流すことで、ガスセル１３の内部では、コイル５２に近い空間ほど相対的に磁場強度が大きくなり、コイル５２から遠い空間ほど相対的に磁場強度が小さくなる。これにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができ、コイル５０及びコイル５２に流す電流の大きさ、コイル３０の巻き数や直径等を調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図１２（Ｂ）において、コイル５０が図１１の定常磁場発生部４０に対応し、コイル５２が図１１の磁場偏差発生部４１に対応する。
また、例えば、図１２（Ｃ）に示すように、ガスセル１３の光の入射側と出射側に２つのコイル５０，５１を対向させたヘルムホルツコイルを配置し、コイル５０とコイル５１に所定の電流を流して、ガスセル１３の内部に一様な磁場を発生させる。さらに、ガスセル１３の一部のみをコイル５２で覆い、コイル５０に所定の電流を流すことで、ガスセル１３の内部では、コイル５２で覆われた空間は相対的に磁場強度が大きく、コイル５２で覆われていない空間は相対的に磁場強度が小さくなる。これにより、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を持たせることができ、コイル５０、コイル５１及びコイル５２に流す電流の大きさ、コイル５０、コイル５１及びコイル５２の巻き数や直径等を調整することで、シュタルクシフトをキャンセルするような磁場の分布にすることも可能である。なお、図１２（Ｃ）において、コイル５０及びコイル５１が図１１の定常磁場発生部４０に対応し、コイル５２が図１１の磁場偏差発生部４１に対応する。
図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示したいずれの方法でも、磁場偏差発生部４１が発生させる磁場は、半導体レーザー１０が発生させる光のガスセル１３（アルカリ金属原子）への照射方向に偏差を有しており、ガスセル１３に光が入射する位置とガスセル１３から光が出射する位置とで磁場の強度が異なっている。また、磁場偏差発生部４１が発生させる磁場が最も強い位置とガスセル１３の中心（アルカリ金属原子を収容する容器の中心）とが異なっている。このように、本実施形態では、半導体レーザー１０の出射光の強度が変化した時、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対の周波数差が、シュタルクシフトと逆方向にシフトするように、ガスセル１３の内部の磁場（磁場の偏差）が設定されている。
その他、例えば、図１２（Ｃ）のコイル５０を、図８（Ｂ）〜図８（Ｄ）と同様に、巻き数や直径が位置によって異なるコイルや電流量の異なる複数のコイルに置き換えてもよい。
なお、第２実施形態の原子発振器の製造方法のフローチャートは、図１０のフローチャートと同様であるので、その図示及び説明を省略する。
以上に説明したように、第２実施形態の原子発振器によれば、ガスセル１３の内部の磁場に偏差を生じさせることでＥＩＴ信号が非対称となり、半導体レーザー１００の出射光の強度が低下した時にシュタルクシフトによる周波数の変動をある程度キャンセルすることができるので、長期安定度を向上させることができる。
さらに、第２実施形態の原子発振器によれば、ガスセル１３の内部に定常磁場を発生させる手段と磁場の偏差を生じさせる手段を別個に設けているので、調整の自由度が向上し、シュタルクシフトによる周波数の変動を精度良よくキャンセルすることが可能である。
２．磁気センサー
図１に示したガスセル１３の周辺の磁場の強度が変化すると、ガスセル１３に収容されているアルカリ金属原子の基底準位と励起準位におけるゼーマン分裂準位が変化する。このゼーマン分裂準位の変化に応じて、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対の周波数差ω12も変化する。そして、このω12は、磁場の強度Ｂの２乗に比例することが知られている。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の周波数はω12に比例するので、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の周波数から磁場強度を算出することができる。従って、ガスセル１３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を実現することができる。
図１に示したガスセル１３の周辺の磁場の強度が変化すると、ガスセル１３に収容されているアルカリ金属原子の基底準位と励起準位におけるゼーマン分裂準位が変化する。このゼーマン分裂準位の変化に応じて、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対の周波数差ω12も変化する。そして、このω12は、磁場の強度Ｂの２乗に比例することが知られている。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の周波数はω12に比例するので、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の周波数から磁場強度を算出することができる。従って、ガスセル１３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を実現することができる。
図１３は、本実施形態の磁気センサーの構成例を示す図である。図１１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。図１１に示すように、本実施形態の磁気センサー２は、図１に示した原子発振器１の周波数変換回路２８が磁場強度情報生成回路２９に置き換わっており、その他の構成は図１に示した原子発振器１と同様である。
磁場強度情報生成回路２９は、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数を測定し、測定結果に基づいて外部磁場の強度を示す磁場強度情報を生成する。ガスセル１３には磁場発生部１５により磁場がかけられているので、例えば、外部磁場が０（定常磁場のみ）の時の電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数の情報をメモリー２７にあらかじめ記憶させておき、磁場強度情報生成回路２９は、測定した周波数をメモリー２７に記憶されている発振周波数と比較して外部磁場の強度を算出するようにしてもよい。あるいは、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７の発振周波数と外部磁場の強度との対応テーブルをメモリー２７に記憶させておき、磁場強度情報生成回路２９は、この対応テーブルを参照し、測定した周波数に対応する外部磁場の強度を、補完計算等により求めてもよい。
図１３に示す磁気センサー２のその他の構成は、図１に示した原子発振器１と同様であるので、その説明を省略する。
なお、図１１に示した原子発振器１に対して、周波数変換回路２８を磁場強度情報生成回路２９に置き換えることで、磁気センサーを実現することもできる。
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。
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や磁気センサーでは、第１のフィードバックループにより、半導体レーザー１０の出射光に含まれる２つの１次サイドバンドの光（周波数ｆ0＋ｆmの光と周波数ｆ0−ｆmの光）が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、すなわち変調周波数ｆmがω12／２に一致するように制御がかかるが、これに限られない。例えば、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示すように、一方の１次サイドバンドの光（周波数ｆ0＋ｆmの光又は周波数ｆ0−ｆmの光）と中心波長λ0（周波数ｆ0）の光が共鳴光対となるように、すなわち、変調周波数ｆmがω12に一致するように制御してもよい。
本実施形態の原子発振器や磁気センサーでは、第１のフィードバックループにより、半導体レーザー１０の出射光に含まれる２つの１次サイドバンドの光（周波数ｆ0＋ｆmの光と周波数ｆ0−ｆmの光）が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、すなわち変調周波数ｆmがω12／２に一致するように制御がかかるが、これに限られない。例えば、図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）に示すように、一方の１次サイドバンドの光（周波数ｆ0＋ｆmの光又は周波数ｆ0−ｆmの光）と中心波長λ0（周波数ｆ0）の光が共鳴光対となるように、すなわち、変調周波数ｆmがω12に一致するように制御してもよい。
［変形例２］
本実施形態の原子発振器や磁気センサーを、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１０は、周波数変換回路２０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波長λ0（周波数ｆ0）の光を発生させる。この波長λ0の光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）に入射し、周波数変換回路２０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３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１３に照射される。この原子発振器や磁気センサーでは、半導体レーザー１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）により光源が構成される。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。
本実施形態の原子発振器や磁気センサーを、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１０は、周波数変換回路２０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波長λ0（周波数ｆ0）の光を発生させる。この波長λ0の光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）に入射し、周波数変換回路２０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３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１３に照射される。この原子発振器や磁気センサーでは、半導体レーザー１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）により光源が構成される。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。
［変形例３］
本実施形態の原子発振器や磁気センサーでは、１つの半導体レーザー１０の出射光に含まれる２つの１次サイドバンドの光を共鳴光対として使用しているが、２つの半導体レーザーに、それぞれ単一波長の光を発生させ、これらを共鳴光対として使用してもよい。この場合も、共鳴光対の中間の波長がλａとλｂの間の波長になるように２つの半導体レーザーのバイアス電流をそれぞれ設定すればよい。
本実施形態の原子発振器や磁気センサーでは、１つの半導体レーザー１０の出射光に含まれる２つの１次サイドバンドの光を共鳴光対として使用しているが、２つの半導体レーザーに、それぞれ単一波長の光を発生させ、これらを共鳴光対として使用してもよい。この場合も、共鳴光対の中間の波長がλａとλｂの間の波長になるように２つの半導体レーザーのバイアス電流をそれぞれ設定すればよい。
なお、本実施形態の量子干渉装置は、原子発振器や磁気センサー以外にも応用することができる。例えば、本実施形態の量子干渉装置の構成により、極めて安定したアルカリ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１３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、２ 磁気センサー、１０ 半導体レーザー、１１ 減光フィルター、１２ １／４波長板、１３ ガスセル、１４ 光検出器、１５ 磁場発生部、１６ 検波回路、１７ 電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１８ 変調回路、１９ 低周波発振器、２０ 周波数変換回路、２１ 検波回路、２２ 変調回路、２３ 低周波発振器、２４ 駆動回路、２５ 磁場設定回路、２６ バイアス設定回路、２７ メモリー、２８ 周波数変換回路、２９ 磁場強度情報生成回路、３０ コイル、３１ コイル、４０ 定常磁場発生部、４１ 磁場偏差発生部、５０ コイル、５１ コイル、５２ コイル、６０ 磁石、１００ 物理パッケージ、２００ 量子干渉装置
Claims (9)
- 金属原子と、
前記金属原子を封入しているセルと、
前記金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を前記セルに照射する光源と、
前記セルを透過した光を検出する光検出部と、
前記セル内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を有し、
前記光源が照射する共鳴光対の強度が変化した時、前記光検出部の出力信号が極大値となる時の前記共鳴光対の周波数差が、シュタルクシフトを打ち消す方向にシフトするように、相対的に強い磁場を受ける前記金属原子が相対的に弱い磁場を受ける前記金属原子よりも多くなるように前記セル内部の磁場が設定されている、量子干渉装置。 - 前記セル内部の磁場は、前記光源が発生させる共鳴光対の前記セルへの照射方向に偏差を有する、請求項１に記載の量子干渉装置。
- 前記セル内部の磁場が最も強い位置と前記セルの中心とが異なっている、請求項１又は２に記載の量子干渉装置。
- 前記セル内部の磁場は、前記光源が発生させる光が前記セルに入射する位置と前記セルから出射する位置とで強度が異なっている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
- 前記磁場発生部は、
前記金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段が兼用されている、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の量子干渉装置。 - 前記磁場発生部は、
前記金属原子のエネルギー準位をゼーマン分裂させるための手段とは別に設けられている、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含む原子発振器。
- 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含む磁気センサー。
- 金属原子と、前記金属原子を封入しているセルと、２光波を含む光を発生させて前記セルに照射する光源と、前記セルを透過した光を検出する光検出部と、前記セル内部に磁場を発生させる磁場発生部と、を含む物理パッケージを準備する物理パッケージ準備工程と、
前記２光波の強度が変化した時、前記光検出部の出力信号が極大値となる時の前記２光波の周波数差が、シュタルクシフトを打ち消す方向にシフトするように、相対的に強い磁場を受ける前記金属原子が相対的に弱い磁場を受ける前記金属原子よりも多くなるように前記磁場発生部が発生させる磁場を設定する磁場設定工程と、を含む、量子干渉装置の製造方法。
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