JP6519169B2 - 原子共鳴遷移装置、原子発振器、時計、電子機器および移動体 - Google Patents

原子共鳴遷移装置、原子発振器、時計、電子機器および移動体 Download PDF

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Description

本発明は、原子共鳴遷移装置、原子発振器、時計、電子機器および移動体に関するものである。
長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別されるが、量子干渉効果を利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器よりも小型化できることから、近年、様々な機器への搭載が期待されている（例えば、特許文献１参照）。
量子干渉効果を利用した原子発振器は、例えば、特許文献１に開示されているように、気体状のアルカリ金属原子を封入したガスセルと、ガスセル中のアルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対（第１、第２の光）を出射する光源と、ガスセルを透過した共鳴光対を検出する光検出部と、を備えている。そして、このような原子発振器では、２種類の共鳴光の周波数差が特定の値のときに２種類の共鳴光の双方がガスセル内のアルカリ金属原子に吸収されずに透過する電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象を生るが、そのＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を光検出器で検出し、そのＥＩＴ信号を基準信号として用いる。
また、特許文献１に係る原子発振器では、回路部分の小型化や省電力化を図る目的で、ガスセルを透過した複数の光の干渉により得られるビート信号に基づいて、第１、第２の光がＥＩＴ現象を生じさせる共鳴光対となるように周波数制御を行う。
しかし、量子干渉効果を利用した原子発振器、すなわち、ＥＩＴ信号を基準信号として用いる原子発振器では、一般に、ガスセル内のアルカリ金属原子に定磁場を印加することが行われる。そのため、特許文献１に係る原子発振器においても、磁場発生のためのコイルや、外部磁場を遮蔽するためのシールド等が必要となり、その結果、装置の小型化を十分に図ることができないという問題があった。
特開２０１１−１６０２５１号公報
本発明の目的は、小型化を図ることができる原子共鳴遷移装置を提供すること、また、かかる原子共鳴遷移装置を備える原子発振器、時計、電子機器および移動体を提供することにある。
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］
本発明の原子共鳴遷移装置は、原子を封入している原子セルと、
前記原子のＤ１線に共鳴する第１光を出射する第１光源部と、
前記第１光と異なる波長であって前記原子のＤ１線またはＤ２線に共鳴する第２光を出射する第２光源部と、
前記原子セルを通過した前記第１光と前記第２光との干渉による光ビートを検出してビート信号を生成する検出部と、
を備えることを特徴とする。
このような原子共鳴遷移装置によれば、電磁誘起透明化現象による信号であるＥＩＴ信号を用いずに、ビート信号を用いて、原子のエネルギー遷移に基づく高精度な発振特性を有する原子発振器を実現することができる。そのため、従来のようにＥＩＴ信号を用いた装置に必要であった磁気コイル、磁気シールドおよび偏光板等の部品が不要となり、その結果、装置の小型化を図ることができる。しかも、第１光および第２光のうちの少なくとも第１光として原子のＤ１線に共鳴する光を用いるため、Ｄ２線のみを用いた場合に比べて、原子の吸収の線幅を狭くすることができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
［適用例２］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記第２光は、前記原子のＤ２線に共鳴する光であることが好ましい。
これにより、第１光の波長と第２光の波長との差を大きくして、ビート信号の周波数を高くすることができる。その結果、短期安定度を高めることができる。
［適用例３］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記第２光は、前記原子のＤ１線に共鳴する光であることが好ましい。
これにより、第１光および第２光の双方について原子の吸収の線幅を狭くすることができる。
［適用例４］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記原子は、アルカリ金属原子であることが好ましい。
これにより、原子の吸収の線幅を比較的簡単に狭くすることができる。また、ビート信号に混入するノイズを低減することができる。
［適用例５］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記アルカリ金属原子は、セシウム原子であることが好ましい。
セシウム原子は、アルカリ金属の中でも、Ｄ１線とＤ２線との周波数差が比較的大きい。そのため、第１光の波長と第２光の波長との差を大きくして、ビート信号の周波数を高くすることができる。
［適用例６］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記第１光の波長が前記原子の吸収スペクトルのピーク波長となるように前記第１光源部を制御する第１制御部を備えることが好ましい。
これにより、第１光を原子のＤ１線に共鳴させることができる。
［適用例７］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記第１制御部は、前記第１光の波長が前記原子の飽和吸収スペクトルのピーク波長となるように前記第１光源部を制御することが好ましい。
これにより、第１光による原子の吸収の線幅を狭くすることができる。
［適用例８］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記第２光の波長が前記原子の吸収スペクトルのピーク波長となるように前記第２光源部を制御する第２制御部を備えることが好ましい。
これにより、第２光を原子のＤ１線またはＤ２線に共鳴させることができる。
［適用例９］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記第２制御部は、前記第２光の波長が前記原子の飽和吸収スペクトルのピーク波長となるように前記第２光源部を制御することが好ましい。
これにより、第２光による原子の吸収の線幅を狭くすることができる。
［適用例１０］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記第１光と前記第２光とが前記原子セル内で交差することが好ましい。
これにより、第１光および第２光の少なくとも一方の光の波長が原子の飽和吸収スペクトルとなるように制御することができる。
［適用例１１］
本発明の原子共鳴遷移装置では、前記ビート信号を用いてクロック信号を出力する出力部を備えることが好ましい。
これにより、ビート信号に基づく高精度なクロック信号を得ることができる。
［適用例１２］
本発明の原子発振器は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、小型な原子発振器を提供することができる。
［適用例１３］
本発明の時計は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、小型な原子共鳴遷移装置を備える時計を提供することができる。
［適用例１４］
本発明の電子機器は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、小型な原子共鳴遷移装置を備える電子機器を提供することができる。
［適用例１５］
本発明の移動体は、本発明の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする。
これにより、小型な原子共鳴遷移装置を備える移動体を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る原子発振器（原子共鳴遷移装置）を示す概略図である。 原子セル内の原子（セシウム原子）のエネルギー状態と共鳴光対（第１光、第２光）との関係の一例を示す図である。 図１に示す第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。 図３に示す原子セルの横断面図である。 （ａ）は、原子セル内の原子の吸収スペクトルを示す図、（ｂ）は、検出部で検出されるビート信号を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る原子発振器（原子共鳴遷移装置）を示す概略図である。 図６に示す第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。 本発明の時計の一例を示す斜視図である。 ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。 本発明の移動体の一例を示す図である。
以下、本発明の原子共鳴遷移装置、原子発振器、時計、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
１．原子発振器（原子共鳴遷移装置）
まず、本発明の原子発振器（本発明の原子共鳴遷移装置を備える原子発振器）について説明する。なお、以下では、本発明の原子共鳴遷移装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の原子共鳴遷移装置は、これに限定されず、例えば、磁気センサー、量子メモリー等のデバイスにも適用可能である。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（原子共鳴遷移装置）を示す概略図である。図２は、原子セル内の原子（セシウム原子）のエネルギー状態と共鳴光対（第１光、第２光）との関係の一例を示す図である。図３は、図１に示す第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図、図４は、図３に示す原子セルの横断面図である。図５（ａ）は、原子セル内の原子の吸収スペクトルを示す図、図５（ｂ）は、検出部で検出されるビート信号を示す図である。
図１に示す原子発振器１は、原子を封入している原子セル２（ガスセル）と、原子セル２内の原子に照射する第１光ＬＬ１を出射する第１光源部３１と、原子セル２内の原子に照射する第２光ＬＬ２を出射する第２光源部３２と、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２を合成して原子セル２に入射させる光学部品３３、３４と、原子セル２を透過した第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２を検出する検出部４と、第１光ＬＬ１の波長を制御する第１制御部５１と、第２光ＬＬ２の波長を制御する第２制御部５２と、検出部４の検出結果を用いてクロック信号を出力する出力部５３と、を備えている。
この原子発振器１では、第１光源部３１から出射する第１光ＬＬ１の波長と第２光源部３２から出射する第２光ＬＬ２の波長とが互いに異なっていて、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２が互いに重なり合ってうなり（光ビートＬＬ）を生じさせる。ここで、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２の波長は、第１制御部５１および第２制御部５２により原子セル２内の原子の吸収スペクトルに一致するように高精度に制御される。特に、第１光ＬＬ１が原子セル２内の原子のＤ１線に共鳴するように制御され、また、第２光ＬＬ２が原子セル２内の原子のＤ１線またはＤ２線に共鳴するように制御される。
そして、検出部４において、光ビートＬＬの周波数と等しいビート信号を検出し、出力部５３において、このビート信号を用いてクロック信号を生成・出力する。
このような原子発振器１によれば、電磁誘起透明化現象による信号であるＥＩＴ信号を用いずに、光ビートＬＬに基づくビート信号を用いて、原子のエネルギー遷移に基づく高精度な発振特性を有する原子発振器を実現することができる。したがって、ＥＩＴ信号を生じさせる必要がないし、また、ＥＩＴ信号を生じさせたとしても、そのＥＩＴ信号を用いる必要がない。そのため、従来のようにＥＩＴ信号を用いた装置に必要であった磁気コイル、磁気シールドおよび偏光板等の部品が不要となり、その結果、装置の小型化を図ることができる。しかも、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２のうちの少なくとも第１光ＬＬ１として原子のＤ１線に共鳴する光を用いるため、Ｄ２線のみを用いた場合に比べて、原子の吸収の線幅を狭くすることができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
以下、原子発振器１の各部を順次説明する。
［原子セル］
原子セル２内には、ガス状の原子が封入されている。この原子としては、少なくとも２つの異なる共鳴波長の遷移を有するもの、すなわち、吸収スペクトルが少なくとも２つのピークを有するものであれば、あらゆる原子を用いることができるが、吸収スペクトルのピークの線幅が狭く、かつ、容易にガス状とすることができるという観点から、ルビジウム原子、セシウム原子、ナトリウム原子等のアルカリ金属原子を用いることが好ましい。また、原子セル２内には、必要に応じて、アルゴン、ネオン等の希ガス、窒素等の不活性ガスが緩衝ガスとしてアルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。ただし、吸収スペクトルのピークの線幅を狭くするという観点から、原子セル２内には、アルカリ金属原子以外の原子ができるだけ含まれないことが好ましい。なお、以下では、原子セル２内にアルカリ金属原子を封入した場合を例に説明する。
例えば、アルカリ金属原子の一種であるセシウム原子は、図２に示すように、６Ｓ１／２の基底準位と、６Ｐ１／２および６Ｐ３／２の２つの励起準位と、を有する。また、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微細構造を有している。具体的には、６Ｓ１／２準位はＦ＝３、４の２つの基底準位を有し、６Ｐ１／２準位はＦ’＝３、４の２つの励起準位を有し、６Ｐ３／２準位はＦ”＝２、３、４、５の４つの励起準位を有している。
６Ｓ１／２のＦ＝３の第１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の第２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またはＦ＝４の基底準位（元の基底準位または他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。このような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準位も、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、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。したがって、６Ｓ１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ３／２のＦ＝２または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。
このようなアルカリ金属を封入している原子セル２は、図３および図４に示すように、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。この原子セル２では、胴体部２１が１対の窓部２２、２３の間に配置されていて、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを胴体部２１および１対の窓部２２、２３が区画形成（構成）している。
より具体的に説明すると、胴体部２１は、板状をなしており、この胴体部２１には、胴体部２１の厚さ方向に貫通している貫通孔２１１が形成されている。
この胴体部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さい原子セル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴体部２１を容易に形成することができる。特に、シリコンは、エッチングによる微細加工が可能である。したがって、シリコンを用いて胴体部２１を構成することにより、原子セル２の小型化を図っても、胴体部２１を簡単かつ高精度に形成することができる。また、一般に、窓部２２、２３はガラスで構成されるが、シリコンはガラスに比べて熱伝導性に優れている。したがって、胴体部２１の放熱性を優れたものとすることができる。また、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。
このような胴体部２１の一方の面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の他方の面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１の一端開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１の他端開口が窓部２３により封鎖されている。
このように、貫通孔２１１を窓部２２、２３により封鎖することにより、気体状のアルカリ金属原子が封入されている内部空間Ｓが形成されている。本実施形態では、貫通孔２１１の横断面、すなわち、内部空間Ｓの横断面は、円形をなしている。なお、内部空間Ｓの横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。
胴体部２１と窓部２２、２３との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、気密的に接合できるものであれば、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法、表面活性化接合法等を用いることができるが、直接接合法または陽極接合法を用いることが好ましい。これにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。
このような胴体部２１に接合されている各窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしていて、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２に対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、原子セル２の内部空間Ｓ内へ第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２が入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、原子セル２の内部空間Ｓ内から第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２が出射する出射側窓部である。
窓部２２、２３の構成材料としては、それぞれ、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２に対する透過性を有していれば、特に限定されず、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられるが、ガラス材料を用いることが好ましい。これにより、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２に対する優れた透過性を有する窓部２２、２３を実現することができる。また、胴体部２１がシリコンで構成されている場合、ガラスを用いて窓部２２、２３を構成することにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。なお、窓部２２、２３の厚さや第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２の強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。この場合でも、胴体部２１と窓部２２、２３とを直接接合または陽極接合することができる。
このような原子セル２は、図示しないヒーターにより所望の温度に温度制御される。これにより、原子セル２内のアルカリ金属を所望濃度のガス状に維持することができる。
［第１光源部・第２光源部］
第１光源部３１は、前述した原子セル２内の原子のＤ１線に共鳴する第１光ＬＬ１（第１共鳴光）を出射する機能を有する。一方、第２光源部３２は、第１光ＬＬ１と異なる波長であって原子セル２内の原子のＤ１線またはＤ２線に共鳴する第２光ＬＬ２（第２共鳴光）を出射する機能を有する。ここで、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２は、それぞれ、可干渉性（コヒーレント性）を有する光である。
例えば、原子セル２内の原子がセシウム原子である場合、第１光ＬＬ１の波長は、Ｄ１線（第１基底準位から６Ｐ１／２励起準位への遷移）に共鳴する８９４ｎｍであり、第２光ＬＬ２の波長は、Ｄ２線（第１基底準位から６Ｐ３／２励起準位への遷移）に共鳴する８５０ｎｍである（図２参照）。なお、第２光ＬＬ２の波長は、Ｄ１線（第２基底準位から６Ｐ１／２励起準位への遷移）に共鳴する波長であってもよく、この波長は、第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する波長の分だけ、第１光ＬＬ１の波長とは異なることになる。
このような第１光源部３１および第２光源部３２は、それぞれ、前述したような光を出射し得るものであれば特に限定されないが、例えば、端面発光レーザー、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザーを用いて構成することができる。
［光学部品］
光学部品３３は、例えば、ミラーであり、光学部品３４は、例えば、偏光ビームスプリッターである。
光学部品３３は、第２光源部３２からの第２光ＬＬ２を光学部品３４に向けて反射する。そして、光学部品３４は、第１光源部３１からの第１光ＬＬ１をそのまま通過させて原子セル２へ入射させるとともに、光学部品３３で反射した第２光ＬＬ２を反射させて原子セル２へ入射させる。したがって、図３に示すように、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２は、互いに光軸が一致する（または平行となる）ように合成され、原子セル２に入射する。
ここで、光学部品３３、３４は、第１光ＬＬ１と第２光ＬＬ２とを合成する「合成部」を構成している。このような合成部により、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２を互いに光軸を一致させて原子セル２に照射することができる。なお、光学部品３３を省略してもよい。この場合、第２光ＬＬ２が光学部品３４に入射するような向きで、第２光源部３２を設置すればよい。
このように合成された第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２は、互いの光軸が一致または平行となっていて、かつ、互いに異なる波長であるため、干渉により光ビートＬＬ（ビート信号光）となる。図３では、第１光ＬＬ１の光軸ａ１および第２光ＬＬ２の光軸ａ２がそれぞれ原子セル２の中心軸ａと一致している場合を図示しているが、これらの軸が互いに平行であればよい。
また、合成された第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２は、図３および図４では、第１光ＬＬ１の通過領域が第２光ＬＬ２の通過領域に包含されているが、これらの通過領域が一致していてもよいし、第２光ＬＬ２の通過領域が第１光ＬＬ１の通過領域に包含されていてもよいし、これらの光の通過領域の一部同士が重なっていてもよい。ここで、効率的に干渉を生じさせる観点から、原子セル２内において、第１光ＬＬ１の幅Ｗ１は、第２光ＬＬ２の幅Ｗ２にできるだけ近いことが好ましく、具体的には、幅Ｗ２に対して０．８以上１．２以下であることが好ましい。また、幅Ｗ１、Ｗ２は、それぞれ、原子セル２内の幅Ｗよりも小さいことが好ましく、具体的には、幅Ｗに対して０．５以上０．９９以下であることが好ましい。
［検出部］
検出部４は、原子セル２内を透過した第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２の強度を検出する機能を有する。
ここで、原子セル２内を通過した第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２は、前述したように干渉により光ビートＬＬ（ビート信号光）となっている。検出部４は、この光ビートＬＬを検出して、光ビートＬＬのうなりの周波数（ビート周波数）と等しい周波数のビート信号を含む検出信号を生成・出力する機能を有する。
例えば、原子セル２内の原子がアルカリ金属原子である場合、吸収スペクトルは、図５（ａ）に示すように、Ｄ１線による隣接する２つのピークＰ１１、Ｐ１２と、Ｄ２線による隣接する２つのピークＰ２１、Ｐ２２と、を有する。ピークＰ１１は、図２に示す第２基底準位から６Ｐ１／２励起準位への遷移に対応し、ピークＰ１２は、図２に示す第１基底準位から６Ｐ１／２励起準位への遷移に対応し、ピークＰ２１は、図２に示す第２基底準位から６Ｐ３／２励起準位への遷移に対応し、ピークＰ２２は、図２に示す第１基底準位から６Ｐ３／２励起準位への遷移に対応している。
したがって、例えば、図２に示すように、第１基底準位から６Ｐ１／２励起準位へ遷移するＤ１線を第１光ＬＬ１として用い、第１基底準位から６Ｐ３／２励起準位へ遷移するＤ２線を第２光ＬＬ２として用いた場合、ピークＰ１２の周波数とピークＰ２２の周波数との差は、第１光ＬＬ１の周波数ｆ１と第２光ＬＬ２の周波数ｆ２との差（ｆ２−ｆ１）となる。例えば、原子セル２内の原子がセシウム原子である場合、周波数差（ｆ２−ｆ１）は１６．６ＴＨｚであり、原子セル２内の原子がナトリウム原子である場合、周波数差（ｆ２−ｆ１）は５１５ＧＨｚであり、原子セル２内の原子がルビジウム原子である場合、周波数差（ｆ２−ｆ１）は７．１２ＴＨｚである。
そして、図５（ｂ）に示すように、光ビートＬＬのビート周波数は、この周波数差（ｆ２−ｆ１）に等しい周波数となる。すなわち、光ビートＬＬの周期は、１／（ｆ２−ｆ１）となる。
なお、第１基底準位から６Ｐ１／２励起準位へ遷移するＤ１線を第１光ＬＬ１として用い、第２基底準位から６Ｐ１／２励起準位へ遷移するＤ１線を第２光ＬＬ２として用いた場合、光ビートＬＬのビート周波数は、ピークＰ１１の周波数とピークＰ１２の周波数との差、すなわち、図２に示す第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する周波数ｆ３に等しい周波数となる。例えば、原子セル２内の原子がセシウム原子である場合、周波数ｆ３は９．２ＧＨｚであり、原子セル２内の原子がナトリウム原子である場合、周波数ｆ３は１．７７１６ＧＨｚであり、原子セル２内の原子がルビジウム（８５Ｒｂ）原子である場合、周波数ｆ３は３．０３５７ＧＨｚであり、原子セル２内の原子がルビジウム（８７Ｒｂ）原子である場合、周波数ｆ３は６．８３４６ＧＨｚである。
また、ピークＰ１１、Ｐ１２のそれぞれの線幅は、ピークＰ２１、Ｐ２２のそれぞれの線幅よりも狭い。
このような検出部４としては、前述したような吸収スペクトルおよび光ビートＬＬを検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、フォトダイオード等の光検出器（高速受光素子）を用いることができる。
［第１制御部および第２制御部］
第１制御部５１は、前述した検出部４の検出結果を用いて、第１光源部３１を制御する機能を有する。同様に、第２制御部５２は、検出部４の検出結果を用いて、第２光源部３２を制御する機能を有する。
より具体的に説明すると、第１制御部５１は、検出部４の検出結果を用いて、第１光ＬＬ１の波長が原子セル２内の原子の吸収スペクトルのピーク波長（例えば図５（ａ）に示すピークＰ１２の波長）となるように、第１光源部３１を制御する。これにより、第１光ＬＬ１を原子セル２内の原子のＤ１線に共鳴させることができる。
また、第２制御部５２は、検出部４の検出結果を用いて、第２光ＬＬ２の波長が原子セル２内の原子の吸収スペクトルのピーク波長（例えば図５（ａ）に示すピークＰ２２の波長）となるように、第２光源部３２を制御する。これにより、第２光ＬＬ２を原子セル２内の原子のＤ２線に共鳴させることができる。
このような第１制御部５１および第２制御部５２は、それぞれ、例えば、検波回路、変調回路および低周波発振器を有して構成することができ、フィードバックループにより、第１光源部３１および第２光源部３２が有する半導体レーザーのバイアス電流を設定し、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２の中心波長を前述したような波長となるように調整する。
なお、本実施形態では、第１制御部５１および第２制御部５２が、検出部４の検出結果を用いて第１光源部３１および第２光源部３２を制御しているが、検出部４とは別途設けられた検出部（受光素子）の検出結果を用いて第１光源部３１および第２光源部３２を制御してもよい。この場合、例えば、原子セル２と検出部４との間に偏光ビームスプリッターを配置し、分岐した光ビートＬＬを別途の検出部で受光すればよい。
［出力部］
出力部５３は、前述した検出部４の検出結果を用いて、クロック信号を出力する機能を有する。これにより、ビート信号に基づく高精度なクロック信号を得ることができる。
具体的に説明すると、出力部５３は、検出部４の検出信号に含まれるビート信号を分周し、クロック信号（例えば１０ＭＨｚまたは１Ｈｚのクロック信号）を生成・出力する。
このような出力部５３は、例えば、フリップフロップ回路およびＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）を有して構成することができる。また、出力部５３は、必要に応じて、検出部４の検出信号からビート信号のみを選択して取り出すフィルター、ビート信号を増幅させる信号増幅回路等の他の回路を有していてもよい。
以上説明したような原子発振器１によれば、電磁誘起透明化現象による信号であるＥＩＴ信号を用いずに、ビート信号を用いて、原子のエネルギー遷移に基づく高精度な発振特性を有する原子発振器を実現することができる。したがって、ＥＩＴ信号を生じさせる必要がないし、また、ＥＩＴ信号を生じさせたとしても、そのＥＩＴ信号を用いる必要がない。そのため、従来のようにＥＩＴ信号を用いた装置に必要であった磁気コイル、磁気シールドおよび偏光板等の部品が不要となり、その結果、装置の小型化を図ることができる。しかも、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２のうちの少なくとも第１光ＬＬ１として原子のＤ１線に共鳴する光を用いるため、Ｄ２線のみを用いた場合に比べて、原子の吸収の線幅を狭くすることができ、その結果、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
ここで、第２光ＬＬ２が原子のＤ２線に共鳴する光であることにより、第１光ＬＬ１の波長と第２光ＬＬ２の波長との差を大きくして、ビート信号の周波数を高く（大きく）することができる。その結果、短期安定度を高めることができる。
これに対し、第２光ＬＬ２が原子のＤ１線に共鳴する光であることにより、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２の双方について、原子の吸収の線幅を狭くすることができる。
また、原子セル２内の原子がアルカリ金属原子であることにより、原子の吸収の線幅を比較的簡単に狭くすることができる。また、ビート信号に混入するノイズを低減することができる。特に、セシウム原子は、アルカリ金属の中でも、Ｄ１線とＤ２線との周波数差が比較的大きい。そのため、第１光ＬＬ１がＤ１線、第２光ＬＬ２がＤ２線である場合において、原子セル２内の原子がセシウム原子であることにより、第１光ＬＬ１の波長と第２光ＬＬ２の波長との差を大きくして、ビート信号の周波数を高くすることができる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図６は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器（原子共鳴遷移装置）を示す概略図、図７は、図６に示す第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。
本実施形態は、飽和吸収スペクトルを用いて第１光および第２光の波長を制御する以外は、前述した第１実施形態と同様である。
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図６、７において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
図６に示す原子発振器１Ａは、光学部品３４と原子セル２との間で第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２を分岐して異なる２つの方向から原子セル２に照射するように配置された光学部品３５、３６、３７を備えている。
光学部品３５は、例えば、偏光ビームスプリッターであり、光学部品３６、３７は、それぞれ、例えば、ミラーである。
光学部品３５は、光学部品３４からの第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２を、そのまま通過させて原子セル２へ入射させるとともに、光学部品３６に向けて反射させる。すなわち、光学部品３５は、光学部品３４からの第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２からなる光を、原子セル２に入射する光ＬＬａと、光学部品３６に入射する光ＬＬｂとに分岐する。光ＬＬａは、原子セル２を介して検出部４で受光される。一方、光ＬＬｂは、光学部品３７で反射して、図７に示すように、光ＬＬａとは異なる方向で原子セル２に入射する。そして、原子セル２を通過した光ＬＬｂは、図示しない反射防止部に入射する。図７では、光ＬＬａの光軸と光ＬＬｂの光軸とが原子セル２内において直交する場合を示している。なお、光ＬＬｂの光軸は、光ＬＬａの光軸と異なる方向であればよく、図示のものに限定されない。また、本実施形態では、原子セル２の胴体部２１は、光ＬＬｂに対する透過性を有するように構成されている。
このように光ＬＬｂを光ＬＬａと異なる方向から原子セル２内に入射させることにより、検出部４において、原子セル２内の原子の飽和吸収スペクトルのピークを検出することができる。この飽和吸収スペクトルのピークは、通常の吸収スペクトルのピークよりも線幅が狭い。
そこで、第１制御部５１は、第１光ＬＬ１の波長が原子セル２内の原子の飽和吸収スペクトルのピーク波長となるように第１光源部３１を制御する。これにより、第１光ＬＬ１による原子の吸収の線幅を狭くすることができる。同様に、第２制御部５２は、第２光ＬＬ２の波長が原子セル２内の原子の飽和吸収スペクトルのピーク波長となるように第２光源部３２を制御する。これにより、第２光ＬＬ２による原子の吸収の線幅を狭くすることができる。その結果、短期周波数安定度を向上させることができる。
このように、第１光ＬＬ１と第２光ＬＬ２とが原子セル２内で交差することにより、第１光ＬＬ１および第２光ＬＬ２の波長が原子セル２内の原子の飽和吸収スペクトルのピーク波長となるように制御することができる。
以上説明したような第２実施形態によっても、小型化を図ることができる。
２．時計
次に、本発明の時計の一例について説明する。図８は、本発明の時計の一例を示す斜視図である。
時計５００は、腕時計であり、手首に装着することができる。また、時計５００の内部には、前述したように小型化された原子発振器１が搭載されており、原子発振器１から出力されるクロック信号に基づく時刻を表示部５０１に表示することができる。
３．電子機器
図９は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
図９に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００は、例えば電子基準点（ＧＰＳ連続観測局）に設置されたアンテナ３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。
ここで、受信装置３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。
４．移動体
図１０は、本発明の移動体の一例を示す図である。
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、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）、パーソナルコンピューター（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）、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、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）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。
以上、本発明の原子共鳴遷移装置、原子発振器、時計、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
１‥‥原子発振器
１Ａ‥‥原子発振器
２‥‥原子セル
４‥‥検出部
２１‥‥胴体部
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
３１‥‥第１光源部
３２‥‥第２光源部
３３‥‥光学部品
３４‥‥光学部品
３５‥‥光学部品
３６‥‥光学部品
３７‥‥光学部品
５１‥‥第１制御部
５２‥‥第２制御部
５３‥‥出力部
１００‥‥測位システム
２００‥‥ＧＰＳ衛星
２１１‥‥貫通孔
３００‥‥基地局装置
３０１‥‥アンテナ
３０２‥‥受信装置
３０３‥‥アンテナ
３０４‥‥送信装置
４００‥‥ＧＰＳ受信装置
４０１‥‥アンテナ
４０２‥‥衛星受信部
４０３‥‥アンテナ
４０４‥‥基地局受信部
５００‥‥時計
５０１‥‥表示部
１５００‥‥移動体
１５０１‥‥車体
１５０２‥‥車輪
ａ‥‥中心軸
ａ１‥‥光軸
ａ２‥‥光軸
ｆ１‥‥周波数
ｆ２‥‥周波数
ｆ３‥‥周波数
ＬＬ‥‥光ビート
ＬＬ１‥‥第１光
ＬＬ２‥‥第２光
ＬＬａ‥‥光
ＬＬｂ‥‥光
Ｐ１１‥‥ピーク
Ｐ１２‥‥ピーク
Ｐ２１‥‥ピーク
Ｐ２２‥‥ピーク
Ｓ‥‥内部空間
Ｗ‥‥幅
Ｗ１‥‥幅
Ｗ２‥‥幅
ΔＥ‥‥エネルギー差

Claims (13)

  1. 原子を封入している原子セルと、
    前記原子のＤ１線に共鳴する第１光を出射する第１光源部と、
    前記第１光と異なる波長であって前記原子のＤ１線またはＤ２線に共鳴する第２光を出射する第２光源部と、
    前記原子セルを通過した前記第１光と前記第２光との干渉による光ビートを検出してビート信号を生成する検出部と、
    前記ビート信号を分周する分周器を含む出力部と、
    を備えることを特徴とする原子共鳴遷移装置。
  2. 前記第２光は、前記原子のＤ２線に共鳴する光である請求項１に記載の原子共鳴遷移装置。
  3. 前記第２光は、前記原子のＤ１線に共鳴する光である請求項１に記載の原子共鳴遷移装置。
  4. 前記原子は、アルカリ金属原子である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
  5. 前記アルカリ金属原子は、セシウム原子である請求項４に記載の原子共鳴遷移装置。
  6. 前記第１光の波長が前記原子の吸収スペクトルのピーク波長となるように前記第１光源部を制御する第１制御部を備える請求項１ないし５のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
  7. 前記第１制御部は、前記第１光の波長が前記原子の飽和吸収スペクトルのピーク波長となるように前記第１光源部を制御する請求項６に記載の原子共鳴遷移装置。
  8. 前記第２光の波長が前記原子の吸収スペクトルのピーク波長となるように前記第２光源部を制御する第２制御部を備える請求項１ないし７のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置。
  9. 前記第２制御部は、前記第２光の波長が前記原子の飽和吸収スペクトルのピーク波長となるように前記第２光源部を制御する請求項８に記載の原子共鳴遷移装置。
  10. 前記第１光と前記第２光とが前記原子セル内で交差する請求項７または９に記載の原子共鳴遷移装置。
  11. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする原子発振器。
  12. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする時計。
  13. 請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の原子共鳴遷移装置を備えることを特徴とする電子機器。
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