JP6686442B2 - 量子干渉装置、原子発振器、および電子機器 - Google Patents
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Description
本発明の量子干渉装置は、アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
互いに周波数が異なる第1光および第2光を前記アルカリ金属原子に対して照射する光源部と、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、
前記第1光および前記第2光が前記アルカリ金属原子との相互作用による電磁誘起透過現象をラムゼー共鳴させるように、前記第1光および前記第2光の少なくとも一方の周波数を、前記電磁誘起透過現象を生じさせる周波数と生じさせない周波数とに交互に切り換えて変更する周波数変更部と、
前記光検出部の検出結果に基づいて前記ラムゼー共鳴を検出するラムゼー共鳴検出部と、を備えることを特徴とする量子干渉装置。
前記周波数変更部は、前記温度調節部を制御することにより、前記中心周波数の変更に伴って前記第1光および前記第2光の各周波数を変更することが好ましい。
前記変調信号を分周して出力する分周器と、
前記分周器の出力を逓倍して前記変調電流を生成する位相同期回路と、を備え、
前記周波数変更部は、前記分周器の分周比を変更することにより、前記第1光および前記第2光の各周波数を変更することが好ましい。
前記変調信号を逓倍して前記変調電流を生成する位相同期回路と、を備え、
前記周波数変更部は、前記位相同期回路の逓倍比を変更することにより、前記第1光および前記第2光の各周波数を変更することが好ましい。
互いに周波数が異なる第1光および第2光を前記アルカリ金属原子に対して照射する光源部と、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を備え、
前記第1光および前記第2光の少なくとも一方の周波数を変更することにより、前記アルカリ金属原子と前記第1光および前記第2光との相互作用による電磁誘起透過現象をラムゼー共鳴させることを特徴とする。
これにより、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を有する原子発振器を提供することができる。
これにより、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を有する量子干渉装置を備える電子機器を提供することができる。
これにより、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を有する量子干渉装置を備える移動体を提供することができる。
まず、本発明の原子発振器(本発明の量子干渉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、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
図1は、本発明の第1実施形態に係る原子発振器(量子干渉装置)の概略構成を示す模式図である。図2は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。図3は、光源部から出射される第1光および第2光の周波数差と、光検出部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。図4は、図1に示す原子発振器の一部の回路図である。図5は、光源部から出射される光の周波数スペクトラムを概略的に示すグラフである。図6は、ラムゼーフリンジの一例を示すグラフである。図7は、アルカリ金属の透過スペクトルと光の中心波長の変化量との関係を説明する図である。
〈量子干渉ユニット〉
図1に示す量子干渉ユニット2は、前述したように、光源22(光源部)と、原子セル21(ガスセル)と、光検出器23(受光部)とを有する。
光源22は、原子セル21内のアルカリ金属原子を励起させる第1共鳴光および第2共鳴光を含む光を出射する機能を有する。光源22から出射した光は原子セル21に入射する。
原子セル21内には、ガス状のルビジウム、セシウム、ナトリウム等のアルカリ金属(アルカリ金属原子)が封入されている。また、原子セル21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ガス状のアルカリ金属とともに封入されていてもよい。
光検出器23は、原子セル21内を透過した光(特に、第1共鳴光および第2共鳴光で構成された共鳴光対)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。
図1に示す回路部10は、前述したように、検波回路31と、変調回路32と、低周波発振器33と、バイアス調整部34(周波数変更部)と、駆動回路35と、ラムゼー共鳴検出部41と、検波回路42と、電圧制御型水晶発振器43(VCXO:Voltage Controlled Crystal Oscillators)と、変調回路44、低周波発振器45、位相同期回路46(PLL:phase locked loop)と、を有する。
前述したように、バイアス調整部34(周波数変更部)は、前述した駆動回路35で設定するバイアス電流の値(電流値)を所定の時間間隔で互いに異なる2つの電流値に交互に切り換えて変更する。ここで、当該2つの電流値のうち、一方の電流値(以下、「第1電流値」ともいう)を用いたとき、EIT現象を生じ、他方の電流値(以下、「第2電流値」ともいう)を用いたとき、EIT現象を実質的に生じない。すなわち、第1電流値を用いたとき、第1光および第2光がEIT現象を生じさせる共鳴光対となり、第2電流値を用いたとき、第1光および第2光がEIT現象を生じさせる共鳴光対とはならない。以下、第1光および第2光がEIT現象を生じさせる状態を「EIT状態」、EIT現象を生じさせない状態を「非EIT状態」ともいう。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。
図8に示すように、量子干渉ユニット2Aは、原子セル21、光源22および光検出器23に加え、温度調節素子24および温度センサー25を有している。また、光源22、温度調節素子24および温度センサー25は、光源用パッケージ26に一括して収納されている。
温度調節素子24は、光源22の温度を調節する「温度調節部」として機能する。本実施形態では、温度調節素子24は、ペルチェ素子である。ペルチェ素子は、一方が発熱側の面(発熱面)、他方が吸熱側の面(吸熱面)となる1対の面を有している。そして、ペルチェ素子は、供給される電流の向きを制御することにより、発熱面と吸熱面とを切り換えることができる。そのため、環境温度の範囲が広くても、光源22を所望の温度に温度調節することができる。
温度センサー25は、光源22または温度調節素子24の温度を検出する機能を有する。この温度センサー25としては、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等を用いることができる。
光源用パッケージ26は、光源22、温度調節素子24および温度センサー25を収納する収納空間として機能する。この収納空間は、減圧(真空)状態、減圧状態または窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入され状態であり、これにより、光源用パッケージ26の外部の温度変化が光源22や温度センサー25に与える影響を低減することができ、光源22や温度センサー25の温度変動を低減することができる。特に、光源用パッケージ26内は、減圧状態であることが好ましい。これにより、温度調節素子24による光源22の温度を俊敏に変化させることができる。
図8に示すように、回路部10Aは、第1実施形態のバイアス調整部34に代えて、温度制御部47を有する以外は、第1実施形態の回路部10と同様である。すなわち、回路部10Aは、検波回路31と、変調回路32と、低周波発振器33と、駆動回路35と、ラムゼー共鳴検出部41と、検波回路42と、電圧制御型水晶発振器43(VCXO:Voltage Controlled Crystal Oscillators)と、変調回路44、低周波発振器45、位相同期回路46(PLL:phase locked loop)と、温度制御部47と、を有する。
温度制御部47は、温度センサー25の検出結果に基づいて、光源22からの光の中心波長が前述したλ0とλ1とに交互に切り換わるように、温度調節素子24の駆動を制御する機能を有する。より具体的には、温度制御部47は、EIT現象のラムゼー共鳴が生じるように、光源22の温度を、EIT現象を生じさせる温度(第1温度)と生じさせない温度(第2温度)とを交互に切り換えて変更する。すなわち、温度制御部47は、第1光および第2光が原子セル21中のアルカリ金属原子との相互作用によるEIT現象をラムゼー共鳴させるように、第1光および第2光の周波数を、EIT現象を生じさせる周波数(第1周波数)と生じさせない周波数(第2周波数)とに交互に切り換えて変更する「周波数変更部」を構成している。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。
次に、本発明の第4実施形態について説明する。
以下、本発明の電子機器について説明する。
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。
図13は、本発明の移動体の実施形態を示す図である。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
Claims (5)
- アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
バイアス電流に変調電流を重畳した電流が入力されることにより、前記バイアス電流に応じた中心周波数の光と、前記変調電流の周波数に応じて前記中心周波数からずれた周波数で、互いに周波数が異なる第1光および第2光を前記アルカリ金属原子に対して照射する光源部と、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、
前記変調電流の周波数を変更することによって、前記第1光および前記第2光と前記アルカリ金属原子との相互作用による電磁誘起透過現象をラムゼー共鳴させるように、前記第1光の周波数および前記第2光の周波数を、前記電磁誘起透過現象を生じさせる周波数と前記電磁誘起透過現象を生じさせない周波数とに交互に切り換える周波数変更部と、
前記光検出部の検出結果に基づいて前記ラムゼー共鳴を検出するラムゼー共鳴検出部と、を備えることを特徴とする、量子干渉装置。 - 前記光検出部の検出結果に基づく変調信号を出力する変調回路と、
前記変調信号を分周して出力する分周器と、
前記分周器の出力を逓倍して前記変調電流を生成する位相同期回路と、を備え、
前記周波数変更部は、前記分周器の分周比を変更することにより、前記変調電流の周波数を変更する、請求項1に記載の量子干渉装置。 - 前記光検出部の検出結果に基づく変調信号を出力する変調回路と、
前記変調信号を逓倍して前記変調電流を生成する位相同期回路と、を備え、
前記周波数変更部は、前記位相同期回路の逓倍比を変更することにより、前記変調電流の周波数を変更する、請求項1に記載の量子干渉装置。 - 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする原子発振器。
- 請求項1ないし3のいずれか1項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする電子機器。
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