JP7319623B2

JP7319623B2 - 量子光学装置

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Publication number: JP7319623B2
Application number: JP2019012160A
Authority: JP
Inventors: 基揚原; 雄一郎矢野; 雅稔梶田; 哲也井戸
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2019-01-28
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2023-08-02
Anticipated expiration: 2039-01-28
Also published as: JP2020120069A

Description

本発明は、レーザと原子との相互作用を利用して安定した標準周波数信号を取得する原子時計や原子コンパス、原子ジャイロ等に用いることが可能な量子光学装置に関する。

原子時計のような量子光学装置では、レーザと原子との相互作用を利用して、ガス状のアルカリ金属元素、希ガスまたは不活性ガスより、安定した標準周波数信号を取得する。量子光学装置では、ガスを封入・密閉したガス充填容器（ガスセル）が必要不可欠であり、例えばガラス管を利用したガスセルが一般に用いられている。また、標準周波数信号となる原子の吸収線は磁場や角加速度に感度を持つことが知られており、この性質を運動量の高感度検知に利用することで、原子コンパスや原子ジャイロを構成することも出来る。近年は、量子光学装置に対する小型化への強い要望から、陽極接合やプラズマエッチングなどのウェハープロセスを使用した小型のガスセルの開発も多数、報告されている。

上述したような量子光学装置の一例として、ＣＰＴ（ＣｏｈｅｒｅｎｔＰｏｐｕｌａｔｉｏｎＴｒａｐｐｉｎｇ）方式の量子光学装置１００の概略構成を図９に示す。電流ドライバ１０１より供給される定電流は、バイアス・ティ１０２を介して、マイクロ波発信器１０３よりの高周波変調信号と共に発光素子４へ供給される。発光素子１０４に定電流を印加することで、発光素子１０４は一定振動数ν₀にて発光する。この印加される電流にマイクロ波発振器１０３から振動数ν_modなる高周波変調信号を重畳すると、発光素子１０４からはν₀－ν_mod、ν_0mod、ν₀＋ν_modの振動数を有する光が生成され、ガスセル５に入力され、光路ＯＰを経た出力光を受光素子１０６で受信する。なお、実際にはν_modの高次項も生成されるが、その影響は無視できる程度であるから、以下では、強勢に生成される三つの振動数のみに着目する。

ガスセル５には、ガス状のアルカリ金属元素が緩衝ガスとなる不活性な希ガス類とともに充填されており、光と原子との相互干渉によってＣＰＴ現象が生ずる。ＣＰＴ現象は、図１０に示すように、相互に禁制帯にある二つの基底準位（＜１｜と＜２｜）と一つの励起準位（＜３｜）とからなる３準位系で観測される共鳴現象である。この３準位系を呈するガスセル１０５に＜３｜と＜１｜とのエネルギー差に相当する第１励起光ＥｘＬ１を導入すると、誘導吸収と誘導放出に伴う吸発光現象が観測される。同様に、＜３｜と＜２｜とのエネルギー差に相当する第２励起光ＥｘＬ２をガスセル１０５に導入すると、誘導吸収と誘導放出に伴う吸発光現象が観測される。ここで、第１励起光ＥｘＬ１と第２励起光ＥｘＬ２が同時にガスセル１０５へ導入されると、各々のエネルギー準位間の誘導吸収と誘導放出とが相殺され、励起光との相互作用が起こらない暗共鳴が観測される。これをＣＰＴ現象、またはＣＰＴ共鳴と呼ぶ。

したがって、図１０のようなエネルギー準位を有するガスセル１０５に入力する複数の振動数のうち、二つが第１励起光ＥｘＬ１および第２励起光ＥｘＬ２に合致したとき、ＣＰＴ現象が発現する。このことから、発光素子１０５の定常状態での出力振動数ν₀を適切に選定することで、外部入力となるマイクロ波発振器１０３の出力振動数ν_modを用いてＣＰＴ現象の発現を制御できることがわかる。

ＣＰＴ現象の発現は、ガスセル１０５を透過する光量を最大化し、受光素子１０６の出力を最大化する。また、ガスセル１０５に封入されているガス成分が気体状態を保持するように、ヒータ等の昇温手段１０７によって高温に温度管理されると共に、支持手段１０８によって定位置に支持される。支持手段１０８の一例を図１１に示す。主フレーム１０８１によって第１テザー１０８２ａと第２テザー１０８２ｂを支持し、第１，第２テザー１０８２ａ，１０８２ｂによってガスセル１０５、発光素子１０４、受光素子１０６を定位置に固定する。

支持手段１０８によって、発光素子１０４の発光部から受光素子１０６の受光部に向けて、光路ＯＰを経てガスセル１０５内をレーザ光が通過する配置を安定的に保持する。そして、受光素子１０５の出力を、判別器１０９とループフィルタ１１０とを用いて常に出力ピークを捕捉するようにマイクロ波発振器１０３の出力振動数をフィードバック制御する。すなわち、マイクロ波発振器１０３の出力となる高周波変調信号が所望の出力振動数となるよう、ガスセル１０５内原子のエネルギー準位によって安定化が図られる。このように、ＣＰＴ共鳴の捕捉を行う機能手段は、半導体製造プロセスにより微細化した１つ以上の半導体素子で構成できる。なお、全ての機能をパッケージングして１つの半導体素子で構成することも可能である。上述した量子光学部やＣＰＴ共鳴捕捉機能は、減圧された密閉容器１１１内に収納される。

量子光学装置１００の量子光学部は、磁気シールドなどによってガスセル１０５が遮蔽されており、また、装置全体に加速度運動が加えられていないことを前提として、標準周波数信号を得られる装置である。しかしながら、磁気や慣性運動が加わった場合は、エネルギー準位も鋭敏に反応し、出力周波数はそれに応じて変動する。そこで、図１２に示す量子光学装置１００′のように、外部磁気を作用させた出力信号Ｓを取り出すことで、原子コンパスとして利用することができる。また、図１３に示す量子光学装置１００″のように、加速度運動が加えられた標準周波数信号と基準クロック源１１２からの基準クロックとを比較器１１３で比較し、差分波長の出力信号Ｓを取り出すことで、原子ジャイロとして利用することができる。

量子光学部におけるガスセル１０５は、封入されたアルカリ金属元素を気体状に保持するため、６０～９０℃程度に温度管理される必要がある。これは、分子運動論的に、原子の運動量を上げ、光と相互干渉する原子の数を増大させるためである。

また、陽極接合やプラズマエッチングなどのウェハープロセスを使用した小型ガスセルの開発も多数、報告されている。ガスセル１０５の小型化は熱容量の抑制にも有効であり、温度に対する応答性が大幅に改善される。そのため、小型ガスセルを用いた量子光学装置では、常に時計動作を行わず、間欠的に原子発振器を動作させたり（例えば、特許文献１を参照）、ＧＰＳ受信機と交互に水晶発振器ＷＰ動作させたりすることで（例えば、特許文献２を参照）、消費電力を抑制する手法が提案されている。

特開２０１８－０９３２７１号公報特開２０１７－１１８２７６号公報

しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載された量子光学装置では、ガスセルの昇温機能までも間欠動作させるものではなく、必ずしも十分な省電力化を図れているとはいえない。ガスセルを非動作時にも所定温度に保持しておくと、加熱による電力消費が増大してしまうからである。

なお、消費電力抑制の観点からすれば、ガスセルの加熱も間欠動作させることが望ましいのであるが、単純にガスセル加熱を停止するだけでは、セル温度の下降によってアルカリ金属元素の固化・再凝集を誘引するという問題が生ずる。アルカリ金属原子の凝集は、再加熱によって、再び気化させることが可能であるものの、ガスセル内面に付着したアルカリ金属原子の凝集サイズによっては、間欠的な加熱動作中にアルカリ金属原子を十分に気化できない可能性がある。気体状のアルカリ金属原子の数が減少すると、光と相互干渉する原子の数も減ってＣＰＴ共鳴の捕捉が困難になり、量子光学装置としての動作が不安定になってしまう。

加えて、ガスセルへの加熱をオフにしたとき、ガスセル内の封入ガスが凝集して光学窓に付着してしまい、再加熱しても光学窓に残渣物が出て光路ＯＰを遮り、受光素子が受光できなくなる可能性もある。このように、ガスセルに対する加熱を間欠的に行う場合、封入ガスの凝集・気化のサイクルが光学窓の透過性を低下させる大きな要因となる可能性が懸念される。このような不具合は、ガスセルや昇温手段の構造、間欠動作のサイクル等によって引き起こされる可能性があるもので、必ず生ずる不具合とは言えないが、このような不具合に対処できることは有用である。

本発明は、ＣＰＴ共鳴捕捉動作を間欠的に行う量子光学装置の更なる省電力化を図ることを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明にかかる量子光学装置は、アルカリ金属元素の吸収波長帯で複数周波数の励起光を出射する発光素子と、前記発光素子からの励起光を透明な窓部より受ける位置に配置され、ウェハープロセスにより作成された微細な内空部にアルカリ金属元素とバッファガスが封入された小型のガス充填容器と、前記ガス充填容器に封入されているガス成分が気体状態を保持するよう、ガス充填容器を加熱する昇温手段と、前記ガス充填容器を通過した光を受信する位置に配置され、受信光の光強度を検出する受光素子と、前記受光素子で検出される光強度を最大化させるＣＰＴ共鳴を発生させるように、発光素子から出力させる励起光の周波数差を、アルカリ金属元素における基底順位間の周波数差に一致させるＣＰＴ共鳴捕捉を間欠的に行わせるＣＰＴ共鳴捕捉制御手段と、前記ＣＰＴ共鳴捕捉制御手段によるＣＰＴ共鳴捕捉動作と同じタイミングで前記昇温手段を作動させ、ガス充填容器を加熱する昇温動作を行う温度管理手段と、を備えることを特徴とする

また、前記構成において、前記昇温手段は、光が透過する光学窓を加熱するための光学窓用加熱部と、その他の部位を加熱するための他部位加熱部と、を備えていても良い。

また、前記構成において、前記昇温手段は、通電により発熱するヒータ線で構成し、前記光学窓用加熱部におけるヒータ線の配置は、前記他部位加熱部におけるヒータ線の配置より高密度に設定しても良い。

また、前記構成において、前記昇温手段は、通電により発熱するヒータ線で構成し、前記光学窓用加熱部におけるヒータ線の抵抗は、前記他部位加熱部におけるヒータ線の抵抗よりも高く設定しても良い。

また、前記構成において、前記ガス充填容器は、内空部における光路長Ｌよりも、光が透過する光学窓の開口寸法Ｄが大きくなるように設定し、前記昇温手段は、光が透過する光学窓を加熱するための光学窓用加熱部のみで構成しても良い。

また、前記構成において、前記温度管理手段は、昇温動作の開始時および／または終了時に、少なくとも光学窓用加熱部に対してフラッシュ加熱を行うことで、光学窓に対する瞬間的な加熱量を高めるようにしても良い。

本発明に係る量子光学部によれば、ＣＰＴ共鳴捕捉制御手段によるＣＰＴ共鳴捕捉動作と同じタイミングで、温度管理手段が昇温手段を作動させ、ガス充填容器を加熱する昇温動作を行う。したがって、ＣＰＴ共鳴捕捉動作を行っていない間は、ガス充填容器の加熱も行わないので、ＣＰＴ共鳴捕捉動作を間欠的に行う量子光学装置の更なる省電力化を図ることが可能となる。

実施形態に係る量子光学装置の概略構成図である。第１改変例のガスセルを示し、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は図２（Ａ）のＩＩＢ－ＩＩＢ線の矢視断面図、（Ｃ）は図２（Ａ）のＩＩＣ－ＩＩＣ線の矢視断面図である。第２改変例のガスセルを示し、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は図３（Ａ）のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線の矢視断面図、（Ｃ）は図３（Ａ）のＩＩＩＣ－ＩＩＩＣ線の矢視断面図である。第３改変例のガスセルを示し、（Ａ）は外観斜視図、（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶＢ－ＩＶＢ線の矢視断面図、（Ｃ）は図４（Ａ）のＩＶＣ－ＩＶＣ線の矢視断面図である。（Ａ）は第１改変例のガスセルにおけるガス封入空部を増大させた概略断面図である。（Ｂ）は第２改変例のガスセルにおけるガス封入空部を増大させた概略断面図である。（Ｃ）は第３改変例のガスセルにおけるガス封入空部を増大させた概略断面図である。（Ａ）は対向する二面に光学窓を有するガスセルの構造説明図である。（Ｂ）は一面のみに光学窓を有するガスセルの構造説明図である。（Ａ）は間欠的に行われる時計動作のタイミングチャートである。（Ｂ）は温度管理手段が行う間欠温度制御のタイミングチャートである。（Ｃ）は温度管理手段が行う第１フラッシュ加熱制御のタイミングチャートである。（Ｄ）は温度管理手段が行う第２フラッシュ加熱制御のタイミングチャートである。（Ａ）は光学窓用加熱部のみで温度制御可能なガスセルの正面図である。（Ｂ）は光学窓用加熱部のみで温度制御可能なガスセルの概略縦断面図である。原子時計に適用可能な従来の量子光学装置を示す機能ブロック図である。ＣＰＴ現象の原理説明図である。従来の量子光学装置の概略構成図である。原子コンパスに適用可能な従来の量子光学装置を示す機能ブロック図である。原子ジャイロに適用可能な従来の量子光学装置を示す機能ブロック図である。

次に、添付図面に基づき、量子光学装置の実施形態について詳述する。

図１に示す量子光学装置１は、減圧された密閉容器２内に量子光学部３を備える構造である。量子光学部３の支持手段１０は、アルカリ金属元素が封入されたガス充填容器であるガスセル２０を所定位置に保持する。ガスセル２０の周囲には、封入されたガスを気体状に保持（例えば、６０～９０℃の高温を保持）するための加熱ヒータ等で構成できる昇温手段（後に詳述する第１光学窓用加熱部３１と、第２光学窓用加熱部３２と、側面加熱部３３より構成）を配置してある。

支持手段１０は、主フレーム１１の適所に第１テザー１２ａを、第１テザー１２ａから適宜離隔させた主フレーム１１の適所に第２テザー１２ｂを備える構造である。そして、ガスセル２０の第１面板２３ａ側を第１テザー１２ａに固定し、ガスセル２０の第２面板２３ｂ側を第２テザー１２ｂに固定する。

また、主フレーム１１は、第１テザー１２ａから第２テザー１２ｂとは逆方向（図１においては上方）に適宜離隔させて第３テザー１３を、第２テザー１２ｂから第１テザー１２ａとは逆方向（図１においては下方）に適宜離隔させて第４テザー１４を、それぞれ備える。第３テザー１３によって発光素子４１を保持し、第４テザーによって受光素子４２を保持し、発光素子４１からの照射光がガスセル２０を経て受光素子４２の受光部へ至る光路ＯＰが形成される。

このように、支持手段１０によってガスセル２０、発光素子４１および受光素子４２を離隔させて保持する構造とすれば、昇温手段によって高温に温度管理されるガスセル２０からの熱は、第１，第２テザー１２ａ，１２ｂより主フレーム１１を介して第３，第４テザー１３，１４へ伝導しなければ、発光素子４１および受光素子４２の昇温化させることはない。すなわち、第１，第２テザー１２ａ，１２ｂおよび第３，第４テザー１３，１４でガスセル２０、発光素子４１および受光素子４２を支持する支持手段１０は、発光素子４１および受光素子４２の昇温化を防ぐ断熱手段としても機能する。よって、発光素子４１と受光素子４２は、ガスセル２０の温度管理とは異なる独自の温度制御系（例えば、４０～６０℃程度の低温）で温度管理を実施することも可能である。そこで、発光素子４１と受光素子４２は、ガスセル２０とは異なる独自の温度制御系で温度管理を行えるように、発光素子４１には第１加熱手段５１を、受光素子４２には第２加熱手段５２を、それぞれ設けても良い。

ガスセル２０は、ベース体２１の二面（図１においては、上面と下面）を貫通するガス封入空部２２を設け、透光性の第１面板２３ａと第２面板２３ｂにて封止した構造である。例えば、ガスセル２０の第１面板２３ａが発光素子４１に対向する配置とすることで、こちらを入射面とし、第２面板２３ｂが受光素子４２に対向する配置とすることで、こちらを出射面とする。ガスセル２０のガス封入空部２２内に封入されたガスを気体状に保持するために加熱する昇温手段は、第１光学窓用加熱部３１と、第２光学窓用加熱部３２と、側面加熱部３３に分割してある。

第１光学窓用加熱部３１は、光が入射する光学窓となる第１面板２３ａの外面（図１においては上面）を加熱するためのヒータ線である。第２光学窓用加熱部３２は、光が出射する光学窓となる第２面板２３ｂの外面（図１においては下面）を加熱するためのヒータ線である。側面加熱部３３は、入射用の光学窓と出射用の光学窓を除くその他の部位（実質的に、ガスセル２０の四側壁面）を加熱するためのヒータ線である。なお、第１面板２３ａの入射用の光学窓と、第２面板２３ｂの出射用の光学窓は、第１，第２光学窓用加熱部３１，３２によって塞がれることがないよう、光路を避けてレイアウトするような配慮が必要である。あるいは、レーザ光の波長に対して透明な透明導電膜（ＩＴＯ膜）で構成したヒータを配置して、光路ＯＰを妨げることがないようにしても良い。

上述したガスセル２０のベース体２１は、既存のガラス管を所要長さに切って、その単一ガラス管の内空をガス封入空部２２に利用することもできるが、そのような作成法ではガスセル２０の小型化に限界がある。シリコン等の基材をウェハープロセスによる微細加工してベース体２１を作成すれば、ガスセル２０本体を数ミリ以下の小型に形成できる。ウェハープロセスを使えると言うことは、半導体チップのように、小型のガスセル２０を大量に生産できることを意味する。しかも、半導体生産技術を活用できれば、露光装置を利用したパターン転写によって、ガスセル２０を更に微細化する道も開ける。加えて、平滑なウェハーでガスセル２０のベース体２０を作るなら、ウェハーレベルパッケージングと呼ばれる手法を用いて、ウェハーレベルで組立を行い、最期にダイシングを行って個片化するという技術も適用可能である。

また、小型のガスセル２０は、上述した構造に限定されるものではない。例えば、図２に示す第１改変例のガスセル２０Ａは、所要形状（たとえは、略四角形）で平板な一対のベース体２４，２４によって、透光性の光透過体２５の内空部開口面を封止して、ガス封入空部２２を設けた構造である。光透過体２５はガラス等の透光性材料で形成した略四角枠状で、対向する一対の透光壁部２５ａ，２５ｂと、これら透光壁部２５ａ，２５ｂの端部を繋ぐ一対の連結壁部２５ｃ，２５ｄを備える。図２に示すガスセル２０Ａにおいては、透光壁部２５ａが出射側、透光壁部２５ｂが入射側となるので、透光壁部２５ａ，２５ｂにおける外面と内面は、光路ＯＰに直交する平面としておく必要がある。一方、連結壁部２５ｃ，２５ｄにおける外面と内面には、そのような精度が要求されないので、外面と内面が平行になっていなくても構わない（例えば、図２（Ｃ）を参照）。なお、光透過体２５における四側壁が全て透光壁部として機能する構造とすれば、四側壁の何れでも入射面あるいは出射面として使えるので、ガスセル２０Ａを配置するときの向きが限定されず、自由度の高いものとなる。

図３に示す第２改変例のガスセル２０Ｂは、所要形状（たとえは、略四角形）で平板な一対のベース体２４と、透光性の面板２６とで、透光性の光透過体２５の内空部開口面を封止して、ガス封入空部２２を設けた構造である。このように、シリコン等の構造材料からウェハープロセスによって作成するベース体２４を片側にだけ用い、このベース体２４に対して光透過体２５と面板２６を組み付けることでも、ガス充填容器としてのガスセル２０Ｂを作製できる。

図４に示す第３改変例のガスセル２０Ｃは、透光性の面板２６，２６により、ベース体２７の内空部開口面を封止して、ガス封入空部２２を設けた構造である。ベース体２７の内空部は、エッチング等の半導体加工プロセスにより形成すると、内空縁部２７ａが均一にならい場合がある（図４（Ｃ）を参照）。しかしながら、ベース体２７における内空縁部２７ａが、一方の面板２６の入射窓部から他方の面板２６の出射窓部に至る光路ＯＰを妨げなければ、多少歪な形状のガス封入空部２２となっても構わない。

図５（Ａ）に示すのは、第１改変例のガスセル２０Ａに対して、ガス封入空部２２の容積を増大させるようにしたガスセル２０Ａ′である。ガスセル２０Ａ′においては、各ベース体２４′，２４′の内面側に凹部２４ａを設けることで、ガス封入容積を増大させたガス封入空部２２′を形成した。図５（Ｂ）に示すのは、第２改変例のガスセル２０Ｂに対して、ガス封入空部２２の容積を増大させるようにしたガスセル２０Ｂ′である。ガスセル２０Ｂ′においては、ベース体２４′の内面側に凹部２４ａを設けると共に、面板２６′の内面側にも凹部２６ａを設けることで、ガス封入容積を増大させたガス封入空部２２′を形成した。図５（Ｃ）に示すのは、第３改変例のガスセル２０Ｃに対して、ガス封入空部２２の容積を増大させるようにしたガスセル２０Ｃ′である。ガスセル２０Ｃ′においては、各面板２６′，２６′の内面側に凹部２６ａを設けることで、ガス封入容積を増大させたガス封入空部２２′を形成した。

上述した各種のガスセル２０では、図６（Ａ）に示すガスセル２０Ｄのように、発光素子４１に対向する面に光入射用の第１光学窓２８ａが形成され、受光素子４２に対向する面に光出射用の第２光学窓２８ｂが形成される。しかしながら、図６（Ｂ）に示すガスセル２０Ｅのように、反射光学系２９を内部に設けおき、光入射と光出射で共用できる共用光学窓２８ｃを光往路ＯＰ１と光復路ＯＰ２が通過する構造でも良い。かかる構造のガスセル２０Ｅを用いれば、発光素子４１と受光素子４２を同じ側に配置できるので、量子光学装置の更なる小型化を期待することができる。

また、図１においては省略したが、量子光学装置１には、ＣＰＴ共鳴捕捉制御手段としての機能を、１つあるいは複数の半導体素子にて構成し、発光素子４１や受光素子４２と同様にガスセル２０から熱的に離隔して配置してある。なお、ＣＰＴ共鳴捕捉制御手段は、受光素子４２で検出される光強度を最大化させるＣＰＴ共鳴を発生させるように、発光素子４１から出力させる励起光の周波数差を、アルカリ金属元素における基底順位間の周波数差に一致させるＣＰＴ共鳴捕捉を間欠的に行わせる。例えば、原子時計として標準周波数信号を取得する場合、ＣＰＴ共鳴捕捉制御手段は間欠的に時計動作をＯＮにし、その間は時計動作をＯＦＦにする（図７（Ａ）を参照）。

さらに、量子光学装置１には、ＣＰＴ共鳴捕捉制御手段による時計動作と同じタイミングで昇温手段を作動させ、ガスセル２０を加熱する昇温動作を行う温度管理手段６０を設ける。温度管理手段６０は、例えば、第１給電線Ｌ１を介して第１光学窓用加熱部３１へヒータ電流を供給し、第２給電線Ｌ２を介して第２光学窓用加熱部３２へヒータ電流を供給し、第３給電線Ｌ３を介して側面加熱部３３へヒータ電流を供給する。なお、温度管理手段６０に発光素子４１と受光素子４２の温度管理を行う機能を持たせることもできる。例えば、温度管理手段６０から第４給電線Ｌ４（図１中、破線で示す）を介して第１加熱手段５１へヒータ電流を供給し、第５給電線Ｌ５（図１中、破線で示す）を介して第２加熱手段５２へヒータ電流を供給し、発光素子４１と受光素子４２の温度管理を行う。

ガスセル２０の温度管理を行う温度管理手段６０が間欠動作を実施しない場合、ガスセル２０は連続的に恒温制御されるため、アルカリ金属原子は内空部２２の内壁に凝集することはないが、常時ヒータ電流が必要となり、電力消費が嵩んでしまう。一方、ＣＰＴ共鳴捕捉制御手段による時計動作と同じタイミングでヒータ電流をＯＮ／ＯＦＦする間欠温度制御を温度管理手段６０が行えば（図７（Ｂ）を参照）、消費電力を抑制できる。

しかしながら、温度管理手段６０によって間欠温度制御を行うと、ヒータ電流ＯＦＦによる温度低下に伴ってアルカリ金属原子が内空部２２の内壁に凝集する可能性がある。アルカリ金属原子の凝集が光学窓に発生して、光路ＯＰを遮るような場合、レーザと原子との相互干渉の計測が阻害され、ＣＰＴ共鳴捕捉制御を行えなくなり、量子光学装置１の動作が不安定となる。

そこで、温度管理手段６０は、少なくとも、第１光学窓用加熱部３１と第２光学窓用加熱部３２へのヒータ電流供給に際しては、フラッシュ加熱を行うことで、各光学窓に対する瞬間的な加熱量を高めるようにする。具体的には、時計動作がＯＦＦからＯＮに変わったとき、所定のフラッシュ加熱時間Ｔｆの期間だけ、通常の電流値である第１電流値Ｌｅｖ１よりも高い第２電流値Ｌｅｖ２に上げ、フラッシュ加熱時間Ｔｆ経過後に第１電流値Ｌｅｖ１に戻す（図７（Ｃ）を参照）。すなわち、間欠動作の開始直後に、ガスセル２０の光学窓をフラッシュ加熱する第１フラッシュ加熱制御を温度管理手段６０が行うことで、ＣＰＴ共鳴捕捉の阻害要因となる凝集物を光学窓から効率良く除去できる。その後、時計動作がＯＮからＯＦＦに変わるまでの通常加熱時間Ｔｎは、第１電流値Ｌｅｖ１を保持しておけば、ガスセル２０内のアルカリ金属原子を気体状に維持できる。なお、第１フラッシュ加熱制御は、光学窓ではないその他の部位である側面加熱部３３に対して適用しても良い。

あるいは、第１光学窓用加熱部３１と第２光学窓用加熱部３２へのヒータ電流停止に際して、温度管理手段６０がフラッシュ加熱を行わせることで、各光学窓に対する瞬間的な加熱量を他部位よりも高めるようにする。具体的には、時計動作がＯＮに変わって通常加熱時間Ｔｎが経過するまで第１電流値Ｌｅｖ１を保持し、その後、時計動作をＯＦＦにするまでのフラッシュ加熱時間Ｔｆの期間だけ、ヒータ電流を第２電流値Ｌｅｖ２に上げる（図７（Ｄ）を参照）。すなわち、間欠動作の終了直前に、ガスセル２０の光学窓をフラッシュ加熱する第２フラッシュ加熱制御を行うことで、光学窓が他部位よりも高温に保たれる期間を長くし、ＣＰＴ共鳴捕捉の阻害要因となる凝集物が光学窓に付着しないようにする。なお、温度管理手段６０が時計動作ＯＦＦのタイミングを事前に把握できない場合、時計動作がＯＦＦになって側面加熱部３３への通電を遮断した後、第１，第２光学窓用加熱部３１，３２への通電を所定時間だけ継続させるようにしても良い。

また、温度管理手段６０は、第１フラッシュ加熱制御か第２フラッシュ加熱制御の一方を行う場合に限らず、両方を行う第３フラッシュ加熱制御を行うようにしても良い。具体的には、時計動作がＯＦＦからＯＮに変わってからフラッシュ加熱時間Ｔｆの期間と、時計動作をＯＦＦにするまでのフラッシュ加熱時間Ｔｆの期間には、第２電流値Ｌｅｖ２に上げ、その間は通常の電流値である第１電流値Ｌｅｖ１を保持する。温度管理手段６０により第３フラッシュ加熱制御を行えば、光学窓からの凝集物除去と光学窓への凝集物付着抑制を同時に行うことができる。ただし、側面加熱部３３に対して第２フラッシュ加熱制御を行うと、光学窓ではない他部位が光学窓よりも早く冷えなくなるため、上述した第２フラッシュ加熱制御と同様に、第３フラッシュ加熱制御は第１，第２光学窓用加熱部３１，３２に対してのみ行う。

本実施形態では、ガスセル２０の光学窓に付着した凝集物を選択的に除去したり、光学窓への凝集を選択的に防いだりするため、第１，第２光学窓用加熱部３１，３２と側面加熱部３３のヒータ線を並列分岐させた。しかしながら、消費電力の観点からは、第１，第２光学窓用加熱部３１，３２と側面加熱部３３のヒータ線を直列接続することが好ましい。そこで、第１，第２光学窓用加熱部３１，３２におけるヒータ線の配置は、他部位加熱部としての側面加熱部３３におけるヒータ線の配置より高密度に設定しておく。或いは、第１，第２光学窓用加熱部３１，３２におけるヒータ線の抵抗は、他部位加熱部としての側面加熱部３３におけるヒータ線の抵抗よりも高く設定（例えば、抵抗率の高い線材を用いる、ヒータ線の断面を小さくして抵抗率を上げる等）しておく。かくすれば、第１，第２光学窓用加熱部３１，３２と側面加熱部３３のヒータ線を直列接続して用いても、選択的に光学窓の温度を他部位よりも上昇させることができるので、光学窓からの凝集物除去や光学窓への凝集物付着抑制が可能となる。

また、図８に示すように、ウェハープロセスで形成されるガスセル２０′では、光学窓の開口寸法Ｄが、内空部２２の光路長Ｌ（ベース体２１の厚さに相当）に対して大きくなる（例えば、Ｄ／Ｌ＞１となる）場合が多い。このようなガスセル２０′の場合、光学窓にのみヒータの配線を行うだけで（例えば、第１面板２３ａに設ける第１光学窓用加熱部３１と、第２面板２３ｂに設ける第２光学窓用加熱部３２のみで）、光学窓の選択的温度上昇と、動作時のセル内温度の一様性とを実現できる。よって、ヒータ配線の構造を簡素化できる上に、第１，第２光学窓用加熱部３１，３２に対して通常の間欠温度制御を行えば良いことから、省電力化はもちろん、製造コストの削減にも有効である。

以上、本発明に係る量子光学装置を実施形態に基づき説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全ての量子光学装置を権利範囲として包摂するものである。

１量子光学装置
２密閉容器
２０ガスセル
３１第１光学窓用加熱部
３２第２光学窓用加熱部
３３側面加熱部
４１発光素子
４２受光素子
６０温度管理手段

Claims

アルカリ金属元素の吸収波長帯で複数周波数の励起光を出射する発光素子と、
前記発光素子からの励起光を透明な入射用の光学窓より受ける位置に配置され、ウェハープロセスにより作成された微細な内空部にアルカリ金属元素とバッファガスが封入された小型のガス充填容器と、
前記ガス充填容器に封入されているガス成分が気体状態を保持するよう、前記ガス充填容器を加熱する昇温手段と、
前記ガス充填容器における出射用の光学窓を通過した光を受信する位置に配置され、受信光の光強度を検出する受光素子と、
前記受光素子で検出される光強度を最大化させるＣＰＴ共鳴を発生させるように、前記発光素子から出力させる励起光の周波数差を、前記アルカリ金属元素における基底順位間の周波数差に一致させるＣＰＴ共鳴捕捉を間欠的に行わせるＣＰＴ共鳴捕捉制御手段と、
前記ＣＰＴ共鳴捕捉制御手段によるＣＰＴ共鳴捕捉動作と同じタイミングで前記昇温手段を作動させ、前記ガス充填容器を加熱する昇温動作を行う温度管理手段と、
を備え、
前記昇温手段は、前記ＣＰＴ共鳴捕捉の阻害要因となる凝集物を前記入射用の光学窓および前記出射用の光学窓から除去するように加熱できる光学窓用加熱部と、その他の部位を加熱するための他部位加熱部と、を備え、
前記温度管理手段は、前記昇温動作の開始時および／または終了時に、少なくとも前記光学窓用加熱部に対してフラッシュ加熱を行うことで、前記入射用の光学窓および前記出射用の光学窓に対する瞬間的な加熱量を高めるようにしたことを特徴とする量子光学装置。
前記昇温手段は、通電により発熱するヒータ線で構成し、前記光学窓用加熱部における前記ヒータ線の配置は、前記他部位加熱部における前記ヒータ線の配置より高密度に設定したことを特徴とする請求項１に記載の量子光学装置。
前記昇温手段は、通電により発熱するヒータ線で構成し、前記光学窓用加熱部における前記ヒータ線の抵抗は、前記他部位加熱部における前記ヒータ線の抵抗よりも高く設定したことを特徴とする請求項１に記載の量子光学装置。