JP2016015363A - 量子干渉装置、原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】発現効率を向上させ、ＥＩＴ信号の強度、またはＳ／Ｎ比が低下することを低減できる量子干渉装置、原子発振器を提供する。
【解決手段】量子干渉装置１０は、金属原子２８を封入しているセル１１と、セル１１内部に放射角θを有するレーザー光２０を照射する光源部１５と、を備え、レーザー光２０の照射方向と交わる断面のセル１１の内幅が、照射方向に向かって大きくなっている。
【選択図】図２

Description

本発明は、量子干渉装置、および量子干渉装置を有する原子発振器に関する。

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（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）など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、周波数（波長）の異なる２つ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が可能であることから、近年、様々な機器への搭載が期待されている。

量子干渉効果を利用した原子発振器は、気体の状態の金属原子を封入したガスセルと、ガスセル中の金属原子に周波数の異なる２つの共鳴光を含むレーザー光を照射する光出射部と、ガスセルを透過したレーザー光を検出する光検出部と、光出射部とガスセルとの間に設けられた光学部品と、を備えている。

そして、共鳴光の周波数差が特定の値のときに、２つの共鳴光の双方がガスセル内の金属原子に吸収されることなく透過する電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象を生じ、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する。ＥＩＴ信号は、金属原子の種類によって決まった固有値をもっているので、このＥＩＴ信号を検出することにより、安定した周波数を発振する高精度な発振器を構成することができる。

従来、上記のような原子発振器は、例えば、特許文献１に記載されているように、共鳴光としてのレーザー光を供給するレーザー光発振源とガスセルとの間の光軸上に、レーザー光の光束をガスセルの内部空間より狭い範囲で拡張可能な凸レンズや凹レンズが配置されており、レーザー光がこれらのレンズを透過するとレーザー光の光束が拡張される構成になっていた。

このような構成にすることによって、ガスセルの内部空間にある金属原子にレーザー光が満遍なく照射され、大半の金属原子と光−原子相互作用を起こすことができ、ＥＩＴ信号の線幅（検出強度の半値幅）が小さくなり、ＥＩＴ信号の検出強度が高くなることが開示されている。

特開２００９−１６４３３１号公報

しかしながら、量子干渉装置（原子発振器）への小型化要求に対応するために、共鳴光の光源部（レーザー光発振源）とセル（ガスセル）との間に、放射角を有する光（以下、拡散光と言う）の光の幅（光束）を、光の照射方向と交わる断面のセルの内幅（内壁）に合わせて調整する凸レンズや凹レンズなどの光束調整部品を配置することが難しくなってきた。

そのため、特許文献１に記載されているように、共鳴光の照射方向において、共鳴光の光軸と平行な内壁を有する量子干渉装置のセルに、共鳴光として拡散光が照射される場合には、光軸上に共鳴光の光束を調整する部品が配置されていないことから、共鳴光は、光源部からセルに向けて出射された状態で放射角を有し、引き続き光束を拡大しながらセル内部を進行し、セル内部に封入されている金属（金属原子）を照射する。さらに、ＥＩＴ信号の線幅を小さくするため、共鳴光がセルの内壁に当たらないように共鳴光が調整されている。

このような理由から、セルの光源部側では、共鳴光の光束はセルの内壁の断面積よりかなり小さなものとなっているので、セル内部に共鳴光が照射されない金属が多数存在することになり、セルに照射される共鳴光が、セル内部の金属原子の一部としか光−原子相互作用を起こすことができなくなり、発現効率が低下する。その結果、ＥＩＴ信号の強度、またはＳ／Ｎ比が低下してしまうという課題があった。

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、以下の適用例または形態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、金属を封入しているセルと、前記セル内部に放射角を有する光を照射する光源部と、を備え、前記光の照射方向と交わる断面の前記セルの内幅が、前記照射方向に向かって大きくなっていることを特徴とする。

本適用例によれば、拡散光の照射方向と交わる断面のセルの内幅（以下、セルの内幅と言う）が、拡散光の光束に沿って大きくなっているので、セル内部に封入されている金属に満遍なく拡散光が照射される。その結果、セル内部に封入されている金属が効率よく光を吸収し、セルの内部空間を無駄にすることなく発現効率が高くなる。従って、量子干渉装置が小型化されて、光束調整部品が配置されなくても、ＥＩＴ信号の強度、またはＳ／Ｎ比が低下することを低減できる。なお、放射角とは、拡散光の光束の最も外側に位置している光と光軸とがなす角のことを言う。

さらに、セルの内幅を拡散光の光束より若干大きい範囲で構成できるため、拡散光がセルの内壁に当たり難く、内壁近傍の金属が照射されることを低減できる。その結果、ＥＩＴ信号の線幅が小さくなり、高品質かつ大きなＥＩＴ信号を得られるため、精度の高い小型化の量子干渉装置を得ることができる。

［適用例２］上記適用例に係る量子干渉装置は、前記放射角の放射角度が１度以上９０度以下の範囲内にあることを特徴とする。

本適用例によれば、放射角度が１度より小さい場合には、セル内部に封入されている金属のうち、拡散光が照射されない金属が多くなるため、セル内部の金属に拡散光を満遍なく照射させようとすると、拡散光の光軸に平行な方向において、セルが長くなってしまう。また、放射角度が９０度より大きい場合には、拡散光をセルの内壁に当たらないように入射させることができなくなる。従って、放射角度が１度以上９０度以下の範囲内であれば、量子干渉装置の小型化を図ることが可能になる。なお、放射角度とは、放射角の大きさのことを言う。

［適用例３］上記適用例に係る量子干渉装置は、前記セルの肉厚が、前記照射方向に向かって大きくなっていることを特徴とする。

本適用例によれば、セルの外幅が拡散光の光軸と平行になるように、セルの肉厚が、拡散光の照射方向に向かって大きくなっており、セルを他の構造物に固定しやすくすることが可能になる。従って、セルの位置決め精度が向上し、長期的に照射方向（光軸）を安定させることができるので発振周波数の長期安定度の向上が期待できる。

さらに、光源部とは反対側のセルの壁の肉厚が、光源部側のセルの壁の肉厚と比較して小さいので、光源部とは反対側のセルの壁は放熱性がよく、温度が周囲よりも低くなっている。そのため、冷却効率がよく、セル内部の金属の固化が、光源部とは反対側のセルで集中して起こるようになる。従って、セルの不特定な部位において金属の固化が発生する場合と比べて、セルの温度分布が安定して保持されるので、周波数変動を低減することができる。

［適用例４］上記適用例に係る量子干渉装置は、金属を溜める金属溜り部が、前記セルの前記光源部側の端部とは反対側の端部寄りに設けられていることを特徴とする。

本適用例によれば、上述のように、光源部とは反対側のセルの壁の温度は、周囲よりも低くなっている。そのため、セル内部の金属の固化が、光源部とは反対側の端部寄りに設けられている金属溜り部で集中して起こるようになり、固化された金属を金属溜り部に効率よく集めることができるので、セル内部に照射される拡散光を遮ることを低減できる。

つまり、金属溜り部が設けられていない場合と比べて、固化した金属の量が視覚的に容易に分かる。その結果、セル内部に気体の状態で封入されている金属が不足して濃度が低下しているといった状況が分かるので、量子干渉装置の保守・点検が必要なタイミングが把握できる。

［適用例５］上記適用例に係る量子干渉装置は、前記セル内部の内壁が、前記光の照射方向に向かって広がるテーパー形状を有していることを特徴とする。

本適用例によれば、セルの内幅をテーパー形状に広げることによって、拡散光の光束に沿うことが可能になり、セルの内壁に拡散光が当たり難く、セルの内壁近傍の金属が照射されることを低減しつつ、セル内部に封入されている金属に満遍なく光が照射される。従って、セル内部の無駄な空間が少なくなり、効率よく量子干渉装置の小型化が可能になる。

［適用例６］上記適用例に係る量子干渉装置は、前記セル内部の内壁が、前記光の照射方向に沿って段差形状を有していることを特徴とする。

本適用例によれば、拡散光の光束に沿って、セルの内壁を製作することが容易になるため、量子干渉装置の低コスト化を図ることが可能になる。

［適用例７］上記適用例に係る量子干渉装置は、前記セルに入射する前記光の幅よりも受光領域が大きい受光部を有することを特徴とする。

本適用例によれば、受光部において、光源部から出射される拡散光を取りこぼすことなく受光することができるため、光の検出精度を向上できる。

［適用例８］本適用例に係る原子発振器は、上記に記載の量子干渉装置を有することを特徴とする。

本適用例によれば、光束調整部品を配置しなくても、ＥＩＴ信号の強度、またはＳ／Ｎ比が低下することを低減できる量子干渉装置を備えているので、小型で高精度な原子発振器を提供することができる。

第１実施形態に係る量子干渉装置の全体構成図。 第１実施形態に係る量子干渉装置の概略図。 アルカリ金属のエネルギー状態の説明図。 光源部から出射される２つの光の周波数差と受光部で検出される光の強度との関係を示すグラフ。 第２実施形態に係る量子干渉装置の概略図。 第２実施形態の変形例１に係る量子干渉装置の概略図。 第２実施形態の変形例２に係る量子干渉装置の概略図。 第１実施形態に係る量子干渉装置を有する原子発振器の全体構成図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

［量子干渉装置の構成］
まず、本発明の量子干渉装置１０の構成について説明する。本発明の量子干渉装置１０は、後述する原子発振器１００の他、例えば、磁気センサー、量子メモリーなどにも適用可能である。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る量子干渉装置１０の全体構成図である。また、図２は第１実施形態に係る量子干渉装置１０の概略図である。
図１に示す量子干渉装置１０は、周波数が異なる２つの共鳴光を入射させたときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して、出力を制御する量子干渉装置である。

以下、本実施形態の量子干渉装置１０の具体的な構成について、図１、および図２を参照しながら各部を順次説明する。なお、本発明の趣旨は、量子干渉装置１０の構造にあるので、量子干渉装置１０の周波数制御についての詳細な説明は省略する。

図１に示すように、量子干渉装置１０は、セル１１、光源部１５、受光部１６、制御部４１、ヒーター３１、温度センサー３２、コイル３３を備えており、さらに、セル１１、受光部１６、ヒーター３１、温度センサー３２、コイル３３を収容する磁気シールド３６を備えている。

さらに詳細に説明すると、図２に示すように、量子干渉装置１０は、気体の状態の金属原子２８が封入されているセル１１と、金属原子２８に放射角θを有する光（拡散光）としてのレーザー光２０（共鳴光）を供給する光源である光源部１５と、光源部１５から出射されるレーザー光２０の光軸２１上に、セル１１を透過した出射光２２を検出する受光部１６と、を備えている。なお、放射角θとは、レーザー光２０の光束の最も外側に位置している光と光軸２１とがなす角のことを言う。

つまり、光源部１５から出射されるレーザー光２０は、セル１１の入射窓１７からセル１１の内部空間１９に入射し、セル１１の内部空間１９を円錐台、または円錐を形成するように放射状に拡散しながら透過し、セル１１の出射窓１８から出射して、最終的に受光部１６で、出射光２２として強度を検出される。

（セル）
セル１１は、一対の、側面が開口している開口部を有する胴体１２と、その一方の開口部を封鎖する入射窓１７と、他方の開口部を封鎖する出射窓１８と、から構成されており、金属原子２８が封入されている内部空間１９を形成している。また、セル１１は、光源部１５と受光部１６とを直線で結んだ光軸２１に垂直な面における、入射窓１７の中心部と出射窓１８の中心部とを結ぶ仮想線が、光軸２１上に重なるように配置されている。

金属原子２８は、セル１１の内部空間１９に封入されており、内部空間１９の温度と真空度から決定される飽和蒸気圧に従い、気体の状態で一定の濃度で存在している。本実施形態では、金属原子２８として量子吸収体であるセシウム（Ｃｓ）が封入されており、さらに、必要に応じてアルゴン、ネオンなどの希ガス、窒素などの不活性ガスが緩衝ガスとして封入されていてもよい。

胴体１２は、光軸２１方向に延出している中空の円錐台形状をした筐体であり、セル１１の内壁１４が、レーザー光２０の光束より若干大きい内幅を保ちながら、レーザー光２０の照射方向に向かってレーザー光２０の光束に沿うように、テーパー形状に大きくなっている。つまり、レーザー光２０の照射方向に向かって、セル１１の内壁１４と光軸２１とのなす角（以下、傾斜角ηと言う）が、レーザー光２０の放射角θと略同じ大きさになっている。なお、内幅とはレーザー光２０の照射方向と交わる断面のセル１１の内壁１４の幅（大きさ）のことを言う。

一方、セル１１の外壁１３は、レーザー光２０の照射方向に向かって、内壁１４と平行になるように、言い換えれば、セル１１の胴体１２の外壁１３と内壁１４とで挟まれた肉厚（以下、肉厚と言う）が同じになるように作られている。

胴体１２を構成する材料としては、一定の剛性があり、量子干渉装置１０の動作温度において変形・溶解・腐食などしない材料であればよい。すなわち、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料などが挙げられるが、加工性や入射窓１７および出射窓１８との接合性を考慮すると、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。

中でも、シリコン材料を用いることがより好ましい。なぜなら、セル１１の幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さいセル１１を形成する場合であっても、エッチングなどの微細加工技術を用いて、高精度な胴体１２を容易に形成するとともに、セル１１の小型化を図ることができるからである。

次に、入射窓１７は、光源部１５から出射されてセル１１の内部空間１９へ入射するレーザー光２０が透過するものであり、出射窓１８は、セル１１の内部空間１９から出射し、出射光２２となるレーザー光２０が透過するものであり、それぞれ板状をなしている。従って、入射窓１７および出射窓１８を構成する材料としては、レーザー光２０に対する透過性を有していれば、特に限定されない。そのため、例えば、シリコン材料、ガラス材料、水晶などが挙げられるが、熱膨張などを考慮すると、胴体１２と同一の材料を用いることが好ましい。

特に、入射窓１７、出射窓１８をガラス材料で構成する場合、シリコン材料で構成されている胴体１２と、入射窓１７、出射窓１８とを陽極接合法により簡単に気密的に接合することができる。なお、入射窓１７、出射窓１８の厚さやレーザー光２０の強度によっては、入射窓１７、出射窓１８をシリコン材料で構成することもできる。

ここで、エッチングなどの微細加工技術を用いて金属原子２８が封入されているセル１１の製造方法の一例を説明する。まずシリコン材料を含むシリコン基板をエッチングして、テーパー形状に貫通孔を開けて胴体１２を形成する。次に、胴体１２の一方の開口部を封鎖するように、入射窓１７としてのガラス材料を含むガラス基板を接合し、胴体１２の内部に形成された内部空間１９に金属原子２８を入れる。

次に、同様に、胴体１２の他方の開口部を封鎖するように、出射窓１８としての別のガラス基板を接合することによって、セル１１の内部空間１９が気密空間となる。この場合の胴体１２と入射窓１７および出射窓１８との接合方法としては、先述した陽極接合法の他に、接着剤による接合方法、直接接合法などを用いることができる。そして、セル１１の外形寸法に合わせて、接合されたものをダイシング装置などを用いて切断することにより金属原子２８が封入されたセル１１が完成する。

また、金属原子２８の封入は、以下のように行ってもよい。胴体１２の一部に金属原子２８を導入するための導入孔（図示せず）を形成し、導入孔に通気管（図示せず）を接続し、真空ポンプ（図示せず）により、一定の真空度に減圧する。そして、金属原子２８を気化させた状態で、通気管からセル１１の内部空間１９に注入し、その後、導入孔を封じることにより行う。

あるいは、金属原子２８が気体で存在する雰囲気内で、胴体１２、入射窓１７、出射窓１８の接合を行ってもよいし、両端が開口しているガラス管に金属原子２８を入れて、両端を加熱して溶かすことによって封入してもよい。このような場合には、室温、および量子干渉装置１０の作動時のセル１１の温度において金属原子２８が析出しないように、金属原子２８の飽和蒸気圧を考慮して、金属原子２８の封入時の真空度、および温度を適切に調整する必要がある。

なお、セル１１の胴体１２の形状は、中空の円錐台形状であるとして述べてきたが、拡散光であるレーザー光２０がセル１１の内壁１４に当たらないように、レーザー光２０の照射方向に向かってレーザー光２０の光束に沿うようにテーパー形状に大きくなっている構成であればよい。

レーザー光２０の拡散光の照射方向と交わる断面が円形であるため、金属原子２８の発現効率を考慮すると、セル１１の胴体１２の形状は円錐台形状が最適であるが、円錐台形状に限定されず、例えば、断面が矩形の四角錐台形状、断面が六角形の六角錐台形状など、断面が多角形の多角錐台形状でもよいし、断面が楕円の楕円錐台形状でもよい。

また、本実施形態の量子干渉装置１０は、レーザー光２０の放射角度が１度以上９０度以下の範囲になるように構成されていることが好ましい。なぜなら、放射角度が１度より小さい場合には、セル１１の内部空間１９に封入されている金属原子２８のうち、レーザー光２０が照射されない金属原子２８が多くなる。従って、セル１１の内部空間１９の金属原子２８にレーザー光２０を満遍なく照射させようとすると、レーザー光２０の光軸２１に平行な方向において、セル１１が長くなってしまい、放射角度が９０度より大きい場合には、レーザー光２０をセル１１の内壁１４に当たらないように入射させることができなくなるからである。

上記の理由から、放射角度が１度以上９０度以下の範囲であれば、量子干渉装置１０を小型化することができるが、特に、量子干渉装置１０としてレーザー光２０の光軸２１に平行な方向、および光軸２１に垂直な面内方向の小型化を図る場合には、放射角度は１０度以上３０度以下で構成されていることが好ましい。放射角度が上記数値範囲内に設定されていれば、小型化が可能になる。

以上のことから、セル１１の内部空間１９に封入されている金属原子２８はセル１１の内部空間１９に均一に分布しているので、レーザー光２０が金属原子２８に照射される際に、セル１１の内壁１４がレーザー光２０の照射方向に向かって、レーザー光２０の放射角θに沿って放射状に広がっている胴体１２を有するセル１１の方が、レーザー光２０の光軸２１に平行な胴体を有するセルと比較して、より多く照射可能となる。

つまり、レーザー光２０の放射角θに沿って放射状に広がっている胴体１２を有するセル１１で量子干渉装置１０を構成することによって、セル１１の内部空間１９に封入されている金属原子２８に満遍なくレーザー光２０が照射される。従って、量子干渉装置１０の小型化が進んで、光軸２１上に凸レンズや凹レンズといった拡散光の光束を調整するレンズが配置されなくても、ＥＩＴ信号の強度、またはＳ／Ｎ比が低下することを低減できる。

（光源部）
次に、光源部１５は、２つの発振周波数（ω_1,ω₂）をもつレーザー光２０、つまりカップリング光とプローブ光とを同時に同一の方向に出射できるように構成されており、それぞれの周波数ごとに独立して変化させることができる。これにより、ひとつのセル１１の内部空間１９に封入されている金属原子２８に周波数の異なる２つのレーザー光２０を同時に照射し、レーザー光２０の周波数を制御して、ＥＩＴ信号を伴う光吸収を金属原子２８に行わせることができる。

光源部１５は、共鳴光を出射できるものであればよく、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）などの半導体レーザーを用いることができる。また、光源部１５は、温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子など）（図示せず）により、所定温度に温度調節される。

（受光部）
次に、受光部１６は、レーザー光２０の可変周波数領域において、セル１１の内部空間１９を透過して出射される出射光２２の強度を検出する光検出感度を有する周波数特性を持っていればよく、例えば、太陽電池、フォトダイオードなどの光検出器（受光素子）を用いることができる。

出射光２２は、レーザー光２０の照射方向に進行しながら放射状に広がるので、受光部１６の受光領域は、セル１１内部に入射するレーザー光２０の光の幅（光束）よりも大きくなっている。さらに、受光部１６は、出射光２２を漏らすことなく捉えられる距離範囲内にセル１１に近づけて配置されている。

（ヒーター）
ヒーター３１は、量子干渉装置１０を動作させる際に、セル１１内部の金属原子２８を所望濃度の気体の状態にして、ＥＩＴ現象が発生する適正温度に加熱している。ヒーター３１は、通電により発熱するものであり、例えば、セル１１の外表面上に設けられている発熱抵抗体で構成されている。このような発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着などの乾式メッキ法、ゾル・ゲル法などを用いて形成される。

この発熱抵抗体は、セル１１の入射窓１７または出射窓１８に設けられる場合には、共鳴光に対する透過性を有する材料、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、Ｉｎ₃Ｏ₃、ＳｎＯ₂、Ｓｂ含有ＳｎＯ₂、Ａｌ含有ＺｎＯなどの酸化物の透明電極材料で構成される。

ヒーター３１は、セル１１を加熱することができるものであれば、特に限定されず、セル１１に対して非接触であってもよい。また、ヒーター３１に代えて、または、ヒーター３１と併用して、ペルチェ素子を用いてセル１１を加熱してもよい。このようなヒーター３１は、配線（図示せず）を介して、後述する制御部４１の温度制御部４３に電気的に接続されて通電制御される。

（温度センサー）
温度センサー３２は、ヒーター３１またはセル１１の温度を検出するものである。そして、この温度センサー３２の検出結果に基づいて、ヒーター３１の発熱量が制御される。この制御によって、セル１１内部の金属原子２８を所望の温度に維持することができる。

温度センサー３２の設置位置は、例えば、ヒーター３１上であってもよいし、セル１１の外表面上であってもよい。温度センサー３２としては、サーミスタ、熱電対などの公知の各種温度センサーを用いることができる。温度センサー３２は、配線（図示せず）を介して、後述する制御部４１の温度制御部４３に電気的に接続されて通電制御される。

（コイル）
コイル３３は、通電することにより、セル１１の内部空間１９にレーザー光２０の光軸２１に平行な方向の磁場を発生させてゼーマン分裂が起こる。その結果、内部空間１９に存在する金属原子２８の縮退している異なるエネルギー準位間のギャップを拡げて分解能を向上させ、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。なお、コイル３３から発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。

コイル３３の設置位置は、例えば、ソレノイド型を構成するようにセル１１の胴体１２の外壁１３に沿って巻き付けられていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように一対のコイルをセル１１を介して対向させてもよい。コイル３３は、配線（図示せず）を介して、後述する制御部４１の磁場制御部４４に電気的に接続されている。これにより、コイル３３に通電を行うことができる。

（磁気シールド）
磁気シールド３６は、外形形状がブロック状をなす筐体で構成されており、上述のように、内部にセル１１、受光部１６、ヒーター３１、温度センサー３２、コイル３３を収容している。磁気シールド３６は磁気シールド性を有し、セル１１内部の金属原子２８を外部磁界から遮蔽している。これにより、磁気シールド３６内部において、コイル３３から発生する磁場を安定させられるので、量子干渉装置１０の出力の安定性向上を図ることができる。

磁気シールド３６の構成材料としては、磁気シールド性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、Ｆｅ、各種鉄系合金（ケイ素鉄、パーマロイ、アモルファス、センダスト、コバール）などの軟磁性材料が挙げられる。中でも、磁気シールド性が優れるという観点から、コバール、パーマロイなどのＦｅ‐Ｎｉ系合金を用いることができる。

さらに、磁気シールド３６からは、複数のリード（図示せず）が突出しており、これらは配線を介して受光部１６、ヒーター３１、温度センサー３２およびコイル３３に電気的に接続されている。また、各リードは、コネクターなどで配線基板と電気的に接続されている。このコネクターとしては、例えば、フレキシブル基板やソケット状をなすものを用いることができる。

（制御部）
制御部４１は、光源部１５の２つのレーザー光２０の周波数を制御する共鳴光制御部４２と、セル１１の内部空間１９に封入されている金属原子２８の温度を制御する温度制御部４３と、セル１１に印加する磁場を制御する磁場制御部４４と、を備えている。制御部４１は、以下に説明するように、ヒーター３１、コイル３３および光源部１５をそれぞれ制御しており、本実施形態では、ＩＣ（Integrated Circuit）チップで構成されている。

共鳴光制御部４２は、受光部１６の検出結果に基づいて、２つのレーザー光２０の周波数差（ω₁− ω₂）が金属原子２８の固有の周波数（特定の値）ω₀となるように、光源部１５から出射される２つのレーザー光２０の周波数（ω₁，ω₂）を制御する。共鳴光制御部４２の具体的な構成に関しては後述する。

温度制御部４３は、温度センサー３２の検出結果に基づいて、ヒーター３１への通電を制御することによって、セル１１を所望の温度範囲内に維持することができる。
また、磁場制御部４４は、コイル３３から発生する磁場が一定となるように、コイル３３への通電を制御する。

以上のことから、第１実施形態によれば、レーザー光２０の照射方向に向かって、セル１１の内壁１４がレーザー光２０の放射角θに沿って放射状に大きくなっていることによって、言い換えれば、光軸２１方向におけるセル１１の内壁１４の傾斜角ηを、レーザー光２０の放射角θと略同じにすることによって、セル１１の内部空間１９に封入されている金属原子２８に満遍なくレーザー光２０が照射される。

このような理由により、量子干渉装置１０の小型化が進んで、光軸２１上に凸レンズや凹レンズといった光束を調整するレンズが配置されなくても、セル１１の内部空間１９に封入されている金属原子２８が効率よく光を吸収し、セル１１の内部空間１９を無駄にすることなく、発現効率を向上させて、ＥＩＴ信号の強度、またはＳ／Ｎ比が低下することを低減できる。

さらに、セル１１の内壁１４の内幅がレーザー光２０の光束より若干大きい範囲で構成されていることから、内壁１４にレーザー光２０が当たり難く、内壁１４近傍の金属原子２８が照射されることを低減できる。その結果、ＥＩＴ信号の線幅が小さくなり、高品質かつ大きなＥＩＴ信号を得られるため、精度の高い小型化の量子干渉装置１０を得ることができる。

［量子干渉装置の原理］
次に、量子干渉装置１０の原理を説明する。
図３はアルカリ金属のエネルギー状態の説明図であり、図４は光源部１５から出射される２つの光の周波数差と受光部１６で検出される光の強度との関係を示すグラフである。

上述のように、量子干渉装置１０では、レーザー光２０が光源部１５からセル１１に向けて出射され、セル１１を透過した出射光２２を受光部１６が検出する。セル１１の内部空間１９には、金属原子２８が気体の状態で均一に封入されており、この金属原子２８は、図３に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態α，β）と、１つの共鳴状態と、の３つの状態をとり得る。なお、基底状態αは、基底状態βよりも低いエネルギー状態である。

光源部１５から出射されるレーザー光２０は、周波数の異なる２つの共鳴光１，２を含んでおり、この２つの共鳴光１，２を上述のような気体の状態の金属原子２８に照射すると、共鳴光１の周波数ω₁と共鳴光２の周波数ω₂との差（ω₁−ω₂）に応じて、共鳴光１，２の金属原子２８における光吸収率（光透過率）が変化する。

そして、共鳴光１の周波数ω₁と共鳴光２の周波数ω₂との差（ω₁−ω₂）が基底状態αと基底状態βとのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態α，βから共鳴状態への共鳴がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１，２は、いずれも、金属原子２８に吸収されずに透過する。このような現象を電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）と呼ぶ。

例えば、光源部１５が共鳴光１の周波数ω₁を固定し、共鳴光２の周波数ω₂を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω₁と共鳴光２の周波数ω₂との差（ω₁−ω₂）が基底状態αと基底状態βとのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、受光部１６の検出強度は、図４に示すように、急峻に上昇する。

このような急峻な信号をＥＩＴ信号として検出する。ＥＩＴ信号は、金属原子２８の種類によって決まった固有値をもっているので、このＥＩＴ信号を用いることにより、例えば、高精度な発振器や磁気センサーを構成することができる。

＜第２実施形態＞
本発明の第２実施形態に係る量子干渉装置１０ａを図５に沿って説明する。
図５は、第２実施形態に係る量子干渉装置１０ａの概略図である。第２実施形態に係る量子干渉装置１０ａは、上記第１実施形態の量子干渉装置１０と比較して、セル１１の胴体１２の形状が異なるものである。上記第１実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記第１実施形態と異なる部分を中心に説明する。

（セル）
図５に示すように、第２実施形態に係る量子干渉装置１０ａも、第１実施形態と同様に、セル１１ａと、光源部１５と、受光部１６と、を備えており、セル１１ａ内部に金属原子２８が封入されている内部空間１９を形成している。

第２実施形態に係る量子干渉装置１０ａのセル１１ａの胴体１２ａの内壁１４ａは、第１実施形態と同様に、レーザー光２０の照射方向において、レーザー光２０の放射角θと略同じ傾斜角ηを有してテーパー形状に広がっている。一方、セル１１ａの胴体１２ａの外壁１３ａは光軸２１に平行になっているので、セル１１ａの外形は円筒形状になっている。つまり、セル１１ａは、光源部１５側の胴体１２ａの肉厚が、光源部１５側とは反対側（以下、受光部１６側と言う）の胴体１２ａの肉厚より厚くなっている。

なお、内壁１４ａは、拡散光であるレーザー光２０がセル１１ａの内壁１４ａに当たらない構成であれば円錐台形状に限定されず、例えば、断面が矩形の四角錐形状、断面が六角形の六角錐形状など、断面が多角形の多角錐形状でもよいし、断面が楕円の楕円錐形状でもよい。一方、外壁１３ａも、図５で示した円筒形状に限定されず、多角柱形状、楕円形状、またはそれらを組み合わせたものでもよく、内壁１４ａに関係なく自由に選択可能である。

以上のことから、第２実施形態に係る量子干渉装置１０ａによれば、第１実施形態での効果に加えて以下の効果を得ることができる。
レーザー光２０の照射方向において、セル１１ａの胴体１２ａの外壁１３ａを光軸２１と平行に延出することによって、セル１１ａの胴体１２ａを他の構造物にしっかりと固定しやすくなる。その結果、セル１１ａの位置決め精度が向上し、長期的にレーザー光２０の照射方向、または光軸２１を安定させることができる。

さらに、受光部１６側のセル１１ａの肉厚が、光源部１５側のセルの肉厚と比較して小さいので放熱性がよく、温度が周囲よりも低くなっている。そのため、冷却効率がよく、セル１１ａ内部の気体の状態の金属原子２８の固化が、セル１１ａの受光部１６側に集中して起こるようになる。従って、セル１１ａの不特定な部位に金属原子２８の固化が発生する場合と比べて、セル１１ａの温度分布が安定して保持される。従って、周波数の安定度の向上が期待でき、長期信頼性の向上にも貢献できる。

＜変形例１＞
図６を用いて、第２実施形態の変形例１に係る量子干渉装置１０ｂについて説明する。図６は、第２実施形態の変形例１に係る量子干渉装置１０ｂの概略図である。なお、変形例１に係る量子干渉装置１０ｂは、上記第２実施形態の量子干渉装置１０ａとは、セル１１ａの胴体１２ａの内壁１４ａの形状が異なるものである。上記第１実施形態、または第２実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。

（セル）
図６に示すように、変形例１に係る量子干渉装置１０ｂも、第２実施形態と同様に、セル１１ｂの胴体１２ｂの内壁１４ｂがレーザー光２０の照射方向に沿って大きくなっており、胴体１２ｂの外壁１３ｂは光軸２１に平行に延出している。つまり、胴体１２ｂの内壁１４ｂはレーザー光２０の放射角θに沿って広がっており、外壁１３ｂは光軸２１に平行になっている。

変形例１に係る量子干渉装置１０ｂは、第２実施形態と異なり、セル１１ｂの内壁１４ｂがレーザー光２０の照射方向に沿って段差形状を有している。図６では、入射窓１７から出射窓１８まで、４段階で徐々に広がっている図を示しているが、２段階、３段階でもよいし、５段階以上で広がっていてもよい。また、テーパー形状と組み合わせながら広がっていてもよい。

このような構成にすることによって、セル１１ｂの内壁１４ｂを製作することが容易になるため、セル１１ｂの低コスト化を図ることが可能になる。従って、量子干渉装置１０ｂを製作する時間が短縮されることによって、コスト削減に貢献できる。なお、第２実施形態の変形例１の特徴であるセル１１ｂの内壁１４ｂがレーザー光２０の照射方向に沿って段差形状を有していることは、第１実施形態にも適用することが可能である。

＜変形例２＞
図７を用いて、第２実施形態の変形例２に係る量子干渉装置１０ｃについて説明する。図７は、第２実施形態の変形例２に係る量子干渉装置１０ｃの概略図である。なお、変形例２に係る量子干渉装置１０ｃは、上記第２実施形態の量子干渉装置１０ａとは、セル１１ａの胴体１２ａの形状が異なるものである。上記第１実施形態、または第２実施形態との共通部分については、同一符号を付して説明を省略し、上記第２実施形態と異なる部分を中心に説明する。

（セル）
図７に示すように、変形例２に係る量子干渉装置１０ｃも、第２実施形態と同様に、セル１１ｃの胴体１２ｃの内壁１４ｃがレーザー光２０の照射方向に向かってレーザー光２０の放射角θと略同じ傾斜角ηを有してテーパー形状に広がっており、一方、セル１１ｃの胴体１２ｃの外壁１３ｃは光軸２１に平行になっているので、セル１１ｃの外形は円筒形状になっている。つまり、セル１１ｃは、光源部１５側の胴体１２ｃの肉厚が、受光部１６側の胴体１２ｃの肉厚より厚くなっている。

さらに、変形例２に係る量子干渉装置１０ｃは、第２実施形態と異なり、セル１１ｃ内部の受光部１６側の端部の、重力がはたらく方向における下部に、金属原子２８を溜める金属溜り部２９が設けられている。上述のように、受光部１６側は胴体１２の肉厚が小さいことから、光源部１５側と比べて放熱性がよく、温度が周囲よりも低くなっている。

セル１１ｃ内部の金属原子２８は、その全てが気体の状態で存在するのではなく、一部が余剰分として、セル１１ｃの温度の低い部分に析出（結露）することにより液体となる。そのため、セル１１ｃ内部の気体の状態の金属原子２８の固化が金属溜り部２９で集中して起こるようになり、金属原子２８を金属溜り部２９に効率よく集めることができる。

つまり、金属溜り部２９が設けられていない場合と比べて、固化した金属原子２８の量を視覚的に容易に分かる。その結果、セル１１ｃ内部に気体の状態で封入されている金属の濃度が低下しているといった状況が分かるので、量子干渉装置１０ｃの保守・点検が必要なタイミングが把握できる。

さらに、長い年月が経つとセシウム（Ｃｓ）がセル１１ｃに吸収されて、セル１１ｃ内部のセシウム（Ｃｓ）濃度が徐々に低下してしまうことがあるが、変形例２に係る量子干渉装置１０ｃによれば、セル１１ｃ内部の一部に金属溜り部２９が設けられているので、この金属溜り部２９に液体または固体としてセシウム（Ｃｓ）を追加補充しておくことによって、セシウム（Ｃｓ）の濃度が低下することを低減できる。従って、量子干渉装置１０ｃの保守・点検をせずに、長期に亘る使用が可能となる。

［原子発振器］
図８は、第１実施形態に係る量子干渉装置１０を有する原子発振器１００の全体構成図である。図２、および図８に沿って、量子干渉装置１０を有する原子発振器１００の全体構成について具体的に説明する。

図８に示すように、原子発振器１００は、中心周波数制御手段１１０、半導体レーザー１２０、原子セル１３０、磁場発生手段１４０、光検出器１５０、増幅器１６０、検波手段１７０、変調手段１８０、発振器１９０、検波手段２００、発振器２１０、変調手段２２０、発振器２３０、周波数変換手段２４０、検波手段２５０、発振器２６０、変調手段２７０、発振器２８０、変調手段２９０を含んで構成されている。

なお、図８の半導体レーザー１２０、原子セル１３０、磁場発生手段１４０、光検出器１５０は、それぞれ図１、または図２の光源部１５、セル１１、コイル３３、受光部１６に対応する。また、中心周波数制御手段１１０、増幅器１６０、検波手段１７０、変調手段１８０、発振器１９０、検波手段２００、発振器２１０、変調手段２２０、発振器２３０、周波数変換手段２４０、検波手段２５０、発振器２６０、変調手段２７０、発振器２８０、変調手段２９０で構成される回路は、図１の共鳴光制御部４２に対応する。

図２を用いて先述したように、半導体レーザー１２０（光源部１５）は、原子セル１３０（セル１１）に封入されている金属原子２８が効率よくＥＩＴ現象を起こすように周波数の異なる２つのレーザー光２０を出射し、金属原子２８に照射する。

例えば、中心周波数制御手段１１０として、半導体レーザー１２０に駆動電流を供給するレーザー・ダイオード・ドライバーを用いた場合、その駆動電流に変調手段２９０が出力する交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１２０が出射するレーザー光２０に変調をかけることができる。そして、変調成分に相当する光が金属原子２８に対する共鳴光１、または共鳴光２になるように変調手段２９０の出力がフィードバック制御される。

光検出器１５０は、原子セル１３０を透過した光を検出し、検出した光の量に応じた強度の信号を出力する。光検出器１５０の出力信号は増幅器１６０で増幅され、検波手段１７０、検波手段２００および検波手段２５０に入力される。

検波手段１７０は、発振器１９０の発振信号によって増幅器１６０の出力信号を同期検波する。変調手段１８０は、発振器１９０の発振信号によって検波手段１７０の出力信号を変調する。発振器１９０は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振させればよい。

そして、中心周波数制御手段１１０は、変調手段１８０の出力信号に応じて、半導体レーザー１２０が出射するレーザー光２０の中心周波数を制御する。半導体レーザー１２０、原子セル１３０、光検出器１５０、増幅器１６０、検波手段１７０、変調手段１８０、および中心周波数制御手段１１０を通るフィードバックループにより中心周波数が安定する。

次に、検波手段２００は、発振器２３０の発振信号によって増幅器１６０の出力信号を同期検波する。発振器２１０は、検波手段２００の出力信号の大きさに応じて、発振周波数が変化する発振器であり、例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）により実現することができる。ここで、発振器２１０は、例えば、１０ＭＨｚ程度で発振し、この発振信号が原子発振器１００の出力信号となる。

変調手段２２０は、発振器２３０の発振信号によって発振器２１０の出力信号を変調する。発振器２３０は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振させればよい。

周波数変換手段２４０は、変調手段２２０の出力信号を、原子セル１３０に封入された磁気量子数ｍ＝０の金属原子２８の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差の１／２（セシウム原子の場合は９．１９２６ＧＨｚ／２＝４．５９６３ＧＨｚ）に等しい周波数の信号に変換する。周波数変換手段２４０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。

なお、周波数変換手段２４０は、変調手段２２０の出力信号を、原子セル１３０に封入された磁気量子数ｍ＝０の金属原子２８の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差（セシウム原子の場合は９．１９２６ＧＨｚ）に等しい周波数の信号に変換するようにしてもよい。

次に、検波手段２５０は、発振器２８０の発振信号によって増幅器１６０の出力信号を同期検波する。発振器２６０は、検波手段２５０の出力信号の大きさに応じて、発振周波数が変化する発振器であり、例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）により実現することができる。ここで、発振器２６０は、原子セル１３０に封入された金属原子２８の励起準位のドップラー拡がりの幅に相当する周波数に対して十分小さい周波数Δω（例えば、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚ程度）で発振する。

変調手段２７０は、発振器２８０の発振信号によって発振器２６０の出力信号を変調する。発振器２８０は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振させればよい。

変調手段２９０は、変調手段２７０の出力信号によって周波数変換手段２４０の出力信号を変調する（周波数変換手段２４０の出力信号によって変調手段２７０の出力信号を変調させてもよい）。変調手段２９０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）回路などにより実現することができる。そして、半導体レーザー１２０が出射するレーザー光２０は、変調手段２９０の出力に基づいて変調がかけられ、共鳴光１と共鳴光２とが生成される。

このような構成の原子発振器１００において、半導体レーザー１２０が出射する、共鳴光１と共鳴光２との周波数差が、原子セル１３０に封入されている金属原子２８の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、金属原子２８がＥＩＴ現象を起こさないため、共鳴光１と共鳴光２との周波数に応じて、光検出器１５０の検出量は極めて敏感に変化する。

そのため、半導体レーザー１２０、原子セル１３０、光検出器１５０、増幅器１６０、検波手段２００、発振器２１０、変調手段２２０、周波数変換手段２４０、および変調手段２９０を通るフィードバックループにより、周波数変換手段２４０の出力信号の周波数が、磁気量子数ｍ＝０の金属原子２８の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差の１／２に等しい周波数と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。
従って、このフィードバックループ内に存在する発振器２１０も極めて安定した発振周波数で発振することになり、原子発振器１００の出力信号の周波数精度を高くすることができる。

また、原子セル１３０にかかる磁場の強度は、地磁場の影響や温度変化の影響を受けて変化するが、本実施形態によれば、地磁場の影響や温度変化の影響も加味してフィードバック制御がかかる。従って、外乱の影響をキャンセルしてより高精度な原子発振器１００を提供することができる。

以上のことから、原子発振器１００が本実施形態の量子干渉装置１０を有することにより、セル１１の容積を増やさずにＥＩＴ発現効率を大幅に向上させることができる。その結果、ＥＩＴ信号のピークがより高く急峻になり、極めて安定した周波数安定度で発振を維持することができる原子発振器１００を実現することができる。

また、本実施形態の原子発振器１００によれば、原子発振器１００の小型化が進んで、共鳴光の光軸２１上に凸レンズや凹レンズといった光束を調整するレンズが配置されなくても、セル１１（原子セル１３０）の内部空間１９に封入されている金属原子２８が効率よく光を吸収し、セル１１の内部空間１９を無駄にすることなく、発現効率を向上させて、ＥＩＴ信号の強度、またはＳ／Ｎ比が低下することを低減できる。従って、コストダウンや小型化に有利である。

１，２…共鳴光、１０…量子干渉装置、１１…セル、１２…胴体、１３…外壁、１４…内壁、１５…光源部、１６…受光部、１７…入射窓、１８…出射窓、１９…内部空間、２０…レーザー光、２１…光軸、２２…出射光、２８…金属原子、２９…金属溜り部、３１…ヒーター、３２…温度センサー、３３…コイル、３６…磁気シールド、４１…制御部、４２…共鳴光制御部、４３…温度制御部、４４…磁場制御部、１００…原子発振器、１１０…中心周波数制御手段、１２０…半導体レーザー、１３０…原子セル、１４０…磁場発生手段、１５０…光検出器、１６０…増幅器、１７０…検波手段、１８０…変調手段、１９０…発振器、２００…検波手段、２１０…発振器、２２０…変調手段、２３０…発振器、２４０…周波数変換手段、２５０…検波手段、２６０…発振器、２７０…変調手段、２８０…発振器、２９０…変調手段、θ…放射角、η…傾斜角。

Claims (8)

1. 金属を封入しているセルと、
   前記セル内部に放射角を有する光を照射する光源部と、を備え、
   前記光の照射方向と交わる断面の前記セルの内幅が、前記照射方向に向かって大きくなっていることを特徴とする量子干渉装置。
2. 前記放射角が１度以上９０度以下の範囲内にあることを特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
3. 前記セルの肉厚が、前記照射方向に向かって大きくなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の量子干渉装置。
4. 金属を溜める金属溜り部が、前記セルの前記光源部側の端部とは反対側の端部寄りに設けられていることを特徴とする請求項３に記載の量子干渉装置。
5. 前記セル内部の内壁が、前記光の照射方向に向かって広がるテーパー形状を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
6. 前記セル内部の内壁が、前記光の照射方向に沿って段差形状を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
7. 前記セルに入射する光の幅よりも受光領域が大きい受光部を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか一項に記載の量子干渉装置を有することを特徴とする原子発振器。

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