(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の共鳴光と第２の共鳴光からなる共鳴光対によって、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、
周波数がΔωずつ異なる複数の前記第１の共鳴光と、周波数がΔωずつ異なる複数の前記第２の共鳴光と、を発生させる光源と、
前記アルカリ金属原子に磁場を与える磁場発生手段と、
前記アルカリ金属原子を透過した前記第１の共鳴光及び前記第２の共鳴光を含む光の強度を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、所定の前記第１の共鳴光と所定の前記第２の共鳴光の周波数差が前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差に等しくなるように制御する制御手段と、を含み、
前記制御手段は、
さらに、磁場によるエネルギー分裂によって、前記アルカリ金属原子の前記２つの基底準位の各々に発生した複数のゼーマン分裂準位のうち磁気量子数が互いに１だけ異なる２つの前記ゼーマン分裂準位のエネルギー差に相当する周波数δに対して、２×δ×ｎ＝Δω及びΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の少なくとも一方を満足するように、前記周波数Δω及び前記磁場発生手段が発生する磁場の強度の少なくとも一方を制御する、量子干渉装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御手段は、
前記光検出手段の検出結果に基づいて前記周波数Δωを制御する、量子干渉装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記制御手段は、
前記アルカリ金属原子の近傍の磁場の強度に基づいて前記周波数Δωを制御する、量子干渉装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記制御手段は、
あらかじめ決められた前記周波数Δωに応じて、前記磁場発生手段が発生する磁場の強度を制御する磁場制御手段を含む、量子干渉装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
ｎ＝１である、量子干渉装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の量子干渉装置を含む、原子発振器。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれかに記載の量子干渉装置を含む、磁気センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子干渉装置、原子発振器及び磁気センサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）方式（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、アルカリ金属原子に波長（周波数）の異なる２つの共鳴光を同時に照射すると、２つの共鳴光の吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。アルカリ金属原子と２つの共鳴光との相互作用機構は、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数）を有する共鳴光１、あるいは基底準位２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数）を有する共鳴光２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、良く知られているように光吸収が起きる。ところが、このアルカリ金属原子に、周波数差が基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致する共鳴光１と共鳴光２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して共鳴光１と共鳴光２がアルカリ金属原子を透過する透明化（ＥＩＴ）現象が起きる。この現象を利用し、共鳴光１と共鳴光２との周波数差が基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出、制御することで、高精度な発振器をつくることができる。また、基底準位１と基底準位２のエネルギー差は外部磁気の強さやゆらぎで敏感に変化するので、ＥＩＴ現象を利用して高感度な磁気センサーをつくることもできる。
【０００３】
ところで、これらの原子発振器や磁気センサーにおいて、出力信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）を向上させるには、ＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数を増やしてやればよい。例えば、特許文献１では、原子発振器の出力信号のＳ／Ｎ比を良くすることを目的として、気体状のアルカリ金属原子を閉じ込めたセルの厚みを大きくしたり、或いはセルに入射するレーザー光のビーム径を大きくするといった方法が開示されている。いずれの方法も、アルカリ金属原子が共鳴光に接触する領域を広くするためにセルの厚みか高さを大きくしている。また、特許文献２では、光源としてＤ１線を使うことにより、従来のＤ２線の場合より理論上ＥＩＴ信号（ＥＩＴ現象によりアルカリ金属原子を透過する光の信号）の強度を向上し、これにより感度・周波数安定精度を向上させる原子発振器が提案されている。特許文献１や特許文献２に記載された原子発振器では、ＥＩＴ現象の発現条件を満たす２種類の波長のレーザー光を１対のみ用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−９６４１０号公報
【特許文献２】米国特許第６９８２９１８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セル内の気体状のアルカリ金属原子の集団を構成する個々の原子に着目すると、それぞれの運動状態に応じた一定の速度分布を持っている。図１５は、容器に閉じ込められた気体状のアルカリ金属原子集団の速度分布の概略図を示したものである。図１５の横軸は気体状のアルカリ金属原子の速度を、縦軸はその速度を有する気体状のアルカリ金属原子の数の割合を示している。図１５に示すように、速度０を中心として気体状のアルカリ金属原子は温度に応じた一定の速度分布を持つ。ここで、速度とは、レーザー光を気体状のアルカリ金属原子集団に照射した時の、照射方向に平行な原子速度成分を表し、光源に対し相対的に静止している速度の値を０としている。このように、気体状のアルカリ金属原子の速度に分布があると、光のドップラー効果（ドップラーシフト）により共鳴光の見かけ上の波長（周波数）、すなわち気体状のアルカリ金属原子から見た共鳴光の波長（周波数）に分布を生じる。これは、速度の異なる原子では励起準位が見かけ上異なることを意味するので、図１６に示すように、励起準位が一定の幅の拡がり（ドップラー拡がり）を持つことになる。従って、１対の共鳴光１と共鳴光２を同時に照射しても、実際にＥＩＴ現象を起こすことができるのはレーザーの入射方向に対する特定の速度成分の値（例えば０）を持ったごく一部の原子に限られてしまい、ＥＩＴ現象を起こさずに残ってしまう気体状のアルカリ金属原子が集団の中で相当数存在することになり、ＥＩＴ発現に寄与する原子の割合が極めて低い。このように、ＥＩＴ発現効率が低い状態において、ＥＩＴ信号の強度を大きくするためには、特許文献１に開示されているように、セルの厚みか或いは高さの何れかを大きくしなければならず、小型化することが困難であるという問題があった。また、ＥＩＴ発現効率が低い状態ではレーザーパワーの利用効率が低くなるため、ＥＩＴ信号の強度を一定レベル以上に保持するためにはレーザーパワーを低減させるのが難しいため、省電力化にも不利である。
【０００６】
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、アルカリ金属原子に対するＥＩＴ現象の発現効率を高めることにより、レーザーパワーの利用効率を向上させることができる量子干渉装置を提供し、これを利用することで小型の原子発振器、あるいは磁気センサーを提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明は、第１の共鳴光と第２の共鳴光からなる共鳴光対によって、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、周波数がΔωずつ異なる複数の前記第１の共鳴光と、周波数がΔωずつ異なる複数の前記第２の共鳴光と、を発生させる光源と、前記アルカリ金属原子に磁場を与える磁場発生手段と、前記アルカリ金属原子を透過した前記第１の共鳴光及び前記第２の共鳴光を含む光の強度を検出する光検出手段と、前記光検出手段の検出結果に基づいて、所定の前記第１の共鳴光と所定の前記第２の共鳴光の周波数差が前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差に等しくなるように制御する制御手段と、を含み、前記制御手段は、さらに、磁場によるエネルギー分裂によって、前記アルカリ金属原子の前記２つの基底準位の各々に発生した複数のゼーマン分裂準位のうち磁気量子数が互いに１だけ異なる２つの前記ゼーマン分裂準位のエネルギー差に相当する周波数δに対して、２×δ×ｎ＝Δω及びΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の少なくとも一方を満足するように、前記周波数Δω及び前記磁場発生手段が発生する磁場の強度の少なくとも一方を制御する。
【０００８】
本発明では、所定の第１の共鳴光と所定の第２の共鳴光の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差に等しくなるように、周波数がΔωずつ異なる複数の共鳴光１と周波数がΔωずつ異なる複数の共鳴光２を発生させる。従って、第１の共鳴光の周波数をｆ１、第２の共鳴光の周波数をｆ２、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に対応する周波数をｆＥとした時、ｆ１＝ω１の共鳴光１とｆ２＝ω２の共鳴光２に対して、ｆ１−ｆ２＝ｆＥの関係が満たされれば、ｆ１＝ω１＋ｋ×Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２＋ｋ×Δωの共鳴光２（ｋは正の整数）に対してもｆ１−ｆ２＝ｆＥの関係が満たされるし、ｆ１＝ω１−ｋ×Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２１−ｋ×Δωの共鳴光２（ｋは正の整数）に対してもｆ１−ｆ２＝ｆＥの関係が満たされる。そのため、速度が０でないアルカリ金属原子もＥＩＴ現象を起こすことができるようになり、ＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数の割合を従来よりも増やすことができる。
【０００９】
さらに、本発明では、２×δ×ｎ＝Δω及びΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の少なくとも一方が満足されるように制御がかかるので、磁気量子数が０以外のアルカリ金属原子もＥＩＴ現象を起こすことができるようになり、ＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数の割合を従来よりも大幅に増やすことができる。
【００１０】
従って、本発明によれば、アルカリ金属原子に対するＥＩＴ現象の発現効率を高めることにより、レーザーパワーの利用効率を向上させることができる量子干渉装置を提供することができる。
【００１１】
（２）この量子干渉装置において、前記制御手段は、前記光検出手段の検出結果に基づいて前記周波数Δωを制御するようにしてもよい。
【００１２】
例えば、前記制御手段は、前記光検出手段の検出結果が最大となるように、前記周波数Δωをフィードバック制御するようにしてもよい。
【００１３】
（３）この量子干渉装置において、前記制御手段は、前記アルカリ金属原子の近傍の磁場の強度に基づいて前記周波数Δωを制御するようにしてもよい。
【００１４】
例えば、前記制御手段は、前記アルカリ金属原子の近傍の磁場の強度を検出する磁場検出手段を含み、前記磁場検出手段の検出結果に基づいて、前記周波数Δωを制御するようにしてもよい。
【００１５】
また、例えば、前記制御手段は、前記磁場発生手段があらかじめ決められた強度の磁場を発生するように制御する磁場制御手段を含み、当該あらかじめ決められた磁場の強度に応じて、前記周波数Δωを制御するようにしてもよい。
【００１６】
（４）この量子干渉装置において、前記制御手段は、あらかじめ決められた前記周波数Δωに応じて、前記磁場発生手段が発生する磁場の強度を制御する磁場制御手段を含むようにしてもよい。
【００１７】
（５）この量子干渉装置において、ｎ＝１であるようにしてもよい。すなわち、前記制御手段は、Δω＝２δの関係を満たすように制御してもよい。
【００１８】
このようにすれば、アルカリ金属原子に対するＥＩＴ現象の発現効率を最大限に高めることができるのでレーザーパワーの利用効率を最大限まで引き出すことができる。
【００１９】
（６）本発明は、上記のいずれかの量子干渉装置を含む、原子発振器である。
【００２０】
（７）本発明は、上記のいずれかの量子干渉装置を含む、磁気センサーである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本実施形態の量子干渉装置の機能ブロック図。
【図２】第１実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図３】セシウム原子のゼーマン分裂した基底準位と共鳴光の関係について説明するための図。
【図４】本実施形態における半導体レーザーが出射するレーザー光の周波数スペクトラムの一例を示す図。
【図５】セシウム原子がＥＩＴ現象を起こす２つの共鳴光の組み合わせの一例について説明するための図。
【図６】セシウム原子がＥＩＴ現象を起こす２つの共鳴光の組み合わせの一例を示す図。
【図７】セシウム原子がＥＩＴ現象を起こす２つの共鳴光の組み合わせの他の一例を示す図。
【図８】セシウム原子がＥＩＴ現象を起こす２つの共鳴光の組み合わせの他の一例を示す図。
【図９】第２実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１０】第２実施形態の原子発振器の変形例の構成を示す図。
【図１１】第３実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１２】第３実施形態の原子発振器の変形例の構成を示す図。
【図１３】第１実施形態の磁気センサーの構成を示す図。
【図１４】第２実施形態の磁気センサーの構成を示す図。
【図１５】気体状のアルカリ金属原子集団の速度分布の概略図。
【図１６】アルカリ金属原子の運動によるドップラー効果を考慮したエネルギー準位を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
【００２３】
１．量子干渉装置
図１は、本実施形態の量子干渉装置の機能ブロック図である。
【００２４】
本実施形態の量子干渉装置１は、光源１０、原子セル２０、磁場発生手段３０、光検出手段４０及び制御手段５０を含んで構成されている。
【００２５】
光源１０は、周波数がΔωずつ異なる複数の第１の共鳴光（共鳴光１）と、周波数がΔωずつ異なる複数の第２の共鳴光（共鳴光２）と、を発生させる。
【００２６】
原子セル２０には気体状のアルカリ金属原子が含まれており、磁場発生手段３０によりアルカリ金属原子に磁場が与えられる。
【００２７】
光検出手段４０は、アルカリ金属原子を透過した共鳴光１及び共鳴光２を含む光の強度を検出する。
【００２８】
制御手段５０は、光検出手段４０の検出結果に基づいて、所定の第１の共鳴光と所定の第２の共鳴光の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差に等しくなるように制御する。制御手段５０は、さらに、磁場によるエネルギー分裂によって、アルカリ金属原子の２つの基底準位の各々に発生した複数のゼーマン分裂準位のうち磁気量子数が互いに１だけ異なる２つのゼーマン分裂準位のエネルギー差に相当する周波数δに対して、２×δ×ｎ＝Δω及びΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の少なくとも一方を満足するように、周波数Δω及び磁場発生手段が発生する磁場の強度の少なくとも一方を制御する。ただし、制御手段５０は、ＥＩＴ信号の強度を最大にするために、ｎ＝１、すなわちΔω＝２δの関係を満足するように制御するのが望ましい。
【００２９】
また、制御手段５０は、あらかじめ決められた周波数Δωに応じて、磁場発生手段３０が発生する磁場の強度を制御する磁場制御手段５２を含むようにしてもよい。
【００３０】
また、制御手段５０は、光検出手段４０の検出結果に基づいて前記周波数Δωを制御するするようにしてもよい。例えば、制御手段５０は、光検出手段４０の検出結果が最大となるように、周波数Δωをフィードバック制御するようにしてもよい。
【００３１】
また、制御手段５０は、アルカリ金属原子の近傍の磁場の強度に基づいて周波数Δωを制御するようにしてもよい。例えば、制御手段５０は、アルカリ金属原子の近傍の磁場の強度を検出する磁場検出手段５４を含み、磁場検出手段５４の検出結果に基づいて、周波数Δωを制御するようにしてもよい。また、例えば、制御手段５０は、磁場制御手段５２により、磁場発生手段３０があらかじめ決められた強度の磁場を発生するように制御し、当該あらかじめ決められた磁場の強度に応じて、周波数Δωを制御するようにしてもよい。
【００３２】
以下、本実施形態の量子干渉装置を用いた原子発振器と磁気センサーを例にとり、より具体的な構成について説明する。
【００３３】
２．原子発振器
（１）第１実施形態
図２は、図１の量子干渉装置１を用いた第１実施形態の原子発振器の構成を示す図である。
【００３４】
図２に示すように、第１実施形態の原子発振器１００は、中心波長制御手段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。
【００３５】
原子セル１３０は、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）が封入されたものである。そして、本実施形態では、原子セル１３０には磁場発生手段１４０（例えば、コイル）によって磁場がかけられている。そのため、アルカリ金属原子の２つの基底準位は、磁場によるエネルギー分裂（ゼーマン分裂）によって、磁気量子数ｍが異なる複数の準位（ゼーマン分裂準位）に分かれている。ここで、ゼーマン分裂準位の数はアルカリ金属原子の種類によって異なることが知られている。例えば、セシウム原子の場合、図３に示すように、基底準位１は、エネルギーが高い順に磁気量子数ｍ＝−３，−２，−１，０，＋１，＋２，＋３の７つのゼーマン分裂準位に分かれる。一方、基底準位２は、エネルギーが高い順に磁気量子数ｍ＝＋４，＋３，＋２，＋１，０，−１，−２，−３，−４の９つのゼーマン分裂準位に分かれる。ここで、基底準位１、基底準位２ともに、磁気量子数ｍが互いに１だけ異なる２つのゼーマン分裂準位のエネルギー差Ｅδは等しい。そして、エネルギー差Ｅδは磁場の強度に応じて変化する。すなわち、磁場の強度が大きいほどエネルギー差Ｅδが大きくなる。なお、以下の説明において、Ｅδに相当する周波数をδとする。
【００３６】
この原子セル１３０に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差を有する共鳴光対（共鳴光１、共鳴光２）が同時に照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。なお、以下の説明において、共鳴光１、共鳴光２の周波数をそれぞれｆ１、ｆ２とする。
【００３７】
図３は、基底準位１と基底準位２の磁気量子数が等しい時（共通のｍ）にΛ型３準位系が成立する場合を示した例である。磁気量子数ｍ＝０のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、磁気量子数ｍ＝＋１のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚ＋２δなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋２δの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、磁気量子数ｍ＝−１のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚ−２δなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−２δの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。同様に、磁気量子数ｍ＝＋２，＋３，−２，−３の各セシウム原子は、それぞれｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋４δ，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋６δ，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−４δ，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−６δの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。なお、磁気量子数ｍ＝＋４又は−４のセシウム原子は、基底準位１が存在しないためＥＩＴ現象を起こさない。
【００３８】
本実施形態では、半導体レーザー１２０は、原子セル１３０に封入されたアルカリ金属原子が効率よくＥＩＴ現象を起こすように複数の共鳴光対を含むレーザー光を出射し、アルカリ金属原子に照射する。具体的には、半導体レーザー１２０が出射するレーザー光は、中心波長制御手段１１０の出力に基づいて中心波長λ０が制御されるとともに、変調手段２９０の出力に基づいて変調がかけられる。例えば、中心波長制御手段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に変調をかけることができる。そして、本実施形態では、後述するように、変調成分に相当する光がアルカリ金属原子に対する共鳴光１又は共鳴光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。
【００３９】
なお、半導体レーザー１２０は、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）であってもよいし、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーであってもよい。
【００４０】
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信号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及び検波手段２５０に入力される。
【００４１】
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、中心波長制御手段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の中心波長λ０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及び中心波長制御手段１１０を通るフィードバックループにより中心波長λ０が安定する。
【００４２】
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。
【００４３】
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のアルカリ金属原子の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、後述するように、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のアルカリ金属原子の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。
【００４４】
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に封入されたアルカリ金属原子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。
【００４５】
変調器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）回路等により実現することができる。そして、前述したように、半導体レーザー１２０が出射するレーザー光は、変調手段２９０の出力に基づいて変調がかけられ、複数の共鳴光１と共鳴光２が生成される。
【００４６】
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の周波数差が原子セルに封入されたアルカリ金属原子の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、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、共鳴光１と共鳴光２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及び変調手段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のアルカリ金属原子の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に等しい周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、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極めて高くすることができる。
【００４７】
ただし、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のアルカリ金属原子の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に等しい周波数と極めて正確に一致しても、後述するように、少なくとも２×δ×ｎ＝Δω又はΔω×ｎ＝２×δ（ｎ＝１が望ましい）の関係が満たされなければ、ＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の割合が極めて低くなり、その結果、ＥＩＴ信号の信号強度も低くなる。そこで、本実施形態の原子発振器１００では、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２５０、発振器２６０、変調手段２７０及び変調手段２９０を通るフィードバックループにより、発振器２６０の発振周波数Δωが２×δ×ｎ＝Δω又はΔω×ｎ＝２×δ（ｎ＝１が望ましい）の関係を満たすようにフィードバック制御がかかるようになっている。
【００４８】
なお、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の光源１０、原子セル２０、磁場発生手段３０、光検出手段４０に対応する。また、中心波長制御手段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の制御手段５０に対応する。
【００４９】
次に、半導体レーザー１２０が出射するレーザー光の周波数について詳しく説明する。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、半導体レーザー１２０が出射するレーザー光の周波数スペクトラムの一例を示す図である。
【００５０】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、半導体レーザー１２０が出射するレーザー光は変調がかかっており、中心周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度）を中心とする中心周波数帯と当該中心周波数帯の両側に側波帯（サイドバンド）を有する。そして、中心周波数帯、上側の側波帯、下側の側波帯にはΔωずつ異なる複数の周波数成分が含まれる。なお、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）では、便宜上、中心周波数帯、上側の側波帯、下側の側波帯にそれぞれ５つの周波数成分（中心の周波数成分とその両側の１次と２次の高調波成分）しか含まれていないものとしているが、実際には３次以上の高調波成分も含まれている。
【００５１】
図４（Ａ）の例では、上側側波帯の中心と中心周波数帯の中心の周波数差および中心周波数帯の中心と下側側波帯の中心の周波数差がともに４．５９６３ＧＨｚである。そのため、上側側波帯の中心（ω１）と下側側波帯の中心（ω２）の周波数差（ω１−ω２）が、磁気量子数ｍ＝０のセシウム原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差である９．１９２６ＧＨｚと一致している。従って、レーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）を所望の値に設定すれば、上側側波帯に含まれる各周波数成分がそれぞれ共鳴光１になり、下側側波帯に含まれる各周波数成分がそれぞれ共鳴光２になる。
【００５２】
一方、図４（Ｂ）の例では、上側側波帯の中心（ω１）と中心周波数帯の中心（ω２＝ｆ０）の周波数差（ω１−ω２）が、磁気量子数ｍ＝０のセシウム原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差である９．１９２６ＧＨｚと一致している。従って、レーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）を所望の値に設定すれば、上側側波帯に含まれる各周波数成分がそれぞれ共鳴光１になり、中心周波数帯に含まれる各周波数成分がそれぞれ共鳴光２になる。なお、中心周波数帯の中心と下側側波帯の中心の周波数差も９．１９２６ＧＨｚなので、中間周波数帯に含まれる各周波数成分がそれぞれ共鳴光１になり、下側側波帯に含まれる各周波数成分がそれぞれ共鳴光２になるように、レーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）を設定してもよい。
【００５３】
なお、周波数変換手段２４０の出力信号の周波数は、図４（Ａ）の例では（ω１−ω２）／２＝４．５９６３ＧＨｚになり、図４（Ｂ）の例では（ω１−ω２）／２＝９．１９２６ＧＨｚになるようにフィードバック制御がかかる。
【００５４】
図５は、基底準位がゼーマン分裂したセシウム原子がＥＩＴ現象を起こす共鳴光１と共鳴光２の組み合わせについて説明するための図である。図５において、Δω＝２δの関係が満たされているものとする。また、励起準位Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４、Ｅ５又は励起準位Ｅ１’、Ｅ２’、Ｅ３’、Ｅ４’、Ｅ５’の各エネルギー差ＥΔωはΔωに相当するエネルギー差を表す。
【００５５】
まず、磁気量子数ｍ＝０のセシウム原子について考える。磁気量子数ｍ＝０のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。従って、見かけ上の励起準位がＥ１であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋２Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２＋２Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ２であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２＋Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ３であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１の共鳴光１とｆ２＝ω２の共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ４であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２−Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ５であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−２Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２−２Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００５６】
次に、磁気量子数ｍ＝＋１のセシウム原子について考える。磁気量子数ｍ＝＋１のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚ＋２δなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋２δ＝９．１９２６ＧＨｚ＋Δωの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。従って、見かけ上の励起準位がＥ２’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋２Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２＋Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ３’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２の共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ４’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１の共鳴光１とｆ２＝ω２−Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ５’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２−２Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００５７】
次に、磁気量子数ｍ＝＋２のセシウム原子について考える。磁気量子数ｍ＝＋２のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚ＋４δなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋４δ＝９．１９２６ＧＨｚ＋２Δωの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。従って、見かけ上の励起準位がＥ２であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋２Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２の共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ３であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２−Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ４であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１の共鳴光１とｆ２＝ω２−２Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００５８】
次に、磁気量子数ｍ＝＋３のセシウム原子について考える。磁気量子数ｍ＝＋３のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚ＋６δなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋６δ＝９．１９２６ＧＨｚ＋３Δωの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。従って、見かけ上の励起準位がＥ３’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋２Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２−Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ４’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２−２Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００５９】
次に、磁気量子数ｍ＝−１のセシウム原子について考える。磁気量子数ｍ＝−１のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚ−２δなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−２δ＝９．１９２６ＧＨｚ−Δωの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。従って、見かけ上の励起準位がＥ２’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１＋Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２＋２Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ３’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１の共鳴光１とｆ２＝ω２＋Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ４’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２の共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ５’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−２Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２−Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００６０】
次に、磁気量子数ｍ＝−２のセシウム原子について考える。磁気量子数ｍ＝−２のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚ−４δなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−４δ＝９．１９２６ＧＨｚ−２Δωの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。従って、見かけ上の励起準位がＥ２であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１の共鳴光１とｆ２＝ω２＋２Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ３であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２＋Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ４であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−２Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２の共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００６１】
次に、磁気量子数ｍ＝−３のセシウム原子について考える。磁気量子数ｍ＝−３のセシウム原子は、基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６ＧＨｚ−６δなので、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−６δ＝９．１９２６ＧＨｚ−３Δωの関係を満たす共鳴光１と共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。従って、見かけ上の励起準位がＥ３’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２＋２Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。また、見かけ上の励起準位がＥ４’であるセシウム原子は、ｆ１＝ω１−２Δωの共鳴光１とｆ２＝ω２＋Δωの共鳴光２が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００６２】
なお、磁気量子数ｍ＝＋４又は−４のセシウム原子は、基底準位１が存在しないためＥＩＴ現象を起こさない。
【００６３】
図５で説明した共鳴光１と共鳴光２の組み合わせは、図６に示すグラフを用いて視覚的に理解することができる。図６のグラフは、横軸が共鳴光１の周波数ｆ１、縦軸が共鳴光２の周波数ｆ２を示す。そして、交点が黒丸で示される共鳴光１の周波数ｆ１と共鳴光２の周波数ｆ２の組み合わせに対してはＥＩＴ現象を起こすセシウム原子が存在することを示し、交点が白丸で示される共鳴光１の周波数ｆ１と共鳴光２の周波数ｆ２の組み合わせに対してはＥＩＴ現象を起こすセシウム原子が存在しないことを示している。より詳細には、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−３Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−２Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋２Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋３Δωの各直線上にある黒丸で示される共鳴光１の周波数ｆ１と共鳴光２の周波数ｆ２の組み合わせに対して、それぞれ、磁気量子数ｍ＝−３，−２，−１，０，＋１，＋２，＋３のセシウム原子がＥＩＴ現象を起こす。
【００６４】
従来の手法では、ｆ１＝ω１の共鳴光１とｆ１＝ω２の共鳴光２のみを同時に照射していたため、図６のｆ１＝ω１とｆ２＝ω２の交点でのみセシウム原子がＥＩＴ現象を起こしていた。これに対して、本実施形態では、セシウム原子にｆ１＝ω１−２Δω，ω１−Δω，ω１，ω１＋Δω，ω１＋２Δωの複数の共鳴光１とｆ２＝ω２−２Δω，ω２−Δω，ω２，ω２＋Δω，ω２＋２Δωの複数の共鳴光２を同時に照射することにより、少なくとも磁気量子数ｍ＝０のセシウム原子がＥＩＴ現象を起こす（ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚの交点）。さらに、Δω＝２δを満たすようにフィードバック制御することにより、磁気量子数ｍ＝−３，−２，−１，＋１，＋２，＋３のセシウム原子もＥＩＴ現象を起こす。
【００６５】
このように、本実施形態の原子発振器１００（量子干渉装置１）によれば、Δω＝２δの関係が満たされるように制御することにより、ＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の割合を従来と比べて大幅に増やすことができるので、半導体レーザー１２０のパワー効率を従来と比べて大幅に向上させることができる。そのため、小型化も容易である。そして、例えば１つの共鳴光対に割り当てられるパワーが従来のパワーにほぼ等しい設定にすれば、光吸収の飽和限界が高くなりトータルのパワーが増大するので、高いコントラストのＥＩＴ信号が取得できる。また、トータルの光照射パワーが従来とほぼ等しい場合は、１つの共鳴光対あたりのパワーが減少するので、ＥＩＴ信号のパワーブロードニング（光パワーが強いと、ＥＩＴ信号の線幅が増大してしまう現象）が抑えられ、従来に比べ、半値幅が狭い良好なＥＩＴ信号が取得できる。従って、本実施形態によれば、周波数安定性を従来より向上させることができる。
【００６６】
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（量子干渉装置）を提供することができる。
【００６７】
なお、本実施形態では、ＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数を最大にするためにΔω＝２δとするのが望ましいが、少なくとも、２×δ×ｎ＝Δω又はΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の関係を満たせばよい。例えば、Δω＝４δの場合（２×δ×ｎ＝Δωにおいてｎ＝２の場合）、図７に示すように、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋Δω上の交点で、それぞれ、磁気量子数ｍ＝−２，０，＋２のセシウム原子がＥＩＴ現象を起こす。また、例えば、Δω＝δの場合（Δω×ｎ＝２×δにおいてｎ＝２の場合）、図８に示すように、ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−６Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−４Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ−２Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋２Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋４Δω，ｆ１−ｆ２＝９．１９２６ＧＨｚ＋６Δω上の交点で、それぞれ、磁気量子数ｍ＝−３，−２，−１，０，＋１，＋２，＋３のセシウム原子がＥＩＴ現象を起こす。
【００６８】
（２）第２実施形態
図９は、図１の量子干渉装置１を用いた第２実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図９に示すように、第２実施形態の原子発振器１００は、図２に示した第１実施形態の原子発振器１００に対して、検波手段２５０、発振器２６０、変調手段２７０、発振器２８０が削除されるとともに、周波数変換手段３００と磁場制御手段３１０が新たに追加されている。図９において、図２と同じ構成には同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００６９】
周波数変換手段３００は、発振器２１０の発振信号を周波数がΔωの信号に変換する。周波数変換手段３００は分周回路により実現してもよい。
【００７０】
ここで、第２実施形態の原子発振器１００では、周波数変換手段３００の出力信号の周波数Δωは磁場の強度に関係なくあらかじめ決められた一定値である。そこで、磁場制御手段３１０は、少なくとも、２×δ×ｎ＝Δω又はΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の関係を満たすように（Δω＝２δが望ましい）、磁場発生手段１４０が発生する磁場の強度を制御する。
【００７１】
なお、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、磁場制御手段３１０は、それぞれ図１の光源１０、原子セル２０、磁場発生手段３０、光検出手段４０、磁場制御手段５２に対応する。また、中心波長制御手段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、変調手段２９０、周波数変換手段３００、磁場制御手段３１０で構成される回路は、図１の制御手段５０に対応する。
【００７２】
第２実施形態によれば、磁場制御手段３１０により、地磁場の影響や温度変化の影響も加味して、磁場発生手段１４０が発生する磁場の強度が制御される。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（量子干渉装置）を提供することができる。
【００７３】
［変形例］
図１０は、第２実施形態の原子発振器１００の変形例の構成を示す図である。図１０に示す原子発振器１００では、図９に示した原子発振器１００に対して、発振器３２０が新たに追加されている。そして、周波数変換手段３００は、発振器３２０の発振信号を周波数がΔωの信号に変換する。ここで、発振器３２０の周波数安定度は、図９の発振器２１０よりも劣るが、原子セル１３０に封入されたアルカリ金属原子が十分にＥＩＴ現象を起こすことができるだけのΔωの精度が確保できればよい。発振器３２０は、例えば、水晶発振器（ＸＯ：Crystal Oscillator）として実現することができる。
【００７４】
なお、図９又は図１０に示した原子発振器１００において、Δωを発振器２１０又は発振器３２０の発振周波数と一致させる場合は、周波数変換手段３００は不要であり、この場合、磁場制御手段３１０は、発振器２１０又は発振器３２０の発振信号に基づいて、磁場発生手段１４０が発生する磁場の強度を制御するようにすればよい。
【００７５】
（３）第３実施形態
図１１は、図１の量子干渉装置１を用いた第３実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図１１に示すように、第３実施形態の原子発振器１００は、図２に示した第１実施形態の原子発振器１００に対して、検波手段２５０、発振器２６０、変調手段２７０、発振器２８０が削除されるとともに、磁場検出手段３３０、周波数設定手段３４０、周波数変換手段３５０、磁場制御手段３６０が新たに追加されている。図１１において、図２と同じ構成には同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００７６】
磁場制御手段は３６０は、磁場発生手段１４０が所望の強度の磁場を発生するように制御する。例えば、磁場発生手段１４０がコイルであれば、磁場制御手段は３６０は、このコイルを流れる電流の大きさを制御すればよい。
【００７７】
磁場検出手段３３０は、原子セル１３０にかかる磁場の強度を検出する。
【００７８】
周波数設定手段３４０は、磁場検出手段３３０の検出結果に基づいて周波数変換手段３５０の周波数変換比率を制御する。
【００７９】
周波数変換手段３５０は、周波設定手段３４０の出力信号（周波数変換比率の設定情報）に基づいて、発振器２１０の発振信号を周波数がΔωの信号に変換する。周波数変換手段３５０は分周回路により実現してもよく、その場合、周波設定手段３４０はこの分周回路の分周比を設定すればよい。
【００８０】
ここで、周波数設定手段３４０は、磁場検出手段３３０が検出した磁場の強度に基づいて、少なくとも、２×δ×ｎ＝Δω又はΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の関係を満たすように（Δω＝２δが望ましい）、周波数変換手段３５０の周波数変換比率（例えば分周比）を制御する。
【００８１】
なお、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、磁場検出手段３３０は、それぞれ図１の光源１０、原子セル２０、磁場発生手段３０、光検出手段４０、磁場検出手段５４に対応する。また、中心波長制御手段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、変調手段２９０、磁場検出手段３３０、周波数設定手段３４０、周波数変換手段３５０、磁場制御手段３６０で構成される回路は、図１の制御手段５０に対応する。
【００８２】
第３実施形態によれば、磁場検出手段３３０により、地磁場の影響や温度変化の影響も加味して原子セル１３０に封入されたアルカリ金属原子にかかる磁場の強度が検出される。そして、周波数設定手段３４０により、検出された磁場の強度に基づいて周波数変換手段３５０の周波数変換比率が制御される。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（量子干渉装置）を提供することができる。
【００８３】
［変形例］
図１２は、第３実施形態の原子発振器１００の変形例の構成を示す図である。図１２に示す原子発振器１００では、図１１に示した原子発振器１００に対して、磁場検出手段３３０が削除されている。そして、周波数設定手段３４０は、磁場制御手段３６０の磁場発生手段１４０に対する制御情報に基づいて周波数変換手段３５０の周波数変換比率を制御する。すなわち、図１２の原子発振器１００では、磁場発生手段１４０に対する制御情報に基づいて磁場の強度を推測し、周波数変換手段３５０の変換比率を制御している。従って、周波数変換手段３５０の出力信号の周波数精度は、図１１の発振器２１０よりも劣るが、原子セル１３０に封入されたアルカリ金属原子が十分にＥＩＴ現象を起こすことができるだけのΔωの精度が確保できればよい。例えば、地磁場の影響や温度変化の影響が無視できるような環境であれば問題ない。
【００８４】
３．磁気センサー
（１）第１実施形態
図１３は、図１の量子干渉装置１を用いた第１実施形態の磁気センサーの構成を示す図である。図１３に示すように、第１実施形態の磁気センサー４００は、発振器２６０の発振信号が出力信号となる点を除いて図２に示した第１実施形態の原子発振器１００の構成と同じである。図１３において、図２と同じ構成には同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００８５】
前述したように、原子セル１３０に磁場がかけられると、アルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２が、磁気量子数ｍが異なる複数のゼーマン分裂準位に分かれる。そして、基底準位１、基底準位２ともに、磁気量子数ｍが互いに１だけ異なる２つのゼーマン分裂準位のエネルギー差Ｅδは、磁場の強度に比例する。図１３の構成によれば、光検出器１５０の出力信号（増幅器１６０の出力信号）の信号強度が最大になるようにフィードバック制御がかかる。そして、光検出器１５０の出力信号（増幅器１６０の出力信号）の信号強度が最大になるのは、発振器２６０の発振周波数Δωとゼーマン分裂準位のエネルギー差Ｅδに相当する周波数δに対して、２×δ×ｎ＝Δω又はΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の関係（Δω＝２δが望ましい）が満たされる時である。つまり、発振器２６０の発振周波数Δωは磁場の強度に比例するので、発振器２６０の発振信号を出力信号とすることにより、磁気センサーとして機能させることができる。ただし、図１３の構成では磁気発生手段１４０により常に磁場が発生しているが、外部磁気の強度が０の時の発振器２６０の発振周波数を基準として出力信号の相対的な周波数を求めることにより外部磁気の強度を計算することができる。
【００８６】
（２）第２実施形態
図１４は、図１の量子干渉装置１を用いた第２実施形態の磁気センサーの構成を示す図である。図１４に示すように、第２実施形態の磁気センサー４００は、図１３に示した第１実施形態の磁気センサー４００に対して、検波手段２５０、発振器２６０、変調手段２７０、発振器２８０が削除されるとともに、信号処理手段３７０と発振器３８０が新たに追加されている。図１４において、図１３と同じ構成には同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００８７】
信号処理手段３７０は、発振器３８０に、発振周波数を段階的に変化させるためのスイープ信号３７２を送るとともに、スイープ信号３７２の各状態での増幅器１６０の出力信号と発振器３８０の周波数情報３８２（発振信号そのものでもよい）をモニターする。そして、第２実施形態の磁気センサー４００では、発振器３８０の発振周波数がΔωになり、２×δ×ｎ＝Δω又はΔω×ｎ＝２×δ（ｎは正の整数）の関係（Δω＝２δが望ましい）が満たされると増幅器１６０の出力信号の信号強度が急激に大きくなる。周波数情報３８２は磁場の強度に比例するので、増幅器１６０の出力信号の信号強度が急激に大きくなった時の周波数情報３８２に基づく情報（磁場の強度を示す情報）を出力すれば、磁気センサーとして機能させることができる。ただし、図１４の構成では磁気発生手段１４０により常に磁場が発生しているが、外部磁気の強度が０の時の周波数情報３８２を基準として発振器３８０の相対的な周波数を求めることにより外部磁気の強度を示す情報を出力することができる。
【００８８】
なお、信号処理手段３７０がスイープ信号３７２の状態から発振器３８０の発振周波数を推測することができる場合には、周波数情報３８２をモニターしなくてもよい。
【００８９】
第１実施形態又は第２実施形態によれば、アルカリ金属原子に対するＥＩＴ現象の発現効率を高めることにより、レーザーパワーの利用効率を向上させるとともに、高感度な磁気センサーを提供することができる。そのため、小型化も容易である。
【００９０】
なお、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。
【００９１】
例えば、本実施形態の原子発振器１００では、半導体レーザー１２０の駆動電流に交流電流を重畳させて半導体レーザー１２０が変調された光を出射する構成であるが、電気光学変調素子（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）を用いて半導体レーザー１２０から出射された光に周波数変調を与えるようにしてもよい。
【００９２】
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。
【符号の説明】
【００９３】
１  量子干渉装置、１０  光源、２０  原子セル、３０  磁場発生手段、４０  光検出手段、５０  制御手段、５２  磁場制御手段、５４  磁場検出手段、１００  原子発振器、１１０  中心波長制御手段、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、３００  周波数変換手段、３１０  磁場制御手段、３２０  発振器、３３０  磁場検出手段、３４０  周波数設定手段、３５０  周波数変換手段、３６０  磁場制御手段、３７０  信号処理手段、３７２  スイープ信号、３８０  発振器、３８２  周波数情報、４００  磁気センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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