(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属原子集団と、
前記金属原子集団に複数の光を照射して電磁誘起透過現象を発生させる光発生部と、
前記金属原子集団を透過した光の強度を検出する光検出部と、
前記複数の光の一部を取り出して別の金属原子に出射し、前記別の金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる光出射部と、
前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記複数の光の波長を制御する制御部と、
を有することを特徴とするコヒーレント光源。
【請求項２】
前記光出射部は、
前記光発生部が発生した前記複数の光が入射し、前記複数の光の一部を取り出して前記別の金属原子に出射する、請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項３】
前記光出射部は、
前記金属原子集団を透過した前記複数の光が入射し、前記複数の光の一部を取り出して前記別の金属原子に出射する、請求項１に記載のコヒーレント光源。
【請求項４】
前記光出射部は、
入射した前記複数の光の一部を透過させるとともに、入射した前記複数の光の一部を反射させて前記別の金属原子に出射するビームスプリッターである、請求項２又は３に記載のコヒーレント光源。
【請求項５】
金属原子集団と、
前記金属原子集団に第１の光と第２の光を含む複数の光を照射して電磁誘起透過現象を発生させる第１の光発生部と、
前記金属原子集団を透過した光の強度を検出する光検出部と、
第３の光と第４の光を含む複数の光を別の金属原子に出射して電磁誘起透過現象を発生させる第２の光発生部と、
前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記第１の光と前記第２の光とが、前記金属原子集団に電磁誘起透過現象を発生させる周波数になるように制御し、かつ、前記第３の光の周波数が前記第１の光の周波数と等しく、かつ、前記第４の光の周波数が前記第２の光の周波数と等しくなるように制御する制御部と、
を有することを特徴とするコヒーレント光源。
【請求項６】
前記第１の光発生部は、
所与の中心波長を有する光を所与の変調信号で変調することにより、前記第１の光と前記第２の光を含む複数の光を発生させ、
前記第２の光発生部は、
前記中心波長に等しい中心波長を有する光を前記変調信号で変調することにより、前記第３の光と前記第４の光を含む複数の光を発生させ、
前記制御部は、
前記中心波長を制御する中心波長制御部と、前記変調信号を生成する変調制御部と、を有する請求項５に記載のコヒーレント光源。
【請求項７】
金属原子集団と、
前記金属原子集団に第１の光と第２の光を含む複数の光を照射して電磁誘起透過現象を発生させる第１の光発生部と、
前記金属原子集団を透過した光の強度を検出する光検出部と、
前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記第１の光と前記第２の光とが、前記金属原子集団に電磁誘起透過現象を発生させる周波数になるように制御する第１の制御部と、
第３の光と第４の光を含む複数の光を別の金属原子に出射する第２の光発生部と、
前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記第３の光と前記第４の光とが、前記別の金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる周波数になるように制御する第２の制御部と、
を有することを特徴とするコヒーレント光源。
【請求項８】
前記第１の光発生部は、
第１の中心波長を有する光を第１の変調信号で変調することにより、前記第１の光と前記第２の光を含む複数の光を発生させ、
前記第２の光発生部は、
第２の中心波長を有する光を第２の変調信号で変調することにより、前記第３の光と前記第４の光を含む複数の光を発生させ、
前記第１の制御部は、
前記第１の中心波長を制御する第１の中心波長制御部と、所与の周波数の発振信号を生成する発振信号生成部と、前記発振信号生成部が生成する前記発振信号の周波数を変換し、前記第１の変調信号を生成する第１の周波数変換部と、を有し、
前記第２の制御部は、
前記第２の中心波長を制御する第２の中心波長制御部と、前記発振信号生成部が生成する前記発振信号の周波数を変換し、前記第２の変調信号を生成する第２の周波数変換部と、
を有する、請求項７に記載のコヒーレント光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射するコヒーレント光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１１に示すように、アルカリ金属原子は、タームシンボル２Ｓ１／２で表される基底準位と、タームシンボル２Ｐ１／２、２Ｐ３／２で表される２つの励起準位とを有することが知られている。さらに、２Ｓ１／２、２Ｐ１／２、２Ｐ３／２の各準位は、複数のエネルギー準位に分裂した超微細構造を有している。具体的には、２Ｓ１／２はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの基底準位を持ち、２Ｐ１／２はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの励起準位を持ち、２Ｐ３／２はＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２の４つの励起準位を持っている。ここで、Ｉは核スピン量子数である。
【０００３】
２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、２Ｐ３／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ＋３／２の励起準位に遷移することはできない。２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、２Ｐ３／２のＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ−３／２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、２Ｐ３／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して２Ｓ１／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の基底準位（元の基底準位又は他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。ここで、２Ｓ１／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と２Ｐ３／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位からなる３準位（２つの基底準位と１つの励起準位からなる）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。これに対して、２Ｐ３／２のＩ−３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、２Ｐ３／２のＩ＋３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移する。すなわち、２Ｓ１／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と２Ｐ３／２のＩ−３／２又はＩ＋３／２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。
【０００４】
ところで、気体状のアルカリ金属原子に、Λ型３準位を形成する第１の基底準位（２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位）と励起準位（例えば、２Ｐ３／２のＩ＋１／２の励起準位）とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光１とする）と、第２の基底準位（２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位）と励起準位とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光２とする）とを同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子コヒーレンス状態（暗状態）になり、励起準位への励起が停止する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）と呼ばれることもある）が起こることが知られている。このＥＩＴ現象を起こす共鳴光対（共鳴光１と共鳴光２）の周波数差はアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致する。例えば、セシウム原子は、２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚであるので、セシウム原子に、周波数差が９．１９２６３１７７０ＧＨｚの２種類のＤ１線又はＤ２線のレーザー光を同時に照射すると、ＥＩＴ現象が起こる。
【０００５】
すなわち、共鳴光対を照射することでアルカリ金属原子に量子コヒーレンス状態を起こさせることができるので、共鳴光対を発生させる光源は、量子コンピューターや量子メモリーなどの量子デバイス用の光源として利用することが期待できる。
【０００６】
この共鳴光対は、例えば、単一光源から出射した光を電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）で変調することで発生させることができる。この場合、共鳴光対の差周波数の精度は、電気光学変調器（ＥＯＭ）を駆動する変調信号源水晶発振器等の周波数安定度で決まる。また、例えば、半導体レーザーのような直流電流駆動の光源に対して、その直流電流に交流を重畳することで電流変調を加えてサイドバンドを立たせて共鳴光対とすることができる。この場合、共鳴光対の差周波数の精度は、重畳する変調信号源水晶発振器等の周波数安定度で決まる。いずれの手法でも、単一光源から共鳴光対を発生させているので、キャリア周波数の揺らぎの影響を受けず、共鳴光対の差周波数は比較的安定しているものの、量子コヒーレンス状態を長時間良好に保てるほど安定しているわけではないので、量子デバイス用の光源として利用するのは難しい。
【０００７】
単一光源が出射する光の周波数を安定させる手法は、例えば特許文献１で提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２２４３１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１の手法は、単一波長の光を出射するレーザー光源を対象とした周波数安定化技術であり、２光波の周波数差を安定させるために適用することは困難である。また、量子デバイス用の光源に要求される安定度が確保されている保証はない。
【００１０】
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、量子コヒーレンス状態を安定して持続させることができる共鳴光対を発生させるコヒーレント光源を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）本発明は、ターゲットとなるアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射するコヒーレント光源であって、ターゲットとなるアルカリ金属原子と、前記ターゲットとなるアルカリ金属原子と同じ種類のアルカリ金属原子集団と、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光を発生させて前記アルカリ金属原子集団に照射する光発生部と、前記アルカリ金属原子集団を透過した光の強度を検出する光検出部と、前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記第１の光と前記第２の光との周波数差が、前記アルカリ金属原子集団に含まれるアルカリ金属原子の第１の基底準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する周波数にそれぞれ一致するように制御し、かつ、前記第１の光の波長が前記アルカリ金属原子のいずれかの励起準位又はその近傍の準位と前記第１の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御するとともに、前記第２の光の波長が前記励起準位又はその近傍の準位と前記第２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御する制御部と、前記第１の光と前記第２の光を含む複数のコヒーレント光の一部を取り出して前記ターゲットとなるアルカリ金属原子に出射する光出射部とを含む、コヒーレント光源である。
【００１２】
本発明によれば、光発生部が発生させてアルカリ金属原子集団を透過したコヒーレント
光の強度に基づいて、光発生部が発生させる第１の光と第２の光がアルカリ金属原子集団にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる条件が満たされるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御により、アルカリ金属原子集団のＥＩＴ現象が安定して持続する。すなわち、アルカリ金属原子集団の量子コヒーレンス状態を長時間安定して持続させることができる。そして、アルカリ金属原子集団をターゲットのアルカリ金属原子と同じ種類とすることで、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光はターゲットのアルカリ金属原子の量子コヒーレンス状態を安定して長時間持続させることを保証することができる。例えば、アルカリ金属原子集団をセシウム原子の集団とすると、本発明のコヒーレント光源が出射する複数のコヒーレント光をターゲットのセシウム原子に照射すれば、量子コヒーレンス状態を安定して長時間持続させることができる。
【００１３】
（２）このコヒーレント光源において、前記光出射部は、前記光発生部が発生させた複数のコヒーレント光が入射し、当該複数のコヒーレント光の一部を取り出して前記ターゲットとなるアルカリ金属原子に出射するようにしてもよい。
【００１４】
（３）このコヒーレント光源において、前記光出射部は、前記アルカリ金属原子集団を透過した複数のコヒーレント光が入射し、当該複数のコヒーレント光の一部を取り出して前記ターゲットとなるアルカリ金属原子に出射するようにしてもよい。
【００１５】
このようにすれば、光発生部が発生させた複数のコヒーレント光を光出射部を通過せずにアルカリ金属原子集団に照射することができるので、アルカリ金属原子集団に照射される光の可干渉性（コヒーレント性）の劣化を回避することができる。従って、アルカリ金属原子集団におけるＥＩＴ現象の発現効率の劣化を防止し、量子コヒーレンス状態の高い安定性を維持することができる。
【００１６】
（４）このコヒーレント光源において、前記光出射部は、入射した複数のコヒーレント光の一部を透過させるとともに、入射した当該複数のコヒーレント光の一部を反射させて前記ターゲットとなるアルカリ金属原子に出射するビームスプリッターであってもよい。
【００１７】
このようにすれば、簡単な構成でコヒーレント光を取り出すことができる。
【００１８】
（５）本発明は、ターゲットとなるアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射するコヒーレント光源であって、ターゲットとなるアルカリ金属原子と、前記ターゲットとなるアルカリ金属原子と同じ種類のアルカリ金属原子集団と、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光を発生させて前記アルカリ金属原子集団に照射する第１の光発生部と、前記アルカリ金属原子集団を透過した光の強度を検出する光検出部と、前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記第１の光と前記第２の光との周波数差が、前記アルカリ金属原子集団に含まれるアルカリ金属原子の第１の基底準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する周波数にそれぞれ一致するように制御し、かつ、前記第１の光の波長が前記アルカリ金属原子のいずれかの励起準位又はその近傍の準位と前記第１の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御するとともに、前記第２の光の波長が前記励起準位又はその近傍の準位と前記第２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御する制御部と、第３の光と第４の光を含む複数のコヒーレント光を発生させて前記ターゲットとなるアルカリ金属原子に出射する第２の光発生部とを含み、前記制御部は、前記第３の光の周波数が前記第１の光の周波数と等しく、かつ、前記第４の光の周波数が前記第２の光の周波数と等しくなるように制御する、コヒーレント光源である。
【００１９】
本発明によれば、第１の光発生部が発生させてアルカリ金属原子集団を透過したコヒーレント光の強度に基づいて、第１の光発生部が発生させる第１の光と第２の光がアルカリ金属原子集団にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる条件が満たされるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御により、アルカリ金属原子集団の量子コヒーレンス状態を長時間安定して持続させることができる。そして、アルカリ金属原子集団をターゲットのアルカリ金属原子と同じ種類とすることで、第１の光と同じ周波数の第３の光と、第２の光と同じ周波数の第４の光を含む複数のコヒーレント光はターゲットのアルカリ金属原子の量子コヒーレンス状態を安定して長時間持続させることを保証することができる。
【００２０】
また、第１の光発生部とは別に第２の光発生部を設けることで、第１の発生部が発生させるコヒーレント光の一部を取り出して外部に出射する必要がなくなる。つまり、アルカリ金属原子集団にＥＩＴ現象を維持させるフィードバック制御とコヒーレント光の外部への出射とを切り離すことができるので、互いに悪影響を及ぼすことを避けることができる。
【００２１】
（６）このコヒーレント光源において、前記第１の光発生部は、所与の中心波長を有する光を所与の変調信号で変調することにより、前記第１の光と前記第２の光を含む複数のコヒーレント光を発生させ、前記第２の光発生部は、前記中心波長に等しい中心波長を有する光を前記変調信号で変調することにより、前記第３の光と前記第４の光を含む複数のコヒーレント光を発生させ、前記制御部は、前記中心波長を制御する中心波長制御部と、前記光検出部が検出した光の強度に基づいて前記変調信号を生成する変調制御部と、を含むようにしてもよい。
【００２２】
（７）本発明は、ターゲットとなるアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射するコヒーレント光源であって、ターゲットとなるアルカリ金属原子と、アルカリ金属原子集団と、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光を発生させて前記アルカリ金属原子集団に照射する第１の光発生部と、前記アルカリ金属原子集団を透過した光の強度を検出する光検出部と、前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記第１の光と前記第２の光との周波数差が、前記アルカリ金属原子集団に含まれるアルカリ金属原子の第１の基底準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する周波数にそれぞれ一致するように制御し、かつ、前記第１の光の波長が前記アルカリ金属原子集団に含まれるアルカリ金属原子のいずれかの励起準位又はその近傍の準位と前記第１の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するとともに前記第２の光の波長が前記励起準位又はその近傍の準位と前記第２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御する第１の制御部と、第３の光と第４の光を含む複数のコヒーレント光を発生させて前記ターゲットとなるアルカリ金属原子に出射する第２の光発生部と、前記光検出部が検出した光の強度に基づいて、前記第３の光と前記第４の光との周波数差が、前記ターゲットとなるアルカリ金属原子の第１の基底準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する周波数にそれぞれ一致するように制御し、かつ、前記第３の光の波長が前記ターゲットとなるアルカリ金属原子のいずれかの励起準位又はその近傍の準位と前記第１の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するとともに前記第４の光の波長が前記励起準位又はその近傍の準位と前記第２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御する第２の制御部と、を含む、コヒーレント光源である。
【００２３】
本発明によれば、第１の光発生部が発生させてアルカリ金属原子集団を透過したコヒーレント光の強度に基づいて、第１の光発生部が発生させる第１の光と第２の光がアルカリ金属原子集団にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる条件が満たされるようにフィードバック制御がかかる。このフィードバック制御により、アルカリ金属原子集団の量子コヒーレンス状態を長時間安定して持続させることができる。そして、量子コヒーレンス状態のアルカリ金属原子集団を透過したコヒーレント光の強度に基づいて第２の光発生部の制御を行うことで、第２の光発生部が発生させる第３の光と第４の光がターゲットのアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる条件を安定して持続させることができる。
【００２４】
また、第１の光発生部とは別に第２の光発生部を設けることで、第１の発生部が発生させるコヒーレント光の一部を取り出して外部に出射する必要がなくなる。つまり、アルカリ金属原子集団にＥＩＴ現象を維持させるフィードバック制御とコヒーレント光の外部への出射とを切り離すことができるので、互いに悪影響を及ぼすことを避けることができる。
【００２５】
また、第２の制御部により、第３の光の周波数と第４の光の周波数を、第１の光の周波数や第２の光周波数とは独立して任意に設定することができるので、アルカリ金属原子集団と異なる種類のアルカリ金属原子に対する共鳴光対も発生させることができる。
【００２６】
（８）このコヒーレント光源において、前記第１の光発生部は、第１の中心波長を有する光を第１の変調信号で変調することにより、前記第１の光と前記第２の光を含む複数のコヒーレント光を発生させ、前記第２の光発生部は、第２の中心波長を有する光を第２の変調信号で変調することにより、前記第３の光と前記第４の光を含む複数のコヒーレント光を発生させ、前記第１の制御部は、前記第１の中心波長を制御する第１の中心波長制御部と、前記光検出部が検出した光の強度に応じた所与の周波数の発振信号を生成する発振信号生成部と、前記発振信号生成部が生成する前記発振信号の周波数を変換し、前記第１の変調信号を生成する第１の周波数変換部とを含み、前記第２の制御部は、前記第２の中心波長を制御する第２の中心波長制御部と、前記発振信号生成部が生成する前記発振信号の周波数を変換し、前記第２の変調信号を生成する第２の周波数変換部とを含むようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本実施形態のコヒーレント光源の機能ブロック図の第１の例。
【図２】本実施形態のコヒーレント光源の機能ブロック図の第２の例。
【図３】本実施形態のコヒーレント光源の機能ブロック図の第３の例。
【図４】第１実施形態のコヒーレント光源の構成図。
【図５】半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図６】第２実施形態のコヒーレント光源の構成図。
【図７】第３実施形態のコヒーレント光源の構成図。
【図８】第４実施形態のコヒーレント光源の構成図。
【図９】変形例の半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図。
【図１０】変形例のコヒーレント光源の構成図。
【図１１】アルカリ金属原子の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】
【００２８】
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。
【００２９】
本実施形態のコヒーレント光源は、ターゲットとなるアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象）を発生させる共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射する。
【００３０】
図１は、本実施形態のコヒーレント光源の機能ブロック図の第１の例である。図１に示すように、本実施形態のコヒーレント光源１は、光発生部１０、アルカリ金属原子２０の集団、光検出部３０、制御部４０、光出射部５０、アルカリ金属原子８０を含んで構成されるようにしてもよい。
【００３１】
アルカリ金属原子２０（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）は、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０と同じ種類のアルカリ金属原子である。
【００３２】
光発生部１０は、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光１２（例えば、レーザー光）を発生させてアルカリ金属原子２０の集団に照射する。例えば、光発生部１０は、所与の中心波長を有する光を所与の変調信号で変調することにより、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光１２を発生させるようにしてもよい。
【００３３】
光検出部３０は、アルカリ金属原子２０の集団を透過した複数のコヒーレント光２２の強度を検出する。
【００３４】
ここで、例えば、気体状のアルカリ金属原子２０を密閉容器に封入したガスセルを光発生部１０と光検出部３０の間に配置するような形態でもよい。また、密閉容器内に光発生部１０、気体状のアルカリ金属原子２０、光検出部３０を共に封入し、光発生部１０と光検出部３０を対向させて配置するような形態でもよい。
【００３５】
制御部４０は、光検出部３０が検出した光の強度に基づいて、第１の光と第２の光との周波数差が、アルカリ金属原子２０の第１の基底準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する周波数にそれぞれ一致するように制御し、かつ、第１の光の波長がアルカリ金属原子２０のいずれかの励起準位又はその近傍の準位と第１の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御するとともに、第２の光の波長が当該励起準位又はその近傍の準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御する。
【００３６】
例えば、制御部４０は、複数のコヒーレント光１２の中心波長を制御する中心波長制御部４２と、光検出部３０が検出した光の強度に基づいて光発生部１０に供給する変調信号を生成する変調制御部４４と、を含むようにしてもよい。
【００３７】
光出射部５０は、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光の一部を取り出して複数のコヒーレント光５２をターゲットとなるアルカリ金属原子８０に出射する。例えば、光出射部５０は、光発生部１０が発生させた複数のコヒーレント光１２が入射し、複数のコヒーレント光１２の一部を取り出してアルカリ金属原子８０に出射するようにしてもよいし、アルカリ金属原子２０の集団を透過した複数のコヒーレント光２２が入射し、複数のコヒーレント光２２の一部を取り出してアルカリ金属原子８０に出射するようにしてもよい。
【００３８】
図２は、本実施形態のコヒーレント光源の機能ブロック図の第２の例である。図２に示すように、本実施形態のコヒーレント光源１は、第１の光発生部１０、アルカリ金属原子２０の集団、光検出部３０、制御部４０、第２の光発生部６０、アルカリ金属原子８０を含んで構成されるようにしてもよい。
【００３９】
第１の光発生部１０、アルカリ金属原子２０の集団、光検出部３０の機能は、それぞれ図１の光発生部１０、アルカリ金属原子２０の集団、光検出部３０の機能と同じである。
【００４０】
第２の光発生部６０は、第３の光と第４の光を含む複数のコヒーレント光６２を発生させてターゲットとなるアルカリ金属原子８０に出射する。
【００４１】
制御部４０は、図１の制御部４０と同じく第１の光と第２の光の周波数差とそれぞれの光の波長を制御し、さらに、第３の光の周波数が第１の光の周波数と等しく、かつ、第４の光の周波数が第２の光の周波数と等しくなるように制御する。
【００４２】
例えば、第１の光発生部１０は、所与の中心波長を有する光を所与の変調信号で変調することにより、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光１２を発生させ、第２の光発生部６０は、第１の光発生部１０と同じ中心波長を有する光を、第１の光発生部１０と同じ変調信号で変調することにより、第３の光と第４の光を含む複数のコヒーレント光６２を発生させるようにしてもよい。この場合、制御部４０は、当該中心波長を制御する中心波長制御部４２と、光検出部３０が検出した光の強度に基づいて当該変調信号を生成する変調制御部４４と、を含んで構成してもよい。
【００４３】
図３は、本実施形態のコヒーレント光源の機能ブロック図の第３の例である。図３に示すように、本実施形態のコヒーレント光源１は、第１の光発生部１０、アルカリ金属原子２０の集団、光検出部３０、第１の制御部４０、第２の光発生部６０、第２の制御部７０、アルカリ金属原子８０を含んで構成されるようにしてもよい。
【００４４】
第１の光発生部１０、光検出部３０、第１の制御部４０、第２の光発生部６０の機能は、それぞれ図２の第１の光発生部１０、光検出部３０、制御部４０、第２の光発生部６０の機能と同じである。
【００４５】
アルカリ金属原子２０は、任意の種類のアルカリ金属原子であり、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０と異なる種類のアルカリ金属原子であってもよいし同じ種類のアルカリ金属原子であってもよい。
【００４６】
第２の制御部７０は、光検出部３０が検出した光の強度に基づいて、第２の光発生部６０が発生させる複数のコヒーレント光に含まれる第３の光と第４の光との周波数差が、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０の第１の基底準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する周波数にそれぞれ一致するように制御し、かつ、第３の光の波長がターゲットとなるアルカリ金属原子８０のいずれかの励起準位又はその近傍の準位と第１の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するとともに第４の光の波長が励起準位又はその近傍の準位と第２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長と一致するように制御する。
【００４７】
例えば、第１の光発生部１０は、第１の中心波長を有する光を第１の変調信号で変調することにより、第１の光と第２の光を含む複数のコヒーレント光１２を発生させ、第２の光発生部６０は、第２の中心波長を有する光を第２の変調信号で変調することにより、第３の光と第４の光を含む複数のコヒーレント光６２を発生させるようにしてもよい。この場合、第１の制御部４０は、第１の中心波長を制御する第１の中心波長制御部４２と、光検出部３０が検出した光の強度に基づいて第１の変調信号を生成する変調制御部４４と、を含んで構成してもよい。この変調制御部４４は、例えば、光検出部３０が検出した光の強度に応じた所与の周波数の発振信号を生成する発振信号生成部４８と、発振信号生成部４８が生成する発振信号の周波数を変換し、第１の変調信号を生成する第１の周波数変換部４６とを含むように構成してもよい。また、第２の制御部７０は、第２の中心波長を制御する第２の中心波長制御部７２と、発振信号生成部４８が生成する発振信号の周波数を変換し、第２の変調信号を生成する第２の周波数変換部７６とを含むように構成してもよい。
【００４８】
以下、本実施形態のコヒーレント光源の具体的な構成について説明する。
【００４９】
［第１実施形態］
図４は、第１実施形態のコヒーレント光源の構成図である。
【００５０】
図４に示すように、第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａは、アルカリ金属原子８０の集団、半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、電流駆動回路１５０、低周波発振器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０、ビームスプリッター２２０を含んで構成されている。
【００５１】
ガスセル１２０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子が封入されたものである。
【００５２】
半導体レーザー１１０は、波長（周波数）の異なる複数のコヒーレント光１１２を発生させる。具体的には、電流駆動回路１５０が出力する駆動電流によって、半導体レーザー１１０の出射光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が制御される。そして、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路２１０の出力信号を変調信号（変調周波数ｆｍ）として変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１５０による駆動電流に、周波数変換回路２１０の出力信号（変調信号）を重畳することにより変調がかかり、半導体レーザー１１０は、中心波長λ０（中心周波数ｆ０）のコヒーレント光や変調成分の各々に相当する複数のコヒーレント光１１２を発生させる。このような半導体レーザー１１０は、例えば、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどで実現することができる。
【００５３】
ビームスプリッター２２０は、半導体レーザー１１０が出射する複数のコヒーレント光１１２の各々を、その一部を透過させるとともに残りを反射させることで分離する。ビームスプリッター２２０は、１：１に分離するハーフミラーとして実現してもよい。また、ビームスプリッター２２０は、偏光成分を分離する偏光ビームスプリッターであってもよい。また、半導体レーザー１１０が出射する複数のコヒーレント光１１２を全反射ミラーのエッジにあてて分離するようにしてもよい。
【００５４】
ビームスプリッター２２０を透過した複数のコヒーレント光２２２は、ガスセル１２０に入射する。一方、ビームスプリッター２２０で反射して分離された複数のコヒーレント光２２４は、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０に出射される。
【００５５】
光検出器１３０は、ガスセル１２０を透過した光を検出し、光の強度に応じた検出信号（ＥＩＴ信号）を出力する。前述したように、周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と一致する２種類のコヒーレント光をアルカリ金属原子に照射するとＥＩＴ現象を起こす。このＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数が多いほどガスセル１２０を透過する光の強度が増大し、光検出器１３０の出力信号（ＥＩＴ信号）の電圧レベルが高くなる。
【００５６】
光検出器１３０の出力信号は検波回路１４０に入力される。検波回路１４０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器１６０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。
【００５７】
電流駆動回路１５０は、検波回路１４０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生して半導体レーザー１１０に供給し、半導体レーザー１１０の出射光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）を制御する。具体的には、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の２Ｐ３/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長をλ１（周波数ｆ１）、２Ｐ３/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２（周波数ｆ２）としたとき、中心波長λ０が（λ１＋λ２）／２に一致する（中心周波数ｆ０が（ｆ１＋ｆ２）／２に一致する）ように制御される。あるいは、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長をλ１（周波数ｆ１）、２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２（周波数ｆ２）としたとき、中心波長λ０が（λ１＋λ２）／２に一致する（中心周波数ｆ０が（ｆ１＋ｆ２）／２に一致する）ように制御される。ただし、中心波長λ０は必ずしも（λ１＋λ２）／２と正確に一致させる必要はなく、（λ１＋λ２）／２を中心とする所定範囲の波長であってもよい。なお、検波回路１４０による同期検波を可能とするために、電流駆動回路１５０が発生する駆動電流には低周波発振器１６０の発振信号（検波回路１４０に供給される発振信号と同じ信号）が重畳される。
【００５８】
半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、電流駆動回路１５０を通るフィードバックループにより、半導体レーザー１１０が発生させるコヒーレント光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が微調整される。
【００５９】
光検出器１３０の出力信号は検波回路１７０にも入力される。検波回路１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器２００の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路１７０の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振するようにしてもよい。
【００６０】
変調回路１９０は、検波回路１７０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２００の発振信号（検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の出力信号を変調する。変調回路１９０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。
【００６１】
周波数変換回路２１０は、変調回路１９０の出力信号を、ΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数の信号に変換する。周波数変換回路２１０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。
【００６２】
半導体レーザー１１０、ガスセル１２０、光検出器１３０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、周波数変換回路２１０を通るフィードバックループにより、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数がΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致するように微調整される。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、ΔＥ１２に相当する周波数が９．１９２６３１７７０ＧＨｚなので、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数は４．５９６３１５８８５ＧＨｚになる。
【００６３】
そして、前述したように、周波数変換回路２１０の出力信号が変調信号（変調周波数ｆｍ）となり、半導体レーザー１１０が共鳴光対を含む複数のコヒーレント光１１２を発生させ、ビームスプリッター２２０を透過した共鳴光対を含む複数のコヒーレント光２２２がガスセルに入射するとともに、ビームスプリッター２２０で分離された共鳴光対を含む複数のコヒーレント光２２４がアルカリ金属原子８０に出射する。
【００６４】
図５は、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図５において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。
【００６５】
図５に示すように、半導体レーザー１１０の出射光には、中心周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０は中心波長）を有するコヒーレント光と、その両サイドに変調周波数ｆｍずつ周波数が異なる複数のコヒーレント光が含まれている。変調周波数ｆｍはΔＥ１２に相当する周波数の１／２に等しいので、周波数ｆ１（＝ｆ０＋ｆｍ）のコヒーレント光と周波数ｆ２（＝ｆ０−ｆｍ）のコヒーレント光は、その差ｆ１−ｆ２（＝２ｆｍ）がΔＥ１２に等しく、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。
【００６６】
このような構成のコヒーレント光源１００Ａでは、２つのコヒーレント光の周波数差がΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致しなければガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、その周波数差に対して光検出器１５０の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数（変調周波数ｆｍ）がΔＥ１２の１／２の周波数に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、半導体レーザー１１０は、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子に量子コヒーレンス状態を維持させることができるほど周波数安定度が極めて高い共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射することになる。
【００６７】
本実施形態のコヒーレント光源１００Ａは、ビームスプリッター２２０によりこの複数のコヒーレント光の一部を分離することで、アルカリ金属原子８０に量子コヒーレンス状態を維持させることができるほど極めて高い周波数安定度が確保された共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射させることができる。
【００６８】
なお、図４の半導体レーザー１１０、ガスセル１２０に含まれるアルカリ金属原子、光検出器１３０、ビームスプリッター２２０は、それぞれ図１の光発生部１０、アルカリ金属原子２０、光検出部３０、光出射部５０に対応する。また、検波回路１４０、電流駆動回路１５０、低周波発振器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０による構成は、図１の制御部４０に対応する。また、検波回路１４０、電流駆動回路１５０、低周波発振器１６０による構成は、図１の中心波長制御部４２に対応する。また、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０による構成は、図１の変調制御部４４に対応する。
【００６９】
［第２実施形態］
図６は、第２実施形態のコヒーレント光源の構成図である。図６において、図４と同じ構成には同じ符号を付している。
【００７０】
第２実施形態のコヒーレント光源１００Ｂは、第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａに対して、ビームスプリッター２２０がガスセル１２０と光検出器１３０の間に配置されている点が異なる。
【００７１】
第２実施形態の光源１００Ｂでは、半導体レーザー１１０が出射する複数のコヒーレント光１１２は、直接ガスセル１２０に入射する。
【００７２】
ビームスプリッター２２０は、ガスセル１２０を透過した複数のコヒーレント光１２２の各々を、その一部を透過させるとともに残りを反射させることで分離する。
【００７３】
ビームスプリッター２２０を透過した複数のコヒーレント光２２２は、光検出器１３０に入射する。一方、ビームスプリッター２２０で反射して分離された複数のコヒーレント光２２４は、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０に出射される。
【００７４】
コヒーレント光源１００Ｂのその他の構成は、図４に示した第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａと同じであるため、その説明を省略する。
【００７５】
第２実施形態のコヒーレント光源１００Ｂも、第１実施形態と同様のフィードバック制御により、アルカリ金属原子８０に量子コヒーレンス状態を維持させることができるほど極めて高い周波数安定度が確保された共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射することができる。
【００７６】
ところで、第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａでは、ビームスプリッター２２０が半導体レーザー１１０とガスセル１２０の間に配置されているため、ビームスプリッター２２０を透過したコヒーレント光の可干渉性（コヒーレント性）が若干劣化する可能性がある。そして、共鳴光対となる２種類のコヒーレント光の可干渉性（コヒーレント性）が劣化すると、ガスセル１２０の内部でＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数が減少する。そのため、ガスセル１２０を透過する光の強度が減少し、光検出器１３０の出力信号（ＥＩＴ信号）の電圧レベルが低くなる。その結果、フィードバックループの安定性が低下し、共鳴光対の周波数安定度が若干劣化する可能性がある。
【００７７】
これに対して、第２実施形態のコヒーレント光源１００Ｂでは、ビームスプリッター２２０がガスセル１２０と光検出器１３０の間に配置されているため、半導体レーザー１１０から出射した共鳴光対は、可干渉性（コヒーレント性）が劣化せずにガスセル１２０に入射する。従って、第２実施形態のコヒーレント光源によれば、第１実施形態よりもさらに周波数安定度が高い共鳴光対を含む複数のコヒーレント光をアルカリ金属原子８０に出射させることが期待できる。
【００７８】
［第３実施形態］
図７は、第３実施形態のコヒーレント光源の構成図である。図７において、図４と同じ構成には同じ符号を付している。
【００７９】
第３実施形態のコヒーレント光源１００Ｃは、第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａに対して、ビームスプリッター２２０が削除されるとともに半導体レーザー２３０が追加されている点が異なる。
【００８０】
第３実施形態の光源１００Ｃでは、半導体レーザー１１０が出射する複数のコヒーレント光１１２は、直接ガスセル１２０に入射する。そして、ガスセル１２０を透過した複数のコヒーレント光２２２は、光検出器１３０に入射する。
【００８１】
半導体レーザー２３０は、電流駆動回路１５０が出力する駆動電流（半導体レーザー１１０と同じ駆動電流）によって、出射光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が制御される。そして、半導体レーザー２３０は、周波数変換回路２１０の出力信号を変調信号（変調周波数ｆｍ）として変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１５０による駆動電流に、周波数変換回路２１０の出力信号（変調信号）を重畳することにより変調がかかり、半導体レーザー２３０は、中心波長λ０（中心周波数ｆ０）のコヒーレント光や変調成分の各々に相当する複数のコヒーレント光２３２を発生させる。この複数のコヒーレント光２３２がターゲットとなるアルカリ金属原子８０に出射される。半導体レーザー２３０は、例えば、端面発光レーザーや、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の面発光レーザーなどで実現することができる。
【００８２】
コヒーレント光源１００Ｃのその他の構成は、図４に示した第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａと同じであるため、その説明を省略する。
【００８３】
このような構成のコヒーレント光源１００Ｃでは、半導体レーザー２３０に、半導体レーザー１１０に供給される駆動電流と変調信号と同じ駆動電流と変調信号が供給される。そのため、半導体レーザー２３０は、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子と同じ種類のアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対を含む複数のコヒーレント光２３２を発生させることができる。
【００８４】
すなわち、第３実施形態のコヒーレント光源１００Ｃによれば、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子と同じ種類のアルカリ金属原子８０をターゲットとして、量子コヒーレンス状態を維持させることができるほど極めて高い周波数安定度が確保された共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射することができる。
【００８５】
また、第３実施形態のコヒーレント光源１００Ｃによれば、第２実施形態と同様に、半導体レーザー１１０から出射した共鳴光対は、可干渉性（コヒーレント性）が劣化させずにガスセル１２０に入射するので、第１実施形態よりもさらに周波数安定度が高い共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射させることが期待できる。
【００８６】
なお、図７の半導体レーザー１１０、ガスセル１２０に含まれるアルカリ金属原子、光検出器１３０、半導体レーザー２３０は、それぞれ図２の第１の光発生部１０、アルカリ金属原子２０、光検出部３０、第２の光発生部６０に対応する。また、検波回路１４０、電流駆動回路１５０、低周波発振器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０による構成は、図２の制御部４０に対応する。また、検波回路１４０、電流駆動回路１５０、低周波発振器１６０による構成は、図２の中心波長制御部４２に対応する。また、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０による構成は、図２の変調制御部４４に対応する。
【００８７】
［第４実施形態］
図８は、第４実施形態のコヒーレント光源の構成図である。図８において、図４と同じ構成には同じ符号を付している。
【００８８】
第４実施形態のコヒーレント光源１００Ｄは、第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａに対して、ビームスプリッター２２０が削除されるとともに、周波数変換回路２４０、電流駆動回路２５０、半導体レーザー２６０が追加されている点が異なる。
【００８９】
周波数変換回路２４０は、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の出力信号を、設定された比率で周波数変換し、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０の第１の基底準位（２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位）と第２の基底準位（２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位）とのエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数の信号を生成する。このターゲットとなるアルカリ金属原子８０は、ガスセル１２０に封入されているアルカリ金属原子と同じ種類のものでなくてもよい。例えば、ガスセル１２０にセシウム原子が封入されている場合に、周波数変換回路２４０は、ルビジウム原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数の１／２の周波数の信号を生成するようにしてもよい。周波数変換回路２４０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。
【００９０】
電流駆動回路２５０は、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０に応じた大きさの駆動電流を発生して半導体レーザー２６０に供給し、半導体レーザー２６０の出射光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）を制御する。具体的には、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０の２Ｐ３/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長をλ１（周波数ｆ１）、２Ｐ３/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２（周波数ｆ２）としたとき、中心波長λ０が（λ１＋λ２）／２に一致する（中心周波数ｆ０が（ｆ１＋ｆ２）／２に一致する）ように制御される。あるいは、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長をλ１（周波数ｆ１）、２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長をλ２（周波数ｆ２）としたとき、中心波長λ０が（λ１＋λ２）／２に一致する（中心周波数ｆ０が（ｆ１＋ｆ２）／２に一致する）ように制御される。ただし、中心波長λ０は必ずしも（λ１＋λ２）／２と正確に一致させる必要はなく、（λ１＋λ２）／２を中心とする所定範囲の波長であってもよい。
【００９１】
半導体レーザー２６０は、電流駆動回路２５０が出力する駆動電流によって、出射光の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が制御されるとともに、周波数変換回路２５０の出力信号を変調信号（変調周波数ｆｍ）として変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路２５０による駆動電流に、周波数変換回路２５０の出力信号（変調信号）を重畳することにより変調がかかり、半導体レーザー２６０は、中心波長λ０（中心周波数ｆ０）のコヒーレント光や変調成分の各々に相当する複数のコヒーレント光２６２を発生させる。この複数のコヒーレント光２６２がターゲットとなるアルカリ金属原子８０に出射される。半導体レーザー２６０は、例えば、端面発光レーザーや、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の面発光レーザーなどで実現することができる。
【００９２】
コヒーレント光源１００Ｄのその他の構成は、図４に示した第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａと同じであるため、その説明を省略する。
【００９３】
このような構成のコヒーレント光源１００Ｄでは、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数（変調周波数ｆｍ）がガスセル１２０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ΔＥ１２の１／２の周波数に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り、このフィードバックループ内に配置されている電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０も極めて高い周波数安定度で発振する。従って、周波数変換回路２４０により、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の出力信号を、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と極めて正確に一致する周波数の信号に変換することができる。従って、半導体レーザー２６０は、ターゲットとなるアルカリ金属原子８０にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対を含む複数のコヒーレント光２６２を出射することができる。
【００９４】
すなわち、第４実施形態のコヒーレント光源１００Ｄによれば、ターゲットのアルカリ金属原子８０に量子コヒーレンス状態を維持させることができるほど極めて高い周波数安定度が確保された共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射することができる。
【００９５】
また、第４実施形態のコヒーレント光源１００Ｄによれば、周波数変換回路２４０の周波数変換比率と電流駆動回路２５０の駆動電流を適切な値に設定することで、ターゲットの任意のアルカリ金属原子８０に対する共鳴光対を含む複数のコヒーレント光を出射することができる。
【００９６】
なお、図８の半導体レーザー１１０、ガスセル１２０に含まれるアルカリ金属原子、光検出器１３０、半導体レーザー２６０は、それぞれ図３の第１の光発生部１０、アルカリ金属原子２０、光検出部３０、第２の光発生部６０に対応する。また、検波回路１４０、電流駆動回路１５０、低周波発振器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０による構成は、図３の第１の制御部４０に対応する。また、検波回路１４０、電流駆動回路１５０、低周波発振器１６０による構成は、図３の第１の中心波長制御部４２に対応する。また、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０による構成は、図３の変調制御部４４に対応する。また、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０と周波数変換回路２１０は、それぞれ図３の発振信号生成部４８と第１の周波数変換部４６に対応する。また、周波数変換回路２４０と電流駆動回路２５０による構成は、図３の第２の制御部に対応し、周波数変換回路２４０と電流駆動回路２５０は、それぞれ図３の第２の周波数変換部７６と第２の中心波長制御部７２に対応する。
【００９７】
以上に説明した第１実施形態〜第４実施形態のコヒーレント光源は、例えば、量子発振器、量子暗号、量子シミュレーション、量子コンピューター等、量子コヒーレンス状態の制御、保持を必要とする量子デバイスの光源として利用することができる。
【００９８】
［変形例］
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。
【００９９】
例えば、本実施形態のコヒーレント光源において、半導体レーザー１１０の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ２（周波数ｆ２）に一致するように電流駆動回路１５０による駆動電流を制御するとともに、周波数変換回路２１０が変調回路１９０の出力信号をΔＥ１２に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。また、本実施形態のコヒーレント光源１００Ａにおいて、半導体レーザー１１０の中心波長λ０（中心周波数ｆ０）が、ガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ１（周波数ｆ１）に一致するように電流駆動回路１５０による駆動電流を制御するとともに、周波数変換回路２１０が変調回路１９０の出力信号をΔＥ１２に相当する周波数に等しい周波数の信号に変換するように変形してもよい。前者のケースでは中心波長λ０がλ２に一致する（中心周波数ｆ０がｆ２に一致する）ように制御され、後者のケースでは中心波長λ０がλ１に一致する（中心周波数ｆ０がｆ１に一致する）ように制御される。
【０１００】
図９（Ａ）は、前者のケースの半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図であり、図９（Ｂ）は、後者のケースの半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。図９（Ａ）の場合は、ｆ１とｆ０の差ｆ１−ｆ０がΔＥ１２に相当する周波数に等しいので、周波数ｆ１のコヒーレント光と中心周波数ｆ０のコヒーレント光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。一方、図９（Ｂ）の場合は、ｆ０とｆ２の差ｆ０−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数に等しいので、中心周波数ｆ０のコヒーレント光と周波数ｆ２のコヒーレント光がガスセル１２０に封入されたアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる共鳴光対となる。
【０１０１】
また、同様に、図８に示した第４実施形態のコヒーレント光源１００Ｄにおいて、半導体レーザー２６０に、図９（Ａ）や図９（Ｂ）に示すような周波数スペクトルを有するコヒーレント光を発生させるようにしてもよい。
【０１０２】
また、例えば、図１０に示すように、図４に示した第１実施形態のコヒーレント光源１００Ａを電気光学変調器（ＥＯＭ）を用いた構成に変形してもよい。図１０において、図４と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。
【０１０３】
図１０に示すコヒーレント光源１００Ｅでは、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路２１０の出力信号（変調信号）による変調がかけられず、単一周波数ｆ０の光を発生させる。この周波数ｆ０の光は、電気光学変調器（ＥＯＭ）２７０に入射し、周波数変換回路２１０の出力信号（変調信号）によって変調がかけられる。その結果、図５と同様の周波数スペクトルを有する光を発生させることができる。コヒーレント光源１００Ｅでは、半導体レーザー１１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）２７０による構成が図１の光発生部１０に対応する。なお、電気光学変調器（ＥＯＭ）２７０の代わりに、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）を用いてもよい。
【０１０４】
同様に、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態のコヒーレント光源を電気光学変調器（ＥＯＭ）や音響光学変調器（ＡＯＭ）を用いた構成に変形してもよい。
【０１０５】
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】
【０１０６】
１  コヒーレント光源、１０  光発生部（第１の光発生部）、１２  コヒーレント光、２０  アルカリ金属原子、２２  コヒーレント光、３０  光検出部、４０  制御部（第１の制御部）、４２  中心波長制御部（第１の中心波長制御部）、４４  変調制御部、４６  第１の周波数変換部、４８  発振信号生成部、５０  光出射部、５２  コヒーレント光、６０  第２の光発生部、６２  コヒーレント光、７０  第２の制御部、７２  第２の中心波長制御部、７６  第１の周波数変換部、８０  アルカリ金属原子、１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１０Ｅ  コヒーレント光源、１１０  半導体レーザー、１２０  ガスセル、１３０  光検出器、１４０  検波回路、１５０  電流駆動回路、１６０  低周波発振器、１７０  検波回路、１８０  電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１９０  変調回路、２００  低周波発振器、２１０  周波数変換回路、２２０  ビームスプリッター、２２２，２２４  コヒーレント光、２３０  半導体レーザー、２３２  コヒーレント光、２４０  周波数変換回路、２５０  電流駆動回路、２６０  半導体レーザー、２６２  コヒーレント光、２７０  電気光学変調器（ＥＯＭ）
【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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