(57)【要約】【課題】周波数特性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、また、かかる量子干渉装置を備える原子発振器、電子機器および移動体を提供すること。【解決手段】アルカリ金属が封入されている内部空間を有する原子セルと、前記原子セルに照射する光を出射する光源部と、前記原子セルを透過した光を受光する受光部と、前記光源部と前記内部空間との間に配置されている第１光学素子と、前記光源部と前記第１光学素子との間に配置され、前記光源部からの光を前記第１光学素子との間の位置に集光させる第２光学素子と、を備えることを特徴とする量子干渉装置。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属が封入されている内部空間を有する原子セルと、
前記原子セルに照射する光を出射する光源部と、
前記原子セルを透過した光を受光する受光部と、
前記光源部と前記内部空間との間に配置されている第１光学素子と、
前記光源部と前記第１光学素子との間に配置され、前記光源部からの光を前記第１光学素子との間の位置に集光させる第２光学素子と、を備えることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項２】
前記第２光学素子は、両凸レンズである請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項３】
前記第２光学素子の前記光源部側の面には、反射防止膜が設けられている請求項１または２に記載の量子干渉装置。
【請求項４】
前記第１光学素子は、集光レンズである請求項１ないし３のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項５】
前記第１光学素子の前記第２光学素子側の面が凸面である請求項４に記載の量子干渉装置。
【請求項６】
前記第１光学素子および前記第２光学素子のうちの少なくとも一方は、光を吸収する成分を含んでいる請求項１ないし５のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項７】
前記第１光学素子と前記内部空間との間には、λ／４板および減光フィルターのうちの少なくとも一方が配置されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項８】
前記内部空間と前記受光部との間には、集光レンズである第３光学素子が配置されている請求項１ないし７のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項９】
前記第３光学素子の少なくとも一部は、前記原子セルと一体で構成されている請求項８に記載の量子干渉装置。
【請求項１０】
前記第１光学素子の少なくとも一部は、前記原子セルと一体で構成されている請求項１ないし９のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項１１】
請求項１ないし１０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１２】
請求項１ないし１０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。
【請求項１３】
請求項１ないし１０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移動体。
【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、電子機器および移動体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高い長期周波数安定度を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属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（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載の原子発振器は、気体状のアルカリ金属を封入したセル（原子セル）と、セルに照射する光を出射する半導体レーザー素子と、セルを透過した光を検出する光検出器と、セルと半導体レーザー素子との間に配置されているレンズおよび偏光子と、を備え、光検出器の検出結果に基づいて、半導体レーザー素子の駆動を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の原子発振器では、レンズを透過した光が偏光子で反射し、その反射光が戻り光として半導体レーザー素子に高強度で入射して、半導体レーザー素子からの光の波長または強度を変動させてしまい、その結果、原子発振器の発振特性の悪化を招くという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、周波数特性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、また、かかる量子干渉装置を備える原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の量子干渉装置は、アルカリ金属が封入されている内部空間を有する原子セルと、
前記原子セルに照射する光を出射する光源部と、
前記原子セルを透過した光を受光する受光部と、
前記光源部と前記内部空間との間に配置されている第１光学素子と、
前記光源部と前記第１光学素子との間に配置され、前記光源部からの光を前記第１光学素子との間の位置に集光させる第２光学素子と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
このような特徴を有する量子干渉装置によれば、光源部と第１光学素子との間に配置されている第２光学素子が光源部からの光を第１光学素子との間に集光（集束）させるため、光源部からの光が第１光学素子で反射しても、その反射光を発散（拡散）させることができる。そのため、その反射光が戻り光として光源部に入射する量を少なくし、戻り光による光源部の出力変動（波長変動、強度変動）を低減することができる。その結果、量子干渉装置の周波数特性を向上させることができる。
【０００９】
本発明の量子干渉装置では、前記第２光学素子は、両凸レンズであることが好ましい。
これにより、第２光学素子の焦点距離を短くすることができ、それに伴って、光源部と原子セルとの間の距離も短くすることができる。その結果、量子干渉装置の小型化を図ることができる。また、第２光学素子の光源部側の面が凸面となるため、光源部からの光が第２光学素子で反射しても、その反射光を発散（拡散）させて光源部に入射するのを低減し、戻り光による光源部の出力変動をより低減することができる。
【００１０】
本発明の量子干渉装置では、前記第２光学素子の前記光源部側の面には、反射防止膜が設けられていることが好ましい。
【００１１】
これにより、光源部からの光が第２光学素子で反射するのを低減し、戻り光による光源部の出力変動をより低減することができる。
【００１２】
本発明の量子干渉装置では、前記第１光学素子は、集光レンズであることが好ましい。
これにより、原子セルに入射する光を平行光またはそれに近い状態とすることができる。そのため、量子干渉装置の周波数特性をより向上させることができる。
【００１３】
本発明の量子干渉装置では、前記第１光学素子の前記第２光学素子側の面が凸面であることが好ましい。
【００１４】
これにより、光源部からの光が第１光学素子で反射しても、その反射光をより広い放射角度で発散（拡散）させることができる。そのため、その反射光が戻り光として光源部に入射する量をより少なくすることができる。
【００１５】
本発明の量子干渉装置では、前記第１光学素子および前記第２光学素子のうちの少なくとも一方は、光を吸収する成分を含んでいることが好ましい。
【００１６】
これにより、第１光学素子および第２光学素子のうちの少なくとも一方を減光フィルターとして用いることができる。そのため、減光フィルターを別途設ける必要がなく、戻り光の要因となる反射面の数を減らすことができる。
【００１７】
本発明の量子干渉装置では、前記第１光学素子と前記内部空間との間には、λ／４板および減光フィルターのうちの少なくとも一方が配置されていることが好ましい。
【００１８】
これにより、量子干渉装置の周波数特性をより向上させることができる。また、λ／４板または減光フィルターが第１光学素子に対して原子セル側に配置されることとなるため、λ／４板または減光フィルターに対して光源部からの光を第２光学素子により発散（拡散）させて入射させることができる。そのため、光源部からの光がλ／４板または減光フィルターで反射したとしても、その反射光が光源部に戻り光として入射するのを低減することができる。
【００１９】
本発明の量子干渉装置では、前記内部空間と前記受光部との間には、集光レンズである第３光学素子が配置されていることが好ましい。
【００２０】
これにより、原子セルの内部空間を通過した光を集光して受光部に入射させることができる。そのため、受光部の受光面積を小さくし、受光部で発生するノイズを小さくすることができる。その結果、受光部の受光結果を用いて得られる信号（例えばＥＩＴ信号）のＳ／Ｎ比を大きくし、量子干渉装置の周波数特性をより向上させることができる。
【００２１】
本発明の量子干渉装置では、前記第３光学素子の少なくとも一部は、前記原子セルと一体で構成されていることが好ましい。
【００２２】
これにより、部品点数が少なくなるとともに、量子干渉装置の小型化を図ることができる。
【００２３】
本発明の量子干渉装置では、前記第１光学素子の少なくとも一部は、前記原子セルと一体で構成されていることが好ましい。
【００２４】
これにより、部品点数が少なくなるとともに、量子干渉装置の小型化を図ることができる。
【００２５】
本発明の原子発振器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
このような特徴を有する原子発振器によれば、量子干渉装置の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性（例えば発振特性）を発揮させることができる。
【００２６】
本発明の電子機器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
このような特徴を有する電子機器によれば、量子干渉装置の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性を発揮させることができる。
【００２７】
本発明の移動体は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
このような特性を有する移動体によれば、量子干渉装置の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性を発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置の一例）を示す概略図である。
【図２】図１に示す原子発振器が備える光学素子を説明するための模式図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置の一例）が備える光学素子を説明するための模式図である。
【図４】ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【図５】本発明の移動体の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体を添付図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
１．原子発振器（量子干渉装置）
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、量子干渉装置の一例である原子発振器に本発明を適用した場合を例に説明するが、本発明の量子干渉装置は、原子発振器に限定されず、例えば、磁気センサー、量子メモリー等のデバイスにも適用可能である。
【００３１】
図１は、本発明の第１実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置の一例）を示す概略図である。図２は、図１に示す原子発振器が備える光学素子を説明するための模式図である。
【００３２】
図１に示す原子発振器１は、アルカリ金属原子に対して特定の異なる波長の２つの共鳴光を同時に照射したときに当該２つの共鳴光がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する現象が生じる量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器である。この量子干渉効果による現象は、電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象とも言う。この原子発振器１は、図１に示すように、パッケージ部２と、パッケージ部２に電気的に接続されている制御部１０と、を有する。
【００３３】
パッケージ部２は、光を出射する光源２２（光源部）と、例えばルビジウム原子やセシウム原子等のアルカリ金属原子が封入された原子セル２１（ガスセル）と、光検出器２３（受光部）と、光学素子２４〜２７（第１〜第４光学素子）と、を有し、これらがパッケージ（図示せず）内に収納されている。ここで、光学素子２４、２５、２７（第１〜第３光学素子）は、それぞれ、レンズであり、光学素子２６は、λ／４板である。なお、パッケージ部２が有するパッケージは、光源２２を収納するパッケージと、原子セル２１および光検出器２３を収納するパッケージとからなる２つのパッケージに分割されていてもよく、この場合、光学素子２７は、原子セル２１および光検出器２３と同じパッケージに収納すればよいが、光学素子２４〜２６は、２つのパッケージのいずれか一方に収納されていてもよいし、２つのパッケージの間に配置されていてもよい。
【００３４】
ここで、光源２２は、バイアス電流に変調電流を重畳した駆動電流により駆動される。そして、光源２２は、バイアス電流の電流値に応じた中心波長の光と、その光の波長に対して両側に変調電流の周波数に応じた波長分だけずれた波長の２つのサイドバンド光（第１光および第２光）とを出射する。当該２つのサイドバンド光は、光学素子２４、２５、２６、原子セル２１内および光学素子２７をこの順で通過して、光検出器２３で検出される。
【００３５】
制御部１０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、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と、低周波発振器４５と、位相同期回路４６（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有し、これらがパッケージ部２のパッケージの外部に設けられている。なお、制御部１０の少なくとも一部がパッケージ部２のパッケージ内に収納されていてもよい。
【００３６】
ここで、駆動回路３５は、光源２２に、バイアス電流に変調電流を重畳した駆動電流を供給する。検波回路３１、変調回路３２および低周波発振器３３は、光検出器２３の検出結果に基づいて、駆動回路３５のバイアス電流の電流値を調整する「バイアス電流調整部３０」として機能する。また、検波回路４２、電圧制御型水晶発振器４３、変調回路４４、低周波発振器４５および位相同期回路４６は、光検出器２３の検出結果に基づいて、原子セル２１内のアルカリ金属原子の２つの基底準位間の遷移周波数に応じたマイクロ波信号を生成する「信号生成部４０」として機能する。この信号生成部４０は、前述した２つのサイドバンド光および原子セル２１内のアルカリ金属原子によるＥＩＴ現象が生じるように、変調電流として用いるマイクロ波信号の周波数を調整するとともに、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の出力信号を所定の周波数で安定させ、その出力信号を原子発振器１のクロック信号として出力する。
【００３７】
以下、原子発振器１の各部を順次説明する。
〈パッケージ部〉
図１に示すパッケージ部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（光検出部）とを有する。
【００３８】
（光源部）
光源２２（光源部）は、バイアス電流に変調電流を重畳した駆動電流の供給を受けて、前述したような２つのサイドバンド光を互いに周波数（波長）の異なる第１光および第２光として出射する機能を有する。ここで、光源２２が出射する光（第１光および第２光）は、直線偏光である。この光源２２としては、前述した機能を有する光源であればよく、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の半導体レーザー等の発光素子が挙げられる。なお、光源２２に用いる発光素子は、直線偏光の光を直接出射するものであってもよいし、非偏光の光を出射するものであってもよい。非偏光の光を出射する発光素子を用いる場合、その発光素子と光学素子２６との間に偏光子を配置すればよい。また、「直線偏光」とは、電磁波（光）の振動面が一平面内にある光であり、言い換えれば、電場（または磁場）の振動方向が一定な光である。
【００３９】
（原子セル）
原子セル２１内（内部空間Ｓ）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。
【００４０】
図２に示すように、原子セル２１は、柱状の貫通孔２１２を有する胴体部２１１と、その胴体部２１１の貫通孔２１２の両開口を封鎖して気密封止された内部空間Ｓを形成している１対の窓部２１３、２１４と、を有する。ここで、１対の窓部２１３、２１４のうち、一方の窓部２１３には、内部空間Ｓへ入射する光ＬＬが透過し、他方の窓部２１４には、内部空間Ｓから出射した光ＬＬが透過する。したがって、各窓部２１３、２１４の構成材料としては、光ＬＬに対する透過性を有していればよく、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。一方、胴体部２１１の構成材料としては、特に限定されず、金属材料、樹脂材料、ガラス材料、シリコン材料、水晶等が挙げられるが、加工性や各窓部２１３、２１４との接合の観点から、ガラス材料、シリコン材料を用いるのが好ましい。また、胴体部２１１と各窓部２１３、２１４との接合方法としては、これらの構成材料に応じて決められるものであり、特に限定されないが、例えば、直接接合法、陽極接合法等を用いることができる。
【００４１】
本実施形態では、原子セル２１の窓部２１４がレンズ形状（平凸レンズ）をなしていて光学素子２７となっている。これにより、光学素子２７が原子セル２１と一体で構成されている。
【００４２】
このような原子セル２１に収納されているアルカリ金属原子は、互いに異なる２つの基底準位（第１基底準位および第２基底準位）と、励起準位とからなる３準位系のエネルギー準位を有する。第１基底準位は、第２基底準位よりも低いエネルギー準位である。ここで、第１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ω１を有する共鳴光（第１共鳴光）、および、第２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ω２を有する共鳴光（第２共鳴光）を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると光吸収が起きる。これに対し、第１共鳴光および第２共鳴光（共鳴光対）を同時に照射すると、第１共鳴光および第２共鳴光の双方がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する電磁誘起透過（ＥＩＴ）現象が生じる。
【００４３】
このＥＩＴ現象は、第１共鳴光および第２共鳴光をアルカリ金属原子に同時に照射し、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周波数ω２との周波数差（ω１−ω２）が、第１基底準位と第２基底準位とのエネルギー差ΔＥに相当する周波数ω０に一致したときに起きる。したがって、周波数差（ω１−ω２）に応じて第１共鳴光および第２共鳴光のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）は変化し、周波数差（ω１−ω２）が周波数ω０に一致したときにＥＩＴ現象が起き、アルカリ金属原子を透過した第１共鳴光および第２共鳴光の強度が急峻に上昇する。このようなＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号をＥＩＴ信号と呼ぶ。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属原子の種類によって決まった固有値をもっている。それゆえ、このようなＥＩＴ信号を基準として用いることにより、高精度な発振器を構成することができる。
【００４４】
例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子である場合、エネルギー差ΔＥに相当する周波数ω０は９．１９２６ＧＨｚであるので、セシウム原子に、周波数差（ω１−ω２）が９．１９２６ＧＨｚである２種類の光を同時に照射すると、ＥＩＴ信号が検出される。
【００４５】
また、原子セル２１は、原子セル２１の温度を検出する温度センサー（図示せず）の検出結果に基づいて駆動されるヒーター（図示せず）により加熱されている。これにより、原子セル２１中のアルカリ金属を適切な濃度のガス状に維持することができる。また、原子セル２１の近傍には、例えば、通電によりアルカリ金属に磁場を印加するコイル等を有する磁場発生部（図示せず）が設けられている。この磁場発生部からの磁場によって、アルカリ金属原子の縮退している異なる複数のエネルギー準位間のギャップをゼーマン分裂により拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。
【００４６】
（受光部）
光検出器２３（受光部）は、原子セル２１内を透過した光（第１光および第２光）を受光して検出し、その検出した光の強度に応じた検出信号を出力する機能を有する。この光検出器２３としては、前述した光の強度を検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、フォトダイオード等の光検出器（受光素子）が挙げられる。
【００４７】
（光学素子）
複数の光学素子２４〜２７は、それぞれ、光源２２と光検出器２３との間における光ＬＬの光路上に設けられている。ここで、光学素子２４〜２６は、原子セル２１の内部空間Ｓに対して光源２２側に配置され、光源２２側から原子セル２１側へこの順に並んでいる。光学素子２７は、原子セル２１の内部空間Ｓに対して光検出器２３側に配置されている。なお、光学素子２５と光学素子２６との間、または、光学素子２６と原子セル２１との間に、減光フィルター等の他の光学素子が設けられていてもよい。また、図示では、各光学素子２４〜２７の面が光ＬＬの光軸に垂直な面に沿って配置されているが、光学素子２４〜２７のうちの少なくとも１つの面が光ＬＬの光軸に垂直な面に対して傾斜した姿勢で配置されていてもよい。
【００４８】
光学素子２４（第２光学素子）は、両凸レンズであって、特に本実施形態ではボールレンズである。したがって、光学素子２４の原子セル２１側および光源２２側の面は、それぞれ、凸面（湾曲凸面）である。特に、光学素子２４は、光源２２からの光ＬＬを、光学素子２４と光学素子２５との間の位置にある集光点ＦＰ（ビームウエスト）で集光（集束）させるように構成されている。なお、光学素子２４は、光源２２からの光ＬＬを、光学素子２４と光学素子２５との間の位置にある集光点ＦＰ（最もビーム径が小さい位置）で集光（集束）させることができれば、ボールレンズに限定されず、ボールレンズ以外の両凸レンズであってもよいし、平凸レンズであってもよい。さらには、複数枚のレンズ（両凸レンズ、平凸レンズ等）を組み合わせたものであってもよい。
【００４９】
本実施形態では、光学素子２４の光源２２側の面には、光源２２からの光の反射を低減する反射防止膜２４１（反射低減部）が設けられている。この反射防止膜２４１は、例えば、二酸化ケイ素膜、タンタルオキサイド膜等の誘電体膜が積層された誘電体多層膜で構成され、誘電体多層膜の各層の材料（屈折率）および厚さや層数を適宜設定することにより、所望の反射防止機能を発揮する。なお、光学素子２４の原子セル２１側の面にも、反射防止膜２４１と同様の反射防止膜を設けてもよい。この場合、光学素子２４の外表面のほぼ全域にわたって反射防止膜を設けることで、光学素子２４を設置する際、光学素子２４の姿勢の調整が不要となり、その設置が容易となるという利点がある。
【００５０】
光学素子２５（第１光学素子）は、光源２２側を凸面、原子セル２１側を平坦面とする平凸レンズである。特に、光学素子２５は、光源２２からの光ＬＬを平行光またはそれに近い状態とするように構成されている。すなわち、光学素子２５は、集光点ＦＰから光学素子２５に向かって発散（拡散）する光ＬＬの放射角度を調整（小さく）するように構成されている。なお、光学素子２５は、前述したように光ＬＬの放射角度を調整することができればよく、原子セル２１側を凸面とする平凸レンズであってもよいし、両凸レンズであってもよい。さらには、複数枚のレンズ（両凸レンズ、平凸レンズ等）を組み合わせたものであってもよい。また、光学素子２５の原子セル２１側および光源２２側の面のうちの少なくとも一方に、前述した反射防止膜２４１と同様の反射防止膜を設けてもよい。
【００５１】
光学素子２６は、λ／４板である。これにより、光源２２からの光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。前述したように原子セル２１内のアルカリ金属原子がゼーマン分裂した状態において、円偏光の共鳴光対がアルカリ金属原子に照射されると、アルカリ金属原子がゼーマン分裂した複数の準位のうち、所望のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数を他のエネルギー準位のアルカリ金属原子の数に対して相対的に多くすることができる。そのため、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数が増大し、所望のＥＩＴ信号が大きくなり、その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
【００５２】
光学素子２７（第３光学素子）は、前述したように原子セル２１と一体で構成され、原子セル２１の内部空間Ｓ側を平坦面、それと反対側（光検出器２３側）を凸面とする平凸レンズである。特に、光学素子２７は、原子セル２１の内部空間Ｓを通過した光ＬＬを光検出器２３に向けて集光するように構成された集光レンズである。すなわち、光学素子２７は、光検出器２３上におけるスポット径が小さくなるように光ＬＬを集光するように構成されている。なお、光学素子２７は、前述したように光検出器２３上での光ＬＬのスポット径を小さくすることができればよく、内部空間Ｓ側を凸面とする平凸レンズであってもよいし、両凸レンズであってもよい。また、光学素子２７は、原子セル２１（窓部２１４）とは別体で構成されていてもよく、さらには、複数枚のレンズ（両凸レンズ、平凸レンズ等）を組み合わせたものであってもよい。また、光学素子２７の内部空間Ｓ側およびそれと反対側の面のうちの少なくとも一方に、前述した反射防止膜２４１と同様の反射防止膜を設けてもよい。
【００５３】
〈制御部〉
制御部１０は、前述したように、バイアス電流調整部３０と、駆動回路３５と、信号生成部４０と、を有する。
【００５４】
（バイアス電流調整部）
バイアス電流調整部３０は、検波回路３１と、変調回路３２と、低周波発振器３３と、を有する。検波回路３１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３３の出力信号（発振信号）を用いてその周波数で光検出器２３の出力信号を同期検波する。変調回路３２は、検波回路３１による検波を可能とするために、低周波発振器３３の出力信号（発振信号）を変調信号として検波回路３１の出力信号を変調する。
【００５５】
（駆動回路）
駆動回路３５は、変調回路３２の出力信号に応じてバイアス電流を微調整して、光源２２に供給するバイアス電流を設定する（光源２２から出射する光の中心波長を設定する）。このように、光源２２、原子セル２１、光検出器２３、検波回路３１、変調回路３２および駆動回路３５を通るフィードバックループにより、光源２２が出射する光の中心波長が制御（微調整）されて安定する。なお、このようなフィードバックループを用いずに、バイアス電流の調整を行ってもよい。
【００５６】
また、駆動回路３５は、前述したように微調整したバイアス電流に、信号生成部４０からの変調電流を重畳して光源２２に供給する。この変調電流により、光源２２から出射される光に周波数変調がかかると、バイアス電流に応じた中心周波数の光とともに、その両側にそれぞれ周波数が変調電流の周波数ずつずれた周波数の複数組の光がサイドバンド光として発生する。
【００５７】
（信号生成部）
信号生成部４０は、検波回路４２と、電圧制御型水晶発振器４３と、変調回路４４、低周波発振器４５と、位相同期回路４６と、を有する。検波回路４２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４５の発振信号を用いてその周波数（第１周期ごとに）で光検出器２３の出力信号を同期検波する。そして、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）は、検波回路４２の出力信号の大きさに応じて、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の発振周波数が微調整される。電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する。
【００５８】
変調回路４４は、検波回路４２による検波を可能とするために、低周波発振器４５の発振信号を変調信号として電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の出力信号を変調する。
【００５９】
位相同期回路４６は、一定の周波数変換率（逓倍比）で変調回路４４の出力信号を変換して出力する。これにより、位相同期回路４６は、変調回路４４の出力を逓倍して変調電流をマイクロ波信号として生成する。例えば、位相同期回路４６は、原子セル２１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。なお、位相同期回路４６は、変調回路４４の出力信号を、原子セル２１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。
【００６０】
このような位相同期回路４６の出力信号は、変調周波数ｆｍの電流（変調電流）として駆動回路３５に入力される。このように、光源２２、原子セル２１、光検出器２３、検波回路４２、電圧制御型水晶発振器４３、変調回路４４、位相同期回路４６および駆動回路３５を通るフィードバックループにより、光源２２が出射する１組のサイドバンド光が、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対になるように制御（微調整）される。
【００６１】
上述したように、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２３で検出し、そのＥＩＴ信号を基準信号として利用して、電圧制御型水晶発振器４３の出力信号を所定の周波数で安定させる。そして、電圧制御型水晶発振器４３の出力信号は、外部に出力される。その際、電圧制御型水晶発振器４３の出力信号は、必要に応じて、例えばＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）等の周波数変換回路（図示せず）によって所定の周波数変換率で所望の周波数に周波数変換してもよい。
【００６２】
以上のように、「量子干渉装置」の一種である原子発振器１は、アルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを有する原子セル２１と、原子セル２１に照射する光ＬＬを出射する「光源部」である光源２２と、原子セル２１を透過した光ＬＬを受光する「受光部」である光検出器２３と、光源２２と内部空間Ｓとの間に配置されている「第１光学素子」である光学素子２５と、光源２２と光学素子２５との間に配置され、光源２２からの光ＬＬを光学素子２５との間の位置（集光点ＦＰ）に集光させる「第２光学素子」である光学素子２４と、を備える。
【００６３】
このような原子発振器１によれば、図２に示すように、光源２２と光学素子２５との間に配置されている光学素子２４が光源２２からの光ＬＬを光学素子２４と光学素子２５との間の位置に集束（集光）させるため、光源２２からの光ＬＬが光学素子２５の入射面（光学素子２４側の面）に拡角で（平行光ではなく）入射する。これにより、光学素子２５の入射面で光ＬＬが反射しても、その反射光ＬＬＲ２を発散（拡散）させることができる。そのため、その反射光ＬＬＲ２が戻り光として光源２２に入射する量を少なくし、戻り光による光源２２の出力変動（波長変動、強度変動）を低減することができる。その結果、原子発振器１の周波数特性を向上させることができる。
【００６４】
なお、量子干渉装置の一種（一例）である原子発振器１は、量子干渉装置を備えていると言える。そして、原子発振器１は、量子干渉装置の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性（例えば発振特性）を発揮させることができる。
【００６５】
また、光学素子２５を光ＬＬの光軸に垂直な面に対して傾斜した姿勢で設置しなくても、光源２２への戻り光を少なくすることができることから、原子発振器１の小型化を容易に図れるという利点もある。
【００６６】
ここで、光学素子２４による光ＬＬの集光点ＦＰを光学素子２４と光学素子２５との間に位置させる上で、光源２２は、光学素子２４の光源２２側の焦点上またはそれよりも光学素子２４とは反対側に配置されていることが必要である。また、原子発振器１の小型化を図るために、集光点ＦＰをできるだけ光学素子２４側（光学素子２４の光源２２とは反対側の焦点）に近づけることが好ましい。
【００６７】
また、光学素子２４（第２光学素子）は、両凸レンズである。これにより、光学素子２４の焦点距離を短くすることができ、それに伴って、光源２２と原子セル２１との間の距離も短くすることができる。その結果、原子発振器１の小型化を図ることができる。また、光学素子２４の光源２２側の面が凸面となるため、光源２２からの光ＬＬが光学素子２４で反射しても、その反射光ＬＬＲ１を発散（拡散）させて光源２２に入射するのを低減し、戻り光による光源２２の出力変動をより低減することができる。
【００６８】
特に、本実施形態では、光学素子２４は、ボールレンズである。これにより、光学素子２４の焦点距離を効果的に短くすることができる。また、光学素子２４の設置も容易となる。ここで、ボールレンズである光学素子２４の直径（両凸レンズの場合、光ＬＬの光軸に沿った方向での最大長さ）は、特に限定されないが、原子発振器１の小型化の観点から、原子セル２１の内部空間Ｓの幅（光ＬＬの光軸に対して垂直な方向での長さ）に対して、０．３倍以上２倍以下であることが好ましく、０．５倍以上１．５倍以下であることがより好ましい。
【００６９】
また、光学素子２４（第２光学素子）の光源２２（光源部）側の面には、反射防止膜２４１が設けられている。これにより、光源２２からの光ＬＬが光学素子２４で反射するのを低減し、戻り光による光源２２の出力変動をより低減することができる。
【００７０】
また、光学素子２５（第１光学素子）は、集光レンズである。これにより、原子セル２１に入射する光ＬＬを平行光またはそれに近い状態とすることができる。そのため、原子発振器１の周波数特性をより向上させることができる。
【００７１】
特に、光学素子２５（第１光学素子）の光学素子２４（第２光学素子）側の面（入射面）が凸面である。これにより、光源２２からの光ＬＬが光学素子２５で反射しても、当該面が平坦面である場合に比べて、その反射光ＬＬＲ２をより広い放射角度で発散（拡散）させることができる。そのため、その反射光ＬＬＲ２が戻り光として光源２２に入射する量をより少なくすることができる。その結果、戻り光による光源２２の出力変動をより低減することができる。
【００７２】
また、光学素子２４（第２光学素子）および光学素子２５（第１光学素子）のうちの少なくとも一方は、光を吸収する成分を含んでいることが好ましい。これにより、光学素子２４および光学素子２５のうちの少なくとも一方を減光フィルターとして用いることができる。そのため、減光フィルターを別途設ける必要がなく、戻り光の要因となる反射面の数を減らすことができる。ここで、光を吸収する成分としては、光ＬＬの波長域に対する吸収性（言い換えると光を熱に変換する機能）を有する材料であれば特に限定されず、各種有機材料および各種無機材料を用いることができる。
【００７３】
また、光学素子２５（第１光学素子）と原子セル２１の内部空間Ｓとの間には、λ／４板である光学素子２６が配置されている。これにより、前述したように、内部空間Ｓに入射する光ＬＬを円偏光とすることができ、内部空間Ｓにあるアルカリ金属がゼーマン分裂されていることと相まって、原子発振器１の周波数特性をより向上させることができる。また、λ／４板である光学素子２６が光学素子２５に対して原子セル２１側に配置されることとなるため、光学素子２６に対して光源２２からの光ＬＬを光学素子により発散（拡散）させて入射させることができる。そのため、光源２２からの光ＬＬが光学素子２６（λ／４板）で反射したとしても、その反射光が光源２２に戻り光として入射するのを低減することができる。なお、光学素子２６に代えてまたは加えて、光学素子２５と原子セル２１の内部空間Ｓとの間に減光フィルターを配置してもよく、この場合、前述した光学素子２６と同様に、その減光フィルターでの反射光が光源２２への戻り光となるのを低減することができる。
【００７４】
さらに、原子セル２１の内部空間Ｓと光検出器２３（受光部）との間には、「第３光学素子」である光学素子２７が配置されている。この光学素子２７は、集光レンズである。これにより、原子セル２１の内部空間Ｓを通過した光を集光して光検出器２３に入射させることができる。そのため、光検出器２３の受光面積を小さくし、光検出器２３で発生する暗電流に起因するノイズを小さくすることができる。その結果、光検出器２３の受光結果を用いて得られる信号（例えばＥＩＴ信号）のＳ／Ｎ比を大きくし、原子発振器１の周波数特性をより向上させることができる。
【００７５】
ここで、光検出器２３の受光面での光ＬＬの径は、原子セル２１の内部空間Ｓでの光ＬＬの径よりも小さければよいが、原子セル２１の内部空間Ｓでの光ＬＬの径に対して、０．１倍以上０．８倍以下であることが好ましく、０．２倍以上０．６倍以下であることが好ましい。これにより、光検出器２３の飽和点以下で光ＬＬの強度を検出し、前述したようなＳ／Ｎ比を大きくする効果を好適に発揮させることができる。
【００７６】
本実施形態では、光学素子２７（第３光学素子）は、原子セル２１と一体で構成されている。これにより、部品点数が少なくなるとともに、原子発振器１の小型化を図ることができる。
【００７７】
以上、本発明の第１実施形態について説明した。なお、前述した実施形態では、光学素子２５を「第１光学素子」と捉えたが、光学素子２６または原子セル２１の窓部２１３を「第１光学素子」と捉えることもできる。このように捉えたとしても、第１光学素子と第２光学素子との関係において、前述したのと同様の作用効果がある。ただし、原子セル２１と光学素子２４との間に配置されている光学素子２５、２６および窓部２１３のうち、最も光学素子２４に近い光学素子２５は、入射する光ＬＬの光量が最も多いため、光学素子２５での効果が最も高い。すなわち、第２光学素子と原子セルの内部空間との間に複数の光学素子が配置されている場合、その複数の光学素子のうち、最も第２光学素子に近い光学素子を第１光学素子として捉え、第２光学素子による集光点が第１光学素子と第２光学素子との間に位置していることが好ましいと言える。
【００７８】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００７９】
図３は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置の一例）が備える光学素子を説明するための模式図である。
【００８０】
本実施形態は、光学素子の配置および原子セルの構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【００８１】
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項に関してはその説明を省略する。また、図３において、前述した実施形態と同様の構成については、同一符号を付している。
【００８２】
図３に示す原子発振器１Ａは、光源２２（光源部）と、原子セル２１Ａと、光検出器２３（受光部）と、光学素子２４〜２８と、を有する。
【００８３】
原子セル２１Ａは、柱状の貫通孔２１２を有する胴体部２１１と、その胴体部２１１の貫通孔２１２の両開口を封鎖して気密封止された内部空間Ｓを形成している１対の窓部２１３Ａ、２１４と、を有する。
【００８４】
本実施形態では、原子セル２１の窓部２１３Ａもレンズ形状（平凸レンズ）をなしている。そして、窓部２１３Ａが光学素子２５となっている。これにより、光学素子２５は、原子セル２１Ａと一体で構成されている。これにより、部品点数が少なくなるとともに、原子発振器１Ａの小型化を図ることができる。
【００８５】
また、本実施形態では、光学素子２６、２８は、光学素子２４と光学素子２５との間に配置されている。ここで、光学素子２８は、光学素子２４と光学素子２６との間に配置されている。この光学素子２８は、減光フィルターである。これにより、減光した光ＬＬをλ／４板である光学素子２６に入射させることができる。そのため、光学素子２６での反射光を低減することができる。光学素子２８に用いる減光フィルターは、吸収型および反射型のうちのいずれを用いてもよいが、光源２２への戻り光を低減する観点から、吸収型を用いることが好ましい。なお、光学素子２８として反射型の減光フィルターを用いる場合、後述するような集光点ＦＰを光学素子２４と光学素子２８との間に位置させることによる効果が顕著となると言える。
【００８６】
以上のように、「量子干渉装置」の一種である原子発振器１Ａは、アルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを有する原子セル２１Ａと、原子セル２１Ａに照射する光ＬＬを出射する「光源部」である光源２２と、原子セル２１Ａを透過した光ＬＬを受光する「受光部」である光検出器２３と、光源２２と内部空間Ｓとの間に配置されている「第１光学素子」である光学素子２８と、光源２２と光学素子２８との間に配置され、光源２２からの光ＬＬを光学素子２８との間の位置（集光点ＦＰ）に集光させる「第２光学素子」である光学素子２４と、を備える。
【００８７】
このような原子発振器１Ａによれば、図３に示すように、光源２２と光学素子２８との間に配置されている光学素子２４が光源２２からの光ＬＬを光学素子２４と光学素子２８との間の位置に集束（集光）させるため、光源２２からの光ＬＬが光学素子２８の入射面（光学素子２４側の面）に拡角で入射する。これにより、光学素子２８の入射面で光ＬＬが反射しても、その反射光ＬＬＲ２を発散（拡散）させることができる。そのため、その反射光ＬＬＲ２が戻り光として光源２２に入射する量を少なくし、戻り光による光源２２の出力変動（波長変動、強度変動）を低減することができる。その結果、原子発振器１Ａの周波数特性を向上させることができる。
【００８８】
なお、量子干渉装置の一例（一種）である原子発振器１Ａは、量子干渉装置を備えていると言える。そして、原子発振器１Ａは、量子干渉装置の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性（例えば発振特性）を発揮させることができる。
【００８９】
以上、本発明の第２実施形態について説明した。なお、前述した実施形態では、光学素子２８を「第１光学素子」と捉えたが、光学素子２６または原子セル２１Ａの窓部２１３Ａ（光学素子２５）を「第１光学素子」と捉えることもできる。このように捉えたとしても、第１光学素子と第２光学素子との関係において、前述したのと同様の作用効果がある。
【００９０】
窓部２１３（光学素子２５）を「第１光学素子」と捉えた場合、第１光学素子は、原子セル２１Ａと一体で構成されていると言える。これにより、部品点数を少なくするとともに、原子発振器１Ａの小型化を図ることができる。
【００９１】
２．電子機器
以上説明したような原子発振器１または１Ａは、各種電子機器に組み込むことができる。以下、本発明の電子機器について説明する。
【００９２】
図４は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【００９３】
図４に示す測位システム１１００は、ＧＰＳ衛星１２００と、基地局装置１３００と、ＧＰＳ受信装置１４００とで構成されている。
【００９４】
ＧＰＳ衛星１２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置１３００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１３０１を介してＧＰＳ衛星１２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置１３０２と、この受信装置１３０２で受信した測位情報をアンテナ１３０３を介して送信する送信装置１３０４とを備える。
【００９５】
ここで、受信装置１３０２は、その基準周波数発振源として前述した本発明の原子発振器１を備える電子機器である。また、受信装置１３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置１３０４により送信される。
【００９６】
ＧＰＳ受信装置１４００は、ＧＰＳ衛星１２００からの測位情報をアンテナ１４０１を介して受信する衛星受信部１４０２と、基地局装置１３００からの測位情報をアンテナ１４０３を介して受信する基地局受信部１４０４とを備える。
【００９７】
以上のような測位システム１１００が備える「電子機器」である受信装置１３０２は、「量子干渉装置」の一種である原子発振器１を備える。これにより、原子発振器１の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性を発揮させることができる。なお、受信装置１３０２は、原子発振器１に代えて原子発振器１Ａを備えてもよい。
【００９８】
なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局等に適用することができる。
【００９９】
３．移動体
図５は、本発明の移動体の一例を示す図である。
【０１００】
この図において、移動体１５００は、車体１５０１と、４つの車輪１５０２とを有しており、車体１５０１に設けられた図示しない動力源（エンジン）によって車輪１５０２を回転させるように構成されている。このような移動体１５００には、原子発振器１が内蔵されている。
【０１０１】
以上のような移動体１５００は、「量子干渉装置」の一種である原子発振器１を備える。これにより、原子発振器１の効果（例えば優れた周波数特性）を享受して、優れた特性を発揮させることができる。なお、移動体１５００は、原子発振器１に代えて原子発振器１Ａを備えてもよい。
【０１０２】
以上、本発明の量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体について、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。
【０１０３】
また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
【符号の説明】
【０１０４】
１…原子発振器、１Ａ…原子発振器、２…パッケージ部、１０…制御部、２１…原子セル、２１Ａ…原子セル、２２…光源（光源部）、２３…光検出器（受光部）、２４…光学素子（第２光学素子）、２５…光学素子（第１光学素子）、２６…光学素子、２７…光学素子（第３光学素子）、２８…光学素子（第１光学素子）、３０…バイアス電流調整部、３１…検波回路、３２…変調回路、３３…低周波発振器、３５…駆動回路、４０…信号生成部、４２…検波回路、４３…電圧制御型水晶発振器、４４…変調回路、４５…低周波発振器、４６…位相同期回路、２１１…胴体部、２１２…貫通孔、２１３…窓部、２１３Ａ…窓部、２１４…窓部、２４１…反射防止膜、１１００…測位システム、１２００…ＧＰＳ衛星、１３００…基地局装置、１３０１…アンテナ、１３０２…受信装置、１３０３…アンテナ、１３０４…送信装置、１４００…ＧＰＳ受信装置、１４０１…アンテナ、１４０２…衛星受信部、１４０３…アンテナ、１４０４…基地局受信部、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、ＦＰ…集光点、ＬＬ…光、ＬＬＲ１…反射光、ＬＬＲ２…反射光、Ｓ…内部空間
【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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