(57)【要約】【課題】磁場の発生を抑制した加温手段を備えた量子干渉装置および原子発振器を提供する。【解決手段】量子干渉装置は、筐体と、筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、容器に収容されている金属原子と、金属原子に電磁誘起透明化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、金属原子を透過した光を検出する光検出部と、容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、熱媒を備え、熱媒を循環させる循環機構を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、
前記容器に収容されている金属原子と、
前記金属原子に電磁誘起透明化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、
前記金属原子を透過した前記光を検出する光検出部と、
前記容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、
熱媒を備え、
前記熱媒を循環させる循環機構を有していることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項２】
前記循環機構には温調部が設けられ、前記温調部によって前記熱媒の温度調整をおこなうとともに、前記温度調整された前記熱媒によって前記容器の温度調整をおこなうことを特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項３】
前記循環機構と前記筐体との間に流路部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の量子干渉装置。
【請求項４】
前記循環機構には熱源部が設けられ、前記熱源部の熱源の少なくとも一部として前記量子干渉装置から生じる熱を利用することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
【請求項５】
前記循環部は、ＭＥＭＳ構造体で構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
【請求項６】
筐体と、
前記筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、
前記容器に収容されている金属原子と、
前記金属原子に電磁誘起透過化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、
前記金属原子を透過した前記光を検出する光検出部と、
前記容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、
前記筐体と前記容器との間の空間に設けられた熱媒体と、
前記熱媒体を循環させる循環機構と、を備えている量子干渉装置を含むことを特徴とする原子発振器。
【請求項７】
請求項６に記載した原子発振器を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項８】
請求項６に記載した原子発振器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、量子干渉装置を搭載した原子発振器、原子発振器を搭載した電子機器および移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話など移動体通信網やテレビ放送網等のデジタルネットワーク化の進展に伴い、伝送装置のクロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用される基準クロック源等として、高精度・高安定な発振器が必要不可欠なものとなっている。このような発振器として、発振周波数の精度・安定度が高い原子発振器が多く用いられている。原子発振器は、搭載される通信機器の高周波化および高性能化に伴い、より高い発振周波数の精度・安定度が求められている。
この高精度および高安定の要求に対し特許文献１には、原子発振器を構成する量子干渉装置のガスセルの光透過面にペルチェ素子を設け、ガスセル内に収容されている金属原子を加温することでガスセル内における金属原子の分圧を維持している構造の原子発振器が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−３３５９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した原子発振器は、ガスセル内の金属原子の分圧が維持されているため、ガスセル内に収容された金属原子の蒸気中を光が透過することで生じる電磁誘起透明化現象を安定して生じさせることができる。
しかしながら、上述した原子発振器においてガスセルの保持部材に設けられた金属原子の加温手段であるペルチェ素子への通電に応じてその周囲には磁場が生じる。原子発振器は、加温手段から発生した磁場によって金属原子の電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することから、ガスセルを透過する光の電磁誘起透明化現象における周波数が変移する虞があった。また、加温手段としてのペルチェ素子への通電は、ガスセルが設けられた環境温度に応じて変化することから、通電に応じて生じる磁場も変化し、ガスセル内の金属原子に与えられる磁場が変化し、磁誘起透明化現象における周波数が変動する要因となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した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、以下の形態、または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
本適用例に係る量子干渉装置は、筐体と、筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、容器に収容されている金属原子と、金属原子に電磁誘起透明化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、金属原子を透過した光を検出する光検出部と、容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、熱媒を備え、熱媒を循環させる循環機構を有していることを特徴とする。
【０００７】
この様な量子干渉装置によれば、熱媒によって容器の加温および冷却をおこなうことで、容器に収容されている金属原子を所望の温度に保つとともに、容器内における金属原子の分圧を保つことができる。また、熱媒による加熱は、例えばＩＴＯ膜などを用いた抵抗体による加熱と比べて磁場の発生が抑制される。すなわち、熱媒に通電することがないため、熱媒からの磁場の発生を抑制することができる。
したがって、磁場発生部によって容器内に発生させる磁場への影響を抑制するとともに、容器内の磁場の変動を抑制することで、容器に収容された金属原子の電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することを抑制することができる。よって、金属原子に照射された共鳴光を含む光が金属原子に吸収されず透過する電磁誘起透明化現象が生じる周波数の変移を抑制することができる。
【０００８】
［適用例２］
上記適用例に係る量子干渉装置において、循環機構には温調部が設けられ、温調部によって熱媒の温度調整をおこなうとともに、温度調整された熱媒によって容器の温度調整をおこなうことが好ましい。
【０００９】
この様な量子干渉装置によれば、熱媒を循環させる循環機構に温調部が設けられているため、容器の加温および冷却をおこなう温度範囲を拡張することができる。また、容器に収容された金属原子を所望の温度に保つとともに、容器内における金属原子の分圧をさらに安定させることができる。
【００１０】
［適用例３］
上記適用例に係る量子干渉装置において、循環機構と筐体との間に流路部が設けられていることが好ましい。
【００１１】
この様な量子干渉装置によれば、循環機構は流路部を介して筐体と接続することができる。したがって、循環機構など量子干渉装置の構成要素の配置の自由度が高めることができるとともに、構成要素の配置によって容器内に発生させる磁場の変動をさらに抑制することができる。
【００１２】
［適用例４］
上記適用例に係る量子干渉装置において、循環機構には熱源部が設けられ、熱源部の熱源の少なくとも一部として当該量子干渉装置から生じる熱を利用することが好ましい。
【００１３】
この様な量子干渉装置によれば、循環機構に設けられた熱源部は、量子干渉装置の構成要素から生じる熱を熱源の一部として用いることで、量子干渉装置で消費される電力などのエネルギーを低減させることができる。
【００１４】
［適用例５］
上記適用例に係る量子干渉装置において、循環部は、ＭＥＭＳ構造体で構成されていることが好ましい。
【００１５】
この様な量子干渉装置によれば、循環部はＭＥＭＳ構造体で構成されているため、モーターなどを含み構成されている場合と比べて磁場の発生を抑制することができる。したがって、容器内に発生させる磁場の変動をさらに抑制することができる。
【００１６】
［適用例６］
本適用例に係る原子発振器は、筐体と、筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、容器に収容されている金属原子と、金属原子に電磁誘起透過化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、金属原子を透過した光を検出する光検出部と、容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、筐体と容器との間の空間に設けられた熱媒体と、熱媒体を循環させる循環機構と、を備えている量子干渉装置を含むことを特徴とする。
【００１７】
この様な原子発振器によれば、筐体と容器との隙間に設けられた熱媒によって、容器の加温および冷却をおこなうことで容器に収容されている金属原子を所望の温度に保つとともに、容器内における金属原子の分圧を保つことができる。また、熱媒による加熱は、例えばＩＴＯ膜などを用いた抵抗体による加熱と比べて磁場の発生が抑制される。すなわち、熱媒に通電することがないため、熱媒からの磁場の発生を抑制することができる。
したがって、磁場発生部によって容器内に発生させる磁場への影響を抑制するとともに、容器内の磁場の変動を抑制することで、容器に収容されている金属原子の電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することを抑制することができる。また、金属原子に照射された共鳴光を含む光が金属原子に吸収されず透過する電磁誘起透明化現象が生じる周波数の変移を抑制することができる。
よって、電磁誘起透明化現象によって得られる信号の周波数の変移が抑制された当該信号に基づいて高精度な信号を発振することができる原子発振器を得ることができる。
【００１８】
［適用例７］
本適用例に係る電子機器は、上述した原子発振器を備えることを特徴とする。
【００１９】
この様な電子機器によれば、上述した原子発振器を備えることで、高精度な発振信号に基づいて電子機器を動作させることができる。したがって、電子機器の信頼性を高めることができる。
【００２０】
［適用例８］
本適用例に係る移動体は、上述した原子発振器を備えていることを特徴とする。
【００２１】
この様な移動体によれば、上述した原子発振器を備えることで、高精度な発振信号に基づいて移動体を動作させることができる。したがって、電子機器の信頼性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態に係る量子干渉装置を模式的に示すブロック図。
【図２】第１実施形態に係る量子干渉装置に備えられたガスセルの構造を模式的に示す図。
【図３】第１実施形態に係る量子干渉装置に備えられたアルカリ金属原子の励起準位を説明する図。
【図４】第１実施形態に係る量子干渉装置に備えられたアルカリ金属原子のエネルギー準位および電磁誘起透明化現象を説明する図。
【図５】第２実施形態に係る原子発振器の構成を模式的に示すブロック図。
【図６】実施例に係る電子機器としてのパーソナルコンピューターを模式的に示す図。
【図７】実施例に係る電子機器としての携帯電話機を模式的に示す図。
【図８】実施例に係る電子機器としてのデジタルスチールカメラを模式的に示す図。
【図９】実施例に係る移動体としての自動車を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際の構成要素とは適宜に異ならせて記載する場合がある。
【００２４】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る量子干渉装置について、図１から図４を用いて説明する。
図１は、第１実施形態に係る量子干渉装置を模式的に示すブロック図である。図２は、量子干渉装置に備えられたガスセルの構造を模式的に示す図である。図３は、量子干渉装置に備えられたアルカリ金属原子の励起準位を説明する図である。また、図４は、量子干渉装置に備えられたアルカリ金属原子のエネルギー準位および電磁誘起透明化現象を説明する図である。
【００２５】
＜量子干渉装置１００の構成＞
図１に示す本実施形態の量子干渉装置１００は、光出射部１０、ガスセル１１、光検出部１２、磁場発生部１３、および循環機構１４を含んで構成されている。また、ガスセル１１には、金属原子の一例であるアルカリ金属原子Ｍ（図２参照）が配設されている容器１１ａと、その容器１１ａの少なくとも一部を囲む様に筐体１１ｃが設けられ、容器１１ａと筐体１１ｃとの隙間に熱媒１１ｄが配設されている。また、量子干渉装置１００には、熱媒１１ｄを循環させる循環機構１４と、ガスセル１１と循環機構１４とを離間させて接続するとともに、熱媒１１ｄの管路となる流路部１５と、を含んで構成することができきる。なお、本実施形態の量子干渉装置１００は、適宜、図１の構成要素（各部）の一部を省略または変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。なお、図１において説明の便宜のため、後述する原子発振器２００と、その構成要素の一部を記載している。以下に、量子干渉装置１００について詳述する。
【００２６】
（光出射部１０）
光出射部１０は、ガスセル１１を透過させ光検出部１２で受光される励起光ＬＬ（一対の共鳴光Ｌ１および共鳴光Ｌ２）の発光、および出射をおこなう。光出射部１０は、その光源の一例として半導体レーザーを用いることができる。半導体レーザーは、例えば、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や端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）などを用いることができる。光出射部１０に向かって出射された励起光ＬＬは、各種フィルター（不図示）を透過し、ガスセル１１に入射する。
【００２７】
（ガスセル１１）
ガスセル１１は、容器１１ａ中にアルカリ金属原子Ｍ（例えば、ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子など）とともに、緩衝ガス（例えば、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）などの単一、もしくは、これらを含む混合ガス）が封入されている。ガスセル１１に入射した励起光ＬＬの一部はガスセル１１を透過し、光検出部１２に入射する。図２にガスセル１１の構造を模式的に示す。図２（ａ）は、ガスセル１１を模式的に示す斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す線分Ａ−Ａ’における矢印の方向からみたガスセル１１の断面であり、ガスセル１１に入射する励起光ＬＬの光軸と同軸の方向から見たガスセル１１の断面を示すものである。また、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示す線分Ｃ−Ｃ’において矢印の方向から見たガスセル１１の側断面を模式的に示すものである。図２（ｃ）は、ガスセル１１に入射する励起光ＬＬの光軸と並行する方向から視た側断面を模式的に示すものである。
図２に示す様にガスセル１１は、容器１１ａを囲む様に筐体１１ｃが設けられるとともに、容器１１ａと筐体１１ｃとの隙間に熱媒１１ｄが配設されている。
容器１１ａおよび筐体１１ｃを構成する材料は、特に限定されることはない。本実施形態においては、その一例として図２（ｂ）に示す様に容器１１ａおよび筐体１１ｃの壁部１１ｗにシリコン基板を用いるとともに、リッド部（蓋部）１１Ｌにガラス基板を用いることができる。また、リッド部１１Ｌに熱媒１１ｄの管路となる流路部１５を接続することができる。これにより、ガスセル１１に入射する励起光ＬＬは、リッド部１１Ｌから容器１１ａ内にその励起光ＬＬが入射し、ガスセル１１を透過して光検出部１２にその励起光ＬＬを入射させることができる。
【００２８】
熱媒１１ｄは、特に限定されることはない。熱媒１１ｄは、使用できる圧力が適当であり、単位体積あたりの熱容量（潜熱）が大きく、不燃性かつ、非侵蝕性であることが好ましい。また、熱媒１１ｄは、非磁性の材料が好ましい。熱媒１１ｄは、その一例としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）、油、水等を用いることができる。
【００２９】
（光検出部１２）
図１の量子干渉装置１００のブロック図に戻り光検出部１２について説明をする。
光検出部１２は、ガスセル１１を透過した励起光ＬＬを検出し、検出した光の強度に応じた信号を出力する。光検出部１２は、その一例として、受光した光の強度に応じた信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）を用いることができる。光検出部１２の出力信号は後述する原子発振器２００を構成する検波回路部２１と検波回路部２６に入力される。
【００３０】
（磁場発生部１３）
磁場発生部１３は、アルカリ金属原子Ｍが収容されている容器１１ａの内部の少なくとも一部に磁場を発生させるものである。磁場発生部１３は、例えば、コイルを含み構成することができ、コイルの位置、形状（例えば、コイルを巻く方向、巻き数、直径等）、電流の大きさや向き等を調整することで所望の磁場を発生させることができる。
【００３１】
容器１１ａに磁場を与えると、容器１１ａ内に収容されているアルカリ金属原子Ｍの各エネルギー準位が２Ｆ＋１個に分裂（ゼーマン分裂）する。例えば、セシウム原子の場合、図３（ａ）に示すように、６Ｓ1/2，Ｆ＝３の基底準位や６Ｐ3/2，Ｆ’＝３の励起準位は、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３に対応する７つの準位に分裂し、６Ｓ1/2，Ｆ’＝４の基底準位や６Ｐ3/2，Ｆ＝４の励起準位は、磁気量子数ｍＦ＝０，±１，±２，±３，±４に対応する９つの準位に分裂する。
セシウム原子（アルカリ金属原子Ｍ）にσ＋円偏光が入射すると、ΔｍＦ＝＋１の選択則に従って励起するため、例えば、６Ｓ1/2，Ｆ＝３，４の基底準位と６Ｐ3/2，Ｆ’＝４の励起準位の間で、７つのΛ型３準位が形成される。
したがって、この状態では、２光波の周波数差をスイープすると、図３（ｂ）に示すように７つのＥＩＴ信号が観測される。ＥＩＴ信号は、６Ｓ1/2，Ｆ＝３，４のｍＦ＝０の基底準位と６Ｐ3/2，Ｆ’＝４のｍＦ＝＋１の励起準位の間で形成されるΛ型３準位に対応する強度が最も高い。よって、このＥＩＴ信号を発生させるように、共鳴光Ｌ１および共鳴光Ｌ２の周波数差を制御することが有用である。
【００３２】
（循環機構１４）
図１の量子干渉装置１００のブロック図に戻り循環機構１４について説明をする。
循環機構１４は、ガスセル１１に配設された熱媒１１ｄを循環させる。循環機構１４は、熱媒１１ｄを循環させることで容器１１ａの保温をおこなうものである。
循環機構１４は、ガスセル１１と一体、もしくは連接して配設されている。循環機構１４は、熱媒１１ｄを対流させることで容器１１ａの保温をおこなうことができる。
また、循環機構１４は、ガスセル１１との間に熱媒１１ｄの管路となる流路部１５を設けることでガスセル１１と離間させて配設することができる。ガスセル１１と循環機構１４とを流路部１５を介して離間させることで量子干渉装置１００の各構成要素の配置の自由度を高めることができる。
【００３３】
また、循環機構１４は、熱媒１１ｄの温度調整をおこなう温調部１４ａを設けても良い。
温調部１４ａは、その一例として放熱部（不図示）および三方弁（不図示）などが設けられ、熱媒１１ｄが所定の温度を超える場合は、熱媒１１ｄを放熱部に循環させて放熱をおこない、過度な熱媒１１ｄおよび容器１１ａの温度上昇を抑制することができる。
【００３４】
また、循環機構１４は、温調部１４ａに加えて熱媒１１ｄの加温、冷却をおこなう熱源部１４ｂを設けることができる。熱源部１４ｂを設けることで熱媒１１ｄおよび容器１１ａの温度が上昇した場合の冷却と、熱媒１１ｄおよび容器１１ａの温度が低下した場合の加温と、をおこなうことができる。なお、熱源部１４ｂの熱源は特に限定されることはない。熱源部１４ｂの熱源の一例として、冷却にはペルチェ素子を、加温には抵抗素子を用いることができる。また、加温熱源として、光出射部１０から生じる熱を熱媒１１ｄで吸熱することで用いることができる。なお、循環機構１４に温調部１４ａを設ける場合は、循環機構１４と筐体１１ｃとの間に流路部１５を設けることが好ましい。流路部１５を設けることで温調部１４ａを筐体１１ｃから離間させて配設することで、温調部１４ａで生じる磁場の影響をガスセル１１で受けにくくすることができる。
【００３５】
さらに、循環機構１４は、循環部１４ｃを設けることができる。循環部１４ｃは熱媒１１ｄを搬送するものであり、その一例としてＭＥＭＳ可動構造体で構成されたポンプを用いることができる。循環部１４ｃが設けられることで、熱媒１１ｄの循環を効率的におこなうとともに、熱媒１１ｄの潜熱分布の均一化を図ることで容器１１ａの保温および加温を効率的におこなうことができる。
【００３６】
ここで、アルカリ金属原子Ｍは、常温（２０度から３０度）においては、その多くが液化状態である。量子干渉装置１００は、アルカリ金属Ｍを加温することで気化させ、その気化されたアルカリ金属原子Ｍ中を励起光ＬＬが透過されることで生じる励起光ＬＬの変化を検出（検波）して利用している。
【００３７】
より詳しくは、アルカリ金属原子Ｍは、図４（ａ）に示すように、三準位系のエネルギー準位を有しており、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、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、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。このような気化されたアルカリ金属原子Ｍに対して周波数の異なる励起光ＬＬ（第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２）を照射すると、第１共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２共鳴光Ｌ２の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、第１共鳴光１Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２のアルカリ金属原子Ｍにおける光吸収率（光透過率）が変化する。
【００３８】
第１共鳴光Ｌ１の周波数ω１と、第２共鳴光Ｌ２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から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２は、いずれも、アルカリ金属原子Ｍに吸収されずに透過する。このような現象をＣＰＴ現象、または電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ：Electromagnetically  Induced  Transparency）と呼ぶ。
【００３９】
光出射部１０は、ガスセル１１に向けて、前述した周波数の異なる第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２を出射する。例えば、光出射部１０が第１共鳴光Ｌ１の周波数ω１を固定し、第２共鳴光Ｌ２の周波数ω２を変化させていくと、第１共鳴光Ｌ１の周波数ω１と第２共鳴光Ｌ２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ω０に一致したとき、光検出部１２の検出強度Ｓは、図４（ｂ）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。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属原子Ｍの種類によって決まった固有値を有し、当該ＥＩＴ信号を後述する原子発振器２００で検波などをおこなうことで高精度な発振信号を得ることができる。
【００４０】
上述した量子干渉装置１００においてガスセル１１の容器１１ａに配置されたアルカリ金属Ｍを加温し、気化させた状態に保つことが求められている。容器１１ａ中の緩衝ガスと、気化されたアルカリ金属原子Ｍと、の比率が異なると上述したＥＩＴ信号の特性が変動する。そこで、上述した熱媒１１ｄによって容器１１ａを加温し間接的にアルカリ金属原子Ｍに熱を加えることで、容器１１ａ内において飽和状態となるようにアルカリ金属原子Ｍを気化させた状態を保つことができる。
【００４１】
上述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
この様な量子干渉装置１００によれば、ガスセル１１の筐体１１ｃと容器１１ａとの隙間に設けられた熱媒１１ｄによって、容器１１ａの加温および冷却をおこなうことで容器１１ａに収容されているアルカリ金属原子Ｍを所望の温度に保つとともに、容器１１ａ内におけるアルカリ金属原子Ｍの分圧を保つことができる。また、熱媒１１ｄによる容器１１ａの加熱は、熱媒１１ｄから発生する磁場が抑制されている。すなわち、熱媒１１ｄに通電することがないため、熱媒１１ｄから生じる磁場を抑制することができる。
したがって、磁場発生部１３によって容器１１ａ内に発生させる磁場への影響を抑制するとともに、容器１１ａ内の磁場の変動を抑制することで、容器１１ａに収容されているアルカリ金属原子Ｍの電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することを抑制することができる。よって、アルカリ金属原子Ｍに照射された共鳴光を含む励起光ＬＬがアルカリ金属原子Ｍに吸収されず透過する電磁誘起透明化現象が生じる周波数の変移が抑制された量子干渉装置１００を得ることができる。
【００４２】
［第２実施形態］
第２実施形態に係る原子発振器について、図５を用いて説明する。
図５は、第２実施形態に係る原子発振器の構造を示すブロック図である。第２実施形態に係る原子発振器２００は、第１実施形態で上述した量子干渉装置１００が搭載されている。以下、量子干渉装置１００が搭載された原子発振器２００について説明する。
【００４３】
＜原子発振器２００の構造＞
図５に示す原子発振器２００は、上述した量子干渉装置１００が搭載され、量子干渉効果を利用したものである。
当該原子発振器２００は、図５に示すように、量子干渉装置１００、検波回路部２１、電圧制御水晶発振（ＶＣＸＯ）部２２、変調回路部２３、低周波発振部２４、周波数変換回路部２５、検波回路部２６、変調回路部２７、低周波発振部２８、駆動回路部２９、磁場設定回路部３０、バイアス設定回路部３１、メモリー部３２、および周波数変換回路部３３を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器２００は、適宜、図５の構成要素（各部）の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
【００４４】
（量子干渉装置１００）
原子発振器２００には、第１実施形態で上述した光出射部１０、ガスセル１１、光検出部１２、磁場発生部１３、循環機構１４、および流路部１５が設けられている。なお、光出射部１０は、後述する駆動回路部２９によって光源のバイアス電流が設定される。また、光検出部１２からの出力信号は、後述する検波回路部２１，２６によって検波される。また、磁場発生部１３は、後述する磁場設定回路部３０によって発生させる磁場の強度が設定される。
各構成要素は第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００４５】
（検波回路部２１）
検波回路部２１は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振部２４の発振信号を用いて光検出部１２の出力信号を検波する。そして、検波回路部２１の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振部（ＶＣＸＯ）２２の発振周波数が調整される。電圧制御水晶発振部（ＶＣＸＯ）２２は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。
【００４６】
（変調回路部２３）
変調回路部２３は、検波回路部２１による検波を可能とするために、低周波発振部２４の発振信号（検波回路部２１に供給される発振信号と同じ信号）を変調信号として電圧制御水晶発振部（ＶＣＸＯ）２２の出力信号を変調する。変調回路部２３は、周波数混合器（ミキサー）、および変調方式に応じて周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）回路、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）回路等により構成することができる。
【００４７】
（周波数変換回路部２５）
周波数変換回路部２５は、変調回路部２３の出力信号を周波数変換して駆動回路部２９に出力する。周波数変換回路部２５は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を用いることができる。
【００４８】
（検波回路部２６）
検波回路部２１は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振部２８の発振信号を用いて光検出部１２の出力信号を検波する。
【００４９】
（変調回路部２７）
変調回路部２７は、検波回路部２６による検波を可能とするために、低周波発振部２８の発振信号（検波回路部２６に供給される発振信号と同じ信号）を変調信号として検波回路部２６の出力信号を変調して駆動回路部２９に出力する。変調回路部２７は、周波数混合器（ミキサー）、および変調方式に応じて周波数変調（ＦＭ）回路、振幅変調（ＡＭ）回路等により構成することができる。
【００５０】
（磁場設定回路部３０）
磁場設定回路部３０は、メモリー部３２に記憶されている設定情報に応じて量子干渉装置１００を構成する磁場発生部１３が発生させる磁場の強度を設定する処理をおこなう。例えば、磁場発生部１３をコイルで構成し、磁場設定回路部３０は、メモリー部３２に記憶されている設定情報に応じて当該コイルに流す電流量を設定することができる。
【００５１】
（バイアス設定回路部３１）
バイアス設定回路部３１は、駆動回路部２９を介して、メモリー部３２に記憶されている設定情報に応じて光出射部１０にバイアス電流（光源としての半導体レーザーが発生させる光の中心波長）を設定する処理をおこなう。
【００５２】
（メモリー部３２）
メモリー部３２は、不揮発性のメモリーであり、磁場発生部１３が発生させる磁場の強度の設定情報や光出射部１０のバイアス電流の設定情報が記憶されている。メモリー部３２は、例えば、ＭＯＮＯＳ（Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon）メモリー等のフラッシュメモリーやＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）等を用いることができる。
【００５３】
（駆動回路部２９）
駆動回路部２９は、光出射部１０の光源のバイアス電流を設定するとともに、変調回路部２７の出力信号に応じて当該バイアス電流を調整して光出射部１０に供給する。すなわち、量子干渉装置１００を構成する光出射部１０、ガスセル１１、および光検出部１２と、検波回路部２１、変調回路部２７、および駆動回路部２９と、を通るフィードバックループ（第１のフィードバックループ）により、光出射部１０が発生させる光の中心波長λ0（中心周波数ｆ0）が調整される。
【００５４】
駆動回路部２９は、さらに、バイアス電流に、周波数変換回路部２５の出力周波数成分（変調周波数ｆm）の電流（変調電流）を重畳して光出射部１０に供給する。光出射部１０は、この変調電流により、光出射部１０の光源に周波数変調がかかり、中心周波数ｆ0（中心波長λ0）の光とともに、その両側にそれぞれ周波数がｆmずれた周波数ｆ0±ｆm、ｆ0±２ｆmの励起光ＬＬ（第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２）を発生させる。
【００５５】
また駆動回路部２９は、量子干渉装置１００を構成する光出射部１０、ガスセル１１、および光検出部１２と、検波回路部２１、電圧制御水晶発振部（ＶＣＸＯ）２２、変調回路部２３、周波数変換回路部２５、駆動回路部２９を通るフィードバックループ（第２のフィードバックループ）により、周波数ｆ0＋ｆmの励起光ＬＬ（第１共鳴光Ｌ１）と周波数ｆ0−ｆmの励起光ＬＬ（第２共鳴光Ｌ２）がガスセル１１の容器１１ａに封入されているアルカリ金属原子ＭにＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対（第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２）となるように調整される。
【００５６】
例えば、前述した第２のフィードバックループにより、磁気量子数ｍＦ＝０の基底準位を有するアルカリ金属原子ＭがＥＩＴ現象を起こすように、変調周波数ｆmがフィードバック制御される。
具体的には、第２のフィードバックループにより、１次のサイドバンドである周波数ｆ0＋ｆmの励起光ＬＬ（第１共鳴光Ｌ１）と、周波数ｆ0−ｆmの励起光ＬＬ（第２共鳴光Ｌ２）の周波数差（＝２ｆm）が、アルカリ金属原子Ｍの磁気量子数ｍｆ＝０の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ12に相当する周波数ω12と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。例えば、アルカリ金属原子Ｍがセシウム原子であれば、ω12が９．１９２６３１７７０ＧＨｚ＋ΔＨｚ（Δは磁界強度の２次関数で表される周波数）であることから、変調周波数ｆmは４．５９６３１５８８５ＧＨｚ＋Δ／２Ｈｚと正確に一致する。
【００５７】
このように、アルカリ金属原子ＭのＥＩＴ現象を利用することで、第２のフィードバックループに含まれる、周波数変換回路部２５の出力信号や電圧制御水晶発振部（ＶＣＸＯ）２２の出力信号を、それぞれ所定の周波数で安定させることができる。
【００５８】
（周波数変換回路部３３）
周波数変換回路部３３は、電圧制御水晶発振部（ＶＣＸＯ）２２の出力信号を周波数変換し、所望の周波数（例えば、１０．０００ＭＨｚ）のクロック信号を生成する。周波数変換回路部３３は、例えば、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）を用いることができる。原子発振器２００は、このクロック信号を外部に出力することで高精度なクロック信号を得ることができる。
【００５９】
上述した第２実施形態によれば、以下の効果が得られる。
この様な原子発振器２００によれば、ガスセル１１の筐体１１ｃと容器１１ａとの隙間に設けられた熱媒１１ｄによって、容器１１ａの加温および冷却をおこなうことで容器１１ａに収容されているアルカリ金属原子Ｍを所望の温度に保つとともに、容器１１ａ内におけるアルカリ金属原子Ｍの分圧を保つことができる量子干渉装置１００が搭載されている。
また、熱媒１１ｄによる容器１１ａの加熱は、熱媒１１ｄから発生する磁場が抑制されている。すなわち、熱媒１１ｄに通電することがないため、熱媒１１ｄから生じる磁場を抑制することができる量子干渉装置１００が搭載されている。
したがって、磁場発生部１３によって容器１１ａ内に発生させる磁場への影響を抑制するとともに、容器１１ａ内の磁場の変動を抑制することで、容器１１ａに収容されているアルカリ金属原子Ｍの電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することを抑制することができる。よって、アルカリ金属原子Ｍに照射された共鳴光を含む励起光ＬＬがアルカリ金属原子Ｍに吸収されず透過する電磁誘起透明化現象が生じる周波数の変移が抑制された信号に基づき原子発振器２００は発振することができる。
【００６０】
（実施例）
本発明の実施形態に係る量子干渉装置１００を用いた原子発振器２００を適用した実施例について、図６から図９を参照しながら説明する。
【００６１】
［電子機器］
本発明の一実施形態に係る原子発振器２００を適用した電子機器について、図６から図８を参照しながら説明する。
【００６２】
図６、本発明の一実施形態に係る原子発振器２００を備える電子機器としてのラップトップ型（またはモバイル型）のパーソナルコンピューターの構成の概略を示す斜視図である。この図において、ラップトップ型パーソナルコンピューター１１００は、キーボード１１０２を備えた本体部１１０４と、表示部１００８を備えた表示ユニット１１０６とにより構成され、表示ユニット１１０６は、本体部１１０４に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。この様なラップトップ型パーソナルコンピューター１１００には、そのラップトップ型パーソナルコンピューター１１００動作のクロック信号として用いられる原子発振器２００が搭載されている。このような原子発振器２００は、原子発振器２００を構成する量子干渉装置１００において電磁誘起透明化現象によって得られる信号の周波数変移が抑制された信号に基づいて発振するため、高精度な信号を発振することができる。よって、前述した原子発振器２００が搭載されることで信頼性の高いラップトップ型パーソナルコンピューター１１００を得ることができる。
【００６３】
図７は、本発明の一実施形態に係る原子発振器２００を備える電子機器としての携帯電話機（ＰＨＳも含む）の構成の概略を示す斜視図である。この図において、携帯電話機１２００は、複数の操作ボタン１２０２、受話口１２０４および送話口１２０６を備え、操作ボタン１２０２と受話口１２０４との間には、表示部１２０８が配置されている。この様な携帯電話機１２００には、携帯電話機１２００の通信および動作の基準となるクロック信号の発振器として原子発振器２００が搭載されている。このような原子発振器２００は、原子発振器２００を構成する量子干渉装置１００において電磁誘起透明化現象によって得られる信号の周波数変移が抑制された信号に基づいて発振するため、高精度な信号を発振することができる。したがって、高精度な信号を発振することができる。よって、前述した原子発振器２００が搭載されることで信頼性の高い携帯電話機１２００を得ることができる。
【００６４】
図８は、本発明の一実施形態に係る原子発振器２００を備える電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成の概略を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルスチールカメラ１３００は、被写体の光像をＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）等の撮像素子により光電変換して撮像信号（画像信号）を生成する。
デジタルスチールカメラ１３００におけるケース（ボディー）１３０２の背面には、表示部１３０８が設けられ、ＣＣＤによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部１３０８は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース１３０２の正面側（図中裏面側）には、光学レンズ（撮像光学系）やＣＣＤ等を含む受光ユニット１３０４が設けられている。
撮影者が表示部１３０８に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン１３０６を押下すると、その時点におけるＣＣＤの撮像信号が、メモリー１３１０に転送・格納される。また、このデジタルスチールカメラ１３００においては、ケース１３０２の側面に、ビデオ信号出力端子１３１２と、データ通信用の入出力端子１３１４とが設けられている。そして、図示される様に、ビデオ信号出力端子１３１２には液晶ディスプレイ１４３０が、データ通信用の入出力端子１３１４にはパーソナルコンピューター１４４０が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー１３１０に格納された撮像信号が、液晶ディスプレイ１４３０や、パーソナルコンピューター１４４０に出力される構成になっている。この様なデジタルスチールカメラ１３００には、その動作のクロック信号となる原子発振器２００が搭載されている。このような原子発振器２００は、原子発振器２００を構成する量子干渉装置１００において電磁誘起透明化現象によって得られる信号の周波数変移が抑制された信号に基づいて発振するため、高精度な信号を発振することができる。したがって、高精度な信号を発振することができる。よって、前述した原子発振器２００が搭載されることで信頼性の高いデジタルスチールカメラ１３００を得ることができる。
【００６５】
なお、本発明の一実施形態に係る原子発振器２００は、図６のラップトップ型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）、図７の携帯電話機、図８のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、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）、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等の電子機器に適用することができる。
【００６６】
［移動体］
図９は移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。加速度センサーとして機能する原子発振器２００が自動車１５００の各種制御ユニットに搭載されている。例えば、同図に示す様に、移動体としての自動車１５００には、当該自動車１５００の加速度を検知するセンサーを内蔵してエンジンの出力を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ：  engine  Control  Unit）１５０８が車体１５０７に搭載されている。高精度なクロック信号を得られる原子発振器２００が電子制御ユニット１５０８に搭載されることで、車体１５０７の姿勢に応じた適切なエンジン出力制御を高精度に実行し、燃料等の消費を抑制した効率的な移動体としての自動車１５００を得ることができる。
また、原子発振器２００は、他にも、車体姿勢制御ユニット、アンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム（ＴＰＭＳ：Tire  Pressure  Monitoring  System）、に広く適用できる。
【符号の説明】
【００６７】
１０…光出射部、１１…ガスセル、１１ａ…容器、１１ｃ…筐体、１１ｄ…熱媒、１２…光検出部、１３…磁場発生部、１４…循環機構、１４ａ…温調部、１４ｂ…熱源部、１４ｃ…循環部、１５…流路部、２１…検波回路部、２２…電圧制御水晶発振部、２３…変調回路部、２４…低周波発振部、２５…周波数変換回路部、２６…検波回路部、２７…変調回路部、２８…低周波発振部、２９…駆動回路部、３０…磁場設定回路部、３１…バイアス設定回路部、３２…メモリー部、３３…周波数変換回路部、１００…量子干渉装置、２００…原子発振器、１１００…ラップトップ型パーソナルコンピューター、１２００…携帯電話機、１３００…デジタルスチールカメラ、１５００…自動車。
【図１】
2015041892.tif 000003
【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】
2015041892.tif 000009
【図８】
2015041892.tif 000010
【図９】
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