(57)【要約】【課題】発振周波数の低下を抑制し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、筐体に内包されている容器と、容器中に封入されている金属と、共鳴光を含む光を発生させて金属に照射する光出射部と、容器中に封入されている金属を透過した光を検出する光検出部と、を備え、筐体と容器との間に配置されているガスと、を備えている。【選択図】図１
2015041726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筐体と、
前記筐体に内包されている容器と、
前記容器中に封入されている金属と、
共鳴光を含む光を発生させて前記金属に照射する光出射部と、
前記容器中に封入されている前記金属を透過した前記光を検出する光検出部と、
前記筐体と前記容器との間に配置されているガスと、
を備えていること特徴とする量子干渉装置。
【請求項２】
前記容器には、前記光が通過する導光部が設けられている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】
前記ガスを前記筐体と前記容器との間に補充するとともに、前記ガスに圧力を与える与圧機構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】
前記ガスは、ヘリウムを含む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】
前記導光部は、ガラスを含み構成されていることを特徴とする請求項２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】
前記容器は、ホウ珪酸ガラスを含み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５のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
【請求項７】
前記ガスの圧力は、前記容器内の圧力と比べて高く、かつ３気圧よりも低いことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の量子干渉装置。
【請求項８】
筐体と、
前記筐体に内包されている容器と、
前記容器中に封入されている金属と、
共鳴光を含む光を発生させて前記金属に照射する光出射部と、
前記容器中に封入されている前記金属を透過した前記光を検出する光検出部と、
前記筐体と前記容器との間に配置されているガスと、
を備えていることを特徴とする原子発振器。
【請求項９】
請求項８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１０】
請求項８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度の要求に対して特許文献１には、原子発振器がおかれた環境温度に基づいて温度補正信号を生成し、かかる信号に基づきルビジウムなどの金属が封入されているガスセルに与える磁場を可変制御することでガスセルを透過する光の共鳴周波数の変化を抑制す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】特開平９−５５６５７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、その原子発振器が設けられた環境の温度変化にともなうガスセルを透過する光の共鳴（電磁誘起透明化現象）周波数の変化を抑制することができる。
しかしながら、ガスセルを透過する光の共鳴周波数は、ガスセルに封入されている金属および緩衝ガスなどの分圧によっても変化する。ガスセルに封入されている金属は、緩衝ガスとともに封入され、緩衝ガスが経時的にガスセルから漏洩することで金属および緩衝ガスの分圧が変化し、その変化にともないガスセルを透過する光の共鳴周波数が変化する虞があった。また、かかる分圧の変化は経時的に生じるため、共鳴周波数の変化も経時的に生じ、原子発振器の発振周波数の安定度が経時的に低下する課題もあった。
【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、筐体に内包されている容器と、容器中に封入されている金属と、共鳴光を含む光を発生させて金属に照射する光出射部と、容器中に封入されている金属を透過した光を検出する光検出部と、を備え、筐体と容器との間に配置されているガスと、を備えていること特徴とする。
【０００７】
この様な量子干渉装置によれば、筐体と容器との間に配置されているガスによって、容器中に封入されている金属に圧力を加えることで、その金属の分圧の変化を抑制することができる。したがって、金属の分圧の変化が抑制されることから、共鳴光を含む光が金属を透過する際に生じる光吸収率（光透過率）を一定に保つことができる。
よって、金属に照射された共鳴光を含む光が金属に吸収されず透過する共鳴周波数（電磁誘起透明化現象が生じる周波数）の変移を抑制し、共鳴周波数の安定度を高めることができる。
【０００８】
［適用例２］
上記適用例に係る量子干渉装置において、容器には、光が通過する導光部が設けられていることが好ましい。
【０００９】
この様な量子干渉装置によれば、容器には、光が透過する部分に導光部が設けられている。したがって、筐体に収容されている容器に光を透過させ、容器に封入されている金属に光を透過させることができる。よって、容器に封入されている金属に光を照射することで、その光に電磁誘起透明化現象を生じ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、ガスを筐体と容器との間に補充するとともに、ガスに圧力を与える与圧機構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、与圧機構によって筐体と容器との間に配置されているガスを補充するとともに圧力を与えることで、容器中に封入されている金属などの漏洩を抑制し、容器中における金属の分圧を保つことができる。したがって、金属の分圧の変化が抑制されることから、共鳴光を含む光が金属を透過する際に生じる光吸収率（光透過率）を一定に保つことができる。よって、金属に照射された共鳴光を含む光が金属に吸収されず透過する共鳴周波数（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。
【００１２】
［適用例４］
上記適用例に係る量子干渉装置において、ガスは、ヘリウムを含むことが好ましい。
【００１３】
この様な量子干渉装置によれば、ガスは、容器を構成する材料の構成する分子の密度と比べて分子量の小さいヘリウムを含むことで、容器を透過し容器中に浸透させることで容器中の圧力をさらに保持し、金属の分圧を保つことができる。したがって、金属の分圧の変化が抑制されることから、共鳴光を含む光が金属を透過する際に生じる光吸収率（光透過率）を一定に保つことができる。よって、金属に照射された共鳴光を含む光が金属に吸収されず透過する共鳴周波数（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。
【００１４】
［適用例５］
上記適用例に係る量子干渉装置において、導光部は、ガラスを含み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、導光部がガラスを含み構成されていることで、容器中に封入されている金属に照射する共鳴光を含む光として可視光を用いることができる。したがって、金属に照射された共鳴光を含む光が金属に吸収されず透過する共鳴周波数を得ることができる帯域を拡張することができる。また、導光部にガラスを用いることで、ガラスは分子の密度が小さいため、容器と筐体との間に配置されている分子量の小さいヘリウムを含むガスをより多く容器中に透過させることができる。
【００１６】
［適用例６］
上記適用例に係る量子干渉装置において、容器は、ホウ珪酸ガラスを含み構成されていることが好ましい。
【００１７】
この様な量子干渉装置によれば、金属が封入されている容器はホウ珪酸ガラスを含み構成されていることで、ホウ珪酸ガラスは分子の密度が小さいため、容器と筐体との間に配置されている分子量の小さいヘリウムを含むガスをより多く容器内に浸透させることができる。
【００１８】
［適用例７］
上記適用例に係る量子干渉装置において、ガスの圧力は、容器内の圧力と比べて高く、かつ３気圧よりも低いことが好ましい。
【００１９】
この様な量子干渉装置によれば、容器と筐体との間に配置されているガスの圧力は容器内の圧力と比べて高いため、容器中に封入されている金属の漏洩をさらに抑制することができる。また、ガスの圧力は３気圧よりも低いため、筐体の強度を緩和することができ、量子干渉装置の小型化に寄与することができる。
【００２０】
［適用例８］
本適用例に係る原子発振器は、筐体と、筐体に内包されている容器と、容器中に封入されている金属と、共鳴光を含む光を発生させて金属に照射する光出射部と、容器中に封入されている金属を透過した光を検出する光検出部と、筐体と容器との間に配置されているガスと、を備えていることを特徴とする。
【００２１】
この様な原子発振器によれば、筐体と容器との間に配置されているガスによって、容器中に封入されている金属に圧力を加えることで、その金属の分圧の変化を抑制することができる。また、金属の分圧の変化が抑制されることから、共鳴光を含む光が金属を透過する際に生じる光吸収率（光透過率）を一定に保つことができる。したがって、金属に照射された共鳴光を含む光が金属に吸収されず透過する共鳴周波数（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、かつ高安定度を保ち発振することができる原子発振器を得ることができる。
【００２２】
［適用例９］
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。
【００２３】
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、かつ高安定性を保った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。
【００２４】
［適用例１０］
本適用例に係る移動体は、上述した原子発振器を備えることを特徴とする。
【００２５】
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、かつ高安定性を保った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】
【００２６】
【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の経時にともなう周波数変化の実験結果を示す図（グラフ）。
【図４】第１実施形態に係る量子干渉装置に備えられた金属原子の励起準位を説明する図。
【図５】第１実施形態に係る量子干渉装置に備えられた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６】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７】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８】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９】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１０】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】
【００２７】
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。
【００２８】
［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５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、量子干渉装置の経時にともなう周波数変化の実験結果を示すグラフである。図４は、量子干渉装置に備えられた金属原子の励起準位を説明する図である。また、図５は、量子干渉装置に備えられた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。
【００２９】
＜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、を含んで構成されている。また、ガスセル１１には、金属の一例であるアルカリ金属Ｍ（図２参照）が封入されている容器１１ａと、その容器１１ａを内包する様に筐体１１ｃが設けられ、容器１１ａと筐体１１ｃとの間にガス１１ｇが配置（充填）されている。また、量子干渉装置１００には、容器１１ａ内に磁場を与える磁場発生部１３と、ガス１１ｇに圧力を与える与圧部１４と、を含んで構成することができる。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。
以下に、量子干渉装置１００について詳述する。
【００３０】
（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。
【００３１】
（ガスセル１１）
ガスセル１１は、容器１１ａ中に封入されているアルカリ金属Ｍを気相状態に保ち、その気相状態のアルカリ金属Ｍに励起光ＬＬを透過させ、その一部を光検出部１２へ出射させることで励起光ＬＬに電磁誘起透明化現象を生じさせるものである。
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みたガスセル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Ｂ−Ｂ’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見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を内包する様に筐体１１ｃが設けられるとともに、容器１１ａと筐体１１ｃとの間にガス１１ｇが充填されている。
【００３２】
ガスセル１１は、容器１１ａ中にアルカリ金属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１１ａｇ（例えば、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ2）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。また、ガスセル１１は、容器１１ａと筐体１１ｃとの間にガス１１ｇが充填されている。
【００３３】
ここで、ガスセル１１の容器１１ａ中に封入されているアルカリ金属Ｍと緩衝ガス１１ａｇは、封入されてからの経時にともないアルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの漏洩によって分圧に変化が生じる。アルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧が変化すると、ガスセル１１を透過する励起光ＬＬに生じる電磁誘起透明化現象に伴う周波数の低下を招来する。
そこで、本実施形態の量子干渉装置１００においてガスセル１１は、ガス１１ｇの圧力を容器１１ａ中の緩衝ガス１１ａｇの圧力と比べて高くすることで、緩衝ガス１１ａｇが容器１１ａから漏れることを抑制することができる。したがって、アルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧を保つことができる。
なお、ガス１１ｇの圧力は、容器１１ａ内の圧力を基準として３気圧よりも低いことが好ましい。ガス１１ｇの圧力は、３気圧より低いことで筐体１１ｃの強度を緩和しつつ容器１１ａに封入されているアルカリ金属Ｍと緩衝ガス１１ａｇの分圧を保つことができる。
【００３４】
ガス１１ｇは、非腐食性および不燃性を有していれば特に限定されることはない。ガス１１ｇは、その一例としてヘリウム（Ｈｅ）などの分子量の小さいガスを用いることが好適である。
ガス１１ｇとしてヘリウムを用いた場合には、緩衝ガス１１ａｇの圧力と比べてガス１１ｇの圧力を高めることで緩衝ガス１１ａｇの漏洩を抑制するとともに、ガス１１ｇが容器１１ａ内に浸透（透過）することで緩衝ガス１１ａｇの圧力を高め、アルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧を保つことができる。
ヘリウムは、その分子量（Molecular Weight）が４．００であることが知られており、他の物質（例えば、アルゴン（Ａｒ）の分子量３９．９５、ネオン（Ｎｅ）の分子量２０．１８）と比較して分子量が小さいため、容器１１ａなどの物質を透過（浸透）しやすい性質を有する。
【００３５】
本実施形態の量子干渉装置１００において、アルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧が変化すると、ガスセル１１を透過する励起光ＬＬに生じる電磁誘起透明化現象の周波数特性に影響が生じることと、ガス１１ｇとしてヘリウムを用いた場合に電磁誘起透明化現象の周波数特性が改善すること、を発明者等の実験により知らしめた。
【００３６】
図３は、容器１１ａにアルカリ金属Ｍが封入されてからの時間経過と、ガスセル１１を透過する励起光ＬＬに生じる電磁誘起透明化現象の周波数の変化率（アルカリ金属Ｍが封入されている時点を初期値とする変化率）と、の関係を示したグラフ（図）である。かかる実験は、容積の異なる容器１１ａを備える２種類の量子干渉装置１００ａおよび１００ｂを準備しておこなった。図３に示すａからｂの時間（期間）は、容器１１ａと筐体１１ｃの間の状態を大気圧とした。また、図３に示すｂからｃの時間（期間）は、ガス１１ｇとしてヘリウムを１００［ｔｏｒｒ］の圧力で充填した。
かかる実験の結果、量子干渉装置１００ａおよび１００ｂのいずれにおいても、容器１１ａと筐体１１ｃの間を大気圧とした場合は周波数の変化率が下降し、安定することがなかった。一方、容器１１ａと筐体１１ｃの間にガス１１ｇをした場合は周波数の変化率が安定する結果を得られた。
【００３７】
したがって、ガスセル１１の容器１１ａと筐体１１ｃとの間にガス１１ｇを充填することで、ガスセル１１を透過する励起光ＬＬに生じる電磁誘起透明化現象に伴う周波数が低下の抑制することができる。
【００３８】
容器１１ａは、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容器１１ａは、ホウ珪酸ガラスを含む材料で構成されていることが好ましい。ホウ珪酸ガラスを用いることで容器１１ａ中にアルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇを容易に封入することができる。また、容器１１ａと筐体１１ｃとの間の間に充填されているガス１１ｇにヘリウムを用いた場合に、ヘリウムの分子量はホウ珪酸ガラスの分子密度と比して小さいため、ガス１１ｇを容器１１ａ内に容易に透過（浸透）させることができる。
【００３９】
筐体１１ｃは、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筐体１１ｃは、その一例としてシリコンを用いることができる。筐体１１ｃは、シリコンを用いることでガス１１ｇにヘリウムを用いた場合においても、ガス１１ｇがシリコンを透過し難いため、ガス１１ｇの充填圧力を保つことができる。
【００４０】
なお、容器１１ａおよび筐体１１ｃには、導光部１１ａｗおよび導光部１１ｃｗ（以下、導光部１１ａｗおよび導光部１１ｃｗは総称して「導光部１１ｗ」と称する場合がある。）が設けられている。導光部１１ｗは、光出射部１０からガスセル１１に入射されるとともに、ガスセル１１から光検出部１２に出射される励起光ＬＬの光路となる。
導光部１１ｗは、例えば、励起光ＬＬに可視光を用いる場合には、その励起光ＬＬを透過させることできるガラスなどの材料を用いることが好適である。また、導光部１１ｗは、例えば、励起光ＬＬに赤外線光を用いる場合には、その励起光ＬＬを透過させることができるシリコンなどの材料を用いることができる。
容器１１ａに有する導光部１１ａｗにガラスを用いるとともに、ガス１１ｇにヘリウムを用いることで、導光部１１ａｗはガス１１ｇを透過させやすいため、容器１１ａに封入されているアルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧を、さらに保つことができる。
【００４１】
（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。
【００４２】
（磁場発生部１３）
磁場発生部１３は、アルカリ金属原子Ｍが封入されている容器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。
【００４３】
容器１１ａに磁場を与えると、容器１１ａ内に封入されているアルカリ金属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４（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４（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。
【００４４】
ここで、ガスセル１１の容器１１ａに封入されているアルカリ金属Ｍは、容器１１ａ中において気相と液相との状態が混在している。
量子干渉装置１００では、気相状態の（気化された）アルカリ金属Ｍ中を励起光ＬＬが透過する際に生じる変化を検出（検波）して利用している。
【００４５】
より詳しくは、アルカリ金属Ｍは、図５（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Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２のアルカリ金属Ｍにおける光吸収率（光透過率）が変化する。
【００４６】
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。
【００４７】
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５（ｂ）に示すように、急峻に上昇する。光検出部１２は、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。
【００４８】
（与圧部１４）
上述した量子干渉装置１００において、ガスセル１１の容器１１ａに封入されたアルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇは、一定の分圧を保つことが求められている。一定の分圧を保つことで、ガスセル１１を透過する励起光ＬＬに生じる電磁誘起透明化現象に伴う周波数の低下を抑制することができるためである。一定の分圧を保つためには、容器１１ａと筐体１１ｃとの間の間に充填されているガス１１ｇの圧力を一定に保つことが好ましい。
そこで、本実施形態の量子干渉装置１００に与圧部１４を設けると好適である。
与圧部１４は、ガスセル１１の筐体１１ｃに接続され、ガス１１ｇの補充およびガス１１ｇの与圧をおこなう。与圧部１４は、ガス１１ｇを貯蔵する蓄圧タンクと、圧力を一定に保つレギュレーターと、を含み構成されている。
【００４９】
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、筐体１１ｃと容器１１ａとの間に充填されているガス１１ｇによって、容器１１ａ中に封入されているアルカリ金属Ｍに圧力を加えることで、そのアルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧の変化を抑制することができる。また、ガス１１ｇとして分子数の小さいヘリウムを用いることで、容器１１ａにより透過させることができ、さらに、アルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧の変化を抑制することができる。したがって、アルカリ金属Ｍの分圧の変化が抑制されることから、励起光ＬＬ（第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２）が金属を透過する際に生じる光吸収率（光透過率）を一定に保つことができる。よって、アルカリ金属Ｍに照射された励起光ＬＬがアルカリ金属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を抑制し、周波数の安定度を高めることができる。
【００５０】
［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６を用いて説明する。
図６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が搭載されている原子発振器２００について説明する。
【００５１】
＜原子発振器２００の構造＞
図６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、電圧制御水晶発振部（ＶＣＸＯ）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６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。
【００５２】
（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、および与圧部１４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。
【００５３】
（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の発振周波数が微調整される。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。
【００５４】
（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。
【００５５】
（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。
【００５６】
（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。
【００５７】
（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。
【００５８】
（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。
【００５９】
（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）の設定をする処理をおこなう。
【００６０】
（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。
【００６１】
（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。
【００６２】
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。
【００６３】
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１６、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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
（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。
【００６７】
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、筐体１１ｃと容器１１ａとの間に充填されているガス１１ｇによって、容器１１ａ中に封入されているアルカリ金属Ｍに圧力を加えることで、そのアルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧の変化を抑制することができる。また、ガス１１ｇとして原子量の小さいヘリウムを用いることで、容器１１ａにより透過させることができ、さらに、アルカリ金属Ｍおよび緩衝ガス１１ａｇの分圧の変化を抑制することができる。したがって、アルカリ金属Ｍの分圧の変化が抑制されることから、励起光ＬＬ（第１共鳴光Ｌ１および第２共鳴光Ｌ２）が金属を透過する際に生じる光吸収率（光透過率）を一定に保つことができる。また、アルカリ金属Ｍに照射された励起光ＬＬがアルカリ金属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を抑制し、周波数の安定度を高めることができる。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、かつ高安定度なクロック信号を発振することができる原子発振器２００を得ることができる。
【００６８】
（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７から図１０を参照しながら説明する。
【００６９】
［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７から図１０を参照しながら説明する。
【００７０】
図７は、本発明の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。この様な原子発振器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、かつ高安定度を保ったクロック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。
【００７１】
図８は、本発明の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。この様な原子発振器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、かつ高安定度を保ったクロック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。
【００７２】
図９は、本発明の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、かつ高安定度を保ったクロック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。
【００７３】
なお、本発明の一実施形態に係る原子発振器２００は、図７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８の携帯電話機、図９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。
【００７４】
［移動体］
図１０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】
【００７５】
１０…光出射部、１１…ガスセル、１１ａ…容器、１１ｃ…筐体、１１ｇ…ガス、１１ａｇ…緩衝ガス、１２…光検出部、１３…磁場発生部、１４…与圧部、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】
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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】
2015041726.tif 000010
【図９】
2015041726.tif 000011
【図１０】
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