(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁誘起透過現象を発生するアルカリ金属原子と、
前記アルカリ金属原子に直流磁場を与えることにより、前記アルカリ金属原子にゼーマン分裂を起こす直流磁場発生手段と、
前記アルカリ金属原子に所定の交流磁場を与える交流磁場発生手段と、を備え
前記交流磁場発生手段は、前記所定の交流磁場として、前記ゼーマン分裂における磁気量子数ｍFが互いに異なるエネルギー差ΔＥに相当する周波数差ΔＦに等しい交流磁場を与える、
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記交流磁場発生手段は、前記所定の交流磁場として、前記直流磁場の強度に応じた所定の周波数の交流磁場を前記アルカリ金属原子に与えることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
前記直流磁場の強度を検出する直流磁場検出手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の原子発振器。
【請求項４】
前記交流磁場発生手段は、
前記直流磁場の強度に基づいて周波数制御信号を生成する周波数制御手段を有することを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の原子発振器。
【請求項５】
前記交流磁場発生手段は、
前記周波数制御信号に基づいて周波数が制御される電圧制御発振器を有することを特徴とする請求項４に記載の原子発振器。
【請求項６】
前記周波数制御手段は、
前記直流磁場検出手段が検出した前記直流磁場の強度に対応する周波数情報を記憶する記憶手段を有し、前記記憶手段から読み出された周波数情報に基づいて前記周波数制御信号を生成することを特徴とする請求項４または５に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記交流磁場発生手段は、
前記電圧制御発振器からの出力信号が入力されることにより前記交流磁場を発生するコイルを有していることを特徴とする請求項５に記載の原子発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関し、特に、ゼーマン分裂したＥＩＴスペクトルのＳ／Ｎを改善した原子発振器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるためには、周波数の異なる２つの共鳴光（周波数ω１、ω２）をアルカリ金属原子に照射する必要がある。ＥＩＴ方式による原子発振器は、図６に示すように、第１基底準位３３と第２基底準位３４は準位のエネルギーが若干異なるため（ΔＥ１２）、共鳴光もそれぞれ第１共鳴光３１と第２共鳴光３２の波長ｆ１、ｆ２が若干異なる。同時に照射される第１共鳴光３１と第２共鳴光３２の周波数差ｆ１−ｆ２（波長の差：ω１−ω２）が正確に第１基底準位３３と第２基底準位３４のエネルギー差ΔＥ１２に一致すると、図６の系は２つの基底準位の重ね合わせ状態になり、励起準位３０への励起が停止する（ＥＩＴ現象と呼ぶ）。ＥＩＴはこの原理を利用して、第１共鳴光３１と第２共鳴光３２のどちらか，または両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収（つまり励起準位３０への転換）が停止する状態を検出、利用する方式である。この現象を利用し、第１共鳴光３１と第２共鳴光３２との周波数差が第１基底準位３３と第２基底準位３４のエネルギー差（ΔＥ１２）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。
【０００３】
また、第１基底準位３３と第２基底準位３４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。
尚、特許文献１のＦＩＧ５（図７（ｂ））には、ソレノイドコイル１１４によってガスセル（アルカリ金属原子）１１５に１００ミリガウス程度の弱い磁場（共鳴光に対して平行な磁場）を与える技術が開示されている。アルカリ金属原子に弱い磁場を与えると、Λ型３準位を構成する２つの基底準位と励起準位とがそれぞれエネルギーの異なる複数のエネルギー準位に分裂（ゼーマン分裂と呼ばれる。以下、分裂したエネルギー準位をゼーマン準位と言う）することが知られている。また、２つの基底準位（第１基底準位３３と第２基底準位３４）がそれぞれ複数のエネルギー準位にゼーマン分裂することで、第１基底準位３３と第２基底準位３４とのエネルギー差（周波数差）が変化するため、これに応じて原子発振器の出力周波数も変化することが知られている。
【０００４】
ここで、複数に分裂したゼーマン準位のうちで、磁場の影響をほとんど受けない第１基底準位３３と第２基底準位３４、及び励起準位３０（磁気量子数ｍF＝０を有する第１基底準位３３と第２基底準位３４、及び磁気量子数ｍF＝０を有する励起準位３０）が存在することが知られている。
そこで、予め所定の強度の弱磁場をガスセル内のアルカリ金属原子に与えておくと、磁気量子数ｍF＝０を有する第１基底準位３３と第２基底準位３４、及び磁気量子数ｍF＝０を有する励起準位３０からなる特定のΛ型３準位のみが電磁誘起透過現象を発現するように、原子発振器の出力周波数を制御することができる。これにより、原子発振器の出力周波数に対する磁場の影響を軽減できるとされている。
【０００５】
一方、特許文献１のＦＩＧ３（図７（ａ））には半導体レーザーの出力光（直線偏光）をλ／４波長板で円偏光に変換して、アルカリ金属原子に照射する構成が開示されている。半導体レーザーの出力光（直線偏光）を円偏光に変換する理由は、前述した第１基底準位３３と第２基底準位３４が複数のゼーマン準位に分裂することに関係している。
例えば、半導体レーザーの出力光（直線偏光）を直接アルカリ金属原子に照射すると、直線偏光とアルカリ金属原子とが相互作用を起こし、アルカリ金属原子が磁気量子数ｍF＝０を含め全てのゼーマン準位（基底準位）に均等に分散して存在するようになる。このことは、原子セル内部において磁気量子数ｍF＝０の基底準位に存在するアルカリ金属原子の数が減少することを意味し、ＥＩＴ現象を発現する原子数が減少することを意味する。
【０００６】
そこで、アルカリ金属原子が磁気量子数ｍF＝０の基底準位に存在する確率を高めるために、円偏光の光を照射してアルカリ金属原子と円偏光との間で相互作用を起こすようにしている。例えば、図８に示すように、セシウム原子に右円偏光の光を照射すると、右円偏光の光の照射を受けたアルカリ金属原子はＦ＝４の基底準位（第２基底準位３４）に対しては、９つの磁気量子数（ｍF＝−４、−３、−２、−１、０、１、２、３、４）の中で５つの磁気量子数（ｍF＝０、１、２、３、４）に偏って存在する確率が高くなる。（逆に左円偏光の光を照射すると、磁気量子数ｍF＝０、−１、−２、−３、−４のいずれかに偏って存在する確率が高くなる。）
あるいは、セシウム原子に右円偏光の光を照射すると、右円偏光の光の照射を受けたアルカリ金属原子はＦ＝３の基底準位（第１基底準位３３）に対しては４つの磁気量子数（ｍF＝０、１、２、３）に原子が偏って存在する確率が高くなる（逆に左円偏光の光を照射すると、磁気量子数ｍF＝０、−１、−２、−３に偏って存在する確率が高くなる）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＵＳＰ６３２０４７２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の説明により、それぞれの磁気量子数ｍFに対するアルカリ金属原子が存在する確率に偏りが生じることになる。（アルカリ金属原子がＦ＝４の基底準位になっているか、或いはＦ＝３の基底準位になっているかは確率的にほぼ同じである。）しかしながら、円偏光を照射しても、依然として磁気量子数ｍF＝１，２，３，４といったｍF＝０以外の基底準位にアルカリ金属原子が存在することになり、これ以上ＥＩＴ現象の発現確率を高めることができないといった問題点がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、磁気量子数ｍF＝０以外の磁気量子数ｍFに存在するアルカリ金属原子の数をｍF＝０の基底準位に遷移させて、磁気量子数ｍF＝０におけるＥＩＴ信号のピーク値を高くした原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
本適用例の原子発振器は、電磁誘起透過現象を発生するアルカリ金属原子と、前記アルカリ金属原子に直流磁場を与えるとにより、前記アルカリ金属原子にゼーマン分裂を起こす直流磁場発生手段と、前記アルカリ金属原子に所定の交流磁場を与える交流磁場発生手段と、を備え前記交流磁場発生手段は、前記所定の交流磁場として、前記ゼーマン分裂における磁気量子数ｍFが互いに異なるエネルギー差ΔＥに相当する周波数差ΔＦに等しい交流磁場を与える、ことを特徴とする。
【００１１】
アルカリ金属原子に直流磁場を与えると、ゼーマン分裂を起こす。ゼーマン分裂された
ＥＩＴ信号は、夫々の基底準位に配分されているために、ｍF＝０の基底準位でのアルカ
リ金属原子が存在する確率が低くなり、ＥＩＴ信号のレベルが低くなる。そこで、ｍF＝
０の基底準位でのアルカリ金属原子が存在する確率を高めるために、円偏光の光をアルカ
リ金属原子に照射する。その結果、例えば、右円偏光の光の照射を受けたアルカリ金属原
子はＦ＝４の基底準位（第２基底準位３４）に対しては、９つの磁気量子数（ｍF＝−４
、−３、−２、−１、０、１、２、３、４）の中で５つの磁気量子数（ｍF＝０、１、２
、３、４）に偏って存在する確率が高くなる。或いは、Ｆ＝３の基底準位（第１基底準位
３３）に対しては４つの磁気量子数（ｍF＝０、１、２、３）に原子が偏って存在する確
率が高くなる。しかし、この状態では、直線偏光に比べてｍF＝０でのＥＩＴ信号のレベ
ルは高くなるが、それ以外のｍFでのレベルも高いため、必ずしも効率よくｍF＝０でのＥ
ＩＴレベルを高くできない。そこで本発明では、前記ゼーマン分裂における磁気量子数ｍFが互いに異なるエネルギー差ΔＥに相当する周波数差ΔＦに等しい交流磁場をアルカリ金属原子に与える交流磁場発生手段を備える。これにより、磁気量子数ｍF＝０以外の磁気量子数ｍFに存在するアルカリ金属原子の数をｍF＝０の基底準位に遷移させて、磁気量子数ｍF＝０におけるＥＩＴ信号のピーク値を高くすることができる。
【００１２】
［適用例２］前記直流磁場の強度を検出する直流磁場検出手段を備え、前記交流磁場発生手段は、前記直流磁場検出手段が検出した前記直流磁場の強度に基づき、所定の周波数の交流磁場を前記アルカリ金属原子に与えることを特徴とする。
【００１３】
直流磁場をアルカリ金属原子に与えるとゼーマン分裂を起こす。そのとき、磁気量子数ｍFが互いに異なるエネルギー差ΔＥと、そのエネルギー差に相当する周波数差ΔＦを生じる。そして、直流磁場と、円偏光の共鳴光と、ΔＦに等しい交流磁場を与えると、磁気量子数ｍF＝＋１のゼーマン準位にあったアルカリ金属原子は磁気量子数ｍF＝０の状態へと遷移する。これにより、磁気量子数ｍF＝０のゼーマン準位にあるアルカリ金属原子の数を多くすることができる。
【００１４】
［適用例３］前記交流磁場発生手段は、前記直流磁場検出手段が検出した前記直流磁場の強度に基づいて周波数制御信号を生成する周波数制御手段と、前記周波数制御信号に従い周波数が制御される電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の出力信号が入力されることにより前記交流磁場を発生するコイルと、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
直流磁場は、直流電源からコイルに電流を流して生成する。しかし、電源電圧が変動するとコイルに流れる電流が変化するため、直流磁場の強度が変動する。交流磁場は直流磁場の強度に対応した周波数により磁場を発生する必要がある。そこで本発明では、直流磁場の強度を検出して、その強度に応じた制御信号を電圧制御発振器に与える。これにより、直流磁場の変動に追従して交流磁場の周波数を制御することができる。
【００１６】
［適用例４］前記周波数制御手段は、前記直流磁場検出手段が検出した前記直流磁場の強度に対応した周波数情報を記憶する記憶手段を備え、該記憶手段から読み出された周波数情報に基づいて前記周波数制御信号を生成することを特徴とする。
【００１７】
直流磁場の強度と交流磁場の周波数の関係は、連続的に変化させても良いが、回路を簡略化するために、直流磁場の強度に対応する交流磁場の周波数情報をテーブルに記憶しておき、検出した直流磁場の強度に対応する周波数情報をテーブルから読み出して出力する。これにより、回路構成を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】（ａ）は量子数Ｆ＝４のときの周波数差と磁場強度の関係を示す図、（ｂ）は量子数Ｆ＝３のときの周波数差と磁場強度の関係を示す図、（ｃ）はゼーマン分裂したときの基底準位のエネルギーレベルを示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。
【図４】（ａ）は本発明の周波数制御手段の一実施形態を示すブロック図、（ｂ）は直流磁場の強度と直流磁場検出電圧の関係を示す図、（ｃ）は直流磁場検出電圧と制御電圧の関係を示す図、（ｄ）は制御電圧と発振周波数の関係を示す図である。
【図５】本発明の周波数制御手段の他の実施形態を示すブロック図である。
【図６】ＥＩＴ方式の原理を説明する図である。
【図７】（ａ）は特許文献１のＦＩＧ．３を説明する図、（ｂ）は特許文献１のＦＩＧ．５を説明する図である。
【図８】Ｃｓ原子のエネルギー準位図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
本発明の特徴はアルカリ金属原子に強い直流磁場（約３ガウス）を与え、直流磁場の強度に応じた周波数の交流磁場をアルカリ金属原子に与えた構成にある。
【００２０】
図１は、量子数Ｆ＝４とＦ＝３における周波数差と磁場強度の関係を示す図である。図１（ａ）は量子数Ｆ＝４のときの周波数差と磁場強度の関係を示す図、図１（ｂ）は量子数Ｆ＝３のときの周波数差と磁場強度の関係を示す図、図１（ｃ）はゼーマン分裂したときの基底準位のエネルギーレベルを示す図である。
例えば、図１（ｃ）に示すセシウム原子の量子数Ｆ＝３の基底準位（第１基底準位３３）を例として説明すると、磁気量子数ｍF＝−３、−２、−１、０、＋１、＋２、＋３について、磁気量子数ｍFが互いに１だけ異なる基底準位のエネルギー差を、それぞれΔＥ（−３、−２）２１、ΔＥ（−２、−１）２２、ΔＥ（−１、０）２３、ΔＥ（０、＋１）２４、ΔＥ（＋１、＋２）２５、ΔＥ（＋２、＋３）２６とし、それぞれのΔＥに相当する周波数差をΔＦ（−３、−２）、ΔＦ（−２、−１）、ΔＦ（−１、０）、ΔＦ（０、＋１）、ΔＦ（＋１、＋２）、ΔＦ（＋２、＋３）とすると、アルカリ金属原子に強い磁場をかけた場合、ΔＦはそれぞれ互いに異なる値を有することに本発明者等は着目した（図１（ｂ）の直線２１〜２６のそれぞれの間隔が異なる）。尚、アルカリ金属原子に弱い直流磁場をかけた場合は、それぞれのΔＦはほぼ等しくなる。
【００２１】
そこで、ΔＦがそれぞれ異なった値を有する特徴を利用して、例えば、アルカリ金属原子に、共鳴光と平行な強い直流磁場と、右円偏光の共鳴光と、ΔＦ（０、＋１）に等しい周波数の交流磁場とを与えると、磁気量子数ｍF＝＋１のゼーマン準位にあったアルカリ金属原子は磁気量子数ｍF＝０の状態へと遷移することになる（図１（ｃ）の矢印）。（２重共鳴法におけるマイクロ波照射と同じ考え）このとき、もともと磁気量子数ｍF＝０のゼーマン準位にあったアルカリ金属原子はｍF＝−１のゼーマン準位に遷移しない。なぜならば、交流磁場をアルカリ金属原子に与えても、ΔＦ（０、＋１）とΔＦ（−１、０）とは異なる値を有するため、ｍF＝＋１→０への遷移のみが生じ、ｍF＝０→ｍF＝−１への遷移は生じないからである。このようにして、Ｆ＝３の基底準位（第１基底準位３３）において、磁気量子数ｍF＝０に存在する原子数を増やすことができ、ＥＩＴ現象の発現確率を十分に高めることができる。
尚、ｍF＝＋１→０の遷移のみならず、ｍF＝＋２→０、ｍF＝＋３→０のいずれかの遷移が起こるように、交流磁場の周波数を制御しても良い。また、セシウム原子のＦ＝４の基底準位についても、Ｆ＝３の基底準位の例と同様である。
【００２２】
図２は本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。本発明の原子発振器１００は、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発現させるための第１の共鳴光、及び第２の共鳴光を発生する半導体レーザー（光源）１と、半導体レーザー１から発生した共鳴光１ａを円偏光するλ／４波長板２と、アルカリ金属原子が封入された原子セル３と、原子セル３から出射した共鳴光３ａの強度を検出する光検出手段５と、アルカリ金属原子に所定の強度の直流磁場を与える直流磁場発生手段４と、直流磁場の強度に応じた所定の周波数の交流磁場をアルカリ金属原子に与える交流磁場発生手段８と、光検出手段５から出力された共鳴光の中心波長を制御する中心波長制御手段９と、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発現させるように、第１の共鳴光と第２の共鳴光との周波数差を制御する制御手段１０と、を備えて構成されている。尚、交流磁場発生手段８は、交流磁場の周波数を発振する発振器７と、発振器７の出力信号が入力されることにより交流磁場を発生するコイル６と、を備えている。
【００２３】
アルカリ金属原子に直流磁場を与えると、ゼーマン分裂を起こす。ゼーマン分裂されたＥＩＴ信号は、夫々の基底準位に配分されているために、ｍF＝０の基底準位でのアルカリ金属原子が存在する確率が低くなり、ＥＩＴ信号のレベルが低くなる。そこで、ｍF＝０の基底準位でのアルカリ金属原子の存在確率を高めるために、円偏光の光２ａをアルカリ金属原子に照射する。その結果、例えば、右円偏光の光の照射を受けたアルカリ金属原子は量子数Ｆ＝４の基底準位（第２基底準位３４）に対しては、９つの磁気量子数（ｍF＝−４、−３、−２、−１、０、１、２、３、４）の中で５つの磁気量子数（ｍF＝０、１、２、３、４）に偏って存在する確率が高くなる。或いは、量子数Ｆ＝３の基底準位（第１基底準位３３）に対しては４つの磁気量子数（ｍF＝０、１、２、３）に原子が偏って存在する確率が高くなる。
しかし、この状態では、直線偏光に比べてｍF＝０でのＥＩＴ信号のレベルは高くなるが、それ以外のｍFでのレベルも高いため、必ずしも効率よくｍF＝０でのＥＩＴレベルを高くできない。そこで本実施形態では、直流磁場の強度に応じた所定の周波数の交流磁場をアルカリ金属原子に与える交流磁場発生手段８を備える。これにより、磁気量子数ｍF＝０以外の磁気量子数ｍFに存在するアルカリ金属原子の数をｍF＝０の基底準位に遷移させて、磁気量子数ｍF＝０におけるＥＩＴ信号のピーク値を高くすることができる。
【００２４】
図３は本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。本発明の原子発振器１１０が図２と異なる点は、直流磁場発生手段４の直流磁場の強度を検出する直流磁場検出手段１１と、交流磁場発生手段１４に、直流磁場検出手段１１が検出した直流磁場の強度に基づいて周波数制御信号を生成する周波数制御手段１２と、周波数制御信号に従い周波数が制御される電圧制御発振器１３と、を更に備えたところである。
直流磁場をアルカリ金属原子に与えるとゼーマン分裂を起こすことは前記したが、そのとき、磁気量子数ｍFが互いに異なるエネルギー差ΔＥと、そのエネルギー差に相当する周波数差ΔＦを生じる。そして、直流磁場と、円偏光の共鳴光２ａと、ΔＦに等しい交流磁場を与えると、磁気量子数ｍF＝＋１のゼーマン準位にあったアルカリ金属原子は磁気量子数ｍF＝０の状態へと遷移する。これにより、磁気量子数ｍF＝０のゼーマン準位にあるアルカリ金属原子の数を更に多くすることができる。
また、直流磁場は、直流電源からコイルに電流を流して生成する。しかし、電源電圧が変動するとコイルに流れる電流が変化するため、直流磁場の強度が変動する。交流磁場は直流磁場の強度に対応した周波数により磁場を発生する必要がある。そこで本実施形態では、直流磁場の強度を検出して、その強度に応じた制御信号を電圧制御発振器１３に与える。これにより、直流磁場の変動に追従して交流磁場の周波数を制御することができる。
【００２５】
図４（ａ）は本発明の周波数制御手段の一実施形態を示すブロック図である。例えば、本実施形態の周波数制御手段１２は、増幅器１２ａと、増幅器１２ａの出力を反転入力にフィードバックさせる可変抵抗器Ｒ２と、反転入力を接地する抵抗器Ｒ１と、を備え、抵抗器Ｒ１とＲ２の比により増幅率を決定する。直流磁場検出手段１１は、検出した磁場の強度に対応する検出電圧を出力する（図４（ｂ））。その検出電圧を周波数制御手段１２の増幅器１２ａの非反転入力で受信し、抵抗Ｒ１とＲ２の比で決まる増幅率により磁場の強度を制御電圧に変換して電圧制御発振器１３に出力する（図４（ｃ））。電圧制御発振器１３は、制御電圧に対応した発振周波数で電圧制御発振器１３を発振させる（図４（ｄ））。
【００２６】
図５は本発明の周波数制御手段の他の実施形態を示すブロック図である。例えば、周波数制御手段１２は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１２ａと、直流磁場の強度の検出電圧に対応した周波数値の制御電圧を記憶する不揮発性メモリ１２ｂと、不揮発性メモリ１２ｂから読み出された制御電圧のデジタル値をアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器１２ｃと、を備えている。
直流磁場検出手段１１により検出された磁場の強度に対応する検出電圧をＡ／Ｄ変換器１２ａでデジタル信号に変換し、この検出電圧に対応する不揮発性メモリ１２ｂに記憶されたデジタル電圧値を読み出す。そのデジタル電圧値はＤ／Ａ変換器１２ｃによりアナログ値に変換されて電圧制御発振器１３に出力する。電圧制御発振器１３は、アナログ値に変換された制御電圧に対応した発振周波数で電圧制御発振器１３を発振させる。
【符号の説明】
【００２７】
１  半導体レーザー、２  λ／４波長板、３  原子セル、４  直流磁場発生手段、５  光検出手段、６  コイル、７  発振器、８  交流磁場発生手段、９  中心波長制御手段、１０  制御手段、１１  直流磁場検出手段、１２  周波数制御手段、１３  電圧制御発振器、１４  交流磁場発生手段、３０  励起準位、３１  第１共鳴光、３２  第２共鳴光、３３  第１基底準位、３４  第２基底準位、１００、１１０  原子発振器
【図１】
0005796454.tif 000002
【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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