(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１光透過部および第２光透過部を有し、金属が封入されている内部空間が前記第１光透過部と前記第２光透過部との間に構成されている原子セルと、
互いに同方向に円偏光していて前記金属を共鳴させる共鳴光対を含む第１光を前記内部空間に対して前記第１光透過部から入射させる第１光源部と、
前記内部空間において前記共鳴光対とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光を含む第２光を前記内部空間に対して前記第２光透過部から入射させる第２光源部と、
前記原子セルを通過した前記共鳴光対を受光する受光部と、を備えることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項２】
前記調整光は、前記金属を共鳴させる共鳴光である請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項３】
前記共鳴光対はＤ１線であり、
前記調整光はＤ２線である請求項１または２に記載の量子干渉装置。
【請求項４】
前記第２光源部は、前記原子セルと前記受光部との間にある発光素子を有する請求項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光と前記第２光との互いの光軸が交差している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項６】
前記第２光源部が面発光レーザーおよび発光ダイオードのいずれかを有する請求項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】
前記受光部は、表面に、前記第２光源部を備えている請求項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】
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を備えることを特徴とする原子発振器。
【請求項９】
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を備えることを特徴とする電子機器。
【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】
長期的に高精度な発振特性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の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。
【０００３】
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。量子干渉効果を利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器よりも小型化できることから、近年、様々な機器への搭載が期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
量子干渉効果を利用した原子発振器は、例えば、特許文献１に開示されているように、気体状のアルカリ金属を封入したガスセルと、ガスセル中のアルカリ金属を共鳴させる共鳴光対を出射する光源と、ガスセルを透過した共鳴光対を検出する光検出器（受光部）と、を備えている。そして、このような原子発振器では、２種類の共鳴光の周波数差が特定の値のときに２種類の共鳴光の双方がガスセル内のアルカリ金属に吸収されずに透過する電磁誘起透明化（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象を生じるが、そのＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を光検出器で検出し、そのＥＩＴ信号を基準信号として用いる。
【０００５】
ここで、短期周波数安定度を高める観点から、ＥＩＴ信号は、線幅（半値幅）が小さく、かつ、強度が高いことが好ましい。そのため、例えば、特許文献１に係る原子発振器では、ＥＩＴ信号の強度を向上させる目的で、円偏光している共鳴光対を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１７８２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１に係る原子発振器では、互いに同方向に円偏光している共鳴光対のみをガスセル中のアルカリ金属に照射するため、当該アルカリ金属の磁気量子数の分布に偏りが生じて、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数の金属原子の数が減少してしまい、その結果、ＥＩＴ信号の強度を十分に向上させることができないという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、ＥＩＴ信号の強度を効果的に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】
【０００９】
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、第１光透過部および第２光透過部を有し、金属が封入されている内部空間が前記第１光透過部と前記第２光透過部との間に構成されている原子セルと、
互いに同方向に円偏光していて前記金属を共鳴させる共鳴光対を含む第１光を前記内部空間に対して前記第１光透過部から入射させる第１光源部と、
前記内部空間において前記共鳴光対とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光を含む第２光を前記内部空間に対して前記第２光透過部から入射させる第２光源部と、
前記原子セルを通過した前記共鳴光対を受光する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
このような量子干渉装置によれば、互いに同方向に円偏光している共鳴光対に加えて、原子セル内において共鳴光対とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光を原子セル内の金属に照射することにより、共鳴光対による磁気量子数の分布の偏りを調整光により相殺または緩和させ、金属の磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。そのため、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数の金属原子の数を増加させ、その結果、円偏光している共鳴光対を用いることによってＥＩＴ信号の強度を向上させる効果を顕著に発現させることができる。よって、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる。
【００１１】
しかも、金属に対して調整光を共鳴光対とは反対側から照射することにより、原子セルと受光部との間に調整光を遮断するためのフィルターを設けなくても、受光部に調整光が入射することを低減することができる。そのため、受光部で受光される共鳴光対の強度を高めるとともに、受光部で受光される調整光の強度を低減することができる。その結果、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【００１２】
本発明の量子干渉装置では、前記調整光は、前記金属を共鳴させる共鳴光であることが好ましい。
これにより、金属の磁気量子数の分布を効率的に調整することができる。
【００１３】
本発明の量子干渉装置では、前記共鳴光対はＤ１線であり、
前記調整光はＤ２線であることが好ましい。
これにより、ＥＩＴ信号の強度を効率的に向上させることができる。
【００１４】
本発明の量子干渉装置では、前記第２光源部は、前記原子セルと前記受光部との間にある発光素子を有することが好ましい。
【００１５】
これにより、比較的簡単な構成で、金属に対して調整光を共鳴光対とは反対側から照射することができる。
【００１６】
本発明の量子干渉装置では、前記第１光と前記第２光との互いの光軸が交差していることが好ましい。
【００１７】
これにより、比較的簡単な構成で、第２光が第１光源部の発光素子に入射するのを低減したり、第２光源部の発光素子が受光部で受光される第１光を阻害するのを低減したりすることができる。
【００１８】
本発明の量子干渉装置では、前記第２光源部が面発光レーザーを有することが好ましい。
これにより、所望の周波数を有する調整光を容易に生成することができる。
【００１９】
本発明の量子干渉装置では、前記第２光源部が発光ダイオードを有することが好ましい。
【００２０】
これにより、調整光の線幅を共鳴光対よりも大きくすることができる。そのため、幅広い速度分布の金属原子に対して調整光を共鳴させることができる。そのため、調整光の中心波長が多少ずれても、所望の速度にある金属原子に対して調整光を共鳴させることができる。その結果、調整光の周波数制御が不要となり、装置構成を簡単化することができる。
【００２１】
本発明の量子干渉装置では、前記受光部は、表面に、前記第２光源部を備えていることが好ましい。
【００２２】
これにより、比較的簡単な構成で、原子セルと受光部との間に第２光源部の発光素子を配置することができる。
【００２３】
本発明の量子干渉装置では、前記受光部および前記発光素子が一体で構成されていることが好ましい。
これにより、装置の小型化を図ることができる。
【００２４】
本発明の量子干渉装置では、前記発光素子は、前記表面の前記共鳴光対が照射される領域内に配置されている部分を有することが好ましい。
【００２５】
これにより、第１光および第２光を互いに平行となるように原子セル内の金属に照射することができる。そのため、原子セル内の金属のドップラー幅等を考慮して第２光源部を設計するに際し、第２光源部の設計が容易となる。
【００２６】
本発明の量子干渉装置では、前記発光素子は、前記表面の前記共鳴光対が照射される領域外に配置されている部分を有することが好ましい。
【００２７】
これにより、比較的簡単な構成で、第２光が第１光源部の発光素子に入射するのを低減したり、第２光源部の発光素子が受光部で受光される第１光を阻害するのを低減したりすることができる。
【００２８】
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。
これにより、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える原子発振器を提供することができる。
【００２９】
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。
これにより、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える電子機器を提供することができる。
【００３０】
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。
これにより、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【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）を示す概略図である。
【図２】アルカリ金属原子のエネルギー状態を簡略的に説明するための図である。
【図３】光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す原子発振器が備える光源部、原子セルおよび受光部を説明するための概略図である。
【図５】図４に示す第２光源部の発光素子および受光部を含む構造体を説明するための概略断面図である。
【図６】図５に示す構造体の概略平面図である。
【図７】セシウム原子のエネルギー状態と共鳴光対（第１共鳴光、第２共鳴光）および調整光（第３共鳴光）との関係の一例を示す図である。
【図８】ナトリウム原子の磁気量子数の分布を示す図であって、（ａ）は、σ＋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図、（ｂ）は、σ−円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る原子発振器が備える光源部、原子セルおよび受光部を説明するための概略図である。
【図１０】図９に示す第２光源部の発光素子および受光部を含む構造体を説明するための平面図である。
【図１１】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１２】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】
【００３２】
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。
【００３３】
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、本発明の量子干渉装置を原子発振器に適用した例を説明するが、本発明の量子干渉装置は、これに限定されず、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。
【００３４】
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る原子発振器を簡単に説明する。
【００３５】
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）を示す概略図である。図２は、アルカリ金属原子のエネルギー状態を簡略的に説明するための図である。図３は、光源部から出射される２つの光の周波数差と、受光部で検出される光の強度との関係を示すグラフである。
【００３６】
図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果を利用した原子発振器である。この原子発振器１は、図１に示すように、原子セル２（ガスセル）と、光源部３と、受光部４と、ヒーター５と、温度センサー６と、磁場発生部７と、制御部８と、を備えている。
【００３７】
まず、原子発振器１の原理を簡単に説明する。
図１に示すように、原子発振器１では、光源部３が原子セル２に向けて光ＬＬを出射し、原子セル２を透過した光ＬＬを受光部４が検出する。
【００３８】
原子セル２内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されている。アルカリ金属は、図２に示すように、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。ここで、第１基底準位は、第２基底準位よりも低いエネルギー状態である。
【００３９】
光源部３から出射された光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光として第１共鳴光および第２共鳴光を含んでいる。これら第１共鳴光および第２共鳴光を前述したようなガス状のアルカリ金属に照射したとき、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周波数ω２との差（ω１−ω２）に応じて、共鳴光１、２のアルカリ金属における光吸収率（光透過率）が変化する。
【００４０】
そして、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周波数ω２との差（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に相当する周波数に一致したとき、第１基底準位および第２基底準位から励起準位への励起がそれぞれ停止する。このとき、第１共鳴光および第２共鳴光は、いずれも、アルカリ金属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。
【００４１】
例えば、光源部３が第１共鳴光の周波数ω１を固定し、第２共鳴光の周波数ω２を変化させていくと、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周波数ω２との差（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、受光部４の検出強度は、図３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、アルカリ金属の種類によって決まった固有値をもっている。したがって、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。
【００４２】
以下、原子発振器１の各部を簡単に説明する。
［ガスセル］
原子セル２内には、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が封入されている。また、原子セル２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アルカリ金属ガスとともに封入されていてもよい。
【００４３】
後に詳述するが、原子セル２は、貫通孔を有する胴体部と、この胴体部の貫通孔の開口を塞ぐ１対の窓部とを有し、これにより、気体状のアルカリ金属が封入される内部空間が形成されている。
【００４４】
［光出射部］
光源部３は、原子セル２内のアルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を構成する前述した第１共鳴光および第２共鳴光を含む光ＬＬを出射する機能を有する。
【００４５】
また、光源部３が出射する光ＬＬは、第１共鳴光および第２共鳴光に加えて、第３共鳴光を含んでいる。
【００４６】
第１共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属原子を前述した第１基底準位から励起準位へ励起する光（probe光）である。一方、第２共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属原子を前述した第２基底準位から励起準位へ励起する光（coupling光）である。ここで、第１共鳴光および第２共鳴光は、互いに同方向に円偏光している。また、第３共鳴光は、原子セル２内のアルカリ金属の磁気量子数を調整する「調整光」（repump光）である。この第３共鳴光は、第１共鳴光および第２共鳴光と同方向に円偏光している。後述するように第３共鳴光は、原子セル２に対して第２共鳴光および第２共鳴光とは反対側から照射されるため、原子セル２内において、第３共鳴光の円偏光の回転方向は、第１共鳴光および第２共鳴光の円偏光の回転方向と逆となる。これにより、原子セル２内のアルカリ金属原子の磁気量子数を調整することができる。なお、光源部３については、後に詳述する。なお、「円偏光」とは、光波の電場成分または磁場成分の、どちらか一方の振動に着目するとき、その振動方向が光の進行方向に対して垂直な面内で光波の周波数で回転し、振幅がその向きによらず一定である光であり、言い換えれば電場（または磁場）の振動が伝播に伴って円を描く光である。
【００４７】
［受光部］
受光部４は、原子セル２内を透過した光ＬＬ（特に、第１共鳴光および第２共鳴光で構成された共鳴光対）の強度を検出する機能を有する。
【００４８】
この受光部４としては、上述したような光ＬＬ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、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等の光検出器（受光素子）を用いることができる。なお、受光部４の構成は、後に詳述する。
【００４９】
［ヒーター］
ヒーター５（加熱部）は、前述した原子セル２（より具体的には原子セル２中のアルカリ金属）を加熱する機能を有する。これにより、原子セル２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。
【００５０】
このヒーター５は、例えば、通電により発熱する発熱抵抗体を含んで構成されている。この発熱抵抗体は、原子セル２に対して接触して設けられていてもよいし、原子セル２に対して非接触で設けられていてもよい。
【００５１】
より具体的には、例えば、発熱抵抗体を原子セル２に対して接触して設ける場合、原子セル２の１対の窓部にそれぞれ発熱抵抗体を設ける。これにより、原子セル２の窓部にアルカリ金属原子が結露することを防止することができる。その結果、原子発振器１の特性（発振特性）を長期にわたり優れたものとすることができる。このような発熱抵抗体は、光ＬＬに対する透過性を有する材料、具体的には、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）、ＩＺＯ（Indium Zinc Oxide）、Ｉｎ３Ｏ３、ＳｎＯ２、Ｓｂ含有ＳｎＯ２、Ａｌ含有ＺｎＯ等の酸化物等の透明電極材料で構成される。また、このような発熱抵抗体は、例えば、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着等の乾式メッキ法、ゾル・ゲル法等を用いて形成することができる。
【００５２】
また、発熱抵抗体を原子セル２に対して非接触で設ける場合、熱伝導性に優れる金属等、セラミックス等の部材を介して発熱抵抗体から原子セル２へ伝熱すればよい。
【００５３】
なお、ヒーター５は、原子セル２を加熱することができるものであれば、前述した形態に限定されず、各種ヒーターを用いることができる。また、ヒーター５に代えて、または、ヒーター５と併用して、ペルチェ素子を用いて、原子セル２を温度調節してもよい。
【００５４】
［温度センサー］
温度センサー６は、ヒーター５または原子セル２の温度を検出する機能を有する。
この温度センサー６は、例えば、ヒーター５または原子セル２に接触して配置される。
【００５５】
温度センサー６としては、それぞれ、特に限定されず、サーミスタ、熱電対等の公知の各種温度センサーを用いることができる。
【００５６】
［磁場発生部］
磁場発生部７は、原子セル２内のアルカリ金属に磁場を印加する機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、原子セル２内の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。
【００５７】
ここで、磁場発生部７からの磁場は、原子セル２内において、光ＬＬの進行方向に沿っている（ほぼ平行である）。なお、原子セル２内のアルカリ金属に対して共鳴光対および調整光を効率的に作用させる観点から、原子セル２内において、磁場発生部７からの磁場の方向は、光ＬＬの進行方向に対して、０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましい。
【００５８】
この磁場発生部７は、例えば、ソレノイド型を構成するように原子セル２の外周に沿って巻回して設けられたコイルで構成されていてもよいし、ヘルムホルツ型を構成するように原子セル２を介して対向して設けられた１対のコイルで構成されていてもよい。
【００５９】
また、磁場発生部７が発生する磁場は、定磁場（直流磁場）であるが、交流磁場が重畳されていてもよい。
【００６０】
［制御部］
制御部８は、光源部３、ヒーター５および磁場発生部７をそれぞれ制御する機能を有する。
【００６１】
この制御部８は、光源部３を制御する光源制御部８２と、原子セル２中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部８１と、磁場発生部７からの磁場を制御する磁場制御部８３とを有する。
【００６２】
光源制御部８２は、前述した受光部４の検出結果に基づいて、光源部３から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する機能を有する。より具体的には、光源制御部８２は、前述した周波数差（ω１−ω２）が前述したアルカリ金属固有の周波数ω０となるように、光源部３から出射される第１共鳴光および第２共鳴光の周波数を制御する。なお、光源制御部８２の構成については、後に詳述する。
【００６３】
また、温度制御部８１は、温度センサー６の検出結果に基づいて、ヒーター５への通電を制御する。これにより、原子セル２を所望の温度範囲内に維持することができる。例えば、原子セル２は、ヒーター５により、例えば、７０℃程度に温度調節される。
【００６４】
また、磁場制御部８３は、磁場発生部７が発生する磁場が一定となるように、磁場発生部７への通電を制御する。
【００６５】
このような制御部８は、例えば、基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。
以上、原子発振器１の構成を簡単に説明した。
【００６６】
（光源部および受光部の詳細な説明）
図４は、図１に示す原子発振器が備える光源部、原子セルおよび受光部を説明するための概略図である。図５は、図４に示す第２光源部の発光素子および受光部を含む構造体を説明するための概略断面図である。図６は、図５に示す構造体の概略平面図である。
【００６７】
図４に示すように、光源部３は、第１共鳴光および第２共鳴光を含む共鳴光対ＬＬ１を第１の光として出射する第１光源部３１と、第３共鳴光を含む調整光ＬＬ２を第２の光として出射する第２光源部３２と、を備えている。
【００６８】
第１光源部３１は、第１光源３１１と、λ／４波長板３１２と、を有している。なお、第１光源部３１は、第１光源３１１とλ／４波長板３１２との間にλ／２波長板が配置されていてもよい。この場合、第１光源３１１を光軸まわりに９０°回転させた姿勢で設置すればよい。また、第１光源部３１は、第１光源３１１と原子セル２との間に、レンズが配置されていてもよい。これにより、原子セル２内の共鳴光対ＬＬ１を平行光とすることができる。
【００６９】
第１光源３１１は、直線偏光されている共鳴光対からなる第１光ＬＬ１ａを出射する機能を有する。この第１光源３１１は、第１光ＬＬ１ａを含む光を出射し得るものであれば特に限定されないが、例えば、端面発光レーザー、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザーである。なお、「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。
【００７０】
λ／４波長板３１２は、直交する偏光成分間に位相差π／２（９０°）を生じさせる複屈折素子である。このλ／４波長板３１２は、第１光源３１１からの第１光ＬＬ１ａを直線偏光から円偏光（楕円偏光も含む）の共鳴光対ＬＬ１に変換する機能を有する。これにより、前述した第１共鳴光および第２共鳴光で構成された共鳴光対ＬＬ１を生成することができる。
【００７１】
一方、第２光源部３２は、原子セル２に対して、前述した第１光源部３１とは反対側に配置されている。この第２光源部３２は、第２光源３２１と、λ／４波長板３２２と、を有している。
【００７２】
第２光源３２１は、前述した第１光源３１１と同方向に直線偏光されている共鳴光からなる第２光ＬＬ２ａを出射する機能を有する。この第２光源３２１は、第２光ＬＬ２ａを含む光を出射し得るものであれば特に限定されないが、例えば、端面発光レーザー、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機エレクトロルミネッセンス（有機ＥＬ）素子等の発光素子である。
【００７３】
ここで、第２光源３２１の出力は、第１光源３１１の出力よりも小さいことが好ましい。これにより、後述するような調整光による作用を効果的に生じさせることができる。
【００７４】
λ／４波長板３２２は、直交する偏光成分間に位相差π／２（９０°）を生じさせる複屈折素子である。このλ／４波長板３２２は、第２光源３２１からの第２光ＬＬ２ａを直線偏光から円偏光（楕円偏光も含む）の調整光ＬＬ２に変換する機能を有する。これにより、前述した第３共鳴光となる調整光ＬＬ２を生成することができる。ここで、直線偏光されている第２光ＬＬ２ａの偏光方向（図４に示すｂ２方向）は、直線偏光されている第１光ＬＬ１ａの偏光方向（図４に示すｂ１方向）と同じ方向（平行な方向）である。したがって、λ／４波長板３１２で生成した共鳴光対ＬＬ１が右円偏光である場合、λ／４波長板３２２で生成した調整光ＬＬ２も右円偏光であり、一方、共鳴光対ＬＬ１が左円偏光である場合、調整光ＬＬ２も左円偏光である。このような右円偏光同士または左円偏光同士の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を互いに反対側から原子セル２に照射することにより、原子セル２の窓部２２と窓部２３とが並ぶ方向に沿って同方向から見たとき、原子セル２内において、調整光ＬＬ２の円偏光の回転方向が共鳴光対ＬＬ１の円偏光の回転方向に対して逆方向となる。すなわち、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の一方を右円偏光、他方を左円偏光とし、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を原子セル２に対して同じ側から照射した場合と同様の回転方向の関係となる。
【００７５】
以上のように構成された光源部３は、第１光源３１１が光源制御部８２により前述した第１共鳴光および第２共鳴光を出射するように制御される。
【００７６】
光源制御部８２は、周波数制御部８２１と、電圧制御型水晶発振器８２２（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillators）と、位相同期回路８２３（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有している。
【００７７】
周波数制御部８２１は、受光部４の受光強度に基づいて原子セル２内のＥＩＴ状態を検出し、その検出結果に応じた制御電圧を出力する。これにより、周波数制御部８２１は、受光部４でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器８２２を制御する。
【００７８】
電圧制御型水晶発振器８２２は、周波数制御部８２１により所望の発振周波数となるように制御され、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度の周波数で発振する。また、電圧制御型水晶発振器８２２の出力信号は、位相同期回路８２３に入力されるとともに、原子発振器１の出力信号として出力される。
【００７９】
位相同期回路８２３は、電圧制御型水晶発振器８２２からの出力信号を周波数逓倍する。これにより、位相同期回路８２３は、前述したアルカリ金属原子の２つの異なる２つの基底準位のエネルギー差ΔＥに相当する周波数の１／２の周波数で発振する。このように逓倍された信号（高周波信号）は、直流バイアス電流が重畳された上で駆動信号として第１光源部３１の第１光源３１１に入力される。これにより、第１光源３１１に含まれる半導体レーザー等の発光素子を変調して、周波数差（ω１−ω２）がω０となる２つの光である第１共鳴光および第２共鳴光を出射させることができる。ここで、直流バイアス電流の電流値は、図示しないバイアス制御部により所定値に制御される。これにより、第１共鳴光および第２共鳴光の中心波長を所望に制御することができる。
【００８０】
なお、第１光源３１１および第２光源３２１は、それぞれ、図示しない温度調節素子（発熱抵抗体、ペルチェ素子等）により、所定温度に温度調節される。また、第１光源３１１および第２光源３２１の温度を調整することにより、第１光源３１１および第２光源３２１からの光の中心波長を制御することもできる。
【００８１】
以上説明したように構成された第１光源部３１および第２光源部３２からの共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２は、原子セル２に照射される。
【００８２】
図４に示すように、原子セル２は、胴体部２１と、胴体部２１を挟んで設けられた１対の窓部２２、２３とを有している。この原子セル２では、胴体部２１が１対の窓部２２、２３の間に配置されていて、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを胴体部２１および１対の窓部２２、２３が区画形成（構成）している。
【００８３】
より具体的に説明すると、胴体部２１は、板状をなしており、この胴体部２１には、胴体部２１の厚さ方向に貫通している貫通孔２１１が形成されている。
【００８４】
この胴体部２１の構成材料としては、特に限定されず、ガラス材料、水晶、金属材料、樹脂材料、シリコン材料等が挙げられるが、中でも、ガラス材料、水晶、シリコン材料のいずれかを用いることが好ましく、シリコン材料を用いることがより好ましい。これにより、幅や高さが１０ｍｍ以下となるような小さい原子セル２を形成する場合であっても、エッチング等の微細加工技術を用いて、高精度な胴体部２１を容易に形成することができる。特に、シリコンは、エッチングによる微細加工が可能である。したがって、シリコンを用いて胴体部２１を構成することにより、原子セル２の小型化を図っても、胴体部２１を簡単かつ高精度に形成することができる。また、一般に、窓部２２、２３はガラスで構成されるが、シリコンはガラスに比べて熱伝導性に優れている。したがって、胴体部２１の放熱性を優れたものとすることができる。また、窓部２２、２３がガラスで構成されている場合、胴体部２１と窓部２２、２３とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。
【００８５】
このような胴体部２１の一方の面には、窓部２２が接合され、一方、胴体部２１の他方の面には、窓部２３が接合されている。これにより、貫通孔２１１の一端開口が窓部２２により封鎖されるとともに、貫通孔２１１の他端開口が窓部２３により封鎖されている。
【００８６】
胴体部２１と窓部２２、２３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、気密的に接合できるものであれば、特に限定されないが、例えば、接着剤による接合方法、直接接合法、陽極接合法、表面活性化接合法等を用いることができるが、直接接合法または陽極接合法を用いることが好ましい。これにより、胴体部２１と窓部２２、２３とを簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。
【００８７】
このような胴体部２１に接合されている各窓部２２、２３は、前述した光源部３からの光ＬＬに対する透過性を有している。そして、一方の窓部２２は、原子セル２の内部空間Ｓ内へ共鳴光対ＬＬ１が入射する入射側窓部（第１光透過部）であり、他方の窓部２３は、原子セル２の内部空間Ｓへ調整光ＬＬ２が入射する窓部（第２光透過部）であって、原子セル２の内部空間Ｓ内から共鳴光対ＬＬ１が出射する出射側窓部である。また、窓部２２、２３は、それぞれ、板状をなしている。
【００８８】
窓部２２、２３の構成材料としては、それぞれ、前述したような光ＬＬに対する透過性を有していれば、特に限定されず、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられるが、ガラス材料を用いることが好ましい。これにより、励起光に対する透過性を有する窓部２２、２３を実現することができる。また、胴体部２１がシリコンで構成されている場合、ガラスを用いて窓部２２、２３を構成することにより、胴体部２１と窓部２２、とを陽極接合により簡単に気密的に接合することができ、原子セル２の信頼性を優れたものとすることができる。なお、窓部２２、２３の厚さや光ＬＬの強度によっては、窓部２２、２３をシリコンで構成することもできる。この場合でも、胴体部２１と窓部２２、２３とを直接接合または陽極接合することができる。
【００８９】
このような窓部２２、２３により封鎖された貫通孔２１１内の空間である内部空間Ｓには、主に、気体状のアルカリ金属が収納されている。この内部空間Ｓ内に収納されている気体状のアルカリ金属は、光ＬＬによって励起される。ここで、内部空間Ｓの少なくとも一部は、光ＬＬが通過する「光通過空間」を構成する。
【００９０】
以上説明したように構成された原子セル２内において、図４に示すように、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１および調整光ＬＬ２の光軸ａ２は、それぞれ、原子セル２の窓部２２と窓部２３とが並ぶ方向に沿った軸線ａと平行となっている。
【００９１】
ここで、原子セル２の共鳴光対ＬＬ１が出射する側において、光軸ａ１またはその延長線上には、前述した受光部４および第２光源３２１が配置されており、原子セル２を通過した共鳴光対ＬＬ１は、λ／４波長板３２２で直線偏光に戻された後に、受光部４で受光される。
【００９２】
図５に示すように、受光部４は、第２光源３２１と一体的に構成されている。具体的に説明すると、第２光源３２１が受光部４の受光面上に配置されている。そして、受光部４および第２光源３２１を含んで一体的に構成された構造体４０は、半導体基板４１と、ｎ型半導体層４２１と、空乏層４２２と、ｐ型半導体層４２３と、絶縁層４３と、ｎ型半導体層４４１（クラッド層）と、活性層４４２（発光層）と、ｐ型半導体層４４３（クラッド層）と、を有し、これらがこの順で積層されている。なお、図５および図６は、それぞれ、受光部４および第２光源３２１の構成を概略的に示したものであり、上述した構成の他の層や電極等が適宜設けられていてもよい。
【００９３】
ｎ型半導体層４２１、空乏層４２２およびｐ型半導体層４２３を含む構造体４２は、受光部４を構成している。より具体的には、例えば、半導体基板４１がｎ型のＧａＡｓで構成され、ｎ型半導体層４２１がｎ型のＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰで構成され、空乏層４２２がＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰで構成され、ｐ型半導体層４２３がｐ型のＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰで構成されている。
【００９４】
また、ｎ型半導体層４２１上には、電極パッド４７１が設けられている。また、ｐ型半導体層４２３上には、電極パッド４７２が設けられている。ここで、電極パッド４７１は、空乏層４２２およびｐ型半導体層４２３の一部を欠損させた欠損部４２４により露出したｎ型半導体層４２１の部分上に設けられている。これら電極パッド４７１、４７２間の電位差が受光部４の検出信号として出力される。
【００９５】
絶縁層４３は、例えばＳｉＯ２またはＳｉＮで構成されている。
ｎ型半導体層４４１、活性層４４２およびｐ型半導体層４４３を含む構造体４４は、第２光源３２１を構成している。具体的には、ｎ型半導体層４４１がｎ型のＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰで構成され、活性層４４２がＡｌＧａＡｓまたはＧａＩｎＡｓＰで構成され、ｐ型半導体層４４３がｐ型のＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰで構成されている。
【００９６】
また、絶縁層４３上には、ｎ型半導体層４４１に電気的に接続された電極パッド４６１と、ｐ型半導体層４２３に電気的に接続された電極パッド４６２とが設けられている。これら電極パッド４６１、４６２間に電位差を生じさせることにより、第２光源３２１を発光させる。なお、電極パッド４６２とｎ型半導体層４４１および活性層４４２との間には、例えばＳｉＯ２またはＳｉＮで構成された絶縁層４５が設けられている。
【００９７】
以上のように構成された構造体４０では、受光部４の第２光源３２１側の面が、原子セル２を通過した共鳴光対ＬＬ１を受光する「受光面」を構成している。このような受光面上に設けられた第２光源３２１は、共鳴光対ＬＬ１が照射される領域である受光領域内に配置されている。本実施形態では、第２光源３２１は、受光領域の中央部に設けられている。
【００９８】
ここで、原子セル２の調整光ＬＬ２が出射する側において、光軸ａ２またはその延長線上には、第１光源３１１が配置されている。原子セル２を通過した調整光ＬＬ２は、λ／４波長板３１２で直線偏光に戻された後に、一部が第１光源３１１に入射するが、残部が迷光とならないように、図示しない反射防止部に入射する。なお、原子セル２を通過した調整光ＬＬ２を受光素子で受光して、その受光素子の検出結果に応じて、第２光源３２１を制御してもよい。
【００９９】
また、図示しないが、原子セル２内において、調整光ＬＬ２の幅は、共鳴光対ＬＬ１の幅よりも大きい。これにより、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の通過領域は、調整光ＬＬ２の通過領域内に包含されている。
【０１００】
また、調整光ＬＬ２の幅は、原子セル２内の幅よりも小さいことが好ましい。これにより、調整光ＬＬ２が迷光となるのを低減することができる。
【０１０１】
図７は、セシウム原子のエネルギー状態と共鳴光対（第１共鳴光、第２共鳴光）および調整光（第３共鳴光）との関係の一例を示す図である。図８は、ナトリウム原子の磁気量子数の分布を示す図であって、図８（ａ）は、σ＋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図、図８（ｂ）は、σ−円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図である。なお、図７および図８では、説明の便宜上、セシウム原子またはナトリウム原子に対して共鳴光対および調整光を同じ方向から照射した場合を図示している。以下、図７および図８に基づき、かかる場合の共鳴光対および調整光の作用について説明する。
【０１０２】
例えば、原子セル２内にセシウム原子が封入され、そのセシウム原子に対して共鳴光対および調整光を同じ方向から照射する場合、図７に示すように、第１共鳴光および第２共鳴光（共鳴光対）としてσ＋偏光（左円偏光）しているＤ１線を用い、第３共鳴光（調整光）としてσ−偏光（右円偏光）しているＤ２線を用いる。なお、第１共鳴光および第２共鳴光がσ−偏光、第３共鳴光がσ＋偏光であってもよいし、また、第１共鳴光および第２共鳴光がＤ２線、第３共鳴光がＤ１線であってもよい。
【０１０３】
アルカリ金属原子の一種であるセシウム原子は、６Ｓ１／２の基底準位と、６Ｐ１／２および６Ｐ３／２の２つの励起準位と、を有する。また、６Ｓ１／２、６Ｐ１／２、６Ｐ３／２の各準位は、複数のエネルギー準位に分裂した微細構造を有している。具体的には、６Ｓ１／２準位はＦ＝３、４の２つの基底準位を有し、６Ｐ１／２準位はＦ’＝３、４の２つの励起準位を有し、６Ｐ３／２準位はＦ”＝２、３、４、５の４つの励起準位を有している。
【０１０４】
６Ｓ１／２のＦ＝３の第１基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ３／２のＦ”＝２、３、４のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｆ”＝５の励起準位に遷移することはできない。６Ｓ１／２のＦ＝４の第２基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ３／２のＦ”＝３、４、５のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｆ”＝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、６Ｐ３／２のＦ”＝３、４のいずれかの励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して６Ｓ１／２のＦ＝３またはＦ＝４の基底準位（元の基底準位または他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。このような６Ｓ１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ３／２のＦ”＝３、４のいずれかの励起準位からなる３準位は、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。同様に、６Ｓ１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ１／２のＦ’＝３、４のいずれかの励起準位からなる３準位も、Ｄ１線の吸収・発光によるΛ型の遷移が可能であるからΛ型３準位を形成する。
【０１０５】
これに対し、６Ｐ３／２のＦ”＝２の励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して必ず６Ｓ１／２のＦ＝３の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、６Ｐ３／２のＦ”＝５の励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を放出して必ず６Ｓ１／２のＦ＝４の基底準位（元の基底準位）に遷移する。したがって、６Ｓ１／２のＦ＝３、４の２つの基底準位と６Ｐ３／２のＦ＝２またはＦ＝５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。
【０１０６】
このようなセシウム原子は、真空中でのＤ１線の波長が８９４．５９３ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が８９２．３４７ｎｍであり、６Ｓ１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が９．１９２６ＧＨｚである。
【０１０７】
なお、セシウム原子以外のアルカリ金属原子も、同様に、Λ型３準位を形成する２つの基底準位と励起準位を有する。ここで、ナトリウム原子は、真空中でのＤ１線の波長が５８９．７５６ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が５８９．１５８ｎｍであり、３Ｓ１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が１．７７１６ＧＨｚである。また、ルビジウム（８５Ｒｂ）原子は、真空中でのＤ１線の波長が７９４．９７９ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が７８０．２４１ｎｍであり、５Ｓ１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が３．０３５７ＧＨｚである。また、ルビジウム（８７Ｒｂ）原子は、真空中でのＤ１線の波長が７９４．９７９ｎｍであり、真空中でのＤ２線の波長が７８０．２４１ｎｍであり、５Ｓ１／２の超微細分裂周波数（ΔＥ）が６．８３４６ＧＨｚである。
【０１０８】
例えば、図８に示すように、アルカリ金属原子の一種であるナトリウム原子は、Λ型３準位を形成する２つの基底準位と励起準位を有し、３Ｓ１／２のＦ＝１の第１基底準位は、ｍＦ１＝−１、０、１の３つの磁気量子数を有し、３Ｓ１／２のＦ＝２の第２基底準位は、ｍＦ２＝−２、−１、０、１、２の５つの磁気量子数を有し、３Ｐ１／２の励起準位は、ｍＦ’＝−２、−１、０、１、２の５つの磁気量子数を有する。
【０１０９】
Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子に対してσ＋円偏光の共鳴光対を照射すると、図８（ａ）に示すように、磁気量子数が１増えるという選択則をもって、励起準位に励起される。このとき、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子は、磁気量子数が大きい方に分布が変化する。
【０１１０】
一方、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子に対してσ−円偏光の共鳴光対を照射すると、図８（ｂ）に示すように、磁気量子数が１減るという選択則をもって、励起準位に励起される。このとき、Ｆ＝１またはＦ＝２の基底準位にあるナトリウム原子は、磁気量子数が小さい方に分布が変化する。
【０１１１】
なお、図８では、説明の便宜上、簡単な構造のナトリウム原子を例に磁気量子数の分布を示しているが、他のアルカリ金属原子においても、基底準位および励起準位のそれぞれは、２Ｆ＋１個の磁気量子数（磁気副準位）を有し、前述したような選択則をもって磁気量子数の分布が変化する。
【０１１２】
以上説明したように、原子セル２内のアルカリ金属に対して共鳴光対および調整光を同じ方向から照射する場合、共鳴光対および調整光の一方を右円偏光とし、他方を左円偏光とすることにより、アルカリ金属の磁気量子数の偏りを低減することができる。ここで、このような効果を奏するには、アルカリ金属に照射される共鳴光対および調整光の円偏光の回転方向が互いに逆方向であることを要する。
【０１１３】
したがって、アルカリ金属に対して共鳴光対および調整光を互いに反対方向から照射する場合、共鳴光対および調整光の双方を右円偏光または左円偏光とすればよい。具体的には、かかる場合、例えば、第１共鳴光および第２共鳴光（共鳴光対）としてσ＋偏光（左円偏光）しているＤ１線を用い、第３共鳴光（調整光）としてσ＋偏光（右円偏光）しているＤ２線を用いる。これにより、共鳴光対および調整光が照射されるセシウム原子において、調整光の円偏光の回転方向が共鳴光対の円偏光の回転方向とは反対方向となる。なお、第１共鳴光および第２共鳴光がσ−偏光、第３共鳴光がσ−偏光であってもよいし、また、第１共鳴光および第２共鳴光がＤ２線、第３共鳴光がＤ１線であってもよい。
【０１１４】
以上説明したように、原子発振器１では、互いに同方向に円偏光している共鳴光対ＬＬ１に加えて、原子セル２内において共鳴光対ＬＬ１とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光ＬＬ２をアルカリ金属に照射することにより、共鳴光対ＬＬ１による磁気量子数の分布の偏りを調整光ＬＬ２により相殺または緩和させ、アルカリ金属の磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。そのため、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数のアルカリ金属原子の数を増加させ、その結果、円偏光している共鳴光対ＬＬ１を用いることによってＥＩＴ信号の強度を向上させる効果を顕著に発現させ、よって、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる。
【０１１５】
しかも、共鳴光対ＬＬ１を内部空間Ｓに対して窓部２２側から照射するとともに、調整光ＬＬ２を内部空間Ｓに対して窓部２３側から照射する。このようにアルカリ金属に対して調整光ＬＬ２を共鳴光対ＬＬ１とは反対側から照射することにより、原子セル２と受光部４との間に調整光ＬＬ２を遮断するためのフィルターを設けなくても、受光部４に調整光ＬＬ２が入射することを低減することができる。そのため、受光部４で受光される共鳴光対ＬＬ１の強度を高めるとともに、受光部４で受光される調整光ＬＬ２の強度を低減することができる。その結果、Ｓ／Ｎを向上させることができる。
【０１１６】
ここで、調整光ＬＬ２は、アルカリ金属を共鳴させるため、アルカリ金属原子の磁気量子数の分布を効率的に調整することができる。
【０１１７】
また、共鳴光対ＬＬ１がＤ１線であり、調整光ＬＬ２がＤ２線である場合、ＥＩＴ現象を効率よく生じさせ、その結果、ＥＩＴ信号の強度を効率的に向上させることができる。
【０１１８】
また、原子セル２内において調整光ＬＬ２の強度（光量子束密度）が共鳴光対ＬＬ１よりも小さいことが好ましい。これにより、原子セル２内のアルカリ金属の磁気量子数の偏りを効果的に低減することができる。
【０１１９】
また、調整光ＬＬ２の強度が強すぎると、原子セル２内のアルカリ金属の磁気量子数の分布が、共鳴光対ＬＬ１による磁気量子数の分布の偏りとは反対側に大きく偏ってしまう場合がある。一方、調整光ＬＬ２の強度が弱すぎると、共鳴光対ＬＬ１による磁気量子数の分布の偏りを調整光ＬＬ２により十分に相殺または緩和させることができない場合がある。
【０１２０】
このような観点から、原子セル２内の共鳴光対ＬＬ１の光量子束密度をＤ１とし、原子セル２内の調整光ＬＬ２の光量子束密度をＤ２としたとき、Ｄ２／Ｄ１は、０．１以上０．９以下であることが好ましく、０．２以上０．７以下であることがより好ましく、０．３以上０．５以下であることがさらに好ましい。
【０１２１】
本実施形態では、前述したように、第２光源部３２が原子セル２と受光部４との間に発光素子である第２光源３２１があることにより、比較的簡単な構成で、アルカリ金属に対して調整光ＬＬ２を共鳴光対ＬＬ１とは反対側から照射することができる。
【０１２２】
また、第２光源３２１が受光部４の受光面上に配置されていることにより、比較的簡単な構成で、原子セル２と受光部４との間に第２光源３２１を配置することができる。
【０１２３】
また、受光部４および第２光源３２１が一体で構成されていることにより、装置の小型化を図ることができる。
【０１２４】
また、第２光源３２１が受光部４の受光面上の共鳴光対ＬＬ１が照射される領域（受光領域）内に配置されていることにより、共鳴光対ＬＬ１（第１光）および調整光ＬＬ２（第２光）を互いに平行となるように原子セル２内のアルカリ金属に照射することができる。そのため、原子セル２内のアルカリ金属のドップラー幅等を考慮して第２光源部３２を設計するに際し、第２光源部３２の設計が容易となる。
【０１２５】
ここで、第２光源３２１の幅Ｗ１は、受光部４の受光領域の幅Ｗ２よりも小さい。これにより、第２光源３２１が受光領域内に配置されていても、受光部４が共鳴光対ＬＬ１を受光することができる。また、幅Ｗ１および幅Ｗ２の比Ｗ２／Ｗ１が、１０以上５０以下であることが好ましく、２０以上４０以下であることが好ましい。これにより、第２光源３２１が受光領域内に配置されていても、装置の小型化を図りつつ、受光部４が共鳴光対ＬＬ１を効率的に受光することができる。
【０１２６】
また、装置の小型化を図りつつ、受光部４が共鳴光対ＬＬ１を効率的に受光する観点から、具体的な幅Ｗ１は、特に限定されないが、例えば、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。
【０１２７】
また、第２光源３２１が面発光レーザーである場合、所望の周波数を有する調整光ＬＬ２を容易に生成することができる。
【０１２８】
また、第２光源３２１が発光ダイオードである場合、調整光ＬＬ２の線幅を共鳴光対ＬＬ１よりも大きくすることができる。そのため、幅広い速度分布のアルカリ金属原子に対して調整光ＬＬ２を共鳴させることができる。そのため、調整光ＬＬ２の中心波長が多少ずれても、所望の速度にあるアルカリ金属原子に対して調整光ＬＬ２を共鳴させることができる。その結果、調整光ＬＬ２の周波数制御が不要となり、装置構成を簡単化することができる。
【０１２９】
＜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。
【０１３０】
図９は、本発明の第２実施形態に係る原子発振器が備える光源部、原子セルおよび受光部を説明するための概略図である。図１０は、図９に示す第２光源部の発光素子および受光部を含む構造体を説明するための平面図である。
【０１３１】
本実施形態は、第２光源部の構成（特に発光素子の配置）が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１３２】
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、前述した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９、１０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。
【０１３３】
図９に示す原子発振器１Ａは、調整光ＬＬ２を原子セル２に対して第１光源部３１とは反対側から照射する第２光源部３２Ａを有する。
【０１３４】
第２光源部３２Ａは、受光部４の受光面上に配置されている発光素子である第２光源３２１Ａと、原子セル２と受光部４との間に配置されているλ／４波長板３２２と、を有している。
【０１３５】
第２光源３２１Ａは、ｎ型半導体層４４１、活性層４４２およびｐ型半導体層４４３を含む構造体４４で構成されている。また、この構造体４４は、ｐ型半導体層４２３上に設けられた絶縁層４３Ａ上に配置されており、この絶縁層４３Ａ上には、ｎ型半導体層４４１に電気的に接続された電極パッド４６１Ａと、ｐ型半導体層４２３に電気的に接続された電極パッド４６２Ａとが設けられている。
【０１３６】
このような第２光源部３２Ａは、共鳴光対ＬＬ１と調整光ＬＬ２との互いの光軸ａ１、ａ２が原子セル２内にて交差するように配置されている。そして、図９および図１０に示すように、第２光源３２１Ａは、受光部４の受光面上の共鳴光対ＬＬ１が照射される領域外に配置されている。これにより、比較的簡単な構成で、調整光ＬＬ２が第１光源部３１の第１光源３１１に入射するのを低減したり、第２光源部３２Ａの第２光源３２１Ａが受光部４で受光される共鳴光対ＬＬ１を阻害するのを低減したりすることができる。
【０１３７】
本実施形態では、原子セル２の軸線ａに対して、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１は平行であるが、調整光ＬＬ２の光軸ａ２が傾斜している。これにより、原子セル２内に軸線ａに平行な磁場が生じているとき、その磁場に沿って共鳴光対ＬＬ１を原子セル２内に照射することができる。そのため、ＥＩＴ現象を好適に生じさせることができる。なお、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１および調整光ＬＬ２の光軸ａ２の双方を原子セル２の軸線ａに対して傾斜させてもよい。
【０１３８】
ここで、原子セル２内における調整光ＬＬ２の光軸ａ２に対する共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１の傾斜角度θは、１°以上３０°以下であることが好ましく、２°以上１０°以下であることがより好ましい。これにより、装置の小型化および簡単化を図りつつ、調整光ＬＬ２による磁気量子数の分布の調整を容易に行うことができる。これに対し、傾斜角度θが小さすぎると、受光部４の受光面上の共鳴光対ＬＬ１が照射される領域外に第２光源３２１Ａを配置しようとすると、装置の大型化を招く傾向となる。一方、傾斜角度θが大きすぎると、原子セル２内のアルカリ金属原子のドップラー幅等を考慮して、第２光源部３２Ａを設計しなければならず、設計が難しくなる傾向となる。
【０１３９】
以上説明したような第２実施形態によっても、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる。
【０１４０】
２．電子機器
以上説明したような原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。
【０１４１】
以下、本発明の電子機器について説明する。
図１１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。
【０１４２】
図１１に示す測位システム１００は、ＧＰＳ衛星２００と、基地局装置３００と、ＧＰＳ受信装置４００とで構成されている。
【０１４３】
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
基地局装置３００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３０１を介してＧＰＳ衛星２００からの測位情報を高精度に受信する受信装置３０２と、この受信装置３０２で受信した測位情報をアンテナ３０３を介して送信する送信装置３０４とを備える。
【０１４４】
ここで、受信装置３０２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を備える電子装置である。このような受信装置３０２は、優れた信頼性を有する。また、受信装置３０２で受信された測位情報は、リアルタイムで送信装置３０４により送信される。
【０１４５】
ＧＰＳ受信装置４００は、ＧＰＳ衛星２００からの測位情報をアンテナ４０１を介して受信する衛星受信部４０２と、基地局装置３００からの測位情報をアンテナ４０３を介して受信する基地局受信部４０４とを備える。
【０１４６】
３．移動体
図１２は、本発明の移動体の一例を示す図である。
【０１４７】
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。
【０１４８】
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、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。また、本発明は、前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせるようにしてもよい。
【符号の説明】
【０１５１】
１…原子発振器、１Ａ…原子発振器、２…原子セル、３…光源部、４…受光部、５…ヒーター、６…温度センサー、７…磁場発生部、８…制御部、２１…胴体部、２２…窓部、２３…窓部、３１…第１光源部、３２…第２光源部、３２Ａ…第２光源部、４０…構造体、４０Ａ…構造体、４１…半導体基板、４２…構造体、４３…絶縁層、４３Ａ…絶縁層、４４…構造体、４４Ａ…構造体、８１…温度制御部、８２…光源制御部、８３…磁場制御部、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ衛星、２１１…貫通孔、３００…基地局装置、３０１…アンテナ、３０２…受信装置、３０３…アンテナ、３０４…送信装置、３１１…第１光源、３１２…λ／４波長板、３２１…第２光源、３２１Ａ…第２光源、３２２…λ／４波長板、４００…ＧＰＳ受信装置、４０１…アンテナ、４０２…衛星受信部、４０３…アンテナ、４０４…基地局受信部、４２１…ｎ型半導体層、４２２…空乏層、４２３…ｐ型半導体層、４２４…欠損部、４４１…ｎ型半導体層、４４２…活性層、４４３…ｐ型半導体層、４５…絶縁層、４６１…電極パッド、４６１Ａ…電極パッド、４６２…電極パッド、４６２Ａ…電極パッド、４７１…電極パッド、４７２…電極パッド、８２１…周波数制御部、８２２…電圧制御型水晶発振器、８２３…位相同期回路、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、ａ…軸線、ａ１…光軸、ａ２…光軸、ＬＬ…光、ＬＬ１…共鳴光対、ＬＬ１ａ…第１光、ＬＬ２…調整光、ＬＬ２ａ…第２光、Ｓ…内部空間、Ｗ１…幅、Ｗ２…幅
【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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【図１２】
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