(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発光素子への電流注入により少なくとも２つの波長を有するレーザ光を発生させ、前記レーザ光をアルカリ金属に照射するＣＰＴ共鳴発生方法であって、
前記レーザ発光素子に印加される電流の直流成分の値は、
第１の期間において、前記レーザ発光素子の発振閾値よりも大きく、
前記第１の期間に続く第２の期間において、前記第１の期間における電流の直流成分の値よりも小さく、
前記第１の期間において、前記レーザ光の波長は、前記アルカリ金属の吸収波長よりも小さい値から前記吸収波長よりも大きい値まで増加する過程と、前記吸収波長よりも大きい値から前記吸収波長に近づいて減少する過程と、を有して変化し、
前記第１の期間及び前記第２の期間を複数回繰り返すことでラムゼイ共鳴を発生させることを特徴とする、ＣＰＴ共鳴発生方法。
【請求項２】
前記第２の期間における電流の直流成分の値は、前記レーザ発光素子の発振閾値よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載のＣＰＴ共鳴発生方法。
【請求項３】
前記第２の期間における電流の直流成分の値は、０であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のＣＰＴ共鳴発生方法。
【請求項４】
前記第１の期間において、
前記レーザ発光素子に印加される電流値は、立ち上がり直後の第１の値と、前記第１の値よりも小さい第２の値と、を有することを特徴とする、請求項１乃至３の何れか一項に記載のＣＰＴ共鳴発生方法。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載のＣＰＴ共鳴発生方法により発生したＣＰＴ共鳴を検出する方法であって、
前記増加する過程において前記吸収波長に波長が一致したときに、前記アルカリ金属を通過した光を検出することを特徴とする、ＣＰＴ共鳴検出方法。
【請求項６】
前記レーザ発光素子は面発光レーザであることを特徴とする、請求項５に記載のＣＰＴ共鳴検出方法。
【請求項７】
前記アルカリ金属はセルに封入されていることを特徴とする、請求項５又は６に記載のＣＰＴ共鳴検出方法。
【請求項８】
前記アルカリ金属は、ルビジウム、セシウム、ナトリウム、カリウムの何れかであることを特徴とする、請求項５乃至７の何れか一項に記載のＣＰＴ共鳴検出方法。
【請求項９】
アルカリ金属が封入され、少なくとも２つの波長を有するレーザ光が入射するアルカリ金属セルと、
前記レーザ光を出射するレーザ発光素子と、
前記レーザ発光素子に電流を印加する電源装置と、を備え、
前記レーザ発光素子に印加される電流の直流成分の値は、
第１の期間において、前記レーザ発光素子の発振閾値よりも大きく、
前記第１の期間に続く第２の期間において、前記第１の期間における電流の直流成分の値よりも小さく、
前記第１の期間において、前記レーザ光の波長は、前記アルカリ金属の吸収波長よりも小さい値から前記吸収波長よりも大きい値まで増加する過程と、前記吸収波長よりも大きい値から前記吸収波長に近づいて減少する過程と、を有して変化し、
前記第１の期間及び前記第２の期間が複数回繰り返されることを特徴とする、ＣＰＴ共鳴発生装置。
【請求項１０】
前記レーザ発光素子は面発光レーザであることを特徴とする、請求項９に記載のＣＰＴ共鳴発生装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載のＣＰＴ共鳴発生装置及び前記アルカリ金属セルを通過した光を受光する受光部を備えることを特徴とする、原子発振器。
【請求項１２】
請求項９又は１０に記載のＣＰＴ共鳴発生装置及び前記アルカリ金属セルを通過した光を受光する受光部を備えることを特徴とする、磁気センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＰＴ共鳴発生方法、ＣＰＴ共鳴検出方法、ＣＰＴ共鳴発生装置、原子発振器、磁気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
極めて正確な時間を計る時計として原子時計があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする原子発振器である。アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは、外乱がない状態では非常に精密な値が得られるため、原子発振器は水晶発振器に比べて数桁高い周波数安定性を得ることができる。
【０００３】
従来の原子発振器は、マイクロ波共振器が必要であったため、大型かつ電力消費も大きかった。しかし、Coherent Population Trapping（以下、ＣＰＴ）と呼ばれる原子共鳴を利用することで共振器が不要となり、非常に小さなサイズの原子発振器の作製が可能となった。２００７年にはＣＰＴ方式の原子発振器のプロトタイプが製作され、２０１１年には米Symmetricom社から民生品が販売された。
【０００４】
ＣＰＴ方式の原子発振器では、図１に示すように、レーザ発光素子等の光源９１０と、アルカリ金属を封入したアルカリ金属セル９４０と、アルカリ金属セル９４０を透過したレーザ光を受光する光検出器９５０とを有している。光源９１０からのレーザ光は変調され、特定波長である搬送波の両側に出現するサイドバンド波長により、アルカリ金属原子における電子の２つの遷移を同時に行い、励起する。
【０００５】
この遷移における遷移エネルギーは不変であり、レーザ光のサイドバンド波長と遷移エネルギーに対応する波長とが一致したときに、アルカリ金属における光の吸収率が低下する透明化現象が生じる。そこで、アルカリ金属による光の吸収率が低下するように、搬送波の波長を調整するとともに、光検出器９５０において検出された信号を変調器９６０にフィードバックし、変調器９６０によりレーザ素子等の光源９１０からのレーザ光の変調周波数を調整する。なお、レーザ光は、光源９１０より発せられ、コリメートレンズ９２０及び４分の１波長板９３０を介し、アルカリ金属セル９４０に照射され、光検出器９５０に入射する。
【０００６】
ところで、従来型よりも小型かつ省電力を達成したＣＰＴ方式の原子発振器ではあるが、周波数安定度に関しては従来型の特性に未だ到達しておらず、更なる向上が望まれている。周波数安定度を向上させる有力な方法として、レーザ光をパルス化する方法が検討されている。
【０００７】
ＣＰＴ方式の原子発振器において、レーザ光をパルス化する方法は大きく分けて２つある。レーザ光をパルス化する第１の方法は、外部装置を用いる方法である。第１の方法では、レーザ発光素子を常に発光させ続け、レーザ発光素子の波長を原子の吸収線に一致させることで安定化させ、ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator：音響光学素子）や液晶偏光子等の外部装置を介することでパルス化する。第１の方法では、レーザ波長の安定化は容易であるが、外部装置を用いることによる体積、コスト、及び消費電力の増加が問題となる。
【０００８】
レーザ光をパルス化する第２の方法は、直接変調を用いる方法である。第２の方法では、レーザ発光素子以外に特別な装置が不要となり、外部装置を使用する場合に比べ、装置全体の小型化、低コスト化、消費電力の削減が可能となる。第２の方法の一例としては、レーザ発光素子に入力する直流電流にマイクロ波を重畳し、変調を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、直流電流Ｉｄｃにマイクロ波を重畳してレーザ発光素子に印加する期間と、それに続く、直流電流Ｉｄｃのみをレーザ発光素子に印加する期間とを有している。すなわち、マイクロ波電流を重畳していない期間にも、マイクロ波電流を重畳している期間と同じだけの直流成分（直流電流Ｉｄｃ）がレーザ発光素子に印加されており、レーザ光が遮断されていない。そのため、ライトシフトが発生するという問題があった。
【００１０】
なお、ライトシフトとは、アルカリ金属原子とレーザ光の光電場が相互作用することで、アルカリ金属原子のエネルギー準位が変化し、共鳴周波数がシフトする現象であり、そのシフト量は光強度に対して線形である。ライトシフトは、ＣＰＴ方式の原子発振器において長期安定度が低下する要因となる。
【００１１】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ライトシフトの小さいＣＰＴ共鳴発生方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本ＣＰＴ共鳴発生方法は、レーザ発光素子への電流注入により少なくとも２つの波長を有するレーザ光を発生させ、前記レーザ光をアルカリ金属に照射するＣＰＴ共鳴発生方法であって、前記レーザ発光素子に印加される電流の直流成分の値は、第１の期間において、前記レーザ発光素子の発振閾値よりも大きく、前記第１の期間に続く第２の期間において、前記第１の期間における電流の直流成分の値よりも小さく、前記第１の期間において、前記レーザ光の波長は、前記アルカリ金属の吸収波長よりも小さい値から前記吸収波長よりも大きい値まで増加する過程と、前記吸収波長よりも大きい値から前記吸収波長に近づいて減少する過程と、を有して変化し、前記第１の期間及び前記第２の期間を複数回繰り返すことでラムゼイ共鳴を発生させることを要件とする。
【発明の効果】
【００１３】
開示の技術によれば、ライトシフトの小さいＣＰＴ共鳴発生方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】原子発振器の説明図である。
【図２】第１の実施の形態に係るＣＰＴ共鳴発生装置の基本構成を例示するブロック図である。
【図３】パルス励起法に基づいたＣＰＴ共鳴の観測方法の説明図である。
【図４】ＶＣＳＥＬの入力電流と出力波長との関係の説明図である。
【図５】実験に用いた装置の構成を示すブロック図である。
【図６】ＣＰＴ方式に関連する原子エネルギー準位の説明図である。
【図７】ＶＣＳＥＬ変調時における出力波長の説明図である。
【図８】変調周波数と透過光量との相関図である。
【図９】実験より得られたコントラスト特性を示す図である。
【図１０】実験より得られた共鳴線幅特性を示す図である。
【図１１】実験より得られた性能指数を示す図である。
【図１２】第２の実施の形態に係る原子発振器の構造を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００１６】
〈第１の実施の形態〉
第１の実施の形態では、ＣＰＴ共鳴発生装置、及びそれを用いたＣＰＴ共鳴発生方法、ＣＰＴ共鳴検出方法について説明する。
【００１７】
図２は、第１の実施の形態に係るＣＰＴ共鳴発生装置の基本構成を例示するブロック図である。図２を参照するに、ＣＰＴ共鳴発生装置１は、レーザ発光素子３と、アルカリ金属セル７と、電源装置９とを有する。
【００１８】
ＣＰＴ共鳴発生装置１では、レーザ発光素子３に電源装置９からパルス電流を入力することで、直接レーザ発光素子３の出力をパルス化する直接変調法を用いている。ＣＰＴ共鳴発生装置１では、レーザ発光素子３以外に特別な装置が不要であるため、外部装置（ＡＯＭや液晶偏光子等）を使用する場合に比べ、装置全体の小型化、低コスト化、消費電力の削減が可能となる。以下、ＣＰＴ共鳴発生装置１の動作等について詳しく説明する。
【００１９】
レーザ発光素子３は、アルカリ金属セル７にレーザ光を照射する光源である。レーザ発光素子３としては、例えば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を用いることができる。
【００２０】
アルカリ金属セル７は、アルカリ金属の原子のガスが封入されたセルである。アルカリ金属としては、例えば、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）等を用いることができる。アルカリ金属セル７内にアルカリ金属の原子のガスと共にバッファガスを封入してもよい。
【００２１】
電源装置９は、レーザ発光素子３に電流を印加する装置である。電源装置９は、パルス波形を生成する機能や、パルス波形に高周波（例えば、４．６ＧＨｚ）の変調信号を加える機能等を有している。電源装置９は、レーザ発光素子３に少なくとも２つの波長を有するレーザ光を発生させることができる。これに関しては、図７、図８等を参照しながら後述する。
【００２２】
電源装置９によりレーザ発光素子３を発光させ、アルカリ金属セル７にレーザ光を照射することでパルス励起を行うことができる。ここで、パルス励起とは、原子に対し時間間隔をあけてレーザを複数回照射することで、ラムゼイ共鳴を生じさせる方法である。本方法を適用することにより、ＣＰＴ共鳴の線幅狭窄化とＳ／Ｎ比（コントラスト）改善が可能となり、短期安定度が向上する。
【００２３】
なお、ラムゼイ共鳴とは、原子に対し時間間隔をあけてレーザを複数回照射すると、レーザと原子との相互作用により原子が他のエネルギー準位に遷移する確率がレーザの周波数変化に対して鋭敏になる現象である。この現象を利用することで、高い精度で遷移周波数を測定可能となる。
【００２４】
図３は、パルス励起法に基づいたＣＰＴ共鳴の観測方法の説明図である。図３に示すように、周期的にＯＮ／ＯＦＦを繰り返すパルス光を用いてパルス励起を行う場合、ＣＰＴ共鳴を十分に励起した後、レーザ光を遮断して自由発展時間Ｔを経過させ、その後に観測を行うことでラムゼイ共鳴が観測可能となる。
【００２５】
そのため、パルスの立ち上がりからτ０後に観測を行い、その後パルス終端まで十分に原子を励起することを繰り返す。この時に必要とされる条件は、第１にパルス終端において原子が十分励起されていること、第２に観測タイミングτ０が十分に早いこと、第３に励起及び観測時のレーザ波長が等しいこと、である。しかしながら、図３に示すパルス励起法では、第２及び第３の条件については十分に達成することが困難である。
【００２６】
そこで、本実施の形態では、図３のパルス励起法を改良して第２及び第３の条件を達成している。具体的には、図４（ａ）に示すように、第１の期間τ及び第２の期間Ｔを複数回繰り返ことでラムゼイ共鳴を発生させている。
【００２７】
第１の期間τは、レーザ発光素子３を発光させる期間であり、レーザ発光素子３に印加される電流の直流成分の値が、レーザ発光素子３の発振閾値よりも大きくなるようなパルス波形が印加される。
【００２８】
具体的には、第１の期間τでは、レーザ発光素子３の入力電流として、電源装置９からレーザ発光素子３の通常のパルス電流の立ち上がり付近をオーバードライブさせた電流Ｉを印加する。電流Ｉは、立ち上がり直後の１段目の電流Ｉ１と、１段目の電流Ｉ１よりも小さい電流値の２段目の電流Ｉ２とを含む構成とすることができる。なお、電流Ｉ１及び電流Ｉ２の電流値は、何れもレーザ発光素子３の発振閾値よりも大きい。
【００２９】
１段目の電流Ｉ１として、レーザ発光素子３の通常のパルス電流よりも大きな電流を入力することで、レーザ発光素子３の内部温度の上昇を早め、出力波長の立ち上がり時間を大幅に短縮することができる。その後、１段目の電流Ｉ１よりも小さな２段目の電流Ｉ２へ変化させて、パルス終端付近においてレーザ発光素子３の出力波長が吸収線Ｌに一致するように制御する。
【００３０】
第１の期間τに続く第２の期間Ｔ（自由発展状態）では、レーザ発光素子３に印加される電流の直流成分の値が、第１の期間τにおける電流の直流成分の値よりも小さく設定されている。第２の期間Ｔでは、レーザ発光素子３に印加される電流の直流成分の値が、レーザ発光素子３の発振閾値よりも小さいことが好ましく、直流成分の値が０であってもよい。
【００３１】
このように、第２の期間Ｔにおいてレーザ発光素子３に印加される電流の直流成分の値を、第１の期間τにおいてレーザ発光素子３に印加される電流の直流成分の値よりも小さくすることで、第２の期間Ｔにおけるレーザ光の光量が減少する。そのため、ライトシフトを低減できる。
【００３２】
特に、第２の期間Ｔにおいてレーザ発光素子３に印加される電流の直流成分の値を、レーザ発光素子３の発振閾値よりも小さい値（０とする場合も含む）とすることで、第２の期間Ｔではレーザ発光素子３が発光しない状態になる。そのため、アルカリ金属の原子に照射されるレーザ光を完全に遮断することが可能となり、ライトシフトを大幅に低減することができる。
【００３３】
図４（ｂ）に示すように、第１の期間τにおいて、レーザ発光素子３の出力波長は、吸収線Ｌよりも大きい値まで増加する過程と、吸収線Ｌよりも大きい値から吸収線Ｌに近づいて減少する過程とを有して変化する。言い換えれば、レーザ発光素子３の出力波長は、パルスの立ち上がりからτ０後に一度吸収線Ｌを通り越してから、再び吸収線Ｌに一致する軌跡をたどる。
【００３４】
図４（ｂ）のレーザ発光素子３の出力波長が増加する過程において、レーザ発光素子３の出力波長が吸収線Ｌに一致したときに、ＣＰＴ共鳴を検出することができる。このように、最初に吸収線Ｌを通り過ぎるτ０のタイミングでＣＰＴ共鳴を検出することで、パルス励起の観測に必要な第２及び第３の条件が達成可能となる。ここで、吸収線Ｌは、アルカリ金属セル７に封入されたアルカリ金属の吸収波長である。
【００３５】
なお、第２の期間Ｔにおいて、レーザ発光素子３に注入する電流の直流成分を完全に遮断せずにレーザ発光素子３の発振閾値より小さい電流を流しておくと、再びレーザ発光素子３を発光させてＣＰＴ共鳴を発生させる際の出力波長の立ち上がり速さを向上できる。その結果、より短い観測タイミングτ０を実現することができる。
【００３６】
このように、第１の実施の形態に係るＣＰＴ共鳴発生装置１を用いたＣＰＴ共鳴発生方法では、従来よりもライトシフトを低減できるが、それ以外にも様々な有効性があることを以下の実験により示す。
【００３７】
［実験装置］
第１の実施の形態に係るＣＰＴ共鳴発生装置を基本構成とする図５に示す実験装置を作製し、ＣＰＴ共鳴発生及びＣＰＴ共鳴検出に関する実験を行った。
【００３８】
図５では、励起用のレーザ発光素子としてＶＣＳＥＬ３１１を用いている。ＶＣＳＥＬ３１１の温度は一定に保たれている。電流駆動部３１２、ＰＬＬ３１４、バイアス回路３１５により構成した電源装置により、図４（ａ）の電流波形に４．６ＧＨｚの変調信号を加えた電流を生成し、ＶＣＳＥＬ３１１に印加している。ＰＬＬ３１４には、制御部３１６から制御信号が入力されている。
【００３９】
アルカリ金属セル３１７は、直径２０ｍｍ、光路長１０ｍｍの円筒型で、アルカリ原子であるＣｓとバッファガスであるＮｅが４ｋＰａ封入されている。アルカリ金属セル３１７の温度は、最もＣＰＴ共鳴のＳ／Ｎ比が高い３９．００℃に保たれている。地磁気等による外部磁場を遮断するため、アルカリ金属セル３１７には静磁場Ｂを印加している。
【００４０】
ＶＣＳＥＬ３１１からのレーザ光をアルカリ金属セル３１７に照射し、透過光を光検出器であるフォトダイオード３１８で検出する。フォトダイオード３１８の信号は、ＶＣＳＥＬ３１１より出射されるレーザ光の波長を安定化させるために、ロックインアンプ３１９でロックイン検波された後に増幅されて電流駆動部３１２にフィードバックされる。ロックインアンプ３１９及び電流駆動部３１２には、ファンクションジェネレータ３１３が接続されている。
【００４１】
ＣＰＴ共鳴の検出のために、フォトダイオード３１８の信号は、サンプルホールド回路３２１を介してオシロスコープ等の測定器３２２に接続されている。サンプルホールド回路３２１には、パルスジェネレータ３２３が接続されている。サンプルホールド回路３２１を用いることにより、図４のτ０におけるＣＰＴ共鳴検出が可能となる。
【００４２】
この実験装置では、図６に示すように、アルカリ金属セル３１７に封入されているＣｓ原子が、２つの基底準位Ａ及びＢから励起準位Ｃに電子が同時に励起されると光の吸収率が低下することを利用する。そのため、ＶＣＳＥＬ３１１として搬送波波長が８９４．６ｎｍに近い素子を用いている。搬送波の波長はＶＣＳＥＬ３１１の温度若しくは出力を変化させてチューニングすることができる。
【００４３】
又、この実験装置では、少なくとも２つの波長を有するレーザ光を発生させる。具体的には、図７に示すように、ＶＣＳＥＬ３１１を周波数変調させることにより、８９４．６ｎｍ付近の搬送波の両側にサイドバンドを発生させ、その周波数差がＣｓ原子の固有振動数である９．２ＧＨｚに一致するように４．６ＧＨｚで変調させる。このサイドバンドである２つの異なる波長を有するレーザ光をアルカリ金属セル３１７に入射させる。
【００４４】
図８に示すように、アルカリ金属セル３１７中の励起されたＣｓガスを通過するレーザ光の透過光量は、サイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致したときに最大となる。そこで、フォトダイオード３１８の出力が最大値を保持するようにフィードバックしてＶＣＳＥＬ３１１における変調周波数を調整する。原子の固有振動数が極めて安定なため、変調周波数は安定した値となり、この情報を出力として取り出すことができる。
【００４５】
このように、この実験装置では、図４（ａ）の電流波形に４．６ＧＨｚの変調信号を加えた電流をＶＣＳＥＬ３１１に電流注入し、少なくとも２つの波長を有するレーザ光をアルカリ金属セル３１７中のＣｓ原子に照射する。そして、図４（ｂ）に示した第１の期間τにおいて、最初に吸収線Ｌを通り過ぎるτ０のタイミングでアルカリ金属セル３１７を通過した光をフォトダイオード３１８で検出する。
【００４６】
なお、この実験装置では、アルカリ金属としてＣｓを用い、そのＤ１ラインの遷移を用いるために波長が８９４．６ｎｍのＶＣＳＥＬを用いたが、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５２．３ｎｍのＶＣＳＥＬを用いることができる。又、アルカリ金属としてＲｂを用いることもでき、Ｄ１ラインを利用する場合は７９５．０ｎｍ、Ｄ２ラインを利用する場合は７８０．２ｎｍのＶＣＳＥＬを用いることができる。又、Ｒｂを用いる場合の変調周波数は、８７Ｒｂでは３．４ＧＨｚ、８５Ｒｂでは１．５ＧＨｚである。
【００４７】
［実験結果］
（実験結果１．コントラスト）
まず、図５に示す実験装置を用いて、図４に示すパルス励起（以下、本励起方法とする）を用いたＣＰＴ共鳴と、従来の連続励起によるＣＰＴ共鳴に関し、コントラスト特性の比較を行った。なお、コントラストは、ＣＰＴ共鳴のＳ／Ｎ比を表現するために一般的に用いられている指標であり、共鳴振幅と直流成分との比である。コントラストが高い程、短期安定度の向上が期待できる。
【００４８】
図９は、実験より得られたコントラスト特性を示している。図９において、菱形のプロットが本励起方法を用いた場合のコントラストであり、破線のプロットが連続励起を用いた場合のコントラストである（図１０、図１１についても同様）。なお、本励起方法については、図４に示す第２の期間Ｔ（自由発展時間）を変化させた場合の特性を測定している（図１０、図１１についても同様）。
【００４９】
図９に示すように、連続励起ではコントラストが約２．１９％であったのに対し、本励起方法ではコントラストは最大で３．５７％であった。つまり、本励起方法では連続励起に比べて高いコントラストが得られ、短期安定度の向上が期待できる。
【００５０】
（実験結果２．共鳴線幅）
次に、本励起方法を用いたＣＰＴ共鳴と、従来の連続励起によるＣＰＴ共鳴に関し、共鳴線幅（Full Width Half Maximum：ＦＷＨＭ、半値全幅）特性の比較を行った。なお、共鳴線幅は狭い程、短期安定度の向上が期待できる。
【００５１】
図１０は、実験より得られた共鳴線幅特性を示している。図１０に示すように、連続励起では共鳴線幅が約２．９６ｋＨｚであったのに対し、本励起方法では共鳴線幅が最小で４０５Ｈｚであった。つまり、本励起方法では連続励起に比べて大幅に狭い共鳴線幅が得られ、短期安定度の向上が期待できる。
【００５２】
（実験結果３．短期安定度の性能指数）
次に、本励起方法を用いたＣＰＴ共鳴と、従来の連続励起によるＣＰＴ共鳴に関し、短期安定度の性能指数について比較を行った。
【００５３】
ＣＰＴ共鳴の周波数安定度を表現するための指標としてアラン標準偏差が一般的に用いられている。アラン標準偏差の短期安定度は、共鳴線幅をコントラストで割った値に比例し、値が小さいほど特性が良好である。それゆえ、コントラストを共鳴線幅で割った値が性能指数として用いられている。
【００５４】
図１１は、実験より得られた性能指数を示している（連続励起の性能指数を１として規格化した値を用いている）。図１１に示すように、連続励起に対し、本励起方法の性能指数は最大で６．７２であった。つまり、本励起方法では連続励起に比べて６．７２倍の性能改善が期待できることが分かり、本励起方法の有効性が確認された。
【００５５】
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態に係るＣＰＴ共鳴発生装置を基本構成として備えた原子発振器について例示する。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００５６】
図１２は、第２の実施の形態に係る原子発振器の構造を例示する図である。図１２を参照するに、原子発振器１０は、主要な構成要素として、レーザ発光素子３０、ＮＤ（Neutral Density）フィルタ４０、コリメータレンズ５０、４分の１波長板６０、アルカリ金属セル７０、光検出器８０、変調器２００等を有している。
【００５７】
原子発振器１０において、レーザ発光素子３０より出射された光は、ＮＤフィルタ４０、コリメータレンズ５０、及び４分の１波長板６０を介して、アルカリ金属セル７０に照射され、アルカリ金属セル７０に封入されたアルカリ金属原子における電子を励起する。アルカリ金属セル７０を透過した光は、受光部である光検出器８０で受光され、光検出器８０で受光された信号は変調器２００にフィードバックされ、変調器２００によりレーザ発光素子３０を変調する。
【００５８】
以下、原子発振器１０の構造について、より詳しく説明する。なお、本実施の形態では、便宜上、原子発振器１０の光検出器８０側を上側、後述のパッケージ１１０側を下側とする。但し、原子発振器１０は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を励起光の進行方向から視ることを指すものとする。
【００５９】
原子発振器１０は回路基板１５を有しており、回路基板１５上に主要な構成部品が縦方向に形成されている。具体的には、回路基板１５上には、アルミナ基板２０が設けられており、アルミナ基板２０上にはレーザ発光素子３０が設置されている。レーザ発光素子３０としては、例えば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等を用いることができる。なお、アルミナ基板２０には、レーザ発光素子３０の温度を制御するためのヒータ２５が設けられている。
【００６０】
レーザ発光素子３０の上方の所定位置には、ガラス等により形成された断熱スペーサ１０１を介して、ＮＤフィルタ４０が設置されている。ＮＤフィルタ４０の上面には、コリメータレンズ５０が設置されている。ＮＤフィルタ４０の上方の所定位置には、シリコン等により形成されたスペーサ１０２を介して、４分の１波長板６０が設置されている。
【００６１】
４分の１波長板６０の上方の所定位置には、ガラス等により形成された断熱スペーサ１０３を介して、アルカリ金属セル７０が設置されている。アルカリ金属セル７０は、対向する２枚のガラス基板７１の外縁部同士がシリコン基板７２を介して接合された構造であり、ガラス基板７１とシリコン基板７２に囲まれた部分に、アルカリ金属の原子のガスが封入されている。
【００６２】
アルカリ金属の例は前述の通りである（Ｃｓ等）。なお、アルカリ金属セル７０内にアルカリ金属の原子のガスと共にＮｅ等のバッファガスを封入してもよい。アルカリ金属セル７０の両側には、ガラス基板７１の表面にセル用ヒータ配線が設けられており、アルカリ金属セル７０を所定の温度に設定することができる。
【００６３】
アルカリ金属セル７０の上方の所定位置には、ガラス等により形成された断熱スペーサ１０４を介して、光検出器８０が設置されている。光検出器８０としては、例えば、フォトダイオード等を用いることができる。
【００６４】
回路基板１５上に形成された各構成部品は、例えばセラミック製のパッケージ１１０のキャビティ部に配置されている。パッケージ１１０のキャビティ部には複数の内部パッド１２０が設けられている。内部パッド１２０は、アルカリ金属セル７０のガラス基板７１上に形成されたヒータ配線のパッド部７５とワイヤ１３１により接続されている。
【００６５】
又、内部パッド１２０は、光検出器８０の配線とワイヤ１３２により接続されている。同様に、レーザ発光素子３０の配線、レーザ発光素子３０用ヒータの配線等も、内部パッド１２０に夫々ワイヤボンド等で接続されている。各内部パッド１２０は、配線１２５を介して外部端子１２９と導通している。
【００６６】
以上のようにして、配線を全てパッケージ１１０の内部パッド１２０と接続した後に、例えばセラミック製のリッド１４０をパッケージ１１０の外周部と接触するように配置し、高真空環境下で接着させる。これにより、パッケージ１１０とリッド１４０の内部を高真空封止することができる。例えば、予めパッケージ１１０とリッド１４０とが接触する領域の表面をメタライズしておき、夫々のメタライズされた領域に、はんだやＡｕＳｎ等の金属接着層を形成し、高真空下で高温に加熱することでパッケージ１１０とリッド１４０とを接着できる。
【００６７】
外部端子１２９は、変調器２００と電気的に接続されている。光検出器８０において検出された信号を変調器２００にフィードバックし、変調器２００によりレーザ発光素子３０からのレーザ光の変調周波数を調整することができる。
【００６８】
本実施の形態に係る原子発振器１０に、第１の実施の形態に係るＣＰＴ共鳴検出方法（パルス励起方法）を適用することで、ライトシフトを低減することが可能となり、長期安定度を向上させることができる。又、パワーブロードニングが抑制され共鳴Ｑ値が向上されるため、高い短期安定度が得られる。更に、レーザ発光素子３０以外に特別な光変調装置が不要なため、外部装置を使用する場合に比べ、装置全体の小型化、低コスト化、消費電力の削減が可能となる。
【００６９】
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１の実施の形態に係るＣＰＴ共鳴発生装置を基本構成として備えた磁気センサについて例示する。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【００７０】
第２の実施の形態と同様の構成（図１２参照）により、磁気センサを実現することができる。図８に示すように、励起されたＣｓガスを通過するレーザ光はサイドバンド周波数差がＣｓ原子の固有周波数差に一致したときに最大となるが、固有周波数差はアルカリ金属セル７０に作用する外部磁場によってシフトする。従って、共鳴周波数を測定することで外部磁場の値を計測することができる。
【００７１】
外部磁場によるシフト量は、ゼーマン分裂した超微細構造準位の磁気量子数ｍｆによって異なる。固有周波数差の外部磁場によるシフトを原子発振器として利用する場合は、磁場に対する固有周波数差のシフト量が最も小さい磁気量子数ｍｆ＝［０，０］の時計遷移を利用することが望ましい。
【００７２】
これに対して、固有周波数差の外部磁場によるシフトを磁気センサとして利用する場合は、磁場に対する固有周波数差のシフト量がより大きい遷移（例えば、磁気量子数ｍｆ＝［３，３］）を用いることが望ましい。又、シフト量の異なる磁気量子数間の周波数差分を測定することで、高精度に外部磁場を計測することができる。
【００７３】
本実施の形態に係る磁気センサに、第１の実施の形態に係るＣＰＴ共鳴検出方法（パルス励起方法）を適用することで、パワーブロードニングが抑制され共鳴Ｑ値が向上されるため、非常に高精度に周波数差を検出することができる。つまり、磁気センサとして利用する際には、外部磁場の読み取り精度を向上させることができる。又、レーザ発光素子３０以外に特別な光変調装置が不要なため、外部装置を使用する場合に比べ、装置全体の小型化、低コスト化、消費電力の削減が可能となる。
【００７４】
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１  ＣＰＴ共鳴発生装置
３、３０  レーザ発光素子
７、７０、３１７  アルカリ金属セル
９  電源装置
１０  原子発振器
４０  ＮＤフィルタ
５０  コリメータレンズ
６０  ４分の１波長板
８０  光検出器
２００  変調器
３１１  ＶＣＳＥＬ
３１２  電流駆動部
３１３  ファンクションジェネレータ
３１４  ＰＬＬ
３１５  バイアス回路
３１６  制御部
３１８  フォトダイオード
３１９  ロックインアンプ
３２１  サンプルホールド回路
３２２  測定器
３２３  パルスジェネレータ
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／００５６４５８号明細書
【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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