(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子が封入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アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記共鳴光対とは逆方向に円偏光していて前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記共鳴光の波長と前記共鳴光対の波長とは異なることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項２】
アルカリ金属原子が封入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アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記共鳴光対とは逆方向に円偏光していて前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記原子セル内において前記第２の光の強度が前記第１の光の強度よりも小さいことを特徴とする量子干渉装置。
【請求項３】
アルカリ金属原子が封入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アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記共鳴光対とは逆方向に円偏光していて前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記第１の光の光軸と前記第２の光の光軸とが交差することを特徴とする量子干渉装置。
【請求項４】
アルカリ金属原子が封入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アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記共鳴光対とは逆方向に円偏光していて前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記原子セルと前記受光部との間に配置されていて前記第１の光と前記第２の光とを分離する分離部と、
を備えることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項５】
アルカリ金属原子が封入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アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記共鳴光対とは逆方向に円偏光していて前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記原子セル内において、前記第２の光の幅は前記第１の光の幅よりも大きいことを特徴とする量子干渉装置。
【請求項６】
アルカリ金属原子が封入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アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記共鳴光対とは逆方向に円偏光していて前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記原子セル内において、前記第２の光の通過領域内に前記第１の光の通過領域が包含されることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項７】
アルカリ金属原子が封入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アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記共鳴光対とは逆方向に円偏光していて前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記第１光源部は変調を受けており、前記第２光源部は変調を受けていないことを特徴とする量子干渉装置。
【請求項８】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記アルカリ金属原子の磁気量子数を調整する共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記共鳴光の波長と前記共鳴光対の波長とは異なることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項９】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記アルカリ金属原子の磁気量子数を調整する共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記原子セル内において前記第２の光の強度が前記第１の光の強度よりも小さいことを特徴とする量子干渉装置。
【請求項１０】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記アルカリ金属原子の磁気量子数を調整する共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記第１の光の光軸と前記第２の光の光軸とが交差することを特徴とする量子干渉装置。
【請求項１１】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記アルカリ金属原子の磁気量子数を調整する共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記原子セルと前記受光部との間に配置されていて前記第１の光と前記第２の光とを分離する分離部と、
を備えることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項１２】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記アルカリ金属原子の磁気量子数を調整する共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記原子セル内において、前記第２の光の幅は前記第１の光の幅よりも大きいことを特徴とする量子干渉装置。
【請求項１３】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記アルカリ金属原子の磁気量子数を調整する共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記原子セル内において、前記第２の光の通過領域内に前記第１の光の通過領域が包含されることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項１４】
アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記アルカリ金属原子を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記アルカリ金属原子の磁気量子数を調整する共鳴光を含む第２の光を出射する第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、
前記第１光源部は変調を受けており、前記第２光源部は変調を受けていないことを特徴とする量子干渉装置。
【請求項１５】
前記共鳴光対および前記共鳴光のうち一方はＤ１線を含み、
前記共鳴光対および前記共鳴光のうち他方はＤ２線を含む、請求項１または８に記載の量子干渉装置。
【請求項１６】
前記第１光源部は、直線偏光されている光を出射し、
前記第２光源部は、直線偏光されている光を出射し、
前記第１光源部からの光および前記第２光源部からの光が通過する共通のλ／４波長板を有する、請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項１７】
請求項１ないし１６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１８】
請求項１ないし１６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が、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。
【０００６】
しかし、特許文献１に係る原子発振器では、その効果が十分ではないという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【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】
【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】
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、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
本発明の量子干渉装置は、金属が封入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の光を出射する第１光源部と、
前記共鳴光対とは逆方向に円偏光していて前記金属を共鳴させる共鳴光を含む第２の光を出射する第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。
【００１１】
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、共鳴光対とは逆方向に円偏光している共鳴光を調整光として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。
【００１２】
［適用例２］
本発明の量子干渉装置は、金属に、互いに同方向に円偏光している共鳴光対と、前記共鳴光対とは逆方向に円偏光している共鳴光と、をそれぞれ照射することにより、前記金属の磁気量子数の分布の偏りを低減し、磁気誘起透過現象を発生させることを特徴とする。
【００１３】
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、共鳴光対とは逆方向に円偏光している共鳴光を調整光として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。
【００１４】
［適用例３］
本発明の量子干渉装置は、金属が封入されている原子セルと、
前記金属を共鳴させる共鳴光対を含む第１の光を出射する第１光源部と、
前記金属の磁気量子数を調整する共鳴光を含む第２の光を出射する第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。
【００１５】
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、共鳴光対とは逆方向に円偏光している共鳴光を調整光として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。
【００１６】
［適用例４］
本発明の量子干渉装置では、前記第２の光の波長が前記共鳴光対の波長から離れていることが好ましい。
これにより、調整光による不要な信号の発生を低減することができる。
【００１７】
［適用例５］
本発明の量子干渉装置では、前記共鳴光対はＤ１線であり、
前記共鳴光は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。
【００１８】
［適用例６］
本発明の量子干渉装置では、前記原子セル内において前記第２の光の強度が前記第１の光の強度よりも小さいことが好ましい。
これにより、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。
【００１９】
［適用例７］
本発明の量子干渉装置では、前記第１光源部は、直線偏光されている光を出射する第１光源を有し、
前記第２光源部は、直線偏光されている光を出射する第２光源を有し、
前記第１光源部および前記第２光源部は、前記第１光源および前記第２光源からの双方の光が通過する共通のλ／４波長板を有することが好ましい。
これにより、装置構成を簡単化することができる。
【００２０】
［適用例８］
本発明の量子干渉装置では、前記第１の光と前記第２の光との互いの光軸が交差していることが好ましい。
これにより、装置構成を簡単化することができる。
【００２１】
［適用例９］
本発明の量子干渉装置では、前記原子セルと前記受光部との間に配置されていて前記第１の光と前記第２の光とを分離する分離部を備えることが好ましい。
これにより、受光部が調整光を受光してしまうのを防止または低減することができる。
【００２２】
［適用例１０］
本発明の量子干渉装置では、前記原子セル内において前記第２の光の通過領域内に前記第１の光の通過領域が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の偏りを効率的に低減することができる。
【００２３】
［適用例１１］
本発明の量子干渉装置では、前記第１光源部は変調を受け、前記第２光源部は変調を受けていないことが好ましい。
［適用例１２］
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。
【００２４】
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。
【００２５】
［適用例１３］
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。
【００２６】
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。
【００２７】
［適用例１４］
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。
【００２８】
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移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【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を説明するための概略図である。
【図５】図４に示す光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。
【図６】図５に示す原子セルの横断面図である。
【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】セシウム原子の磁気量子数の分布を示すグラフであって、（ａ）は、共鳴光対のみを照射した場合の分布を示すグラフ、（ｂ）は、共鳴光対および調整光を照射した場合の分布を示すグラフである。
【図１０】調整光の有無によるＥＩＴ信号の違いを示すグラフである。
【図１１】本発明の第１実施形態の変形例に係る光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。
【図１２】本発明の第２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１３】図１２に示す光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。
【図１４】本発明の第３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１５】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１６】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】
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
＜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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
［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。
【００４３】
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共鳴光と、を含んでいる。
【００４４】
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共鳴光とは逆方向に円偏光している。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。
【００４５】
［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。
【００４６】
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。
【００４７】
［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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
［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。
【００５３】
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。
【００５４】
［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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
［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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
（光源部の詳細な説明）
図４は、図１に示す原子発振器が備える光源部を説明するための概略図である。図５は、図４に示す光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図、図６は、図５に示す原子セルの横断面図、すなわち１対の窓部が並ぶ方向に垂直な断面図である。
【００６４】
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。
【００６５】
第１光源部３１は、第１光源３１１と、λ／２波長板３１２と、λ／４波長板３１３と、を有している。
【００６６】
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。
【００６７】
λ／２波長板３１２は、直交する偏光成分間に位相差π（１８０°）を生じさせる複屈折素子である。したがって、λ／２波長板３１２は、第１光源３１１からの直線偏光の第１光ＬＬ１ａの偏光方向を９０°変更して、共鳴光対ＬＬ１ｂを生成する。なお、第１光源３１１を光軸まわりに９０°回転させた姿勢で設置した場合には、第１光源３１１から出射した直線偏光の光が後述する第２光源３２１から出射した直線偏光の光の偏光方向と直交することとなるため、λ／２波長板３１２を省略することができる。
【００６８】
λ／４波長板３１３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３１３は、λ／２波長板３１２で生成した共鳴光対ＬＬ１ｂ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。
【００６９】
一方、第２光源部３２は、第２光源３２１と、減光フィルター３２２と、前述した第１光源部３１と共通のλ／４波長板３１３と、を有している。ここで、λ／４波長板３１３は、前述したように第１光源部３１が備えているともいえるし、第２光源部３２が備えているともいえる。
【００７０】
第２光源３２１は、前述した光源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。
【００７１】
減光フィルター３２２（ＮＤフィルター）は、第２光源３２１からの第２光ＬＬ２ａの強度を減少させて共鳴光ＬＬ２ｂを生成する。これにより、第２光源３２１の出力が大きい場合でも、原子セル２に入射する調整光ＬＬ２を所望の光量とすることができる。なお、第２光源３２１の出力が第１光源３１１よりも小さい場合等は、減光フィルター３２２を省略することができる。
【００７２】
前述したように、λ／４波長板３１３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３１３は、減光フィルター３２２で生成した共鳴光ＬＬ２ｂ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共鳴光で構成された調整光ＬＬ２を生成することができる。ここで、直線偏光されている共鳴光ＬＬ２ｂの偏光方向（図５に示すｂ２方向）は、直線偏光されている共鳴光対ＬＬ１ｂの偏光方向（図５に示すｂ１方向）と異なる方向（直交する方向）である。したがって、共鳴光対ＬＬ１ｂおよび共鳴光ＬＬ２ｂを共通のλ／４波長板３１３を通過させることにより、円偏光されている共鳴光対ＬＬ１と、この共鳴光対ＬＬ１とは逆方向に円偏光している調整光ＬＬ２とを生成させることができる。このように、第１光源部３１および第２光源部３２が共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方が通過する共通のλ／４波長板３１３を有するため、第１光源部３１および第２光源部３２がそれぞれ個別にλ／４波長板を備える場合に比べて、装置構成を簡単化することができる。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
図５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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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内へ光ＬＬが入射する入射側窓部であり、他方の窓部２３は、原子セル２の内部空間Ｓ内から光ＬＬ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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。本実施形態では、内部空間Ｓの横断面は、円形をなしており、一方、光通過空間の横断面は、内部空間Ｓの横断面と相似形状（すなわち円形）をなし、かつ、内部空間Ｓの横断面よりも若干小さく設定されている。なお、内部空間Ｓの横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形、五角形等の多角形、楕円形等であってもよい。
【００８８】
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５に示すように、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１は、調整光ＬＬ２の光軸ａ２に対して傾斜角度θで傾斜していて、光軸ａ２と交点Ｐにて交差している。また、図５では、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１が、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と平行であり、一方、調整光ＬＬ２の光軸ａ２が、軸線ａに対して傾斜角度θで傾斜している。なお、図５では、光軸ａ１が軸線ａと一致している。
【００８９】
ここで、原子セル２の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２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が配置されており、原子セル２を通過した共鳴光対ＬＬ１が受光部４で受光されるが、一方、光軸ａ２は、原子セル２を通過した調整光ＬＬ２を受光部４が受光しないように設定されている。これにより、受光部４が調整光ＬＬ２を受光してしまうのを防止または低減することができる。
【００９０】
本実施形態では、原子セル２を通過した調整光ＬＬ２は、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光源部３２を制御してもよい。
【００９１】
また、図６に示すように、原子セル２内において、調整光ＬＬ２の幅Ｗ２は、共鳴光対ＬＬ１の幅Ｗ１よりも大きい。これにより、ガスセル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。
また、調整光ＬＬ２の幅Ｗ２は、原子セル２内の幅Ｗよりも小さい。
【００９２】
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。
【００９３】
例えば、原子セル２内にセシウム原子が封入されている場合、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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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、（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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
図９は、セシウム原子の磁気量子数の分布を示すグラフであって、（ａ）は、共鳴光対のみを照射した場合の分布を示すグラフ、（ｂ）は、共鳴光対および調整光を照射した場合の分布を示すグラフである。
【０１０５】
共鳴光対ＬＬ１のみをセシウム原子に照射した場合、図９（ａ）に示すように、第１基底準位にあるセシウム原子は、磁気量子数ｍＦ３の分布の偏りが小さいものの、その数が少なく、また、第２基底準位にあるセシウム原子は、磁気量子数ｍＦ４が大きい方へ分布が大きく偏っている。
【０１０６】
すなわち、従来の原子発振器（例えば特許文献１に係る原子発振器）では、金属に照射される共鳴光のすべてが一方向に円偏光しているため、例えば共鳴光が直線偏光している場合に比べて、ＥＩＴ信号の強度を向上させることができるものの、その効果が十分ではなかった。これは、共鳴光のすべてが一方向に円偏光していることにより、金属の磁気量子数の小さい方または大きい方のいずれかに分布が偏ってしまい、これにより、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数の金属原子の数が少なくなってしまうためであった。
【０１０７】
これに対し、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方をセシウム原子に同時に照射した場合、図９（ｂ）に示すように、第１基底準位および第２基底準位のそれぞれにあるセシウム原子は、磁気量子数ｍＦ３、ｍＦ４の分布の偏りが比較的少なく、かつ、その数も比較的多くなっている。特に、磁場に対して安定な磁気量子数ｍＦ３、ｍＦ４＝０となるセシウム原子の数を多くすることができる。すなわち、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方をセシウム原子に同時に照射した場合、共鳴光対ＬＬ１のみをセシウム原子に照射した場合に比べて、第１基底準位および第２基底準位のそれぞれの準位において、各準位にあるセシウム原子の数を増やしつつ、セシウム原子の磁気量子数の分布を平均化することができる。
【０１０８】
図１０は、調整光の有無によるＥＩＴ信号の違いを示すグラフである。
図１０に示すように、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の双方をセシウム原子に同時に照射した場合（repump on）、共鳴光対ＬＬ１のみをセシウム原子に照射した場合（repump off）に比べて、半値全幅をほぼ同等としつつ、ＥＩＴ信号の信号強度を３倍程度に高めることができる。
【０１０９】
なお、図９、１０に示す結果は、図７に示すような偏光の共鳴光対（第１共鳴光、第２共鳴光）および調整光（第３共鳴光）を用い、原子セル２内の調整光の強度（光量子束密度）を共鳴光対の半分程度とした。
【０１１０】
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、その共鳴光対ＬＬ１とは逆方向に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。
【０１１１】
ここで、図７に示す場合、調整光ＬＬ２の波長が共鳴光対ＬＬ１とは異なるため、すなわち、調整光ＬＬ２の波長が共鳴光対ＬＬ１の波長から離れているため、調整光ＬＬ２による不要な信号の発生を低減することができる。
【０１１２】
また、図７に示すように、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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
ここで、調整光ＬＬ２の強度は、減光フィルター３２２の減光率によって調整することもできるし、第２光源３２１の駆動電流を調整することによって調整することもできる。
【０１１７】
また、原子セル２内において共鳴光対ＬＬ１の通過領域が調整光ＬＬ２の通過領域内に包含されているため、アルカリ金属の磁気量子数の分布の偏りを効率的に低減することができる。
【０１１８】
また、本実施形態では、前述したように共鳴光対ＬＬ１と調整光ＬＬ２との互いの光軸ａ１、ａ２が原子セル２内の交点Ｐにて交差しているため、共鳴光対ＬＬ１と調整光ＬＬ２とを合成するための光学部品が不要であり、装置構成を簡単化することができる。
【０１１９】
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、第１光源３１１および第２光源３２１の設置の自由度が極端に小さくなり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３２を設計しなければならず、設計が難しくなる傾向となる。
【０１２０】
（変形例）
図１１は、本発明の第１実施形態の変形例に係る光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。
【０１２１】
図１１に示す変形例では、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１が、軸線ａに対して傾斜角度θ１で傾斜しており、一方、調整光ＬＬ２の光軸ａ２が、軸線ａに対して光軸ａ１とは反対側へ傾斜角度θ２で傾斜している。これにより、軸線ａに対する対称性が高い構成を実現することができる。
【０１２２】
ここで、図１１に示す変形例においても、前述した図５に示す例と同様、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１は、調整光ＬＬ２の光軸ａ２に対して傾斜角度θで傾斜していて、光軸ａ２と交点Ｐにて交差している。したがって、傾斜角度θは、傾斜角度θ１と傾斜角度θ２との和である。
【０１２３】
図１１では、傾斜角度θ１と傾斜角度θ２とが互いに等しい場合を図示しているが、傾斜角度θ１と傾斜角度θ２とが互いに異なっていてもよい。
【０１２４】
＜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。
【０１２５】
図１２は、本発明の第２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１３は、図１２に示す光源部の第１光源部および第２光源部からそれぞれ出射される光を説明するための図である。
【０１２６】
本実施形態は、第１光源部および第２光源部の構成が異なるとともに、原子セルと受光部との間にλ／４波長板および偏光子を追加した以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１２７】
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１２、１３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。
【０１２８】
図１２に示す原子発振器１Ａは、光源部３Ａと、λ／４波長板９１と、偏光子９２と、を備えている。
【０１２９】
光源部３Ａは、共鳴光対ＬＬ１を出射する第１光源部３１Ａと、調整光ＬＬ２を出射する第２光源部３２Ａと、を備えている。
【０１３０】
第１光源部３１Ａは、λ／２波長板３１２とλ／４波長板３１３との間に偏光ビームスプリッター３１４を追加した以外は、前述した第１実施形態の第１光源部３１と同様に構成されている。すなわち、第１光源部３１Ａは、第１光源３１１と、λ／２波長板３１２と、λ／４波長板３１３と、偏光ビームスプリッター３１４と、を有している。
【０１３１】
また、第２光源部３２Ａは、減光フィルター３２２とλ／４波長板３１３との間にミラー３２３および偏光ビームスプリッター３１４を追加した以外は、前述した第１実施形態の第２光源部３２と同様に構成されている。すなわち、第２光源部３２Ａは、第２光源３２１と、減光フィルター３２２と、ミラー３２３と、偏光ビームスプリッター３１４と、を有している。
【０１３２】
このような第１光源部３１Ａおよび第２光源部３２Ａにおいて、偏光ビームスプリッター３１４は、第１光源部３１Ａおよび第２光源部３２Ａに共通して設けられている。第１光源部３１Ａにおいて、偏光ビームスプリッター３１４は、共鳴光対ＬＬ１ｂをそのまま通過させてλ／４波長板３１３へ入射させる。一方、第２光源部３２Ａにおいて、偏光ビームスプリッター３１４は、ミラー３２３で反射した共鳴光ＬＬ２ｂを反射させてλ／４波長板３１３へ入射させる。すなわち、共鳴光対ＬＬ１ｂおよび共鳴光ＬＬ２ｂは、互いに光軸が一致するように偏光ビームスプリッター３１４で合成され、λ／４波長板３１３に入射する。
【０１３３】
ここで、ミラー３２３および偏光ビームスプリッター３１４は、共鳴光対ＬＬ１ｂと共鳴光ＬＬ２ｂとを合成する「合成部」を構成している。このような合成部により、共鳴光対ＬＬ１ｂおよび共鳴光ＬＬ２ｂを互いに光軸を一致させて原子セル２に照射することができる。なお、ミラー３２３を省略してもよい。この場合、共鳴光ＬＬ２ｂが偏光ビームスプリッター３１４に入射するような向きで、第２光源３２１および減光フィルター３２２を設置すればよい。
【０１３４】
なお、減光フィルター３２２の代わりにλ／２波長板を設置してもよい。λ／２波長板を用いると、第２光源３２１から出射される第２光ＬＬ２ａの直線偏光の角度に応じて、第２光ＬＬ２ａの強度を減少または増加させることができる。
【０１３５】
図１３に示すように、本実施形態では、ガスセル２内において、共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１は、調整光ＬＬ２の光軸ａ２と平行であり、かつ、原子セル２の軸線ａと平行である。なお、図１３では、光軸ａ１および光軸ａ２がそれぞれ軸線ａと一致している。共鳴光対ＬＬ１の光軸ａ１と調整光ＬＬ２の光軸ａ２とが互いに平行であることにより、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を原子セル２に効率的に照射することができる。
【０１３６】
原子セル２を通過した共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２は、λ／４波長板９１に入射する。λ／４波長板９１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９１は、共鳴光対ＬＬ１を円偏光から直線偏光に変換して共鳴光対ＬＬ１ｃを生成する。また、このλ／４波長板９１は、調整光ＬＬ２を円偏光から共鳴光対ＬＬ１ｃとは異なる方向（直交する方向）の直線偏光に変換して調整光ＬＬ２ｃを生成する。
【０１３７】
λ／４波長板９１で生成した共鳴光対ＬＬ１ｃおよび調整光ＬＬ２ｃは、偏光子９２に入射する。偏光子９２は、特定方向に偏光した光だけ通過させるものであり、共鳴光対ＬＬ１ｃを通過させ、調整光ＬＬ２ｃを遮断する。これにより、共鳴光対ＬＬ１ｃのみが受光部４に入射する。
【０１３８】
ここで、λ／４波長板９１および偏光子９２は、原子セル２と受光部４との間に配置されていて共鳴光対ＬＬ１と調整光ＬＬ２とを分離する「分離部」を構成している。このような分離部を設けることにより、受光部４が調整光を受光してしまうのを防止または低減することができる。
【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】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
【０１４１】
図１４は、本発明の第３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。
【０１４２】
本実施形態は、第１光源部、第２光源部および制御部の構成が異なるとともに、原子セルと受光部との間にλ／４波長板および偏光ビームスプリッターを追加した以外は、前述した第１実施形態と同様である。また、本実施形態は、制御部の構成が異なるとともに、原子セルと受光部との間の偏光子を偏光ビームスプリッターに代えた以外は、前述した第２実施形態と同様である。
【０１４３】
なお、以下の説明では、第３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１４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。
【０１４４】
図１４に示す原子発振器１Ｂは、偏光ビームスプリッター９３と、検出部１０と、光源制御部８２Ｂと、を備えている。
【０１４５】
偏光ビームスプリッター９３は、共鳴光対ＬＬ１ｃをそのまま通過させて受光部４へ入射させる。また、偏光ビームスプリッター９３は、調整光ＬＬ２ｃを反射させて検出部１０へ入射させる。
【０１４６】
なお、減光フィルター３２２の代わりにλ／２波長板を設置してもよい。λ／２波長板を用いると、第２光源３２１から出射される第２光ＬＬ２ａの直線偏光の角度に応じて、第２光ＬＬ２ａの強度を減少または増加させることができる。
【０１４７】
ここで、λ／４波長板９１および偏光ビームスプリッター９３は、原子セル２と受光部４との間に配置されていて共鳴光対ＬＬ１と調整光ＬＬ２とを分離する「分離部」を構成している。このような分離部を設けることにより、受光部４が調整光を受光してしまうのを防止または低減することができる。
【０１４８】
検出部１０は、調整光ＬＬ２ｃの強度を検出する機能を有する。この検出部１０としては、調整光ＬＬ２ｃ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。
【０１４９】
光源制御部８２は、強度制御部８２４を有しており、この強度制御部８２４は、検出部１０の検出結果に基づいて第２光源３２１の出力を制御する。例えば、強度制御部８２４は、第２光源３２１から出射される第２光ＬＬ２ａの強度が一定となるように制御を行う。
【０１５０】
以上説明したような第３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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
以下、本発明の電子機器について説明する。
図１５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。
【０１５３】
図１５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。
ＧＰＳ衛星２００は、測位情報（ＧＰＳ信号）を送信する。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
３．移動体
図１６は、本発明の移動体の一例を示す図である。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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、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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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】
【０１６２】
１‥‥原子発振器
１Ａ‥‥原子発振器
１Ｂ‥‥原子発振器
２‥‥原子セル
３‥‥光源部
３Ａ‥‥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
１０‥‥検出部
２１‥‥胴体部
２２‥‥窓部
２３‥‥窓部
３１‥‥第１光源部
３１Ａ‥‥第１光源部
３２‥‥第２光源部
３２Ａ‥‥第２光源部
８１‥‥温度制御部
８２‥‥光源制御部
８２Ｂ‥‥光源制御部
８３‥‥磁場制御部
９１‥‥λ／４波長板
９２‥‥偏光子
９３‥‥偏光ビームスプリッター
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／２波長板
３１３‥‥λ／４波長板
３１４‥‥偏光ビームスプリッター
３２１‥‥第２光源
３２２‥‥減光フィルター
３２３‥‥ミラー
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
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
８２４‥‥強度制御部
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（第１の光）
ＬＬ１ａ‥‥第１光
ＬＬ１ｂ‥‥共鳴光対
ＬＬ１ｃ‥‥共鳴光対
ＬＬ２‥‥調整光（第２の光）
ＬＬ２ａ‥‥第２光
ＬＬ２ｂ‥‥共鳴光
ＬＬ２ｃ‥‥調整光
Ｐ‥‥交点
Ｓ‥‥内部空間
Ｗ‥‥幅
Ｗ１‥‥幅
Ｗ２‥‥幅
ΔＥ‥‥エネルギー差
θ‥‥傾斜角度
θ１‥‥傾斜角度
θ２‥‥傾斜角度
ω０‥‥周波数
ω１‥‥周波数
ω２‥‥周波数
【図１】
0006520039.tif 000002
【図２】
0006520039.tif 000003
【図３】
0006520039.tif 000004
【図４】
0006520039.tif 000005
【図５】
0006520039.tif 000006
【図６】
0006520039.tif 000007
【図７】
0006520039.tif 000008
【図８】
0006520039.tif 000009
【図９】
0006520039.tif 000010
【図１０】
0006520039.tif 000011
【図１１】
0006520039.tif 000012
【図１２】
0006520039.tif 000013
【図１３】
0006520039.tif 000014
【図１４】
0006520039.tif 000015
【図１５】
0006520039.tif 000016
【図１６】
0006520039.tif 000017