(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、
前記原子セル内の前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源と、
前記光源と前記原子セルとの間に配置され、前記光源から出射された前記光の放射角を拡大する光学素子と、
前記光学素子と前記原子セルとの間に設けられ、前記光学素子によって前記放射角が拡大された前記光の一部を遮光する遮光部材と、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を有し、
前記遮光部材に入射する光の径は前記原子セルの内部空間の幅よりも大きい、
量子干渉装置。
【請求項２】
前記光源を支持する支持部を有し、
前記支持部と前記光学素子との間に前記光源が設けられている請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項３】
前記光源を支持する支持部を有し、
前記光源と前記光学素子との間に前記支持部が設けられている請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項４】
前記光学素子は、凹レンズ、フレネルレンズ、および光拡散版のいずれかである請求項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】
前記光源の発光面と前記原子セルとの間の距離は、０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下である請求項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】
前記光学素子によって前記放射角が拡大された前記光の前記放射角は、４０°以上であり、
前記光学素子によって前記放射角が拡大された前記光のスペクトル線幅は、１００ＭＨｚ以下である請求項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】
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を備えることを特徴とする原子発振器。
【請求項８】
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】
従来から、例えば、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発振器が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
非特許文献１に係る発振器は、ガス状のアルカリ金属を封入したセルと、セル内のセシウムを励起する光を出射するＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と、セルを透過した光を検出するフォトダイオードと、ＶＣＳＥＬとセルとの間に配置されたスペーサーと、を有する。また、非特許文献１に係る発振器では、ＶＣＳＥＬ、スペーサー、セル、フォトダイオードがこの順で一列に並んでいる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Proceedings of the 39th Annual Precise Time and Time Interval Meeting (2007)／The Chip-Scale Atomic Clock - Prototype Evaluation
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上記のような発振器において発振特性を高めるには、セル内に入射する光の径（幅）をある程度大きくする必要がある。
【０００６】
しかし、非特許文献１に係る発振器では、ＶＣＳＥＬの放射角のままでセルに光を入射させているため、光径の大きな光をセル内に入射させるには、ＶＣＳＥＬとセルとの間の距離が大きくなってしまう。そのため、発振器を小型にすることができないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、小型で、優れた発振特性を有する量子干渉装置および原子発振器を提供すること、また、この量子干渉装置を備える信頼性に優れた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】
【０００８】
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、以下の本発明により実現することが可能である。
【０００９】
本発明の量子干渉装置は、アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
前記原子セル内の前記アルカリ金属原子を励起する光を出射する光源と、
前記原子セルを透過した前記光を検出する光検出部と、
前記光源と前記原子セルとの間に配置され、前記光源から出射された前記光の放射角を拡大する光学素子と、を有す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、光源と原子セルとの間の距離を従来よりも短くしても、光径の大きい光を原子セル内に入射させることができ、アルカリ金属と光源から出射された光とが相互作用する領域を大きくすることができる。そのため、光源と原子セルとの間の距離が短くても、光検出部にて検出される例えばＥＩＴ信号の強度を高めることができ、量子干渉装置の短期周波数特性を向上させることができる。したがって、本発明の量子干渉装置によれば、小型で、優れた発振特性を発揮することができる。
【００１１】
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子と前記原子セルとの間に設けられ、前記光学素子によって前記放射角が拡大された前記光の一部を遮光する遮光部材を有することが好ましい。
【００１２】
これにより、例えば、光の一部である光の強度の低い外周部を遮光して、エネルギー密度の変化が小さい光を原子セル内に入射させることができる。そのため、例えば、シュタルクシフトによって、ＥＩＴ信号の線幅が増大したり、ＥＩＴ信号の形状が非対称になったりすることを緩和することができる。その結果、発振特性をより向上させることができる。
【００１３】
本発明の量子干渉装置では、前記原子セルと前記光学素子との間に設けられた１／４波長板を有することが好ましい。
【００１４】
これにより、光検出部から出力される例えばＥＩＴ信号を大きくすることができる。その結果、発振特性をより向上させることができる。また、原子セルと光学素子との間に１／４波長板を設けることで、原子セルと光学素子との間にスペースを設ける必要があっても、そのスペースを有効利用することができる。
【００１５】
本発明の量子干渉装置では、前記光源を支持する支持部を有し、
前記支持部と前記光学素子との間に前記光源が設けられていることが好ましい。
【００１６】
これにより、支持部を位置決め部材として用いることで、光学素子と光源との並び方向と交差する方向における光学素子および光源の相対的な位置関係を容易に設定することができる。そのため、原子セルに対して光学素子および光源を容易かつ正確に配置することができる。
【００１７】
本発明の量子干渉装置では、前記光源を支持する支持部を有し、
前記光源と前記光学素子との間に前記支持部が設けられていることが好ましい。
【００１８】
これにより、支持部を光学素子と光源との間の距離を規定するスペーサーとして用いることで、光学素子と光源との並び方向における光学素子および光源の相対的な位置関係を容易に設定することができる。そのため、原子セルに対して光学素子および光源を容易かつ正確に配置することができる。
【００１９】
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子は、凹レンズであることが好ましい。
これにより、簡単な構成で、放射角を拡大することができる。また、例えば、光源として、指向性の高い光を出射するレーザーを用いた場合に、その指向性を保ちつつ放射角を拡大することができる。そのため、例えばＥＩＴ信号の線幅を小さくしつつ、ＥＩＴ信号の強度を高めることができ、よって、発振特性をより向上させることができる。
【００２０】
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子は、フレネルレンズであることが好ましい。
これにより、光学素子の厚さをより薄くしつつ、放射角を拡大することができる。また、例えば、光源として、指向性の高い光を出射するレーザーを用いた場合に、その指向性を保ちつつ放射角を拡大することができる。そのため、例えばＥＩＴ信号の線幅を小さくしつつ、ＥＩＴ信号の強度を高めることができ、よって、発振特性をより向上させることができる。
【００２１】
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子は、光拡散板であることが好ましい。
これにより、光学素子の厚さをより薄くしつつ、放射角をより大きく拡げることができる。このため、原子セルに対して光学素子をより近づけることができ、本発明の量子干渉装置をより小型にすることができる。
【００２２】
本発明の量子干渉装置では、前記光源の発光面と前記原子セルとの間の距離は、０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましい。
これにより、大型化を防ぎつつ、光の放射角を十分に拡げることができる。
【００２３】
本発明の量子干渉装置では、前記光学素子によって前記放射角が拡大された前記光の前記放射角は、４０°以上であり、
前記光学素子によって前記放射角が拡大された前記光のスペクトル線幅は、１００ＭＨｚ以下であることが好ましい。
【００２４】
これにより、光がアルカリ金属原子と相互作用する領域を十分に大きくすることができるとともに、例えばＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。このため、発振特性をより向上させることができる。
【００２５】
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、小型で、優れた発振特性を発揮する原子発振器を提供することができる。
【００２６】
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、優れた信頼性を有する電子機器を提供することができる。
【００２７】
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、優れた信頼性を有する移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器を示す概略構成図である。
【図２】アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。
【図３】光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部での検出強度との関係を示すグラフである。
【図４】図１に示す原子発振器の概略構成を示す断面図である。
【図５】図４に示す光源、光学系、原子セルおよび光検出部を示す模式的断面図である。
【図６】図５に示す光学素子によって拡大された光の断面強度分布を模式的に示す図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器が有する光源、光学系、原子セルおよび光検出部を示す模式的断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器が有する光源、光学系、原子セルおよび光検出部を示す模式的断面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器が有する原子セルユニットの概略構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の第５実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器の概略構成を示す断面図である。
【図１１】ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の量子干渉装置を備えた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】本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器を備える移動体（自動車）の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
１．原子発振器
まず、本発明の量子干渉装置の一種であ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、原子発振器の他、例えば、磁気センサー、量子メモリー等にも適用可能である。
【００３１】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器を示す概略構成図である。図２は、アルカリ金属のエネルギー状態を説明するための図である。図３は、光出射部からの２つの光の周波数差と、光検出部での検出強度との関係を示すグラフである。
【００３２】
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２１と、光出射部２２と、光学系４と、光検出部２４と、ヒーター２５と、温度センサー２６と、コイル２７と、原子発振器１の各部を制御する制御部６と、を備えている。
【００３３】
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、光出射部２２が原子セル２１に向けて励起光ＬＬを出射し、原子セル２１を透過した励起光ＬＬを光検出部２４が検出する。
【００３４】
原子セル２１内には、ガス状のアルカリ金属（金属原子）が封入されており、アルカリ金属は、図２に示すように、３準位系のエネルギー準位を有し、エネルギー準位の異なる２つの基底状態（基底状態１、２）と、励起状態との３つの状態をとり得る。ここで、基底状態１は、基底状態２よりも低いエネルギー状態である。
【００３５】
光出射部２２から出射された励起光ＬＬは、周波数の異なる２種の共鳴光１、２を含んでおり、この２種の共鳴光１、２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、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２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。
【００３６】
そして、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２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１、２から励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、共鳴光１、２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。
【００３７】
例えば、光出射部２２が共鳴光１の周波数ω１を固定し、共鳴光２の周波数ω２を変化させていくと、共鳴光１の周波数ω１と共鳴光２の周波数ω２との差（ω１−ω２）が基底状態１と基底状態２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２４の検出強度は、図３に示すように、前述したＥＩＴ現象に伴って急峻に上昇する。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信号を用いることにより、発振器を構成することができる。
【００３８】
以下、本実施形態の原子発振器１の各部の構成について説明する。
図４は、図１に示す原子発振器の概略構成を示す断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図４中の上側を「上」、下側を「下」という。
【００３９】
図４に示すように、原子発振器１は、前述したような量子干渉効果を生じさせる原子セルユニット２と、原子セルユニット２を収納するパッケージ３と、パッケージ３内に収納され、原子セルユニット２をパッケージ３に対して支持する支持部材５と、を備えている。なお、図示しないが、パッケージ３内またはパッケージ３外には、原子セルユニット２を囲むようにコイル２７が配置されている。また、パッケージ３の外側には、必要に応じて、磁気シールドが設けられていてもよい。
【００４０】
以下、原子発振器１の各部を説明する。
〈原子セルユニット〉
原子セルユニット２は、原子セル２１と、光源２２１を有する光出射部２２と、光学系４と、光検出部２４と、ヒーター２５と、温度センサー２６と、支持部としての基板２８と、接続部材２９と、を含み、これらがユニット化されている。具体的には、基板２８の上面に、光出射部２２、ヒーター２５、温度センサー２６および接続部材２９が搭載されており、原子セル２１および光学系４が接続部材２９に保持されているとともに、光検出部２４が接続部材２９に接着剤３０を介して接合されている。
【００４１】
［原子セル］
原子セル２１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２１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。
【００４２】
図４に示すように、原子セル２１は、柱状の貫通孔２１４を有する胴体部２１１と、その貫通孔２１４の両側の開口を封鎖する１対の光透過部２１２、２１３と、を有する。これにより、前述したようなアルカリ金属が封入される内部空間Ｓが形成されている。
【００４３】
本実施形態では、貫通孔２１４は、円柱状をなす。そのため、貫通孔２１４の横断面（光軸ａに対して垂直な方向での断面）、すなわち、内部空間Ｓの横断面は、円形をなす。なお、貫通孔２１４の横断面形状は、円形に限定されず、楕円形、四角形等の多角形等であってもよい。
【００４４】
また、光軸ａに沿った方向における内部空間Ｓの長さをＬ１とし、内部空間Ｓの横断面の幅をＷ１としたとき、Ｌ１／Ｗ１は、例えば、１以上２以下とすることができる。長さＬ１としては、例えば、２ｍｍ以上７ｍｍ以下とすることができる。幅Ｗ１としては、例えば、２ｍｍ以上４．５ｍｍ以下とすることができる。
【００４５】
ここで、原子セル２１の各光透過部２１２、２１３は、光出射部２２からの励起光ＬＬ（共鳴光）に対する透過性を有している。そして、一方の光透過部２１２は、原子セル２１内へ入射する励起光ＬＬが透過する「入射側光透過部」であり、他方の光透過部２１３は、原子セル２１内から出射した励起光ＬＬが透過する「出射側光透過部」である。
【００４６】
この光透過部２１２、２１３を構成する材料としては、前述したような励起光ＬＬに対する透過性を有していれば、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶等が挙げられる。
【００４７】
また、原子セル２１の胴体部２１１を構成する材料は、特に限定されず、シリコン材料、セラミックス材料、金属材料、樹脂材料等であってもよく、光透過部２１２、２１３と同様にガラス材料、水晶等であってもよい。
【００４８】
そして、各光透過部２１２、２１３は、胴体部２１１に対して気密的に接合されている。これにより、原子セル２１の内部空間Ｓを気密空間とすることができる。
【００４９】
原子セル２１の胴体部２１１と光透過部２１２、２１３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、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、陽極接合法等を用いることができる。
【００５０】
［光出射部］
光出射部２２は、原子セル２１中のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する光源２２１を有する。光源２２１は、励起光ＬＬを出射する発光面２２２が原子セル２１側を向くように基板２８によって支持されている。
【００５１】
光源２２１は、前述したような周波数の異なる２種の光（共鳴光１および共鳴光２）を励起光ＬＬとして出射するものである。共鳴光１の周波数ω１は、原子セル２１中のアルカリ金属を前述した基底状態１から励起状態に励起（共鳴）し得るものである。また、共鳴光２の周波数ω２は、原子セル２１中のアルカリ金属を前述した基底状態２から励起状態に励起（共鳴）し得るものである。
【００５２】
この光源２２１としては、前述したような励起光ＬＬを出射し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）等の半導体レーザー等の発光素子を用いることが好ましい。具体的には、スペクトル線幅が１００ＭＨｚ以下である半導体レーザーを用いることが好ましい。このような指向性の高い光を出射するレーザーを用いることにより、光検出部２４から出力されるＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
【００５３】
［光学系］
光学系４は、光源２２１と原子セル２１との間に設けられており、光学素子４１、遮光部材４２および光学部品４３、４４を有する。本実施形態では、光源２２１側から原子セル２１側に向かって、光学素子４１、遮光部材４２、光学部品４３および光学部品４４がこの順に配置されている。なお、光学系４の詳細について後に説明する。
【００５４】
［光検出部］
光検出部２４は、原子セル２１内を透過した励起光ＬＬ（共鳴光１、２）の強度を検出する機能を有する。
【００５５】
この光検出部２４としては、上述したような励起光ＬＬを検出し得るものであれば、特に限定されないが、例えば、太陽電池、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。
【００５６】
［ヒーター］
ヒーター２５は、通電により発熱する発熱抵抗体（加熱部）を有する。このヒーター２５は、原子セル２１の温度を調節する「温度調節手段（温度調節素子）」である。これにより、原子セルユニット２を所望の温度に維持し、原子発振器１の特性を優れたものとすることができる。
【００５７】
本実施形態では、前述したように、ヒーター２５は、基板２８上に設けられている。そして、ヒーター２５からの熱は、基板２８および接続部材２９を介して、原子セル２１に伝達される。これにより、原子セル２１（より具体的には原子セル２１中のアルカリ金属）が加熱され、原子セル２１中のアルカリ金属を所望の濃度のガス状に維持することができる。また、本実施形態では、ヒーター２５からの熱は、基板２８を介して光源２２１にも伝達される。
【００５８】
このヒーター２５は、原子セル２１に対して離間している。これにより、ヒーター２５への通電により生じた不要磁場が原子セル２１内の金属原子に悪影響を与えるのを抑制することができる。
【００５９】
［温度センサー］
温度センサー２６は、ヒーター２５または原子セル２１の温度を検出するものである。そして、この温度センサー２６の検出結果に基づいて、前述したヒーター２５の発熱量が制御される。これにより、原子セル２１内のアルカリ金属原子を所望の温度に維持することができる。
【００６０】
本実施形態では、温度センサー２６は、基板２８上に設けられている。したがって、温度センサー２６は、基板２８を介してヒーター２５の温度を検出することとなる。あるいは、温度センサー２６は、基板２８および接続部材２９を介して原子セル２１の温度を検出することとなる。
【００６１】
なお、温度センサー２６の設置位置は、これに限定されず、例えば、接続部材２９上であってもよいし、ヒーター２５上であってもよいし、原子セル２１の外表面上であってもよい。
【００６２】
温度センサー２６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。
【００６３】
［接続部材］
接続部材２９は、ヒーター２５と原子セル２１の各光透過部２１２、２１３とを熱的に接続している。これにより、ヒーター２５からの熱を接続部材２９による熱伝導により各光透過部２１２、２１３に伝達し、各光透過部２１２、２１３を加熱することができる。また、ヒーター２５と原子セル２１とを離間することができる。そのため、ヒーター２５への通電により生じた不要磁場が原子セル２１内のアルカリ金属原子に悪影響を与えるのを抑制することができる。また、ヒーター２５の数を少なくすることができるため、例えば、ヒーター２５への通電のための配線の数を少なくし、その結果、原子発振器１の小型化を図ることができる。
【００６４】
図４に示すように、接続部材２９は、原子セル２１を挟んで設けられた１対の接続部材２９１、２９２で構成されている。これにより、原子セル２１に対する接続部材２９の設置を容易なものとしつつ、接続部材２９から原子セル２１の各光透過部２１２、２１３に均一に熱を伝達させることができる。
【００６５】
１対の接続部材２９１、２９２は、例えば、原子セル２１の互いに対向する１対の側面の両側から原子セル２１を挟むようにして嵌合している。そして、光透過部２１２、２１３と接続部材２９１、２９２とは、接触し熱的に接続されている。また、接続部材２９１、２９２は、それぞれ、励起光ＬＬの通過領域を避けるように形成されている。
【００６６】
このような接続部材２９の構成材料としては、熱伝導性に優れた材料、例えば、金属材料を用いることが好ましい。また、後述するパッケージ３と同様、コイル２７からの磁場を阻害しないよう、接続部材２９の構成材料としては、非磁性の材料を用いることが好ましい。
【００６７】
［基板］
基板２８は、前述した光出射部２２、ヒーター２５、温度センサー２６および接続部材２９等を支持する機能を有する。また、基板２８は、ヒーター２５からの熱を接続部材２９へ伝達する機能を有する。これにより、ヒーター２５が接続部材２９に対して離間していても、ヒーター２５からの熱を接続部材２９へ伝達することができる。
【００６８】
ここで、基板２８は、ヒーター２５と接続部材２９とを熱的に接続している。このようにヒーター２５および接続部材２９を基板２８に搭載することにより、ヒーター２５の設置の自由度を高めることができる。
【００６９】
また、光源２２１が基板２８に搭載されていることにより、ヒーター２５からの熱により基板２８上の光源２２１を温度調節することができる。
【００７０】
また、基板２８は、光源２２１、ヒーター２５、温度センサー２６に電気的に接続される配線（図示せず）を有している。
【００７１】
このような基板２８の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、セラミックス材料、金属材料等が挙げられ、これらのうちの１種を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、基板２８の表面を金属材料で構成した場合、基板２８の表面の熱の反射率を高め、基板２８からの熱の輻射を抑制することもできる。また、基板２８を金属材料で構成した場合、基板２８の表面には、基板２８が有する配線の短絡防止等の目的で、必要に応じて、例えば、樹脂材料、金属酸化物、金属窒化物等で構成された絶縁層が設けられていてもよい。
【００７２】
また、後述するパッケージ３と同様、コイル２７からの磁場を阻害しないよう、基板２８の構成材料としては、非磁性の材料を用いることが好ましい。
【００７３】
なお、基板２８は、接続部材２９の形状、ヒーター２５の設置位置等によっては、省略することができる。この場合、ヒーター２５を接続部材２９に接触させる位置に設置すればよい。
【００７４】
［パッケージ］
図４に示すように、パッケージ３は、原子セルユニット２および支持部材５を収納する機能を有する。なお、パッケージ３内には、前述した部品以外の部品が収納されていてもよい。
【００７５】
このパッケージ３は、図４に示すように、板状の基体３１（ベース部）と、有底筒状の蓋体３２（蓋部）と、を備え、蓋体３２の開口が基体３１により封鎖されている。これにより、原子セルユニット２および支持部材５を収納する内部空間Ｓ１が形成されている。ここで、蓋体３２は、原子セルユニット２および支持部材５に対して離間している。すなわち、蓋体３２と原子セルユニット２および支持部材５との間には、空間が設けられている。これにより、かかる空間が断熱層として機能し、原子セルユニット２とパッケージ３の外部との間の熱干渉を低減することができる。
【００７６】
基体３１は、支持部材５を介して原子セルユニット２を支持している。
また、基体３１は、例えば配線基板であり、基体３１の下面には、複数の端子３４が設けられている。この複数の端子３４は、図示しない配線を介して、前述した光源２２１および基板２８等がそれぞれ電気的に接続されている。
【００７７】
この基体３１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等を用いることができるが、セラミック材料を用いることが好ましい。これにより、配線基板を構成する基体３１を実現しながら、内部空間Ｓ１の気密性を優れたものとすることができる。
【００７８】
このような基体３１には、蓋体３２が接合されている。基体３１と蓋体３２との接合方法としては、特に限定されないが、例えば、ろう接、シーム溶接、エネルギー線溶接（レーザー溶接、電子線溶接等）等を用いることができる。なお、基体３１と蓋体３２との間には、これらを接合するための接合部材が介在していてもよい。
【００７９】
また、基体３１と蓋体３２とは気密的に接合されているのが好ましい。すなわち、パッケージ３内が気密空間であることが好ましい。これにより、パッケージ３内を減圧状態とすることができ、その結果、原子発振器１の特性を向上させることができる。
【００８０】
特に、パッケージ３内は、減圧状態（真空）であることが好ましい。これにより、パッケージ３内の空間を介した熱の伝達を抑制することができる。そのため、接続部材２９とパッケージ３の外部との間の熱干渉を抑制することができる。また、原子セルユニット２とパッケージ３の外部との間の熱の伝達をより効果的に抑制することができる。また、前述したヒーター２５を用いて原子セル２１の温度を所定温度に維持するにあたって、ヒーター２５の消費電力を小さくすることができる。
【００８１】
このような蓋体３２の構成材料としては、特に限定されず、例えば、樹脂材料、セラミックス材料、金属材料等を用いることができるが、コバール、４２アロイ、ステンレス等の金属材料を用いることが好ましい。これにより、磁気シールド性を有する蓋体３２を実現しながら、内部空間Ｓ１の気密性を優れたものとすることができる。また、コイル２７をパッケージ３の外部に配置する場合は、蓋体３２の構成材料としてはＳＵＳ３０４等の非磁性材料を用いることができる。これにより、内部空間Ｓ１の容積を小さくすることができるので、内部空間Ｓ１の気密性を優れたものとすることができたり、ヒーター２５の消費電力を少なくすることができる。
【００８２】
［支持部材］
支持部材５は、パッケージ３内に収納されており、パッケージ３（より具体的にはパッケージ３の一部を構成している基体３１）に対して原子セルユニット２を支持する機能を有する。
【００８３】
また、支持部材５は、原子セルユニット２とパッケージ３の外部との間の熱の伝達を抑制する機能を有する。これにより、原子セルユニット２の各部と外部との間の熱干渉を抑制することができる。
【００８４】
この支持部材５は、図４に示すように、基体３１の上面側に立設された複数の脚部５１と、複数の脚部５１の上端部に接続され、厚さ方向に貫通した複数の孔を有する板状の連結部５２と、連結部５２の上面側に立設され、基板２８に接続された複数の柱部５３と、を有する。
【００８５】
このように構成された支持部材５では、原子セルユニット２からの熱が、柱部５３、連結部５２および脚部５１をこの順に通って、基体３１へ伝達される。これにより、支持部材５を介した原子セルユニット２から基体３１への熱の伝達経路を長くすることができる。そのため、原子セルユニット２とパッケージ３の外部との間の熱の伝達をより低減することができる。
【００８６】
また、支持部材５の構成材料としては、熱伝導性が比較的低く、かつ、支持部材５が原子セルユニット２を支持する剛性を確保し得る材料であれば、特に限定されないが、例えば、樹脂材料、セラミックス材料等の非金属を用いることが好ましく、樹脂材料を用いることがより好ましい。支持部材５を主として樹脂材料で構成した場合、支持部材５の熱抵抗を高くすることができ、また、支持部材５の形状が複雑であっても、例えば射出成型等の公知の方法を用いて、支持部材５を容易に製造することができる。特に、支持部材５を主として樹脂材料で構成した場合、熱抵抗が大きい発泡体で構成された支持部材５を容易に形成することができる。
【００８７】
また、支持部材５の構成材料としては、コイル２７からの磁場を阻害しないよう、非磁性の材料を用いることが好ましい。
【００８８】
このような支持部材５によれば、原子セルユニット２と基体３１との間に配置されているため、原子セルユニット２と外部との間の熱伝達を低減し、原子セル２１や光源２２１等の温度制御を高精度に行うことができる。
【００８９】
［コイル］
図１に示すコイル２７は、原子セル２１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２１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。
【００９０】
本実施形態では、コイル２７は、ソレノイド型を構成するように原子セル２１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る。なお、コイル２７は、ヘルムホルツ型を構成するように原子セル２１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。
【００９１】
また、コイル２７が発生する磁場は、直流磁場または交流磁場のいずれかの磁場であってもよいし、直流磁場と交流磁場とを重畳させた磁場であってもよい。
【００９２】
［制御部］
図１に示す制御部６は、ヒーター２５、コイル２７および光出射部２２をそれぞれ制御する機能を有する。
【００９３】
このような制御部６は、光源２２１の共鳴光１、２の周波数を制御する励起光制御部６１と、原子セル２１中のアルカリ金属の温度を制御する温度制御部６２と、原子セル２１に印加する磁場を制御する磁場制御部６３と、を有する。
【００９４】
励起光制御部６１は、前述した光検出部２４の検出結果に基づいて、光源２２１から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。より具体的には、励起光制御部６１は、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２２１から出射される共鳴光１、２の周波数を制御する。また、励起光制御部６１は、光出射部２２から出射される共鳴光１、２の中心周波数を制御する。
【００９５】
ここで、励起光制御部６１は、図示しないが、電圧制御型水晶発振器（発振回路）を備えており、その電圧制御型水晶発振器の発振周波数を光検出部２４の検知結果に基づいて同期・調整しながら、その電圧制御型水晶発振器の出力信号を原子発振器１の出力信号として出力する。
【００９６】
例えば、励起光制御部６１は、図示しないが、この電圧制御型水晶発振器からの出力信号を周波数逓倍する逓倍器を備えており、この逓倍器により逓倍された信号（高周波信号）を直流バイアス電流に重畳して駆動信号として光源２２１に入力する。これにより、光検出部２４でＥＩＴ信号が検出されるように電圧制御型水晶発振器を制御することで、電圧制御型水晶発振器から所望の周波数の信号が出力されることとなる。この逓倍器の逓倍率は、例えば、原子発振器１からの出力信号の所望の周波数をｆとしたとき、ω０／（２×ｆ）である。これにより、電圧制御型水晶発振器の発振周波数がｆであるとき、逓倍器からの信号を用いて半導体レーザー等の発光素子で構成された光源２２１を変調して、周波数差（ω１−ω２）がω０となる２つの光を出射させることができる。
【００９７】
また、温度制御部６２は、温度センサー２６の検出結果に基づいて、ヒーター２５への通電を制御する。これにより、原子セル２１を所望の温度範囲内に維持することができる。
【００９８】
また、磁場制御部６３は、コイル２７が発生する磁場が一定となるように、コイル２７への通電を制御する。
【００９９】
このような制御部６は、例えば、パッケージ３が実装される基板上に実装されたＩＣチップに設けられている。なお、制御部６がパッケージ３内（例えば基体３１上）に設けられていてもよい。
以上、原子発振器１の概要について説明した。
【０１００】
次に、図５および図６を参照しつつ、光学系４について詳述する。
図５は、図４に示す光源、光学系、原子セルおよび光検出部を示す模式的断面図である。図６は、図５に示す光学素子によって拡大された光の断面強度分布を模式的に示す図である。なお、以下では、説明の便宜上、図５中の上側を「上」、下側を「下」という。
【０１０１】
［光学系］
図５に示すように、光学系４は、光源２２１と原子セル２１との間における励起光ＬＬの光路上に設けられている。この光学系４は、前述したように、光学素子４１、遮光部材４２および光学部品４３、４４を有する。
【０１０２】
（光学素子）
図５に示す光学素子４１は、凹レンズである。
【０１０３】
ここで、光源２２１から出射された励起光ＬＬは、所定の放射角θ１をもって拡がって出射される。この励起光ＬＬの放射角θ１を拡げるために光学素子４１を設けている。すなわち、光学素子４１は、光源２２１から出射された励起光ＬＬの放射角θ１をそれより大きい放射角θ２に拡大する機能を有する。これにより、原子セル２１に入射する励起光ＬＬの光径を大きくすることができる。そのため、原子セル２１内においてアルカリ金属と励起光ＬＬとが相互作用する領域を大きくすることができ、光検出部２４で検出されるＥＩＴ信号の強度を高めることができる。その結果、短期周波数特性を向上させることができ、発振特性を向上させることができる。ここで、前記「放射角」とは、励起光ＬＬの、励起光ＬＬの径の光軸ａを中心軸とした拡がり角度を示す。前記「励起光ＬＬの径」とは、励起光ＬＬの断面強度分布における光強度がピーク値の１／ｅ2である位置の径（幅）を示す。
【０１０４】
また、本実施形態では、光学素子４１として、凹レンズを用いているため、簡単な構成で、放射角θ１をそれよりも大きい放射角θ２に拡大することができる。また、凹レンズを用いることで、光源２２１として例えば半導体レーザー等の指向性の高い光を出射するレーザーを用いた場合に、その指向性を保ちつつ放射角θ１を拡大することができる。そのため、ＥＩＴ信号の線幅を小さくしつつ、ＥＩＴ信号の強度を高めることができる。その結果、短期周波数特性を向上させることができ、発振特性をより向上させることができる。なお、本実施形態において、光学素子４１のレンズパワーは、ｘ軸方向およびｙ軸方向で等しく構成されているが、ｘ軸方向およびｙ軸方向で異なっていてもよい。
【０１０５】
特に、本実施形態では、光学素子４１として非球面の凹レンズを用いることが好ましい。これにより、球面収差を小さくすることができ、その結果、ＥＩＴ信号の線幅をより小さくすることができる。
【０１０６】
また、光学素子４１は、θ２／θ１が、２以上になるよう構成されていることが好ましく、３以上９以下になるよう構成されていることがより好ましく、４．５以上６．０以下になるよう構成されていることがさらに好ましい。これにより、比較的簡単な構成で、光径が十分に大きい励起光ＬＬを原子セル２１内に入射させることができる。
【０１０７】
具体的には、放射角θ２は、４０°以上であるのが好ましく、６０°以上１８０°以下であることがより好ましく、９０°以上１２０°以下であることがさらに好ましい。これにより、比較的簡単な構成で、光径が十分に大きい励起光ＬＬを原子セル２１内に入射させることができる。また、同様の観点から、原子セル２１の入射面である光透過部２１２の外表面における励起光ＬＬのビーム径は、幅Ｗ１よりも小さいことが好ましく、かつ、原子セル２１の出射面である光透過部２１３の外表面における励起光ＬＬのビーム径は、幅Ｗ１よりも大きいことが好ましい。さらには、原子セル２１の入射面である光透過部２１２の外表面における励起光ＬＬのビーム径は、幅Ｗ１よりも大きいことがより好ましく、かつ、原子セル２１の出射面である光透過部２１３の外表面における励起光ＬＬのビーム径は、幅Ｗ１よりも大きいことがより好ましい。なお、前記「励起光ＬＬのビーム径」とは、光学素子４１を介して放射角θ２に拡大された励起光ＬＬであって、後述する遮光部材４２がない場合のビーム径（ビーム直径）のことを言う。また、放射角θ１は、光源２２１の構成等にもよるが、例えばＶＣＳＥＬを用いた場合、放射角θ１は、２０°程度である。
【０１０８】
このような光学素子４１の構成材料としては、励起光ＬＬを透過する機能を有するものであれば、特に限定されず、例えば、樹脂材料、ガラス材料等を用いることができる。なお、本実施形態では、凹レンズの凹面が原子セル２１側を向くよう配置されているが、凹面が光源２２１側を向くよう配置されていてもよい。また、両凹面を有する両凹レンズ等を用いてもよい。
【０１０９】
また、光学素子４１の厚さは、特に限定されないが、例えば０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下である。このような厚さであれば、光源２２１と原子セル２１との間の距離Ｌ２が過度に大きくなることを防ぎつつ、励起光ＬＬの放射角θ１を十分に拡げることができる。
【０１１０】
（遮光部材）
遮光部材４２は、遮光性を有する膜状の部材であり、光学部品４３の光学素子４１側の面に設けられている。
【０１１１】
遮光部材４２は、励起光ＬＬの一部を通過させる開口４２１を有し、開口４２１を除く部分は遮光性を有する。開口４２１は、光源２２１側から見て円形をなし、遮光部材４２は、励起光ＬＬの中央部が開口４２１を通過するように配置されている。これにより、光学素子４１によって拡大された励起光ＬＬの一部である中央部が開口４２１を通過し、励起光ＬＬの残りの部分である外周部が遮光部材４２よって遮光される。このようにして、遮光部材４２によって、励起光ＬＬの光径が調節される。
【０１１２】
ここで、図６に示すように、本実施形態では、励起光ＬＬの断面強度分布は、ガウス分布をなす。図６では、破線で示す分布Ｎ２が、光源２２１から出射された励起光ＬＬの断面強度分布を示し、実線で示す分布Ｎ１が、光学素子４１によって拡大された励起光ＬＬの断面強度分布を示す。また、図６では、横軸が、０（零）を光軸ａとした励起光ＬＬの径（幅）を示し、縦軸が、ピーク強度（頂点）を１として規格化した光強度を示している。
【０１１３】
図６を見て分かるように、前述した光学素子４１によれば、励起光ＬＬが拡大され、励起光ＬＬの光径が大きくなっている。また、励起光ＬＬの中央部は、励起光ＬＬの外周部よりも、エネルギー密度の変化が小さい。そして、分布Ｎ２を見て分かるように、光学素子４１によって励起光ＬＬの光径が拡大されることで、励起光ＬＬの中央部のエネルギー密度の変化をより小さくすることができる。したがって、励起光ＬＬを拡大する光学素子４１と、光学素子４１と原子セル２１との間に設けられ、光学素子４１によって拡大された励起光ＬＬの一部である光強度の低い外周部を遮光する遮光部材４２と、を有することで、エネルギー密度の変化が小さい励起光ＬＬを原子セル２１内に入射させることができる。このため、シュタルクシフトによって、ＥＩＴ信号の線幅が増大したり、ＥＩＴ信号の形状が非対称になったりすることを緩和することができる。
【０１１４】
また、遮光部材４２の構成材料は、開口４２１を除く部分が遮光性を有するものであれば、特に限定されず、例えば、樹脂材料、金属材料等を用いることができる。また、遮光部材４２は、光学部品４３上に公知の成膜法を用いて形成することができる。
【０１１５】
また、遮光部材４２は、励起光ＬＬを吸収する機能を有していることが好ましい。これにより、原子セル２１内に入射しない励起光ＬＬにより、検出されるＥＩＴ信号に悪影響が生じることを低減することができる。励起光ＬＬを吸収する機能を遮光部材４２に付与するには、例えば、遮光部材４２を黒色または暗色にすることが挙げられる。
【０１１６】
また、遮光部材４２の開口４２１の径（幅）は、原子セル２１の内壁面の幅Ｗ１よりも小さい。これにより、励起光ＬＬが原子セル２１内において胴体部２１１に当たることを防止または低減することができる。その結果、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。
【０１１７】
（光学部品）
光学部品４３は、減光フィルター（ＮＤフィルター）である。これにより、原子セル２１に入射する励起光ＬＬの強度を調整（減少）させることができる。そのため、光源２２１の出力が大きい場合でも、原子セル２１に入射する励起光ＬＬを所望の光量とすることができる。
【０１１８】
光学部品４４は、１／４波長板である。これにより、光源２２１からの励起光ＬＬを直線偏光から円偏光（右円偏光または左円偏光）に変換することができる。円偏光をした励起光ＬＬを用いることにより、所望のＥＩＴ現象を発現する原子数を増大させ、所望のＥＩＴ信号の強度を大きくすることができる。その結果、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
【０１１９】
また、１／４波長板である光学部品４４や前述した減光フィルターである光学部品４４等の光学部品を配置する場合には、本実施形態のように、原子セル２１と光学素子４１との間に設けることが好ましい。これにより、原子セル２１と光学素子４１との間に１／４波長板である光学部品４４を設けることで、原子セル２１と光学素子４１との間にスペースを設ける必要があっても、そのスペースを有効利用することができる。
【０１２０】
なお、光学系４は、光学素子４１、遮光部材４２、光学部品４３、４４の他に、これら以外のレンズ、偏光板等の他の光学部品を有していてもよい。また、光源２２１からの励起光の強度によっては、光学部品４３を省略することができる。
【０１２１】
以上説明したような本発明の量子干渉装置の一種である原子発振器１は、前述したように、アルカリ金属原子が封入されている原子セル２１と、原子セル２１内のアルカリ金属原子を励起する励起光ＬＬを出射する光源２２１と、原子セル２１を透過した励起光ＬＬを検出する光検出部２４と、光学素子４１とを有する。そして、光学素子４１は、光源２２１と原子セル２１との間に配置され、光源２２１から出射された励起光ＬＬの放射角θ１を拡大する機能を有する。このような原子発振器１によれば、光学素子４１によって、放射角θ１の励起光ＬＬを放射角θ１よりも大きい放射角θ２に拡大することができるので、光源２２１と原子セル２１との間の距離を従来よりも短くしても、光径の大きい励起光ＬＬを原子セル２１内に入射させることができる。そのため、アルカリ金属と励起光ＬＬとが相互作用する領域を大きくすることができ、光検出部２４で検出されるＥＩＴ信号の強度を高めることができる。その結果、光源２２１と原子セル２１との間の距離を従来よりも短くしても、短期周波数特性を向上させることができる。したがって、原子発振器１によれば、小型で、優れた発振特性を発揮することができる。
【０１２２】
このような効果を顕著に発揮するためには、光源２２１の発光面２２２と原子セル２１との間の距離をＬ２としたとき、Ｌ２／Ｌ１は、０．０３以上２．０以下であるのが好ましく、０．０３以上１．０以下であるのがより好ましい。また、具体的には、距離Ｌ２としては、０．３ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．３ｍｍ以上１．８ｍｍ以下であることがより好ましく、０．３ｍｍ以上１．６ｍｍ以下であることがさらに好ましい。これにより、原子発振器１の大型化を防ぎつつ、励起光ＬＬの放射角θ１を十分に拡げることができる。
【０１２３】
また、前述したように、光学素子４１によって拡大された励起光ＬＬの放射角θ２は、４０°以上であることが好ましい。また、光源２２１から出射された励起光ＬＬ、すなわち、光学素子４１によって拡大された励起光ＬＬのスペクトル線幅は、１００ＭＨｚ以下であることが好ましい。このような放射角θ２とスペクトル線幅とを有することで、光学素子４１によって拡大された励起光ＬＬがアルカリ金属原子と相互作用する領域を十分に大きくすることができるとともに、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。このため、発振特性をより向上させることができる。
【０１２４】
また、前述したように、本実施形態では、光源２２１を支持する基板２８を有し、基板２８の光源２２１が設けられている側に光学素子４１が設けられている。すなわち、支持部である基板２８と光学素子４１との間に光源２２１が設けられている。これにより、基板２８を光源２２１および光学素子４１の互いの相対位置を設定する位置決め部材として用いることができる。そのため、光軸ａ方向（光学素子４１と光源２２１との並び方向と交差する方向）における光学素子４１および光源２２１の位置決めを容易に行うことができる。その結果、原子セル２１に対して光学素子４１および光源２２１を容易かつ正確に配置することができる。
【０１２５】
＜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。
【０１２６】
図７は、本発明の第２実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器が有する光源、光学系、原子セルおよび光検出部を示す模式的断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図７中の上側を「上」、下側を「下」という。
【０１２７】
本実施形態の原子発振器は、光学素子が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１２８】
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７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。
【０１２９】
図７に示すように、本実施形態の原子発振器１Ａが有する光学系４Ａは、フレネルレンズである光学素子４１Ａと遮光部材４２と光学部品４３、４４とを有する。
【０１３０】
光学素子４１Ａがフレネルレンズであることにより、光学素子４１Ａの厚さをより薄くすることができるとともに、励起光ＬＬの放射角θ１を拡大することができる。このため、原子発振器１Ａをより小型にすることができる。また、光源２２１として、例えば半導体レーザー等の指向性の高い光を出射するレーザーを用いた場合に、その指向性を保ちつつ放射角θ１を拡大することができる。そのため、ＥＩＴ信号の線幅を小さくしつつ、ＥＩＴ信号の強度を高めることができる。その結果、短期周波数特性を向上させることができ、発振特性をより向上させることができる。
【０１３１】
このような原子発振器１Ａによっても、第１実施形態と同様に、小型で、優れた発振特性を発揮することができる。
【０１３２】
＜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。
【０１３３】
図８は、本発明の第３実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器が有する光源、光学系、原子セルおよび光検出部を示す模式的断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図８中の上側を「上」、下側を「下」という。
【０１３４】
本実施形態の原子発振器は、光学素子が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１３５】
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８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。
【０１３６】
図８に示すように、本実施形態の原子発振器１Ｂが有する光学系４Ｂは、光拡散板である光学素子４１Ｂと遮光部材４２と光学部品４３、４４とを有する。
【０１３７】
ここで、光拡散板とは、透光性を有する部材に励起光ＬＬを拡散させる機能を付与した板状部材である。なお、光拡散板は、板状に限定されず、シート状またはフィルム状等であってもよい。
【０１３８】
光学素子４１Ｂが光拡散板であることにより、光学素子４１Ｂの厚さをより薄くすることができるとともに、励起光ＬＬの放射角θ１を拡大することができる。このため、原子セル２１に対して光学素子４１Ｂをより近づけることができる。このようなことから、原子発振器１Ｂをより小型にすることができる。
【０１３９】
また、特に、光学素子４１Ｂとしては、光拡散板のなかでもレンズ拡散板（ＬＳＤ：Light Shaping Diffuser）を用いることが好ましい。レンズ拡散板の表面には、微小でランダムなレンズアレイが形成されており、放射角θ２を自由に設計することが可能である。これにより、放射角θ２を９０°以上、もしくは、原子セル２１の内部空間Ｓの幅Ｗ１よりも励起光ＬＬの径（幅）を大きくすることができる。そのため、エネルギー密度の変化がより小さい励起光ＬＬを原子セル２１内に入射させることができる。
【０１４０】
このような原子発振器１Ｂによっても、第１実施形態と同様に、小型で、優れた発振特性を発揮することができる。
【０１４１】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。
【０１４２】
図９は、本発明の第４実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器が有する原子セルユニットの概略構成を示す断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図９中の上側を「上」、下側を「下」という。
【０１４３】
本実施形態の原子発振器は、さらに遮光部材を設けたこと以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１４４】
なお、以下の説明では、第４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。
【０１４５】
図９に示すように、本実施形態の原子発振器１Ｃが有する原子セルユニット２Ｃは、遮光部材４５を有している。
【０１４６】
遮光部材４５は、原子セル２１が有する胴体部２１１の外表面に設けられている。また、遮光部材４５は、原子セル２１が有する光透過部２１３の外表面のうち励起光ＬＬの通過領域を除く部分にも設けられている。
【０１４７】
遮光部材４５は、遮光部材４２と同様に、膜状をなす。また、遮光部材４５の構成材料は、遮光性を有するものであれば特に限定されず、例えば、樹脂材料、金属材料等を用いることができる。また、遮光部材４５は、胴体部２１１および光透過部２１３上に公知の成膜法を用いて形成することができる。また、遮光部材４５は、励起光ＬＬを吸収する機能を有していることが好ましい。これにより、原子セル２１内に入射した励起光ＬＬのうちの不要な励起光ＬＬにより、ＥＩＴ信号に悪影響が生じることを低減することができる。励起光ＬＬを吸収する機能を遮光部材４５に付与するには、例えば、遮光部材４５を黒色または暗色にすることが挙げられる。
【０１４８】
このような遮光部材４５を有することで、原子セル２１内に入射した励起光ＬＬのうちの不要な励起光ＬＬにより、ＥＩＴ信号に悪影響が生じることを低減することができる。その結果、ＥＩＴ信号の線幅を小さくすることができる。なお、本実施形態では、第１実施形態における遮光部材４２を省略しているが、第１実施形態と同様に遮光部材４２を有していてもよい。
【０１４９】
このような原子発振器１Ｃによっても、第１実施形態と同様に、小型で、優れた発振特性を発揮することができる。
【０１５０】
＜第５実施形態＞
次に、本発明の第５実施形態について説明する。
【０１５１】
図１０は、本発明の第５実施形態に係る量子干渉装置を備えた原子発振器の概略構成を示す断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１０中の上側を「上」、下側を「下」という。
【０１５２】
本実施形態の原子発振器は、原子セルユニットおよび支持部材の構成が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１５３】
なお、以下の説明では、第５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。
【０１５４】
図１０に示すように、本実施形態の原子発振器１Ｄは、パッケージ３と、原子セルユニット２Ｄと、原子セルユニット２Ｄをパッケージ３に対して支持する支持部材８と、を備えている。
【０１５５】
〈原子セルユニット〉
原子セルユニット２Ｄは、原子セル２１と、光源２２１を有する光出射部２２と、光学系４と、光検出部２４と、スペーサー２０とを含み、これらがユニット化されている。なお、図示しないが、原子セルユニット２Ｄの任意の箇所、例えば、スペーサー２０上に、ヒーターおよび温度センサーが設けられている。
【０１５６】
［スペーサー］
スペーサー２０は、支持部としての基板２０１と、基板２０１の外周部に立設された枠部２０２とを有する。また、枠部２０２の上端部には、光学系４が有する遮光部材４２および光学部品４３、４４が設けられている。このようにしてスペーサー２０の上方が遮光部材４２および光学部品４３、４４によって遮閉されることで、空間Ｓ２が形成されている。この空間Ｓ２には光学素子４１が配置されている。
【０１５７】
また、光学部品４４上には原子セル２１が接続され、原子セル２１の上面には光検出部２４が図示しない接着材を介して接続されている。
【０１５８】
また、基板２０１は、その中央部に厚さ方向に貫通する孔２０３を有している。
基板２０１の下面には、孔２０３の下側の開口を塞ぐようにして光源２２１が設けられている。光源２２１は、発光面２２２が基板２０１側を向くようにして基板２０１に取り付けられている。これにより、励起光ＬＬが孔２０３を通って原子セル２１に向かって出射される。
【０１５９】
一方、基板２０１の上面には、孔２０３の上側の開口を塞ぐようにして光学素子４１が取り付けられている。
【０１６０】
このように、基板２０１の上面に光学素子４１が配置され、基板２０１の下面に光源２２１が配置されている。すなわち、基板２０１は、光源２２１と光学素子４１との間に設けられ、光源２２１および光学素子４１を支持する支持部として機能している。これにより、基板２０１を光学素子４１と光源２２１との間の距離を設定するスペーサーとして用いることができる。このため、光学素子４１と光源２２１との並び方向における光学素子４１および光源２２１の相対的な位置関係を容易に設定することができる。その結果、原子セル２１に対して、光学素子４１および光源２２１を容易かつ正確に配置することができる。
【０１６１】
また、基板２０１は、光源２２１に電気的に接続される配線（図示せず）を有している。
【０１６２】
〈支持部材〉
支持部材８は、枠体８１１と、２つのシート部材８１２、８１３と、脚部８２とを有する。
【０１６３】
枠体８１１は、筒状をなし、原子セルユニット２に対して離間して設けられ、原子セルユニット２の外周を囲っている。
【０１６４】
複数のシート部材８１２、８１３は、それぞれ、例えばフレキシブル配線基板である。シート部材８１２は、その中央部が光源２２１に接続され、外周部が枠体８１１に接続されている。一方、シート部材８１３は、その中央部が光検出部２４に接続され、外周部が枠体８１１に接続されている。
【０１６５】
複数の脚部８２は、枠体８１１の下端部に接続されており、枠体８１１を基体３１に対して支持している。
【０１６６】
また、光源２２１は、シート部材８１２に電気的に接続され、光検出部２４は、シート部材８１３に電気的に接続されている。また、シート部材８１２、８１３は、基体３１に図示しない配線を介して電気的に接続されている。
【０１６７】
このような原子発振器１Ｄによっても、第１実施形態と同様に、小型で、優れた発振特性を発揮することができる。
【０１６８】
なお、原子発振器１Ｄでは、基板２０１の上面に光学素子４１を配置した構成について説明したが、光学素子４１と基板２０１とが同一材料で、一体で形成されていてもよい。
【０１６９】
２．電子機器
以上説明したような本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器は、各種電子機器に組み込むことができる。
【０１７０】
以下、本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器を備える電子機器の一例について説明する。
【０１７１】
図１１は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
このような電子機器の一例である受信装置３０２は、本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器１を備えているので、優れた信頼性を発揮することができる。
【０１７７】
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、携帯電話基地局等に適用することができる。
【０１７８】
３．移動体
また、前述したような本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器は、各種移動体に組み込むことができる。
【０１７９】
以下、本発明の移動体の一例について説明する。
図１２は、本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器を備える移動体（自動車）の構成を示す斜視図である。
【０１８０】
図１２に示す移動体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。そして、原子発振器１からの発振信号に基づいて、例えば、図示しない制御部が動力源の駆動を制御する。
【０１８１】
このような移動体は、本発明の量子干渉装置を備えた原子発振器１を備えているので、優れた信頼性を発揮することができる。
【０１８２】
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く、例えば、前述した実施形態の各部の構成は、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。
【０１８３】
また、前述した実施形態では、本発明の量子干渉装置は、電磁誘起透明化現象（ＥＩＴ）を利用した原子発振器を例に説明したが、本発明の量子干渉装置はこれに限定されず、例えば、二重共鳴法を利用した原子発振器、水晶発振器以外の発振器等に適用することも可能である。
【符号の説明】
【０１８４】
１…原子発振器、１Ａ…原子発振器、１Ｂ…原子発振器、１Ｃ…原子発振器、１Ｄ…原子発振器、２…原子セルユニット、２Ｃ…原子セルユニット、２Ｄ…原子セルユニット、３…パッケージ、４…光学系、４Ａ…光学系、４Ｂ…光学系、５…支持部材、６…制御部、８…支持部材、２０…スペーサー、２１…原子セル、２２…光出射部、２４…光検出部、２５…ヒーター、２６…温度センサー、２７…コイル、２８…基板、２９…接続部材、３０…接着剤、３１…基体、３２…蓋体、３４…端子、４１…光学素子、４１Ａ…光学素子、４１Ｂ…光学素子、４２…遮光部材、４３…光学部品、４４…光学部品、４５…遮光部材、５１…脚部、５２…連結部、５３…柱部、６１…励起光制御部、６２…温度制御部、６３…磁場制御部、８２…脚部、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ衛星、２０１…基板、２０２…枠部、２０３…孔、２１１…胴体部、２１２…光透過部、２１３…光透過部、２１４…貫通孔、２２１…光源、２２２…発光面、２９１…接続部材、２９２…接続部材、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、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…開口、８１１…枠体、８１２…シート部材、８１３…シート部材、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、Ｌ２…距離、ＬＬ…励起光、Ｎ１…分布、Ｎ２…分布、Ｓ…内部空間、Ｓ１…内部空間、Ｓ２…空間、ａ…光軸、θ１…放射角、θ２…放射角、Ｗ１…幅、Ｌ１…長さ、Ｌ２…距離
【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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