(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、
バイアス電流に変調電流を重畳した電流が入力されることにより、前記バイアス電流に応じた中心周波数の光と、前記変調電流の周波数に応じて前記中心周波数からずれた周波数で、互いに周波数が異なる第１光および第２光を前記アルカリ金属原子に対して照射する光源部と、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、
前記変調電流の周波数を変更することによって、前記第１光および前記第２光と前記アルカリ金属原子との相互作用による電磁誘起透過現象をラムゼー共鳴させるように、前記第１光の周波数および前記第２光の周波数を、前記電磁誘起透過現象を生じさせる周波数と前記電磁誘起透過現象を生じさせない周波数とに交互に切り換える周波数変更部と、
前記光検出部の検出結果に基づいて前記ラムゼー共鳴を検出するラムゼー共鳴検出部と、を備えることを特徴とする、量子干渉装置。
【請求項２】
前記光検出部の検出結果に基づく変調信号を出力する変調回路と、
前記変調信号を分周して出力する分周器と、
前記分周器の出力を逓倍して前記変調電流を生成する位相同期回路と、を備え、
前記周波数変更部は、前記分周器の分周比を変更することにより、前記変調電流の周波数を変更する、請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項３】
前記光検出部の検出結果に基づく変調信号を出力する変調回路と、
前記変調信号を逓倍して前記変調電流を生成する位相同期回路と、を備え、
前記周波数変更部は、前記位相同期回路の逓倍比を変更することにより、前記変調電流の周波数を変更する、請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項４】
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を備えることを特徴とする原子発振器。
【請求項５】
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】
かかる原子発振器として、例えば、量子干渉効果の一つであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ＣＰＴ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、アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セル（原子セル）と、アルカリ金属セルにレーザー光を照射する光源と、アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を備えている。このような原子発振器は、光源からアルカリ金属原子に異なる２種類の波長を有するレーザー光を照射すると、レーザー光がアルカリ金属に吸収されずに透過する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象を利用している。そして、かかる発振器では、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】
また、特許文献１に記載の原子発振器では、光源から出射されるレーザー光をＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator：音響光学素子）によりパルス化し、時間間隔を空けてレーザー光をアルカリ金属原子に照射することにより、ラムゼー共鳴を生じさせている。このようにラムゼー共鳴を生じさせることで、共鳴線幅を狭帯域化させることができ、よって、ＥＩＴ信号を高い精度で検出できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−４９８８６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に記載の原子発振器では、ＡＯＭ等の光学素子を用いてレーザー光をパルス化しているため、かかる光学素子を光源とアルカリ金属セルとの間に配置しなければならず、その結果、原子発振器が大型になるという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を有する量子干渉装置、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、アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
互いに周波数が異なる第１光および第２光を前記アルカリ金属原子に対して照射する光源部と、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、
前記第１光および前記第２光が前記アルカリ金属原子との相互作用による電磁誘起透過現象をラムゼー共鳴させるように、前記第１光および前記第２光の少なくとも一方の周波数を、前記電磁誘起透過現象を生じさせる周波数と生じさせない周波数とに交互に切り換えて変更する周波数変更部と、
前記光検出部の検出結果に基づいて前記ラムゼー共鳴を検出するラムゼー共鳴検出部と、を備えることを特徴とする量子干渉装置。
【００１０】
このような量子干渉装置によれば、光をパルス化する光学素子等を原子セルと光源部との間に配置しなくても、第１光および第２光の少なくとも一方の周波数を変更することで、電磁誘起透過現象のラムゼー共鳴を生じさせることができる。そのため、大型化を低減しつつ、ＥＩＴ信号を用いた高精度な発振特性を有する量子干渉装置を実現することができる。
【００１１】
本発明の量子干渉装置では、前記光源部は、バイアス電流に変調電流を重畳した電流が入力されることにより、前記バイアス電流に応じた中心周波数の光と、前記中心周波数から前記変調電流の周波数に応じてずれた周波数の前記第１光および前記第２光と、を出射することが好ましい。
【００１２】
これにより、光源部を１つの発光素子で構成することができる。そのため、光源部の小型化、ひいては、量子干渉装置の小型化を図ることができる。
【００１３】
本発明の量子干渉装置では、前記周波数変更部は、前記バイアス電流の電流値を変更することにより、前記中心周波数の変更に伴って前記第１光および前記第２光の各周波数を変更することが好ましい。
【００１４】
これにより、バイアス電流の電流値を変更する機能を追加するという比較的簡単な構成で周波数変更部を実現することができる。また、このような機能は、量子干渉装置の大型化を招くことなく既存の回路部に追加可能である。
【００１５】
本発明の量子干渉装置では、前記光源部の温度を調節する温度調節部を備え、
前記周波数変更部は、前記温度調節部を制御することにより、前記中心周波数の変更に伴って前記第１光および前記第２光の各周波数を変更することが好ましい。
【００１６】
これにより、既存の温度調整部の設定温度を調整する機能を追加するという比較的簡単な構成で周波数変更部を実現することができる。また、このような機能は、量子干渉装置の大型化を招くことなく既存の回路部に追加可能である。
【００１７】
本発明の量子干渉装置では、前記周波数変更部は、前記変調電流の周波数を変更することにより、前記第１光および前記第２光の各周波数を変更することが好ましい。
【００１８】
これにより、変調電流の電流値を変更する機能を追加するという比較的簡単な構成で周波数変更部を実現することができる。また、このような機能は、量子干渉装置の大型化を招くことなく既存の回路部に追加可能である。
【００１９】
本発明の量子干渉装置では、前記光検出部の検出結果に基づく変調信号を出力する変調回路と、
前記変調信号を分周して出力する分周器と、
前記分周器の出力を逓倍して前記変調電流を生成する位相同期回路と、を備え、
前記周波数変更部は、前記分周器の分周比を変更することにより、前記第１光および前記第２光の各周波数を変更することが好ましい。
【００２０】
これにより、比較的簡単な構成で、第１光および前記第２光の各周波数を変更することができる。
【００２１】
本発明の量子干渉装置では、前記光検出部の検出結果に基づく変調信号を出力する変調回路と、
前記変調信号を逓倍して前記変調電流を生成する位相同期回路と、を備え、
前記周波数変更部は、前記位相同期回路の逓倍比を変更することにより、前記第１光および前記第２光の各周波数を変更することが好ましい。
【００２２】
これにより、比較的簡単な構成で、第１光および前記第２光の各周波数を変更することができる。
【００２３】
本発明の量子干渉装置では、アルカリ金属原子が封入されている原子セルと、
互いに周波数が異なる第１光および第２光を前記アルカリ金属原子に対して照射する光源部と、
前記原子セルを透過した光を検出する光検出部と、を備え、
前記第１光および前記第２光の少なくとも一方の周波数を変更することにより、前記アルカリ金属原子と前記第１光および前記第２光との相互作用による電磁誘起透過現象をラムゼー共鳴させることを特徴とする。
【００２４】
このような量子干渉装置によれば、光をパルス化する光学素子等を原子セルと光源部との間に配置しなくても、第１光および第２光の少なくとも一方の周波数を変更することで、電磁誘起透過現象のラムゼー共鳴を生じさせることができる。そのため、大型化を低減しつつ、ＥＩＴ信号を用いた高精度な発振特性を有する量子干渉装置を実現することができる。
【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、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を有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、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を有す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】
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、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を有す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】
【００２８】
【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）の概略構成を示す模式図である。
【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】光源部から出射される第１光および第２光の周波数差と、光検出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に示す原子発振器の一部の回路図である。
【図５】光源部から出射される光の周波数スペクトラムを概略的に示すグラフである。
【図６】ラムゼーフリンジの一例を示すグラフである。
【図７】アルカリ金属の透過スペクトルと光の中心波長の変化量との関係を説明する図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。
【図１０】ＥＩＴ信号と光のサイドバンドの変化量との関係を説明する図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の電子機器の実施形態を示す図である。
【図１３】本発明の移動体の実施形態を示す図である。
【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（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、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実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。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、光源部から出射される第１光および第２光の周波数差と、光検出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は、図１に示す原子発振器の一部の回路図である。図５は、光源部から出射される光の周波数スペクトラムを概略的に示すグラフである。図６は、ラムゼーフリンジの一例を示すグラフである。図７は、アルカリ金属の透過スペクトルと光の中心波長の変化量との関係を説明する図である。
【００３２】
図１に示す原子発振器１は、量子干渉効果の一つであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した発振器であり、周波数精度の高いクロック信号を出力することができる。
【００３３】
図１に示すように、原子発振器１は、量子干渉ユニット２と、量子干渉ユニット２に電気的に接続されている回路部１０とを有する。量子干渉ユニット２は、光を出射する光源２２（光源部）と、例えばルビジウム原子やセシウム原子等のアルカリ金属原子が封入された原子セル２１（ガスセル）と、光検出器２３（光検出部）とを有する。回路部１０は、検波回路３１と、変調回路３２と、低周波発振器３３と、バイアス調整部３４（周波数変更部）と、駆動回路３５と、ラムゼー共鳴検出部４１と、検波回路４２と、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillators）と、変調回路４４、低周波発振器４５、位相同期回路４６（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有する。
【００３４】
この原子発振器１は、アルカリ金属原子に対して波長の異なる２つの共鳴光を同時に照射すると、２つの共鳴光がアルカリ金属に吸収されずに透過する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象を利用している。かかる原子発振器１は、このＥＩＴ現象に伴って発生する急峻な信号であるＥＩＴ信号を用いて、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の出力信号を所定の周波数で安定させる。そして、原子発振器１は、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の出力信号を所望の周波数のクロック信号として出力する。
【００３５】
特に、原子発振器１では、光源２２から出射する光の周波数を互いに異なる２つの周波数間で切り換えて変更して、当該光をアルカリ金属原子に照射することにより、ラムゼー共鳴を生じさせる。これにより、原子発振器１では、ＥＩＴ信号を高い精度で検出でき、よって、高精度な発振特性を発揮することができる。
【００３６】
以下、原子発振器１の各部を順次説明する。
〈量子干渉ユニット〉
図１に示す量子干渉ユニット２は、前述したように、光源２２（光源部）と、原子セル２１（ガスセル）と、光検出器２３（受光部）とを有する。
【００３７】
（光源）
光源２２は、原子セル２１内のアルカリ金属原子を励起させる第１共鳴光および第２共鳴光を含む光を出射する機能を有する。光源２２から出射した光は原子セル２１に入射する。
【００３８】
光源２２としては、前述した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、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の半導体レーザー等を用いることができる。
【００３９】
（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（アルカリ金属原子）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ガス状のアルカリ金属とともに封入されていてもよい。
【００４０】
図２に示すように、アルカリ金属原子は、異なる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。第１基底準位は、第２基底準位よりも低いエネルギー準位である。
【００４１】
ここで、第１基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する周波数ω１を有する共鳴光（第１共鳴光）、および、第２の基底準位と励起準位とのエネルギー差に相当する周波数ω１を有する共鳴光（第１共鳴光）を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると光吸収が起きる。これに対し、第１共鳴光および第２共鳴光（共鳴光対）を同時に照射すると、第１共鳴光および第２共鳴光の双方がアルカリ金属原子に吸収されずに透過する電磁誘起透過（ＥＩＴ）現象が生じる。すなわち、このＥＩＴ現象は、第１共鳴光および第２共鳴光をアルカリ金属原子に同時に照射し、第１共鳴光の周波数ω１と第２共鳴光の周波数ω２との周波数差（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に一致したときに起きる。したがって、図３に示すように、周波数差（ω１−ω２）に応じて第１共鳴光および第２共鳴光のアルカリ金属原子における光吸収率（光透過率）は変化し、周波数差（ω１−ω２）が周波数ω０に一致したときにＥＩＴ現象が起き、アルカリ金属原子を透過した第１共鳴光および第２共鳴光の強度が急峻に上昇する。このような急峻な信号をＥＩＴ信号と呼ぶ。このＥＩＴ信号は、アルカリ金属原子の種類によって決まった固有値をもっている。それゆえ、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】
例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子である場合、エネルギー差ΔＥに相当する周波数ω０は９．１９２６ＧＨｚであるので、セシウム原子に、周波数差（ω１−ω２）が９．１９２６ＧＨｚである２種類の光を同時に照射すると、ＥＩＴ信号が検出される。
【００４３】
以上、原子セル２１について説明したが、原子セル２１は、原子セル２１の温度を検出する温度センサー（図示せず）の検出結果に基づいて駆動されるヒーター（図示せず）により加熱されている。これにより、原子セル２１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。また、原子セル２１の近傍には、例えば、通電によりアルカリ金属に磁場を印加するコイル等を有する磁場発生部（図示せず）が設けられている。この磁場発生部からの磁場によって、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ゼーマン分裂により拡げて、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。
【００４４】
また、上述した光源２２と原子セル２１との間には、波長板、減光フィルター、レンズ、偏光板等の光学部品が配置されていてもよい。
【００４５】
（光検出部）
光検出器２３は、原子セル２１内を透過した光（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）を検出し、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する。
【００４６】
光検出器２３としては、前述した光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、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】
〈回路部〉
図１に示す回路部１０は、前述したように、検波回路３１と、変調回路３２と、低周波発振器３３と、バイアス調整部３４（周波数変更部）と、駆動回路３５と、ラムゼー共鳴検出部４１と、検波回路４２と、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillators）と、変調回路４４、低周波発振器４５、位相同期回路４６（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有する。
【００４８】
検波回路３１は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器３３の出力信号（発振信号）を用いてその周波数で光検出器２３の出力信号を同期検波する。変調回路３２は、検波回路３１による検波を可能とするために、低周波発振器３３の出力信号（発振信号）を変調信号として検波回路３１の出力信号を変調する。そして、変調回路３２の出力信号は、駆動回路３５に出力される。
【００４９】
駆動回路３５は、変調回路３２の出力信号に応じてバイアス電流を微調整して、光源２２に供給するバイアス電流を設定する（光源２２から出射する光の中心波長を設定する）。すなわち、光源２２、原子セル２１、光検出器２３、検波回路３１、変調回路３２および駆動回路３５を通るフィードバックループにより光源２２が出射する光の中心波長λ０が制御（微調整）されることで、中心波長λ０が安定する。
【００５０】
また、駆動回路３５は、バイアス電流に、後述する位相同期回路４６（ＰＬＬ）から出力された変調周波数ｆｍの電流（変調電流）を重畳して光源２２に供給する。例えば、図４に示すように、駆動回路３５は、バイアス電流に変調電流を重畳して光源２２に出力するバイアスティー３５１（高周波部品）等を有する。
【００５１】
図５に示すように、変調電流により、光源２２から出射される光に周波数変調がかかると、バイアス電流に応じた中心周波数ｆ０（中心波長λ０）の光とともに、その両側にサイドバンド光としてそれぞれ周波数がｆｍだけずれた周波数ｆ１（＝ｆ０＋ｆｍ）の第１光と周波数ｆ２（＝ｆ０−ｆｍ）の光とが発生する。このように、光源２２が、バイアス電流に変調電流を重畳した電流が入力されることにより、バイアス電流に応じた中心周波数ｆ０の光と、中心周波数ｆ０から変調電流の変調周波数ｆｍに応じてずれた周波数の第１光および第２光と、を出射することにより、光源２２を１つの発光素子で構成することができる。そのため、光源２２の小型化、ひいては、原子発振器１の小型化を図ることができる。
【００５２】
図１に示すバイアス調整部３４（周波数変更部）は、前述した駆動回路３５で設定するバイアス電流の値（電流値）を所定の時間間隔で互いに異なる２つの電流値に交互に切り換えて変更する。例えば、バイアス電流が２ｍＡであるときにＥＩＴ現象を生じ、バイアス電流が１ｍＡであるときにＥＩＴ現象を実質的に生じない場合、バイアス電流の値を１ｍＡと２ｍＡとの２種類の値に交互に切り換えて変更する。このように、バイアス電流の値を変更することにより、光源２２から出射される光の中心周波数ｆ０が変化し、それに伴って、光源２２から出射される第１光および第２光の各周波数も変化する。特に、バイアス調整部３４は、ＥＩＴ現象をラムゼー共鳴させる時間間隔でバイアス電流の値を切り換えるように構成されている。すなわち、バイアス調整部３４は、第１光および第２光が原子セル２１中のアルカリ金属原子との相互作用によるＥＩＴ現象をラムゼー共鳴させるように、第１光および第２光の周波数を、ＥＩＴ現象を生じさせる周波数（第１周波数）と生じさせない周波数（第２周波数）とに交互に切り換えて変更する「周波数変更部」を構成している。なお、ラムゼー共鳴に関する事項は、後に詳述する。
【００５３】
ラムゼー共鳴検出部４１は、光検出器２３の出力信号を基に電磁誘起透過現象のラムゼー共鳴を検出する。このラムゼー共鳴検出部４１は、前述したバイアス調整部３４と同期しており、例えば、バイアス調整部３４における一方の電流値から他方の電流値の切り換えタイミングをトリガーとして、所定の間隔における光検出器２３からの出力信号を取得する。このラムゼー共鳴検出部４１は、例えば、サンプルホールド回路等で構成される。
【００５４】
検波回路４２は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器４５の発振信号を用いてその周波数で光検出器２３の出力信号を同期検波する。そして、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）は、検波回路４２の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する。
【００５５】
変調回路４４は、検波回路４２による検波を可能とするために、低周波発振器４５の発振信号を変調信号として電圧制御水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の出力信号を変調する。これにより、変調回路４４は、光検出器２３の検出結果に基づく変調信号を出力する。
【００５６】
位相同期回路４６は、一定の周波数変換率（逓倍比）で変調回路４４の出力信号を変換して出力する。これにより、位相同期回路４６は、変調回路４４の出力を逓倍して変調電流を生成する。例えば、位相同期回路４６は、原子セル２１に封入された磁気量子数ｍ＝０のアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差の１／２（セシウム原子の場合は９．１９２６ＧＨｚ／２＝４．５９６３ＧＨｚ）に等しい周波数の信号に変換する。なお、位相同期回路４６は、変調回路４４の出力信号を、原子セル２１に封入された磁気量子数ｍ＝０のアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数差（セシウム原子の場合は９．１９２６ＧＨｚ）に等しい周波数の信号に変換するようにしてもよい。
【００５７】
そして、位相同期回路４６の出力信号は、変調周波数ｆｍの電流（変調電流）として駆動回路３５に入力される。
【００５８】
光源２２、原子セル２１、光検出器２３、ラムゼー共鳴検出部４１、検波回路４２、電圧制御水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）、変調回路４４、位相同期回路４６および駆動回路３５を通るフィードバックループにより光源２２が出射する周波数ｆ０＋ｆｍの第１光と周波数ｆ０−ｆｍの光とが、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対になるように制御（微調整）される。
【００５９】
上述したように、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利用して、位相同期回路４６の出力信号および電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の出力信号をそれぞれ所定の周波数で安定させる。そして、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の出力信号は、外部に出力される。その際、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ）の出力信号は、必要に応じて、例えばＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）等の周波数変換回路（図示せず）によって所定の周波数変換率で所望の周波数に周波数変換してもよい。
【００６０】
以上説明したように構成された原子発振器１では、前述したように、ＥＩＴ現象のラムゼー共鳴を生じさせることで、ＥＩＴ信号を高い精度で検出することができる。以下、ラムゼー共鳴に関する事項について説明する。
【００６１】
（ラムゼー共鳴）
前述したように、バイアス調整部３４（周波数変更部）は、前述した駆動回路３５で設定するバイアス電流の値（電流値）を所定の時間間隔で互いに異なる２つの電流値に交互に切り換えて変更する。ここで、当該２つの電流値のうち、一方の電流値（以下、「第１電流値」ともいう）を用いたとき、ＥＩＴ現象を生じ、他方の電流値（以下、「第２電流値」ともいう）を用いたとき、ＥＩＴ現象を実質的に生じない。すなわち、第１電流値を用いたとき、第１光および第２光がＥＩＴ現象を生じさせる共鳴光対となり、第２電流値を用いたとき、第１光および第２光がＥＩＴ現象を生じさせる共鳴光対とはならない。以下、第１光および第２光がＥＩＴ現象を生じさせる状態を「ＥＩＴ状態」、ＥＩＴ現象を生じさせない状態を「非ＥＩＴ状態」ともいう。
【００６２】
そして、第２電流値となる時間長さ（すなわち先行して第１電流値となるタイミングとこれに後続して第１電流値となるタイミングとの時間間隔）および第２電流値の大きさを適宜設定することで、非ＥＩＴ状態を挟む２つのＥＩＴ状態を相互作用させて、ＥＩＴ現象をラムゼー共鳴させて、図６に示すようなフリンジ状の波形を得ることができる。
【００６３】
第２電流値となる時間長さ、すなわち、ＥＩＴ現象を実質的に生じない時間長さは、ＥＩＴ現象をラムゼー共鳴させることができれば特に限定されないが、０．００００２秒以上０．１秒以下であることが好ましく、０．０００１秒以上０．０２秒以下であることがより好ましい。すなわち、第１電流値および第２電流値を周期的に切り換える場合、その切り換え周波数（変調周波数）は、１０Ｈｚ以上５０ｋＨｚ以下であることが好ましく、５０Ｈｚ以上１０ｋＨｚ以下であることがより好ましい。これにより、ＥＩＴ現象を効率的にラムゼー共鳴させることができる。これに対し、かかる周波数が小さすぎると、原子セル２１内のアルカリ金属のＥＩＴ現象を保持することが難しく、一方、かかる周波数が大きすぎると、ラムゼー共鳴を生じさせることが難しい。
【００６４】
また、第２電流値の大きさは、第１光および第２光がＥＩＴ現象を実質的に生じさせない中心波長λ１を設定することができるものであればよい。
【００６５】
ここで、アルカリ金属原子は、図７に示すような透過スペクトル（吸収帯域）を有する。アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を実質的に生じるのは、中心波長λ０（第１光および第２光がＥＩＴ現象を実質的に生じさせる波長）を中心とする約６００ＭＨｚの範囲内である。したがって、第２電流値を用いたときの第１光および第２光の中心波長λ１は、この６００ＭＨｚの範囲外にあることが好ましい。また、透過スペクトルの線幅（半値幅）は、約１ＧＨｚである。したがって、第２電流値を用いたときの第１光および第２光の中心波長λ１は、この１ＧＨｚの範囲外であることがより好ましい。一方、中心波長λ０に対する中心波長λ１のずれ量Δλは、大きすぎると、ＥＩＴ状態と非ＥＩＴ状態とを前述した時間長さで切り換えることが難しくなるばかりでなく、サイドバンド光の波長がアルカリ金属の吸収帯域に入ってしまう。
【００６６】
このような観点から、ずれ量Δλに相当する周波数のずれ量、すなわち、中心波長λ０に相当する周波数と中心波長λ１に相当する周波数の差は、３００ＭＨｚ以上、アルカリ金属の遷移周波数の１／２（例えばセシウムの場合４．６ＧＨｚ）以下であることが好ましく、５００ＭＨｚ以上、アルカリ金属の遷移周波数の１／２以下であることがより好ましい。
【００６７】
以上説明したような原子発振器１によれば、光をパルス化する光学素子等を原子セル２１と光源２２との間に配置しなくても、第１光および第２光の周波数を変更することで、ＥＩＴ現象のラムゼー共鳴を生じさせることができる。そのため、大型化を低減しつつ、ＥＩＴ信号を用いた高精度な発振特性を発揮させることができる。
【００６８】
本実施形態では、前述したように、バイアス調整部３４がバイアス電流の電流値を変更することにより中心周波数ｆ０の変更に伴って第１光および第２光の各周波数を変更する。これにより、バイアス電流の電流値を変更する機能を追加するという比較的簡単な構成で「周波数変更部」を実現することができる。また、このような機能は、原子発振器１の大型化を招くことなく既存の回路部に追加可能である。
【００６９】
＜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。
【００７０】
図８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）の概略構成を示す模式図である。
【００７１】
本実施形態は、周波数変更部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【００７２】
なお、以下の説明では、第２実施形態に関し、第１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。
【００７３】
図８に示す原子発振器１Ａは、量子干渉ユニット２Ａと、回路部１０Ａとを有している。
【００７４】
〈量子干渉ユニット〉
図８に示すように、量子干渉ユニット２Ａは、原子セル２１、光源２２および光検出器２３に加え、温度調節素子２４および温度センサー２５を有している。また、光源２２、温度調節素子２４および温度センサー２５は、光源用パッケージ２６に一括して収納されている。
【００７５】
［温度調節素子］
温度調節素子２４は、光源２２の温度を調節する「温度調節部」として機能する。本実施形態では、温度調節素子２４は、ペルチェ素子である。ペルチェ素子は、一方が発熱側の面（発熱面）、他方が吸熱側の面（吸熱面）となる１対の面を有している。そして、ペルチェ素子は、供給される電流の向きを制御することにより、発熱面と吸熱面とを切り換えることができる。そのため、環境温度の範囲が広くても、光源２２を所望の温度に温度調節することができる。
【００７６】
なお、温度調節素子２４は、ペルチェ素子に限定されず、例えば、発熱抵抗体（ヒーター）であってもよい。
【００７７】
［温度センサー］
温度センサー２５は、光源２２または温度調節素子２４の温度を検出する機能を有する。この温度センサー２５としては、特に限定されないが、例えば、サーミスタ、熱電対等を用いることができる。
【００７８】
［光源用パッケージ］
光源用パッケージ２６は、光源２２、温度調節素子２４および温度センサー２５を収納する収納空間として機能する。この収納空間は、減圧（真空）状態、減圧状態または窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガスが封入され状態であり、これにより、光源用パッケージ２６の外部の温度変化が光源２２や温度センサー２５に与える影響を低減することができ、光源２２や温度センサー２５の温度変動を低減することができる。特に、光源用パッケージ２６内は、減圧状態であることが好ましい。これにより、温度調節素子２４による光源２２の温度を俊敏に変化させることができる。
【００７９】
〈回路部〉
図８に示すように、回路部１０Ａは、第１実施形態のバイアス調整部３４に代えて、温度制御部４７を有する以外は、第１実施形態の回路部１０と同様である。すなわち、回路部１０Ａは、検波回路３１と、変調回路３２と、低周波発振器３３と、駆動回路３５と、ラムゼー共鳴検出部４１と、検波回路４２と、電圧制御型水晶発振器４３（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillators）と、変調回路４４、低周波発振器４５、位相同期回路４６（ＰＬＬ：phase locked loop）と、温度制御部４７と、を有する。
【００８０】
［温度制御部］
温度制御部４７は、温度センサー２５の検出結果に基づいて、光源２２からの光の中心波長が前述したλ０とλ１とに交互に切り換わるように、温度調節素子２４の駆動を制御する機能を有する。より具体的には、温度制御部４７は、ＥＩＴ現象のラムゼー共鳴が生じるように、光源２２の温度を、ＥＩＴ現象を生じさせる温度（第１温度）と生じさせない温度（第２温度）とを交互に切り換えて変更する。すなわち、温度制御部４７は、第１光および第２光が原子セル２１中のアルカリ金属原子との相互作用によるＥＩＴ現象をラムゼー共鳴させるように、第１光および第２光の周波数を、ＥＩＴ現象を生じさせる周波数（第１周波数）と生じさせない周波数（第２周波数）とに交互に切り換えて変更する「周波数変更部」を構成している。
【００８１】
このように、温度制御部４７が温度調節素子２４を制御することにより、中心周波数の変更に伴って第１光および第２光の各周波数を変更するため、既存の温度調節素子２４の設定温度を調整する機能を追加するという比較的簡単な構成で「周波数変更部」を実現することができる。また、このような機能は、原子発振器１Ａの大型化を招くことなく既存の回路部に追加可能である。なお、温度制御部４７による光源２２の温度の切り換えのタイミングは、前述した第１実施形態の電流値の切り換えタイミングと同様である。
【００８２】
また、本実施形態では、ラムゼー共鳴検出部４１は、前述した温度制御部４７と同期しており、例えば、温度制御部４７における温度の切り換えタイミングをトリガーとして、所定の間隔における光検出器２３からの出力信号を取得する。
【００８３】
以上説明したような第２実施形態によっても、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を発揮することができる。
【００８４】
＜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。
【００８５】
図９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）の概略構成を示す模式図である。図１０は、ＥＩＴ信号と光のサイドバンドの変化量との関係を説明する図である。
【００８６】
本実施形態は、周波数変更部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【００８７】
なお、以下の説明では、第３実施形態に関し、第１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。
【００８８】
図９に示す原子発振器１Ｂは、量子干渉ユニット２と、回路部１０Ｂとを有している。回路部１０Ｂは、第１実施形態のバイアス調整部３４に代えて、分周器４８および分周器制御部４９を有する以外は、第１実施形態の回路部１０と同様である。
【００８９】
分周器４８は、変調回路４４と位相同期回路４６との間に設けられ、変調回路４４の出力信号を分周して出力する。特に、この分周器４８は、分周比が可変である。分周器４８の出力は、位相同期回路４６に入力される。
【００９０】
分周器制御部４９は、分周器４８の分周比を制御する機能を有する。これにより、光源２２に入力される変調電流の周波数を、ＥＩＴ現象を生じさせる制御とは独立して変更することができる。特に、分周器制御部４９は、ＥＩＴ現象のラムゼー共鳴が生じるように、分周器４８の分周比を、ＥＩＴ現象を生じさせる分周比（第１分周比）と生じさせない分周比（第２分周比）とを交互に切り換えて変更する。すなわち、分周器制御部４９は、第１光および第２光が原子セル２１中のアルカリ金属原子との相互作用によるＥＩＴ現象をラムゼー共鳴させるように、第１光および第２光の周波数を、ＥＩＴ現象を生じさせる周波数（第１周波数）と生じさせない周波数（第２周波数）とに交互に切り換えて変更する「周波数変更部」を構成している。
【００９１】
ここで、分周器制御部４９が切り換える分周器４８の２つの分周比のうち、一方の分周比である第１分周比を用いたとき、ＥＩＴ現象を生じ、他方の分周比である第２分周比を用いたとき、ＥＩＴ現象を実質的に生じない。
【００９２】
第２分周比となる時間長さ、すなわち、ＥＩＴ現象を実質的に生じない時間長さは、前述した第１実施形態の第２電流値となる時間長さと同様である。
【００９３】
また、第２分周比の大きさは、第１光および第２光がＥＩＴ現象を実質的に生じさせないサイドバンドの波長を設定することができるものであればよい。
【００９４】
ここで、アルカリ金属原子のＥＩＴ信号は、図１０に示すように、１ｋＨｚ以下の線幅（半値幅）を有するが、ＥＩＴ現象を生じさせないためには、第２分周比を用いたときの変調電流の周波数ω１は、第１分周比を用いたときの変調電流の周波数ω１に対して、この線幅の２倍以上のずれ量Δωでずれていることが好ましい。一方、ずれ量Δωは、大きすぎると、ＥＩＴ状態と非ＥＩＴ状態とを前述した時間長さで切り換えることが難しい。
【００９５】
このような観点から、ずれ量Δωは、２ｋＨｚ以上１ＧＨｚ以下であることが好ましく、３ｋＨｚ以上５００ＭＨｚ以下であることがより好ましい。
【００９６】
このように、分周器制御部４９が変調電流の周波数を変更することにより第１光および第２光の各周波数を変更する。そのため、変調電流の電流値を変更する機能を追加するという比較的簡単な構成で「周波数変更部」を実現することができる。また、このような機能は、原子発振器１Ｂの大型化を招くことなく既存の回路部に追加可能である。特に、分周器制御部４９が分周器４８の分周比を変更することにより第１光および第２光の各周波数を変更するため、比較的簡単な構成で、第１光および第２光の各周波数を変更することができる。
【００９７】
また、本実施形態では、ラムゼー共鳴検出部４１は、前述した分周器制御部４９と同期しており、例えば、分周器制御部４９における変調電流の周波数の切り換えタイミングをトリガーとして、所定の間隔における光検出器２３からの出力信号を取得する。
【００９８】
以上説明したような第３実施形態によっても、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を発揮することができる。
【００９９】
＜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。
【０１００】
図１１は、本発明の第４実施形態に係る原子発振器（量子干渉装置）の概略構成を示す模式図である。
【０１０１】
本実施形態は、周波数変更部の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１０２】
なお、以下の説明では、第４実施形態に関し、第１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１１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。
【０１０３】
図１１に示す原子発振器１Ｃは、量子干渉ユニット２と、回路部１０Ｃとを有している。回路部１０Ｃは、第１実施形態のバイアス調整部３４および位相同期回路４６に代えて、位相同期回路４６Ｃおよび位相同期回路制御部５０を有する以外は、第１実施形態の回路部１０と同様である。
【０１０４】
位相同期回路４６Ｃは、変調回路４４と駆動回路３５との間に設けられ、変調回路４４の出力信号を逓倍して出力する。特に、この位相同期回路４６Ｃは、フラクショナル位相同期回路（Ｆ−ＰＬＬ）であり、逓倍比が可変である。位相同期回路４６Ｃの出力は、変調電流として駆動回路３５に入力される。
【０１０５】
位相同期回路制御部５０は、位相同期回路４６Ｃの逓倍比を制御する機能を有する。これにより、光源２２に入力される変調電流の周波数を、ＥＩＴ現象を生じさせる制御とは独立して変更することができる。特に、位相同期回路制御部５０は、ＥＩＴ現象のラムゼー共鳴が生じるように、位相同期回路４６Ｃの逓倍比を、ＥＩＴ現象を生じさせる逓倍比（第１逓倍比）と生じさせない逓倍比（第２逓倍比）とを交互に切り換えて変更する。すなわち、位相同期回路制御部５０は、第１光および第２光が原子セル２１中のアルカリ金属原子との相互作用によるＥＩＴ現象をラムゼー共鳴させるように、第１光および第２光の周波数を、ＥＩＴ現象を生じさせる周波数（第１周波数）と生じさせない周波数（第２周波数）とに交互に切り換えて変更する「周波数変更部」を構成している。
【０１０６】
ここで、位相同期回路制御部５０が切り換える位相同期回路４６Ｃの２つの逓倍比のうち、一方の逓倍比である第１逓倍比を用いたとき、ＥＩＴ現象を生じ、他方の逓倍比である第２逓倍比を用いたとき、ＥＩＴ現象を実質的に生じない。
【０１０７】
第２逓倍比となる時間長さ、すなわち、ＥＩＴ現象を実質的に生じない時間長さは、前述した第１実施形態の第２電流値となる時間長さと同様である。
【０１０８】
また、第２逓倍比の大きさは、前述した第３実施形態の第２分周比による変調周波数と同様の変調周波数を設定することができるものであればよい。
【０１０９】
このように、位相同期回路制御部５０が変調電流の周波数を変更することにより第１光および第２光の各周波数を変更するため、変調電流の電流値を変更する機能を追加するという比較的簡単な構成で「周波数変更部」を実現することができる。また、このような機能は、原子発振器１Ｃの大型化を招くことなく既存の回路部に追加可能である。特に、位相同期回路制御部５０が位相同期回路４６Ｃの逓倍比を変更することにより第１光および第２光の各周波数を変更するため、比較的簡単な構成で、第１光および第２光の各周波数を変更することができる。
【０１１０】
また、本実施形態では、ラムゼー共鳴検出部４１は、前述した位相同期回路制御部５０と同期しており、例えば、位相同期回路制御部５０における変調電流の周波数の切り換えタイミングをトリガーとして、所定の間隔における光検出器２３からの出力信号を取得する。
【０１１１】
以上説明したような第４実施形態によっても、大型化を低減しつつ、高精度な発振特性を発揮することができる。
【０１１２】
２．電子機器
以下、本発明の電子機器について説明する。
【０１１３】
図１２は、本発明の電子機器の実施形態を示す図である。
【０１１４】
図１２に示す測位システム１００（電子機器）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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
３．移動体
図１３は、本発明の移動体の実施形態を示す図である。
【０１１９】
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。
このような移動体によれば、優れた信頼性を発揮することができる。
【０１２０】
なお、本発明の原子発振器（量子干渉装置）を備える電子機器は、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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
また、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は、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。
【０１２３】
また、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】
【０１２４】
１…原子発振器、１Ａ…原子発振器、１Ｂ…原子発振器、１Ｃ…原子発振器、２…量子干渉ユニット、２Ａ…量子干渉ユニット、１０…回路部、１０Ａ…回路部、１０Ｂ…回路部、１０Ｃ…回路部、２１…原子セル、２２…光源、２３…光検出器、２４…温度調節素子、２５…温度センサー、２６…光源用パッケージ、３１…検波回路、３２…変調回路、３３…低周波発振器、３４…バイアス調整部、３５…駆動回路、４１…ラムゼー共鳴検出部、４２…検波回路、４３…電圧制御型水晶発振器、４４…変調回路、４５…低周波発振器、４６…位相同期回路、４６Ｃ…位相同期回路、４７…温度制御部、４８…分周器、４９…分周器制御部、５０…位相同期回路制御部、１００…測位システム、２００…ＧＰＳ衛星、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、３５１…バイアスティー、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、１５００…移動体、１５０１…車体、１５０２…車輪、ｆ０…中心周波数、ｆ１…周波数、ｆ２…周波数、ｆｍ…変調周波数、ΔＥ…エネルギー差、Δλ…ずれ量、Δω…ずれ量、λ０…中心波長、λ１…中心波長、ω０…周波数、ω１…周波数、ω２…周波数
【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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【図１３】
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