(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内部空間を有する原子セルと、
互いに同方向に円偏光して前記アルカリ金属原子を励起する共鳴光対を出射する第１光源部と、
前記内部空間において前記共鳴光対とは逆方向に円偏光して前記アルカリ金属原子を励起する調整光を出射する第２光源と、
前記内部空間を通過した前記共鳴光対および前記調整光を検出し、その検出強度に応じた信号を出力する光検出部と、
第１周波数の信号を用いて、前記光検出部の出力信号を検波して第１信号を出力する第１検波部と、
前記第１周波数とは異なる第２周波数の信号を用いて、前記光検出部の出力信号を検波して第２信号を出力する第２検波部と、
前記第１周波数および前記第２周波数とは異なる第３周波数の信号を用いて、前記光検出部の出力信号を検波して第３信号を出力する第３検波部と、を備えることを特徴とする量子干渉装置。
【請求項２】
前記第１信号および前記第３信号を用いて前記第１光源部を駆動する第１駆動回路を備える請求項１に記載の量子干渉装置。
【請求項３】
前記第２信号を用いて前記第２光源部を駆動する第２駆動回路を備える請求項２に記載の量子干渉装置。
【請求項４】
前記第３信号を用いてクロック信号を出力する発振器を備える請求項２または３に記載の量子干渉装置。
【請求項５】
前記第３周波数が前記第１周波数および前記第２周波数よりも大きい請求項２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】
前記共鳴光対がＤ１線であり、前記調整光がＤ２線である請求項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】
前記第１光源部および前記第２光源部のそれぞれが面発光レーザーを有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の量子干渉装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする原子発振器。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の量子干渉装置を備えることを特徴とする移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、量子干渉装置、原子発振器、電子機器および移動体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
長期的に高精度な発振特性を有する発振器として、ルビジウム、セシウム等のアルカリ金属の原子のエネルギー遷移に基づいて発振する原子発振器が知られている。
【０００３】
一般に、原子発振器の動作原理は、光およびマイクロ波による二重共鳴現象を利用した方式と、波長の異なる２種類の光による量子干渉効果（ＣＰＴ：Coherent Population Trapping）を利用した方式とに大別される。量子干渉効果を利用した原子発振器は、二重共鳴現象を利用した原子発振器よりも小型化できることから、近年、様々な機器への搭載が期待されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
量子干渉効果を利用した原子発振器は、例えば、特許文献１に開示されているように、気体状のアルカリ金属を封入したガスセル（原子セル）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（光検出部）と、を備えている。そして、このような原子発振器では、特定の値の周波数差を有する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信号を用いて発振する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
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。
【０００７】
しかし、特許文献１に係る原子発振器では、互いに同方向に円偏光している共鳴光対のみをガスセル中のアルカリ金属に照射するため、当該アルカリ金属の磁気量子数の分布に偏りが生じてしまう。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が減少し、その結果、ＥＩＴ信号の強度を十分に向上させることができない。
【０００８】
本発明の目的は、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を提供すること、また、かかる量子干渉装置を備える原子発振器、電子機器および移動体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明の量子干渉装置は、アルカリ金属原子が封入されている内部空間を有する原子セルと、
互いに同方向に円偏光して前記アルカリ金属原子を励起する共鳴光対を出射する第１光源部と、
前記内部空間において前記共鳴光対とは逆方向に円偏光して前記アルカリ金属原子を励起する調整光を出射する第２光源と、
前記内部空間を通過した前記共鳴光対および前記調整光を検出し、その検出強度に応じた信号を出力する光検出部と、
第１周波数の信号を用いて、前記光検出部の出力信号を検波して第１信号を出力する第１検波部と、
前記第１周波数とは異なる第２周波数の信号を用いて、前記光検出部の出力信号を検波して第２信号を出力する第２検波部と、
前記第１周波数および前記第２周波数とは異なる第３周波数の信号を用いて、前記光検出部の出力信号を検波して第３信号を出力する第３検波部と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
このような量子干渉装置によれば、互いに同方向に円偏光している共鳴光対に加えて、原子セル内において共鳴光対とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光を原子セル内のアルカリ金属原子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、アルカリ金属原子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、電磁誘起透過現象（ＥＩＴ）に寄与する所望の磁気量子数の金属原子の数を増加させ、その結果、円偏光している共鳴光対を用いることによってＥＩＴ信号の強度を向上させる効果を顕著に発現させることができる。よって、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる。
【００１１】
ここで、第１周波数、第２周波数および第３周波数が互いに異なるため、第１検波部、第２検波部および第３検波部を用いて、１つの光検出部の出力信号から、共鳴光対の中心波長（中心周波数）、調整光の波長（周波数）および共鳴光対間の波長差（周波数差）に関する信号をそれぞれ区別して検出することができる。そのため、これらの検波部の信号を用いて、共鳴光対および調整光のそれぞれの波長や発振周波数を安定化させることができる。
【００１２】
本発明の量子干渉装置では、前記第１信号および前記第３信号を用いて前記第１光源部を駆動する第１駆動回路を備えることが好ましい。
【００１３】
これにより、第１駆動回路が、第１信号に基づくバイアス電流と第３信号に基づく変調電流とを重畳して第１光源部に入力して第１光源部を駆動することができる。そして、第１信号に基づくバイアス電流により共鳴光対の中心波長を安定化させるとともに、第３信号に基づく変調電流により共鳴光対間の周波数差を安定化させることができる。
【００１４】
本発明の量子干渉装置では、前記第２信号を用いて前記第２光源部を駆動する第２駆動回路を備えることが好ましい。
【００１５】
これにより、第２駆動回路が、第２信号に基づくバイアス電流を第２光源部に入力して第２光源部を駆動することができる。そして、第２信号に基づくバイアス電流により調整光の波長を安定化させることができる。
【００１６】
本発明の量子干渉装置では、前記第３信号を用いてクロック信号を出力する発振器を備えることが好ましい。
【００１７】
これにより、発振器が、第３信号に基づく周波数のクロック信号を出力することができる。
【００１８】
本発明の量子干渉装置では、前記第３周波数が前記第１周波数および前記第２周波数よりも大きいことが好ましい。
【００１９】
アルカリ金属原子のＥＩＴ信号の線幅はアルカリ金属原子の吸収スペクトルの線幅よりも小さい。したがって、第３周波数を第１周波数および第２周波数よりも大きくすることにより、第３検波部において共鳴光対間の周波数差に関する信号を共鳴光対の中心波長および調整光の波長に関する信号と容易に区別して検波することができる。
【００２０】
本発明の量子干渉装置では、前記共鳴光対がＤ１線であり、前記調整光がＤ２線であることが好ましい。
【００２１】
これにより、調整光によるＥＩＴ現象を低減し、ＥＩＴ信号の強度を効率的に向上させることができる。
【００２２】
本発明の量子干渉装置では、前記第１光源部および前記第２光源部のそれぞれが面発光レーザーを有することが好ましい。
【００２３】
これにより、所望の周波数を有する共鳴光対および調整光を容易に生成することができる。
【００２４】
本発明の原子発振器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える原子発振器を提供することができる。
【００２５】
本発明の電子機器は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える電子機器を提供することができる。
【００２６】
本発明の移動体は、本発明の量子干渉装置を備えることを特徴とする。
これにより、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる量子干渉装置を備える移動体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の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、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】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５】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６】アルカリ金属原子（セシウム原子）のＤ１線吸収スペクトルを説明する図である。
【図７】アルカリ金属原子（セシウム原子）のＤ１線吸収スペクトルと共鳴光対の周波数との関係を説明する図である。
【図８】アルカリ金属原子（セシウム原子）のＤ２線吸収スペクトルを説明する図である。
【図９】アルカリ金属原子（セシウム原子）のＤ２線吸収スペクトルと調整光の周波数との関係を説明する図である。
【図１０】アルカリ金属原子（セシウム原子）のＥＩＴスペクトルを説明する図である。
【図１１】ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【図１２】本発明の移動体の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
図１は、本発明の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、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。
【００３１】
原子発振器１は、量子干渉効果を利用した発振器であり、図１に示すように、量子干渉ユニット１０と、量子干渉ユニット１０に電気的に接続されている回路部２０と、を有する。
【００３２】
量子干渉ユニット１０は、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て原子セル２（ガスセル）と、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を原子セル２に照射する光源部３と、原子セル２を透過した共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を検出する光検出部４と、原子セル２に磁場を印加するコイル５と、を有する。
【００３３】
回路部２０は、回路部６（第１回路部）と、回路部７（第３回路部）と、回路部８（第２回路部）と、を有する。回路部６は、検波回路６１（第１検波部）と、変調回路６２と、低周波発振器６３と、駆動回路６４（第１駆動回路）と、を有する。回路部７は、検波回路７１（第３検波部）と、電圧制御型水晶発振器７２（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillators）と、変調回路７３と、低周波発振器７４と、位相同期回路７５（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有する。回路部８は、検波回路８１（第２検波部）と、変調回路８２と、低周波発振器８３と、駆動回路８４（第２駆動回路）と、を有する。
【００３４】
この原子発振器１では、回路部６が共鳴光対ＬＬ１の中心周波数を所定の周波数で安定化させるとともに、回路部７が共鳴光対の周波数差を所定の周波数差で安定化させる。これにより、特定の周波数差を有する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）現象を発生させる。また、回路部７が、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７２（ＶＣＸＯ）の出力信号を所定の周波数で安定させてクロック信号として出力する。
【００３５】
特に、原子発振器１では、回路部８が調整光ＬＬ２の周波数を所定の周波数で安定化させる。ここで、共鳴光対ＬＬ１が互いに同方向に円偏光している２つの共鳴光からなり、一方、調整光ＬＬ２が共鳴光対ＬＬ１とは逆方向に円偏光している共鳴光からなる。これにより、ＥＩＴ信号の強度を大きくして、原子発振器１の発振特性を向上させることができる。
【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）
量子干渉ユニット１０は、前述したように、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て原子セル２（ガスセル）と、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を原子セル２に照射する光源部３と、原子セル２を透過した共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を検出する光検出部４と、原子セル２に磁場を印加するコイル５と、を有する。
【００３７】
［原子セル］
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（アルカリ金属原子）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ガス状のアルカリ金属とともに封入されていてもよい。
【００３８】
より具体的に説明すると、図１に示すように、原子セル２は、貫通孔２１１を有する胴体部２１と、貫通孔２１１を塞ぐように胴体部２１に接合された１対の窓部２２、２３とを有している。そして、胴体部２１および１対の窓部２２、２３が、気体状のアルカリ金属が封入されている内部空間Ｓを区画形成（構成）している。
【００３９】
胴体部２１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、ガラス材料、水晶、シリコン材料等が挙げられる。一方、窓部２２、２３の構成材料としては、それぞれ、前述したような共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２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。ここで、胴体部２１をシリコンで構成するとともに、窓部２２、２３をガラスで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る。
【００４０】
このような原子セル２に封入されているアルカリ金属原子は、図２に示すように、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ω２を有する共鳴光（第２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】
以上、原子セル２について説明した。このような原子セル２は、原子セル２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。
【００４３】
［光出射部］
光源部３は、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を出射する機能を有する。共鳴光対ＬＬ１は、互いに同方向に円偏光している前述した第１共鳴光（probe光）および第２共鳴光（coupling光）からなり、前述したように原子セル２内のアルカリ金属原子に対してＥＩＴ現象を生じさせる。一方、調整光ＬＬ２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第３共鳴光であり、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。ここで、「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。なお、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２については、後に詳述する。
【００４４】
図１に示すように、光源部３は、共鳴光対ＬＬ１（第１光）を出射する第１光源部３１と、調整光ＬＬ２（第２光）を出射する第２光源部３２と、を備えている。
【００４５】
第１光源部３１は、第１光源３１１（第１発光素子）と、１／４波長板３１３と、絞り部材３４と、を有している。一方、第２光源部３２は、第２光源３２１と、１／４波長板３１３と、絞り部材３４と、を有している。ここで、１／４波長板３１３および絞り部材３４は、前述した第１光源部３１と共通して設けられている。すなわち、１／４波長板３１３および絞り部材３４は、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。
【００４６】
第１光源３１１および第２光源３２１は、シリコン基板等の基板３３上に配置されている。第１光源３１１は、直線偏光されている第１共鳴光および第２共鳴光を含む光ＬＬ１ａを出射する機能を有する。一方、第２光源３２１は、第１光源３１１からの光ＬＬ１ａの直線偏光の方向と直交する方向に直線偏光されている第３共鳴光を含む光ＬＬ２ａを出射する機能を有する。ここで、光ＬＬ１ａ、ＬＬ２ａは、それぞれ、所定の放射角をもって拡がって出射される。これにより、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を重ねた状態で原子セル２内に照射することができる。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。
【００４７】
第１光源３１１および第２光源３２１は、それぞれ、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。特に、第１光源３１１および第２光源３２１のそれぞれが面発光レーザーであることにより、所望の周波数を有する共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を容易に生成することができる。なお、第２光源３２１は、半導体レーザーの他、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ってもよい。
【００４８】
また、第２光源３２１の出力（光ＬＬ２ａの強度）は、第１光源３１１の出力（光ＬＬ１ａの強度）よりも小さいことが好ましい。これにより、後述するような調整光による作用を効果的に生じさせることができる。
【００４９】
１／４波長板３１３は、入射した光の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１／４波長板３１３は、第１光源３１１からの光ＬＬ１ａを直線偏光から円偏光（楕円偏光も含む）の共鳴光対ＬＬ１に変換する機能を有する。また、１／４波長板３１３は、第２光源３２１からの光ＬＬ２ａを直線偏光から円偏光（楕円偏光も含む）の調整光ＬＬ２に変換する機能を有する。ここで、直線偏光されている光ＬＬ２ａの偏光方向は、直線偏光されている光ＬＬ１ａの偏光方向と異なる方向（直交する方向）である。したがって、１／４波長板３１３で生成した共鳴光対ＬＬ１が右円偏光である場合、１／４波長板３１３で生成した調整光ＬＬ２は左円偏光であり、一方、共鳴光対ＬＬ１が左円偏光である場合、調整光ＬＬ２は右円偏光である。このような互いに反対方向となる回転方向で円偏光した共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を互いに同じ側から原子セル２に照射することにより、原子セル２内において、調整光ＬＬ２の円偏光の回転方向が共鳴光対ＬＬ１の円偏光の回転方向に対して逆方向となる。
【００５０】
絞り部材３４は、１／４波長板３１３の原子セル２とは反対側の面上に配置されている。この絞り部材３４は、入射した光のうちの一部の領域の光を通過させる開口３４１を有し、光の幅（径）および形状を調整する機能を有する。これにより、第１光源３１１からの光ＬＬ１ａの一部が開口３４１を通過し、これにより、光ＬＬ１ａの幅および形状が調整される。また、第２光源３２１からの光ＬＬ２ａの一部が開口３４１を通過し、これにより、光ＬＬ２ａの幅および形状が調整される。ここで、光源部３の光軸である軸線ａに沿った方向から見たとき、絞り部材３４に沿った面上において光ＬＬ１ａと光ＬＬ２ａとが重なる領域内に開口３４１が包含されていることが好ましい。これにより、絞り部材３４を通過した光ＬＬ１ａおよび光ＬＬ２ａの通過領域を互いに揃える（一致または近似した領域とする）ことができる。
【００５１】
絞り部材３４の開口３４１を除く部分は、遮光性を有する。このような絞り部材３４の構成材料としては、絞り部材３４の開口３４１を除く部分が遮光性を有することができれば、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が、絞り部材３４の開口３４１を除く部分が光の反射を防止することができるものが好ましい。また、絞り部材３４の形成方法は、特に限定されない。本実施形態の場合、例えば、１／４波長板３１３上に公知の成膜法を用いて絞り部材３４を形成することができる。
【００５２】
ここで、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１の通過領域は、調整光ＬＬ２の通過領域に一致または包含されていることが好ましい。本実施形態では、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２のそれぞれの光軸は、原子セル２の窓部２２と窓部２３とが並ぶ方向に沿った軸線ａと平行となっている。これにより、絞り部材３４を通過した共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の通過領域を互いに一致させることができる。なお、原子セル２内において共鳴光対ＬＬ１の通過領域を調整光ＬＬ２の通過領域に一致または近似させることができれば、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２のそれぞれの光軸が軸線ａに対して傾斜していてもよい。
【００５３】
以上、光源部３（第１光源部３１および第２光源部３２）について説明した。なお、第１光源３１１および第２光源３２１と原子セル２との間にレンズが配置されていてもよい。この場合、例えば原子セル２内の共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を平行光とすることができる。また、第１光源３１１および第２光源３２１と１／４波長板３１３との間に１／２波長板が配置されていてもよい。この場合、第１光源３１１および第２光源３２１をそれぞれ光軸まわりに９０°回転させた姿勢で設置すればよい。
【００５４】
［光検出部］
光検出部４は、原子セル２に対して光源部３とは反対側に配置されている。光検出部４は、原子セル２内を透過した共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の強度を検出し、その検出強度に応じた信号を出力する機能を有する。
【００５５】
光検出部４としては、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２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。
【００５６】
［コイル］
コイル５は、通電により原子セル２内のアルカリ金属に磁場を印加する機能を有する。これにより、ゼーマン分裂により、原子セル２内のアルカリ金属原子の縮退している異なる複数のエネルギー準位間のギャップを拡げて、分解能を向上させることができる。その結果、原子発振器１の発振周波数の精度を高めることができる。
【００５７】
ここで、コイル５からの磁場は、原子セル２内において、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の進行方向に沿っている（ほぼ平行である）。なお、原子セル２内のアルカリ金属に対して共鳴光対および調整光を効率的に作用させる観点から、原子セル２内において、コイル５からの磁場の方向は、共鳴光対ＬＬ１の進行方向に対して、０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましい。
【００５８】
本実施形態では、コイル５は、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ある。なお、コイル５は、ヘルムホルツ型を構成するように原子セル２を介して対向して設けられた１対のコイルで構成されていてもよい。
【００５９】
また、コイル５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。コイル５への通電は、図示しない磁場制御部により、コイル５が発生する磁場が一定となるように制御される。
【００６０】
（回路部）
図１に示す回路部２０は、前述したように、回路部６（第１回路部）と、回路部７（第３回路部）と、回路部８（第２回路部）と、を有する。
【００６１】
［第１回路部］
回路部６は、検波回路６１（第１検波部）と、変調回路６２と、低周波発振器６３と、駆動回路６４と、を有する。
【００６２】
検波回路６１は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数ｆ１（第１周波数）で発振する低周波発振器６３の発振信号（第１周波数の信号）を用いて光検出部４の出力信号を同期検波する。変調回路６２は、検波回路６１による同期検波を可能とするために、低周波発振器６３の出力信号（発振信号）を変調信号として検波回路６１の出力信号を変調する。そして、変調回路６２の出力信号は、駆動回路６４に出力される。
【００６３】
駆動回路６４は、変調回路６２の出力信号に応じてバイアス電流を微調整して、第１光源３１１に供給するバイアス電流を設定する（第１光源３１１から出射する光の中心波長を設定する）。すなわち、第１光源３１１、原子セル２、光検出部４、検波回路６１、変調回路６２および駆動回路６４を通るフィードバックループにより第１光源３１１が出射する光の中心波長が制御（微調整）される。
【００６４】
また、駆動回路６４は、バイアス電流に、後述する位相同期回路７５（ＰＬＬ）から出力された変調周波数の電流（変調電流）を重畳して第１光源３１１に供給する。例えば、図示しないが、駆動回路６４は、バイアス電流に変調電流を重畳して第１光源３１１に出力するバイアスティー（高周波部品）等を有する。
【００６５】
［第２回路部］
回路部８は、検波回路８１（第２検波部）と、変調回路８２と、低周波発振器８３と、駆動回路８４と、を有する。
【００６６】
検波回路８１は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数ｆ２（第２周波数）で発振する低周波発振器８３の発振信号（第２周波数の信号）を用いて光検出部４の出力信号を同期検波する。変調回路８２は、検波回路８１による検波を可能とするために、低周波発振器８３の出力信号（発振信号）を変調信号として検波回路８１の出力信号を変調する。そして、変調回路８２の出力信号は、駆動回路８４に出力される。
【００６７】
駆動回路８４は、変調回路８２の出力信号に応じてバイアス電流を微調整して、第２光源３２１に供給するバイアス電流を設定する（第２光源３２１から出射する光の波長を設定する）。すなわち、第２光源３２１、原子セル２、光検出部４、検波回路８１、変調回路８２および駆動回路８４を通るフィードバックループにより第２光源３２１が出射する光の波長（中心波長）が制御（微調整）される。
【００６８】
［第３回路部］
回路部７は、検波回路７１（第３検波部）と、電圧制御型水晶発振器７２（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillators）と、変調回路７３と、低周波発振器７４と、位相同期回路７５（ＰＬＬ：phase locked loop）と、を有する。
【００６９】
検波回路７１は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数ｆ３（第３周波数）で発振する低周波発振器７４の発振信号（第３周波数の信号）を用いて光検出部４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７２（ＶＣＸＯ）は、検波回路７１の出力信号の大きさに応じて、電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）７２の発振周波数が微調整される。電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）７２は、例えば、数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する。
【００７０】
変調回路７３は、検波回路７１による検波を可能とするために、低周波発振器７４の発振信号を変調信号として電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ）７２の出力信号を変調する。
【００７１】
位相同期回路７５は、一定の周波数変換率（逓倍比）で変調回路７３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７５は、変調回路７３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７５は、原子セル２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７５は、変調回路７３の出力信号を、原子セル２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。
【００７２】
そして、位相同期回路７５の出力信号は、変調電流として駆動回路６４に入力される。この変調電流により、第１光源３１１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（中心波長）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変調電流の周波数分だけずれた２つの周波数の光が発生する（図７参照）。
【００７３】
第１光源３１１、原子セル２、光検出部４、検波回路７１、電圧制御水晶発振器７４、変調回路７３、位相同期回路７５および駆動回路６４を通るフィードバックループにより第１光源３１１が出射する２つのサンドバンド光の周波数差が、アルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させるように制御（微調整）される。このとき、電圧制御型水晶発振器７４の出力信号は、所定の周波数で安定する。そして、電圧制御型水晶発振器７４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７４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。
【００７４】
以上説明したような回路部２０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。
【００７５】
以上、原子発振器１の構成を説明した。このような原子発振器１では、前述したように、原子セル２内のアルカリ金属原子に対してＥＩＴ現象を生じさせる共鳴光対ＬＬ１だけでなく、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調整光ＬＬ２を用いる。以下、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２について詳述する。
【００７６】
（共鳴光対および調整光の詳細な説明）
図４は、セシウム原子のエネルギー状態と共鳴光対（第１共鳴光、第２共鳴光）および調整光（第３共鳴光）との関係の一例を示す図である。図５は、ナトリウム原子の磁気量子数の分布を示す図であって、図５（ａ）は、σ＋円偏光の共鳴光を照射した場合の分布を示す図、図５（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。
【００７７】
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４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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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８５２．３４７ｎｍであり、６Ｓ１／２の超微細分裂周波数（エネルギー差ΔＥに相当する周波数ω０）が９．１９２６ＧＨｚである。
【００８２】
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（ω０）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（ω０）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（ω０）が６．８３４６ＧＨｚである。
【００８３】
例えば、図５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Ｆ’＝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。
【００８４】
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５（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。
【００８５】
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５（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。
【００８６】
なお、図５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。
【００８７】
以上説明したように、原子セル２内のアルカリ金属に対して共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を同じ方向から照射する場合、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２の一方を右円偏光とし、他方を左円偏光とすることにより、アルカリ金属の磁気量子数の偏りを低減することができる。
【００８８】
ここで、共鳴光対ＬＬ１がＤ１線であり、調整光ＬＬ２がＤ２線であることにより、調整光ＬＬ２によるＥＩＴ現象を低減し、ＥＩＴ信号の強度を効率的に向上させることができる。
【００８９】
ここで、共鳴光対ＬＬ１は、前述したように、第１光源３１１からの光の中心周波数（中心波長）が回路部６により制御されるとともに、第１光源３１１からのサイドバンド光間の周波数差が回路部７により制御されることにより生成される。また、調整光ＬＬ２は、第２光源３２１からの光の周波数（波長）が回路部８により制御されることにより生成される。
【００９０】
このように共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２を生成するに際して、回路部６、７、８では、低周波発振器６３、７４、８３の発振周波数である周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３が互い異なる。これにより、検波回路６１、７１、８１が、１つの光検出部４の出力信号から、共鳴光対ＬＬ１の中心波長（中心周波数）、調整光ＬＬ２の波長（周波数）および共鳴光対ＬＬ１間（第１共鳴光と第２共鳴光との間）の波長差（周波数差）に関する信号をそれぞれ区別して検出することができる。以下、これらの同期検波について詳述する。
【００９１】
（検波回路の検波）
図６は、アルカリ金属原子（セシウム原子）のＤ１線吸収スペクトルを説明する図である。図７は、アルカリ金属原子（セシウム原子）のＤ１線吸収スペクトルと共鳴光対の周波数との関係を説明する図である。なお、図６の横軸「離調周波数」は、後述するピークＤを基準とした周波数である。また、図７では、アルカリ金属原子がセシウム原子である場合のエネルギー準位と、このエネルギー準位に対応する第１光源３１１からの光の周波数成分（＋３次以上および−３次以下の周波数成分は省略）との関係を示している。
【００９２】
光検出部４の出力信号には、周波数ｆ１（第１周波数）に同期して、例えば、図６に示すようなアルカリ金属原子のＤ１線の吸収スペクトル成分が含まれる。そして、回路部６では、検波回路６１が、低周波発振器６３からの周波数ｆ１の信号を用いて、光検出部４の出力信号を検波して第１信号を出力する。
【００９３】
ここで、かかる吸収スペクトルは、周波数ω０／２ずつずれた７つのピークＡ〜Ｇを有する。このうち、中央のピークＤが最もピーク強度が高い。このピークＤは、図７に示すように、＋１次のサイドバンド光の周波数が第１基底準位と励起準位とのエネルギー差に対応する周波数となり、−１次のサイドバンド光の周波数が第２基底準位と励起準位とのエネルギー差に対応する周波数となった状態に相当する。すなわち、ピークＤは、±１次のサイドバンド光が共鳴光対となった状態に対応する。なお、ピークＣは、＋２次のサイドバンド光および０次の光が共鳴光対となった状態、ピークＢは、＋３次のサイドバンド光および＋１次のサイドバンド光が共鳴光対となった状態、ピークＡは、＋４次のサイドバンド光および＋２次のサイドバンド光が共鳴光対となった状態、ピークＥは、−２次のサイドバンド光および０次の光が共鳴光対となった状態、ピークＦは、−３次のサイドバンド光および−１次のサイドバンド光が共鳴光対となった状態、ピークＧは、−４次のサイドバンド光および−２次のサイドバンド光が共鳴光対となった状態に対応する。
【００９４】
そして、回路部６では、ピークＡ〜Ｇのうちのいずれかのピークを検出して、その検出状態を安定化させるように制御を行う。すなわち、回路部６では、ピークＡ〜Ｇのうちのいずれかのピークとなるときのバイアス電流を駆動回路６４に設定する。
【００９５】
特に、回路部６では、ピークＤを検出して、その検出状態を安定化させるように制御を行うことが好ましい。これにより、第１光源３１１からの光の中心波長を所望の波長に最も安定化させることができる。
【００９６】
図８は、アルカリ金属原子（セシウム原子）のＤ２線吸収スペクトルを説明する図である。図９は、アルカリ金属原子（セシウム原子）のＤ２線吸収スペクトルと調整光の周波数との関係を説明する図である。なお、図８の横軸「離調周波数」は、後述するピークＨとピークＩとの中間値を基準とした周波数である。また、図９では、アルカリ金属原子がセシウム原子である場合のエネルギー準位と、このエネルギー準位に対応する第２光源３２１からの光の周波数との関係を示している。
【００９７】
光検出部４の出力信号には、周波数ｆ２（第２周波数）に同期して、例えば、図８に示すようなアルカリ金属原子のＤ２線の吸収スペクトルの成分が含まれる。そして、回路部８では、検波回路８１が、低周波発振器８３からの周波数ｆ２の信号を用いて、光検出部４の出力信号を検波して第２信号を出力する。
【００９８】
ここで、かかる吸収スペクトルは、周波数ω０ずれた２つのピークＨ、Ｉを有する。このうち、低い周波数側のピークＨが高い周波数側のピークＩよりもピーク強度が高い。このピークＨは、図９に示すように、第２光源３２１の光の周波数が第２基底準位と励起準位とのエネルギー差に対応する周波数となったときに対応する。なお、ピークＩは、第２光源３２１の光の周波数が第１基底準位と励起準位とのエネルギー差に対応する周波数となった状態に対応する。
【００９９】
そして、回路部８では、ピークＨ、Ｉのうちのいずれかのピークを検出して、その検出状態を安定化させるように制御を行う。すなわち、回路部８では、ピークＨ、Ｉのうちのいずれかのピークとなるときのバイアス電流を駆動回路８４に設定する。
【０１００】
特に、回路部８では、ピークＨを検出して、その検出状態を安定化させるように制御を行うことが好ましい。これにより、第２光源３２１からの光の波長を所望の波長に最も安定化させることができる。
【０１０１】
図１０は、アルカリ金属原子（セシウム原子）のＥＩＴスペクトルを説明する図である。
【０１０２】
光検出部４の出力信号には、周波数ｆ３（第３周波数）に同期して、例えば、図１０に示すようなアルカリ金属原子のＥＩＴスペクトル（ＥＩＴ現象によるスペクトル）の成分が含まれる。そして、回路部７では、低周波発振器７４からの周波数ｆ３の信号を用いて、光検出部４の出力信号を検波して第３信号を出力する。
【０１０３】
ここで、かかるＥＩＴスペクトルは、ＥＩＴ信号である１つのピークを有する。ＥＩＴ信号は、前述したように、第１光源３１１からの２つのサイドバンド光の周波数差がω０となるときに生じる。
【０１０４】
このようなことから、回路部８では、ＥＩＴスペクトルのピークを検出して、その検出状態を安定化させるように制御を行う。すなわち、回路部８では、ＥＩＴスペクトルのピークとなるときの変調電流を位相同期回路７５に生成させる。
【０１０５】
以上説明したように、光検出部４の出力信号から、アルカリ金属原子のＤ１線吸収スペクトル、Ｄ２線吸収スペクトルおよびＥＩＴスペクトルを区別して検出する。
【０１０６】
前述したように、回路部６では、低周波発振器６３から出力される周波数ｆ１の発振信号を用いて、第１光源３１１に入力されるバイアス電流を生成するとともに、光検出部４の出力信号を同期検波する。また、回路部７では、低周波発振器７４から出力される周波数ｆ３の発振信号を用いて、第１光源３１１に入力される変調電流を生成するとともに、光検出部４の出力信号を同期検波する。また、回路部８では、低周波発振器８３から出力される周波数ｆ２の発振信号を用いて、第２光源３２１に入力されるバイアス電流を生成するとともに、光検出部４の出力信号を同期検波する。
【０１０７】
ここで、光検出部４の出力信号には、前述したアルカリ金属原子のＤ１線吸収スペクトルが周波数ｆ１に同期して現れ、Ｄ２線吸収スペクトルが周波数ｆ２に同期して現れ、ＥＩＴスペクトルが周波数ｆ３に同期して現れる。そのため、このような光検出部４の出力信号から、アルカリ金属原子のＤ１線吸収スペクトル、Ｄ２線吸収スペクトルおよびＥＩＴスペクトルを区別して検出するには、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３が互いに異なっていることが必要となる。すなわち、ｆ１＜ｆ２＜ｆ３なる関係、ｆ１＜ｆ３＜ｆ２なる関係、ｆ２＜ｆ１＜ｆ３なる関係、ｆ２＜ｆ３＜ｆ１なる関係、ｆ３＜ｆ１＜ｆ２なる関係、ｆ３＜ｆ２＜ｆ１なる関係のうちのいずれかを満たすことが必要となる。
【０１０８】
その際、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３は、互いに整数倍の関係になっていないか、または、互いに整数倍の関係になっていたとしても、互いに周波数差が十分に離れていることが好ましい。
【０１０９】
より具体的には、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３のうちの任意の２つの周波数の大きい方をＡとし、小さい方をＢとしたとき、Ａ／Ｂは、５以上１００以下であることが好ましく、７以上５０以下であることがより好ましい。これにより、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３が互いに整数倍の関係になっていても、アルカリ金属原子のＤ１線吸収スペクトル、Ｄ２線吸収スペクトルおよびＥＩＴスペクトルを区別して高精度に検出することができる。これに対し、Ａ／Ｂが小さすぎると、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３が互いに整数倍の関係になっている場合、アルカリ金属原子のＤ１線吸収スペクトル、Ｄ２線吸収スペクトルおよびＥＩＴスペクトルを区別して高精度に検出することが難しい。一方、Ａ／Ｂが大きすぎると、アルカリ金属原子のＤ１線吸収スペクトル、Ｄ２線吸収スペクトルおよびＥＩＴスペクトルを区別して検出するのに必要な回路部６、７、８の構成が複雑化する。
【０１１０】
また、周波数ｆ３が周波数ｆ１および周波数ｆ２のいずれよりも大きいことが好ましい。アルカリ金属原子のＥＩＴ信号の線幅はアルカリ金属原子の吸収スペクトルの線幅よりも小さい。したがって、周波数ｆ３を周波数ｆ１および周波数ｆ２よりも大きくすることにより、検波回路７１において共鳴光対ＬＬ１間の周波数差に関する信号を共鳴光対ＬＬ１の中心波長および調整光ＬＬ２の波長に関する信号と容易に区別して検波することができる。
【０１１１】
以上説明した原子発振器１では、互いに同方向に円偏光している共鳴光対ＬＬ１に加えて、原子セル２内において共鳴光対ＬＬ１とは逆方向となる回転方向で円偏光している調整光ＬＬ２をアルカリ金属に照射することにより、共鳴光対ＬＬ１による磁気量子数の分布の偏りを調整光ＬＬ２により相殺または緩和させ、アルカリ金属の磁気量子数の分布の偏りを低減することができる。そのため、ＥＩＴに寄与する所望の磁気量子数のアルカリ金属原子の数を増加させ、その結果、円偏光している共鳴光対ＬＬ１を用いることによってＥＩＴ信号の強度を向上させる効果を顕著に発現させ、よって、ＥＩＴ信号の強度を効果的に向上させることができる。
【０１１２】
ここで、周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３が互いに異なるため、共鳴光対ＬＬ１の中心波長（中心周波数）、調整光ＬＬ２の波長（周波数）および共鳴光対ＬＬ１間の波長差（周波数差）をこれらの周波数に同期して変化させることで、検波回路６１、７１、８１を用いて、１つの光検出部４の出力信号から、共鳴光対ＬＬ１の中心波長（中心周波数）、調整光ＬＬ２の波長（周波数）および共鳴光対ＬＬ１間の波長差（周波数差）に関する信号をそれぞれ区別して検出することができる。そのため、これらの検波回路６１、７１、８１の信号を用いて、共鳴光対ＬＬ１および調整光ＬＬ２のそれぞれの波長や発振周波数を安定化させることができる。
【０１１３】
より具体的には、前述したように、駆動回路６４が検波回路６１、７１の出力信号（第１信号および第３信号）を用いて第１光源３１１を駆動する。これにより、駆動回路６４が、第１信号に基づくバイアス電流と第３信号に基づく変調電流とを重畳して第１光源３１１に入力して第１光源３１１を駆動することができる。そして、第１信号に基づくバイアス電流により共鳴光対ＬＬ１の中心波長を安定化させるとともに、第３信号に基づく変調電流により共鳴光対ＬＬ１間の周波数差を安定化させることができる。
【０１１４】
また、前述したように、駆動回路８４が検波回路８１の出力信号（第２信号）を用いて第２光源３２１を駆動する。これにより、駆動回路８４が、第２信号に基づくバイアス電流を第２光源３２１に入力して第２光源３２１を駆動することができる。そして、第２信号に基づくバイアス電流により調整光ＬＬ２の波長を安定化させることができる。
【０１１５】
また、前述したように、電圧制御型水晶発振器７２が検波回路７１の出力信号（第３信号）を用いてクロック信号を出力する。これにより、電圧制御型水晶発振器７２が、第３信号に基づく周波数のクロック信号を出力することができる。
【０１１６】
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。
【０１１７】
以下、本発明の電子機器について説明する。
図１１は、ＧＰＳ衛星を利用した測位システムに本発明の原子発振器を用いた場合の概略構成を示す図である。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
３．移動体
図１２は、本発明の移動体の一例を示す図である。
【０１２３】
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。
【０１２４】
なお、本発明の電子機器は、前述したものに限定されず、例えば、スマートフォン、タブレット端末、時計、携帯電話機、ディジタルスチルカメラ、インクジェット式吐出装置（例えばインクジェットプリンター）、パーソナルコンピューター（モバイル型パーソナルコンピューター、ラップトップ型パーソナルコンピューター）、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳（通信機能付も含む）、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、ＰＯＳ端末、医療機器（例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡）、魚群探知機、各種測定機器、計器類（例えば、車両、航空機、船舶の計器類）、フライトシミュレーター、地上デジタル放送、携帯電話基地局、ＧＰＳモジュール等に適用することができる。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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】
【０１２７】
１…原子発振器、２…原子セル、３…光源部、４…光検出部、５…コイル、６…回路部、７…回路部、８…回路部、１０…量子干渉ユニット、２０…回路部、２１…胴体部、２２…窓部、２３…窓部、３１…第１光源部、３２…第２光源部、３３…基板、３４…絞り部材、６１…検波回路（第１検波部）、６２…変調回路、６３…低周波発振器、６４…駆動回路（第１駆動回路）、７１…検波回路（第３検波部）、７２…電圧制御型水晶発振器（発振器）、７３…変調回路、７４…低周波発振器、７５…位相同期回路、８１…検波回路（第２検波部）、８２…変調回路、８３…低周波発振器、８４…駆動回路（第２駆動回路）、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、３１３…１／４波長板、３２１…第２光源、３４１…開口、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、Ａ…ピーク、ａ…軸線、Ｂ…ピーク、Ｃ…ピーク、Ｄ…ピーク、Ｅ…ピーク、Ｆ…ピーク、ｆ１…周波数、ｆ２…周波数、ｆ３…周波数、Ｇ…ピーク、Ｈ…ピーク、Ｉ…ピーク、ＬＬ１…共鳴光対、ＬＬ１ａ…光、ＬＬ２…調整光、ＬＬ２ａ…光、Ｓ…内部空間、ΔＥ…エネルギー差、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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