(57)【要約】【課題】共鳴光対の不安定性を解消することにより高い周波数安定度を実現可能な原子発振器、原子発振器の制御方法及び量子干渉装置を提供すること。【解決手段】量子干渉装置１（原子発振器）は、光発生部１０、第１の光分離部２０、光混合部３０、金属原子４０、第２の光分離部５０、光検出部６０、制御部７０、光変調部８０を含む。第１の光分離部は、光発生部が発生させた一定波長の光１２を第１の光２２と第２の光２４に分離する。光変調部は、第２の光２４の周波数を変調することにより第３の光８２を生成する。光混合部は、第１の光２２と第３の光８２とを混合し、金属原子に照射する。第２の光分離部は、金属原子を透過した光に含まれる第１の光５２と第３の光５４とを分離する。光検出部は、第１の光５２を検出する。制御部は、光検出部の検出信号６２に基づいて、第１の光２２と第３の光８２とが共鳴光対となるように第３の光８２の周波数を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器であって、
一定波長の光を発生させる光発生部と、
前記光発生部が発生させた光を第１の光と第２の光に分離する第１の光分離部と、
前記第２の光の周波数を変調することにより第３の光を生成する光変調部と、
前記第１の光と前記第３の光とを混合する光混合部と、
前記光混合部で混合された光が照射される金属原子と、
前記金属原子を透過した光に含まれる前記第１の光と前記第３の光とを分離する第２の光分離部と、
前記第２の光分離部で分離された前記第１の光を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出信号に基づいて、前記第１の光と前記第３の光とが前記共鳴光対となるように前記第３の光の周波数を制御する制御部と、を含む、原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の光分離部は、
第１の偏光ビームスプリッターにより、光発生部が発生させた光を前記第１の光と前記第２の光に分離する、原子発振器。
【請求項３】
請求項１又は２において、
前記光混合部は、
第２の偏光ビームスプリッターにより、前記第１の光と前記第３の光とを混合する、原子発振器。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記第２の光分離部は、
第３の偏光ビームスプリッターにより、前記金属原子を透過した光に含まれる前記第１の光と前記第３の光とを分離する、原子発振器。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記光変調部は、
前記制御部が生成する制御信号の周波数に応じて前記第２の光の周波数を変調する電気光学変調器を含む、原子発振器。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記光変調部は、
前記制御部が生成する制御信号の周波数に応じて前記第２の光の周波数を変調する音響光学変調器を含む、原子発振器。
【請求項７】
請求項６において、
前記第３の光は、
前記第２の光を入射光として前記音響光学変調器が出力するＭ次（Ｍは１以上の整数）の回折光を前記音響光学変調器に入射することにより、当該Ｍ次の回折光を入射光として前記音響光学変調器が出力するＮ次（Ｎは１以上の整数）の回折光である、原子発振器。
【請求項８】
共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器の制御方法であって、
一定波長の光を発生させる光発生ステップと、
前記光発生ステップで発生させた光を第１の光と第２の光に分離させる第１の光分離ステップと、
前記第２の光の周波数を変調することにより第３の光を生成させる光変調ステップと、
前記第１の光と前記第３の光とを混合させる光混合ステップと、
前記光混合ステップで混合された光を金属原子に照射させる光照射ステップと、
前記金属原子を透過した光に含まれる前記第１の光と前記第３の光とを分離させる第２の光分離ステップと、
前記第２の光分離ステップで分離された前記第１の光を検出させる光検出ステップと、
前記光検出ステップの検出結果に基づいて、前記第１の光と前記第３の光とが前記共鳴光対となるように前記第３の光の周波数を制御させる制御ステップと、を含む、原子発振器の制御方法。
【請求項９】
共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、
一定波長の光を発生させる光発生部と、
前記光発生部が発生させた光を第１の光と第２の光に分離する第１の光分離部と、
前記第２の光の周波数を変調することにより第３の光を生成する光変調部と、
前記第１の光と前記第３の光とを混合する光混合部と、
前記光混合部で混合された光が照射される金属原子と、
前記金属原子を透過した光に含まれる前記第１の光と前記第３の光とを分離する第２の光分離部と、
前記第２の光分離部で分離された前記第１の光を検出する光検出部と、
前記光検出部の検出信号に基づいて、前記第１の光と前記第３の光とが前記共鳴光対となるように前記第３の光の周波数を制御する制御部と、を含む、量子干渉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器、原子発振器の制御方法及び量子干渉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１０に示すように、アルカリ金属原子は、タームシンボル２Ｓ１／２で表される基底準位と、タームシンボル２Ｐ１／２、２Ｐ３／２で表される２つの励起準位とを有することが知られている。さらに、２Ｓ１／２、２Ｐ１／２、２Ｐ３／２の各準位は、複数のエネルギー準位に分裂した超微細構造を有している。具体的には、２Ｓ１／２はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの基底準位を持ち、２Ｐ１／２はＩ＋１／２とＩ−１／２の２つの励起準位を持ち、２Ｐ３／２はＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２の４つの励起準位を持っている。ここで、Ｉは核スピン量子数である。
【０００３】
２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、２Ｐ３／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２，Ｉ−３／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ＋３／２の励起準位に遷移することはできない。２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位にある原子は、Ｄ２線を吸収することで、２Ｐ３／２のＩ＋３／２，Ｉ＋１／２，Ｉ−１／２のいずれかの励起準位に遷移することができるが、Ｉ−３／２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、２Ｐ３／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して２Ｓ１／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の基底準位（元の基底準位又は他方の基底準位のいずれか）に遷移することができる。ここで、２Ｓ１／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と２Ｐ３／２のＩ＋１／２又はＩ−１／２の励起準位からなる３準位（２つの基底準位と１つの励起準位からなる）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。これに対して、２Ｐ３／２のＩ−３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移し、同様に、２Ｐ３／２のＩ＋３／２の励起準位にある原子は、Ｄ２線を放出して必ず２Ｓ１／２のＩ＋１／２の基底準位（元の基底準位）に遷移する。すなわち、２Ｓ１／２のＩ＋１／２，Ｉ−１／２の２つの基底準位と２Ｐ３／２のＩ−３／２又はＩ＋３／２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。
【０００４】
ところで、気体状のアルカリ金属原子に、Λ型３準位を形成する第１の基底準位（２Ｓ１／２のＩ−１／２の基底準位）と励起準位（例えば、２Ｐ３／２のＩ＋１／２の励起準位）とのエネルギー差に相当する周波数（振動数）を有する共鳴光（共鳴光１とする）と、第２の基底準位（２Ｓ１／２のＩ＋１／２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（振動数）を有する共鳴光（共鳴光２とする）とを同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子コヒーレンス状態（暗状態）になり、励起準位への励起が停止する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）と呼ばれることもある）が起こることが知られている。このＥＩＴ現象を起こす共鳴光対（共鳴光１と共鳴光２）の周波数差はアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致する。例えば、セシウム原子は、２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚであるので、セシウム原子に、周波数差が９．１９２６３１７７０ＧＨｚの２種類のＤ１線又はＤ２線のレーザー光を同時に照射すると、ＥＩＴ現象が起こる。
【０００５】
従って、図１１に示すように、周波数がｆ１の光と周波数がｆ２の光を気体状のアルカリ金属原子に同時に照射したとき、この２種類の光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすか否かでアルカリ金属原子を透過する光の強度が急峻に変化する。この急峻に変化する透過光の強度を示す信号はＥＩＴ信号と呼ばれ、共鳴光対の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と正確に一致するときにＥＩＴ信号のレベルがピーク値を示す。そこで、ＥＩＴ信号のピークトップを検出し、アルカリ金属原子に照射する２種類の光の周波数差ｆ１−ｆ２がΔＥ１２に相当する周波数ｆ１２と正確に一致するように制御することで、高精度な発振器を実現することができる。
【０００６】
図１２は、従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図である。図１２に示すように、従来のＥＩＴ方式による原子発振器は、電流駆動回路により発生した周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０は光の波長）を設定するための駆動電流に、周波数がｆｍの変調信号を重畳することにより、半導体レーザーに変調をかけて周波数がｆ０＋ｆｍの光と周波数がｆ０−ｆｍの光を発生させる。この２種類の光はガスセルに同時に照射され、光検出器によりガスセルを透過した光の強度を検出する。ガスセルは気体状のアルカリ金属原子とこれを封入する容器とから構成されており、同時に照射された２種類の光が共鳴光対となれば、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こし、ガスセルを透過する光の強度が大きくなる。そこで、この原子発振器は、低周波発振器が発生する数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低周波信号を用いて検波を行うことで、光検出器が検出する光の強度が最大になるように電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の発振周波数を制御し、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）を介して周波数がｆｍの変調信号を生成する。このような構成によれば、半導体レーザーが出射する、周波数がｆ０＋ｆｍの光と周波数がｆ０−ｆｍの光の周波数差２ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と一致するように、すなわち、変調信号の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と一致するように制御がかかる。従って、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の発振動作が極めて安定に継続し、周波数安定度が極めて高い発振信号を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の原子発振器では、光検出器が検出する光の強度が最大となるように、半導体レーザーの駆動電流をフィードバック制御しているため、半導体レーザーの出射光（共鳴光対）が不安定になり、周波数安定度が劣化するという問題がある。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、共鳴光対の不安定性を解消することにより高い周波数安定度を実現可能な原子発振器、原子発振器の制御方法及び量子干渉装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明は、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器であって、一定波長の光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させた光を第１の光と第２の光に分離する第１の光分離部と、前記第２の光の周波数を変調することにより第３の光を生成する光変調部と、前記第１の光と前記第３の光とを混合する光混合部と、前記光混合部で混合された光が照射される金属原子と、前記金属原子を透過した光に含まれる前記第１の光と前記第３の光とを分離する第２の光分離部と、前記第２の光分離部で分離された前記第１の光を検出する光検出部と、前記光検出部の検出信号に基づいて、前記第１の光と前記第３の光とが前記共鳴光対となるように前記第３の光の周波数を制御する制御部と、を含む、原子発振器である。
【００１１】
本発明によれば、一定波長の光を第１の光と第２の光に分離し、第１の光とともに、第２の光の周波数を変調して発生させた第３の光を金属原子に照射し、金属原子を透過した第３の光を検出して金属原子に照射される第１の光と第３の光が金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対となるように第３の光の周波数を制御する。このフィードバック制御により、第１の光と第３の光の周波数差を一定に保持することができるので、安定した周波数の発振信号を得ることができる。
【００１２】
特に、本発明では、一方の共鳴光となる第１の光にはフィードバック制御による変調をかけず、第２の光にのみ変調をかけて他方の共鳴光である第３の光を発生させている。すなわち、第３の光は、フィードバック制御の影響を受けて若干不安定な周波数の共鳴光であるが、第１の光は、フィードバック制御の影響を受けないので、安定した周波数の共鳴光である。そして、金属原子を透過した若干不安定な周波数の第３の光は分離されて光検出部で検出されず、安定した周波数の第１の光のみが光検出部で検出されるので、光検出部の検出信号の安定性が従来よりも向上する。その結果、周波数安定度が極めて高い原子発振器を実現することができる。
【００１３】
また、本発明によれば、金属原子を透過した第１の光は光検出部で検出されるが、第３の光は光検出部で検出されないので、光検出部のダイナミックレンジを小さくすることができる。
【００１４】
（２）この原子発振器において、前記第１の光分離部は、第１の偏光ビームスプリッターにより、光発生部が発生させた光を前記第１の光と前記第２の光に分離するようにしてもよい。
【００１５】
このように、偏光ビームスプリッターを用いることで、簡単な構成によって、光発生部が発生させた光を偏光成分毎に第１の光と第２の光に分離することができる。
【００１６】
（３）この原子発振器において、前記光混合部は、第２の偏光ビームスプリッターにより、前記第１の光と前記第３の光とを混合するようにしてもよい。
【００１７】
このように、偏光ビームスプリッターを用いることで、簡単な構成によって、異なる偏光の第１の光と第３の光を混合することができる。
【００１８】
（４）この原子発振器において、前記第２の光分離部は、第３の偏光ビームスプリッターにより、前記金属原子を透過した光に含まれる前記第１の光と前記第３の光とを分離するようにしてもよい。
【００１９】
このように、偏光ビームスプリッターを用いることで、簡単な構成によって、金属原子を透過した光を偏光成分毎に第１の光と第３の光に分離することができる。
【００２０】
（５）この原子発振器において、前記光変調部は、前記制御部が生成する制御信号の周波数に応じて前記第２の光の周波数を変調する電気光学変調器を含むようにしてもよい。
【００２１】
このように、電気光学変調器を用いて第２の光の周波数を変調することで、第２の光の周波数と制御信号の周波数との和の周波数の光及び第２の光の周波数と制御信号の周波数との差の周波数の光を生成することができるので、いずれか一方の光を第３の光とすることができる。
【００２２】
（６）この原子発振器において、前記光変調部は、前記制御部が生成する制御信号の周波数に応じて前記第２の光の周波数を変調する音響光学変調器を含むようにしてもよい。
【００２３】
このように、音響光学変調器を用いることで、第２の光を容易に変調することができる。
【００２４】
（７）この原子発振器において、前記第３の光は、前記第２の光を入射光として前記音響光学変調器が出力するＭ次（Ｍは１以上の整数）の回折光を前記音響光学変調器に入射することにより、当該Ｍ次の回折光を入射光として前記音響光学変調器が出力するＮ次（Ｎは１以上の整数）の回折光であるようにしてもよい。
【００２５】
第２の光を入射光としてこの音響光学変調器が出力するＭ次の回折光は、第２の光の周波数と制御信号の周波数のＭ倍との和の周波数の光となる。そして、このＭ次の回折光を入射光としてこの音響光学変調器が出力するＮ次の回折光は、第２の光の周波数と制御信号の周波数の（Ｍ＋Ｎ）倍との和の周波数の光となるので、このＮ次の回折光を第３の光とすることができる。従って、制御信号の周波数を、金属原子の第１の基底準位と第２の基底準位との周波数差の１／（Ｍ＋Ｎ）の周波数と一致させればよいので、フィードバック制御に要する消費電力を低減させることができる。特に、音響光学変調器が出力する１次の回折光は強度が高いので、Ｍ＝Ｎ＝１とすることで、第３の光の強度の低下を抑えることができ、電磁誘起透過現象の発現効率の低下を抑えることができる。
【００２６】
（８）本発明は、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる原子発振器の制御方法であって、一定波長の光を発生させる光発生ステップと、前記光発生ステップで発生させた光を第１の光と第２の光に分離させる第１の光分離ステップと、前記第２の光の周波数を変調することにより第３の光を生成させる光変調ステップと、前記第１の光と前記第３の光とを混合させる光混合ステップと、前記光混合ステップで混合された光を金属原子に照射させる光照射ステップと、前記金属原子を透過した光に含まれる前記第１の光と前記第３の光とを分離させる第２の光分離ステップと、前記第２の光分離ステップで分離された前記第１の光を検出させる光検出ステップと、前記光検出ステップの検出結果に基づいて、前記第１の光と前記第３の光とが前記共鳴光対となるように前記第３の光の周波数を制御させる制御ステップと、を含む、原子発振器の制御方法である。
【００２７】
（９）本発明は、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であって、一定波長の光を発生させる光発生部と、前記光発生部が発生させた光を第１の光と第２の光に分離する第１の光分離部と、前記第２の光の周波数を変調することにより第３の光を生成する光変調部と、前記第１の光と前記第３の光とを混合する光混合部と、前記光混合部で混合された光が照射される金属原子と、前記金属原子を透過した光に含まれる前記第１の光と前記第３の光とを分離する第２の光分離部と、前記第２の光分離部で分離された前記第１の光を検出する光検出部と、前記光検出部の検出信号に基づいて、前記第１の光と前記第３の光とが前記共鳴光対となるように前記第３の光の周波数を制御する制御部と、を含む、量子干渉装置である。
【００２８】
本発明によれば、一定波長の光を第１の光と第２の光に分離し、第１の光とともに、第２の光の周波数を変調して発生させた第３の光を金属原子に照射し、金属原子を透過した第３の光を検出して金属原子に照射される第１の光と第３の光が金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対となるように第３の光の周波数を制御する。このフィードバック制御により、第１の光と第３の光の周波数差を一定に保持するころができるので、安定した周波数の発振信号を得ることができる。特に、本発明では、一方の共鳴光となる第１の光にはフィードバック制御による変調をかけず、第２の光にのみ変調をかけて他方の共鳴光である第３の光を発生させている。すなわち、第３の光は、フィードバック制御の影響を受けて若干不安定な周波数の共鳴光であるが、第１の光は、フィードバック制御の影響を受けないので、安定した周波数の共鳴光である。そして、金属原子を透過した若干不安定な周波数の第３の光は分離されて光検出部で検出されず、安定した周波数の第１の光のみが光検出部で検出されるので、光検出部の検出信号の安定性が従来よりも向上する。その結果、周波数安定度が極めて高い量子干渉装置を実現することができる。
【００２９】
また、本発明によれば、金属原子を透過した第１の光は光検出部で検出されるが、第３の光は光検出部で検出されないので、光検出部のダイナミックレンジを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態の量子干渉装置の機能ブロック図。
【図２】第１実施形態の原子発振器の構成例を示す図。
【図３】周波数スペクトラムの一例を示す概略図。
【図４】ＥＩＴ信号の一例を示す概略図。
【図５】第２実施形態の原子発振器の構成例を示す図。
【図６】周波数スペクトラムの一例を示す概略図。
【図７】音響光学変調器を用いた光変調部の構成例を示す図。
【図８】変形例の原子発振器の構成例を示す図。
【図９】変形例の原子発振器の構成例を示す図。
【図１０】アルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図。
【図１１】ＥＩＴ信号の一例を示す概略図。
【図１２】従来のＥＩＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３２】
１．量子干渉装置
図１は、本実施形態の量子干渉装置の機能ブロック図である。本実施形態の量子干渉装置１は、光発生部１０、第１の光分離部２０、光混合部３０、金属原子４０、第２の光分離部５０、光検出部６０、制御部７０、光変調部８０を含んで構成されている。
【００３３】
光発生部１０は、一定波長の光１２を発生させる。
【００３４】
第１の光分離部２０は、光発生部２０が発生させた光１２を第１の光２２と第２の光２４に分離する。第１の光分離部２０は、例えば、第１の偏光ビームスプリッターにより、光発生部１０が発生させた光１２を第１の光２２と第２の光２４に分離するようにしてもよい。
【００３５】
光変調部８０は、第１の光分離部２０が分離した第２の光２４の周波数を変調することにより第３の光８２を生成する。光変調部８０は、例えば、制御部７０が生成する制御信号７２の周波数に応じて第２の光２４の周波数を変調する電気光学変調器を含むようにしてもよい。また、光変調部８０は、例えば、制御部７０が生成する制御信号７２の周波数に応じて第２の光２４の周波数を変調する音響光学変調器を含むようにしてもよい。この場合、第３の光８２は、第２の光２４を入射光として音響光学変調器が出力するＭ次（Ｍは１以上の整数）の回折光を音響光学変調器に入射することにより、当該Ｍ次の回折光を入射光として音響光学変調器が出力するＮ次（Ｎは１以上の整数）の回折光であるようにしてもよい。
【００３６】
光混合部３０は、第１の光分離部２０が分離した第１の光２２と光変調部８０が生成した第３の光８２とを混合し、金属原子２０に照射する。光混合部３０は、例えば、第２の偏光ビームスプリッターにより、第１の光２２と第３の光８２とを混合するようにしてもよい。
【００３７】
金属原子４０は、Λ型３準位を有する金属原子であり、例えば、ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等のアルカリ金属原子である。
【００３８】
第２の光分離部５０は、金属原子４０を透過した光４２に含まれる第１の光５２と第３の光５４とを分離する。第２の光分離部５０は、例えば、第３の偏光ビームスプリッターにより、金属原子４０を透過した光４２に含まれる第１の光５２と第３の光５４とを分離するようにしてもよい。
【００３９】
光検出部６０は、第２の光分離部５０で分離された第１の光５２を検出する。
【００４０】
制御部７０は、光検出部６０の検出信号６２に基づいて、第１の光２２と第３の光８２とが金属原子４０に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対となるように第３の光８２の周波数を制御する。
【００４１】
以下では、量子干渉装置１の一例として、原子発振器を例に挙げて詳細に説明する。
【００４２】
２．原子発振器
２−１．第１実施形態
図２は、第１実施形態の原子発振器の構成例を示す図である。図２に示すように、第１実施形態の原子発振器１ａは、半導体レーザー１１０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）１２０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０、ガスセル１４０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０、光検出器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０、電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）２２０を含んで構成されている。
【００４３】
ガスセル１４０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子が封入されたものである。
【００４４】
半導体レーザー１１０は、単一波長λ０（単一周波数ｆ０）の光を発生させて偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０に照射する。具体的には、電流駆動回路１００が出力する一定の駆動電流（直流）の設定によって、半導体レーザー１１０の出射光の波長λ０（周波数ｆ０）が一定に制御される。本実施形態では、波長λ０（周波数ｆ０）が、アルカリ金属原子の２Ｐ３/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ２３（周波数ｆ２３）と一致するように駆動電流が設定される。ただし、波長λ０（周波数ｆ０）は、必ずしもλ２３（ｆ２３）と正確に一致させる必要はなく、λ２３（ｆ２３）を中心とする所定範囲の波長（周波数）であってもよい。このような半導体レーザー１１０は、例えば、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどで実現することができる。
【００４５】
半導体レーザー１１０の出射光は、進行方向（Ｚ軸）に対して垂直な２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）とそれぞれ平行な方向に同じ位相で振動する２つの偏光成分（Ｘ偏光、Ｙ偏光）を含む、波長λ０（周波数ｆ０）の直線偏光の光である。図３（Ａ）に、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００４６】
偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０は、半導体レーザー１１０の出射光に含まれる２つの偏光成分（Ｘ偏光、Ｙ偏光）を分離する。偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０は、例えば、２つの三角プリズムを貼り合わせて構成され、反射面（２つの三角プリズムを貼り合わせた面）の法線と光の進行方向を含む面内に含まれる直線偏光（Ｐ偏光）を透過させ、Ｐ偏光と垂直な直線偏光（Ｓ偏光）を反射させる。
【００４７】
本実施形態では、半導体レーザー１１０の出射光に含まれるＸ偏光とＹ偏光がそれぞれＰ偏光とＳ偏光となるように、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０の反射面の角度が調整されている。すなわち、Ｘ偏光は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０を透過して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射する。一方、Ｙ偏光は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０で反射して電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０に入射する。図３（Ｂ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０を透過して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。また、図３（Ｃ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０で反射して電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００４８】
電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０に入射したＹ偏光（波長λ０（周波数ｆ０））は、周波数変換回路２１０の出力信号を変調信号（変調周波数ｆｍ）として変調がかけられる。これにより、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０は変調がかかったＹ偏光、ずなわち、周波数ｆ０のＹ偏光、周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍのＹ偏光、周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍのＹ偏光を含む光を出射する。電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０の出射光は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射する。図３（Ｄ）に、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０から出射して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００４９】
偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０を透過して入射するＸ偏光と、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０が出射するＹ偏光を混合してガスセル１４０に照射する。偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０の構造は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０と同じでよいが、本実施形態では、Ｘ偏光とＹ偏光がそれぞれＰ偏光とＳ偏光となるように、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０が配置されている。すなわち、Ｘ偏光がＰ偏光となって偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０を透過し、Ｙ偏光がＳ偏光となって偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０で反射してガスセル１４０に入射するように、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０の反射面の角度が、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０の反射面の角度と直交するように、調整されている。
【００５０】
偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０で混合されたＸ偏光とＹ偏光は、ガスセル１４０に入射し、ガスセル１４０を透過した光は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０に入射する。図３（Ｅ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０で混合されてガスセル１４０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。また、図３（Ｆ）に、ガスセル１４０を透過して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００５１】
偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０は、ガスセル１４０を透過した光に含まれるＸ偏光とＹ偏光を分離する。偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０の構造は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０と同じでよく、ガスセル１４０を透過した光に含まれるＸ偏光とＹ偏光がそれぞれＰ偏光とＳ偏光となるように、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０の反射面の角度が調整されている。すなわち、Ｘ偏光は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０を透過して光検出器１６０に入射するが、Ｙ偏光は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０で反射して光検出器１６０に入射しない。図３（Ｇ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０を透過して光検出器１６０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。また、図３（Ｈ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０で反射して光検出器１６０に入射しない光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００５２】
光検出器１６０は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０を透過して入射する光を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。前述したように、周波数差が、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致する２種類の光をアルカリ金属原子に照射すると、アルカリ金属原子はＥＩＴ現象を起こす。このＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子の数が多いほどガスセル１４０を透過する光の強度が増大し、光検出器１６０の出力信号の電圧レベルが高くなる。
【００５３】
光検出器１６０の出力信号は検波回路１７０に入力される。検波回路１７０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２００の発振信号を用いて光検出器１６０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路１７０の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が微調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０は、例えば、数ＭＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度で発振する。
【００５４】
変調回路１９０は、検波回路１７０による同期検波を可能とするために、低周波発振器２００の発振信号（検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）を変調信号として電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の出力信号を変調する。変調回路１９０は、周波数混合器（ミキサー）、周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）回路、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）回路等により実現することができる。
【００５５】
周波数変換回路２１０は、一定の周波数変換率で変調回路１９０の出力信号を周波数変換する。例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数の中心値を１０ＭＨｚとして、ガスセル１４０に封入されたアルカリ金属原子がセシウム原子（ΔＥ１２に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚ）であれば、周波数変換率は（９．１９２６３１７７０ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）に設定される。周波数変換回路２１０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現することができる。
【００５６】
そして、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）１２０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０、ガスセル１４０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０、光検出器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、周波数変換回路２１０、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０を通るフィードバックループにより、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数がΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致するように微調整される。例えば、ガスセル１４０に封入されたアルカリ金属原子がセシウム原子であれば、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数がセシウム原子のΔＥ１２に相当する周波数である９．１９２６３１７７０ＧＨｚと一致した状態で安定する。
【００５７】
前述したように、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０に入射したＹ偏光（波長λ０（周波数ｆ０））は、周波数変換回路２１０の出力信号を変調信号（変調周波数ｆｍ）として変調がかけられる。これにより、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０は周波数ｆ０のＹ偏光とともに周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍのＹ偏光と周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍのＹ偏光を含む光を出射し（図３（Ｄ）参照）、これらのＹ偏光は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０で周波数ｆ０のＸ偏光と混合されてガスセル１４０に入射する（図３（Ｅ）参照）。
【００５８】
このような構成の原子発振器１ａでは、周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ（＝ｆ２３＋ｆ１２＝ｆ１３）のＹ偏光と周波数ｆ０（＝ｆ２３）のＸ偏光又はＹ偏光が共鳴光対となり、共鳴光対の周波数差（すなわち、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数ｆｍ）がΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致するか否かでＥＩＴ現象を起こすアルカリ原子の数が急峻に変化する。そのため、光検出器１６０の検出量は極めて敏感に変化し、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。
【００５９】
特に、本実施形態の原子発振器によれば、半導体レーザー１１０が出射する単一波長の光をＸ偏光とＹ偏光に分離し、一方の共鳴光となるＸ偏光にはフィードバック制御による変調をかけず、Ｙ偏光にのみ変調をかけて他方の共鳴光を発生させている。すなわち、Ｙ偏光は、フィードバック制御の影響を受けて若干不安定な周波数の光であるが、Ｘ偏光は、フィードバック制御の影響を受けないので、安定した周波数の光である。そして、ガスセル１４０を透過した若干不安定な周波数のＹ偏光は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０で反射されて光検出器１６０に入射せず、安定した周波数のＸ偏光のみが光検出器１６０に入射するので、光検出器１６０の検出信号の安定性が従来よりも向上する。その結果、周波数安定度が極めて高い原子発振器を実現することができる。
【００６０】
なお、ガスセルに封入された気体状のアルカリ金属原子は、自由に運動しているため入射光に対する相対速度が異なる。そのため、ドップラー効果により、アルカリ金属原子から見た入射光の見かけの波長が異なり、フィードバックループが安定した状態でも、ＥＩＴ現象を起こすアルカリ金属原子は一部にすぎない。その結果、ガスセルを透過する光量は小さく、光検出器のダイナミックレンジは、本来、この光量を検出できる程度に設定すればよい。ただし、フィードバックループが安定するまでは、ガスセルに入射する光がすべてガスセルを透過するため光量がかなり大きく、従来の原子発振器では、ガスセルを透過した光がすべて光検出器に入射するため、光検出器の出力が飽和しないように十分なダイナミックレンジを確保しなければならない。これに対して、本実施形態の原子発振器では、ガスセル１４０と光検出器１６０の間に偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０が設けられていることで、ガスセル１４０を透過した光のうちＹ偏光は反射して光検出器１６０に入射せずＸ偏光のみ光検出器１６０に入射するので、図４に示すように、フィードバックループが安定する前に光検出器１６０に入射する光量を従来よりも低下させることができるので、光検出器１６０のダイナミックレンジを従来よりも小さくすることができる。
【００６１】
なお、図２の電流駆動回路１００と半導体レーザー１１０による構成は、図１の光発生部１０に相当する。また、図２のガスセル１４０に含まれるアルカリ金属原子は、図１の金属原子４０に相当する。また、図２の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０、光検出器１６０、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０は、それぞれ図１の第１の光分離部２０、光混合部３０、第２の光分離部５０、光検出部６０、光変調部８０に相当する。また、図２の検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０による構成は、図１の制御部７０に相当する。
【００６２】
２−２．第２実施形態
図５は、第２実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図である。図６に示すように、第２実施形態の原子発振器１ａは、半導体レーザー１１０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）１２０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０、ガスセル１４０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０、光検出器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）２４０を含み、図２に示した第１実施形態の原子発振器１ａの電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０の代わりに音響光学変調器（ＡＯＭ）２４０を用いて構成されている。なお、図５において、図２と同じ構成には同じ符号を付している。
【００６３】
半導体レーザー１１０は、第１実施形態と同様に、Ｘ偏光とＹ偏光を含む単一波長λ０（単一周波数ｆ０）の光を発生させて偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０に照射する。図６（Ａ）に、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００６４】
偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０は、第１実施形態と同様に、半導体レーザー１１０の出射光に含まれるＸ偏光を透過させるとともに、Ｙ偏光を反射させ、両者を分離する。すなわち、Ｘ偏光は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０を透過して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射し、Ｙ偏光は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０で反射して音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０に入射する。図６（Ｂ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０を透過して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。また、図６（Ｃ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０で反射して音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００６５】
音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０に入射したＹ偏光（波長λ０（周波数ｆ０））は、周波数変換回路２１０の出力信号を変調信号（変調周波数ｆｍ）として変調がかけられる。これにより、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０は周波数ｆ０のＹ偏光とともに、１次の回折光として周波数ｆ０＋ｆｍのＹ偏光、２次の回折光として周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光、・・・を出射する。本実施形態では、この２次の回折光である周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射させる。
【００６６】
あるいは、図７に示すように、周波数ｆ０のＹ偏光をプリズム２３２で反射させ、１／４波長板２３４を介して音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０に入射させる。そして、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０が出射する１次の回折光（周波数ｆ０＋ｆｍのＹ偏光）をミラー２３６で全反射させて音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０に入射させ、この入射光（周波数ｆ０＋ｆｍのＹ偏光）に対する１次の回折光として音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０から出射する光（周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光）を１／４波長板２３４を介してプリズム２３２に入射させる。周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光は、１／４波長板２３４を２回透過した光なので、プリズム２３２で反射せずにそのまま透過する。この周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射させるようにしてもよい。１次の回折光は、２次の回折光よりも光量が大きいので、図７のような構成で周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光を発生させた方が効率がよい。
【００６７】
図６（Ｄ）に、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０から出射して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００６８】
偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０を透過して入射するＸ偏光と、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０が出射するＹ偏光を混合してガスセル１４０に照射する。
【００６９】
偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０で混合されたＸ偏光とＹ偏光は、ガスセル１４０に入射し、ガスセル１４０を透過した光は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０に入射する。図６（Ｅ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０で混合されてガスセル１４０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。また、図６（Ｆ）に、ガスセル１４０を透過して偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００７０】
偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０は、第１実施形態と同様に、ガスセル１４０を透過した光に含まれるＸ偏光とＹ偏光を分離する。すなわち、Ｘ偏光は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０を透過して光検出器１６０に入射するが、Ｙ偏光は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０で反射して光検出器１６０に入射しない。図６（Ｇ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０を透過して光検出器１６０に入射する光の周波数スペクトラムの一例を示す。また、図６（Ｈ）に、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０で反射して光検出器１６０に入射しない光の周波数スペクトラムの一例を示す。
【００７１】
光検出器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０の動作は、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。ただし、周波数変換回路２１０の周波数変換率は、第１実施形態の周波数変換回路２１０の周波数変換率の１／２に設定される。例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数の中心値を１０ＭＨｚとして、ガスセル１４０に封入されたアルカリ金属原子がセシウム原子（ΔＥ１２に相当する周波数は９．１９２６３１７７０ＧＨｚ）であれば、周波数変換率は（９．１９２６３１７７０ＧＨｚ／１０ＭＨｚ×１／２）に設定される。
【００７２】
そして、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）１２０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０、ガスセル１４０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０、光検出器１６０、検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、周波数変換回路２１０、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０を通るフィードバックループにより、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数がΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致するように微調整される。例えば、ガスセル１４０に封入されたアルカリ金属原子がセシウム原子であれば、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数がセシウム原子のΔＥ１２に相当する周波数（９．１９２６３１７７０ＧＨｚ）の１／２の周波数である４．５９６３１５８８５ＧＨｚと一致した状態で安定する。
【００７３】
前述したように、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０に入射したＹ偏光（波長λ０（周波数ｆ０））は、周波数変換回路２１０の出力信号を変調信号（変調周波数ｆｍ）として変調がかけられる。そして、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０で、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０が出射する周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光と周波数ｆ０のＸ偏光が混合されてガスセル１４０に入射する（図６（Ｅ）参照）。
【００７４】
このような構成の原子発振器１ａでは、周波数ｆ０＋２ｆｍ（＝ｆ２３＋ｆ１２＝ｆ１３）のＹ偏光と周波数ｆ０（＝ｆ２３）のＸ偏光又はＹ偏光が共鳴光対となり、共鳴光対の周波数差（すなわち、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数ｆｍの２倍の周波数）がΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致するか否かでＥＩＴ現象を起こすアルカリ原子の数が急峻に変化する。そのため、光検出器１６０の検出量は極めて敏感に変化し、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。
【００７５】
特に、第２実施形態の原子発振器によれば、半導体レーザー１１０が出射する単一波長の光をＸ偏光とＹ偏光に分離し、一方の共鳴光となるＸ偏光にはフィードバック制御による変調をかけず、Ｙ偏光にのみ変調をかけて他方の共鳴光を発生させている。すなわち、Ｙ偏光は、フィードバック制御の影響を受けて若干不安定な周波数の光であるが、Ｘ偏光は、フィードバック制御の影響を受けないので、安定した周波数の光である。そして、ガスセル１４０を透過した若干不安定な周波数のＹ偏光は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０で反射されて光検出器１６０に入射せず、安定した周波数のＸ偏光のみが光検出器１６０に入射するので、光検出器１６０の検出信号の安定性が従来よりも向上する。その結果、周波数安定度が極めて高い原子発振器を実現することができる。
【００７６】
さらに、本実施形態の原子発振器では、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０が出射する周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光を共鳴光とすることで、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数ｆｍがΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数になるので、第１実施形態の原子発振器よりも低消費電力にすることができる。なお、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０が図７のような構成で周波数ｆ０＋２ｆｍのＹ偏光を発生させれば、共鳴光となるＹ偏光の光量の低下を抑えることができるので、ガスセル１４０におけるＥＩＴの発現効率の低下を抑えることができる。従って、原子発振器の周波数安定度の劣化を抑えることができる。
【００７７】
また、第２実施形態の原子発振器も、先に説明した第１実施形態の原子発振器と同様の理由により、光検出器１６０のダイナミックレンジを従来よりも小さくすることができる。
【００７８】
なお、図５の電流駆動回路１００と半導体レーザー１１０による構成は、図１の光発生部１０に相当する。また、図５のガスセル１４０に含まれるアルカリ金属原子は、図１の金属原子４０に相当する。また、図５の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１５０、光検出器１６０、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０は、それぞれ図１の第１の光分離部２０、光混合部３０、第２の光分離部５０、光検出部６０、光変調部８０に相当する。また、図５の検波回路１７０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０、変調回路１９０、低周波発振器２００、周波数変換回路２１０による構成は、図１の制御部７０に相当する。
【００７９】
３．変形例
本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【００８０】
３−１．変形例１
第１次実施形態又は第２実施形態の原子発振器１ａに対して、半導体レーザー１１０の出射光の波長λ０（周波数ｆ０）が、アルカリ金属原子の２Ｐ３/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長λ１３（周波数ｆ１３））と一致するように駆動電流を設定するように変形してもよい。ただし、波長λ０（周波数ｆ０）は、必ずしもλ１３（ｆ１３）と正確に一致させる必要はなく、λ１３（ｆ１３）を中心とする所定範囲の波長（周波数）であってもよい。第１実施形態の原子発振器の場合は、周波数ｆ０（＝ｆ１３）のＸ偏光又はＹ偏光と周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ（＝ｆ１３−ｆ１２＝ｆ２３）のＹ偏光とが共鳴光対となる。また、第２実施形態の原子発振器の場合は、周波数ｆ０（＝ｆ１３）のＸ偏光又はＹ偏光と周波数ｆ０−２ｆｍ（＝ｆ１３−ｆ１２＝ｆ２３）のＹ偏光とが共鳴光対となる。
【００８１】
あるいは、第１次実施形態又は第２実施形態の原子発振器に対して、半導体レーザー１１０の出射光の波長λ０（周波数ｆ０）が、アルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ＋１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数）、又は、アルカリ金属原子の２Ｐ１/２のＩ−１／２の励起準位（Ｉ＋１／２の励起準位でもよい）と２Ｓ１/２のＩ−１／２の基底準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数）と一致するように駆動電流を設定するように変形してもよい。すなわち、半導体レーザー１１０がＤ２線に代えてＤ１線を出射し、Ｄ１線の共鳴光対がガスセル１４０に入射するようにしてもよい。
【００８２】
３−２．変形例２
第２実施形態の原子発振器１ａに対して、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０による２次の回折光（周波数ｆ０＋２ｆｍ）の代わりに０次の光又は３次以上の回折光を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射させるように変形してもよい。その場合、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０に入射するＹ偏光の周波数は、ｆ０＋Ｎ×ｆｍ（Ｎは次数）となるので、周波数変換回路２１０の出力信号の周波数ｆｍが、ΔＥ１２に相当する周波数の１／Ｎの周波数となるようにフィードバック制御すればよい。なお、図７と同様に、音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０の出射光の一部を反射させて音響光学変調器（ＡＯＭ）２３０に入射させることで、周波数ｆ０＋Ｎ×ｆｍのＹ偏光を効率的に発生させることができる。
【００８３】
３−３．変形例３
図８に示すように、図２に示した第１実施形態の原子発振器１ａに対して、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０をハーフミラー２４０に置き換えてもよい。同様に、図９に示すように、図５に示した第２実施形態の原子発振器１ａに対して、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０をハーフミラー２４０に置き換えてもよい。なお、図８及び図９において、それぞれ図２及び図５と同じ構成には同じ符号を付している。
【００８４】
ハーフミラー２４０は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１２０を透過して入射するＸ偏光の約５０％を透過するとともに約５０％を反射させる。同様に、ハーフミラー２４０は、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０が出射するＹ偏光の約５０％を透過するとともに約５０％を反射させる。これにより、ハーフミラー２４０を透過したＸ偏光とハーフミラー２４０で反射したＹ偏光が混合されてガスセル１４０に照射される。
【００８５】
図８及び図９に示した本変形例の原子発振器１ａにおけるその他の構成及び動作は、それぞれ、図２に示した第１実施形態の原子発振器１ａ及び図５に示した第２実施形態の原子発振器１ａ同様であるため、説明を省略する。
【００８６】
本変形例のように、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０をハーフミラー２４０に置き換えても、周波数安定度が極めて高い原子発振器を実現することができる。また、第１実施形態や第２実施形態の原子発振器と比較して、ガスセル１４０におけるＥＩＴの発現効率は落ちるものの、光検出器１６０のダイナミックレンジを小さくすることができる。
【００８７】
なお、本実施形態及び本変形例では原子発振器を例に挙げて説明したが、本発明は、原子発振器に限らず、共鳴光対によって金属原子に電磁誘起透過現象を発生させる様々な量子干渉装置に適用することができる。
【００８８】
例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、ガスセル１４０の周辺の磁場の変化に追従して電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１８０の発振周波数が変化するため、ガスセル１４０の近傍に磁気測定対象物を配置することで磁気センサーとして機能する量子干渉装置を実現することもできる。
【００８９】
また、例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、極めて安定した金属原子の量子干渉状態（量子コヒーレンス状態）を作り出すことができるので、ガスセル１４０に入射する共鳴光対を取り出すことで、量子コンピュータ等に用いる光源として機能する量子干渉装置を実現することもできる。
【００９０】
また、例えば、本実施形態又は変形例の原子発振器と同様の構成により、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）１３０（又はハーフミラー２４０）とガスセル１４０の間の空間に微粒子が存在すると共鳴光対の可干渉性が低下してＥＩＴ信号の強度が低下するため、ＥＩＴ信号のプロファイルを解析することで、微粒子センサーとして機能する量子干渉装置を実現することもできる。
【００９１】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【００９２】
１  量子干渉装置、１ａ  原子発振器、１０  光発生部、２０  第１の光分離部、３０  光混合部、４０  金属原子、５０  第２の光分離部、６０  光検出部、７０  制御部、１００  電流駆動回路、１１０  半導体レーザー、１２０  偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、１３０  偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、１４０  ガスセル、１５０  偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、１６０  光検出器、１７０  検波回路、１８０  電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１９０  変調回路、２００  低周波発振器、２１０  周波数変換回路、２２０  電気光学変調器（ＥＯＭ）、２３０  音響光学変調器（ＡＯＭ）、２３２  プリズム、２３４  １／４波長板、２３６  ミラー、２４０  ハーフミラー
【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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