ホーム > 特許ランキング > 国立研究開発法人理化学研究所
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024171638
(43)【公開日】2024-12-12
(54)【発明の名称】分光装置、連続発振超放射レーザー装置および分光方法
(51)【国際特許分類】
H01S 1/06 20060101AFI20241205BHJP
【ＦＩ】
H01S1/06
【審査請求】未請求
【請求項の数】36
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023088759
(22)【出願日】2023-05-30
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和五年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業「研究題目名：クラウド光格子時計による時空間情報基盤の構築」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願
(71)【出願人】
【識別番号】503359821
【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(72)【発明者】
【氏名】香取 秀俊
(57)【要約】
【課題】磁場を必要とせずに、冷却光による光シフトを受けた原子が分光対象から除去された分光領域を定義する。
【解決手段】分光装置１は、原子供給部１０を備えた第１原子移動経路１１と、第１交差位置Ｐ１で第１原子移動経路１１と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路１２と、第２交差位置Ｐ２で第２原子移動経路１２と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路１３と、第２原子移動経路１２に原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーＬ２０を供給するクロックレーザー光源２０と、を備える。第２原子移動経路１２上の第１交差位置Ｐ１と第２交差位置Ｐ２との間に、クロックレーザーＬ２０が原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域ＳＰが形成される。
【選択図】図２
【解決手段】分光装置１は、原子供給部１０を備えた第１原子移動経路１１と、第１交差位置Ｐ１で第１原子移動経路１１と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路１２と、第２交差位置Ｐ２で第２原子移動経路１２と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路１３と、第２原子移動経路１２に原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーＬ２０を供給するクロックレーザー光源２０と、を備える。第２原子移動経路１２上の第１交差位置Ｐ１と第２交差位置Ｐ２との間に、クロックレーザーＬ２０が原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域ＳＰが形成される。
【選択図】図２
【特許請求の範囲】
【請求項1】
原子供給部を備えた第１原子移動経路と、
第１交差位置で前記第１原子移動経路と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路と、
第２交差位置で前記第２原子移動経路と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路と、
前記第２原子移動経路に原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、を備え、
前記第２原子移動経路上の前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
第１交差位置で前記第１原子移動経路と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路と、
第２交差位置で前記第２原子移動経路と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路と、
前記第２原子移動経路に原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、を備え、
前記第２原子移動経路上の前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
【請求項2】
原子供給部と、
第１原子移動経路と、
第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２原子移動経路と、
第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第３原子移動経路と、
第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第１クロックレーザー光源と、
を備え、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源および前記第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源は、前記第１原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第１移動光格子を形成し、
前記第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源および前記第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源は、前記第２原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第２移動光格子を形成し、
前記第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源および前記第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源は、前記第３原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第３移動光格子を形成し、
前記第１クロックレーザー光源は、前記第２原子移動経路内に、前記第２原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記第１クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
第１原子移動経路と、
第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２原子移動経路と、
第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第３原子移動経路と、
第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第１クロックレーザー光源と、
を備え、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源および前記第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源は、前記第１原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第１移動光格子を形成し、
前記第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源および前記第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源は、前記第２原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第２移動光格子を形成し、
前記第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源および前記第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源は、前記第３原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第３移動光格子を形成し、
前記第１クロックレーザー光源は、前記第２原子移動経路内に、前記第２原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記第１クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
【請求項3】
周辺に磁場が存在するとき、前記第２原子移動経路に第１分光領域を形成するための第１磁気シールドを前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に備えることを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
【請求項4】
周辺に磁場を生成するための磁場生成器を備えることを特徴とする請求項３に記載の分光装置。
【請求項5】
前記第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを前記第２交差位置の後に備えることを特徴とする請求項４に記載の分光装置。
【請求項6】
前記第３原子移動経路内に、前記第３原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第２クロックレーザーを供給するための第２クロックレーザー光源をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の分光装置。
【請求項7】
前記第１クロックレーザーの強度と前記第２クロックレーザーの強度とはそれぞれ異なり、これにより前記第１分光領域および前記第２分光領域にそれぞれ異なる相互作用時間が設定されることで、広帯域制御信号と狭帯域かつ高精度制御信号とをそれぞれ取得することを特徴とする請求項６に記載の分光装置。
【請求項8】
前記光格子レーザーは、時計遷移のシュタルクシフトを生じない魔法周波数に設定されることを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
【請求項9】
前記第１交差位置において、前記第１原子移動経路内に形成される電場と、前記第２原子移動経路内に形成される電場の偏光方向が揃っていること、または、前記第２交差位置において、前記第２原子移動経路内に形成される電場と、前記第３原子移動経路内に形成される電場の偏光方向が揃っていることを特徴とする請求項２に記載の分光装置。
【請求項10】
原子供給部と、
第１原子移動経路と、
第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２原子移動経路と、
第３原子移動経路と、
第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第１クロックレーザー光源と、
を備え、
前記第１原子移動経路の一方の端部と、前記第２原子移動経路の一方の端部とは、光学的に結ばれており、
前記第３原子移動経路の一方の端部と、前記第２原子移動経路の他方の端部とは、光学的に結ばれており、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１原子移動経路用光格子レーザー光源および前記第３原子移動経路用光格子レーザー光源は、前記第１原子移動経路、前記第２原子移動経路および前記第３原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路、前記第２原子移動経路および前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１クロックレーザー光源は、前記第２原子移動経路内に、前記第２原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記第１クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
第１原子移動経路と、
第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第２原子移動経路と、
第３原子移動経路と、
第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、
第１クロックレーザー光源と、
を備え、
前記第１原子移動経路の一方の端部と、前記第２原子移動経路の一方の端部とは、光学的に結ばれており、
前記第３原子移動経路の一方の端部と、前記第２原子移動経路の他方の端部とは、光学的に結ばれており、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１原子移動経路用光格子レーザー光源および前記第３原子移動経路用光格子レーザー光源は、前記第１原子移動経路、前記第２原子移動経路および前記第３原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路、前記第２原子移動経路および前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１クロックレーザー光源は、前記第２原子移動経路内に、前記第２原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記第１クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
【請求項11】
周辺に磁場を生成するための磁場生成器を備えることを特徴とする請求項１０に記載の分光装置。
【請求項12】
前記第２原子移動経路に第１分光領域を形成するための第１磁気シールドを前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に備え、
前記第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを前記第２交差位置の後に備えることを特徴とする請求項１１に記載の分光装置。
前記第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを前記第２交差位置の後に備えることを特徴とする請求項１１に記載の分光装置。
【請求項13】
前記第３原子移動経路内に、前記第３原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第２クロックレーザーを供給するための第２クロックレーザー光源をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の分光装置。
【請求項14】
前記第１クロックレーザーの強度と前記第２クロックレーザーの強度とはそれぞれ異なり、これにより前記第１分光領域および前記第２分光領域にそれぞれ異なる相互作用時間が設定されることで、広帯域制御信号と狭帯域かつ高精度制御信号とをそれぞれ取得することを特徴とする請求項１３に記載の分光装置。
【請求項15】
原子供給部を有する第１原子移動経路と、第２原子移動経路と、第３原子移動経路と、を光路として含む光共振器と、
第１の光格子レーザー光源と、
第２の光格子レーザー光源と、
第１クロックレーザー光源と、
を備え、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１の光格子レーザー光源および前記第２の光格子レーザー光源は、前記光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路、前記第２原子移動経路および前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１クロックレーザー光源は、前記第２原子移動経路内に、前記第２原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記第１クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
第１の光格子レーザー光源と、
第２の光格子レーザー光源と、
第１クロックレーザー光源と、
を備え、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１の光格子レーザー光源および前記第２の光格子レーザー光源は、前記光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路、前記第２原子移動経路および前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１クロックレーザー光源は、前記第２原子移動経路内に、前記第２原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記第１クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
【請求項16】
周辺に磁場を生成するための磁場生成器を備えることを特徴とする請求項１５に記載の分光装置。
【請求項17】
前記第２原子移動経路に第１分光領域を形成するための第１磁気シールドを前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に備え、
前記第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを前記第２交差位置の後に備えることを特徴とする請求項１６に記載の分光装置。
前記第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを前記第２交差位置の後に備えることを特徴とする請求項１６に記載の分光装置。
【請求項18】
前記第３原子移動経路内に、前記第３原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第２クロックレーザーを供給するための第２クロックレーザー光源をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載の分光装置。
【請求項19】
前記第１クロックレーザーの強度と前記第２クロックレーザーの強度とはそれぞれ異なり、これにより前記第１分光領域および前記第２分光領域にそれぞれ異なる相互作用時間が設定されることで、広帯域制御信号と狭帯域かつ高精度制御信号とをそれぞれ取得することを特徴とする請求項１８に記載の分光装置。
【請求項20】
前記光共振器は、リング型光共振器であることを特徴とする請求項１５に記載の分光装置。
【請求項21】
原子供給部を有する第１原子移動経路と、第３原子移動経路と、を光路として含む第１光共振器と、
第２原子移動経路を光路として含む第２光共振器と、
前記第１光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第１光格子レーザー光源と、第２の第１光格子レーザー光源と、
前記第２光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第２光格子レーザー光源と、第２の第２光格子レーザー光源と、
第１クロックレーザー光源と、
を備え、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１の第１光格子レーザー光源および前記第２の第１光格子レーザー光源は、前記第１光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路および前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１の第２光格子レーザー光源および前記第２の第２光格子レーザー光源は、前記第２光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１クロックレーザー光源は、前記第２原子移動経路内に、前記第２原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記第１クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
第２原子移動経路を光路として含む第２光共振器と、
前記第１光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第１光格子レーザー光源と、第２の第１光格子レーザー光源と、
前記第２光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第２光格子レーザー光源と、第２の第２光格子レーザー光源と、
第１クロックレーザー光源と、
を備え、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１の第１光格子レーザー光源および前記第２の第１光格子レーザー光源は、前記第１光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路および前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１の第２光格子レーザー光源および前記第２の第２光格子レーザー光源は、前記第２光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１クロックレーザー光源は、前記第２原子移動経路内に、前記第２原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記第１クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成されることを特徴とする分光装置。
【請求項22】
前記第１光共振器および前記第２光共振器が、それぞれ原子のローディングおよび原子の分光に適した光格子のポテンシャル深さを個別に設定できることを特徴とする請求項２１に記載の分光装置。
【請求項23】
周辺に磁場を生成するための磁場生成器を備えることを特徴とする請求項２１に記載の分光装置。
【請求項24】
前記第２原子移動経路に第１分光領域を形成するための第１磁気シールドを前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に備え、
前記第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを前記第２交差位置の後に備えることを特徴とする請求項２３に記載の分光装置。
前記第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを前記第２交差位置の後に備えることを特徴とする請求項２３に記載の分光装置。
【請求項25】
前記第３原子移動経路内に、前記第３原子移動経路と同軸上を前記原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第２クロックレーザーを供給するための第２クロックレーザー光源をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載の分光装置。
【請求項26】
前記第１クロックレーザーの強度と前記第２クロックレーザーの強度とはそれぞれ異なり、これにより前記第１分光領域および前記第２分光領域にそれぞれ異なる相互作用時間が設定されることで、広帯域制御信号と狭帯域かつ高精度制御信号とをそれぞれ取得することを特徴とする請求項２５に記載の分光装置。
【請求項27】
前記第１光共振器は四角型光共振器であり、前記第２光共振器は三角型光共振器であることを特徴とする請求項２１に記載の分光装置。
【請求項28】
前記第１光共振器および前記第２光共振器は三角型光共振器であることを特徴とする請求項２１に記載の分光装置。
【請求項29】
前記分光領域に冷却光が侵入することを防ぐための遮光板を備えることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項30】
前記分光領域を取り囲む磁気シールドを備えることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項31】
前記磁気シールドの内壁は光を吸収するコーティングが施されていることを特徴とする請求項３０に記載の分光装置。
【請求項32】
前記分光領域を取り囲む黒体輻射シールドを備えることを特徴とする請求項１に記載の分光装置。
【請求項33】
前記黒体輻射シールドの内壁は光を吸収するコーティングが施されていることを特徴とする請求項３２に記載の分光装置。
【請求項34】
原子供給部を有する第１原子移動経路と、第３原子移動経路と、を光路として含む第１光共振器と、
第２原子移動経路を光路として含む第２光共振器と、
前記第１光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第１光格子レーザー光源と、第２の第１光格子レーザー光源と、
前記第２光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第２光格子レーザー光源と、第２の第２光格子レーザー光源と、
を備え、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１の第１光格子レーザー光源および前記第２の第１光格子レーザー光源は、前記第１光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路および前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１の第２光格子レーザー光源および前記第２の第２光格子レーザー光源は、前記第２光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、時計遷移空間が形成され、
前記時計遷移空間を含む前記第２光共振器で超放射レーザーの連続発振がされることを特徴とする連続発振超放射レーザー装置。
第２原子移動経路を光路として含む第２光共振器と、
前記第１光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第１光格子レーザー光源と、第２の第１光格子レーザー光源と、
前記第２光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第２光格子レーザー光源と、第２の第２光格子レーザー光源と、
を備え、
前記原子供給部は、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、
前記第１の第１光格子レーザー光源および前記第２の第１光格子レーザー光源は、前記第１光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第１原子移動経路および前記第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１の第２光格子レーザー光源および前記第２の第２光格子レーザー光源は、前記第２光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、前記第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、
前記第１原子移動経路と前記第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第２原子移動経路と前記第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、
前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、時計遷移空間が形成され、
前記時計遷移空間を含む前記第２光共振器で超放射レーザーの連続発振がされることを特徴とする連続発振超放射レーザー装置。
【請求項35】
前記第２原子移動経路に第１時計遷移空間を形成するための第１磁気シールドと、前記第３原子移動経路に第２時計遷移空間を形成するための第２磁気シールドと、磁場発生器と、ポンプ領域と、をさらに備え、
前記第１時計遷移空間を含む前記第２光共振器で第１の超放射レーザーの連続発振がされ、
前記第２時計遷移空間を含む前記第１光共振器で第２の超放射レーザーの連続発振がされることを特徴とする請求項３４に記載の連続発振超放射レーザー装置。
前記第１時計遷移空間を含む前記第２光共振器で第１の超放射レーザーの連続発振がされ、
前記第２時計遷移空間を含む前記第１光共振器で第２の超放射レーザーの連続発振がされることを特徴とする請求項３４に記載の連続発振超放射レーザー装置。
【請求項36】
分光装置を用いた分光方法であって、
前記分光装置は、原子供給部を備えた第１原子移動経路と、第１交差位置で前記第１原子移動経路と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路と、第２交差位置で前記第２原子移動経路と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路と、第２原子移動経路にクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、を備え、
前記原子供給部を用いて、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給するステップＳ１と、
前記クロックレーザー光源を用いて、前記第２原子移動経路内に、当該第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するステップＳ２と、
前記第２原子移動経路上の前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域を形成するステップＳ３と、を含むことを特徴とする分光方法。
前記分光装置は、原子供給部を備えた第１原子移動経路と、第１交差位置で前記第１原子移動経路と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路と、第２交差位置で前記第２原子移動経路と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路と、第２原子移動経路にクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、を備え、
前記原子供給部を用いて、前記第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給するステップＳ１と、
前記クロックレーザー光源を用いて、前記第２原子移動経路内に、当該第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するステップＳ２と、
前記第２原子移動経路上の前記第１交差位置と前記第２交差位置との間に、前記クロックレーザーが前記原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域を形成するステップＳ３と、を含むことを特徴とする分光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、分光装置、連続発振超放射レーザー装置および分光方法に関する。
【背景技術】
【0002】
原子の性質を精密に調べるための分光法として、ラビ分光、ラムゼー分光が知られている（例えば、非特許文献１参照）。以下、本明細書では、原子、分子、イオンも含めた状態の遷移を「原子遷移」と呼ぶ。
【0003】
これらの分光法では、原子にコヒーレントな励起光（プローブ光）をパルス的に照射することにより、原子を励起する。プローブ光の周波数に応じて原子の遷移確率が鋭敏に変化するので、遷移確率を測定することにより、高い精度で遷移周波数を観測することができる。
【0004】
本発明のもう１つの背景技術に、光格子時計がある。光格子時計は、２００１年に本発明者によって提案された原子時計である。高精度な原子時計は、精密計測を通して科学技術の発展を支えるだけでなく、衛星搭載によるナビゲーションシステムや大容量高速通信ネットワークの構築など、現代社会を支える基盤システムとして重要な役割を担っている。「秒」がセシウム原子のマイクロ波遷移の遷移周波数で定義された１９６７年以来、半世紀にわたって、セシウム原子時計が時間・周波数の基準として用いられてきた。その間にセシウム原子時計は、レーザー冷却技術の導入や原子泉型時計の開発によって、１０年に一桁の割合で精度を上げ、現在ではおよそ１５桁の不確かさを実現し、国際原子時として全世界で共有されている。
【0005】
一方、近年の原子時計の研究は、光周波数コム、狭線幅レーザー光源、光ファイバー周波数伝送に代表される光周波数制御技術の急速な発展とともに、光周波数領域の原子遷移を基準とする光時計の開発に移行しつつある。時計の正確さは、基準とする周波数に比例する。このため、光周波数を基準とする光時計は、マイクロ波を基準とするセシウム時計に対してさらに数桁の高精度化を可能とする。
【0006】
光格子時計は、レーザー光で生成した光格子内に閉じ込められた数１００万個の原子の光領域の共振周波数を基準とすることにより、短時間で高い精度を実現できる原子時計である、２００１年に本発明者によって提案された。光格子時計は、セシウム時計の精度をはるかに凌駕する１８桁の精度を、わずか数秒の短い平均時間で実現可能な次世代原子時計と位置付けられる。
【0007】
一般に光原子時計の原理は、レーザー光を原子に照射し、時計の基準となる原子の共鳴遷移に常に共鳴するように、レーザー光の光周波数を制御することによって、原子固有かつ不変な周波数あるいは時間を実現することである。一方で、正確な時計を実現するためには、原子を取り巻く摂動を排除し、その周波数を正確に読みだす必要がある。特に重要なのが、原子の熱運動によるドップラー効果が引き起こす周波数シフトの除去である。
【0008】
光原子時計の一種である光格子時計は、レーザー光の干渉によって作る微小空間内に原子を閉じ込めることによって、原子の運動を完全に凍結させる。一方で、原子をレーザー光で閉じ込めると、そのレーザー光によって原子の共振周波数がずれてしまう。これを相殺するような「魔法波長」と呼ばれる特定の波長を選ぶことによって、光格子自体の影響も排除することができる。実際に、ストロンチウム、イッテルビウム、水銀、カドミウム、マグネシウムなどで、魔法波長が理論的かつ実験的に決定されている。
【0009】
実現した時計の精度を評価し、光格子時計の周波数を国際原子時へとつなぐために、ストロンチウム原子の共鳴遷移の絶対周波数測定が行われた。その後この測定は、米、仏の研究機関の追試により再現性が確認され、２００６年には「秒」の再定義の有力な候補として、ストロンチウム原子を用いた光格子時計が「秒の二次表現」に採択されるに至っている。光格子時計の精度が向上するとともに、セシウム時計の不確かさが計測精度を制限するようになってきている。従って、さらなる高精度な評価を行うためには、複数台の光格子時計を開発してそれらを直接比較することが不可欠となっている。
【0010】
光格子時計の最近の技術は、例えば特許文献１～３に開示されている。特許文献１には、原子を光格子の格子点付近にトラップし、これを原子移動経路上で移動させて運ぶ「移動光格子」が記載されている。特許文献２には、実効的魔法周波数を設定する態様が記載されている。特許文献３には、周囲の壁から放射される黒体輻射からの影響を低減する輻射シールドが記載されている。
【0011】
光格子時計の応用上の次のステップは、高精度な時計の新たな応用を開拓し、その実用化を図ることである。１８桁もの高い精度で時計計測が可能になると、例えば重力による一般相対性理論的な効果によって、地上のわずかな１ｃｍの高さの違いを、時間の進み方のずれとして検出できるようになる。このような相対論的効果を利用すれば、高精度な時計が、高精度な重力ポテンシャル計として新たな世界をプローブする精密計測ツールとなる。一例として、光格子時計を可搬化してフィールドで利用できるようになれば、地下資源探索、地下空洞、マグマたまりの検出など、新たな測地技術への応用の可能性が広がる。また高信頼化した小型時計を量産して各地に配置し、重力ポテンシャルの時間変動を連続監視することにより、地殻変動の検出、重力場の空間マッピングに応用することも考えられる。今後、時計の小型化、可搬化によって、新たな基盤技術として社会に貢献することが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0012】
【特許文献1】国際公開第２０１４／０２７６３７号
【特許文献2】特表２０１８－５１０４９４号公報
【特許文献3】特開２０１９－１２９１６６号公報
【特許文献4】国際公開第２０２２／１８１４０８号
【非特許文献】
【0013】
【非特許文献1】F. Riehle, “Frequency standards: basics and applications” John Wiley & Sons (2006), ISBN: 978-3-527-60595-8
【非特許文献2】G. Santarelli, C. Audoin, A. Makdissi, P. Laurent, G.J. Dick, A. Clairon, “Frequency stability degradation of an oscillator slaved to a periodically interrogated atomic resonator”, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, 45 (1998) 887-894.
【非特許文献3】Hidetoshi Katori, “Longitudinal Ramsey spectroscopy of atoms for continuous operation of optical clocks”, Applied Physics Express 14, 072006 (2021).
【非特許文献4】T. Kishimoto, H. Hachisu, J. Fujiki, K. Nagato, M. Yasuda, H. Katori, “Electrodynamic trapping of spinless neutral atoms with an atom chip”, Physical Review Letters, 96 (2006) 123001.
【非特許文献5】R. H. Dicke, “Coherence in Spontaneous Radiation Processes” Phys. Rev. 93, 99 (1954)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0014】
ラムゼー分光では、原子と励起光とが２回相互作用する。これらの相互作用間の時間的または空間的間隔が大きいほど、分光計測の測定精度は高くなることが知られている。しかしながら、励起光を空間的に隔てる場合、光を分割、反射させるミラーの機械的安定度が、励起光のコヒーレンスを劣化させる。このため、精度を上げようとして間隔を広げれば広げるほど、ミラーの機械的安定度を高めることが要求される。このため、コヒーレンスの維持が困難となる。一方、励起光を時間的に隔てる場合は、ミラーの機械的安定度の問題からは解放される。しかしその一方で、ラムゼー分光と原子の状態検出とを時間的に分けることが必要となる。この場合、連続的な周波数測定ができないこと、極低温原子の生成と捕獲および状態検出に要する時間はラムゼー分光に対して無駄な時間となることに起因して、Ｄｉｃｋ雑音限界と呼ばれる安定度の限界が生じることが知られている（例えば、非特許文献２参照）。このように、ラビ分光やラムゼー分光を用いる従来の方式では、高精度の周波数測定を連続的に行うことが難しい。さらに、測定精度を上げる目的で原子とレーザー光との相互作用時間を長くするほど、レーザー光には高い周波数安定度が要求される。このようなレーザー光の生成には、数１０ｃｍの長さの光共振器の参照が不可欠なため、装置が大型化する原因となる。すなわち従来の分光手法では、コンパクトな装置で高精度な原子遷移周波数測定をすることが困難である。
【0015】
こうした課題を解決するために、本発明者は、第１の光格子レーザー光源と、第２の光格子レーザー光源と、原子移動経路と、原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給する原子供給部と、原子移動経路内に原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、磁場生成部と、を備えた電子状態スプリッターを開発した（例えば、特許文献４または非特許文献３参照）。この電子状態スプリッターでは、第１の光格子レーザー光源と第２の光格子レーザー光源とが、原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対を供給することにより、定在波のなす光格子が形成されている。この光格子は、原子移動経路に沿って移動する移動光格子である。磁場生成部が、原子移動経路に当該原子移動経路と直交する磁場を生成し、電気双極子遷移許容な電子状態との波動関数の混合を引き起こす。これにより、クロックレーザーによる時計遷移の励起が可能となる。
【0016】
この電子状態スプリッターでは、クロックレーザーの伝播方向と原子の運動方向とが同軸上にあるという独自の特徴を持つ。これにより、原子は「縦励起」される。これに対し、従来のラムゼー分光では、クロックレーザーの伝播方向と、原子の運動方向とが直交している（すなわち原子は「横励起」される）。このため、装置的な位相関係が固定された複数のクロックレーザーを与えることが要求される。これに対し、本発明者の考案した原子の縦励起を用いた手法（以下、「縦励起ラムゼー分光」と呼ぶ）によれば、１本のクロックレーザーで原子ビーム全域をカバーできるため、従来のような複数のクロックレーザー間における位相関係を確定させるための機械的安定度が不要となる。これにより、コンパクトな装置を用いて、高精度な原子遷移周波数測定を実現することができるようになった。
【0017】
縦励起ラムゼー分光の利点についてさらに説明する。光格子中のレーザー分光では、ラムディッケ束縛によりドップラー効果が生じないため、精密分光に最適である。連続的なレーザーの位相計測を行えば、原子時計の安定度を1/τ（τは積算時間）で改善可能となる。ただし、原子は光格子中で残留気体と衝突することにより、１０秒程度の有限の寿命を持つ。従って連続運転のためには、原子の供給（ローディング）が必要となる。このために冷却原子装置から、移動光格子による引き出しが必須である。ラムディッケ束縛の要請を満たすためには、移動光格子の移動方向に対して、同軸上で分光を行う必要がある。縦励起分光では、低温原子の移動光格子へのローディング位置も分光の対象になる。このため、冷却光による光シフトを受けた原子が、精密分光を阻害することが問題となっていた。これに対し、縦励起ラムゼー分光を用いることにより、冷却光による光シフトを受けた原子を分光対象から除去してラムゼー分光領域を定義することができる。
【0018】
しかしながら、特許文献４に開示された縦励起ラムゼー分光では、分光領域を定義するために磁場の生成を必要であり、これが残された課題の１つとなっている。すなわち、磁場を必要とせずに、冷却光による光シフトを受けた原子が分光対象から除去された分光領域を定義できれば、分光精度のさらなる向上や装置の小型化といったさらなる効果が期待できる。
【課題を解決するための手段】
【0019】
上記課題を解決するために、本発明のある態様の分光装置は、原子供給部を備えた第１原子移動経路と、第１交差位置で第１原子移動経路と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路と、第２交差位置で第２原子移動経路と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路と、第２原子移動経路に原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、を備える。第２原子移動経路上の第１交差位置と第２交差位置との間に、クロックレーザーが原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成される。
【0020】
本発明の別の態様もまた、分光装置である。この装置は、原子供給部と、第１原子移動経路と、第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、第２原子移動経路と、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源と、第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源と、第３原子移動経路と、第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、第１クロックレーザー光源と、を備える。原子供給部は、第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源および第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源は、第１原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第１原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第１移動光格子を形成し、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源および第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源は、第２原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第２移動光格子を形成し、第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源および第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源は、第３原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす第３移動光格子を形成し、第１クロックレーザー光源は、第２原子移動経路内に、第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、第１原子移動経路と第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、第２原子移動経路と第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、第１交差位置と第２交差位置との間に、第１クロックレーザーが原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成される。
【0021】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、周辺に磁場が存在するとき、第２原子移動経路に第１分光領域を形成するための第１磁気シールドを第１交差位置と第２交差位置との間に備えてもよい。
【0022】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、周辺に磁場を生成するための磁場生成器を備えてもよい。
【0023】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを第２交差位置の後に備えてもよい。
【0024】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第３原子移動経路内に、第３原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第２クロックレーザーを供給するための第２クロックレーザー光源をさらに備えてもよい。
【0025】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１クロックレーザーの強度と第２クロックレーザーの強度とはそれぞれ異なり、これにより第１分光領域および第２分光領域にそれぞれ異なる相互作用時間が設定されることで、広帯域制御信号と狭帯域かつ高精度制御信号とをそれぞれ取得してもよい。
【0026】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１原子移動経路、第２原子移動経路または第３原子移動経路内で移動光格子を形成する光格子レーザーが、時計遷移のシュタルクシフトを生じない魔法周波数に設定されてもよい。
【0027】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１交差位置において、第１原子移動経路内に形成される電場と、第２原子移動経路内に形成される電場の偏光方向が揃っていてもよく、または、第２交差位置において、第２原子移動経路内に形成される電場と、第３原子移動経路内に形成される電場の偏光方向が揃っていてもよい。交差位置で偏光が揃っていることで、干渉効果によって光格子のポテンシャル深さが増大し、交差・移動光格子間での原子の移行効率が増大する。
【0028】
本発明のさらに別の態様もまた、分光装置である。この装置は、原子供給部と、第１原子移動経路と、第１原子移動経路用光格子レーザー光源と、第２原子移動経路と、第３原子移動経路と、第３原子移動経路用光格子レーザー光源と、第１クロックレーザー光源と、を備える。第１原子移動経路の一方の端部と、第２原子移動経路の一方の端部とは、光学的に結ばれており、第３原子移動経路の一方の端部と、第２原子移動経路の他方の端部とは、光学的に結ばれており、原子供給部は、第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、第１原子移動経路用光格子レーザー光源および第３原子移動経路用光格子レーザー光源は、第１原子移動経路、第２原子移動経路および第３原子移動経路を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第１原子移動経路、第２原子移動経路および第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、第１クロックレーザー光源は、第２原子移動経路内に、第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、第１原子移動経路と第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、第２原子移動経路と第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、第１交差位置と第２交差位置との間に、第１クロックレーザーが原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成される。
【0029】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、周辺に磁場を生成するための磁場生成器を備えてもよい。
【0030】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第２原子移動経路に第１分光領域を形成するための第１磁気シールドを第１交差位置と第２交差位置との間に備えてもよく、第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを第２交差位置の後に備えてもよい。
【0031】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第３原子移動経路内に、第３原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第２クロックレーザーを供給するための第２クロックレーザー光源をさらに備えてもよい。
【0032】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１クロックレーザーの強度と第２クロックレーザーの強度とがそれぞれ異なり、これにより第１分光領域および第２分光領域にそれぞれ異なる相互作用時間が設定されることで、広帯域制御信号と狭帯域かつ高精度制御信号とをそれぞれ取得してもよい。
【0033】
本発明のさらに別の態様もまた、分光装置である。この装置は、原子供給部を有する第１原子移動経路と、第２原子移動経路と、第３原子移動経路と、を光路として含む光共振器と、第１の光格子レーザー光源と、第２の光格子レーザー光源と、第１クロックレーザー光源と、を備える。原子供給部は、第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、第１の光格子レーザー光源および第２の光格子レーザー光源は、光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第１原子移動経路、第２原子移動経路および第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、第１クロックレーザー光源は、第２原子移動経路内に、第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、第１原子移動経路と第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、第２原子移動経路と第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、第１交差位置と第２交差位置との間に、第１クロックレーザーが原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成される。
【0034】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、周辺に磁場を生成するための磁場生成器を備えてもよい。
【0035】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第２原子移動経路に第１分光領域を形成するための第１磁気シールドを第１交差位置と第２交差位置との間に備えてもよく、第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを第２交差位置の後に備えてもよい。
【0036】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第３原子移動経路内に、第３原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第２クロックレーザーを供給するための第２クロックレーザー光源をさらに備えてもよい。
【0037】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１クロックレーザーの強度と第２クロックレーザーの強度とがそれぞれ異なり、これにより第１分光領域および第２分光領域にそれぞれ異なる相互作用時間が設定されることで、広帯域制御信号と狭帯域かつ高精度制御信号とをそれぞれ取得してもよい。
【0038】
いくつかの実施の形態では、光共振器は、リング型光共振器であってもよい。
【0039】
本発明のさらに別の態様もまた、分光装置である。この装置は、原子供給部を有する第１原子移動経路と、第３原子移動経路と、を光路として含む第１光共振器と、第２原子移動経路を光路として含む第２光共振器と、第１光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第１光格子レーザー光源と、第２の第１光格子レーザー光源と、第２光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第２光格子レーザー光源と、第２の第２光格子レーザー光源と、第１クロックレーザー光源と、を備える。原子供給部は、第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、第１の第１光格子レーザー光源および第２の第１光格子レーザー光源は、第１光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第１原子移動経路および第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、第１の第２光格子レーザー光源および第２の第２光格子レーザー光源は、第２光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、第１クロックレーザー光源は、第２原子移動経路内に、第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第１クロックレーザーを供給し、第１原子移動経路と第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、第２原子移動経路と第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、第１交差位置と第２交差位置との間に、第１クロックレーザーが原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域が形成される。
【0040】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１光共振器および第２光共振器が、それぞれ原子のローディングおよび原子の分光に適した光格子のポテンシャル深さを個別に設定できてもよい。
【0041】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、周辺に磁場を生成するための磁場生成器を備えてもよい。
【0042】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第２原子移動経路に第１分光領域を形成するための第１磁気シールドを第１交差位置と第２交差位置との間に備えてもよく、第３原子移動経路に第２分光領域を形成するための第２磁気シールドを第２交差位置の後に備えてもよい。
【0043】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第３原子移動経路内に、第３原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播する第２クロックレーザーを供給するための第２クロックレーザー光源をさらに備えてもよい。
【0044】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１クロックレーザーの強度と第２クロックレーザーの強度とがそれぞれ異なり、これにより第１分光領域および第２分光領域にそれぞれ異なる相互作用時間が設定されることで、広帯域制御信号と狭帯域かつ高精度制御信号とをそれぞれ取得してもよい。
【0045】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１光共振器が四角型光共振器であり、第２光共振器が三角型光共振器であってもよい。
【0046】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、第１光共振器および第２光共振器が三角型光共振器であってもよい。
【0047】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、分光領域に冷却光が侵入することを防ぐための遮光板を備えてもよい。
【0048】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、分光領域を取り囲む磁気シールドを備えてもよい。
【0049】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、磁気シールドの内壁に、光を吸収するコーティングが施されていてもよい。
【0050】
いくつかの実施の形態では、分上記の光装置は、分光領域を取り囲む黒体輻射シールドを備えてもよい。
【0051】
いくつかの実施の形態では、上記の分光装置は、黒体輻射シールドの内壁に、光を吸収するコーティングが施されていてもよい。
【0052】
本発明のさらに別の態様は、連続発振超放射レーザー装置である。この装置は、原子供給部を有する第１原子移動経路と、第３原子移動経路と、を光路として含む第１光共振器と、第２原子移動経路を光路として含む第２光共振器と、第１光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第１光格子レーザー光源と、第２の第１光格子レーザー光源と、第２光共振器に光格子レーザーを供給する第１の第２光格子レーザー光源と、第２の第２光格子レーザー光源と、を備える。原子供給部は、第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給し、第１の第１光格子レーザー光源および第２の第１光格子レーザー光源は、第１光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第１原子移動経路および第３原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、第１の第２光格子レーザー光源および第２の第２光格子レーザー光源は、第２光共振器内を互いに逆向きに進む光格子レーザーの対であって光周波数が互いにシフトされている光格子レーザーの対を供給することにより、第２原子移動経路に沿って移動する定在波のなす移動光格子を形成し、第１原子移動経路と第２原子移動経路とは、第１交差位置で有限の角度をなして交差し、第２原子移動経路と第３原子移動経路とは、第２交差位置で有限の角度をなして交差し、第１交差位置と第２交差位置との間に、時計遷移空間が形成され、時計遷移空間を含む第２光共振器で超放射レーザーの連続発振がされる。
【0053】
いくつかの実施の形態では、上記の連続発振超放射レーザー装置は、第２原子移動経路に第１時計遷移空間を形成するための第１磁気シールドと、第３原子移動経路に第２時計遷移空間を形成するための第２磁気シールドと、磁場発生器と、ポンプ領域と、をさらに備えてもよい。第１時計遷移空間を含む第２光共振器で第１の超放射レーザーの連続発振がされ、第２時計遷移空間を含む第１光共振器で第２の超放射レーザーの連続発振がされてもよい。
【0054】
本発明のさらに別の態様は、分光方法である。この方法は、分光装置を用いた分光方法であって、分光装置は、原子供給部を備えた第１原子移動経路と、第１交差位置で第１原子移動経路と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路と、第２交差位置で第２原子移動経路と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路と、第２原子移動経路にクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、を備える。原子供給部を用いて、第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給するステップＳ１と、クロックレーザー光源を用いて、第２原子移動経路内に、当該第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するステップＳ２と、第２原子移動経路上の第１交差位置と第２交差位置との間に、クロックレーザーが原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域を形成するステップＳ３と、を含む。
【0055】
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を装置、方法、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【0056】
本発明によれば、冷却光による光シフトを受けた原子が分光対象から除去された縦励起分光領域を定義することができる。この縦励起分光の一例として、縦励起ラビ分光、縦励起ラムゼー分光が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【0057】
【図1】従来手法のラムゼー分光による原子遷移周波数測定装置の模式図である。
【図2】第１の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図3】第２の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図4】第３の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図5】第４の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図6】第５の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図7】第６の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図8】第７の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図9】第８の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図10】第９の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図11】第１０の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図12】第１１の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図13】第１２の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図14】第１３の実施の形態に係る分光装置の模式図である。
【図15】第１４の実施の形態に係る連続発振超放射レーザー装置の模式図である。
【図16】第１５の実施の形態に係る連続発振超放射レーザー装置の模式図である。
【図17】第１６の実施の形態に係る分光方法の処理手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0058】
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項の中で「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するだけのためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。
【0059】
具体的な実施の形態を説明する前に、基礎となる知見を述べる。図１は、従来手法のラムゼー分光による原子遷移周波数測定装置１０００の模式図である。原子遷移周波数測定装置１０００は、原子供給部（例えば、原子を加熱するためのオーブン）１００１と、４本の平行なクロックレーザー１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃおよび１００２ｄと、検出器９０００と、を備える。原子供給部１００１で供給された原子ビームは、紙面の右向きに速度ｖで運動する。クロックレーザー１００２ａおよび１００２ｂは紙面の上向き、クロックレーザー１００２ｃおよび１００２ｄは紙面の下向きであるが、これらはいずれも原子の運動方向と直交する。基底状態の原子は、クロックレーザー１００２ａと相互作用し基底状態と励起状態の重ね合わせ状態に遷移する。このうち励起状態に遷移する際には、プローブ光子の運動量を付与される結果、原子の軌道も２つに分岐する。同様の電子状態と運動状態の遷移が１００２ｂ－１００２ｃで起こる結果、２つの閉じた原子軌道Ｔｒ１およびＴｒ２が形成される（図１では２つの台形で示されている）。これらは２つの独立な干渉計となっている。この干渉計を用いて、原子遷移の周波数を測定することができる。このとき、原子とクロックレーザーとの相互作用時間が長ければ長いほど測定精度は向上する。しかしその反面、クロックレーザー照射の機械的安定性が損なわれる。その結果、計測精度が劣化する。すなわち、測定精度を上げようとすればするほど、４本のクロックレーザー間の位相制御を機械的に行うことが難しいというトレードオフが発生する。これにより、測定精度の向上に限界が生まれる。さらにこうした干渉計を原子時計に使う場合、干渉計が有限な面積を囲むため、サニャック効果による回転加速度が検出される。これは、原子時計にとってはノイズとなる。
【0060】
［第１の実施の形態］
図２は、第１の実施の形態に係る原子の分光装置１の模式図である。分光装置１は、原子供給部１０と、第１原子移動経路１１と、第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１と、第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２と、第２原子移動経路１２と、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１と、第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２と、第３原子移動経路１３と、第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１と、第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２と、クロックレーザー光源２０と、を備える。
図２は、第１の実施の形態に係る原子の分光装置１の模式図である。分光装置１は、原子供給部１０と、第１原子移動経路１１と、第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１と、第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２と、第２原子移動経路１２と、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１と、第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２と、第３原子移動経路１３と、第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１と、第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２と、クロックレーザー光源２０と、を備える。
【0061】
第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３は、内部を原子が移動するためのガイドとして機能する。第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３は、それぞれ同様の材料または構造で構成されていてもよい。
【0062】
図２の例では、第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３は、自由空間または中空コアファイバーなどを用いた光導波路により構成してもよい。
【0063】
第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１は、第１原子移動経路１１に、光格子レーザーＬ１１を供給するように配置される。第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２は、第１原子移動経路１１に、光格子レーザーＬ１２を供給するように配置される。第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１は、第２原子移動経路１２に、光格子レーザーＬ２１を供給するように配置される。第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２は、第２原子移動経路１２に、光格子レーザーＬ２２を供給するように配置される。クロックレーザー光源２０は、第２原子移動経路１２に、クロックレーザーＬ２０を供給するように配置される。第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１は、第３原子移動経路１３に、光格子レーザーＬ３１を供給するように配置される。第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２は、第３原子移動経路１３に、光格子レーザーＬ３２を供給するように配置される。
【0064】
第１原子移動経路１１と第２原子移動経路１２とは、第１交差位置Ｐ１で有限の角度をなして交差する。第２原子移動経路１２と第３原子移動経路１３とは、第２交差位置Ｐ２で有限の角度をなして交差する。なお図２では、第１原子移動経路１１と第２原子移動経路１２とは、第１交差位置Ｐ１で９０度の角度をなして交差している。そして第２原子移動経路１２と第３原子移動経路１３とは、第２交差位置Ｐ２で９０度の角度をなして交差している。しかしこれに限られず、これらの原子移動経路同士のなす角度は、任意の有限の大きさであってよい。
【0065】
原子供給部１０は、原子供給源と、レーザー冷却用のレーザー光源と、を含んで構成される。原子供給源は、第１原子移動経路１１を一定速度で移動する原子（例えば８８Ｓｒまたは８７Ｓｒ）を供給する。すなわち原子は、原子供給部１０内のレーザー冷却用のレーザー光源と相互作用して冷却された後、第１原子移動経路１１に送られる。この原子は、第１原子移動経路１１を一定速度ｖで移動する。
【0066】
第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１および第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２は、互いに逆向きに進む光格子レーザーの対（光格子レーザーＬ１１および光格子レーザーＬ１２）を供給する。これにより、第１原子移動経路１１に、定在波のなす光格子が形成される。
【0067】
光格子レーザーの周波数は、例えば、魔法周波数からドップラーシフト分ずれた周波数に設定してもよい。
【0068】
光格子レーザーＬ１１および光格子レーザーＬ１２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第１原子移動経路１１に沿って移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子供給部１０で供給された原子を、第１原子移動経路１１に沿って一定速度ｖで運ぶ。
【0069】
第１原子移動経路１１に沿って紙面の左から右に移動した原子は、第１交差位置Ｐ１で、第２原子移動経路１２に乗り移る。その結果、原子の運動方向は、紙面下側に向って９０度曲がる。
【0070】
第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１および第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２は、互いに逆向きに進む光格子レーザーの対（光格子レーザーＬ２１および光格子レーザーＬ２２）を供給する。これにより、第２原子移動経路１２に、定在波のなす光格子が形成される。
【0071】
光格子レーザーの周波数は、例えば、魔法周波数からドップラーシフト分ずれた周波数に設定してもよい。
【0072】
光格子レーザーＬ２１および光格子レーザーＬ２２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第２原子移動経路１２に沿って移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、第１原子移動経路１１から来た原子を、第２原子移動経路１２に沿って一定速度ｖで運ぶ。
【0073】
クロックレーザー光源２０は、第２原子移動経路１２内に、第２原子移動経路１２と同軸上を、当該原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーＬ２０を供給する。すなわちクロックレーザーＬ２０の伝播方向は、第２原子移動経路１２と平行または反平行である。一例として、図２では、原子の運動と同じ向きに伝播するクロックレーザーを示している。
【0074】
第１交差位置Ｐ１と第２交差位置Ｐ２との間に、分光領域ＳＰが形成される。この分光境域において、クロックレーザーＬ２０が、第２原子移動経路１２に沿って動く原子に時計遷移の励起を生じさせる。図２に示されるように、クロックレーザーＬ２０の伝播方向と原子の運動方向とが同軸上にあるので、この原子は「縦励起」される。
【0075】
第１原子移動経路１１と第２原子移動経路１２とが、有限の角度をなして交差していることにより、原子供給部１０で用いられたレーザー冷却光の迷光が第２原子移動経路１２に侵入し、分光対象の原子が光シフトを被ることが防げる。また、冷却光による光シフトを受けた原子が、分光対象から除去されている。
【0076】
第２原子移動経路１２に沿って紙面の上から下に移動して、分光領域ＳＰで縦励起された原子は、第２交差位置Ｐ２で、第３原子移動経路１３に乗り移る。その結果、原子の運動方向は、紙面左側に向って９０度曲がる。
【0077】
第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１および第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２は、互いに逆向きに進む光格子レーザーの対（光格子レーザーＬ３１および光格子レーザーＬ３２）を供給する。これにより、第３原子移動経路１３に、定在波のなす光格子が形成される。
【0078】
光格子レーザーの周波数は、例えば、魔法周波数からドップラーシフト分ずれた周波数に設定してもよい。
【0079】
光格子レーザーＬ３１および光格子レーザーＬ３２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第３原子移動経路１３に沿って移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、第２原子移動経路１２から来た原子を、第３原子移動経路１３に沿って一定速度ｖで運ぶ。
【0080】
第３原子移動経路１３に沿って移動する原子の電子状態は、第３原子移動経路１３上の任意の測定位置（例えば、図２の測定位置Ｐ３）で、検出器９０を用いて射影測定することができる。この射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0081】
この実施の形態では、第１原子移動経路１１上で原子を供給し、第２原子移動経路１２上で分光を行い、第３原子移動経路１３上で測定を行っている。この意味で、第１原子移動経路を原子供給経路と呼び、第２原子移動経路を分光経路と呼び、第３原子移動経路を測定経路と呼ぶこともできる。
【0082】
上記の例では、第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３は、自由空間中の移動光格子または中空コアファイバーなどを用いた光導波路により構成された。しかしこれに限られず、第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３は、供給された原子が紙面の左から右に向かって移動するガイドとして機能するものであれば、任意の好適な材料で形成されてもよい。例えば第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３は、自由空間中の移動定在波、光共振器中の移動定在波、光導波路中の移動定在波などを用いて形成することができる。これらの定在波を構成する光格子レーザーは、時計遷移のシュタルクシフトを生じない魔法周波数に設定してもよい。
【0083】
あるいは、原子ガイドは、２次元の磁場トラップ、２次元の電場トラップによって形成してもよい（例えば、非特許文献４参照）。
【0084】
第１交差位置Ｐ１において、第１原子移動経路内に形成される電場と、第２原子移動経路内に形成される電場の偏光方向が揃っていてもよい。同様に、第２交差位置Ｐ２において、第２原子移動経路内に形成される電場と、第３原子移動経路内に形成される電場の偏光方向が揃っていてもよい。このように、２つの原子移動経路の交差位置で、２つの原子移動経路内に形成される電場の偏光方向が揃っていることにより、電場同士で強め合う干渉が発生する。これにより、原子は、一方の原子移動経路から他方の原子移動経路に、より確実に乗り移ることができる。
【0085】
分光領域ＳＰでは、縦励起ラムゼー分光の他、ラビ分光が可能である。
【0086】
以上説明したように、本実施の形態では、移動光格子で形成した３本の原子移動経路のうち、原子供給経路と分光経路、および、分光経路と測定経路を、それぞれ有限の角度をなして交差させている。これにより、２つの交差位置の間の分光経路上に分光領域が形成される。この分光領域には、レーザー冷却光の迷光が侵入しないという顕著な利点がある。
【0087】
従って、本実施の形態によれば、縦励起ラムゼー分光において、磁場を必要とすることなく、冷却光による光シフトを受けた原子が分光対象から除去された分光領域を定義することができる。
【0088】
このような分光方法は、原子遷移周波数測定装置、原子発振器、光格子時計、量子コンピュータなど様々な用途に応用することができる。
【0089】
［第２の実施の形態］
上で説明した第１の実施の形態は、分光装置１の周辺に磁場が存在しないことを仮定した。しかし実際には、原子供給部１０の冷却領域の周辺にしばしば１０Ｇ程度のトラップ磁場が発生し、その周囲数ｃｍの領域に残留磁場が存在する。このような磁場の存在下では、分光を目的とする領域に磁気シールドを設けることで、分光領域を定義することができる。
上で説明した第１の実施の形態は、分光装置１の周辺に磁場が存在しないことを仮定した。しかし実際には、原子供給部１０の冷却領域の周辺にしばしば１０Ｇ程度のトラップ磁場が発生し、その周囲数ｃｍの領域に残留磁場が存在する。このような磁場の存在下では、分光を目的とする領域に磁気シールドを設けることで、分光領域を定義することができる。
【0090】
図３は、第２の実施の形態に係る原子の分光装置２の模式図である。分光装置２は、原子供給部１０と、第１原子移動経路１１と、第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１と、第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２と、第２原子移動経路１２と、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１と、第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２と、第３原子移動経路１３と、第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１と、第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２と、クロックレーザー光源２０と、磁気シールドＭＳと、を備える。すなわち、分光装置２は、図２の分光装置１に対して、磁気シールドＭＳを追加的に備えている。分光装置２のその他の構成は、分光装置１の構成と共通である。
【0091】
第２原子移動経路１２の周辺には磁場Ｂが存在する。磁場Ｂを遮蔽するための磁気シールドＭＳが、第２原子移動経路１２の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。
【0092】
第２原子移動経路１２は、磁気シールドＭＳの内部には磁場が存在せず、それ以外の領域には磁場が存在する。その結果、第２原子移動経路１２を移動する原子は、磁気シールド以外の領域では残留磁場によるゼーマンシフトによってクロックレーザーＬ２０と非共鳴になる一方、磁気シールドＭＳの内部では近共鳴となりクロックレーザーＬ２０と相互作用する分光領域ＳＰとなる。磁気シールドＭＳから出た原子は再び非共鳴となるので、このときの第２原子移動経路１２は非分光領域である。このように、分光装置２の周辺に磁場が存在する場合は、第２原子移動経路に磁気シールドＭＳを設けることにより、分光領域を定義することができる。
【0093】
分光装置２では、原子が分光領域ＳＰを通過した後の第２原子移動経路１２の非分光領域に測定位置を設けることができる。すなわち、第２原子移動経路１２に沿って移動する原子の電子状態は、第２原子移動経路１２上の分光領域ＳＰより後の任意の測定位置（例えば、図３の測定位置Ｐ４）で、検出器９１を用いて射影測定することができる。この射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0094】
磁場Ｂは、冷却領域の周辺に存在するトラップ磁場に限られない。磁場Ｂは、例えばコイルなどの磁場発生器を用いて、意図的に分光装置全体に印加したものであってもよい。
【0095】
図４は、周辺に磁場を生成するための磁場発生器ＢＧを備える分光装置３の模式図である。
【0096】
［第４の実施の形態］
図５は、第４の実施の形態に係る原子の分光装置４の模式図である。分光装置４は、原子供給部１０と、第１原子移動経路１１と、第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１と、第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２と、第２原子移動経路１２と、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１と、第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２と、第３原子移動経路１３と、第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１と、第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２と、クロックレーザー光源２０と、クロックレーザー光源２０１と、第１磁気シールドＭＳ１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を備える。すなわち、分光装置４は、図４の分光装置３に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備えている。分光装置４のその他の構成は、分光装置３の構成と共通である。
図５は、第４の実施の形態に係る原子の分光装置４の模式図である。分光装置４は、原子供給部１０と、第１原子移動経路１１と、第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１と、第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２と、第２原子移動経路１２と、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１と、第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２と、第３原子移動経路１３と、第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１と、第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２と、クロックレーザー光源２０と、クロックレーザー光源２０１と、第１磁気シールドＭＳ１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を備える。すなわち、分光装置４は、図４の分光装置３に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備えている。分光装置４のその他の構成は、分光装置３の構成と共通である。
【0097】
第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３の周辺には、磁場発生器ＢＧによって生成された磁場Ｂが存在する。磁場Ｂを遮蔽するための第１磁気シールドＭＳ１が、第２原子移動経路１２の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。同様に、磁場Ｂを遮蔽するための第２磁気シールドＭＳ２が、第３原子移動経路１３の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。
【0098】
クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３に、クロックレーザーＬ２０１を供給するように配置される。具体的には、クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３内に、第３原子移動経路１３と同軸上を、当該原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーＬ２０１を供給する。すなわちクロックレーザーＬ２０１の伝播方向は、第３原子移動経路１３と平行または反平行である。一例として、図５では、原子の運動と同じ向きに伝播するクロックレーザーを示している。
【0099】
ポンプ領域Ｐ６は、第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の後方に配置される。第１磁気シールドＭＳ１を出た励起状態にある原子は、ポンプ領域Ｐ６で基底状態に光ポンプされる。
【0100】
第２の実施の形態と同様の議論により、第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の内部は第１分光領域ＳＰ１となり、第３原子移動経路１３の第２磁気シールドＭＳ２の内部は第２分光領域ＳＰ２となる。それ以外の領域は非分光領域となる。
【0101】
第２原子移動経路１２に沿って移動する原子の電子状態は、第２原子移動経路１２上の第１分光領域ＳＰ１より後の任意の測定位置（例えば、図５の測定位置Ｐ４）で、検出器９１を用いて射影測定することができる。同様に、第３原子移動経路１３に沿って移動する原子の電子状態は、第３原子移動経路１３上の第２分光領域ＳＰ２より後の任意の測定位置（例えば、図５の測定位置Ｐ５）で、検出器９２を用いて射影測定することができる。これらの射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0102】
第１分光領域ＳＰ１に対するクロックレーザーＬ２０のラビ周波数をΩ１、第２分光領域ＳＰ２に対するクロックレーザーＬ２０１のラビ周波数をΩ２とする。このとき、第１分光領域ＳＰ１、第２分光領域ＳＰ２でのラビ分光時間は、それぞれ、Ｔ１＝π／Ω１、Ｔ２＝π／Ω２と表される。このとき、例えば、Ω１＜Ω２と設定することで、Ｔ１＞Ｔ２を実現すれば、ＳＰ１では狭帯域の高精度周波数制御に必要な信号を取得し、ＳＰ２では高速周波数制御に必要な信号を取得することができる。
【0103】
このように、分光装置内に複数の分光領域を定義することができる。これにより、分光装置内に複数の測定位置を設けることができる。さらに複数の強度の異なるクロックレーザーを用いることにより、異なる相互作用時間（すなわち、ラビ分光時間Ｔ１、Ｔ２）を設定することができる。これにより、「広帯域制御信号」と「狭帯域かつ高精度制御信号」とをそれぞれ取得することができる。
【0104】
［第５の実施の形態］
図６は、第５の実施の形態に係る原子の分光装置５の模式図である。分光装置５は、図１の分光装置１に対して、第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１、第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２、第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２を備えない。すなわち、分光装置５は、第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１と、第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１と、を備える（「第１の」「第２の」という文言は省略した）。さらに分光装置５は、分光装置１の構成に加えて、ミラーＭ１と、ミラーＭ２と、ミラーＭ３と、ミラーＭ４と、を備える。
図６は、第５の実施の形態に係る原子の分光装置５の模式図である。分光装置５は、図１の分光装置１に対して、第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１２、第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２１、第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源１２２、第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３２を備えない。すなわち、分光装置５は、第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１と、第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１と、を備える（「第１の」「第２の」という文言は省略した）。さらに分光装置５は、分光装置１の構成に加えて、ミラーＭ１と、ミラーＭ２と、ミラーＭ３と、ミラーＭ４と、を備える。
【0105】
以下、分光装置５について、分光装置１との相違点に焦点を当てて説明する。分光装置１と重複する事項については、適宜説明を省略する。
【0106】
ミラーＭ１は、第１原子移動経路１１の、第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１と反対側に設置される。ミラーＭ２は、第２原子移動経路１２の一方の端部に設置される。ミラーＭ３は、第３原子移動経路１３の、第３原子移動経路用光格子レーザー光源１１３と反対側に設置される。ミラーＭ４は、第２原子移動経路１２のミラーＭ２と反対側の端部に設置される。ミラーＭ１とミラーＭ２とは、光路を介して光学的に結ばれる。ミラーＭ３とミラーＭ４とは、光路を介して光学的に結ばれる。
【0107】
第１原子移動経路１１と、第２原子移動経路とは、第１交差位置Ｐ１で有限の角度をなして交差している。第２原子移動経路１２と、第２原子移動経路とは、第２交差位置Ｐ２で有限の角度をなして交差している。
【0108】
第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１は、光格子レーザーＬ１１を第１原子移動経路１１に供給する。第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１は、光格子レーザーＬ３１を第３原子移動経路１３に供給する。
【0109】
第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１からの光格子レーザーＬ１１は、第１原子移動経路１１内を紙面の左から右に伝搬した後、最初にミラーＭ１で反射され、次にミラーＭ２で反射された後、第２原子移動経路１２に入射する。その後、光格子レーザーＬ１１は、第２原子移動経路１２内を紙面の上から下に伝搬する。すなわち光格子レーザーＬ１１は、ここでは図２の光格子レーザーＬ２１として振る舞う。
【0110】
光格子レーザーＬ１１（すなわち光格子レーザーＬ２１）は、第２原子移動経路１２内を紙面の上から下に伝搬した後、最初にミラーＭ４で反射され、次にミラーＭ３で反射された後、第３原子移動経路１３に入射する。その後、光格子レーザーＬ１１は、第３原子移動経路１３内を紙面の右から左に伝搬する。すなわち光格子レーザーＬ１１は、ここでは図２の光格子レーザーＬ３１として振る舞う。
【0111】
第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１からの光格子レーザーＬ３１は、第３原子移動経路１３内を紙面の左から右に伝搬した後、最初にミラーＭ３で反射され、次にミラーＭ４で反射された後、第２原子移動経路１２に入射する。その後、光格子レーザーＬ３１は、第２原子移動経路１２内を紙面の下から上に伝搬する。すなわち光格子レーザーＬ３１は、ここでは図２の光格子レーザーＬ２２として振る舞う。
【0112】
光格子レーザーＬ３１（すなわち光格子レーザーＬ２２）は、第２原子移動経路１２内を紙面の下から上に伝搬した後、最初にミラーＭ２で反射され、次にミラーＭ１で反射された後、第１原子移動経路１１に入射する。その後、光格子レーザーＬ３１は、第１原子移動経路１１内を紙面の右から左に伝搬する。すなわち光格子レーザーＬ３１は、ここでは図２の光格子レーザーＬ１２として振る舞う。
【0113】
第１原子移動経路用光格子レーザー光源１１１および第３原子移動経路用光格子レーザー光源１３１は、互いに逆向きに進む光格子レーザーの対（光格子レーザーＬ１１および光格子レーザーＬ３１）を供給する。これにより、第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３に、定在波のなす光格子が形成される。
【0114】
光格子レーザーの周波数は、例えば、魔法周波数からドップラーシフト分ずれた周波数に設定してもよい。
【0115】
光格子レーザーＬ１１および光格子レーザーＬ３１は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３に沿って移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子を、第１原子移動経路１１、第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３に沿って一定速度ｖで運ぶ。
【0116】
第２原子移動経路１２の、第１交差位置Ｐ１と第２交差位置Ｐ２との間に分光領域ＳＰが定義される。
【0117】
第３原子移動経路１３に沿って運動する原子は、第３原子移動経路１３上の任意の測定位置（例えば、図４の測定位置Ｐ３）で、検出器９０を用いて射影測定することができる。この射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0118】
この実施の形態によれば、図２の分光装置１と同等の効果を発揮しつつ、分光装置１に比べて、光格子レーザー光源を削減することができる。
【0119】
［第６の実施の形態］
図７は、第６の実施の形態に係る原子の分光装置６の模式図である。分光装置６は、図６の分光装置５に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備える。分光装置６のその他の構成は、分光装置５の構成と共通である。
図７は、第６の実施の形態に係る原子の分光装置６の模式図である。分光装置６は、図６の分光装置５に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備える。分光装置６のその他の構成は、分光装置５の構成と共通である。
【0120】
第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３の周辺には、磁場発生器ＢＧによって生成された磁場Ｂが存在する。磁場Ｂを遮蔽するための第１磁気シールドＭＳ１が、第２原子移動経路１２の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。同様に、磁場Ｂを遮蔽するための第２磁気シールドＭＳ２が、第３原子移動経路１３の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。
【0121】
クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３に、クロックレーザーＬ２０１を供給するように配置される。具体的には、クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３内に、第３原子移動経路１３と同軸上を、当該原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーＬ２０１を供給する。すなわちクロックレーザーＬ２０１の伝播方向は、第３原子移動経路１３と平行または反平行である。一例として、図７では、原子の運動と同じ向きに伝播するクロックレーザーを示している。
【0122】
ポンプ領域Ｐ６は、第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の後方に配置される。第１磁気シールドＭＳ１を出た励起状態にある原子は、ポンプ領域Ｐ６で基底状態に光ポンプされる。
【0123】
第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の内部は第１分光領域ＳＰ１となり、第３原子移動経路１３の第２磁気シールドＭＳ２の内部は第２分光領域ＳＰ２となる。それ以外の領域は非分光領域となる。
【0124】
第２原子移動経路１２に沿って移動する原子の電子状態は、第２原子移動経路１２上の第１分光領域ＳＰ１より後の任意の測定位置（例えば、図７の測定位置Ｐ４）で、検出器９１を用いて射影測定することができる。同様に、第３原子移動経路１３に沿って移動する原子の電子状態は、第３原子移動経路１３上の第２分光領域ＳＰ２より後の任意の測定位置（例えば、図７の測定位置Ｐ５）で、検出器９２を用いて射影測定することができる。これらの射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0125】
第１分光領域ＳＰ１に対するクロックレーザーＬ２０のラビ周波数をΩ１、第２分光領域ＳＰ２に対するクロックレーザーＬ２０１のラビ周波数をΩ２とする。このとき、第１分光領域ＳＰ１、第２分光領域ＳＰ２でのラビ分光時間は、それぞれ、Ｔ１＝π／Ω１、Ｔ２＝π／Ω２と表される。このとき、例えば、Ω１＜Ω２と設定することで、Ｔ１＞Ｔ２を実現すれば、ＳＰ１では狭帯域の高精度周波数制御に必要な信号を取得し、ＳＰ２では高速周波数制御に必要な信号を取得することができる。
【0126】
本実施の形態によれば、分光装置内に複数の分光領域を定義することができる。これにより、分光装置内に複数の測定位置を設けることができる。さらに複数の強度の異なるクロックレーザーを用いることにより、異なる相互作用時間（すなわち、ラビ分光時間Ｔ１、Ｔ２）を設定することができる。これにより、「広帯域制御信号」と「狭帯域かつ高精度制御信号」とをそれぞれ取得することができる。
【0127】
［第７の実施の形態］
図８は、第７の実施の形態に係る原子の分光装置７の模式図である。分光装置７は、リング型の光共振器３０を含んで構成される。この光共振器３０は、第１原子移動経路１１、第２原子移動経路および第３原子移動経路を光路として含む。
図８は、第７の実施の形態に係る原子の分光装置７の模式図である。分光装置７は、リング型の光共振器３０を含んで構成される。この光共振器３０は、第１原子移動経路１１、第２原子移動経路および第３原子移動経路を光路として含む。
【0128】
以下、分光装置７について、分光装置１および分光装置５との相違点に焦点を当てて説明する。分光装置１および分光装置５と重複する事項については、適宜説明を省略する。
【0129】
分光装置７は、光共振器３０と、光格子レーザー光源１４１と、光格子レーザー光源１４２と、クロックレーザー光源２０と、を備える。
【0130】
光共振器３０は、第１原子移動経路１１と、第２原子移動経路１２と、第３原子移動経路１３と、ミラーＭ５と、ミラーＭ６と、ミラーＭ７と、ミラーＭ８と、ミラーＭ９と、を備える。このうち、ミラーＭ５は光格子レーザーＬ４１、Ｌ４２を光共振器に結合する入射カプラーであり、ミラーＭ６はクロックレーザーを透過するダイクロイックミラーである。
【0131】
第１原子移動経路１１と、第２原子移動経路１２とは、第１交差位置Ｐ１で有限の角度をなして交差している。第２原子移動経路１２と、第３原子移動経路１３とは、第２交差位置Ｐ２で有限の角度をなして交差している。
【0132】
光格子レーザー光源１４１は、光共振器３０に、光格子レーザーＬ４１を供給する。光格子レーザー光源１４２は、光共振器３０に、光格子レーザーＬ４２を供給する。クロックレーザー光源２０は、光共振器３０に、クロックレーザーＬ２０を供給する。
【0133】
ミラーＭ５は、第１原子移動経路１１の一方の端部に設置される。ミラーＭ６は、第２原子移動経路１２の一方の端部に設置される。ミラーＭ７は、第３原子移動経路１３の一方の端部に設置される。ミラーＭ８は、第２原子移動経路１２の、ミラーＭ６と反対側の端部に設置される。ミラーＭ９は、第１原子移動経路１１の、ミラーＭ５と反対側の端部に（同時に、第３原子移動経路１３の、ミラーＭ７と反対側の端部に）設置される。ミラーＭ５とミラーＭ６とは、光路を介して光学的に結ばれる。ミラーＭ７とミラーＭ８とは、光路を介して光学的に結ばれる。
【0134】
光格子レーザー光源１４１は、ミラーＭ５を透過して、第１原子移動経路１１に光格子レーザーＬ４１を入射する。光格子レーザー光源１４２は、ミラーＭ５を透過して、ミラーＭ５とミラーＭ６とを結ぶ光路に光格子レーザーＬ４２を入射する。クロックレーザー光源２０は、ミラーＭ６を透過して、第２原子移動経路１２にクロックレーザーＬ２０を入射する。
【0135】
光格子レーザー光源１４１から供給された光格子レーザーＬ４１は、光共振器３０内を反時計回りに伝達してリサイクリングされる。光格子レーザー光源１４２から供給された光格子レーザーＬ４２は、光共振器３０内を時計回りに伝達してリサイクリングし、光共振器内のパワーを増強される。入射カプラーＭ５の反射率で決まる光共振器の線幅Γが狭いほど、パワー増強には有利であるが、２台の移動光格子レーザーの周波数差Δに比べて大きいこと（Γ＞Δ）が望ましい。
【0136】
光格子レーザーＬ４１および光格子レーザーＬ４２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、光共振器３０内を移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子を、光共振器３０に沿って一定速度ｖで運ぶ（図４の例では、時計回り）。
【0137】
第１原子移動経路１１上の原子供給部１０で供給された原子は、第１原子移動経路１１を紙面の左から右に向かって移動する。原子は、第１交差位置Ｐ１に到達すると、第２原子移動経路１２に乗り移る。
【0138】
その後原子は、第２原子移動経路１２を紙面の上から下に向かって移動する。原子は、第２交差位置Ｐ２に到達すると、第３原子移動経路１３に乗り移る。
【0139】
第２原子移動経路１２の、第１交差位置Ｐ１と第２交差位置Ｐ２との間に分光領域ＳＰが定義される。
【0140】
光共振器３０に沿って運動する原子は、第３原子移動経路１３上の任意の測定位置（例えば、図４の測定位置Ｐ３）で、検出器９０を用いて測定することができる。
【0141】
この実施の形態によれば、第１交差位置Ｐ１を始点、第２交差位置Ｐ２を終点とする分光領域ＳＰで縦励起ラビ分光を行うことができる。また、分光領域ＳＰで縦励起ラムゼー分光を行ってもよい。
【0142】
［第８の実施の形態］
図９は、第８の実施の形態に係る原子の分光装置８の模式図である。分光装置８は、図８の分光装置７に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備える。分光装置６のその他の構成は、分光装置７の構成と共通である。
図９は、第８の実施の形態に係る原子の分光装置８の模式図である。分光装置８は、図８の分光装置７に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備える。分光装置６のその他の構成は、分光装置７の構成と共通である。
【0143】
第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３の周辺には、磁場発生器ＢＧによって生成された磁場Ｂが存在する。磁場Ｂを遮蔽するための第１磁気シールドＭＳ１が、第２原子移動経路１２の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。同様に、磁場Ｂを遮蔽するための第２磁気シールドＭＳ２が、第３原子移動経路１３の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。
【0144】
クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３に、クロックレーザーＬ２０１を供給するように配置される。具体的には、クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３内に、第３原子移動経路１３と同軸上を、当該原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーＬ２０１を供給する。すなわちクロックレーザーＬ２０１の伝播方向は、第３原子移動経路１３と平行または反平行である。一例として、図７では、原子の運動と同じ向きに伝播するクロックレーザーを示している。
【0145】
ポンプ領域Ｐ６は、第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の後方に配置される。第１磁気シールドＭＳ１を出た励起状態にある原子は、ポンプ領域Ｐ６で基底状態に光ポンプされる。
【0146】
第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の内部は第１分光領域ＳＰ１となり、第３原子移動経路１３の第２磁気シールドＭＳ２の内部は第２分光領域ＳＰ２となる。それ以外の領域は非分光領域となる。
【0147】
第２原子移動経路１２に沿って移動する原子の電子状態は、第２原子移動経路１２上の第１分光領域ＳＰ１より後の任意の測定位置（例えば、図９の測定位置Ｐ４）で、検出器９１を用いて射影測定することができる。同様に、第３原子移動経路１３に沿って移動する原子の電子状態は、第３原子移動経路１３上の第２分光領域ＳＰ２より後の任意の測定位置（例えば、図９の測定位置Ｐ５）で、検出器９２を用いて射影測定することができる。これらの射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0148】
第１分光領域ＳＰ１に対するクロックレーザーＬ２０のラビ周波数をΩ１、第２分光領域ＳＰ２に対するクロックレーザーＬ２０１のラビ周波数をΩ２とする。このとき、第１分光領域ＳＰ１、第２分光領域ＳＰ２でのラビ分光時間は、それぞれ、Ｔ１＝π／Ω１、Ｔ２＝π／Ω２と表される。このとき、例えば、Ω１＜Ω２と設定することで、Ｔ１＞Ｔ２を実現すれば、ＳＰ１では狭帯域の高精度周波数制御に必要な信号を取得し、ＳＰ２では高速周波数制御に必要な信号を取得することができる。
【0149】
本実施の形態によれば、分光装置内に複数の分光領域を定義することができる。これにより、分光装置内に複数の測定位置を設けることができる。さらに複数の強度の異なるクロックレーザーを用いることにより、異なる相互作用時間（すなわち、ラビ分光時間Ｔ１、Ｔ２）を設定することができる。これにより、「広帯域制御信号」と「狭帯域かつ高精度制御信号」とをそれぞれ取得することができる。
【0150】
［第９の実施の形態］
図１０は、第９の実施の形態に係る原子の分光装置９の模式図である。分光装置９は、四角型の第１光共振器４０と、三角型の第２光共振器５０と、を含んで構成される。
図１０は、第９の実施の形態に係る原子の分光装置９の模式図である。分光装置９は、四角型の第１光共振器４０と、三角型の第２光共振器５０と、を含んで構成される。
【0151】
以下、分光装置４について、分光装置１、５、７との相違点に焦点を当てて説明する。分光装置１、５、７と重複する事項については、適宜説明を省略する。
【0152】
分光装置９は、第１光共振器４０と、第２光共振器５０と、光格子レーザー光源１５１と、光格子レーザー光源１５２と、光格子レーザー光源１６１と、光格子レーザー光源１６２と、クロックレーザー光源２０と、を備える。
【0153】
第１光共振器４０は、第１原子移動経路１１と、第３原子移動経路１３と、第４光共振器経路１４と、第５光共振器経路１５と、ミラーＭ１０と、ミラーＭ１１と、ミラーＭ１２と、ミラーＭ１３と、を含んで構成される。このうち、ミラーＭ１０は光格子レーザーＬ５１、Ｌ５２を光共振器に結合する入射カプラーである。
【0154】
ミラーＭ１０は、第１原子移動経路１１と第４光共振器経路１４との間に設置される。ミラーＭ１１は、第４光共振器経路１４と第３原子移動経路１３との間に設置される。ミラーＭ１２は、第３原子移動経路１３と第５光共振器経路１５との間に設置される。ミラーＭ１３は、第５光共振器経路１５と第１原子移動経路１１との間に設置される。
【0155】
第２光共振器５０は、第２原子移動経路１２と、第６光共振器経路１６と、第７光共振器経路１７と、ミラーＭ１４と、ミラーＭ１５と、ミラーＭ１６と、を含んで構成される。このうち、ミラーＭ１４はクロックレーザーＬ２０を透過させるダイクロイックミラーおよびであり、ミラーＭ１５は光格子レーザーＬ６１、Ｌ６２を光共振器に結合する入射カプラーである。ミラーＭ１６は、凹面ミラーである。
【0156】
第１原子移動経路１１と、第２原子移動経路１２とは、第１交差位置Ｐ１で有限の角度をなして交差している。第２原子移動経路１２と、第３原子移動経路１３とは、第２交差位置Ｐ２で有限の角度をなして交差している。
【0157】
ミラーＭ１４は、第２原子移動経路１２と第６光共振器経路１６との間に設置される。ミラーＭ１５は、第２原子移動経路１２と第７光共振器経路１７との間に設置される。ミラーＭ１６は、第６光共振器経路１６と第７光共振器経路１７との間に設置される。
【0158】
光格子レーザー光源１５１は、第１光共振器４０に、光格子レーザーＬ５１を供給する。光格子レーザー光源１５２は、第１光共振器４０に、光格子レーザーＬ５２を供給する。光格子レーザー光源１６１は、第２光共振器５０に、光格子レーザーＬ６１を供給する。光格子レーザー光源１６２は、第２光共振器５０に、光格子レーザーＬ６２を供給する。クロックレーザー光源２０は、第２光共振器５０に、クロックレーザーＬ２０を供給する。
【0159】
光格子レーザー光源１５１は、ミラーＭ１０を透過して、第１原子移動経路１１に光格子レーザーＬ５１を入射する。光格子レーザー光源１５２は、ミラーＭ１０を透過して、第４光共振器経路１４に光格子レーザーＬ５２を入射する。
【0160】
光格子レーザー光源１５１から供給された光格子レーザーＬ５１は、第１光共振器４０内を反時計回りに伝達してリサイクリングされる。光格子レーザー光源１５２から供給された光格子レーザーＬ５２は、第１光共振器４０内を時計回りに伝達してリサイクリングされる。
【0161】
光格子レーザー光源１６１は、ミラーＭ１５を透過して、第７光共振器経路１７に光格子レーザーＬ６１を入射する。光格子レーザー光源１６２は、ミラーＭ１５を透過して、第２原子移動経路１２に光格子レーザーＬ６２を入射する。
【0162】
光格子レーザー光源１６１から供給された光格子レーザーＬ６１は、第２光共振器５０内を時計回りに伝達してリサイクリングされる。光格子レーザー光源１６２から供給された光格子レーザーＬ６２は、第２光共振器５０内を反時計回りに伝達してリサイクリングされる。
【0163】
クロックレーザー光源２０は、ミラーＭ１４を透過して、第２原子移動経路１２にクロックレーザーＬ２０を入射する。
【0164】
光格子レーザーＬ５１および光格子レーザーＬ５２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第１光共振器４０内を移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子を、第１光共振器４０に沿って一定速度ｖで運ぶ（図１０の例では、時計回り）。
【0165】
光格子レーザーＬ６１および光格子レーザーＬ６２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第２光共振器５０内を移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子を、第２光共振器５０に沿って一定速度ｖで運ぶ（図１０の例では、時計回り）。
【0166】
第２光共振器５０の第２原子移動経路１２の、第１交差位置Ｐ１と第２交差位置Ｐ２との間に分光領域ＳＰが定義される。
【0167】
第１原子移動経路１１上の原子供給部１０で供給された原子は、第１光共振器４０の第１原子移動経路１１を紙面の左から右に向かって移動する。原子は、第１交差位置Ｐ１に到達すると、第２光共振器５０の第２原子移動経路１２に乗り移る。
【0168】
その後原子は、第２原子移動経路１２を紙面の上から下に向かって移動する。原子は、第２交差位置Ｐ２に到達すると、第１光共振器４０の第３原子移動経路１３に乗り移る。このように原子は、第１光共振器４０および第２光共振器５０をまたいで運動する。
【0169】
原子は、第３原子移動経路１３上の任意の測定位置（例えば、図１０の測定位置Ｐ３）で、検出器９０を用いて射影測定することができる。この射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0170】
この実施の形態によれば、図８の分光装置７と同様に、第１交差位置Ｐ１を始点、第２交差位置Ｐ２を終点とする分光領域ＳＰで縦励起ラビ分光を行うことができる。また、分光領域ＳＰで縦励起ラムゼー分光を行ってもよい。さらにこの実施の形態では、原子供給部１０と、分光領域ＳＰとが、別々の光共振器を用いて構成されている。このため、例えば第１光共振器４０のミラーで発生する散乱光が、第２光共振器５０の分光領域に侵入することを防ぐことができる。
【0171】
さらにこのように二重の光共振器を用いることにより、原子供給に好適な深いラティス（ポテンシャル深さ１００μＫ）と、分光に好適な浅いラティス（ポテンシャル深さ１０μＫ）を使い分けることができる。
【0172】
深いラティスから浅いラティスへの効率的な移行のために、第１交差位置Ｐ１、第２交差位置Ｐ２では、時計遷移と電子状態を共有しない遷移を用いたレーザー冷却を行ってもよい。
【0173】
なお図１０には第１光共振器４０と第２光共振器５０とが同一平面上にある例が示されているが、これに限られず、これら２つの光共振器は同一平面上になくてもよい。例えば、第１光共振器４０のなす面と、第２光共振器５０のなす面とが垂直となるように構成することにより、装置全体をより小型化できる。第１交差位置Ｐ１、第２交差位置Ｐ２での原子移行効率を高めるために、第１光共振器４０と第２光共振器５０の光格子を形成する電場の向きを合わせる偏光配置とするのが望ましい。
【0174】
［第１０の実施の形態］
図１１は、第１０の実施の形態に係る原子の分光装置２１０の模式図である。分光装置２１０は、図１０の分光装置９に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備える。分光装置６のその他の構成は、分光装置９の構成と共通である。
図１１は、第１０の実施の形態に係る原子の分光装置２１０の模式図である。分光装置２１０は、図１０の分光装置９に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備える。分光装置６のその他の構成は、分光装置９の構成と共通である。
【0175】
第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３の周辺には、磁場発生器ＢＧによって生成された磁場Ｂが存在する。磁場Ｂを遮蔽するための第１磁気シールドＭＳ１が、第２原子移動経路１２の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。同様に、磁場Ｂを遮蔽するための第２磁気シールドＭＳ２が、第３原子移動経路１３の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。
【0176】
クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３に、クロックレーザーＬ２０１を供給するように配置される。具体的には、クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３内に、第３原子移動経路１３と同軸上を、当該原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーＬ２０１を供給する。すなわちクロックレーザーＬ２０１の伝播方向は、第３原子移動経路１３と平行または反平行である。一例として、図１１では、原子の運動と同じ向きに伝播するクロックレーザーを示している。
【0177】
ポンプ領域Ｐ６は、第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の後方に配置される。第１磁気シールドＭＳ１を出た励起状態にある原子は、ポンプ領域Ｐ６で基底状態に光ポンプされる。
【0178】
第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の内部は第１分光領域ＳＰ１となり、第３原子移動経路１３の第２磁気シールドＭＳ２の内部は第２分光領域ＳＰ２となる。それ以外の領域は非分光領域となる。
【0179】
第２原子移動経路１２に沿って移動する原子の電子状態は、第２原子移動経路１２上の第１分光領域ＳＰ１より後の任意の測定位置（例えば、図１１の測定位置Ｐ４）で、検出器９１を用いて射影測定することができる。同様に、第３原子移動経路１３に沿って移動する原子の電子状態は、第３原子移動経路１３上の第２分光領域ＳＰ２より後の任意の測定位置（例えば、図１１の測定位置Ｐ５）で、検出器９２を用いて射影測定することができる。これらの射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0180】
第１分光領域ＳＰ１に対するクロックレーザーＬ２０のラビ周波数をΩ１、第２分光領域ＳＰ２に対するクロックレーザーＬ２０１のラビ周波数をΩ２とする。このとき、第１分光領域ＳＰ１、第２分光領域ＳＰ２でのラビ分光時間は、それぞれ、Ｔ１＝π／Ω１、Ｔ２＝π／Ω２と表される。このとき、例えば、Ω１＜Ω２と設定することで、Ｔ１＞Ｔ２を実現すれば、ＳＰ１では狭帯域の高精度周波数制御に必要な信号を取得し、ＳＰ２では高速周波数制御に必要な信号を取得することができる。
【0181】
本実施の形態によれば、分光装置内に複数の分光領域を定義することができる。これにより、分光装置内に複数の測定位置を設けることができる。さらに複数の強度の異なるクロックレーザーを用いることにより、異なる相互作用時間（すなわち、ラビ分光時間Ｔ１、Ｔ２）を設定することができる。これにより、「広帯域制御信号」と「狭帯域かつ高精度制御信号」とをそれぞれ取得することができる。
【0182】
［第１１の実施の形態］
図１２は、第１１の実施の形態に係る原子の分光装置２１１の模式図である。分光装置２１１は、三角型の第３光共振器６１と、三角型の第４光共振器６２と、を含んで構成される。
図１２は、第１１の実施の形態に係る原子の分光装置２１１の模式図である。分光装置２１１は、三角型の第３光共振器６１と、三角型の第４光共振器６２と、を含んで構成される。
【0183】
以下、分光装置２１１について、分光装置１、５、７、９との相違点に焦点を当てて説明する。分光装置１～４と重複する事項については、適宜説明を省略する。
【0184】
分光装置２１１は、第３光共振器６１と、第４光共振器６２と、光格子レーザー光源１７１と、光格子レーザー光源１７２と、光格子レーザー光源１８１と、光格子レーザー光源１８２と、クロックレーザー光源２０と、を備える。
【0185】
第３光共振器６１は、第１原子移動経路１１と、第３原子移動経路１３と、第８光共振器経路１８と、ミラーＭ１７と、ミラーＭ１８と、ミラーＭ１９と、を含んで構成される。このうち、ミラーＭ１７は光格子レーザーＬ７１、Ｌ７２を光共振器に結合する入射カプラーである。ミラーＭ１９は、凹面ミラーである。
【0186】
ミラーＭ１７は、第１原子移動経路１１と第８光共振器経路１８との間に設置される。ミラーＭ１８は、第８光共振器経路１８と第３原子移動経路１３との間に設置される。ミラーＭ１９は、第３原子移動経路１３と第１原子移動経路１１との間に設置される。
【0187】
第４光共振器６２は、第２原子移動経路１２と、第９光共振器経路１９と、第１０光共振器経路１９１と、ミラーＭ２０と、ミラーＭ２１と、ミラーＭ２２と、を含んで構成される。このうち、ミラーＭ２０は光格子レーザーＬ８１、Ｌ８２を光共振器に結合する入射カプラーである。ミラーＭ２１は、クロックレーザーＬ２０を透過させるダイクロイックミラーである。ミラーＭ２２は、凹面ミラーである。
【0188】
第１原子移動経路１１と、第２原子移動経路１２とは、第１交差位置Ｐ１で有限の角度をなして交差している。第２原子移動経路１２と、第３原子移動経路１３とは、第２交差位置Ｐ２で有限の角度をなして交差している。
【0189】
ミラーＭ２０は、第２原子移動経路１２と第９光共振器経路１９との間に設置される。ミラーＭ２１は、第２原子移動経路１２と第１０光共振器経路１９１との間に設置される。ミラーＭ２２は、第９光共振器経路１９と第１０光共振器経路１９１との間に設置される。
【0190】
光格子レーザー光源１７１は、光格子レーザーＬ７１を供給する。光格子レーザー光源１７２は、光格子レーザーＬ７２を供給する。光格子レーザー光源１８１は、光格子レーザーＬ８１を供給する。光格子レーザー光源１８２は、光格子レーザーＬ８２を供給する。クロックレーザー光源２０は、クロックレーザーＬ２０を供給する。
【0191】
光格子レーザー光源１７１は、ミラーＭ１７を透過して、第１原子移動経路１１に光格子レーザーＬ７１を入射する。光格子レーザー光源１７２は、ミラーＭ１７を透過して、第８光共振器経路１８に光格子レーザーＬ５１を入射する。
【0192】
光格子レーザー光源１７１から供給された光格子レーザーＬ７１は、第３光共振器６１内を反時計回りに伝達してリサイクリングされる。光格子レーザー光源１７２から供給された光格子レーザーＬ７２は、第３光共振器６１内を時計回りに伝達してリサイクリングされる。
【0193】
光格子レーザー光源１８１は、ミラーＭ２０を透過して、第２原子移動経路１２に光格子レーザーＬ８１を入射する。光格子レーザー光源１８２は、ミラーＭ２０を透過して、第９光共振器経路１９に光格子レーザーＬ８２を入射する。
【0194】
光格子レーザー光源１８１から供給された光格子レーザーＬ８１は、第４光共振器６２内を反時計回りに伝達してリサイクリングされる。光格子レーザー光源１８２から供給された光格子レーザーＬ８２は、第４光共振器６２内を時計回りに伝達してリサイクリングされる。
【0195】
クロックレーザー光源２０は、ミラーＭ２１を透過して、第２原子移動経路１２にクロックレーザーＬ２０を入射する。
【0196】
光格子レーザーＬ７１および光格子レーザーＬ７２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第３光共振器６１内を移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子を、第３光共振器６１に沿って一定速度ｖで運ぶ（図１２の例では、時計回り）。
【0197】
光格子レーザーＬ８１および光格子レーザーＬ８２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第４光共振器６２内を移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子を、第４光共振器６２に沿って一定速度ｖで運ぶ（図１２の例では、反時計回り）。
【0198】
第４光共振器６２の第２原子移動経路１２の、第１交差位置Ｐ１と第２交差位置Ｐ２との間に分光領域ＳＰが定義される。
【0199】
第１原子移動経路１１上の原子供給部１０で供給された原子は、第３光共振器６１の第１原子移動経路１１を紙面の左下から右に上向かって移動する。原子は、第１交差位置Ｐ１に到達すると、第４光共振器６２の第２原子移動経路１２に乗り移る。
【0200】
その後原子は、第２原子移動経路１２を紙面の上から下に向かって移動する。原子は、第２交差位置Ｐ２に到達すると、第３光共振器６１の第３原子移動経路１３に乗り移る。このように原子は、第３光共振器６１および第４光共振器６２をまたいで運動する。
【0201】
原子は、第３原子移動経路１３上の任意の測定位置（例えば、図１２の測定位置Ｐ３）で、検出器９０を用いて射影測定することができる。この射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0202】
この実施の形態によれば、磁場を与えることなく縦励起ラムゼー分光が可能な光共振器構造を実現することができる。さらにこの実施の形態では、原子供給部１０と、分光領域ＳＰとが、別々の光共振器を用いて構成されている。このため、例えば第３光共振器６１のミラーで発生する散乱光が、第４光共振器６２の分光領域に侵入することを防ぐことができる。
【0203】
さらにこのように二重の光共振器を用いることにより、原子供給に好適な深いラティス（１００μＫ）と、分光に好適な浅いラティス（５０Ｅｒ、１０μＫ）を使い分けることができる。ここでＥｒはラティス光子の反跳エネルギーである。
【0204】
さらに、例えば、光格子レーザーＬ８１および光格子レーザーＬ７２の振動数をν１、光格子レーザーＬ７１の振動数をν２＝ν１－ΔＡ、光格子レーザーＬ８２の振動数をν３＝ν１－ΔＣとしたとき、ΔＡとΔＣとを独立にチューニングすることで、原子を分光領域に早く移動させつつ、分光領域では原子を長時間測定することが可能となる。このとき、それぞれの場合の原子の速度はｖＡ＝ΔＡ・ｃ／（２ｆ）、ｖＣ＝ΔＣ・ｃ／（２ｆ）、ただし、ｃは光速、ｆは光格子レーザーの周波数である。
【0205】
なお図１２には第３光共振器６１と第４光共振器６２とが同一平面上にある例が示されているが、これに限られず、これら２つの光共振器は同一平面上になくてもよい。例えば、第３光共振器６１のなす面と、第４光共振器６２のなす面とが垂直となるように構成することにより、装置全体をより小型化できる。このとき、２つの共振器の電場の方向が合うように偏光を設定することが望ましい。
【0206】
［第１２の実施の形態］
図１３は、第１２の実施の形態に係る原子の分光装置２１２の模式図である。分光装置２１２は、図１２の分光装置２１１に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備える。分光装置６のその他の構成は、分光装置９の構成と共通である。
図１３は、第１２の実施の形態に係る原子の分光装置２１２の模式図である。分光装置２１２は、図１２の分光装置２１１に対して、クロックレーザー光源２０１と、第２磁気シールドＭＳ２と、磁場発生器ＢＧと、ポンプ領域Ｐ６と、を追加的に備える。分光装置６のその他の構成は、分光装置９の構成と共通である。
【0207】
第２原子移動経路１２および第３原子移動経路１３の周辺には、磁場発生器ＢＧによって生成された磁場Ｂが存在する。磁場Ｂを遮蔽するための第１磁気シールドＭＳ１が、第２原子移動経路１２の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。同様に、磁場Ｂを遮蔽するための第２磁気シールドＭＳ２が、第３原子移動経路１３の分光を目的とする領域を取り囲んで設置される。
【0208】
クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３に、クロックレーザーＬ２０１を供給するように配置される。具体的には、クロックレーザー光源２０１は、第３原子移動経路１３内に、第３原子移動経路１３と同軸上を、当該原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーＬ２０１を供給する。すなわちクロックレーザーＬ２０１の伝播方向は、第３原子移動経路１３と平行または反平行である。一例として、図１３では、原子の運動と同じ向きに伝播するクロックレーザーを示している。
【0209】
ポンプ領域Ｐ６は、第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の後方に配置される。第１磁気シールドＭＳ１を出た励起状態にある原子は、ポンプ領域Ｐ６で基底状態に光ポンプされる。
【0210】
第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の内部は第１分光領域ＳＰ１となり、第３原子移動経路１３の第２磁気シールドＭＳ２の内部は第２分光領域ＳＰ２となる。それ以外の領域は非分光領域となる。
【0211】
第２原子移動経路１２に沿って移動する原子の電子状態は、第２原子移動経路１２上の第１分光領域ＳＰ１より後の任意の測定位置（例えば、図１３の測定位置Ｐ４）で、検出器９１を用いて射影測定することができる。同様に、第３原子移動経路１３に沿って移動する原子の電子状態は、第３原子移動経路１３上の第２分光領域ＳＰ２より後の任意の測定位置（例えば、図１３の測定位置Ｐ５）で、検出器９２を用いて射影測定することができる。これらの射影測定には、電子シェルビング法による蛍光観測、または、光共振器を用いた分散型の測定を用いることができる。
【0212】
第１分光領域ＳＰ１に対するクロックレーザーＬ２０のラビ周波数をΩ１、第２分光領域ＳＰ２に対するクロックレーザーＬ２０１のラビ周波数をΩ２とする。このとき、第１分光領域ＳＰ１、第２分光領域ＳＰ２でのラビ分光時間は、それぞれ、Ｔ１＝π／Ω１、Ｔ２＝π／Ω２と表される。このとき、例えば、Ω１＜Ω２と設定することで、Ｔ１＞Ｔ２を実現すれば、ＳＰ１では狭帯域の高精度周波数制御に必要な信号を取得し、ＳＰ２では高速周波数制御に必要な信号を取得することができる。
【0213】
本実施の形態によれば、分光装置内に複数の分光領域を定義することができる。これにより、分光装置内に複数の測定位置を設けることができる。さらに複数の強度の異なるクロックレーザーを用いることにより、異なる相互作用時間（すなわち、ラビ分光時間Ｔ１、Ｔ２）を設定することができる。これにより、「広帯域制御信号」と「狭帯域かつ高精度制御信号」とをそれぞれ取得することができる。
【0214】
なお、図１０～１３の分光装置の実施の形態では、三角型光共振器および四角型光共振器を用いたが、これに限られない。すなわち実施の形態に用いる光共振器は、リング型の光共振器（３枚以上のミラーで構成された進行波電場が立つ光共振器）であれば形状は任意であってよい。
【0215】
【0216】
以下、分光装置２１３について、分光装置２１１に対して追加した構成に焦点を当てて説明する。分光装置５と重複する事項については、適宜説明を省略する。
【0217】
図１４の分光装置２１３は、原子供給部１０と第２原子移動経路１２との間に遮光シールド８０を備える。これにより、冷却光の散乱が分光領域ＳＰに侵入するのを防ぎ、光シフトによる摂動を排除することができる。
【0218】
ある実施の形態では、分光装置６は、分光領域ＳＰを囲む領域にＳＰシールドＳＰＳを備える。ＳＰシールドの内壁には、光を吸収するコーティングが施されてもよい。これにより、分光領域に侵入した冷却光などの迷光を吸収し、光シフトによる摂動を排除することができる。
【0219】
ＳＰシールドＳＰＳは、黒体輻射シールドを兼ねていてもよい。これにより、黒体輻射による摂動を排除することができる。
【0220】
ＳＰシールドＳＰＳは、磁気シールドを兼ねていてもよい。これにより、磁場の影響を防ぎ、ｚゼーマン効果による摂動を排除することができる。
【0221】
［第１４の実施の形態］
図１５は、第７の実施の形態に係る原子の連続発振超放射レーザー装置２１４の模式図である。連続発振超放射レーザー装置２１４は、図１２の分光装置２１１と同様の形態で構成される。すなわち、連続発振超放射レーザー装置２１４は、三角型の第３光共振器６１と、三角型の第４光共振器６２と、を含んで構成される。
図１５は、第７の実施の形態に係る原子の連続発振超放射レーザー装置２１４の模式図である。連続発振超放射レーザー装置２１４は、図１２の分光装置２１１と同様の形態で構成される。すなわち、連続発振超放射レーザー装置２１４は、三角型の第３光共振器６１と、三角型の第４光共振器６２と、を含んで構成される。
【0222】
超放射は、原子集団内の原子が自発的に位相を揃えて光を放射する現象で、１９５４年にディッケが理論的に提唱して以来、量子光学や量子情報などの分野で研究が進められている（例えば、非特許文献５参照）。超放射では、放射光の周波数が原子集団自身によって決定され、また放射光のピーク強度が原子数の２乗に比例する。このため、超放射レーザーは、安定した周波数・強度の光が放射できるレーザーとして実現が期待される。しかしながら超放射レーザーの連続発振は、従来実現が困難であった。
【0223】
連続発振超放射レーザー装置２１４は、第３光共振器６１と、第４光共振器６２と、光格子レーザー光源１７１と、光格子レーザー光源１７２と、光格子レーザー光源１８１と、光格子レーザー光源１８２と、を備える。
【0224】
第３光共振器６１は、第１原子移動経路１１と、第３原子移動経路１３と、第８光共振器経路１８と、ミラーＭ１７と、ミラーＭ１８と、ミラーＭ１９と、を含んで構成される。
このうち、ミラーＭ１７は光格子レーザーＬ７１、Ｌ７２を光共振器に結合する入射カプラーである。ミラーＭ１９は、凹面ミラーである。
このうち、ミラーＭ１７は光格子レーザーＬ７１、Ｌ７２を光共振器に結合する入射カプラーである。ミラーＭ１９は、凹面ミラーである。
【0225】
ミラーＭ１７は、第１原子移動経路１１と第８光共振器経路１８との間に設置される。ミラーＭ１８は、第８光共振器経路１８と第３原子移動経路１３との間に設置される。ミラーＭ１９は、第３原子移動経路１３と第１原子移動経路１１との間に設置される。
【0226】
第４光共振器６２は、第２原子移動経路１２と、第９光共振器経路１９と、第１０光共振器経路１９１と、ミラーＭ２０と、ミラーＭ２１と、ミラーＭ２２と、を含んで構成される。このうち、ミラーＭ２０は光格子レーザーＬ８１、Ｌ８２を光共振器に結合する入射カプラーである。ミラーＭ２２は、凹面ミラーである。ミラーＭ２１は超放射レーザー光を取り出す、出射カプラーである。
【0227】
第１原子移動経路１１と、第２原子移動経路１２とは、第１交差位置Ｐ１で有限の角度をなして交差している。第２原子移動経路１２と、第３原子移動経路１３とは、第２交差位置Ｐ２で有限の角度をなして交差している。
【0228】
ミラーＭ２０は、第２原子移動経路１２と第９光共振器経路１９との間に設置される。ミラーＭ２１は、第２原子移動経路１２と第１０光共振器経路１９１との間に設置される。ミラーＭ２２は、第９光共振器経路１９と第１０光共振器経路１９１との間に設置される。
【0229】
光格子レーザー光源１７１は、光格子レーザーＬ７１を供給する。光格子レーザー光源１７２は、光格子レーザーＬ７２を供給する。光格子レーザー光源１８１は、光格子レーザーＬ８１を供給する。光格子レーザー光源１８２は、光格子レーザーＬ８２を供給する。
【0230】
光格子レーザー光源１７１は、ミラーＭ１７を透過して、第１原子移動経路１１に光格子レーザーＬ７１を入射する。光格子レーザー光源１７２は、ミラーＭ１７を透過して、第８光共振器経路１８に光格子レーザーＬ５１を入射する。
【0231】
光格子レーザー光源１７１から供給された光格子レーザーＬ７１は、第３光共振器６１内を反時計回りに伝達してリサイクリングされる。光格子レーザー光源１７２から供給された光格子レーザーＬ７２は、第３光共振器６１内を時計回りに伝達してリサイクリングされる。
【0232】
光格子レーザー光源１８１は、ミラーＭ２０を透過して、第２原子移動経路１２に光格子レーザーＬ８１を入射する。光格子レーザー光源１８２は、ミラーＭ２０を透過して、第９光共振器経路１９に光格子レーザーＬ８２を入射する。
【0233】
光格子レーザー光源１８１から供給された光格子レーザーＬ８１は、第４光共振器６２内を時計回りに伝達してリサイクリングされる。光格子レーザー光源１８２から供給された光格子レーザーＬ８２は、第４光共振器６２内を時計回りに伝達してリサイクリングされる。
【0234】
光格子レーザーＬ７１および光格子レーザーＬ７２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第３光共振器６１内を移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子を、第３光共振器６１に沿って一定速度ｖで運ぶ（図１５の例では、時計回り）。
【0235】
光格子レーザーＬ８１および光格子レーザーＬ８２は、それぞれの周波数が互いにシフトされている。その結果、形成された光格子は、第４光共振器６２内を移動する移動光格子となっている。この移動光格子は、原子を、第４光共振器６２に沿って一定速度ｖで運ぶ（図１５の例では、反時計回り）。
【0236】
第４光共振器６２の第２原子移動経路１２の、第１交差位置Ｐ１と第２交差位置Ｐ２との間に時計遷移空間ＴＲが定義される。
【0237】
原子は時計遷移空間ＴＲにおいて時計遷移超放射を起こし、第４光共振器６２によって超放射レーザーの連続発振が得られる。この超放射レーザーは、ミラーＭ２１を透過して出力することができる。
【0238】
第１原子移動経路１１上の原子供給部１０で供給された原子は、第３光共振器６１の第１原子移動経路１１を紙面の左下から右上に向かって移動する。光ポンピングの手法によって、原子を時計遷移の励起状態に準備する。この励起状態原子は、第１交差位置Ｐ１に到達すると、第４光共振器６２の第２原子移動経路１２に乗り移る。
【0239】
その後原子は、第２原子移動経路１２を紙面の上から下に向かって移動する。原子は、第２交差位置Ｐ２に到達するまでに、超放射により基底状態に遷移している。この基底状態原子は、第３光共振器６１の第３原子移動経路１３に乗り移る。このように原子は、第３光共振器６１および第４光共振器６２をまたいで運動する。
【0240】
使用済みの基底状態原子は、第３原子移動経路１３上の任意の廃棄位置（例えば、図１５の廃棄位置Ｐ１０）で廃棄することができる。
【0241】
原子の時計遷移空間ＴＲの移動時間ｔ＿ＴＲに比べて、超放射緩和時間が短い超放射のときには、時計遷移空間ＴＲの原子に対して、光ポンピングによる励起を行ってもよい。
【0242】
本実施の形態によれば、連続的に励起原子の注入と基底状態原子の取り出しを行い、連続的な超放射レーザー発振を実現することができる。
【0243】
［第１５の実施の形態］
図１６は、第１５の実施の形態に係る連続発振超放射レーザー装置２１５の模式図である。連続発振超放射レーザー装置２１５は、図１５の連続発振超放射レーザー装置２１４に対して、第１磁気シールドＭＳ１と、磁場発生器ＢＧと、を追加的に備える。連続発振超放射レーザー装置２１５のその他の構成は、連続発振超放射レーザー装置２１４の構成と共通である。
図１６は、第１５の実施の形態に係る連続発振超放射レーザー装置２１５の模式図である。連続発振超放射レーザー装置２１５は、図１５の連続発振超放射レーザー装置２１４に対して、第１磁気シールドＭＳ１と、磁場発生器ＢＧと、を追加的に備える。連続発振超放射レーザー装置２１５のその他の構成は、連続発振超放射レーザー装置２１４の構成と共通である。
【0244】
第２原子移動経路１２の周辺には、磁場発生器ＢＧによって生成された磁場Ｂが存在する。磁場Ｂを遮蔽するための第１磁気シールドＭＳ１が、第２原子移動経路１２の分時計遷移を目的とする領域を取り囲んで設置される。
【0245】
第２原子移動経路１２の第１磁気シールドＭＳ１の内部は第１時計遷移領域ＴＲ１となる。それ以外の領域では時計遷移は発生しない。
【0246】
原子は第１時計遷移空間ＴＲ１において時計遷移で超放射を起こし、第４光共振器６２によって第１の超放射レーザーの連続発振が得られる。この超放射レーザーは、ミラーＭ２１を透過して出力することができる。
【0247】
第１原子移動経路１１上の原子供給部１０で供給された原子は、第３光共振器６１の第１原子移動経路１１を紙面の左下から右上に向かって移動する。光ポンピングの手法によって、原子を原子は、時計遷移の励起状態に準備する。この励起状態原子は、第１交差位置Ｐ１に到達すると、第４光共振器６２の第２原子移動経路１２に乗り移る。
【0248】
第１磁気シールドＭＳ１を出た励起状態にある原子は、超放射により基底状態に遷移している。この基底状態の原子は、第２交差位置Ｐ２で第３光共振器６１の第３原子移動経路１３に乗り移る。このように原子は、第３光共振器６１および第４光共振器６２をまたいで運動する。
【0249】
原子の時計遷移空間ＴＲの移動時間ｔ＿ＴＲに比べて、超放射緩和時間が短い超放射のときには、時計遷移空間ＴＲの原子に対して、光ポンピングによる励起を行ってもよい。
【0250】
その後原子は、第３原子移動経路１３を紙面の右下から左上に向かって移動する。
【0251】
使用済みの基底状態原子は、第３原子移動経路１３上の任意の廃棄位置（例えば、図１６の廃棄位置Ｐ１０）で廃棄することができる。
【0252】
なお図１５および１６には第３光共振器６１と第４光共振器６２とが同一平面上にある例が示されているが、これに限られず、これら２つの光共振器は同一平面上になくてもよい。例えば、第３光共振器６１のなす面と、第４光共振器６２のなす面とが垂直となるように構成することにより、装置全体をより小型化できる。
【0253】
［第１６の実施の形態］
図１７は、第１６の実施の形態に係る分光方法のフローチャートである。この分光方法は、前述の実施の形態の分光装置を用いる。すなわち当該分光装置は、原子供給部を備えた第１原子移動経路と、第１交差位置で前記第１原子移動経路と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路と、第２交差位置で前記第２原子移動経路と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路と、第２原子移動経路にクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、を備える。本実施の形態係る分光方法は、原子供給部を用いて、第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給するステップＳ１と、クロックレーザー光源を用いて、第２原子移動経路内に、当該第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するステップＳ２と、第２原子移動経路上の第１交差位置と第２交差位置との間に、クロックレーザーが原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域を形成するステップＳ３と、を含む。
図１７は、第１６の実施の形態に係る分光方法のフローチャートである。この分光方法は、前述の実施の形態の分光装置を用いる。すなわち当該分光装置は、原子供給部を備えた第１原子移動経路と、第１交差位置で前記第１原子移動経路と有限の角度をなして交差する第２原子移動経路と、第２交差位置で前記第２原子移動経路と有限の角度をなして交差する第３原子移動経路と、第２原子移動経路にクロックレーザーを供給するクロックレーザー光源と、を備える。本実施の形態係る分光方法は、原子供給部を用いて、第１原子移動経路を一定速度で移動する原子を供給するステップＳ１と、クロックレーザー光源を用いて、第２原子移動経路内に、当該第２原子移動経路と同軸上を原子の運動と逆向きまたは同じ向きに伝播するクロックレーザーを供給するステップＳ２と、第２原子移動経路上の第１交差位置と第２交差位置との間に、クロックレーザーが原子に時計遷移の励起を生じさせる分光領域を形成するステップＳ３と、を含む。
【0254】
本実施の形態によれば、第１交差位置Ｐ１を始点、第２交差位置Ｐ２を終点とする分光領域ＳＰを定義し、縦励起ラビ分光を行うことができる。また、分光領域ＳＰで縦励起ラムゼー分光を行ってもよい。
【0255】
以上、本発明を実施の形態にもとづいて説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【0256】
例えば、上記の実施の形態の発展形として、多重の移動光格子で原子の運動を分割、合波することにより、原子のリング共振器、原子干渉計、原子ジャイロスコープ、制御された衝突を利用して量子コンピュータなどを構成することが考えられる。
【0257】
上述した各実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施の形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施の形態は、組み合わされる各実施の形態及び変形例それぞれの効果をあわせもつ。
【0258】
実施の形態および変形例を抽象化した技術的思想を理解するにあたり、その技術的思想は実施の形態及び変形例の内容に限定的に解釈されるべきではない。前述した実施の形態及び変形例は、いずれも具体例を示したものにすぎず、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「実施の形態」との表記を付して強調している。しかしながら、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。
【符号の説明】
【0259】
１・・分光装置。
２・・分光装置。
３・・分光装置。
４・・分光装置。
５・・分光装置。
６・・分光装置。
７・・分光装置。
８・・分光装置。
９・・分光装置。
１０・・原子供給部。
１１・・第１原子移動経路。
１２・・第２原子移動経路。
１３・・第３原子移動経路。
１４・・第４光共振器経路。
１５・・第５光共振器経路。
１６・・第６光共振器経路。
１７・・第７光共振器経路。
１８・・第８光共振器経路。
１９・・第９光共振器経路。
２０・・クロックレーザー光源。
３０・・光共振器。
４０・・第１光共振器。
５０・・第２光共振器。
６１・・第３光共振器。
６２・・第４光共振器。
８０・・遮光シールド。
９０・・検出器。
９１・・検出器。
９２・・検出器。
１１１・・第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源。
１１２・・第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源。
１２１・・第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源。
１２２・・第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源。
１３１・・第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源。
１３２・・第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源。
１４１・・光格子レーザー光源。
１４２・・光格子レーザー光源。
１５１・・光格子レーザー光源。
１５２・・光格子レーザー光源。
１６１・・光格子レーザー光源。
１６２・・光格子レーザー光源。
１７１・・光格子レーザー光源。
１７２・・光格子レーザー光源。
１８１・・光格子レーザー光源。
１８２・・光格子レーザー光源。
１９１・・第１０光共振器経路。
２０１・・クロックレーザー光源。
２１０・・分光装置。
２１１・・分光装置。
２１２・・分光装置。
２１３・・分光装置。
２１４・・連続発振超放射レーザー装置。
２１５・・連続発振超放射レーザー装置。
１０００・・原子遷移周波数測定装置。
１００１・・原子供給部。
１００２ａ・・クロックレーザー。
１００２ｂ・・クロックレーザー。
１００２ｃ・・クロックレーザー。
１００２ｄ・・クロックレーザー。
９０００・・検出器。
Ｂ・・磁場。
ＢＧ・・磁場発生器。
Ｌ１１・・光格子レーザー。
Ｌ１２・・光格子レーザー。
Ｌ２０・・クロックレーザー。
Ｌ２０１・・クロックレーザー。
Ｌ２１・・光格子レーザー。
Ｌ２２・・光格子レーザー。
Ｌ３１・・光格子レーザー。
Ｌ３２・・光格子レーザー。
Ｌ４１・・光格子レーザー。
Ｌ４２・・光格子レーザー。
Ｌ５１・・光格子レーザー。
Ｌ５２・・光格子レーザー。
Ｌ６１・・光格子レーザー。
Ｌ６２・・光格子レーザー。
Ｌ７１・・光格子レーザー。
Ｌ７２・・光格子レーザー。
Ｌ８１・・光格子レーザー。
Ｌ８２・・光格子レーザー。
Ｍ１・・ミラー。
Ｍ２・・ミラー。
Ｍ３・・ミラー。
Ｍ４・・ミラー。
Ｍ５・・ミラー。
Ｍ６・・ミラー。
Ｍ７・・ミラー。
Ｍ８・・ミラー。
Ｍ９・・ミラー。
Ｍ１０・・ミラー。
Ｍ１１・・ミラー。
Ｍ１２・・ミラー。
Ｍ１３・・ミラー。
Ｍ１４・・ミラー。
Ｍ１５・・ミラー。
Ｍ１６・・ミラー。
Ｍ１７・・ミラー。
Ｍ１８・・ミラー。
Ｍ１９・・ミラー。
Ｍ２０・・ミラー。
Ｍ２１・・ミラー。
Ｍ２２・・ミラー。
ＭＳ・・磁気シールド。
ＭＳ１・・第１磁気シールド。
ＭＳ２・・第２磁気シールド。
Ｐ１・・第１交差位置。
Ｐ２・・第２交差位置。
Ｐ３・・測定位置。
Ｐ４・・測定位置。
Ｐ５・・測定位置。
Ｐ６・・ポンプ領域。
Ｐ１０・・原子廃棄位置。
ＳＰ・・分光領域。
ＳＰＳ・・ＳＰシールド。
ＳＰ１・・第１分光領域。
ＳＰ２・・第２分光領域。
Ｓ１・・原子を供給するステップ。
Ｓ２・・クロックレーザーを供給するステップ。
Ｓ１・・分光領域を形成するステップ。
ＴＲ・・時計遷移領域。
ＴＲ１・・第１時計遷移領域。
ＴＲ２・・第２時計遷移領域。
Ｔｒ１・・原子軌道。
Ｔｒ２・・原子軌道。
２・・分光装置。
３・・分光装置。
４・・分光装置。
５・・分光装置。
６・・分光装置。
７・・分光装置。
８・・分光装置。
９・・分光装置。
１０・・原子供給部。
１１・・第１原子移動経路。
１２・・第２原子移動経路。
１３・・第３原子移動経路。
１４・・第４光共振器経路。
１５・・第５光共振器経路。
１６・・第６光共振器経路。
１７・・第７光共振器経路。
１８・・第８光共振器経路。
１９・・第９光共振器経路。
２０・・クロックレーザー光源。
３０・・光共振器。
４０・・第１光共振器。
５０・・第２光共振器。
６１・・第３光共振器。
６２・・第４光共振器。
８０・・遮光シールド。
９０・・検出器。
９１・・検出器。
９２・・検出器。
１１１・・第１の第１原子移動経路用光格子レーザー光源。
１１２・・第２の第１原子移動経路用光格子レーザー光源。
１２１・・第１の第２原子移動経路用光格子レーザー光源。
１２２・・第２の第２原子移動経路用光格子レーザー光源。
１３１・・第１の第３原子移動経路用光格子レーザー光源。
１３２・・第２の第３原子移動経路用光格子レーザー光源。
１４１・・光格子レーザー光源。
１４２・・光格子レーザー光源。
１５１・・光格子レーザー光源。
１５２・・光格子レーザー光源。
１６１・・光格子レーザー光源。
１６２・・光格子レーザー光源。
１７１・・光格子レーザー光源。
１７２・・光格子レーザー光源。
１８１・・光格子レーザー光源。
１８２・・光格子レーザー光源。
１９１・・第１０光共振器経路。
２０１・・クロックレーザー光源。
２１０・・分光装置。
２１１・・分光装置。
２１２・・分光装置。
２１３・・分光装置。
２１４・・連続発振超放射レーザー装置。
２１５・・連続発振超放射レーザー装置。
１０００・・原子遷移周波数測定装置。
１００１・・原子供給部。
１００２ａ・・クロックレーザー。
１００２ｂ・・クロックレーザー。
１００２ｃ・・クロックレーザー。
１００２ｄ・・クロックレーザー。
９０００・・検出器。
Ｂ・・磁場。
ＢＧ・・磁場発生器。
Ｌ１１・・光格子レーザー。
Ｌ１２・・光格子レーザー。
Ｌ２０・・クロックレーザー。
Ｌ２０１・・クロックレーザー。
Ｌ２１・・光格子レーザー。
Ｌ２２・・光格子レーザー。
Ｌ３１・・光格子レーザー。
Ｌ３２・・光格子レーザー。
Ｌ４１・・光格子レーザー。
Ｌ４２・・光格子レーザー。
Ｌ５１・・光格子レーザー。
Ｌ５２・・光格子レーザー。
Ｌ６１・・光格子レーザー。
Ｌ６２・・光格子レーザー。
Ｌ７１・・光格子レーザー。
Ｌ７２・・光格子レーザー。
Ｌ８１・・光格子レーザー。
Ｌ８２・・光格子レーザー。
Ｍ１・・ミラー。
Ｍ２・・ミラー。
Ｍ３・・ミラー。
Ｍ４・・ミラー。
Ｍ５・・ミラー。
Ｍ６・・ミラー。
Ｍ７・・ミラー。
Ｍ８・・ミラー。
Ｍ９・・ミラー。
Ｍ１０・・ミラー。
Ｍ１１・・ミラー。
Ｍ１２・・ミラー。
Ｍ１３・・ミラー。
Ｍ１４・・ミラー。
Ｍ１５・・ミラー。
Ｍ１６・・ミラー。
Ｍ１７・・ミラー。
Ｍ１８・・ミラー。
Ｍ１９・・ミラー。
Ｍ２０・・ミラー。
Ｍ２１・・ミラー。
Ｍ２２・・ミラー。
ＭＳ・・磁気シールド。
ＭＳ１・・第１磁気シールド。
ＭＳ２・・第２磁気シールド。
Ｐ１・・第１交差位置。
Ｐ２・・第２交差位置。
Ｐ３・・測定位置。
Ｐ４・・測定位置。
Ｐ５・・測定位置。
Ｐ６・・ポンプ領域。
Ｐ１０・・原子廃棄位置。
ＳＰ・・分光領域。
ＳＰＳ・・ＳＰシールド。
ＳＰ１・・第１分光領域。
ＳＰ２・・第２分光領域。
Ｓ１・・原子を供給するステップ。
Ｓ２・・クロックレーザーを供給するステップ。
Ｓ１・・分光領域を形成するステップ。
ＴＲ・・時計遷移領域。
ＴＲ１・・第１時計遷移領域。
ＴＲ２・・第２時計遷移領域。
Ｔｒ１・・原子軌道。
Ｔｒ２・・原子軌道。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】