特許 7443862 共鳴発生方法及び原子発振器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-27

(45)【発行日】2024-03-06

(54)【発明の名称】共鳴発生方法及び原子発振器

(51)【国際特許分類】

   H03L 7/26 20060101AFI20240228BHJP

   H01S 1/06 20060101ALI20240228BHJP

【ＦＩ】

H03L7/26

H01S1/06

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020050651

(22)【出願日】2020-03-23

(65)【公開番号】P2021150886

(43)【公開日】2021-09-27

【審査請求日】2023-02-17

(73)【特許権者】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(74)【代理人】

【識別番号】100148323

【弁理士】

【氏名又は名称】川▲崎▼ 通

(74)【代理人】

【識別番号】100168860

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 充史

(72)【発明者】

【氏名】司城 宏太朗

(72)【発明者】

【氏名】牧 義之

【審査官】石田 昌敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０２３０９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４６５３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１２３５１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０９１４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０１７８２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２０６１６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０３Ｌ ７／２６

Ｈ０１Ｓ １／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の期間において、複数のアルカリ金属原子が収容され、内壁に炭化水素の膜が配置された原子セルに、中心周波数を変化させながら光を照射することによって、前記複数のアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させることと、
前記第１の期間において、前記原子セルを透過した光を検出することによって検出信号を得ることと、
前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出することと、
前記第１の期間において、前記吸収の底を検出した結果に基づいて、次の第１の期間において前記原子セルに照射する光の中心周波数を決定することと、
第２の期間において、前記原子セルに入射する光の強度を前記第１の期間において前記原子セルに入射した光の強度よりも減少させることと、
前記第１の期間と前記第２の期間とを繰り返すことによってラムゼー共鳴を発生させることと、
を含み、
前記第１の期間において、前記原子セルに照射する前記光の中心周波数を、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収帯のドップラー幅に応じた幅で変化させる、共鳴発生方法。

【請求項2】

前記第２の期間において、前記原子セルへの光の入射を停止する、請求項１に記載の共鳴発生方法。

【請求項3】

前記光の中心周波数を変化させる幅は、前記ドップラー幅以上かつ前記ドップラー幅の２倍以下である、請求項１又は２に記載の共鳴発生方法。

【請求項4】

前記第１の期間において前記原子セルに照射する前記光はサイドバンドを含み、
前記第１の期間において、前記原子セルに、前記サイドバンドの周波数を増加および減少させながら前記光を照射することと、
前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記原子セルを透過
した光の強度のピークを検出することと、をさらに含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の共鳴発生方法。

【請求項5】

光源と、
複数のアルカリ金属原子が収容され、内壁に炭化水素の膜が配置された原子セルと、
光検出器と、
制御回路と、
を含み、
前記制御回路は、
第１の期間において、前記原子セルに、中心周波数を変化させながら、かつ、サイドバンドの周波数を増加および減少させながら、前記光源から光を照射させることによって、前記複数のアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させ、第２の期間において、前記原子セルに入射する光の強度を前記第１の期間において前記原子セルに入射した光の強度よりも減少させ、
前記光検出器は、
前記第１の期間において、前記原子セルを透過した光を検出することによって検出信号を出力し、
前記制御回路は、
前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出し、
前記吸収の底を検出した結果に基づいて、次の第１の期間において前記原子セルに照射する光の中心周波数を決定し、
前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記原子セルを透過した光の強度のピークを検出し、
前記第１の期間と前記第２の期間とを繰り返すことによってラムゼー共鳴を発生させ、
前記第１の期間において、前記原子セルに照射する前記光の中心周波数を、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収帯のドップラー幅に応じた幅で変化させる、原子発振器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、共鳴発生方法及び原子発振器に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、量子干渉効果のひとつであるＣＰＴ（Coherent Population Trapping）を利用した原子発振器が提案されている。この原子発振器は、アルカリ金属原子に異なる２種類の波長を有するコヒーレント光を照射することで、コヒーレント光の吸収が停止する電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）現象を発生させ、ＥＩＴ現象に伴って生じる急峻な信号であるＥＩＴ信号を光検出器で検出し、ＥＩＴ信号を基準として、周波数信号を生成する。

【0003】

さらに、特許文献１では、レーザー発光素子への電流注入により少なくとも２つの波長を有するレーザー光を発生させ、レーザー光をアルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルに照射し、レーザー発光素子に印加される電流の直流成分の値は、第１の期間において、レーザー発光素子の発振閾値よりも大きく、第１の期間に続く第２の期間において、第１の期間における電流の直流成分の値よりも小さく、第１の期間及び第２の期間を複数回繰り返すことでラムゼー共鳴を発生させるＣＰＴ共鳴方法が提案されている。この共鳴方法によれば、ＥＩＴ信号に細かい振動が重畳されたような信号形状となるラムゼーフリンジが発現するので、ラムゼーフリンジのピークを利用することでより高精度な原子発振器を実現可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－１７１４１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載のＣＰＴ共鳴方法では、アルカリ金属セルにバッファーガスを封入しているため、アルカリ金属がバッファーガスと衝突することによってラムゼーフリンジのピーク周波数が変動するバッファーガスシフトと呼ばれる現象が発生する。これを避けるため、セルの内壁をコヒーレンス緩和防止膜でコーティングすることで、セルにバッファーガスを封入せずにラムゼー共鳴を発生させることが可能であるが、アルカリ金属原子の共鳴波長の範囲が狭くなる。その結果、セルに照射する光の波長が少しずれてしまうと、アルカリ金属が光と相互作用しなくなる。セルに照射される光の光量が減少するため、光の波長制御のフィードバックがかかりにくい。そのため、第２の期間に発生した何らかの要因によって次の第１の期間においてセルに照射する光の波長がずれると鮮明なラムゼーフリンジが得られなくなり、ラムゼー共鳴を安定して発生させることが難しい。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る共鳴発生方法の一態様は、第１の期間において、複数のアルカリ金属原子が収容され、内壁に炭化水素の膜が配置された原子セルに、中心周波数を変化させながら光を照射することによって、前記複数のアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させることと、前記第１の期間において、前記原子セルを透過した光を検出することによって検出信号を得ることと、前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出することと、前記第１の期間において、前記吸収の底を検出した結果に基づいて、次の第１の期間において前記原子セルに照射する光の中心周波数を決定することと、第２の期間において、前記原子セルに入射
する光の強度を前記第１の期間において前記原子セルに入射した光の強度よりも減少させることと、前記第１の期間と前記第２の期間とを繰り返すことによってラムゼー共鳴を発生させることと、を含む。

【0007】

本発明に係る原子発振器の一態様は、光源と、複数のアルカリ金属原子が収容され、内壁に炭化水素の膜が配置された原子セルと、光検出器と、制御回路と、を含み、前記制御回路は、第１の期間において、前記原子セルに、中心周波数を変化させながら、かつ、サイドバンドの周波数を増加および減少させながら、前記光源から光を照射させることによって、前記複数のアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させ、第２の期間において、前記原子セルに入射する光の強度を前記第１の期間において前記原子セルに入射した光の強度よりも減少させ、前記光検出器は、前記第１の期間において、前記原子セルを透過した光を検出することによって検出信号を出力し、前記制御回路は、前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出し、前記吸収の底を検出した結果に基づいて、次の第１の期間において前記原子セルに照射する光の中心周波数を決定し、前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記原子セルを透過した光の強度のピークを検出し、前記第１の期間と前記第２の期間とを繰り返すことによってラムゼー共鳴を発生させる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施形態の共鳴発生方法について説明するための概念図。

【図2】セシウム原子のエネルギー準位を示す図。

【図3】原子セルに入射する光の周波数と原子セルを透過する光の透過率との関係の一例を示す図。

【図4】ＥＩＴ信号の一例を示す図。

【図5】光源から出射される光の周波数スペクトルの一例を示す図。

【図6】ラムゼーフリンジの一例を示す図。

【図7】原子セルを光の入射方向と直交する平面で切断した断面図。

【図8】光の吸収帯のドップラー幅と光の中心周波数の掃引範囲の幅との関係を説明するための図。

【図9】本実施形態の共鳴発生方法の手順の一例を示すフローチャート図。

【図10】図９のフローチャートの処理を時系列に表示した図。

【図11】原子発振器の機能ブロック図。

【図12】原子発振器における各種信号の波形の一例を示す図。

【図13】第１検波回路による検波の原理について説明するための図。

【図14】第１検波回路による検波の原理について説明するための図。

【図15】原子発振器の動作手順の一例を示すフローチャート図。

【図16】起動制御の手順の一例を示すフローチャート図。

【図17】第１の期間の制御の手順の一例を示すフローチャート図。

【図18】第２の期間の制御の手順の一例を示すフローチャート図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

１．共鳴発生方法
図１は、本実施形態の共鳴発生方法について説明するための概念図である。図１に示すように、本実施形態では、光源１が原子セル２に光を照射し、光検出器３が原子セル２に入射した光のうちの原子セル２を透過した光を検出し、制御回路４が光検出器３の検出信号に基づいて、光源１が出射する光の周波数を制御する。例えば、光源１は垂直共振器面
発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）であってもよい。原子セル２には、気体の複数のアルカリ金属原子５が収容されている。アルカリ金属原子５は、例えば、セシウム、ルビジウム、ナトリウム又はカリウムである。

【0011】

図２は、セシウム原子のエネルギー準位を示す図である。図２に示すように、セシウム原子は、６Ｓ_１／２の基底準位と、６Ｐ_１／２，６Ｐ_３／２の２つの励起準位とを有することが知られている。さらに、６Ｓ_１／２，６Ｐ_１／２，６Ｐ_３／２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、６Ｓ_１／２はＦ＝３，４の２つの基底準位を持ち、６Ｐ_１／２はＦ’＝３，４の２つの励起準位を持ち、６Ｐ_３／２はＦ’＝２，３，４，５の４つの励起準位を持っている。

【0012】

例えば、６Ｓ_１／２のＦ＝３の基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ１線を吸収することで、６Ｐ_１／２のＦ’＝３，４のいずれかの励起準位に遷移することができる。６Ｓ_１／２のＦ＝４の基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ１線を吸収することで、６Ｐ_１／２のＦ’＝３，４のいずれかの励起準位に遷移することができる。逆に、６Ｐ_１／２のＦ’＝３，４のいずれかの励起準位にあるセシウム原子は、Ｄ１線を放出して６Ｓ_１／２のＦ＝３又はＦ＝４の基底準位に遷移することができる。ここで、６Ｓ_１／２のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ_１／２のＦ’＝３，４のいずれかの励起準位からなる３準位は、Ｄ１線の吸収および発光による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。

【0013】

一方、６Ｓ_１／２のＦ＝３の基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ_３／２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。６Ｓ_１／２のＦ’＝４の基底準位にあるセシウム原子は、Ｄ２線を吸収することで、６Ｐ_３／２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、６Ｐ_３／２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６Ｓ_１／２のＦ＝３又はＦ＝４の基底準位に遷移することができる。ここで、６Ｓ_１／２のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ_３／２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準位を形成する。これに対して、６Ｐ_３／２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６Ｓ_１／２のＦ’＝３の基底準位に遷移し、同様に、６Ｐ_３／２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６Ｓ_１／２のＦ＝４の基底準位に遷移する。すなわち、６Ｓ_１／２のＦ＝３，４の２つの基底準位と６Ｐ_３／２のＦ’＝２又は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。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とが知られている。

【0014】

気体状の複数のアルカリ金属原子５は、それぞれ運動状態に応じた速度を有するので、アルカリ金属原子５の集団は一定の速度分布を持っている。アルカリ金属原子５の集団に速度分布があると、ドップラー効果により共鳴光であるＤ１線やＤ２線の見かけ上の周波数に、すなわちアルカリ金属原子５の集団から見た共鳴光の周波数に分布が生じる。これは、速度の異なる複数のアルカリ金属原子５では励起準位が見かけ上異なることを意味するので、励起準位が一定の幅の拡がりを持つことになる。この励起準位の拡がりは、ドップラー拡がりと呼ばれる。

【0015】

図３は、光源１から周波数を掃引しながら光を照射したときに、原子セル２に入射する光の周波数と原子セル２を透過する光の透過率との関係の一例を示す図である。図３において、横軸は原子セル２に入射する光の周波数であり、縦軸は原子セル２を透過する光の透過率である。図３の例では、原子セル２に収容される複数のアルカリ金属原子５はセシ
ウム原子であり、セシウム原子の集団の一部が共鳴光であるＤ１線を吸収することによって生じる４つの吸収帯Ａ１～Ａ４が存在している。吸収帯Ａ１は、６Ｓ_１／２のＦ＝４の底準位にあるセシウム原子がＤ１線を吸収して６Ｐ_１／２のＦ’＝３の励起準位に遷移することによって生じる。吸収帯Ａ２は、６Ｓ_１／２のＦ＝４の底準位にあるセシウム原子がＤ１線を吸収して６Ｐ_１／２のＦ’＝４の励起準位に遷移することによって生じる。吸収帯Ａ３は、６Ｓ_１／２のＦ＝３の底準位にあるセシウム原子がＤ１線を吸収して６Ｐ_１／２のＦ’＝３の励起準位に遷移することによって生じる。吸収帯Ａ４は、６Ｓ_１／２のＦ＝３の底準位にあるセシウム原子がＤ１線を吸収して６Ｐ_１／２のＦ’＝４の励起準位に遷移することによって生じる。

【0016】

吸収帯Ａ１～Ａ４は、励起準位のドップラー拡がりに対応する幅をそれぞれ有している。また、４つの吸収帯Ａ１～Ａ４は、共鳴光を吸収するセシウム原子の数が最も多くなることで透過率が極小となる吸収の底Ｂ１～Ｂ４をそれぞれ有している。６Ｓ_１／２のＦ＝３，４の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数は約９．１９３ＧＨｚであり、６Ｐ_１／２のＦ’＝３，４の２つの励起準位のエネルギー差に相当する周波数は約１．１６８ＧＨｚである。したがって、吸収の底Ｂ１，Ｂ２においてそれぞれ吸収されるＤ１線の周波数差や、吸収の底Ｂ３，Ｂ４においてそれぞれ吸収される２種類のＤ１線の周波数差は、約１．１６８ＧＨｚである。また、吸収の底Ｂ１，Ｂ３においてそれぞれ吸収される２種類のＤ１線の周波数差や、吸収の底Ｂ２，Ｂ４においてそれぞれ吸収される２種類のＤ１線の周波数差は、約９．１９３ＧＨｚである。

【0017】

ところで、気体状のアルカリ金属原子５に、Λ型３準位を形成する第１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を有する第１の共鳴光と、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を有する第２の共鳴光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であるコヒーレンスが生成され、励起準位への励起が停止する電磁誘起透過（ＥＩＴ）現象が発生することが知られている。

【0018】

ＥＩＴ現象が発生すると図１に示す光検出器３において原子セル２の透過率が急峻に増大するＥＩＴ信号が得られる。図４に、ＥＩＴ信号の一例を示す。図４において、横軸は第１の共鳴光と第２の共鳴光との周波数差であり、縦軸は原子セル２を透過する光の透過率である。第１の共鳴光の周波数ω_１と第２の共鳴光の周波数ω_２との差ω_１－ω_２が、第１の基底準位と第２の基底準位とのエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数ω_１２と正確に一致するときにＥＩＴ信号がピーク値を示す。例えば、気体状のセシウム原子に、６Ｓ_１／２のＦ＝３の基底準位から６Ｐ_１／２のＦ’＝４の励起準位への遷移を生じさせるＤ１線を第１の共鳴光とし、６Ｓ_１／２のＦ＝４の基底準位から６Ｐ_１／２のＦ’＝４の励起準位への遷移を生じさせるＤ１線を第２の共鳴光として同時に照射すると、ＥＩＴ現象が発生する。そして、第１の共鳴光と第２の共鳴光との周波数差が、６Ｓ_１／２のＦ＝３，４の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数である約９．１９３ＧＨｚ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。

【0019】

図５は、光源１から出射される光の周波数スペクトルの一例を示す図である。図５において、横軸は周波数であり、縦軸は強度である。図５に示すように、例えば、光源１から出射される光が、少なくとも２つの１次のサイドバンドを含む場合には、２つのサイドバンドの周波数差を周波数ω_１２と一致させることにより、一方のサイドバンドを第１の共鳴光とし、他方のサイドバンドを第２の共鳴光としてＥＩＴ現象を発生させてもよい。例えば、光源１が垂直共振器面発光レーザーである場合、図１の制御回路４から、中心周波数に相当する定電流とω_１２／２の周波数で変動する電流とを含む電流を光源１に供給することにより、光源１は、周波数ω_１２の周波数差を有する２つのサイドバンドを有する光を発生させることができる。

【0020】

なお、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）を高めるために、第１の共鳴光の周波数はいずれかの吸収の底に対応する周波数に一致させるのが望ましい。Ｓ／Ｎ比の高いＥＩＴ信号を利用することで周波数安定度の良好な原子発振器等を実現することができる。

【0021】

本実施形態では、原子セル２に入射する光を連続波ではなくパルスとすることで、パルス励起されたアルカリ金属原子５ではコヒーレンスが自由歳差運動し、ラムゼー共鳴が発生する。その結果、ＥＩＴ信号に細かい振動が重畳されたような信号形状となるラムゼーフリンジが発現する。図６に、ラムゼーフリンジの一例を示す。図６において、横軸は第１の共鳴光と第２の共鳴光との周波数差であり、縦軸は原子セル２を透過する光の透過率である。ラムゼーフリンジの細かい振動のうちの１つのピークは非常に細いためＱ値が高く、ラムゼーフリンジのピークを利用することで原子発振器等の性能がさらに向上する。また、原子セル２に入射する光の強度によってＥＩＴ信号のピーク周波数が変動するライトシフトと呼ばれる現象が知られているが、ラムゼーフリンジのピーク周波数はライトシフトに対する感度が低く、光強度の変動による影響を受けにくいという利点もある。

【0022】

ここで、原子セル２に入射する光の第１パルスによって、アルカリ金属原子５にコヒーレンスが生成されてＥＩＴ現象が発生し、その後、原子セル２への光の入射が停止している間に自由歳差運動が起こり、次に原子セル２に入射する光の第２パルスによってラムゼー共鳴が発生する。そのため、コヒーレンスが生成された状態のまま、アルカリ金属原子５に第２パルスが照射される必要がある。仮に、アルカリ金属原子５の移動を抑制するためのバッファーガスとして希ガス等を原子セル２に封入すれば、アルカリ金属原子５を光の照射範囲内に留まらせることができる。しかしながら、アルカリ金属原子５がバッファーガスと衝突することによって信号のピーク周波数が変動するバッファーガスシフトと呼ばれる現象が発生する。バッファーガスシフトによる周波数シフト量は、原子セル２の温度や、バッファーガスの種類及び混合比によって変化するため、ラムゼーフリンジのピークを利用することによってライトシフトを抑制しても別の周波数変動要因が残ってしまうこととなる。

【0023】

これを避けるために、単純に、原子セル２をバッファーガスが封入されない通常の真空セルとすることも考えられる。しかしながら、バッファーガスがないので、アルカリ金属原子５は、光の照射範囲の外に高速で移動し、原子セル２の内壁との衝突する時の壁面との相互作用によって、アルカリ金属原子５に生成されたコヒーレンスは破壊される。そのため、アルカリ金属原子５にコヒーレンスを生じさせても、壁で跳ね返って再び光の照射範囲内に戻ってきたアルカリ金属原子５によってラムゼー共鳴を発生させることはできない。

【0024】

そこで、本実施形態では、原子セル２の内壁に炭化水素の膜を配置する。図７は、原子セル２を光の入射方向と直交する平面で切断した断面図である。炭化水素の膜は、コヒーレンス緩和防止膜６として機能し、コヒーレンスの長寿命化が達成される。例えば、炭化水素としてパラフィンを用いると性能が良いコヒーレンス緩和防止膜６が得られる。なお、図７の例では、原子セル２は円柱状であるが、四角柱状や三角柱状であってもよい。また、コヒーレンス緩和防止膜６は、原子セル２の光の入射面および出射面を含めた内壁全面に配置されることが好ましい。

【0025】

このように、本実施形態では、原子セル２を、その内壁をコヒーレンス緩和防止膜６でコーティングすることにより、バッファーガスが不要となるため、バッファーガスシフトによるラムゼーフリンジのピークの周波数変動が生じない。また、本実施形態では、原子セル２に入射する光をパルスとすることでラムゼー共鳴が発生するので、アルカリ金属原子５は、光の照射範囲を出入りする必要はなく、光の照射範囲内に留まっていてもよい。
そのため、図７にメッシュで示すように、原子セル２の断面を光の照射範囲と同程度の大きさにすることができ、原子セル２を小型化することができるという利点もある。

【0026】

ただし、原子セル２にはバッファーガスが含まれていないため、バッファーガスに起因する光の吸収帯の均一広がりが生じ得ず、光の吸収帯の幅、すなわち、アルカリ金属原子５の共鳴周波数の範囲が狭くなる。その結果、光源１から出射される光の中心周波数が少しずれてしまうと、アルカリ金属原子５は急速に光と相互作用しなくなってしまう。さらに、ラムゼー共鳴を発生させるために原子セル２に入射する光をパルスとするためには、原子セル２への光の入射を一時的に停止しなければならないため、この停止期間は制御回路４による中心周波数制御のフィードバックがかからない。例えば、光源１が垂直共振器面発光レーザーである場合、停止期間において、何らかの要因で制御回路４から光源１に供給される電流が大きく変動すると、次の光のパルスの中心周波数が大きくずれてしまう。そのため、この停止期間におけるノイズ等の要因によって、次に光源１から出射される光の中心周波数がずれてしまい、ラムゼー共鳴の安定的な発生が妨げられる。

【0027】

そこで、本実施形態では、光源１から光を出射する期間において、光の中心周波数を掃引する。すなわち、光源１から原子セル２に照射する光を、中心周波数が変化するチャープパルスとする。特に、本実施形態では、原子セル２に照射する光の中心周波数を、複数のアルカリ金属原子５による光の吸収帯のドップラー幅に応じた幅で変化させる。

【0028】

図８は、光の吸収帯のドップラー幅と光の中心周波数の掃引範囲の幅との関係を説明するための図である。図８において、横軸は原子セル２に照射する光の中心周波数であり、縦軸は原子セル２を透過する光の透過率である。図８に示すように、光の吸収帯のドップラー幅は、吸収の底に対して光の吸収量が１／２になる時の幅、あるいは、原子セル２の光の透過率が吸収の底に対して２倍になるときの幅、すなわち半値幅であり、例えば、光の中心周波数の掃引範囲の幅は、ドップラー幅以上であることが好ましい。例えば、セシウム原子による光の吸収帯のドップラー幅は１ＧＨｚ程度なので、中心周波数の掃引範囲の幅は１ＧＨｚ以上とすることが好ましい。光の中心周波数の掃引範囲の幅をドップラー幅以上とすることで、中心周波数が多少ずれてもパルス内のどこかで光の周波数が共鳴周波数となり、アルカリ金属原子５が光と相互作用することができる。図８の例では、制御回路４は、中心周波数がずれていないときは中心周波数を掃引範囲１で掃引することで吸収の底を検出し、中心周波数がずれた場合も、例えば中心周波数を掃引範囲２で掃引することで吸収の底を検出することができる。

【0029】

中心周波数の掃引速度は、光の１パルスの幅、すなわち、光源１から光を出射する期間の時間幅によって決まる。例えば、光の１パルスの幅を４μｓとすると、中心周波数の掃引速度は１／４μｓ＝２５０ｋＨｚとなる。パルスの幅が短いほど鮮明なラムゼーフリンジが得られるが、その分、中心周波数の掃引速度を大きくする必要が生じる。したがって、中心周波数の掃引範囲の幅は、光源１において実現可能な中心周波数の掃引速度と、得られるラムゼーフリンジとの兼ね合いで決定すべきである。例えば、鮮明なラムゼーフリンジを得るために中心周波数の掃引速度をできるだけ大きくしたい場合は、中心周波数を掃引範囲の幅をドップラー幅よりも小さくすることも考えられる。

【0030】

図９は、本実施形態の共鳴発生方法の手順の一例を示すフローチャート図である。本実施形態の共鳴発生方法では、図９に示すように、まず、第１の期間を開始する（ステップＳ１）。そして、第１の期間において、まず、光源１が、原子セル２に、中心周波数を変化させながら光を照射することによって、原子セル２に収容された複数のアルカリ金属原子５にＥＩＴ現象を発生させる（ステップＳ２）。光源１は、中心周波数を増加させる方向に変化させてもよいし、中心周波数を減少する方向に変化させてもよい。

【0031】

ステップＳ２において、光源１は、原子セル２に照射する光の中心周波数を、複数のアルカリ金属原子５による光の吸収帯のドップラー幅に応じた幅で変化させてもよい。例えば、光の中心周波数を変化させる幅は、ドップラー幅以上かつドップラー幅の２倍以下であってもよい。

【0032】

次に、光検出器３が、原子セル２を透過した光を検出することによって検出信号を得る（ステップＳ３）。

【0033】

次に、制御回路４が、ステップＳ３で得た検出信号を検波することによって、原子セル２を透過した光の強度のピークを検出する（ステップＳ４）。例えば、ステップＳ２において、原子セル２に照射する光はサイドバンドを含み、光源１が、原子セル２に、サイドバンドの周波数を増加および減少させながら光を照射し、ステップＳ４において、制御回路４が、原子セル２を透過した光の強度がピークとなる時のサイドバンドの周波数を特定することで当該ピークを検出してもよい。

【0034】

また、制御回路４が、ステップＳ３で得た検出信号を検波することによって、複数のアルカリ金属原子５による光の吸収の底を検出する（ステップＳ５）。

【0035】

次に、制御回路４が、ステップＳ５において光の吸収の底を検出した結果に基づいて、次の第１の期間のステップＳ２において原子セル２に照射する光の中心周波数を決定する（ステップＳ６）。

【0036】

次に、第１の期間を終了し、第２の期間を開始する（ステップＳ７）。第１の期間および第２の期間それぞれの開始および終了は、制御回路４によって制御される。例えば、第１の期間が開始してから所定の時間が経過した場合に第１の期間を終了してもよいし、ステップＳ２において中心周波数を変化させる幅が所定値に達した場合に第１の期間を終了してもよい。そして、第２の期間において、制御回路４が、原子セル２に入射する光の強度を第１の期間において原子セル２に入射した光の強度よりも減少させる（ステップＳ８）。例えば、ステップＳ８において、制御回路４が、原子セル２への光の入射を停止してもよい。

【0037】

次に、第２の期間を終了し（ステップＳ９）、共鳴発生処理を終了しない場合は（ステップＳ１０のＮ）、次の第１の期間を開始する（ステップＳ２）。以降は、共鳴発生処理を終了するまで（ステップＳ１０のＹ）、第１の期間のステップＳ２～Ｓ６と第２の期間のステップＳ８を繰り返すことにより、ラムゼー共鳴を発生させる。

【0038】

図１０は、図９のフローチャートの処理を時系列に表示した図である。図１０に示すように、１回目の第１の期間では、ステップＳ２において中心周波数を変化させる掃引範囲は所定の範囲に設定される。例えば、中心周波数の初期値が掃引範囲の中央の値となるように掃引範囲が設定されてもよい。また、１回目のステップＳ２においてラムゼー共鳴は発生しないため、ステップＳ４で検出するピークはラムゼーフリンジを含まないＥＩＴ信号のピークである。

【0039】

これに対して、２回目以降の第１の期間では、ステップＳ２において中心周波数を変化させる掃引範囲は、前回の第１の期間におけるステップＳ６で決定した中心周波数に基づいて設定される。例えば、決定した中心周波数が掃引範囲の中央の値となるように掃引範囲が設定されてもよい。また、ステップＳ２においてラムゼー共鳴が発生するため、ステップＳ４で検出するピークはラムゼーフリンジのピークである。

【0040】

以上に説明したように、本実施形態の共鳴発生方法では、内壁にコヒーレンス緩和防止
膜６として機能する炭化水素の膜が配置された原子セル２を用いることにより、第１の期間においてコヒーレンスが生成されたアルカリ金属原子５は、内壁との衝突後もコヒーレンスを保ったまま移動することができる。そのため、次の第１の期間において、内壁で跳ね返って光の照射範囲内に戻ってきたアルカリ金属原子５によってラムゼー共鳴が発生する。そして、アルカリ金属原子５はバッファーガスとの衝突が無いためバッファーガスシフトが起こらず、またラムゼーフリンジの特性としてライトシフトも大幅に抑制されたものとなる。したがって、本実施形態の共鳴発生方法によれば、ラムゼー共鳴に伴って生じるラムゼーフリンジのピーク周波数が変動するおそれが低減される。

【0041】

さらに、コヒーレンス緩和防止膜６は、アルカリ金属原子５の壁面への吸着を抑制する効果もある。これは、コヒーレンス緩和防止膜６によって吸着エネルギーが低くなることに起因する。ラムゼーフリンジによってライトシフトは大幅に抑制されるが完全にゼロになるわけではない。原子セル２の内壁へのアルカリ金属原子５の吸着によって原子セル２の光の入射面が曇ってしまったり、その曇りが無くなったりすると、原子セル２に入射する光の強度が変動するため、ラムゼーフリンジのピーク周波数がわずかに変動する。本実施形態の共鳴発生方法によれば、コヒーレンス緩和防止膜６によって、アルカリ金属原子５の壁面への吸着を抑制することができるので、ラムゼーフリンジのピーク周波数が変動するおそれが低減される。

【0042】

また、本実施形態の共鳴発生方法では、第２の期間において生じたノイズ等の何らかの要因によって、光源１から出射される光の中心周波数が第１の期間において決定した中心周波数からずれても、次の第１の期間において、原子セル２に中心周波数を変化させながら光を照射することによって、原子セル２に収容されている複数のアルカリ金属原子５による光の吸収の底を検出することができる。したがって、本実施形態の共鳴発生方法によれば、ラムゼー共鳴を安定して発生させることができる。特に、第１の期間において、原子セル２に照射する光の中心周波数を、光の吸収帯のドップラー幅に応じた幅で変化させることにより、より確実に光の吸収の底を検出することができるので、ラムゼー共鳴をより安定して発生させることができる。さらに、光の吸収帯のドップラー幅以上の幅で中心周波数を変化させることで、より確実に光の吸収の底を検出することができ、光の吸収帯のドップラー幅の２倍以下の幅で中心周波数を変化させることで、比較的実現容易な速度で中心周波数を変化させることができる。

【0043】

また、本実施形態の共鳴発生方法によれば、第２の期間において、原子セル２への光の入射を停止することにより、ラムゼー共鳴の発生に寄与するアルカリ金属原子５の数が増えるので、ラムゼー共鳴をより安定して発生させることができる。

【0044】

また、本実施形態の共鳴発生方法では、原子セル２に入射する光をパルスとすることでラムゼー共鳴が発生するので、アルカリ金属原子５は、光の照射範囲を出入りする必要はなく、光の照射範囲内に留まっていてもよい。そのため、本実施形態の共鳴発生方法によれば、原子セル２の断面を光の照射範囲と同程度の大きさにすることができるので、原子セル２を小型化することができる。

【0045】

２．原子発振器
次に、上述した本実施形態の共鳴発生方法を適用した原子発振器１００について説明する。なお、既に説明した内容と重複する内容についてはその説明を簡略又は省略する。図１１は、原子発振器１００の機能ブロック図である。また、図１２は、原子発振器１００における各種信号の波形の一例を示す図である。

【0046】

図１１に示すように、原子発振器１００は、発光素子１０と、原子セル１２と、光検出素子１４と、電流電圧変換回路１６と、第１検波回路１８と、中心周波数決定回路２０と
、中心周波数掃引回路２２と、第１発振器２４と、第２検波回路２６と、電圧制御型発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）２８と、変調回路３０と、第２発振器３２と、第１周波数変換回路３４と、利得制御回路３６と、駆動回路３８と、第２周波数変換回路４０と、を含む。

【0047】

発光素子１０は、第１の期間において、原子セル１２に向けて、光のパルスを出射する光源である。具体的には、図１２に示すように、発光素子１０は、原子セル１２に、中心周波数を変化させながら光を照射する第１の期間と、光の照射を停止する第２の期間とを繰り返す。例えば、第１の期間及び第２の期間はそれぞれ数μｓ～数十μｓであってもよい。例えば、発光素子１０は、垂直共振器面発光レーザーであってもよい。

【0048】

原子セル１２には、気体のセシウム、ルビジウム、ナトリウム又はカリウム等である複数のアルカリ金属原子が収容されている。原子セル１２の内壁は、コヒーレンス緩和防止膜６として機能するパラフィン、ＯＴＳ（オクタデシルトリクロロシラン）等の炭化水素の膜でコーティングされている。原子セル１２に入射した光の一部は、原子セル１２を透過し、光検出素子１４に入射する。なお、原子発振器１００は、図示しないペルチェ素子等の温度制御素子を用いて、原子セル１２の温度が所望の温度で安定するように制御する。

【0049】

光検出素子１４は、原子セル１２を透過する光を検出し、検出した光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出素子１４は、例えば、受光した光の強度に応じた検出信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ：Photo Diode）である。発光素子１０は、第１の期間において、原子セル１２に向けて、光のパルスを出射する。第１の期間において、発光素子１０が中心周波数を変化させながら光を出射することにより、図１２に示すように、光検出素子１４が出力する検出信号には、原子セル１２に収容されている複数のアルカリ金属原子による光の吸収帯に対応する信号が含まれる。光検出素子１４の出力信号は、電流電圧変換回路１６に入力される。

【0050】

電流電圧変換回路１６は、電流として入力された光検出素子１４が出力する検出信号を、電圧に変換して出力する。電流電圧変換回路１６が出力する検出信号は、第１検波回路１８と第２検波回路２６とに入力される。このように、光検出素子１４と電流電圧変換回路１６からなる回路は、第１の期間において、原子セル１２を透過した光を検出することによって検出信号を出力する光検出器である。

【0051】

第１検波回路１８は、第１の期間において、電流電圧変換回路１６が出力する検出信号を、第１発振器２４が出力する第１発振信号を用いて検波することによって、原子セル１２に収容されている複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出し、第１検波信号を出力する。第１発振器２４は、例えば、数百ｋＨｚ程度の第１周波数で発振する。

【0052】

図１３及び図１４は、第１検波回路１８による検波の原理について説明するための図である。図１３及び図１４において、横軸は、原子セル１２に入射する光の周波数であり、縦軸は、原子セル１２を透過する光の透過率である。

【0053】

図１３に示すように、発光素子１０が出射する光の中心周波数が吸収の底である吸収帯の極小点よりも高い方にずれている場合、当該光に含まれる第１周波数ｆ_ｓ１の正弦波のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅの各点は、光検出素子１４の出力では、それぞれ、ａ’，ｂ’，ｃ’，ｄ’，ｅ’の各点として現れるため、光検出素子１４の出力信号にはｆ_ｓ１の周波数成分が多く含まれる。そのため、第１検波回路１８は、光検出素子１４の出力信号を、この出力信号と位相を揃えた第１発振器２４の発振信号である、周波数がｆ_ｓ１の矩形波を用いて、ａ’，ｃ’，ｅ’の電圧を中心に半周期分にあたるｃ’～ｅ’の信号の極性のみ反
転した後、フィルターで積分することで、電圧値が負極性の第１検波信号を出力する。

【0054】

図示はしないが、中心周波数が吸収帯の極小点よりも低い方にずれている場合は、第１検波回路１８は、電圧値が正極性の第１検波信号を出力する。

【0055】

一方、図１４に示すように、中心周波数が吸収帯の極小点に一致する時は、光検出素子１４の出力信号には２ｆ_ｓ１の周波数成分が多く含まれ、ｃ’点を中心に信号の波形が左右対称に近くなる。そのため、第１検波回路１８は、光検出素子１４の出力信号を、この出力信号と位相を揃えた第１発振器２４の発振信号である、周波数がｆ_ｓ１の矩形波を用いて、ａ’，ｃ’，ｅ’の電圧を中心に半周期分にあたるｃ’～ｅ’の信号の極性のみ反転した後、フィルターで積分することで、電圧値がゼロとなる第１検波信号を出力する。すなわち、第１検波回路１８が出力する第１検波信号の電圧値がゼロのとき、吸収の底を検出したことを示す。なお、この検波の原理は、光検出素子１４の出力信号が１周期の整数倍でない場合にも適用可能である。

【0056】

中心周波数決定回路２０は、第１の期間において、第１検波回路１８が出力する第１検波信号に基づいて、次の第１の期間において発光素子１０が原子セル１２に照射する光の中心周波数を決定する。具体的には、中心周波数決定回路２０は、第１検波回路１８から出力される第１検波信号が吸収の底を検出したことを示すときに、中心周波数掃引回路２２から出力される中心周波数情報を、第１の期間の終了時に記憶する。中心周波数情報は、発光素子１０が出射する光の中心周波数の値を特定可能な情報であり、例えば、当該中心周波数の値そのものでもよいし、当該中心周波数の値に所定のオフセット値が加算された値でもよい。なお、中心周波数決定回路２０は、１回目の第１の期間が開始する時には、中心周波数の初期値を特定可能な中心周波数情報を記憶している。

【0057】

中心周波数掃引回路２２は、第１の期間において、中心周波数決定回路２０が記憶する中心周波数情報に基づいて、発光素子１０が出射する光の中心周波数の掃引範囲を決定し、駆動回路３８の電流回路３９に対する設定値を一定間隔で変更する。これにより、電流回路３９が生成して発光素子１０に供給するバイアス電流の電流値が一定間隔で変化し、発光素子１０が出射する光の中心周波数が掃引される。例えば、中心周波数掃引回路２２は、発光素子１０が原子セル１２に照射する光の中心周波数を、原子セル１２に収容されている複数のアルカリ金属原子による光の吸収帯のドップラー幅に応じた幅で変化させることにより、中心周波数を掃引する。例えば、中心周波数掃引回路２２が、光の中心周波数を変化させる幅は、ドップラー幅以上かつドップラー幅の２倍以下であってもよい。

【0058】

中心周波数掃引回路２２には、第１発振器２４の発振信号が入力される。中心周波数掃引回路２２に入力される信号は、第１発振器２４の発振信号であっても、第１発振器２４から移相器等を経由して入力される信号であってもよい。中心周波数掃引回路２２は、第１検波回路１８による検波を可能とするために、第１発振器２４の発振信号に同期した速度で光の中心周波数を変化させる。

【0059】

中心周波数掃引回路２２は、中心周波数決定回路２０が記憶する中心周波数情報によって特定される中心周波数の値から掃引幅の１／２の値を減算した値を掃引範囲の下限値とし、当該中心周波数の値に掃引幅の１／２の値を加算した値を掃引範囲の上限値として、中心周波数を掃引してもよい。すなわち、中心周波数情報によって特定される中心周波数の値が掃引範囲の中央の値となるようにしてもよい。中心周波数掃引回路２２は、例えば、掃引範囲の下限値から上限値へと一定間隔で中心周波数を掃引してもよいし、掃引範囲の上限値から下限値へと一定間隔で中心周波数を掃引してもよい。第１の期間の途中に掃引範囲の上限値または下限値に達してもよいが、１つの第１の期間においては中心周波数が増加し続けるか、減少し続けるかのいずれかであることが好ましい。前述の通り、中心
周波数掃引回路２２は、発光素子１０が出射する光の中心周波数の値を特定可能な中心周波数情報を中心周波数決定回路２０に出力する。

【0060】

なお、中心周波数決定回路２０と中心周波数掃引回路２２との機能分担は任意である。例えば、中心周波数決定回路２０が決定する中心周波数情報に掃引範囲の上限値および下限値が含まれ、中心周波数掃引回路２２は中心周波数情報に従って、駆動回路３８の電流回路３９に対する設定値を制御してもよい。中心周波数決定回路２０または中心周波数掃引回路２２は、光の中心周波数や掃引する周波数範囲に代えて、電流回路３９に対する設定値を決定してもよい。

【0061】

また、中心周波数掃引回路２２は、第２の期間において、駆動回路３８の電流回路３９に対する設定値を、第２の期間において生成されるバイアス電流を第１の期間において生成されるバイアス電流よりも小さくする所定値とする。本実施形態では、第２の期間において生成されるバイアス電流は、発光素子１０を発光させるために必要なバイアス電流の閾値よりも小さい。すなわち、本実施形態では、第２の期間において、発光素子１０は発光しない。また、１つの第１の期間においては中心周波数が増加し続けるか、減少し続けるかのいずれかである場合には、第１の期間と第２の期間とを合わせた期間と第１の周期とは同期していてもよい。

【0062】

第２検波回路２６は、第１の期間において、電流電圧変換回路１６が出力する検出信号を、第２発振器３２が出力する第２発振信号を用いて検波することによって、原子セル１２を透過した光の強度のピークを検出し、第２検波信号を出力する。第２発振器３２は、例えば、数百ｋＨｚ～数ＭＨｚ程度の第２周波数で発振する。第２発振信号の周期は、第１の期間と同期しており、例えば、第２周波数の逆数の整数倍と第１の期間の長さとが一致してもよい。ただし、整数は１以上の整数である。そして、第２検波回路２６が出力する第２検波信号の電圧値に応じて、電圧制御型水晶発振器２８の発振周波数が微調整される。電圧制御型水晶発振器２８は、例えば、数ＭＨｚ～数十ＭＨｚ程度で発振する。第１周波数と第２周波数とが異なることにより、光検出素子１４の出力に基づく検出信号に対して、第１検波回路１８による検波と第２検波回路２６による検波を互いに独立して行うことができる。

【0063】

変調回路３０は、第２検波回路２６による検波を可能とするために、第２検波回路２６に供給される上述の第２発振信号を変調信号として電圧制御型水晶発振器２８の出力信号を変調する。変調回路３０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。

【0064】

第１周波数変換回路３４は、変調回路３０の出力信号を、アルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数ω_１２の１／２の周波数の信号に周波数変換して利得制御回路３６に出力する。第１周波数変換回路３４は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を用いて実現することができる。

【0065】

利得制御回路３６は、第１周波数変換回路３４の出力信号を増幅する。利得制御回路３６は、例えば、ＡＧＣ（Automatic Gain Control）回路を用いて実現することができる。

【0066】

駆動回路３８は、電流回路３９を含む。電流回路３９は、中心周波数掃引回路２２からの設定値に応じた電圧値のバイアス電流を生成する。前述の通り、第１の期間において、中心周波数掃引回路２２からの設定値は一定間隔で変化するので、図１２に示すように、設定値の変化に応じてバイアス電流も変化する。

【0067】

駆動回路３８は、第１変調電流が重畳されたバイアス電流に、さらに、利得制御回路３６の出力信号に基づく電流を重畳した駆動電流を生成し、発光素子１０に出力する。図１２に示すように、利得制御回路３６の出力信号に基づく電流には、周波数がω_１２／２の高周波電流と第２発振器３２の発振信号に基づく第２変調電流が含まれる。発光素子１０は、第１の期間において、図５に示したような、バイアス電流に応じて中心周波数が変化し、かつ、高周波電流に応じた中心周波数との周波数差を有するサイドバンドを含む光を出射する。

【0068】

原子発振器１００では、発光素子１０、原子セル１２、光検出素子１４、電流電圧変換回路１６、第２検波回路２６、電圧制御型水晶発振器２８、変調回路３０、第１周波数変換回路３４、利得制御回路３６、および駆動回路３８を通るフィードバックループにより、第１の期間において、発光素子１０が出射する光に含まれる２つのサイドバンドが、原子セル１２に収容されているアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる共鳴光対となるように制御される。具体的には、フィードバックループにより、共鳴光対の周波数差が、アルカリ金属原子の２つの基底準位間のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数ω_１２と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。

【0069】

このように、原子発振器１００は、第１の期間において、原子セル１２に、中心周波数を変化させながら、かつ、サイドバンドの周波数を増加および減少させながら、発光素子１０から光を照射させることによって、原子セル１２に収容されている複数のアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を発生させる。また、原子発振器１００は、第２の期間において、原子セル１２に入射する光の強度を第１の期間において原子セル１２に入射した光の強度よりも減少させる。具体的には、原子発振器１００は、第２の期間において、発光素子１０を発光させないことによって、原子セル１２への光の入射を停止する。そして、原子発振器１００は、第１の期間と第２の期間とを繰り返すことによりラムゼー共鳴を発生させ、第２検波回路２６によって、電流電圧変換回路１６が出力する検出信号に現れるラムゼーフリンジのピークを検出する。第２の期間においては、原子セル１２に光が入射しないことが好ましいが、ラムゼー共鳴を発生させることが可能な程度に強度が減少していれば、少量の光が入射してもよい。

【0070】

第２検波回路２６による検波の原理は、前述の第１検波回路１８による検波の原理と同様である。すなわち、発光素子１０が出射する光に含まれる２つのサイドバンドの周波数差、すなわち共鳴光対の周波数差がω_１２よりも高い方にずれている場合、光検出素子１４が出力する検出信号には第２周波数ｆ_ｓ２の周波数成分が多く含まれ、第２検波回路２６は、基準値よりも低い電圧値の第２検波信号を出力する。この第２検波信号が電圧制御型水晶発振器２８に入力されて第２周波数ｆ_ｓ２が低下する。また、共鳴光対の周波数差がω_１２よりも低い方にずれている場合は、第２検波回路２６は、基準値よりも高い電圧値の第２検波信号を出力する。この第２検波信号が電圧制御型水晶発振器２８に入力されて第２周波数ｆ_ｓ２が上昇する。一方、共鳴光対の周波数差がω_１２と一致する時は、図１２に示すように、光検出素子１４が出力する検出信号には２ｆ_ｓ２の周波数成分が多く含まれ、第２検波回路２６は、電圧値が基準値となる第２検波信号を出力する。この第２検波信号は、原子セル１２を透過した光の強度のピークを検出したことを示す。この第２検波信号が電圧制御型水晶発振器２８に入力されて第２周波数ｆ_ｓ２が維持される。このようにして、共鳴光対の周波数差がω_１２と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。

【0071】

このように、原子発振器１００では、第１の期間において、アルカリ金属原子のＥＩＴ現象やラムゼー共鳴を利用し、フィードバックループに含まれる、第１周波数変換回路３４の出力信号や電圧制御型水晶発振器２８の出力信号が一定の周波数で安定する。

【0072】

第２周波数変換回路４０は、電圧制御型水晶発振器２８の出力信号を周波数変換し、所望の周波数、例えば１０．００ＭＨｚのクロック信号を生成する。このクロック信号が外部出力される。第２周波数変換回路４０は、例えば、ＤＤＳ（Direct Digital Synthesizer）により実現することができる。

【0073】

なお、第２検波回路２６は、第１の期間の終了時に第２検波信号の電圧値を保持し、次の第２の期間において、電圧制御型水晶発振器２８は、保持された第２検波信号の電圧値に応じた一定の周波数で発振する。これにより、第２周波数変換回路４０は、フィードバック制御がかからない第２の期間においても、所望の周波数のクロック信号を生成することができる。

【0074】

前述の通り、発光素子１０が出射する光の１パルスの幅である第１の期間が短いほど鮮明なラムゼーフリンジが得られるが、発光素子１０が出射する光の中心周波数の掃引速度は第１の期間の長さによって決まるため、鮮明なラムゼーフリンジを得るためには、中心周波数の掃引速度を大きくする必要が生じる。したがって、中心周波数の掃引範囲の幅は、発光素子１０において実現可能な中心周波数の掃引速度と、得られるラムゼーフリンジとの兼ね合いで決定される。また、第２の期間が長いほど、ラムゼーフリンジは細くなるが、ラムゼーフリンジのピークは小さくなるため、例えば、クロック信号の周波数精度が最も高くなるように、第２の期間の長さが決定される。

【0075】

なお、発光素子１０は、図１の光源１に対応する。また、原子セル１２は、図１の原子セル２に対応する。また、光検出素子１４及び電流電圧変換回路１６は、図１の光検出器３に対応する。また、電流電圧変換回路１６、第１検波回路１８、中心周波数決定回路２０、中心周波数掃引回路２２、第１発振器２４、第２検波回路２６、電圧制御型水晶発振器２８、変調回路３０、第２発振器３２、第１周波数変換回路３４、利得制御回路３６及び駆動回路３８によって構成される回路は、図１の制御回路４に対応する。制御回路４に相当する各回路は、１つまたは複数の回路要素によって構成され、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＭＣＵ（Micro Control Unit）等を含んでもよい。

【0076】

図１５は、原子発振器１００の動作手順の一例を示すフローチャート図である。図１５に示すように、原子発振器１００は、電源がオンするまで待機し（ステップＳ１００のＮ）、電源がオンすると（ステップＳ１００のＹ）、原子セル１２の温度が所望の温度で安定するまで待機する（ステップＳ２００のＮ）。そして、原子セル１２の温度が所望の温度で安定すると（ステップＳ２００のＹ）、原子発振器１００は、起動制御を行う（ステップＳ３００）。

【0077】

原子発振器１００は、起動制御を終了すると、次に、第１の期間の制御を行う（ステップＳ４００）。原子発振器１００は、第１の期間の制御を終了すると、次に、第２の期間の制御を行う（ステップＳ５００）。そして、原子発振器１００は、動作を終了しない場合は（ステップＳ６００のＮ）、次の第１の期間の制御を行う（ステップＳ４００）。以降、原子発振器１００は、電源のオフ等によって動作を終了するまで（ステップＳ６００のＹ）、第１の期間の制御（ステップＳ４００）と第２の期間の制御（ステップＳ５００）を繰り返し、これにより、ラムゼー共鳴を発生させる。

【0078】

図１６は、図１５のステップＳ３００である起動制御の手順の一例を示すフローチャート図である。図１６に示すように、原子発振器１００は、起動制御において、まず、発光素子１０が出射する光の中心周波数及びサイドバンド周波数を初期値に設定する（ステップＳ３０１）。例えば、これらの初期値は、原子セル１２に収容されている複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底又はその近傍となる中心周波数の値、及び、ＥＩＴ信号のＳ／Ｎ比がピーク又はその近傍となるサイドバンド周波数の値に設定される。例えば、原
子発振器１００の設計上の中心周波数及びサイドバンド周波数の最適値や、複数の原子発振器１００を評価して得られる複数の最適な中心周波数及びサイドバンド周波数の平均値又は中央値を初期値としてもよい。これらの初期値は、例えば、図１１では図示しない不揮発性のメモリーに記憶される。そして、原子発振器１００の電源がオンしたときに、中心周波数の初期値は、不揮発性メモリーから中心周波数決定回路２０に転送されて中心周波数情報として記憶され、サイドバンド周波数の初期値は、不揮発性メモリーから第２検波回路２６に転送されて第２検波信号の電圧値として保持される。

【0079】

次に、発光素子１０がサイドバンドを含む光を出射し（ステップＳ３０２）、光検出素子１４が原子セル１２を透過した光を検出する（ステップＳ３０３）。

【0080】

次に、第１検波回路１８が、光検出素子１４が出力する電流を電流電圧変換回路１６が電圧に変換した検出信号を検波する（ステップＳ３０４）。第１検波回路１８は、吸収の底を検出するまで検波を続ける（ステップＳ３０５のＮ及びステップＳ３０４）。そして、第１検波回路１８が吸収の底を検出すると（ステップＳ３０５のＹ）、中心周波数決定回路２０が中心周波数情報として中心周波数の値を記憶する（ステップＳ３０６）。

【0081】

また、ステップＳ３０４～Ｓ３０６と並行して、第２検波回路２６が、検出信号を検波することによって、透過光の強度のピークを検出する（ステップＳ３０７）。具体的には、第２検波回路２６がＥＩＴ信号のピークを検出し、前述のフィードバックループにより、発光素子１０が出射する光に含まれる２つのサイドバンドが共鳴光対となるように制御される。そして、原子発振器１００は、起動制御を終了し、第１の期間の制御に移行する。

【0082】

図１７は、図１５のステップＳ４００である第１の期間の制御の手順の一例を示すフローチャート図である。図１７に示すように、第１の期間の制御において、まず、中心周波数掃引回路２２が、光の中心周波数が中心周波数決定回路２０に記憶される中心周波数情報に基づく掃引範囲の下限値又は上限値となるように、電流回路３９を設定する（ステップＳ４０１）。

【0083】

次に、発光素子１０がサイドバンドを含む光を出射し（ステップＳ４０２）、光検出素子１４が原子セル１２を透過した光を検出する（ステップＳ４０３）。

【0084】

次に、第１検波回路１８が、光検出素子１４が出力する電流を電流電圧変換回路１６が電圧に変換した検出信号を検波する（ステップＳ４０４）。第１検波回路１８が吸収の底を検出した場合は（ステップＳ４０５のＹ）、中心周波数決定回路２０が中心周波数情報として中心周波数の値を記憶する（ステップＳ４０６）。第１検波回路１８が吸収の底を検出しない場合は（ステップＳ４０５のＮ）、ステップＳ４０６を行わない。

【0085】

また、ステップＳ４０４～Ｓ４０６と並行して、第２検波回路２６が、検出信号を検波することによって、透過光の強度のピークを検出する（ステップＳ４０７）。具体的には、第２検波回路２６がＥＩＴ信号のピークを検出し、前述のフィードバックループにより、発光素子１０が出射する光に含まれる２つのサイドバンドが共鳴光対となるように制御される。

【0086】

次に、中心周波数の掃引が終了していない場合は（ステップＳ４０８のＮ）、中心周波数掃引回路２２が、電流回路３９の設定を変更し（ステップＳ４０９）、発光素子１０がサイドバンドを含む光を出射する（ステップＳ４０２）。これにより、発光素子１０が出射する光の中心周波数が変化する。そして、原子発振器１００は、ステップＳ４０３～Ｓ４０７を再び行う。

【0087】

原子発振器１００は、中心周波数の掃引が終了するまで（ステップＳ４０８のＮ）、ステップＳ４０２～Ｓ４０９を行い、中心周波数の掃引が終了すると（ステップＳ４０８のＹ）、第２検波回路２６が第２検波信号の電圧値を保持する（ステップＳ４１０）。そして、原子発振器１００は、第１の期間の制御を終了し、第２の期間の制御に移行する。

【0088】

図１８は、図１５のステップＳ５００である第２の期間の制御の手順の一例を示すフローチャート図である。図１８に示すように、第２の期間の制御において、中心周波数掃引回路２２が、バイアス電流が閾値よりも小さくなるように電流回路３９を設定する（ステップＳ５０１）。

【0089】

次に、発光素子１０が光の出射を停止する（ステップＳ５０２）。そして、第２の期間の制御を開始してから所定時間が経過するまで（ステップＳ５０３のＮ）、発光素子１０が光の出射を停止し（ステップＳ５０２）、所定時間が経過すると（ステップＳ５０３のＹ）、原子発振器１００は、第２の期間の制御を終了する。

【0090】

以上に説明した本実施形態の原子発振器１００によれば、本実施形態の共鳴発生方法を利用するので、前述の通り、ラムゼーフリンジのピーク周波数が変動するおそれを低減し、かつ、ラムゼー共鳴を安定して発生させることができる。

【0091】

また、本実施形態の原子発振器１００では、第１の期間において原子セル１２に光を照射し、第２の期間において原子セル１２への光の照射を停止することでラムゼー共鳴が発生するので、原子セル１２に収容されている複数のアルカリ金属原子は、光の照射範囲を出入りする必要はなく、光の照射範囲内に留まっていてもよい。そのため、本実施形態の原子発振器１００によれば、原子セル１２の断面を光の照射範囲と同程度の大きさにすることができるので、原子セル１２を小型化することができる。

【0092】

また、本実施形態の原子発振器１００によれば、ラムゼー共鳴に伴って生じるＱ値の高いラムゼーフリンジのピーク周波数を検出し、極めて高い周波数精度を実現することができる。

【0093】

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。

【0094】

上記の実施形態では、第２の期間において光源１又は発光素子１０が出射する光の強度を第１の期間よりも減少させることにより、第２の期間において原子セル２又は原子セル１２に入射する光の強度を第１の期間よりも減少させている。これに代えて、光源１又は発光素子１０の出力側にシャッターを設け、第１の期間ではシャッターを開いて原子セル２又は原子セル１２に光を照射し、第２の期間ではシャッターを閉じて原子セル２又は原子セル１２に光を照射しないようにすることにより、第２の期間において原子セル２又は原子セル１２に入射する光の強度を第１の期間よりも減少させてもよい。

【0095】

また、上記の実施形態では、光源１又は発光素子１０が出射する光の中心周波数を変化させることにより、原子セル２又は原子セル１２に入射する光の中心周波数を変化させている。これに代えて、光源１又は発光素子１０が出射する光の中心周波数を固定し、当該光を音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-Optic Modulator）等の変調器に入射させ、当該変調器を制御することにより、原子セル２又は原子セル１２に入射する光の中心周波数を変化させてもよい。

【0096】

また、上記の実施形態では、光源１又は発光素子１０が出射する光が２つのサイドバンドを含み、当該２つのサイドバンドが共鳴光対となるように制御している。これに代えて、光源１又は発光素子１０が出射する光の中心周波数と２つのサイドバンドのうちの一方とが共鳴光対となるように制御してもよい。あるいは、２つの光源を用い、共鳴光対の一方の共鳴光を第１の光源が出射し、共鳴光対の他方の共鳴光を第２の光源が出射するように、第１の光源及び第２の光源の少なくとも一方を制御してもよい。

【0097】

また、本実施形態の共鳴発生方法を利用した原子発振器１００を例に挙げたが、本実施形態の共鳴発生方法は、共鳴光対によって原子にＥＩＴ現象を発生させる様々な量子干渉装置に応用することができる。例えば、原子発振器１００と同様の構成により、原子セル１２の周辺の磁場の変化に追従して電圧制御型水晶発振器２８の発振周波数が変化するため、原子セル１２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を実現することができる。また、例えば、原子発振器１００と同様の構成により、アルカリ金属原子に極めて安定したコヒーレンスを生成することができるので、原子セル１２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、量子メモリー、量子暗号システム等の量子情報機器に用いる光源を実現することもできる。

【0098】

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

【0099】

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。

【0100】

上述した実施形態および変形例から以下の内容が導き出される。

【0101】

共鳴発生方法の一態様は、第１の期間において、複数のアルカリ金属原子が収容され、内壁に炭化水素の膜が配置された原子セルに、中心周波数を変化させながら光を照射することによって、前記複数のアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させることと、前記第１の期間において、前記原子セルを透過した光を検出することによって検出信号を得ることと、前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出することと、前記第１の期間において、前記吸収の底を検出した結果に基づいて、次の第１の期間において前記原子セルに照射する光の中心周波数を決定することと、第２の期間において、前記原子セルに入射する光の強度を前記第１の期間において前記原子セルに入射した光の強度よりも減少させることと、前記第１の期間と前記第２の期間とを繰り返すことによってラムゼー共鳴を発生させることと、を含む。

【0102】

この共鳴発生方法によれば、内壁に炭化水素の膜が配置された原子セルを用いることにより、原子セルにバッファーガスを封入する必要がないのでバッファーガスシフトが起こらず、ラムゼー共鳴に伴って生じるラムゼーフリンジのピーク周波数が変動するおそれが低減される。

【0103】

また、この共鳴発生方法によれば、第２の期間において生じたノイズ等の何らかの要因によって、第１の期間において決定した中心周波数がずれても、次の第１の期間において、原子セルに中心周波数を変化させながら光を照射することによって、複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出することができるので、ラムゼー共鳴を安定して発生さ
せることができる。

【0104】

前記共鳴発生方法の一態様は、前記第２の期間において、前記原子セルへの光の入射を停止してもよい。

【0105】

この共鳴発生方法によれば、ラムゼー共鳴の発生に寄与するアルカリ金属原子の数が増えるので、ラムゼー共鳴をより安定して発生させることができる。

【0106】

前記共鳴発生方法の一態様は、前記第１の期間において、前記原子セルに照射する前記光の中心周波数を、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収帯のドップラー幅に応じた幅で変化させてもよい。

【0107】

この共鳴発生方法によれば、光の吸収帯のドップラー幅に応じた所望の幅で中心周波数を変化させることで、より確実に光の吸収の底を検出することができるので、ラムゼー共鳴をより安定して発生させることができる。

【0108】

前記共鳴発生方法の一態様において、前記光の中心周波数を変化させる幅は、前記ドップラー幅以上かつ前記ドップラー幅の２倍以下であってもよい。

【0109】

この共鳴発生方法によれば、光の吸収帯のドップラー幅以上の幅で中心周波数を変化させることで、より確実に光の吸収の底を検出することができ、光の吸収帯のドップラー幅の２倍以下の幅で中心周波数を変化させることで、実現可能な速度で中心周波数を変化させることができる。

【0110】

前記共鳴発生方法の一態様は、前記第１の期間において前記原子セルに照射する前記光はサイドバンドを含み、前記第１の期間において、前記原子セルに、前記サイドバンドの周波数を増加および減少させながら前記光を照射することと、前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記原子セルを透過した光の強度のピークを検出することと、をさらに含んでもよい。

【0111】

この共鳴発生方法によれば、ラムゼー共鳴に伴って生じるＱ値の高いラムゼーフリンジのピーク周波数を検出することができるので、この共鳴発生方法を適用することによって、例えば、周波数精度が極めて高い原子発振器を実現することができる。

【0112】

原子発振器の一態様は、光源と、複数のアルカリ金属原子が収容され、内壁に炭化水素の膜が配置された原子セルと、光検出器と、制御回路と、を含み、前記制御回路は、第１の期間において、前記原子セルに、中心周波数を変化させながら、かつ、サイドバンドの周波数を増加および減少させながら、前記光源から光を照射させることによって、前記複数のアルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発生させ、第２の期間において、前記原子セルに入射する光の強度を前記第１の期間において前記原子セルに入射した光の強度よりも減少させ、前記光検出器は、前記第１の期間において、前記原子セルを透過した光を検出することによって検出信号を出力し、前記制御回路は、前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出し、前記吸収の底を検出した結果に基づいて、次の第１の期間において前記原子セルに照射する光の中心周波数を決定し、前記第１の期間において、前記検出信号を検波することによって、前記原子セルを透過した光の強度のピークを検出し、前記第１の期間と前記第２の期間とを繰り返すことによってラムゼー共鳴を発生させる。

【0113】

この原子発振器によれば、内壁に炭化水素の膜が配置された原子セルを用いることにより、原子セルにバッファーガスを封入する必要がないのでバッファーガスシフトが起こら
ず、ラムゼー共鳴に伴って生じるラムゼーフリンジのピーク周波数が変動するおそれが低減される。

【0114】

また、この原子発振器によれば、第２の期間において生じたノイズ等の何らかの要因によって、第１の期間において決定した中心周波数がずれても、次の第１の期間において、原子セルに中心周波数を変化させながら光を照射することによって、複数のアルカリ金属原子による光の吸収の底を検出することができるので、ラムゼー共鳴を安定して発生させることができる。

【0115】

さらに、この原子発振器によれば、ラムゼー共鳴に伴って生じるＱ値の高いラムゼーフリンジのピーク周波数を検出することができるので、極めて高い周波数精度を実現することができる。

【符号の説明】

【0116】

１…光源、２…原子セル、３…光検出器、４…制御回路、１０…発光素子、１２…原子セル、１４…光検出素子、１６…電流電圧変換回路、１８…第１検波回路、２０…中心周波数決定回路、２２…中心周波数掃引回路、２４…第１発振器、２６…第２検波回路、２８…電圧制御型水晶発振器、３０…変調回路、３２…第２発振器、３４…第１周波数変換回路、３６…利得制御回路、３８…駆動回路、４０…第２周波数変換回路、１００…原子発振器

【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】

【図18】