JP2012019261A

JP2012019261A - 原子発振器

Info

Publication number: JP2012019261A
Application number: JP2010153665A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Aoyama; 拓青山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-07-06
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】ＥＩＴ方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させることが可能な原子発振器
を提供する。
【解決手段】原子集団生成部３０は、速度が略均一の気体状の複数のアルカリ金属原子２
１を含むアルカリ金属原子集団２０を生成する。光源１０は、可干渉性を有し、周波数が
異なる第１の光と第２の光を発生させてアルカリ金属原子集団２０に照射する。光検出部
４０は、アルカリ金属原子集団２０を透過した光の強度に応じた検出信号４２を生成する
。周波数制御部５０は、検出信号４２に基づいて、第１の光と第２の光がアルカリ金属原
子２１に二光子吸収を起こさせる共鳴光対となるように、第１の光の周波数及び第２の光
の周波数の少なくとも一方を制御する。
【選択図】図６

Description

本発明は、原子発振器に関する。

電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）方式（ＣＰＴ（
Coherent Population Trapping）方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、アル
カリ金属原子に、可干渉性（コヒーレント性）を有し、かつ、互いに異なる特定の波長（
周波数）を有する２種類の共鳴光を同時に照射すると共鳴光の吸収が停止する現象を利用
した発振器である。

アルカリ金属原子と２種類の共鳴光との相互作用機構は、図１１に示すように、Λ型３
準位系モデルで説明できることが知られている。アルカリ金属原子は２つの基底準位を有
し、基底準位１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共鳴光１、あるい
は基底準位２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共鳴光２を、それぞ
れ単独でアルカリ金属原子に照射すると、よく知られているように光吸収が起きる。とこ
ろが、このアルカリ金属原子に共鳴光１と共鳴光２を同時に照射すると、２つの基底準位
の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して共鳴光１と共
鳴光２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。例えば、セシ
ウム原子のＤ２線（波長は８５２．１ｎｍ）に関する基底準位と励起準位はそれぞれ６^２
Ｓ_１／２と６^２Ｐ_３／２であるが、基底準位６^２Ｓ_１／２は超微細構造量子数Ｆ＝３、４
の２つの準位に分裂した超微細構造を有しており、Ｆ＝３の準位（基底準位１に相当する
）とＦ＝４の準位（基底準位２に相当する）とのエネルギー差に相当する周波数は９．１
９２６３１７７０ＧＨｚである。そのため、セシウム原子に、波長が８５２．１ｎｍ付近
で周波数差が９．１９２６３１７７０ＧＨｚの２種類のレーザー光を同時に照射すると、
ＥＩＴ信号現象が起こる。

従って、アルカリ金属原子に周波数の異なる２種類の光を照射したとき、この２種類の
光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすか否かで光吸収挙動が急峻
に変化する。この急峻に変化する光吸収挙動を示す信号はＥＩＴ信号と呼ばれ、共鳴光対
の周波数差が２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数（例えば、セシウ
ム原子であれば９．１９２６３１７７０ＧＨｚ）と正確に一致するときにＥＩＴ信号のレ
ベルがピーク値を示す。そこで、ＥＩＴ信号のピークトップを検出し、アルカリ金属原子
に照射する２種類の光が共鳴光対となるように、すなわち、この２種類の光の周波数差が
ΔＥ_１２に相当する周波数と正確に一致するように周波数制御することで、高精度な発振
器を実現することができる。

米国特許第６２６５９４５号明細書

しかしながら、ＥＩＴ方式の原子発振器では、ＥＩＴ信号のピークトップを検出して周
波数制御を行うので、ＥＩＴ信号のＱ値（特にピークトップの曲率）が小さいと周波数の
揺らぎの原因となり、原子発振器としての周波数精度に問題をきたす場合もあった。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様
によれば、ＥＩＴ方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させることが可能な原子発振
器を提供することができる。

（１）本発明は、アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる量子干渉現
象を利用する原子発振器であって、速度が略均一の気体状の複数のアルカリ金属原子を含
むアルカリ金属原子集団を生成する原子集団生成部と、可干渉性を有し、周波数が異なる
第１の光と第２の光を発生させて前記アルカリ金属原子集団に照射する光源と、前記アル
カリ金属原子集団を透過した光の強度に応じた検出信号を生成する光検出部と、前記検出
信号に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記アルカリ金属原子に二光子吸収を起
こさせる共鳴光対となるように、前記第１の光の周波数及び前記第２の光の周波数の少な
くとも一方を制御する周波数制御部と、を含む。

「二光子吸収」とは、アルカリ金属原子が２個の光子を同時に吸収して励起状態へと遷
移する現象である。

「アルカリ金属」とは、元素周期律表の第一列にある第１族に属する元素（Ｎａ，Ｋ，
Ｒｂ，Ｃｓ,・・・）のことをいう。

後述するシミュレーション結果から、一般的に、ＥＩＴ信号のピークトップの曲率より
も二光子吸収信号のピークトップの曲率の方が大きいと考えられる。そのため、本発明の
原子発振器によれば、アルカリ金属原子に二光子吸収を起こさせる共鳴光対を発生させる
ことにより、従来のＥＩＴ方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させることができる
。

（２）この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記アルカリ金属原子の励起状
態と第１の基底状態とのエネルギー差に相当する周波数をω_１３、前記アルカリ金属原子
の前記励起状態と第２の基底状態とのエネルギー差に相当する周波数ω_２３とした時、前
記第１の光の周波数がω_１３＋Δ（Δ≠０）になるとともに前記第２の光の周波数がω_２
_３＋Δになるように、前記第１の光の周波数及び前記第２の光の周波数の少なくとも一方
を制御するようにしてもよい。

このようにすれば、第１の光と第２の光の周波数差がアルカリ金属原子の第１の基底状
態と第２の基底状態とのエネルギー差に相当する周波数と等しくなるように制御がかかる
ので、アルカリ金属原子に二光子吸収を起こさせることができる。

（３）この原子発振器は、前記光源が発生する光の中心周波数を（ω_１３＋ω_２３）／
２＋Δに設定する中心周波数設定部を含み、前記周波数制御部は、前記検出信号に応じた
周波数で発振する発振信号を生成する発振信号生成部と、前記発振信号を所与の周波数変
換率で周波数変換する周波数変換部と、を含み、前記光源は、中心周波数設定部が設定し
た前記中心周波数の光を、前記周波数変換部が周波数変換した信号によって周波数変調す
ることにより前記第１の光と前記第２の光を発生させるようにしてもよい。

このようにすれば、アルカリ金属原子に二光子吸収を起こさせる共鳴光対を１つの光源
で効率的に発生させることができる。

（４）この原子発振器において、前記原子集団生成部は、前記アルカリ金属原子を絶対
零度近傍まで冷却することにより前記アルカリ金属原子集団を生成するようにしてもよい
。

このように、アルカリ金属原子を絶対零度近傍まで冷却すれば、速度がほぼ０のアルカ
リ金属原子集団を生成することができる。

ＥＩＴ信号を発生させるシミュレーションについて説明するための図。ＥＩＴ信号のシミュレーション結果を示す図。二光子吸収信号を発生させるシミュレーションについて説明するための図。二光子吸収信号のシミュレーション結果を示す図。ＥＩＴ信号と二光子吸収信号のピークトップの２階微分値（曲率）の比較結果を示す図。本実施形態の原子発振器の機能ブロック図。本実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図。レーザー冷却の原理について説明するための図。磁気光学トラップ（ＭＯＴ）によるアルカリ金属原子集団の捕捉原理について説明するための図。半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図。アルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図。

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。

１．ＥＩＴ信号と二光子吸収信号の比較
アルカリ金属原子をΛ型３準位系モデルで近似してＥＩＴ信号を発生させるシミュレー
ションと二光子吸収信号を発生させるシミュレーションを行い、ＥＩＴ信号と二光子吸収
信号の特性の比較を行った。なお、これらのシミュレーションにおいて、アルカリ金属原
子の種類は限定していない。

１−１．ＥＩＴ信号のシミュレーション
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）はＥＩＴ信号を発生させるシミュレーションについて説明す
るための図である。このシミュレーションでは、図１（Ａ）に示すΛ型３準位系モデルで
近似されるアルカリ金属原子を多数含むアルカリ金属原子集団に対して、周波数がω_ｃの
カップリング光と周波数がω_ｐのプローブ光を、ω_ｃを固定してω_ｐをスイープしながら
同時に照射する。そして、アルカリ原子集団を透過した光（透過光）をフォトデテクター
（ＰＤ：Photo Detector）のモデルにより検出し、ＰＤの出力レベルを算出する。なお、
二光子吸収信号はアルカリ金属原子集団の速度が均一でなければ明確に発生しないので、
後述する二光子吸収信号のシミュレーションではすべてのアルカリ金属原子を絶対零度に
冷却された状態（速度０）にモデル化している。そのため、シミュレーション条件を同じ
にするために、ＥＩＴ信号のシミュレーションにおいてもすべてのアルカリ金属原子を絶
対零度に冷却された状態（速度０）にモデル化している。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、カップリング光の周波数ω_ｃは、アルカリ金
属原子の基底準位２と励起準位とのエネルギー差ΔＥ_２３に相当する周波数ω_２３（＝Δ
Ｅ_２３／ｈ：ｈはプランク定数）に固定する。一方、プローブ光の周波数ω_ｐは、アルカ
リ金属原子の基底準位１と励起準位とのエネルギー差ΔＥ_１３に相当する周波数ω_１３（
＝ΔＥ_１３／ｈ）を中心としてスイープする。離調δ（＝（ω_ｐ−ω_ｃ）−ω_１２）を、
０を中心としてスイープすると考えることもできる。δ＝０の時、ω_ｐとω_ｃの周波数差
が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ_１２に相当する周波数ω_１２（＝ΔＥ_１２
／ｈ）と一致する。

図２（Ａ）にシミュレーション結果を示す。図２（Ａ）において、横軸はδ、縦軸はＰ
Ｄの出力レベルを示し、ともに任意単位である。図２（Ａ）に示すように、δ＝０の近傍
でＥＩＴ信号が発生し、δ＝０すなわちω_ｐ−ω_ｃ＝ω_１２となる時にピークとなる。図
２（Ｂ）に、図２（Ａ）のシミュレーション結果のＰＤ出力レベルを２階微分した値（曲
率）を計算した結果を示す。図２（Ｂ）において、横軸は離調δ、縦軸はＰＤ出力の２階
微分値（曲率）を示し、ともに任意単位である。図２（Ｂ）に示すように、ＥＩＴ信号の
ピークトップの曲率は−２０程度である。尚「曲率」とは、本来「曲率半径」の逆数とし
て定義されるが、対象とする曲線の２階（次）微分係数値を反映することから、本明細書
では「曲率」と「２階微分値」を同義語として扱う。

１−２．二光子吸収信号のシミュレーション
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は二光子吸収信号を発生させるシミュレーションについて説
明するための図である。このシミュレーションでは、図３（Ａ）に示すΛ型３準位系モデ
ルで近似されるアルカリ金属原子を多数含むアルカリ金属原子集団（ＥＩＴ信号のシミュ
レーション時とまったく同じアルカリ金属原子集団）に対して、周波数がω_ｃのカップリ
ング光と周波数がω_ｐのプローブ光を、ω_ｃを固定してω_ｐをスイープしながら同時に照
射する。そして、アルカリ原子集団を透過した光（透過光）をフォトデテクター（ＰＤ：
Photo Detector）のモデルにより検出し、ＰＤの出力レベルを算出する。なお、すべての
アルカリ金属原子を絶対零度に冷却された状態（速度０）にモデル化している。

図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、カップリング光の周波数ω_ｃは、ΔＥ_２３＋
ΔＥに相当する周波数ω_２３＋Δ（＝（ΔＥ_２３＋ΔＥ）／ｈ）に固定する。一方、プロ
ーブ光の周波数ω_ｐは、ω_１３を中心としてスイープする。離調δ（＝（ω_ｐ−ω_ｃ）−
ω_１２）を用いると、δ＋Δを０を中心としてスイープすると考えることもできる。δ＋
Δ＝Δ（すなわちδ＝０）の時、ω_ｐとω_ｃの周波数差がω_１２と一致する。

図４（Ａ）にシミュレーション結果を示す。図４（Ａ）において、横軸はδ＋Δ、縦軸
はＰＤの出力レベルを示し、ともに任意単位である。図４（Ａ）に示すように、δ＋Δ＝
Δ（δ＝０）の近傍で二光子吸収信号が発生し、δ＋Δ＝Δ（δ＝０）すなわちω_ｐ−ω
_ｃ＝ω_１２となる時にピークとなる。また、δ＋Δ＝０〜Δ（δ＝−Δ〜０）の付近でＥ
ＩＴ信号が発生し、δ＋ΔがΔよりもわずかに小さい値（δが０よりもわずかに小さい値
）の時にピークとなる。図４（Ｂ）に、図４（Ａ）のシミュレーション結果のＰＤ出力レ
ベルを２階微分した値（曲率）を計算した結果を示す。図４（Ｂ）において、横軸は離調
δ＋Δ、縦軸はＰＤ出力の２階微分値（曲率）を示し、ともに任意単位である。図４（Ｂ
）に示すように、ＥＩＴ信号のピークトップの曲率は−３０程度であり、二光子吸収信号
のピークトップの曲率は４０程度である。

１−３．シミュレーション結果の比較
図５（Ａ）は、二光子吸収信号のシミュレーションをΔをスイープして行った時のＥＩ
Ｔ信号と二光子吸収信号の各ピークトップの曲率の算出結果を示す図である。図５（Ａ）
において、横軸はΔ、縦軸はピークトップの曲率の絶対値を示し、ともに任意単位である
。二光子吸収信号とＥＩＴ信号の各ピークトップの曲率をそれぞれ実線と破線で示す。ま
た、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す二光子吸収信号のピークトップの曲率とＥＩＴ信号
のピークトップの曲率の比Ｒ（Ｒ＝二光子吸収信号のピークトップの曲率／ＥＩＴ信号の
ピークトップの曲率）の算出結果を示す図である。図５（Ｂ）において、横軸はΔ、縦軸
はＲを示す。なお、Δ＝０の時は、図２（Ａ）のＥＩＴ信号と同じＥＩＴ信号が得られる
ので、図５（Ａ）においてΔ＝０の時のＥＩＴ信号のそのピークトップの曲率は図２（Ｂ
）と一致する。

図５（Ａ）と図５（Ｂ）から、Δが０の近傍（概ね−１＜Δ＜１の範囲）ではＥＩＴ信
号の曲率が二光子吸収信号の曲率よりも大きいが、その他のΔの範囲では二光子吸収信号
の曲率がＥＩＴ信号の曲率よりも大きいことがわかる。なお、このシミュレーションでは
一般的なΛ型３準位系モデルを用いているので、アルカリ金属原子の種類を限定しても同
様の傾向のシミュレーション結果が得られるものと推測できる。

ピークトップの曲率が大きい信号ほど急峻であると言えるので、このシミュレーション
結果は、Δの絶対値をある程度大きくすれば、ＥＩＴ信号よりも急峻な二光子吸収信号が
得られることを意味する。すなわち、Δの絶対値をある程度大きくして二光子吸収信号の
ピークトップにロックさせる原子発振器を構成すれば、周波数の揺らぎが小さくなり、Ｅ
ＩＴ方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させることができる。

また、図５（Ａ）の結果によれば、Δ＝±６程度で二光子吸収信号のピークトップの曲
率が最大になる。二光子吸収信号のピークトップの曲率が最大になるようにΔを設定すれ
ば、原子発振器の周波数精度をさらに向上させることができる。

以上に説明したシミュレーション結果を踏まえて、本実施形態の原子発振器は、二光子
吸収信号を利用して周波数精度を向上させるものである。以下、本実施形態の原子発振器
の構成について説明する。

２．本実施形態の原子発振器の機能構成
図６は、本実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。本実施形態の原子発振器１
は、光源１０、原子集団生成部３０、光検出部４０、周波数制御部５０を含んで構成され
ている。

原子集団生成部３０は、速度が略均一の気体状の複数のアルカリ金属原子２１を含むア
ルカリ金属原子集団２０を生成する。例えば、原子集団生成部３０は、アルカリ金属原子
２１を絶対零度近傍まで冷却することによりアルカリ金属原子集団３０を生成するように
してもよい。

光源１０は、可干渉性（コヒーレント性）を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光
を発生させてアルカリ金属原子集団２０に照射する。例えば、レーザー光は可干渉性（コ
ヒーレント性）を有する光である。

光検出部４０は、アルカリ金属原子集団２０を透過した光（透過光）２２の強度に応じ
た検出信号４２を生成する。

周波数制御部５０は、光検出部４０の検出信号４２に基づいて、光源１０が発生させる
第１の光と第２の光が、アルカリ金属原子２１に二光子吸収を起こさせる共鳴光対となる
ように、第１の光及び第２の光の少なくとも一方の周波数制御を行う。具体的には、周波
数制御部５０は、前記第１の光の周波数がω_１３＋Δ（Δ≠０）になるとともに前記第２
の光の周波数がω_２３＋Δになるように、第１の光の周波数及び第２の光の周波数の少な
くとも一方を制御するようにしてもよい。こうすることで、第１の光と第２の光の周波数
差がω_１２（＝ω_１３−ω_２３）になり、アルカリ金属原子２１に二光子吸収を起こさせ
ることができる。

本実施形態の原子発振器１は、さらに、中心周波数設定部６０を含むように構成しても
よい。この中心周波数設定部６０は、光源１０が発生する光の中心周波数を（ω_１３＋ω
_２３）／２＋Δに設定する。

この場合、周波数制御部５０を、検出信号４２に応じた周波数で発振する発振信号を生
成する発振信号生成部５２と、発振信号生成部５２が生成する発振信号を所与の周波数変
換率で周波数変換する周波数変換部５４と、を含むように構成し、光源１０を、中心周波
数設定部６０が設定した中心周波数の光を、周波数変換部５４が周波数変換した信号によ
って周波数変調することにより第１の光と第２の光を発生させるように構成してもよい。

以下、本実施形態の原子発振器のより具体的な構成について説明する。

３．本実施形態の具体的構成
図７は、本実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図である。図７に示すように
、本実施形態の原子発振器１００は、半導体レーザー１１０、アルカリ金属原子集団１２
０、レーザー冷却部１３０、光検出器１４０、増幅回路１５０、検波回路１６０、電圧制
御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７０、変調回路１８０、低周波発振器１９０、周波数変換回
路２００、電流駆動回路２１０を含んで構成されている。

アルカリ金属原子集団１２０は、速度がほぼ均一（以下、「均一系」という）の気体状
のアルカリ金属原子が集まったものである。本実施形態では、レーザー冷却部１３０によ
り、均一系のアルカリ金属原子集団１２０を作り出している。

レーザー冷却部１３０は、アルカリ金属原子発生源１３１で発生させた気体状のアルカ
リ金属原子をガラスセル１３３に向かって出射し、このアルカリ金属原子の進行方向に対
向させて、共鳴周波数付近のレーザー光１３５を照射することで、アルカリ金属原子を減
速させる。コイル１３２は、アルカリ金属原子の減速に合わせてアルカリ金属原子の共鳴
周波数がレーザー光１３５の周波数付近になるように、アルカリ金属原子の飛行経路（減
速路）に沿ってガラスセル１３３に近いほど小さくなるような傾斜勾配をつけた磁場を発
生させる。アルカリ金属原子は、この磁場を通過する間にレーザー光１３５の光子と衝突
を繰り返して次第に減速し、絶対零度付近まで冷却（レーザー冷却）される。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）及び図８（Ｃ）は、レーザー冷却の原理について説明するため
の図である。アルカリ金属原子の進行方向からレーザー光１３５の光子（共鳴光）が衝突
すると、運動量保存則により、アルカリ金属原子は減速される（図８（Ａ））。この時、
光子が一つ吸収されて消滅し、同時にエネルギー保存則により、アルカリ金属原子の電子
は励起準位に遷移する（図８（Ｂ））。励起準位から基底準位に戻る時に、光子が１つ放
出生成されるが、飛び出す光子の方向運動量はランダムなので、平均すると光子放出過程
での原子の速度は変わらない（図８（Ｃ））。このアルカリ金属原子の進行方向から次の
光子が衝突すると、同様の過程を経由してアルカリ金属原子はさらに減速する。これを繰
り返しアルカリ金属原子の速度が０に収斂し、アルカリ金属原子は絶対零度付近まで冷却
される。なお、アルカリ金属原子の減速に伴い、遷移エネルギーのドップラーシフトを生
じる。これを補正する為、減速路に沿って磁場勾配をつけた磁場を発生させるコイル１３
２（所謂「ゼーマン減速器」）が付加されている。

このようにして十分減速されたアルカリ金属原子は、ガラスセル１３３を挟むように対
向して配置された１対のアンチヘルムホルツコイル１３４（図７は２つのコイル１３４が
重なる方向から図示しているため１つに見えている）を用いた磁気光学トラップ（ＭＯＴ
：Magneto-Optical Trap）でガラスセル１３３の内部に捕捉され、均一系のアルカリ金属
原子集団１２０が生成される。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）によるアルカリ金属原子集
団１２０の捕捉原理について説明するための図である。ｚ軸方向に対向して配置された１
対のアンチヘルムホルツコイル１３４に互いに逆方向の電流を流すと、原点Ｏ付近に、原
点からの距離（ずれ）に比例して線形に変化する磁場が得られる（図９（Ａ））。具体的
には、座標（ｘ，ｙ，ｚ）の磁場Ｂは、Ｂ＝（ｂｘ，ｂｙ，−２ｂｚ）（ｂ：定数）で表
される。この磁場を発生させた状態で、レーザー冷却等で十分冷却された（速度がほぼ０
の）アルカリ金属原子集団１２０に対し、ｘ軸方向から１組のレーザー光１３６ａと１３
６ｂを対向させて照射し、ｙ軸方向から１組のレーザー光１３７ａと１３７ｂを対向させ
て照射し、ｚ軸方向から１組のレーザー光１３８ａと１３８ｂを対向させて照射すると、
アンチヘルムホルツコイル１３４の中心（原点Ｏ）付近に原子集団を捕捉することができ
る（図９（Ｂ））。なお、図７は、ｚ軸方向から見た図であり、ｚ軸方向のレーザー光１
３８ａと１３８ｂの図示を省略している。

図７に戻り、半導体レーザー１１０は、電流駆動回路２１０が出力する駆動電流によっ
て中心波長λ_０（中心周波数ｆ_０＝ｖ／λ_０：ｖは光の速度）が制御され、この駆動電流
に周波数変換回路２００の出力信号（変調周波数ｆ_ｍの変調信号）が重畳されることで変
調がかけられ、周波数の異なる複数の光を発生させる。この半導体レーザー１１０の出射
光は、アルカリ金属原子集団１２０に照射される。このような半導体レーザー１１０は、
例えば、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）や、垂直共振器面発光レーザー（Ｖ
ＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーなどで実現す
ることができる。

図１０は、半導体レーザー１１０の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図
１０において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。図１０に示すように、
半導体レーザー１１０の出射光には、中心周波数ｆ_０を有する光と、その両側にｆ_ｍ間隔
の周波数をそれぞれ有する複数種類の光が含まれる。本実施形態では、１次のサイドバン
ドの２つの光がアルカリ金属原子に二光子吸収状態を発生させる共鳴光対になるように、
中心周波数ｆ_０と変調周波数ｆ_ｍを調整する。具体的には、電流駆動回路２１０の駆動電
流を所定量に設定し、中心周波数ｆ_０を（ω_１３＋ω_２３）／２＋Δと一致させる。また
、変調周波数ｆ_ｍは、後述するフィードバック制御により（ω_１３−ω_２３）／２と一致
させる。これにより、１次の上側サイドバンドの光（共鳴光１）の周波数ｆ_１と１次の下
側サイドバンドの光（共鳴光２）の周波数ｆ_２は、それぞれω_１３＋Δとω_２３＋Δと一
致し、この２つの共鳴光１、２によりアルカリ金属原子集団１２０の各原子に二光子吸収
状態を発生させることができる。このようにすれば、アルカリ金属原子に二光子吸収を起
こさせる共鳴光対を１つの半導体レーザーで効率的に発生させることができる。

光検出器１４０は、アルカリ金属原子集団１２０を透過した光（透過光）を検出し、光
の強度に応じた検出信号を出力する。二光子吸収を起こすアルカリ金属原子の数が多いほ
ど透過光の強度が減少し、光検出器１４０の出力信号（検出信号）の電圧レベルが低くな
る。

光検出器１４０の出力信号は増幅回路１５０で増幅され、検波回路１６０に入力される
。検波回路１６０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器１７０
の発振信号を用いて増幅回路１５０の出力信号を同期検波する。そして、検波回路１６０
の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７０の発振周波数が微
調整される。電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７０は、例えば、数ＭＨｚ程度で発振す
る。

変調回路１８０は、検波回路１６０による同期検波を可能とするために、低周波発振器
１９０の発振信号（検波回路１６０に供給される発振信号と同じ）を変調信号として電圧
制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７０の出力信号を変調する。変調回路１８０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。

周波数変換回路２００は、設定された周波数変換率に応じて、変調回路１８０の出力信
号を周波数変換する。周波数変換回路２００は、例えば、設定した逓倍率で、変調回路１
８０の出力信号の周波数を逓倍するＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路により実現するこ
とができる。

そして、前述した通り、電流駆動回路２１０による駆動電流に周波数変換回路２００の
出力信号を重畳することにより、半導体レーザー１１０は、周波数変換回路２００の出力
信号を変調信号（変調周波数ｆ_ｍ）として変調がかけられ、図１０に示したような周波数
スペクトラムを有する出射光を発生させる。

半導体レーザー１１０、アルカリ金属原子集団１２０、光検出器１４０、増幅回路１５
０、検波回路１６０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７０、変調回路１８０、周波数
変換回路２００を通るフィードバックループにより、光検出器１４０の検出信号の強度が
極小になるように、すなわち、共鳴光１の周波数ｆ_１＝ω_１３＋Δかつ共鳴光２の周波数
ｆ_２＝ω_２３＋Δとなるように、フィードバック制御がかけられる。共鳴光１をプローブ
光、共鳴光２をカップリング光と考えて図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に当てはめるとδ＋Δ
＝Δ（δ＝０）の条件が満たされるので、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）の結果より、光検出
器１４０の検出信号のレベルは二光子吸収信号のピークトップのレベルと一致する。すな
わち、本実施形態の原子発振器によれば、二光子吸収信号のピークトップにロックをかけ
ることができるので、従来のＥＩＴ方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させること
ができる。

なお、図７における半導体レーザー１１０、アルカリ金属原子集団１２０、電流駆動回
路２１０は、それぞれ図６の光源１０、アルカリ金属原子集団２０、中心周波数設定部６
０に対応する。また、光検出器１４０と増幅回路１５０による構成は、図６の光検出部４
０に対応する。また、検波回路１６０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７０、変調回
路１８０、低周波発振器１９０、周波数変換回路２００による構成は、図６の周波数制御
部５０に対応する。また、検波回路１６０、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）１７０、変
調回路１８０、低周波発振器１９０による構成は、図６の発振信号生成部５２に対応する
。また、周波数変換回路２００は、図６の周波数変換部５４に対応する。

なお、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。

例えば、本実施形態では、半導体レーザー１１０の出射光の１次のサイドバンドの２種
類の光（周波数ｆ_０±ｆ_ｍ）が共鳴光対となるように制御していたが、これに限られない
。例えば、中心周波数ｆ_０の光と周波数がｆ_０＋ｆ_ｍの光が共鳴光対となるとともに、中
心周波数ｆ_０の光と周波数がｆ_０−ｆ_ｍの光が共鳴光対となるように制御してもよい。

また、例えば、本実施形態では、１つの半導体レーザーに変調をかけることで効率的に
共鳴光対を発生させているが、より単純に、２つの半導体レーザーを別々の駆動電流で駆
動して共鳴光対を発生させるようにしてもよい。

また、例えば、本実施形態では、共鳴光対となる２種類の光の周波数をフィードバック
制御しているが、一方の光の周波数を固定して他方の周波数をフィードバック制御するよ
うにしてもよい。

また、例えば、本実施形態では半導体レーザー１１０に変調をかけることで２つの共鳴
光を発生させているが、半導体レーザー１１０には変調をかけずに周波数ｆ_０の単一レー
ザー光を発生させ、周波数ｆ_０の単一レーザー光を電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Op
tic Modulator）に入射することで変調をかけて２つの共鳴光を発生させるようにしても
よい。なお、電気光学変調器（ＥＯＭ）の代わりに、音響光学変調器（ＡＯＭ：Acousto-
Optic Modulator）を用いてもよい。

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。

１原子発振器、１０光源、２０アルカリ金属原子集団、２１アルカリ金属原子、
２２透過光、３０原子集団生成部、４０光検出部、４２検出信号、５０周波数
制御部、５２発振信号生成部、５４周波数変換部、６０中心周波数設定部、１００
原子発振器、１１０半導体レーザー、１２０アルカリ金属原子集団、１３０レー
ザー冷却部、１３１アルカリ金属原子発生源、１３２コイル（ゼーマン減速器）、１
３３ガラスセル、１３４アンチヘルムホルツコイル、１３５，１３６ａ，１３６ｂ，
１３７ａ，１３７ｂ，１３８ａ，１３８ｂ，レーザー光、１４０光検出器、１５０
増幅回路、１６０検波回路、１７０電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）、１８０変調
回路、１９０低周波発振器、２００周波数変換回路

Claims

アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる量子干渉現象を利用する原子
発振器であって、
速度が略均一の気体状の複数のアルカリ金属原子を含むアルカリ金属原子集団を生成す
る原子集団生成部と、
可干渉性を有し、周波数が異なる第１の光と第２の光を発生させて前記アルカリ金属原
子集団に照射する光源と、
前記アルカリ金属原子集団を透過した光の強度に応じた検出信号を生成する光検出部と
、
前記検出信号に基づいて、前記第１の光と前記第２の光が前記アルカリ金属原子に二光
子吸収を起こさせる共鳴光対となるように、前記第１の光の周波数及び前記第２の光の周
波数の少なくとも一方を制御する周波数制御部と、を含む原子発振器。
請求項１において、
前記周波数制御部は、
前記アルカリ金属原子の励起状態と第１の基底状態とのエネルギー差に相当する周波数
をω_１３、前記アルカリ金属原子の前記励起状態と第２の基底状態とのエネルギー差に相
当する周波数ω_２３とした時、前記第１の光の周波数がω_１３＋Δ（Δ≠０）になるとと
もに前記第２の光の周波数がω_２３＋Δになるように、前記第１の光の周波数及び前記第
２の光の周波数の少なくとも一方を制御する、原子発振器。
請求項２において、
前記光源が発生する光の中心周波数を（ω_１３＋ω_２３）／２＋Δに設定する中心周波
数設定部を含み、
前記周波数制御部は、
前記検出信号に応じた周波数で発振する発振信号を生成する発振信号生成部と、
前記発振信号を所与の周波数変換率で周波数変換する周波数変換部と、を含み、
前記光源は、
中心周波数設定部が設定した前記中心周波数の光を、前記周波数変換部が周波数変換し
た信号によって周波数変調することにより前記第１の光と前記第２の光を発生させる、原
子発振器。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記原子集団生成部は、
前記アルカリ金属原子を絶対零度近傍まで冷却することにより前記アルカリ金属原子集
団を生成する、原子発振器。