JP2015041892A - Quantum interference device, atomic oscillator, electronic apparatus and moving body - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、量子干渉装置、量子干渉装置を搭載した原子発振器、原子発振器を搭載した電子機器および移動体に関する。 The present invention relates to a quantum interference device, an atomic oscillator equipped with the quantum interference device, an electronic device equipped with the atomic oscillator, and a moving object.
近年、携帯電話など移動体通信網やテレビ放送網等のデジタルネットワーク化の進展に伴い、伝送装置のクロック信号や放送局の基準周波数の生成に使用される基準クロック源等として、高精度・高安定な発振器が必要不可欠なものとなっている。このような発振器として、発振周波数の精度・安定度が高い原子発振器が多く用いられている。原子発振器は、搭載される通信機器の高周波化および高性能化に伴い、より高い発振周波数の精度・安定度が求められている。
この高精度および高安定の要求に対し特許文献1には、原子発振器を構成する量子干渉装置のガスセルの光透過面にペルチェ素子を設け、ガスセル内に収容されている金属原子を加温することでガスセル内における金属原子の分圧を維持している構造の原子発振器が開示されている。
In recent years, with the advancement of digital networks such as mobile communication networks such as mobile phones and television broadcasting networks, high precision and high accuracy as reference clock sources used to generate clock signals for transmission devices and reference frequencies for broadcasting stations, etc. A stable oscillator is indispensable. As such an oscillator, an atomic oscillator having high oscillation frequency accuracy and stability is often used. Atomic oscillators are required to have higher oscillating frequency accuracy and stability with higher frequency and higher performance of communication equipment.
In response to this demand for high accuracy and high stability,
上述した原子発振器は、ガスセル内の金属原子の分圧が維持されているため、ガスセル内に収容された金属原子の蒸気中を光が透過することで生じる電磁誘起透明化現象を安定して生じさせることができる。
しかしながら、上述した原子発振器においてガスセルの保持部材に設けられた金属原子の加温手段であるペルチェ素子への通電に応じてその周囲には磁場が生じる。原子発振器は、加温手段から発生した磁場によって金属原子の電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することから、ガスセルを透過する光の電磁誘起透明化現象における周波数が変移する虞があった。また、加温手段としてのペルチェ素子への通電は、ガスセルが設けられた環境温度に応じて変化することから、通電に応じて生じる磁場も変化し、ガスセル内の金属原子に与えられる磁場が変化し、磁誘起透明化現象における周波数が変動する要因となっていた。
In the atomic oscillator described above, since the partial pressure of the metal atoms in the gas cell is maintained, the electromagnetically induced transparency phenomenon that occurs when light passes through the vapor of the metal atoms contained in the gas cell is stably generated. Can be made.
However, in the above-described atomic oscillator, a magnetic field is generated around the Peltier element, which is a metal atom heating means provided in the holding member of the gas cell. In the atomic oscillator, the degeneration of the electron energy level of metal atoms and the transition energy change due to the magnetic field generated by the heating means, so there is a risk that the frequency in the electromagnetically induced transparency phenomenon of light transmitted through the gas cell may change. . In addition, since energization to the Peltier element as a heating means changes according to the environmental temperature in which the gas cell is provided, the magnetic field generated according to the energization also changes, and the magnetic field applied to the metal atoms in the gas cell also changes. However, the frequency in the magnetically induced transparency phenomenon is a factor that fluctuates.
本発明は、上述した課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態、または適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
本適用例に係る量子干渉装置は、筐体と、筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、容器に収容されている金属原子と、金属原子に電磁誘起透明化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、金属原子を透過した光を検出する光検出部と、容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、熱媒を備え、熱媒を循環させる循環機構を有していることを特徴とする。
[Application Example 1]
The quantum interference device according to this application example includes a housing, a container at least partially surrounded by the housing, a metal atom contained in the container, and a resonance that generates an electromagnetically induced transparency phenomenon in the metal atom. A circulation mechanism that circulates a heat medium, including a light emitting part that emits light including light, a light detection part that detects light transmitted through metal atoms, a magnetic field generation part that generates a magnetic field in a container, and a heat medium It is characterized by having.
この様な量子干渉装置によれば、熱媒によって容器の加温および冷却をおこなうことで、容器に収容されている金属原子を所望の温度に保つとともに、容器内における金属原子の分圧を保つことができる。また、熱媒による加熱は、例えばITO膜などを用いた抵抗体による加熱と比べて磁場の発生が抑制される。すなわち、熱媒に通電することがないため、熱媒からの磁場の発生を抑制することができる。
したがって、磁場発生部によって容器内に発生させる磁場への影響を抑制するとともに、容器内の磁場の変動を抑制することで、容器に収容された金属原子の電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することを抑制することができる。よって、金属原子に照射された共鳴光を含む光が金属原子に吸収されず透過する電磁誘起透明化現象が生じる周波数の変移を抑制することができる。
According to such a quantum interference device, by heating and cooling the container with a heat medium, the metal atoms contained in the container are maintained at a desired temperature and the partial pressure of the metal atoms in the container is maintained. be able to. Further, the heating with the heat medium suppresses the generation of a magnetic field as compared with the heating with a resistor using, for example, an ITO film. That is, since no current is supplied to the heat medium, generation of a magnetic field from the heat medium can be suppressed.
Therefore, by suppressing the influence on the magnetic field generated in the container by the magnetic field generator, and suppressing the fluctuation of the magnetic field in the container, the degeneracy of the electron energy level and the transition energy of the metal atoms contained in the container are reduced. It can suppress changing. Therefore, it is possible to suppress a frequency shift that causes an electromagnetically induced transparency phenomenon in which light including resonance light irradiated to a metal atom is transmitted without being absorbed by the metal atom.
[適用例2]
上記適用例に係る量子干渉装置において、循環機構には温調部が設けられ、温調部によって熱媒の温度調整をおこなうとともに、温度調整された熱媒によって容器の温度調整をおこなうことが好ましい。
[Application Example 2]
In the quantum interference device according to the application example described above, it is preferable that the circulation mechanism is provided with a temperature control unit, and the temperature of the heat medium is adjusted by the temperature control unit and the temperature of the container is adjusted by the temperature-adjusted heat medium. .
この様な量子干渉装置によれば、熱媒を循環させる循環機構に温調部が設けられているため、容器の加温および冷却をおこなう温度範囲を拡張することができる。また、容器に収容された金属原子を所望の温度に保つとともに、容器内における金属原子の分圧をさらに安定させることができる。 According to such a quantum interference device, since the temperature control unit is provided in the circulation mechanism for circulating the heat medium, the temperature range for heating and cooling the container can be expanded. Moreover, while maintaining the metal atom accommodated in the container at a desired temperature, the partial pressure of the metal atom in the container can be further stabilized.
[適用例3]
上記適用例に係る量子干渉装置において、循環機構と筐体との間に流路部が設けられていることが好ましい。
[Application Example 3]
In the quantum interference device according to the application example described above, it is preferable that a flow path is provided between the circulation mechanism and the housing.
この様な量子干渉装置によれば、循環機構は流路部を介して筐体と接続することができる。したがって、循環機構など量子干渉装置の構成要素の配置の自由度が高めることができるとともに、構成要素の配置によって容器内に発生させる磁場の変動をさらに抑制することができる。 According to such a quantum interference device, the circulation mechanism can be connected to the housing via the flow path portion. Therefore, the degree of freedom of arrangement of the components of the quantum interference device such as the circulation mechanism can be increased, and the fluctuation of the magnetic field generated in the container by the arrangement of the components can be further suppressed.
[適用例4]
上記適用例に係る量子干渉装置において、循環機構には熱源部が設けられ、熱源部の熱源の少なくとも一部として当該量子干渉装置から生じる熱を利用することが好ましい。
[Application Example 4]
In the quantum interference device according to the application example described above, it is preferable that the circulation mechanism is provided with a heat source unit, and heat generated from the quantum interference device is used as at least a part of the heat source of the heat source unit.
この様な量子干渉装置によれば、循環機構に設けられた熱源部は、量子干渉装置の構成要素から生じる熱を熱源の一部として用いることで、量子干渉装置で消費される電力などのエネルギーを低減させることができる。 According to such a quantum interference device, the heat source unit provided in the circulation mechanism uses energy generated from the components of the quantum interference device as a part of the heat source, so that energy such as electric power consumed by the quantum interference device is obtained. Can be reduced.
[適用例5]
上記適用例に係る量子干渉装置において、循環部は、MEMS構造体で構成されていることが好ましい。
[Application Example 5]
In the quantum interference device according to the application example described above, it is preferable that the circulation unit includes a MEMS structure.
この様な量子干渉装置によれば、循環部はMEMS構造体で構成されているため、モーターなどを含み構成されている場合と比べて磁場の発生を抑制することができる。したがって、容器内に発生させる磁場の変動をさらに抑制することができる。 According to such a quantum interference device, since the circulation unit is configured by the MEMS structure, generation of a magnetic field can be suppressed as compared with a case where the circulation unit is configured including a motor or the like. Therefore, the fluctuation | variation of the magnetic field generated in a container can further be suppressed.
[適用例6]
本適用例に係る原子発振器は、筐体と、筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、容器に収容されている金属原子と、金属原子に電磁誘起透過化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、金属原子を透過した光を検出する光検出部と、容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、筐体と容器との間の空間に設けられた熱媒体と、熱媒体を循環させる循環機構と、を備えている量子干渉装置を含むことを特徴とする。
[Application Example 6]
The atomic oscillator according to this application example includes a housing, a container at least partially surrounded by the housing, metal atoms contained in the container, and resonant light that generates an electromagnetically induced transparency phenomenon in the metal atoms. Provided in a space between the housing and the container, a light detection unit that detects light transmitted through the metal atoms, a light detection unit that detects light transmitted through the metal atoms, a magnetic field generation unit that generates a magnetic field in the container It includes a quantum interference device including a heat medium and a circulation mechanism for circulating the heat medium.
この様な原子発振器によれば、筐体と容器との隙間に設けられた熱媒によって、容器の加温および冷却をおこなうことで容器に収容されている金属原子を所望の温度に保つとともに、容器内における金属原子の分圧を保つことができる。また、熱媒による加熱は、例えばITO膜などを用いた抵抗体による加熱と比べて磁場の発生が抑制される。すなわち、熱媒に通電することがないため、熱媒からの磁場の発生を抑制することができる。
したがって、磁場発生部によって容器内に発生させる磁場への影響を抑制するとともに、容器内の磁場の変動を抑制することで、容器に収容されている金属原子の電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することを抑制することができる。また、金属原子に照射された共鳴光を含む光が金属原子に吸収されず透過する電磁誘起透明化現象が生じる周波数の変移を抑制することができる。
よって、電磁誘起透明化現象によって得られる信号の周波数の変移が抑制された当該信号に基づいて高精度な信号を発振することができる原子発振器を得ることができる。
According to such an atomic oscillator, the heating medium provided in the gap between the casing and the container keeps the metal atoms contained in the container at a desired temperature by heating and cooling the container, The partial pressure of metal atoms in the container can be maintained. Further, the heating with the heat medium suppresses the generation of a magnetic field as compared with the heating with a resistor using, for example, an ITO film. That is, since no current is supplied to the heat medium, generation of a magnetic field from the heat medium can be suppressed.
Therefore, by suppressing the influence on the magnetic field generated in the container by the magnetic field generator, and suppressing the fluctuation of the magnetic field in the container, the degeneracy of the electron energy level and the transition energy of the metal atoms contained in the container Can be prevented from changing. In addition, it is possible to suppress a frequency shift that causes an electromagnetically induced transparency phenomenon in which light including resonance light irradiated to a metal atom is transmitted without being absorbed by the metal atom.
Therefore, it is possible to obtain an atomic oscillator that can oscillate a highly accurate signal based on the signal in which the frequency shift of the signal obtained by the electromagnetically induced transparency phenomenon is suppressed.
[適用例7]
本適用例に係る電子機器は、上述した原子発振器を備えることを特徴とする。
[Application Example 7]
An electronic apparatus according to this application example includes the above-described atomic oscillator.
この様な電子機器によれば、上述した原子発振器を備えることで、高精度な発振信号に基づいて電子機器を動作させることができる。したがって、電子機器の信頼性を高めることができる。 According to such an electronic device, by providing the above-described atomic oscillator, the electronic device can be operated based on a highly accurate oscillation signal. Therefore, the reliability of the electronic device can be increased.
[適用例8]
本適用例に係る移動体は、上述した原子発振器を備えていることを特徴とする。
[Application Example 8]
The moving body according to this application example includes the above-described atomic oscillator.
この様な移動体によれば、上述した原子発振器を備えることで、高精度な発振信号に基づいて移動体を動作させることができる。したがって、電子機器の信頼性を高めることができる。 According to such a moving body, by providing the above-described atomic oscillator, the moving body can be operated based on a highly accurate oscillation signal. Therefore, the reliability of the electronic device can be increased.
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際の構成要素とは適宜に異ならせて記載する場合がある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure shown below, the size and ratio of each component may be described differently from the actual component in order to make each component large enough to be recognized on the drawing. is there.
[第1実施形態]
第1実施形態に係る量子干渉装置について、図1から図4を用いて説明する。
図1は、第1実施形態に係る量子干渉装置を模式的に示すブロック図である。図2は、量子干渉装置に備えられたガスセルの構造を模式的に示す図である。図3は、量子干渉装置に備えられたアルカリ金属原子の励起準位を説明する図である。また、図4は、量子干渉装置に備えられたアルカリ金属原子のエネルギー準位および電磁誘起透明化現象を説明する図である。
[First Embodiment]
The quantum interference device according to the first embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a block diagram schematically illustrating the quantum interference device according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of the gas cell provided in the quantum interference device. FIG. 3 is a diagram for explaining the excitation levels of alkali metal atoms provided in the quantum interference device. FIG. 4 is a diagram for explaining the energy levels of the alkali metal atoms and the electromagnetically induced transparency phenomenon provided in the quantum interference device.
<量子干渉装置100の構成>
図1に示す本実施形態の量子干渉装置100は、光出射部10、ガスセル11、光検出部12、磁場発生部13、および循環機構14を含んで構成されている。また、ガスセル11には、金属原子の一例であるアルカリ金属原子M(図2参照)が配設されている容器11aと、その容器11aの少なくとも一部を囲む様に筐体11cが設けられ、容器11aと筐体11cとの隙間に熱媒11dが配設されている。また、量子干渉装置100には、熱媒11dを循環させる循環機構14と、ガスセル11と循環機構14とを離間させて接続するとともに、熱媒11dの管路となる流路部15と、を含んで構成することができきる。なお、本実施形態の量子干渉装置100は、適宜、図1の構成要素(各部)の一部を省略または変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。なお、図1において説明の便宜のため、後述する原子発振器200と、その構成要素の一部を記載している。以下に、量子干渉装置100について詳述する。
<Configuration of
A
(光出射部10)
光出射部10は、ガスセル11を透過させ光検出部12で受光される励起光LL(一対の共鳴光L1および共鳴光L2)の発光、および出射をおこなう。光出射部10は、その光源の一例として半導体レーザーを用いることができる。半導体レーザーは、例えば、垂直共振器面発光レーザー(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等の面発光レーザーや端面発光レーザー(Edge Emitting Laser)などを用いることができる。光出射部10に向かって出射された励起光LLは、各種フィルター(不図示)を透過し、ガスセル11に入射する。
(Light emitting part 10)
The
(ガスセル11)
ガスセル11は、容器11a中にアルカリ金属原子M(例えば、ナトリウム(Na)原子、ルビジウム(Rb)原子、セシウム(Cs)原子など)とともに、緩衝ガス(例えば、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)などの単一、もしくは、これらを含む混合ガス)が封入されている。ガスセル11に入射した励起光LLの一部はガスセル11を透過し、光検出部12に入射する。図2にガスセル11の構造を模式的に示す。図2(a)は、ガスセル11を模式的に示す斜視図である。図2(b)は、図2(a)に示す線分A−A’における矢印の方向からみたガスセル11の断面であり、ガスセル11に入射する励起光LLの光軸と同軸の方向から見たガスセル11の断面を示すものである。また、図2(c)は、図2(a)に示す線分C−C’において矢印の方向から見たガスセル11の側断面を模式的に示すものである。図2(c)は、ガスセル11に入射する励起光LLの光軸と並行する方向から視た側断面を模式的に示すものである。
図2に示す様にガスセル11は、容器11aを囲む様に筐体11cが設けられるとともに、容器11aと筐体11cとの隙間に熱媒11dが配設されている。
容器11aおよび筐体11cを構成する材料は、特に限定されることはない。本実施形態においては、その一例として図2(b)に示す様に容器11aおよび筐体11cの壁部11wにシリコン基板を用いるとともに、リッド部(蓋部)11Lにガラス基板を用いることができる。また、リッド部11Lに熱媒11dの管路となる流路部15を接続することができる。これにより、ガスセル11に入射する励起光LLは、リッド部11Lから容器11a内にその励起光LLが入射し、ガスセル11を透過して光検出部12にその励起光LLを入射させることができる。
(Gas cell 11)
The
As shown in FIG. 2, the
The material which comprises the
熱媒11dは、特に限定されることはない。熱媒11dは、使用できる圧力が適当であり、単位体積あたりの熱容量(潜熱)が大きく、不燃性かつ、非侵蝕性であることが好ましい。また、熱媒11dは、非磁性の材料が好ましい。熱媒11dは、その一例としてハイドロフルオロカーボン(HFC)、パーフルオロカーボン(PFC)、油、水等を用いることができる。
The
(光検出部12)
図1の量子干渉装置100のブロック図に戻り光検出部12について説明をする。
光検出部12は、ガスセル11を透過した励起光LLを検出し、検出した光の強度に応じた信号を出力する。光検出部12は、その一例として、受光した光の強度に応じた信号を出力するフォトダイオード(PD:Photo Diode)を用いることができる。光検出部12の出力信号は後述する原子発振器200を構成する検波回路部21と検波回路部26に入力される。
(Photodetection unit 12)
Returning to the block diagram of the
The
(磁場発生部13)
磁場発生部13は、アルカリ金属原子Mが収容されている容器11aの内部の少なくとも一部に磁場を発生させるものである。磁場発生部13は、例えば、コイルを含み構成することができ、コイルの位置、形状(例えば、コイルを巻く方向、巻き数、直径等)、電流の大きさや向き等を調整することで所望の磁場を発生させることができる。
(Magnetic field generator 13)
The
容器11aに磁場を与えると、容器11a内に収容されているアルカリ金属原子Mの各エネルギー準位が2F+1個に分裂(ゼーマン分裂)する。例えば、セシウム原子の場合、図3(a)に示すように、6S1/2,F=3の基底準位や6P3/2,F’=3の励起準位は、磁気量子数mF=0,±1,±2,±3に対応する7つの準位に分裂し、6S1/2,F’=4の基底準位や6P3/2,F=4の励起準位は、磁気量子数mF=0,±1,±2,±3,±4に対応する9つの準位に分裂する。
セシウム原子(アルカリ金属原子M)にσ+円偏光が入射すると、ΔmF=+1の選択則に従って励起するため、例えば、6S1/2,F=3,4の基底準位と6P3/2,F’=4の励起準位の間で、7つのΛ型3準位が形成される。
したがって、この状態では、2光波の周波数差をスイープすると、図3(b)に示すように7つのEIT信号が観測される。EIT信号は、6S1/2,F=3,4のmF=0の基底準位と6P3/2,F’=4のmF=+1の励起準位の間で形成されるΛ型3準位に対応する強度が最も高い。よって、このEIT信号を発生させるように、共鳴光L1および共鳴光L2の周波数差を制御することが有用である。
When a magnetic field is applied to the
When σ + circularly polarized light is incident on a cesium atom (alkali metal atom M), excitation is performed according to the selection rule of ΔmF = + 1. For example, 6S 1/2 , F = 3,4 ground levels and 6P 3/2 , F Between the excited levels of '= 4, seven Λ-type three levels are formed.
Therefore, in this state, when the frequency difference between the two light waves is swept, seven EIT signals are observed as shown in FIG. The EIT signal is a Λ-type three-level formed between an mF = 0 ground level of 6S 1/2 , F = 3,4, and an excitation level of 6P 3/2 , F ′ = 4, mF = + 1. The strength corresponding to the position is the highest. Therefore, it is useful to control the frequency difference between the resonant light L1 and the resonant light L2 so as to generate this EIT signal.
(循環機構14)
図1の量子干渉装置100のブロック図に戻り循環機構14について説明をする。
循環機構14は、ガスセル11に配設された熱媒11dを循環させる。循環機構14は、熱媒11dを循環させることで容器11aの保温をおこなうものである。
循環機構14は、ガスセル11と一体、もしくは連接して配設されている。循環機構14は、熱媒11dを対流させることで容器11aの保温をおこなうことができる。
また、循環機構14は、ガスセル11との間に熱媒11dの管路となる流路部15を設けることでガスセル11と離間させて配設することができる。ガスセル11と循環機構14とを流路部15を介して離間させることで量子干渉装置100の各構成要素の配置の自由度を高めることができる。
(Circulation mechanism 14)
Returning to the block diagram of the
The
The
Further, the
また、循環機構14は、熱媒11dの温度調整をおこなう温調部14aを設けても良い。
温調部14aは、その一例として放熱部(不図示)および三方弁(不図示)などが設けられ、熱媒11dが所定の温度を超える場合は、熱媒11dを放熱部に循環させて放熱をおこない、過度な熱媒11dおよび容器11aの温度上昇を抑制することができる。
Further, the
For example, the
また、循環機構14は、温調部14aに加えて熱媒11dの加温、冷却をおこなう熱源部14bを設けることができる。熱源部14bを設けることで熱媒11dおよび容器11aの温度が上昇した場合の冷却と、熱媒11dおよび容器11aの温度が低下した場合の加温と、をおこなうことができる。なお、熱源部14bの熱源は特に限定されることはない。熱源部14bの熱源の一例として、冷却にはペルチェ素子を、加温には抵抗素子を用いることができる。また、加温熱源として、光出射部10から生じる熱を熱媒11dで吸熱することで用いることができる。なお、循環機構14に温調部14aを設ける場合は、循環機構14と筐体11cとの間に流路部15を設けることが好ましい。流路部15を設けることで温調部14aを筐体11cから離間させて配設することで、温調部14aで生じる磁場の影響をガスセル11で受けにくくすることができる。
Further, the
さらに、循環機構14は、循環部14cを設けることができる。循環部14cは熱媒11dを搬送するものであり、その一例としてMEMS可動構造体で構成されたポンプを用いることができる。循環部14cが設けられることで、熱媒11dの循環を効率的におこなうとともに、熱媒11dの潜熱分布の均一化を図ることで容器11aの保温および加温を効率的におこなうことができる。
Furthermore, the
ここで、アルカリ金属原子Mは、常温(20度から30度)においては、その多くが液化状態である。量子干渉装置100は、アルカリ金属Mを加温することで気化させ、その気化されたアルカリ金属原子M中を励起光LLが透過されることで生じる励起光LLの変化を検出(検波)して利用している。
Here, most of the alkali metal atoms M are in a liquefied state at room temperature (20 to 30 degrees). The
より詳しくは、アルカリ金属原子Mは、図4(a)に示すように、三準位系のエネルギー準位を有しており、エネルギー準位の異なる2つの基底状態(基底状態α,β)と、励起状態との3つの状態をとり得る。ここで、基底状態αは、基底状態βよりも低いエネルギー状態である。このような気化されたアルカリ金属原子Mに対して周波数の異なる励起光LL(第1共鳴光L1および第2共鳴光L2)を照射すると、第1共鳴光L1の周波数ω1と第2共鳴光L2の周波数ω2との差(ω1−ω2)に応じて、第1共鳴光1L1および第2共鳴光L2のアルカリ金属原子Mにおける光吸収率(光透過率)が変化する。 More specifically, as shown in FIG. 4A, the alkali metal atom M has a three-level energy level, and two ground states (ground states α and β) having different energy levels. And an excited state. Here, the ground state α is an energy state lower than the ground state β. When the vaporized alkali metal atom M is irradiated with excitation light LL (first resonance light L1 and second resonance light L2) having different frequencies, the frequency ω1 of the first resonance light L1 and the second resonance light L2 are emitted. The optical absorptance (light transmittance) of the first resonance light 1L1 and the second resonance light L2 in the alkali metal atom M changes according to the difference (ω1-ω2) from the frequency ω2.
第1共鳴光L1の周波数ω1と、第2共鳴光L2の周波数ω2と、の差(ω1−ω2)が、基底状態αと基底状態βとのエネルギー差に相当する周波数に一致したとき、基底状態α,βから励起状態への励起がそれぞれ停止する。このとき、第1共鳴光L1および第2共鳴光L2は、いずれも、アルカリ金属原子Mに吸収されずに透過する。このような現象をCPT現象、または電磁誘起透明化現象(EIT:Electromagnetically Induced Transparency)と呼ぶ。 When the difference (ω1−ω2) between the frequency ω1 of the first resonant light L1 and the frequency ω2 of the second resonant light L2 matches the frequency corresponding to the energy difference between the ground state α and the ground state β, The excitation from the states α and β to the excited state stops. At this time, both the first resonance light L1 and the second resonance light L2 are transmitted without being absorbed by the alkali metal atom M. Such a phenomenon is called a CPT phenomenon or an electromagnetically induced transparency (EIT) phenomenon.
光出射部10は、ガスセル11に向けて、前述した周波数の異なる第1共鳴光L1および第2共鳴光L2を出射する。例えば、光出射部10が第1共鳴光L1の周波数ω1を固定し、第2共鳴光L2の周波数ω2を変化させていくと、第1共鳴光L1の周波数ω1と第2共鳴光L2の周波数ω2との差(ω1−ω2)が基底状態αと基底状態βとのエネルギー差に相当する周波数ω0に一致したとき、光検出部12の検出強度Sは、図4(b)に示すように、急峻に上昇する。このような急峻な信号をEIT信号として検出する。このEIT信号は、アルカリ金属原子Mの種類によって決まった固有値を有し、当該EIT信号を後述する原子発振器200で検波などをおこなうことで高精度な発振信号を得ることができる。
The
上述した量子干渉装置100においてガスセル11の容器11aに配置されたアルカリ金属Mを加温し、気化させた状態に保つことが求められている。容器11a中の緩衝ガスと、気化されたアルカリ金属原子Mと、の比率が異なると上述したEIT信号の特性が変動する。そこで、上述した熱媒11dによって容器11aを加温し間接的にアルカリ金属原子Mに熱を加えることで、容器11a内において飽和状態となるようにアルカリ金属原子Mを気化させた状態を保つことができる。
In the above-described
上述した第1実施形態によれば、以下の効果が得られる。
この様な量子干渉装置100によれば、ガスセル11の筐体11cと容器11aとの隙間に設けられた熱媒11dによって、容器11aの加温および冷却をおこなうことで容器11aに収容されているアルカリ金属原子Mを所望の温度に保つとともに、容器11a内におけるアルカリ金属原子Mの分圧を保つことができる。また、熱媒11dによる容器11aの加熱は、熱媒11dから発生する磁場が抑制されている。すなわち、熱媒11dに通電することがないため、熱媒11dから生じる磁場を抑制することができる。
したがって、磁場発生部13によって容器11a内に発生させる磁場への影響を抑制するとともに、容器11a内の磁場の変動を抑制することで、容器11aに収容されているアルカリ金属原子Mの電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することを抑制することができる。よって、アルカリ金属原子Mに照射された共鳴光を含む励起光LLがアルカリ金属原子Mに吸収されず透過する電磁誘起透明化現象が生じる周波数の変移が抑制された量子干渉装置100を得ることができる。
According to the first embodiment described above, the following effects can be obtained.
According to such a
Accordingly, by suppressing the influence on the magnetic field generated in the
[第2実施形態]
第2実施形態に係る原子発振器について、図5を用いて説明する。
図5は、第2実施形態に係る原子発振器の構造を示すブロック図である。第2実施形態に係る原子発振器200は、第1実施形態で上述した量子干渉装置100が搭載されている。以下、量子干渉装置100が搭載された原子発振器200について説明する。
[Second Embodiment]
An atomic oscillator according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a block diagram showing the structure of the atomic oscillator according to the second embodiment. An
<原子発振器200の構造>
図5に示す原子発振器200は、上述した量子干渉装置100が搭載され、量子干渉効果を利用したものである。
当該原子発振器200は、図5に示すように、量子干渉装置100、検波回路部21、電圧制御水晶発振(VCXO)部22、変調回路部23、低周波発振部24、周波数変換回路部25、検波回路部26、変調回路部27、低周波発振部28、駆動回路部29、磁場設定回路部30、バイアス設定回路部31、メモリー部32、および周波数変換回路部33を含んで構成されている。なお、本実施形態の原子発振器200は、適宜、図5の構成要素(各部)の一部を省略又は変更し、あるいは、他の構成要素を付加した構成としてもよい。
<Structure of the
An
As shown in FIG. 5, the
(量子干渉装置100)
原子発振器200には、第1実施形態で上述した光出射部10、ガスセル11、光検出部12、磁場発生部13、循環機構14、および流路部15が設けられている。なお、光出射部10は、後述する駆動回路部29によって光源のバイアス電流が設定される。また、光検出部12からの出力信号は、後述する検波回路部21,26によって検波される。また、磁場発生部13は、後述する磁場設定回路部30によって発生させる磁場の強度が設定される。
各構成要素は第1実施形態と同様であるため、説明を省略する。
(Quantum interference device 100)
The
Since each component is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.
(検波回路部21)
検波回路部21は、数Hz〜数百Hz程度の低い周波数で発振する低周波発振部24の発振信号を用いて光検出部12の出力信号を検波する。そして、検波回路部21の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振部(VCXO)22の発振周波数が調整される。電圧制御水晶発振部(VCXO)22は、例えば、数MHz〜数10MHz程度で発振する。
(Detection circuit unit 21)
The
(変調回路部23)
変調回路部23は、検波回路部21による検波を可能とするために、低周波発振部24の発振信号(検波回路部21に供給される発振信号と同じ信号)を変調信号として電圧制御水晶発振部(VCXO)22の出力信号を変調する。変調回路部23は、周波数混合器(ミキサー)、および変調方式に応じて周波数変調(FM:Frequency Modulation)回路、振幅変調(AM:Amplitude Modulation)回路等により構成することができる。
(Modulation circuit section 23)
In order to enable detection by the
(周波数変換回路部25)
周波数変換回路部25は、変調回路部23の出力信号を周波数変換して駆動回路部29に出力する。周波数変換回路部25は、例えば、PLL(Phase Locked Loop)回路を用いることができる。
(Frequency conversion circuit unit 25)
The frequency
(検波回路部26)
検波回路部21は、数Hz〜数百Hz程度の低い周波数で発振する低周波発振部28の発振信号を用いて光検出部12の出力信号を検波する。
(Detection circuit unit 26)
The
(変調回路部27)
変調回路部27は、検波回路部26による検波を可能とするために、低周波発振部28の発振信号(検波回路部26に供給される発振信号と同じ信号)を変調信号として検波回路部26の出力信号を変調して駆動回路部29に出力する。変調回路部27は、周波数混合器(ミキサー)、および変調方式に応じて周波数変調(FM)回路、振幅変調(AM)回路等により構成することができる。
(Modulation circuit section 27)
The
(磁場設定回路部30)
磁場設定回路部30は、メモリー部32に記憶されている設定情報に応じて量子干渉装置100を構成する磁場発生部13が発生させる磁場の強度を設定する処理をおこなう。例えば、磁場発生部13をコイルで構成し、磁場設定回路部30は、メモリー部32に記憶されている設定情報に応じて当該コイルに流す電流量を設定することができる。
(Magnetic field setting circuit 30)
The magnetic field
(バイアス設定回路部31)
バイアス設定回路部31は、駆動回路部29を介して、メモリー部32に記憶されている設定情報に応じて光出射部10にバイアス電流(光源としての半導体レーザーが発生させる光の中心波長)を設定する処理をおこなう。
(Bias setting circuit unit 31)
The bias
(メモリー部32)
メモリー部32は、不揮発性のメモリーであり、磁場発生部13が発生させる磁場の強度の設定情報や光出射部10のバイアス電流の設定情報が記憶されている。メモリー部32は、例えば、MONOS(Metal-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon)メモリー等のフラッシュメモリーやEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory)等を用いることができる。
(Memory unit 32)
The
(駆動回路部29)
駆動回路部29は、光出射部10の光源のバイアス電流を設定するとともに、変調回路部27の出力信号に応じて当該バイアス電流を調整して光出射部10に供給する。すなわち、量子干渉装置100を構成する光出射部10、ガスセル11、および光検出部12と、検波回路部21、変調回路部27、および駆動回路部29と、を通るフィードバックループ(第1のフィードバックループ)により、光出射部10が発生させる光の中心波長λ0(中心周波数f0)が調整される。
(Drive circuit unit 29)
The
駆動回路部29は、さらに、バイアス電流に、周波数変換回路部25の出力周波数成分(変調周波数fm)の電流(変調電流)を重畳して光出射部10に供給する。光出射部10は、この変調電流により、光出射部10の光源に周波数変調がかかり、中心周波数f0(中心波長λ0)の光とともに、その両側にそれぞれ周波数がfmずれた周波数f0±fm、f0±2fmの励起光LL(第1共鳴光L1および第2共鳴光L2)を発生させる。
Further, the
また駆動回路部29は、量子干渉装置100を構成する光出射部10、ガスセル11、および光検出部12と、検波回路部21、電圧制御水晶発振部(VCXO)22、変調回路部23、周波数変換回路部25、駆動回路部29を通るフィードバックループ(第2のフィードバックループ)により、周波数f0+fmの励起光LL(第1共鳴光L1)と周波数f0−fmの励起光LL(第2共鳴光L2)がガスセル11の容器11aに封入されているアルカリ金属原子MにEIT現象を発生させる共鳴光対(第1共鳴光L1および第2共鳴光L2)となるように調整される。
The
例えば、前述した第2のフィードバックループにより、磁気量子数mF=0の基底準位を有するアルカリ金属原子MがEIT現象を起こすように、変調周波数fmがフィードバック制御される。
具体的には、第2のフィードバックループにより、1次のサイドバンドである周波数f0+fmの励起光LL(第1共鳴光L1)と、周波数f0−fmの励起光LL(第2共鳴光L2)の周波数差(=2fm)が、アルカリ金属原子Mの磁気量子数mf=0の2つの基底準位間のエネルギー差ΔE12に相当する周波数ω12と正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。例えば、アルカリ金属原子Mがセシウム原子であれば、ω12が9.192631770GHz+ΔHz(Δは磁界強度の2次関数で表される周波数)であることから、変調周波数fmは4.596315885GHz+Δ/2Hzと正確に一致する。
For example, the modulation frequency f m is feedback controlled by the above-described second feedback loop so that the alkali metal atom M having the ground level of the magnetic quantum number mF = 0 causes the EIT phenomenon.
Specifically, the second feedback loop, the excitation light LL frequency f 0 + f m is a first-order sideband (first resonant light L1), the frequency f 0 -f m of the excitation light LL (second The frequency difference (= 2f m ) of the resonant light L2) is exactly matched with the frequency ω 12 corresponding to the energy difference ΔE 12 between the two ground levels of the magnetic quantum number mf = 0 of the alkali metal atom M. Feedback control is applied. For example, when the alkali metal atom M is a cesium atom, ω 12 is 9.192631770 GHz + ΔHz (Δ is a frequency represented by a quadratic function of the magnetic field strength), and thus the modulation frequency f m is 4.596315585 GHz + Δ / 2 Hz. Match exactly.
このように、アルカリ金属原子MのEIT現象を利用することで、第2のフィードバックループに含まれる、周波数変換回路部25の出力信号や電圧制御水晶発振部(VCXO)22の出力信号を、それぞれ所定の周波数で安定させることができる。
In this way, by using the EIT phenomenon of the alkali metal atom M, the output signal of the frequency
(周波数変換回路部33)
周波数変換回路部33は、電圧制御水晶発振部(VCXO)22の出力信号を周波数変換し、所望の周波数(例えば、10.000MHz)のクロック信号を生成する。周波数変換回路部33は、例えば、DDS(Direct Digital Synthesizer)を用いることができる。原子発振器200は、このクロック信号を外部に出力することで高精度なクロック信号を得ることができる。
(Frequency conversion circuit unit 33)
The frequency
上述した第2実施形態によれば、以下の効果が得られる。
この様な原子発振器200によれば、ガスセル11の筐体11cと容器11aとの隙間に設けられた熱媒11dによって、容器11aの加温および冷却をおこなうことで容器11aに収容されているアルカリ金属原子Mを所望の温度に保つとともに、容器11a内におけるアルカリ金属原子Mの分圧を保つことができる量子干渉装置100が搭載されている。
また、熱媒11dによる容器11aの加熱は、熱媒11dから発生する磁場が抑制されている。すなわち、熱媒11dに通電することがないため、熱媒11dから生じる磁場を抑制することができる量子干渉装置100が搭載されている。
したがって、磁場発生部13によって容器11a内に発生させる磁場への影響を抑制するとともに、容器11a内の磁場の変動を抑制することで、容器11aに収容されているアルカリ金属原子Mの電子エネルギー準位の縮退および遷移エネルギーが変化することを抑制することができる。よって、アルカリ金属原子Mに照射された共鳴光を含む励起光LLがアルカリ金属原子Mに吸収されず透過する電磁誘起透明化現象が生じる周波数の変移が抑制された信号に基づき原子発振器200は発振することができる。
According to the second embodiment described above, the following effects can be obtained.
According to such an
Moreover, the heating of the
Accordingly, by suppressing the influence on the magnetic field generated in the
(実施例)
本発明の実施形態に係る量子干渉装置100を用いた原子発振器200を適用した実施例について、図6から図9を参照しながら説明する。
(Example)
An example in which the
[電子機器]
本発明の一実施形態に係る原子発振器200を適用した電子機器について、図6から図8を参照しながら説明する。
[Electronics]
An electronic apparatus to which an
図6、本発明の一実施形態に係る原子発振器200を備える電子機器としてのラップトップ型(またはモバイル型)のパーソナルコンピューターの構成の概略を示す斜視図である。この図において、ラップトップ型パーソナルコンピューター1100は、キーボード1102を備えた本体部1104と、表示部1008を備えた表示ユニット1106とにより構成され、表示ユニット1106は、本体部1104に対しヒンジ構造部を介して回動可能に支持されている。この様なラップトップ型パーソナルコンピューター1100には、そのラップトップ型パーソナルコンピューター1100動作のクロック信号として用いられる原子発振器200が搭載されている。このような原子発振器200は、原子発振器200を構成する量子干渉装置100において電磁誘起透明化現象によって得られる信号の周波数変移が抑制された信号に基づいて発振するため、高精度な信号を発振することができる。よって、前述した原子発振器200が搭載されることで信頼性の高いラップトップ型パーソナルコンピューター1100を得ることができる。
FIG. 6 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a laptop (or mobile) personal computer as an electronic apparatus including the
図7は、本発明の一実施形態に係る原子発振器200を備える電子機器としての携帯電話機(PHSも含む)の構成の概略を示す斜視図である。この図において、携帯電話機1200は、複数の操作ボタン1202、受話口1204および送話口1206を備え、操作ボタン1202と受話口1204との間には、表示部1208が配置されている。この様な携帯電話機1200には、携帯電話機1200の通信および動作の基準となるクロック信号の発振器として原子発振器200が搭載されている。このような原子発振器200は、原子発振器200を構成する量子干渉装置100において電磁誘起透明化現象によって得られる信号の周波数変移が抑制された信号に基づいて発振するため、高精度な信号を発振することができる。したがって、高精度な信号を発振することができる。よって、前述した原子発振器200が搭載されることで信頼性の高い携帯電話機1200を得ることができる。
FIG. 7 is a perspective view schematically showing a configuration of a mobile phone (including PHS) as an electronic apparatus including the
図8は、本発明の一実施形態に係る原子発振器200を備える電子機器としてのデジタルスチールカメラの構成の概略を示す斜視図である。なお、この図には、外部機器との接続についても簡易的に示されている。ここで、通常のカメラは、被写体の光像により銀塩写真フィルムを感光するのに対し、デジタルスチールカメラ1300は、被写体の光像をCCD(Charge Coupled Device)等の撮像素子により光電変換して撮像信号(画像信号)を生成する。
デジタルスチールカメラ1300におけるケース(ボディー)1302の背面には、表示部1308が設けられ、CCDによる撮像信号に基づいて表示を行う構成になっており、表示部1308は、被写体を電子画像として表示するファインダーとして機能する。また、ケース1302の正面側(図中裏面側)には、光学レンズ(撮像光学系)やCCD等を含む受光ユニット1304が設けられている。
撮影者が表示部1308に表示された被写体像を確認し、シャッターボタン1306を押下すると、その時点におけるCCDの撮像信号が、メモリー1310に転送・格納される。また、このデジタルスチールカメラ1300においては、ケース1302の側面に、ビデオ信号出力端子1312と、データ通信用の入出力端子1314とが設けられている。そして、図示される様に、ビデオ信号出力端子1312には液晶ディスプレイ1430が、データ通信用の入出力端子1314にはパーソナルコンピューター1440が、それぞれ必要に応じて接続される。さらに、所定の操作により、メモリー1310に格納された撮像信号が、液晶ディスプレイ1430や、パーソナルコンピューター1440に出力される構成になっている。この様なデジタルスチールカメラ1300には、その動作のクロック信号となる原子発振器200が搭載されている。このような原子発振器200は、原子発振器200を構成する量子干渉装置100において電磁誘起透明化現象によって得られる信号の周波数変移が抑制された信号に基づいて発振するため、高精度な信号を発振することができる。したがって、高精度な信号を発振することができる。よって、前述した原子発振器200が搭載されることで信頼性の高いデジタルスチールカメラ1300を得ることができる。
FIG. 8 is a perspective view schematically illustrating a configuration of a digital still camera as an electronic apparatus including the
A
When the photographer confirms the subject image displayed on the
なお、本発明の一実施形態に係る原子発振器200は、図6のラップトップ型パーソナルコンピューター(モバイル型パーソナルコンピューター)、図7の携帯電話機、図8のデジタルスチールカメラの他にも、例えば、インクジェット式吐出装置(例えばインクジェットプリンター)、テレビ、ビデオカメラ、ビデオテープレコーダー、カーナビゲーション装置、ページャー、電子手帳(通信機能付も含む)、電子辞書、電卓、電子ゲーム機器、ワードプロセッサー、ワークステーション、テレビ電話、防犯用テレビモニター、電子双眼鏡、POS端末、医療機器(例えば電子体温計、血圧計、血糖計、心電図計測装置、超音波診断装置、電子内視鏡)、魚群探知機、各種測定機器、計器類(例えば、車両、航空機、船舶の計器類)、フライトシミュレーター等の電子機器に適用することができる。 In addition to the laptop personal computer (mobile personal computer) in FIG. 6, the mobile phone in FIG. 7, and the digital still camera in FIG. Dispenser (eg inkjet printer), TV, video camera, video tape recorder, car navigation device, pager, electronic notebook (including communication function), electronic dictionary, calculator, electronic game device, word processor, workstation, video phone , Crime prevention TV monitor, electronic binoculars, POS terminal, medical equipment (for example, electronic thermometer, blood pressure monitor, blood glucose meter, electrocardiogram measuring device, ultrasonic diagnostic device, electronic endoscope), fish detector, various measuring devices, instruments (Eg, vehicle, aircraft, ship instrumentation), hula It can be applied to electronic devices of the door simulator like.
[移動体]
図9は移動体の一例としての自動車を概略的に示す斜視図である。加速度センサーとして機能する原子発振器200が自動車1500の各種制御ユニットに搭載されている。例えば、同図に示す様に、移動体としての自動車1500には、当該自動車1500の加速度を検知するセンサーを内蔵してエンジンの出力を制御する電子制御ユニット(ECU: engine Control Unit)1508が車体1507に搭載されている。高精度なクロック信号を得られる原子発振器200が電子制御ユニット1508に搭載されることで、車体1507の姿勢に応じた適切なエンジン出力制御を高精度に実行し、燃料等の消費を抑制した効率的な移動体としての自動車1500を得ることができる。
また、原子発振器200は、他にも、車体姿勢制御ユニット、アンチロックブレーキシステム(ABS)、エアバック、タイヤ・プレッシャー・モニタリング・システム(TPMS:Tire Pressure Monitoring System)、に広く適用できる。
[Moving object]
FIG. 9 is a perspective view schematically showing an automobile as an example of a moving body. An
In addition, the
10…光出射部、11…ガスセル、11a…容器、11c…筐体、11d…熱媒、12…光検出部、13…磁場発生部、14…循環機構、14a…温調部、14b…熱源部、14c…循環部、15…流路部、21…検波回路部、22…電圧制御水晶発振部、23…変調回路部、24…低周波発振部、25…周波数変換回路部、26…検波回路部、27…変調回路部、28…低周波発振部、29…駆動回路部、30…磁場設定回路部、31…バイアス設定回路部、32…メモリー部、33…周波数変換回路部、100…量子干渉装置、200…原子発振器、1100…ラップトップ型パーソナルコンピューター、1200…携帯電話機、1300…デジタルスチールカメラ、1500…自動車。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、
前記容器に収容されている金属原子と、
前記金属原子に電磁誘起透明化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、
前記金属原子を透過した前記光を検出する光検出部と、
前記容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、
熱媒を備え、
前記熱媒を循環させる循環機構を有していることを特徴とする量子干渉装置。 A housing,
A container at least partially surrounded by the housing;
Metal atoms contained in the container;
A light emitting part for irradiating the metal atom with light including resonance light that generates electromagnetically induced transparency phenomenon;
A light detection unit for detecting the light transmitted through the metal atom;
A magnetic field generator for generating a magnetic field in the container;
With a heating medium,
A quantum interference device having a circulation mechanism for circulating the heat medium.
前記筐体に少なくとも一部が囲まれている容器と、
前記容器に収容されている金属原子と、
前記金属原子に電磁誘起透過化現象を発生させる共鳴光を含む光を照射する光出射部と、
前記金属原子を透過した前記光を検出する光検出部と、
前記容器内に磁場を発生させる磁場発生部と、
前記筐体と前記容器との間の空間に設けられた熱媒体と、
前記熱媒体を循環させる循環機構と、を備えている量子干渉装置を含むことを特徴とする原子発振器。 A housing,
A container at least partially surrounded by the housing;
Metal atoms contained in the container;
A light emitting portion for irradiating the metal atom with light including resonance light that generates electromagnetically induced permeation phenomenon;
A light detection unit for detecting the light transmitted through the metal atom;
A magnetic field generator for generating a magnetic field in the container;
A heat medium provided in a space between the housing and the container;
An atomic oscillator comprising: a quantum interference device including a circulation mechanism for circulating the heat medium.
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| JP2013172036A JP2015041892A (en) | 2013-08-22 | 2013-08-22 | Quantum interference device, atomic oscillator, electronic apparatus and moving body |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US10291244B2 (en) | 2015-11-13 | 2019-05-14 | Seiko Epson Corporation | Atomic oscillator and temperature control method of atomic oscillator |
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