JP5720740B2 - Quantum interferometers, atomic oscillators, and magnetic sensors - Google Patents
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Description
本発明は、量子干渉装置、原子発振器、および磁気センサーに関し、さらに詳しくは、EIT現象を効率良く発生させるための技術に関するものである。 The present invention relates to a quantum interference device, an atomic oscillator, and a magnetic sensor, and more particularly to a technique for efficiently generating an EIT phenomenon.
電磁誘起透過方式(EIT方式、CPT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波長の異なる二つの共鳴光を同時に照射すると、二つの共鳴光の吸収が停止する現象(EIT現象)を利用した発振器である。図12(a)は一つのアルカリ金属原子のエネルギー状態を示したものである。第1基底準位23と励起準位21とのエネルギー差に相当する波長を有する第1共鳴光、あるいは第2基底準位24と励起準位21とのエネルギー差に相当する波長を有する第2共鳴光を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、良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第1共鳴光と第2共鳴光を同時に照射し、同時に照射される第1共鳴光と第2共鳴光の周波数差が正確に第1基底準位23と第2基底準位24のエネルギー差(ΔE12)に一致すると、図12(a)の系は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21への励起が停止し透明化(EIT)現象が起きる。この現象を利用し、第1共鳴光と第2共鳴光との波長差がΔE12からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出、制御することで、高精度な発振器をつくることができる。また、ΔE12は外部磁気の強さやゆらぎで敏感に変化するので、EIT現象を利用して高感度な磁気センサーをつくることもできる。
An atomic oscillator using an electromagnetically induced transmission method (sometimes called an EIT method or a CPT method) stops absorption of two resonance lights when an alkali metal atom is simultaneously irradiated with two resonance lights having different wavelengths (EIT phenomenon). ). FIG. 12 (a) shows the energy state of one alkali metal atom. The first resonant light having a wavelength corresponding to the energy difference between the
ところで、EIT現象による光出力信号のSN比を向上させるには、共鳴光と相互作用するアルカリ金属の原子数を増やしてやればよい。例えば、特許文献1では、原子発振器の出力信号のSN比を良くすることを目的として、気体状のアルカリ金属原子を閉じ込めたセルの厚みを大きくしたり、或いはセルに入射するレーザー光のビーム径を大きくするといった方法が開示されている。いずれの方法も、アルカリ金属原子が共鳴光に接触する領域を広くするために、図12(b)或いは図12(c)のようにセルの厚みか高さを大きくしている。ここで使用されているレーザー光については、EIT現象の発現条件を満たす2種類の波長のレーザー光を一対のみ用いている。
By the way, in order to improve the S / N ratio of the optical output signal due to the EIT phenomenon, the number of alkali metal atoms interacting with the resonant light may be increased. For example, in
セル内の気体状のアルカリ金属原子の集団を構成する個々の原子に着目すると、それぞれの運動状態に応じた一定の速度分布を持っている。この原子集団に対して入射されるレーザー光の波長が2種類(一対)のみだと、原子の運動によるドップラー効果(ドップラーシフト)の影響で、実際に相互作用できるのは、セル内の多数の原子の内、レーザー入射方向に対する特定の速度成分の値を持ったごく一部の原子に限られてしまい、EIT発現に寄与する原子の割合が極めて低い。特許文献1に開示されている従来技術は、このようなEIT発現効率が低い状態で構成された原子発振器であるので、信号対雑音比(S/N比)の大きい所望の吸収スペクトルを得るには、セルの厚みか或いは高さの何れかを大きくしなければならず、信号対雑音比を維持しながら小型化することは困難であるという課題があった。つまり、セル内の単位体積あたりでEIT現象に寄与する原子数に変わりはないままである。本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、波長が異なる複数の共鳴光対を生成することにより、セル内のより多くの気体状のアルカリ金属原子に対してEIT現象を効率よく発生させる量子干渉装置を提供し、これを利用することで小型の原子発振器、あるいは磁気センサーを提供することを目的とする。
When attention is paid to individual atoms constituting a group of gaseous alkali metal atoms in the cell, it has a constant velocity distribution corresponding to each motion state. If there are only two types (one pair) of wavelengths of laser light incident on this atomic group, the interaction with the Doppler effect (Doppler shift) due to the movement of the atoms can actually interact. Among the atoms, only a few atoms having a specific velocity component value with respect to the laser incident direction are limited, and the proportion of atoms contributing to EIT expression is extremely low. Since the conventional technique disclosed in
本発明は、上述の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、以下の形態又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]本発明の量子干渉装置は、速度成分の異なる複数のアルカリ金属原子に、前記アルカリ金属原子の2つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数を有していて中心周波数が異なる複数の共鳴光対を照射し、
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を特徴とする。
[適用例2]本発明の量子干渉装置は、速度成分の異なる複数のアルカリ金属原子と、
電磁誘起透過現象を前記複数のアルカリ金属原子に発生させるために、前記アルカリ金属原子の2つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数を有していて中心周波数が異なる複数の共鳴光対を、前記複数のアルカリ金属原子に照射する照射手段と、
を備えていることを特徴とする。
Application Example 1 In the quantum interference device of the present invention, a plurality of alkali metal atoms having different velocity components have a frequency corresponding to an energy difference between two ground levels of the alkali metal atom, and the center frequency is Irradiate multiple different resonant light pairs,
Wherein the generating an electromagnetic induced transparency phenomenon before SL more alkali metal atoms.
Application Example 2 A quantum interference device of the present invention includes a plurality of alkali metal atoms having different velocity components,
In order to generate an electromagnetically induced transmission phenomenon in the plurality of alkali metal atoms, a plurality of resonant light pairs having a frequency corresponding to an energy difference between two ground levels of the alkali metal atom and having different center frequencies , irradiating means for irradiating the plurality of the alkali metal atom,
It is characterized by having.
本発明の量子干渉装置の特徴は、励起レーザー光対の数を2対以上の複数対にして、それぞれのレーザー光対の中心周波数が互いに異なるように構成した点である。これにより、単位体積あたり、より多くの気体状のアルカリ金属原子に対してEIT現象を発生させることができる。 A feature of the quantum interference device of the present invention is that the number of excitation laser light pairs is two or more, and the center frequencies of the respective laser light pairs are different from each other. Thereby, the EIT phenomenon can be generated with respect to more gaseous alkali metal atoms per unit volume.
[適用例3]本発明の量子干渉装置において、前記複数の共鳴光対の前記中心周波数同士間の周波数差は、前記アルカリ金属原子のドップラー幅よりも小さいことを特徴とする。 Application Example 3 In the quantum interference device of the present invention, the frequency difference between the center frequencies of the plurality of resonant light pairs is smaller than the Doppler width of the alkali metal atom.
[適用例4]本発明の量子干渉装置において、前記複数の共鳴光対の前記中心周波数同士間の周波数差は、1対の共鳴光対を前記アルカリ金属原子に照射したときよりも、電磁誘起透過現象を発生する前記アルカリ金属原子の数が増えるように設定されていることを特徴とする。 Application Example 4 In the quantum interference device of the present invention, the frequency difference between the center frequency between said plurality of resonant light pairs, than the resonant light pair pair when irradiating the alkali metal atom, conductive magnetic The number of the alkali metal atoms that generate the induced permeation phenomenon is set to increase.
[適用例5]本発明の量子干渉装置において、前記複数の共鳴光対の前記中心周波数同士間の周波数差は、MHzオーダーであることを特徴とする。 Application Example 5 In the quantum interference device of the present invention, the frequency difference between the center frequencies of the plurality of resonant light pairs is in the order of MHz .
[適用例6]本発明の量子干渉装置において、前記速度成分の異なる複数のアルカリ金属原子を透過した光を検出し、前記光の強度を重ね合せた信号を出力する光検出手段を備えていることを特徴とする。 Application Example 6 The quantum interference device of the present invention includes light detection means for detecting light transmitted through a plurality of alkali metal atoms having different velocity components and outputting a signal obtained by superimposing the light intensities. It is characterized by that.
[適用例7]本発明の量子干渉装置において、前記照射手段は、
前記複数の共鳴光対を前記アルカリ金属原子に出射する光源と、
前記光源から出射する光を変調する変調手段と、
を備えていることを特徴とする。
Application Example 7 In the quantum interference device of the invention, the irradiation unit includes:
A light source that emits the plurality of resonant light pairs to the alkali metal atom;
Modulation means for modulating light emitted from the light source;
It is characterized by having.
[適用例8]本発明の量子干渉装置において、前記複数の共鳴光対を前記アルカリ金属原子に出射する光源と、
前記光源から出射する光を変調する変調手段と、
を備えていることを特徴とする。
Application Example 8 In the quantum interference device of the present invention, a light source that emits the plurality of resonant light pairs to the alkali metal atom;
Modulation means for modulating light emitted from the light source;
It is characterized by having.
[適用例9]本発明の量子干渉装置において、前記変調手段は、第1の発振信号と第2の発振信号とを混合する混合手段を含んでいることを特徴とする。 Application Example 9 In the quantum interference device of the present invention, the modulation means includes a mixing means for mixing the first oscillation signal and the second oscillation signal .
[適用例10]本発明の原子発振器は、本発明の量子干渉装置を備えていることを特徴とする。 Application Example 10 atomic oscillator of the present invention is characterized in that it comprises a quantum interference device of the present invention.
原子発振器に本発明の量子干渉装置を備えることにより、S/N比の高い状態でEIT現象を発現させることができるため、原子発振器の小型化が可能となる。 By providing the atomic oscillator with the quantum interference device of the present invention, the EIT phenomenon can be expressed with a high S / N ratio, and the atomic oscillator can be downsized.
[適用例11]本発明の磁気センサーは、本発明の前記量子干渉装置を備えていることを特徴とする。 Application Example 11 A magnetic sensor according to the present invention includes the quantum interference device according to the present invention.
原子発振器の発振周波数は、原子の2つの基底準位間のエネルギー差(ΔE12)を基準としている。ΔE12の値は、外部磁気の強さやゆらぎで変化するため、原子発振器のセルには、外部磁気の影響を受けないように、磁気シールドが施されている。そこで磁気シールドを外し、ΔE12の変化を発振周波数変化から読取ることにより、外部磁気の強さや変動を測定する磁気センサーをつくることができる。本発明の量子干渉装置を備えることにより、S/N比の高い状態でEIT現象を発現させることができるため、磁気センサーの小型化が可能となる。 The oscillation frequency of the atomic oscillator is based on the energy difference (ΔE12) between the two ground levels of the atom. Since the value of ΔE12 changes depending on the strength and fluctuation of the external magnetism, the atomic oscillator cell is magnetically shielded so as not to be affected by the external magnetism. Therefore, by removing the magnetic shield and reading the change in ΔE12 from the change in oscillation frequency, a magnetic sensor for measuring the strength and fluctuation of external magnetism can be produced. By providing the quantum interference device of the present invention, the EIT phenomenon can be expressed with a high S / N ratio, so that the magnetic sensor can be downsized.
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図1は容器に閉じ込められた気体状のアルカリ金属原子集団の速度分布の概略図を示したものである。
図1の横軸は気体状のアルカリ金属原子の速度を、縦軸はその速度を有する気体状のアルカリ金属原子の数の割合を示している。図1に示すように、速度0を中心として気体状のアルカリ金属原子は温度に応じた一定の速度分布を持つ。ここで、速度とは、レーザー光を気体状のアルカリ金属原子集団に照射した時の、照射方向に平行な原子速度成分を表し、光源に対し相対的に静止している速度の値を0としている。ここで、本願発明者らは気体状のアルカリ金属原子の速度がEIT現象に大きく影響を与えていることに着目した。気体状のアルカリ金属原子の速度に分布があると、光のドップラー効果(ドップラーシフト)により共鳴光の見かけ上の波長、すなわち気体状のアルカリ金属原子から見た共鳴光の波長に分布を生じる。このため第1共鳴光と第2共鳴光を1対で同時に照射してもEIT現象を起こさずに残ってしまう気体状のアルカリ金属原子が集団の中で相当数存在することに着目した。従来の方法、即ち第1共鳴光と第2共鳴光を1対で同時にアルカリ金属原子集団に照射する場合、セル内に封入されていた気体状のアルカリ金属原子集団のうち、EIT現象に寄与できるのは、一部のアルカリ金属原子だけであった。そこで、本願発明者らは、ドップラー効果の影響のため、従来EIT現象に寄与せず無駄になっていた気体状のアルカリ金属原子も、EIT現象に寄与させるべく工夫を施した。以下、本発明について詳細に説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .
FIG. 1 shows a schematic diagram of the velocity distribution of a gaseous alkali metal atom group confined in a container.
The horizontal axis of FIG. 1 indicates the velocity of gaseous alkali metal atoms, and the vertical axis indicates the ratio of the number of gaseous alkali metal atoms having the velocity. As shown in FIG. 1, gaseous alkali metal atoms centered at a velocity of 0 have a constant velocity distribution according to temperature. Here, the velocity represents an atomic velocity component parallel to the irradiation direction when the laser beam is irradiated onto the gaseous alkali metal atom group, and the value of the velocity at which the laser beam is relatively stationary with respect to the light source is zero. Yes. Here, the inventors of the present application paid attention to the fact that the velocity of gaseous alkali metal atoms greatly affects the EIT phenomenon. If there is a distribution in the velocity of the gaseous alkali metal atom, a distribution occurs in the apparent wavelength of the resonance light, that is, the wavelength of the resonance light viewed from the gaseous alkali metal atom due to the Doppler effect (Doppler shift) of light. For this reason, attention has been paid to the fact that there are a considerable number of gaseous alkali metal atoms in the group that remain without causing the EIT phenomenon even when the first resonance light and the second resonance light are simultaneously irradiated in a pair. When the conventional method, that is, when the first resonance light and the second resonance light are simultaneously irradiated to the alkali metal atom group in a pair, it is possible to contribute to the EIT phenomenon among the gaseous alkali metal atom group enclosed in the cell. It was only some alkali metal atoms. Therefore, the inventors of the present application devised in order to contribute to the EIT phenomenon also from the gaseous alkali metal atoms that have been conventionally wasted without contributing to the EIT phenomenon due to the influence of the Doppler effect. Hereinafter, the present invention will be described in detail.
図2は本発明の第1の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。この原子発振器50は、波長が異なるコヒーレント光対を2対以上(後述するように3対)の共鳴光を入射したときの量子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、各共鳴光を出射するLD(VCSEL)(コヒーレント光源)2と、LD2の中心波長を発生する中心波長発生手段1と、二つの異なる基底状態のエネルギー差(ΔE12)に相当する周波数(9.2GHz)の1/2(4.596GHz)を発振する発振器9と、約25MHzの周波数を発振する発振器10と、電気信号によりLD2から出射された共鳴光11に周波数変調を与えるEOM(電気光学変調素子)3、4と、EOM4により変調された光12の波長により光の吸収量を変化させる、気体状セシウム(アルカリ金属として)原子を封入したガスセル5と、ガスセル5から透過する光13を検出する光検出器(光検出手段)6と、光検出器6の出力に基づきガスセル5のEIT状態を検出して出力電圧を制御する周波数制御手段7と、を備えて構成されている。尚、発振器10の発振周波数は25MHzとしたが、この周波数はセシウム原子の典型的なドップラー幅(例えば室温で約1GHz)に対して十分小さい値である。この周波数は適宜変更することができる。また、発振器9の出力周波数は、セシウムの場合ΔE12に相当する周波数が約9.2GHz(4.596GHz×2)であるので、4.596GHzとし、周波数制御手段7から出力される制御電圧により電圧制御水晶発振器8を制御して得られた周波数を逓倍して生成される。そして、発振器10の周波数(25MHz)によりEOM3を変調し、発振器9の周波数(4.596GHz)によりEOM4を変調して、EOM3とEOM4をLD2の出射側に直列に配置した。尚、EOM3と発振器10の組み合わせと、EOM4と発振器9の組み合わせの配列順序を逆にしても構わない。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the atomic oscillator according to the first embodiment of the present invention. This atomic oscillator 50 is an atomic oscillator that controls the oscillation frequency using light absorption characteristics due to the quantum interference effect when two or more pairs of coherent light beams having different wavelengths (three pairs as will be described later) are incident. The LD (VCSEL) (coherent light source) 2 that emits each resonance light, the center wavelength generating means 1 that generates the center wavelength of the
即ち、本実施形態の原子発振器50の構成が従来と異なる点は、LD2から出射された共鳴光11に対し変調手段としてEOM3を介すことで、波長が異なる2つの共鳴光対を2対以上(3対)とした点である。従来の原子発振器では、波長の異なる2つの共鳴光対を1対のみ用意して、同時に照射される2つの共鳴光の周波数差(波長の差)が正確に夫々の基底準位のエネルギー差ΔE12に一致するように周波数を制御していた。しかし、原子の運動による共鳴光のドップラー効果の為、ガスセル5内に閉じ込められたセシウム原子集団の共鳴光波長には分布が生じ、1対の共鳴光では、偶然その波長に対応する共鳴条件を満たす速度で運動している一部のセシウム原子としか相互作用をおこさないので、EIT現象を発生する効率が悪かった。そこで本実施形態では、波長の異なる少なくとも4つ(2つの共鳴光対)の共鳴光をガスセル5に封入された気体状のセシウム原子と相互作用させるように光変調手段を構成した。これにより、ガスセル5内で単位体積あたりでEIT現象に寄与するセシウム原子の数を増大させることが可能となり、効率よくEIT信号を取得することができる。
That is, the configuration of the atomic oscillator 50 of the present embodiment is different from the conventional one in that two or more resonance light pairs having different wavelengths can be obtained by passing the
図3(a)及び(b)はガスセルに入射する共鳴光の周波数スペクトラムを示す図である。図4はガスセルに入射した共鳴光と気体状のセシウム原子の移動方向の様子を示す図である。
次に本実施形態の動作について図3及び図4を参照しながら説明する。LD2の共鳴光11は中心波長がλ0(中心周波数f0)となるように中心波長制御手段1で制御される。LD2の共鳴光11に対して、EOM3と4で周波数変調をかけると、ガスセル5には、図3(a)に示す周波数スペクトラム30〜32を有する共鳴光12が入力される。ここで、図3(a)において、A−A´の周波数差は9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、λ0を適当な値に設定することで図4に示す入射光12の方向に対する速度成分が小さい気体状のセシウム原子15がEIT現象を発生する。また、B−B´の周波数差も9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、図4に示す入射光12と反対方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子14がEIT現象を発生する。また、図3(a)において、C−C´の周波数差も9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、図4に示す入射光12と同じ方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子16がEIT現象を発生する。このように、ガスセル5内の原子は様々な速度分布を持っている。そこで上記のようにサイドバンドB、B´、C、C´の成分を与えた共鳴光12をガスセル5に入射すると、A−A´、B−B´、及びC−C´の周波数差は何れも9.2GHzとなり、これら3対のレーザー光はいずれも対応する速度成分を持つ気体状のセシウム原子と相互作用を起こし、その結果EIT現象に寄与するセシウム原子の割合が増大する。これにより、信号対雑音比(S/N比)の大きい所望のEIT信号を得ることができる。
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing the frequency spectrum of the resonant light incident on the gas cell. FIG. 4 is a diagram illustrating the state of the resonance light incident on the gas cell and the moving direction of gaseous cesium atoms.
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS. The
尚、本実施形態ではEOM4の変調周波数を気体状のセシウム原子の周波数差の1/2(4.596GHz)としたが、周波数差の9.2GHzとしても構わない。そのときの共鳴光の周波数スペクトラムは図3(b)のようになり、周波数スペクトラム33〜35が発生するが、例えば、周波数スペクトラム33は使用せずに、周波数スペクトラム34と35(周波数スペクトラム33と34でも可)を使用する。即ち、A−λ0の周波数差は9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、λ0を適当な値に設定することで図4に示す入射光12の方向に対する速度成分が小さい気体状のセシウム原子15がEIT現象を発生する。B−λ1の周波数差も9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、図4に示す入射光12と反対方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子14がEIT現象を発生する。また、C−λ2の周波数差も9.2GHzであり、この一対の共鳴光に対しては、図4に示す入射光12と同じ方向の速度成分を持つ気体状のセシウム原子16がEIT現象を発生する。このように、ガスセル5内の原子は様々な速度分布を持っている。そこで上記のようにサイドバンドB、λ1、C、λ2の成分を与えた共鳴光12をガスセル5に入射すると、A−λ0、B−λ1、及びC−λ2の周波数差は何れも9.2GHzとなり、これら3対のレーザー光はいずれも対応する速度成分を持つ気体状のセシウム原子と相互作用を起こし、その結果EIT現象に寄与するセシウム原子の割合が増大する。これにより、信号対雑音比(S/N比)の大きい所望のEIT信号を得ることができる。
In this embodiment, the modulation frequency of the EOM 4 is ½ (4.596 GHz) of the frequency difference of the gaseous cesium atoms, but it may be 9.2 GHz of the frequency difference. The frequency spectrum of the resonant light at that time is as shown in FIG. 3B, and frequency spectra 33 to 35 are generated. For example, the frequency spectrum 33 is not used and the
即ち、少なくとも2つの共鳴光対(ここでは3対)の共鳴光を発生させるためには、LD2から出射される共鳴光にサイドバンドを重畳させて発生させ、その周波数スペクトラムを利用することが考えられる。また、共鳴光を変調する周波数は、二つの異なる基底状態のエネルギー差(ΔE12)に相当する周波数(9.2GHz)の1/2の4.596GHzと、セシウム原子の典型的なドップラー幅(例えば室温で約1GHz)に対して十分小さい値である周波数(ここでは25MHz)によって変調する必要がある。また、光を変調するためのEOMを利用する。そこで本実施形態では、2種類の周波数を夫々発振する発振器9、10を用意して、LD2の出射側に直列に配置したEOM3と4、を夫々の周波数で変調する。これにより、LD2から出射した共鳴光11から、9.2GHzの周波数差を維持した3対の周波数スペクトラムを有する共鳴光を生成することができる。 また、本実施形態ではEOM3とEOM4を1個ずつ備えたが、EOM4と、少なくとも2つ以上のEOM3をLD2の出射側に直列に配置するようにしても良い。これにより、共鳴光対の数を任意に設定し、櫛歯様の周波数間隔で発生させることができる。
That is, in order to generate resonance light of at least two resonance light pairs (here, three pairs), it is possible to superimpose the sideband on the resonance light emitted from the
図5は原子運動によるエネルギーのドップラー拡がりと本発明の共鳴光との関係を説明する模式図である。容器に封入された気体状のアルカリ金属原子集団のエネルギー状態図は、図12に示した一つの原子に対するエネルギー状態図の励起準位をドップラー拡がりに相当するエネルギー帯で置き換えることで表現できる。図5における20、21、22の各準位は、図4における、それぞれ16、15、14で示された原子に対応する励起準位である。これにより、速度分布を持った気体状のアルカリ金属原子集団に対して、複数の共鳴光の対によりEIT現象に寄与する原子の割合が増大していることがわかる。そこで、例えば1対の共鳴光に割り当てられるパワーが従来のパワーにほぼ等しい設定にすれば、吸収の飽和限界が高くなりトータルのパワーが増大するので、高いコントラストのEIT信号が取得できる。また、トータルの光照射パワーが従来とほぼ等しい場合は、本発明の1対の共鳴光あたりのパワーは減少するので、EIT信号のパワーブロードニング(光パワーが強いと、EIT信号の線幅が増大してしまう現象)が抑えられ、従来に比べ、半値幅が狭い良好なEIT信号が取得できる。従ってこれを発振器に適用した場合、周波数安定性を従来より向上させることができる。
FIG. 5 is a schematic diagram illustrating the relationship between the Doppler spread of energy due to atomic motion and the resonant light of the present invention. The energy state diagram of the gaseous alkali metal atom group enclosed in the container can be expressed by replacing the excitation level of the energy state diagram for one atom shown in FIG. 12 with an energy band corresponding to the Doppler broadening. The
図6は本発明の第2の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。同じ構成要素には図2と同じ参照番号を付して説明する。図6が図2と異なる点は、EOM4を削除して、発振器10、及び発振器9の出力信号を混合する混合器17を備え、混合器17の出力信号18によりEOM3を駆動して、EOM3をLD2の出射側に配置する。これにより、EOM3から出射される共鳴光12は、図3(a)と同様の周波数スペクトラムを発生する。
即ち、光を変調するためには、EOMを用いているが、周波数スペクトラムの数を増やすと、それだけEOMの数を増やさなければならず、コスト的に高くなり、且つ部品点数が増加するといった問題がある。そこで本実施形態では、EOMを変調する信号を予め混合器17により混合しておき、その出力信号18により1つのEOM3を変調する。これにより、EOMの数を最小限にして、部品点数を削減することができる。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an atomic oscillator according to the second embodiment of the present invention. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. 6 differs from FIG. 2 in that the EOM 4 is deleted and the
That is, EOM is used to modulate light. However, if the number of frequency spectrums is increased, the number of EOMs must be increased accordingly, resulting in an increase in cost and the number of parts. There is. Therefore, in the present embodiment, a signal for modulating the EOM is previously mixed by the
図7は本発明の第3の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。同じ構成要素には図6と同じ参照番号を付して説明する。図7が図6と異なる点は、EOM3を削除して、混合器17の出力信号19により直接LD2を変調駆動する。これにより、LD2から出射される共鳴光11は、図3(a)と同様の周波数スペクトラムを発生する。
即ち、LD2から出射された共鳴光11は、中心波長がλ0となるように中心波長制御手段1で制御されている。そして、中心波長を変調するためには、LD2から出射された共鳴光11をEOMで変調する方法以外に、LD2そのものを変調する方法がある。そこで本実施形態では、発振器10、及び発振器9の出力周波数を混合する混合器17により混合された信号19でLD2そのものを変調駆動する。これにより、EOMを不要とすることができる。また、発振器10の出力周波数は、電圧制御水晶発振器8からPLL等を介して(発振器9の回路の一部を利用することもできる)生成することもできる。その場合は発振器10も不要となる。
また、図示は省略するが、従来のEIT方式による原子発振器に備えられているLDを、夫々異なる波長の面発光レーザーをアレイ状に配置した構成としても構わない。
FIG. 7 is a diagram showing a configuration of an atomic oscillator according to the third embodiment of the present invention. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. 7 differs from FIG. 6 in that the EOM 3 is deleted and the
That is, the
Although not shown, the LD provided in the conventional atomic oscillator of the EIT system may have a configuration in which surface emitting lasers having different wavelengths are arranged in an array.
図8は本発明の実施形態に係る磁気センサーの構成を示す図である。同じ構成要素には図7と同じ参照番号を付して説明する。図8が図7と異なる点は、ガスセル5の近傍に、被測定磁気発生源37を配し、周波数制御手段7の出力信号の変動を測定する磁気測定器36と、を備えた点である。原子発振器の発振周波数は、原子の2つの基底準位間のエネルギー差(ΔE12)を基準としている。ΔE12の値は、外部磁気の強さやゆらぎで変化するため、原子発振器のセルには、外部磁気の影響を受けないように、磁気シールドが施されている。そこで磁気シールドを外し、ΔE12の変化を発振周波数変化から読取ることにより、外部磁気の強さや変動を測定する磁気センサーをつくることができる。本発明の構成とすることにより、S/N比の高い状態でEIT現象を発現させることができるため、磁気センサーの小型化が可能となる。
FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the magnetic sensor according to the embodiment of the present invention. The same components will be described with the same reference numerals as in FIG. FIG. 8 is different from FIG. 7 in that a magnetism measuring device 36 is provided in the vicinity of the gas cell 5 to measure a fluctuation of the output signal of the frequency control means 7 by arranging a measured
図9(a)は、波長の異なる2つの共鳴光対によるEIT現象に係る光透過強度の図であり、図9(b)は波長の異なる2つの共鳴光対を変調したときのEIT現象に係る光透過強度の図である。図9(a)から、波形41はVCSELからの直線偏光された光透過強度の波形であり、その共鳴光対を更に波長板を通過させて円偏光としたときの光透過強度が波形42である。波形42は波形41に対して約20%レベルが増加しているのが分かる。また、図9(b)のように共鳴光対を変調すると、複数の共鳴光対はいずれも対応する速度分布を持つ気体状のセシウム原子と相互作用を起こし、複数のピークを持った波形43が発現する。本実施形態では、例えば、図10のようにLD2とガスセル5の間に波長板40を光路と直交するように配置して、波長板面を徐々に回転すると共鳴光対11が円偏光となったときに、波長λ0で光透過強度が最大の波形45となることが確認された。従って、共鳴光対を直線偏光から円偏光に変化する過程で光透過強度が波形43(直線偏光)、波形44(楕円偏光)、波形45(円偏光)となることが確認された。
即ち、LD2から出射される共鳴光対11は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクトルの先端が円を描く場合、その光は円偏光と呼ばれる。共鳴光対を円偏光に変換すると、波長λ0の光透過強度が通常の約6倍に増大することが実験的に確認されている。これにより、EIT現象による光出力信号のSN比を向上させることができる。
また、LD2から出射される共鳴光対11は光の伝播方向に垂直な面内で、電気ベクトルの先端が楕円を描く場合、その光は楕円偏光と呼ばれる。共鳴光対の光路上に光路と直交するように波長板を置いてその面を回転させると、偏光状態が変化して直交偏光と円偏光の間に連続的に変化する楕円偏光が存在することが分かる。従って、楕円偏光であってもEIT現象による光出力信号のSN比を向上させることができる。
FIG. 9A is a diagram of the light transmission intensity related to the EIT phenomenon by two resonant light pairs having different wavelengths, and FIG. 9B shows the EIT phenomenon when the two resonant light pairs having different wavelengths are modulated. It is a figure of the light transmission intensity which concerns. From FIG. 9A, the waveform 41 is a linearly polarized light transmission intensity waveform from the VCSEL, and the light transmission intensity when the resonant light pair is further passed through the wave plate to be circularly polarized is the waveform 42. is there. It can be seen that the waveform 42 is about 20% higher than the waveform 41. When the resonant light pair is modulated as shown in FIG. 9B, each of the plurality of resonant light pairs interacts with gaseous cesium atoms having a corresponding velocity distribution, and has a
That is, the resonant
Further, when the
図10は、本発明の第4の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。第4の実施形態は、図7の構成に波長板40を追加した構成である。即ち、LD2とセル5の間に波長板40を光路と直交するように配置したものである。LD2から出射した直線偏光の共鳴光対11は波長板40に入射して、90度位相が偏光されて円偏光11aとなる。尚、波長板40はLD2とセル5の間であれば何処でも良く、LD2の出射面の近傍や、セル5の入射口の近傍でも構わない。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of an atomic oscillator according to the fourth embodiment of the present invention. In the fourth embodiment, a
図11は、本発明の第5の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。第5の実施形態は、図6の構成に波長板40を追加した構成である。即ち、EOM3とセル5の間に波長板40を光路と直交するように配置したものである。LD2から出射した直線偏光の共鳴光対11はEOM3により変調されて共鳴光12となり、波長板40に入射して、90度位相が偏光されて円偏光12aとなる。尚、波長板40はEOM3とセル5の間であれば何処でも良く、EOM3の出射面の近傍や、セル5の入射口の近傍でも構わない。
即ち、波長板とは、直交する偏光成分の間に位相差を生じさせる複屈折素子のことである。位相差π(180°)を生じるものをλ/2板または半波長板と呼び、直線偏光の偏光方向を変えるために用いる。位相差π/2(90°)を生じるものをλ/4板または四分の一波長板と呼び、直線偏光を円偏光(楕円偏光)に変換、また逆に円偏光(楕円偏光)を直線偏光に変換するために用いる。本実施形態では、直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変える必要があるため、λ/4板が使用され、LD2から出射した直線偏光の共鳴光対11を波長板40により円偏光又は楕円偏光に変えて、ガスセル5に入射させる必要がある。これにより、簡単な構成でEIT現象による光出力信号のSN比を向上させることができる。
FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an atomic oscillator according to the fifth embodiment of the invention. In the fifth embodiment, a
That is, the wave plate is a birefringent element that generates a phase difference between orthogonal polarization components. A plate that generates a phase difference π (180 °) is called a λ / 2 plate or a half-wave plate, and is used to change the polarization direction of linearly polarized light. Those that produce a phase difference of π / 2 (90 °) are called λ / 4 plates or quarter-wave plates, and convert linearly polarized light into circularly polarized light (elliptically polarized light). Used to convert to polarized light. In this embodiment, since it is necessary to change linearly polarized light into circularly polarized light or elliptically polarized light, a λ / 4 plate is used, and the linearly polarized resonant
1 中心波長制御手段、2 LD、3 EOM、4 EOM、5 ガスセル、6 光検出器、7 周波数制御手段、8 電圧制御水晶発振器、9 発振器、10 発振器、11、12、13 共鳴光、14、15、16 気体状のセシウム原子、17 混合器18、19 変調信号、40 波長板、41 変調をかけないときの直線偏光された波形、42 変調をかけないときの円偏光された波形、43 変調をかけたときの直線偏光された波形、44 変調をかけたときの楕円偏光された波形、45 変調をかけたときの円偏光された波形、50、51、52、53、54 原子発振器
1 center wavelength control means, 2 LD, 3 EOM, 4 EOM, 5 gas cell, 6 photodetector, 7 frequency control means, 8 voltage control crystal oscillator, 9 oscillator, 10 oscillator, 11, 12, 13 resonant light, 14, 15, 16 Gaseous cesium atom, 17
Claims (11)
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を特徴とする、量子干渉装置。 A plurality of alkali metal atoms having different velocity components are irradiated with a plurality of resonant light pairs having a frequency corresponding to an energy difference between two ground levels of the alkali metal atoms and having different center frequencies,
Wherein the generating an electromagnetic induced transparency phenomenon before SL more alkali metal atoms, quantum interference device.
電磁誘起透過現象を前記複数のアルカリ金属原子に発生させるために、前記アルカリ金属原子の2つの基底準位間のエネルギー差に相当する周波数を有していて中心周波数が異なる複数の共鳴光対を、前記複数のアルカリ金属原子に照射する照射手段と、
を備えていることを特徴とする、量子干渉装置。 A plurality of alkali metal atoms having different velocity components;
In order to generate an electromagnetically induced transmission phenomenon in the plurality of alkali metal atoms, a plurality of resonant light pairs having a frequency corresponding to an energy difference between two ground levels of the alkali metal atom and having different center frequencies , irradiating means for irradiating the plurality of the alkali metal atom,
A quantum interference device comprising:
前記複数の共鳴光対を前記アルカリ金属原子に出射する光源と、
前記光源から出射する光を変調する変調手段と、
を備えていることを特徴とする、請求項2に記載の量子干渉装置。 The irradiation means includes
A light source that emits the plurality of resonant light pairs to the alkali metal atom;
Modulation means for modulating light emitted from the light source;
The quantum interference device according to claim 2, further comprising:
前記光源から出射する光を変調する変調手段と、
を備えていることを特徴とする、請求項1に記載の量子干渉装置。 A light source that emits the plurality of resonant light pairs to the alkali metal atom;
Modulation means for modulating light emitted from the light source;
The quantum interference device according to claim 1, comprising:
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