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 first ground level 23 and the excitation level 21 or the second resonance light having a wavelength corresponding to the energy difference between the second ground level 24 and the excitation level 21. As is well known, when an alkali metal atom is irradiated with resonance light alone, light absorption occurs. However, the alkali metal atom is irradiated with the first resonance light and the second resonance light at the same time, and the frequency difference between the first resonance light and the second resonance light irradiated simultaneously is accurately the first ground level 23 and the second ground level. When it coincides with the energy difference (ΔE12) of the level 24, the system of FIG. 12 (a) becomes a superposition state of two ground levels, that is, a quantum interference state, and the excitation to the excitation level 21 stops and becomes transparent. (EIT) phenomenon occurs. Using this phenomenon, a highly accurate oscillator can be manufactured by detecting and controlling a steep change in light absorption behavior when the wavelength difference between the first resonant light and the second resonant light deviates from ΔE12. . Further, since ΔE12 changes sensitively due to the strength and fluctuation of external magnetism, it is possible to make a highly sensitive magnetic sensor using the EIT phenomenon.

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 Patent Document 1, for the purpose of improving the S / N ratio of the output signal of the atomic oscillator, the thickness of the cell in which gaseous alkali metal atoms are confined is increased, or the beam diameter of laser light incident on the cell is increased. A method of increasing the value is disclosed. In either method, the thickness or height of the cell is increased as shown in FIG. 12 (b) or FIG. 12 (c) in order to widen the region where the alkali metal atom contacts the resonant light. As for the laser beam used here, only a pair of laser beams having two kinds of wavelengths satisfying the expression condition of the EIT phenomenon is used.

特開２００４−９６４１０公報JP 2004-96410 A

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 Patent Document 1 is an atomic oscillator configured with such a low EIT expression efficiency, a desired absorption spectrum having a large signal-to-noise ratio (S / N ratio) can be obtained. However, there is a problem that it is difficult to reduce the size while maintaining the signal-to-noise ratio because either the thickness or the height of the cell must be increased. That is, the number of atoms contributing to the EIT phenomenon per unit volume in the cell remains unchanged. The present invention has been made in view of such problems, and by generating a plurality of resonant light pairs having different wavelengths, the EIT phenomenon is efficiently generated for more gaseous alkali metal atoms in the cell. It is an object of the present invention to provide a quantum interference device to be used, and to provide a small atomic oscillator or a magnetic sensor by using the quantum interference device.

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.

気体状態のアルカリ金属原子の速度分布の概略図である。It is the schematic of the velocity distribution of the alkali metal atom of a gaseous state. 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。It is a figure which shows the structure of the atomic oscillator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. （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。(A) And (b) is a figure which shows the frequency spectrum of the resonant light which injects into a gas cell. ガスセルに入射した共鳴光と気体状のアルカリ金属原子の移動方向の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the moving direction of the resonant light and gaseous alkali metal atom which injected into the gas cell. 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。It is a schematic diagram explaining the relationship between the Doppler spread of energy by atomic motion and the resonance light of the present invention. 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。It is a figure which shows the structure of the atomic oscillator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the atomic oscillator which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention. （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、（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。(A) is a diagram of light transmission intensity related to the EIT phenomenon by two resonant light pairs having different wavelengths, and (b) is a diagram of light transmission intensity relating to the EIT phenomenon when two resonant light pairs having different wavelengths are modulated. It is. 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。It is a figure which shows the structure of the atomic oscillator which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the atomic oscillator which concerns on the 5th Embodiment of this invention. （ａ）は従来のＥＩＴ方式の原理を説明する図、（ｂ）、（ｃ）は従来のガスセルと共鳴光の関係を示す図である。(A) is a figure explaining the principle of the conventional EIT system, (b), (c) is a figure which shows the relationship between the conventional gas cell and resonance light.

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 LD 2, and the frequency corresponding to the energy difference (ΔE12) between two different ground states. An oscillator 9 that oscillates 1/2 (4.596 GHz) of (9.2 GHz), an oscillator 10 that oscillates at a frequency of about 25 MHz, and an EOM that applies frequency modulation to the resonant light 11 emitted from the LD 2 by an electric signal ( Gaseous cesium (as an alkali metal) that changes the amount of light absorption by the wavelength of the light 12 modulated by the electro-optic modulation elements 3 and 4 and the EOM 4 A gas cell 5 in which atoms are enclosed, a light detector (light detection means) 6 that detects light 13 transmitted from the gas cell 5, and an EIT state of the gas cell 5 based on the output of the light detector 6 to control the output voltage And a frequency control means 7 for performing the operation. Although the oscillation frequency of the oscillator 10 is 25 MHz, this frequency is sufficiently small with respect to a typical Doppler width of cesium atoms (for example, about 1 GHz at room temperature). This frequency can be changed as appropriate. The output frequency of the oscillator 9 is 4.596 GHz because the frequency corresponding to ΔE12 in the case of cesium is about 9.2 GHz (4.596 GHz × 2), and the voltage is controlled by the control voltage output from the frequency control means 7. It is generated by multiplying the frequency obtained by controlling the control crystal oscillator 8. Then, EOM3 was modulated by the frequency of the oscillator 10 (25 MHz), EOM4 was modulated by the frequency of the oscillator 9 (4.596 GHz), and EOM3 and EOM4 were arranged in series on the emission side of the LD2. Note that the arrangement order of the combination of the EOM 3 and the oscillator 10 and the combination of the EOM 4 and the oscillator 9 may be reversed.

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 resonance light 11 emitted from the LD 2 through the EOM 3 as a modulation means. (3 pairs). In the conventional atomic oscillator, only one pair of two resonant light pairs having different wavelengths is prepared, and the frequency difference (wavelength difference) between the two resonant lights irradiated at the same time is precisely the energy difference ΔE12 of each ground level. The frequency was controlled to match. However, due to the Doppler effect of the resonant light due to the movement of the atoms, a distribution occurs in the resonant light wavelength of the cesium atom group confined in the gas cell 5. Since the interaction with only a part of the cesium atoms moving at the full speed is inefficient, the efficiency of generating the EIT phenomenon is poor. Therefore, in the present embodiment, the light modulation means is configured so that at least four (two resonance light pairs) having different wavelengths interact with gaseous cesium atoms sealed in the gas cell 5. As a result, the number of cesium atoms contributing to the EIT phenomenon per unit volume in the gas cell 5 can be increased, and an EIT signal can be acquired efficiently.

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 resonance light 11 of the LD 2 is controlled by the center wavelength control means 1 so that the center wavelength becomes λ0 (center frequency f0). When frequency modulation is applied to the resonant light 11 of the LD 2 using the EOMs 3 and 4, the resonant light 12 having the frequency spectrum 30 to 32 shown in FIG. 3A is input to the gas cell 5. Here, in FIG. 3A, the frequency difference of AA ′ is 9.2 GHz. For this pair of resonance lights, the incident light shown in FIG. 4 is set by setting λ 0 to an appropriate value. Gaseous cesium atoms 15 having a small velocity component in the direction of 12 generate an EIT phenomenon. Further, the frequency difference of BB ′ is also 9.2 GHz. For this pair of resonance lights, gaseous cesium atoms 14 having velocity components in the opposite direction to the incident light 12 shown in FIG. Is generated. Further, in FIG. 3A, the frequency difference of CC ′ is also 9.2 GHz, and for this pair of resonance lights, a gaseous state having a velocity component in the same direction as the incident light 12 shown in FIG. The cesium atom 16 generates an EIT phenomenon. Thus, the atoms in the gas cell 5 have various velocity distributions. Therefore, when the resonant light 12 having the components of the sidebands B, B ′, C, and C ′ as described above is incident on the gas cell 5, the frequency difference between AA ′, BB ′, and CC ′ is as follows. Both are 9.2 GHz, and these three pairs of laser beams all interact with gaseous cesium atoms having a corresponding velocity component, and as a result, the proportion of cesium atoms contributing to the EIT phenomenon increases. Thereby, a desired EIT signal having a large signal-to-noise ratio (S / N ratio) can be obtained.

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 frequency spectrums 34 and 35 (frequency spectrum 33 and 34 is acceptable). That is, the frequency difference of A-λ0 is 9.2 GHz, and for this pair of resonance lights, by setting λ0 to an appropriate value, the gas has a small velocity component in the direction of the incident light 12 shown in FIG. The cesium atoms 15 in the form of an EIT phenomenon. The frequency difference of B-λ1 is also 9.2 GHz. For this pair of resonant lights, gaseous cesium atoms 14 having velocity components in the opposite direction to the incident light 12 shown in FIG. 4 cause the EIT phenomenon. . Also, the frequency difference of C-λ2 is 9.2 GHz, and for this pair of resonant lights, gaseous cesium atoms 16 having velocity components in the same direction as the incident light 12 shown in FIG. Occur. Thus, the atoms in the gas cell 5 have various velocity distributions. Therefore, when the resonant light 12 having the components of the sidebands B, λ1, C, and λ2 is incident on the gas cell 5 as described above, the frequency differences of A-λ0, B-λ1, and C-λ2 are all 9.2 GHz. Thus, all of these three pairs of laser beams interact with gaseous cesium atoms having a corresponding velocity component, and as a result, the proportion of cesium atoms contributing to the EIT phenomenon increases. Thereby, a desired EIT signal having a large signal-to-noise ratio (S / N ratio) can be obtained.

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 LD 2 and use the frequency spectrum. It is done. The frequency for modulating the resonant light is 4.596 GHz which is 1/2 of the frequency (9.2 GHz) corresponding to the energy difference (ΔE12) between two different ground states, and a typical Doppler width of cesium atoms (for example, It is necessary to modulate by a frequency (here, 25 MHz) which is a sufficiently small value for room temperature (about 1 GHz). Also, an EOM for modulating light is used. Therefore, in this embodiment, oscillators 9 and 10 that oscillate two types of frequencies are prepared, and EOMs 3 and 4 arranged in series on the emission side of the LD 2 are modulated at the respective frequencies. Thereby, from the resonance light 11 emitted from the LD 2, the resonance light having three pairs of frequency spectra maintaining the frequency difference of 9.2 GHz can be generated. In this embodiment, one EOM 3 and one EOM 4 are provided, but EOM 4 and at least two EOMs 3 may be arranged in series on the emission side of the LD 2. Thereby, the number of resonant light pairs can be set arbitrarily and can be generated at comb-like frequency intervals.

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 levels 20, 21, and 22 in FIG. 5 are excitation levels corresponding to the atoms indicated by 16, 15, and 14, respectively, in FIG. Thereby, it can be seen that the ratio of atoms contributing to the EIT phenomenon is increased by a plurality of pairs of resonance light with respect to a gaseous alkali metal atom group having a velocity distribution. Therefore, for example, if the power allocated to a pair of resonance lights is set to be approximately equal to the conventional power, the saturation limit of absorption increases and the total power increases, so that a high-contrast EIT signal can be acquired. In addition, when the total light irradiation power is almost equal to the conventional one, the power per pair of resonant light of the present invention is reduced. Therefore, the power broadening of the EIT signal (if the optical power is strong, the line width of the EIT signal is An increase in phenomenon) is suppressed, and a good EIT signal having a narrower half-value width than that of the prior art can be acquired. Therefore, when this is applied to an oscillator, the frequency stability can be improved as compared with the prior art.

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 oscillator 10 and the mixer 17 for mixing the output signals of the oscillator 9 are provided, and the EOM 3 is driven by the output signal 18 of the mixer 17 so that the EOM 3 It arrange | positions at the output side of LD2. Thereby, the resonance light 12 emitted from the EOM 3 generates a frequency spectrum similar to that shown in FIG.
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 mixer 17, and one EOM 3 is modulated by the output signal 18. Thereby, the number of parts can be reduced by minimizing the number of EOMs.

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 LD 2 is directly modulated and driven by the output signal 19 of the mixer 17. Thereby, the resonance light 11 emitted from the LD 2 generates a frequency spectrum similar to that shown in FIG.
That is, the resonance light 11 emitted from the LD 2 is controlled by the center wavelength control means 1 so that the center wavelength becomes λ0. In order to modulate the center wavelength, there is a method for modulating the LD 2 itself in addition to the method for modulating the resonance light 11 emitted from the LD 2 by EOM. Therefore, in the present embodiment, the LD 2 itself is modulated and driven by the signal 19 mixed by the mixer 17 that mixes the output frequencies of the oscillator 10 and the oscillator 9. Thereby, EOM can be made unnecessary. The output frequency of the oscillator 10 can also be generated from the voltage controlled crystal oscillator 8 via a PLL or the like (a part of the circuit of the oscillator 9 can be used). In that case, the oscillator 10 is also unnecessary.
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 magnetic generation source 37. . 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. With the configuration of the present invention, the EIT phenomenon can be expressed with a high S / N ratio, so that the magnetic sensor can be downsized.

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 waveform 43 having a plurality of peaks. Is expressed. In the present embodiment, for example, when the wave plate 40 is arranged between the LD 2 and the gas cell 5 so as to be orthogonal to the optical path as shown in FIG. 10 and the wave plate surface is gradually rotated, the resonant light pair 11 becomes circularly polarized light. It was confirmed that the waveform 45 having the maximum light transmission intensity at the wavelength λ0 was obtained. Therefore, it was confirmed that the light transmission intensity changed to a waveform 43 (linearly polarized light), a waveform 44 (elliptically polarized light), and a waveform 45 (circularly polarized light) in the process of changing the resonance light pair from linearly polarized light to circularly polarized light.
That is, the resonant light pair 11 emitted from the LD 2 is called circularly polarized light when the tip of the electric vector draws a circle in a plane perpendicular to the light propagation direction. It has been experimentally confirmed that when the resonant light pair is converted into circularly polarized light, the light transmission intensity at the wavelength λ0 is increased to about 6 times the usual. Thereby, the S / N ratio of the optical output signal due to the EIT phenomenon can be improved.
Further, when the resonance vector 11 emitted from the LD 2 draws an ellipse at the tip of the electric vector in a plane perpendicular to the light propagation direction, the light is called elliptically polarized light. When a wave plate is placed on the optical path of the resonant light pair so as to be orthogonal to the optical path and its surface is rotated, the polarization state changes, and elliptically polarized light that continuously changes between the orthogonal polarized light and the circularly polarized light exists. I understand. Accordingly, the SN ratio of the optical output signal due to the EIT phenomenon can be improved even with elliptically polarized light.

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 wavelength plate 40 is added to the configuration of FIG. That is, the wave plate 40 is disposed between the LD 2 and the cell 5 so as to be orthogonal to the optical path. The linearly polarized resonant light pair 11 emitted from the LD 2 is incident on the wave plate 40 and is 90 ° phase polarized to become circularly polarized light 11a. The wavelength plate 40 may be anywhere between the LD 2 and the cell 5, and may be near the exit surface of the LD 2 or the entrance of the cell 5.

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 wave plate 40 is added to the configuration of FIG. That is, the wave plate 40 is disposed between the EOM 3 and the cell 5 so as to be orthogonal to the optical path. The linearly polarized resonant light pair 11 emitted from the LD 2 is modulated by the EOM 3 to become the resonant light 12, enters the wave plate 40, and is 90 ° phase polarized to become the circularly polarized light 12 a. The wave plate 40 may be anywhere between the EOM 3 and the cell 5, and may be in the vicinity of the exit surface of the EOM 3 or the entrance of the cell 5.
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 light pair 11 emitted from the LD 2 is converted into circularly polarized light or elliptically polarized light by the wave plate 40. In other words, it is necessary to enter the gas cell 5. Thereby, the SN ratio of the optical output signal due to the EIT phenomenon can be improved with a simple configuration.

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 Mixer 18, 19 Modulation signal, 40 Waveplate, 41 Linearly polarized waveform without modulation, 42 Circularly polarized waveform without modulation, 43 Modulation Linearly polarized waveform when 44 is applied, elliptically polarized waveform when 44 is modulated, circularly polarized waveform when 45 is applied, 50, 51, 52, 53, 54 Atomic oscillator

Claims (11)

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、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. 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、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、請求項１または２に記載の量子干渉装置。 3. The quantum interference device according to claim 1, wherein a frequency difference between the center frequencies of the plurality of resonant light pairs is smaller than a Doppler width of the alkali metal atom. 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、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の量子干渉装置。 Frequency difference between the center frequency between said plurality of resonant light pair is 1 than when the pair of resonant light pair is irradiated to the alkali metal atom, the number of the alkali metal atoms to generate electricity磁誘force transmission phenomenon The quantum interference device according to claim 1, wherein the quantum interference device is set to increase. 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、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の量子干渉装置。   5. The quantum interference device according to claim 1, wherein a frequency difference between the center frequencies of the plurality of resonant light pairs is in the order of MHz. 6. 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、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の量子干渉装置。 The light detection means for detecting light transmitted through the plurality of alkali metal atoms having different velocity components and outputting a signal obtained by superimposing the light intensities is provided. A quantum interference device according to claim 1. 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、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: 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、請求項７または８に記載の量子干渉装置。   9. The quantum interference device according to claim 7, wherein the modulation unit includes a mixing unit that mixes the first oscillation signal and the second oscillation signal. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の量子干渉装置を備えていることを特徴とする原子発振器。   An atomic oscillator comprising the quantum interference device according to claim 1. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の量子干渉装置を備えていることを特徴とする磁気センサー。   A magnetic sensor comprising the quantum interference device according to claim 1.
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