量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器的制作方法

专利名称：量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器。
背景技术：
基于电磁诱导透明(EIT Electromagnetically Induced Transparency)方式(有时 也称为CPT (Coherent Population Trapping，相干布居捕获)方式)的原子振荡器是利用这 样的现象(EIT现象)的振荡器，即，当向碱金属原子同时照射波长(频率)不同的2个 共振光时，2个共振光的吸收停止的现象。公知的是，碱金属原子和2个共振光的相互 作用机构可使用A型3能级系模型进行说明。碱金属原子具有2个基态能级，当将具有 与基态能级1和激励能级的能量差相当的波长(频率)的共振光1、或者具有与基态能级 2和激励能级的能量差相当的波长(频率)的共振光2分别单独照射到碱金属原子时，众 所周知产生光吸收。然而，当向该碱金属原子同时照射频率差跟与基态能级1和基态能 级2的能量差相当的频率准确一致的共振光1和共振光2时，处于2个基态能级的重合状 态，即量子干涉状态，产生向激励能级的激励停止且共振光1和共振光2透射碱金属原子 的透明化(EIT)现象。利用该现象，通过检测、控制在共振光1和共振光2的频率差偏 离了与基态能级1和基态能级2的能量差相当的频率时的光吸收举动的急剧变化，可制造 高精度的振荡器。并且，由于基态能级1和基态能级2的能量差根据外部磁场的强度或 波动而敏感变化，因而也能利用EIT现象来制造高灵敏度的磁传感器。另外，在该原子振荡器和磁传感器中，为了提高输出信号的信号对噪声比(S/N 比)，可以增加产生EIT现象的碱金属原子的数量。例如，在专利文献1中，公开了这样 的方法以改善原子振荡器的输出信号的S/N比为目的，增大封闭气体状的碱金属原子 的池的厚度，或者增大入射到池的激光的光束直径。无论哪种方法，都是增大池的厚度 或高度，以扩大碱金属原子与共振光接触的区域。并且，在专利文献2中，提出了这样 的原子振荡器通过使用D1线作为光源，与以往的D2线的情况相比在理论上提高EIT 信号(根据EIT现象透射碱金属原子的光的信号)的强度，由此提高灵敏度和频率稳定精 度。在专利文献1和专利文献2中记载的原子振荡器中，仅使用1对满足EIT现象的发 现条件的2种波长的激光。专利文献1日本特开2004-96410号公报专利文献2美国专利第6359916号公报另外，当着眼于构成池内的气体状的碱金属原子团的各个原子时，具有与各自 的运动状态对应的恒定的速度分布。图15示出封闭在容器内的气体状的碱金属原子团的 速度分布的概略图。图15的横轴表示气体状的碱金属原子的速度，纵轴表示具有该速度 的气体状的碱金属原子的数量比例。如图15所示，以速度0为中心，气体状的碱金属原 子具有与温度对应的恒定的速度分布。这里，速度表示在向气体状的碱金属原子团照射 激光时的与照射方向平行的原子速度分量，将相对于光源处于静止的速度的值设定为0。 这样，当气体状的碱金属原子的速度有分布时，根据光的多普勒效应(多普勒偏移)，共振光的视在波长(频率)，即从气体状的碱金属原子观察的共振光的波长(频率)产生分 布。由于这意味着在速度不同的原子中，激励能级视在不同，因而如图16所示，激励能 级具有恒定的宽度展宽(多普勒展宽)。因此，即使同时照射1对共振光1和共振光2， 也能实际产生EIT现象，这只限于具有针对激光入射方向的特定速度分量的值(例如0) 的一部分原子，未产生EIT现象而残留的气体状的碱金属原子在团中存在相当数量，有 助于EIT发现的原子的比例极低。这样，在EIT发现效率低的状态下，为了增大EIT信号 的强度，如专利文献1所公开那样，必须增大池的厚度或高度的任意一方，具有难以小 型化的问题。并且，由于在EIT发现效率低的状态下，激光功率的利用效率降低，因而 为了将EIT信号的强度保持在恒定水平以上，难以降低激光功率，因而也不利于省电。

发明内容
本发明正是鉴于上述问题而完成的，根据本发明的若干形式，可提供一种通过 提高针对碱金属原子的EIT现象的发现效率，可提高激光功率的利用效率的量子干涉装 置，并可提供通过利用该量子干涉装置而小型化的原子振荡器或者磁传感器。(1)本发明是一种量子干涉装置，该量子干涉装置利用由第1共振光和第2共振 光构成的共振光对，使碱金属原子产生电磁诱导透明现象，所述量子干涉装置具有光 源，其产生频率彼此相差△ 的多个所述第1共振光和频率彼此相差△ 的多个所述 第2共振光；磁场产生单元，其向所述碱金属原子施加磁场；光检测单元，其检测包含 透射过所述碱金属原子的所述第1共振光和所述第2共振光在内的光的强度；以及控制 单元，其根据所述光检测单元的检测结果进行控制，使得预定的所述第1共振光与预定 的所述第2共振光之间的频率差等于与所述碱金属原子的2个基态能级的能量差相当的频 率差，所述控制单元还控制所述频率A co和所述磁场产生单元产生的磁场的强度中的至 少一方，使得对于与下述能量差相当的频率S，满足2X S Xn = A (0以及A (0 Xn = 2X 6中的至少一方，所述能量差是由于磁场引起的能量分裂，在所述碱金属原子的所述 2个基态能级的各方产生的多个塞曼分裂能级中、磁量子数彼此相差1的2个所述塞曼分 裂能级的能量差，其中，n是正整数。在本发明中，产生频率相差A co的多个共振光1和频率相差A co的多个共振光 2，以使预定的第1共振光与预定的第2共振光的频率差等于与碱金属原子的2个基态能 级的能量差相当的频率差。因此，当设第1共振光的频率为^、设第2共振光的频率为 f2、设与碱金属原子的2个基态能级的能量差对应的频率为fE时，在对于f;= 工的共振 光1和f2 = co2的共振光2满足f；-^ = fE的关系的情况下，对于f； = 1+kX A co的共 振光1和f2 = 2+kX A co的共振光2 (k是正整数)也满足frG = fE的关系，对于& = rkX A co的共振光1和f2 = co2-kX A co的共振光2 (k是正整数)也满足fr^ = fE的 关系。因此，速度不是0的碱金属原子也能产生EIT现象，产生EIT现象的碱金属原子 的数量比例可比以往增加。而且，在本发明中，由于进行控制以满足2X S Xn = A (0以及A coXn = 2X 6 (n是正整数)中的至少一方，因而磁量子数是0以外的碱金属原子也能产生EIT现 象，产生EIT现象的碱金属原子的数量比例可比以往大幅增加。因此，根据本发明，可提供一种通过提高针对碱金属原子的EIT现象的发现效率，可提高激光功率的利用效率的量子干涉装置。(2)在该量子干涉装置中，所述控制单元可以根据所述光检测单元的检测结果控 制所述频率A co。例如，所述控制单元可以对所述频率A co进行反馈控制，以使所述光检测单元 的检测结果为最大。(3)在该量子干涉装置中，所述控制单元可以根据所述碱金属原子附近的磁场的 强度控制所述频率A co。例如，所述控制单元可以包含检测所述碱金属原子附近的磁场的强度的磁场检 测单元，并根据所述磁场检测单元的检测结果控制所述频率A co。并且，例如，所述控制单元可以包含控制成使所述磁场产生单元产生预先决定 的强度的磁场的磁场控制单元，并根据该预先决定的磁场的强度控制所述频率Aco。(4)在该量子干涉装置中，所述控制单元可以包含磁场控制单元，该磁场控制单 元根据预先决定的所述频率△ ，控制所述磁场产生单元产生的磁场的强度。(5)在该量子干涉装置中，可以是n=l。BP,所述控制单元可以控制成满足 A (0 = 2 6的关系。这样，由于可将针对碱金属原子的EIT现象的发现效率提高到最大限度，因而 可将激光功率的利用效率提高到最大限度。(6)本发明是一种原子振荡器，该原子振荡器包含上述任意一种量子干涉装置。(7)本发明是一种磁传感器，该磁传感器包含上述任意一种量子干涉装置。


图1是本实施方式的量子干涉装置的功能框图。图2是示出第1实施方式的原子振荡器的结构的图。图3是用于说明铯原子的发生塞曼分裂后的基态能级和共振光的关系的图。图4是示出本实施方式中的半导体激光器出射的激光的频谱一例的图。图5是用于说明铯原子产生EIT现象的2个共振光的组合一例的图。图6是示出铯原子产生EIT现象的2个共振光的组合一例的图。图7是示出铯原子产生EIT现象的2个共振光的组合的另一例的图。图8是示出铯原子产生EIT现象的2个共振光的组合的另一例的图。图9是示出第2实施方式的原子振荡器的结构的图。图10是示出第2实施方式的原子振荡器的变型例的结构的图。图11是示出第3实施方式的原子振荡器的结构的图。图12是示出第3实施方式的原子振荡器的变型例的结构的图。图13是示出第1实施方式的磁传感器的结构的图。图14是示出第2实施方式的磁传感器的结构的图。图15是气体状的碱金属原子团的速度分布的概略图。图16是示意性示出考虑了由碱金属原子的运动引起的多普勒效应的能级的图。标号说明1 量子干涉装置；10 光源；20 原子池；30 磁场产生单元；40 光检测单元；50 控制单元；52 磁场控制单元；54 磁场检测单元；100 原子振荡器； 110 中心波长控制单元；120:半导体激光器；130:原子池；140:磁场产生单元； 150 光检测器；160:放大器；170:检波单元；180:调制单元；190:振荡器； 200 检波单元；210:振荡器；220:调制单元；230:振荡器；240:变频单元； 250 检波单元；260:振荡器；270:调制单元；280:振荡器；290:调制单元； 300 变频单元；310 :磁场控制单元；320 振荡器；330 磁场检测单元；340 频率 设定单元；350 变频单元；360 磁场控制单元；370 信号处理单元；372 扫描信 号；380 振荡器；382 频率信息；400 磁传感器。
具体实施例方式以下，使用附图详细说明本发明的优选实施方式。另外，以下说明的实施方式 并不对权利要求书中记载的本发明的内容进行不当限定。并且以下说明的全部结构不一 定是本发明的必要构成要件。1、量子干涉装置图1是本实施方式的量子干涉装置的功能框图。本实施方式的量子干涉装置1构成为包含光源10，原子池(atomic cell) 20，磁 场产生单元30，光检测单元40以及控制单元50。光源10产生频率相差A co的多个第1共振光(共振光1)和频率相差A co的多 个第2共振光(共振光2)。在原子池20内包含有气体状的碱金属原子，由磁场产生单元30向碱金属原子提 供磁场。光检测单元40检测包含透射了碱金属原子的共振光1和共振光2的光的强度。控制单元50根据光检测单元40的检测结果进行控制，以使预定的第1共振光与 预定的第2共振光的频率差等于与碱金属原子的2个基态能级的能量差相当的频率差。控 制单元50还控制频率A co和磁场产生单元产生的磁场的强度中的至少一方，使得对于与 下述能量差相当的频率S，满足2X S Xn = A (0以及A coXn = 2X S中的至少一方， 所述能量差是由于磁场引起的能量分裂，在碱金属原子的2个基态能级的各方产生的多 个塞曼分裂能级中、磁量子数彼此相差1的2个塞曼分裂能级的能量差，其中，n是正整 数。不过，期望的是，控制单元50控制成满足n= 1，即Aco=2S的关系，以使EIT 信号的强度最大。并且，控制单元50可以包含磁场控制单元52，该磁场控制单元52根据预先决定 的频率A co，控制磁场产生单元30产生的磁场的强度。并且，控制单元50可以根据光检测单元40的检测结果控制所述频率A (0。例 如，控制单元50可以对频率A co进行反馈控制，以使光检测单元40的检测结果为最 大。并且，控制单元50可以根据碱金属原子附近的磁场的强度控制频率A 。例 如，控制单元50可以包含检测碱金属原子附近的磁场的强度的磁场检测单元54，并根据 磁场检测单元54的检测结果控制频率A co。并且，例如，控制单元50可以用磁场控制 单元52控制成使磁场产生单元30产生预先决定的强度的磁场，并根据该预先决定的磁场的强度控制频率A co。以下，以使用本实施方式的量子干涉装置的原子振荡器和磁传感器为例，说明 更具体的结构。2、原子振荡器(1)第1实施方式图2是示出使用图1的量子干涉装置1的第1实施方式的原子振荡器的结构的 图。如图2所示，第1实施方式的原子振荡器100构成为包含中心波长控制单元 110，半导体激光器120，原子池130，磁场产生单元140，光检测器150，放大器160，检 波单元170，调制单元180，振荡器190，检波单元200，振荡器210，调制单元220，振 荡器230，变频单元240，检波单元250，振荡器260，调制单元270，振荡器280，以及 调制单元290。原子池130在容器中封入有气体状的碱金属原子(钠(Na)原子、铷(Rb)原子、 铯(Cs)原子等)。然后，在本实施方式中，由磁场产生单元140 (例如，线圈)向原子 池130施加磁场。因此，碱金属原子的2个基态能级通过由磁场引起的能量分裂(塞曼 分裂)，被分为磁量子数m不同的多个能级(塞曼分裂能级)。这里，公知的是，塞曼分 裂能级的数量根据碱金属原子的种类而不同。例如，在铯原子的情况下，如图3所示， 基态能级1按照能量从高到低的顺序被分为磁量子数m =-3、-2、-1、0、+1、+2、+3 的7个塞曼分裂能级。另一方面，基态能级2按照能量从高到低的顺序被分为磁量子数 m = +4、+3、+2、+1、0、-1、-2、-3、_4的9个塞曼分裂能级。这里，对于基态能 级1和基态能级2双方来说，磁量子数m彼此相差1的2个塞曼分裂能级的能量差Es相 等。并且，能量差￡6根据磁场强度而变化。S卩，磁场强度越大，则能量差￡6就越大。 另外，在以下说明中，设与Es相当的频率为8。当向该原子池130同时照射了具有与碱金属原子的2个基态能级的能量差相当的 频率差的共振光对(共振光1、共振光2)时，碱金属原子产生EIT现象。另外，在以下 说明中，设共振光1、共振光2的频率分别为fp f2。图3是示出在基态能级1和基态能级2的磁量子数相等时(公共的m) A型3能 级系成立的情况的例子。磁量子数m = 0的铯原子由于与基态能级1和基态能级2的能 量差相当的频率是9.1926GHz，因而当被同时照射了满足ffG = 9.1926GHz的关系的共振 光1和共振光2时，产生EIT现象。并且，磁量子数m = +l的铯原子由于与基态能级 1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHZ+2 6，因而当被同时照射了满足^-足= 9.1926GHZ+2S的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现象。并且，磁量子数m = _l 的铯原子由于与基态能级1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHZ-2 6，因而当 被同时照射了满足fff^ = 9.1926GHZ-2S的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现 象。同样，磁量子数m = +2、+3、-2、_3的各铯原子当分别被同时照射了满足61 = 9.1926GHz+4 8、frf2 = 9.1926GHz+6 8、frf2 = 9.1926GHz_4 8、frf2 = 9.1926GHz_6 8 的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现象。另外，磁量子数m =+4或-4的铯原 子由于不存在基态能级1，因而不产生EIT现象。在本实施方式中，半导体激光器120出射包含多个共振光对的激光，向碱金属原子照射，以使封入在原子池130内的碱金属原子效率良好地产生EIT现象。具体地说， 半导体激光器120出射的激光根据中心波长控制单元110的输出被控制中心波长X。，并 根据调制单元290的输出被施加调制。例如，在使用向半导体激光器120提供驱动电流 的激光驱动器作为中心波长控制单元110的情况下，通过使调制单元290输出的交流电流 与激光驱动器的驱动电流重叠，可向半导体激光器120出射的激光施加调制。并且，在 本实施方式中，如后所述，对调制单元290的输出进行反馈控制，以使与调制分量相当 的光成为针对碱金属原子的共振光1或共振光2。另外，半导体激光器120可以是端面发光激光器(Edge Emitting Laser)，也可以 是垂直共振腔面发光激光器(VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等的面发光
激光器。光检测器150检测透射过原子池130的光，并输出与检测出的光的量对应的信号 强度信号。光检测器150的输出信号由放大器160放大，并被输入到检波单元170、检波 单元200以及检波单元250。检波单元170根据振荡器190的振荡信号对放大器160的输出信号进行同步检 波。调制单元180根据振荡器190的振荡信号调制检波单元170的输出信号。振荡器190 只要以例如数十Hz 数百Hz左右的低频率振荡即可。并且，中心波长控制单元110根 据调制单元180的输出信号，控制半导体激光器120出射的激光的中心波长\ 00利用通 过半导体激光器120、原子池130、光检测器150、放大器160、检波单元170、调制单元 180以及中心波长控制单元110的反馈环路，中心波长\ o得到稳定。检波单元200根据振荡器230的振荡信号对放大器160的输出信号进行同步检 波。振荡器210是振荡频率根据检波单元200的输出信号的大小而变化的振荡器，例如可 利用电压控制晶体振荡器(VCXO Voltage Controlled Crystal Oscillator)来实现。这里， 振荡器210例如以10MHz左右振荡，该振荡信号成为原子振荡器100的输出信号。调制 单元220根据振荡器230的振荡信号调制振荡器210的输出信号。振荡器230只要以例 如数十Hz 数百Hz左右的低频率振荡即可。变频单元240将调制单元220的输出信号变换为等于与封入在原子池130内的磁 量子数m = 0的碱金属原子的2个基态能级的能量差相当的频率差的1/2 (在铯原子的情 况下是9.1926GHz/2 = 4.5963GHz)的频率的信号。变频单元240例如可使用PLL (Phase Locked Loop,锁相环)来实现。另外，如后所述，变频单元240可将调制单元220的输 出信号变换为等于与封入在原子池130内的磁量子数m = 0的碱金属原子的2个基态能级 的能量差相当的频率差(在铯原子的情况下是9.1926GHz)的频率的信号。检波单元250根据振荡器280的振荡信号对放大器160的输出信号进行同步检 波。振荡器260是振荡频率根据检波单元250的输出信号的大小而变化的振荡器，例如 可利用电压控制晶体振荡器(VCXO)来实现。这里，振荡器260以频率A (例如， 1MHz 10MHz程度)振荡，频率A co比起与封入在原子池130内的碱金属原子的激励 能级的多普勒展宽宽度相当的频率充分小。调制单元270根据振荡器280的振荡信号调 制振荡器260的输出信号。振荡器280只要以例如数十Hz 数百Hz左右的低频率振荡 即可。调制器290根据调制单元270的输出信号调制变频单元240的输出信号(可以根据变频单元240的输出信号对调制单元270的输出信号进行调制)。调制单元290可 使用混频器(mixer)、调频(FM Frequency Modulation)电路、调幅(AM: Amplitude Modulation)电路等来实现。并且，如上所述，半导体激光器120出射的激光根据调制单 元290的输出被施加调制，生成多个共振光1和共振光2。在这种结构的原子振荡器100中，在半导体激光器120出射的共振光1与共振光 2的频率差跟与封入在原子池内的碱金属原子的2个基态能级的能量差相当的频率未准确 一致的情况下，碱金属原子不产生EIT现象，因而光检测器150的检测量根据共振光1和 共振光2的频率极其敏感地变化。因此，利用通过半导体激光器120、原子池130、光检 测器150、放大器160、检波单元200、振荡器210、调制单元220、变频单元240以及调 制单元290的反馈环路，施加反馈控制，使得变频单元240的输出信号的频率跟等于与磁 量子数m = 0的碱金属原子的2个基态能级的能量差相当的频率差的1/2的频率极其准确 一致。其结果，存在于该反馈环路内的振荡器210也以极其稳定的振荡频率振荡，可使 原子振荡器100的输出信号的频率精度极高。不过，即使变频单元240的输出信号的频率跟等于与磁量子数m = 0的碱金属原 子的2个基态能级的能量差相当的频率差的1/2的频率极其准确一致，如后所述，在未满 足至少2X S Xn = A (0或者A coXn = 2X S (期望的是n= 1)的关系的情况下，产生 EIT现象的碱金属原子的比例也极低，其结果，EIT信号的信号强度也低。因此，在本实 施方式的原子振荡器100中，利用通过半导体激光器120、原子池130、光检测器150、 放大器160、检波单元250、振荡器260、调制单元270以及调制单元290的反馈环路， 施加反馈控制，使得振荡器260的振荡频率Aco满足2XSXn = Aco或者AcoXn = 2X 6 (期望的是n= 1)的关系。另外，半导体激光器120、原子池130、磁场产生单元140以及光检测器150分 别对应于图1的光源10、原子池20、磁场产生单元30以及光检测单元40。并且，由中 心波长控制单元110、放大器160、检波单元170、调制单元180、振荡器190、检波单 元200、振荡器210、调制单元220、振荡器230、变频单元240、检波单元250、振荡器 260、调制单元270、振荡器280以及调制单元290构成的电路对应于图1的控制单元50。下面，详细说明半导体激光器120出射的激光的频率。图4(A)和图4(B)是示 出半导体激光器120出射的激光的频谱一例的图。如图4(A)和图4(B)所示，半导体激光器120出射的激光施加调制，具有以中 心频率= v/入^ v是光速)为中心的中心频带和该中心频带两侧的边带(sideband)。 并且，中心频带、上侧的边带、下侧的边带包含有相差A co的多个频率分量。另外，在 图4(A)和图4(B)中，为了方便起见，假定中心频带、上侧的边带、下侧的边带分别仅 包含有5个频率分量(中心的频率分量及其两侧的1次和2次高谐波分量)，然而实际上 还包含有3次以上的高谐波分量。在图4(A)的例子中，上侧边带的中心与中心频带的中心的频率差以及中心频带 的中心与下侧边带的中心的频率差均是4.5963GHz。因此，上侧边带的中心(《》与下侧 边带的中心(《2)的频率差(c^-c^)跟与磁量子数m = 0的铯原子的2个基态能级的能 量差相当的频率差9.1926GHz—致。因此，在将激光的中心频率^(中心波长入^设定 为期望值的情况下，上侧边带内包含的各频率分量分别为共振光1，下侧边带内包含的各频率分量分别为共振光2。另一方面，在图4(B)的例子中，上侧边带的中心(《》与中心频带的中心(《2 =f0)的频率差跟与磁量子数m = 0的铯原子的2个基态能级的能量差相当的 频率差9.1926GHz—致。因此，在将激光的中心频率中心波长入^设定为期望值的 情况下，上侧边带内包含的各频率分量分别为共振光1，中心频带内包含的各频率分量分 别为共振光2。另外，由于中心频带的中心与下侧边带的中心的频率差也是9.1926GHz， 因而可以将激光的中心频率^ (中心波长K)设定成中心频带内包含的各频率分量分别为 共振光1，下侧边带内包含的各频率分量分别为共振光2。另外，施加反馈控制，使得变频单元240的输出信号的频率在图4(A)的例子中 为(co「co2)/2 = 4.5963GHz,在图 4(B)的例子中为( 「《2)/2 = 9.1926GHz。图5是用于说明基态能级发生塞曼分裂后的铯原子产生EIT现象的共振光1和共 振光2的组合的图。在图5中，假定满足Aco=2S的关系。并且，激励能级艮、E2、 E3、E4、E5或者激励能级E/、E2，、E3’、E4，、E5’的各能量差EAu表示与A co 相当的能量差。首先，考虑磁量子数m = 0的铯原子。磁量子数m = 0的铯原子由于与基态能 级1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHz，因而当被同时照射了满足fr^ = 9.1926GHz的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现象。因此，视在激励能级是氐 的铯原子当被同时照射了 & = 汁2 A (0的共振光1和f2 = co2+2 A co的共振光2时，产 生EIT现象。并且，视在激励能级是氏的铯原子当被同时照射了 & = c^+A (0的共振 光丄和f2 = co2+A co的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是E3的铯原 子当被同时照射了 fi=…的共振光1和〖2= 2的共振光2时，产生EIT现象。并且， 视在激励能级是艮的铯原子当被同时照射了 fi= rA co的共振光CO2-A co的 共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是氏的铯原子当被同时照射了 fi = r2 A co的共振光1和f2 = GJ2-2A co的共振光2时，产生EIT现象。然后，考虑磁量子数m = +1的铯原子。磁量子数m = +1的铯原子由于与基 态能级1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHZ+2 6，因而当被同时照射了满足 fff2 = 9.1926GHz+2 8 = 9.1926GHz+ A co的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现 象。因此，视在激励能级是E2’的铯原子当被同时照射了 f； = c^+2 A (0的共振光1和 f2= co2+Aco的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是E3，的铯原子当被 同时照射了 fi= c^+Aco的共振光1和&= 2的共振光2时，产生EIT现象。并且， 视在激励能级是E4’的铯原子当被同时照射了 A =…的共振光1和f2 = 2_A co的共 振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是E5’的铯原子当被同时照射了 6 = rA (0的共振光1和f2 = GJ2-2A co的共振光2时，产生EIT现象。然后，考虑磁量子数m =+2的铯原子。磁量子数m =+2的铯原子由于与基态 能级1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHZ+4 6 6，因而当被同时照射了满足 frf2 = 9.1926GHz+4 8 = 9.1926GHz+2 A co的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT 现象。因此，视在激励能级是E2的铯原子当被同时照射了 f； = (0汁2 A (0的共振光1和 6= 2的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是玛的铯原子当被同时照 射了 f； = 1+A co的共振光1和f2 = GJ2-A co的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是艮的铯原子当被同时照射了 fi=…的共振光1和&= 2-2A co的共振 光2时，产生EIT现象。然后，考虑磁量子数m =+3的铯原子。磁量子数m =+3的铯原子由于与基 态能级1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHZ+6 6，因而当被同时照射了满足 frf2 = 9.1926GHz+6 8 = 9.1926GHz+3 A co的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现 象。因此，视在激励能级是E/的铯原子当被同时照射了 f； = c^+2 A (0的共振光1和 f2= 2-A co的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是E/的铯原子当被 同时照射了 fi = !+A CO的共振光1和f2 = CO2-2A CO的共振光2时，产生EIT现象。然后，考虑磁量子数m = _l的铯原子。磁量子数m = _l的铯原子由于与基 态能级1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHZ-2 6，因而当被同时照射了满足 frf2 = 9.1926GHz-2 8 = 9.1926GHz-A co的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现 象。因此，视在激励能级是E2’的铯原子当被同时照射了 f;= c^+Aco的共振光1和；^ =co2+2Aco的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是E3，的铯原子当被 同时照射了 fi=…的共振光1和&=的共振光2时，产生EIT现象。并且， 视在激励能级是E4’的铯原子当被同时照射了 A = rA co的共振光1和f2 = co2的共 振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是E5’的铯原子当被同时照射了 6 = r2 A (0的共振光1和f2 = gj2-A co的共振光2时，产生EIT现象。然后，考虑磁量子数m =-2的铯原子。磁量子数m =-2的铯原子由于与基态能 级1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHZ-4 6，因而当被同时照射了满足f；-^ = 9.1926GHz-4 8 = 9.1926GHz_2 A co的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现象。 因此，视在激励能级是氏的铯原子当被同时照射了 fi=…的共振光1和&= 2+2A co 的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是玛的铯原子当被同时照射了 fi = rA “的共振光1和f2 = 2+A co的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能 级是E4的铯原子当被同时照射了 fi= r2A co的共振光 2的共振光2时，产 生EIT现象。然后，考虑磁量子数m =-3的铯原子。磁量子数m =-3的铯原子由于与基 态能级1和基态能级2的能量差相当的频率是9.1926GHZ-6 6，因而当被同时照射了满足 frf2 = 9.1926GHz-6 8 = 9.1926GHz_3 A co的关系的共振光1和共振光2时，产生EIT现 象。因此，视在激励能级是E3’的铯原子当被同时照射了 & = c^-A (0的共振光1和f2 =co2+2Aco的共振光2时，产生EIT现象。并且，视在激励能级是E/的铯原子当被 同时照射了 A = r2 A 的共振光1和f2 = gj2+A co的共振光2时，产生EIT现象。另外，磁量子数m =+4或-4的铯原子由于不存在基态能级1，因而不产生EIT 现象。图5中说明的共振光1和共振光2的组合可使用图6所示的图表在视觉上理解。 图6的图表中，横轴表示共振光1的频率。纵轴表示共振光2的频率f2。并且，对于交 点由黑圆圈表示的共振光1的频率f；和共振光2的频率f2的组合，表示存在产生EIT现 象的铯原子，对于交点由白圆圈表示的共振光1的频率^和共振光2的频率f2的组合， 表示不存在产生EIT现象的铯原子。更详细地说，对于在f；-^ = 9.1926GHz-3A co、 f「f2 = 9.1926GHz-2 A 、f「f2 = 9.1926GHz—A 、f「f2 = 9.1926GHz、 f^^ =9.1926GHz+A o、frf2 = 9.1926GHz+2 A o、f「f2 = 9.1926GHz+3 A o 的各直线上的由黑
圆圈表示的共振光1的频率A和共振光2的频率f2的组合，磁量子数m = -3、-2、-1、 0、+1、+2、+3的铯原子分别产生EIT现象。在以往的方法中，由于仅同时照射& =…的共振光1和f2 = 2的共振光2， 因而仅在图6的:^=…和^二《2的交点铯原子产生EIT现象。与此相对，在本实施 方式中，通过向铯原子同时照射fi = r2A 、corAco、co” c^+Aco、co +2 A co 的多个共振光1和f2 = 2-2A 、《2-A 、《2、《2+A 、co 2+2 A 的多个共振光 2，至少磁量子数m = 0的铯原子产生EIT现象优-^ = 9.1926GHz的交点)。而且，通 过进行反馈控制以满足A (0 =25，磁量子数！！！二-;^、-2、-1、+1、+2、+3的铯原子 也产生EIT现象。这样，根据本实施方式的原子振荡器100(量子干涉装置1)，通过控制成满足 A (0 = 26的关系，可比以往大幅增加产生EIT现象的碱金属原子的比例，因而可比以 往大幅提高半导体激光器120的功率效率。因此，也容易小型化。并且，例如在分配给 1个共振光对的功率被设定成与以往的功率大致相等的情况下，光吸收的饱和临界增高， 总功率增大，因而可取得高对比度的EIT信号。并且，在总的光照射功率与以往大致相 等的情况下，由于每1个共振光对的功率减少，因而EIT信号的功率展宽(当光功率强 时，EIT信号的线宽增大的现象)被抑制，与以往相比，可取得半值宽度窄的良好的EIT 信号。因此，根据本实施方式，可比以往提高频率稳定性。并且，施加给原子池130的磁场的强度受到地球磁场的影响或温度变化的影响 而变化，根据本实施方式，还加进地球磁场的影响或温度变化的影响来施加反馈控制。 因此，可消除干扰影响来提供更高精度的原子振荡器(量子干涉装置)。另外，在本实施方式中，为了使产生EIT现象的碱金属原子的数量最大，期 望的是A (0 = 26 ,然而只要至少满足2X 6 Xn = A co或者A coXn = 2X S (n是 正整数)的关系即可。例如在A co = 4S的情况下(在2XSXn= Aco时n = 2 的情况下)，如图 7 所示，在 ffG = 9.1926GHz- A co、frf2 = 9.1926GHz、frf2 = 9.1926GHz+A co上的交点，磁量子数m =-2、0、+2的铯原子分别产生EIT现象。并 且，例如在A (0 = S的情况下(在AcoXn = 2XS时n = 2的情况下)，如图8所 示，在 f「f2 = 9.1926GHz-6 A o、frf2 = 9.1926GHz_4 A o、frf2 = 9.1926GHz_2 A o、 f「f2 = 9.1926GHz、f「f2 = 9.1926GHz+2 A 、f「f2 = 9.1926GHz+4 A 、f「f2 = 9.1926GHz+6A co上的交点，磁量子数m = -3、-2、-1、0、+1、+2、+3的铯原子分别 产生EIT现象。(2)第2实施方式图9是示出使用图1的量子干涉装置1的第2实施方式的原子振荡器的结构的 图。如图9所示，第2实施方式的原子振荡器100与图2所示的第1实施方式的原子振 荡器100相比，删除了检波单元250、振荡器260、调制单元270以及振荡器280，并新追 加了变频单元300和磁场控制单元310。在图9中，对与图2相同的结构附上相同标号， 省略其说明。变频单元300将振荡器210的振荡信号变换为频率是A co的信号。变频单元 300也可以使用分频电路来实现。
这里，在第2实施方式的原子振荡器100中，变频单元300的输出信号的频率 A co是预先决定的恒定值而与磁场强度没有关系。因此，磁场控制单元310控制磁场产 生单元140产生的磁场的强度，使得至少满足2X S Xn = A (0或者A Co Xn = 2X S (n 是正整数)的关系(期望的是A (0 = 2 S )。另外，半导体激光器120、原子池130、磁场产生单元140、光检测器150以及磁 场控制单元310分别对应于图1的光源10、原子池20、磁场产生单元30、光检测单元40 以及磁场控制单元52。并且，由中心波长控制单元110、放大器160、检波单元170、调 制单元180、振荡器190、检波单元200、振荡器210、调制单元220、振荡器230、变频 单元240、调制单元290、变频单元300以及磁场控制单元310构成的电路对应于图1的 控制单元50。根据第2实施方式，利用磁场控制单元310，还加进地球磁场的影响或温度变化 的影响，控制磁场产生单元140产生的磁场的强度。因此，可消除干扰影响来提供更高 精度的原子振荡器(量子干涉装置)。[变型例]图10是示出第2实施方式的原子振荡器100的变型例的结构的图。在图10所 示的原子振荡器100中，与图9所示的原子振荡器100相比，新追加了振荡器320。并 且，变频单元300将振荡器320的振荡信号变换为频率是A (0的信号。这里，振荡器 320的频率稳定度虽然比不上图9的振荡器210，但是只要能确保使封入在原子池130内 的碱金属原子能充分产生EIT现象的A co的精度即可。振荡器320例如可采用晶体振荡 器(X0 Crystal Oscillator)来实现。另外，在图9或图10所示的原子振荡器100中，在使A (0与振荡器210或振荡 器320的振荡频率一致的情况下，不需要变频单元300，在该情况下，磁场控制单元310 只要根据振荡器210或振荡器320的振荡信号控制磁场产生单元140产生的磁场的强度即可。(3)第3实施方式图11是示出使用图1的量子干涉装置1的第3实施方式的原子振荡器的结构的 图。如图11所示，第3实施方式的原子振荡器100与图2所示的第1实施方式的原子振 荡器100相比，删除了检波单元250、振荡器260、调制单元270以及振荡器280，并新追 加了磁场检测单元330、频率设定单元340、变频单元350以及磁场控制单元360。在图 11中，对与图2相同的结构附上相同标号，省略其说明。磁场控制单元360控制成使磁场产生单元140产生期望强度的磁场。例如，在 磁场产生单元140是线圈的情况下，磁场控制单元360只要控制流经该线圈的电流的大小 即可。磁场检测单元330检测施加给原子池130的磁场的强度。频率设定单元340根据磁场检测单元330的检测结果控制变频单元350的变频比率。变频单元350根据频率设定单元340的输出信号(变频比率的设定信息)，将振 荡器210的振荡信号变换为频率是A co的信号。变频单元350也可以使用分频电路来实 现。在该情况下，频率设定单元340只要设定该分频电路的分频比即可。
这里，频率设定单元340根据磁场检测单元330检测出的磁场的强度，控制变 频单元350的变频比率(例如分频比)，使得至少满足2 X 6 Xn = Aco或者AcoXn = 2X 6 (n是正整数)的关系(期望的是Aco = 25)。另外，半导体激光器120、原子池130、磁场产生单元140、光检测器150以及磁 场检测单元330分别对应于图1的光源10、原子池20、磁场产生单元30、光检测单元40 以及磁场检测单元54。并且，由中心波长控制单元110、放大器160、检波单元170、调 制单元180、振荡器190、检波单元200、振荡器210、调制单元220、振荡器230、变频 单元240、调制单元290、磁场检测单元330、频率设定单元340、变频单元350以及磁场 控制单元360构成的电路对应于图1的控制单元50。根据第3实施方式，利用磁场检测单元330，还加进地球磁场的影响或温度变化 的影响，检测施加给封入在原子池130内的碱金属原子的磁场的强度。并且，利用频率 设定单元340，根据检测出的磁场的强度控制变频单元350的变频比率。因此，可消除干 扰影响来提供更高精度的原子振荡器(量子干涉装置)。[变型例]图12是示出第3实施方式的原子振荡器100的变型例的结构的图。在图12所 示的原子振荡器100中，与图11所示的原子振荡器100相比，删除了磁场检测单元330。 并且，频率设定单元340根据磁场控制单元360的针对磁场产生单元140的控制信息控制 变频单元350的变频比率。S卩，在图12的原子振荡器100中，根据针对磁场产生单元 140的控制信息估计磁场的强度，控制变频单元350的变频比率。因此，变频单元350的 输出信号的频率精度虽然比不上图11的振荡器210，但是只要能确保使封入在原子池130 内的碱金属原子能充分产生EIT现象的A (0的精度即可。例如，只要是可忽略地球磁场 影响或温度变化影响的环境，就没有问题。3、磁传感器(1)第1实施方式图13是示出使用图1的量子干涉装置1的第1实施方式的磁传感器的结构的图。 如图13所示，第1实施方式的磁传感器400除了振荡器260的振荡信号为输出信号这一 点以外，与图2所示的第1实施方式的原子振荡器100的结构相同。在图13中，对与图 2相同的结构附上相同标号，省略其说明。如上所述，当向原子池130施加了磁场时，碱金属原子的基态能级1和基态能 级2被分为磁量子数m不同的多个塞曼分裂能级。并且，对于基态能级1和基态能级2 双方来说，磁量子数m彼此相差1的2个塞曼分裂能级的能量差Es与磁场强度成正比。 根据图13的结构，施加反馈控制，使得光检测器150的输出信号(放大器160的输出信 号)的信号强度为最大。并且，光检测器150的输出信号(放大器160的输出信号)的 信号强度为最大是在这样的时候对于与振荡器260的振荡频率△ 与塞曼分裂能级的 能量差Es相当的频率5 ’满足2X S Xn = A (0或者A coXn = 2X S (n是正整数)的 关系(期望的是A (0 = 2 S )。也就是说，由于振荡器260的振荡频率A co与磁场强度 成正比，因而通过使振荡器260的振荡信号为输出信号，可作为磁传感器发挥功能。不 过，在图13的结构中总是由磁场产生单元140产生磁场，然而通过以外部磁场的强度为 0时的振荡器260的振荡频率为基准求出输出信号的相对频率，可计算外部磁场的强度。
(2)第2实施方式图14是示出使用图1的量子干涉装置1的第2实施方式的磁传感器的结构的图。 如图14所示，第2实施方式的磁传感器400与图13所示的第1实施方式的磁传感器400 相比，删除了检波单元250、振荡器260、调制单元270以及振荡器280，并新追加了信号 处理单元370和振荡器380。在图14中，对与图13相同的结构附上相同标号，省略其说明。信号处理单元370向振荡器380发送用于使振荡频率阶段性变化的扫描信号 372，并监视扫描信号372的各状态下的放大器160的输出信号和振荡器380的频率信息 382 (可以是振荡信号自身)。并且，在第2实施方式的磁传感器400中，振荡器380的 振荡频率为A co，当满足了 2X S Xn = A co或者A co Xn = 2X S (n是正整数)的关 系(期望的是A (0 = 2 S )时，放大器160的输出信号的信号强度急剧增大。由于频率 信息382与磁场强度成正比，因而只要输出基于在放大器160的输出信号的信号强度急剧 增大时的频率信息382的信息(表示磁场强度的信息)，就能作为磁传感器发挥功能。不 过，在图14的结构中总是由磁场产生单元140产生磁场，然而通过以外部磁场的强度为 0时的频率信息382为基准求出振荡器380的相对频率，可输出表示外部磁场的强度的信 肩、o另外，在信号处理单元370可从扫描信号372的状态估计振荡器380的振荡频率 的情况下，也可以不监视频率信息382。根据第1实施方式或第2实施方式，通过提高针对碱金属原子的EIT现象的发现 效率，可提高激光功率的利用效率，并可提供高灵敏度的磁传感器。因此，也容易小型 化。另外，本发明不限定于本实施方式，能在本发明主旨的范围内实施各种变型。例如，在本实施方式的原子振荡器100中，构成为使交流电流与半导体激光器 120的驱动电流重叠来使半导体激光器120出射调制后的光，然而也可以使用电光学调制 元件(E0M Electro-Optic Modulator)来向从半导体激光器120出射的光提供调频。本发明包含与在实施方式中说明的结构实质相同的结构(例如，功能、方法以 及结果相同的结构，或者目的和效果相同的结构)。并且，本发明包含置换了在实施方式 中说明的结构的非本质部分后的结构。并且，本发明包含可取得与在实施方式中说明的 结构相同的作用效果的结构或者可达到相同目的的结构。并且，本发明包含向在实施方 式中说明的结构附加了公知技术后的结构。
1权利要求
1.一种量子干涉装置，该量子干涉装置利用由第1共振光和第2共振光构成的共振光 对，使碱金属原子产生电磁诱导透明现象，所述量子干涉装置具有光源，其产生频率彼此相差△ ω的多个所述第1共振光和频率彼此相差△ ω的多个 所述第2共振光；磁场产生单元，其向所述碱金属原子施加磁场；光检测单元，其检测包含透射过所述碱金属原子的所述第1共振光和所述第2共振光 在内的光的强度；以及控制单元，其根据所述光检测单元的检测结果进行控制，使得预定的所述第1共振 光与预定的所述第2共振光之间的频率差等于与所述碱金属原子的2个基态能级的能量差 相当的频率差，所述控制单元还控制所述频率△ ω和所述磁场产生单元产生的磁场的强度中的至 少一方，使得对于与下述能量差相当的频率S，满足2Χ δ Xn = Δ ω以及Δ ω Xn = 2Χ δ中的至少一方，所述能量差是由于磁场引起的能量分裂，在所述碱金属原子的所述 2个基态能级的各方产生的多个塞曼分裂能级中、磁量子数彼此相差1的2个所述塞曼分 裂能级的能量差，其中，η是正整数。
2.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其中，所述控制单元根据所述光检测单元的 检测结果控制所述频率Δ ω。
3.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其中，所述控制单元根据所述碱金属原子附 近的磁场的强度控制所述频率Δω。
4.根据权利要求1所述的量子干涉装置，其中，所述控制单元具有磁场控制单元， 该磁场控制单元根据预先决定的所述频率△ ω，控制所述磁场产生单元产生的磁场的强 度。
5.根据权利要求1 4中的任意一项所述的量子干涉装置，其中，η= 1。
6.一种原子振荡器，该原子振荡器具有权利要求1 5中的任意一项所述的量子干涉装置。
7.—种磁传感器，该磁传感器具有权利要求1 5中的任意一项所述的量子干涉装置。
全文摘要
本发明提供一种通过提高针对碱金属原子的EIT现象的发现效率，可提高激光功率的利用效率的量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器。光源(10)产生频率彼此相差Δω的多个第1、第2共振光，光检测单元(40)检测包含透射过由磁场产生单元(30)提供了磁场的碱金属原子的第1、第2共振光在内的光的强度。控制单元(50)根据光检测单元的检测结果进行控制，使得预定的1对第1、第2共振光之间的频率差等于与碱金属原子的2个基态能级的能量差相当的频率差，而且对于与下述能量差相当的频率δ，满足2×δ×n＝Δω以及Δω×n＝2×δ(n是正整数)中的至少一方，所述能量差是在碱金属原子的2个基态能级的各方产生的、磁量子数彼此相差1的2个塞曼分裂能级的能量差。
文档编号H03L7/26GK102013891SQ20101027531
公开日2011年4月13日 申请日期2010年9月3日 优先权日2009年9月7日
发明者珎道幸治, 青山拓 申请人:精工爱普生株式会社