量子幹涉裝置、原子振蕩器以及磁傳感器的製作方法

2023-07-13 06:57:26 3

專利名稱：量子幹涉裝置、原子振蕩器以及磁傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及量子幹涉裝置、原子振蕩器以及磁傳感器。
背景技術：
基於電磁誘導透明(EIT Electromagnetically Induced Transparency)方式(有時 也稱為CPT (Coherent Population Trapping，相干布居捕獲)方式)的原子振蕩器是利用這 樣的現象(EIT現象)的振蕩器，即，當向鹼金屬原子同時照射波長(頻率)不同的2個 共振光時，2個共振光的吸收停止的現象。公知的是，鹼金屬原子和2個共振光的相互 作用機構可使用A型3能級系模型進行說明。鹼金屬原子具有2個基態能級，當將具有 與基態能級1和激勵能級的能量差相當的波長(頻率)的共振光1、或者具有與基態能級 2和激勵能級的能量差相當的波長(頻率)的共振光2分別單獨照射到鹼金屬原子時，眾 所周知產生光吸收。然而，當向該鹼金屬原子同時照射頻率差跟與基態能級1和基態能 級2的能量差相當的頻率準確一致的共振光1和共振光2時，處於2個基態能級的重合狀 態，即量子幹涉狀態，產生向激勵能級的激勵停止且共振光1和共振光2透射鹼金屬原子 的透明化(EIT)現象。利用該現象，通過檢測、控制在共振光1和共振光2的頻率差偏 離了與基態能級1和基態能級2的能量差相當的頻率時的光吸收舉動的急劇變化，可製造 高精度的振蕩器。並且，由於基態能級1和基態能級2的能量差根據外部磁場的強度或 波動而敏感變化，因而也能利用EIT現象來製造高靈敏度的磁傳感器。另外，在該原子振蕩器和磁傳感器中，為了提高輸出信號的信號對噪聲比(S/N 比)，可以增加產生EIT現象的鹼金屬原子的數量。例如，在專利文獻1中，公開了這樣 的方法以改善原子振蕩器的輸出信號的S/N比為目的，增大封閉氣體狀的鹼金屬原子 的池的厚度，或者增大入射到池的雷射的光束直徑。無論哪種方法，都是增大池的厚度 或高度，以擴大鹼金屬原子與共振光接觸的區域。並且，在專利文獻2中，提出了這樣 的原子振蕩器通過使用D1線作為光源，與以往的D2線的情況相比在理論上提高EIT 信號(根據EIT現象透射鹼金屬原子的光的信號)的強度，由此提高靈敏度和頻率穩定精 度。在專利文獻1和專利文獻2中記載的原子振蕩器中，僅使用1對滿足EIT現象的發 現條件的2種波長的雷射。專利文獻1日本特開2004-96410號公報專利文獻2美國專利第6359916號公報另外，當著眼於構成池內的氣體狀的鹼金屬原子團的各個原子時，具有與各自 的運動狀態對應的恆定的速度分布。圖15示出封閉在容器內的氣體狀的鹼金屬原子團的 速度分布的概略圖。圖15的橫軸表示氣體狀的鹼金屬原子的速度，縱軸表示具有該速度 的氣體狀的鹼金屬原子的數量比例。如圖15所示，以速度0為中心，氣體狀的鹼金屬原 子具有與溫度對應的恆定的速度分布。這裡，速度表示在向氣體狀的鹼金屬原子團照射 雷射時的與照射方向平行的原子速度分量，將相對於光源處於靜止的速度的值設定為0。 這樣，當氣體狀的鹼金屬原子的速度有分布時，根據光的都卜勒效應(都卜勒偏移)，共振光的視在波長(頻率)，即從氣體狀的鹼金屬原子觀察的共振光的波長(頻率)產生分 布。由於這意味著在速度不同的原子中，激勵能級視在不同，因而如圖16所示，激勵能 級具有恆定的寬度展寬(都卜勒展寬)。因此，即使同時照射1對共振光1和共振光2， 也能實際產生EIT現象，這只限於具有針對雷射入射方向的特定速度分量的值(例如0) 的一部分原子，未產生EIT現象而殘留的氣體狀的鹼金屬原子在團中存在相當數量，有 助於EIT發現的原子的比例極低。這樣，在EIT發現效率低的狀態下，為了增大EIT信號 的強度，如專利文獻1所公開那樣，必須增大池的厚度或高度的任意一方，具有難以小 型化的問題。並且，由於在EIT發現效率低的狀態下，雷射功率的利用效率降低，因而 為了將EIT信號的強度保持在恆定水平以上，難以降低雷射功率，因而也不利於省電。

發明內容
本發明正是鑑於上述問題而完成的，根據本發明的若干形式，可提供一種通過 提高針對鹼金屬原子的EIT現象的發現效率，可提高雷射功率的利用效率的量子幹涉裝 置，並可提供通過利用該量子幹涉裝置而小型化的原子振蕩器或者磁傳感器。(1)本發明是一種量子幹涉裝置，該量子幹涉裝置利用由第1共振光和第2共振 光構成的共振光對，使鹼金屬原子產生電磁誘導透明現象，所述量子幹涉裝置具有光 源，其產生頻率彼此相差△ 的多個所述第1共振光和頻率彼此相差△ 的多個所述 第2共振光；磁場產生單元，其向所述鹼金屬原子施加磁場；光檢測單元，其檢測包含 透射過所述鹼金屬原子的所述第1共振光和所述第2共振光在內的光的強度；以及控制 單元，其根據所述光檢測單元的檢測結果進行控制，使得預定的所述第1共振光與預定 的所述第2共振光之間的頻率差等於與所述鹼金屬原子的2個基態能級的能量差相當的頻 率差，所述控制單元還控制所述頻率A co和所述磁場產生單元產生的磁場的強度中的至 少一方，使得對於與下述能量差相當的頻率S，滿足2X S Xn = A (0以及A (0 Xn = 2X 6中的至少一方，所述能量差是由於磁場引起的能量分裂，在所述鹼金屬原子的所述 2個基態能級的各方產生的多個塞曼分裂能級中、磁量子數彼此相差1的2個所述塞曼分 裂能級的能量差，其中，n是正整數。在本發明中，產生頻率相差A co的多個共振光1和頻率相差A co的多個共振光 2，以使預定的第1共振光與預定的第2共振光的頻率差等於與鹼金屬原子的2個基態能 級的能量差相當的頻率差。因此，當設第1共振光的頻率為^、設第2共振光的頻率為 f2、設與鹼金屬原子的2個基態能級的能量差對應的頻率為fE時，在對於f;= 工的共振 光1和f2 = co2的共振光2滿足f；-^ = fE的關係的情況下，對於f； = 1+kX A co的共 振光1和f2 = 2+kX A co的共振光2 (k是正整數)也滿足frG = fE的關係，對於& = rkX A co的共振光1和f2 = co2-kX A co的共振光2 (k是正整數)也滿足fr^ = fE的 關係。因此，速度不是0的鹼金屬原子也能產生EIT現象，產生EIT現象的鹼金屬原子 的數量比例可比以往增加。而且，在本發明中，由於進行控制以滿足2X S Xn = A (0以及A coXn = 2X 6 (n是正整數)中的至少一方，因而磁量子數是0以外的鹼金屬原子也能產生EIT現 象，產生EIT現象的鹼金屬原子的數量比例可比以往大幅增加。因此，根據本發明，可提供一種通過提高針對鹼金屬原子的EIT現象的發現效率，可提高雷射功率的利用效率的量子幹涉裝置。(2)在該量子幹涉裝置中，所述控制單元可以根據所述光檢測單元的檢測結果控 制所述頻率A co。例如，所述控制單元可以對所述頻率A co進行反饋控制，以使所述光檢測單元 的檢測結果為最大。(3)在該量子幹涉裝置中，所述控制單元可以根據所述鹼金屬原子附近的磁場的 強度控制所述頻率A co。例如，所述控制單元可以包含檢測所述鹼金屬原子附近的磁場的強度的磁場檢 測單元，並根據所述磁場檢測單元的檢測結果控制所述頻率A co。並且，例如，所述控制單元可以包含控制成使所述磁場產生單元產生預先決定 的強度的磁場的磁場控制單元，並根據該預先決定的磁場的強度控制所述頻率Aco。(4)在該量子幹涉裝置中，所述控制單元可以包含磁場控制單元，該磁場控制單 元根據預先決定的所述頻率△ ，控制所述磁場產生單元產生的磁場的強度。(5)在該量子幹涉裝置中，可以是n=l。BP,所述控制單元可以控制成滿足 A (0 = 2 6的關係。這樣，由於可將針對鹼金屬原子的EIT現象的發現效率提高到最大限度，因而 可將雷射功率的利用效率提高到最大限度。(6)本發明是一種原子振蕩器，該原子振蕩器包含上述任意一種量子幹涉裝置。(7)本發明是一種磁傳感器，該磁傳感器包含上述任意一種量子幹涉裝置。


圖1是本實施方式的量子幹涉裝置的功能框圖。圖2是示出第1實施方式的原子振蕩器的結構的圖。圖3是用於說明銫原子的發生塞曼分裂後的基態能級和共振光的關係的圖。圖4是示出本實施方式中的半導體雷射器出射的雷射的頻譜一例的圖。圖5是用於說明銫原子產生EIT現象的2個共振光的組合一例的圖。圖6是示出銫原子產生EIT現象的2個共振光的組合一例的圖。圖7是示出銫原子產生EIT現象的2個共振光的組合的另一例的圖。圖8是示出銫原子產生EIT現象的2個共振光的組合的另一例的圖。圖9是示出第2實施方式的原子振蕩器的結構的圖。圖10是示出第2實施方式的原子振蕩器的變型例的結構的圖。圖11是示出第3實施方式的原子振蕩器的結構的圖。圖12是示出第3實施方式的原子振蕩器的變型例的結構的圖。圖13是示出第1實施方式的磁傳感器的結構的圖。圖14是示出第2實施方式的磁傳感器的結構的圖。圖15是氣體狀的鹼金屬原子團的速度分布的概略圖。圖16是示意性示出考慮了由鹼金屬原子的運動引起的都卜勒效應的能級的圖。標號說明1 量子幹涉裝置；10 光源；20 原子池；30 磁場產生單元；40 光檢測單元；50 控制單元；52 磁場控制單元；54 磁場檢測單元；100 原子振蕩器； 110 中心波長控制單元；120:半導體雷射器；130:原子池；140:磁場產生單元； 150 光檢測器；160:放大器；170:檢波單元；180:調製單元；190:振蕩器； 200 檢波單元；210:振蕩器；220:調製單元；230:振蕩器；240:變頻單元； 250 檢波單元；260:振蕩器；270:調製單元；280:振蕩器；290:調製單元； 300 變頻單元；310 :磁場控制單元；320 振蕩器；330 磁場檢測單元；340 頻率 設定單元；350 變頻單元；360 磁場控制單元；370 信號處理單元；372 掃描信 號；380 振蕩器；382 頻率信息；400 磁傳感器。
具體實施例方式以下，使用附圖詳細說明本發明的優選實施方式。另外，以下說明的實施方式 並不對權利要求書中記載的本發明的內容進行不當限定。並且以下說明的全部結構不一 定是本發明的必要構成要件。1、量子幹涉裝置圖1是本實施方式的量子幹涉裝置的功能框圖。本實施方式的量子幹涉裝置1構成為包含光源10，原子池(atomic cell) 20，磁 場產生單元30，光檢測單元40以及控制單元50。光源10產生頻率相差A co的多個第1共振光(共振光1)和頻率相差A co的多 個第2共振光(共振光2)。在原子池20內包含有氣體狀的鹼金屬原子，由磁場產生單元30向鹼金屬原子提 供磁場。光檢測單元40檢測包含透射了鹼金屬原子的共振光1和共振光2的光的強度。控制單元50根據光檢測單元40的檢測結果進行控制，以使預定的第1共振光與 預定的第2共振光的頻率差等於與鹼金屬原子的2個基態能級的能量差相當的頻率差。控 制單元50還控制頻率A co和磁場產生單元產生的磁場的強度中的至少一方，使得對於與 下述能量差相當的頻率S，滿足2X S Xn = A (0以及A coXn = 2X S中的至少一方， 所述能量差是由於磁場引起的能量分裂，在鹼金屬原子的2個基態能級的各方產生的多 個塞曼分裂能級中、磁量子數彼此相差1的2個塞曼分裂能級的能量差，其中，n是正整 數。不過，期望的是，控制單元50控制成滿足n= 1，即Aco=2S的關係，以使EIT 信號的強度最大。並且，控制單元50可以包含磁場控制單元52，該磁場控制單元52根據預先決定 的頻率A co，控制磁場產生單元30產生的磁場的強度。並且，控制單元50可以根據光檢測單元40的檢測結果控制所述頻率A (0。例 如，控制單元50可以對頻率A co進行反饋控制，以使光檢測單元40的檢測結果為最 大。並且，控制單元50可以根據鹼金屬原子附近的磁場的強度控制頻率A 。例 如，控制單元50可以包含檢測鹼金屬原子附近的磁場的強度的磁場檢測單元54，並根據 磁場檢測單元54的檢測結果控制頻率A co。並且，例如，控制單元50可以用磁場控制 單元52控制成使磁場產生單元30產生預先決定的強度的磁場，並根據該預先決定的磁場的強度控制頻率A co。以下，以使用本實施方式的量子幹涉裝置的原子振蕩器和磁傳感器為例，說明 更具體的結構。2、原子振蕩器(1)第1實施方式圖2是示出使用圖1的量子幹涉裝置1的第1實施方式的原子振蕩器的結構的 圖。如圖2所示，第1實施方式的原子振蕩器100構成為包含中心波長控制單元 110，半導體雷射器120，原子池130，磁場產生單元140，光檢測器150，放大器160，檢 波單元170，調製單元180，振蕩器190，檢波單元200，振蕩器210，調製單元220，振 蕩器230，變頻單元240，檢波單元250，振蕩器260，調製單元270，振蕩器280，以及 調製單元290。原子池130在容器中封入有氣體狀的鹼金屬原子(鈉(Na)原子、銣(Rb)原子、 銫(Cs)原子等)。然後，在本實施方式中，由磁場產生單元140 (例如，線圈)向原子 池130施加磁場。因此，鹼金屬原子的2個基態能級通過由磁場引起的能量分裂(塞曼 分裂)，被分為磁量子數m不同的多個能級(塞曼分裂能級)。這裡，公知的是，塞曼分 裂能級的數量根據鹼金屬原子的種類而不同。例如，在銫原子的情況下，如圖3所示， 基態能級1按照能量從高到低的順序被分為磁量子數m =-3、-2、-1、0、+1、+2、+3 的7個塞曼分裂能級。另一方面，基態能級2按照能量從高到低的順序被分為磁量子數 m = +4、+3、+2、+1、0、-1、-2、-3、_4的9個塞曼分裂能級。這裡，對於基態能 級1和基態能級2雙方來說，磁量子數m彼此相差1的2個塞曼分裂能級的能量差Es相 等。並且，能量差￡6根據磁場強度而變化。S卩，磁場強度越大，則能量差￡6就越大。 另外，在以下說明中，設與Es相當的頻率為8。當向該原子池130同時照射了具有與鹼金屬原子的2個基態能級的能量差相當的 頻率差的共振光對(共振光1、共振光2)時，鹼金屬原子產生EIT現象。另外，在以下 說明中，設共振光1、共振光2的頻率分別為fp f2。圖3是示出在基態能級1和基態能級2的磁量子數相等時(公共的m) A型3能 級系成立的情況的例子。磁量子數m = 0的銫原子由於與基態能級1和基態能級2的能 量差相當的頻率是9.1926GHz，因而當被同時照射了滿足ffG = 9.1926GHz的關係的共振 光1和共振光2時，產生EIT現象。並且，磁量子數m = +l的銫原子由於與基態能級 1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHZ+2 6，因而當被同時照射了滿足^-足= 9.1926GHZ+2S的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現象。並且，磁量子數m = _l 的銫原子由於與基態能級1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHZ-2 6，因而當 被同時照射了滿足fff^ = 9.1926GHZ-2S的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現 象。同樣，磁量子數m = +2、+3、-2、_3的各銫原子當分別被同時照射了滿足61 = 9.1926GHz+4 8、frf2 = 9.1926GHz+6 8、frf2 = 9.1926GHz_4 8、frf2 = 9.1926GHz_6 8 的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現象。另外，磁量子數m =+4或-4的銫原 子由於不存在基態能級1，因而不產生EIT現象。在本實施方式中，半導體雷射器120出射包含多個共振光對的雷射，向鹼金屬原子照射，以使封入在原子池130內的鹼金屬原子效率良好地產生EIT現象。具體地說， 半導體雷射器120出射的雷射根據中心波長控制單元110的輸出被控制中心波長X。，並 根據調製單元290的輸出被施加調製。例如，在使用向半導體雷射器120提供驅動電流 的雷射驅動器作為中心波長控制單元110的情況下，通過使調製單元290輸出的交流電流 與雷射驅動器的驅動電流重疊，可向半導體雷射器120出射的雷射施加調製。並且，在 本實施方式中，如後所述，對調製單元290的輸出進行反饋控制，以使與調製分量相當 的光成為針對鹼金屬原子的共振光1或共振光2。另外，半導體雷射器120可以是端面發光雷射器(Edge Emitting Laser)，也可以 是垂直共振腔面發光雷射器(VCSEL Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等的面發光
雷射器。光檢測器150檢測透射過原子池130的光，並輸出與檢測出的光的量對應的信號 強度信號。光檢測器150的輸出信號由放大器160放大，並被輸入到檢波單元170、檢波 單元200以及檢波單元250。檢波單元170根據振蕩器190的振蕩信號對放大器160的輸出信號進行同步檢 波。調製單元180根據振蕩器190的振蕩信號調製檢波單元170的輸出信號。振蕩器190 只要以例如數十Hz 數百Hz左右的低頻率振蕩即可。並且，中心波長控制單元110根 據調製單元180的輸出信號，控制半導體雷射器120出射的雷射的中心波長\ 00利用通 過半導體雷射器120、原子池130、光檢測器150、放大器160、檢波單元170、調製單元 180以及中心波長控制單元110的反饋環路，中心波長\ o得到穩定。檢波單元200根據振蕩器230的振蕩信號對放大器160的輸出信號進行同步檢 波。振蕩器210是振蕩頻率根據檢波單元200的輸出信號的大小而變化的振蕩器，例如可 利用電壓控制晶體振蕩器(VCXO Voltage Controlled Crystal Oscillator)來實現。這裡， 振蕩器210例如以10MHz左右振蕩，該振蕩信號成為原子振蕩器100的輸出信號。調製 單元220根據振蕩器230的振蕩信號調製振蕩器210的輸出信號。振蕩器230隻要以例 如數十Hz 數百Hz左右的低頻率振蕩即可。變頻單元240將調製單元220的輸出信號變換為等於與封入在原子池130內的磁 量子數m = 0的鹼金屬原子的2個基態能級的能量差相當的頻率差的1/2 (在銫原子的情 況下是9.1926GHz/2 = 4.5963GHz)的頻率的信號。變頻單元240例如可使用PLL (Phase Locked Loop,鎖相環)來實現。另外，如後所述，變頻單元240可將調製單元220的輸 出信號變換為等於與封入在原子池130內的磁量子數m = 0的鹼金屬原子的2個基態能級 的能量差相當的頻率差(在銫原子的情況下是9.1926GHz)的頻率的信號。檢波單元250根據振蕩器280的振蕩信號對放大器160的輸出信號進行同步檢 波。振蕩器260是振蕩頻率根據檢波單元250的輸出信號的大小而變化的振蕩器，例如 可利用電壓控制晶體振蕩器(VCXO)來實現。這裡，振蕩器260以頻率A (例如， 1MHz 10MHz程度)振蕩，頻率A co比起與封入在原子池130內的鹼金屬原子的激勵 能級的都卜勒展寬寬度相當的頻率充分小。調製單元270根據振蕩器280的振蕩信號調 制振蕩器260的輸出信號。振蕩器280隻要以例如數十Hz 數百Hz左右的低頻率振蕩 即可。調製器290根據調製單元270的輸出信號調製變頻單元240的輸出信號(可以根據變頻單元240的輸出信號對調製單元270的輸出信號進行調製)。調製單元290可 使用混頻器(mixer)、調頻(FM Frequency Modulation)電路、調幅(AM: Amplitude Modulation)電路等來實現。並且，如上所述，半導體雷射器120出射的雷射根據調製單 元290的輸出被施加調製，生成多個共振光1和共振光2。在這種結構的原子振蕩器100中，在半導體雷射器120出射的共振光1與共振光 2的頻率差跟與封入在原子池內的鹼金屬原子的2個基態能級的能量差相當的頻率未準確 一致的情況下，鹼金屬原子不產生EIT現象，因而光檢測器150的檢測量根據共振光1和 共振光2的頻率極其敏感地變化。因此，利用通過半導體雷射器120、原子池130、光檢 測器150、放大器160、檢波單元200、振蕩器210、調製單元220、變頻單元240以及調 制單元290的反饋環路，施加反饋控制，使得變頻單元240的輸出信號的頻率跟等於與磁 量子數m = 0的鹼金屬原子的2個基態能級的能量差相當的頻率差的1/2的頻率極其準確 一致。其結果，存在於該反饋環路內的振蕩器210也以極其穩定的振蕩頻率振蕩，可使 原子振蕩器100的輸出信號的頻率精度極高。不過，即使變頻單元240的輸出信號的頻率跟等於與磁量子數m = 0的鹼金屬原 子的2個基態能級的能量差相當的頻率差的1/2的頻率極其準確一致，如後所述，在未滿 足至少2X S Xn = A (0或者A coXn = 2X S (期望的是n= 1)的關係的情況下，產生 EIT現象的鹼金屬原子的比例也極低，其結果，EIT信號的信號強度也低。因此，在本實 施方式的原子振蕩器100中，利用通過半導體雷射器120、原子池130、光檢測器150、 放大器160、檢波單元250、振蕩器260、調製單元270以及調製單元290的反饋環路， 施加反饋控制，使得振蕩器260的振蕩頻率Aco滿足2XSXn = Aco或者AcoXn = 2X 6 (期望的是n= 1)的關係。另外，半導體雷射器120、原子池130、磁場產生單元140以及光檢測器150分 別對應於圖1的光源10、原子池20、磁場產生單元30以及光檢測單元40。並且，由中 心波長控制單元110、放大器160、檢波單元170、調製單元180、振蕩器190、檢波單 元200、振蕩器210、調製單元220、振蕩器230、變頻單元240、檢波單元250、振蕩器 260、調製單元270、振蕩器280以及調製單元290構成的電路對應於圖1的控制單元50。下面，詳細說明半導體雷射器120出射的雷射的頻率。圖4(A)和圖4(B)是示 出半導體雷射器120出射的雷射的頻譜一例的圖。如圖4(A)和圖4(B)所示，半導體雷射器120出射的雷射施加調製，具有以中 心頻率= v/入^ v是光速)為中心的中心頻帶和該中心頻帶兩側的邊帶(sideband)。 並且，中心頻帶、上側的邊帶、下側的邊帶包含有相差A co的多個頻率分量。另外，在 圖4(A)和圖4(B)中，為了方便起見，假定中心頻帶、上側的邊帶、下側的邊帶分別僅 包含有5個頻率分量(中心的頻率分量及其兩側的1次和2次高諧波分量)，然而實際上 還包含有3次以上的高諧波分量。在圖4(A)的例子中，上側邊帶的中心與中心頻帶的中心的頻率差以及中心頻帶 的中心與下側邊帶的中心的頻率差均是4.5963GHz。因此，上側邊帶的中心(《》與下側 邊帶的中心(《2)的頻率差(c^-c^)跟與磁量子數m = 0的銫原子的2個基態能級的能 量差相當的頻率差9.1926GHz—致。因此，在將雷射的中心頻率^(中心波長入^設定 為期望值的情況下，上側邊帶內包含的各頻率分量分別為共振光1，下側邊帶內包含的各頻率分量分別為共振光2。另一方面，在圖4(B)的例子中，上側邊帶的中心(《》與中心頻帶的中心(《2 =f0)的頻率差跟與磁量子數m = 0的銫原子的2個基態能級的能量差相當的 頻率差9.1926GHz—致。因此，在將雷射的中心頻率中心波長入^設定為期望值的 情況下，上側邊帶內包含的各頻率分量分別為共振光1，中心頻帶內包含的各頻率分量分 別為共振光2。另外，由於中心頻帶的中心與下側邊帶的中心的頻率差也是9.1926GHz， 因而可以將雷射的中心頻率^ (中心波長K)設定成中心頻帶內包含的各頻率分量分別為 共振光1，下側邊帶內包含的各頻率分量分別為共振光2。另外，施加反饋控制，使得變頻單元240的輸出信號的頻率在圖4(A)的例子中 為(co「co2)/2 = 4.5963GHz,在圖 4(B)的例子中為( 「《2)/2 = 9.1926GHz。圖5是用於說明基態能級發生塞曼分裂後的銫原子產生EIT現象的共振光1和共 振光2的組合的圖。在圖5中，假定滿足Aco=2S的關係。並且，激勵能級艮、E2、 E3、E4、E5或者激勵能級E/、E2，、E3』、E4，、E5』的各能量差EAu表示與A co 相當的能量差。首先，考慮磁量子數m = 0的銫原子。磁量子數m = 0的銫原子由於與基態能 級1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHz，因而當被同時照射了滿足fr^ = 9.1926GHz的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現象。因此，視在激勵能級是氐 的銫原子當被同時照射了 & = 汁2 A (0的共振光1和f2 = co2+2 A co的共振光2時，產 生EIT現象。並且，視在激勵能級是氏的銫原子當被同時照射了 & = c^+A (0的共振 光丄和f2 = co2+A co的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是E3的銫原 子當被同時照射了 fi=…的共振光1和〖2= 2的共振光2時，產生EIT現象。並且， 視在激勵能級是艮的銫原子當被同時照射了 fi= rA co的共振光CO2-A co的 共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是氏的銫原子當被同時照射了 fi = r2 A co的共振光1和f2 = GJ2-2A co的共振光2時，產生EIT現象。然後，考慮磁量子數m = +1的銫原子。磁量子數m = +1的銫原子由於與基 態能級1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHZ+2 6，因而當被同時照射了滿足 fff2 = 9.1926GHz+2 8 = 9.1926GHz+ A co的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現 象。因此，視在激勵能級是E2』的銫原子當被同時照射了 f； = c^+2 A (0的共振光1和 f2= co2+Aco的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是E3，的銫原子當被 同時照射了 fi= c^+Aco的共振光1和&= 2的共振光2時，產生EIT現象。並且， 視在激勵能級是E4』的銫原子當被同時照射了 A =…的共振光1和f2 = 2_A co的共 振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是E5』的銫原子當被同時照射了 6 = rA (0的共振光1和f2 = GJ2-2A co的共振光2時，產生EIT現象。然後，考慮磁量子數m =+2的銫原子。磁量子數m =+2的銫原子由於與基態 能級1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHZ+4 6 6，因而當被同時照射了滿足 frf2 = 9.1926GHz+4 8 = 9.1926GHz+2 A co的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT 現象。因此，視在激勵能級是E2的銫原子當被同時照射了 f； = (0汁2 A (0的共振光1和 6= 2的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是瑪的銫原子當被同時照 射了 f； = 1+A co的共振光1和f2 = GJ2-A co的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是艮的銫原子當被同時照射了 fi=…的共振光1和&= 2-2A co的共振 光2時，產生EIT現象。然後，考慮磁量子數m =+3的銫原子。磁量子數m =+3的銫原子由於與基 態能級1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHZ+6 6，因而當被同時照射了滿足 frf2 = 9.1926GHz+6 8 = 9.1926GHz+3 A co的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現 象。因此，視在激勵能級是E/的銫原子當被同時照射了 f； = c^+2 A (0的共振光1和 f2= 2-A co的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是E/的銫原子當被 同時照射了 fi = !+A CO的共振光1和f2 = CO2-2A CO的共振光2時，產生EIT現象。然後，考慮磁量子數m = _l的銫原子。磁量子數m = _l的銫原子由於與基 態能級1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHZ-2 6，因而當被同時照射了滿足 frf2 = 9.1926GHz-2 8 = 9.1926GHz-A co的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現 象。因此，視在激勵能級是E2』的銫原子當被同時照射了 f;= c^+Aco的共振光1和；^ =co2+2Aco的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是E3，的銫原子當被 同時照射了 fi=…的共振光1和&=的共振光2時，產生EIT現象。並且， 視在激勵能級是E4』的銫原子當被同時照射了 A = rA co的共振光1和f2 = co2的共 振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是E5』的銫原子當被同時照射了 6 = r2 A (0的共振光1和f2 = gj2-A co的共振光2時，產生EIT現象。然後，考慮磁量子數m =-2的銫原子。磁量子數m =-2的銫原子由於與基態能 級1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHZ-4 6，因而當被同時照射了滿足f；-^ = 9.1926GHz-4 8 = 9.1926GHz_2 A co的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現象。 因此，視在激勵能級是氏的銫原子當被同時照射了 fi=…的共振光1和&= 2+2A co 的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是瑪的銫原子當被同時照射了 fi = rA 「的共振光1和f2 = 2+A co的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能 級是E4的銫原子當被同時照射了 fi= r2A co的共振光 2的共振光2時，產 生EIT現象。然後，考慮磁量子數m =-3的銫原子。磁量子數m =-3的銫原子由於與基 態能級1和基態能級2的能量差相當的頻率是9.1926GHZ-6 6，因而當被同時照射了滿足 frf2 = 9.1926GHz-6 8 = 9.1926GHz_3 A co的關係的共振光1和共振光2時，產生EIT現 象。因此，視在激勵能級是E3』的銫原子當被同時照射了 & = c^-A (0的共振光1和f2 =co2+2Aco的共振光2時，產生EIT現象。並且，視在激勵能級是E/的銫原子當被 同時照射了 A = r2 A 的共振光1和f2 = gj2+A co的共振光2時，產生EIT現象。另外，磁量子數m =+4或-4的銫原子由於不存在基態能級1，因而不產生EIT 現象。圖5中說明的共振光1和共振光2的組合可使用圖6所示的圖表在視覺上理解。 圖6的圖表中，橫軸表示共振光1的頻率。縱軸表示共振光2的頻率f2。並且，對於交 點由黑圓圈表示的共振光1的頻率f；和共振光2的頻率f2的組合，表示存在產生EIT現 象的銫原子，對於交點由白圓圈表示的共振光1的頻率^和共振光2的頻率f2的組合， 表示不存在產生EIT現象的銫原子。更詳細地說，對於在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 的各直線上的由黑
圓圈表示的共振光1的頻率A和共振光2的頻率f2的組合，磁量子數m = -3、-2、-1、 0、+1、+2、+3的銫原子分別產生EIT現象。在以往的方法中，由於僅同時照射& =…的共振光1和f2 = 2的共振光2， 因而僅在圖6的:^=…和^二《2的交點銫原子產生EIT現象。與此相對，在本實施 方式中，通過向銫原子同時照射fi = r2A 、corAco、co」 c^+Aco、co +2 A co 的多個共振光1和f2 = 2-2A 、《2-A 、《2、《2+A 、co 2+2 A 的多個共振光 2，至少磁量子數m = 0的銫原子產生EIT現象優-^ = 9.1926GHz的交點)。而且，通 過進行反饋控制以滿足A (0 =25，磁量子數！！！二-;^、-2、-1、+1、+2、+3的銫原子 也產生EIT現象。這樣，根據本實施方式的原子振蕩器100(量子幹涉裝置1)，通過控制成滿足 A (0 = 26的關係，可比以往大幅增加產生EIT現象的鹼金屬原子的比例，因而可比以 往大幅提高半導體雷射器120的功率效率。因此，也容易小型化。並且，例如在分配給 1個共振光對的功率被設定成與以往的功率大致相等的情況下，光吸收的飽和臨界增高， 總功率增大，因而可取得高對比度的EIT信號。並且，在總的光照射功率與以往大致相 等的情況下，由於每1個共振光對的功率減少，因而EIT信號的功率展寬(當光功率強 時，EIT信號的線寬增大的現象)被抑制，與以往相比，可取得半值寬度窄的良好的EIT 信號。因此，根據本實施方式，可比以往提高頻率穩定性。並且，施加給原子池130的磁場的強度受到地球磁場的影響或溫度變化的影響 而變化，根據本實施方式，還加進地球磁場的影響或溫度變化的影響來施加反饋控制。 因此，可消除幹擾影響來提供更高精度的原子振蕩器(量子幹涉裝置)。另外，在本實施方式中，為了使產生EIT現象的鹼金屬原子的數量最大，期 望的是A (0 = 26 ,然而只要至少滿足2X 6 Xn = A co或者A coXn = 2X S (n是 正整數)的關係即可。例如在A co = 4S的情況下(在2XSXn= Aco時n = 2 的情況下)，如圖 7 所示，在 ffG = 9.1926GHz- A co、frf2 = 9.1926GHz、frf2 = 9.1926GHz+A co上的交點，磁量子數m =-2、0、+2的銫原子分別產生EIT現象。並 且，例如在A (0 = S的情況下(在AcoXn = 2XS時n = 2的情況下)，如圖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上的交點，磁量子數m = -3、-2、-1、0、+1、+2、+3的銫原子分別 產生EIT現象。(2)第2實施方式圖9是示出使用圖1的量子幹涉裝置1的第2實施方式的原子振蕩器的結構的 圖。如圖9所示，第2實施方式的原子振蕩器100與圖2所示的第1實施方式的原子振 蕩器100相比，刪除了檢波單元250、振蕩器260、調製單元270以及振蕩器280，並新追 加了變頻單元300和磁場控制單元310。在圖9中，對與圖2相同的結構附上相同標號， 省略其說明。變頻單元300將振蕩器210的振蕩信號變換為頻率是A co的信號。變頻單元 300也可以使用分頻電路來實現。
這裡，在第2實施方式的原子振蕩器100中，變頻單元300的輸出信號的頻率 A co是預先決定的恆定值而與磁場強度沒有關係。因此，磁場控制單元310控制磁場產 生單元140產生的磁場的強度，使得至少滿足2X S Xn = A (0或者A Co Xn = 2X S (n 是正整數)的關係(期望的是A (0 = 2 S )。另外，半導體雷射器120、原子池130、磁場產生單元140、光檢測器150以及磁 場控制單元310分別對應於圖1的光源10、原子池20、磁場產生單元30、光檢測單元40 以及磁場控制單元52。並且，由中心波長控制單元110、放大器160、檢波單元170、調 制單元180、振蕩器190、檢波單元200、振蕩器210、調製單元220、振蕩器230、變頻 單元240、調製單元290、變頻單元300以及磁場控制單元310構成的電路對應於圖1的 控制單元50。根據第2實施方式，利用磁場控制單元310，還加進地球磁場的影響或溫度變化 的影響，控制磁場產生單元140產生的磁場的強度。因此，可消除幹擾影響來提供更高 精度的原子振蕩器(量子幹涉裝置)。[變型例]圖10是示出第2實施方式的原子振蕩器100的變型例的結構的圖。在圖10所 示的原子振蕩器100中，與圖9所示的原子振蕩器100相比，新追加了振蕩器320。並 且，變頻單元300將振蕩器320的振蕩信號變換為頻率是A (0的信號。這裡，振蕩器 320的頻率穩定度雖然比不上圖9的振蕩器210，但是只要能確保使封入在原子池130內 的鹼金屬原子能充分產生EIT現象的A co的精度即可。振蕩器320例如可採用晶體振蕩 器(X0 Crystal Oscillator)來實現。另外，在圖9或圖10所示的原子振蕩器100中，在使A (0與振蕩器210或振蕩 器320的振蕩頻率一致的情況下，不需要變頻單元300，在該情況下，磁場控制單元310 只要根據振蕩器210或振蕩器320的振蕩信號控制磁場產生單元140產生的磁場的強度即可。(3)第3實施方式圖11是示出使用圖1的量子幹涉裝置1的第3實施方式的原子振蕩器的結構的 圖。如圖11所示，第3實施方式的原子振蕩器100與圖2所示的第1實施方式的原子振 蕩器100相比，刪除了檢波單元250、振蕩器260、調製單元270以及振蕩器280，並新追 加了磁場檢測單元330、頻率設定單元340、變頻單元350以及磁場控制單元360。在圖 11中，對與圖2相同的結構附上相同標號，省略其說明。磁場控制單元360控制成使磁場產生單元140產生期望強度的磁場。例如，在 磁場產生單元140是線圈的情況下，磁場控制單元360隻要控制流經該線圈的電流的大小 即可。磁場檢測單元330檢測施加給原子池130的磁場的強度。頻率設定單元340根據磁場檢測單元330的檢測結果控制變頻單元350的變頻比率。變頻單元350根據頻率設定單元340的輸出信號(變頻比率的設定信息)，將振 蕩器210的振蕩信號變換為頻率是A co的信號。變頻單元350也可以使用分頻電路來實 現。在該情況下，頻率設定單元340隻要設定該分頻電路的分頻比即可。
這裡，頻率設定單元340根據磁場檢測單元330檢測出的磁場的強度，控制變 頻單元350的變頻比率(例如分頻比)，使得至少滿足2 X 6 Xn = Aco或者AcoXn = 2X 6 (n是正整數)的關係(期望的是Aco = 25)。另外，半導體雷射器120、原子池130、磁場產生單元140、光檢測器150以及磁 場檢測單元330分別對應於圖1的光源10、原子池20、磁場產生單元30、光檢測單元40 以及磁場檢測單元54。並且，由中心波長控制單元110、放大器160、檢波單元170、調 制單元180、振蕩器190、檢波單元200、振蕩器210、調製單元220、振蕩器230、變頻 單元240、調製單元290、磁場檢測單元330、頻率設定單元340、變頻單元350以及磁場 控制單元360構成的電路對應於圖1的控制單元50。根據第3實施方式，利用磁場檢測單元330，還加進地球磁場的影響或溫度變化 的影響，檢測施加給封入在原子池130內的鹼金屬原子的磁場的強度。並且，利用頻率 設定單元340，根據檢測出的磁場的強度控制變頻單元350的變頻比率。因此，可消除幹 擾影響來提供更高精度的原子振蕩器(量子幹涉裝置)。[變型例]圖12是示出第3實施方式的原子振蕩器100的變型例的結構的圖。在圖12所 示的原子振蕩器100中，與圖11所示的原子振蕩器100相比，刪除了磁場檢測單元330。 並且，頻率設定單元340根據磁場控制單元360的針對磁場產生單元140的控制信息控制 變頻單元350的變頻比率。S卩，在圖12的原子振蕩器100中，根據針對磁場產生單元 140的控制信息估計磁場的強度，控制變頻單元350的變頻比率。因此，變頻單元350的 輸出信號的頻率精度雖然比不上圖11的振蕩器210，但是只要能確保使封入在原子池130 內的鹼金屬原子能充分產生EIT現象的A (0的精度即可。例如，只要是可忽略地球磁場 影響或溫度變化影響的環境，就沒有問題。3、磁傳感器(1)第1實施方式圖13是示出使用圖1的量子幹涉裝置1的第1實施方式的磁傳感器的結構的圖。 如圖13所示，第1實施方式的磁傳感器400除了振蕩器260的振蕩信號為輸出信號這一 點以外，與圖2所示的第1實施方式的原子振蕩器100的結構相同。在圖13中，對與圖 2相同的結構附上相同標號，省略其說明。如上所述，當向原子池130施加了磁場時，鹼金屬原子的基態能級1和基態能 級2被分為磁量子數m不同的多個塞曼分裂能級。並且，對於基態能級1和基態能級2 雙方來說，磁量子數m彼此相差1的2個塞曼分裂能級的能量差Es與磁場強度成正比。 根據圖13的結構，施加反饋控制，使得光檢測器150的輸出信號(放大器160的輸出信 號)的信號強度為最大。並且，光檢測器150的輸出信號(放大器160的輸出信號)的 信號強度為最大是在這樣的時候對於與振蕩器260的振蕩頻率△ 與塞曼分裂能級的 能量差Es相當的頻率5 』滿足2X S Xn = A (0或者A coXn = 2X S (n是正整數)的 關係(期望的是A (0 = 2 S )。也就是說，由于振蕩器260的振蕩頻率A co與磁場強度 成正比，因而通過使振蕩器260的振蕩信號為輸出信號，可作為磁傳感器發揮功能。不 過，在圖13的結構中總是由磁場產生單元140產生磁場，然而通過以外部磁場的強度為 0時的振蕩器260的振蕩頻率為基準求出輸出信號的相對頻率，可計算外部磁場的強度。
(2)第2實施方式圖14是示出使用圖1的量子幹涉裝置1的第2實施方式的磁傳感器的結構的圖。 如圖14所示，第2實施方式的磁傳感器400與圖13所示的第1實施方式的磁傳感器400 相比，刪除了檢波單元250、振蕩器260、調製單元270以及振蕩器280，並新追加了信號 處理單元370和振蕩器380。在圖14中，對與圖13相同的結構附上相同標號，省略其說明。信號處理單元370向振蕩器380發送用於使振蕩頻率階段性變化的掃描信號 372，並監視掃描信號372的各狀態下的放大器160的輸出信號和振蕩器380的頻率信息 382 (可以是振蕩信號自身)。並且，在第2實施方式的磁傳感器400中，振蕩器380的 振蕩頻率為A co，當滿足了 2X S Xn = A co或者A co Xn = 2X S (n是正整數)的關 系(期望的是A (0 = 2 S )時，放大器160的輸出信號的信號強度急劇增大。由於頻率 信息382與磁場強度成正比，因而只要輸出基於在放大器160的輸出信號的信號強度急劇 增大時的頻率信息382的信息(表示磁場強度的信息)，就能作為磁傳感器發揮功能。不 過，在圖14的結構中總是由磁場產生單元140產生磁場，然而通過以外部磁場的強度為 0時的頻率信息382為基準求出振蕩器380的相對頻率，可輸出表示外部磁場的強度的信 肩、o另外，在信號處理單元370可從掃描信號372的狀態估計振蕩器380的振蕩頻率 的情況下，也可以不監視頻率信息382。根據第1實施方式或第2實施方式，通過提高針對鹼金屬原子的EIT現象的發現 效率，可提高雷射功率的利用效率，並可提供高靈敏度的磁傳感器。因此，也容易小型 化。另外，本發明不限定於本實施方式，能在本發明主旨的範圍內實施各種變型。例如，在本實施方式的原子振蕩器100中，構成為使交流電流與半導體雷射器 120的驅動電流重疊來使半導體雷射器120出射調製後的光，然而也可以使用電光學調製 元件(E0M Electro-Optic Modulator)來向從半導體雷射器120出射的光提供調頻。本發明包含與在實施方式中說明的結構實質相同的結構(例如，功能、方法以 及結果相同的結構，或者目的和效果相同的結構)。並且，本發明包含置換了在實施方式 中說明的結構的非本質部分後的結構。並且，本發明包含可取得與在實施方式中說明的 結構相同的作用效果的結構或者可達到相同目的的結構。並且，本發明包含向在實施方 式中說明的結構附加了公知技術後的結構。
1權利要求
1.一種量子幹涉裝置，該量子幹涉裝置利用由第1共振光和第2共振光構成的共振光 對，使鹼金屬原子產生電磁誘導透明現象，所述量子幹涉裝置具有光源，其產生頻率彼此相差△ ω的多個所述第1共振光和頻率彼此相差△ ω的多個 所述第2共振光；磁場產生單元，其向所述鹼金屬原子施加磁場；光檢測單元，其檢測包含透射過所述鹼金屬原子的所述第1共振光和所述第2共振光 在內的光的強度；以及控制單元，其根據所述光檢測單元的檢測結果進行控制，使得預定的所述第1共振 光與預定的所述第2共振光之間的頻率差等於與所述鹼金屬原子的2個基態能級的能量差 相當的頻率差，所述控制單元還控制所述頻率△ ω和所述磁場產生單元產生的磁場的強度中的至 少一方，使得對於與下述能量差相當的頻率S，滿足2Χ δ Xn = Δ ω以及Δ ω Xn = 2Χ δ中的至少一方，所述能量差是由於磁場引起的能量分裂，在所述鹼金屬原子的所述 2個基態能級的各方產生的多個塞曼分裂能級中、磁量子數彼此相差1的2個所述塞曼分 裂能級的能量差，其中，η是正整數。
2.根據權利要求1所述的量子幹涉裝置，其中，所述控制單元根據所述光檢測單元的 檢測結果控制所述頻率Δ ω。
3.根據權利要求1所述的量子幹涉裝置，其中，所述控制單元根據所述鹼金屬原子附 近的磁場的強度控制所述頻率Δω。
4.根據權利要求1所述的量子幹涉裝置，其中，所述控制單元具有磁場控制單元， 該磁場控制單元根據預先決定的所述頻率△ ω，控制所述磁場產生單元產生的磁場的強 度。
5.根據權利要求1 4中的任意一項所述的量子幹涉裝置，其中，η= 1。
6.一種原子振蕩器，該原子振蕩器具有權利要求1 5中的任意一項所述的量子幹涉裝置。
7.—種磁傳感器，該磁傳感器具有權利要求1 5中的任意一項所述的量子幹涉裝置。
全文摘要
本發明提供一種通過提高針對鹼金屬原子的EIT現象的發現效率，可提高雷射功率的利用效率的量子幹涉裝置、原子振蕩器以及磁傳感器。光源(10)產生頻率彼此相差Δω的多個第1、第2共振光，光檢測單元(40)檢測包含透射過由磁場產生單元(30)提供了磁場的鹼金屬原子的第1、第2共振光在內的光的強度。控制單元(50)根據光檢測單元的檢測結果進行控制，使得預定的1對第1、第2共振光之間的頻率差等於與鹼金屬原子的2個基態能級的能量差相當的頻率差，而且對於與下述能量差相當的頻率δ，滿足2×δ×n＝Δω以及Δω×n＝2×δ(n是正整數)中的至少一方，所述能量差是在鹼金屬原子的2個基態能級的各方產生的、磁量子數彼此相差1的2個塞曼分裂能級的能量差。
文檔編號H03L7/26GK102013891SQ20101027531
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月3日 優先權日2009年9月7日
發明者珎道幸治, 青山拓 申請人:精工愛普生株式會社