[发明专利]量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器

说明书

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，更详细地讲， 涉及用于高效地产生EIT现象的技术。

背景技术

电磁诱导透明方式(有时也称为EIT方式、CPT方式)的原子振荡 器是利用了如下这样的现象的振荡器，即：当同时向碱金属原子照射波 长不同的2种共振光时，2种共振光的吸收停止(EIT现象)。图24(a) 表示1个碱金属原子的能量状态。众所周知，当向碱金属原子分别单独 地照射具有相当于第1基态能级23与激发能级21之间的能量差的波长 的第1共振光、或具有相当于第2基态能级24与激发能级21之间的能 量差的波长的第2共振光时，将引起光吸收。但是，当向该碱金属原子 同时照射第1共振光和第2共振光、且同时照射的第1共振光和第2共 振光之间的频率差与第1基态能级23和第2基态能级24之间的能量差 (ΔE12)准确地一致时，图24(a)的系统处于2个基态能级的重合状 态，即量子干涉状态，向激发能级21跃变的激发停止，产生透明(EIT) 现象。利用该现象来检测第1共振光与第2共振光之间的波长差偏离ΔE12 时的光吸收动作的急剧变化，并将其作为信号进行控制，由此，能够制 造出高精度的振荡器。另外，ΔE12随外部磁场的强度或变动而敏感地变 化，因此，能够利用EIT现象来制造高灵敏度的磁传感器。

另外，为了提高EIT现象下的光输出信号的信噪比(S/N)，只要增 加与共振光相互作用的碱金属的原子数量即可。例如，在专利文献1中， 以改善原子振荡器的输出信号的S/N为目的，公开了以下等方法：增大 封入有气态碱金属原子的气室(cell)的厚度，或增大入射到气室的激光 的光束直径。无论哪一种方法，为了增大碱金属原子与共振光接触的区 域，如图24(b)或图24(c)所示，均增大了气室的厚度或高度。关于 这里所使用的激光，只使用了1对满足EIT现象的产生条件(発見条件) 的2种波长的激光。

另外，在专利文献2中，(1)公开了关于提高EIT(CPT)方式的原 子振荡器的灵敏度的技术。即，特征在于将D1线用作光源。与以往的 D2线的情况相比，理论上可提高EIT(CPT)信号强度。由此，灵敏度/ 频率稳定度得到提高。(2)并且，使用4光波光源，利用双重Λ型跃迁 使能量分裂为2个而成的P1/2激发能级(超精细结构)同时相互作用， 由此，进一步改善信号强度，但这里公开的技术涉及4光波混合，不属 于本发明涉及的技术领域的范围。

专利文献1：日本特开2004-96410号公报

专利文献2：USP6359916

关注气室内的构成气态碱金属原子团的各个原子，可知具有与各自 的运动状态对应的一定的速度分布。如果入射到该原子团的激光的波长 只有2种(一对)，则在原子运动的多普勒效应(多普勒频移)的影响下， 实际上可相互作用的原子只是气室内的多个原子中的、在激光入射方向 上具有特定的速度分量值的极少部分的原子，有助于产生EIT的原子的 比例极低。专利文献1所公开的现有技术存在下述课题，即：由于原子 振荡器是在这种EIT产生效率低的状态下构成的，因此为了得到信噪比 (S/N)较大的期望的吸收光谱，必须增大气室的厚度或高度中的一个， 难以在维持信噪比的同时实现小型化。即，气室内的每单位体积内有助 于EIT现象的原子数量保持不变。另外，专利文献2-(1)所公开的技术 也存在相同的课题。

即，专利文献1、2-(1)均只使用了2种光波。气室内的碱原子具 有速度分布，存在与此相伴的能量的多普勒扩展。因此，在只有2种光 波的Λ型跃迁中，只与极少部分的原子相互作用，因此，每单位体积的 EIT产生收获率极差。因此，存在EIT信号强度弱的问题。

实际的碱原子的激发能级具有超精细结构，分裂成图20所示的具有 彼此不同的能量的能级。因此，不能用图24(a)所示的简单的Λ型3 能态系统来说明以碱原子为对象的EIT现象，因此，实际上，为了高效 地产生EIT，需要考虑这样的多能级。但存在这样的问题，即：至今为止， 考虑了多能级的存在与伴随于上述原子速度分布的能量多普勒扩展之间 的关系的研究尚不充分。

尤其，从应用了EIT现象的量子干涉器件的驱动条件的优化等角度 看，像本发明这样，在使用多对共振光对的情况下考虑激发能级的能量 状态来决定光源(激光)的中心频率或决定激光的调制条件是很重要的。

发明内容