專利名稱：量子干涉裝置、原子振蕩器以及磁傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及量子干涉裝置、原子振蕩器以及磁傳感器，更詳細(xì)地講，涉及用于高效地產(chǎn)生EIT現(xiàn)象的技術(shù)。
背景技術(shù)：
電磁誘導(dǎo)透明方式(有時也稱為EIT方式、CPT方式)的原子振蕩器是利用了如下 這樣的現(xiàn)象的振蕩器，即當(dāng)同時向堿金屬原子照射波長不同的2種共振光時，2種共振光的吸收停止(EIT現(xiàn)象)。圖24 (a)表示I個堿金屬原子的能量狀態(tài)。眾所周知，當(dāng)向堿金屬原子分別單獨(dú)地照射具有相當(dāng)于第I基態(tài)能級23與激發(fā)能級21之間的能量差的波長的第I共振光、或具有相當(dāng)于第2基態(tài)能級24與激發(fā)能級21之間的能量差的波長的第2共振光時，將引起光吸收。但是，當(dāng)向該堿金屬原子同時照射第I共振光和第2共振光、且同時照射的第I共振光和第2共振光之間的頻率差與第I基態(tài)能級23和第2基態(tài)能級24之間的能量差(ΛΕ12)準(zhǔn)確地一致時，圖24 Ca)的系統(tǒng)處于2個基態(tài)能級的重合狀態(tài)，即量子干涉狀態(tài)，向激發(fā)能級21躍變的激發(fā)停止，產(chǎn)生透明(EIT)現(xiàn)象。利用該現(xiàn)象來檢測第I共振光與第2共振光之間的波長差偏離ΛΕ12時的光吸收動作的急劇變化，并將其作為信號進(jìn)行控制，由此，能夠制造出高精度的振蕩器。另外，ΛΕ12隨外部磁場的強(qiáng)度或變動而敏感地變化，因此，能夠利用EIT現(xiàn)象來制造高靈敏度的磁傳感器。另外，為了提高EIT現(xiàn)象下的光輸出信號的信噪比(S/N)，只要增加與共振光相互作用的堿金屬的原子數(shù)量即可。例如，在專利文獻(xiàn)I中，以改善原子振蕩器的輸出信號的S/N為目的，公開了以下等方法增大封入有氣態(tài)堿金屬原子的氣室(cell)的厚度，或增大入射到氣室的激光的光束直徑。無論哪一種方法，為了增大堿金屬原子與共振光接觸的區(qū)域，如圖24 (b)或圖24 (c)所示，均增大了氣室的厚度或高度。關(guān)于這里所使用的激光，只使用了 I對滿足EIT現(xiàn)象的發(fā)生條件(発見條件)的2種波長的激光。另外，在專利文獻(xiàn)2中，(I)公開了關(guān)于提高EIT (CPT)方式的原子振蕩器的靈敏度的技術(shù)。即，特征在于將Dl線用作光源。與以往的D2線的情況相比，理論上可提高EIT(CPT)信號強(qiáng)度。由此，靈敏度/頻率穩(wěn)定度得到提高。(2)并且，使用4光波光源，利用雙重Λ型躍遷使能量分裂為2個而成的P 1/2激發(fā)能級(超精細(xì)結(jié)構(gòu))同時相互作用，由此，進(jìn)一步改善信號強(qiáng)度，但這里公開的技術(shù)涉及4光波混合，不屬于本發(fā)明涉及的技術(shù)領(lǐng)域的范圍。專利文獻(xiàn)I :日本特開2004 - 96410號公報專利文獻(xiàn)2 :USP6359916關(guān)注氣室內(nèi)的構(gòu)成氣態(tài)堿金屬原子團(tuán)的各個原子，可知具有與各自的運(yùn)動狀態(tài)對應(yīng)的一定的速度分布。如果入射到該原子團(tuán)的激光的波長只有2種(一對)，則在原子運(yùn)動的多普勒效應(yīng)(多普勒頻移)的影響下，實(shí)際上可相互作用的原子只是氣室內(nèi)的多個原子中的、在激光入射方向上具有特定的速度分量值的極少部分的原子，有助于產(chǎn)生EIT的原子的比例極低。專利文獻(xiàn)I所公開的現(xiàn) 有技術(shù)存在下述課題，即由于原子振蕩器是在這種EIT產(chǎn)生效率低的狀態(tài)下構(gòu)成的，因此為了得到信噪比(S/N)較大的期望的吸收光譜，必須增大氣室的厚度或高度中的一個，難以在維持信噪比的同時實(shí)現(xiàn)小型化。即，氣室內(nèi)的每單位體積內(nèi)有助于EIT現(xiàn)象的原子數(shù)量保持不變。另外，專利文獻(xiàn)2- (I)所公開的技術(shù)也存在相同的課題。S卩，專利文獻(xiàn)1、2_ (I)均只使用了 2種光波。氣室內(nèi)的堿原子具有速度分布，存在與此相伴的能量的多普勒擴(kuò)展。因此，在只有2種光波的Λ型躍遷中，只與極少部分的原子相互作用，因此，每單位體積的EIT產(chǎn)生收獲率極差。因此，存在EIT信號強(qiáng)度弱的問題。實(shí)際的堿原子的激發(fā)能級具有超精細(xì)結(jié)構(gòu)，分裂成圖20所示的具有彼此不同的能量的能級。因此，不能用圖24 (a)所示的簡單的Λ型3能態(tài)系統(tǒng)來說明以堿原子為對象的EIT現(xiàn)象，因此，實(shí)際上，為了高效地產(chǎn)生ΕΙΤ，需要考慮這樣的多能級。但存在這樣的問題，即至今為止，考慮了多能級的存在與伴隨于上述原子速度分布的能量多普勒擴(kuò)展之間的關(guān)系的研究尚不充分。尤其，從應(yīng)用了 EIT現(xiàn)象的量子干涉器件的驅(qū)動條件的優(yōu)化等角度看，像本發(fā)明這樣，在使用多對共振光對的情況下考慮激發(fā)能級的能量狀態(tài)來決定光源(激光)的中心頻率或決定激光的調(diào)制條件是很重要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是鑒于上述課題而完成的，其目的在于，提供通過生成波長不同的多對共振光對，來使氣室內(nèi)的更多的氣態(tài)堿金屬原子高效地產(chǎn)生EIT現(xiàn)象的量子干涉裝置，并且通過利用該量子干涉裝置而提供小型的原子振蕩器、磁傳感器或量子干涉?zhèn)鞲衅?。本發(fā)明是為了解決上述課題的至少一部分而完成的，可作為以下的方式或應(yīng)用例來實(shí)現(xiàn)。[應(yīng)用例I]量子干涉裝置至少具有氣態(tài)的堿金屬原子；以及光源，其用于產(chǎn)生不同頻率的共振光對，該共振光對保持與該堿金屬原子的2個基態(tài)之間的能量差相應(yīng)的頻率差，使所述堿金屬原子與所述共振光對相互作用，產(chǎn)生電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象(ΕΙΤ)，其特征在于,所述共振光對的數(shù)量為多對,各個共振光對的中心頻率彼此不同。本發(fā)明的量子干涉裝置的特征在于，激發(fā)激光對的數(shù)量為2對以上的多對，且各個激光對的中心頻率彼此不同。由此，能夠在每單位體積內(nèi)，使更多的氣態(tài)堿金屬原子產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。[應(yīng)用例2]特征在于，與所述堿金屬原子相互作用的共振光對為線偏振光。對于從光源射出的共振光對，在與光的傳播方向垂直的面內(nèi)電矢量的末端描繪出直線的情況下，該光被稱為線偏振光。因此，如果不對從光源射出的共振光對實(shí)施偏振，則其為線偏振光。另外，可將光的偏振狀態(tài)考慮成垂直的2個線偏振光的重合。由此，由于來自光源的共振光原本就是線偏振光，因此不需要進(jìn)行偏振的手段，從而能夠簡化光源結(jié)構(gòu)。[應(yīng)用例3]特征在于，與所述堿金屬原子相互作用的所述共振光對為圓偏振光。
對于從光源射出的共振光對，在與光的傳播方向垂直的面內(nèi)電矢量的末端描繪出圓的情況下，該光被稱為圓偏振光。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，當(dāng)把共振光對轉(zhuǎn)換成圓偏振光時，波長入O的光透射強(qiáng)度增大到通常的6倍左右。由此，能夠提高EIT現(xiàn)象下的光輸出信號的S/N。[應(yīng)用例4]特征在于，與所述堿金屬原子相互作用的所述共振光對為楕圓偏振光。對于從光源射出的共振光對，在與光的傳播方向垂直的面內(nèi)電矢量的末端描繪出楕圓的情況下，該光被稱為楕圓偏振光。且可知，存在這樣的橢圓偏振光，即當(dāng)在共振光對的光路上，以與光路垂直的方式設(shè)置了波長板并旋轉(zhuǎn)其表面時，該橢圓偏振光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化且是在垂直偏振光與圓偏振光之間連續(xù)地變化。因此，即使是楕圓偏振光，也能夠提高EIT現(xiàn)象下的光輸出信號的S/N。[應(yīng)用例5]特征在于，在所述光源與封入了所述堿金屬原子的氣室之間的光路上設(shè)有波長板?！?br> 波長板是指使垂直的偏振光分量之間產(chǎn)生相位差的多折射元件。將產(chǎn)生相位差π(180° )的波長板稱為λ/2板或半波長板,其用于改變線偏振光的偏振方向。將產(chǎn)生相位差π/2 (90° )的波長板稱為λ/4板或四分之一波長板，其用于將線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光(楕圓偏振光)，或相反地將圓偏振光(楕圓偏振光)轉(zhuǎn)換成線偏振光。在發(fā)明中，由于需要將線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光或楕圓偏振光，因此需要使用λ /4板，利用波長板40將從光源射出的線偏振光的共振光對轉(zhuǎn)換成圓偏振光或楕圓偏振光，入射到氣室。由此，只需簡單的結(jié)構(gòu)即可提高EIT現(xiàn)象下的光輸出信號的S/N。[應(yīng)用例6]特征在于，所述多對共振光對滿足電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的發(fā)生條件，各個共振光對的光強(qiáng)度處于EIT信號強(qiáng)度線性增大的區(qū)域中的最大值PO附近。采用這樣的多對共振光對的光強(qiáng)度分布，能夠提高光利用效率。[應(yīng)用例7]特征在于，所述多對共振光對的強(qiáng)度分布相對于各個對的中心頻率呈高斯分布，且與最大的光強(qiáng)度對應(yīng)的共振光對滿足與該光方向的速度分量為O附近的所述堿金屬的原子團(tuán)對應(yīng)的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的發(fā)生條件，其強(qiáng)度是線性區(qū)域中的最大值PO。由于堿金屬原子的速度分布為高斯分布，因此只要預(yù)先將共振光對的光強(qiáng)度分布設(shè)定成高斯分布，即可利用簡單的光驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)高的光利用效率。[應(yīng)用例8]特征在于，通過振幅調(diào)制與頻率調(diào)制或相位調(diào)制的合成來生成所述多對共振光對。這種調(diào)制方式能夠以較高的自由度來控制共振光對的光強(qiáng)度分布。[應(yīng)用例9]特征在于，通過具有正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波中的任意一個波形的信號的調(diào)制，來生成所述多對共振光對。這種調(diào)制方式能夠利用簡單的光驅(qū)動電路以較高的自由度來控制共振光對的光強(qiáng)度分布。[應(yīng)用例10]特征在于，具有用于對所述光源進(jìn)行調(diào)制的驅(qū)動電路部，該驅(qū)動電路部與其它結(jié)構(gòu)部件分離，在制造過程中或在產(chǎn)品化后的狀態(tài)下，能夠任意地控制、設(shè)定所述驅(qū)動電路部的常數(shù)。關(guān)于利用了 EIT現(xiàn)象的“量子干涉器件”，可想到各種應(yīng)用產(chǎn)品，例如高精度振蕩器、鐘表等高精度測量裝置、以及以磁傳感器、花粉或煙霧等微粒子檢測傳感器為代表的量子干涉?zhèn)鞲衅鞯?，通過采用這種結(jié)構(gòu)，能夠獲得與目的相符的最佳EIT信號曲線。[應(yīng)用例11]特征在于，當(dāng)設(shè)所述堿金屬原子的核自旋量子數(shù)為I、所述堿金屬原子的P1/2的激發(fā)能級或P3/2的激發(fā)能級中的超精細(xì)結(jié)構(gòu)的量子數(shù)為F’、考慮了 F’ = I 一1/2以及F’ = I + 1/2的多普勒擴(kuò)展的兩個能量的范圍彼此重合的區(qū)域內(nèi)的最小能量為E1、最大能量為E2時，引起所述電磁誘導(dǎo)透明(EIT)現(xiàn)象的多對共振光對中的任意一對的激發(fā)目標(biāo)能量(勵起先工才、11年'一)Eend滿足El < Eend < E2。對于與滿足該條件的Eend對應(yīng)的共振光對，能夠使具有彼此相反方向的速度分量的原子同時產(chǎn)生EIT，因此不容易發(fā)生功率展寬(power broadening :光功率越強(qiáng)EIT信號的線寬越大的現(xiàn)象)，因此，增大了 Q值(EIT信號的半值寬度的倒數(shù))，由此提高了性能指數(shù)(后面進(jìn)行定義)。[應(yīng)用例12]特征在于，設(shè)所述堿金屬原子的核自旋量子數(shù)為I、所述堿金屬原子的激發(fā)能級的超精細(xì)結(jié)構(gòu)的量子數(shù)為F’，則在考慮了 F’ = I 一 1/2以及F’ = I + 1/2的多普勒擴(kuò)展的兩個能量的范圍彼此不重合的狀態(tài)下，當(dāng)設(shè)考慮了所述多普勒擴(kuò)展的所述F’= 1-1/2的能量的范圍為從Ell到E12 (其中，Ell < E12)、考慮了所述多普勒擴(kuò)展的所述F’ = I + 1/2的能量的范圍為從E21到E22 (其中，E21 < E22)時，引起所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的多對共振光對中的任意一對的激發(fā)目標(biāo)能量Eend只滿足El I < Eend < E12或E21 < Eend < E22中的某一方的條件。當(dāng)滿足該條件時，能夠在保持純粹的3能級系統(tǒng)Λ型躍遷的同時，實(shí)現(xiàn)基于多對共振光對的ΕΙΤ，因此，能夠增大基于重疊效應(yīng)的EIT信號的增強(qiáng)效果。[應(yīng)用例13]該量子干涉裝置使多對共振光對I次或多次地折返通過所述堿金屬原子，從所述堿金屬原子檢測所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，其特征在于，當(dāng)設(shè)未考慮多普勒寬度的激發(fā)能級的能量為Ε10、所述多對共振光對的激發(fā)目標(biāo)能量為Eend O時，所述Eend O滿足 ElO < Eend O 或 Eend O < Ε10。在該情況下，能夠使I對共振光在去路和回路上，分別在氣室內(nèi)與具有相反方向的速度分量的堿金屬原子群產(chǎn)生ΕΙΤ。因此，在這樣的條件下由多對共振光對產(chǎn)生EIT時，與非反射型的情況相比，利用一半數(shù)量的共振光對或一半的光調(diào)制寬度，即可得到相同的效果。[應(yīng)用例14]該量子干涉裝置使多對共振光對I次或多次地折返通過所述堿金屬原子，從所述堿金屬原子檢測所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，其特征在于，當(dāng)設(shè)引起所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的多對共振光對中的任意一對的激發(fā)目標(biāo)能量為Eend時，所述Eend只滿足Eend
<ElO或ElO < Eend中的某一方的條件。在該情況下，所有的共振光對均對EIT有貢獻(xiàn)，且由于是反射型，因此與非反射型的情況相比，只需一半數(shù)量的共振光對即可，效率更高。[應(yīng)用例15]特征在于，所述折返次數(shù)為奇數(shù)次(去與回各自的總光路長度基本相
O如果光的去路與回路的光路長度基本相等，則在彼此不同的速度群中對EIT有貢獻(xiàn)的原子的數(shù)量基本相等，因此從EIT產(chǎn)生效率的角度來看是有利的。[應(yīng)用例16]特征在于，原子振蕩器具有所述量子干涉裝置。原子振蕩器通過具有本發(fā)明的量子干涉裝置，能夠在S/N高的狀態(tài)下產(chǎn)生EIT現(xiàn)象，因此能夠?qū)崿F(xiàn)原子振蕩器的小型化。[應(yīng)用例17]特征在于，磁傳感器具有本發(fā)明的上述量子干涉裝置。原子振蕩器的振蕩頻率以原子的2個基態(tài)能級之間的能量差(ΛΕ12)為基準(zhǔn)。ΔΕ12的值隨外部磁場的強(qiáng)度或變動而變化，因此，對原子振蕩器的氣室實(shí)施了磁場屏蔽，以不受外部磁場的影響。因此，可通過去除磁場屏蔽并根據(jù)振蕩頻率變化讀取ΛΕ12的變化，來制造測定外部磁場的強(qiáng)度和變動的磁傳感器。通過具有本發(fā)明的量子干涉裝置，能夠在S/N較高的狀態(tài)下產(chǎn)生EIT現(xiàn)象，因此能夠?qū)崿F(xiàn)磁傳感器的小型化。[應(yīng)用例18]特征在于，量子干涉?zhèn)鞲衅骶哂斜景l(fā)明的所述量子干涉裝置。通過具有本發(fā)明的量子干涉裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)用于檢測影響EIT信號曲線的外部干擾的各種傳感器的靈敏度和精度提高以及小型化。


圖I是氣態(tài)堿金屬原子的速度分布的概略圖。圖2是示出本發(fā)明的第I實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。圖3 (a)及(b)是示出入射到氣室(gas cell)的共振光的頻譜的圖。圖4是示出入射到氣室的共振光和氣態(tài)堿金屬原子的移動方向的狀態(tài)的圖。圖5是說明基于原子運(yùn)動的能量多普勒擴(kuò)展與本發(fā)明的共振光之間的關(guān)系的示意圖。圖6是示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。圖7是示出本發(fā)明的第3實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。圖8是示出本發(fā)明的實(shí)施方式的磁傳感器的結(jié)構(gòu)的圖。圖9 (a)是由波長不同的2種共振光的對引起的EIT現(xiàn)象的光透射強(qiáng)度的圖，(b)是對波長不同的2種共振光的對進(jìn)行調(diào)制時的EIT現(xiàn)象的光透射強(qiáng)度的圖。圖10是示出本發(fā)明的第4實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。圖11是示出本發(fā)明的第5實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。圖12 (a)是示出原子的“速度(一維射影)”分布(麥克斯韋玻耳茲曼分布)的圖，(b)是示出原子的“速度”分布(麥克斯韋玻耳茲曼分布)的圖。圖13 Ca)是示出正弦波調(diào)制時的高次諧波(+分量)分布的圖，(b)是示出典型的方波調(diào)制時的高次諧波(+分量)分布的圖，(C)是示出典型的三角波調(diào)制時的高次諧波(+分量)分布的圖。圖14 (a)是示出光強(qiáng)度的線性一非線性分支點(diǎn)的圖，(b)是示出激光頻率分布的圖。圖15 Ca)是示出EIT信號線寬的激光強(qiáng)度依賴性的圖，(b)是針對EIT信號強(qiáng)度與EIT信號線寬之間的關(guān)系而示出以往與本發(fā)明的比較的圖。圖16是示出CsD2線附近激光頻率分布的圖。圖17是示出EIT信號強(qiáng)度與線寬之間的關(guān)系的圖。圖18是示出同一線寬下的EIT信號強(qiáng)度的比較的圖。圖19是示出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。圖20 (a)是與D2線對應(yīng)的能量圖，(b)是與Dl線對應(yīng)的能量圖，(C)是考慮了多普勒擴(kuò)展的激發(fā)能級附近的能量圖。圖21 (a)是考慮了多普勒擴(kuò)展的激發(fā)能級附近的能量圖，(b)是考慮了多普勒擴(kuò)展的激發(fā)能級附近的能量圖。圖22 (a)是激發(fā)能級附近的能量圖，(b)是激發(fā)能級附近的能量圖，(C)是示出本發(fā)明的第6實(shí)施方式的封入了堿金屬原子的氣室、光源、光路以及檢測器的配置結(jié)構(gòu)的圖。圖23 (a)是激發(fā)能級附近的能量圖，(b)是激發(fā)能級附近的能量圖，(C)是示出本發(fā)明的第7實(shí)施方式的封入了堿金屬原子的氣室、光源、光路以及檢測器的配置結(jié)構(gòu)的圖。

圖24 (a)是說明以往的EIT方式的原理的圖，(b)、(C)是示出以往的氣室與共振光之間的關(guān)系的圖。標(biāo)號說明I中心波長產(chǎn)生單元；2LD ；3E0M ；4E0M ；5氣室；6光檢測器；7頻率控制單元單元；8壓控石英振蕩器；9振蕩器；10振蕩器；11、12、13共振光；14、15、16氣態(tài)銫原子；17混合器；18、19調(diào)制信號；40波長板；41未實(shí)施調(diào)制時的被線偏振光化的波形；42未實(shí)施調(diào)制時的被圓偏振光化的波形；43實(shí)施了調(diào)制時的被線偏振光化的波形；44實(shí)施了調(diào)制時的被橢圓偏振光化的波形；45實(shí)施了調(diào)制時的被圓偏振光化的波形；50、51、52、53、54原子振蕩器。
具體實(shí)施例方式下面，使用附圖所示的實(shí)施方式來詳細(xì)說明本發(fā)明。不過，只要沒有特別的記載，本實(shí)施方式所述的結(jié)構(gòu)要素、種類、組合、形狀、其相對配置等均只是單純的說明例，其目的并不在于將本發(fā)明的范圍僅局限于此。這里，預(yù)先對下面將多次出現(xiàn)的“性能指數(shù)”進(jìn)行定義。性能指數(shù)被定義為EIT信號的線寬的倒數(shù)(即Q值)與EIT信噪比(即S/N)的積。例如，由于S/N與EIT信號強(qiáng)度成比例，因此如果EIT信號強(qiáng)度增大，則性能指數(shù)提高。本發(fā)明的主要目的在于提高該性能指數(shù)。圖I示出了封入在容器中的氣態(tài)堿金屬原子團(tuán)的速度分布的概要圖。圖I的橫軸表不氣態(tài)堿金屬原子的速度,縱軸表不具有該速度的氣態(tài)堿金屬原子的數(shù)量的比例。如圖I所示，氣態(tài)堿金屬原子具有以速度O為中心的與溫度對應(yīng)的一定的速度分布。這里，速度表示向氣態(tài)堿金屬原子團(tuán)照射激光時與照射方向平行的原子速度分量，將與光源相對靜止的速度的值設(shè)為O。這里，本發(fā)明人注意到了氣態(tài)堿金屬原子的速度對EIT現(xiàn)象的影響很大。當(dāng)氣態(tài)堿金屬原子的速度存在分布時，由于光的多普勒效應(yīng)(多普勒頻移)，在共振光的視波長即從氣態(tài)堿金屬原子觀察到的共振光的波長中，產(chǎn)生分布。因此，注意到，在原子團(tuán)中存在相當(dāng)數(shù)量的如下這樣的氣態(tài)堿金屬原子，即即使同時照射I對共振光I和2，這些氣態(tài)堿金屬原子也不會產(chǎn)生EIT現(xiàn)象而將存留下來。在采用以往的方法即同時向堿金屬原子團(tuán)照射I對共振光I和2的情況下，被封入在氣室內(nèi)的氣態(tài)堿金屬原子團(tuán)中的對EIT現(xiàn)象有貢獻(xiàn)的堿金屬原子僅僅是一部分。因此，本發(fā)明人進(jìn)行了研究，使得以往由于多普勒效應(yīng)的影響而對EIT現(xiàn)象沒有貢獻(xiàn)的氣態(tài)堿金屬原子也能夠有助于產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。下面，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。圖2是示出本發(fā)明的第I實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。該原子振蕩器50利用基于入射由2對以上(如后文所述為3對)的波長不同的相干光對構(gòu)成的共振光時的量子干涉效應(yīng)的光吸收特性，來控制振蕩頻率，該原子振蕩器50構(gòu)成為具有射出各共振光的LD (VCSEL)(相干光源)2 ;產(chǎn)生LD 2的中心波長的中心波長產(chǎn)生單元I ;振蕩器9，其振蕩產(chǎn)生相當(dāng)于2個不同的基態(tài)的能量差(ΛΕ12)的頻率(9. 2GHz)的1/2 (4. 596GHz);振蕩器10，其振蕩產(chǎn)生25MHz左右的頻率；EOM (電子光學(xué)調(diào)制元件)3、4，其利用電信號對從LD2射出的共振光11實(shí)施頻率調(diào)制；氣室5，其根據(jù)經(jīng)EOM 4調(diào)制的光12的波長來改變光的吸收量，封入有氣態(tài)銫(Cs，堿金屬)原子；光檢測器(光檢測單元)6，其檢測從氣室5透射過的光13 ；以及頻率控制單元7，其根據(jù)光檢測器6的輸出，檢測氣室5的EIT狀態(tài)，控制輸出電壓。另外，振蕩器10的振蕩頻率被設(shè)定為25MHz，該頻率是遠(yuǎn)小于銫原子的典型的多普勒寬度(例如在室溫下大約為IGHz)的值?？蓪υ擃l率進(jìn)行適當(dāng)變更。另外，關(guān)于振蕩器9的輸出頻率，由于對于銫而言，相當(dāng)于ΛΕ12的頻率大約為9. 2GHz(4. 596GHzX2)，因此，振蕩器9的輸出頻率設(shè)為4. 596GHz，其是通過對如下方式得到的頻率進(jìn)行倍頻而生成的，所述頻率是根據(jù)從頻率控制單元7輸出的控制電壓對壓控石英振蕩器8進(jìn)行控制而得到的。并且，利用振蕩器10的頻率(25MHz)對E0M3進(jìn)行調(diào)制，利用振蕩器9的頻率(4. 596GHz)對EOM 4進(jìn)行調(diào)制，將EOM 3和EOM 4串聯(lián)配置在LD 2的射出側(cè)。并且，EOM 3和振蕩器10的組合與EOM 4和振蕩器9的組合的排列順序也可以顛倒過來。·S卩，本實(shí)施方式的原子振蕩器50的結(jié)構(gòu)與以往的不同之處在于針對從LD 2射出的共振光11，經(jīng)由作為調(diào)制單元的EOM 3，得到2對以上(3對)的波長不同的2種共振光的對。在以往的原子振蕩器中，只準(zhǔn)備了 I對波長不同的2種共振光的對，并對頻率進(jìn)行控制，使得同時照射的2種共振光的頻率差(波長差)與各個基態(tài)能級的能量差ΛΕ12準(zhǔn)確地一致。但是，由于因原子運(yùn)動而產(chǎn)生的共振光的多普勒效應(yīng)，封入在氣室5中的銫原子團(tuán)的共振光波長產(chǎn)生分布，對于I對共振光而言，只是偶爾與以滿足與其波長對應(yīng)的共振條件的速度運(yùn)動的一部分銫原子發(fā)生相互作用，因此產(chǎn)生EIT現(xiàn)象的效率差。因此，在本實(shí)施方式中，將調(diào)制單元構(gòu)成為，使得波長不同的至少4個(2個共振光對)共振光與封入在氣室5中的氣態(tài)的銫原子相互作用。由此，能夠增大氣室5的每單位體積內(nèi)的有助于產(chǎn)生EIT現(xiàn)象的銫原子的數(shù)量，能夠高效地取得EIT信號。圖3 (a)及(b)是示出入射到氣室的共振光的頻譜的圖。圖4是示出入射到氣室的共振光與氣態(tài)銫原子的移動方向的狀態(tài)的圖。接著，參照圖3及圖4對本實(shí)施方式的動作進(jìn)行說明。中心波長產(chǎn)生單元I以中心波長為λ O (中心頻率f0)的方式產(chǎn)生LD 2的共振光11。當(dāng)EOM 3和4對LD 2的共振光11實(shí)施了頻率調(diào)制時，具有圖3 Ca)所示的頻譜30 32的共振光12被輸入到氣室5中。這里，在圖3 (a)中，A — A’的頻率差為9. 2GHz，對于這I對共振光，通過將λ O設(shè)定成適當(dāng)?shù)闹担瑘D4所示的入射光12的方向上的速度分量小的氣態(tài)銫原子15產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。另外，B — B’的頻率差也是9. 2GHz，對于這I對共振光，具有與圖4所示的入射光12相反方向的速度分量的氣態(tài)銫原子14產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。另外，在圖3 (a)中，C 一 C’的頻率差也是9. 2GHz，對于這I對共振光，具有與圖4所示的入射光12相同方向的速度分量的氣態(tài)銫原子16產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。這樣，氣室5內(nèi)的原子具有多種速度分布。因此，當(dāng)如上所述地向氣室5入射被賦予了邊帶(side band)B、B’、C、C’的分量的共振光12時，A_A’、B_B’、以及C-C’的頻率差均為9. 2GHz，這3對激光均與具有對應(yīng)的速度分量的氣態(tài)銫原子發(fā)生相互作用，其結(jié)果，增大了對EIT現(xiàn)象有貢獻(xiàn)的銫原子的比例。由此，能夠得到信噪比(S/N)大的期望的EIT信號。另外，在本實(shí)施方式中，雖然將EOM 4的調(diào)制頻率設(shè)定為氣態(tài)銫原子的頻率差的1/2 (4. 596GHz)，但是也可以設(shè)定為頻率差9. 2GHz。此時的共振光的頻譜如圖3 (b)所示，產(chǎn)生了頻譜33 35，但例如不使用頻譜33，而是使用頻譜34和35 (也可以是頻譜33和34)。BP, A - λ O的頻率差是9. 2GHz，對于這I對共振光，通過將λ O設(shè)定成適當(dāng)?shù)闹?，在圖4所示的入射光12的方向上的速度分量小的氣態(tài)銫原子15產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。B — λ I的頻率差也是9. 2GHz，對于這I對共振光，具有與圖4所示的入射光12相反方向的速度分量的氣態(tài)銫原子14產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。另外，C 一 λ 2的頻率差也是9. 2GHz，對于這I對共振光，具有與圖4所示的入射光12相同方向的速度分量的氣態(tài)銫原子16產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。這樣，氣室5內(nèi)的原子具有多種速度分布。因此，當(dāng)如上述地向氣室5入射被賦予了邊帶B、λ I、 C、入2的分量的共振光12時，Α — λ O、B — λ I、以及C — λ 2的頻率差均為9. 2GHz，這3對激光均與具有對應(yīng)的速度分量的氣態(tài)銫原子發(fā)生相互作用，其結(jié)果，增大了對EIT現(xiàn)象有貢獻(xiàn)的銫原子的比例。由此能夠得到信噪比(S/N)大的期望的EIT信號。S卩，為了產(chǎn)生至少2對共振光對(這里為3對)的共振光，考慮使從LD 2射出的共振光重疊地產(chǎn)生邊帶，并利用其頻譜。另外，需要用以下2個頻率來對用于調(diào)制共振光的頻率進(jìn)行調(diào)制，即相當(dāng)于2個不同的基態(tài)的能量差(ΛΕ12)的頻率(9. 2GHz)的1/2的4. 596GHz ;以及遠(yuǎn)小于銫原子的典型的多普勒寬度(例如在室溫下大約為IGHz)的值的頻率(這里為25MHz)。另外，需要利用用于對光進(jìn)行調(diào)制的Ε0Μ。因此在本實(shí)施方式中，準(zhǔn)備了分別振蕩產(chǎn)生2種頻率的振蕩器9和10，用各個頻率對串聯(lián)配置在LD 2的射出測的EOM3和4進(jìn)行調(diào)制。由此，能夠基于從LD 2射出的共振光11，產(chǎn)生具有3對頻譜的共振光，這3對頻譜保持9. 2GHz的頻率差。另外，在本實(shí)施方式中，EOM 3和EOM 4各設(shè)有I個，不過，也可以在LD 2的射出側(cè)串聯(lián)配置EOM 4和至少2個EOM 3。由此，可任意設(shè)定共振光對的數(shù)量，且以梳齒狀的頻率間隔產(chǎn)生。圖5是說明基于原子運(yùn)動的能量多普勒擴(kuò)展與本發(fā)明的共振光之間的關(guān)系的示意圖。封入容器中的氣態(tài)堿金屬原子團(tuán)的能量狀態(tài)圖可通過如下方式來表現(xiàn)用與多普勒擴(kuò)展相當(dāng)?shù)哪軒碇脫Q圖24所示的針對I個原子的能量狀態(tài)圖的激發(fā)能級。圖5中的20、2U22的各能級是與圖4中的分別由16、15、14表示的原子對應(yīng)的激發(fā)能級。由此可知，對于具有速度分布的氣態(tài)堿金屬原子團(tuán)，利用多個共振光對增大了對EIT現(xiàn)象有貢獻(xiàn)的原子的比例。因此，例如，如果將分配給I對共振光的功率設(shè)定為與以往的功率基本相等，則吸收的飽和極限變高，總功率增大，因此，能夠取得高對比度的EIT信號。另外，在總光照射功率與以往基本相等的情況下，本發(fā)明的每I對共振光的功率減小，因此抑制了 EIT信號的功率展寬(光功率越強(qiáng)EIT信號的線寬越大的現(xiàn)象)，與以往相比，能夠取得半值寬度窄的良好的EIT信號。因此，在將其應(yīng)用于振蕩器的情況下，與以往相比，能夠提高頻率穩(wěn)定性。圖6是示出本發(fā)明的第2實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。對相同結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注與圖2相同的參照標(biāo)號來進(jìn)行說明。圖6與圖2的不同之處在于，刪除了 EOM 4，并設(shè)置了將振蕩器10和振蕩器9的輸出信號混合的混合器17,利用混合器17的輸出信號18來驅(qū)動EOM 3，將EOM 3配置在LD 2的射出側(cè)。由此，從EOM 3射出的共振光12產(chǎn)生與圖3(a)相同的頻譜。S卩，為了對光進(jìn)行調(diào)制，使用了 Ε0Μ，但存在下述問題，S卩如果增加頻譜的數(shù)量，則必須相應(yīng)地增加EOM的數(shù)量，成本增高且部件數(shù)量增加。因此，在本實(shí)施方式中，預(yù)先用混合器17混合對EOM進(jìn)行調(diào)制的信號，利用其輸出信號18對I個EOM 3進(jìn)行調(diào)制。由此，可將EOM的數(shù)量控制為最小，能夠減少部件數(shù)量。圖7是示出本發(fā)明的第3實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。對相同的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注與圖6相同的參照標(biāo)號來進(jìn)行說明。圖7與圖6的不同之處在于，刪除了 EOM 3，利用混合器17的輸出信號19直接對LD 2進(jìn)行調(diào)制驅(qū)動。由此，從LD 2射出的共振光11產(chǎn)生與圖3 (a)相同的頻譜。S卩，中心波長產(chǎn)生單元I以中心波長為λ O的方式產(chǎn)生從LD 2射出的共振光11。并且，為了對中心波長進(jìn)行調(diào)制，除了用EOM對從LD 2射出的共振光11進(jìn)行調(diào)制的方法以夕卜，還有對LD 2本身進(jìn)行調(diào)制的方法。因此，在本實(shí)施方式中，混合器17將振蕩器10和振蕩器9的輸出頻率混合，并用混合器17混合后的信號19對LD 2本身進(jìn)行調(diào)制驅(qū)動。由此，可以不需要Ε0Μ。另外，還可從圧控石英振蕩器8經(jīng)由PLL等(也可利用振蕩器9的電路的一部分)來生成振蕩器10的輸出頻率。在該情況下，也不需要振蕩器10。
另外，省略圖示，也可以將設(shè)置在以往的EIT方式的原子振蕩器中的LD形成為如下結(jié)構(gòu)，即將各個不同波長的面發(fā)光激光配置成陣列狀。圖8是示出本發(fā)明的實(shí)施方式的磁傳感器的結(jié)構(gòu)的圖。對相同結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注與圖7相同的參照標(biāo)號來進(jìn)行說明。圖8與圖7的不同之處在于，在氣室5的附近配置了被測定磁場產(chǎn)生源37，并具有測定頻率控制單元7的輸出信號的變動的磁場測定器36。原子振蕩器的振蕩頻率以原子的2個基態(tài)能級之間的能量差(Λ Ε12)為基準(zhǔn)。ΛΕ12的值隨外部磁場的強(qiáng)度或變動而變化，因此，對原子振蕩器的氣室實(shí)施了磁場屏蔽，以不受外部磁場的影響。因此，可通過去除磁場屏蔽并根據(jù)振蕩頻率變化讀取ΛΕ12的變化，來制造測定外部磁場的強(qiáng)度和變動的磁傳感器。通過采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，能夠在S/N較高的狀態(tài)下產(chǎn)生EIT現(xiàn)象，因此能夠?qū)崿F(xiàn)磁傳感器的小型化。圖9 (a)是由波長不同的2個共振光的對引起的EIT現(xiàn)象的光透射強(qiáng)度的圖，圖9 (b)是對波長不同的2個共振光的對進(jìn)行調(diào)制時的EIT現(xiàn)象的光透射強(qiáng)度的圖。根據(jù)圖9 Ca)可知，波形41是來自VCSEL的經(jīng)線偏振光化的光透射強(qiáng)度的波形，波形42表示進(jìn)一步使該共振光對通過波長板而成為圓偏振光時的光透射強(qiáng)度?？芍?，波形42相對于波形41增加了大約20%的水平。另外，當(dāng)如圖9 (b)所示地對共振光對進(jìn)行調(diào)制時，多個共振光對均與具有對應(yīng)的速度分布的氣態(tài)銫原子發(fā)生相互作用，顯現(xiàn)出具有多個峰值的波形43。在本實(shí)施方式中，例如圖10所示，在LD 2與氣室5之間，以與光路垂直的方式配置了波長板40，當(dāng)逐漸旋轉(zhuǎn)波長板面而使得共振光對11變成圓偏振光時，確認(rèn)到在波長λ O處光透射強(qiáng)度為最大的波形45。因此，確認(rèn)到，在共振光對從線偏振光向圓偏振光變化的過程中，光透射強(qiáng)度變成波形43 (線偏振光)、波形44 (楕圓偏振光)、波形45 (圓偏振光)。S卩，對于從LD 2射出的共振光對11，在與光的傳播方向垂直面內(nèi)電矢量的末端描繪出圓的情況下，該光被稱為圓偏振光。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確認(rèn)到當(dāng)將共振光對轉(zhuǎn)換成圓偏振光時，波長λ O的光透射強(qiáng)度增大到通常的6倍左右。由此，能夠提高EIT現(xiàn)象下的光輸出信號的 S/N。
另外，對于從LD 2射出的共振光對11，在與光的傳播方向垂直的面內(nèi)電矢量的末端描繪出楕圓的情況下，該光被稱為楕圓偏振光。存在這樣的橢圓偏振光，即當(dāng)在共振光對的光路上，以與光路垂直的方式設(shè)置了波長板并旋轉(zhuǎn)其表面時，該橢圓偏振光的偏振狀態(tài)發(fā)生變化且是在垂直偏振光與圓偏振光之間連續(xù)地變化。因此，即使是楕圓偏振光，也能夠提高EIT現(xiàn)象下的光輸出信號的S/N。圖10是示出本發(fā)明的第4實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。第4實(shí)施方式是在圖7的結(jié)構(gòu)中追加了波長板40而得到的結(jié)構(gòu)。S卩，在LD 2與氣室5之間，以與光路垂直的方式配置了波長板40。從LD 2射出的線偏振光的共振光對11入射到波長板40,被偏振 90度相位而成為圓偏振光11a。另外，波長板40可以配置在LD 2與氣室5之間的任何位置，可以位于LD 2的出射面附近，也可以位于氣室5的入射口附近。圖11是示出本發(fā)明的第5實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。第5實(shí)施方式是在圖6的結(jié)構(gòu)中追加波長板40而得到的結(jié)構(gòu)。S卩，在EOM 3與氣室5之間，以與光路垂直的方式設(shè)置了波長板40。從LD 2射出的線偏振光的共振光對11經(jīng)EOM 3調(diào)制后成為共振光12,入射到波長板40,被偏振90度相位而成為圓偏振光12a。另外,波長板40可以配置在EOM 3與氣室5之間的任何位置處，可以配置在EOM 3的出射面附近，也可以配置在氣室5的入射口附近。S卩，波長板是指使垂直的偏振光分量之間產(chǎn)生相位差的多折射元件。將產(chǎn)生相位差π (180° )的波長板稱為λ/2板或半波長板,其用于改變線偏振光的偏振方向。將產(chǎn)生相位差η/2 (90° )的波長板稱為λ/4板或四分之一波長板，其用于將線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光(楕圓偏振光)，或相反地將圓偏振光(楕圓偏振光)轉(zhuǎn)換成線偏振光。在本實(shí)施方式中，由于需要將線偏振光轉(zhuǎn)換成圓偏振光或楕圓偏振光，因此需要使用λ /4板，利用波長板40將從LD 2射出的線偏振光的共振光對11轉(zhuǎn)換成圓偏振光或楕圓偏振光，入射到氣室5。由此，只需簡單的結(jié)構(gòu)即可提高EIT現(xiàn)象下的光輸出信號的S/N。圖14 Ca)是示出滿足產(chǎn)生EIT的條件的2光波共振光對的光強(qiáng)度(橫軸)與EIT信號強(qiáng)度(縱軸)之間的關(guān)系的圖。在光強(qiáng)度很弱的區(qū)域，EIT信號強(qiáng)度與光強(qiáng)度保持比例關(guān)系且大致線性地變化。但是，當(dāng)光強(qiáng)度超過某點(diǎn)(P O)時，即使增大光強(qiáng)度，EIT信號強(qiáng)度也不明顯地變化(飽和區(qū)域)?？紤]到這點(diǎn)，關(guān)注氣室內(nèi)的堿金屬原子中的具有特定速度(如上所述，是指與入射光平行的速度分量)的原子團(tuán)(ensemble)，從光利用效率的角度來看，希望將入射光強(qiáng)度設(shè)定為EIT信號強(qiáng)度相對于入射光強(qiáng)度未達(dá)到飽和的最大光強(qiáng)度PO (強(qiáng)度線性地增加的區(qū)域中最大的光強(qiáng)度)。作為EIT產(chǎn)生區(qū)域的氣室內(nèi)的堿金屬原子(例如銫，Cs)團(tuán)具有圖12 (b)所示的速度分布(曲線)，該曲線隨壓力和溫度等環(huán)境因素而變化，但如果僅關(guān)注某個固定方向上的速度分量的分布，則如圖12 (a)所示，基本呈高斯分布。當(dāng)向該系統(tǒng)入射2光波的共振光對來產(chǎn)生EIT時，因該速度分布而產(chǎn)生能量的多普勒擴(kuò)展，因此與產(chǎn)生EIT的頻率區(qū)域的中心頻率對應(yīng)的EIT信號強(qiáng)度分布也呈高斯分布(典型情況下，經(jīng)頻率換算而具有I [GHz]左右的擴(kuò)展)。因此，關(guān)注上述光利用效率，當(dāng)設(shè)定為使得多個共振光對各自的光強(qiáng)度處于PO附近時，希望其分布為圖14 (b)所示那樣，呈接近原子的速度分布即高斯分布的形狀。半導(dǎo)體激光器等當(dāng)被施加直流電流時，發(fā)出與其電流值(Ivias)對應(yīng)的頻率(波長)的單色光(相干光)。如果把中心波長設(shè)為大約852 [nm]并對Ivias施加4. 6 [GHz]的「調(diào)制」時(Imod (I) = 4.6 [GHz])，在中心波長的兩側(cè)形成二者間隔為(4. 6X2 = 9.2[GHz])的邊帶，當(dāng)該2光波作為共振光對入射到氣室內(nèi)的Cs原子時，發(fā)生量子干涉而產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。這里，結(jié)合前面的多普勒擴(kuò)展可知，對于2光波的共振光對(I對)而言，對EIT現(xiàn)象有貢獻(xiàn)的氣室內(nèi)的Cs原子數(shù)量非常少。即，以往EIT產(chǎn)生效率差。下面使用附圖詳細(xì)地說明驅(qū)動半導(dǎo)體激光器的施加電流的狀態(tài)和激光器的頻率分布。圖16是示出在對中心波長為大約852 [nm]的單色半導(dǎo)體激光器實(shí)施頻率調(diào)制時觀測到的頻率分布的圖。為了將堿金屬原子(Cs)作為對象原子來產(chǎn)生EITJf Ivias (直流偏置電流)設(shè)定成使得中心波長成為與Cs激發(fā)能量相當(dāng)?shù)?52 [nm]左右，然后可以對Ivias實(shí)施4.6 [GHz]的頻率調(diào)制Imod (1)，或者經(jīng)由EOM (電子光學(xué)調(diào)制元件)產(chǎn)生邊帶，由此產(chǎn)生I對彼此的頻率差為9. 2GHz的2光波的共振光對。當(dāng)對其進(jìn)一步重疊任意頻率(例如15 [MHz])的調(diào)制Imod (2)(重疊調(diào)制)時，2光波分別由重疊頻率15 [MHz]進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生具有重疊頻率15 [MHz]的間隔的梳(Comb)齒狀的頻率分布。具有這種梳齒狀的頻率分布的各個原來的2光波可以被看作多對共振光對，因此，只要使其與氣室內(nèi)的Cs原子發(fā)生作用，即可與以不同速度運(yùn)動的Cs原子團(tuán)同時產(chǎn)生EIT，EIT產(chǎn)生效率進(jìn)一步提高(本發(fā) 明)。圖16 Ca)是以往那樣未進(jìn)行重疊調(diào)制的2光波中的I個。(b)、(c)是用正弦波來重疊Imod (2)時的頻譜。經(jīng)調(diào)制的頻率均等于15 [MHz],但(b)、(c)的調(diào)制的振幅條件不同。二者均呈現(xiàn)梳齒狀的頻率分布，并且可知，與調(diào)制振幅為O. 2 [V]的(b)相比，1.0[V]的(c)的頻率擴(kuò)展范圍更大。圖17是將Cs的EIT信號的強(qiáng)度(縱軸)和線寬(橫軸)之間的關(guān)系與現(xiàn)有方法進(jìn)行比較的圖，上述關(guān)系是通過利用考慮了本發(fā)明的重疊調(diào)制Imod (2)的激光驅(qū)動來照射多個共振光對而得到的，通過改變照射到Cs的激光功率而得到數(shù)據(jù)。圖17的(a)、(b)、(c)分別與圖16的(a)、(b)、(c)對應(yīng)?？芍c以往相比，在相同線寬的情況下，本發(fā)明的EIT信號強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以往，先前定義的“性能指數(shù)”(=QX (S/N))提高。在本發(fā)明方法中，還能夠理解到，與(b)相比，(c)的EIT信號強(qiáng)度更大是因?yàn)楦鶕?jù)圖16所示的各個激光頻譜分布可知，通過捕捉氣室內(nèi)的速度分布更多的Cs原子，與共振光對之間相互作用的效率提高，這對產(chǎn)生EIT有貢獻(xiàn)。并且確認(rèn)到在現(xiàn)有方法(a)中，由于無法得到EIT信號強(qiáng)度，因此很難實(shí)現(xiàn)120 [kHz]以下的EIT線寬，很難提高Q值(EIT信號線寬的倒數(shù))，但在本發(fā)明
(b)、(c)中，能夠進(jìn)一步細(xì)化線寬，因此能夠大幅提高性能指數(shù)。圖18是對半值全寬(線寬)為127[kHz]下的各個EIT信號進(jìn)行比較的圖。確認(rèn)到與現(xiàn)有方法(a)相比，在本發(fā)明的(c)中，EIT信號強(qiáng)度大約比其大14倍。對到此為止的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，可明確以下結(jié)論。當(dāng)要細(xì)化功率展寬的線寬時，如果降低激光功率(圖15 (a))，則EIT信號強(qiáng)度與其成比例地減弱(圖15 (b))，在現(xiàn)有方法中，在A點(diǎn)處EIT信號強(qiáng)度變成O。S卩，無法得到比A點(diǎn)處的信號線寬更窄的信號線寬。但是，在本發(fā)明的方法中，對產(chǎn)生EIT信號有貢獻(xiàn)的氣室內(nèi)的原子數(shù)量(密度)大幅增加，因此，在現(xiàn)有方法中信號強(qiáng)度已消失的EIT信號寬度下，能夠得到充分的信號強(qiáng)度(B點(diǎn))。即，用B點(diǎn)處的EIT信號強(qiáng)度除以A點(diǎn)處的EIT信號強(qiáng)度而得到的值表示本發(fā)明的方法相對于現(xiàn)有方法的最大放大率，是S/N的改善效果的指標(biāo)。如果S/N得到改善，則性能指數(shù)提高，因此可與其大小成比例地提高利用了 EIT現(xiàn)象的各種器件的性能。很明顯，例如在利用了 EIT現(xiàn)象的原子振蕩器中，頻率穩(wěn)定度與S/N成比例地提高，如果將其應(yīng)用于磁傳感器(利用EIT原子振蕩器的頻率對外部磁場敏感地做出反應(yīng)而發(fā)生變化的性質(zhì))等量子干涉?zhèn)鞲衅髦?，則能夠產(chǎn)生高靈敏度等的效果。另外，在本發(fā)明中，與S/N得到改善相應(yīng)地，即使減小引發(fā)EIT現(xiàn)象的上述氣室的大小，也能夠得到與以往相同的信號強(qiáng)度，因此，具有能夠?qū)崿F(xiàn)器件的進(jìn)一步的小型化等的效果。另外，如圖15 (b)所示，如果在B點(diǎn)處得到了充分的EIT信號強(qiáng)度，則可通過進(jìn)一步降低激光強(qiáng)度來進(jìn)一步細(xì)化信號線寬(排除功率展寬的影響)。例如，用點(diǎn)劃線表示作為目標(biāo)的最低信號強(qiáng)度線，對于本發(fā)明的方法而言，能夠?qū)崿F(xiàn)C點(diǎn)處的信號線寬。與先前的關(guān)于S/N的討論相同，線寬值越小，Q值越大，因此性能指數(shù)的值變大，從而能夠提高利用了EIT現(xiàn)象的各種器件的性能。例如，在利用了 EIT現(xiàn)象的原子振蕩器中，通過EIT信號的細(xì)線化，頻率穩(wěn)定度提高，如果將其應(yīng)用于磁傳感器(利用EIT原子振蕩器的頻率對外部磁場 敏感地做出反應(yīng)而發(fā)生變化的性質(zhì))等量子干涉?zhèn)鞲衅?，則帶來高精度化等效果。通過以上討論可知，根據(jù)本發(fā)明，通過適當(dāng)?shù)剡x擇激光的調(diào)制方法，能夠得到現(xiàn)有方法所無法實(shí)現(xiàn)的EIT信號強(qiáng)度和EIT線寬，因此具有這樣的優(yōu)點(diǎn)能夠大范圍地確定與應(yīng)用目的相符的EIT信號曲線。利用該優(yōu)點(diǎn)，例如在EIT器件設(shè)計(jì)、制造階段中，如果利用激光驅(qū)動電路IC等一體地獨(dú)立設(shè)置能夠控制上述激光調(diào)制參數(shù)(調(diào)制波形、強(qiáng)度等，還包括調(diào)制開啟/關(guān)閉)的單元，并將相當(dāng)數(shù)量的其它結(jié)構(gòu)要素作為通用部件，則能夠容易地分開制造專用目的的EIT器件，具有降低成本等的效果。另外，也可以預(yù)先設(shè)置這樣的單元，即產(chǎn)品用戶自己可利用該單元，根據(jù)使用環(huán)境等適當(dāng)?shù)乜刂啤⒃O(shè)定上述激光調(diào)制參數(shù)。圖13示出了激光的調(diào)制方法與傅立葉分量之間的關(guān)系。(a)是用正弦波進(jìn)行振幅調(diào)制(AM)時的傅立葉分量，(b)是用矩形波進(jìn)行振幅調(diào)制(AM)時的傅立葉分量，(c)是用三角波進(jìn)行振幅調(diào)制(AM)時的傅立葉分量。橫軸是頻率。矩形波調(diào)制與三角波調(diào)制相比，存在更高次的傅立葉分量。如果用頻率調(diào)制(FM)或相位調(diào)制(PM)對這些合成波進(jìn)一步進(jìn)行重疊調(diào)制，并對激光進(jìn)行作為Imod (2)的重疊調(diào)制，則能夠得到任意的調(diào)制波形，并能夠高自由度地控制多個共振光對的強(qiáng)度分布和相鄰的頻率間隔。由此，能夠得到如下等效果容易實(shí)現(xiàn)每種用途所要求的器件性能需要的EIT信號制御，精度也得到提高。圖19是示出本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的圖。其是這樣的例子，即不用Imod (I)對激光進(jìn)行調(diào)制，而是利用了 EOM (電子光學(xué)調(diào)制元件)。圖20是堿金屬的電子狀態(tài)的能量圖。圖20 Ca)是激發(fā)能級為P3/2、即與所謂的D2線對應(yīng)的能量圖，圖20 (b)是激發(fā)能級為P1/2、即與所謂的Dl線對應(yīng)的能量圖。圖20
(c)表不以往的基于2光波的I對共振光對或本發(fā)明的多對共振光對與考慮了多普勒擴(kuò)展的堿金屬原子之間的相互作用，是滿足了產(chǎn)生EIT現(xiàn)象的條件時的激發(fā)能級附近的能量圖。激發(fā)能級P3/2由超精細(xì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在利用了 EIT現(xiàn)象的器件的通常使用溫度范圍內(nèi)，涉及EIT產(chǎn)生的F’ = I + 1/2、I - 1/2的能量因多普勒擴(kuò)展而重合(圖20 (C))。另夕卜，在溫度高的區(qū)域中，即使是激發(fā)能級P1/2的超精細(xì)結(jié)構(gòu)，有時也會因多普勒擴(kuò)展而發(fā)生能量重合。對激光中心頻率(中心波長)進(jìn)行設(shè)定，使得本發(fā)明的多個共振光對中的盡量多的共振光對的激發(fā)目標(biāo)能量Eend進(jìn)入該重合區(qū)域。S卩，如圖20 (c)所示，使得滿足El
<Eend < E2。這里,所述F’表示超精細(xì)結(jié)構(gòu)的量子數(shù),所述I表示核自旋量子數(shù)。
入射到該能量重合區(qū)域的1對共振光對引起與不同的F’(超精細(xì)結(jié)構(gòu)的量子數(shù))對應(yīng)的2種堿金屬原子的EIT現(xiàn)象。即，針對具有彼此相反方向的速度分量的2種不同的速度群(ensemble :原子團(tuán))的堿金屬原子，同時產(chǎn)生EIT。當(dāng)滿足這樣的條件時，共振光對的光強(qiáng)度(光子數(shù))被分散到各個原子團(tuán)中，因此EIT信號強(qiáng)度不容易達(dá)到飽和，能夠照射更強(qiáng)的激光，S/N提高。尤其是，當(dāng)氣室小型化而需要增強(qiáng)EIT信號強(qiáng)度時，效果更好。另外，如果所照射的總的光強(qiáng)度不變，則在該重合區(qū)域中，光子數(shù)以如上所述地使得不同的2種速度群的堿金屬原子與光子發(fā)生相互作用的方式分散，因此其結(jié)果是，對于一方的速度群，抑制了功率展寬，細(xì)化了 EIT信號的線寬(Q值增大)。即，能夠提高性能指數(shù)。圖21是典型的P1/2能級的能量圖。一般情況下，Dl線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能量分裂寬度比D2線大(典型為O. 5 IGHz)，多普勒擴(kuò)展的2種能帶不重合。如上所述，在D2線(激發(fā)目標(biāo)能級為P3/2)的情況下，由于超精細(xì)結(jié)構(gòu)的能量分裂寬度小，因此，因多普勒擴(kuò)展而產(chǎn)生能帶重合，能夠使多對共振光對與同一原子同時發(fā)生相互作用。在該情況下，發(fā)生4光波混合，純粹的3能級系統(tǒng)Λ型躍遷出現(xiàn)問題，EIT效率降低。但是，一般情況下，Dl線的超精細(xì)結(jié)構(gòu)能量分裂寬度比D2線大(典型為O. 5 IGHz)，多普勒擴(kuò)展的2種能帶不重合。因此，如果使用Dl線，則能夠在保持純粹的3能級系統(tǒng)Λ型躍遷的同時，實(shí)現(xiàn)基于多對共振光對的ΕΙΤ，因此，能夠增大基于重疊效應(yīng)的EIT信號的增強(qiáng)效果。在該情況下，存在Ell<EEN d < E12 (圖 21 (a))和 E21<Een d < E22 (圖 21 (b))這 2 種方法。圖22(c)是示出本發(fā)明的第6實(shí)施方式的封入了堿金屬原子的氣室、光源、光路以及檢測器的配置結(jié)構(gòu)的圖。這里，由激光光源發(fā)出的光入射到氣室，與堿金屬原子產(chǎn)生EIT現(xiàn)象，之后，通過反射等手段而折返的光向反方向前進(jìn)，由此再次與氣室內(nèi)的堿金屬原子產(chǎn)生EIT現(xiàn)象，然后被導(dǎo)入到光檢測器中。這是所謂的反射型。此時，如圖22 (a)、(b)所示，當(dāng)把未考慮多普勒寬度的激發(fā)能級的能量設(shè)為ElO時，如果以上述光源的單色光的激發(fā)目標(biāo)能量EendO與ElO不相等(E10 < EendO或EendO < E10)的方式進(jìn)行選擇，則能夠使I對共振光在去路和回路上，分別在氣室內(nèi)與具有相反方向的速度分量的堿金屬原子群產(chǎn)生EIT0因此，在這樣的條件下由多個共振光對產(chǎn)生EIT時，與非反射型的情況相比，利用一半數(shù)量的共振光對或一半的光調(diào)制寬度，即可得到相同的本發(fā)明的效果。因此，根據(jù)本結(jié)構(gòu)，激光驅(qū)動器等生成多對共振光對的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得更容易，器件驅(qū)動時的功耗減少，有利用節(jié)能。圖23 (c)是示出本發(fā)明的第7實(shí)施方式的封入了堿金屬原子的氣室、光源、光路以及檢測器的配置結(jié)構(gòu)的圖。這里，從激光光源發(fā)出的光入射到氣室，與堿金屬原子產(chǎn)生EIT現(xiàn)象，之后，通過反射等手段，使光多次通過氣室內(nèi)，每當(dāng)引起了 EIT現(xiàn)象后被導(dǎo)入到光檢測器中。這是所謂的多重反射型。此時，如圖23 (a)、(b)所示，如果以能夠引起EIT現(xiàn)象的多個共振光對的所有的激發(fā)目標(biāo)能量Eend只滿足Eend < ElO或ElO < Eend中的任意一個條件的方式進(jìn)行選擇，則能夠使I對共振光在去路和回路上分別在氣室內(nèi)與具有相反方向的速度分量的堿金屬原子群產(chǎn)生EIT。另外，通過采用多重反射型，光路長度變得更長，從而相干時間增大，EIT信號強(qiáng)度更強(qiáng)，線寬更細(xì)。這有利于提高性能指數(shù)。另外，當(dāng)把光的反射次數(shù)設(shè)為奇數(shù)次且光的去路與回路的光路長度大致相等時，在彼此不同的速度群中，對EIT有貢獻(xiàn)的原子的數(shù)量幾乎相等，因此，從EIT產(chǎn)生效率的角度來看是有利的。因此，在該條件下由多個共振光對引起EIT的情況下，與非反射型的情況相比，利用一半數(shù)量的共振光對或一半的光調(diào)制寬度，即可得到相同的效果。因此，根據(jù)本結(jié)構(gòu)，激光驅(qū)動器等生成多對共振光對的機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)變得更 容易，器件驅(qū)動時的功耗減少，有利于節(jié)能。
權(quán)利要求
1.一種量子干涉裝置，其產(chǎn)生電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，其特征在于， 該量子干涉裝置具有 氣態(tài)的堿金屬原子，其具有2個基態(tài)能級和至少I個激發(fā)能級，所述2個基態(tài)能級具有能量差；以及 入射到所述氣態(tài)的堿金屬原子的多對共振光對， 各個所述共振光對具有保持與所述能量差相應(yīng)的頻率差的2種頻率， 各個所述共振光對的中心頻率彼此不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的量子干涉裝置，其特征在于， 所述多對共振光對為線偏振光。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的量子干涉裝置，其特征在于， 所述多對共振光對為圓偏振光。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的量子干涉裝置，其特征在于， 所述多對共振光對為楕圓偏振光。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的量子干涉裝置，其特征在于， 在所述多對共振光對經(jīng)過的光路上設(shè)有波長板。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置，其特征在于， 所述多對共振光對滿足電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的發(fā)生條件，各個共振光對的光強(qiáng)度處于EIT信號強(qiáng)度線性增大的區(qū)域中的最大值PO附近。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置，其特征在于， 所述多對共振光對的強(qiáng)度分布相對于各個對的中心頻率呈高斯分布，且與最大的光強(qiáng)度對應(yīng)的共振光對滿足與該光方向的速度分量為O附近的所述堿金屬的原子團(tuán)對應(yīng)的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的發(fā)生條件，其強(qiáng)度是線性區(qū)域中的最大值PO。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的量子干涉裝置，其特征在于， 通過振幅調(diào)制與頻率調(diào)制或相位調(diào)制的合成來生成所述多對共振光對。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的量子干涉裝置，其特征在于， 通過具有正弦波、三角波、鋸齒波、矩形波中的任意一個波形的信號的調(diào)制，來生成所述多對共振光對。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置，其特征在于， 該量子干涉裝置具有用于對光源進(jìn)行調(diào)制的驅(qū)動電路部，所述驅(qū)動電路部與其它結(jié)構(gòu)部件分離，在制造過程中或在產(chǎn)品化后的狀態(tài)下，能夠任意地控制、設(shè)定所述驅(qū)動電路部的常數(shù)。
11.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置，其特征在于， 當(dāng)設(shè)所述堿金屬原子的核自旋量子數(shù)為I、所述堿金屬原子的P1/2激發(fā)能級或P3/2激發(fā)能級中的超精細(xì)結(jié)構(gòu)的量子數(shù)為F’、考慮了 F’ = I 一 1/2以及F’ = I + 1/2的多普勒擴(kuò)展的兩個能量的范圍彼此重合的區(qū)域內(nèi)的最小能量為E1、最大能量為E2時，引起所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的多對共振光對中的任意一對的激發(fā)目標(biāo)能量Eend滿足El < Eend < E2。
12.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置，其特征在于， 設(shè)所述堿金屬原子的核自旋量子數(shù)為I、所述堿金屬原子的激發(fā)能級的超精細(xì)結(jié)構(gòu)的量子數(shù)為F’，則在考慮了 F’ = I 一 1/2以及F’ = I + 1/2的多普勒擴(kuò)展的兩個能量的范圍彼此不重合的狀態(tài)下，當(dāng)設(shè)考慮了所述多普勒擴(kuò)展的所述F’= I - 1/2的能量的范圍為從Ell到E12、考慮了所述多普勒擴(kuò)展的所述F’= I + 1/2的能量的范圍為從E21到E22、且Ell < E12、E21 < E22時，引起所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的多對共振光對中的任意一對的激發(fā)目標(biāo)能量Eend只滿足Ell < Eend < E12或E21 < Eend < E22中的某一方的條件。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置，該量子干涉裝置使多對共振光對I次或多次地折返通過所述堿金屬原子，從所述堿金屬原子檢測所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，該量子干涉裝置的特征在于， 當(dāng)設(shè)未考慮多普勒寬度的激發(fā)能級的能量為E10、所述多對共振光對的激發(fā)目標(biāo)能量為 EendO 時，所述 EendO 滿足 ElO < EendO 或 EendO < E10。
14.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置，該量子干涉裝置使多對共振光對I次或多次地折返通過所述堿金屬原子，從所述堿金屬原子檢測所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，該量子干涉裝置的特征在于， 當(dāng)設(shè)引起所述電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的多對共振光對中的任意一對的激發(fā)目標(biāo)能量為Eend時，所述Eend只滿足Eend < ElO或ElO < Eend中的某一方的條件。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的量子干涉裝置，其特征在于， 所述折返次數(shù)為奇數(shù)次。
16.一種原子振蕩器，其特征在于，該原子振蕩器具有權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置。
17.—種磁傳感器,其特征在于,該磁傳感器具有權(quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置。
18.一種量子干涉?zhèn)鞲衅?，其特征在于，該量子干涉?zhèn)鞲衅骶哂袡?quán)利要求I至5中任意一項(xiàng)所述的量子干涉裝置。
全文摘要
本發(fā)明提供量子干涉裝置、原子振蕩器以及磁傳感器。所述量子干涉裝置產(chǎn)生電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，其特征在于，該量子干涉裝置具有氣態(tài)的堿金屬原子，其具有兩個基態(tài)能級和至少一個激發(fā)能級，所述兩個基態(tài)能級具有能量差；以及入射到所述氣態(tài)的堿金屬原子的多對共振光對，各個所述共振光對具有保持與所述能量差相應(yīng)的頻率差的兩種頻率，各個所述共振光對的中心頻率彼此不同。
文檔編號H03L7/26GK102882522SQ20121040506
公開日2013年1月16日 申請日期2010年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月6日
發(fā)明者青山拓, 珎道幸治 申請人:精工愛普生株式會社