JPH02207577A - ルビジウム原子発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 例えば、ディジタル網用主発振器に使用されるルビジウ
ム原子発振器、特にガスセル型ルビジウム原子発振器に
関し、 短期周波数安定度を改善することを目的とし、水晶発振
器の出力周波数を周波数逓倍・合成して超高周波数の波
を生成する周波数逓倍・合成部分と、該超高周波数とル
ビジウム原子の原子共鳴周波数とを比較して周波数差に
対応する信号を出力するルビジウム原子共鳴器と、サー
ボ増幅器とを設け、該サーボ増幅器で該超高周波数が該
原子共鳴周波数と一致する様に該水晶発振器の発振周波
数を制御するルビジウム原子発振器において、該ルビジ
ウム原子共鳴器内に設けられたルビジウム原子封入用セ
ルをエネルギー準位（５Ｓ、Ｆ＝１）と５Ｐとの間の遷
移周波数に対応する光を選択的に透過させる光学ガラス
で構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は２例えばディジタル網用主発振器に使用される
ルビジウム原子発振器、特にガスセル型ルビジウム原子
発振器に関するものである。

ガスセル型ルビジウム原子発振器はルビジウム原子の原
子共鳴周波数を基準として内蔵の水晶発振器の周波数を
制御する為、高安定水晶発振器より２桁程度周波数安定
度が優れているが、短期周波数安定度の改善を図ること
が要望されている。

〔従来の技術〕

第３図は従来例の構成図で、２セル型ルビジウム原子発
振器である。

ここで、図中の共鳴セル１３にはルビジウム原子の２種
類の同位元素であるルビジウム８５と８７（以下　ｎｂ
ｌｌｓ、　Ｒｂ８？と省略する）とが、ランプセル１２
にはＲｂ１ｌがそれぞれ封入されているが、これらは第
４図（ａ）に示す様なエネルギー準位を持っている。以
下、第４図を参照して第３図の動作を説明する。

先ず、ランプ励振器１１の出力で励振されたランプセル
（透明ガラス製で電極は持っていない）１２は高周波放
電発光する。ランプ光はランプセル内に封入されている
ルビジウムおよび緩衝ガスとしてのアルゴンなどが持つ
電子の様々なエネルギー準位間における遷移によって発
生するので、多くのスペクトルを持つ光の総和として共
鳴セル１３に入射する。

共鳴セル内ではランプセル１２から放射された光の中、
第４図０））のスペクトルＤ（波長７９４８　Ａ）はＨ
ｂ８ＳのスペクトルＢの波長に接近しているので。

Ｈｂ８Ｓ原子により吸収されて減衰し、共鳴セル内では
スペクトルへの光（以下、Ａ光と省略する）が支配的と
なる。

そして、Ａ光（波長７８００λ）の照射を受ける共鳴セ
ル内のＲｂ１ｌ？原子のうち第４図（ａ）に示す（５Ｓ
、　Ｆ＝１　）のエネルギ準位にあるものはＡ光を吸収
して５？準位へ遷移し、再び基底準位（５Ｓ、　Ｆ・１
）と（５Ｓ、　Ｆ＝２　）へ同じ割合で自然に落下する
。このうち、（５Ｓ、　Ｆ・１）準位に落下した原子は
再びＡ光を吸収して５？準位に移り１回目と同様に基底
準位（５Ｓ、　Ｆ・１）と（５Ｓ、　Ｐ・１）へすぐ落
下するが、２回目は（５Ｓ、　Ｆ・１）準位にある原子
の数が１回目に比べて減少する。

この過程を繰り返すと、初めに（５Ｓ、　Ｆ・１）準位
にあった原子の大部分は（５Ｓ、　Ｆ・２）準位に転移
する。即ち、高いエネルギ準位（５Ｓ、　Ｆ・２）にあ
る原子の個数が低いエネルギ単位（５５，Ｆ・１）にあ
る原子の個数よりも多い、いわゆる負温度の状態になる
。

この様に負温度の状態にある系に水晶発振器２２の出力
を逓倍・合成器２３で逓倍・合成し、更に逓倍して得ら
れた周波数ｆの電磁波を照射するとｆ・ｒｏ（ここで＋
ｆＯはＲｂ８？の２つの準位との間の原子共鳴周波数で
６８３４．６８　ＭＨｚ　）であれば（５Ｓ、Ｆ・２）
にあった原子は誘導放出を起こして（５Ｓ、　Ｆ＝１）
準位に落ち、再びＡ光を吸収して５？準位へ励起される
。

即ち、外部から照射される電磁波の周波数ｆがｆｏと一
致するとＡ光はＲｂ８？が電磁波を受ける前よりも強く
吸収される為、検出器１４に到達する光は弱くなる。し
かし、ｆがｆｏからずれるに従って上記の誘導放出は起
こり難くなり、検出器に到達する光の強度は元に戻る。

そこで、サーボ増幅器２１で吸収が最も大きくなる様に
水晶発振器の発振周波数を制御することにより、水晶発
振器の発振周波数はｐｂａ７の共鳴周波数と同じ周波数
安定度を得ることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ここで、ランプセルからの光は上記の様に様々なスペク
トルを持つ光の総和であるが、原子共鳴に寄与する光は
その中の極く僅かな成分（第４図（ｂ）のＡ光、Ｄ光）
に過ぎない。しかし、ランプセル、共鳴セルはパイレッ
クス等の透明ガラスで構成されている為、原子共鳴に寄
与しない成分は共鳴セルを素通りして検出器に達して検
出器の出力中に雑音として現れる。

一方、ルビジウム原子発振器の短期周波数安定度（ラン
ダム雑音による周波数のゆらぎの標宰偏差）はＫ（Ｓ／
Ｎ）伺τ−（１／Ｚ）で与えられるので、τ。

τ。に対して（Ｓ／Ｎ）が低い程、短期周波数安定度は
悪くなる。尚、には定数、τは観測時間を示す。

即ち、短期周波数安定度を改善する為には上記の雑音を
低減しなければならないと云う問題がある。

本発明は短期周波数安定度の改善を図ることを目的とす
る。

〔課題を解決する為の手段〕

第１図は本発明の原理ブロック図を示す。

図中、４３は水晶発振器の出力周波数を周波数逓倍・合
成して超高周波数の波を生成する周波数逓倍・合成部分
で、３は該超高周波数とルビジウム原子の原子共鳴周波
数とを比較して周波数差に対応する信号を出力するルビ
ジウム原子共鳴器であり、４１は該超高周波数が該原子
共鳴周波数と一致する様に該水晶発振器の発振周波数を
制御するサーボ増幅器である。

そして、該ルビジウム原子共鳴器内に設けられたルビジ
ウム原子封入用セルをエネルギ単位（５ｓ。

Ｆ＝１）と５Ｐとの間の遷移周波数に対応する光を選択
的に透過させる光学ガラスで構成する。

〔作用〕

本発明はルビジウム原子を封入する共鳴セル。

ランプセルなどのセルをエネルギ準位（５Ｓ、Ｆ・１）
と５Ｐとの間の遷移周波数に対応する光を選択的に透過
させ、それ以外の光の透過を抑圧する様な光学ガラスで
構成する。

そこで、検波器に人力する雑音成分が低減し。

短期周波数安定度を改善することができる。

（実施例〕 第２図は本発明の実施例の構成図を示す。ここで、ラン
プ励振器３１．ランプセル３２．共鳴セル３３゜検出器
３４はルビジウム原子共鳴器３の構成部分、逓倍・合成
器４３１．逓倍器４３２は周波数逓倍・合成部分４３の
構成部分を示す。

図において、ルビジウム原子を封入するランプセ）Ｌｉ
３２．共鳴セル３３をエネルギー準位（５Ｓ、Ｆ＝１）
と５２との間の遷移周波数に対応する光を選択的に透過
させ、それ以外の光の透過を抑圧する光学ガラス、例え
ば赤の色調を持ったシャープカントオフフィルタ特性（
例えば、約７０００〜２５００ＯＡ）の光を透過する）
のもので構成することにより原子共鳴に寄与しない光の
透過を抑圧することができ。

検出出力のＳ／Ｎが増大し１短期周波数安定度を改善す
ることができる。

更に、セルの材料そのものに光学フィルタとしての機能
を持たせているので、従来の透明゛ガラスセルに光学フ
ィルタを新たに配設する場合に比べ。

空洞共振器３５内の構成が簡単で、容量の増加を来すこ
ともない。また、共鳴セルのみに本発明を適用した場合
でも光がランプセル３２から検出器３４に達する迄の経
路の中で２箇所（共鳴セルの入力側と出力側）で光学フ
ィルタを通るので、雑音骨の低減が効果的に行われる。

尚、上記の説明はランプセルと共鳴セルの２つのセルを
有する２セル型ルビジウム原子発振器について説明をし
たが、セルの構成がランプセル。

フィルタセル（ｒ７ｂｌ１５封入）、共鳴セルの３つの
セルを有する３セル型ルビジウム原子発振器に対しても
同様な効果があることは云うまでもない。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明した様に本発明によれば短期周波数安定
度の改善が図れると云う効果がある。

【図面の簡単な説明】

第３図は従来例の構成図、 第４図はルビジウム８７．８５のエネルギ準位とスペク
トラム分布図を示す。 図において、 ３はルビジウム原子共鳴器、 ４１はサーボ増幅器、

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 水晶発振器（４２）の出力周波数を周波数逓倍・合成し
   て超高周波数の波を生成する周波数逓倍・合成部分（４
   ３）と、該超高周波数とルビジウム原子の原子共鳴周波
   数とを比較して周波数差に対応する信号を出力するルビ
   ジウム原子共鳴器（３）と、サーボ増幅器（４１）とを
   設け、 該サーボ増幅器で該超高周波数が該原子共鳴周波数と一
   致する様に該水晶発振器の発振周波数を制御するルビジ
   ウム原子発振器において、 該ルビジウム原子共鳴器内に設けられたルビジウム原子
   封入用セル（３２、３３）をエネルギー準位（５Ｓ、Ｆ
   ＝１）と５Ｐとの間の遷移周波数に対応する光を選択的
   に透過させる光学ガラスで構成することを特徴とするル
   ビジウム原子発振器。