CN102142839A - 原子振荡器 - Google Patents

Abstract

一种原子振荡器，其容易实现电路部分的小型化和节电化。原子振荡器(1)利用了通过对碱金属原子照射共振光对而产生的电磁诱导透明现象，包括光源(10)、气体状的碱金属原子(20)、光检测部(30)、频率控制部(40)。光源(10)产生包含具有可干涉性且频率不同的第1光和第2光的多个光而对碱金属原子(20)进行照射。光检测部(30)接受透射过碱金属原子(20)的多个光(22)，生成因该多个光(22)的干涉而得到的包含规定频率的差频信号的检测信号(32)。频率控制部(40)根据检测信号(32)中包含的规定频率的差频信号，进行第1光和第2光中至少一方的频率控制，使第1光和第2光成为使碱金属原子(20)产生电磁诱导透明现象的共振光对。

Description

原子振荡器

技术领域

本发明涉及原子振荡器。

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)方式)的原子振荡器是利用如下现象的振荡器：当对碱金属原子同时照射具有可干涉性(相干性)且具有彼此不同的特定波长(频率)的2种共振光时，共振光的吸收停止。

众所周知，可如图17(A)所示，利用Λ型3能级系统模型来说明碱金属原子与2种共振光之间的相互作用机构。碱金属原子具有2个基态能级，当分别单独地对碱金属原子照射具有相当于基态能级1与激励能级的能量差的频率的共振光1、或具有相当于基态能级2与激励能级的能量差的频率的共振光2时，公知会产生光吸收。然而，当对该碱金属原子同时照射共振光1和共振光2时，成为了2个基态能级的重合状态、即量子干涉状态，会产生针对激励能级的激励停止、从而共振光1和共振光2透射过碱金属原子的透明化现象(EIT现象)。因此，在对碱金属原子照射了频率不同的2种光时，这2种光成为共振光对，根据碱金属原子是否产生了EIT现象，光吸收动作急剧变化。该共振光对的频率差与相当于2个基态能级的能量差ΔE₁₂的频率(例如如果是铯原子，则为9.192631770GHz)准确一致。因此，检测光吸收动作的急剧变化，进行频率控制，使得对碱金属原子照射的2种光成为共振光对，即，使得这2种光的频率差与相当于ΔE₁₂的频率准确一致，由此，能够实现高精度的振荡器。

图18是现有的EIT方式的原子振荡器的一般结构的概略图。如图18所示，在现有的EIT方式的原子振荡器中，在由电流驱动电路产生的用于设定频率f₀(＝v/λ₀：v为光速，λ₀为光的波长)的驱动电流中叠加频率为f_m的调制信号，由此，对半导体激光器进行调制，产生频率为f₀+f_m的光和频率为f₀-f_m的光。这2种光同时照射到气室，通过光检测器检测透射过气室的光的强度。气室由气体状的碱金属原子和封入该碱金属原子的容器构成，如果同时照射的2种光为共振光对，则碱金属原子产生EIT现象，透射过气室的光的强度增大。因此，该原子振荡器使用由低频振荡器产生的几十Hz～几百Hz左右的低频信号进行检波，由此，对压控石英振荡器(VCXO：Voltage Controlled Crystal Oscillator)的振荡频率进行控制，使得检测强度达到最大值附近，经由PLL(Phase Locked Loop)生成调制信号。根据这种结构，如图17(B)所示，控制成：使得由半导体激光器出射的、频率为f₀+f_m的光与频率为f₀-f_m的光成为共振光对，即，使得调制信号的频率f_m与相当于ΔE₁₂的频率的1/2的频率一致。因此，压控石英振荡器(VCXO)能够极其稳定地持续进行振荡动作，能够产生频率稳定度极高的振荡信号。

【专利文献1】美国专利第6320472号说明书

但是，在现有的原子振荡器中，为了产生与相当于ΔE₁₂的频率的1/2的频率准确一致的频率f_m的调制信号，需要压控石英振荡器(VCXO)、检波电路、调制电路、低频振荡器、PLL等，所以，无法避免电路的复杂化，存在难以实现小型化和节电化的问题。

发明内容

本发明是鉴于以上的问题点而完成的，根据本发明的几个方式，可提供容易实现电路部分的小型化和节电化的原子振荡器。

(1)本发明的原子振荡器利用了通过对碱金属原子照射共振光对而产生的电磁诱导透明现象，该原子振荡器包括：气体状的碱金属原子；光源，其产生包含具有可干涉性且频率不同的第1光和第2光的多个光而对所述碱金属原子进行照射；光检测部，其接受透射过所述碱金属原子的多个光，生成因该多个光的干涉而得到的包含规定频率的差频信号的检测信号；以及频率控制部，其根据所述检测信号中包含的所述规定频率的差频信号，进行所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率控制，使得所述第1光和所述第2光成为使所述碱金属原子产生电磁诱导透明现象的共振光对。

在基于EIT方式的现有的原子振荡器中，光检测器的输出信号为DC(直流)或几十～几百Hz左右的低频，所以，需要使用压控石英振荡器(VCXO)和PLL来生成GHz频带的高频信号，对光源进行频率控制。与此相对，在本发明的原子振荡器中，生成因透射过碱金属原子的多个光的干涉而得到的包含规定频率的差频(beat)信号的检测信号、即高频(GHz频带)的检测信号。然后，频率控制部根据该高频的检测信号进行频率控制，使得第1光和第2光成为共振光对，所以，不需要PLL。

而且，在本发明的原子振荡器中，在第1光与第2光之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致的前后，透射过碱金属原子的光的强度急剧变化。即，形成基于碱金属原子的透射特性的极窄的频带限制滤波器。因此，当略微偏离于第1光与第2光之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致的状态时，基于该频带限制滤波器的效果，进行反馈控制，使得与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致。因此，在本发明的原子振荡器中，即使不存在检波电路和压控石英振荡器(VCXO)，也能够进行第1光与第2光的频率差的细微的调整，能够持续进行稳定的振荡动作。

因此，根据本发明，与现有的原子振荡器相比，能够提供容易实现电路部分的小型化和节电化的原子振荡器。

(2)在该原子振荡器中，所述频率控制部可以包括从所述检测信号中选择所述规定频率的差频信号而使其通过的滤波器，根据由所述滤波器选择出的差频信号进行所述频率控制。

根据本发明的原子振荡器，通过滤波器来选择频率控制中所需的规定频率的差频信号，所以，能够防止因其他不必要的差频信号的影响而妨碍稳定的振荡动作。

(3)在该原子振荡器中，所述频率控制部可以包括对所述检测信号或由所述滤波器选择的差频信号进行放大的信号放大部，根据由所述信号放大部放大后的信号进行所述频率控制。

这样，即使在检测信号的电平不充分的情况下，也能够确保频率控制的稳定性。

(4)该原子振荡器可以包括光学滤波器，该光学滤波器从透射过所述碱金属原子的多个光中选择产生所述规定频率的差频信号的2个光而使其通过。

这样，能够防止因不必要的差频信号的影响而妨碍稳定的振荡动作。

(5)在该原子振荡器中，所述频率控制部可以包括将所述规定频率的差频信号转换为不同频率的信号的频率转换部，根据由所述频率转换部转换后的信号进行所述频率控制。

(6)在该原子振荡器中，所述频率控制部可以将所述第1光和所述第2光的频率差的1/2的频率的差频信号作为所述规定频率的差频信号，进行所述频率控制。

(7)在该原子振荡器中，所述频率控制部可以将与所述第1光和所述第2光的频率差相等的频率的差频信号作为所述规定频率的差频信号，进行所述频率控制。

附图说明

图1是本实施方式的原子振荡器的功能框图的一例。

图2是本实施方式的原子振荡器的功能框图的另一例。

图3是示出第1实施方式的原子振荡器的结构的图。

图4是示出气室的透射特性的一例的图。

图5是示出第1实施方式的出射光的频谱的概略图。

图6是用于说明频率控制的原理的图。

图7是示出第1实施方式的变形例的结构的图。

图8是用于说明光学滤波器的频率特性的图。

图9是示出第2实施方式的原子振荡器的结构的图。

图10是用于说明光学滤波器的频率特性的图。

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实施方式的出射光的频谱的概略图。

图13是用于说明光学滤波器的频率特性的图。

图14是示出第4实施方式的原子振荡器的结构的图。

图15是表示贝塞尔(bessel)函数的曲线的概略图。

图16是示出第4实施方式的出射光的频谱的概略图。

图17(A)是示意地示出碱金属原子的能级的图，图17(B)是示出2个共振光的频谱的图。

图18是现有的EIT方式的原子振荡器的一般结构的概略图。

标号说明

1：原子振荡器；10：光源；12：出射光；20：碱金属原子；22：透射光；30：光检测部；32：检测信号；40：频率控制部；42：滤波器；44：信号放大部；46：频率转换部；50：光学滤波器；52：透射光；100A～100E：原子振荡器；110：半导体激光器；120：气室；130：光检测器；140：带通滤波器；150：放大电路；160：频率转换电路；170：电流驱动电路；180：电光调制器(EOM)；190：带通滤波器；200：带通滤波器；210：电平调整电路。

具体实施方式

下面，使用附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。另外，以下说明的实施方式并不是要对权利要求书中记载的本发明的内容进行不恰当的限定。并且，以下说明的所有结构不一定是本发明的必要技术特征。

图1是本实施方式的原子振荡器的功能框图。

本实施方式的原子振荡器1构成为包括：光源10、碱金属原子20、光检测部30以及频率控制部40。

光源10产生包含具有可干涉性(相干性)且频率不同的第1光和第2光的多个光12而对气体状的碱金属原子20(钠(Na)原子、铷(Rb)原子、铯(Cs)原子等)进行照射。例如，激光是具有可干涉性(相干性)的光。

光检测部30接受透射过碱金属原子20的多个光(透射光)22，生成因该多个光22的干涉而得到的包含规定频率的差频(beat)信号的检测信号32。规定频率例如是与第1光和第2光的频率差相等的频率，也可以是第1光和第2光的频率差的1/2的频率。

这里，例如可以是这样的形式：将在密闭容器内封入气体状的碱金属原子20后的气室配置在光源10与光检测部30之间。并且，也可以是如下形式：在密闭容器内一并封入光源10、气体状的碱金属原子20、光检测部30，并使光源10与光检测部30相对地配置。

频率控制部40根据检测信号32中包含的规定频率的差频信号，进行第1光和第2光中的至少一方的频率控制，使得第1光和第2光成为使碱金属原子20产生EIT现象的共振光对。这里，共振光对是具有可干涉性、并使碱金属原子20产生EIT现象的频率不同的2种光，不仅包含其频率差与相当于碱金属原子20的2个基态能级的能量差的频率准确一致的情况，还可以包含使碱金属原子20产生EIT现象的范围的微小误差。

并且，频率控制部40可以构成为包括滤波器42、信号放大部44、频率转换部46中的至少一个。滤波器42从检测信号32中选择规定频率的差频信号而使其通过。信号放大部44对检测信号32或由滤波器42选择的差频信号进行放大。频率转换部46将光检测部30的检测信号32中包含的规定频率的差频信号转换为不同频率的信号。而且，频率控制部40也可以根据由滤波器42选择出的差频信号、由信号放大部44放大后的信号、由频率转换部46转换后的信号，进行第1光和第2光中至少一方的频率控制。

而且，如图2所示，本实施方式的原子振荡器1也可以构成为包括光学滤波器50。光学滤波器50从透射过碱金属原子20的多个光22中选择产生规定频率的差频信号的2个光52而使其通过。另外，原子振荡器1可以包括光学滤波器50来代替滤波器42，也可以包括光学滤波器50和滤波器42双方。

下面，对本实施方式的原子振荡器的更加具体的结构进行说明。

(1)第1实施方式

图3是示出第1实施方式的原子振荡器的结构的图。

如图3所示，第1实施方式的原子振荡器100A构成为包括：半导体激光器110、气室120、光检测器130、带通滤波器140、放大电路150、频率转换电路160以及电流驱动电路170。

气室120是在容器中封入气体状的碱金属原子而成的，当对该气室120同时照射具有可干涉性、且具有与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差ΔE₁₂的频率f₁₂一致的频率差的2种光(例如激光)时，碱金属原子产生EIT现象。

图4是示出以固定f₂并改变f₁的方式对气室120同时照射频率分别为f₁和f₂的2种激光时的透射特性的概略图。在图4中，横轴是2种激光的频率差f₁-f₂，纵轴是透射光的强度。

如图4所示，如果2种激光的频率差f₁-f₂处于f₁₂±δ的范围内(f₁₂为相当于ΔE₁₂的频率)，则这2种激光成为共振光对，碱金属原子产生EIT现象。因此，如果f₁-f₂处于f₁₂±δ的范围中，则透射光的强度急剧上升。而且，当f₁-f₂与f₁₂一致时，因EIT现象而停止光吸收的碱金属原子的数量最大，所以，透射光的强度极大。例如，对于铯原子，D2线(波长为852.1nm)的基态状态基于超细微结构而分裂为具有F＝3、4的能级的2个状态，相当于F＝3的基态能级1与F＝4的基态能级2之间的能量差的频率为9.192631770GHz。因此，当对铯原子同时照射波长为852.1nm附近且频率差为9.192631770GHz的2种激光时，这2种激光成为共振光对，产生EIT现象，透射光的强度极大。

半导体激光器110产生频率不同的多个光而对气室120进行照射。具体而言，通过由电流驱动电路170输出的驱动电流进行控制，使得半导体激光器110的出射光的中心波长λ₀(中心频率为f₀)与碱金属原子的规定的亮线(例如铯原子的D2线)的波长一致。并且，半导体激光器110将频率转换电路160的输出信号(频率f_m)作为调制信号进行调制。即，在电流驱动电路170的驱动电流中叠加频率转换电路160的输出信号(调制信号)，由此，半导体激光器110产生进行调制后的光。这种半导体激光器110例如可由端面发光激光器(Edge Emitting Laser)、垂直腔体表面发光激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等表面发光激光器等来实现。

图5是示出本实施方式的半导体激光器的出射光的频谱的概略图。在图5中，横轴是光的频率，纵轴是光的强度。

如图5所示，半导体激光器110产生频率为f₀的光C以及其两侧的频率为f₀±n×f_m(n为正整数)的多个光。而且，在本实施方式中，进行如下控制：使得作为一阶边带(side band)的光A(频率为f₀-f_m)与光B(频率为f₀+f_m)的频率差与相当于ΔE₁₂的频率一致(换言之，使得频率f_m与相当于ΔE₁₂的频率的1/2一致)(进行该控制的原理在后面叙述)。例如，如果碱金属原子是铯原子，则进行如下控制：使得光A与光B的频率差(2×f_m)为9.192631770GHz(频率f_m为4.596315885GHz)。

半导体激光器110的出射光照射到气室120，透射过气室120的多个光(透射光)彼此重叠而产生差拍(ぅねり)(光差频)。与该差拍的周期相应地，透射光整体的强度(明暗)周期地变化。

光检测器130对该透射光的强度的周期性变化进行检测，由此，输出包含与差拍的频率(差频频率)相等的频率的差频信号的检测信号。具体而言，在频率不同的多个透射光之间产生差拍，所以，在光检测器130的输出信号(检测信号)中包含具有N×f_m(N为正整数)的差频频率的多个差频信号。例如，当设与图5所示的光A、B、C分别对应的3个透射光分别为A’、B’、C’时，由透射光A’与透射光B’形成的差频频率为2×f_m(＝相当于ΔE₁₂的频率f₁₂)，由透射光A’与透射光C’、或者由透射光B’与透射光C’形成的差频频率为f_m(＝相当于ΔE₁₂的频率f₁₂的1/2)。作为这种光检测器130，例如可使用光通信领域中使用的能够以GHz级的周期检测光的明暗的光检测器。

电流驱动电路170对驱动电流进行调整，使得光检测器130的输出信号(检测信号)的强度达到极大，由此，消除磁场变化和温度变化等外部干扰的影响，能够使半导体激光器110的出射光的中心频率f₀(中心波长λ₀)稳定。

带通滤波器140从光检测器130的输出信号(检测信号)中选择并输出频率为2×f_m(＝f₁₂)的差频信号。例如，如果碱金属原子为铯原子，则带通滤波器140选择并输出9.1926GHz左右的频率的差频信号。这种带通滤波器140可作为在通过频带中包含2×f_m的差频频率、而不包含其他差频频率的带通滤波器来实现。

放大电路150以规定的放大率对带通滤波器140的输出信号的振幅进行放大。根据光检测器130的检测灵敏度和半导体激光器110的调制灵敏度，将放大电路150的放大率设定为恰当的值，由此，能够确保反馈控制的稳定性。

频率转换电路160将放大电路150的输出信号的频率转换为其1/2的频率。例如，如果碱金属原子为铯原子，则放大电路150的输出信号的频率为9.192GHz左右，所以，通过频率转换电路160转换为4.596GHz左右的频率的信号。频率转换电路160可由简单的分频电路来实现。

并且，半导体激光器110将频率转换电路160的输出信号作为调制信号进行调制，产生图5所示的光A、B、C。

另外，半导体激光器110、光检测器130分别对应于图1的光源10、光检测部30。并且，由带通滤波器140、放大电路150、频率转换电路160、电流驱动电路170构成的电路对应于图1的频率控制部40。并且，带通滤波器140、放大电路150、频率转换电路160分别对应于图1的滤波器42、信号放大部44、频率转换部46。

使用图6(A)、图6(B)、图6(C)对在这种结构的原子振荡器100A中进行控制而使得光A与光B的频率差2×f_m与f₁₂一致(换言之，使得频率f_m与频率f₁₂的1/2一致)的原理进行说明。其中，设光A的频率为f₂、光B的频率为f₁。

在图6(A)、图6(B)、图6(C)中，T表示对图4的f₁₂±δ附近进行放大后的透射特性，S1、S2、S3表示出射光的频谱。在图6(A)、图6(B)、图6(C)中，横轴是光B与光A的频率差f₁-f₂，纵轴是出射光或透射光的强度。

首先，在光B与光A的频率差f₁-f₂(＝2×f_m)的平均值与f₁₂一致时(f_m的平均值＝f₁₂×1/2时)，如图6(A)所示，在气室120中，对于光A和光B，斜线部分被吸收，斜线部分以外的部分透射过去。因此，透射光B’与透射光A’的平均频率差也与f₁₂一致，透射光A’和透射光B’的差频信号的频率的平均值为f₁₂。此时，调制信号的频率f_m的平均值依然为f₁₂/2而没有变化，所以，在该条件下，频率控制的反馈环路稳定。

在图6(A)的状态下，设为例如因磁场变化或温度变化等外部干扰的影响，使得透射光B’与透射光A’的平均频率差变动为f₁₂-Δf。此时，透射光A’与透射光B’的差频信号的频率的平均值也变动为f₁₂-Δf，所以，调制信号的频率f_m的平均值变动为(f₁₂-Δf)/2。于是，光B与光A的频率差f₁-f₂(＝2×f_m)的平均值变动为f₁₂-Δf，如图6(B)所示，在气室120中，对于光A和光B，斜线部分被吸收，斜线部分以外的部分透射过去，所以，透射光B’与透射光A’的平均频率差高于f₁₂-Δf。因此，透射光A’与透射光B’的差频信号的频率的平均值上升，调制信号的频率f_m的平均值也上升。因此，光B与光A的频率差f₁-f₂(＝2×f_m)的平均值也上升。通过该频率控制的反馈环路，起到这样的作用：使得回到图6(A)的状态、即出射光B与出射光A之间的平均频率差与f₁₂一致的状态(f_m的平均值＝f₁₂×1/2)。

相反，在图6(A)的状态下，设为例如因磁场变化或温度变化等外部干扰的影响，使得透射光B’与透射光A’的平均频率差变动为f₁₂+Δf。此时，透射光A’与透射光B’的差频信号的频率的平均值也变动为f₁₂+Δf，所以，调制信号的频率f_m的平均值变动为(f₁₂+Δf)/2。于是，光B与光A的频率差f₁-f₂(＝2×f_m)的平均值变动为f₁₂+Δf，如图6(C)所示，在气室120中，对于光A和光B，斜线部分被吸收，斜线部分以外的部分透射过去，所以，透射光B’与透射光A’的平均频率差低于f₁₂+Δf。因此，透射光A’与透射光B’的差频信号的频率的平均值下降，调制信号的频率f_m的平均值也下降。因此，光B与光A的频率差f₁-f₂(＝2×f_m)的平均值也下降。通过该频率控制的反馈环路，起到这样的作用：使得回到图6(A)的状态、即光B与光A之间的平均频率差与f₁₂一致的状态(f_m的平均值＝f₁₂/2)。

另外，在光检测器的输出信号(检测信号)中还包含由透射光A’与透射光B’形成的差频信号(频率为2×f_m的差频信号)以外的差频信号。因此，在本实施方式中，通过带通滤波器140进行频带限制，以实施由频率为2×f_m的差频信号实现的稳定的反馈控制。

如以上说明的那样，在第1实施方式的原子振荡器中，利用气室120的透射特性进行反馈控制，使得光B与光A之间的频率差与相当于ΔE₁₂的频率一致，即，使得光A和光B成为共振光对。该反馈控制可由图3所示的与现有结构相比极为简单的结构的电路来实现。因此，根据第1实施方式，能够实现电路部分的小型化和节电化容易的原子振荡器。

[变形例]

图7是示出第1实施方式的原子振荡器的变形例的结构的图。如图7所示，变形例的原子振荡器100B相对于图3所示的原子振荡器100A，追加了电光调制器(EOM：Electro-Optic Modulator)180。

如图7所示，在原子振荡器100B中，半导体激光器110产生单一频率f₀的光，而不进行基于频率转换电路160的输出信号(调制信号)的调制。该频率f₀的光入射到电光调制器(EOM)180，通过频率转换电路160的输出信号(调制信号)进行调制。其结果，能够产生具有与图5相同的频谱的光。

图7所示的原子振荡器100B中的其他结构与图3所示的原子振荡器100A相同，所以，标注相同标号并省略其说明。

另外，也可以使用声光调制器(AOM：Acousto-Optic Modulator)代替电光调制器(EOM)180。

另外，半导体激光器110和电光调制器(EOM)180的结构对应于图1的光源10。其他的对应关系与图3所示的原子振荡器100A相同。

并且，作为原子振荡器100A的其他变形例，还可以是如下结构的原子振荡器：在气室120与光检测器130之间设置具有期望特性的光学滤波器代替带通滤波器140。

该光学滤波器例如具有图8中虚线所示的频率特性，选择性地使透射光A’和透射光B’通过。这样，由透射光A’和透射光B’产生的频率为2×f_m的差拍以外的部分小到能够忽视的程度，能够防止因不必要的差频信号的影响而妨碍稳定的振荡动作。另外，该光学滤波器对应于图2的光学滤波器50。

通过这些变形例的结构，也能够实现具有与原子振荡器100A相同的功能和效果的原子振荡器。

(2)第2实施方式

图9是示出第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100C相对于图3所示的第1实施方式的原子振荡器100A，去除了频率转换电路160，且将带通滤波器140置换为带通滤波器190。

在本实施方式中，利用由电流驱动电路170输出的驱动电流来控制半导体激光器110的中心频率f₀(中心波长λ₀)，并通过放大电路150的输出信号(频率为f_m的调制信号)进行调制。即，在电流驱动电路170的驱动电流中叠加放大电路150的输出信号(调制信号)的交流电流，由此，对半导体激光器110进行调制。

而且，半导体激光器110进行如下控制：使得中心波长λ₀与碱金属原子的规定的亮线(例如铯原子的D2线)的波长一致，并且使放大电路150的输出信号(调制信号)的频率f_m与相当于ΔE₁₂的频率f₁₂的1/2的频率一致。例如，如果碱金属原子是铯原子，则中心波长λ₀与D2线的波长(852.1nm)一致，频率f_m与4.596315885GHz(＝9.192631770GHz×1/2)一致。因此，在本实施方式中，半导体激光器110的出射光的频谱也与图5相同，光A和光B也成为共振光对。

带通滤波器190从光检测器130的输出信号(检测信号)中选择并输出光A与光B(共振光对)的频率差的1/2的频率的差频信号、即频率为f_m的差频信号。例如，如果碱金属原子为铯原子，则带通滤波器190选择并输出4.596315885GHz的差频信号。

这种带通滤波器190可作为在通过频带中包含f_m的差频频率、而不包含其他差频频率的带通滤波器来实现。

放大电路150对带通滤波器190的输出信号的振幅进行放大并输出。然后，半导体激光器110将放大电路150的输出信号作为调制信号进行调制，产生图5所示的光A、B、C。

原子振荡器100C中的其他结构与图3所示的原子振荡器100A相同，所以，标注相同标号并省略其说明。

另外，半导体激光器110、光检测器130分别对应于图1的光源10、光检测部30。并且，由带通滤波器190、放大电路150、电流驱动电路170构成的电路对应于图1的频率控制部40。并且，带通滤波器190、放大电路150分别对应于图1的滤波器42、信号放大部44。

在这种结构的原子振荡器100C中，也是通过与原子振荡器100A相同的原理进行反馈控制，使得光B与光A之间的频率差2×f_m与相当于ΔE₁₂的频率一致，即，使得光A与光B成为共振光对。该反馈控制可由图9所示的与现有结构相比极为简单的结构的电路来实现。因此，根据第2实施方式，能够实现电路部分的小型化和节电化容易的原子振荡器。

[变形例]

在原子振荡器100C中，也是可以不采用在半导体激光器110的驱动电流中叠加调制信号的方式，而是如图7所示的原子振荡器100B那样，构成为使用电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)对半导体激光器110的出射光进行调制。

并且，作为原子振荡器100C的其他变形例，还可以为如下结构的原子振荡器：在气室120与光检测器130之间设置具有期望特性的光学滤波器代替带通滤波器190。

该光学滤波器例如具有图10中虚线或单点划线中的任意一方所示的频率特性，选择性地使透射光A’与透射光C’或者透射光B’与透射光C’通过。这样，由透射光A’与透射光C’或者透射光B’与透射光C’产生的频率为f_m的差拍以外的部分小到能够忽视的程度，能够防止因不必要的差频信号的影响而妨碍稳定的振荡动作。另外，该光学滤波器对应于图2的光学滤波器50。

通过这些变形例的结构，也能够实现具有与原子振荡器100C相同的功能和效果的原子振荡器。

(3)第3实施方式

图11是示出第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100D相对于图3所示的第1实施方式的原子振荡器100A，去除了频率转换电路160，且将带通滤波器140置换为带通滤波器200。

在本实施方式中，通过由电流驱动电路170输出的驱动电流来控制半导体激光器110的中心频率为f₀(中心波长λ₀)，且通过放大电路150的输出信号(频率为f_m的调制信号)进行调制。即，在电流驱动电路170的驱动电流中叠加放大电路150的输出信号(调制信号)的交流电流，由此，对半导体激光器110进行调制。

而且，半导体激光器110进行如下控制：使得中心波长λ₀与碱金属原子的规定的亮线(例如铯原子的D2线)的波长一致，并且使放大电路150的输出信号(调制信号)的频率f_m与相当于ΔE₁₂的频率一致。例如，如果碱金属原子是铯原子，则中心波长λ₀与D2线的波长(852.1nm)一致，频率f_m与9.192631770GHz一致。

图12是示出本实施方式的半导体激光器的出射光的频谱的概略图。在图12中，横轴是光的频率，纵轴是光的强度。

如图12所示，半导体激光器110产生频率为f₀的光C以及其两侧的频率为f₀±n×f_m(n为正整数)的多个光。而且，进行如下控制：使得作为一阶边带的光A及光B与光C之间的频率差均与相当于ΔE₁₂的频率一致(换言之，使得频率f_m与相当于ΔE₁₂的频率一致)。

例如，如果碱金属原子是铯原子，则进行如下控制：使得光A与光C的频率差以及光B与光C的频率差(均为f_m)为9.192631770GHz。

这样，在本实施方式中，光A与光C、光B与光C分别成为共振光对，产生EIT现象，所以，在其频率差与相当于ΔE₁₂的频率一致的附近，光A、光B、光C的透射率急剧变动。

而且，在频率不同的多个透射光之间产生差拍，所以，在光检测器130的输出信号(检测信号)中包含具有N×f_m(N为正整数)的差频频率的多个信号。例如，当设与图12所示的光A、B、C分别对应的3个透射光分别为A’、B’、C’时，透射光A’与透射光B’的差频频率为2×f_m(＝相当于ΔE₁₂的频率的2倍)，透射光A’与透射光C’或者透射光B’与透射光C’的差频频率为f_m(＝相当于ΔE₁₂的频率)。

带通滤波器200从光检测器130的输出信号(检测信号)中选择并输出与光A、光C或者光B、光C(均为共振光对)的频率差相等的频率的差频信号、即频率为f_m的差频信号。例如，如果碱金属原子为铯原子，则带通滤波器200选择并输出9.192631770GHz的差频信号。

这种带通滤波器200可作为在通过频带中包含f_m的差频频率、而不包含其他差频频率的带通滤波器来实现。

放大电路150对带通滤波器200的输出信号的振幅进行放大并输出。然后，半导体激光器110将放大电路150的输出信号作为调制信号进行调制，产生图12所示的光A、B、C。

原子振荡器100D中的其他结构与图3所示的原子振荡器100A相同，所以，标注相同标号并省略其说明。

另外，半导体激光器110、光检测器130分别对应于图1的光源10、光检测部30。并且，由带通滤波器200、放大电路150、电流驱动电路170构成的电路对应于图1的频率控制部40。并且，带通滤波器200、放大电路150分别对应于图1的滤波器42、信号放大部44。

在这种结构的原子振荡器100D中，也是通过与原子振荡器100A相同的原理进行反馈控制，使得光A与光C的频率差以及光B与光C的频率差均与相当于ΔE₁₂的频率一致，即，使得光A与光C、光B与光C分别成为共振光对。该反馈控制可由图11所示的与现有结构相比极为简单的结构的电路来实现。因此，根据第3实施方式，能够实现电路部分的小型化和节电化容易的原子振荡器。

[变形例]

在原子振荡器100D中，也是可以不采用在半导体激光器110的驱动电流中叠加调制信号的方式，而是如图7所示的原子振荡器100B那样，构成为使用电光调制器(EOM)或声光调制器(AOM)对半导体激光器110的出射光进行调制。

并且，作为原子振荡器100D的其他变形例，还可以为如下结构的原子振荡器：在气室120与光检测器130之间设置具有期望特性的光学滤波器代替带通滤波器200。

该光学滤波器例如具有图13中虚线或单点划线中任意一方所示的频率特性，选择性地使透射光A’与透射光C’或者透射光B’与透射光C’通过。这样，由透射光A’与透射光C’或者透射光B’与透射光C’产生的频率为f_m的差拍以外的部分小到能够忽视的程度，能够防止因不必要的差频信号的影响而妨碍稳定的振荡动作。另外，该光学滤波器对应于图2的光学滤波器50。

通过这些变形例的结构，也能够实现具有与原子振荡器100D相同的功能和效果的原子振荡器。

(4)第4实施方式

图14是示出第4实施方式的原子振荡器的结构的图。如图14所示，第4实施方式的原子振荡器100E相对于图3所示的第1实施方式的原子振荡器100A，在频率转换电路160与半导体激光器110之间追加了电平调整电路210。

电平调整电路210将频率转换电路160的输出信号的振幅调整为规定大小并输出。然后，半导体激光器110产生将电平调整电路210的输出信号作为调制信号进行调制后的光。

原子振荡器100E中的其他结构与图3所示的原子振荡器100A相同，所以，标注相同标号并省略其说明。

这里，当设不对半导体激光器110进行调制时的出射光(频率f₀)的振幅为A₀时，通过频率为f_m的调制信号(电平调整电路210的输出信号)进行频率调制后的出射光由下式(1)表示。

【数式1】

$A_{\mathrm{FM}}=A_0[J_0\left(m\right)\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)$

$+J_1\left(m\right)\{\sin 2\mathrm{\π}(f_0+f_m)t-\sin 2\mathrm{\π}(f_0-f_m)t\}$

$+J_2\left(m\right)\{\sin 2\mathrm{\π}(f_0+2f_m)t+\sin 2\mathrm{\π}(f_0-2f_m)t\}$

$+J_3\left(m\right)\{\sin 2\mathrm{\π}(f_0+3f_m)t-\sin 2\mathrm{\π}(f_0-3f_m)t\}$

$+...]$

$=A_0[J_0\left(m\right)\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{0}t\right)+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{J}_n\left(m\right)\sin 2\mathrm{\π}(f_0+n{f}_m)t+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^n{J}_n\left(m\right)\sin 2\mathrm{\π}(f_0-n{f}_m)t]...\left(1\right)$

这里，J_n(m)是贝塞尔函数(n＝0、1、2…)。并且，m是调制度，与调制信号的振幅成正比。

图15是表示J₀、J₁、J₂的贝塞尔函数的曲线的概略图。在图15中，横轴是调制度，纵轴是各贝塞尔函数的值(绝对值)。并且，在图15中，J₀、J₁、J₂的各贝塞尔函数分别用实线、虚线、单点划线来表示。

图16(A)、图16(B)、图16(C)分别示出了图15所示的调制度为m_A、m_B、m_C的各情况下的频谱的概况。在图16(A)、图16(B)、图16(C)中，光C(频率f₀)的强度与J₀的绝对值(|J₀|)成正比，光A(频率f₀-f_m)和光B(频率f₀+f_m)的强度与J₁的绝对值(|J₁|)成正比，光D(频率f₀-2f_m)和光E(频率f₀+2f_m)的强度与J₂的绝对值(|J₂|)成正比。

在调制度为m_A的情况下，|J₀|＞|J₁|＞|J₂|，所以，如图16(A)所示，光C的强度＞光A的强度＝光B的强度＞光D的强度＝光E的强度。并且，在调制度为m_B的情况下，|J₁|＞|J₀|＝|J₂|，所以，如图16(B)所示，光A的强度＝光B的强度＞光C的强度＝光D的强度＝光E的强度。并且，在调制度为m_C的情况下，|J₁|＞|J₂|＞|J₀|＝0，所以，如图16(C)所示，光A的强度＝光B的强度＞光D的强度＝光E的强度＞光C的强度＝0。

这样，通过对调制度m进行调整，能够根据贝塞尔函数使半导体激光器110的出射光的频谱自由地变化。而且，由于调制度m与调制信号的振幅成正比，所以，通过由电平调整电路210将调制信号的振幅调整为规定大小，能够使半导体激光器110产生具有期望频谱的光。

例如，如果将调制信号的振幅调整为使得调制度从m_B变为m_C左右，则如图16(B)或图16(C)的频谱那样，能够使光A和光B的强度达到最大，并且减小光C的强度。因此，能够将带通滤波器140作为更加简单的滤波器来实现，且根据情况不同，也可以不必设置带通滤波器140。

电平调整电路210可构成为利用电阻分压而具有固定的增益，也可以构成为使用AGC(Auto Gain Control)电路可变地调整增益。

另外，半导体激光器110、光检测器130分别对应于图1的光源10、光检测部30。并且，由带通滤波器140、放大电路150、频率转换电路160、电平调整电路210、电流驱动电路170构成的电路对应于图1的频率控制部40。并且，带通滤波器140、放大电路150、频率转换电路160分别对应于图1的滤波器42、信号放大部44、频率转换部46。

在这种结构的原子振荡器100E中，也是通过与原子振荡器100A相同的原理进行反馈控制，使得光B与光A之间的频率差2×f_m与相当于ΔE₁₂的频率一致，即，使得光A与光B成为共振光对。该反馈控制可由图14所示的与现有结构相比极为简单的结构的电路来实现。因此，根据第4实施方式，能够实现电路部分的小型化和节电化容易的原子振荡器。

另外，本发明不限于本实施方式，可在本发明的主旨的范围内实施各种变形。

本发明包含与实施方式中说明的结构实质上相同的结构(例如，功能、方法和结果相同的结构、或者目的和效果相同的结构)。并且，本发明包含对实施方式中说明的结构中的非本质部分进行置换后的结构。并且，本发明包含发挥与实施方式中说明的结构相同的作用效果的结构、或者能够实现相同目的的结构。并且，本发明包含对实施方式中说明的结构附加了公知技术后的结构。

Claims (7)

1.一种原子振荡器，该原子振荡器利用了通过对碱金属原子照射共振光对而产生的电磁诱导透明现象，该原子振荡器包括：

气体状的碱金属原子；

光源，其产生包含具有可干涉性且频率不同的第1光和第2光的多个光而对所述碱金属原子进行照射；

光检测部，其接受透射过所述碱金属原子的多个光，生成因该多个光的干涉而得到的包含规定频率的差频信号的检测信号；以及

频率控制部，其根据所述检测信号中包含的所述规定频率的差频信号，进行所述第1光和所述第2光中的至少一方的频率控制，使得所述第1光和所述第2光成为使所述碱金属原子产生电磁诱导透明现象的共振光对。

2.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述频率控制部包括从所述检测信号中选择所述规定频率的差频信号而使其通过的滤波器，根据由所述滤波器选择出的差频信号进行所述频率控制。

3.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述频率控制部包括对所述检测信号或由所述滤波器选择的差频信号进行放大的信号放大部，根据由所述信号放大部放大后的信号进行所述频率控制。

4.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

该原子振荡器包括光学滤波器，该光学滤波器从透射过所述碱金属原子的多个光中选择产生所述规定频率的差频信号的2个光而使其通过。

5.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述频率控制部包括将所述规定频率的差频信号转换为不同频率的信号的频率转换部，根据由所述频率转换部转换后的信号进行所述频率控制。

6.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述频率控制部将所述第1光和所述第2光的频率差的1/2的频率的差频信号作为所述规定频率的差频信号，进行所述频率控制。

7.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，

所述频率控制部将与所述第1光和所述第2光的频率差相等的频率的差频信号作为所述规定频率的差频信号，进行所述频率控制。

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