JP2007336136A - 原子発振器、受動形原子発振器、原子発振器の温度制御方法及び受動形原子発振器の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセルの温度を一定に制御するために、ＣＰＴ共振がないときの共鳴周波数に
おける光検出出力値を記憶しておき、温度補正時に記憶した光検出出力値になるように温
度制御することにより、簡単に且つ正確に量子レベルでの温度制御を可能とした原子発振
器を提供する。
【解決手段】この光学系１１０は、ガス状の金属原子を封入したガスセル３ａと、ガスセ
ル３ａを保持するガスセル保持部材３と、ガスセル保持部材３を加熱するヒータ（加熱手
段）７と、ガスセル３ａ中の金属原子を励起するコヒーレント光源１と、ガスセル３ａを
透過した光４を検出する光検出器（光検出手段）５と、光検出器５により検出された光４
の強度に基づいてヒータ７を制御する温度制御部（温度制御手段）８と、を備えて構成さ
れている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器及び原子発振器の温度制御方法に関し、さらに詳しくは、ガスセ
ルの温度制御を量子レベルで制御する原子発振器の温度制御方法に関するものである。

ルビジウム、セシウム等アルカリ金属を用いた原子発振器は、原子のエネルギ遷移を利
用する際に、干渉ガスと共に原子を蒸気状態に保っている。そのため、原子を気密封入し
たガスセルを高温に保って動作させている。原子発振器の動作原理は、古典的な二重共鳴
法と、レーザ光を利用した原子干渉（以下ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）と記
す）を利用する方法に大別されるが、両者共に物理パッケージに入射した光が、原子蒸気
にどれだけ吸収されたかを反対側に設けられた検出器で検出することにより、原子共鳴を
検知して制御系にて水晶発振器などの基準信号をこの原子共鳴に同期させて出力を得てい
る。

その際、ガスセル中の原子密度が変化すると、吸収の度合いが変化して原子共鳴の検知
に誤差を生じたり、検知できなくなるといった問題がある。そのため、実用化されている
原子発振器のガスセルは、蒸気を一定の温度に保つような温度制御系を備えている。図８
は従来の一般的な原子発振器のガスセル周辺部の構成を示す図である。この温度制御系１
５０はガスセル８３の側壁等にサーミスタや白金抵抗などの温度センサ８９を設け、その
検出温度が一定となる様にヒータ８７を制御する制御系８８により構成されている。この
手法は温度センサ８９の位置の温度を一定に保つ手法であり、通常、温度センサ８９とガ
スセル８３内の原子には微小ながら物理的な距離があるため、原子蒸気と温度センサ８９
の位置の温度差が残留するといった問題がある。

またガスセルは金属のほか、ガラスやシリコン等の材質で構成されているが、光路にあ
たる部分は透明な材質等で光が透過する必要があり、光路でない部分はその制約はない。
また、この手法ではガスセルの熱伝導が良くないとパッケージの温度分布がばらつき、や
はり共鳴精度を劣化させる一因となっている。例えば、熱伝導を優先した金属を主材とす
るガスセルでも、光路にあたる部分にはガラス等の透明窓を設けなければならず、ガスセ
ル自体の温度分布を劣化させる一因となる。また、ガスセル全体を透明なガラスで構成し
た場合でも、センサや加熱のためのヒータは光路を妨げない位置に配置する必要があり、
光路用の窓部分とは多少の温度差を生じることになる。尚、ＮＩＳＴ（米国）のＣＰＴ方
式の原子発振器では、この問題を解消するためにＩＴＯ（酸化インジウム）を窓部に微細
加工するヒータが研究されている。

以上の手法は、何れもガスセルの筐体温度を一定に保つ手法であるが、本来の目的であ
る原子蒸気の温度を一定に保つこととは微妙な差がある。従来技術ではセル筐体の温度を
高精度に安定化することが可能であるが、その前提として筐体と内部蒸気の温度を同一と
見なしている。しかし、現実には微小な温度差や蒸気中の温度分布が存在し得るし、量子
レベルで考えると蒸気自体、数万以上の原子の集合であるため、それぞれの原子も温度差
を持っていると考えるべきである。この微小な温度はもはや計測も不可能であると考えら
れるが、原子共鳴や転換遷移の理論から、微小なりとも相応の検出結果をもたらすことは
明白である。また、原子共鳴の精度は誤差を持たない理論であるにも拘わらず、原子発振
器が高精度とは言え有限の安定度に留まっている一因と考えられる。

また、蒸気温度とは別に光源や検出器の性能にも温度特性があるが、それらの特性は原
子共鳴よりは温度依存性が弱く、また温度制御されているガスセルの直近に配置されるた
め、周囲の環境温度変化よりは比較的温度変化が緩和されることもあり、光源用や検出器
用の温度制御は行わないのが一般的となっている。しかしながら、これもまた精度劣化の
要因となることは明らかである。

特許文献１には、制御温度が異なるランプハウス、ガスセルおよび発振回路の温度制御
を最小限の部品点数で制御するために、ヒータを最も温度が高いランプハウスに取り付け
、そこから発する温度を各接続点に備えた伝熱材を介して各部に伝えるようにしたルビジ
ウム原子発振器について開示されている。
特公平５−８２０９０号公報

しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、伝熱材によりランプハウスの熱を各
部に伝えているが、常に一定の温度差に保たれる保証はなく、ガスセルの温度制御が安定
的に行えるとはいえないといった問題がある。また、発振回路をキャビティ内に備えてい
るため、信号線が長くなりノイズの影響を受けやすくなるといった問題もある。

本発明は、かかる課題に鑑み、ガスセルの温度を一定に制御するために、ＣＰＴ共振が
ないときの共鳴周波数における光検出出力値を記憶しておき、温度補正時に記憶した光検
出出力値になるように温度制御することにより、簡単に且つ正確に量子レベルでの温度制
御を可能とした原子発振器を提供することを目的とする。
また他の目的は、温度制御を行う対象物の温度を検知するセンサを不要として、部品点
数を削減し、原子発振器の小型化に寄与することである。

本発明はかかる課題を解決するために、コヒーレント光としての波長が異なる２種類の
励起光を入射したときの原子干渉効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する
原子発振器であって、ガス状の金属原子を封入したガスセルと、該ガスセルを保持するガ
スセル保持部材と、該ガスセル保持部材を加熱する加熱手段と、前記ガスセル中の金属原
子を励起するコヒーレント光源と、前記ガスセルを透過した励起光を検出する光検出手段
と、該光検出手段により検出された励起光の強度に基づいて前記加熱手段を制御する温度
制御手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の原子発振器は、レーザ光などのコヒーレント光の原子干渉を利用したものであ
る。この方式は、２つの基底準位が励起光を受けて、共通の励起準位と励起結合している
Λ型準位において、同時に照射される２つの励起光の周波数が正確に基底準位１と基底準
位２のエネルギ差に一致すると、Λ型準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり
、励起準位３への励起が停止する。ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの励起光の一方或
いは両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収が停止する状態を検出して利用
するものである。そして、本発明の温度制御は、この原理を利用して、光検出手段により
検出された励起光の強度に基づいて加熱手段を制御するものである。これにより、励起光
の強度を検出するだけで、ガスセル保持部材の温度を正確に制御することができ、且つ温
度検知手段を省略して装置の小型化及びコストダウンを実現することができる。尚、コヒ
ーレント光とは、レーザ光などのような、干渉性を持った光をいう。

また、前記温度制御手段は、前記原子発振器が原子干渉共振を停止したときの前記励起
光の共鳴周波数における光の強度を記憶する光強度記憶手段を備え、前記ガスセル保持部
材の温度補正を行う場合、前記光強度記憶手段に記憶された光の強度と現時点での原子干
渉共振を停止したときの前記励起光の共鳴周波数における光の強度とを比較し、前記現時
点での光の強度が、前記光強度記憶手段に記憶された光の強度と一致するように前記加熱
手段を制御することを特徴とする。
本発明の温度制御手段は、２種類の励起光の一方を停止して、原子発振器の原子干渉共
振を停止すると、光検出手段により検出された励起光の強度と波長の関係が共振時と異な
る特性となる。このときの励起光の共鳴周波数における光の強度を光強度記憶手段に記憶
しておく。そして、ガスセル保持部材の温度補正を行う場合、同じ条件で且つ同じ温度に
保たれていれば、記憶した光の強度と同じ値を示すが、異なっていれば異なった値を示す
。温度制御手段は、この値が同じになるように加熱手段を制御することにより、量子レベ
ルでガスセル保持部材の温度を補正することができる。

また、前記コヒーレント光源、ガスセル保持部材及び光検出手段を収納する熱筒を備え
、該熱筒の適所に前記加熱手段を配設したことを特徴とする。
ガスセル保持部材に加熱手段を備えた場合は、ガスセル保持部材の温度は正確に制御す
ることができるが、高精度の温度維持を原子発振器の性能に寄与させるためには、コヒー
レント光源、ガスセル保持部材及び光検出手段を熱筒に収納することが効果的である。

また、前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする。
普通の光は、いろいろな波長が混ざり位相がランダムな光である。これに対して、レー
ザ光は波長が純粋で（単一で混じり気がなく）位相の揃った光である。このような光の波
長や位相の整い具合をコヒーレンスと呼んでいる。時間コヒーレンスは、場所が同じで時
間が異なるところの光の波形の整い具合であり、これが良いということは、光が干渉をし
やすく干渉色を出しやすいことに対応する。その点ではレーザ光は最適である。

また、前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、セシウムであることを特徴とする。
光で励起したルビジウムは原子時計に用いられている。尚、セシウム原子時計に比べ正
確さは劣るが、小型で低価格であるため、ルビジウム原子時計は広く利用されている。

また、ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収特性を利用して発振周波数を
制御するルビジウム原子発振器であって、ルビジウム原子を封入したガスセルと、該ガス
セルを保持するガスセル保持部材と、前記ガスセル中のルビジウム原子を励起するルビジ
ウムランプと、前記ガスセル保持部材を加熱する加熱手段と、前記ガスセルを透過したル
ビジウム光を検出する光検出手段と、該光検出手段により検出されたルビジウム光の強度
に基づいて前記加熱手段を制御する温度制御手段と、を備えたことを特徴とする。
ルビジウム原子発振器は、単一の光源により片方の基底準位の原子を励起させ、他方の
基底準位の原子をマイクロ波による誘導放出で励起対象の基底準位に至らしめる共振法で
あり、マイクロ波の周波数を共振周波数付近で掃引しながら検出器で吸収の程度を監視し
、吸収が最大となったときの波長に水晶発振器等を同期させる方式である。例えばこの方
法でも、ある程度温度が一致した状態から最大吸収の絶対値が一致する様な温度制御を施
せば、原子数や原子状態が再現したことになり、つまりはガスセル内の原子が同一温度に
至ったと判断できる。

また、前記温度制御手段は、前記ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収が
最大になった時の励起周波数における光の強度を記憶する光強度記憶手段を備え、前記ガ
スセル保持部材の温度補正を行う場合、前記光強度記憶手段に記憶された光の強度と現時
点での前記ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収により得られた光の強度と
を比較し、前記現時点での光の強度が、前記光強度記憶手段に記憶された光の強度と一致
するように前記加熱手段を制御することを特徴とする。
本発明の温度制御手段は、ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収が最大に
なった時の励起周波数における光の強度を光強度記憶手段に記憶しておく。そして、ガス
セル保持部材の温度補正を行う場合、同じ温度に保たれていれば、記憶した光の強度と同
じ値を示すが、異なっていれば異なった値を示す。温度制御手段は、この値が同じになる
ように加熱手段を制御することにより、量子レベルでガスセル保持部材の温度を補正する
ことができる。

また、コヒーレント光としての２種類の波長を有する励起光を入射したときの量子干渉
効果による光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器の温度制御方法であっ
て、前記原子発振器が量子干渉共振を停止したときの前記励起光の共鳴周波数における光
の強度を記憶する光強度記憶ステップと、該光強度記憶ステップにより記憶された光の強
度と一致するように加熱手段の温度を制御する温度制御ステップと、を備え、前記温度制
御ステップは、ガス状の金属原子を封入したガスセル保持部材の温度補正を行う場合、前
記光強度記憶ステップにより記憶された光の強度と現時点での原子干渉共振を停止したと
きの前記励起光の共鳴周波数における光の強度とを比較し、前記現時点での光の強度が、
前記光強度記憶ステップにより記憶された光の強度と一致するように前記加熱手段を制御
することを特徴とする。
本発明は上記発明と同様の作用効果を奏する。

また、ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収特性を利用して発振周波数を
制御するルビジウム原子発振器の温度制御方法であって、前記ルビジウム光源からの入射
光の波長に応じた光吸収が最大になった励起周波数における光の強度を記憶する光強度記
憶ステップと、該光強度記憶ステップにより記憶された光の強度になるように加熱手段の
温度を制御する温度制御ステップと、を備え、前記温度制御ステップは、ルビジウム原子
を封入したガスセル保持部材の温度補正を行う場合、前記光強度記憶ステップにより記憶
された光の強度と現時点での前記ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収によ
り得られた光の強度とを比較し、前記現時点での光の強度が、前記光強度記憶ステップに
より記憶された光の強度と一致するように前記加熱手段を制御することを特徴とする。
本発明は上記発明と同様の作用効果を奏する。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。この光
学系１１０は、ガス状の金属原子を封入したガスセル３ａと、ガスセル３ａを保持するガ
スセル保持部材３と、ガスセル保持部材３を加熱するヒータ（加熱手段）７と、ガスセル
３ａ中の金属原子を励起するコヒーレント光源１と、ガスセル３ａを透過した光４を検出
する光検出器（光検出手段）５と、光検出器５により検出された光４の強度に基づいてヒ
ータ７を制御する温度制御部（温度制御手段）８と、を備えて構成されている。尚、ガス
状の金属原子としては、ルビジウム、セシウム等が挙げられる。

この光学系１１０は、レーザ光などのコヒーレント光の原子干渉を利用したものである
。この方式は、２つの基底準位が励起光を受けて、共通の励起準位と励起結合しているΛ
型準位において、同時に照射される２つの励起光の周波数が正確に基底準位１と基底準位
２のエネルギ差に一致すると、Λ型準位系は２つの基底準位の重ね合わせの状態になり、
励起準位３への励起が停止する（詳細は図３を参照して説明する）。
ＣＰＴはこの原理を利用して、２つの励起光の一方或いは両方の波長を変化させたとき
に、ガスセル３ａでの光吸収が停止する状態を検出して利用するものである。そして、本
実施形態の温度制御は、この原理を利用して、光検出器５により検出された光４の強度に
基づいてヒータ７を制御するものである。これにより、光４の強度を検出するだけで、ガ
スセル保持部材３の温度を正確に制御することができ、且つ温度検知手段を省略して装置
の小型化及びコストダウンを実現することができる。尚、コヒーレント光とは、レーザ光
などのような干渉性を持った光をいう。

また、本実施形態の温度制御部８は、２種類の励起光の一方を停止して、原子発振器の
原子干渉共振を停止すると、光検出器５により検出された光４の強度と波長の関係が共振
時と異なる特性となる（詳細は図４を参照して説明する）。このときの光４の共鳴周波数
における光の強度を図示しない光強度記憶手段に記憶しておく。そして、ガスセル保持部
材３の温度補正を行う場合、同じ温度に保たれていれば、記憶した光の強度と同じ値を示
すが、異なっていれば異なった値を示す。温度制御部８は、この値が同じになるようにヒ
ータ７を制御することにより、量子レベルでガスセル保持部材３の温度を補正することが
できる。更に、ＣＰＴ共鳴が生じたままの状態でも同一条件で光強度が等しくなると言う
ことは温度が一致していることに変わりはなく、求める精度や検出精度によっては励起光
１、２は必ずしも停止させなくても良い。

図２は本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。同じ構
成要素には図１と同じ参照番号を付して説明する。この光学系１２０が図１の光学系１１
０と異なる点は、コヒーレント光源１、ガスセル保持部材３及び光検出器５を熱筒１０内
に収納し、この熱筒１０の適所にヒータ７を配設した点である。
即ち、ガスセル保持部材３にヒータ７を備えた場合は、ガスセル保持部材３の温度は正
確に制御することができるが、高精度の温度維持を原子発振器の性能に寄与させるために
は、コヒーレント光源１、ガスセル保持部材３及び光検出器５を熱筒１０に収納すること
が効果的である。これにより、コヒーレント光源１と光検出器５の温度特性はガスセル保
持部材３と共に安定化される。また熱筒１０は、熱伝導の良い金属材料で熱容量を大きく
する事によりコヒーレント光源１、ガスセル保持部材３及び光検出器５の温度差も抑えら
れる。尚、図８の手法に比べて、図２の手法はヒータ７に要する消費電流が大きくなる欠
点があるが、コヒーレント光源１が従来のランプから半導体レーザ光源になったり、光検
出器５が太陽電池からフォトダイオードに変わりつつあり、関連部品の小型化により全体
の熱容量が下がることにより、その差は狭まりつつあると言える。

図３はＣＰＴ方式による原子のΛ型準位系を説明する図である。原子発振器に用いられ
るルビジウムやセシウムの基底準位は、電子スピンの方向により２種類の基底準位に分か
れている。これらの基底準位の原子は光を吸収して電子の軌道が変化し、より高い準位へ
励起する。また、図３の様に２つの基底準位が光を受けて、共通の励起準位と励起結合し
ている状態をΛ型準位と言う。図３において、基底準位１（２３）と基底準位２（２４）
は準位のエネルギが若干異なるため、励起光もそれぞれ励起光１（２０）と励起光２（２
２）と波長が若干異なる。同時に照射される励起光１（２０）と励起光２（２２）の周波
数差（波長の差）が正確に基底準位１（２３）と基底準位２（２４）のエネルギ差に一致
すると、図３のΛ型準位系は２つの基底準位の重ね合わせ状態になり、励起準位２１への
励起が停止する。
ＣＰＴはこの原理を利用して、励起光１（２０）と励起光２（２２）のどちらかまたは
両方の波長を変化させたときに、ガスセル保持部材３での光吸収（つまり励起準位２１へ
の転換）が停止する状態を検出、利用する方式である。

さて、図１、図２の実施形態は量子応答を温度情報として利用している。即ち、上記Ｃ
ＰＴ現象は、Λ型準位系に２波長の光が入射したときに生じる量子干渉である。例えば、
ある瞬間において、２波長のうちどちらかが停止した場合、Λ型準位系のＣＰＴ共振は消
失するが、片方の光による励起が発生する。例えば、図３の励起光２（２２）が停止した
場合、基底準位２（２４）にある原子は励起せずそのまま基底状態に留まるか、或いは励
起光１（２０）のスペクトルが鋭利でなく、基底準位２（２４）と励起準位間のラビ周波
数（共鳴周波数）相当の成分を含んでいた場合は、多少の励起をする程度に留まる。一方
、基底準位１（２３）と励起準位２１のラビ周波数に相当する励起光１（２０）の照射が
あれば、基底準位１（２３）の原子は励起準位２１に励起する。これは、励起光１（２０
）と励起光２（２２）の停止が逆でも同じことが言える。尚、ラビ周波数とは、原子核と
電子間の磁気相互作用の強さに応じてわずかに異なるエネルギ準位が生じるが、この間の
遷移に対応する周波数をいう。

図４はＣＰＴが成立しているときと、励起光２が停止した時の検出器出力例を示す図で
ある。縦軸は光検出器５の出力、横軸は励起光１（２０）の波長を表す。ＣＰＴ共振時（
破線３０）が上述の様に基底準位１（２３）と基底準位２（２４）の原子が重ね合わせの
状態にトラップされるため、ガスセル３ａ中の原子は、励起光１（２０）、励起光２（２
２）の吸収が行われず、あたかもガスセル３ａ内が透明に近づいたようになり、励起光１
（２０）の波長が、基底準位１（２３）と励起準位２１のラビ周波数３１になる波長をピ
ークとして、光検出器５の検出光量は最高となる。尚、ＣＰＴ共振の幅が鋭利であるのに
対して、一般に半導体レーザ等による励起光のスペクトルがブロードであるため、吸収の
傾斜はＣＰＴ共振に比べて遙かにブロードになる。
またガスセル３ａ内の原子数は通常数万或いはそれ以上の大量の原子数であり、励起光
のビーム径はガスセル３ａの一部（通常中心部）のみ通過することと、ルビジウムやセシ
ウムでは励起準位の原子寿命が短く、自然放出により再び基底準位１（２３）と基底準位
２（２４）に短時間で復帰することから、図４の特性は時間経過で変動する事はない。本
実施形態では、この特徴を温度検出に利用するものである。

いま、ガスセル３ａが高温下でＣＰＴ共振している状態で、例えば励起光２（２２）を
停止させるか、或いは励起光２（２２）のスペクトル成分を基底準位２（２４）と励起準
位２１のラビ周波数から著しく離した場合、光検出器５には図４の実線３３に相当する光
量ＶＢが検出される。この時の励起光１（２０）の波長と全く同じ波長を後に再現した場
合、ガスセル３ａ内の温度が変動していると蒸気中の原子数が異なるため、検出光量が例
えば実線３２のＶＡや実線３４のＶＣのように異なってしまう。そこで、温度制御部８に
より検出光量が同一となる様に調整を行うと、同一波長、同一光量で、検出光畳も同じ状
態に復帰したとき、ガスセル３ａ内の原子数が同一になった事を意味し、結果的に同一温
度に復帰した事になる。これにより、ガスセル３ａの温度御御を相対的に高精度で行う事
が可能となる。尚、初期の温度設定は、調整時に波長や光源の輝度をプリセットする方法
が有効である。また、図２にある熱筒１０は直接温度計測のために動作することはないの
で省略してもよいが、高精度の温度維持を原子発振器の性能に寄与させるためには、より
効果的な温度維持方法と言える。

この例に示す、励起光２（２２）を停止した状態では、ＣＰＴ共振は消失するが、原子
発振器は高精度の水晶発振器を原子共鳴に同期補正するものであり、１×１０^-10〜１×
１０^-13程度の高精度な周波数補正は数時間以上の間隔で制御するのが一般的であり、例
えば数分に一度の割合でＣＰＴ共振を止めて温度補正を行い、再びＣＰＴ共振に復帰させ
る事は、回路構成でも制御のソフトウェアでも十分に現実的である。また、ＣＰＴ共振時
の波形３０のラビ周波数における光検出器５の最大値Ｐの変動を検出して温度制御するこ
とも可能であるが、実際は、この変動値は非常に小さく、検出が困難であるので現実的で
はない。

図５は本発明の第３の実施形態に係るルビジウム原子発振器の光学系の要部構成図であ
る。このルビジウム原子発振器１００は、ルビジウムランプ（以下、Ｒｂランプと記す）
５５を点灯するランプ励振部５１と、ルビジウムガスセル（以下、Ｒｂガスセルと記す）
５６中のルビジウム原子を励起するＲｂランプ５５と、ルビジウム原子を封入したＲｂガ
スセル５６と、Ｒｂガスセル５６中のルビジウム原子の共振周波数により励振するマイク
ロ波共振器５３と、マイクロ波共振器５３にマイクロ波を放射する放射用アンテナ５４と
、Ｒｂガスセル５６を透過した光の強度を検出するフォトセンサ５７と、Ａｍｐ５９に現
れる低周波振幅変調信号の位相を弁別する位相弁別器６０と、マイクロ波の位相を低周波
により変調する低周波位相信号発生器６１と、電圧制御水晶発振器６３の発振信号をマイ
クロ波に逓倍する周波数逓倍合成変調部６２と、位相弁別器６０の電圧に基づいて所定の
周波数を発振する電圧制御水晶発振器６３と、マイクロ波共振器５３を加熱するヒータ（
加熱手段）６４と、フォトセンサ５７により検出されたルビジウム光の強度に基づいてヒ
ータ６４を制御する温度制御部（温度制御手段）６５と、を備えて構成されている。尚、
Ｒｂランプ５５、マイクロ波共振器５３及びフォトセンサ５７により構成されるユニット
を光マイクロ波ユニット５８と呼ぶ。また、周波数逓倍合成変調部６２の出力は放射用ア
ンテナ５４に接続されている。

次に、本発明のルビジウム原子発振器の動作については公知であるので、ここでは説明
を省略するが、本発明の主たる構成要素であるマイクロ波共振器５３について図６を参照
して概略を説明する。ルビジウム原子発振器の動作プロセスにおいて、定常状態にあるエ
ネルギ順位（Ｆ＝１）より高い順位（Ｆ＝２）にある電子をＦ＝１の順位に落とすための
マイクロ波の存在が原子発振器として動作させるに当たって非常に重要であり、そのマイ
クロ波の強度を十分高めるためにマイクロ波共振器５３が用いられる。そして、マイクロ
波共振器５３内に取り付けた放射用アンテナ５４から６．８３４６８・・ＧＨｚを送出し
、この周波数に同調をとるようにマイクロ波共振器５３は設計されている。

このような二重共鳴法は、単一の光源により片方の基底準位の原子を励起させ、他方の
基底準位の原子をマイクロ波による誘導放出で励起対象の基底準位に至らしめる共振法で
、マイクロ波の周波数を共振周波数付近で掃引しながら検出器で吸収の程度を監視し、吸
収が最大となったときの波長に水晶発振器等を同期させる方式である。例えばこの方法で
も、ある程度温度が一致した状態から最大吸収の絶対値が一致する様な温度制御を施せば
、原子数や原子状態が再現したことになり、つまりは同一温度に至ったと判断できる。

図７は本発明のルビジウム原子発振器の温度制御方法を説明する図である。Ｒｂランプ
５５からの入射光の波長に応じた光吸収が最大になった励起周波数における光の強度Ｖｂ
を温度制御部６５内のメモリ（光強度記憶手段）に記憶する。そして温度制御部６５が、
ルビジウム原子を封入したマイクロ波共振器５３の温度補正を行う場合、メモリに記憶さ
れた光の強度Ｖｂと現時点でのＲｂランプ５５からの入射光の波長に応じた光吸収により
得られた光の強度Ｖａ又はＶｃとを比較し、現時点での光の強度Ｖａ又はＶｃが、メモリ
に記憶された光の強度Ｖｂと一致するようにヒータ６４を制御するものである。

本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。 本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の光学系の要部構成図である。 ＣＰＴ方式による原子のΛ型準位系を説明する図である。 ＣＰＴが成立しているときと、励起光２が停止した時の検出器出力例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るルビジウム原子発振器の光学系の要部構成図である。 二重共鳴法の動作原理を説明する図である。 本発明のルビジウム原子発振器の温度制御方法を説明する図である。 従来の一般的な原子発振器のガスセル周辺部の構成を示す図である。

符号の説明

１ コヒーレント光源、２、４ 光、３ａ ガスセル、３ ガスセル保持部材、５ 光
検出器、７ヒータ、８ 温度制御部、１０ 熱筒、１１０ 光学系

Claims (9)

1. コヒーレント光としての波長が異なる２種類の励起光を入射したときの原子干渉効果に
   よる光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器であって、
   ガス状の金属原子を封入したガスセルと、該ガスセルを保持するガスセル保持部材と、
   該ガスセル保持部材を加熱する加熱手段と、前記ガスセル中の金属原子を励起するコヒー
   レント光源と、前記ガスセルを透過した励起光を検出する光検出手段と、該光検出手段に
   より検出された励起光の強度に基づいて前記加熱手段を制御する温度制御手段と、を備え
   たことを特徴とする原子発振器。
2. 前記温度制御手段は、前記原子発振器が原子干渉共振を停止したときの前記励起光の共
   鳴周波数における光の強度を記憶する光強度記憶手段を備え、
   前記ガスセル保持部材の温度補正を行う場合、前記光強度記憶手段に記憶された光の強
   度と現時点での原子干渉共振を停止したときの前記励起光の共鳴周波数における光の強度
   とを比較し、前記現時点での光の強度が、前記光強度記憶手段に記憶された光の強度と一
   致するように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
3. 前記コヒーレント光源、ガスセル保持部材及び光検出手段を収納する熱筒を備え、該熱
   筒の適所に前記加熱手段を配設したことを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器
   。
4. 前記コヒーレント光は、レーザ光であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項
   に記載の原子発振器。
5. 前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、セシウムであることを特徴とする請求項１乃至
   ４の何れか一項に記載の原子発振器。
6. ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収特性を利用して発振周波数を制御す
   るルビジウム原子発振器であって、
   ルビジウム原子を封入したガスセルと、該ガスセルを保持するガスセル保持部材と、前
   記ガスセル中のルビジウム原子を励起するルビジウムランプと、前記ガスセル保持部材を
   加熱する加熱手段と、前記ガスセルを透過したルビジウム光を検出する光検出手段と、該
   光検出手段により検出されたルビジウム光の強度に基づいて前記加熱手段を制御する温度
   制御手段と、を備えたことを特徴とする受動形原子発振器。
7. 前記温度制御手段は、前記ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収が最大に
   なった時の励起周波数における光の強度を記憶する光強度記憶手段を備え、
   前記ガスセル保持部材の温度補正を行う場合、前記光強度記憶手段に記憶された光の強
   度と現時点での前記ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収により得られた光
   の強度とを比較し、前記現時点での光の強度が、前記光強度記憶手段に記憶された光の強
   度と一致するように前記加熱手段を制御することを特徴とする請求項６に記載の受動形原
   子発振器。
8. コヒーレント光としての２種類の波長を有する励起光を入射したときの量子干渉効果に
   よる光吸収特性を利用して発振周波数を制御する原子発振器の温度制御方法であって、
   前記原子発振器が量子干渉共振を停止したときの前記励起光の共鳴周波数における光の
   強度を記憶する光強度記憶ステップと、該光強度記憶ステップにより記憶された光の強度
   と一致するように加熱手段の温度を制御する温度制御ステップと、を備え、
   前記温度制御ステップは、封入した金属原子がガス化することを目的としたガスセル保
   持部材の温度補正を行う場合、前記光強度記憶ステップにより記憶された光の強度と現時
   点での原子干渉共振を停止したときの前記励起光の共鳴周波数における光の強度とを比較
   し、前記現時点での光の強度が、前記光強度記憶ステップにより記憶された光の強度と一
   致するように前記加熱手段を制御することを特徴とする原子発振器の温度制御方法。
9. ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収特性を利用して発振周波数を制御す
   るルビジウム原子発振器の温度制御方法であって、
   前記ルビジウム光源からの入射光の波長に応じた光吸収が最大になった励起周波数にお
   ける光の強度を記憶する光強度記憶ステップと、該光強度記憶ステップにより記憶された
   光の強度になるように加熱手段の温度を制御する温度制御ステップと、を備え、
   前記温度制御ステップは、ルビジウム原子を封入したガスセル保持部材の温度補正を行
   う場合、前記光強度記憶ステップにより記憶された光の強度と現時点での前記ルビジウム
   光源からの入射光の波長に応じた光吸収により得られた光の強度とを比較し、前記現時点
   での光の強度が、前記光強度記憶ステップにより記憶された光の強度と一致するように前
   記加熱手段を制御することを特徴とする受動形原子発振器の温度制御方法。

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