JP2008211138A - ガスセル型原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ励起方式によるガスセル型原子発振器において、励起光の強度分布を均一化させて、周波数安定度を向上させる。
【解決手段】金属原子を封入したガスセル２１に、光入射窓２８から該金属原子の励起光と、マイクロ波アンテナ２４から共鳴マイクロ波とを同時に照射して、光・マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、前記ガスセル２１に入射する前記励起光の光軸上に光拡散板３０を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、小型・簡素にして高い周波数安定度が得られるガスセル型原子発振器に係り、特に励起光の強度分布を均一化させて、周波数安定度を向上させたガスセル型原子発振器に関する。

従来のガスセル型原子発振器について、同一出願人による特許文献１を用いて説明する。ガスセル型原子発振器は、原子固有の共鳴周波数を周波数基準とした極めて安定度の高い発振器である。共鳴信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が高いため短期周波数安定度に優れているものが商用化されており、基準周波数を得るための原子としては、主にルビジウムが使用されている。ガスセル型原子発振器の基本構成について図４及び図５を用いて説明する。なお、図４は全体の基本構成図、図５は基本構成中の二重共鳴部２の二重共鳴共振器２ｃ部分を示す断面模式図である。

図４、図５において、電圧制御水晶発振器５から出力された信号周波数ｆ１ の信号は周波数合成・逓倍回路４に入力されて、二重共鳴部２の中のガスセル２１に封入されている原子の共鳴周波数ｆ２ に近いマイクロ波信号（周波数Ｎ×ｆ１ ）に変換される。このマイクロ波信号は、二重共鳴部２内の二重共鳴共振器２ｃに入力されて、二重共鳴共振器２ｃ内の空洞共振器２２を励振する。また光源部１から出射された光は、二重共鳴部２内の二重共鳴共振器２ｃへ励起光として照射される。二重共鳴共振器２ｃ内では、光およびマイクロ波による二重共鳴現象が生じ、二重共鳴部２からは、加えられたマイクロ波信号の周波数Ｎ×ｆ１ と原子の共鳴周波数ｆ２ との周波数差（ Ｎ×ｆ１ −ｆ２ ）に比例した信号が誤差信号として出力される。信号処理制御装置３は、この周波数差がゼロになるように電圧制御水晶発振器５の発振周波数を制御する。この結果、電圧制御水晶発振器５からは標準となる周波数ｆ１ を有する信号が出力される。

二重共鳴部２に含まれている温度制御回路２ａは、ガスセル２１を恒温化するためにヒータ２６へ電力を供給し、また同様に静磁場発生回路２ｂはガスセル２１に直流平行磁場（静磁場）を与えるために静磁場コイル２７へ電流を供給している。

次に、二重共鳴共振器２ｃの構成について、図５を用いて説明する。空洞共振器２２の中には、アルカリ金属が封入されたガスセル２１が収容されている。アルカリ金属としては、共鳴マイクロ波周波数が６．８３ＧＨｚ付近であるルビジウム原子（以下、「Ｒｂ」と記す。）が一般に利用されているが、共鳴マイクロ波周波数が９．１９ＧＨｚ付近であるセシウム原子（以下、「Ｃｓ」と記す。）を利用することで、空洞共振器２２の小型化が図れる。以下の説明は、Ｃｓを例にとり説明しているが、Ｒｂの場合でも構成は同じである。空洞共振器２２は、非磁性体の金属でなる同筒状であり、その一端には光源部１からの励起光を採り入れる光入力窓２８が設けられ、また他端には光入力窓２８に対向する位置にガスセル２１を透過した光を受光するための光検出器２３が備えられている。また空洞共振器２２の内部には、周波数合成・逓倍回路４からのマイクロ波信号を入力するためのマイクロ波アンテナ２４およびガスセル２１の温度を検出するための温度センサ２９が備えられている。

空洞共振器２２の外周には、ガスセル２１に静磁場を与えるための静磁場コイル２７が巻回されている。空洞共振器２２と静磁場コイル２７は、複数の磁気シールド槽２５に収容されている。複数の磁気シールド槽２５は、一端に光源部１からの励起光をとり入れるための光入力窓２８がそれぞれ設けられ、かつ他端が閉塞された形状の強磁性体材料でなる金属ケースであり、外部磁場および周辺制御回路からの発生磁場を遮断する。最内層の磁気シールド槽２５の外周には、ガスセル２１と空洞共振器２２を加熱し恒温化するためのヒータ２６が巻回されている。ヒータ２６は、温度センサ２９によって検出される温度が一定となるように温度制御回路２ａから印加される電圧が制御されている。温度は、例えば常温より高い３０〜７０℃の間の所定温度で一定になるように制御されているが、これはガスセル２１に封入されている金属原子を蒸気の状態にし、励起光の吸収量を増すためである。

次に、光マイクロ波二重共鳴現象について、図６に示すＣｓのエネルギ状態の３準位原子系モデルを例に説明する。図６の（ａ）に示すように、熱平衡状態におけるＣｓは、基底状態（６Ｓ１／２ ）の２つの超微細準位（Ｆ＝３，Ｆ＝４）に等分に分布している。この状態のとき、図６の（ｂ）に示すように、Ｆ＝３から光ポンピングを行う波長に安定化された励起光をＣｓに照射すると、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ_１／２ ，Ｆ＝４）にあるＣｓは変化を受けないが、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ_１／２ ，Ｆ＝３）にあるＣｓは励起光の光エネルギを吸収して、励起状態（６Ｐ_３／２ ）に光ポンピングされる。励起状態（６Ｐ_３／２ ）に光ポンピングされたＣｓは、次の瞬間いま得たエネルギを自然放出して、基底状態（６Ｓ_１／２ ）の２つの超微細準位（Ｆ＝３，Ｆ＝４）に等確率で落ちる。励起光を照射し続けることによりこの過程が繰り返され、Ｃｓのほとんどが基底状態の高い超微細準位（６Ｓ_１／２ ，Ｆ＝４）に集められ、反転分布の状態となる。

この状態で図６の（ｃ）に示すように、Ｃｓ固有の共鳴周波数ｆ２ に近い高周波磁場（マイクロ波信号）を加えると、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ_１／２ ，Ｆ＝４）にあるＣｓは共振振動を受けてエネルギを放出し、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ_１／２，Ｆ＝３）に誘導放出される。ここで、再び、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ_１／２，Ｆ＝３）のＣｓは励起光の光エネルギを吸収して、励起状態（６Ｐ_３／２ ）への光ポンピングが始まるのでガスセル２１の透過光を受光している光検出器２３から図７に示すような吸収特性が得られる。これを光マイクロ波二重共鳴という。

図７において共鳴周波数ｆ２ から離れるにしたがって透過光レベルが増加しているのは、図６の（ｃ）に示す状態のときに、マイクロ波信号による高周波磁場が共鳴周波数ｆ２からずれるにしたがって誘導放出される原子の数が減り、その結果として低い準位の原子数は減り光の吸収がおこらないことが、その理由である。したがって、ガスセル２１を透過した光（透過光）レベルを光検出器２３で観測し、透過光レベルが常に最小となるようにマイクロ波信号の周波数を制御することにより、原子固有の共鳴周波数ｆ２ が持つ極めて安定な周波数が移乗した標準周波数を得ることができる。

前述の図６の説明では、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ_１／２ ，Ｆ＝３）から光ポンピングを行っているが、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ_１／２ ，Ｆ＝４）から光ポンピングを行ってもよい。この場合には、図６の（ｃ）の高周波磁場により、Ｃｓは、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ_１／２ ，Ｆ＝３）から基底状態の高い超微細準位（６Ｓ_１／２ ，Ｆ＝４）へと集められるため、同様の吸収特性が得られる。

また、前述の説明は、励起光波長が約８５２ｎｍであるＣｓのＤ２線を利用した光ポンピングについて説明したが、励起状態（６Ｐ_１／２ ）への励起光波長が約８９４ｎｍであるＣｓのＤ１線を利用した光ポンピングでも実現可能であることが知られている。

次にガスセル２１について、説明する。通常ガスセル２１内には、Ｃｓと共に緩衝気体として不活性ガスを封入する。緩衝気体の効果としては、光ポンピングされたＣｓのガスセル内壁との衝突によるエネルギ消失を防ぐことで、Ｃｓが下準位へ緩和して熱平衡状態へ近づこうとする時間（緩和時間）を延ばすことが知られている。

光源部１の光源は、キャリアガスと共に原子を封入したランプセルを高周波励振して放電させるランプ励起方式と、半導体レーザ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ：以下「ＬＤ」と記す。）を励起光としたＬＤ励起方式があるが、ＬＤ励起方式では励起波長の選択的な光ポンピングを行うことが可能であるため、ランプ励起方式と比較し、ポンピング効率および信号対雑音比の向上が可能である。

光源部１に、ＬＤ励起方式を用いた場合のガスセル型原子発振については特許文献１で開示されている。特許文献1の特徴は、アルカリ金属原子と緩衝気体とを封入したガスセルに半導体レーザから出射される該アルカリ金属原子の励起光と共鳴マイクロ波を照射して、光・マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、前記半導体レーザは前記アルカリ金属原子の光吸収線の内の所定の光吸収線の波長に安定化された励起光を出射し、かつ、前記緩衝気体は複数種類の不活性ガスより成り、前記ガスセルを使用する温度での該温度に対する前記共鳴周波数の微分係数及び前記波長安定化された励起光の光強度の変化に対する前記共鳴周波数の変化がゼロに近い値となるように、前記緩衝気体の分圧比と全圧力とがそれぞれ所定の値とされている。

また、同一出願人による特許文献２の原子発振器は、光源部と光入射窓との間の励起光の光路上にレンズを備え、レンズによって励起光の光束の径を変え、光入射窓を励起光が通過するときには光束を小さくし、光入射窓を通過した後は、光束の径が大きくするようにしている。
特許第３６３１４１０号公報 特開平１０−２８４７７２号公報

しかし、特許文献１の従来のガスセル型原子発振器でも、励起光の強度分布が不均一な場合、まだ解決する課題がある。図８は、従来のガスセル型原子発振器のセル部における励起光の強度分布を示す断面模式図であり、セル内の場所により光強度が異なる現象が生じていることを示している。なお、図中、破線の矢印は磁界を示し、光検出器２３に向かう矢印の太さの違いが、励起光の強度の違いを示している。

この場合の問題点を具体的にするため、図９に示す励起光の実験を行った。図９は、励起光を画像撮影し、光強度分布が不均一な場合（ａ）と、均一な場合（ｂ）とを比較したものである。実験に双方の励起光により二重共鳴現象を生じさせ、Ｓ／ＮおよびＱ値を比較した。図９（ａ）に示す不均一な光強度分布では、図９（ｂ）に示す均一な光強度分布の場合より、Ｓ／Ｎで４ｄＢから５ｄＢ劣り、Ｑ値で１０％程度低下することが判った。

さらに、双方の励起光による周波数安定度を比較すると、図９（ａ）に示す不均一な光強度分布では、図９（ｂ）に示す均一な光強度分布の場合より、約２倍の安定度劣化がみられた。このことは、励起光の光強度の均一性が重要であり、図９（ｂ）の場合でもさらに均一性を図れば、安定度性能の向上に繋がる。しかし、励起光の強度分布の不均一性をなくすため、励起光を出射するレーザモジュールの平行光調整に時間がかかった。また、光源部１内の光学系による干渉の影響、および、励起光を出射するレーザモジュールを平行光にするコリメートレンズの干渉縞の影響により、光強度の均一性を図ることは困難であった。

また、特許文献２の原子発振器は、光入射窓を通過する励起光の光束の径を変えているだけで、励起光の強度分布の均一性を図るものではない。

本発明は、レーザ励起方式によるガスセル型原子発振器において、励起光の強度分布を均一化させて、周波数安定度を向上させたガスセル型原子発振器を提供する。

本発明のガスセル型原子発振器では、励起光の強度分布を均一化させる手段として、共振器の励起光を入射させる窓部に光拡散板を挿入した。

具体的には、請求項１のガスセル型原子発振器では、金属原子を封入したガスセルに該金属原子の励起光と共鳴マイクロ波を同時に照射して、光・マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、前記ガスセルに入射する前記励起光の光軸上に光拡散板を備えた。

また、請求項２のガスセル型原子発振器では、金属原子を封入したガスセルに周波数変調された励起光を照射して、周波数変調された該励起光の上側サイドバンドの周波数と下側サイドバンドの周波数との周波数差が、前記金属原子の固有周波数に一致した時に、その周波数差を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、前記ガスセルに入射する前記励起光の光軸上に光拡散板を備えた。

本発明に係るガスセル型原子発振器は、光拡散板により、コヒーレントな光が数多くの方向に散乱されることになり、励起光の光強度の均一性が図られ、原子共鳴の効率が向上し、周波数安定度が向上する。また、セルに入射する励起光の角度が完全に平行でなくても構わないため、励起光を出射するレーザモジュールの平行光調整が容易となり、調整時間の短縮が図れる。

従来は、静磁界とマイクロ波による磁界を平行にすることで光二重共鳴線の半値幅の改善を行っていたのであるが、光の光軸に対する考え方が不十分であった。その理由は光ポンピンク方式の原子発振器について光をガスセルに当てるだけでは十分な効果は得られないからである。すなわち、マイクロ波による磁界と静磁界と入射光軸の３要素が平行になることで、最も効率よく光二重共鳴が起こる事になる。

[第１の実施形態]
以下、本発明の第１の実施形態を、図１、図２を用いて説明する。図１は本発明のガスセル型原子発振器における二重共鳴部の構成図である。図２は本発明の第１の実施形態における現象を説明するための模式図である。以下、本願発明の実施形態について説明する。ここで、図４の従来のガスセル型原子発振器の構成図と同機能の構成要件に対しては、同一符号を付してある。

図１の本願発明の実施形態は、図４の従来のガスセル型原子発振器の構成図と比較し、内側の磁気シールド槽２５に設けられた光入力窓２８に、光拡散板３０を挿入してある。レーザ光を、拡散板３０により拡散させると、ある方向にはコヒーレントな光が数多くの方向に散乱される。

図２を用いて、第１の実施形態の現象を説明する。光源部１からレーザ光が光拡散板３０に入射され、レーザ光が多くの方向に拡散して出射され、ガスセル２１に均一に入射される（図中、光拡散板３０に向かう矢印の太さの違いが、励起光の強度の違いを示し、光検出器２３に向かう白枠の矢印が、励起光の強度の均一性を示している）。その結果、ガスセル２１内の光強度の分布が均一となり、二重共鳴セル吸収スペクトルは、図９（ｂ）に示す理想に近いものとなり、ガスセル型原子発振器は、高い周波数安定度が得られることになる。

[第２の実施形態]
以下、本発明の第２の実施形態を、図３を用いて説明する。第２の実施形態は、本発明の特徴である、拡散板をＣＰＴ(Coherent Population Trapping)方式（変調したレーザ光で原子を励起する方式）のガスセル型原子発振器に用いた実施形態である。

ＣＰＴ方式のガスセル型原子発振器は、原子の電磁的な固有振動を基準とする時間標準周波数発生システムであって、小型化、省電力化に適し、将来的にクロック、ウオッチの周波数源（原子時計）への応用の可能性を有する。

図３に、光源部３１から出射されたレーザ光を、原子共振器３４に収納された金属原子を封入したガスセル３４ｃに照射し励起する。金属原子としては、例えばルビジュウムやセシウムが挙げられる。ガスセル３４ｃの出力を光検出器（ＰＤ）３４ｂで検出し、光源部３１の変調器であるレーザダイオード（ＬＤ）３１ａに帰還する。その光源部３１とガスセル３４ｃとの光路上にλ／４板３２、及び光拡散板３３を挿入する構成となっている。光源部３１から出射されたレーザ光をλ／４板３２で円偏光に変え、さらに、レーザ光の強度分布を、光拡散板３３で均一にしている。

レーザダイオード３１ａは、その出力の上側と下側とのサイドバンド周波数差が、金属原子の固有振動数に一致するように変調されている。ガスセル３４ｃを通過したレーザ光は、上側と下側とのサイドバンド周波数差が、金属原子の固有周波数に一致したときに最大となるので、ＰＤ３４ｂの出力が最大値を保持するように帰還することにより変調周波数を調整する。

このようにして、レーザダイオード３１ａの変調周波数は金属原子の固有周波数を基準として安定化され、その周波数は上側と下側とのサイドバンド周波数差の１／２となる。

本発明の第１の実施形態を示す構成図である。 本発明の第１の実施形態における現象を説明するための模式図である。 本発明の第２の実施形態を示す構成図である。 従来のガスセル型原子発振器の基本構成図である。 従来の二重共鳴共振器の構成を示す断面模式図である。 Ｃｓのエネルギ状態の３準位原子系モデルを示す図であり、（ａ）は熱平衡状態、（ｂ）は反転分布状態、（ｃ）は誘導放出現象を示す図である。 光マイクロ二重共鳴現象による吸収特性を示す図である。 従来の共振器での現象を説明するための模式図である。 励起光の強度分布の比較を示す図である。

符号の説明

１、３１・・・光源部、２・・・二重共鳴部、２ａ・・・ 温度制御回路、２ｂ・・・ 静磁場発生回路、２ｃ・・・ 二重共鳴共振器、３、３５・・・信号処理制御装置、４、３７・・・周波数合成・逓倍回路、５、３６・・・電圧制御水晶発振器、２１、３４ｃ・・・ガスセル、２２・・・空洞共振器、２３、３４ｂ・・・光検出器（ＰＤ）、２４・・・マイクロ波アンテナ、２５、３４ｅ・・・磁気シールド槽、２６、３４ａ・・・ヒータ、２７、３４ｄ・・・静磁場コイル、２８・・・光入力窓、２９・・・温度センサ、３０、３３・・・光拡散板、３１ａ・・・レーザダイオード（ＬＤ）、３２・・・λ／４板、３４・・・原子共振部。

Claims (2)

1. 金属原子を封入したガスセル（２１）に該金属原子の励起光と共鳴マイクロ波を同時に照射して、光・マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、前記ガスセルに入射する前記励起光の光軸上に光拡散板（３０）を備えたことを特徴とするガスセル型原子発振器。
2. 金属原子を封入したガスセル(３４ｃ)に周波数変調された励起光を照射して、周波数変調された前記励起光の上側サイドバンドの周波数と下側サイドバンドの周波数との周波数差が、前記金属原子の固有周波数に一致した時に、その周波数差を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、前記ガスセルに入射する前記励起光の光軸上に光拡散板(３３)を備えたことを特徴とするガスセル型原子発振器。