JP2009141048A - 光学系及び原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子から発光した光の変動をリアルタイムに検出して発光素子の強度と波長を制御することができる原子発振器の光学系を提供する。
【解決手段】この光学系１は、共鳴光３を出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置され共鳴光３を少なくとも２つの光路に分岐する光分岐手段４と、光分岐手段４により分岐された一方の共鳴光５を通過させるガスセル６と、ガスセル６を通過した光７を再びガスセル６に導く導光手段８と、ガスセル６を通過した光９を検出する光検出器１０と、光分岐手段４により分岐された他方の共鳴光１１を検出する光検出器１４と、光検出器１４により検出された共鳴光１５の強度に基づいてコヒーレント光源２の強度を制御する光源制御部１６と、偏光手段４と光検出器１４との間に原子の共鳴遷移と等しい波長を通過させる光フィルタ１２と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子発振器の光学系に関し、さらに詳しくは、原子発振器を構成する光学系に含まれる光源のパワー制御技術に関するものである。

ルビジウム、セシウム等の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、原子をガス状態に保つ必要があるため、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、光とマイクロ波を利用した二重共鳴法と、２種類のレーザ光による量子干渉効果（以下ＣＰＴ：Coherent Population Trappingと記す）を利用する方法に大別されるが、両者共にガスセルに入射した光が、原子ガス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。ここで、ＣＰＴを利用した原子発振器は、発光素子、ガスセル、及び受光素子を一体的に構成して光学系を形成している（特許文献１参照）。
ＵＳ６８０６７８４Ｂ２

しかし、特許文献１に開示されている従来の光学系の構成では、図６に示すように発光素子９３、ガスセル９５、及び受光素子９０が縦積みに配置されている。このため、最上面に配置した受光素子９０を電気的に接続するボンディングワイヤ９１が長くなり、モジュールの実装構造が複雑となるばかりでなく、受光素子９０から得られる信号が微弱なためにワイヤに重畳するノイズの影響を受けやすくなりＳ／Ｎ特性が低下するといった問題もある。また、発光素子９３のパワーや波長が変動した場合に、その変動を制御する方法として図７のように、従来の構成では温度制御部１０５からのＣｏａｒｓｅ信号１００、ＥＩＴ信号からのＦｉｎｅ信号１０１によりＶＣＳＥＬ１０６の安定化制御を行なっていた。このためＥＩＴ信号からのＦｉｎｅ信号１０１は原子ガスセルの擾乱に対して影響を受けるため、正確なＶＣＳＥＬの強度情報を検出することができなかった。また、Ｃｏａｒｓｅ信号１００は温度制御部１０５からの独立制御であるため、温度変化に対して追従しないといった問題があった。

本発明は、かかる課題に鑑み、発光素子から出射した光を光分岐素子により分岐して、一方の光をガスセル側に入射させて第１の受光素子により受光し、他方の光を第２の受光素子により受光することにより、発光素子から出射した光の変動をリアルタイムに検出して発光素子のパワーと波長を制御することができる原子発振器の光学系を提供することを目的とする。
また、他の目的は、受光素子を発光素子と同一側に併置することにより、受光素子を電気的に接続するボンディングワイヤを短くしてモジュール実装を容易とし、且つ、Ｓ／Ｎを改善することである。

本発明はかかる課題を解決するために、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴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光学系であって、前記共鳴光を出射するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光源の出射側に配置され前記共鳴光を少なくとも２つの光路に分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段により分岐された一方の共鳴光の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に該共鳴光を通過させるガスセルと、前記ガスセルを通過した光を再び該ガスセルに導く導光手段と、前記ガスセルを通過した光を検出する第１の光検出手段と、前記光分岐手段により分岐された他方の共鳴光を検出する第２の光検出手段と、前記第２の光検出手段により検出された共鳴光の強度に基づいて前記コヒーレント光源の強度を制御する光源制御部と、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量子干渉効果を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している３準位系（例えばΛ型準位系）において、同時に照射される２つの共鳴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、３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つの共鳴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、本発明の光学系は、コヒーレント光源と第１及び第２の光検出手段を同一側に実装し、コヒーレント光源からの共鳴光を分岐して、一方の共鳴光はガスセルに入射させて第１の光検出手段により検出し、他方の共鳴光はガスセルを通過させずに第２の光検出手段により検出する。これにより、コヒーレント光源の光の強度変動をガスセル等の他の影響を受けずに監視することができる。

また、前記光分岐手段と前記第２の光検出手段との間に原子の共鳴遷移と等しい波長を通過させる光フィルタを備えたことを特徴とする。
コヒーレント光源からの共鳴光は、光の強度（パワー）の他に波長も重要なファクターとなる。波長を検出する手段としては、決められた波長だけを通過させる光フィルタを使用すればよい。そこで本発明では、光分岐手段と前記第２の光検出手段との間に原子の共鳴遷移と等しい波長を通過させる光フィルタを備える。これにより、共鳴光の波長が変動したことを検出することができる。
また、前記光源制御部は、前記光フィルタを通過した共鳴光の強度が低下した場合、前記コヒーレント光源の波長が変動したと見做して、該コヒーレント光源の波長を変更するように制御することを特徴とする。
光フィルタを通過した光は、特定の波長の光である。従って、光検出手段の検出レベルが低下したときは、コヒーレント光源からの共鳴光の波長が変動して光フィルタにより阻止されたと見做すことができる。そこで本発明では、そのような時は、コヒーレント光源の波長を変更するように制御する。これにより、コヒーレント光源の波長変動を即座に検出して補正することができる。

また、前記光分岐手段は、ビームスプリッタ又はハーフミラーにより構成されていることを特徴とする。
コヒーレント光源から出射された共鳴光の変動を検出するためには、可能な限りコヒーレント光源の生の光を検出することが好ましい。そこで本発明では、コヒーレント光源から出射された光の一部を分岐して検出する。それにはビームスプリッタ又はハーフミラーが好都合である。これらの素子は、入射した一部の光を通過して、他の一部の光の光路を変換する特性がある。これにより、共鳴光を少なくとも２つの光路に分岐することができる。
また、前記コヒーレント光源の周囲温度を制御する温度制御素子を備えたことを特徴とする。
コヒーレント光源は、周囲温度により光源の強度（パワー）及び波長（周波数）が変動する特性を有している。そこで本発明では、パワー及び波長を調整するために、積極的にコヒーレント光源の周囲温度を制御する例えばペルチェ素子のような温度制御素子を設ける。これにより、外部からパワー及び波長を所定量変更することができる。

前記第１及び第２の光検出手段と、前記コヒーレント光源とをガスセルに対して同一側に併置したことを特徴とする。
本発明の光学系は、コヒーレント光源と第１及び第２の光検出手段とをガスセルに対して同一側に実装し、透過光が第１の光検出手段により受光され、コヒーレント光源から出射した光の一部が第２の光検出手段により受光されるように導光手段を構成した。これにより、ボンディングワイヤが短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系全体の実装も容易にすることができる。
前記導光手段は、反射部材により構成されていることを特徴とする。
導光手段に入射した透過光を第１の光検出手段に折り返すにはミラー等の反射部材が最適である。これにより、透過光を所望の光路により第２の光検出手段と併置した第１の光検出手段に入射させることができる。
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の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではレーザ光は最適である。

前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴とする。
セシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また、ルビジウム原子は手軽に広く普及している。よって、原子発振器の要求性能とコストを考慮して、いずれかの金属原子を選ぶことができる。
前記コヒーレント光源から出射された光を集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子を前記コヒーレント光源と前記ガスセルとの間に配置したことを特徴とする。
光学系には、コヒーレント光源から出射された光を集光して、平行光になるように補正するためにレンズや波長板といった受動光学素子が使用される。この受動光学素子は、ガスセルに入射する前であればどこに配置しても構わない。そこで本発明では、受動光学素子をコヒーレント光源とガスセルとの間に配置する。これにより、光を正確に導光手段に入射させることができる。
また、上記構成による光学系を原子発振器に備えたことを特徴とする。
ガスセルを複数回通過する構造としたことで、より大きなＥＩＴ信号を得る光学系とすることができるので、Ｓ／Ｎが向上した高性能な原子発振器を提供することができる。

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１は、波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴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１００の光学系１であって、共鳴光３を出射するコヒーレント光源２と、コヒーレント光源２の出射側に配置され共鳴光３を少なくとも２つの光路に分岐する光分岐手段４と、光分岐手段４により分岐された一方の共鳴光５の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、金属原子ガス中に共鳴光５を通過させるガスセル６と、ガスセル６を通過した光７を再びガスセル６に導く導光手段８と、ガスセル６を通過した光９を検出する光検出器（第１の光検出手段）１０と、光分岐手段４により分岐された他方の共鳴光１１を検出する光検出器（第２の光検出手段）１４と、光検出器１４により検出された共鳴光１５の強度に基づいてコヒーレント光源２の強度を制御する光源制御部１６と、光分岐手段４と光検出器１４との間に原子の共鳴遷移と等しい波長を通過させる光フィルタ１２と、を備えている。尚、符号３０は、光源制御部１６と周波数制御回路１８との信号を合成してコヒーレント光源に入力する合成回路である。原子発振器１００は光検出器１０の出力信号により、発振周波数を制御する周波数制御回路１８を更に備えて構成されている。また、本発明の主旨は、原子発振器を構成する光学系の構成にあるので、原子発振器の周波数制御についての詳細な説明は省略する。

即ち、本発明の原子発振器１００は、レーザ光などのコヒーレント光の量子干渉効果を利用したものである。この方式は、２つの基底準位が共鳴光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している３準位系（例えばΛ型準位系）において、同時に照射される２つの共鳴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、３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つの共鳴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、本発明の光学系１は、コヒーレント光源２と光検出手段１０、１４とを、ガスセルに対して同一側に実装し、コヒーレント光源２からの共鳴光３を分岐して、一方の共鳴光５はガスセル６に入射させて導光手段８を介して光検出手段１０により検出し、他方の共鳴光１１はガスセル６を通過させずに光検出器１４により検出する。これにより、コヒーレント光源２の光の強度変動をガスセル６等の他の影響を受けずに監視することができる。

また、コヒーレント光源２からの共鳴光３は、光の強度（パワー）の他に波長も重要なファクターとなる。波長を検出する手段としては、決められた波長だけを通過させる光フィルタ１２を使用すればよい。そこで本発明では、光分岐手段４と光検出器１４との間に原子の共鳴遷移と等しい波長を通過させる光フィルタ１２を備える。これにより、共鳴光３の波長が変動したことを検出することができる。
また、光フィルタ１２を通過した光は、特定の波長の光である。従って、光検出器１４の検出レベルが低下したときは、コヒーレント光源からの共鳴光の波長が変動して光フィルタ１２により阻止されたと見做すことができる。そこで本発明では、そのような時は、コヒーレント光源２の波長を変更するように制御する。これにより、コヒーレント光源２の波長変動を即座に検出して補正することができる。

図２はＣＰＴ方式による原子の３準位系を説明する一例である。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、核スピン−電子スピン相互作用による超微細構造により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、よりエネルギーの高い準位へ励起する。また、図２の様に２つの基底準位が光を受けて、共通の励起準位と共鳴結合している状態を２光子共鳴と言う。図２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、共鳴光もそれぞれ共鳴光１（２０）と共鳴光２（２２）と波長が若干異なる。同時に照射される共鳴光１（２０）と共鳴光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２の系は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、共鳴光１（２０）と共鳴光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。尚、この光吸収が停止する状態でガスセル６を通過する透過光をＥＩＴ信号と呼ぶ。

図３（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。この光学系１Ａは、基板４８上に発光素子（図１のコヒーレント光源２）３３と受光素子（図１の光検出器１０）４７と受光素子（図１の光検出器１４）４６を併置し、夫々の素子がボンディングワイヤ３２により基板４８に電気的に接続されている。そして、スペーサ４９ａ、４９ｂにより所定の距離を確保して、その上に発光素子３３から出射されたコヒーレント光３５を集光したり、平行光に変換したり、或いは偏光状態を変える受動光学素子３４を備え、その上にビームスプリッタ３６と、ビームスプリッタ３６により分岐された共鳴光４３を基板４８に導く第２ミラー４４が備えられている。そして、スペーサ５０ａ、５０ｂにより所定の距離を確保して、その上にガスセル３８があり、スペーサ５１ａ、５１ｂにより所定の距離を確保して、第１ミラー３９、４１（図１の導光手段８）により透過光４０を受光素子４７に導光している。

次に、図３（ａ）により概略動作について説明する。発光素子３３から出射されたコヒーレント光３５は、受動光学素子３４により集光されて平行光に補正されてビームスプリッタ（光分岐手段）３６に入射する。ビームスプリッタ３６はコヒーレント光３５を２つの光路に分岐する。一方の光４３は第２ミラー４４に入射して直角に反射されて受光素子４６により受光される。また、他方の光３７はガスセル３８に入射する。ガスセル３８は２つの波長を有する光３７の一方或いは両方の波長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。ガスセル３８を通過した光は第１ミラー３９により直角に反射され、同じく第１ミラー４１により直角に反射されて再びガスセル３８に入射する。ガスセル３８を通過した光４２は、受光素子４７により受光される。尚、発光素子３３として面発光型レーザ（ＶＣＳＥＬ）、受光素子４６、４７としてフォトダイオードが良く使用される。

尚、光学系１Ａは、発光素子３３と受光素子４６、４７とをガスセル３８に対して同一側に実装し、透過光が受光素子４７により受光され、コヒーレント光源から出射した光の一部が受光素子４６により受光されるように第１ミラー３９、４１、及び第２ミラー４４を構成した。これにより、ボンディングワイヤが短くなり、信号のＳ／Ｎ特性を改善すると共に、光学系全体の実装も容易にすることができる。
また、発光素子３３から出射された共鳴光３５の変動を検出するためには、可能な限り発光素子３３の出射光を直接検出することが好ましい。そこで本実施形態では、発光素子３３から出射された光３５の一部を分岐して検出する。それにはビームスプリッタ又はハーフミラーが好都合である。これらの素子は、入射した一部の光を通過して、他の一部の光の光路を分岐する特性がある。これにより、共鳴光を少なくとも２つの光路に分岐することができる。
また、入射した透過光を第１のミラー３９、４１に折り返すにはミラー等の反射部材が最適である。これにより、透過光を所望の光路により光検出器４６と併置した光検出器４７に入射させることができる。
また、光学系には、発光素子３３から発光された光を集光して、平行光になるように補正するためにレンズや波長板といった受動光学素子３４が使用される。この受動光学素子３４は、ガスセル３８に入射する前であればどこに配置しても構わない。そこで本実施形態では、受動光学素子３４を発光素子３３とガスセル３８との間に配置する。これにより、光を正確に第１ミラー３９に入射させることができる。

尚、本実施形態の発光素子３３は、レーザ光を使用している。レーザ光は波長の単色性が良く、位相の揃った光である。このような光の波長や位相の安定性の尺度としてコヒーレンスが定義されている。コヒーレンスが良い、すなわち波長や位相が安定な光は量子干渉効果を起こすことができる。その点ではレーザ光は最適である。また、ガスセル３８に使用するガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムである。１次原子標準器に使われるセシウム原子を使えば、精度の高い原子発振器を実現できる。また、２次標準器で使われるルビジウム原子は手軽に広く普及しているため、これを使えば一般的には小型で低価格な原子発振器を実現できる。従って、金属原子に何を用いるかは、使用目的により選択すればよい。なお、本実施形態ではルビジウム、セシウムを用いたがΛ型準位系等の３準位系を持った原子であればどのような原子であっても構わない。

図３（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。同じ構成要素には図３（ａ）と同じ参照番号を付して説明する。この光学系１Ｂは、ビームスプリッタ３６と（第２ミラー４４を介して）受光素子４６との間に光フィルタ５２を設けている。他の構成は図３（ａ）と同じであるので説明を省略する。即ち、発光素子３３からの共鳴光３５は、光の強度（パワー）の他に波長も重要なファクターとなる。波長を検出する手段としては、決められた波長だけを通過させる光フィルタ５２を使用すればよい。そこで本実施形態では、ビームスプリッタ３６と受光素子４６との間に原子の共鳴遷移と等しい波長を通過させる光フィルタ５２を備える。これにより、光源制御部１６は、共鳴光の波長が変動したことを受光素子４６のレベルの変動から検出することができる。尚、光フィルタ５２はビームスプリッタ３６と受光素子４６の間であれば何処でも構わない。

図４（ａ）、（ｂ）は、図３（ａ）、（ｂ）の構成による光学系を駆動する光源制御部を説明する図である。同じ構成要素には図１、図３と同じ参照番号を付し重複する説明は省略する。図４（ａ）は図３（ａ）に対応し、図４（ｂ）は図３（ｂ）に対応している。まず図４（ａ）の構成について説明する。光学系１Ａの発光素子３３を発光させるためのレーザドライバ６２と、受光素子４７の出力信号を増幅するアンプ６５と、ガスセル３８の温度を検知するサーミスタ６１の出力信号を増幅するアンプ６４と、受光素子４６の出力信号を増幅するアンプ６３と、を備え、各アンプ６３〜６５の出力信号に基づいて発光素子３３の強度を制御する光源制御部（ＭＣＵにより構成）１６からの出力信号６６を合成回路３０により変調信号１９と合成されてレーザドライバ６２に入力される。また、光源制御部１６からは、加熱素子６０を一定温度に加熱する制御信号６７が出力される。尚、図４（ａ）、（ｂ）では、受動光学素子３４と第１ミラー３９、４１を省略している。従って、受光素子４７に入射する光の経路ついては、ガスセル３８を往復する光の経路を一部省略している。

次に図４（ａ）の構成による光源制御部の概略動作について説明する。発光素子３３から出射されたコヒーレント光３５はビームスプリッタ３６に入射する。ビームスプリッタ３６はコヒーレント光３５を２つの光路に分岐する。一方の光４３はミラー４４に入射して直角に反射されて受光素子４６により受光される。受光素子４６の出力信号はアンプ６３により増幅されて光源制御部１６に入力される。また、他方の光３７はガスセル３８に入射する。ガスセル３８は２つの波長を有する光３７の一方或いは両方の波長を変化させたときに、光吸収が停止するように動作する。ガスセル３８を通過した光は受光素子４７により受光される。受光素子４７の出力信号はアンプ６５により増幅されて光源制御部１６に入力される。ここで、発光素子３３が何らかの原因により、発光強度に変動が生じた場合は、受光素子４６により受光する光の強度が変動するため、その信号はアンプ６３により増幅されて光源制御部１６により検出される。光源制御部１６は、その変動量に基づいて、例えば、規定の強度より弱い場合は、レーザドライバ６２を介して発光素子３３の電流を増加するように制御する。また、逆に規定の強度より強い場合は、レーザドライバ６２を介して発光素子３３の電流を減少させるように制御する。このとき、レーザドライバ６２の電流を増減しても変動しない場合は、発光素子３３が故障したと判断する。尚、判断基準は適宜決められる。また、光源制御部１６は、サーミスタ６１の信号を常時監視して、ガスセル３８が一定の温度に維持されるように加熱素子６０を制御する。例えば、サーミスタ６１からの温度信号が高いと判断した場合は、加熱素子６０に流す電流を低下或いは反転させて加熱温度を低下させ、逆にサーミスタ６１からの温度信号が低いと判断した場合は、加熱素子６０に流す電流を増加させて加熱温度を上昇させるようにフィードバック制御する。

次に図４（ｂ）の構成について説明する。図４（ｂ）が図４（ａ）と異なる点は、ミラー４４と受光素子４６との間に光フィルタ５２を設置した点である。他の構成は図４（ａ）と同じであるので説明を省略する。即ち、発光素子３３からの共鳴光３５は、光の強度（パワー）の他に波長も重要なファクターとなる。波長を検出する手段としては、決められた波長だけを通過させる光フィルタ５２を使用すればよい。そこで本実施形態では、ミラー４４と受光素子４６との間に原子の共鳴遷移と等しい波長を通過させる光フィルタ５２を備える。これにより、光源制御部１６は、共鳴光の波長が変動したことを受光素子４６のレベルの変動から検出することができる。尚、光フィルタ５２はビームスプリッタ３６と受光素子４６の間であれば何処でも構わない。

図５は発光素子３３の周囲温度を制御する温度制御素子を説明する図である。コヒーレント光源は、周囲温度により光源の強度（パワー）及び波長（周波数）が変動する特性を有している。そこで本実施形態では、パワー及び波長を調整するために、積極的に発光素子３３の周囲温度を制御する例えばペルチェ素子のような温度制御素子６８を発光素子３３の近傍に設ける。ペルチェ素子は電圧の極性により温度が上昇したり下降する特性を有している。従って、光源制御部１６が波長の変動を検出した場合、発光素子３３を加熱或いは冷やすことにより発光素子３３の波長を変化させて、波長の変動を補正することができる。尚、ペルチェ素子６８による波長の補正は限られた範囲であるため、他の手段と併用することが好ましい。

本発明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３準位系を説明する図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る光学系の構成を模式化した図である。 （ａ）は図３（ａ）の構成による光学系を駆動する光源制御部を説明する図、（ｂ）は図３（ｂ）の構成による光学系を駆動する光源制御部を説明する図である。 発光素子３３の周囲温度を制御する温度制御素子を説明する図である。 特許文献１に開示されている従来の光学系の構成を示す図である。 従来の構成による光学系を駆動する制御部を説明する図である。

符号の説明

１ 光学系、２ コヒーレント光源、３、５、１１ 共鳴光、４ 光分岐手段、６ ガスセル、７、９ 透過光、８ 導光手段、１０、１４ 光検出器、１６ 光源制御部、１８ 周波数制御回路、３０ 合成回路、１００ 原子発振器

Claims (11)

1. 波長が異なるコヒーレント光としての２種類の共鳴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光学系であって、
   前記共鳴光を出射するコヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源の出射側に配置され前記共鳴光を少なくとも２つの光路に分岐する光分岐手段と、
   前記光分岐手段により分岐された一方の共鳴光の出射側に配置されガス状の金属原子を封入すると共に、該金属原子ガス中に該共鳴光を通過させるガスセルと、
   前記ガスセルを通過した前記共鳴光を再び該ガスセルに導く導光手段と、
   前記ガスセルを通過した前記共鳴光を検出する第１の光検出手段と、
   前記光分岐手段により分岐された他方の共鳴光を検出する第２の光検出手段と、
   前記第２の光検出手段により検出された他方の共鳴光の強度に基づいて前記コヒーレント光源の強度を制御する光源制御部と、
   を備えたことを特徴とする原子発振器の光学系。
2. 前記光分岐手段と前記第２の光検出手段との間に原子の共鳴遷移と等しい波長を通過させる光フィルタを備えたことを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
3. 前記光源制御部は、前記光フィルタを通過した共鳴光の強度が低下した場合、前記コヒーレント光源の波長が変動したと見做して、該コヒーレント光源の波長を変更するように制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の原子発振器の光学系。
4. 前記光分岐手段は、ビームスプリッタ又はハーフミラーにより構成されてい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の光学系。
5. 前記コヒーレント光源の周囲温度を制御する温度制御素子を備えた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の光学系。
6. 前記第１及び第２の光検出手段と、前記コヒーレント光源とを前記ガスセルに対して同一側に併置したことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
7. 前記導光手段は、反射部材により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
8. 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に記載の原子発振器の光学系。
9. 前記ガス状の金属原子は、ルビジウム、又はセシウムであることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器の光学系。
10. 前記コヒーレント光源から発光された光を集光し、且つ平行光に補正する受動光学素子を前記コヒーレント光源と前記ガスセルとの間に配置したことを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の原子発振器の光学系。
11. 請求項１乃至１０の何れか一項に記載の光学系を備えたことを特徴とする原子発振器。

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