JP2010226282A

JP2010226282A - 量子干渉装置、及び原子発振器

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Publication number: JP2010226282A
Application number: JP2009069587A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Maki; 義之牧
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-03-23
Filing date: 2009-03-23
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-23
Also published as: JP5369803B2

Abstract

【課題】周波数安定度を更に向上させた原子発振器を提供する。
【解決手段】この原子発振器１００は、半導体レーザにより構成されるＬＤ１と、アルカ
リ金属が封止されたガスセル２と、ガスセル２の透過光を検出するＰＤ（光検出器）３と
、電圧制御水晶発振器９の周波数を制御する制御信号を生成する同期制御部２１と、原子
発振器１００の出力信号が同期しているか否か判定する同期検出部２０と、電圧検出回路
１８の出力信号に従い、Ｈｉレベル（同期時）でガスセル２に所定の強さの磁場を与える
磁場制御回路１９と、を備えて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、量子干渉装置、及び原子発振器に関し、さらに詳しくは、ＣＰＴ方式の原子
発振器において、ＣＰＴ現象を効率良く発生させるための共鳴光の生成技術に関するもの
である。

図９はアルカリ金属原子のエネルギー準位を示したものである。ＣＰＴ方式による原子
発振器は、アルカリ金属原子の基底準位１（２３）または基底準位２（２４）から励起準
位（２１）へ励起するときの、波長の若干異なる二つの共鳴光１と共鳴光２に対する吸収
特性を利用している。ここで、同時に照射される共鳴光１と共鳴光２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）のエネルギー差に一致すると、図
９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（Ｃ
ＰＴ現象と呼ぶ）。ＣＰＴはこの原理を利用して、共鳴光１と共鳴光２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。このＣＰＴ現象が発生すると、図４のよう
にＥＩＴ信号２２が発現する。このＥＩＴ信号２２は、複数のスペクトラムが縮退してい
るので、ピーク値は高くなるが半値幅が広がっているため、発振器としての周波数安定度
が悪いといった問題がある。
そこで、周波数安定度を高めるために、励起光の強度分布を均一化することが行なわれ
ている。その一つの方法として、特許文献１には、ガスセルに直流平行磁場（静磁場）を
与えるために、ガスセルの周回に静磁場コイルを巻き回して電流を供給し、ガスセル周囲
の磁場を安定化する技術が開示されている。

特開２００５−１７５２２１公報

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、ガスセル周囲の磁場を安定化
させて励起光の強度分布を均一化することは可能であるが、依然としてＥＩＴ信号の半値
幅が広がっているため、規定の周波数にロックさせた後の周波数安定度が悪い状態である
という問題は解決されていない。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、原子発振器の出力信号が同期した
ときに、ガスセルに所定の強度を有する磁場を印加してＥＩＴ信号にゼーマン分裂を生起
させ、縮退したスペクトラムの半値幅より狭いスペクトラムを生成するようにして、周波
数安定度を更に向上させた原子発振器を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］少なくとも、気体状のアルカリ金属原子と、該アルカリ金属の超微細構造
からなる２つの基底状態間のエネルギー差に相当する周波数差を保持した異なる周波数の
励起レーザ光対を発生させる光源と、光検出器とを備え、前記気体状のアルカリ金属原子
と前記励起レーザ光対を相互作用させて電磁誘起透過現象を発生させる量子干渉装置であ
って、前記量子干渉装置の出力信号が同期したことを検出する同期検出部と、前記気体状
のアルカリ金属原子に磁場を印加する磁場制御回路と、を備え、前記同期検出部が前記量
子干渉装置の出力信号が同期したことを検出したときに、前記磁場制御回路を駆動して前
記気体状のアルカリ金属原子に磁場を印加して前記電磁誘起透過現象にゼーマン分裂を生
起させることを特徴とする。

ＣＰＴ方式の量子干渉装置は、量子干渉装置の出力信号が同期すると、電磁誘起透過現
象によりＥＩＴ信号が発生する。しかし、このＥＩＴ信号のスペクトラムは、縮退してい
るのでレベルは大きいが半値幅が広がっている。半値幅が広いということは、発振器とし
て得られる周波数安定度が悪いことを意味している。そこで本発明では、量子干渉装置の
出力信号が同期したことを同期検出部により検出し、ガスセルに所定の強度を有する磁場
を印加する。ガスセル内の気体状のアルカリ金属原子は、磁場が印加されると、例えば、
セシウムの場合、ＥＩＴ信号のスペクトラムが７つの基底準位に分裂する。この現象をゼ
ーマン分裂という。そして、ゼーマン分裂により中心のＥＩＴスペクトラムのレベルは低
くなる（１／７程度）が、半値幅が狭くなり（１／７程度）、ロックの掛け易さを損なう
ことなく、周波数の安定度を高めることができる。

［適用例２］前記磁場制御回路は、前記磁場の強度が連続的に漸増するように構成され
ていることを特徴とする。

量子干渉装置の出力信号が同期したことを同期検出部により検出し、ガスセルに所定の
強度を有する磁場を印加する場合、あまり急激に磁場を強くすると、ロック状態から外れ
てしまう可能性がある。そこで本発明では、同期検出部により量子干渉装置の出力信号が
同期したことを検出したとき、磁場の強度を連続的に漸増する。これにより、ロック状態
から外れる危険性を回避することができる。

［適用例３］前記磁場制御回路は、前記磁場の強度が段階的に漸増するように構成され
ていることを特徴とする。

磁場制御回路から磁場を発生する場合、磁場の強度を連続的に変化させる回路構成は複
雑となる。そこで本発明では、磁場の強度を段階的に漸増させるものである。これにより
、回路をデジタル回路として構成することができるので、回路構成を簡略化することがで
きる。

［適用例４］原子発振器に適用例１乃至３の何れか一項に記載の量子干渉装置を備えた
ことを特徴とする。

本発明の量子干渉装置を原子発振器に備えるので、周波数安定度を更に向上させた原子
発振器を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の構成を示す図である。中心波長設定部がＬＤの中心波長を設定したときのＰＤ出力波形を示す図である。ＬＤにサイドバンド成分が発生したときの共鳴光１、２を示す図である。ＥＩＴ信号が発現した様子を示す図である。（ａ）アンロック状態におけるＡＭＰ出力を示す図、（ｂ）ロック状態におけるＡＭＰ出力を示す図である。同期制御電圧の様子を示す図である。（ａ）は縮退しているＥＩＴ信号のスペクトラムを説明する図、（ｂ）はゼーマン分裂したときのＥＩＴ信号のスペクトラムを説明する図である。（ａ）は、磁場制御回路が磁場の強度を連続的に漸増する様子を示す図、（ｂ）は、磁場制御回路が磁場の強度を段階的に漸増する様子を示す図である。従来のＣＰＴ方式の原理を説明する図である。

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構成を示す図である。この原子発振
器１００は、半導体レーザにより構成されるＬＤ（光源）１と、ＬＤ１に直流電流を与え
、ＬＤ１の波長を所定の値に設定する中心波長設定部１３と、アルカリ金属が封止された
ガスセル２と、ガスセル２の透過光を検出するＰＤ（光検出器）３と、ＰＤ３の電流出力
を増幅し電圧に変換するＡＭＰ４と、ＡＭＰ４に含まれる低周波信号（１１１Ｈｚ）と低
周波発振器８の信号を同期検波し、誤差電圧を生成する乗算器５と、乗算器５の出力に含
まれる交流成分を除去するフィルタ６と、乗算器５に入力される二つの信号間の位相差を
０度にする位相回路７と、約１１１Ｈｚの低周波信号を出力する低周波発振器８と、同期
制御部２１からの制御信号に従い、出力周波数が制御される電圧制御水晶発振器９と、電
圧制御水晶発振器９の出力信号を低周波発信器８の出力信号にて位相変調する位相変調部
１０と、位相変調部１０の出力信号を逓倍し、４．５９６ＧＨｚのマイクロ波信号を生成
するＰＬＬ１１と、低周波発振器８の出力信号の周波数を２倍する（×２）１４と、乗算
器１６に入力される二つの信号間の位相差を０度にする位相回路１５と、ＡＭＰ４に含ま
れる低周波信号（２２２Ｈｚ）と低周波発振器８の２倍の信号を同期検波し、誤差電圧を
生成する乗算器１６と、乗算器１６の出力に含まれる交流成分を除去するフィルタ１７と
、フィルタ１７の出力からの誤差電圧が所定の電圧範囲か否か検出し、原子発振器１００
が同期しているか否かを判定する電圧検出回路１８と、電圧検出回路１８の出力信号に従
い、Ｈｉレベル（同期時）でガスセル２に所定の強さの磁場を与える磁場制御回路１９と
、を備えて構成される。
尚、電圧制御水晶発振器９の周波数を制御する制御信号を生成する同期制御部２１は、
乗算器５、フィルタ６、位相回路７、及び低周波発振器８により構成される。また、原子
発振器１００の出力信号が同期しているか否か判定する同期検出部２０は、（×２）１４
、位相回路１５、乗算器１６、フィルタ１７、及び電圧検出回路１８により構成される。

次に本発明に係る原子発振器１００の動作について説明する。まず装置の電源をＯＮす
ると、ＰＤ３の出力が最小となるように中心波長設定部１３がＬＤ１の中心波長を設定す
る（図２参照）。（このとき、ＰＬＬ１１の出力とＬＤ１との接続をＳＷ１２で断として
おく。）次に、ＰＬＬ１１の出力信号をＬＤ１に印加し、ＬＤ１にサイドバンド成分を発
生させる（共鳴光１、２の成分を発生、図３参照）。このとき、ＰＬＬ１１の出力はフリ
ーランの状態にあるが、ほぼ４．５９６ＧＨｚ（共鳴周波数の約１／２）の周波数を維持
する（電圧制御水晶発振器９の周波数は安定している）。ＰＬＬ１１の出力がほぼ４．５
９６ＧＨｚにあるとき、ＡＭＰ４の出力に図４のようなＥＩＴ信号２２が出力される。こ
のとき、ＰＬＬ１１の出力信号には１１１Ｈｚの位相変調がかかっているため、ＬＤ１に
も位相変調がかかり（共鳴光１、２の波長がそれぞれ１１１Ｈｚの周期で変化）、ＥＩＴ
信号を拡大すると図５（ａ）のような信号がえられている（Ａのアンロック状態＝位相変
調の中心がＥＩＴ信号２２のピークからずれている状態）。ＡＭＰ４の出力が１１１Ｈｚ
周期で脈動する。Ａのアンロック（非同期）状態では、ＰＬＬ１１の出力周波数が共鳴周
波数の１／２にロックされていないため、ＡＭＰ４の出力において低周波発振器８の成分
（１１１Ｈｚ）のみ発生する。そこで、ＡＭＰ４の出力において低周波発振器８（１１１
Ｈｚ）の２倍の成分（２２２Ｈｚ）が最少になるようにフィードバック制御され、図５（
ｂ）のように、ＰＬＬ１１の出力信号の周波数が共鳴周波数の１／２に正確にロックされ
る（Ｂのロック状態＝位相変調の中心がＥＩＴ信号２２のピークに一致）。このとき、同
期制御出力信号は図６のような同期制御電圧２３が発生している。この同期制御電圧２３
が０Ｖとなるように、電圧制御水晶発振器９へフィードバック制御がかかり、ＰＬＬ１１
の出力周波数は正確に共鳴周波数の１／２にロックされる。

一方、同期検出部２０は、低周波発振器８の周波数の２倍の成分の有無を検出し（同期
検波し）、前記２倍の成分に比例した直流電圧を発生する。即ち、同期しているときにの
み出力電圧が発生し、非同期のときには、出力電圧がほとんど発生しない。よって、電圧
検出回路１８は、フィルタ１７の出力電圧があらかじめ設定してあった基準電圧を超えて
いるか否か判定し、超えていたら同期していると判定し、デジタル信号Ｈｉを出力する。
またフィルタ１７の出力電圧が基準電圧より小さいときは、非同期と判定し、デジタル信
号ＬＯを出力する。その結果、磁場制御回路１９は、電圧検出回路１８の出力信号に従い
、同期状態になったとき、ガスセル２に与える磁場の強さを弱→強に切り替える。このと
き、ガスセル２に掛かる磁場の強度が強くなるため、ＥＩＴ信号２２がゼーマン分裂して
、図７（ｂ）のようなスペクトラムを有するようになる。尚、磁場の切り替えは同期が外
れないように、ゆっくりとした磁場強度変化を有するように切り替える。ゼーマン分裂後
、ＥＩＴのスペクトラムのレベルが約７分の１になるが、スペクトラムの半値幅がおよそ
約７分の１になるので、原子発振器１００の出力信号として周波数安定度を向上させるこ
とができる。

即ち、ＣＰＴ方式の原子発振器１００は、原子発振器１００の出力信号が同期すると、
電磁誘起透過現象によりＥＩＴ信号２２が発生する。しかし、このＥＩＴ信号２２のスペ
クトラムは、縮退しているのでレベルは大きいが半値幅が広がっている（図７（ａ）参照
）。半値幅が広いということは、所定の周波数でロックをかけた後に、その周波数から外
れてロックが解除され易いことを意味している。そこで本発明では、原子発振器１００の
出力信号が同期したことを同期検出部２０により検出し、ガスセル２に所定の強度を有す
る磁場を印加する。ガスセル２内の気体状のアルカリ金属原子は、磁場が印加されると、
例えば、セシウムの場合、ＥＩＴ信号２２のスペクトラムが７つの基底準位に分裂する（
図７（ｂ）参照）。この現象をゼーマン分裂という。そして、ゼーマン分裂により中心の
ＥＩＴスペクトラム２４のレベルは低くなる（１／７程度）が、半値幅が狭くなり（１／
７程度）、ロックの掛け易さを損なうことなく周波数の安定度を高めることができる。

図８は磁場制御回路によりガスセルに印加する磁場の制御方法を説明する図である。図
８（ａ）は、磁場制御回路１９が磁場の強度を連続的に漸増するように構成されている。
即ち、時間（ｔ）に伴って磁場の強度がＡからＢに直線的に漸増するように制御される。
また、図８（ｂ）は、磁場制御回路１９が磁場の強度を段階的に漸増するように構成され
ている。即ち、時間（ｔ）に伴って磁場の強度がａからｂに段階的に漸増するように制御
される。即ち、原子発振器１００の出力信号が同期したことを同期検出部２０により検出
し、ガスセル２に所定の強度を有する磁場を印加する場合、あまり急激に磁場を強くする
と、ロック状態から外れてしまう可能性がある。そこで本実施形態では、同期検出部２０
により原子発振器１００の出力信号が同期したことを検出とき、磁場の強度を連続的に漸
増する。これにより、ロック状態から外れる危険性を回避することができる。また、磁場
制御回路１９から磁場を発生する場合、磁場の強度を連続的に変化させる回路構成は複雑
となる。そこで他の実施形態として、磁場の強度を段階的に漸増させるものである。これ
により、回路をデジタル回路として構成することができるので、回路構成を簡略化するこ
とができる。

１ＬＤ、２ガスセル、３ＰＤ、４ＡＭＰ、５乗算器、６フィルタ、７位
相回路、８低周波発振器、９電圧制御水晶発振器、１０位相変調部、１１ＰＬＬ
、１２ＳＷ、１３中心波長設定部、１４ ×２、１５位相回路、１６乗算器、１
７フィルタ、１８電圧検出回路、１９磁場制御回路、２０同期検出部、２１同
期制御部、１００原子発振器

Claims

少なくとも、気体状のアルカリ金属原子と、該アルカリ金属の超微細構造からなる２つ
の基底状態間のエネルギー差に相当する周波数差を保持した異なる周波数の励起レーザ光
対を発生させる光源と、光検出器とを備え、
前記気体状のアルカリ金属原子と前記励起レーザ光対を相互作用させて電磁誘起透過現
象を発生させる量子干渉装置であって、
前記量子干渉装置の出力信号が同期したことを検出する同期検出部と、前記気体状のア
ルカリ金属原子に磁場を印加する磁場制御回路と、を備え、
前記同期検出部が前記量子干渉装置の出力信号が同期したことを検出したときに、前記
磁場制御回路を駆動して前記気体状のアルカリ金属原子に磁場を印加して前記電磁誘起透
過現象にゼーマン分裂を生起させることを特徴とする量子干渉装置。
前記磁場制御回路は、前記磁場の強度が連続的に漸増するように構成されていることを
特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
前記磁場制御回路は、前記磁場の強度が段階的に漸増するように構成されていることを
特徴とする請求項１に記載の量子干渉装置。
請求項１乃至３の何れか一項に記載の量子干渉装置を備えたことを特徴とする原子発振
器。