JP2010287937A

JP2010287937A - 原子発振器

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Publication number: JP2010287937A
Application number: JP2009137996A
Authority: JP
Inventors: Toshiichi Uchiyama; 敏一内山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: JP5407570B2

Abstract

【課題】短期周波数安定性が向上した原子発振器を得ること。
【解決手段】ソレノイドコイル５が、レーザー光１１およびレーザー光１２の光軸Ｘ上にある磁気シールド７の２つの底７１，７２にわたって設けられているので、原子セル２の長さと比較してソレノイドコイル５の長さを長くできる。原子セル２は、レーザー光源１とレーザー光検出器３との間に位置しているので、原子セル２は、ソレノイドコイル５の中ほどに位置している。ソレノイドコイル５の中心部２３程磁場が一定であるので、アルカリ金属元素６に略均一な磁場を印加でき、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差を安定にできる。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号を尖鋭にでき、短期周波数安定性が向上した原子発振器１０を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、原子のエネルギー準位間の遷移を利用した原子発振器に関する。

原子のエネルギー準位間の遷移を利用した原子発振器として、励起光とマイクロ波とを用いた二重共鳴方式またはＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式を用いたものが知られている。いずれの方法も、基底準位から励起準位への励起光であるレーザー光を、Ｃｓ（セシウム）、Ｒｂ（ルビジウム）等のアルカリ金属元素が封入された原子セルに入射させ、原子セルからの射出光の強度を検出する。そして、アルカリ金属元素の２つのエネルギー準位間のエネルギー差に相当する波長における吸収および共鳴を利用して、原子発振器の出力する基準周波数を安定制御している。
原子発振器は、原子のエネルギー準位間のエネルギー差を利用しているため、理論上は経年変化のない高精度な基準周波数が得られる。ここで、アルカリ金属元素に磁場を印加して各エネルギー準位をゼーマン分裂させ、分裂後のエネルギー準位間の尖鋭な共鳴を利用することにより、より高精度な基準周波数が得られる。
原子セルである共鳴セルの共鳴周波数を磁場の強度によって調整するためのソレノイドコイル（磁界コイル）と地磁気や環境磁場による影響を軽減するための磁気シールドを備えたものが知られている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。

特開２０００−４０９５号公報（８頁、図６）特開平８−３３５８７６号公報（２頁および３頁、図８）

これらのソレノイドコイルは、原子セルの長さあるいは空洞共振器の長さ程度設けられている。ここで、原子セルの長さあるいは空洞共振器の長さとは、レーザー光が原子セルに入射し、射出する方向の原子セルの長さをいう。
図６に、磁場発生手段としてのソレノイドコイル５５が、原子セル２の長さ程度設けられた場合の原子発振器５０の構成の一部を示す概略断面図を示した。原子発振器５０は、２つの底を有する円筒形状で、図６は、その側面から見た概略断面図である。

図６において、原子発振器５０は、励起光源としてのレーザー光源１と原子セル２と光検出器としてのレーザー光検出器３とを備えている。原子セル２の外周はヒーター４に覆われ、ヒーター４にソレノイドコイル５５が巻かれている。
レーザー光源１から射出した励起光としてのレーザー光１１は、アルカリ金属元素６が封入された原子セル２に入射する。レーザー光１１は、アルカリ金属元素６と相互作用して、レーザー光１２として射出される。射出光としてのレーザー光１２は、レーザー光検出器３によって検出され、電気信号に変換される。これらの構成要素は、磁気シールド７によって覆われている。
図６中に、ソレノイドコイル５５によって発生する磁場の様子を破線の磁束で示した。磁場は原子セル２中で均一でなく、レーザー光１１の入射側２１、レーザー光１２の射出側２２では、磁束密度が原子セル２の中心部２３より小さく、磁場強度が弱くなっている。

原子セル内の磁場強度が不均一であると、磁場強度に応じてゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差が異なるために、共鳴周波数の異なる原子共鳴信号が重なり合い、単一の共鳴周波数の場合と比較して、原子共鳴信号が尖鋭でなくなる。したがって、原子発振器の短期周波数安定性が低下する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］
励起光を射出する励起光源と、前記励起光が入射する原子セルと、前記原子セルに封入されたアルカリ金属元素と、前記原子セルからの射出光を検出する光検出器と、前記原子セルの前記励起光の入射側と前記射出光の射出側との間にわたって、略均一な磁場を印加する磁場発生手段と、少なくとも前記励起光源、前記原子セル、前記光検出器および前記磁場発生手段を収める磁気シールドとを備えたことを特徴とする原子発振器。
ここで、略均一な磁場とは、均一な磁場に対して、磁場発生手段に起因する磁場の揺らぎや磁気シールドでシールドされなかった外部磁場に起因する磁場の揺らぎ程度を含むものをいう。

この適用例によれば、アルカリ金属元素に略均一な磁場が印加されているので、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差が安定する。また、磁気シールドに原子セルが納められているので、外部磁場の影響が少なくなり、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差がより安定する。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号が尖鋭になり、短期周波数安定性が向上した原子発振器が得られる。

［適用例２］
上記に記載の原子発振器において、前記磁場発生手段は、ソレノイドコイルであり、前記ソレノイドコイルは、前記励起光および前記射出光の光軸上にある前記磁気シールドの２つの壁にわたって設けられ、前記ソレノイドコイルの内部に、前記励起光源、前記原子セルおよび前記光検出器が配置されていることを特徴とする原子発振器。
この適用例では、ソレノイドコイルが、励起光および射出光の光軸上にある磁気シールドの２つの壁にわたって設けられているので、原子セルの長さと比較してソレノイドコイルの長さが長く取れる。原子セルは、励起光源と光検出器との間に位置しているので、原子セルは、ソレノイドコイルの中ほどに位置している。ソレノイドコイルの中心部程磁場が一定であるので、アルカリ金属元素に略均一な磁場が印加され、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差が安定する。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号が尖鋭になり、短期周波数安定性が向上した原子発振器が得られる。

［適用例３］
上記に記載の原子発振器において、前記ソレノイドコイルは、前記２つの壁にわたって設けられた支持部材に巻かれていることを特徴とする原子発振器。
この適用例では、支持部材によってソレノイドコイルが支持され、支持部材の内側に原子セル等が配置されているので、ソレノイドコイルと原子セルとの位置関係が安定する。したがって、短期周波数安定性がより向上した原子発振器が得られる。

［適用例４］
上記に記載の原子発振器において、前記磁場発生手段は、ソレノイドコイルであり、前記原子セルが、前記ソレノイドコイルの内部に配置され、前記ソレノイドコイルは、前記入射側および前記射出側の巻き数が、前記入射側と前記射出側との間の中心部の巻き数と比較して多いことを特徴とする原子発振器。
この適用例では、ソレノイドコイルの中心部と比較して磁場の強度が弱まるソレノイドコイルの両端部の巻き数が多いので、ソレノイドコイルの内部全体にわたって磁場強度が均一になり、アルカリ金属元素に略均一な磁場が印加され、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差が安定する。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号が尖鋭になり、短期周波数安定性が向上した原子発振器が得られる。

［適用例５］
上記に記載の原子発振器において、前記ソレノイドコイルは、第１のソレノイドコイルと第２のソレノイドコイルからなり、前記第１のソレノイドコイルは、前記入射側から前記射出側にわたって巻かれ、前記第２のソレノイドコイルは、前記入射側および前記射出側に巻かれていることを特徴とする原子発振器。
この適用例では、第２のソレノイドコイルに流す電流を調節することによって、ソレノイドコイルの両端部の磁場強度が調節され、アルカリ金属元素により均一な磁場が印加され、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差がより安定する。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号が尖鋭になり、短期周波数安定性がより向上した原子発振器が得られる。

第１実施形態における原子発振器の構成の一部を示す概略断面図。第２実施形態における原子発振器の構成の一部を示す概略断面図。原子セル中の磁場強度を示す図。第３実施形態における原子発振器の構成の一部を示す概略断面図。第４実施形態における原子発振器の構成の一部を示す概略断面図。従来における原子発振器の構成の一部を示す概略断面図。

（第１実施形態）
以下、本実施形態における原子発振器１０を図面に基づいて詳しく説明する。本実施形態は、ＣＰＴ方式の原子発振器１０である。
図１は、原子発振器１０の構成の一部を示す概略断面図である。原子発振器１０は、その外形が、２つの底を有する円筒形状で、その側面から見た概略断面図である。
図１において、原子発振器１０は、レーザー光源１と原子セル２とレーザー光検出器３とヒーター４とソレノイドコイル５とを備えている。これらの構成要素は、磁気シールド７によって覆われている。これらの構成要素は、磁気シールド７で密閉されているのが好ましい。
磁気シールド７の側面は円筒状に限らず筒状であれば、その断面が、三角柱等の多角柱形状であってもよい。

レーザー光源１から射出したレーザー光１１は、アルカリ金属元素６が封入された原子セル２に入射する。レーザー光１１は、アルカリ金属元素６と相互作用して、レーザー光１２として射出される。レーザー光１２は、レーザー光検出器３によって検出され、電気信号に変換される。
原子発振器１０では、レーザー光検出器３で検出されるレーザー光１２の強度分布が一定になるように、図示しない水晶振動子等から構成される基準発振源の基準周波数を制御する。

レーザー光源１としては、半導体レーザー、垂直共振器面発光レーザー（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等を用いることができる。これらのレーザー光源１から射出されるレーザー光１１は、駆動電流で波長を制御することができる。
基準発振源は、例えば１０ＭＨｚの発振を行っている。この発振は、逓倍回路によって例えば９２０倍され、図示しないレーザー変調手段によってこの高周波成分を直流バイアスに重畳し、レーザー光源１に送られる。レーザー光源１からは、周波数ν１のカップリング光と周波数ν２のプローブ光とが放射される。２つの周波数の光は、両方ともに右偏光であるか、あるいは左偏光で揃っている。
レーザー光１１は、原子セル２に入射するが、原子セル２に入射する前に、図示しない光路加工手段によって並行光等に加工されてもよい。

原子セル２は、レーザー光１１の入射側２１の面およびレーザー光１２の射出側２２の面を除いて、ヒーター４で覆われている。
原子セル２は、レーザー光１１を透過する容器で構成され、アルカリ金属元素６のガスが封入されている。容器としては、例えばガラスなどの光透過性を有する材料からなる。
アルカリ金属元素６としては、Ｒｂ，Ｃｓ等を用いることができる。アルカリ金属元素６は蒸気になりやすく、原子セル２を、Ｃｓでは３０℃程度、Ｒｂでは４０℃程度ヒーター４で温めることによって、ガス化させることができる。また、原子セル２内部には、アルカリ金属元素６のドップラー運動や原子セル２の壁との衝突の影響を少なくするために、緩衝気体として、Ａｒ，Ｎ₂等が含まれていてもよい。
レーザー光検出器３には、フォトダイオード、太陽電池等を用いることができる。原子セル２とレーザー光検出器３との間に集光レンズを設けてもよい。

ソレノイドコイル５は、レーザー光１１，１２の光軸Ｘに沿って設けられた支持部材８全体に巻かれている。
支持部材８は円筒形状で、レーザー光１１，１２の光軸Ｘ上にある磁気シールド７の２つの壁である底７１および底７２にわたって設けられている。レーザー光源１、原子セル２、レーザー光検出器３、ヒーター４は、支持部材８の中に収められている。

図１中に、ソレノイドコイル５によって発生する磁場の様子を破線の磁束で示した。磁場は、原子セル２において、レーザー光１１の入射側２１、レーザー光１２の射出側２２および中心部２３で略同じ磁場強度となっている。

以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）アルカリ金属元素６に略均一な磁場が印加されているので、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差を安定にできる。また、磁気シールド７に原子セル２が納められているので、外部磁場の影響を少なくでき、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差をより安定にできる。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号を尖鋭にでき、短期周波数安定性が向上した原子発振器１０を得ることができる。
また、レーザー光源１と原子セル２とレーザー光検出器３とヒーター４とソレノイドコイル５とが磁気シールド７で密閉されていれば、外部磁場の影響をより少なくできる。

（２）ソレノイドコイル５が、レーザー光１１およびレーザー光１２の光軸Ｘ上にある磁気シールド７の２つの底７１，７２にわたって設けられているので、原子セル２の長さと比較してソレノイドコイル５の長さを長くできる。原子セル２は、レーザー光源１とレーザー光検出器３との間に位置しているので、原子セル２は、ソレノイドコイル５の中ほどに位置している。ソレノイドコイル５の中心部２３程磁場が一定であるので、アルカリ金属元素６に略均一な磁場を印加でき、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差を安定にできる。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号を尖鋭にでき、短期周波数安定性が向上した原子発振器１０を得ることができる。

（３）支持部材８によってソレノイドコイル５が支持され、支持部材８の内側に原子セル２等が配置されているので、ソレノイドコイル５と原子セル２との位置関係を安定にできる。したがって、短期周波数安定性がより向上した原子発振器１０を得ることができる。

（第２実施形態）
図２は、原子発振器２０の構成の一部を示す概略断面図である。原子発振器２０は、２つの底を有する円筒形状で、その側面から見た概略断面図である。第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付した。第１実施形態と異なる点は、ソレノイドコイル５の代わりに第１のソレノイドコイル５１および第２のソレノイドコイル５２を備え、支持部材８が設けられていない点である。

第１のソレノイドコイル５１は、ヒーター４に巻かれている。さらに、第２のソレノイドコイル５２が、ヒーター４のレーザー光１１の入射側２１およびレーザー光１２の射出側２２に、第１のソレノイドコイル５１に加えて巻かれている。

図３は、本実施形態における原子セル２中の磁場強度を示す図である。破線ａは、第１のソレノイドコイル５１のみの場合の磁場強度を示し、破線ｂは、第２のソレノイドコイル５２のみの場合の磁場強度を示している。
レーザー光１１の入射側２１およびレーザー光１２の射出側２２付近の磁場強度を第２のソレノイドコイル５２で増強しているので、原子セル２中の磁場強度は、破線ｃに示すように略均一になる。また、第２のソレノイドコイル５２に流れる電流を変えることにより、レーザー光１１の入射側２１およびレーザー光１２の射出側２２付近の磁場強度を連続的に変えることができる。
なお、第１のソレノイドコイル５１と第２のソレノイドコイル５２とは、ひとつのソレノイドコイルからなっていてもよい。第２のソレノイドコイル５２は、入射側２１と射出側２２で分かれていてもよいし、ひとつのソレノイドコイルからなっていてもよい。

以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（４）第１のソレノイドコイル５１の中心部２３と比較して磁場の強度が弱まる第１のソレノイドコイル５１の入射側２１および射出側２２の巻き数が多いので、第１のソレノイドコイル５１および第２のソレノイドコイル５２の内部全体にわたって磁場強度を均一にでき、アルカリ金属元素６に略均一な磁場を印加でき、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差を安定にできる。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号が尖鋭になり、短期周波数安定性が向上した原子発振器２０を得ることができる。

（５）第２のソレノイドコイル５２に流す電流を調節することによって、第１のソレノイドコイル５１の入射側２１および射出側２２の磁場強度を調節でき、アルカリ金属元素６により均一な磁場を印加でき、ゼーマン分裂後のエネルギー準位間のエネルギー差をより安定にできる。したがって、単一の共鳴周波数に近づき、原子共鳴信号が尖鋭になり、短期周波数安定性がより向上した原子発振器２０を得ることができる。

（第３実施形態）
図４は、本実施形態における原子発振器３０の構成の一部を示す概略断面図である。本実施形態の原子発振器３０は、励起光としてのレーザー光とマイクロ波の二重共鳴方式を用いている。
原子発振器３０は、２つの底を有する円筒形状で、その側面から見た概略断面図である。第１実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付した。

図４において、原子発振器３０は、レーザー光源１と、原子セル２と、レーザー光検出器３と、マイクロ波空洞共振器９とを備えている。
また、図示しない電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Xtal Oscillator）、位相比較器等を備えている。
ＶＣＸＯは、基準周波数を出力する。ＶＣＸＯは、制御端子に印加されている制御信号電圧に応じて変化する周波数信号を出力する。例えば、１０ＭＨｚ程度の信号を、基準周波数として出力する。

マイクロ波空洞共振器９で印加される周波数変調されたマイクロ波の周波数が、アルカリ金属元素６の２つの基底準位差に相当する遷移周波数と一致したところで誘導放出を生じ、光マイクロ波二重共鳴スペクトルが得られる。ここで、マイクロ波の周波数を帰還制御して遷移周波数に一致させることにより、ＶＣＸＯの出力する基準周波数を安定させることができる。

二重共鳴が成立している定常動作状態とは、図示しない位相比較器によって、二重共鳴の位相同期が確認された状態である。
具体的には、レーザー光源１から射出されるレーザー光１１の波長が、吸収波長に同期した状態およびマイクロ波空洞共振器９によって原子セル２に印加されたマイクロ波の波長が二重共鳴方式の原子発振器３０における誘導放出周波数に同期した状態である。

原子セル２は、マイクロ波空洞共振器９の中に収められている。原子セル２は、図示しないヒーターで覆われている。
レーザー光源１、原子セル２、レーザー光検出器３、マイクロ波空洞共振器９は、支持部材８の中に収められている。支持部材８は、第１実施形態と同様に、レーザー光１１，１２の進行方向と交わる磁気シールド７の２つの壁である底７１，７２にわたって設けられている。そして、支持部材８には、ソレノイドコイル５が、レーザー光１１，１２の進行方向に沿って設けられた支持部材８全体に巻かれている。

以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（６）前述の効果を有する二重共鳴方式の原子発振器３０を得ることができる。

（第４実施形態）
図５は、本実施形態における原子発振器４０の構成の一部を示す概略断面図である。本実施形態の原子発振器４０は、第３実施形態と同様に、励起光としてのレーザー光とマイクロ波の二重共鳴方式を用いている。
原子発振器４０は、２つの底を有する円筒形状で、その側面から見た概略断面図である。第２実施形態および第３実施形態と同じ構成要素には、同じ符号を付した。

第１のソレノイドコイル５１は、マイクロ波空洞共振器９に巻かれている。さらに、第２のソレノイドコイル５２が、マイクロ波空洞共振器９のレーザー光１１の入射側２１およびレーザー光１２の射出側２２に、第１のソレノイドコイル５１に加えて巻かれている。

以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（７）前述の効果を有する二重共鳴方式の原子発振器４０を得ることができる。

以上、原子発振器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。
上記はレーザー光源を例に説明しているが、Ｒｂ等を用いたランプ光源の場合も実施形態同様の磁場発生手段は有効である。

また、磁場発生手段は、ソレノイドコイルに限らず、原子セルの励起光の入射側と射出光の射出側との間にわたって、略均一な磁場を印加できればよく、永久磁石であってもよいし、ヘルムホルツコイルであってもよい。

１…励起光源としてのレーザー光源、２…原子セル、３…光検出器としてのレーザー光検出器、５…磁場発生手段としてのソレノイドコイル、６…アルカリ金属元素、７…磁気シールド、８…支持部材、１０，２０，３０，４０…原子発振器、１１…励起光としてのレーザー光、１２…射出光としてのレーザー光、２１…入射側、２２…射出側、２３…中心部、５１…磁場発生手段としての第１のソレノイドコイル、５２…磁場発生手段としての第２のソレノイドコイル、７１，７２…壁としての底。

Claims

励起光を射出する励起光源と、
前記励起光が入射する原子セルと、
前記原子セルに封入されたアルカリ金属元素と、
前記原子セルからの射出光を検出する光検出器と、
前記原子セルの前記励起光の入射側と前記射出光の射出側との間にわたって、略均一な磁場を印加する磁場発生手段と、
少なくとも前記励起光源、前記原子セル、前記光検出器および前記磁場発生手段を収める磁気シールドとを備えた
ことを特徴とする原子発振器。
請求項１に記載の原子発振器において、
前記磁場発生手段は、ソレノイドコイルであり、
前記ソレノイドコイルは、前記励起光および前記射出光の光軸上にある前記磁気シールドの２つの壁にわたって設けられ、
前記ソレノイドコイルの内部に、前記励起光源、前記原子セルおよび前記光検出器が配置されている
ことを特徴とする原子発振器。
請求項２に記載の原子発振器において、
前記ソレノイドコイルは、前記２つの壁にわたって設けられた支持部材に巻かれている
ことを特徴とする原子発振器。
請求項１に記載の原子発振器において、
前記磁場発生手段は、ソレノイドコイルであり、
前記原子セルが、前記ソレノイドコイルの内部に配置され、
前記ソレノイドコイルは、
前記入射側および前記射出側の巻き数が、前記入射側と前記射出側との間の中心部の巻き数と比較して多い
ことを特徴とする原子発振器。
請求項４に記載の原子発振器において、
前記ソレノイドコイルは、第１のソレノイドコイルと第２のソレノイドコイルからなり、
前記第１のソレノイドコイルは、前記入射側から前記射出側にわたって巻かれ、
前記第２のソレノイドコイルは、前記入射側および前記射出側に巻かれている
ことを特徴とする原子発振器。