JP2011035402A - 原子時計システムおよび方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】原子時計システムであって、アルカリ金属を蒸発させるように構成されたリザーバチャンバと蒸発されたアルカリ金属原子を収集するように構成された検出チャンバとを含むアルカリビームセルと、蒸発されたアルカリ金属原子をポンピングするように構成されたビームインテロゲーションシステムと、蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する該マイクロ波信号の遷移周波数を決定するように構成された光学的検出システムと、該検出チャンバを出る該少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定するように構成され、かつ、強度信号を生成するように構成された光検出システムとを含む、システム。
【選択図】なし
Description
本発明は、一般に、ビームセルセルに関し、具体的には、原子時計システムおよび方法に関する。
アルカリビームセルは、非常に正確で安定した周波数を必要とする様々なシステム、例えば、アルカリビーム原子時計等において利用され得る。例えば、アルカリビーム原子時計は、バイスタティックレーダーシステム、グローバルポジショニングシステム(GPS)、ならびに、例えば衛星システム等のその他のナビゲーションシステムおよびポジショニングシステムにおいて用いられ得る。原子時計はまた、通信システム、例えばセルラー電話システムにおいて用いられ得る。
本発明の一実施形態は、原子時計システムを含み、該原子時計システムは、アルカリビームセルと、ビームセルの検出チャンバを照射する光ポンプビームと少なくとも1つの光プローブビームとを生成して、蒸発されたアルカリ金属原子をポンピングするように構成されたインテロゲーションシステムとを含む。光学的検出システム(optical detection system)は、マイクロ波信号を検出チャンバに提供し得、そして、光ポンプビームの強度を測定して、蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する遷移周波数を決定し得る。光検出システム(photodetection system)は、少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定し、強度信号を生成し得、該強度信号は、光学的検出システムに提供されて、光ポンプビームと少なくとも1つの光プローブビームとに対する蒸発されたアルカリ金属原子の非直交平面運動の結果として生じる遷移周波数のドップラーブロードニングを実質的にキャンセルし得る。
(項目1)
原子時計システムであって、
アルカリ金属を蒸発させるように構成されたリザーバチャンバと蒸発されたアルカリ金属原子を収集するように構成された検出チャンバとを含むアルカリビームセルと、
該蒸発されたアルカリ金属原子が該検出チャンバ内に収集されるときに、該検出チャンバを照射する光ポンプビームと少なくとも1つの光プローブビームとを生成し、該蒸発されたアルカリ金属原子をポンピングするように構成されたビームインテロゲーションシステムと、
制御された周波数を有するマイクロ波信号を該検出チャンバに提供するように構成され、かつ、該検出チャンバを出る該光ポンプビームの強度を測定して、該蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する該マイクロ波信号の遷移周波数を決定するように構成された光学的検出システムと、
該検出チャンバを出る該少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定するように構成され、かつ、強度信号を生成するように構成された光検出システムであって、該強度信号は、該光学的検出システムに提供されて、該光ポンプビームと該少なくとも1つの光プローブビームとに対する該蒸発されたアルカリ金属原子の非直交平面運動の結果として生じる遷移周波数のドップラーブロードニングを実質的にキャンセルする、光検出システムと
を含む、システム。
(項目2)
上記少なくとも1つの光プローブビームは、第1の光プローブビームと第2の光プローブビームとして構成される、上記項目に記載のシステム。
(項目3)
上記光検出システムは、上記第1の光プローブビームに対応する第1の強度を測定するように構成された第1の光検出器と、上記第2の光プローブビームに対応する第2の強度を測定するように構成された第2の光検出器とを含み、上記強度信号は、該第1の強度と該第2の強度との差として生成される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目4)
上記第1の光プローブビームは、上記光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向に提供され、上記第2の光プローブビームは、該光ポンプビームと実質的に平行に、かつ、上記検出チャンバの体積内の該光ポンプビームから離間して提供される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目5)
上記少なくとも1つの光プローブビームは、上記光ポンプビームよりも実質的に低い強度において生成される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目6)
上記光学的検出システムは、
上記マイクロ波信号を生成するように構成されたマイクロ波信号生成器と、
該マイクロ波信号の周波数を制御して、広い周波数レンジにわたって掃引するように構成された局所発振器と、
該マイクロ波信号生成器の該掃引された周波数に応答して、吸収スペクトルを生成するように構成されたポンプビーム光検出器と
を含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目7)
上記強度信号は、上記ポンプビーム光検出器に提供されて、上記光ポンプビームに対する直交平面運動を有する上記蒸発されたアルカリ金属原子に対して、上記マイクロ波信号の上記遷移周波数に対応する吸収スペクトル上に少なくとも1つのピークを生成する、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目8)
上記光学的検出システムは、上記局所発振器を上記遷移周波数にロックして、上記原子時計システムに対して実質的に正確な周波数を提供するようにさらに構成されている、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目9)
上記少なくとも1つのプローブビームは、単一の光プローブビームを含み、該単一の光プローブビームは、上記光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向に提供される、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目10)
上記単一の光プローブビームは、上記光ポンプビームの強度よりも低いか、または、該光ポンプビームの強度とほぼ等しい強度を有する、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
(項目11)
原子時計の周波数基準をチューニングする方法であって、
該方法は、
光ポンプビームと少なくとも1つの光プローブビームとを生成することであって、該光ポンプビームと該少なくとも1つの光プローブビームとは、蒸発されたアルカリ金属原子がアルカリビームセルの検出チャンバ内に収集されるときに、該検出チャンバを照射し、該蒸発されたアルカリ金属原子を超微細状態にポンピングするように構成されている、ことと、
制御された周波数を有するマイクロ波信号を該検出チャンバに提供することと、
該マイクロ波信号の周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該光ポンプビームの強度を測定し、該蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する該マイクロ波信号の遷移周波数を示す吸収スペクトルを生成することと、
該マイクロ波信号の該周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定することと、
該少なくとも1つの光プローブビームの該強度に対応する強度信号を生成することと、
該強度信号と該吸収スペクトルとを組み合わせて、該光ポンプビームと該少なくとも1つの光プローブビームとに対する該蒸発されたアルカリ金属原子の非直交平面運動の結果として生じる遷移周波数のドップラーブロードニングを実質的にキャンセルすることと、
局所発振器を該遷移周波数にロックして、該原子時計の実質的に正確な周波数基準を提供することと
を含む、方法。
(項目12)
上記少なくとも1つの光プローブビームを生成することは、
第1の光プローブビームを生成することであって、該第1の光プローブビームは、上記光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向にある、ことと、
第2の光プローブビームを生成することであって、該第2の光プローブビームは、上記光ポンプビームと実質的に平行に、かつ、上記検出チャンバの体積内の該光ポンプビームから離間している、ことと
を含む、上記項目に記載の方法。
(項目13)
上記少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定することは、上記第1の光プローブビームに対応する第1の強度を測定することと、上記第2の光プローブビームに対応する第2の強度を測定することとを含み、上記強度信号を生成することは、該第1の強度と該第2の強度との差として該強度信号を生成することを含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目14)
上記少なくとも1つの光プローブビームを生成することは、上記光ポンプビームの強度よりも実質的に低い強度において該少なくとも1つの光プローブビームを生成することを含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目15)
上記少なくとも1つの光プローブビームを生成することは、単一の光プローブビームを生成することを含み、該単一の光プローブビームは、上記光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向にある、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目16)
上記強度信号と上記吸収スペクトルとを組み合わせることは、上記光ポンプビームに対する直交平面運動を有する上記蒸発されたアルカリ金属原子に対して、上記マイクロ波信号の遷移周波数に対応する吸収スペクトル上に少なくとも1つのピークを生成することを含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目17)
上記単一の光プローブビームを生成することは、上記光ポンプビームの強度よりも低いか、または、該光ポンプビームの強度とほぼ等しい強度において、該単一の光プローブビームを生成することを含む、上記項目のいずれか一項に記載の方法。
(項目18)
原子時計システムであって、
光ポンプビームを生成する手段であって、該光ポンプビームは、蒸発されたアルカリ金属原子がアルカリビームセルの検出チャンバ内に収集されるときに、該検出チャンバを照射して、該蒸発されたアルカリ金属原子を超微細状態にポンピングする手段と、
光プローブビームを生成する手段であって、該光プローブビームは、該光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向にある、手段と、
制御された周波数を有するマイクロ波信号を該検出チャンバに提供する手段と、
該マイクロ波信号の周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該光ポンプビームの強度を測定して、該蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する該マイクロ波信号の遷移周波数を示す吸収スペクトルを生成する手段と、
該マイクロ波信号の該周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該光プローブビームの強度を測定し、かつ、該少なくとも1つの光プローブビームの該強度に対応する強度信号を生成する手段であって、該強度信号は、該光ポンプビームの強度を測定する手段に提供されて、該光ポンプビームと該光プローブビームとに対する該蒸発されたアルカリ金属原子の非直交平面運動の結果として生じる遷移周波数のドップラーブロードニングを実質的にキャンセルする手段と
を含む、システム。
(項目19)
上記検出チャンバの体積内の上記光ポンプビームから離間された第2の光プローブビームを生成する手段と、
上記マイクロ波信号の周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該第2の光プローブビームの強度を測定する手段と
をさらに含み、
該強度信号は、該第1の光プローブビームの強度と該第2の光プローブビームの強度との間の差を示す、上記項目に記載のシステム。
(項目20)
局所発振器を上記遷移周波数にロックして、上記原子時計システムの実質的に正確な周波数基準を提供する手段をさらに含む、上記項目のいずれか一項に記載のシステム。
本発明の一実施形態は、原子時計システムを含み、該原子時計システムは、アルカリビームセルと、ビームセルの検出チャンバを照射する光ポンプビームと少なくとも1つの光プローブビームとを生成し、蒸発されたアルカリ金属原子をポンピングするように構成されたインテロゲーションシステムとを含む。光学的検出システムは、マイクロ波信号を検出チャンバに提供し得、そして、光ポンプビームの強度を測定して、蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する遷移周波数を決定し得る。光検出システムは、少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定し、強度信号を生成し得、該強度信号は、光学的検出システムに提供され、光ポンプビームと少なくとも1つの光プローブビームとに対する蒸発されたアルカリ金属原子の非直交平面運動の結果として生じる遷移周波数のドップラーブロードニングを実質的にキャンセルし得る。
本発明は、一般に、アルカリビームセルに関し、具体的には、ドップラーフリー(Doppler−free)な原子時計標準に関する。例えば原子時計に実装され得るアルカリビームセルは、リザーバチャンバと検出チャンバとを含む。アルカリビームセルの動作の間、リザーバチャンバは、例えばセシウム(Cs)等のアルカリ金属を保持し得、該アルカリ金属は、熱に応答して蒸発し得る。検出チャンバは、蒸発されたアルカリ金属を収集し得る。ビームインテロゲーションシステムは、光ポンプビームを生成して検出チャンバを照射するように構成されたポンプレーザを含み得る。そして、検出チャンバを通って運動する蒸発されたアルカリ金属原子は、光ポンプビームから光子を吸収することによって、特定の超微細基底状態にポンピングされ得、そして、超微細遷移に対応する制御された周波数を有するマイクロ波信号に応答して、光子を放出または吸収することによって、逆に、初期の超微細基底状態にポンピングされ得る。制御された周波数が、広い周波数範囲にわたって掃引され得、その結果、吸収スペクトルが獲得されて、非常に狭い線幅を有する最適な遷移周波数に対応する蒸発されたアルカリ金属原子の遷移周波数を確定し得る。そして、例えばマイクロ波の周波数を制御することが可能な局所発振器は、原子時計に対する周波数基準を獲得するために、遷移周波数にロックされ得る。
12 アルカリビームセル
14 リザーバチャンバ
16 検出チャンバ
18 熱源
20 ビームインテロゲーションシステム
22 ポンプレーザ
24 プローブレーザ
26 光学的検出システム
28 マイクロ波送信器
30 局所発振器
32 ポンプビーム光検出器
34 光検出システム
36 光検出器
Claims (20)
- 原子時計システムであって、
アルカリ金属を蒸発させるように構成されたリザーバチャンバと蒸発されたアルカリ金属原子を収集するように構成された検出チャンバとを含むアルカリビームセルと、
該蒸発されたアルカリ金属原子が該検出チャンバ内に収集されるときに、該検出チャンバを照射する光ポンプビームと少なくとも1つの光プローブビームとを生成し、該蒸発されたアルカリ金属原子をポンピングするように構成されたビームインテロゲーションシステムと、
制御された周波数を有するマイクロ波信号を該検出チャンバに提供するように構成され、かつ、該検出チャンバを出る該光ポンプビームの強度を測定して、該蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する該マイクロ波信号の遷移周波数を決定するように構成された光学的検出システムと、
該検出チャンバを出る該少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定するように構成され、かつ、強度信号を生成するように構成された光検出システムであって、該強度信号は、該光学的検出システムに提供されて、該光ポンプビームと該少なくとも1つの光プローブビームとに対する該蒸発されたアルカリ金属原子の非直交平面運動の結果として生じる遷移周波数のドップラーブロードニングを実質的にキャンセルする、光検出システムと
を含む、システム。 - 前記少なくとも1つの光プローブビームは、第1の光プローブビームと第2の光プローブビームとして構成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記光検出システムは、前記第1の光プローブビームに対応する第1の強度を測定するように構成された第1の光検出器と、前記第2の光プローブビームに対応する第2の強度を測定するように構成された第2の光検出器とを含み、前記強度信号は、該第1の強度と該第2の強度との差として生成される、請求項2に記載のシステム。
- 前記第1の光プローブビームは、前記光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向に提供され、前記第2の光プローブビームは、該光ポンプビームと実質的に平行に、かつ、前記検出チャンバの体積内の該光ポンプビームから離間して提供される、請求項2に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つの光プローブビームは、前記光ポンプビームよりも実質的に低い強度において生成される、請求項1に記載のシステム。
- 前記光学的検出システムは、
前記マイクロ波信号を生成するように構成されたマイクロ波信号生成器と、
該マイクロ波信号の周波数を制御して、広い周波数レンジにわたって掃引するように構成された局所発振器と、
該マイクロ波信号生成器の該掃引された周波数に応答して、吸収スペクトルを生成するように構成されたポンプビーム光検出器と
を含む、請求項1に記載のシステム。 - 前記強度信号は、前記ポンプビーム光検出器に提供されて、前記光ポンプビームに対する直交平面運動を有する前記蒸発されたアルカリ金属原子に対して、前記マイクロ波信号の前記遷移周波数に対応する吸収スペクトル上に少なくとも1つのピークを生成する、請求項6に記載のシステム。
- 前記光学的検出システムは、前記局所発振器を前記遷移周波数にロックして、前記原子時計システムに対して実質的に正確な周波数を提供するようにさらに構成されている、請求項7に記載のシステム。
- 前記少なくとも1つのプローブビームは、単一の光プローブビームを含み、該単一の光プローブビームは、前記光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向に提供される、請求項1に記載のシステム。
- 前記単一の光プローブビームは、前記光ポンプビームの強度よりも低いか、または、該光ポンプビームの強度とほぼ等しい強度を有する、請求項9に記載のシステム。
- 原子時計の周波数基準をチューニングする方法であって、
該方法は、
光ポンプビームと少なくとも1つの光プローブビームとを生成することであって、該光ポンプビームと該少なくとも1つの光プローブビームとは、蒸発されたアルカリ金属原子がアルカリビームセルの検出チャンバ内に収集されるときに、該検出チャンバを照射し、該蒸発されたアルカリ金属原子を超微細状態にポンピングするように構成されている、ことと、
制御された周波数を有するマイクロ波信号を該検出チャンバに提供することと、
該マイクロ波信号の周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該光ポンプビームの強度を測定し、該蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する該マイクロ波信号の遷移周波数を示す吸収スペクトルを生成することと、
該マイクロ波信号の該周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定することと、
該少なくとも1つの光プローブビームの該強度に対応する強度信号を生成することと、
該強度信号と該吸収スペクトルとを組み合わせて、該光ポンプビームと該少なくとも1つの光プローブビームとに対する該蒸発されたアルカリ金属原子の非直交平面運動の結果として生じる遷移周波数のドップラーブロードニングを実質的にキャンセルすることと、
局所発振器を該遷移周波数にロックして、該原子時計の実質的に正確な周波数基準を提供することと
を含む、方法。 - 前記少なくとも1つの光プローブビームを生成することは、
第1の光プローブビームを生成することであって、該第1の光プローブビームは、前記光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向にある、ことと、
第2の光プローブビームを生成することであって、該第2の光プローブビームは、前記光ポンプビームと実質的に平行に、かつ、前記検出チャンバの体積内の該光ポンプビームから離間している、ことと
を含む、請求項11に記載の方法。 - 前記少なくとも1つの光プローブビームの強度を測定することは、前記第1の光プローブビームに対応する第1の強度を測定することと、前記第2の光プローブビームに対応する第2の強度を測定することとを含み、前記強度信号を生成することは、該第1の強度と該第2の強度との差として該強度信号を生成することを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光プローブビームを生成することは、前記光ポンプビームの強度よりも実質的に低い強度において該少なくとも1つの光プローブビームを生成することを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの光プローブビームを生成することは、単一の光プローブビームを生成することを含み、該単一の光プローブビームは、前記光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向にある、請求項11に記載の方法。
- 前記強度信号と前記吸収スペクトルとを組み合わせることは、前記光ポンプビームに対する直交平面運動を有する前記蒸発されたアルカリ金属原子に対して、前記マイクロ波信号の遷移周波数に対応する吸収スペクトル上に少なくとも1つのピークを生成することを含む、請求項15に記載の方法。
- 前記単一の光プローブビームを生成することは、前記光ポンプビームの強度よりも低いか、または、該光ポンプビームの強度とほぼ等しい強度において、該単一の光プローブビームを生成することを含む、請求項15に記載の方法。
- 原子時計システムであって、
光ポンプビームを生成する手段であって、該光ポンプビームは、蒸発されたアルカリ金属原子がアルカリビームセルの検出チャンバ内に収集されるときに、該検出チャンバを照射して、該蒸発されたアルカリ金属原子を超微細状態にポンピングする手段と、
光プローブビームを生成する手段であって、該光プローブビームは、該光ポンプビームと実質的に共線に、かつ、該光ポンプビームと実質的に反対方向にある、手段と、
制御された周波数を有するマイクロ波信号を該検出チャンバに提供する手段と、
該マイクロ波信号の周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該光ポンプビームの強度を測定して、該蒸発されたアルカリ金属原子の最適な光吸収に対応する該マイクロ波信号の遷移周波数を示す吸収スペクトルを生成する手段と、
該マイクロ波信号の該周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該光プローブビームの強度を測定し、かつ、該少なくとも1つの光プローブビームの該強度に対応する強度信号を生成する手段であって、該強度信号は、該光ポンプビームの強度を測定する手段に提供されて、該光ポンプビームと該光プローブビームとに対する該蒸発されたアルカリ金属原子の非直交平面運動の結果として生じる遷移周波数のドップラーブロードニングを実質的にキャンセルする手段と
を含む、システム。 - 前記検出チャンバの体積内の前記光ポンプビームから離間された第2の光プローブビームを生成する手段と、
前記マイクロ波信号の周波数スペクトルにわたって、該検出チャンバを出る該第2の光プローブビームの強度を測定する手段と
をさらに含み、
該強度信号は、該第1の光プローブビームの強度と該第2の光プローブビームの強度との間の差を示す、請求項18に記載のシステム。 - 局所発振器を前記遷移周波数にロックして、前記原子時計システムの実質的に正確な周波数基準を提供する手段をさらに含む、請求項18に記載のシステム。
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