JP3172776B2 - 原子発振器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子の光・マイクロ波
二重共鳴現象を利用した原子発振器に係わり、特にレー
ザ光源を改良した原子発振器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ルビジウムやセシウム等の原子における
光・マイクロ波二重共鳴現象を利用した原子発振器は、
小型、高性能の周波数標準器として、通信、放送、航
法、ＧＰＳ衛星等の多岐分野に応用されている。

【０００３】例えばルビジウムガスを用いた原子発振器
は図８に示すように構成されている。すなわち、励起用
光源１から出力された例えばルビジウムランプ等の光２
は、ルビジウムガス３が封入されたガスセル４とこのガ
スセル４を取巻くマイクロ波キャビティ５とからなる光
・マイクロ波二重共鳴部６を透過して受光器７に入射す
る。そして、この光は受光器７によって光・マイクロ波
二重共鳴検出信号ａに変換される。マイクロ波キャビテ
ィ５にはマイクロ波発生部８から出力されたマイクロ波
ｂが印加されている。

【０００４】マイクロ波発生部８は、電圧制御水晶発振
器８ａと周波数合成・逓倍器８ｂとで構成されている。
電圧制御水晶発振器８ａは制御端子に印加されている制
御信号電圧に対応した周波数の信号を出力する。電圧制
御水晶発振器８ａは例えば１０ＭHz程度の信号を、標準
周波数信号として外部へ出力すると共に周波数合成・逓
倍器８ｂへ送出する。周波数合成・逓倍器８ｂは入力し
た周波数を、逓倍すると共に、低周波発振器９から出力
される周波数ｆ_m1の低周波信号でもって僅かに周波数変
調する。そして、この周波数変調されたマイクロ波ｂが
前記マイクロ波キャビティ５へ印加される。

【０００５】その結果、前記受光器７から出力される光
・マイクロ波二重共鳴検出信号ａも周波数ｆ_m1でもって
周波数変調されている。この光・マイクロ波二重共鳴検
出信号ａは増幅器１０で増幅された後、同期検波回路１
１において周波数ｆ_m1を有する前記低周波信号でもって
同期検波される。同期検波回路１１の出力信号は次のサ
ーボ回路１２へ入力される。サーボ回路１２は同期検波
回路１１の出力信号が零になるようにマイクロ波発生部
８の電圧制御発振器８ａへ制御信号ｃを帰還する。

【０００６】ここで、光・マイクロ波二重共鳴現象を図
９に示すルビジウムＲｂ⁸⁷原子のエネルギ準位の３準位
原子系モデルを用いて説明する。熱平衡状態ではガスセ
ル４中の基底状態の原子は５Ｓ_1/2 のＦ＝２、Ｆ＝１の
各準位にほぼ等分に分布している。この中にルビジウム
Ｒｂ⁸⁷のＤ光の励起光を照射するとＦ＝１準位の原子は
励起光を吸収して５Ｐ準位へ励起され、自然放出して基
底状態のＦ＝２、Ｆ＝１準位にほぼ等確率で落ちてく
る。Ｆ＝１準位に落ちた原子は再び励起を受けるが、Ｆ
＝２準位の原子は励起されないので、これらのサイクル
を繰返すと、Ｆ＝２準位にほとんどの原子が留まり、大
きな分布差を生じる。このようにして２準位間に分布差
を生じさせることは光ポンピングと呼ばれている。

【０００７】この状態でガスセル４にマイクロ波ｂを照
射すると、マイクロ波ｂの周波数がルビジウムＲｂ⁸⁷の
Ｆ＝１、Ｆ＝２の準位差に相当する遷移周波数ｆ₀ と一
致したところで誘導放出を生じ、Ｆ＝２準位の原子はＦ
＝１準位へ落ちる。ここで再び、Ｆ＝１の準位の原子は
励起光を吸収して５Ｐ準位への励起が始まるので、ガス
セル４の透過光を受けている受光器７から図１０のよう
な光の吸収信号が得られる。これを、光・マイクロ波二
重共鳴スペクトルと呼ぶ。

【０００８】この時マイクロ波ｂが周波数ｆ_m1でもって
周波数変調されていると、受光器７の出力信号ａを増幅
し、周波数ｆ_m1でもって同期検波することにより、図１
１に示すような、二重共鳴スペクトルの微分波形が得ら
れる。したがって、マイクロ波周波数ｆをこの微分波形
のゼロクロス点（すなわち二重共鳴スペクトルのピーク
点）になるようにサーボ制御することにより、マイクロ
波周波数ｆを二重共鳴を生じる周波数ｆ₀ に一致させる
ことが可能である。よって、この時点における電圧制御
水晶発振器８ａの出力周波数を、二重共鳴マイクロ波周
波数ｆ₀ と同じく、周波数安定度の高い標準周波数ｆ_S
として利用できる。

【０００９】なお、通常、二重共鳴のガスセル４では二
重共鳴スペクトル幅を狭くするため不活性ガスが緩衝気
体としてルビジウムガスとともに封入される。

【００１０】ところで、励起用光源１には、ルビジウム
Ｒｂ⁸⁷ランプや、レーザダイオードなどが用いられる。
ルビジウムＲｂ⁸⁷ランプＤの光は、図１３に示すよう
に、ａ線とｂ線との２本の成分を含む。したがって、励
起用光源１としてルビジウムＲｂ⁸⁷ランプを用いる場
合、光ポンピングに不要なａ線成分を減少させるため
に、一般に、ルビジウムＲｂ⁸⁷ランプの光をＲｂ⁸⁵を封
じたフィルタセルを通過させて用いる。

【００１１】また、励起用光源１としてレーザダイオー
ドを用いる場合、レーザ光の光周波数ＦをルビジウムＲ
ｂ⁸⁷のｂ線付近に固定し、かつ雑音を低減するためレー
ザダイオードの発振周波数（光周波数Ｆ）を安定化して
用いる。

【００１２】図１２は発振周波数の安定化手段が講じら
れた励起用光源１としてのレーザ光源１ａの概略構成図
である。駆動電流発生部１３から出力される駆動電流ｄ
が供給されるレーザダイオード１４から出射されたレー
ザ光ｅは図８に示すガスセル４へ入射されるとともに、
その一部はビームスプリッタ１５で分岐されてルビジウ
ムガスを封入した吸収セル１６を透過して受光器１７へ
入射される。

【００１３】このとき、駆動電流発生部１３から出力さ
れる駆動電流ｄの値を掃引させるとレーザ光ｅの光周波
数Ｆも電流値変化に伴って変化するので、受光器１７の
出力信号には図１４に示すルビジウムの吸収スペクトラ
ムが観測できる。図１４はルビジウムＲｂ⁸⁵とルビジウ
ムＲｂ⁸⁷の両方を含む自然ルビジウムの吸収スペクトラ
ムである。このうち前述したように、ルビジウムＲｂ⁸⁷
のｂ線付近でレーザ光ｅの光周波数Ｆを安定化する必要
がある。

【００１４】そこで、予めレーザ光ｅの光周波数Ｆがこ
の付近になるよう駆動電流ｄを調整しておき、低周波発
振器１８から周波数ｆ_m2を有する低周波信号ｇを駆動電
流発生部１３へ印加して、この駆動電流発生部１３から
の駆動電流ｄに低周波信号ｇ成分を重畳することにより
レーザ光ｅの光周波数Ｆを僅かに周波数変調する。そし
て、この周波数変調された時の受光器１７の出力信号を
増幅器１９で増幅し、同期検波回路２０で周波数ｆ_m2の
低周波信号ｇで同期検波すると吸収スペクトラムの微分
波形が得られる。サーボ回路２１は、この同期検波信号
ｈを逆極性にして駆動電流発生部１３へ帰還させること
によって、レーザ光ｅの光周波数Ｆが吸収スペクトラム
の微分波形のゼロクロス点（すなわち吸収スペクトラム
のピーク点）になるよう制御する。

【００１５】このような帰還制御ループを構成すること
によって、ルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ線を基準にしてレーザ
光ｅの光周波数（発振周波数）Ｆが安定化される。な
お、この場合の吸収セル１６においては、通常、吸収強
度を大きくするため、緩衝気体は入れない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】ところでこのような原
子発振器では励起用光源１から出力される光２の波長
（光周波数Ｆ）によってガスセル４内における二重共鳴
を生じるマイクロ波周波数ｆ₀ がシフトする現象を生じ
ることが知られている。これは光シフトと呼ばれてい
る。光シフトの大きさは光強度Ｐw に依存することも知
られている。

【００１７】励起用光源１に前述したルビジウムＲｂ⁸⁷
ランプを用いた場合、ランプの温度によって図１３に示
した発光スペクトルがわずかながら変化する。また、前
述したように、ルビジウムＲｂ⁸⁷のａ線を除去するため
にルビジウムＲｂ⁸⁵のフィルタセルを併用する必要があ
る。よって、このフィルタセルを透過した光のスペクト
ルは変形しており、またフィルタセルの温度によってそ
の変形のしかたも変化するため、光シフトの除去も補償
も困難であった。

【００１８】また、励起用光源１に図１２に示すレーザ
光源１ａを用いた場合、前述した光周波数Ｆに対する安
定化手法を用いているので、光２（レーザ光ｅ）の光周
波数Ｆは、ルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ線に一致するが、ガス
セル４は、緩衝気体により圧力シフトしているからこの
光周波数Ｆでは光シフトはゼロとならない。また、レー
ザ光では光強度が高いため、ポンピング効率が高く受光
器７から出力される二重共鳴検出信号ａのＳ／Ｎが高く
とれる反面、光シフトも大きくなる。

【００１９】図４は励起用光源１にレーザ光源１ａを用
いた場合における光シフトの様子を示す測定例である。
ここで、横軸は、レーザ光ｅの光周波数Ｆをルビジウム
Ｒｂ⁸⁷のｂ線からのずれ量で示した。また、縦軸はガス
セル４における二重共鳴を得るマイクロ波周波数ｆ₀ を
示す。図４からも理解できるように、レーザ光ｅの光強
度（Ｐw ）が変化すると、二重共鳴マイクロ波周波数ｆ
₀ も大きく変化する。その結果、この二重共鳴マイクロ
波周波数ｆ₀ に対応して決定されるマイクロ波発生部８
からの標準周波数ｆ_S が変動する懸念がある。

【００２０】このように、従来の原子発振器では光シフ
トが長期周波数安定度を悪化させる要因の一つとなって
いた。

【００２１】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、レーザ光源から出力されるレーザ光の光周
波数を吸収セルにて定まる中心周波数より所定周波数オ
フセットすることによって、たとえレーザ光の光強度が
変化したとしても、二重共鳴マイクロ波周波数における
光シフトの発生を極力防止でき、常に安定した標準周波
数を得ることができる原子発振器を提供することを目的
とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明は、レーザ光を出力するレーザ光源と、マイク
ロ波を出力するマイクロ波発生部と、レーザ光及びマイ
クロ波が同時に入射されることによって光・マイクロ波
二重共鳴が生起し、透過したレーザ光が二重共鳴にて定
まる周波数特性を呈するガスセルと、マイクロ波発生部
の出力周波数を二重共鳴にて定まる周波数に一致させる
出力周波数制御部とを備えた原子発振器において、レー
ザ光源を、レーザ光を発生するレーザダイオードと、入
力信号レベルに対応した駆動電流をレーザダイオードへ
供給する駆動電流発生部と、この駆動電流発生部へ矩形
波信号を送出する矩形波信号発生回路と、吸収ガスが封
入されレーザ光の一部が透過する吸収セルと、この吸収
セルを透過したレーザ光を受光する受光器と、この受光
器の出力信号を矩形波信号に同期した信号を参照波信号
として信号処理し、駆動電流発生部へ信号を送出するレ
ーザ光制御手段と、レーザ光の平均発振周波数を吸収ガ
スの吸収スペクトラムの中心周波数から所定周波数オフ
セットされた周波数になるように矩形波信号のデューテ
ィ比を設定するデューティ比設定手段とで構成してい
る。

【００２３】

【作用】まず、このように構成された原子発振器の動作
原理を説明する。図４に示すように、ガスセルにおける
二重共鳴を得るマイクロ波周波数ｆ₀ は、レーザ光の光
周波数Ｆが変化すると変化し、かつレーザ光の光強度に
応じて変化する。したがって、ルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ線
の光周波数に一致するように制御する限りにおいては、
光強度に影響される。しかし、図示するように、光強度
を一定に制御した場合の各特性曲線は１点（Ａ点）で交
差することが実験的に確認されている。したがって、ガ
スセルへ入射するレーザ光の光周波数Ｆを吸収セルの吸
収スペクトラムの中心周波数Ｆ_C でなくて、ΔＦだけオ
フセットしたＡ点の周波数Ｆ_A に制御すれば、二重共鳴
マイクロ波周波数ｆ₀ は光強度（Ｐｗ）の影響を受けな
い。

【００２４】そして、このレーザ光の光周波数Ｆを吸収
ガスの吸収スペクトラムの中心周波数Ｆ_C から所定周波
数ΔＦだけオフセットする手段として、従来の吸収セ
ル，レーザ光制御手段の他に、矩形波信号発生回路とデ
ューティ比設定手段を用いている。すなわち、駆動電源
発生部へ入力される矩形波信号のデューティ比を変化さ
せると、矩形波信号の直流成分が変化するので、レーザ
光の平均発振周波数（平均光周波数）が変化する。

【００２５】しかし、矩形波信号の最大値及び最小値は
変化しないので、レーザ光制御手段内の同期検波回路の
出力信号のゼロクロス点に対応する光周波数は、最大値
及び最小値を１：１に内分する点であるが、平均光周波
数Ｆは吸収セルの中心周波数Ｆ_C からΔＦだけオフセッ
トされたＡ点の周波数Ｆ_A に変化する。よって、レーザ
光制御手段内のサーボ回路でもって同期検波回路の出力
信号が零になるように駆動電流発生部を制御すれば、平
均光周波数を周波数Ｆ_A に設定できる。

【００２６】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２７】図１は実施例の原子発振器の概略構成を示
すブロック構成図である。なお、実施例の原子発振器は
ルビジウムを用いた原子発振器である。また、図８およ
び図１２に示す従来の原子発振器と同一部分には同一符
号が付してある。したがって、重複する部分の詳細説明
は省略されている。

【００２８】この原子発振器は、大きく分けて、レーザ
光ｅを出力するレーザ光源３１と、マイクロ波ｂを出力
するマイクロ波発生部８と、レーザ光ｅおよびマイクロ
波ｂが同時に入射されることによって光・マイクロ波二
重共鳴が生起し、透過したレーザ光ｅが二重共鳴にて定
まる周波数特性を呈するガスセル４と、マイクロ波発生
部８の出力周波数を二重共鳴にて定まる周波数に一致さ
せる出力周波数制御部３２とで構成されている。

【００２９】そして、レーザ光源３１以外の、マイクロ
波発生部８，ガスセル４，出力周波数制御部３２を構成
する各回路の構成および動作は、図８に示した従来の原
子発振器のにおける各回路の構成および動作と同じであ
る。

【００３０】レーザ光源３１において、駆動電流発生部
１３，レーザダイオード１４，ビームスプリッタ１５，
吸収セル１６，受光器１７，増幅器１９，同期検波回路
２０およびサーボ回路２１は、前述した図１２に示す従
来のレーザ光源１ａの各構成部材と同一構成であり、か
つ同一動作を行う。

【００３１】そして、このレーザ光源３１においては、
従来の低周波発振器１８の代りに、矩形波信号発生回路
３３およびデューティ比設定回路３４が設けられてい
る。矩形波信号発生回路３３は、例えば論理回路等を組
合わせたパルス発生回路で構成されており、図２（ａ）
（ｂ）に示す周期Ｔ（周波数ｆ_m2）を有する矩形波信号
ｉを発生する。デューティ比設定回路３４は、矩形波信
号発生回路３３にて作成される矩形波信号ｉの１周期Ｔ
のうちハイレベル状態の継続時間Ｔ₁ の占める比率であ
るデューティ比Ｄ（＝Ｔ₁ ／Ｔ）を操作者が任意に設定
変更するための回路である。したがって、矩形波信号ｉ
のデューティ比Ｄが上昇すると、図２（ｂ）に示すよう
に、起動電流発生部１３へ印加される制御信号としての
矩形波信号ｉの直流成分Ｖ_DCが上昇する。又、この周波
数ｆ_m2を有した矩形波信号は参照波信号ｍとして同期検
波回路２０へも送出される。

【００３２】このように構成されたレーザ光源３１にお
いて、駆動電流発生部１３から出力された駆動電流ｄは
レーザダイオード１４へ供給される。レーザダイオード
１４は駆動電流ｅの電流値に対応する光周波数Ｆを有す
るレーザ光ｅを出力する。この場合、駆動電流ｄは、矩
形波信号発生回路３３から出力された周波数ｆ_m2の矩形
波信号ｉで変調される。したがって、レーザダイオード
１４から出力されるレーザ光ｅの光周波数Ｆ（発振周波
数）もこの周波数ｆ_m2の矩形波信号ｉで周波数変調され
る。この場合、変調信号は矩形波であるから、レーザ光
ｅの光周波数Ｆは矩形波のローレベル部分とハイレベル
部分とにそれぞれ対応する２値をとる。ここで、この２
値をＦ₁ ，Ｆ₂ とする。

【００３３】レーザダイオード１４から出射されたレー
ザ光ｅの一部はビームスプリッタ１５で分岐されてルビ
ジウムガスが封入された吸収セル１６を透過して受光器
１７へ入射する。受光器１７は入射したレーザ光ｅの光
強度を電気信号に変換する。ルビジウムガスの吸収スペ
クトラムを図３（ａ）に示すＢ特性とし、その吸収スペ
クトラムの中心周波数をＦ_C すると、受光器１７の出力
信号ｊは、各光周波数Ｆ₁ ，Ｆ₂ ，Ｆ_C の相互関係によ
り図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すようになる。すなわ
ち、 Ｆ_c −Ｆ₁ ＞Ｆ₂ −Ｆ_C ……図３（ａ） Ｆ_c −Ｆ₁ ＝Ｆ₂ −Ｆ_C ……図３（ｂ） Ｆ_c −Ｆ₁ ＜Ｆ₂ −Ｆ_C ……図３（ｃ） そして、この出力信号ｊは増幅器１９で増幅されたのち
同期検波回路２０へ入力する。

【００３４】同期検波回路２０は増幅された受光器１７
の出力信号ｊを矩形波信号発生回路３３から出力された
周波数ｆ_m2を有する参照波信号ｍ（矩形波信号）で同期
検波する。レーザ光ｅも周波数ｆ_m2で周波数変調されて
いるので、同期検波回路２０の出力信号はレーザ光ｅの
周波数弁別信号ｋとなる。そして、この周波数弁別信号
ｋのゼロクロス点は、矩形波信号ｉにおけるデューティ
比Ｄ（＝Ｔ₁ ／Ｔ）の値に係わらず、レーザ光ｅの光周
波数Ｆ₁ ，Ｆ₂ がそれぞれＦ_c −Ｆ₁ ＝Ｆ₂ −Ｆ_C とな
るとき、すなわち、図３（ｂ）に示すように、Ｆ₁ ，Ｆ
₂ がＦ_C に対して対称のときである。

【００３５】したがって、サーボ回路２１によって、こ
の周波数弁別信号ｋを逆極性にして駆動電流発生部１３
に帰還すれば、レーザ光ｅの光周波数Ｆは、周波数弁別
信号ｋのゼロクロス点になるよう制御される。しかしな
がら、レーザ光ｅの平均光周波数Ｆ_AVは、矩形波信号ｉ
の周期Ｔと光周波数がＦ₂ となる期間Ｔ₁ を用いて次式
でい示される。

【００３６】 Ｆ_AV＝［Ｆ₂ ・Ｔ₁ ｔ＋Ｆ₁ ・( Ｔ−Ｔ₁ ))］／Ｔ さらに、矩形波信号ｉのデューティ比Ｄ（＝Ｔ₁ ／Ｔ）
を用いると、 Ｆ_AV＝Ｄ・Ｆ₂ ＋（１ーＤ）・Ｆ₁ ＝Ｆ₁ ＋Ｄ・（Ｆ₂ −Ｆ₁ ） で表される。これよりレーザ光ｅの平均光周波数Ｆ_AVは
矩形波信号ｉのデューティ比ＤによりＦ₁ からＦ₂ の範
囲で任意に変化できることが理解できる。

【００３７】ところで、周波数弁別信号ｋを最大に得る
には、レーザ光ｅの変調幅、すなわち（Ｆ₁ −Ｆ₂ ）を
吸収セル１６の図３に示す吸収スペクトラムの半値幅程
度にするのがよい。ルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ線の場合、こ
の半値幅は約６００ＭHzである。したがって、レーザ光
ｅの平均光周波数Ｆ_AVは矩形波信号ｉのデューティ比Ｄ
により、最大約±３００ＭHzまで変化させることが可能
である。

【００３８】このように構成されたレーザ光源３１から
レーザ光ｅが出力される。これ以降の動作は、図８に示
した従来の原子発振器の動作と同じである。すなわち、
レーザ光源３１から出力されたレーザ光ｅは、ルビジウ
ムガス３が封入したガスセル４とガスセル４を取り巻く
マイクロ波キャビティ５とからなる光・マイクロ波二重
共鳴部６を透過し受光器７へ入射する。

【００３９】そして、この光は受光器７によって光・マ
イクロ波二重共鳴検出信号ａに変換される。マイクロ波
キャビティ５には電圧制御水晶発振器８ａと周波数合成
・逓倍器８ｂとで構成されマイクロ波発生部８から出力
されたマイクロ波ｂが印加されている。このマイクロ波
ｂは低周波発振器９から出力される周波数ｆ_m1の低周波
信号でもって僅かに周波数変調されている。

【００４０】その結果、前記受光器７から出力される光
・マイクロ波二重共鳴検出信号ａも周波数ｆ_m1でもって
周波数変調されている。この光・マイクロ波二重共鳴検
出信号ａは増幅器１０で増幅された後、同期検波回路１
１において周波数ｆ_m1を有する前記低周波信号でもって
同期検波される。サーボ回路１２は同期検波回路１１の
出力信号が零になるようにマイクロ波発生部８の電圧制
御発振器８ａへ制御信号を帰還する。

【００４１】ガスセル４における二重共鳴を得るマイク
ロ波周波数ｆ₀ がレーザ光ｅの光強度Ｐw に応じて変化
することを図４に示したが、前述したように、光強度が
異なる３つの特性はＡ点で交差している。すなわち、こ
の点Ａでは光シフトが光強度Ｐw に依存しない。しか
し、Ａ点の光周波数Ｆ_A はルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ線の光
周波数Ｆ_C からずれている。図４においては、この周波
数のずれ量ΔＦは約１５０ＭHzであるから、レーザ光源
３１における矩形波信号発生回路３３の矩形波信号ｉの
デューティ比Ｄ（＝Ｔ₁ ／Ｔ）をデューティ比設定回路
３４で調整して、レーザ光ｅの平均光周波数Ｆ_AVをＡ点
の光周波数Ｆ_A に一致させる。

【００４２】したがって、たとえレーザ光ｅの光強度Ｐ
w が変化したとしても、ガスセル４における二重共鳴を
得るイクロ波周波数ｆ₀ を常に一定値に維持できる。よ
って、この二重共鳴を得るマシクロ波周波数ｆ₀ によっ
て一義的に定まるマイクロ波発生部８から出力される標
準周波数信号の周波数ｆ_S を常に一定値に維持できる。

【００４３】また、図４に示すオフセット周波数ΔＦを
実現するために、図５（ａ）に示すように、従来装置の
同期検波回路２０の出力信号ｈにオフセット回路３５か
ら、前記オフセット周波数ΔＦに対応するオフセット電
圧Ｖを加算回路３６を用いて印加することも可能であ
る。しかし、この場合、図５（ｂ）に示すように、サー
ボ回路２１が、出力信号ｈにおけるゼロクロス点以外の
点をしきい値として弁別して、駆動電流発生部１３へ制
御信号を送出する必要がある。

【００４４】したがって、回路構成が複雑化するのみな
らず、受光器１７，増幅器１８，同期検波回路２０，低
周波発振器１８の特性に応じて、出力信号ｈの微分波形
が大きく変化する。また、吸収セル１６の吸収率が変化
しても同様に変化する。したがって、その都度、その波
形の傾き度合いに応じた、オフセット電圧Ｖ₁ ，Ｖ₂を
設定する必要がある。前述した各回路の特性や吸収セル
の吸収率は使用環境や経年変化に応じて、変化するの
で、実際問題として、オフセット電圧Ｖをその都度変更
できない。

【００４５】これに対して、図１に示した実施例のレー
ザ光源３１においては、オフセット周波数ΔＦを実現す
る手段として、矩形波信号ｉのデューティ比Ｄを変化さ
せているので、サーボ回路２１は、同期検波回路２０の
出力信号ｋのゼロクロス点のみを判断すればよいので、
受光器１７，増幅器１８，同期検波回路２０，矩形波信
号発生回路３３等の特性の影響を全く受けない。よっ
て、レーザ光ｅの光周波数Ｆの安定性をより一層向上で
きる。

【００４６】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、矩形波信号発生回路３３は、
ファンクションジェネレータのようにアナログ的に発生
させるものでも良いし、適当な分解能が得られる周期の
クロックパルスをカウントするなどしてディジタル的に
発生させるものでもよい。

【００４７】図６は上述したカウンタを用いた矩形波信
号発生回路の概略構成を示すブロック図であり、図７は
同信号発生回路の動作を示すタイムチャートである。変
調周波数の２５６倍の周波数のクロック発振器４０から
出力されたクロック信号Ｊは、分周比１／１２８の分周
器４１及び分周比１／２の分周器４２によってデューテ
ィ比５０％の同期検波のための同期検波参照信号Ｋ
（ｍ）となる。

【００４８】この同期検波参照信号Ｋ（ｍ）の立上がり
エッジをフリップフロップ４７で検出して、この立上が
りエッジから第１の８ビットダウンカウンタ４３でもっ
て前記クロック信号ＪにおけるＭカウント分のクロック
カウントを行う。このカウント数Ｍにより同期検波参照
信号Ｋ（ｍ）と駆動電流発生部１３へ送出する変調信号
（矩形波信号）Ｇ（ｉ）の位相差を調整する。

【００４９】次に、第１の８ビットダウンカウンタ４３
の最終カウント出力Ｄの立上がりエッジをフリップフロ
ップ４８で検出し、この立上がりエッジから第２の８ビ
ットダウンカウンタ４４でもって前記クロック信号Ｊに
おけるＮカウント分のクロックカウントを行う。このカ
ウント数Ｎにより変調信号Ｇ（ｉ）のデューティ比が調
整される。

【００５０】すなわち、第２の８ビットダウンカウンタ
４４の最終カウント出力Ｈの反転信号を変調信号Ｇ
（ｉ）とすると、そのデューティ比はＮ／２５６とな
る。したがって、この実施例では、１／２５６の分解能
でデューティ比が可変できる。クロック周波数及び分周
器４１の分周比、ダウンカウンタ４３，４４のビット数
を変更すれば、分解能をもっと向上させ得ることは言う
までもない。

【００５１】また、セシウム等のアルカリ金属原子のガ
スガスを用いた原子発振器であってもよい。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の原子発振
器においては、デューティ比を任意に設定できる矩形波
信号を用いて、励起用光源としてのレーザ光源から出力
されるレーザ光の光周波数を吸収ガスの吸収スペクトラ
ムを基準にして安定化し、かつ吸収スペクトラムの中心
周波数から所定周波数だけオフセットさせている。すな
わち、レーザ光の光周波数をガスセルの二重共鳴のマイ
クロ波周波数における光シフト量が光強度に依存しない
点に調整することにより、たとえ光強度に経時変化を生
じても光シフトに起因する二重共鳴のマイクロ波周波数
の変動が発生せず、出力される標準周波数信号の周波数
を長期に亘って常に一定値に維持できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わる原子発振器の概略
構成を示すブロック図、

【図２】 実施例の矩形波信号の波形図、

【図３】 実施例におけるレーザ光の光周波数と受光器
の出力信号との関係を示す図、

【図４】 ガスセルの二重共鳴のマイクロ波周波数の光
シフト特性を示す図、

【図５】 他の装置と比較して実施例装置の効果を説明
するための図、

【図６】 本発明の他の実施例に係わる原子発振器にお
ける矩形波信号発生回路の概略構成を示すブロック図、

【図７】 同矩形波信号発生回路の動作を示すタイムチ
ャート、

【図８】 従来の原子発振器の概略構成を示す図、

【図９】 ルビジウム８７原子のエネルギ準位図、

【図１０】 二重共鳴の周波数特性図、

【図１１】 同期検波回路の出力信号波形図、

【図１２】 従来原子発振器におけるレーザ光源の概略
構成図、

【図１３】 ルビジウム８７ランプのＤ₂ 線の発光スペ
クトル図、

【図１４】 ルビジウムの吸収スペクトラム図。

【符号の説明】

４…ガスセル、５…マイクロ波キャビティ、６…光・マ
イクロ波二重共鳴部、７，１７…受光器、８…マイクロ
波発生部、８ａ…電圧制御水晶発振器、８ｂ…周波数合
成・逓倍器、９…低周波発振器、１０，１９…増幅器、
１１，２０…同期検波回路、１２，２１…サーボ回路、
１３…駆動電流発生部、１４…レーザダイオード、１６
…吸収セル、３１…レーザ光源、３２…出力周波数制御
部、３３…矩形波信号発生回路、３４…デューティ比設
定回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−291022（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−63321（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−20926（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−107225（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H03L 7/26 H01S 1/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を出力するレーザ光源(31)と、
   マイクロ波を出力するマイクロ波発生部(8) と、前記レ
   ーザ光及びマイクロ波が同時に入射されることによって
   光・マイクロ波二重共鳴が生起し、透過したレーザ光が
   前記二重共鳴にて定まる周波数特性を呈するガスセル
   (4) と、前記マイクロ波発生部の出力周波数を前記二重
   共鳴にて定まる周波数に一致させる出力周波数制御部(3
   2)とを備えた原子発振器において、 前記レーザ光源(31)は、前記レーザ光を発生するレーザ
   ダイオード(14)と、入力信号レベルに対応した駆動電流
   を前記レーザダイオードへ供給する駆動電流発生部(13)
   と、この駆動電流発生部へ矩形波信号を送出する矩形波
   信号発生回路(33)と、吸収ガスが封入され前記レーザ光
   の一部が透過する吸収セル(16)と、この吸収セルを透過
   したレーザ光を受光する受光器(17)と、この受光器の出
   力信号を前記矩形波信号に同期した信号を参照波信号と
   して信号処理し、前記駆動電流発生部へ信号を送出する
   レーザ光制御手段(20,21) と、前記レーザ光の平均発振
   周波数を前記吸収ガスの吸収スペクトラムの中心周波数
   から所定周波数オフセットされた周波数になるように前
   記矩形波信号のデューティ比を設定するデューティ比設
   定手段(34)とを有することを特徴とする原子発振器。