JP3631410B2 - ガスセル型原子発振器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型・簡素にして高い周波数安定度が得られるガスセル型原子発振器に係り、特に励起光源の光強度変化に対する共鳴周波数変動およびガスセルの温度変化に対する共鳴周波数変動を低減し、周波数安定度を向上させたガスセル型原子発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスセル型原子発振器は、原子固有の共鳴周波数を周波数基準とした極めて安定度の高い発振器である。共鳴信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が高いため短期周波数安定度に優れているものが商用化されており、基準周波数を得るための原子としては、主にルビジウムが使用されている。
ガスセル型原子発振器の基本構成について図１及び図２を用いて説明する。なお、図１は全体の基本構成図、図２は基本構成中の二重共鳴部２の二重共鳴共振器２ｃ部分を示す断面模式図である。
【０００３】
図１、図２において、電圧制御水晶発振器５から出力された信号周波数ｆ１ の信号は周波数合成・逓倍回路４に入力されて、二重共鳴部２の中のガスセル２１に封入されている原子の共鳴周波数ｆ２ に近いマイクロ波信号（周波数Ｎ×ｆ１ ）に変換される。このマイクロ波信号は、二重共鳴部２内の二重共鳴共振器２ｃに入力されて、二重共鳴共振器２ｃ内の空洞共振器２２を励振する。また光源部１から出射された光は、二重共鳴部２内の二重共鳴共振器２ｃへ励起光として照射される。二重共鳴共振器２ｃ内では、光およびマイクロ波による二重共鳴現象が生じ、二重共鳴部２からは、加えられたマイクロ波信号の周波数Ｎ×ｆ１ と原子の共鳴周波数ｆ２ との周波数差（ Ｎ×ｆ１ −ｆ２ ） に比例した信号が誤差信号として出力される。信号処理制御装置３は、この周波数差がゼロになるように電圧制御水晶発振器５の発振周波数を制御する。この結果、電圧制御水晶発振器５からは標準となる周波数ｆ１ を有する信号が出力される。
二重共鳴部２に含まれている温度制御回路２ａは、ガスセル２１を恒温化するためにヒータ２６へ電力を供給し、また同様に静磁場発生回路２ｂはガスセル２１に直流平行磁場（静磁場）を与えるために静磁場コイル２７へ電流を供給している。
【０００４】
次に、二重共鳴共振器２ｃの構成について、図２を用いて説明する。
空洞共振器２２の中には、アルカリ金属が封入されたガスセル２１が収容されている。アルカリ金属としては、共鳴マイクロ波周波数が６．８３ＧＨｚ付近であるルビジウム原子（以下、「Ｒｂ」と記す。）が一般に利用されているが、共鳴マイクロ波周波数が９．１９ＧＨｚ付近であるセシウム原子（以下、「Ｃｓ」と記す。）を利用することで、空洞共振器２２の小型化が図れる。以下の説明は、Ｃｓを例にとり説明しているが、Ｒｂの場合でも構成は同じである。
空洞共振器２２は、非磁性体の金属でなる同筒状であり、その一端には光源部１からの励起光を採り入れる光入力窓２８が設けられ、また他端には光入力窓２８に対向する位置にガスセル２１を透過した光を受光するための光検出器２３が備えられている。また空洞共振器２２の内部には、周波数合成・逓倍回路４からのマイクロ波信号を入力するためのマイクロ波アンテナ２４およびガスセル２１の温度を検出するための温度センサ２９が備えられている。
空洞共振器２２の外周には、ガスセル２１に静磁場を与えるための静磁場コイル２７が巻回されている。
空洞共振器２２と静磁場コイル２７は、複数の磁気シールド槽２５，２５に収容されている。複数の磁気シールド槽２５，２５は、一端に光源部１からの励起光をとり入れるための光入力窓２８がそれぞれ設けられ、かつ他端が閉塞された形状の強磁性体材料でなる金属ケースであり、外部磁場および周辺制御回路からの発生磁場を遮断する。
最内層の磁気シールド槽２５の外周には、ガスセル２１と空洞共振器２２を加熱し恒温化するためのヒータ２６が巻回されている。ヒータ２６は、温度センサ２９によって検出される温度が一定となるように温度制御回路２ａから印加される電圧が制御されている。温度は、例えば常温より高い３０〜７０℃の間の所定の温度で一定になるように制御されているが、これはガスセル２１に封入されている金属原子を蒸気の状態にし、励起光の吸収量を増すためである。
【０００５】
次に、光マイクロ波二重共鳴現象について、図３に示すＣｓのエネルギ状態の３準位原子系モデルを例に説明する。
図３の（ａ）に示すように、熱平衡状態におけるＣｓは、基底状態（６Ｓ１／２ ）の２つの超微細準位（Ｆ＝３，Ｆ＝４）に等分に分布している。この状態のとき、図３の（ｂ）に示すように、Ｆ＝３から光ポンピングを行う波長に安定化された励起光をＣｓに照射すると、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）にあるＣｓは変化を受けないが、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）にあるＣｓは励起光の光エネルギを吸収して、励起状態（６Ｐ３／２ ）に光ポンピングされる。励起状態（６Ｐ３／２ ）に光ポンピングされたＣｓは、次の瞬間いま得たエネルギを自然放出して、基底状態（６Ｓ１／２ ）の２つの超微細準位（Ｆ＝３，Ｆ＝４）に等確率で落ちる。励起光を照射し続けることによりこの過程が繰り返され、Ｃｓのほとんどが基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）に集められ、反転分布の状態となる。
この状態で図３の（ｃ）に示すように、Ｃｓ固有の共鳴周波数ｆ２ に近い高周波磁場（マイクロ波信号）を加えると、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）にあるＣｓは共振振動を受けてエネルギを放出し、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）に誘導放出される。ここで、再び、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）のＣｓは励起光の光エネルギを吸収して、励起状態（６Ｐ３／２ ）への光ポンピングが始まるのでガスセル２１の透過光を受光している光検出器２３から図４に示すような吸収特性が得られる。これを光マイクロ波二重共鳴という。
図４において共鳴周波数ｆ２ から離れるにしたがって透過光レベルが増加しているのは、図３の（ｃ）に示す状態のときに、マイクロ波信号による高周波磁場が共鳴周波数ｆ２ からずれるにしたがって誘導放出される原子の数が減り、その結果として低い準位の原子数は減り光の吸収がおこらないことが、その理由である。したがって、ガスセル２１を透過した光（透過光）レベルを光検出器２３で観測し、透過光レベルが常に最小となるようにマイクロ波信号の周波数を制御することにより、原子固有の共鳴周波数ｆ２ が持つ極めて安定な周波数が移乗した標準周波数を得ることができる。
【０００６】
前述の図３の説明では、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）から光ポンピングを行っているが、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）から光ポンピングを行ってもよい。この場合には、図３の（ｃ）の高周波磁場により、Ｃｓは、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）から基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）へと集められるため、同様の吸収特性が得られる。
また、前述の説明は、励起光波長が約８５２ｎｍであるＣｓのＤ２線を利用した光ポンピングについて説明したが、励起状態（６Ｐ１／２ ）への励起光波長が約８９４ｎｍであるＣｓのＤ１線を利用した光ポンピングでも実現可能であることが知られている。
【０００７】
次にガスセル２１について、説明する。
通常ガスセル２１内には、Ｃｓと共に緩衝気体として不活性ガスを封入する。緩衝気体の効果としては、光ポンピングされたＣｓのガスセル内壁との衝突によるエネルギ消失を防ぐことで、Ｃｓが下準位へ緩和して熱平衡状態へ近づこうとする時間（緩和時間）を延ばすことが知られている。しかし、緩衝気体はそれ自体の圧力変化または温度変化により共鳴マイクロ波周波数変化をもたらし、これらの変化の度合は、それぞれ圧力係数，温度係数と呼ばれている。また、緩衝気体の種類により、それぞれの係数は正特性若しくは負特性を持っている。そこで、通常緩衝気体には、上記２つの係数がそれぞれ正負逆特性を持つ２種類以上の不活性ガスを選択し、これらの係数を極力小さくする不活性ガスの圧力比（混合比）を決める。通常、２種類の不活性ガスを緩衝気体に用いる場合では、温度係数がゼロに近い値となるような混合比に設定する。
また、ガスセル２１内に封入する緩衝気体の全圧力については、Ｃｓがガスセル内壁に衝突する確率およびＣｓが緩衝気体に衝突する確率を計算し、これらの和の逆数（緩和時間）が最大値となるようにに設定している。すなわち、ガスセル２１の寸法が決まれば、緩和時間が最大となるための緩衝気体の全圧力が計算できる。緩和時間の算出方法としては、「「周波数と時間」， 吉村他， 第５章， 電子情報通信学会」に詳細な記述がある。
【０００８】
光源部１の光源は、キャリアガスと共に原子を封入したランプセルを高周波励振して放電させるランプ励起方式と、半導体レーザ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ：以下「ＬＤ」と記す。）を励起光としたＬＤ励起方式があるが、ＬＤ励起方式では励起波長の選択的な光ポンピングを行うことが可能であるため、ランプ励起方式と比較し、ポンピング効率および信号対雑音比の向上が可能である。
【０００９】
ＬＤ励起方式を用いた場合の光源部１について、図５の光源部の光学系および制御系のブロック図を用いて説明する。
図５において、ＬＤ１１の波長安定化には、Ｃｓのみを封入した基準セル１８の吸収特性を用いており、吸収特性を得るための方法としては、線形吸収分光法と飽和吸収分光法とがある。初めに線形吸収分光法について説明する。
ＬＤ１１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ１９ａで分岐し、基準セル１８にレーザ光を入射し、基準セル１８の透過光を光検出器１７で受光する。光検出器１７の出力は、増幅器１６を介して電圧出力信号となる。レーザ制御器１２は、ＬＤ１１への注入電流の制御を行う。ここで、レーザ制御器１２にて注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープし、その出力波長を横軸にとり、前述の電圧出力信号を縦軸にとると、図６の（ａ）に示すような線形吸収スペクトルが観測される。
基準セル１８で得られた線形吸収スペクトルの光吸収ピークにＬＤ１１の出力波長を安定化させるには、吸収スペクトルのピークにおける変調信号のレベルを基準にして、レーザ光の波長がこのピークからのずれを検出し、それを誤差信号として位相同期ループにより出力波長を制御する。図５を用いて具体的に説明すると、変調信号発生器１５から出力された変調信号を、ＬＤ１１に加わる注入電流に加算器１３を介して重畳し、レーザ光を周波数変調する。光検出器１７は、基準セル１８を透過したレーザ光に含まれた変調信号成分を検出し、増幅器１６を介して制御手段１４に入力される。制御手段１４は、増幅器１６からの電圧出力信号に含まれた変調信号成分を変調信号発生器１５から出力された変調信号により同期検波し、その同期検波出力がゼロとなるようレーザ制御器１２へ帰還を行う。なお、異なる変調方式として、基準セル１８に変調磁場を発生させ、ガスの吸収スペクトル自体を変調しても同様の効果が得られる。
【００１０】
次に、飽和吸収分光法について、図５を用いて説明する。この方法は、前述の線形吸収分光法による出力波長の短期安定度をさらに向上させるものである。
ＬＤ１１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ１９ａで分岐し、一方の分岐光は基準セル１８を透過し光検出器１７に入射される。もう一方の分岐光はビームスプリッタ１９ｂ、ミラー１９ｃ、ビームスプリッタ１９ｄを介して基準セル１８へ入射される。この入射光とビームスプリッタ１９ａで分岐された前記一方の分岐光とは、基準セル１８の中において、進行方向は互いに反対向きで、かつ、ほぼ重なり合うようにする。この場合、上記入射光および分岐光のどちらか一方のレーザ光で分子の吸収が飽和状態となると、他方のレーザ光（この場合プローブ光となる）による光の吸収量が減少する。このプローブ光にもたらされる飽和吸収特性を光検出器１７で受光し、増幅器１６より電圧出力信号を得る。レーザ制御器１２にてＬＤ１１の注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープして、その出力波長を横軸にとり、前述の電圧出力信号を縦軸にとると、図６の（ｂ）に示すような線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルが観測される。一つの飽和吸収スペクトルの半値全幅は線形吸収スペクトルの半値全幅の約１／１００である。このため、ＬＤ１１の出力波長を制御する際、飽和吸収スペクトルを用いると狭線幅化により安定度が大幅に改善できる。
一般に知られているＣｓのＤ２線の飽和吸収スペクトルは、基底状態（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）から励起状態（６Ｐ３／２ ）への励起波長では、波長の短い方から順にＦ線，Ｅ線，Ｄ線の３本と、それらのクロスオーバとしてｍ線、ｌ線、ｋ線の３本の計６本がある。また、基底状態（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）から励起状態（６Ｐ３／２ ）への励起波長では、波長の短い方から順にＣ線，Ｂ線，Ａ線の３本と、それらのクロスオーバとしてｃ線，ｂ線，ａ線の計６本がある。「ＴＨＥＯＲＥＴＩＣＡＬ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ Ｒｂ ＡＮＤ Ｃｓ Ｄ２ ＬＩＮＥＳ ＩＮ ＳＡＴＵＲＡＴＩＯＮ ＳＰＥＣＴＲＯＣＯＰＹ ＷＩＴＨ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＵＭＰＩＮＧ，Ｓ．Ｎａｋａｙａｍａ，ＪＡＰＡＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．７，ｐｐ．８７９−８８３，１９８４． 」に詳細な記述がある。
【００１１】
Ｃｓをガスセル型原子発振器として使用するとき、通常、ＴＥ０１１ あるいはＴＥ１１１ モードの二重共鳴共振器が使用され、この中にセルを入れる。光源部１から出力される励起光の波長（励起光周波数）は、前述の飽和吸収スペクトルの一つに安定化されているが、ガスセル２１にはＣｓと緩衝気体が封入されているため、ガスセル２１の吸収量最大の光周波数位置は励起光周波数と一致しない。このため、周波数がずれた励起光の強度変化により、吸収線のエネルギ状態が変化し、共鳴マイクロ波周波数がシフトされてしまう現象がある。これを光パワーシフトと呼ぶ。図７は従来のガスセルの光パワーシフト特性を測定したグラフを示し、横軸にＢ線を基準値ゼロとした励起光周波数、縦軸に共鳴マイクロ波周波数相対値をとっている。３つの飽和吸収スペクトルｃ線、ａ線およびＡ線に励起光周波数をそれぞれ順に安定化して、光強度を３ポイント変えた時のそれぞれの共鳴マイクロ波周波数をプロットした。図中、●，○，◆で示した点は光強度の違いを表し、実線は同じ光強度の点を結んでいる。
図７のグラフから、飽和吸収線のいずれに安定化しても、励起光の強度変動による共鳴マイクロ波周波数の光パワーシフトが生じてしまうことが判る。
【００１２】
図７において、Ｂ線とａ線とのほぼ中間位置に光強度を変えても共鳴マイクロ波周波数が変化しない特異点が存在している。この特異点は光パワーシフトゼロ点と呼ばれているが、この光周波数位置に励起光周波数が安定化出来れば、光パワーシフトが生じず、光強度が変化しても原子発振器の安定度には影響しない。
【００１３】
特開平７−５０５８０号公報に記載の発明では、２台のＬＤを用いた方式によりこの問題点を解決している。この場合、光パワーシフトがゼロになる光周波数は、飽和吸収線ａ線からプラスの方向に５０ＭＨｚずれているので、例えば２台の内一つのＬＤを飽和吸収線ａ線に安定化するマスタ光源とし、残りの１台をａ線から＋５０ＭＨｚ程度オフセットしたスレーブ光源とし、２台の光源のビート信号（周波数差）を観測する。この周波数差が常に＋５０ＭＨｚとなるように、スレーブ光源をマスタ光源にオフセットロックし、波長制御されたスレーブ光源の出力光を励起光とすればよい。
【００１４】
光パワーシフトゼロ点の光周波数位置と励起光周波数を一致させる他の手法としては、ゼーマン現象を利用することが考えられる。光源部の基準セルに強磁場を加えて、吸収線位置を光パワーシフトゼロ点まで周波数シフトさせればよい。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ガスセル型原子発振器の利点としては、高い周波数安定度が得られると共に、小型で低消費電力であることが挙げられる。しかし、特開平７−５０５８０号公報に記載の光パワーシフトゼロ点に励起光周波数を安定化する方式では、光学系および電気系が複雑になり、装置の小型化が図れない。
また、ゼーマン現象を利用した方式では、飽和吸収線によって磁場に対する周波数シフト量が違うが、磁界の大きさをＨとすると、シフト量が大きいものでも≦１／Ｈ［ＭＨｚ／１００ μＴ］である。例えば、吸収線を５０［ＭＨｚ］周波数シフトさせようとすると、その時の磁界の大きさＨは、Ｈ≧５［ｍＴ］となる。この値は、日本における地磁気の強さがほぼ３０［μＴ］であることを考えると、その１７０倍となってしまい、基準セルだけでなく、共鳴セルもゼーマンシフトを生じる恐れがあるため、磁気シールドを今以上に施さなくてはならない。このことは、装置の大型化を招く。また、磁界を定量的に発生させるには、ソレノイドコイルに一定電流を流す方法が容易であるが、電流変動が直接原子発振器の周波数安定度に影響を及ぼすため、周波数の不安定要因になる。
この発明の目的は、周波数安定度が向上するとともに装置の小型化も図れるガスセル型原子発振器を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、従来は光パワーシフトゼロ点の光周波数位置と励起光周波数を一致させるために、励起光周波数をシフトさせていたが、本発明では光パワーシフトゼロ点の光周波数位置をシフトさせることとした。すなわち、本発明の請求項１のガスセル型原子発振器は、アルカリ金属原子と緩衝気体とを封入したガスセルに半導体レーザから出射される該アルカリ金属原子の励起光と共鳴マイクロ波を照射して、光・マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、
前記半導体レーザは前記アルカリ金属原子の光吸収線の内の所定の光吸収線の波長に安定化された励起光を出射し、かつ、前記緩衝気体は複数種類の不活性ガスより成り、前記ガスセルを使用する温度での該温度に対する前記共鳴周波数の微分係数及び前記波長安定化された励起光の光強度の変化に対する前記共鳴周波数の変化がゼロに近い値となるように、前記緩衝気体の分圧比と全圧力とがそれぞれ所定の値とされている。
また、本発明の請求項２のガスセル型原子発振器は、請求項１のガスセル型原子発振器において、前記アルカリ金属原子がセシウム原子であり、前記所定の光吸収線がセシウム原子の光吸収線の内のａ線の波長及びｋ線の波長のいずれかであり、かつ、前記緩衝気体がアルゴン及び窒素である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明のガスセル型原子発振器は前述のようにガスセル、特に該ガスセルに封入する緩衝気体について特徴があり、その他については図１及び図２を参照して説明したガスセル型原子発振器と同様であるので、主としてガスセルについて説明し、その他の説明は省略する。
本実施の形態では、従来使われているＲｂより共振器を小さくすることが可能であるＣｓを使用した。また、光源として、ＬＤを使用し、該ＬＤの出射光の波長はＣｓのＤ２線の飽和吸収線の１本であるａ線に安定化する。
Ｃｓと共にガスセル２１に封入するガスとしては、窒素（Ｎ２ ）とアルゴン（Ａｒ）を使用した。Ｎ２ は化学的に安定であると同時に、光励起されたＮ２ が緩和するときに非発光で緩和する確率が高いために、発光緩和によって再度Ｃｓを励起する確率が低く、安定したＣｓの光励起ができる。Ｎ２ と組み合わせるもう一つのガスとしては、温度シフト係数を小さくするために、Ｎ２ と反対の符号の温度係数を持つガスが必要であるが、多くの希ガスがこのような性質を持っている。その中で、Ｃｓと衝突したときに、その基底状態（６Ｓ１／２ ）の２つの超微細準位間の緩和に対して最も小さな非弾性散乱確率を持ち、原子発振器の本質的な精度を高めるために必須である長い寿命を達成できるのはＡｒであるため、本実施の形態では、Ｎ２ とＡｒを緩衝気体として使用した。
【００１８】
本実施の形態に用いるガスセルは、室温が２５℃のもとで作製した。この状態で、Ｎ２ に対するＡｒの分圧比をｋとし、Ｎ２ とＡｒの圧力を加えた全圧をＰとする。分圧比ｋと全圧Ｐについては後述する。このようなガスセルを他の温度で作製したり、評価したりすれば、分圧比ｋは一定であるが、全圧Ｐはボイル・シャルルの法則によって変化することは自明である。ここで、温度や圧力によるガスセル自体の体積の変化は、実質的に無視できる。試作したガスセル中に実際に入っているＮ２ とＡｒの量は、既知の内容積と温度の真空系内でガスセルを割って、マススペクトロメータで分析することができる。
【００１９】
上記のような条件でガスセルを作製し、励起する光の波長をＣｓの飽和吸収線の１本であるａ線の波長としたときに、光の強度の変動によってマイクロ波周波数が変化しないという条件と、そのとき、ある温度において、温度による共鳴マイクロ波周波数の変化がゼロになるという条件を、共に満足させることができる分圧比ｋと全圧Ｐを求めることが必要となる。このために、分圧比ｋ及び全圧Ｐが異なる複数のガスセルを試作した。それらを測定して、温度シフト係数がゼロになる温度において、ａ線で励起したときの光パワーシフト係数がそれぞれ、正および負のものを、それぞれ◯および●で表すこととして、ガスセルの全圧Ｐと圧力比ｋを２次元座標軸の横軸と縦軸にとったグラフに示すと、図８のようになる。このグラフ上で、◯および●の境界を実線で示してある。この実線上の全圧Ｐと圧力比ｋで、温度シフト係数と光パワーシフト係数が共にほぼゼロになる。これを式で表すと次のようになる。
ｋ＝０．５６５ Ｐ−１．６４ （ ４．０９ ｋＰａ＞Ｐ＞ ３．３６ ｋＰａ ：Ｐの単位は ｋＰａ ）…（１） 前記全圧Ｐの範囲は、ガスセルを使用する温度が３０℃〜７０℃の範囲において該ガスセルが有すべき全圧Ｐの範囲である。ガスセルを使用する温度が３０℃の場合は全圧Ｐが３．３６ ｋＰａあたり、７０℃の場合は４．０９ ｋＰａあたりを用いる。
本実施の形態に用いるガスセルの分圧比ｋと全圧Ｐは式（１） を満足するものとする。
本実施の形態では、励起する光の波長をＣｓのＤ２線のａ線の波長としたが、実験の結果、式（１） を満足する分圧比ｋと全圧Ｐを有するガスセルは、励起する光の波長をＣｓのＤ２線の飽和吸収線ｋ線の波長としたときにも、光の強度の変動によってマイクロ波周波数が変化しないという条件と、そのとき、温度による共鳴マイクロ波周波数の変化がゼロになるという条件を、共に満足することが確かめられた。ａ線もｋ線も、飽和吸収線の中では、他の吸収線から比較的離れた波長にあり、かつ、鋭い光吸収ピークを示す線であるために、ＬＤの波長を安定化しやすい。この様な飽和吸収線が利用できることも、式（１） を満足する条件で作製されたガスセルの実用性を高める。一方、ＣｓのＤ２線の他の飽和吸収線については、上記のような条件を満足する分圧比ｋと全圧Ｐは存在しないことも確認された。
【００２０】
ここで、分圧比ｋの許容範囲について検討する。
ガスセル型原子発振器の二重共鳴部を作製して、温度の安定化を図ると、実際に装置が使用されると想定される周囲温度が１０℃から５０℃で、ガスセルの温度を周囲温度より高い一定温度に０．０１℃程度の温度の安定化を図ることは比較的容易であるが、それ以上の温度安定化を図ることは、実用装置としては、大きさやコストを考慮すると困難である。一方、ＬＤの出射光の強度は、ＬＤに注入する電流と温度で制御することが可能であるが、その相対安定度は、１０−３程度までは容易に制御可能である。しかし、その光をガスセルに照射する段階で、実環境の振動や温度変化によって、実際にガスセルに到達する光の強度の相対安定度は１０−２程度になる。
一般に、ガスセル型原子発振器に要求されているアラン分散で定義される周波数の相対安定度は、１秒で１０−１１ 、１００秒で１０−１２ 程度以下である。従って、実際のガスセル型原子発振器において、上記のような温度変動や光強度の変動があった場合にも、ガスセル型原子発振器に要求される安定度を満足するためには、分圧比ｋと全圧Ｐは、図７の実線で示される値に完全に一致する必要はなく、温度が０．０１℃、相対光強度が１０−２変動しても１秒で１０−１１ 、１００秒で１０−１２ のマイクロ波周波数の相対安定度が保たれていれば十分である。このため、作製したガスセルの光パワーシフト係数と温度シフト係数が、現実に容易に達成される前記の範囲で変動しても、上記の安定度を示せば、実用的に問題のない原子発振器を実現することができる。このような条件を、ｋとＰの許容範囲として示すと、図８のようになり、式（１） において、ｋの値が２０％変動しても、十分、１秒で１０−１１ 、１００秒で１０−１２ のマイクロ波周波数の相対安定度が保たれることに対応している。
以上の実験では温度範囲を３０℃から７０℃までに限定している。その理由は、Ｃｓの周波数で使用するＴＥ０１１ あるいはＴＥ１１１ モードの二重共鳴共振器を想定するとき、その共振器とガスセルとの相対的な大きさから、３０℃以下ではガスセル内でのＣｓの飽和蒸気圧が小さいためにＣｓのａ線に安定化された励起光の吸収係数が小さくて十分な信号対雑音比がとれず、７０℃以上ではＣｓのａ線に安定化された励起光の吸収係数が大きすぎてセルの透過光に対する散乱光の強度が大きく十分な信号対雑音比がとれず、一方、セルを小型にするとＣｓとガスセル内壁との相互作用が大きくなり、やはり、十分な信号対雑音比がとれないためである。
この実験で使用した光の強度は、原子発振器として高い安定度を達成するために必須である大きな信号対雑音比を得るために、ガスセルへの入射光量に対する透過光量が約１／２から１／１０となるような条件で行った。
【００２１】
本実施の形態では、ＣｓのＤ２線の場合を示したが、Ｄ１線を使用した場合にも、いずれかの飽和吸収線を使うことによって、実用的なガスセル型原子発振器を実現するために十分な程度、温度シフト係数と光パワーシフト係数が小さなガスセルを、適当な分圧比ｋと全圧Ｐで実現できることは、容易に推定される。
また、本実施の形態はＣｓを使用した場合を示したが、Ｒｂでも実現可能である。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のガスセル型原子発振器は、ガスセルに例えばＣｓと共に封入する緩衝気体の分圧比及び全圧力を調整することにより、ガスセルの設定温度における温度係数をゼロにし、かつ、励起光周波数の基準となる飽和吸収線例えばＣｓのａ線若しくはｋ線と光パワーシフトゼロ点とを一致させている。このことは、周囲温度が変化し、ガスセルの設定温度が変動を受けた場合でも、周波数安定度は影響を受けず、また、波長安定化された励起光の光強度が変動した場合でも、周波数安定度は影響を受けないことから、周波数安定度を向上させることができる。
本発明のガスセル型原子発振器は、２種類の緩衝気体の分圧比及び全圧力を精密に調整するだけで、小型化の妨げとなる追加部材も無く、従来のものと構成がほとんど同じであるために、安価に周波数安定度の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスセル型原子発振器の基本構成図である。
【図２】二重共鳴共振器の構成を示す断面模式図である。
【図３】Ｃｓのエネルギ状態の３準位原子系モデルを示す図であり、（ａ）は熱平衡状態、（ｂ）は反転分布状態、（ｃ）は誘導放出現象を示す図である。
【図４】光マイクロ二重共鳴現象による吸収特性を示す図である。
【図５】光源部の光学系および制御系のブロック図である。
【図６】基準セルの吸収特性を示す図であり、（ａ）は線形吸収スペクトル、（ｂ）は線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルを示す図である。
【図７】従来のガスセル型原子発振器に用いるガスセルの光パワーシフト特性を示す図である。
【図８】本発明のガスセル型原子発振器に用いるガスセルの緩衝気体の圧力比ｋと全圧力Ｐとの関係を示す図である。
【図９】本発明のガスセル型原子発振器に用いるガスセルの緩衝気体の圧力比ｋと全圧力Ｐの許容範囲を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源部
２ 二重共鳴部
２ａ 温度制御回路
２ｂ 静磁場発生回路
２ｃ 二重共鳴共振器
３ 信号処理制御装置
４ 周波数合成・逓倍回路
５ 電圧制御水晶発振器
１１ ＬＤ（半導体レーザ，レーザ光源）
１２ レーザ制御器
１３ 加算器
１４ 制御手段
１５ 変調信号発生器
１６ 増幅器
１７ 光検出器
１８ 基準セル
１９ａ ビームスプリッタ
１９ｂ ビームスプリッタ
１９ｃ ミラー
１９ｄ ビームスプリッタ
２１ ガスセル
２２ 空洞共振器
２３ 光検出器
２４ マイクロ波アンテナ
２５ 磁気シールド槽
２６ ヒータ
２７ 静磁場コイル
２８ 光入力窓
２９ 温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、小型・簡素にして高い周波数安定度が得られるガスセル型原子発振器に係り、特に励起光源の光強度変化に対する共鳴周波数変動およびガスセルの温度変化に対する共鳴周波数変動を低減し、周波数安定度を向上させたガスセル型原子発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスセル型原子発振器は、原子固有の共鳴周波数を周波数基準とした極めて安定度の高い発振器である。共鳴信号の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が高いため短期周波数安定度に優れているものが商用化されており、基準周波数を得るための原子としては、主にルビジウムが使用されている。
ガスセル型原子発振器の基本構成について図１及び図２を用いて説明する。なお、図１は全体の基本構成図、図２は基本構成中の二重共鳴部２の二重共鳴共振器２ｃ部分を示す断面模式図である。
【０００３】
図１、図２において、電圧制御水晶発振器５から出力された信号周波数ｆ１ の信号は周波数合成・逓倍回路４に入力されて、二重共鳴部２の中のガスセル２１に封入されている原子の共鳴周波数ｆ２ に近いマイクロ波信号（周波数Ｎ×ｆ１ ）に変換される。このマイクロ波信号は、二重共鳴部２内の二重共鳴共振器２ｃに入力されて、二重共鳴共振器２ｃ内の空洞共振器２２を励振する。また光源部１から出射された光は、二重共鳴部２内の二重共鳴共振器２ｃへ励起光として照射される。二重共鳴共振器２ｃ内では、光およびマイクロ波による二重共鳴現象が生じ、二重共鳴部２からは、加えられたマイクロ波信号の周波数Ｎ×ｆ１ と原子の共鳴周波数ｆ２ との周波数差（ Ｎ×ｆ１ −ｆ２ ） に比例した信号が誤差信号として出力される。信号処理制御装置３は、この周波数差がゼロになるように電圧制御水晶発振器５の発振周波数を制御する。この結果、電圧制御水晶発振器５からは標準となる周波数ｆ１ を有する信号が出力される。
二重共鳴部２に含まれている温度制御回路２ａは、ガスセル２１を恒温化するためにヒータ２６へ電力を供給し、また同様に静磁場発生回路２ｂはガスセル２１に直流平行磁場（静磁場）を与えるために静磁場コイル２７へ電流を供給している。
【０００４】
次に、二重共鳴共振器２ｃの構成について、図２を用いて説明する。
空洞共振器２２の中には、アルカリ金属が封入されたガスセル２１が収容されている。アルカリ金属としては、共鳴マイクロ波周波数が６．８３ＧＨｚ付近であるルビジウム原子（以下、「Ｒｂ」と記す。）が一般に利用されているが、共鳴マイクロ波周波数が９．１９ＧＨｚ付近であるセシウム原子（以下、「Ｃｓ」と記す。）を利用することで、空洞共振器２２の小型化が図れる。以下の説明は、Ｃｓを例にとり説明しているが、Ｒｂの場合でも構成は同じである。
空洞共振器２２は、非磁性体の金属でなる同筒状であり、その一端には光源部１からの励起光を採り入れる光入力窓２８が設けられ、また他端には光入力窓２８に対向する位置にガスセル２１を透過した光を受光するための光検出器２３が備えられている。また空洞共振器２２の内部には、周波数合成・逓倍回路４からのマイクロ波信号を入力するためのマイクロ波アンテナ２４およびガスセル２１の温度を検出するための温度センサ２９が備えられている。
空洞共振器２２の外周には、ガスセル２１に静磁場を与えるための静磁場コイル２７が巻回されている。
空洞共振器２２と静磁場コイル２７は、複数の磁気シールド槽２５，２５に収容されている。複数の磁気シールド槽２５，２５は、一端に光源部１からの励起光をとり入れるための光入力窓２８がそれぞれ設けられ、かつ他端が閉塞された形状の強磁性体材料でなる金属ケースであり、外部磁場および周辺制御回路からの発生磁場を遮断する。
最内層の磁気シールド槽２５の外周には、ガスセル２１と空洞共振器２２を加熱し恒温化するためのヒータ２６が巻回されている。ヒータ２６は、温度センサ２９によって検出される温度が一定となるように温度制御回路２ａから印加される電圧が制御されている。温度は、例えば常温より高い３０〜７０℃の間の所定の温度で一定になるように制御されているが、これはガスセル２１に封入されている金属原子を蒸気の状態にし、励起光の吸収量を増すためである。
【０００５】
次に、光マイクロ波二重共鳴現象について、図３に示すＣｓのエネルギ状態の３準位原子系モデルを例に説明する。
図３の（ａ）に示すように、熱平衡状態におけるＣｓは、基底状態（６Ｓ１／２ ）の２つの超微細準位（Ｆ＝３，Ｆ＝４）に等分に分布している。この状態のとき、図３の（ｂ）に示すように、Ｆ＝３から光ポンピングを行う波長に安定化された励起光をＣｓに照射すると、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）にあるＣｓは変化を受けないが、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）にあるＣｓは励起光の光エネルギを吸収して、励起状態（６Ｐ３／２ ）に光ポンピングされる。励起状態（６Ｐ３／２ ）に光ポンピングされたＣｓは、次の瞬間いま得たエネルギを自然放出して、基底状態（６Ｓ１／２ ）の２つの超微細準位（Ｆ＝３，Ｆ＝４）に等確率で落ちる。励起光を照射し続けることによりこの過程が繰り返され、Ｃｓのほとんどが基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）に集められ、反転分布の状態となる。
この状態で図３の（ｃ）に示すように、Ｃｓ固有の共鳴周波数ｆ２ に近い高周波磁場（マイクロ波信号）を加えると、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）にあるＣｓは共振振動を受けてエネルギを放出し、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）に誘導放出される。ここで、再び、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）のＣｓは励起光の光エネルギを吸収して、励起状態（６Ｐ３／２ ）への光ポンピングが始まるのでガスセル２１の透過光を受光している光検出器２３から図４に示すような吸収特性が得られる。これを光マイクロ波二重共鳴という。
図４において共鳴周波数ｆ２ から離れるにしたがって透過光レベルが増加しているのは、図３の（ｃ）に示す状態のときに、マイクロ波信号による高周波磁場が共鳴周波数ｆ２ からずれるにしたがって誘導放出される原子の数が減り、その結果として低い準位の原子数は減り光の吸収がおこらないことが、その理由である。したがって、ガスセル２１を透過した光（透過光）レベルを光検出器２３で観測し、透過光レベルが常に最小となるようにマイクロ波信号の周波数を制御することにより、原子固有の共鳴周波数ｆ２ が持つ極めて安定な周波数が移乗した標準周波数を得ることができる。
【０００６】
前述の図３の説明では、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）から光ポンピングを行っているが、基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）から光ポンピングを行ってもよい。この場合には、図３の（ｃ）の高周波磁場により、Ｃｓは、基底状態の低い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）から基底状態の高い超微細準位（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）へと集められるため、同様の吸収特性が得られる。
また、前述の説明は、励起光波長が約８５２ｎｍであるＣｓのＤ２線を利用した光ポンピングについて説明したが、励起状態（６Ｐ１／２ ）への励起光波長が約８９４ｎｍであるＣｓのＤ１線を利用した光ポンピングでも実現可能であることが知られている。
【０００７】
次にガスセル２１について、説明する。
通常ガスセル２１内には、Ｃｓと共に緩衝気体として不活性ガスを封入する。緩衝気体の効果としては、光ポンピングされたＣｓのガスセル内壁との衝突によるエネルギ消失を防ぐことで、Ｃｓが下準位へ緩和して熱平衡状態へ近づこうとする時間（緩和時間）を延ばすことが知られている。しかし、緩衝気体はそれ自体の圧力変化または温度変化により共鳴マイクロ波周波数変化をもたらし、これらの変化の度合は、それぞれ圧力係数，温度係数と呼ばれている。また、緩衝気体の種類により、それぞれの係数は正特性若しくは負特性を持っている。そこで、通常緩衝気体には、上記２つの係数がそれぞれ正負逆特性を持つ２種類以上の不活性ガスを選択し、これらの係数を極力小さくする不活性ガスの圧力比（混合比）を決める。通常、２種類の不活性ガスを緩衝気体に用いる場合では、温度係数がゼロに近い値となるような混合比に設定する。
また、ガスセル２１内に封入する緩衝気体の全圧力については、Ｃｓがガスセル内壁に衝突する確率およびＣｓが緩衝気体に衝突する確率を計算し、これらの和の逆数（緩和時間）が最大値となるようにに設定している。すなわち、ガスセル２１の寸法が決まれば、緩和時間が最大となるための緩衝気体の全圧力が計算できる。緩和時間の算出方法としては、「「周波数と時間」， 吉村他， 第５章， 電子情報通信学会」に詳細な記述がある。
【０００８】
光源部１の光源は、キャリアガスと共に原子を封入したランプセルを高周波励振して放電させるランプ励起方式と、半導体レーザ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ：以下「ＬＤ」と記す。）を励起光としたＬＤ励起方式があるが、ＬＤ励起方式では励起波長の選択的な光ポンピングを行うことが可能であるため、ランプ励起方式と比較し、ポンピング効率および信号対雑音比の向上が可能である。
【０００９】
ＬＤ励起方式を用いた場合の光源部１について、図５の光源部の光学系および制御系のブロック図を用いて説明する。
図５において、ＬＤ１１の波長安定化には、Ｃｓのみを封入した基準セル１８の吸収特性を用いており、吸収特性を得るための方法としては、線形吸収分光法と飽和吸収分光法とがある。初めに線形吸収分光法について説明する。
ＬＤ１１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ１９ａで分岐し、基準セル１８にレーザ光を入射し、基準セル１８の透過光を光検出器１７で受光する。光検出器１７の出力は、増幅器１６を介して電圧出力信号となる。レーザ制御器１２は、ＬＤ１１への注入電流の制御を行う。ここで、レーザ制御器１２にて注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープし、その出力波長を横軸にとり、前述の電圧出力信号を縦軸にとると、図６の（ａ）に示すような線形吸収スペクトルが観測される。
基準セル１８で得られた線形吸収スペクトルの光吸収ピークにＬＤ１１の出力波長を安定化させるには、吸収スペクトルのピークにおける変調信号のレベルを基準にして、レーザ光の波長がこのピークからのずれを検出し、それを誤差信号として位相同期ループにより出力波長を制御する。図５を用いて具体的に説明すると、変調信号発生器１５から出力された変調信号を、ＬＤ１１に加わる注入電流に加算器１３を介して重畳し、レーザ光を周波数変調する。光検出器１７は、基準セル１８を透過したレーザ光に含まれた変調信号成分を検出し、増幅器１６を介して制御手段１４に入力される。制御手段１４は、増幅器１６からの電圧出力信号に含まれた変調信号成分を変調信号発生器１５から出力された変調信号により同期検波し、その同期検波出力がゼロとなるようレーザ制御器１２へ帰還を行う。なお、異なる変調方式として、基準セル１８に変調磁場を発生させ、ガスの吸収スペクトル自体を変調しても同様の効果が得られる。
【００１０】
次に、飽和吸収分光法について、図５を用いて説明する。この方法は、前述の線形吸収分光法による出力波長の短期安定度をさらに向上させるものである。
ＬＤ１１から出射されたレーザ光の光路をビームスプリッタ１９ａで分岐し、一方の分岐光は基準セル１８を透過し光検出器１７に入射される。もう一方の分岐光はビームスプリッタ１９ｂ、ミラー１９ｃ、ビームスプリッタ１９ｄを介して基準セル１８へ入射される。この入射光とビームスプリッタ１９ａで分岐された前記一方の分岐光とは、基準セル１８の中において、進行方向は互いに反対向きで、かつ、ほぼ重なり合うようにする。この場合、上記入射光および分岐光のどちらか一方のレーザ光で分子の吸収が飽和状態となると、他方のレーザ光（この場合プローブ光となる）による光の吸収量が減少する。このプローブ光にもたらされる飽和吸収特性を光検出器１７で受光し、増幅器１６より電圧出力信号を得る。レーザ制御器１２にてＬＤ１１の注入電流を変化させることによってレーザ光の出力波長をスイープして、その出力波長を横軸にとり、前述の電圧出力信号を縦軸にとると、図６の（ｂ）に示すような線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルが観測される。一つの飽和吸収スペクトルの半値全幅は線形吸収スペクトルの半値全幅の約１／１００である。このため、ＬＤ１１の出力波長を制御する際、飽和吸収スペクトルを用いると狭線幅化により安定度が大幅に改善できる。
一般に知られているＣｓのＤ２線の飽和吸収スペクトルは、基底状態（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝３）から励起状態（６Ｐ３／２ ）への励起波長では、波長の短い方から順にＦ線，Ｅ線，Ｄ線の３本と、それらのクロスオーバとしてｍ線、ｌ線、ｋ線の３本の計６本がある。また、基底状態（６Ｓ１／２ ，Ｆ＝４）から励起状態（６Ｐ３／２ ）への励起波長では、波長の短い方から順にＣ線，Ｂ線，Ａ線の３本と、それらのクロスオーバとしてｃ線，ｂ線，ａ線の計６本がある。「ＴＨＥＯＲＥＴＩＣＡＬ ＡＮＡＬＹＳＩＳ ＯＦ Ｒｂ ＡＮＤ Ｃｓ Ｄ２ ＬＩＮＥＳ ＩＮ ＳＡＴＵＲＡＴＩＯＮ ＳＰＥＣＴＲＯＣＯＰＹ ＷＩＴＨ ＯＰＴＩＣＡＬ ＰＵＭＰＩＮＧ，Ｓ．Ｎａｋａｙａｍａ，ＪＡＰＡＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，Ｖｏｌ．２３，Ｎｏ．７，ｐｐ．８７９−８８３，１９８４． 」に詳細な記述がある。
【００１１】
Ｃｓをガスセル型原子発振器として使用するとき、通常、ＴＥ０１１ あるいはＴＥ１１１ モードの二重共鳴共振器が使用され、この中にセルを入れる。光源部１から出力される励起光の波長（励起光周波数）は、前述の飽和吸収スペクトルの一つに安定化されているが、ガスセル２１にはＣｓと緩衝気体が封入されているため、ガスセル２１の吸収量最大の光周波数位置は励起光周波数と一致しない。このため、周波数がずれた励起光の強度変化により、吸収線のエネルギ状態が変化し、共鳴マイクロ波周波数がシフトされてしまう現象がある。これを光パワーシフトと呼ぶ。図７は従来のガスセルの光パワーシフト特性を測定したグラフを示し、横軸にＢ線を基準値ゼロとした励起光周波数、縦軸に共鳴マイクロ波周波数相対値をとっている。３つの飽和吸収スペクトルｃ線、ａ線およびＡ線に励起光周波数をそれぞれ順に安定化して、光強度を３ポイント変えた時のそれぞれの共鳴マイクロ波周波数をプロットした。図中、●，○，◆で示した点は光強度の違いを表し、実線は同じ光強度の点を結んでいる。
図７のグラフから、飽和吸収線のいずれに安定化しても、励起光の強度変動による共鳴マイクロ波周波数の光パワーシフトが生じてしまうことが判る。
【００１２】
図７において、Ｂ線とａ線とのほぼ中間位置に光強度を変えても共鳴マイクロ波周波数が変化しない特異点が存在している。この特異点は光パワーシフトゼロ点と呼ばれているが、この光周波数位置に励起光周波数が安定化出来れば、光パワーシフトが生じず、光強度が変化しても原子発振器の安定度には影響しない。
【００１３】
特開平７−５０５８０号公報に記載の発明では、２台のＬＤを用いた方式によりこの問題点を解決している。この場合、光パワーシフトがゼロになる光周波数は、飽和吸収線ａ線からプラスの方向に５０ＭＨｚずれているので、例えば２台の内一つのＬＤを飽和吸収線ａ線に安定化するマスタ光源とし、残りの１台をａ線から＋５０ＭＨｚ程度オフセットしたスレーブ光源とし、２台の光源のビート信号（周波数差）を観測する。この周波数差が常に＋５０ＭＨｚとなるように、スレーブ光源をマスタ光源にオフセットロックし、波長制御されたスレーブ光源の出力光を励起光とすればよい。
【００１４】
光パワーシフトゼロ点の光周波数位置と励起光周波数を一致させる他の手法としては、ゼーマン現象を利用することが考えられる。光源部の基準セルに強磁場を加えて、吸収線位置を光パワーシフトゼロ点まで周波数シフトさせればよい。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ガスセル型原子発振器の利点としては、高い周波数安定度が得られると共に、小型で低消費電力であることが挙げられる。しかし、特開平７−５０５８０号公報に記載の光パワーシフトゼロ点に励起光周波数を安定化する方式では、光学系および電気系が複雑になり、装置の小型化が図れない。
また、ゼーマン現象を利用した方式では、飽和吸収線によって磁場に対する周波数シフト量が違うが、磁界の大きさをＨとすると、シフト量が大きいものでも≦１／Ｈ［ＭＨｚ／１００ μＴ］である。例えば、吸収線を５０［ＭＨｚ］周波数シフトさせようとすると、その時の磁界の大きさＨは、Ｈ≧５［ｍＴ］となる。この値は、日本における地磁気の強さがほぼ３０［μＴ］であることを考えると、その１７０倍となってしまい、基準セルだけでなく、共鳴セルもゼーマンシフトを生じる恐れがあるため、磁気シールドを今以上に施さなくてはならない。このことは、装置の大型化を招く。また、磁界を定量的に発生させるには、ソレノイドコイルに一定電流を流す方法が容易であるが、電流変動が直接原子発振器の周波数安定度に影響を及ぼすため、周波数の不安定要因になる。
この発明の目的は、周波数安定度が向上するとともに装置の小型化も図れるガスセル型原子発振器を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、従来は光パワーシフトゼロ点の光周波数位置と励起光周波数を一致させるために、励起光周波数をシフトさせていたが、本発明では光パワーシフトゼロ点の光周波数位置をシフトさせることとした。すなわち、本発明の請求項１のガスセル型原子発振器は、アルカリ金属原子と緩衝気体とを封入したガスセルに半導体レーザから出射される該アルカリ金属原子の励起光と共鳴マイクロ波を照射して、光・マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、
前記半導体レーザは前記アルカリ金属原子の光吸収線の内の所定の光吸収線の波長に安定化された励起光を出射し、かつ、前記緩衝気体は複数種類の不活性ガスより成り、前記ガスセルを使用する温度での該温度に対する前記共鳴周波数の微分係数及び前記波長安定化された励起光の光強度の変化に対する前記共鳴周波数の変化がゼロに近い値となるように、前記緩衝気体の分圧比と全圧力とがそれぞれ所定の値とされている。
また、本発明の請求項２のガスセル型原子発振器は、請求項１のガスセル型原子発振器において、前記アルカリ金属原子がセシウム原子であり、前記所定の光吸収線がセシウム原子の光吸収線の内のａ線の波長及びｋ線の波長のいずれかであり、かつ、前記緩衝気体がアルゴン及び窒素である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明のガスセル型原子発振器は前述のようにガスセル、特に該ガスセルに封入する緩衝気体について特徴があり、その他については図１及び図２を参照して説明したガスセル型原子発振器と同様であるので、主としてガスセルについて説明し、その他の説明は省略する。
本実施の形態では、従来使われているＲｂより共振器を小さくすることが可能であるＣｓを使用した。また、光源として、ＬＤを使用し、該ＬＤの出射光の波長はＣｓのＤ２線の飽和吸収線の１本であるａ線に安定化する。
Ｃｓと共にガスセル２１に封入するガスとしては、窒素（Ｎ２ ）とアルゴン（Ａｒ）を使用した。Ｎ２ は化学的に安定であると同時に、光励起されたＮ２ が緩和するときに非発光で緩和する確率が高いために、発光緩和によって再度Ｃｓを励起する確率が低く、安定したＣｓの光励起ができる。Ｎ２ と組み合わせるもう一つのガスとしては、温度シフト係数を小さくするために、Ｎ２ と反対の符号の温度係数を持つガスが必要であるが、多くの希ガスがこのような性質を持っている。その中で、Ｃｓと衝突したときに、その基底状態（６Ｓ１／２ ）の２つの超微細準位間の緩和に対して最も小さな非弾性散乱確率を持ち、原子発振器の本質的な精度を高めるために必須である長い寿命を達成できるのはＡｒであるため、本実施の形態では、Ｎ２ とＡｒを緩衝気体として使用した。
【００１８】
本実施の形態に用いるガスセルは、室温が２５℃のもとで作製した。この状態で、Ｎ２ に対するＡｒの分圧比をｋとし、Ｎ２ とＡｒの圧力を加えた全圧をＰとする。分圧比ｋと全圧Ｐについては後述する。このようなガスセルを他の温度で作製したり、評価したりすれば、分圧比ｋは一定であるが、全圧Ｐはボイル・シャルルの法則によって変化することは自明である。ここで、温度や圧力によるガスセル自体の体積の変化は、実質的に無視できる。試作したガスセル中に実際に入っているＮ２ とＡｒの量は、既知の内容積と温度の真空系内でガスセルを割って、マススペクトロメータで分析することができる。
【００１９】
上記のような条件でガスセルを作製し、励起する光の波長をＣｓの飽和吸収線の１本であるａ線の波長としたときに、光の強度の変動によってマイクロ波周波数が変化しないという条件と、そのとき、ある温度において、温度による共鳴マイクロ波周波数の変化がゼロになるという条件を、共に満足させることができる分圧比ｋと全圧Ｐを求めることが必要となる。このために、分圧比ｋ及び全圧Ｐが異なる複数のガスセルを試作した。それらを測定して、温度シフト係数がゼロになる温度において、ａ線で励起したときの光パワーシフト係数がそれぞれ、正および負のものを、それぞれ◯および●で表すこととして、ガスセルの全圧Ｐと圧力比ｋを２次元座標軸の横軸と縦軸にとったグラフに示すと、図８のようになる。このグラフ上で、◯および●の境界を実線で示してある。この実線上の全圧Ｐと圧力比ｋで、温度シフト係数と光パワーシフト係数が共にほぼゼロになる。これを式で表すと次のようになる。
ｋ＝０．５６５ Ｐ−１．６４ （ ４．０９ ｋＰａ＞Ｐ＞ ３．３６ ｋＰａ ：Ｐの単位は ｋＰａ ）…（１） 前記全圧Ｐの範囲は、ガスセルを使用する温度が３０℃〜７０℃の範囲において該ガスセルが有すべき全圧Ｐの範囲である。ガスセルを使用する温度が３０℃の場合は全圧Ｐが３．３６ ｋＰａあたり、７０℃の場合は４．０９ ｋＰａあたりを用いる。
本実施の形態に用いるガスセルの分圧比ｋと全圧Ｐは式（１） を満足するものとする。
本実施の形態では、励起する光の波長をＣｓのＤ２線のａ線の波長としたが、実験の結果、式（１） を満足する分圧比ｋと全圧Ｐを有するガスセルは、励起する光の波長をＣｓのＤ２線の飽和吸収線ｋ線の波長としたときにも、光の強度の変動によってマイクロ波周波数が変化しないという条件と、そのとき、温度による共鳴マイクロ波周波数の変化がゼロになるという条件を、共に満足することが確かめられた。ａ線もｋ線も、飽和吸収線の中では、他の吸収線から比較的離れた波長にあり、かつ、鋭い光吸収ピークを示す線であるために、ＬＤの波長を安定化しやすい。この様な飽和吸収線が利用できることも、式（１） を満足する条件で作製されたガスセルの実用性を高める。一方、ＣｓのＤ２線の他の飽和吸収線については、上記のような条件を満足する分圧比ｋと全圧Ｐは存在しないことも確認された。
【００２０】
ここで、分圧比ｋの許容範囲について検討する。
ガスセル型原子発振器の二重共鳴部を作製して、温度の安定化を図ると、実際に装置が使用されると想定される周囲温度が１０℃から５０℃で、ガスセルの温度を周囲温度より高い一定温度に０．０１℃程度の温度の安定化を図ることは比較的容易であるが、それ以上の温度安定化を図ることは、実用装置としては、大きさやコストを考慮すると困難である。一方、ＬＤの出射光の強度は、ＬＤに注入する電流と温度で制御することが可能であるが、その相対安定度は、１０−３程度までは容易に制御可能である。しかし、その光をガスセルに照射する段階で、実環境の振動や温度変化によって、実際にガスセルに到達する光の強度の相対安定度は１０−２程度になる。
一般に、ガスセル型原子発振器に要求されているアラン分散で定義される周波数の相対安定度は、１秒で１０−１１ 、１００秒で１０−１２ 程度以下である。従って、実際のガスセル型原子発振器において、上記のような温度変動や光強度の変動があった場合にも、ガスセル型原子発振器に要求される安定度を満足するためには、分圧比ｋと全圧Ｐは、図７の実線で示される値に完全に一致する必要はなく、温度が０．０１℃、相対光強度が１０−２変動しても１秒で１０−１１ 、１００秒で１０−１２ のマイクロ波周波数の相対安定度が保たれていれば十分である。このため、作製したガスセルの光パワーシフト係数と温度シフト係数が、現実に容易に達成される前記の範囲で変動しても、上記の安定度を示せば、実用的に問題のない原子発振器を実現することができる。このような条件を、ｋとＰの許容範囲として示すと、図８のようになり、式（１） において、ｋの値が２０％変動しても、十分、１秒で１０−１１ 、１００秒で１０−１２ のマイクロ波周波数の相対安定度が保たれることに対応している。
以上の実験では温度範囲を３０℃から７０℃までに限定している。その理由は、Ｃｓの周波数で使用するＴＥ０１１ あるいはＴＥ１１１ モードの二重共鳴共振器を想定するとき、その共振器とガスセルとの相対的な大きさから、３０℃以下ではガスセル内でのＣｓの飽和蒸気圧が小さいためにＣｓのａ線に安定化された励起光の吸収係数が小さくて十分な信号対雑音比がとれず、７０℃以上ではＣｓのａ線に安定化された励起光の吸収係数が大きすぎてセルの透過光に対する散乱光の強度が大きく十分な信号対雑音比がとれず、一方、セルを小型にするとＣｓとガスセル内壁との相互作用が大きくなり、やはり、十分な信号対雑音比がとれないためである。
この実験で使用した光の強度は、原子発振器として高い安定度を達成するために必須である大きな信号対雑音比を得るために、ガスセルへの入射光量に対する透過光量が約１／２から１／１０となるような条件で行った。
【００２１】
本実施の形態では、ＣｓのＤ２線の場合を示したが、Ｄ１線を使用した場合にも、いずれかの飽和吸収線を使うことによって、実用的なガスセル型原子発振器を実現するために十分な程度、温度シフト係数と光パワーシフト係数が小さなガスセルを、適当な分圧比ｋと全圧Ｐで実現できることは、容易に推定される。
また、本実施の形態はＣｓを使用した場合を示したが、Ｒｂでも実現可能である。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のガスセル型原子発振器は、ガスセルに例えばＣｓと共に封入する緩衝気体の分圧比及び全圧力を調整することにより、ガスセルの設定温度における温度係数をゼロにし、かつ、励起光周波数の基準となる飽和吸収線例えばＣｓのａ線若しくはｋ線と光パワーシフトゼロ点とを一致させている。このことは、周囲温度が変化し、ガスセルの設定温度が変動を受けた場合でも、周波数安定度は影響を受けず、また、波長安定化された励起光の光強度が変動した場合でも、周波数安定度は影響を受けないことから、周波数安定度を向上させることができる。
本発明のガスセル型原子発振器は、２種類の緩衝気体の分圧比及び全圧力を精密に調整するだけで、小型化の妨げとなる追加部材も無く、従来のものと構成がほとんど同じであるために、安価に周波数安定度の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガスセル型原子発振器の基本構成図である。
【図２】二重共鳴共振器の構成を示す断面模式図である。
【図３】Ｃｓのエネルギ状態の３準位原子系モデルを示す図であり、（ａ）は熱平衡状態、（ｂ）は反転分布状態、（ｃ）は誘導放出現象を示す図である。
【図４】光マイクロ二重共鳴現象による吸収特性を示す図である。
【図５】光源部の光学系および制御系のブロック図である。
【図６】基準セルの吸収特性を示す図であり、（ａ）は線形吸収スペクトル、（ｂ）は線形吸収成分を含んだ飽和吸収スペクトルを示す図である。
【図７】従来のガスセル型原子発振器に用いるガスセルの光パワーシフト特性を示す図である。
【図８】本発明のガスセル型原子発振器に用いるガスセルの緩衝気体の圧力比ｋと全圧力Ｐとの関係を示す図である。
【図９】本発明のガスセル型原子発振器に用いるガスセルの緩衝気体の圧力比ｋと全圧力Ｐの許容範囲を示す図である。
【符号の説明】
１ 光源部
２ 二重共鳴部
２ａ 温度制御回路
２ｂ 静磁場発生回路
２ｃ 二重共鳴共振器
３ 信号処理制御装置
４ 周波数合成・逓倍回路
５ 電圧制御水晶発振器
１１ ＬＤ（半導体レーザ，レーザ光源）
１２ レーザ制御器
１３ 加算器
１４ 制御手段
１５ 変調信号発生器
１６ 増幅器
１７ 光検出器
１８ 基準セル
１９ａ ビームスプリッタ
１９ｂ ビームスプリッタ
１９ｃ ミラー
１９ｄ ビームスプリッタ
２１ ガスセル
２２ 空洞共振器
２３ 光検出器
２４ マイクロ波アンテナ
２５ 磁気シールド槽
２６ ヒータ
２７ 静磁場コイル
２８ 光入力窓
２９ 温度センサ
Claims (2)
- アルカリ金属原子と緩衝気体とを封入したガスセル（２１）に半導体レーザ（１１）から出射される該アルカリ金属原子の励起光と共鳴マイクロ波を照射して、光・マイクロ波二重共鳴を起こさせ、その際に生じる共鳴周波数を周波数の基準に用いるガスセル型原子発振器において、
前記半導体レーザは前記アルカリ金属原子の光吸収線の内の所定の光吸収線の波長に安定化された励起光を出射し、かつ、前記緩衝気体は複数種類の不活性ガスより成り、前記ガスセルを使用する温度での該温度に対する前記共鳴周波数の微分係数及び前記波長安定化された励起光の光強度の変化に対する前記共鳴周波数の変化がゼロに近い値となるように、前記緩衝気体の分圧比と全圧力とがそれぞれ所定の値とされていることを特徴とするガスセル型原子発振器。 - 前記アルカリ金属原子がセシウム原子であり、前記所定の光吸収線がセシウム原子の光吸収線の内のａ線の波長及びｋ線の波長のいずれかであり、かつ、前記緩衝気体がアルゴン及び窒素である請求項１記載のガスセル型原子発振器。
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