JP5369803B2 - Quantum interference device and atomic oscillator - Google Patents
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Abstract
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。
The present invention relates to a quantum interference device and an atomic oscillator, and more particularly to a resonant light generation technique for efficiently generating a CPT phenomenon in a CPT atomic oscillator.
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。
FIG. 9 shows the energy levels of alkali metal atoms. The atomic oscillator according to the CPT method resonates with two resonance lights 1 having slightly different wavelengths when excited from the ground level 1 (23) or the ground level 2 (24) of the alkali metal atom to the excited level (21). Absorption characteristics for
Called PT phenomenon). CPT uses this principle to absorb light in the gas cell when the wavelength of either or both of the resonant light 1 and the
This is a method of detecting and using a state where the computer stops. When this CPT phenomenon occurs, an
Therefore, in order to increase the frequency stability, the intensity distribution of the excitation light is made uniform. As one of the methods, in Patent Document 1, in order to give a DC parallel magnetic field (static magnetic field) to a gas cell, a static magnetic field coil is wound around the gas cell to supply a current, thereby stabilizing the magnetic field around the gas cell. Technology is disclosed.
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。
However, although the conventional technique disclosed in Patent Document 1 can stabilize the magnetic field around the gas cell and make the intensity distribution of the excitation light uniform, the half-value width of the EIT signal is still widened. The problem that the frequency stability after locking to a specified frequency is in a poor state has not been solved.
The present invention has been made in view of such problems, and when the output signal of the atomic oscillator is synchronized, a magnetic field having a predetermined intensity is applied to the gas cell to cause Zeeman splitting in the EIT signal, and a degenerated spectrum. It is an object of the present invention to provide an atomic oscillator that further improves the frequency stability by generating a spectrum that is narrower than the half-value width.
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。
SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[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。
[Application Example 1] At least a pair of pumped laser beams having different frequencies holding a frequency difference corresponding to an energy difference between two ground states composed of a gaseous alkali metal atom and an ultrafine structure of the alkali metal are generated. A quantum interference device comprising a light source and a photodetector, wherein the gaseous alkali metal atom and the excitation laser light pair interact to generate an electromagnetically induced transmission phenomenon, wherein an output signal of the quantum interference device is A synchronization detection unit that detects that the signal is synchronized; and a magnetic field control circuit that applies a magnetic field to the gaseous alkali metal atom, and the synchronization detection unit detects that the output signal of the quantum interference device is synchronized In some cases, the magnetic field control circuit is driven to apply a magnetic field to the gaseous alkali metal atoms to cause Zeeman splitting in the electromagnetically induced transmission phenomenon.
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。
In the CPT type quantum interference device, when the output signal of the quantum interference device is synchronized, an EIT signal is generated by an electromagnetically induced transmission phenomenon. However, since the spectrum of this EIT signal is degenerated, the level is large but the half-value width is widened. A wide half width means that the frequency stability obtained as an oscillator is poor. Therefore, in the present invention, the synchronization detection unit detects that the output signal of the quantum interference device is synchronized, and a magnetic field having a predetermined intensity is applied to the gas cell. When a magnetic field is applied to the gaseous alkali metal atoms in the gas cell, for example,
In the case of cesium, the spectrum of the EIT signal is split into seven ground levels. This phenomenon is called Zeeman splitting. Then, the level of the EIT spectrum at the center is lowered by Zeeman splitting (about 1/7), but the half-value width is narrowed (about 1/7), and the stability of the frequency is increased without impairing the ease of locking. be able to.
[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。
Application Example 2 The magnetic field control circuit is configured such that the intensity of the magnetic field is continuously increased gradually.
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。
When the synchronization detector detects that the output signal of the quantum interference device is synchronized and applies a magnetic field having a predetermined intensity to the gas cell, if the magnetic field is strengthened too rapidly, the locked state may be lost. Therefore, in the present invention, when the synchronization detector detects that the output signal of the quantum interference device is synchronized, the magnetic field strength is continuously increased. As a result, it is possible to avoid the risk of falling out of the locked state.
[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。
Application Example 3 The magnetic field control circuit is configured so that the intensity of the magnetic field gradually increases.
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。
When a magnetic field is generated from a magnetic field control circuit, the circuit configuration for continuously changing the strength of the magnetic field becomes complicated. Therefore, in the present invention, the strength of the magnetic field is gradually increased step by step. Thereby, since the circuit can be configured as a digital circuit, the circuit configuration can be simplified.
[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。
Application Example 4 An atomic oscillator includes the quantum interference device according to any one of Application Examples 1 to 3.
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。
Since the quantum interference device of the present invention is provided in an atomic oscillator, an atomic oscillator with further improved frequency stability can be provided.
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。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an atomic oscillator according to the first embodiment of the present invention. The atomic oscillator 100 includes an LD (light source) 1 composed of a semiconductor laser, a central wavelength setting unit 13 that applies a direct current to the LD 1 and sets the wavelength of the LD 1 to a predetermined value, and an alkali metal is sealed. The
A
The
It comprises a multiplier 5, a
, A phase circuit 15, a
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。
Next, the operation of the atomic oscillator 100 according to the present invention will be described. First, when the apparatus is turned on, the center wavelength setting unit 13 sets the center wavelength of the LD 1 so that the output of the
When the frequency is 96 GHz, an
When the signal is enlarged, a signal as shown in FIG. 5A is obtained (the unlocked state of A = the state where the center of phase modulation is shifted from the peak of the EIT signal 22). AMP4 output is 111Hz
Pulsates with a period. In the unlocked (asynchronous) state of A, since the output frequency of the
(Hz), the feedback control is performed so that the component (222 Hz) that is twice the frequency is minimized.
As shown in b), the frequency of the output signal of the
Feedback control is applied to the voltage controlled crystal oscillator 9 so that the voltage becomes 0 V, and the
Is accurately locked to half the resonant frequency.
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。
On the other hand, the
When the output voltage of the
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。
That is, the CPT type atomic oscillator 100 is synchronized with the output signal of the atomic oscillator 100.
The
For example, in the case of cesium, the spectrum of the
(Refer FIG.7 (b)). This phenomenon is called Zeeman splitting. The level of the
7), the stability of the frequency can be increased without impairing the ease of locking.
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。
FIG. 8 is a diagram for explaining a method of controlling the magnetic field applied to the gas cell by the magnetic field control circuit. FIG. 8A shows a configuration in which the magnetic field control circuit 19 gradually increases the intensity of the magnetic field continuously.
That is, the intensity of the magnetic field is controlled so as to increase linearly from A to B with time (t).
Further, FIG. 8B is configured such that the magnetic field control circuit 19 gradually increases the strength of the magnetic field step by step. That is, the intensity of the magnetic field is controlled so as to gradually increase from a to b with time (t). That is, when the
When detecting that the output signal of the atomic oscillator 100 is synchronized, the intensity of the magnetic field is continuously increased. As a result, it is possible to avoid the risk of falling out of the locked state. Further, when a magnetic field is generated from the magnetic field control circuit 19, the circuit configuration for continuously changing the strength of the magnetic field becomes complicated. Therefore, as another embodiment, the intensity of the magnetic field is gradually increased. Thereby, since the circuit can be configured as a digital circuit, the circuit configuration can be simplified.
1 LD、2 ガスセル、3 PD、4 AMP、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、11 PLL
、12 SW、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
1 LD, 2 gas cell, 3 PD, 4 AMP, 5 multiplier, 6 filter, 7 phase circuit, 8 low frequency oscillator, 9 voltage controlled crystal oscillator, 10 phase modulator, 11 PLL
, 12 SW, 13 center wavelength setting unit, 14 × 2, 15 phase circuit, 16 multiplier, 1
7 Filter, 18 Voltage detection circuit, 19 Magnetic field control circuit, 20 Synchronization detection unit, 21 Synchronization control unit, 100 Atomic oscillator
Claims (4)
前記気体状のアルカリ金属原子と前記励起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同期が外れない速度で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。 Comprising at least a gaseous alkali metal atom, a light source for generating an excitation light pair having different frequencies corresponding to an energy difference between two ground states of the alkali metal , and a photodetector,
A quantum interference device that generates an electromagnetically induced transmission phenomenon by interacting the gaseous alkali metal atom and the excitation light pair ,
A synchronization detection unit that detects that the output signal of the quantum interference device is synchronized; and a magnetic field control circuit that applies a magnetic field to the gaseous alkali metal atoms,
When the synchronization detection unit detects that the output signal of the quantum interference device is synchronized, the magnetic field control circuit is driven to apply a magnetic field to the gaseous alkali metal atoms at a speed that does not cause the synchronization to be lost. A quantum interference device characterized by causing Zeeman splitting in the electromagnetically induced transmission phenomenon.
特徴とする請求項1に記載の量子干渉装置。 The quantum interference device according to claim 1, wherein the magnetic field control circuit is configured such that the intensity of the magnetic field continuously increases gradually.
特徴とする請求項1に記載の量子干渉装置。 The quantum interference device according to claim 1, wherein the magnetic field control circuit is configured such that the intensity of the magnetic field gradually increases.
器。 An atomic oscillator comprising the quantum interference device according to any one of claims 1 to 3.
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