JP6256876B2 - Accelerometer and active vibration isolator using the same - Google Patents

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Description

原子の遷移周波数に発光素子からの光の周波数を安定化することで極めて正確な原子時計が実現されている。この際、その光のスペクトル線幅を極めて狭くしたクロックレーザー光を出力する光源が用いられるが、これは、外部光共振器を用いて構成される場合がある。その外部共振器は設置された環境から振動の影響を受ける事が知られている。本発明は、その振動の影響をその振動加速度の負帰還制御で抑制するための、共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による、加速度センサーとそれを用いた能動除振装置に関するものである。   An extremely accurate atomic clock is realized by stabilizing the frequency of light from the light emitting element to the transition frequency of atoms. At this time, a light source that outputs a clock laser beam whose spectral line width is extremely narrow is used, but this may be configured using an external optical resonator. The external resonator is known to be affected by vibration from the installed environment. The present invention relates to an acceleration sensor using a plurality of optical resonators provided in a common spacer, and an active vibration isolator using the same, in order to suppress the influence of the vibration by negative feedback control of the vibration acceleration. .

狭いスペクトル線幅のレーザー光源としては、次の方式のものが知られている。
(1)図8(a)に示す様に、ピエゾ素子で光共振器の長さを調整できるレーザー発振器からのレーザー光を、それと同様にピエゾ素子で長さを調整できるファブリペロー光干渉計に通し、ファブリペロー光干渉計で波長走査しその走査に同期して光検出を行い、検出した光強度で、PID(Proportional Integral Derivative、比例積微分)制御で光共振器のピエゾ素子を制御することで、ファブリペロー光干渉計の透過スペクトルの頂点にロックするレーザー光源。
(2)図8(b)に示す様に、ピエゾ素子で光共振器の長さを調整できるレーザー発振器からのレーザー光を、参照用のファブリペロー光干渉計に通し、ファブリペロー光干渉計による吸収信号で、上記光共振器の長さを調整することで、参照するファブリペロー光干渉計の透過スペクトルのスロープにロックするレーザー光源。
(3)図8(c)に示す様に、電圧で発振波長を制御可能なレーザー発振器からの光を位相変調して、参照するファブリペロー光干渉計に入力し、その反射光を上記位相変調信号で同期検波して得た信号を帰還して上記レーザー発振器の発振波長を制御することで、その発振波長を、参照するファブリペロー光干渉計の透過スペクトルにロックすることができる。これは、PDH法(Pound-Drever-Hall method)として、知られている。
(4)また、充分に出力光波長が安定なレーザー光源があり波長の安定なレーザー光を用いることが可能な場合は、そのレーザー光をVCO(電圧制御発振器)の出力でシフトする波長シフターに入力することで、波長上記のいずれのレーザー発振器でもその代わりとすることができる。
As a laser light source having a narrow spectral line width, the following method is known.
(1) As shown in FIG. 8A, a laser beam from a laser oscillator whose length can be adjusted by a piezo element is converted into a Fabry-Perot optical interferometer whose length can be adjusted by a piezo element. Through wavelength scanning with a Fabry-Perot optical interferometer, light detection is performed in synchronization with the scanning, and the piezoelectric element of the optical resonator is controlled by PID (Proportional Integral Derivative) control with the detected light intensity. A laser source that locks to the top of the transmission spectrum of a Fabry-Perot interferometer.
(2) As shown in FIG. 8B, laser light from a laser oscillator whose length can be adjusted by a piezo element is passed through a reference Fabry-Perot optical interferometer. A laser light source that locks on the slope of the transmission spectrum of the Fabry-Perot optical interferometer to be referred to by adjusting the length of the optical resonator with an absorption signal.
(3) As shown in FIG. 8C, the light from a laser oscillator whose oscillation wavelength can be controlled by voltage is phase-modulated and input to a reference Fabry-Perot interferometer, and the reflected light is phase-modulated. By feeding back the signal obtained by synchronous detection with the signal and controlling the oscillation wavelength of the laser oscillator, the oscillation wavelength can be locked to the transmission spectrum of the Fabry-Perot optical interferometer to be referenced. This is known as the PDH method (Pound-Drever-Hall method).
(4) If there is a laser light source with a sufficiently stable output light wavelength and a laser light with a stable wavelength can be used, the laser light is shifted to a wavelength shifter that shifts with the output of a VCO (voltage controlled oscillator). By inputting, any laser oscillator with the above wavelength can be used instead.

非特許文献2には、図9に示す、Sr用クロックレーザー安定化システム全体図が記載されている。非特許文献1の図3におけるクロックレーザーでは、まずダイオードレーザーを用いた上記PDH法による予備安定化共振器(prestabilization共振器)部分で、比較的波長の安定なレーザー光を生成する。このレーザー光の波長を波長シフター(その図3ではAOM)で波長を僅かに変えて、ULE共振器に入力する。このULE共振器は、ULEスペーサーのファブリペロー共振器で、上記の様に、共振波長が非常に安定な特性を示す。また、このULE共振器は、フィネスFが非常に高く、透過スペクトルの幅は非常に狭い。上記波長シフターは、上記ULE共振器の透過スペクトルに一致するように、波長シフターを用いて予備安定化共振器で安定化したレーザー光を調整する。この調整は、PDH法によるもので、帰還信号として、レーザー光と上記安定化したレーザー光とのずれに応じた電圧または電流が帰還信号となる。例えば電圧に応じて発振周波数の変化するVCO(電圧制御発振器)で、この帰還信号を周波数の変化に変換し、上記波長シフターに印加する。この帰還ループによって、上記ULE共振器の透過スペクトルにロックされたクロックレーザー光を得ることができる。   Non-Patent Document 2 describes an overall view of the Sr clock laser stabilization system shown in FIG. In the clock laser shown in FIG. 3 of Non-Patent Document 1, first, a laser beam having a relatively stable wavelength is generated in the pre-stabilization resonator portion by the PDH method using a diode laser. The wavelength of the laser light is slightly changed by a wavelength shifter (AOM in FIG. 3) and input to the ULE resonator. This ULE resonator is a Fabry-Perot resonator of a ULE spacer, and exhibits a characteristic that the resonance wavelength is very stable as described above. In addition, this ULE resonator has a very high finesse F and a very narrow transmission spectrum. The wavelength shifter adjusts the laser light stabilized by the pre-stabilization resonator using the wavelength shifter so as to match the transmission spectrum of the ULE resonator. This adjustment is based on the PDH method. As a feedback signal, a voltage or current corresponding to a deviation between the laser beam and the stabilized laser beam becomes the feedback signal. For example, this feedback signal is converted into a change in frequency by a VCO (voltage controlled oscillator) whose oscillation frequency changes according to the voltage, and is applied to the wavelength shifter. By this feedback loop, it is possible to obtain clock laser light locked to the transmission spectrum of the ULE resonator.

光共振器はその安定な共振器長をレファレンス(基準)として周波数変動のない局部光発振器を作成するためのキーとなる部品である。   The optical resonator is a key component for creating a local optical oscillator having no frequency fluctuation with the stable resonator length as a reference (reference).

ファブリペロー光干渉計のスペーサーの材料としては、ULE(Ultra-Low-Expansion、Corning社)ガラスが望ましいことが知られている。これは、非特許文献1の記載にあるように、ULEガラスの熱膨張係数は約10-8/K、クリープは0.2〜0.5×10-15/s、とそれぞれ小さいことからである。1つのULEガラス部材には、従来1つの光共振器が設けられている。 It is known that ULE (Ultra-Low-Expansion, Corning) glass is desirable as a spacer material for a Fabry-Perot optical interferometer. This is because, as described in Non-Patent Document 1, the thermal expansion coefficient of ULE glass is about 10 −8 / K, and the creep is as small as 0.2 to 0.5 × 10 −15 / s. is there. One ULE glass member is conventionally provided with one optical resonator.

ULEガラスは上記の様に比較的熱膨張係数やクリープ値が小さい。しかし、一般に、原子時計に求められる安定度を実現するためには、ミリケルビン単位の温度管理が求められる。   As described above, ULE glass has a relatively small thermal expansion coefficient and creep value. However, in general, in order to achieve the stability required for an atomic clock, temperature management in units of millikelvin is required.

一般に、共振器長は共振器を支持する点から伝わる地面振動や真空ポンプ等からの振動によって変化するため、除振性能は極めて重要である。通常、上記のクロックレーザーは、大型の除振台上に設置され、全体としては大規模な装置となり、現状では可搬性に問題がある。そこで、可搬性の改善を目的に、除振台自体を省略するか、少なくとも簡易型の除振台で済ませることができるようにすることが望まれている。   In general, since the resonator length changes due to ground vibration transmitted from a point supporting the resonator, vibration from a vacuum pump, or the like, vibration isolation performance is extremely important. Usually, the above-mentioned clock laser is installed on a large vibration isolation table and becomes a large-scale device as a whole, and there is a problem in portability at present. Therefore, for the purpose of improving portability, it is desired to eliminate the vibration isolation table itself or at least to use a simple vibration isolation table.

より具体的には、例えば、地面振動の影響を抑制するためには除振台を利用するが、一般に除振台は共振周波数を持ち、除振性能が発揮されるのは、この共振周波数より高周波側である。例えば、光周波数標準の用途に使用されるフットプリントサイズが1m×1m程の市販の除振台では、最も低い共振周波数でも0.5Hzとなっている。地面振動は、例えば、海岸に打ち寄せる波の影響を受けて、周期が数秒以上の周波数領域に振幅のピークを持ち、その振幅は極めて小さいものであるが、共振器の支持点に到達する上記地面振動の影響を抑えるのは現在極めて困難である。このため、通常、その支持点が振動しても共振器長が変化しないような共振器の形状を工夫して、その影響を低減することが行われている。   More specifically, for example, a vibration isolation table is used to suppress the influence of ground vibration. Generally, the vibration isolation table has a resonance frequency, and the vibration isolation performance is exhibited from this resonance frequency. On the high frequency side. For example, in a commercially available vibration isolation table having a footprint size of about 1 m × 1 m used for optical frequency standard applications, the lowest resonance frequency is 0.5 Hz. For example, the ground vibration is affected by a wave hitting the coast and has a peak of amplitude in a frequency region with a period of several seconds or more, and the amplitude is extremely small, but the ground reaching the support point of the resonator is described above. It is very difficult to suppress the influence of vibration. For this reason, usually, the shape of the resonator is devised so that the resonator length does not change even if the supporting point vibrates, and the influence is reduced.

除振装置は、受動型除振装置と能動型除振装置とに分類することができる。概して、前者には大質量の台(またはステージ)が用いられ、後者は小質量の台が用いられる。この分類において、本発明は、能動型除振装置に属する。   The vibration isolator can be classified into a passive vibration isolator and an active vibration isolator. In general, the former uses a large mass platform (or stage), and the latter uses a small mass platform. In this classification, the present invention belongs to an active vibration isolator.

一般に、能動型除振装置でも、テーブルトップのサイズの場合、共振器に到達する0.1Hz域の振動に感度を持つ加速度センサーの作成は困難である。このように、低周波数域で感度をもつ加速度計の作成が困難である理由は、非常にゆっくりした振動を振動として峻別する際に必要な、謂わば「動かないレファレンス」が無いことによる。   In general, even with an active vibration isolator, in the case of a table top size, it is difficult to create an acceleration sensor that is sensitive to vibration in the 0.1 Hz region that reaches the resonator. As described above, the reason why it is difficult to create an accelerometer having sensitivity in a low frequency range is that there is no so-called “non-moving reference” necessary for distinguishing very slow vibration as vibration.

光共振器を用いた従来の加速度センサーとしては、例えば、特許文献1(米国特許出願公開第2013/0327146号明細書)の開示がある。この開示では、光共振器の一方の反射鏡をバネ仕掛けで可動にし、共振器に加速度が印加されると上記光共振器の共振周波数が変化することを用い、その共振周波数の変化を計測することで、その共振器に印加された加速度を検出するものである。しかし、本発明は、これとは異なる構造のものを用いる。   As a conventional acceleration sensor using an optical resonator, for example, Patent Document 1 (US Patent Application Publication No. 2013/0327146) is disclosed. In this disclosure, one reflector of an optical resonator is moved by a spring, and the change in the resonance frequency of the optical resonator is measured when acceleration is applied to the resonator, and the change in the resonance frequency is measured. Thus, the acceleration applied to the resonator is detected. However, the present invention uses a structure different from this.

また、光共振器自体を振動に対して鈍感にする工夫もなされており、非特許文献3には、光共振器スペーサーの中心に空洞があり両端に高反射率の平面鏡と球面鏡が1枚ずつついた光共振器をマウントで横向きに支持した振動不感型光共振器が記載されている。この振動不感型光共振器は、マウントの支持位置を最適化することで振動不感型にするものである。また、非特許文献4には、光共振器を縦にマウントした光共振器を用いて、ダイオードレーザーからの出力光の波長を安定化した例が記載されている。   In addition, the optical resonator itself has been devised to be insensitive to vibration. In Non-Patent Document 3, there is a hollow mirror at the center of the optical resonator spacer, and one high-reflectance plane mirror and one spherical mirror at both ends. A vibration insensitive optical resonator is described in which the connected optical resonator is supported laterally by a mount. This vibration insensitive optical resonator is made into a vibration insensitive type by optimizing the mounting position of the mount. Non-Patent Document 4 describes an example in which the wavelength of output light from a diode laser is stabilized using an optical resonator in which an optical resonator is vertically mounted.

また、クロックレーザー光の発生器例としては、非特許文献2の図3に、Sr用クロックレーザー安定化システム全体図が記載されている。非特許文献1の図3におけるクロックレーザーでは、まずダイオードレーザーを用いた上記PDH法による予備安定化共振器(prestabilization共振器)部分で、比較的波長の安定なレーザー光を生成する。このレーザー光の波長を波長シフター(その図3ではAOM)で波長を僅かに変えて、ULE共振器に入力する。このULE共振器は、ULEスペーサーのファブリペロー共振器で、上記の様に、共振波長が非常に安定な特性を示す。また、このULE共振器は、フィネスFが非常に高く、透過スペクトルの幅は非常に狭い。上記波長シフターは、上記ULE共振器の透過スペクトルに一致するように、波長シフターを用いて予備安定化共振器で安定化したレーザー光を調整する。この調整は、PDH法によるもので、帰還信号として、レーザー光と上記安定化したレーザー光とのずれに応じた電圧または電流が帰還信号となる。例えば電圧に応じて発振周波数の変化するVCO(電圧制御発振器)で、この帰還信号を周波数の変化に変換し、上記波長シフターに印加する。この帰還ループによって、上記ULE共振器の透過スペクトルにロックされたクロックレーザー光を得ることができる。   As an example of a clock laser light generator, FIG. 3 of Non-Patent Document 2 shows an overall view of an Sr clock laser stabilization system. In the clock laser shown in FIG. 3 of Non-Patent Document 1, first, a laser beam having a relatively stable wavelength is generated in the pre-stabilization resonator portion by the PDH method using a diode laser. The wavelength of the laser light is slightly changed by a wavelength shifter (AOM in FIG. 3) and input to the ULE resonator. This ULE resonator is a Fabry-Perot resonator of a ULE spacer, and exhibits a characteristic that the resonance wavelength is very stable as described above. In addition, this ULE resonator has a very high finesse F and a very narrow transmission spectrum. The wavelength shifter adjusts the laser light stabilized by the pre-stabilization resonator using the wavelength shifter so as to match the transmission spectrum of the ULE resonator. This adjustment is based on the PDH method. As a feedback signal, a voltage or current corresponding to a deviation between the laser beam and the stabilized laser beam becomes the feedback signal. For example, this feedback signal is converted into a change in frequency by a VCO (voltage controlled oscillator) whose oscillation frequency changes according to the voltage, and is applied to the wavelength shifter. By this feedback loop, it is possible to obtain clock laser light locked to the transmission spectrum of the ULE resonator.

米国特許出願公開第2013/0327146号明細書US Patent Application Publication No. 2013/0327146 米国特許出願公開第2008/0271533号明細書US Patent Application Publication No. 2008/0271533

「光格子時計のための線幅1Hz級レーザの開発」、産総研計量標準報告 Vol. 7, No. 1 2008年3月 11-24頁"Development of a 1Hz linewidth laser for optical lattice clocks", AIST Metrology Standard Report Vol. 7, No. 1 March 2008, pages 11-24 「3−3 ストロンチウム光格子時計」、情報通信研究機構季報 135-144 Vol.56 Nos.3/4 2010"3-3 Strontium Optical Lattice Clock", National Institute of Information and Communications Technology Quarterly 135-144 Vol.56 Nos.3 / 4 2010 S. A. Webster, M. Oxnorrow, and P. Gill, Phys. Rev. A 75, 011701(R) (2007)S. A. Webster, M. Oxnorrow, and P. Gill, Phys. Rev. A 75, 011701 (R) (2007) A. D. Ludlow, X. Huang, M. Notcutt, M. Zanon-Willette, S. M. Foreman, M. M. Boyd, and J. Ye, Opt. Lett. 32, 641 (2007)A. D. Ludlow, X. Huang, M. Notcutt, M. Zanon-Willette, S. M. Foreman, M. M. Boyd, and J. Ye, Opt. Lett. 32, 641 (2007)

外部光共振器を用いて構成したクロックレーザー光を出力する光源について、設置された環境から振動の影響を受ける事が知られている。本発明は、その振動の影響を抑制するために、共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを実現し、さらに、その加速度センサーを用いて、上記の影響を振動加速度の負帰還制御で抑制する能動除振装置を実現するものである。   It is known that a light source that outputs a clock laser beam constituted by using an external optical resonator is affected by vibration from an installed environment. The present invention realizes an acceleration sensor using a plurality of optical resonators provided in a common spacer in order to suppress the influence of the vibration, and further, using the acceleration sensor, the influence is negatively fed back to the vibration acceleration. An active vibration isolator that is suppressed by control is realized.

本発明の加速度センサーでは、光共振器のスペーサーの中心に設けられたメインの共振光学パス以外に、そのスペーサーの偏心位置に複数の光学パスを配置し、これらの共振器の共振周波数の相対値の変動は共振器に到達した振動を反映するものである、という特性を利用する。この場合、上述の「動かないレファレンス」は光共振器そのものであり、また、上記相対値の変動は差動検出で得られるため、温度変化による共振器長変動などのコモン成分は相殺される。さらには、共振器スペーサーの材料として例えばシリコン単結晶等の結晶性材料を利用すれば、ガラスの場合と異なり、共振器長のエージングドリフトが少なく、その超低周波数領域での周波数成分が低減され、振動感度を一段と低域まで持たせることができる。さらに負帰還として、この共振器を可動ピエゾステージ等に設置し、上記相対値の変動として検出される振動が抑制されるように上記ピエゾステージを駆動する。これによってアクティブ除振が可能となる。この場合、加速度センサーは共振器そのものであるため、一般に生じやすいセンサーから光共振器長への伝達関数における位相遅れ等も気にする必要がなくなる。   In the acceleration sensor of the present invention, in addition to the main resonant optical path provided at the center of the spacer of the optical resonator, a plurality of optical paths are arranged at the eccentric position of the spacer, and the relative values of the resonant frequencies of these resonators The characteristic is that the fluctuation of the reflection reflects the vibration that has reached the resonator. In this case, the above-mentioned “non-moving reference” is the optical resonator itself, and the fluctuation of the relative value is obtained by differential detection. Therefore, common components such as the fluctuation of the resonator length due to the temperature change are canceled out. Furthermore, if a crystalline material such as a silicon single crystal is used as a material for the resonator spacer, unlike the case of glass, there is little aging drift of the resonator length, and the frequency component in the ultra-low frequency region is reduced. , Vibration sensitivity can be further increased to a low frequency range. Further, as a negative feedback, this resonator is installed on a movable piezo stage or the like, and the piezo stage is driven so that vibration detected as a change in the relative value is suppressed. This enables active vibration isolation. In this case, since the acceleration sensor is the resonator itself, there is no need to worry about a phase delay or the like in the transfer function from the sensor that tends to occur generally to the optical resonator length.

このため、本発明は、共振器に到達した振動を検出することができる加速度センサーで共通のスペーサーに設けた複数の光共振器であり、特に、
ファブリペロー型光共振器の共振周波数の変化をレーザー光を用いて測定し加速度を検出する加速度センサーであって、
複数の光共振器を備える複合光共振器と、
上記複数の光共振器のそれぞれの共振周波数の少なくとも2つの比較から上記複合光共振器に印加された加速度を導出する加速度導出手段と、を備え、
上記複合共振器は、中心線に対する回転対称性を有するスペーサー材を共通のスペーサーとする3つ以上の光共振器用にそれぞれの空洞を備える複合光共振器であり、
上記空洞のそれぞれは互いに並行し、
上記空洞の1つは上記中心線を含む位置に設けられ、他の空洞は上記中心線を含まない位置で該中心線についての対称位置に設けられたものである。
For this reason, the present invention is a plurality of optical resonators provided in a common spacer in an acceleration sensor that can detect vibrations reaching the resonator,
An acceleration sensor that detects the acceleration by measuring a change in the resonance frequency of a Fabry-Perot optical resonator using a laser beam,
A composite optical resonator comprising a plurality of optical resonators;
Acceleration deriving means for deriving acceleration applied to the composite optical resonator from at least two comparisons of the resonance frequencies of the plurality of optical resonators,
The composite resonator is a composite optical resonator including cavities for three or more optical resonators using a spacer having a rotational symmetry with respect to a center line as a common spacer,
Each of the cavities is parallel to each other,
One of the cavities is provided at a position including the center line, and the other cavity is provided at a position not including the center line and a symmetric position with respect to the center line.

上記複合光共振器は、重力方向に光路が設けられ、
上記共通のスペーサーの外周に設けられた支持部における支持点で支持され、
上記支持点の各々は、上記中心線を含まない位置に設けられたいずれか2つの上記空洞からの等距離面上の上記中心線から等距離の位置に設けたものである。
The composite optical resonator is provided with an optical path in the direction of gravity,
Supported at a support point in the support provided on the outer periphery of the common spacer,
Each of the support points is provided at a position equidistant from the center line on an equidistant surface from any two of the cavities provided at a position not including the center line.

上記スペーサー材に単結晶を用いることで、共振周波数における経年変化が抑制された光共振器を構成することができる。   By using a single crystal for the spacer material, an optical resonator in which secular change in resonance frequency is suppressed can be configured.

また、上記中心線を含まない位置に設けられた上記光共振器の数と上記支持点の数は各々3であり、
上記光共振器を順にA、B、Cとし、該A、B、Cの上記中心線に対するそれぞれの反対側にある支持点を支持点A、B、Cとし、支持点A、B、Cを含む平面上の直交座標をxy座標とするとき、
上記加速度導出手段は、y方向加速度をBとCの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からのそれぞれの共振周波数偏移の差から導出し、x方向加速度をAの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移から導出するものである。
The number of the optical resonators and the number of the support points provided at positions not including the center line are 3 respectively.
The optical resonators are sequentially designated as A, B, and C, and the support points on the opposite sides of the center lines of A, B, and C are the support points A, B, and C, and the support points A, B, and C are When the Cartesian coordinates on the plane including the xy coordinates,
The acceleration deriving means derives an acceleration in the y direction from a difference between respective resonance frequency shifts from the optical resonator provided at a position including the center lines of B and C, and an x direction acceleration as the center of the A. This is derived from the resonance frequency shift from the optical resonator provided at the position including the line.

また、上記xy座標について、
x方向の加速度を、BとCの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移の平均からAの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移を引くことで、得るものである。
In addition, regarding the xy coordinates,
The acceleration in the x direction is determined from the average of the resonance frequency shift from the optical resonator provided at the position including the center line of B and C from the optical resonator provided at the position including the center line of A. This is obtained by subtracting the resonance frequency shift.

上記A、BおよびCの各々の共振周波数偏移は、上記光共振器A、B、Cに入射される、上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器にロックされたレーザー光の周波数からのA、BおよびCのそれぞれの共振周波数の偏移である。   Resonance frequency shifts of A, B, and C are incident on the optical resonators A, B, and C, respectively, and the laser beams locked to the optical resonators provided at positions including the center line. The deviation of the respective resonant frequency of A, B and C from the frequency.

また、本発明は、共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを用いた能動除振装置であって、
上記複合光共振器を搭載する被駆動台と、
面上を動く様に上記被駆動台を駆動する駆動系と、
上記加速度導出手段の出力を上記駆動系に印加して負帰還する負帰還回路と、を備え、
上記負帰還によって上記加速度検出手段の出力を抑制するものである。
Further, the present invention is an active vibration isolation device using an acceleration sensor by a plurality of optical resonators provided in a common spacer,
A driven table on which the composite optical resonator is mounted;
A drive system for driving the driven table so as to move on the surface;
A negative feedback circuit that applies negative feedback by applying the output of the acceleration deriving means to the drive system,
The negative feedback suppresses the output of the acceleration detecting means.

本発明によって、光共振器に於いて従来1Hz以下の地面振動の影響を除振することが困難であった問題が解消する。現在1秒の安定度で10の16乗台の光共振器が実現し、さらなる改善のためには除振性能の一段の向上が求められている。また、従来は低域にある共振器材料のエージングの効果と振動による共振器長の変化を峻別することが困難であったが、単結晶材料を共振器として利用することでエージングの効果が低減されたため、本発明はこの点を解決する。また、重量のある除振台の利用が困難な可搬型や衛星搭載の局部光周波数発振器においても本発明を利用することによって除振性能を与えることが出来る。そのほか、極低温下で動作させる究極の光共振器においては、冷凍機の振動に対する処方箋が求められている。本発明は冷凍機の振動に対する除振としても有効である。   The present invention solves the problem that it has been difficult to eliminate the influence of ground vibration of 1 Hz or less in an optical resonator. At present, an optical resonator of the 10 16th level is realized with a stability of 1 second, and further improvement of the vibration isolation performance is required for further improvement. Conventionally, it has been difficult to distinguish the aging effect of resonator materials in the low range from the change in resonator length due to vibration, but the aging effect is reduced by using a single crystal material as a resonator. Therefore, the present invention solves this point. Further, even in a portable or satellite-mounted local optical frequency oscillator in which it is difficult to use a heavy vibration isolation table, vibration isolation performance can be provided by using the present invention. In addition, in the ultimate optical resonator operated at extremely low temperatures, a prescription for the vibration of the refrigerator is required. The present invention is also effective as vibration isolation for the refrigerator vibration.

本発明の構成例の1部分となる、光共振器105の共振波長にレーザー光源101の発振波長をロックすることで波長安定化した安定化光源100の例を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing an example of a stabilized light source 100 that is part of the configuration example of the present invention and that has stabilized the wavelength by locking the oscillation wavelength of the laser light source 101 to the resonance wavelength of the optical resonator 105. 安定化光源100のレーザー光源101の代わりに、レーザー光201が入力される場合に光共振器205の共振波長にロックすることで波長安定化した安定化光源200のブロック図である。FIG. 3 is a block diagram of a stabilized light source 200 that is wavelength-stabilized by locking to the resonance wavelength of an optical resonator 205 when laser light 201 is input instead of the laser light source 101 of the stabilized light source 100. 本発明の共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを構成する光共振器を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the optical resonator which comprises the acceleration sensor by the some optical resonator provided in the common spacer of this invention. 共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the acceleration sensor by the some optical resonator provided in the common spacer. 加速度センサーの構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of an acceleration sensor. 共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを用いた能動除振装置で、除振台を駆動する方式の構成例を示し、(a)正面図、(b)平面図であり、(c)は、駆動電圧発生器である。The active vibration isolator using the acceleration sensor by the several optical resonator provided in the common spacer shows the structural example of the system which drives a vibration isolator, (a) Front view, (b) Plan view, (C) is a drive voltage generator. 共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを用いた能動除振装置で、複合光共振器の筐体を駆動する方式の構成例を示し、(a)正面図、(b)平面図であり、(c)は、駆動電圧発生器である。The active vibration isolator using the acceleration sensor by the several optical resonator provided in the common spacer shows the structural example of the system which drives the housing | casing of a composite optical resonator, (a) Front view, (b) Plane It is a figure and (c) is a drive voltage generator. 従来方式の狭いスペクトル線幅のレーザー光源例を示す図である。(a)は、ピエゾ素子で光共振器の長さを調整するもの、(b)は、参照するファブリペロー光干渉計の透過スペクトルのスロープにロックするもの、(c)は、PDH法(Pound-Drever-Hall method)として、知られているものである。It is a figure which shows the example of a laser light source of the narrow spectrum line width of a conventional system. (A) adjusts the length of the optical resonator with a piezo element, (b) locks to the slope of the transmission spectrum of the Fabry-Perot optical interferometer to be referenced, (c) shows the PDH method (Pound -Drever-Hall method). 従来の、Sr用クロックレーザー安定化システム全体図を示す図である。It is a figure which shows the conventional Sr clock laser stabilization system whole figure.

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。   Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following description, devices having the same function or similar functions are denoted by the same reference numerals unless there is a special reason.

図1に、本発明の構成例の1部分となる、光共振器105の共振波長にレーザー光源101の発振波長をロックすることで波長安定化した安定化光源100の例を示す。これは、上記PDH法に沿ったものである。この例では、レーザー光源101には半導体レーザーを用いており、印加する電流を変えることで発振波長を僅かに調整することができる。出力されるレーザー光は、ビームスプリッタ107で分岐されたものである。アイソレータ102は、レーザー光源101の発振動作の戻り光による擾乱を防止するものである。光変調器103において発振器110からの信号で位相変調された光は、その光量が半波長板111と偏光ビームスプリッタ104で調整され、光共振器105に入射する。光共振器からの出力光はアイソレーション用の4分の1波長板106を透過した後偏光ビームスプリッタ104で反射され、光検出器108に入射する。帰還光は光検出器108で電気信号に変換され、同期検波器209において発振器110からの信号で同期検波される。同期検波の出力は、PID112で平滑され、上記半導体レーザーに帰還する。この帰還ループによって、レーザー光源の出力波長を光共振器の共振スペクトルにロックすることができる。上記の様に帰還制御されない状態のレーザー光源101の出力光の半値全幅は、光共振器105の共振(共鳴)スペクトルの半値全幅よりも大きい。しかし、一般に、上記の帰還制御でロックされた状態のレーザー光源101の出力光の半値全幅は、光共振器105の共振(共鳴)スペクトルの半値全幅よりも小さい。   FIG. 1 shows an example of a stabilized light source 100 that is part of the configuration example of the present invention and that is wavelength stabilized by locking the oscillation wavelength of the laser light source 101 to the resonance wavelength of the optical resonator 105. This is in line with the PDH method. In this example, a semiconductor laser is used as the laser light source 101, and the oscillation wavelength can be slightly adjusted by changing the applied current. The output laser light is branched by the beam splitter 107. The isolator 102 prevents disturbance due to the return light of the oscillation operation of the laser light source 101. The light whose phase is modulated by the signal from the oscillator 110 in the optical modulator 103 is adjusted by the half-wave plate 111 and the polarization beam splitter 104 and enters the optical resonator 105. The output light from the optical resonator passes through the isolation quarter-wave plate 106, is reflected by the polarization beam splitter 104, and enters the photodetector 108. The feedback light is converted into an electric signal by the photodetector 108, and is synchronously detected by the signal from the oscillator 110 in the synchronous detector 209. The output of the synchronous detection is smoothed by the PID 112 and returned to the semiconductor laser. With this feedback loop, the output wavelength of the laser light source can be locked to the resonance spectrum of the optical resonator. The full width at half maximum of the output light of the laser light source 101 in the state where feedback control is not performed as described above is larger than the full width at half maximum of the resonance (resonance) spectrum of the optical resonator 105. However, in general, the full width at half maximum of the output light of the laser light source 101 locked by the feedback control is smaller than the full width at half maximum of the resonance (resonance) spectrum of the optical resonator 105.

当然のことながら、上記のロック動作によって、上記プローブ光生成手段である安定化光源100の上記帰還信号によるレーザー光の波長調整可能速度は、抑制しようとする上記ファブリペロー型光共振器の共振波長のドリフト速度よりも大きいことが必要である。つまり、抑制できる上記ドリフトの周波数帯域は、上記帰還信号による帰還制御の周波数帯域に限られる。   As a matter of course, the above-described locking operation enables the wavelength adjustment speed of the laser light by the feedback signal of the stabilized light source 100 as the probe light generation means to be suppressed. The resonance wavelength of the Fabry-Perot optical resonator to be suppressed Must be greater than the drift velocity of In other words, the frequency band of the drift that can be suppressed is limited to the frequency band of feedback control by the feedback signal.

ここで、光共振器としては、上記の様にULEスペーサーを用いミリケルビン範囲で温度管理したもので、外界の振動を遮断した状態で使用することで安定化したものや、所定の原子やイオンの吸収スペクトルを用いたものでもよい。   Here, as the optical resonator, the temperature is controlled in the millikelvin range using the ULE spacer as described above, and the optical resonator is stabilized by using in a state where the external vibration is cut off, or a predetermined atom or ion. The absorption spectrum may be used.

本発明の構成例の1部分となり、上記とは別の部分の例を図2に示す。図2は、安定化光源100のレーザー光源101の代わりに、レーザー光201が入力される場合に光共振器205の共振波長にロックすることで波長安定化した安定化光源200のブロック図である。この例では、レーザー光201を波長シフター202でシフトすることで波長を可変にしている。また、同期検波器209の出力である帰還信号は、PID112で平滑された後、VCO(電圧制御発振器)213で、帰還信号の強度に応じた周波数の交流信号を含む波長シフター用信号に変換される。この波長シフター用信号の上記周波数のオフセットは、オフセット電圧源214の電圧を調整することで設定することができる。この安定化光源200は、光共振器205を基準とした入射レーザー光201の波長変動を反映した電気信号を出力する(出力b)。ここでPDH法のための変調は独立な光変調器203を利用して行うほか、安定化光源201からの変調されている出力光を利用することもできる。当然のことであるが、上記VCOの代わりにシンセサイザー方式の信号発生器を用いることができる。   FIG. 2 shows an example of a part different from the above, which is a part of the configuration example of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a stabilized light source 200 that has been wavelength-stabilized by locking to the resonant wavelength of the optical resonator 205 when laser light 201 is input instead of the laser light source 101 of the stabilized light source 100. . In this example, the wavelength is made variable by shifting the laser beam 201 by the wavelength shifter 202. Further, the feedback signal that is the output of the synchronous detector 209 is smoothed by the PID 112, and then converted into a wavelength shifter signal including an AC signal having a frequency corresponding to the strength of the feedback signal by the VCO (voltage controlled oscillator) 213. The The frequency offset of the wavelength shifter signal can be set by adjusting the voltage of the offset voltage source 214. The stabilized light source 200 outputs an electrical signal reflecting the wavelength variation of the incident laser beam 201 with the optical resonator 205 as a reference (output b). Here, the modulation for the PDH method is performed using the independent optical modulator 203, or the modulated output light from the stabilized light source 201 can be used. As a matter of course, a synthesizer type signal generator can be used instead of the VCO.

この場合も、上記と安定化光源100の場合と同様に、上記プローブ光生成手段である安定化光源200の上記帰還信号によるレーザー光の波長調整可能速度は、抑制しようとする上記ファブリペロー型光共振器の共振波長のドリフト速度よりも大きいことが必要である。つまり、抑制できる上記ドリフトの周波数帯域は、上記帰還信号による帰還制御の周波数帯域に限られる。   Also in this case, as in the case of the stabilized light source 100 described above, the speed at which the wavelength of the laser beam can be adjusted by the feedback signal of the stabilized light source 200 serving as the probe light generating means is reduced. It needs to be larger than the drift speed of the resonance wavelength of the resonator. In other words, the frequency band of the drift that can be suppressed is limited to the frequency band of feedback control by the feedback signal.

本発明の、共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーに用いる複合光共振器300の例を図3に、その複合光共振器300を用いた加速度センサーの例を図4、図5に示す。図3は、光共振器の構成例とともに、その光共振器に、図中の矢印方向に地上の重力加速度に相当する9.8m/s2の加速度が印加された場合の数値シミュレーションによる結果で、その光共振器に起こる歪による各点の光軸方向(z方向)の変位量分布を示す。色の濃い部分の歪が大きく、共振器B側で窪み、C側で出張る。 FIG. 3 shows an example of a composite optical resonator 300 used in an acceleration sensor using a plurality of optical resonators provided in a common spacer of the present invention, and FIG. 4 shows an example of an acceleration sensor using the composite optical resonator 300. As shown in FIG. FIG. 3 shows the result of numerical simulation when an acceleration of 9.8 m / s 2 corresponding to the gravitational acceleration on the ground is applied to the optical resonator in the direction of the arrow in the figure, together with the configuration example of the optical resonator. The displacement distribution in the optical axis direction (z direction) at each point due to the strain occurring in the optical resonator is shown. The dark-colored portion has a large distortion, which is depressed on the resonator B side and travels on the C side.

図3に示す複合光共振器300は、例えば上記ULE製の樽型スペーサーを鉛直にして共通スペーサーとし、縦に並行する4本の空洞を設け、それらの空洞の両端に高反射率の反射鏡M1、M2、A1、A2、B1、B2、C1、C2を設けて、各々の空洞を光共振器(310、310A、310B、310C)として用いる複合光共振器である。因みにM1、M2は、中心にある光共振器のものであり、その他は、その周りの光共振器のものである。上記空洞の1つ(中心空洞の光共振器310)は上記樽型スペーサーの中心線を含み、その中心線と空洞との中心線とは一致するようにする。他の空洞(光共振器310A、310B、310C)は、この例では、上記中心空洞の周りの回転対象の位置に、その中心から等距離に配置している。その空洞の配置例は、上記空洞の1つは上記中心線を含む位置に設けられ、他の空洞は上記中心線を含まない位置で該中心線についての対称位置に設ける。共通スペーサーの構成材料としては、上記ULE等低熱膨張ガラスの他に、例えばシリコンやサファイアなどの、単結晶を用いることができる。この場合、経年変化を抑制することができるが、より高度の温度制御が求められる場合がある。   A composite optical resonator 300 shown in FIG. 3 has, for example, the above ULE barrel spacers as vertical common spacers, four vertically parallel cavities, and high-reflectivity reflecting mirrors at both ends of the cavities. The composite optical resonator includes M1, M2, A1, A2, B1, B2, C1, and C2, and uses each cavity as an optical resonator (310, 310A, 310B, 310C). Incidentally, M1 and M2 are those of the optical resonator at the center, and the others are those of the surrounding optical resonator. One of the cavities (the optical cavity 310 of the central cavity) includes the center line of the barrel-shaped spacer so that the center line coincides with the center line of the cavity. In this example, the other cavities (optical resonators 310A, 310B, and 310C) are arranged at the positions to be rotated around the central cavity and equidistant from the center. In the example of the arrangement of the cavities, one of the cavities is provided at a position including the center line, and the other cavities are provided at positions not including the center line and at symmetrical positions with respect to the center line. As a constituent material of the common spacer, a single crystal such as silicon or sapphire can be used in addition to the low thermal expansion glass such as ULE. In this case, secular change can be suppressed, but higher temperature control may be required.

上記共通スペーサーは、その外周に支持用の台や枠を有しそれに支持部を設けて支持する。この支持については、台座から上に伸びる支持具や、上からつりさげる支持具などを用いることができる。例えば、上記共通スペーサーの中心線の円周上の位置に等距離で各空洞を設ける場合、その円周を等分し上記支持部の2つの支持点の中間に設ける。   The common spacer has a support base or frame on the outer periphery thereof and supports it by providing a support portion. For this support, a support tool extending upward from the pedestal, a support tool hanging from above, or the like can be used. For example, when each cavity is provided at an equal distance at a position on the circumference of the center line of the common spacer, the circumference is equally divided and provided between two support points of the support portion.

図4に本発明の共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサー400の例を示す。これは、図3に示す複合光共振器300を用いたものである。まず、レーザー光源501からのレーザー光は、図1の安定化光源100と同様な構成で光共振器410にロックされ、上記レーザー光は光分岐器407で分岐され分岐器407A、407B、407Cに順次送られる。光分岐器407で分岐されたレーザー光が安定化光源100における出力aに相当する。この構成で光共振器410の周りに配置された光共振器410A、410B、410Cには、光共振器410で安定化されたレーザー光がほぼ等しく分岐されて供給される。同調部402A、402B、402Cには、例えば、それぞれ図2の同調部250の構成を適用することができる。また、図2におけるVCOから分岐された出力bが、上記のそれぞれの共振器についての周波数fA、fB、fCに相当する。また、周知の様に周波数と位相は同等であって、微小な周波数変化を検出する際には、角速度に時間を乗じた位相についての位相変化を検出することがよく行われている。この周波数fA、fB、fCについては、印加された加速度に起因しないオフセット分がそれぞれ含まれているのでその周波数分を低減しておくことが望ましい。 FIG. 4 shows an example of an acceleration sensor 400 using a plurality of optical resonators provided in a common spacer of the present invention. This uses a composite optical resonator 300 shown in FIG. First, the laser light from the laser light source 501 is locked to the optical resonator 410 in the same configuration as that of the stabilized light source 100 in FIG. 1, and the laser light is branched by the optical branching device 407 and branched to the branching devices 407A, 407B, and 407C. Sent sequentially. The laser beam branched by the optical splitter 407 corresponds to the output a from the stabilized light source 100. In this configuration, the laser beams stabilized by the optical resonator 410 are branched and supplied to the optical resonators 410A, 410B, and 410C disposed around the optical resonator 410. For example, the configuration of the tuning unit 250 of FIG. 2 can be applied to the tuning units 402A, 402B, and 402C. Also, the output b branched from the VCO in FIG. 2 corresponds to the frequencies f A , f B , and f C for each of the resonators described above. As is well known, the frequency and the phase are the same, and when detecting a minute frequency change, it is often performed to detect a phase change for a phase obtained by multiplying the angular velocity by time. Since the frequencies f A , f B , and f C include offsets that are not caused by the applied acceleration, it is desirable to reduce the frequencies.

上記周波数fAの信号について、周波数から電流または電圧に変換する変換器403を用いて、x方向の加速度(ax)に比例した電圧信号(または電流信号)に変換する。また、上記周波数fB、fCの信号について、周波数混合器404で信号積をとることで混合し、低周波側濾波器405でその低周波数側の側帯波成分を選択する。この側帯波成分については、変換器406を用いて、y方向の加速度(ay)に比例した電圧信号(または電流信号)に変換する。この変換の出力におけるオフセット分を差し引くことで、上記の様に周波数を差し引くことの代わりとすることもできる。また、上記変換器403、406は、デジタル信号に変換してそれを出力するものであってもよい。この際に、上記オフセット分を除去した分についてデジタル変換することが望ましい。 The signal having the frequency f A is converted into a voltage signal (or current signal) proportional to the acceleration (a x ) in the x direction by using a converter 403 that converts the frequency into current or voltage. Further, the signals of the frequencies f B and f C are mixed by taking a signal product in the frequency mixer 404, and the low frequency side filter 405 selects the low frequency side band component. The sideband component is converted into a voltage signal (or current signal) proportional to the acceleration (a y ) in the y direction by using the converter 406. By subtracting the offset in the output of this conversion, it is possible to substitute for subtracting the frequency as described above. Further, the converters 403 and 406 may convert the signals into digital signals and output them. At this time, it is desirable to digitally convert the amount obtained by removing the offset.

また、上記周波数fA、fB、fCについて、各々を周波数カウンタあるいは位相計測器を用いてデジタル信号に変換することで、周波数fAがx方向の加速度(ax)の線形関数になり、周波数fBとfCとの差がy方向の加速度(ay)の線形関数となるので、容易に上記の乗算器や濾波器をデジタル演算装置で置き換えることができる。 Also, the frequency f A, f B, for f C, to convert into a digital signal by using a frequency counter or phase meter each, the frequency f A is a linear function of the x-direction acceleration (a x) Since the difference between the frequencies f B and f C is a linear function of the acceleration (a y ) in the y direction, the above multiplier and filter can be easily replaced with a digital arithmetic unit.

図5に示す共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサー500の例では、図4における上記周波数fB、fCの信号について、周波数混合器504で信号積をとることで混合し、低周波側濾波器506でその低周波数側の側帯波信号成分を選択する。この側帯波信号については、変換器508を用いて、y方向の加速度(ay)に比例した電流信号(または電圧信号)に変換する。また、周波数fB、fCの信号の上記混合による信号について、高周波側濾波器509で、その高周波数側の側帯波成分を選択し、この信号を分周器510に通して半分の周波数に分周し、この分周した信号と周波数fAの信号と周波数混合器503で信号積をとることで混合し、低周波側濾波器505でその低周波数側の側帯波信号成分を選択する。この選択された信号は、変換器507を用いてx方向の加速度(ax)に比例した電流信号(または電圧信号)に変換する。上記変換器507、508は、デジタル信号を出力するものであってもよい。 In the example of the acceleration sensor 500 using a plurality of optical resonators provided in the common spacer shown in FIG. 5, the signals of the frequencies f B and f C in FIG. 4 are mixed by taking a signal product in the frequency mixer 504. The low-frequency side filter 506 selects the low-frequency sideband signal component. The sideband signal is converted into a current signal (or voltage signal) proportional to the acceleration (a y ) in the y direction by using the converter 508. Further, the high frequency side filter 509 selects a high side band component of the signal resulting from the above mixing of the signals of the frequencies f B and f C , and passes this signal through the frequency divider 510 to a half frequency. The frequency-divided signal, the signal of frequency f A and the signal product are mixed by the frequency mixer 503, and the low-frequency side filter 505 selects the low-frequency sideband signal component. This selected signal is converted into a current signal (or voltage signal) proportional to the acceleration (a x ) in the x direction using the converter 507. The converters 507 and 508 may output digital signals.

また、上記実施例1の場合と同様に、上記周波数fA、fB、fCについて、各々を周波数カウンタあるいは位相計測器を用いてデジタル信号に変換することで、周波数fBとfCとの平均と周波数fAとの差がx方向の加速度(ax)の線形関数となり、また、周波数fBとfCとの差がy方向の加速度(ay)の線形関数となるので、容易に上記の乗算器や濾波器をデジタル演算装置で置き換えることができる。 Similarly to the case of the first embodiment, each of the frequencies f A , f B , and f C is converted into a digital signal using a frequency counter or a phase measuring device, so that the frequencies f B and f C the difference between the average and the frequency f a of becomes a linear function of the x-direction acceleration (a x), also, the difference between the frequency f B and f C is the linear function of y direction of the acceleration (a y), The above multiplier and filter can be easily replaced with a digital arithmetic unit.

上記加速度センサーの出力を用いて、その複合光共振器にかかる加速度を能動的に抑制することができる。これによって、複合光共振器300に印加される加速度が抑制され、特に光共振器310や410に印加される加速度が抑制されるため、図4または図5の光出力の周波数をより安定化することができる。   The acceleration applied to the composite optical resonator can be actively suppressed using the output of the acceleration sensor. This suppresses the acceleration applied to the composite optical resonator 300, and particularly suppresses the acceleration applied to the optical resonators 310 and 410, thereby further stabilizing the frequency of the optical output in FIG. 4 or FIG. be able to.

図6、図7に、上記加速度出力を負帰還に用いて、複合光共振器300に印加される加速度を抑制するための構成例を示す。   6 and 7 show configuration examples for suppressing the acceleration applied to the composite optical resonator 300 by using the acceleration output for negative feedback.

図6の(a)正面図と(b)の平面図は、第1除振台601上に除振台支柱603x、603y、604で支えられた第2除振台602上に複合光共振器を複合光共振器支柱605A、605B、605Cで支持する構成を示す。複合光共振器支柱と第2除振台602との間に、例えば電歪素子や磁歪素子からなる駆動素子610x、610yとばね606x、606yを設けて、駆動電圧Vx、Vyを印加し、検出した加速度ベクトルと逆に、x、y方向に駆動して複合光共振器に印加される振動加速を抑制するように能動除振装置を構成する。上記複合光共振器300は、その第2除振台602に設置される。上記加速度出力を増幅した後、駆動素子610x、610yに上記加速度が抑制される極性で印加する。上記駆動電圧Vx、Vyは、実施例1での記載の様に図4(403から406)や図5(503から510)のブロック図に沿った処理で得ることができるが、デジタル化された上記fA、fB、fCについては、図6(c)に示すように、演算器605で3元ベクトルを2元ベクトルに変換する所定の変換行列に従って変換することで上記駆動電圧Vx、Vyを得ることができる。また、上記駆動素子は、電歪素子や磁歪素子の働きがプッシュプルになるように第2除振台602を挟んで向かい合う様に配置してもよい。但し、この場合、プッシュプルとなる一対の駆動素子によって新たな歪が光共振器に誘起されない様にするため、ばねを駆動素子と第2除振台602の間に挟むことが有効な場合もある。 6A is a front view and FIG. 6B is a plan view of the composite optical resonator on the second vibration isolation table 602 supported by the vibration isolation column columns 603x, 603y, and 604 on the first vibration isolation table 601. Is supported by the composite optical resonator columns 605A, 605B, and 605C. For example, drive elements 610x and 610y and springs 606x and 606y made of electrostrictive elements or magnetostrictive elements are provided between the composite optical resonator column and the second vibration isolation table 602, and drive voltages Vx and Vy are applied and detected. Contrary to the acceleration vector, the active vibration isolator is configured to suppress vibration acceleration applied to the composite optical resonator by driving in the x and y directions. The composite optical resonator 300 is installed on the second vibration isolation table 602. After the acceleration output is amplified, it is applied to the driving elements 610x and 610y with a polarity that suppresses the acceleration. The drive voltages Vx and Vy can be obtained by processing according to the block diagrams of FIGS. 4 (403 to 406) and FIG. 5 (503 to 510) as described in the first embodiment, but are digitized. As for the f A , f B , and f C , as shown in FIG. 6C, the arithmetic unit 605 converts the drive voltage Vx, Vy can be obtained. The drive element may be arranged so as to face each other with the second vibration isolation table 602 sandwiched so that the action of the electrostrictive element or magnetostrictive element is push-pull. However, in this case, in order to prevent a new strain from being induced in the optical resonator by the pair of drive elements serving as the push-pull, it may be effective to sandwich the spring between the drive element and the second vibration isolation table 602. is there.

図7の(a)正面図と(b)の平面図は、第1除振台上の複合光共振器300を電歪素子や磁歪素子で3方向に駆動するものである。その電歪素子や磁歪素子は、光共振器300を支持する他に、xy面上での動きを駆動する。上記加速度出力は、xy直交2元ベクトルから120度の角度で交わる3元ベクトルの各成分に変換され、また増幅された後、その電歪素子や磁歪素子に上記加速度が抑制される極性で印加する。   7A is a front view and a plan view of FIG. 7B is a diagram in which the composite optical resonator 300 on the first vibration isolation table is driven in three directions by an electrostrictive element or a magnetostrictive element. In addition to supporting the optical resonator 300, the electrostrictive element and the magnetostrictive element drive the movement on the xy plane. The acceleration output is converted from the xy orthogonal binary vector into each component of a ternary vector intersecting at an angle of 120 degrees, and after being amplified, applied to the electrostrictive element or magnetostrictive element with a polarity that suppresses the acceleration. To do.

また、図7(c)の場合、デジタル信号に変換された周波数fA、fB、fCについて、各々を周波数カウンタあるいは位相計測器を用いてデジタル信号に変換することで、負帰還を実現するために、これらの値を入力して各電歪素子や磁歪素子に印加すべき電流値や電圧値に変換するための変換行列を構成することは、容易である。 In the case of FIG. 7C, the negative feedback is realized by converting each of the frequencies f A , f B , and f C converted into digital signals into digital signals using a frequency counter or a phase measuring device. Therefore, it is easy to construct a conversion matrix for inputting these values and converting them into current values and voltage values to be applied to the respective electrostrictive elements and magnetostrictive elements.

一般に、上記の3元ベクトルでの駆動による場合は、力の合成を光共振器のスペーサーで行うことで新たな歪が光共振器に発生しやすいので、駆動力の合成は光共振器の枠とは異なる枠または台で行って、光共振器に歪が発生しない構造とすることは容易である。   In general, in the case of driving with the above-described ternary vector, a new distortion is easily generated in the optical resonator by combining the force with the spacer of the optical resonator. It is easy to make a structure in which no distortion occurs in the optical resonator by using a frame or a stand different from the above.

本発明によって、光共振器に於いて従来1Hz以下の地面振動の影響を省スペースで除振することが困難であった問題が解消する。現在1秒の安定度で10のマイナス16乗台の光共振器が実現し、さらなる改善のためには除振性能の一段の向上が求められている。また、従来は低域にある共振器材料のエージングの効果と振動による共振器長の変化を峻別することが困難であったが、単結晶材料を共振器として利用することでエージングの効果が低減されたため、本発明はこの点を解決する。また、重量のある除振台の利用が困難な可搬型や衛星搭載の局部光周波数発振器においても本発明を利用することによって除振性能を与えることが出来る。そのほか、極低温下で動作させる究極の光共振器においては、冷凍機の振動に対する処方箋が求められている。本発明は冷凍機の振動に対する除振としても有効である。   According to the present invention, the problem that it has conventionally been difficult to eliminate the influence of ground vibration of 1 Hz or less in a space-saving manner in an optical resonator is saved. At present, an optical resonator of 10 minus 16s with a stability of 1 second has been realized, and further improvement of vibration isolation performance is required for further improvement. Conventionally, it has been difficult to distinguish the aging effect of resonator materials in the low range from the change in resonator length due to vibration, but the aging effect is reduced by using a single crystal material as a resonator. Therefore, the present invention solves this point. Further, even in a portable or satellite-mounted local optical frequency oscillator in which it is difficult to use a heavy vibration isolation table, vibration isolation performance can be provided by using the present invention. In addition, in the ultimate optical resonator operated at extremely low temperatures, a prescription for the vibration of the refrigerator is required. The present invention is also effective as vibration isolation for the refrigerator vibration.

100 安定化光源
101 レーザー光源
102 アイソレータ
103 光変調器
104 偏光ビームスプリッタ
105 光共振器
106 4分の1波長板
107 分岐器
108 光検出器
109 同期検波器
110 発振器
111 半波長板
112 PID
200 安定化光源
201 レーザー光
202 波長シフター
203 光変調器
204 偏光分岐器
205 光共振器
206 4分の1波長板
208 光検出器
209 同期検波器
210 発振器
211 半波長板
212 PID
213 VCO
214 オフセット電圧源
250 同調部
300 複合光共振器
310、310A、310B、310C 光共振器
400 加速度センサー
402A、402B、402C 同調部
403 周波数電圧変換器
404 周波数混合器
405 低周波側濾波器
406 周波数電圧変換器
407、407A、407B、407C 光分岐器
410、410A、410B、410C 光共振器
500 加速度センサー
503、504 周波数混合器
505、506 低周波側濾波器
507、508 周波数電圧変換器
509 高周波側濾波器
510 分周器
601、602 除振台
603x、603y、604 除振台支柱
605A、605B、605C 複合光共振器支柱
606x、606y ばね
610x、610y 駆動素子
701 除振台
710A、710B、710C 駆動素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Stabilized light source 101 Laser light source 102 Isolator 103 Optical modulator 104 Polarizing beam splitter 105 Optical resonator 106 Quarter wave plate 107 Branch device 108 Photo detector 109 Synchronous detector 110 Oscillator 111 Half wave plate 112 PID
200 Stabilizing light source 201 Laser light 202 Wavelength shifter 203 Optical modulator 204 Polarization splitter 205 Optical resonator 206 Quarter wave plate 208 Photo detector 209 Synchronous detector 210 Oscillator 211 Half wave plate 212 PID
213 VCO
214 Offset voltage source 250 Tuning unit 300 Compound optical resonator 310, 310A, 310B, 310C Optical resonator 400 Acceleration sensor 402A, 402B, 402C Tuning unit 403 Frequency voltage converter 404 Frequency mixer 405 Low frequency side filter 406 Frequency voltage Converter 407, 407A, 407B, 407C Optical splitter 410, 410A, 410B, 410C Optical resonator 500 Accelerometer 503, 504 Frequency mixer 505, 506 Low frequency side filter 507, 508 Frequency voltage converter 509 High frequency side filter 510 Divider 601, 602 Anti-vibration table 603x, 603y, 604 Anti-vibration table column 605A, 605B, 605C Compound optical resonator column 606x, 606y Spring 610x, 610y Drive element 701 Anti-vibration table 710A, 710B 710C drive element

Claims (6)

ファブリペロー型光共振器の共振周波数の変化をレーザー光を用いて測定し加速度を検出する加速度センサーであって、
複数の光共振器を備える複合光共振器と、
上記複数の光共振器のそれぞれの共振周波数の少なくとも2つの比較から上記複合光共振器に印加された加速度を導出する加速度導出手段と、を備え、
上記複合共振器は、中心線に対する回転対称性を有するスペーサー材を共通のスペーサーとする3つ以上の光共振器用にそれぞれの空洞を備える複合光共振器であり、
上記空洞のそれぞれは互いに並行し、
上記空洞の1つは上記中心線を含む位置に設けられ、他の空洞は上記中心線を含まない位置で該中心線についての対称位置に設けられていることを特徴とする加速度センサー。
An acceleration sensor that detects the acceleration by measuring a change in the resonance frequency of a Fabry-Perot optical resonator using a laser beam,
A composite optical resonator comprising a plurality of optical resonators;
Acceleration deriving means for deriving acceleration applied to the composite optical resonator from at least two comparisons of the resonance frequencies of the plurality of optical resonators,
The composite resonator is a composite optical resonator including cavities for three or more optical resonators using a spacer having a rotational symmetry with respect to a center line as a common spacer,
Each of the cavities is parallel to each other,
One of the cavities is provided at a position including the center line, and the other cavity is provided at a symmetric position with respect to the center line at a position not including the center line.
上記複合光共振器は、重力方向に光路が設けられ、
上記共通のスペーサーの外周に設けられた支持部における支持点で支持され、
上記支持点の各々は、上記中心線を含まない位置に設けられたいずれか2つの上記空洞からの等距離面上の上記中心線から等距離の位置に設けたものであることを特徴とする、請求項1に記載の加速度センサー。
The composite optical resonator is provided with an optical path in the direction of gravity,
Supported at a support point in the support provided on the outer periphery of the common spacer,
Each of the support points is provided at a position equidistant from the center line on an equidistant surface from any two of the cavities provided at a position not including the center line. The acceleration sensor according to claim 1.
上記中心線を含まない位置に設けられた上記光共振器の数と上記支持点の数は各々3であり、
上記光共振器を順にA、B、Cとし、該A、B、Cの上記中心線に対するそれぞれの反対側にある支持点を支持点A、B、Cとし、支持点A、B、Cを含む平面上の直交座標をxy座標とし、x軸方向を上記中心線から支持点Aに向かう方向とし、y軸方向を支持点Cから支持点Bに向かう方向とするとき、
上記加速度導出手段は、y方向加速度をBとCの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からのそれぞれの共振周波数偏移の差から導出し、x方向加速度をAの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移から導出するものであることを特徴とする、請求項1または2のいずれか1つに記載の加速度センサー。
The number of the optical resonators and the number of support points provided at positions not including the center line are 3, respectively.
The optical resonators are sequentially designated as A, B, and C, and the support points on the opposite sides of the center lines of A, B, and C are the support points A, B, and C, and the support points A, B, and C are When the orthogonal coordinate on the plane including the xy coordinate, the x-axis direction is the direction from the center line toward the support point A, and the y-axis direction is the direction from the support point C to the support point B,
The acceleration deriving means derives an acceleration in the y direction from a difference between respective resonance frequency shifts from the optical resonator provided at a position including the center lines of B and C, and an x direction acceleration as the center of the A. 3. The acceleration sensor according to claim 1, wherein the acceleration sensor is derived from a resonance frequency shift from the optical resonator provided at a position including a line.
上記中心線を含まない位置に設けられた上記光共振器の数と、上記支持点の数は、各々3であり、
上記光共振器を順にA、B、Cとし、該A、B、Cの上記中心線に対するそれぞれの反対側にある支持点を支持点A、B、Cとし、支持点A、B、Cを含む平面上の直交座標をxy座標とし、x軸方向を上記中心線から支持点Aに向かう方向とし、y軸方向を支持点Cから支持点Bに向かう方向とするとき、
上記加速度導出手段は、y方向加速度をBとCの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からのそれぞれの共振周波数偏移の差から導出し、x方向の加速度を、BとCの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移の平均からAの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移を引くことで、得るものであることを特徴とする、請求項1または2のいずれか1つに記載の加速度センサー。
The number of the optical resonators provided at positions not including the center line and the number of the support points are each 3,
The optical resonators are sequentially designated as A, B, and C, and the support points on the opposite sides of the center lines of A, B, and C are the support points A, B, and C, and the support points A, B, and C are When the orthogonal coordinate on the plane including the xy coordinate, the x-axis direction is the direction from the center line toward the support point A, and the y-axis direction is the direction from the support point C to the support point B,
The acceleration deriving means derives the y-direction acceleration from the difference between the respective resonance frequency shifts from the optical resonator provided at the position including the center line of B and C, and determines the acceleration in the x-direction as B and Subtracting the resonance frequency shift from the optical resonator provided at the position including the center line of A from the average of the resonance frequency shift from the optical resonator provided at the position including the center line of C The acceleration sensor according to claim 1, wherein the acceleration sensor is obtained.
上記A、BおよびCの各々の共振周波数偏移は、上記光共振器A、B、Cに入射される、上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器にロックされたレーザー光の周波数からのA、BおよびCのそれぞれの共振周波数の偏移であることを特徴とする、請求項3または4のいずれか1つに記載の加速度センサー。   Resonance frequency shifts of A, B, and C are incident on the optical resonators A, B, and C, respectively, and the laser beams locked to the optical resonators provided at positions including the center line. The acceleration sensor according to claim 3, wherein the acceleration sensor is a deviation of each of the resonance frequencies of A, B, and C from the frequency. 上記複合光共振器を搭載する被駆動台と、
面上を動く様に上記被駆動台を駆動する駆動系と、
上記加速度導出手段の出力を上記駆動系に印加して負帰還する負帰還回路と、を備え、
上記負帰還によって上記加速度検出手段の出力を抑制するものであることを特徴とする、請求項1から5のいずれか1つに記載の加速度センサーを用いた能動除振装置。
A driven table on which the composite optical resonator is mounted;
A drive system for driving the driven table so as to move on the surface;
A negative feedback circuit that applies negative feedback by applying the output of the acceleration deriving means to the drive system,
6. An active vibration isolator using an acceleration sensor according to claim 1, wherein the negative feedback suppresses the output of the acceleration detecting means.
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Families Citing this family (3)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107967240B (en) * 2017-11-23 2020-12-11 大连理工大学 Earthquake-resistant time-course acceleration optimization algorithm based on artificial earthquake motion generation process
JP7066138B2 (en) * 2018-11-13 2022-05-13 日本電信電話株式会社 Light source system for atomic clocks
JP7344541B2 (en) * 2019-07-03 2023-09-14 国立研究開発法人情報通信研究機構 Composite optical resonator, temperature sensor, optical resonator device

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61274205A (en) * 1985-05-30 1986-12-04 Rion Co Ltd Optical displacement measuring device
JPH11190744A (en) * 1997-12-26 1999-07-13 Hokuriku Electric Ind Co Ltd Tri-axial acceleration sensor
US6921894B2 (en) * 2002-09-10 2005-07-26 The Regents Of The University Of California Fiber optic micro accelerometer
JP4308247B2 (en) * 2006-12-25 2009-08-05 サンテック株式会社 Optical fiber sensor system
US7793543B2 (en) * 2007-05-04 2010-09-14 Baker Hughes Incorporated Method of measuring borehole gravitational acceleration
JP5926456B2 (en) * 2012-06-06 2016-05-25 ノースロップ グルマン システムズ コーポレーションNorthrop Grumman Systems Corporation Optical accelerometer system

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