JP6284176B2

JP6284176B2 - Narrow linewidth light source with optical frequency averaging achieved by parallel operation of external optical resonators

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Publication number: JP6284176B2
Application number: JP2013161519A
Authority: JP
Inventors: 哲也井戸
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2013-08-02
Filing date: 2013-08-02
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2033-08-02
Also published as: JP2015032700A

Description

この発明は、原子の遷移周波数に発光素子からの光の周波数をロック（固定）させて極めて正確な原子時計を実現するために上記光の線幅を極めて狭くしたクロックレーザ光を出力する光源であって、特に、外部光共振器の並列動作により光周波数平均化を図った狭線幅光源に関する。 The present invention is a light source that outputs a clock laser beam in which the line width of the light is extremely narrow in order to achieve a very accurate atomic clock by locking (fixing) the frequency of light from the light emitting element to the transition frequency of atoms. In particular, the present invention relates to a narrow line width light source that achieves optical frequency averaging by parallel operation of external optical resonators.

原子や分子の遷移周波数を利用する時計には、原子ビームや分子ビームのラムゼー共鳴を観測するもの、メーザーやレーザの様な発光装置の発光波長を観測するもの、原子や分子の吸収スペクトルを観測するものなどがあることが知られている。 Clocks that use the transition frequency of atoms and molecules include those that observe Ramsey resonance of atomic beams and molecular beams, those that observe the emission wavelength of light-emitting devices such as masers and lasers, and those that observe absorption spectra of atoms and molecules It is known that there are things to do.

本発明は、参照スペクトルとして用いる原子の吸収スペクトルを観測するためのレーザ光源（プローブレーザ）に関するものである。特に原子時計に用いる場合は、クロックレーザと呼ばれる場合がある。一般に、高安定度の原子時計を実現するためには、極めて狭いスペクトル線幅を有する参照スペクトルを用いる必要があることが知られており、本発明の光源は、その参照スペクトルにレーザ光の波長をロックする際に使用することができるもので、その線幅は、空間にほぼ静止するように束縛された原子集団の禁制遷移のスペクトル線幅以下である。 The present invention relates to a laser light source (probe laser) for observing an absorption spectrum of atoms used as a reference spectrum. In particular, when used in an atomic clock, it may be called a clock laser. In general, in order to realize a highly stable atomic clock, it is known that it is necessary to use a reference spectrum having an extremely narrow spectral line width, and the light source of the present invention has a wavelength of laser light in the reference spectrum. The line width is less than or equal to the spectral line width of the forbidden transition of an atomic group constrained to be almost stationary in space.

狭いスペクトル線幅のレーザ光源としては、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発振器からのレーザ光を、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発振器からのレーザ光を、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光源があり波長の安定なレーザ光を用いることが可能な場合は、そのレーザ光を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、上記のいずれのレーザ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 light source that locks to the top of the transmission spectrum of a Fabry-Perot interferometer.
(2) As shown in FIG. 8B, the laser light from a laser oscillator whose length of the optical resonator can be adjusted by a piezo element is passed through a Fabry-Perot optical interferometer for reference, and the Fabry-Perot optical interferometer is used. A laser light source that locks on the slope of the transmission spectrum of the Fabry-Perot optical interferometer to be referenced 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 Fabry-Perot optical interferometer to be referenced, and the reflected light is phase-modulated as described above. 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 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 of the above laser oscillators can be used instead.

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.

非特許文献２の図４には、Ｓｒ用クロックレーザ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４におけるクロックレーザでは、まずダイオードレーザを用いた上記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光を生成する。このレーザ光の波長を波長シフター（その図４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、レーザ光と上記安定化したレーザ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光を得ることができる。 In FIG. 4 of Non-Patent Document 2, an overall view of the Sr clock laser stabilization system is described. In the clock laser shown in FIG. 4 of Non-Patent Document 1, laser light having a relatively stable wavelength is first generated in the prestabilization resonator (prestabilization 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. 4) 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 beam 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 the deviation between the laser beam and the stabilized laser beam is used as 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 a clock laser beam locked to the transmission spectrum of the ULE resonator.

クロックレーザ用の光共振器においては、スペーサーにＵＬＥを用いた場合には、それ以上に、反射鏡基板や反射膜の熱振動が光共振器のスペクトル幅を広げる原因になることが、非特許文献３に記載されている。また、この改善には、光共振器に用いる反射鏡基材に機械的損失の小さい材質を使用し、レーザ光のビーム径を大きくすることが効果的である旨、記載されている。 In optical resonators for clock lasers, when ULE is used as a spacer, thermal vibrations of the reflector substrate and the reflective film cause the spectral width of the optical resonator to be further increased. It is described in Document 3. In addition, it is described that for this improvement, it is effective to use a material having a small mechanical loss for the reflector substrate used in the optical resonator and to increase the beam diameter of the laser beam.

本発明は、スペーサーや反射鏡基板や反射膜の熱振動由来による共振スペクトル幅の増大を抑制することを、上記のような反射率の改善やビーム径の拡大以外の方法で実現することに注力したものである。 The present invention focuses on realizing the suppression of the increase of the resonance spectrum width due to the thermal vibration of the spacer, the reflector substrate and the reflection film by a method other than the improvement of the reflectance and the expansion of the beam diameter as described above. It is a thing.

「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 “Thermal Noise Limit in Frequency Stabilization of Lasers with Rigid Cavities”, Phys Rev Lett. 2004 Dec 17;93(25):250602. Epub 2004 Dec 17“Thermal Noise Limit in Frequency Stabilization of Lasers with Rigid Cavities”, Phys Rev Lett. 2004 Dec 17; 93 (25): 250602. Epub 2004 Dec 17

従来以上に高安定度の原子時計の実現には、従来以上の狭いスペクトル線のクロックレーザ光が必要である。本発明は、外部光共振器の共振波長にレーザ発振器からのレーザ光の波長をロックするが、外部光共振器を複数用い、この複数の外部光共振器の共振波長の変動を平均化することで、熱振動による光共振器の共振波長の変動を平均化し、クロックレーザ光の熱振動によるスペクトル増大を抑制するものである。 In order to realize an atomic clock with higher stability than before, a clock laser beam having a narrower spectral line than before is required. The present invention locks the wavelength of the laser beam from the laser oscillator to the resonance wavelength of the external optical resonator, and uses a plurality of external optical resonators to average the fluctuations in the resonance wavelengths of the plurality of external optical resonators. Thus, the fluctuation of the resonance wavelength of the optical resonator due to the thermal vibration is averaged, and the spectrum increase due to the thermal vibration of the clock laser light is suppressed.

このため、本発明はクロックレーザ用に使用できる光源で、外部光共振器の並列動作により光周波数平均化を図った狭線幅光源であり、
ひとつのレーザ光（出力ａ）から分岐したそれぞれのレーザ光（２０１）の波長をシフトして、半値全幅について該レーザ光（２０１）よりも小さい共鳴特性を有する光共振器の共鳴スペクトルの波長にロックする安定化光源（２００）の複数（２００−１から２００−Ｎ）と、
上記分岐したそれぞれのレーザ光の波長をシフトするそれぞれのシフト量の平均に相当する帰還信号を生成する平均化手段（４００）と、
上記ひとつのレーザ光から分岐したレーザ光の波長を上記平均化手段（４００）の出力である上記帰還信号で調整してプローブ光を生成する波長シフター（５２５）と、
を備え、
上記光共振器は上記ひとつのレーザ光のレーザ光源の外部に設けられたものである。 For this reason, the present invention is a light source that can be used for a clock laser, a narrow line width light source that achieves optical frequency averaging by parallel operation of an external optical resonator,
The wavelength of each laser beam (201) branched from one laser beam (output a) is shifted to the wavelength of the resonance spectrum of the optical resonator having a resonance characteristic smaller than that of the laser beam (201) for the full width at half maximum. A plurality (200-1 to 200-N) of stabilizing light sources (200) to lock;
Averaging means (400) for generating a feedback signal corresponding to the average of the respective shift amounts for shifting the wavelength of each of the branched laser beams;
A wavelength shifter (525) that adjusts the wavelength of the laser beam branched from the one laser beam with the feedback signal that is the output of the averaging means (400) to generate probe light;
With
The optical resonator is provided outside the laser light source of the one laser beam .

上記安定化光源は、
分岐された上記レーザ光の波長をシフトして波長安定光を生成する波長シフター（２０２）と、半値全幅について上記レーザ光よりも狭い共鳴特性を有する光共振器（２０５）と、上記光共振器の共鳴波長に上記レーザ光をロックするための帰還信号を生成する同期検波器（２０９）と、を備え、
該帰還信号を上記波長シフターに帰還する構成を備えるものである。 The stabilized light source is
A wavelength shifter that generates a shift to a wavelength stabilized light wavelength of branched said laser beam (202), an optical resonator having a narrow resonance characteristics than the laser beam for the full width at half maximum (the 205), said optical resonator comprising a synchronous detector for generating a feedback signal for locking the laser beam on the resonance wavelength and (209), a
A configuration is provided in which the feedback signal is fed back to the wavelength shifter .

また、上記光共振器は、ファブリペロー型光共振器を用いた光共振器である。 Further, the optical resonator is an optical resonator using a Fabry-Perot optical resonator.

上記プローブ光生成手段の上記帰還信号によるレーザ光の波長調整可能速度は、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ものとする。 The speed at which the wavelength of the laser light can be adjusted by the feedback signal of the probe light generation means is greater than the drift speed of the resonance wavelength of the Fabry-Perot optical resonator.

上記ファブリペロー型光共振器には、それぞれ別のスペーサーを用いることができるが、共通のスペーサーを用い、１つのスペーサーに複数の共振器用の光路を設けて複数のファブリペロー型光共振器を構成したものであってもよい。 Each Fabry-Perot type optical resonator can use a different spacer, but a common spacer is used, and a plurality of Fabry-Perot type optical resonators are configured by providing a plurality of optical paths for one resonator in one spacer. It may be what you did.

上記レーザ光は、
ダイオードレーザの出力光の波長を光共振器の共振波長にロックすることで波長安定化した光源からのレーザ光であっても、ダイオードレーザの出力光の波長を原子共鳴体の遷移波長にロックすることで波長安定化した光源からのレーザ光であってもよい。 The laser beam is
Locks the wavelength of the diode laser output light to the transition wavelength of the atomic resonator, even if the laser light is from a light source stabilized by locking the wavelength of the diode laser output light to the resonance wavelength of the optical resonator. The laser light from the light source stabilized in wavelength may be used.

また、上記平均化手段は、複数の上記帰還信号の積から該複数の帰還信号の周波数和を持った混合信号を生成する周波数混合器と、前記混合信号から周波数平均化のために周波数分割された信号を出力する分周回路と、を備えるものであってもよい。 The averaging means is a frequency mixer that generates a mixed signal having a frequency sum of the plurality of feedback signals from the product of the plurality of feedback signals, and is frequency-divided from the mixed signals for frequency averaging. And a frequency dividing circuit for outputting a signal.

また、より簡単な回路で周波数分割を行うために、上記平均化手段は、複数の上記帰還信号の積から該複数の帰還信号の周波数和を持った混合信号を生成する周波数混合器と、前記混合信号を周波数分割した信号を生成する発振器と、を備え、前記発振器の信号は、逓倍された後、上記混合信号に位相同期されるものであってもよい。 In order to perform frequency division with a simpler circuit, the averaging means generates a mixed signal having a frequency sum of the plurality of feedback signals from a product of the plurality of feedback signals, and the frequency mixer , An oscillator that generates a frequency-divided signal of the mixed signal, and the signal of the oscillator may be multiplied and then phase-synchronized with the mixed signal .

外部光共振器の共振波長にレーザ発振器からのレーザ光の波長をロックするクロックレーザ光発生装置において、熱振動による光共振器の共振波長の変動を平均化し、出力されるクロックレーザ光の熱振動によるスペクトル増大を抑制することができる。 In a clock laser light generator that locks the wavelength of the laser light from the laser oscillator to the resonance wavelength of the external optical resonator, the fluctuation of the resonance wavelength of the optical resonator due to thermal vibration is averaged, and the thermal vibration of the output clock laser light The spectrum increase due to can be suppressed.

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. 3 is a block diagram showing an example of a stabilized light source 100 that is stabilized in wavelength by locking the oscillation wavelength of the laser light source 101 to the resonance wavelength of the optical resonator 105, which is a part of the configuration example of the present invention. 安定化光源１００のレーザ光源１０１の代わりに、レーザ光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. 6 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. 原子共鳴線にロックしたレーザ光を出力する安定化光源３００のブロック図である。It is a block diagram of the stabilization light source 300 which outputs the laser beam locked to the atomic resonance line. 本発明の、外部光共振器の並列動作により光周波数平均化を図った狭線幅光源の構成例の安定化光源５００を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the stabilization light source 500 of the structural example of the narrow line | wire width light source which aimed at optical frequency averaging by the parallel operation of the external optical resonator of this invention. 平均化手段４００の構成例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of averaging means 400. ４つの光共振器を１つのスペーサーで作成した例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example which created four optical resonators with one spacer. 安定化光源５００からのレーザ光を入力して、原子遷移波長にロックした安定化光源３００を複数並べて、それぞれの原子共鳴遷移波長と入力光とのずれの平均値を求め、その平均値で入力光の波長を調整する安定化光源６００を示すブロック図である。The laser light from the stabilized light source 500 is input, a plurality of stabilized light sources 300 locked to the atomic transition wavelength are arranged, an average value of the deviation between each atomic resonance transition wavelength and the input light is obtained, and the average value is input. It is a block diagram which shows the stabilization light source 600 which adjusts the wavelength of light. 従来方式の狭いスペクトル線幅のレーザ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、レーザ光源１０１には半導体レーザを用いており、印加する電圧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。アイソレータ１０２は、レーザ光源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と偏光プリズム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を透過した後偏光プリズム１０４で反射され、ビームスプリッタ１０７で出力光と帰還光と分離される。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、上記半導体レーザに帰還する。この帰還ループによって、レーザ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 has stabilized the wavelength 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 voltage. The isolator 102 prevents disturbance due to 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 polarizing prism 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 polarizing prism 104, and is separated from the output light and feedback light by the beam splitter 107. 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 in the locked state 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 serving as the probe light generating 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.

図１に示す例は、図８（ｃ）のＰＤＨ方式に沿ったものでるが、上記の様に、図８（ａ）や（ｂ）に沿ったものも用いることができる。 The example shown in FIG. 1 is based on the PDH method of FIG. 8C, but as described above, the one shown in FIGS. 8A and 8B can also be used.

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.

また、図１の安定化光源１００からの出力の取り出し位置は、要求される出力強度により、例えば、光変調器１０３と半波長板１１１にビームスプリッタ（光分岐器）を設けることによって行ってもよい。 Further, the output extraction position from the stabilized light source 100 in FIG. 1 may be determined by providing a beam splitter (optical splitter) on the optical modulator 103 and the half-wave plate 111 according to the required output intensity, for example. Good.

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のレーザ光源１０１の代わりに、レーザ光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の出力信号は、ＶＣＯ２１３の出力信号である。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、安定化光源からの変調されているレーザ光２０１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 is 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 output signal of the stabilized light source 200 is the output signal of the VCO 213. Here modulation for PDH method except that performed using independent light modulator 203, it is also possible to use a laser beam 201 that is modulated stabilized light source or al. 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 light 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.

本発明に用いることが可能で、その構成例の1部分となる例を図３に示す。図３は、原子共鳴線にロックしたレーザ光を出力する安定化光源３００のブロック図である。この例では、安定化光源２００の場合と同様に、レーザ光３０１を入力し、その波長を波長シフター３０２で変えることで周波数可変のレーザ光源と同等になるようにしている。このレーザ光を原子共鳴線にロックして波長安定化し、この波長安定化されたレーザ光を出力する。ただし、このロックにおいては、
波長シフター３０３で、発振器３１５に従って、原子共鳴セル３０５の共鳴スペクトルの中心（λ₀）から半値幅（δ）程度高低にずれたレーザ光を時間的に交互に生成し、原子共鳴セル３０５に照射する。原子共鳴セル３０５からの出力光は、光検出器３０８で検出し、発振器３１５からの信号で同期検波する。この同期検波出力をＰＩＤ３１２で平滑し、ＶＣＯ３１２の発振周波数を制御し、波長シフター３０２に帰還する。この帰還によって、原子共鳴線にロックし波長安定化したレーザ光を出力することができる。この場合も当然であるが、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. 3 shows an example which can be used in the present invention and becomes a part of the configuration example. FIG. 3 is a block diagram of a stabilized light source 300 that outputs laser light locked to an atomic resonance line. In this example, as in the case of the stabilized light source 200, the laser light 301 is input, and the wavelength is changed by the wavelength shifter 302 so that the laser light source can be equivalent to the variable frequency laser light source. The laser beam is locked to the atomic resonance line to stabilize the wavelength, and the wavelength-stabilized laser beam is output. However, in this lock,
The wavelength shifter 303 alternately generates laser beams shifted in time from the center (λ ₀ ) of the resonance spectrum of the atomic resonance cell 305 by a half width (δ) according to the oscillator 315, and irradiates the atomic resonance cell 305. To do. Output light from the atomic resonance cell 305 is detected by a photodetector 308 and synchronously detected by a signal from an oscillator 315. This synchronous detection output is smoothed by the PID 312, the oscillation frequency of the VCO 312 is controlled, and it is fed back to the wavelength shifter 302. By this feedback, it is possible to output a laser beam which is locked to the atomic resonance line and whose wavelength is stabilized. Of course, a synthesizer type signal generator can be used instead of the VCO.

本発明の、外部光共振器の並列動作により光周波数平均化を図った狭線幅光源の構成例の安定化光源５００を図４に示す。
図４に示すブロック図で、安定化光源１００は図１に示すものであり、安定化光源２００−１からＮまでは、図２に示す安定化光源２００である。
また、その代わりに図３に示す安定化光源３００を用いることもできる。安定化光源３００は、図３に示すものであるが、このブロックで、原子共鳴線にロックすることで、超精密時計に使用するクロックレーザ光を出力するものである。 FIG. 4 shows a stabilized light source 500 of a configuration example of a narrow line width light source that achieves optical frequency averaging by parallel operation of external optical resonators of the present invention.
In the block diagram shown in FIG. 4, the stabilized light source 100 is the same as that shown in FIG. 1, and the stabilized light sources 200-1 to 200-N are the stabilized light source 200 shown in FIG.
Alternatively, a stabilized light source 300 shown in FIG. 3 can be used. Although the stabilized light source 300 is shown in FIG. 3, this block outputs a clock laser beam used for an ultra-precise timepiece by locking to an atomic resonance line.

図４に示す本発明の例では、ひとつのレーザ光から分岐器５２０、または半波長板５２１と偏光プリズム５２２からなるＮ個の分岐手段の直列構成でレーザ光を分岐する。この分岐手段で分岐され安定化光源２００−１に入射したレーザ光から図２のＶＣＯ２１３の帰還信号が出力され、この帰還信号は、波長シフター２０２に印加されるとともに出力ｂとして出力される。この出力ｂからの信号の周波数はｆ₁で、この信号は平均化手段４００に入力される。平均化手段４００には、安定化光源２００−１から２００−Ｎまでの出力が入力される。 In the example of the present invention shown in FIG. 4, the laser beam is branched from one laser beam by a branching device 520 or a series configuration of N branching means including a half-wave plate 521 and a polarizing prism 522. A feedback signal of the VCO 213 in FIG. 2 is output from the laser beam branched by this branching unit and incident on the stabilized light source 200-1, and this feedback signal is applied to the wavelength shifter 202 and output as an output b. The frequency of the signal from the output b is f ₁ , and this signal is input to the averaging means 400. The averaging means 400 receives the outputs from the stabilized light sources 200-1 to 200-N.

平均化手段４００では、図５に例を示す様に、周波数混合器でｆ₁からｆ_Nまでの和周波数を持つ信号を生成する。この生成方法は、よく知られており、例えば周波数混合器４１５で上記和周波数を含む信号を生成し、上記和周波数を持つ信号をフィルター４１６で選択する。
この和周波数のＮ＋１分の１の信号を生成するにあたっては、例えば、よく知られた位相同期型の分周回路を用いる。つまり、ＶＣＯ４２０の出力信号の周波数を逓倍器４１９でＮ＋１逓倍してフィルター４１６で選択された信号と位相比較器４１７で位相を比較し、そのエラー信号をＶＣＯ４２０に帰還して位相同期させ、ＶＣＯ４２０の出力ｄを得る。逓倍器４１９は、よく知られた位相同期型のものや、非線形素子に通してその高調波を選択するようにしたものも用いることができる。平均化手段４００の出力の出力ｄは、波長シフター５２５に入力される。この場合も、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。 In the averaging means 400, as shown in the example of FIG. 5, a signal having a sum frequency from f ₁ to f _N is generated by a frequency mixer. This generation method is well known. For example, a signal including the sum frequency is generated by a frequency mixer 415, and a signal having the sum frequency is selected by a filter 416.
In generating the signal of 1 / N + 1 of the sum frequency, for example, a well-known phase-synchronous frequency divider is used. That is, the frequency of the output signal of the VCO 420 is multiplied by N + 1 by the multiplier 419, the phase selected by the filter 416 is compared with the phase by the phase comparator 417, the error signal is fed back to the VCO 420 and phase-synchronized, and the VCO 420 Output d is obtained. As the multiplier 419, a well-known phase-synchronous type or a type that allows the harmonics to be selected through a non-linear element can be used. The output d of the averaging means 400 is input to the wavelength shifter 525. Also in this case, a synthesizer type signal generator can be used instead of the VCO.

ここで、上記和周波数のＮ＋１分の１を平均化手段４００が出力するのは、図４の半波長板５２１に入力する光の波長シフト量をゼロとして、これも平均化の対象に加えることによるものである。安定化光源２００の数のみに注目するものであれば、上記Ｎ＋１をＮとすればよい。このＮ＋１での平均が有効な場合は、安定化光源１００の光共振器１０５と安定化光源２００の光共振器２０５とが同等のものの場合である。光共振器２０５の方が、より安定なものであることが明らかである場合には、Ｎでの平均化の方が望ましい。 Here, the reason why the averaging means 400 outputs 1 / N + 1 of the sum frequency is that the wavelength shift amount of the light input to the half-wave plate 521 in FIG. 4 is set to zero and this is also added to the averaging target. Is due to. If attention is paid only to the number of stabilizing light sources 200, N + 1 may be set to N. When the average at N + 1 is valid, the optical resonator 105 of the stabilized light source 100 and the optical resonator 205 of the stabilized light source 200 are equivalent. If it is clear that the optical resonator 205 is more stable, averaging with N is preferable.

他の平均化手段としては、周波数ｆ₁からｆ_Nを、位相角まで計測できる周波数カウンタでそれぞれ計測してデジタルで出力し、それらのデジタル和とその平均を算出して、そのデジタル値の周波数を生成するシンセサイザー方式の信号発生器で合成した信号を出力ｄとして用いることもできる。 As another averaging means, the frequencies f ₁ to f _N are respectively measured with a frequency counter capable of measuring up to the phase angle, digitally output, their digital sum and average are calculated, and the frequency of the digital value is calculated. A signal synthesized by a synthesizer-type signal generator for generating the signal can be used as the output d.

分岐器５２０で、半波長板５２３と偏光反射板５２４からなる光量調整器側に分岐された光は、上記波長シフター５２５で上記信号ｄの周波数分シフトされる出力eとして出力される。この出力ｅは、例えば、安定化光源３００で高安定度の原子共鳴遷移にロックされクロックレーザ光として出力される。 The light branched by the branching unit 520 to the light amount adjusting unit composed of the half-wave plate 523 and the polarization reflection plate 524 is output as the output e shifted by the wavelength shifter 525 by the frequency of the signal d. This output e is, for example, locked to a highly stable atomic resonance transition by the stabilized light source 300 and output as a clock laser beam.

図４に安定化光源２００−１から２００−Ｎまでのそれぞれ光共振器２０５は、それぞれ独立したスペーサーと１対の光反射素子からなるものとすることができるのは当然である。しかし、例えばＮが４の場合には、図６に示す様に、４つの光共振器を１つのスペーサーで作成することができる。上記光反射素子は反射鏡基板に多層膜の反射膜を形成したものであるが、それぞれの反射鏡基板は、一連の基板であっても、それぞれ独立したものであってもよいことは明らかである。また、それぞれの光共振器用に設けるスペーサーの複数の空洞は、同一の形状にする必要は無く、円筒形の空洞を設ける場合でも、反射鏡基板の固有振動数を異なる様にするために径の異なる空洞を設けてもよいことは、明らかである。また、図には示していないが、キャビティには、それぞれ外部への通気口が設けられている。 In FIG. 4, each of the optical resonators 205 from the stabilized light sources 200-1 to 200-N can naturally be composed of an independent spacer and a pair of light reflecting elements. However, when N is 4, for example, as shown in FIG. 6, four optical resonators can be formed with one spacer. The light reflecting element is a reflecting mirror substrate formed with a multilayer reflecting film. However, it is obvious that each reflecting mirror substrate may be a series of substrates or independent ones. is there. Also, the plurality of spacer cavities provided for the respective optical resonators do not need to have the same shape, and even when a cylindrical cavity is provided, the diameter of the spacer is different in order to make the natural frequency of the reflector substrate different. Obviously, different cavities may be provided. Further, although not shown in the drawing, each of the cavities is provided with a vent hole to the outside.

より線幅の狭いレーザ光を出力する安定化光源を得る場合には、図７に示す様に、安定化光源５００からのレーザ光を入力して、原子遷移波長にロックした安定化光源３００を複数並べて、それぞれの原子共鳴遷移波長と入力光とのずれの平均値を求め、その平均値で入力光の波長を調整する安定化光源６００構成することができる。この場合の出力ｆをより精密な時計用に用いることができる。 In order to obtain a stabilized light source that outputs a laser beam having a narrower line width, as shown in FIG. 7, a laser beam from the stabilized light source 500 is input, and the stabilized light source 300 locked to the atomic transition wavelength is provided. A stabilized light source 600 can be configured in which a plurality of elements are arranged in order to obtain an average value of deviations between the respective atomic resonance transition wavelengths and the input light, and the wavelength of the input light is adjusted by the average value. The output f in this case can be used for a more precise timepiece.

１００安定化光源
１０１レーザ光源
１０２アイソレータ
１０３光変調器
１０４偏光プリズム
１０５光共振器
１０６４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
１１２ＰＩＤ
２００安定化光源
２０１レーザ光
２０２波長シフター
２０３光変調器
２０４偏光プリズム
２０５光共振器
２０６４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
２１２ＰＩＤ
２１３ＶＣＯ
２１４オフセット電圧源
３００安定化光源
３０１レーザ光
３０２波長シフター
３０３波長シフター
３０５原子共鳴セル
３０６集光系
３０７分岐器
３０８光検出器
３０９同期検波器
３１０発振器
３１１半波長板
３１２ＰＩＤ３１３ＶＣＯ
３１４オフセット電圧源
３１５発振器
４００平均化手段
４１５周波数混合器
４１６フィルター
４１７位相比較器
４１８フィルター
４１９逓倍器
４２０ＶＣＯ
５００安定化光源
５２０分岐器
５２１半波長板
５２２偏光プリズム
５２３半波長板
５２４偏光プリズム
５２５波長シフター DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Stabilized light source 101 Laser light source 102 Isolator 103 Optical modulator 104 Polarizing prism 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 Polarizing prism 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 300 Stabilized Light Source 301 Laser Light 302 Wavelength Shifter 303 Wavelength Shifter 305 Atomic Resonance Cell 306 Condensing System 307 Branching Unit 308 Photodetector 309 Synchronous Detector 310 Oscillator 311 Half Wave Plate 312 PID 313 VCO
314 Offset voltage source 315 Oscillator 400 Averaging means 415 Frequency mixer 416 Filter 417 Phase comparator 418 Filter 419 Multiplier 420 VCO
500 Stabilizing light source 520 Branching device 521 Half wave plate 522 Polarizing prism 523 Half wave plate 524 Polarizing prism 525 Wavelength shifter

Claims

It shifts the wavelength of one laser beam (output a) each of the laser light branched from (201), to lock the wavelength of the resonance spectrum of the optical resonator having a small resonance characteristics than the laser beam for the full width at half maximum stability A plurality of light sources (200) (200-1 to 200-N) ;
Averaging means (400) for generating a feedback signal corresponding to the average of the respective shift amounts for shifting the wavelength of each of the branched laser beams;
A wavelength shifter (525) that adjusts the wavelength of the laser beam branched from the one laser beam with the feedback signal that is an output of the averaging means, and generates a probe beam,
It said optical resonator and der Rukoto features that provided outside the laser light source of the one laser beam, narrow linewidth light source aimed at optical frequency averaged by the parallel operation of the external optical resonator.

The stabilized light source is
A wavelength shifter that generates a shift to a wavelength stabilized light wavelength of branched said laser beam (202), an optical resonator having a narrow resonance characteristics than the laser beam for the full width at half maximum (the 205), said optical resonator comprising a synchronous detector for generating a feedback signal for locking the laser beam on the resonance wavelength and (209), a
Comprising a configuration for feeding back the feedback signal to the wavelength shifter ;
2. A narrow linewidth light source that achieves optical frequency averaging by parallel operation of external optical resonators according to claim 1.

Said optical resonator, the optical frequency by the parallel operation of the external optical resonator according to any one of claims 1 or claim 2, characterized in that the optical resonator using a Fabry-Perot optical resonator Narrow line width light source for averaging.

4. The optical frequency according to claim 3, wherein the Fabry-Perot optical resonator includes a plurality of Fabry-Perot optical resonators using a common spacer. Narrow line width light source for averaging.

The one laser beam is
5. The laser light from a light source that is wavelength-stabilized by locking the wavelength of the output light of the diode laser to the resonant wavelength of the optical resonator or the transition wavelength of the atomic resonator. A narrow-line-width light source in which optical frequency averaging is achieved by parallel operation of any one of the external optical resonators.

The averaging means generates a mixed signal having a frequency sum of the plurality of feedback signals from a product of the plurality of feedback signals, and a signal frequency-divided for frequency averaging from the mixed signal narrow line aimed at optical frequency averaged by the parallel operation of the external optical resonator according dividing circuit for outputting, from claim 1, characterized in that provided to any one of claims 5 to Width light source.

The averaging means includes: a frequency mixer that generates a mixed signal having a frequency sum of the plurality of feedback signals from a product of the plurality of feedback signals; and an oscillator that generates a signal obtained by frequency-dividing the mixed signal. Prepared,
6. The parallel operation of the external optical resonator according to claim 1 , wherein the signal of the oscillator is multiplied and then phase-synchronized with the mixed signal. Narrow line width light source with optical frequency averaging.