JPH0220926A - Atomic beam resonance device - Google Patents

Atomic beam resonance device

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Publication number
JPH0220926A
JPH0220926A JP17059788A JP17059788A JPH0220926A JP H0220926 A JPH0220926 A JP H0220926A JP 17059788 A JP17059788 A JP 17059788A JP 17059788 A JP17059788 A JP 17059788A JP H0220926 A JPH0220926 A JP H0220926A
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JP
Japan
Prior art keywords
atomic beam
time
cavity resonator
pass
stimulating
Prior art date
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Pending
Application number
JP17059788A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Kudome
賢治 久留
Masami Kihara
雅巳 木原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

PURPOSE:To improve frequency accuracy of an atomic beam oscillator by providing an optical switch for turning ON/OFF repeatedly a stimulating light by the time required for allowing an atom in an atomic beam to pass through a stimulating light part and the time required for allowing the atom so pass through a cavity resonator. CONSTITUTION:An optical switch and an optical switch 11' are inserted into an optical path of the stimulating light from stimulating lasers 2, 2', and an optical path of the stimulating light from a stimulating laser 4, respectively, and also, a timing signal generator 12 for bringing the optical switches 11, 11' to ON/OFF control is provided. The timing signal generator 12 turns ON the switch during the time tau, and subsequently, turns it OFF during the time T, and repeats this control. In this case, the time tau is equal to the time required for allowing an atom of the highest speed contained in an atomic beam to pass through the stimulating part, that is, the time when the atom is irradiated by light from the stimulating lasers 2, 2', and the time T is equal to the time required for allowing its atom to pass through a cavity resonator 3. Consequently, a time/frequency standard whose frequency accuracy is excellent is obtained.

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、例えば網同期用の標準クロックを発生ずる場
合に使用される原子ビーム発振器に係わり、特に、発振
周波数の高確度化を図った原子ビーム共鳴装置に関する
[Detailed Description of the Invention] "Field of Industrial Application" The present invention relates to an atomic beam oscillator used, for example, to generate a standard clock for network synchronization. Related to atomic beam resonator.

「従来の技術」 光ボンピング方式原子ビーム発振器は、セシウム原子の
超微細構造における電子エネルギ準位間の遷移周波数を
基準として水晶発振器の発振周波数を安定化させること
により、極めて安定な周波数を得る発振器である。
``Prior art'' The optical bombing type atomic beam oscillator is an oscillator that obtains an extremely stable frequency by stabilizing the oscillation frequency of a crystal oscillator based on the transition frequency between electronic energy levels in the ultrafine structure of a cesium atom. It is.

第3図に従来の光ボンピング方式原子ビーム発振器の構
成を示す。原子ビーム発生炉lから放出された原子ビー
ムは、励起用レーザ2.2゛から放射されたレーザ光に
よって一定の電子エネルギーベへ位にされた後、空胴共
振器3へ到達する。空胴共振器3はマイクロ波で励振さ
れており、この空胴共振器3に到達した原子はマイクロ
波と相互作用し、誘導遷移する。誘導遷移した原子は励
起用レーザ4から放射されたレーザ光によって励起され
、蛍光を放出する。この蛍光は光検出器5によって電気
信号に変換された後、同期検出器7へ出力される。同期
検出器7は低周波発振器6の出力を参照信号として光検
出器5の出力を同期検波する。
FIG. 3 shows the configuration of a conventional optical bombing type atomic beam oscillator. The atomic beam emitted from the atomic beam generating reactor 1 reaches the cavity resonator 3 after being brought to a certain level of electron energy by the laser light emitted from the excitation laser 2.2'. The cavity resonator 3 is excited by microwaves, and atoms that reach this cavity resonator 3 interact with the microwaves and undergo induced transition. The atoms that have undergone induced transition are excited by the laser light emitted from the excitation laser 4 and emit fluorescence. This fluorescence is converted into an electrical signal by the photodetector 5 and then output to the synchronous detector 7. The synchronous detector 7 synchronously detects the output of the photodetector 5 using the output of the low frequency oscillator 6 as a reference signal.

この検波出力は、空胴共振器3のマイクロ波の周波数が
セシウム原子の遷移周波数ν。(9,19G+−1z)
に一致した時「0」となる信号であり、VCO(i圧制
御発振器)制御部8へ出力される。VCO制御部8は、
同期検波器7の出力に基づいて、空胴共振器3のマイク
ロ波の周波数がν。となるようにVCO9の発振周波数
を制御する。このVCO9の出力は、発振器出力として
外部へ出力されると共に、周波数逓倍器13によって逓
倍され、周波数ν。のマイクロ波に変換され、位相変調
器IOを介して空胴共振器3へ出力される。
This detection output indicates that the microwave frequency of the cavity resonator 3 is the transition frequency ν of the cesium atom. (9,19G+-1z)
This is a signal that becomes "0" when it matches the , and is output to the VCO (i-pressure controlled oscillator) control section 8 . The VCO control unit 8 is
Based on the output of the synchronous detector 7, the frequency of the microwave of the cavity resonator 3 is ν. The oscillation frequency of the VCO 9 is controlled so that The output of this VCO 9 is output to the outside as an oscillator output, and is also multiplied by a frequency multiplier 13 to have a frequency ν. is converted into a microwave and output to the cavity resonator 3 via the phase modulator IO.

「発明が解決しようとする課題」 上述した光ボンピング方式原子ビーム発振器は従来の磁
界偏向方式原子ビーム発振器の欠点であった原子利用効
率の低さ、磁界に起因する周波数オフセット、複雑な原
子軌道等の問題点を解決することができ、周波数安定度
、確度の大幅な、改善が可能である。しかしながら、原
子と励起光が相互作用した際に発生する蛍光の一部が空
胴共振器3中に混入すると、原子のエネルギー準位はこ
の蛍光によって変化し、共鳴周波数もシフトしてしまう
。これは光シフトと呼ばれる(例えば、^、Br1ll
et、“Evaluation or the lig
ht 5hirts in an optically
 pumped cesium beam frequ
ency 5tandard。
"Problems to be Solved by the Invention" The optical bombing type atomic beam oscillator described above has the drawbacks of the conventional magnetic field deflection type atomic beam oscillator, such as low atomic utilization efficiency, frequency offset caused by the magnetic field, and complicated atomic orbits. This problem can be solved, and frequency stability and accuracy can be significantly improved. However, if part of the fluorescence generated when the atoms interact with the excitation light enters the cavity resonator 3, the energy level of the atoms will change due to this fluorescence, and the resonance frequency will also shift. This is called a light shift (e.g. ^, Br1ll
et, “Evaluation or the lig
ht 5hirts in an optically
pumped cesium beam
ency 5 standard.

” Metrologia、 17. pp、147−
150.1981参照)。そして、このシフト量は空胴
共振器3中における蛍光の強度に比例する。従って、原
子と励起光が相互作用する領域と空胴共振器3の間の距
離を長くすると、その距離に反比例してシフト量を小さ
くすることができる。しかし、この原子と励起光が相互
作用する領域と空胴共振器3の間の距離を長くすると装
置が大きくなる欠点があった。
"Metrologia, 17. pp, 147-
150.1981). The amount of shift is proportional to the intensity of fluorescence in the cavity resonator 3. Therefore, by increasing the distance between the region where atoms and excitation light interact and the cavity resonator 3, the amount of shift can be reduced in inverse proportion to the distance. However, if the distance between the region where the atoms and the excitation light interact and the cavity resonator 3 is increased, the device becomes larger.

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、光シフト
を根本的に除去して、周波数確度を改善した原子ビーム
共鳴装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide an atomic beam resonator in which optical shift is fundamentally eliminated and frequency accuracy is improved.

「課題を解決するための手段」 本発明は、所定の電子エネルギー準位にある原子をマイ
クロ波を用いて共鳴させる空胴共振器と、原子ビームを
前記空胴共振器に供給する原子ビーム発生炉と、前記空
胴共振器に入る前の原子ビームを照射して前記所定の電
子エネルギー準位に励起すると共に前記空胴共振器から
出た後の原子ビームを照射するための励起光を発生する
励起用レーザと、前記空胴共振器から出て前記励起光に
より励起された原子ビームからの蛍光を検出する光検出
器とを有する原子ビーム共鳴装置において、前記原子ビ
ーム中の原子が励起光部分を通過するのに要する時間と
該原子が空胴共振器を通過するのに要する時間とによっ
て前記励起光を繰り返しオン/オフする光スイッチ手段
を設けたことを特徴としている。
"Means for Solving the Problems" The present invention provides a cavity resonator that resonates atoms at a predetermined electronic energy level using microwaves, and an atomic beam generator that supplies an atomic beam to the cavity resonator. a reactor, and generates excitation light for irradiating the atomic beam before entering the cavity resonator to excite the predetermined electron energy level and irradiating the atomic beam after exiting the cavity resonator. In the atomic beam resonator apparatus, the atomic beam resonator includes an excitation laser that emits from the cavity resonator and detects fluorescence from an atomic beam excited by the excitation light, in which the atoms in the atomic beam are excited by the excitation light. The present invention is characterized in that an optical switch means is provided for repeatedly turning on and off the excitation light depending on the time required for the atom to pass through the part and the time required for the atom to pass through the cavity resonator.

「作用」 本発明においては、一定の電子エネルギー準位になった
原子が空胴共振器中を走行している間、励起光を遮断し
て蛍光が空胴共振器中に混入することを防ぎ、これによ
って光ソフトを根本的に除去している。このような構成
によれば、装置を大きくすることなく原子ビーム発振器
の周波数確度を向上させることが可能となる。
"Operation" In the present invention, while atoms at a certain electronic energy level are traveling in the cavity, excitation light is blocked to prevent fluorescence from entering the cavity. , this fundamentally eliminates optical software. According to such a configuration, it is possible to improve the frequency accuracy of the atomic beam oscillator without increasing the size of the device.

「実施例」 第1図は本発明の一実施例による原子ビーム共鳴装置を
用いた光ボンピング方式原子ビーム発振器の構成を示す
ブロック図であり、この図において第3図の各部に対応
する部分(こは同一の符号を付し、その説明を省略する
。この図に示す原子ビーム発振器が第3図に示すものと
異なる点は、励起用レーザ2.2゛からの励起光の光路
に光スィッチ11が、また、励起用レーザ4からの励起
光の光路に光スィッチ11°が各々挿入されている点、
および、この光スイッチ11,11°をオン/オフ制御
する制御信号を発生するタイミング信号発生器12が設
けられている点である。
Embodiment FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an optical bombing type atomic beam oscillator using an atomic beam resonator according to an embodiment of the present invention. The same reference numerals are used to omit the explanation.The atomic beam oscillator shown in this figure is different from the one shown in FIG. 11, optical switches 11° are also inserted in the optical path of the excitation light from the excitation laser 4,
Further, a timing signal generator 12 is provided which generates a control signal for controlling on/off the optical switches 11, 11°.

ここで、タイミング信号発生器12は、光スイッチ11
,1.1°を第2図に示すタイミングでオン/オフ制御
する。すなわち、時間τの間オンとし、次いで時間Tの
間オフとし、この制御を繰り返す。
Here, the timing signal generator 12 is the optical switch 11
, 1.1° are controlled on/off at the timing shown in FIG. That is, it is turned on for a time τ, then turned off for a time T, and this control is repeated.

この場合、時間τは原子ビームに含まれる最確速度の原
子が励起光部分を通過するのに要する時間、すなわち、
該原子が励起用レーザ2,2′からの光によって照射さ
れる時間に等しく、また、時間Tはその原子が空胴共振
器3を通過するのに要する時間に等しくなっている。
In this case, the time τ is the time required for an atom with the most probable velocity included in the atomic beam to pass through the excitation light section, that is,
The time T is equal to the time during which the atom is irradiated with the light from the excitation lasers 2, 2', and the time T is equal to the time required for the atom to pass through the cavity resonator 3.

このような構成において、まず、時間τの開光スイッチ
t +、t t’がオンとなると、レーザ2゜2°から
の光が原子ビームを照射する。次に、上記の光照射によ
り一定の電子エネルギー準位になった原子が空胴」(振
器3を通過する時間Tの間、光スィッチ+ 1.11’
がオフとなる。従って、光シフトが全くない状態で原子
が空胴共振器3を通過し、この時、共鳴周波数で原子が
誘導遷移する。
In such a configuration, first, when the light opening switches t + and t t' at time τ are turned on, light from the laser 2°2° irradiates the atomic beam. Next, during the time T during which the atoms, which have reached a certain electronic energy level due to the above-mentioned light irradiation, pass through the cavity' (oscillator 3), the optical switch +1.11'
is turned off. Therefore, the atoms pass through the cavity resonator 3 without any optical shift, and at this time, the atoms undergo induced transition at the resonant frequency.

次に、再び光スィッチ11.11’がオン状態になり、
空胴共振器3を通過した原子がレーザ4からのレーザ光
によって励起され、蛍光を放出する。
Next, the optical switch 11.11' is turned on again,
The atoms that have passed through the cavity resonator 3 are excited by the laser light from the laser 4 and emit fluorescence.

この時、■CO制御部8も動作状態となり、このVCO
制御部8によってVCO9の発振周波数が制御される。
At this time, ■CO control unit 8 also becomes operational, and this VCO
The control unit 8 controls the oscillation frequency of the VCO 9 .

またこの時、同時に、レーザ2.2からのレーザ光によ
って原子ビームの照射が行なわれ、以下、上記動作が繰
り返される。
At this time, atomic beam irradiation is simultaneously performed by the laser light from the laser 2.2, and the above operation is repeated thereafter.

「発明の効果」 以上説明したように、本発明によれば、空胴共振器にお
ける光シフトを完全に除去することができ、これにより
、周波数確度の優れた時間・周波数標準器を実現するこ
とが可能となる。
"Effects of the Invention" As explained above, according to the present invention, it is possible to completely eliminate the optical shift in the cavity resonator, thereby realizing a time/frequency standard with excellent frequency accuracy. becomes possible.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例による原子ビーム共鳴装置を
適用した光ボンピング方式原子ビーム発振器の構成を示
すブロック図、第2図は同実施例における光スイッチ1
1.11’のオン/オフタイミングを示す図、第3図は
従来の光ポンピング方式原子ビーム発振器の構成例を示
すブロック図である。 l・・・・・・原子ビーム発生炉、2.2°・・・・・
励起用レーザ、3・・・・・・空胴共振器、4・・・・
・励起用レーザ、5・・・・・・光検出器、11.11
’ ・・光スィッチ、12 ・・・・・タイミング信号発生器。 第3図
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an optical bombing type atomic beam oscillator to which an atomic beam resonator according to an embodiment of the present invention is applied, and FIG. 2 is an optical switch 1 in the same embodiment.
FIG. 3 is a block diagram showing an example of the configuration of a conventional optical pumping type atomic beam oscillator. l... Atomic beam generator, 2.2°...
Excitation laser, 3...Cavity resonator, 4...
・Excitation laser, 5...Photodetector, 11.11
'...Optical switch, 12...Timing signal generator. Figure 3

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 所定の電子エネルギー準位にある原子をマイクロ波を用
いて共鳴させる空胴共振器と、原子ビームを前記空胴共
振器に供給する原子ビーム発生炉と、前記空胴共振器に
入る前の原子ビームを照射して前記所定の電子エネルギ
ー準位に励起すると共に前記空胴共振器から出た後の原
子ビームを照射するための励起光を発生する励起用レー
ザと、前記空胴共振器から出て前記励起光により励起さ
れた原子ビームからの蛍光を検出する光検出器とを有す
る原子ビーム共鳴装置において、前記原子ビーム中の原
子が励起光部分を通過するのに要する時間と該原子が空
胴共振器を通過するのに要する時間とによって前記励起
光を繰り返しオン/オフする光スイッチ手段を設けたこ
とを特徴とする原子ビーム共鳴装置。
A cavity resonator that resonates atoms at a predetermined electronic energy level using microwaves, an atomic beam generator that supplies an atomic beam to the cavity resonator, and atoms before entering the cavity resonator. an excitation laser that irradiates a beam to excite the electrons to the predetermined energy level and generates excitation light for irradiating the atomic beam after exiting the cavity resonator; and a photodetector for detecting fluorescence from the atomic beam excited by the excitation light, the time required for the atoms in the atomic beam to pass through the excitation light portion and the time required for the atoms to pass through the excitation light portion, An atomic beam resonator comprising an optical switch means for repeatedly turning on and off the excitation light depending on the time required for the excitation light to pass through a body resonator.
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