JPH0258426A

JPH0258426A - 周波数標準器

Info

Publication number: JPH0258426A
Application number: JP20964988A
Authority: JP
Inventors: Koji Akiyama; 浩二秋山; Yoshiya Mizuta; 淑也水田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1988-08-24
Filing date: 1988-08-24
Publication date: 1990-02-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〈産業上の利用分野〉この発明は、標準物質の超微細スペクトル遷移を利用し
た周波数標準器に関し、特に構成が簡単な周波数標準器
に関するものである。

〈従来技術〉高安定な周波数出力を発生する周波数標準器として原子
の超微細スペクトル遷移を利用したものが知られている
。第６図にこの様な周波数標準器の一例を示す、第６図
において、ルビジウムランプ１の光はＲｂ８７が封入さ
れている共鳴セル２に照射される。この共鳴セル２の透
過光は光検出器３で検出され、その検出出力は信号増幅
器４で増幅されて同期検波器５に入力される。一方、電
圧制御水晶発振器６の出力は周波数合成器７に入力され
その周波数が逓倍されるとともに、低周波発振器８の出
力により位相変調される０周波数合成器７の出力はバラ
クタダイオード９を介して共鳴セル２を取囲む空胴共振
器１０に入力され、共鳴セル２に電磁波が照射される。

同期検′ｄｌｌ！ｆ５は低周波発振器８の出力で動作さ
れ、その出力は積分器１１で積分されて電圧制御水晶発
振器６に入力される。この電圧制御水晶発振器６の出力
は周波数Ｉｓ比出力して取出される。ルビジウムラング
１は駆動部１２で駆動される。

次にこの周波数標準器の動作を第７図に基づいて説明す
る。第７図はＲｂ８７のエネルギー単位であり、その基
底状態５ＳはＦ＝１とＦ＝２の２つの超微細準位に分か
れている。ルビジウムランプ１の光を吸収すると、Ｒｂ
８７はＦ＝１の準位から５２の励起準位に励起され、そ
こから等確率でＦ＝１とＦ＝２の単位におちる。Ｆ＝１
の準位におちたＲｂ８７はルビジウムラング１の光によ
り再度励起準位５Ｐに励起される。この様にしてＦ＝１
の準位にあるＲｂ８７は次第に少なくなりＦ＝２の単位
にあるＲｂ８７が増加する。この様な状態において、空
胴共振器１０にＦ＝１とＦ＝２のエネルギー差である６
、８ＧＨｚの電磁波を与えると、Ｆ＝２の準位にあった
Ｒｂ８７は誘導放出によりＦ−１の単位に落ち、共鳴セ
ル２による光の吸収が強くなる。共鳴セル２の透過光を
光検出器３で検出し、この透過光の強度が最小すなわち
吸収光が最大になるように電圧制御水晶発振器６を制御
すると、この電圧制御水晶発振器６の出力周波数はＲｂ
８７の超微細準位で規制されるので高安定になる。なお
、周波数合成器７における逓倍率を例えば約１３６０と
すれば、５　Ｍ　Ｈｚの周波数出力が得られる。

第８図に他の周波数標準器の構成を示す。この例は光源
として半導体レーザを用いたものである。

第８図において、半導体レーザ１３の出力光はハーフミ
ラ−１４で２つに分けられ、それぞれＲｂ８７共鳴セル
１５およびＲｂ　８７吸収セル１６に入射される。Ｒｂ
８７吸収セル１６の透過光は光検出器１７で検出され、
その検出出力は周波数制御手段１８に入力される１周波
数制御手段１８・は半導体レーザ１３の出力光の周波数
がＲｂ８７の吸収線と一致するようにその周波数を制御
する　ａ　ｂ　８７共鳴セル１５の透過光は光検出器１
９で検出され周波数制御手段２０に入力される１周波数
制御手段２０は光検出器１９が検出する先の強度が最小
になるように水晶発振器２１の出力周波数を制御する。

水晶発振器２１の出力は標準周波数として取出されると
共に周波数逓倍手段２２でその周波数が逓倍され、Ｒｂ
８７共鳴セル１５を取囲む空胴共振器２３に入力される
。動作原理は第６図と同じなので説明を省略する。

〈発明が解決すべき課題〉しかしながら、この様な周波数標準器には次のような問
題点がある。第６図の周波数Ｍ重器はルビジウムラン１
１を励起するために大きなパワーが必要であり、またラ
ンプの寿命が短いという欠点があった。さらに、ルビジ
ウムランプ１の出力光のスペクトル幅が広いので、短期
安定性、周波ｐ１．確度の点で第８図のレーザ励起方式
に比べて劣るという欠点があった。

第８図の周波数標準器は光源として半導体レザを用いて
いるので寿命か長く、また半導体レザの出力光のスペク
トル幅は狭いので短期安定性、周波数確度共優れている
。しかしながらｒ−ｔｂ８７のセルを２つ必要とするの
で、構成が複雑になり、また装置が大きくなるという欠
点があった。

〈発明の目的〉この発明の目的は、小型化が可能な周波数標準器を提供
することにある。

く課題を解決するための手段〉前記問題点を解決するために本発明では、所定の周波数
の光を特定の吸収スペクトルを有する標準物質を封入し
た吸収セルに照射し、またこの吸収セルに電磁波を与え
てこのａ準物質に超微細スペクトル遷移を生じさせ、こ
の超ｆｆ１４１［１スペクトル遷移に基づいて標準周波
数を発生させる周波数標重器において、半導体レーザの
出力光を第１の変調手段によって第１の周波数で変調し
、この半導体レーザの出力光を内部に特定の吸収スペク
トルを有する標′４物質を封入した吸収セルに照射する
。

この吸収セルには電磁波発生手段により電磁波を与える
。この電磁波は発振器の出力を第２の変調手段により第
１の周波数とは異なる第２の周波数で変調し、この変調
した出力を逓ｔ８シて伶る。また前記吸収セルの標準物
質が発する蛍光の強度を光検出器で検出し、この光検出
器の出力を第１の増幅手段で前記第１の周波数に関連す
る周波数で同期検波し、その出力に基づいて前記半導体
レーザの出力光の周波数を周波数安定化手段で安定化し
、また前記光検出器の出力を第２の増幅手段で前記第２
の周波数に関連する周波数で同期検波し、この出力に基
ついて前記発振器の出力周波数を周波数制御手段で制御
するようにしたものである。

〈実施例〉第１図に本発明に係る周波数標準器の一実施例を示す、
第１図において、３０は半導体レーザであり、その出力
光は吸収セル３１に入射される。

吸収セル３Ｉには特定の周波数の光を吸収する標準物質
、例えばＲｂ８７が封入されている。３２は吸収セル３
１の側面に対向して設けられた光検出器であり、吸収セ
ル３１の標準物質が発する蛍光の強度を電気信号に変換
する。３３は前置増幅器であり、光検出器３２の出力を
増幅する。３４は前置増幅器３３の出力を入力して同期
検波する第１の増幅手段を構成する第１のロックインア
ンプである。３５はＰＩＤ￥Ｉｉ御部であり、第１のロ
ックインアンプ３４の出力が入力される。３６は加算器
であり、発振器３７の出力及びＰＩＥ）制御部３５の出
力が入力される。この発振器３７の出力はまた第１のロ
ックインアンプ３４に参照信号として入力される０発振
器３７と加算３３６で第１の変調手段を構成し、ｐ　ｘ
　ｒ＞制御部３５、加算器３６で周波数安定化手段を構
成している。３８は前置増幅器３３の出力を入力して同
期検波する第２の増幅手段を構成する第２のロックイン
アンプである。３つはＰＩＤ制御部であり、第２のロッ
クインアンプ３８の出力が入力される。４０は水晶−Ｑ
振器であり、例えば１０ＭＨｚの信号を出力する。この
水晶発ｇＡ器４０にはＰＩＤ制御部３９の出力が入力さ
れる。４１は位相変調器であり、水晶発振器４０の出力
が入力される。この位相変・調器４１にはまた発振器４
２の出力が入力される。

この発振器４２の出力はまた第２のロックインアンプ３
８にも入力される。４３は周波数合成器であり、位相変
調器４１の出力が入力される。４４は空洞共振器であり
、吸収セル３１を取り囲むように配置されている。この
空胴共振器４４には周波数合成器４３の出力が入力され
る６発振器４２と位相変調器４１で第２の変調手段を、
ＰＩＩ）制御部３９で周波数制御手段を、周波数合成器
４３と空胴共振器４４で電磁波発生手段を構成する。

次に、この実施例の動作を説明する。加算器３６には発
振器３７の出力が入力され、この加算器３６の出力で半
導体レーザ３０の駆動電流が１ｌｉ１１御されるので、
半導体レーザ３０の出力光周波数は発振器３７の出力周
波数である周波数ｆ１１（例えば２ｋＨｚ）で変調され
る。この半導体レーザ３０の出力光は吸収セル３１に入
射されてＲｂ　８７で吸収され、励起された原子が自然
放出して発する蛍光による拡散光強度が光検出器３２に
より検出される。この光検出器３２の出力は第１のロッ
クインアン１３４で周波数で工、で同期検波され、半導
体レーザ３０の出力光の周波数変化信号のみが分離され
る。ＰＩＤ制御部３５はこの第１のロックインアンプ３
４の出力が一定になるように加算器３６を介して半導体
レーザ３０の駆動電流を制御するので、半導体レーザ３
０の出力周波数は吸収セル３１に封入されているＲ　ｂ
　８７の基底状態から５Ｐの励起状態に遷移させる光周
波数になるように制御される。一方、水晶発振器４０の
出力は位相変調器４１で周波数ｆ１２（例えば１５０　
）［ｚ　）で変調され、周波数合成器４３で６．８ＧＨ
ｚに逓倍されて空胴共振器４４に加えられる。空胴共振
器４４は吸収セル３１に６．８ＧＨｚのｔｍ波を照射す
る。この電磁波の周波数は周波数ｆ工、で変調されてい
る。第７図において、基底状態５ＳのＦ＝２の準位にあ
るＲｂ８７が誘導放出によりＦ＝１の準位に落ちると、
吸収セル３１による半導体レーザ３０の出力光の吸収が
増加するので、励起された原子が自然放出して発する蛍
光の量が増す、この蛍光の強度は光検出器３２で検出さ
れて第２のロックインアン１３８により周波数ｆ１２で
。

同期検波される。従って、第２のロックインアンプ３８
の出力には空胴共振器４４によって吸収セル３１に照射
される電磁波に起因する透過光強度の変化分のみが分離
されて表われる。ＰＩＤ制御部３９は光検出器３２の出
力が最大、ずなわち空胴共振器４４によって吸収セル３
１に照射される電磁波によるＦ＝２からＦ＝１への誘導
放出が最大になるように水晶発振器４０の出力周波数を
制御する。すなわち、水晶発振器４０の出力周波数はＲ
ｂ８７のＦ＝２からＦ＝１の準位のエネルギー差によっ
てロックされるので高安定になる。この実施例では周波
数ｆ１１１とｆｎ２を異ならせることにより、水晶発振
器４０の出力周波数の変化と半導体レーザ３０の出力光
の周波数変化の２つの情報を分離するようにしたもので
ある。

第２図に他の実施例を示す、なお、第１図と同じ要素に
は同一符号を付し、説明を省略する。この実施例は半導
体レーザの出力光の周波数を変調する手段として音響光
学変調器を用いたものである。第２図において、４５は
音響光学変調器であり、半導体レーザ３０の出力光が入
射され、その出力光は吸収セル３１に入射される。４６
は発振器であり、周波数ｆ。の信号を発振する。この信
号はスイッチ４７を介して音響光学変調器４５に印加さ
れる。スイッチ４７は発振器３７の出力によって駆動さ
れる。音響光学変調器４５はスイッチ４７がオンしてい
るときのみ半導体レーザ３０の出力光の周波数をｆ、だ
けシフトする。従って、半導体レーザ３０の出力光の周
波数は周波数ｆ１で変調される。ここでは発振器３７１
発＠器４６および音響光学変調器４５が第１の変調手段
を構成する。動作は第１図と同じなので、説明を省略す
る。このようにすると、半導体レーザ３０の出力光の周
波数は変調されないので、光周波数標準として用いる事
も出来る。また、脅Ｖ光学変調器４５の代わりに導波路
型位相変調器やバルク型電気光学素子を用いた位相変調
器を用いてもよい。

これには例えば縦型変調器、横型変調器、進行波形変調
器等がある。

なお、上記の各実施例では平面型の光検出器を使用して
いるが、これに限らず、例えば第４図の３２ａのような
円筒型の光検出器を用いれば、より多くの蛍光を受ける
ことができ、Ｓ　／、Ｎが向上する。あるいは第５図の
ように吸収セルの側面をミラー４５で取囲んで蛍光を光
検出器３２に集めるようにしてもよい。

また、上記の実施例では吸収セルの蛍光を検出しその出
力により半導体レーザと電磁波の周波数を共に制御して
いるが、吸収セルの透過光の検出手段を加え、その出力
により半導体レーザまたは電磁波の一方の周波数の制御
を行ってもよい、ただし、透過光を利用する場合は光検
出器の出力が最小となるように制御する。

また、上記の各実施例ではＦ＝２とＦ＝１の準位の誘導
放出を利用したが、電磁波の吸収による光−マイクロ波
２重共鳴信号を用いるようにしてらよい、これを第３図
を用いて説明する。基底状態５ＳのＦ＝２の準位のＲｂ
８７は半導体レーザ３０の出力光を吸収して５Ｐの励起
状態に遷移し、等確率で５８のＦ＝１とＦ＝２の準位に
落ちる。

ここで電磁波を吸収セル３１に照射してＦ＝１の準位か
らＦ＝２の準位に遷移させるようにする。

構成は第１図及び第２図と同じなので、詳細説明は省略
する。

また、この実施例では吸収セル３１に封入する物質とし
てＲｂ　　を用いたが、このほか）ｉｂ８５Ｃｓ　　　
を用いてもよい６Ｒｂ８５の場合は照射する電磁波は３
ＧＨｚ、Ｃｓ１３３の場合は９．２ＧＨｚになる。

また、電磁波を吸収セルに照射する手段として、空胴共
振器の他に一般のアンテナ等電磁波が出力出来るもので
あれば任意のものが使用出来る。

また、半導体レーザの出力光の周波数を変化させる手段
としてその温度を制御するようにしてもよい。

さらに、第１のロックインアンプ３４、第２のロックイ
ンアンプ３８に発振器３７．４２の出力である周波数ｆ
ｆ　　の信号を入力するように１１・　１２したが、その整数倍の周波数を用いるようにしてもよい
。

〈発明の効果〉以上実施例に基づいて具体的に説明したように、この発
明に係る周波数標準器では吸収セルの拡散光を検出して
いるので、吸収に関与した光の厘のみを検出することが
でき、透過光を検出する場合に比べてＳ／Ｎ比が向上し
、周波数安定度が向トする。

また、この発明では吸収セルを１つとして、半導体レー
ザの出力光及び吸収セルに照射する電磁波を異なる周波
数で変調して分離するようにした。

その為、光源を半導体レーザとした事により、ルビジウ
ムランプを使用するものに比べてスペクトル幅が狭くな
るので短期安定性、周波数確度が向上し、また寿命を長
くする事が出来る。また１つの吸収セルを用い、電磁波
を吸収セルに照射して、電磁波及び半導体レーザの出力
光の周波数を異なる周波数で変調してこれらの信号を分
離するようにした為、大幅に小型化、簡略化が可能にな
る。

また、吸収セルに照射する光の周波数が変化すると共鳴
周波数がシフトして周波数確度が若干低下するという欠
点はあるが、吸収セルを１つにすることが出来るので大
幅に小型化、簡略化が可能になり、特に２次標準器とし
て用いると効果が大きいという特徴がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る周波数標準器の一実施例を示すブ
ロック図、第２図は他の実施例を示すブロック図、第３
図及び第７図は吸収特性を示す特性曲線図、第４図およ
び第５図は光検出器の変形例を示す部分斜視メ１、第６
図、第８図は従来の周波数標準器の構成を示すブロック
図である。３０・・・半導体レーザ、３１・・・吸収セル、３２・
・・光検出器、３４・・・第１の増幅手段、３５．３９
・・・ＰＩＤ制御部、３６・・・加算器、３７，４２．
４６・・・発振器、３８・・・第２の増幅手段、４０・
・・水晶発振器、４１・・・位相変調器、４３・・・周
波数合成器、４４・・・空胴共振器、４５・・・音響光
学変調器、４７第　　３　図ヒ：１第図２ａ第

Claims

【特許請求の範囲】

所定の周波数の光を特定の吸収スペクトルを有する標準
物質を封入した吸収セルに照射し、またこの吸収セルに
電磁波を照射して前記標準物質の超微細スペクトル遷移
を生じさせ、この超微細スペクトル遷移に基づいて標準
周波数を発生させる周波数標準器において、半導体レー
ザと、この半導体レーザの出力光を第１の周波数で変調
する第１の変調手段と、前記半導体レーザの出力光が入
射されその内部に特定の吸収スペクトルを有する標準物
質を封入した吸収セルと、この吸収セルの標準物質が発
する蛍光を検出する光検出器と、発振器と、この発振器
の出力を第２の周波数で変調する第２の変調手段と、こ
の第２の変調手段の出力を逓倍して前記吸収セルに電磁
波を照射する電磁波発生手段と、前記光検出器の出力を
前記第１の周波数に関連する周波数で同期検波する第１
の増幅手段と、この第１の増幅手段の出力に基づいて前
記半導体レーザの出力光の周波数を安定化する周波数安
定化手段と、前記光検出器の出力を前記第２の周波数に
関連する周波数で同期検波する第２の増幅手段と、この
第２の増幅手段の出力に基づいて前記発振器の出力周波
数を制御する周波数制御手段とを備えたことを特徴とす
る周波数標準器。