JPH0263321A - 周波数標準器 - Google Patents

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
の改良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５図に同一出願人に係る周波数標準器の先行技術を示
す、第５図において、１０は半導体レーザであり、その
出力光は吸収セル１１に入射される。吸収セル１１には
捧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。１２は光検出器であり、吸収セル１
１の透過光の強度を電気信号に変換する。１３は前置増
幅器であり、光検出器１２の出力を増幅する。１４は第
１の増幅手段を構成する第１のロックインアンプであり
、前置増幅器１３の出力が入力される。１５はＰＩＤｌ
ｌＪ９１１部であり、第１のロックインアンプ１４の出
力が入力される。１６は加算器であり、発振器１７の出
力及びＰＩＤ制卿部１５の出力が入力される。この発振
器１７の出力はまた第１のロックインアンプ１４に参照
信号として入力される０発振器１７と加算器１６で第１
の変調手段を構成し、ＰＩＤ制御部１５、加算器１６で
周波数安定化手段を構成している。１８は第２の増幅手
段を構成する第２のロックインアンプであり、前置増幅
器１３の出力が入力される。１９はＰＩＤ制御部であり
、第２のロックインアンプ１８の出力が入力される。２
０は水晶発振器であり、例えば１０ＭＨｚの信号を出力
する。この水晶発振器２０にはＰＩＤ制ｖ４部１９の出
力が入力される。

２１は位相変調器であり、水晶発振器２０の出力が入力
される。この位相変調器２１にはまた発振器２２の出力
が入力される。この発振器２２の出力はまた第２のロッ
クインアンプ１８にも入力される。２３は周波数合成器
であり、位相変調器２１の出力が入力される。２４は空
洞共振器であり、吸収セル１１を取り囲むように配置さ
れている。

この空胴共振器２４には周波数合成器２３の出力が入力
される０発振器２２と位相変調器２１で第２の変調手段
を、ＰＩＤ制御部１９で周波数安定化手段を、周波数合
成器２３と空胴共振器２４で電磁波発生手段を構成する
。　次に、この周波数標準器の動作を説明する。加算器
１６には発振器１７の出力が入力され、この加算器１６
の出力で半導体レーザ１０の駆動電流が制御されるので
、半導体レーザ１０の出力光周波数は発振器１７の出力
周波数である周波数ｆ、１（例えば２ｋＨｚ）で変調さ
れる。この半導体レーザｌＯの出力光は吸収セル１１に
入射されてＲｂ８７で吸収され、その透過光強度が光検
出器１２により検出される。

この光検出器１２の出力は第１のロックインアンプ１４
で周波数ｆ１で同期検波され、半導体レーザ１０の出力
光の周波数変化信号のみが分離される。ＰＩＤ制御部１
５はこの第１のロックインアンプ１４の出力が一定にな
るように加算器１６を介して半導体レーザ１０の駆動電
流を制御するので、Ｒｂ８７のエネルギー単位を示す第
６図に示すように、半導体レーザ１０の出力周波数は吸
収セル１１に封入されているＲｂ８７の基底状態Ｆ＝１
の単位から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。５Ｐに励起されたＲｂ８７は、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は半導体レーザ１０の出力光によ
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の準位
にあるＲｂ８７が増加する。一方、水晶発振器２０の出
力は位相変調器２１で周波数ｆ１２（例えば１５０Ｈｚ
）で変調され、周波数合成器２３で６．８ＧＨｚに逓倍
されて空胴共振器２４に加えられる。空胴共振器２４は
吸収セル１１に６．８ＧＨｚの電磁波を照射する。この
電磁波の周波数は周波数ｆＩ１２で変調されている。第
６図において、基底状態５ＳのＦ＝２の単位にあるＲｂ
８７はこの電磁波による誘導放出によってＦ＝１の準位
に落ち、吸収セル１１による半導体レーザ１０の出力光
の吸収が増加してその透過光強度が減少する。この透過
光の強度は光検出器１２で検出されて第２のロックイン
アンプ１８により周波数ｆｎ２で同期検波される。従っ
て、第２のロックインアンプ１８の出力には空胴共振器
２４によって吸収セル１１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。ＰＩ
Ｄ制御部１９は光検出部１２の出力が最小、すなわち空
胴共振器２４によって吸収セル１１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２０の出力周波数を制御する。すなわち、
水晶発振器２０の出力周波数はＲｂ８７のＦ＝２からＦ
＝１の単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。この先行技術では周波数ｆ０とｆｎ２を異
ならせることにより、水晶発振器２０の出力周波数の変
化と半導体レーザ１０の出力光の周波数変化の２つの情
報を分離している。

〈発明が解決すべき課題〉 しかしたがら、この様な周波数標準器には次のような問
題点がある。すなわち、半導体レーザ１０の周波数安定
化にドツプラ拡がりのある線形吸収スペクトルを用いて
いるが、線形吸収スペクトルの中心周波数は吸収セルの
温度に左右され、吸収セルの温度安定度が悪いと半導体
レーザの周波数安定度が悪くなる。マイクロ波の共鳴周
波数はボンピング光の周波数により変化するため、吸収
セルの温度安定度が悪いと原子周波数標準器の安定度が
悪くなる。また、この状態で高い周波数安定度を実現し
ようとすると、吸収セルの温度安定度を高めて外部環境
変化に強くするため、恒温槽等が大型となってしまう。

〈発明の目的〉 本発明はこのような課題を解決するためになされたもの
で、小型化が図られるとともに吸収周波数の温度依存性
を小さくした周波数標準器を提供することを目的とする
。

〈課題を解決するための手段〉 本発明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、まなこの吸
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Ｂ準器に係るもので
、その特徴とするところは半導体レーザと、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ポンプ光として入射
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、この吸収セルの透過光に関連す
る光を反射するミラーと、このミラーの反射光に関連す
る光がプローブ光として前記吸収セルを前記ポンプ光と
逆方向に透過する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
セルに電磁波を加え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１１ｉＩＪｆｎ手段とを有
し、前記第１及び第２の周波数を異ならしめるようにし
た点にある。

さらに、上記の周波数標準器において、前記半導体レー
ザの出力光の一部がポンプ光として吸収セルに入射し、
前記半導体レーザの出力光の他の部分が前記吸収セルを
透過して第２の光検出器で検出され、前記第２の光検出
器の出力が第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されるように構成してもよい。

く伴用〉 半導体レーザの周波数が吸収セルの飽和吸収スペクトル
に制御されるので、これに基づいた共鳴周波数の信号が
出力される。

〈実施例〉 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。

第１図は本発明に係る周波数標準器の一実施例を示す構
成ブロック図である。第５図と同じ部分は同一記号を付
して説明を省略する。半導体レーザ１０の出力光は偏光
ビームスプリッタ１に入射して２方向に分割され、水平
（紙面に対して）偏波成分は透過し、垂直偏波成分は反
射する。透過光はポンプ光として吸収セル３１を照射後
、その透過光がピンホール２でビーム径を小さくされ、
１／４波長板（以下λ／４板と呼ぶ）３で円偏光となり
、ＮＤフィルタ４で光量を減衰され、ミラー５に入射す
る。ミラー５の反射光は再び光路を元に戻ってＮＤフィ
ルタを通過し、λ／４板で垂直偏光となり、ピンホール
２を介して吸収セル３１にポンプ光と反対方向から光パ
ワーの充分小さい１０−ブ光として入射する。プローブ
光の細いビームは前記ポンプ光と同一光路を逆方向に通
過して偏光ビームスプリッタ１に入射し、反射して第１
の光検出器３２で検出される。３３は前置増幅器であり
、第１の光検出器３２の出力を増幅して第１のロックイ
ンアンプ１４に入力される。偏光ビームスプリヴタ１で
反射された垂直偏波成分はミラー７で反射して吸収セル
３１に入鉛ヒ、透過光が第２の光検出器４２で検出され
る。光検出器４２の出力は第２の前置増幅器４３を介し
て第２のロックインアンプ１８に入力する。また空胴共
振器４４には周波数合成器２３の出力が印加され、電磁
波を吸収セル３１に照射する。

上記のような構成の周波数標準器の動作を次に説明する
。ポンプ光を吸収セル３１に入射し、ポンプ光の周波数
が吸収セル３１内の原子の光吸収周波数と一致すると、
ポンプ光の進行方向の速度成分０の原子は、ポンプ光を
吸収して飽和状態となるので１０−ブ光が吸収されにく
くなり、その吸収量が減少する。ポンプ光によって作ら
れたプローブ光の鋭いくぼみを検出することにより、第
１の光検出器３２からはドツプラ効果の影響が除かれた
鋭い飽和吸収信号が出力される。第５図の場合と同様に
信号処理が行なわれる結果、半導体レーザ１０の出力周
波数はＰＩＤ制御部１５により飽和吸収スペクトルに安
定化制御される。また半導体レーザ１０の出力光の内、
垂直偏波成分はミラー７を介して吸収セル３１に入射し
、その透過光が光検出器４２で検出されるが、第２のロ
ックインアンプ１８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基因する透過光強度
の変化分のみが分離されて現れる。第５図の場合と同様
、ＰＩＤ制御部１９は第２の光検出器４２の出力が最小
、すなわち空胴共振器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２０の出力周波数を制御する
。すなわち、水晶発振器２０の出力周波数はＲｂ８７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、高安定になる。

このような構成の周波数標準器によれば、飽和吸収スペ
クトルを用いて半導体レーザの周波数を安定化している
ので、吸収セルの温度変化によるレーザの周波数変化が
線形吸収スペクトルを用いた場合に比べて小さく、簡易
な温度安定化で高いレーザ周波数安定度が得られ、周波
数標準器の安定度が向上する。したがって、外部環境変
化にも強くなり、吸収セルの恒温槽も小型ですむ。

第２図は本発明に係る周波数標準器の第２の実施例で、
第１図の装置において飽和吸１収スペクトル検出用の光
とマイクロ波共鳴吸収スペクトル検出用の光を吸収セル
に異なる方向から入射するものを示す部分構成ブロック
図である。半導体レーザ１０から出力された垂直偏光光
はビームスプリッタ５６で２方向に分離され、その透過
光が偏光ビームスプリッタ１で反射され、吸収セル５１
にポンプ光として入射する。ミラー５の反射光はλ／４
板３で水平偏光光となり、プローブ光として吸収セル５
１．偏光ビームスプリッタ１を透過して第１の光検出器
３２に入射する。半導体レーザ１０の出力光のうち、ビ
ームスプリッタ５６で反射された光はミラー５７で反射
後ポンプ光と直角の方向から吸収セル５１に入射し、そ
の透過光が第２の光検出器４２で検出される。その池の
動作は第１図の場合と同様である。このような構成は、
吸収セルの径が小さくて光ビームを２本通しにくい場合
に有利である。

第３図は本発明に係る周波数標準器の第３の実施例で、
第１図の装置において飽和吸収スペクトル検出用の光を
マイクロ波共鳴吸収スペクトル検出にも兼用するものを
示す部分構成ブロック図である。すなわち第１図におい
て前置増幅器３３の出力が第２のロックインアンプ１８
に入力される。

動作は第１図の場合と同様である。このためミラー７、
第２の光検出器４２および第２の前置増幅器４３を省略
でき、光路が１つなので吸収セルの寸法が小さくなり、
構成が簡単となる。ただし、光パワーの大きい飽和光と
マイクロ波吸収スペクトル検出用の光が同じ光路を通っ
ているので、Ｓ／Ｎが低下する。

上記の各実施例では、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。光源を半導体レー
ザとした事により、従来の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て飽和吸収スペクトルとマイ
クロ波の共鳴吸収スペクトルを検出するので、大幅に小
型化、簡略化が可能になる。特に２次標準器として用い
ると効果が大きい。

なお、上記の各実施例で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半導体レーザの注入電流を変調
したが、これに限らず、音響光学変調器を用いることも
できる。このようにすると、半導体レーザ１０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、音響光学変調器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。

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もよい、これを第４図
を用いて説明する。基底状態５ＳのＦ＝２の単位のＲｂ
８７は半導体レーザ１０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１１に照射してＦ＝１の単位か
らＦ＝２の準位に遷移させるようにする。

構成は第１図と同じなので、詳細説明は省略する。

また、上記各実施例では吸収セル１１に封入する物質と
してＲｂ８７を用いたが、このほかＲｂ８５Ｃｓ　　　
を用いてもよい。Ｒｂ８５の場合は照射する電磁波は３
ＧＨｚ、Ｃｓ　　　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１４、第２のロックイ
ンアンプ１８に発振器１７．２２の出力である周波数ｆ
ｆ　　の信号を入力するように１１・　ｌ１２ 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〉 以上述べたように本発明によれば、小型化が図られると
ともに吸収周波数の温度依存性を小さくした周波数標準
器を実現することができる。

【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構
成ブロック図、第２図は本発明に係る周波数標準器の第
２の実施例を示す部分構成ブロック図、第３図は本発明
に係る周波数標準器の第３の実施例を示す部分構成ブロ
ック図、第４図は電磁波吸収の場合のｎ　ｂ　８７のエ
ネルギー単位を示す図、第５図は周波数標準器の先行技
術を示す構成ブロック図、第６図は誘導放出の場合のＲ
ｂ８７のエネルギー準位を示す図である。 ５・・・ミラー　ｌＯ・・・半導体レーザ、１１，３１
゜５１・・・吸収セル、１４・・・第１の増幅手段、１
５゜１９・・・ＰＩＤ制御部、１６・・・加算器、１７
．２２・・・発振器、１８・・・第２の増幅手段、２０
・・・水晶発振器、２１・・・位相変調器、２３・・・
周波数合成器、３２．４２・・・光検出器、４４・・・
空胴共振器。 第２図 第３図 第 図 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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
   出力光がポンプ光として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
   の吸収セルの透過光に関連する光を反射するミラーと、
   このミラーの反射光に関連する光がプローブ光として前
   記吸収セルを前記ポンプ光と逆方向に透過する光を検出
   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加える電磁
   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
   数制御手段とを有し、前記第１及び第２の周波数を異な
   らしめるようにした事を特徴とする周波数標準器。
2. （２）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
   出力光の一部がポンプ光として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、この吸収セルの透過光に関連する光を反射するミラ
   ーと、このミラーの反射光に関連する光がプローブ光と
   して前記吸収セルを前記ポンプ光と逆方向に透過する光
   を検出する第１の光検出器と、前記半導体レーザの出力
   光の他の部分が前記吸収セルを透過した光を検出する第
   ２の光検出器と、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加える電磁
   波発生手段と、前記第１の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
   、前記第２の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有し、前記第１及び第２の
   周波数を異ならしめるようにした事を特徴とする周波数
   標準器。