JPH05300016A - 原子周波数標準器 - Google Patents
原子周波数標準器Info
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- JPH05300016A JPH05300016A JP4357461A JP35746192A JPH05300016A JP H05300016 A JPH05300016 A JP H05300016A JP 4357461 A JP4357461 A JP 4357461A JP 35746192 A JP35746192 A JP 35746192A JP H05300016 A JPH05300016 A JP H05300016A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G04—HOROLOGY
- G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
- G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
- G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
- H03L7/00—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
- H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
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- General Physics & Mathematics (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 従来型装置よりも小型でしかも同程度の精度
を持つ原子周波数標準器を提供する。 【構成】 本発明のセル型原子周波数標準器は、小型気
体セル（５）とマイクロ波共振器（７）をレーザーダイ
オードの光源（９）と共に用いる。レーザーダイオード
光源は高強度であるため小型気体セルに付随するペナル
ティーが打ち消される。気体セルの容積を１００ｍｍ３
を越えないようにし、また関連の回路を半導体基板上に
形成することにより周波数標準器のサイズを同等精度を
持つ従来型装置と比較して２桁縮小できる。
を持つ原子周波数標準器を提供する。 【構成】 本発明のセル型原子周波数標準器は、小型気
体セル（５）とマイクロ波共振器（７）をレーザーダイ
オードの光源（９）と共に用いる。レーザーダイオード
光源は高強度であるため小型気体セルに付随するペナル
ティーが打ち消される。気体セルの容積を１００ｍｍ３
を越えないようにし、また関連の回路を半導体基板上に
形成することにより周波数標準器のサイズを同等精度を
持つ従来型装置と比較して２桁縮小できる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は周波数標準の分野に係
わり、特に、小型原子周波数標準器に係わる。
わり、特に、小型原子周波数標準器に係わる。
【０００２】
【従来の技術】最新の軍事システム、航空宇宙システム
及び通信システムは極めて安定性が高く且つ正確な時間
計測装置を必要とする場合が多く、その全体サイズ、重
量及び堅牢さが重視される。最近になって原子周波数標
準器が上記の用途に利用されるようになった。しかし、
原子周波数標準器にはその構成部品が大きい、またコス
トが高いという欠点がある。Ｌ．Ｌ．Ｌｅｗｉｓは“Ｔ
ｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ ｔｈｅ Ｆｏｒｔｙ−Ｆ
ｉｆｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ Ｆ
ｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９９１”のＡに
掲載された彼の論文に記載されているように、従来より
も短いビーム長と単一のマイクロ波相互作用領域を用い
ることによってセシウムビーム原子周波数標準器の小型
化を試みている。
及び通信システムは極めて安定性が高く且つ正確な時間
計測装置を必要とする場合が多く、その全体サイズ、重
量及び堅牢さが重視される。最近になって原子周波数標
準器が上記の用途に利用されるようになった。しかし、
原子周波数標準器にはその構成部品が大きい、またコス
トが高いという欠点がある。Ｌ．Ｌ．Ｌｅｗｉｓは“Ｔ
ｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆ ｔｈｅ Ｆｏｒｔｙ−Ｆ
ｉｆｔｈ Ａｎｎｕａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ Ｆ
ｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，１９９１”のＡに
掲載された彼の論文に記載されているように、従来より
も短いビーム長と単一のマイクロ波相互作用領域を用い
ることによってセシウムビーム原子周波数標準器の小型
化を試みている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の周波数標準器の
サイズ及び精度の制約に照らして、本発明の目的は従来
型装置よりも小型でしかも同程度の精度を持つ原子周波
数標準器を提供することにある。本発明ではこの目的
を、気体セル、前記気体セルに収容された蒸気、マイク
ロ波信号を発生させる発振器、前記発振器に接続され、
前記マイクロ波信号を前記蒸気と結合するマイクロ波空
洞、光ビームが前記蒸気を通過するように配置した光
源、前記蒸気を通過した前記光ビームを感知する光セン
サー、及び前記蒸気を通過した光量に応じて前記マイク
ロ波信号の周波数を制御する回路から成る原子周波数標
準器において、前記光源がレーザーダイオードから成
り、前記マイクロ波空洞が直線共振器から成ることを特
徴とする原子周波数標準器によって達成する。
サイズ及び精度の制約に照らして、本発明の目的は従来
型装置よりも小型でしかも同程度の精度を持つ原子周波
数標準器を提供することにある。本発明ではこの目的
を、気体セル、前記気体セルに収容された蒸気、マイク
ロ波信号を発生させる発振器、前記発振器に接続され、
前記マイクロ波信号を前記蒸気と結合するマイクロ波空
洞、光ビームが前記蒸気を通過するように配置した光
源、前記蒸気を通過した前記光ビームを感知する光セン
サー、及び前記蒸気を通過した光量に応じて前記マイク
ロ波信号の周波数を制御する回路から成る原子周波数標
準器において、前記光源がレーザーダイオードから成
り、前記マイクロ波空洞が直線共振器から成ることを特
徴とする原子周波数標準器によって達成する。
【０００４】原子周波数標準器は、原子の基底状態の２
つの超微細準位間の遷移を感知することによって周波数
標準として働く。使用する原子はシングレット（Ｊ＝１
／２）電子基底状態、従って超微細準位が２つである簡
単な構造を有するものから選択される。それらの原子の
超微細準位が容易に得られるマイクロ波周波数によって
分離される点が特に重要であり、具体的にはセシウムビ
ーム型とルビジウムセル型の２つだけが広く利用されて
いる。
つの超微細準位間の遷移を感知することによって周波数
標準として働く。使用する原子はシングレット（Ｊ＝１
／２）電子基底状態、従って超微細準位が２つである簡
単な構造を有するものから選択される。それらの原子の
超微細準位が容易に得られるマイクロ波周波数によって
分離される点が特に重要であり、具体的にはセシウムビ
ーム型とルビジウムセル型の２つだけが広く利用されて
いる。
【０００５】以下、添付図面を参照してこの発明をその
実施例につき詳細に説明する。
実施例につき詳細に説明する。
【０００６】
【実施例】図１は従来のセル型原子周波数標準器の簡略
図である。図１においては、水晶発振器１を制御して安
定した周波数出力信号３を発生させる。発振器の出力は
マイクロ波空洞、好ましくは直線共振器７内の気体セル
５に収容されているアルカリ金属蒸気６を励起するため
にも用いられる。光ビーム１０が蒸気６を通過して光セ
ンサー１１へ入射するように光源、好ましくはレーザー
ダイオード９を配置する。このレーザーダイオード９
は、基底状態にある蒸気原子によって吸収され、その蒸
気原子を励起エネルギー状態に遷移させる所定波長の光
を発するように設計されている。セシウム原子の場合、
波長８５２ｎｍの光がセシウム原子を６２Ｓ１／２基底
状態のＦ＝３超微細準位から６２Ｓ３／２共振状態のＦ
´＝２，３，４準位へポンピングする。Ｆ＝４超微細準
位にある原子はこの波長の光を吸収しないから、Ｆ３状
態の原子停在数が減少すれば蒸気６を通って光センサー
１１に入射する光量が増大する。６２Ｓ３／２状態にあ
る原子の衝突によるクエンチング及び自然崩壊で基底状
態のＦ＝３及びＦ＝４超微細準位の原子停在数が再び増
えるが、この２つの状態間の緩和速度は十分に低速であ
るから、Ｆ＝３準位の原子停在数の減少は極めて小さい
光ポンピング出力で起こる。基底状態の２つの超微細準
位の原子停在数にインバランスが生じるためマイクロ波
電磁界に対する感度が得られる。
図である。図１においては、水晶発振器１を制御して安
定した周波数出力信号３を発生させる。発振器の出力は
マイクロ波空洞、好ましくは直線共振器７内の気体セル
５に収容されているアルカリ金属蒸気６を励起するため
にも用いられる。光ビーム１０が蒸気６を通過して光セ
ンサー１１へ入射するように光源、好ましくはレーザー
ダイオード９を配置する。このレーザーダイオード９
は、基底状態にある蒸気原子によって吸収され、その蒸
気原子を励起エネルギー状態に遷移させる所定波長の光
を発するように設計されている。セシウム原子の場合、
波長８５２ｎｍの光がセシウム原子を６２Ｓ１／２基底
状態のＦ＝３超微細準位から６２Ｓ３／２共振状態のＦ
´＝２，３，４準位へポンピングする。Ｆ＝４超微細準
位にある原子はこの波長の光を吸収しないから、Ｆ３状
態の原子停在数が減少すれば蒸気６を通って光センサー
１１に入射する光量が増大する。６２Ｓ３／２状態にあ
る原子の衝突によるクエンチング及び自然崩壊で基底状
態のＦ＝３及びＦ＝４超微細準位の原子停在数が再び増
えるが、この２つの状態間の緩和速度は十分に低速であ
るから、Ｆ＝３準位の原子停在数の減少は極めて小さい
光ポンピング出力で起こる。基底状態の２つの超微細準
位の原子停在数にインバランスが生じるためマイクロ波
電磁界に対する感度が得られる。
【０００７】発振器１が超微細磁気双極子遷移周波数、
即ち、セシウム蒸気なら約９．１９ＧＨｚで作動される
場合、吸収及び発光事象を刺激することによってＦ＝３
及びＦ＝４準位の原子停在数を再び平衡させようとす
る。Ｆ＝３準位の停在数を再び増大させることにより、
発振器１のマイクロ波エネルギーは蒸気６によって吸収
される光量を増大させるように作用する。従って、気体
セル５を通ってセンサー１１に入射する光量は、発振器
１の周波数が正確に所期の超微細磁気双極子遷移周波数
である時最小値まで減少する。光センサー１１の出力が
フィードバック制御回路１３へ入力されると、この制御
回路１３は発振器１の周波数を所期周波数になるように
制御するための信号１４を出力する。気体セル５におけ
るマイクロ波電磁界を強めるため、共振器７は発振器１
のターゲット周波数またはその近くで共振するように設
計されている。
即ち、セシウム蒸気なら約９．１９ＧＨｚで作動される
場合、吸収及び発光事象を刺激することによってＦ＝３
及びＦ＝４準位の原子停在数を再び平衡させようとす
る。Ｆ＝３準位の停在数を再び増大させることにより、
発振器１のマイクロ波エネルギーは蒸気６によって吸収
される光量を増大させるように作用する。従って、気体
セル５を通ってセンサー１１に入射する光量は、発振器
１の周波数が正確に所期の超微細磁気双極子遷移周波数
である時最小値まで減少する。光センサー１１の出力が
フィードバック制御回路１３へ入力されると、この制御
回路１３は発振器１の周波数を所期周波数になるように
制御するための信号１４を出力する。気体セル５におけ
るマイクロ波電磁界を強めるため、共振器７は発振器１
のターゲット周波数またはその近くで共振するように設
計されている。
【０００８】セル型原子周波数標準器の全体サイズを縮
小するにはマイクロ波空洞及び気体セルのサイズを極力
縮小しなければならない。マイクロ波空洞小型化の可能
性を検討した結果、セシウムが気体セルに好ましい蒸気
であるとの結論に達した。直線共振器７の３つの寸法の
うち少なくとも２つはその波長に匹敵し、好ましくは半
波長よりも長くない。従って、６．８３ＧＨｚ（波長＝
４．４ｃｍ）で動作するルビジウムよりも９．１９ＧＨ
ｚ（波長＝３．３ｃｍ）で動作するセシウムの方が好ま
しい。即ち、所要の空洞容積を約半分に縮小できること
になるからである。超微細な遷移の磁場感度が低下する
ことも有利な点である。
小するにはマイクロ波空洞及び気体セルのサイズを極力
縮小しなければならない。マイクロ波空洞小型化の可能
性を検討した結果、セシウムが気体セルに好ましい蒸気
であるとの結論に達した。直線共振器７の３つの寸法の
うち少なくとも２つはその波長に匹敵し、好ましくは半
波長よりも長くない。従って、６．８３ＧＨｚ（波長＝
４．４ｃｍ）で動作するルビジウムよりも９．１９ＧＨ
ｚ（波長＝３．３ｃｍ）で動作するセシウムの方が好ま
しい。即ち、所要の空洞容積を約半分に縮小できること
になるからである。超微細な遷移の磁場感度が低下する
ことも有利な点である。
【０００９】原子周波数標準器の気体セルのサイズに関
する克服が容易でない制約は、それが共振器の設計とコ
ンパチブルでなければならないということだけである。
しかしながら、正しく最適化された原子周波数標準器の
性能は以下に述べる理由からセル容積の単調関数である
と考えられる。セル型周波数標準器の短期的安定性は超
微細吸収線のＱと感知光信号のＳ／Ｎ比との積に左右さ
れる。もしセル容積を縮小すればこれら２つの係数はい
ずれも劣化する。セル容積を縮小すれば蒸気原子とセル
壁とのより急速な相互作用によって超微細吸収線が広が
る。この現象は緩衝気体密度を増大させることによって
緩和できるが、これに伴なう衝突によるクエンチングが
この緩和を制限する。
する克服が容易でない制約は、それが共振器の設計とコ
ンパチブルでなければならないということだけである。
しかしながら、正しく最適化された原子周波数標準器の
性能は以下に述べる理由からセル容積の単調関数である
と考えられる。セル型周波数標準器の短期的安定性は超
微細吸収線のＱと感知光信号のＳ／Ｎ比との積に左右さ
れる。もしセル容積を縮小すればこれら２つの係数はい
ずれも劣化する。セル容積を縮小すれば蒸気原子とセル
壁とのより急速な相互作用によって超微細吸収線が広が
る。この現象は緩衝気体密度を増大させることによって
緩和できるが、これに伴なう衝突によるクエンチングが
この緩和を制限する。
【００１０】Ｓ／Ｎ比は光学的ショットノイズによって
決定されるのが普通であるから、光信号強度の平方根と
して変化すると予想される。これはポンピングに利用で
きる原子の総数と共に単調に変化するためセル容積の縮
小に伴って小さくなる。圧力／温度を上昇させることに
よって蒸気原子密度を増大させれば衝突による相互作用
速度の増大に起因する吸収線の広がりによって制限され
るものの、Ｓ／Ｎ比を部分的に回復することができる。
従って、緩衝気体及び蒸気の密度を最適化しても、吸収
線のＱとＳ／Ｎ比が低下することでセル容積の縮小には
性能ペナルティーが課せられることになる。
決定されるのが普通であるから、光信号強度の平方根と
して変化すると予想される。これはポンピングに利用で
きる原子の総数と共に単調に変化するためセル容積の縮
小に伴って小さくなる。圧力／温度を上昇させることに
よって蒸気原子密度を増大させれば衝突による相互作用
速度の増大に起因する吸収線の広がりによって制限され
るものの、Ｓ／Ｎ比を部分的に回復することができる。
従って、緩衝気体及び蒸気の密度を最適化しても、吸収
線のＱとＳ／Ｎ比が低下することでセル容積の縮小には
性能ペナルティーが課せられることになる。
【００１１】本発明は、従来使用されている放電共振ラ
ンプ及びアイソトピック・フィルタリングの代りにレー
ザーダイオード・ポンピングを利用することによりセル
容積縮小に伴なうペナルティーを克服して余りある成果
を達成するものである。低コストのレーザーダイオード
は光出力のほとんど全部がポンピングされる吸収線より
もはるかに狭い周波数帯域内にあって、極めて選択的且
つ強力なポンピングを行うように単一モードで動作させ
ることができる。レーザーダイオードを使用することに
よって得られる他の利点として、必要な空間を減少し、
光源からセル及びセンサーへの光学的結合を単純化する
ことができる。ただし、原子周波数標準器にダイオード
レーザーを使用するにはレーザーを関連の吸収線中心に
同調しなければならず、内部空洞を有する市販のレーザ
ーダイオードの電流及び／または温度を変化させること
によって達成できる同調範囲はごく限られている。波長
制御を容易にするために外部空洞に頼ることなくレーザ
ーダイオードをこの用途に利用できることが知られてい
なかったのもそのためである。
ンプ及びアイソトピック・フィルタリングの代りにレー
ザーダイオード・ポンピングを利用することによりセル
容積縮小に伴なうペナルティーを克服して余りある成果
を達成するものである。低コストのレーザーダイオード
は光出力のほとんど全部がポンピングされる吸収線より
もはるかに狭い周波数帯域内にあって、極めて選択的且
つ強力なポンピングを行うように単一モードで動作させ
ることができる。レーザーダイオードを使用することに
よって得られる他の利点として、必要な空間を減少し、
光源からセル及びセンサーへの光学的結合を単純化する
ことができる。ただし、原子周波数標準器にダイオード
レーザーを使用するにはレーザーを関連の吸収線中心に
同調しなければならず、内部空洞を有する市販のレーザ
ーダイオードの電流及び／または温度を変化させること
によって達成できる同調範囲はごく限られている。波長
制御を容易にするために外部空洞に頼ることなくレーザ
ーダイオードをこの用途に利用できることが知られてい
なかったのもそのためである。
【００１２】各種の市販レーザーダイオードの特性を測
定した結果、所要の波長で安定させることが可能である
と判明した。先ず光学的マルチチャンネル・アナライザ
ーでレーザー出力を観察することにより所要の動作温度
及び駆動電流を特定した。セシウム蒸気及び緩衝気体が
入ったセルを通過するレーザー出力を、８５２または８
９４ｎｍ付近の吸収線をレーザーで走査しながら観察し
た。その結果、基底状態の超微細準位が完全に分かれて
いるのが判明し、ドップラー／衝突の複合作用による拡
幅によってフォークト・プロフィルが生じていた。
定した結果、所要の波長で安定させることが可能である
と判明した。先ず光学的マルチチャンネル・アナライザ
ーでレーザー出力を観察することにより所要の動作温度
及び駆動電流を特定した。セシウム蒸気及び緩衝気体が
入ったセルを通過するレーザー出力を、８５２または８
９４ｎｍ付近の吸収線をレーザーで走査しながら観察し
た。その結果、基底状態の超微細準位が完全に分かれて
いるのが判明し、ドップラー／衝突の複合作用による拡
幅によってフォークト・プロフィルが生じていた。
【００１３】原子周波数標準器に使用する場合、ダイオ
ードレーザー波長をフィードバック制御システムによっ
て吸収最小周波数の１つに無期限に安定させねばならな
い。レーザーダイオードの温度を適当な値に安定させれ
ば、レーザー駆動電流に微小交流成分を印加することに
より出力を周波数変調することができる。その結果、光
出力が周波数変調され、気体セルを通過する光出力に現
われる交流の変動を位相検波することが可能になる。こ
のように構成すれば、レーザー周波数を吸収ディップ周
波数に無期限にロックすることができる。バイポーラ・
エラー信号のゆらぎを測定したところ、交流電流振幅が
交流周波数２５ＭＨｚに相当する３０マイクロアンペア
なら、変曲点間の幅が１．１ＧＨｚの圧力で拡幅された
吸収ピークを使用して、ダイオードレーザーを約１００
ＫＨｚに安定可能であることが判明した。この安定性は
課せられている目的を達成して余りある。この方法の１
例はＯｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏ
ｌ．２９，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ １９９０に発表された
Ｔ．Ｍ．Ｓｈａｙ及びＣ．Ｃｈｕｎｇの論文“４００Ｈ
ｚ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ
ａ ＧａＡｌＡｓ Ｌａｓｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
Ｌｃｋｅｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｒｂ（Ｄ２）Ｌｉｎｅ”に
詳しく説明されており、参考のため、その内容を本願明
細書に引用した。
ードレーザー波長をフィードバック制御システムによっ
て吸収最小周波数の１つに無期限に安定させねばならな
い。レーザーダイオードの温度を適当な値に安定させれ
ば、レーザー駆動電流に微小交流成分を印加することに
より出力を周波数変調することができる。その結果、光
出力が周波数変調され、気体セルを通過する光出力に現
われる交流の変動を位相検波することが可能になる。こ
のように構成すれば、レーザー周波数を吸収ディップ周
波数に無期限にロックすることができる。バイポーラ・
エラー信号のゆらぎを測定したところ、交流電流振幅が
交流周波数２５ＭＨｚに相当する３０マイクロアンペア
なら、変曲点間の幅が１．１ＧＨｚの圧力で拡幅された
吸収ピークを使用して、ダイオードレーザーを約１００
ＫＨｚに安定可能であることが判明した。この安定性は
課せられている目的を達成して余りある。この方法の１
例はＯｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｖｏ
ｌ．２９，Ｎｏ．６，Ｊｕｎｅ １９９０に発表された
Ｔ．Ｍ．Ｓｈａｙ及びＣ．Ｃｈｕｎｇの論文“４００Ｈ
ｚ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ
ａ ＧａＡｌＡｓ Ｌａｓｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ
Ｌｃｋｅｄ ｔｏ ｔｈｅ Ｒｂ（Ｄ２）Ｌｉｎｅ”に
詳しく説明されており、参考のため、その内容を本願明
細書に引用した。
【００１４】同じ程度に重要な問題はダイオードジャン
クション温度の安定化である。測定結果によれば、この
種のレーザーでは電流制御によって必要な波長を維持で
きる範囲は２乃至４℃である。従って、ジャンクション
温度を±０．５℃の範囲内で制御すれば十分である。
クション温度の安定化である。測定結果によれば、この
種のレーザーでは電流制御によって必要な波長を維持で
きる範囲は２乃至４℃である。従って、ジャンクション
温度を±０．５℃の範囲内で制御すれば十分である。
【００１５】本発明の目的を達成するには最小寸法のマ
イクロ波空洞７が必要である。その一実施例が図２の遅
波らせん励振器１５である。図示の構造は気体セル１７
及びその外面の周りに形成した導体１９から成る。導体
１９は気体セル１７の表面と接触させるか、あるいは導
体１９によって搬送される信号を気体セル１７内の（図
示しない）蒸気と結合させることができるように気体セ
ル１７に十分接近させればよい。導体１９はらせん状に
形成すればよく、設計パラメーターは所要周波数の入力
信号との結合時に定常波または進行波を支持できるよう
に選択する。コイルを非放射態様に維持して気体セル１
７内での信号と蒸気の結合効率を高めるには、気体セル
１７の周囲寸法を信号の半波長よりも大きくならないよ
うに制限しなければならない。導体１９は気体セル１７
の外側に導線を巻着することによって形成するか、ある
いは気体セル１７の全外面に金属コーティングを施して
からエッチング処理で選択的に金属を除去することによ
り所要の導体形状にすればよい。
イクロ波空洞７が必要である。その一実施例が図２の遅
波らせん励振器１５である。図示の構造は気体セル１７
及びその外面の周りに形成した導体１９から成る。導体
１９は気体セル１７の表面と接触させるか、あるいは導
体１９によって搬送される信号を気体セル１７内の（図
示しない）蒸気と結合させることができるように気体セ
ル１７に十分接近させればよい。導体１９はらせん状に
形成すればよく、設計パラメーターは所要周波数の入力
信号との結合時に定常波または進行波を支持できるよう
に選択する。コイルを非放射態様に維持して気体セル１
７内での信号と蒸気の結合効率を高めるには、気体セル
１７の周囲寸法を信号の半波長よりも大きくならないよ
うに制限しなければならない。導体１９は気体セル１７
の外側に導線を巻着することによって形成するか、ある
いは気体セル１７の全外面に金属コーティングを施して
からエッチング処理で選択的に金属を除去することによ
り所要の導体形状にすればよい。
【００１６】らせん励振器の負荷時Ｑは矩形空洞の負荷
時Ｑ（約８０）とほぼ同等であるが、同調は後者よりも
困難である。コイル内のＨ電磁界・パターンは半径方向
及び軸方向の成分を有し、後者は最強であることが好ま
しい軸線上において最小値を取る。それにも拘らず、測
定の結果、この種の励振器が原子周波数標準器用として
有用であることが判明した。周囲寸法が入力信号の半波
長よりも大きくならないように気体セル１７のサイズを
小さくすれば、セル内の蒸気を励起するのに必要な電磁
界の浸透が１マイクロワットの何分の１かで達成され
る。この程度の出力レベルはＭＯＳ回路で得ることがで
きる。気体セル１７は外側寸法が直径６ｍｍ×長さ１８
ｍｍを超えず、内部容積が１００ｍｍ３を超えないこと
が好ましい。真空封着によってこの装置を断熱すると、
（図示しない）容器が進行波管の分野で公知のようにら
せん巻線のシールドを兼ねることができる。導体１９の
励起は主らせん導体１９の入力及び／または出力側に巻
着した第２の短いバイファイラーらせん巻線２１によっ
て達成することができる。このバイファイラーらせん巻
線２１は気体セル１７のための温度制御系に含まれるヒ
ーターを兼ねることができる。この温度制御系に利用さ
れる温度センサー２３は気体セル１７の中空部内または
表面に配置される。主らせん導体１９はヒーターを兼ね
ることができ、ピッチ変化によりらせんフィルターとし
て機能するようにしてもよい。
時Ｑ（約８０）とほぼ同等であるが、同調は後者よりも
困難である。コイル内のＨ電磁界・パターンは半径方向
及び軸方向の成分を有し、後者は最強であることが好ま
しい軸線上において最小値を取る。それにも拘らず、測
定の結果、この種の励振器が原子周波数標準器用として
有用であることが判明した。周囲寸法が入力信号の半波
長よりも大きくならないように気体セル１７のサイズを
小さくすれば、セル内の蒸気を励起するのに必要な電磁
界の浸透が１マイクロワットの何分の１かで達成され
る。この程度の出力レベルはＭＯＳ回路で得ることがで
きる。気体セル１７は外側寸法が直径６ｍｍ×長さ１８
ｍｍを超えず、内部容積が１００ｍｍ３を超えないこと
が好ましい。真空封着によってこの装置を断熱すると、
（図示しない）容器が進行波管の分野で公知のようにら
せん巻線のシールドを兼ねることができる。導体１９の
励起は主らせん導体１９の入力及び／または出力側に巻
着した第２の短いバイファイラーらせん巻線２１によっ
て達成することができる。このバイファイラーらせん巻
線２１は気体セル１７のための温度制御系に含まれるヒ
ーターを兼ねることができる。この温度制御系に利用さ
れる温度センサー２３は気体セル１７の中空部内または
表面に配置される。主らせん導体１９はヒーターを兼ね
ることができ、ピッチ変化によりらせんフィルターとし
て機能するようにしてもよい。
【００１７】小型マイクロ波励振装置の他の実施例が図
３に示すＬＣギャップ励振器２７であり、気体セル３１
上にまたはその周りにＬＣギャップ導体２９が形成され
ている。ＬＣギャップ導体２９は原子周波数標準器の発
振器からのデジタル信号を搬送し、気体セル３１内の
（図示しない）蒸気との効率的な電磁結合を可能にす
る。
３に示すＬＣギャップ励振器２７であり、気体セル３１
上にまたはその周りにＬＣギャップ導体２９が形成され
ている。ＬＣギャップ導体２９は原子周波数標準器の発
振器からのデジタル信号を搬送し、気体セル３１内の
（図示しない）蒸気との効率的な電磁結合を可能にす
る。
【００１８】共振器７内に均質な直線磁界を発生させる
には、直線共振器、例えば、低損失誘電体が装荷されて
いる矩形ＴＥ１０１空胴が好ましい。図４のマイクロス
トリップ励振器３５を使用することも可能である。図４
では底壁３７及び導電片３９が絶縁材４１によって互い
に分離されている。導電片３９は原子周波数標準器の発
振器からの信号を搬送する機能を有する。この信号は入
力接続部４３に印加され導電片３９に誘導結合される。
導電片３９はターゲット周波数の信号に対する共振長さ
またはこれに近いことが好ましい。従来のマイクロスト
リップ共振器の作用を果たすこれらの構成要素はアルカ
リ蒸気４７を含む気体セル４５と電磁結合されている。
気体セル４５は絶縁材４１の溝に配置された密封容器で
ある。絶縁材を通過する信号の波長は蒸気を通過する信
号の波長よりもはるかに短いから、マイクロストリップ
励振器３５の全体サイズは公知の共振空洞よりもはるか
に小さい。
には、直線共振器、例えば、低損失誘電体が装荷されて
いる矩形ＴＥ１０１空胴が好ましい。図４のマイクロス
トリップ励振器３５を使用することも可能である。図４
では底壁３７及び導電片３９が絶縁材４１によって互い
に分離されている。導電片３９は原子周波数標準器の発
振器からの信号を搬送する機能を有する。この信号は入
力接続部４３に印加され導電片３９に誘導結合される。
導電片３９はターゲット周波数の信号に対する共振長さ
またはこれに近いことが好ましい。従来のマイクロスト
リップ共振器の作用を果たすこれらの構成要素はアルカ
リ蒸気４７を含む気体セル４５と電磁結合されている。
気体セル４５は絶縁材４１の溝に配置された密封容器で
ある。絶縁材を通過する信号の波長は蒸気を通過する信
号の波長よりもはるかに短いから、マイクロストリップ
励振器３５の全体サイズは公知の共振空洞よりもはるか
に小さい。
【００１９】図４のマイクロストリップ励振器３５は電
磁放射の効果をモデリングするための公知計算方法を用
いて設計することができる。ターゲット周波数が９．１
９ＧＨｚ、ライン・インピーダンスが５０オーム、誘電
体定数が４なら、マイクロストリップ励振器３５の凡そ
のサイズは長さが１０ｍｍ、幅が９ｍｍ、高さが３ｍｍ
となり、これに対応する気体セルの寸法は幅が３ｍｍ、
高さが３ｍｍ、長さが１０ｍｍとなる。気体セル４５の
長さは半波長導電片３９と同じであることが好ましい。
もっと短くしてもよいが、半波長よりもはるかに長くす
るのは好ましくない。即ち、長くした部分には共振部と
連携する高電磁界が作用しないという欠点がある。
磁放射の効果をモデリングするための公知計算方法を用
いて設計することができる。ターゲット周波数が９．１
９ＧＨｚ、ライン・インピーダンスが５０オーム、誘電
体定数が４なら、マイクロストリップ励振器３５の凡そ
のサイズは長さが１０ｍｍ、幅が９ｍｍ、高さが３ｍｍ
となり、これに対応する気体セルの寸法は幅が３ｍｍ、
高さが３ｍｍ、長さが１０ｍｍとなる。気体セル４５の
長さは半波長導電片３９と同じであることが好ましい。
もっと短くしてもよいが、半波長よりもはるかに長くす
るのは好ましくない。即ち、長くした部分には共振部と
連携する高電磁界が作用しないという欠点がある。
【００２０】図４のマイクロストリップ励振器３５は公
知の製法で製造される。マイクロストリップ励振器３５
の構成材料は設計周波数及び寸法の制約に合わせるため
種々のものがある。底壁３７及び共振長さ導電片３９は
銅または金のような導電材から成る。気体セル４５及び
絶縁材４１は単一片から一体形成してもよいが、形成し
た絶縁材４１の長さの孔へ別体の気体セル４５を挿入し
てもよい。絶縁材は典型的にはガラス、サファイアまた
は石英である。気体セル４５及び絶縁材４１が単一片の
石英なら、石英に適当なコーティングを裏張りすること
によってアルカリ蒸気による劣化を防止しなければなら
ない。構成材料が設計上のその他の可変要因と相互作用
してマイクロストリップ励振器３５の全体寸法に影響を
与える。例えば、誘電定数を大きくすれば波長及び特性
インピーダンスが小さくなり、従って構成要素のサイズ
が小さくなる。
知の製法で製造される。マイクロストリップ励振器３５
の構成材料は設計周波数及び寸法の制約に合わせるため
種々のものがある。底壁３７及び共振長さ導電片３９は
銅または金のような導電材から成る。気体セル４５及び
絶縁材４１は単一片から一体形成してもよいが、形成し
た絶縁材４１の長さの孔へ別体の気体セル４５を挿入し
てもよい。絶縁材は典型的にはガラス、サファイアまた
は石英である。気体セル４５及び絶縁材４１が単一片の
石英なら、石英に適当なコーティングを裏張りすること
によってアルカリ蒸気による劣化を防止しなければなら
ない。構成材料が設計上のその他の可変要因と相互作用
してマイクロストリップ励振器３５の全体寸法に影響を
与える。例えば、誘電定数を大きくすれば波長及び特性
インピーダンスが小さくなり、従って構成要素のサイズ
が小さくなる。
【００２１】図５はマイクロストリップ励振器５１の他
の実施例を示す断面図である。この実施例では、励振器
５１が蒸気５５の入った気体セル５３を備えており、こ
の気体セルは導電片５７の上にある。ここでも絶縁材５
９が導電片５７を底壁６１から分離している。マイクロ
波出力は入力導体６３を介して導電片５７へ供給され
る。この装置における電磁界は導電片５７を囲むエネル
ギーの閉ループから成る。電磁界の強さは導電片５７と
底壁６１の間の領域において最大となるが、電磁力線の
一部が気体セル５３の位置を貫通して所要の電磁結合を
与える。気体セル５３は導電片５７に直接重ねるか、ま
たは信号を蒸気５５と結合させるのに十分接近させれば
よい。このような装置の結合効率はＶ字形の溝を持つよ
うに導電片及び絶縁材の形状を選択し、Ｖ字形溝の谷に
気体セルを配置することによって高めることができる。
の実施例を示す断面図である。この実施例では、励振器
５１が蒸気５５の入った気体セル５３を備えており、こ
の気体セルは導電片５７の上にある。ここでも絶縁材５
９が導電片５７を底壁６１から分離している。マイクロ
波出力は入力導体６３を介して導電片５７へ供給され
る。この装置における電磁界は導電片５７を囲むエネル
ギーの閉ループから成る。電磁界の強さは導電片５７と
底壁６１の間の領域において最大となるが、電磁力線の
一部が気体セル５３の位置を貫通して所要の電磁結合を
与える。気体セル５３は導電片５７に直接重ねるか、ま
たは信号を蒸気５５と結合させるのに十分接近させれば
よい。このような装置の結合効率はＶ字形の溝を持つよ
うに導電片及び絶縁材の形状を選択し、Ｖ字形溝の谷に
気体セルを配置することによって高めることができる。
【００２２】図６に示すＶ字形溝マイクロストリップ励
振器６７は底壁６９、絶縁材７１、Ｖ字形溝の形状の導
電片７３、及び気体セル７５から成る。Ｖ字形溝マイク
ロストリップ励振器についてはＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗ
ａｖｅ ａｎｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｗａｖｅ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９
９１に発表されたＴ．Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｓ．Ｂａｎｂ
ａ，Ｈ．Ｏｇａｗａ，及びＨ．Ｎａｋａｍｏｔｏの論文
に記載されており、参考のためその内容を本願明細書中
に引用した。
振器６７は底壁６９、絶縁材７１、Ｖ字形溝の形状の導
電片７３、及び気体セル７５から成る。Ｖ字形溝マイク
ロストリップ励振器についてはＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗ
ａｖｅ ａｎｄ Ｇｕｉｄｅｄ Ｗａｖｅ Ｌｅｔｔｅ
ｒｓ，Ｖｏｌ．１，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９
９１に発表されたＴ．Ｈａｓｅｇａｗａ，Ｓ．Ｂａｎｂ
ａ，Ｈ．Ｏｇａｗａ，及びＨ．Ｎａｋａｍｏｔｏの論文
に記載されており、参考のためその内容を本願明細書中
に引用した。
【００２３】原子周波数標準器における蒸気の温度安定
性は周波数の精度を維持する上で重要である。気体セル
の小型化を犠牲にすることなく装置の温度安定性を高め
るための方法を図７に例示する。ここでは（図示しな
い）外部光源からの光ビームを透過するガラスなどから
成る断熱部材８３がアルカリ蒸気８１の入った気体セル
７９を囲んでいる。断熱部材８３を密封し、真空処理す
ることによって断熱部材８３と気体セル７９の間の空間
を真空状態にする。断熱部材８３は外部環境の温度変化
から気体セル７９を隔離する。断熱部材８３の中空部内
の温度を感知及び／または制御するためには断熱部材８
３内に温度制御装置８５を設置すればよい。気体セル７
９の周りにらせん導体８７を形成することによってマイ
クロ波信号との結合を可能にするか、またはもし十分な
結合を得ることができるなら、断熱部材８３の周りにら
せん導体８９を形成してもよい。この着想をさらに発展
させて、断熱部材８３に一体的に１個または２個以上の
コリメーターレンズ９１を形成すれば、このコリメータ
ーレンズ９１が気体セル７９内のアルカリ蒸気を通過す
る光ビームを集束させる機能を果たす。
性は周波数の精度を維持する上で重要である。気体セル
の小型化を犠牲にすることなく装置の温度安定性を高め
るための方法を図７に例示する。ここでは（図示しな
い）外部光源からの光ビームを透過するガラスなどから
成る断熱部材８３がアルカリ蒸気８１の入った気体セル
７９を囲んでいる。断熱部材８３を密封し、真空処理す
ることによって断熱部材８３と気体セル７９の間の空間
を真空状態にする。断熱部材８３は外部環境の温度変化
から気体セル７９を隔離する。断熱部材８３の中空部内
の温度を感知及び／または制御するためには断熱部材８
３内に温度制御装置８５を設置すればよい。気体セル７
９の周りにらせん導体８７を形成することによってマイ
クロ波信号との結合を可能にするか、またはもし十分な
結合を得ることができるなら、断熱部材８３の周りにら
せん導体８９を形成してもよい。この着想をさらに発展
させて、断熱部材８３に一体的に１個または２個以上の
コリメーターレンズ９１を形成すれば、このコリメータ
ーレンズ９１が気体セル７９内のアルカリ蒸気を通過す
る光ビームを集束させる機能を果たす。
【００２４】原子周波数標準器の用途によっては、標準
器の出力周波数に小さい変動が生ずるように制御するこ
とが望ましい場合がある。例えば、安定化ディザ回路に
使用するためには周波数を変動させることが望ましく、
図７に示すように導体９３を設けることによってこの効
果が得られる。導体９３に印加される電圧及び電流ディ
ザ信号が蒸気８１中に電界及び磁界を誘導する。これら
の電磁界が蒸気の基本遷移周波数に小さい変動を発生さ
せ、その結果原子周波数標準器のターゲット周波数にデ
ィザが発生する。この技術を温度補償回路の一部として
用いることにより、導体９３によって搬送される信号が
温度変化に応答し、この温度変化に起因する原子周波数
標準器の出力周波数変動を打ち消すように構成すること
も可能である。
器の出力周波数に小さい変動が生ずるように制御するこ
とが望ましい場合がある。例えば、安定化ディザ回路に
使用するためには周波数を変動させることが望ましく、
図７に示すように導体９３を設けることによってこの効
果が得られる。導体９３に印加される電圧及び電流ディ
ザ信号が蒸気８１中に電界及び磁界を誘導する。これら
の電磁界が蒸気の基本遷移周波数に小さい変動を発生さ
せ、その結果原子周波数標準器のターゲット周波数にデ
ィザが発生する。この技術を温度補償回路の一部として
用いることにより、導体９３によって搬送される信号が
温度変化に応答し、この温度変化に起因する原子周波数
標準器の出力周波数変動を打ち消すように構成すること
も可能である。
【００２５】大きいマイクロ波空洞及び気体セルを必要
としなくなったため、標準器を駆動及び制御するのに必
要な種々の電気回路を例えばＭＯＳデバイスとして半導
体基板上に集積化することによって原子周波数標準器の
サイズ及び重量をさらに縮小することができる。図１の
水晶発振器１の代わりにＡｄａｍ等の米国特許第４，７
８６，２６９号“Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｔｕｎｅ
ｄ Ｈｉｇｈ Ｏｖｅｒｔｏｎｅ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕ
ｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ”に開示されているよう
なハイオーバートーン共振器（ＨＢＡＲ）を使用するこ
とが好ましく、前記米国特許の内容を参考のため本願明
細書中に引用した。図１に示した光センサー１１の機能
をシリコンＰＩＮダイオードによって代行させ、これも
共通の半導体基板上に形成するのが好ましい。図１に示
した光源９の機能はダイオードレーザーによって提供さ
れる。市販のダイオードレーザーはあらかじめ実装され
ており、これを半導体基板に固定するかまたは別個部品
として取り付ければよい。
としなくなったため、標準器を駆動及び制御するのに必
要な種々の電気回路を例えばＭＯＳデバイスとして半導
体基板上に集積化することによって原子周波数標準器の
サイズ及び重量をさらに縮小することができる。図１の
水晶発振器１の代わりにＡｄａｍ等の米国特許第４，７
８６，２６９号“Ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ Ｔｕｎｅ
ｄ Ｈｉｇｈ Ｏｖｅｒｔｏｎｅ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕ
ｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ”に開示されているよう
なハイオーバートーン共振器（ＨＢＡＲ）を使用するこ
とが好ましく、前記米国特許の内容を参考のため本願明
細書中に引用した。図１に示した光センサー１１の機能
をシリコンＰＩＮダイオードによって代行させ、これも
共通の半導体基板上に形成するのが好ましい。図１に示
した光源９の機能はダイオードレーザーによって提供さ
れる。市販のダイオードレーザーはあらかじめ実装され
ており、これを半導体基板に固定するかまたは別個部品
として取り付ければよい。
【００２６】原子周波数標準器に必要なマイクロ波デジ
タル及びアナログ制御回路を、公知の技術によって単一
のガリウム砒素半導体ウェハー上で組み合わせる。これ
に代わる方法として、シリコン半導体ウェハーを利用す
れば装置コストを軽減することができる。
タル及びアナログ制御回路を、公知の技術によって単一
のガリウム砒素半導体ウェハー上で組み合わせる。これ
に代わる方法として、シリコン半導体ウェハーを利用す
れば装置コストを軽減することができる。
【００２７】図８は本発明の実施例である原子周波数標
準器９５のレイアウトを示す簡略図である。約２ｃｍ×
３ｃｍ×１ｃｍの定温ハウジング１０７内にレーザーダ
イオード光源９７、小型セシウム気体セル及びマイクロ
波励振器９９、ＰＩＮダイオード光センサー１０１、Ｈ
ＢＡＲ発振器１０３、及び電力モジュール１０５を取り
付ける。これらの構成要素を、レーザー駆動回路１１
３、マイクロ波駆動回路１１５、電圧制御発振器１１
７、周波数制御回路１１９、及び温度制御回路１２１が
形成された半導体基板１１１とコネクター１０９を介し
て接続する。周波数標準信号を時間尺度に変換するため
に出力回路１２３を組み込むことができる。
準器９５のレイアウトを示す簡略図である。約２ｃｍ×
３ｃｍ×１ｃｍの定温ハウジング１０７内にレーザーダ
イオード光源９７、小型セシウム気体セル及びマイクロ
波励振器９９、ＰＩＮダイオード光センサー１０１、Ｈ
ＢＡＲ発振器１０３、及び電力モジュール１０５を取り
付ける。これらの構成要素を、レーザー駆動回路１１
３、マイクロ波駆動回路１１５、電圧制御発振器１１
７、周波数制御回路１１９、及び温度制御回路１２１が
形成された半導体基板１１１とコネクター１０９を介し
て接続する。周波数標準信号を時間尺度に変換するため
に出力回路１２３を組み込むことができる。
【００２８】本発明の原子周波数標準器の全容積は１２
ｃｍ３以下に小型化できる。この装置の安定性は毎秒平
均４−６×１０−１２程度とすることができる。図９は
本発明装置１２７のサイズ及び精度と、例えばルビジウ
ムセル装置１２９、セシウムビーム装置１３１、水素メ
ーザー１３３のような公知装置のサイズ及び精度との関
係を示す。本発明の原子周波数標準器は安定性を損なう
ことなくサイズを２桁分縮小でき、このことは原子周波
数標準器の分野における著しい進歩を意味する。
ｃｍ３以下に小型化できる。この装置の安定性は毎秒平
均４−６×１０−１２程度とすることができる。図９は
本発明装置１２７のサイズ及び精度と、例えばルビジウ
ムセル装置１２９、セシウムビーム装置１３１、水素メ
ーザー１３３のような公知装置のサイズ及び精度との関
係を示す。本発明の原子周波数標準器は安定性を損なう
ことなくサイズを２桁分縮小でき、このことは原子周波
数標準器の分野における著しい進歩を意味する。
【００２９】用途によっては原子周波数標準器のサイズ
を特定の寸法につき縮小しなければならないことがあ
る。例えば、周波数標準器をポケット計算器や厚手のク
レジットカードのような形状にしたい場合がある。気体
セル／共振器構造の全体的寸法を極力小さくするには、
共振器と気体セルが単一容器となるようにマイクロ波共
振器としても機能する気体セルを使用することが望まし
い。図１０はこのような容器１４９の一実施例であり、
側壁１５０、（一部切り欠かれた）頂板１５２、及び
（図示しない）底板を有する金属容器によって直線気体
セルが形成されている。気体セルは金属構造であるか
ら、蒸気１５４を収容すると共にマイクロ波プローブ１
５６などのようなマイクロ波結合装置を介して気体セル
へ導入されるマイクロ波エネルギーの共振器としても作
用する。このような気体セルをＴＥ１０１直線共振器と
して設計し、公知の計算技術を利用して１つの寸法を最
小限に抑えれば共振器の厚さが６ｍｍまたはそれ以下と
なる。
を特定の寸法につき縮小しなければならないことがあ
る。例えば、周波数標準器をポケット計算器や厚手のク
レジットカードのような形状にしたい場合がある。気体
セル／共振器構造の全体的寸法を極力小さくするには、
共振器と気体セルが単一容器となるようにマイクロ波共
振器としても機能する気体セルを使用することが望まし
い。図１０はこのような容器１４９の一実施例であり、
側壁１５０、（一部切り欠かれた）頂板１５２、及び
（図示しない）底板を有する金属容器によって直線気体
セルが形成されている。気体セルは金属構造であるか
ら、蒸気１５４を収容すると共にマイクロ波プローブ１
５６などのようなマイクロ波結合装置を介して気体セル
へ導入されるマイクロ波エネルギーの共振器としても作
用する。このような気体セルをＴＥ１０１直線共振器と
して設計し、公知の計算技術を利用して１つの寸法を最
小限に抑えれば共振器の厚さが６ｍｍまたはそれ以下と
なる。
【００３０】レーザーダイオード１６０からの光ビーム
１５８の通過を可能にするため、金属側壁１５０の少な
くとも１つに透明または半透明部材から成る窓１６２を
形成する。気体セルに入射する光ビーム１５８は第２の
窓を通って気体セルから出ようとする。あるいは、ミラ
ー１６４、鏡面またはその他の光反射手段を設けること
によって光ビーム１５８が再び窓１６２を介して気体セ
ル内に戻るようにしてもよい。窓１６２は空洞のＱ値を
ある程度低下させるから、空洞のＱ値を高めるためスク
リーンまたは半透明な導体１６６を窓１６２に重ねると
よい。気体セル内に絶縁材１６８を配置することによっ
て空洞のマイクロ波共振を同調することができる。窓１
６２を１つだけ使用する図１０の実施例では、ビームス
プリッター１７０を配置することによって戻り光ビーム
をセンサー１７２に向けることができる。
１５８の通過を可能にするため、金属側壁１５０の少な
くとも１つに透明または半透明部材から成る窓１６２を
形成する。気体セルに入射する光ビーム１５８は第２の
窓を通って気体セルから出ようとする。あるいは、ミラ
ー１６４、鏡面またはその他の光反射手段を設けること
によって光ビーム１５８が再び窓１６２を介して気体セ
ル内に戻るようにしてもよい。窓１６２は空洞のＱ値を
ある程度低下させるから、空洞のＱ値を高めるためスク
リーンまたは半透明な導体１６６を窓１６２に重ねると
よい。気体セル内に絶縁材１６８を配置することによっ
て空洞のマイクロ波共振を同調することができる。窓１
６２を１つだけ使用する図１０の実施例では、ビームス
プリッター１７０を配置することによって戻り光ビーム
をセンサー１７２に向けることができる。
【００３１】壁１５０、頂板１５２、及び（図示しな
い）底板を含む容器構造は蒸気１５４、特にセシウム蒸
気と反応したり合金を形成したりしないニッケルやクロ
ムのような金属で形成するか、またはメッキすればよ
い。パイレックスやサファイアのようなホウケイ酸ガラ
スは使用可能な典型的な不活性窓材料である。壁と窓の
間を密封できるように材料を選択しなければならない。
このような組合わせはサファイアに接合されるニオブま
たはタンタル金属である。
い）底板を含む容器構造は蒸気１５４、特にセシウム蒸
気と反応したり合金を形成したりしないニッケルやクロ
ムのような金属で形成するか、またはメッキすればよ
い。パイレックスやサファイアのようなホウケイ酸ガラ
スは使用可能な典型的な不活性窓材料である。壁と窓の
間を密封できるように材料を選択しなければならない。
このような組合わせはサファイアに接合されるニオブま
たはタンタル金属である。
【図１】図１は、従来のセル型原子周波数標準器の簡略
図である。
図である。
【図２】図２は、遅波らせん励振器の平面図である。
【図３】図３は、ＬＣギャップ励振器の平面図である。
【図４】図４は、マイクロストリップ励振器の第１実施
例を示す平面図である。
例を示す平面図である。
【図５】図５は、マイクロストリップ励振器の第２実施
例を示す断面図である。
例を示す断面図である。
【図６】図６は、Ｖ字形溝マイクロストリップ励振器の
断面図である。
断面図である。
【図７】図７は、一体的なコリメーターレンズ及びディ
ザ信号導体を含む断熱部材を示すらせん励振器の断面図
である。
ザ信号導体を含む断熱部材を示すらせん励振器の断面図
である。
【図８】図８は、原子周波数標準器のレイアウトの簡略
図である。
図である。
【図９】図９は、本発明の原子周波数標準器の相対的サ
イズ及び精度を公知装置と比較して示すグラフである。
イズ及び精度を公知装置と比較して示すグラフである。
【図１０】図１０は、原子周波数標準器のマイクロ波共
振器としても機能する気体セルを示す簡略図である。
振器としても機能する気体セルを示す簡略図である。
１ 水晶発振器 ３ 安定周波数出力信号 ５ 気体セル ６ アルカリ金属蒸気 ７ 直線共振器 ９ レーザーダイオード １０ 光ビーム １１ 光センサー １４ フィードバック制御回路 １５ 遅波らせん励振器 １７ 気体セル １９ 導体 ２１ バイファイラらせん巻線 ２３ 温度センサー ２７ ＬＣギャップ励振器 ２９ ＬＣギャップ導体 ３５、５１ マイクロストリップ励振器 ３９、５７、７３ 導電ストリップ ４１ 絶縁材 ４５、５３、７５、７９ 気体セル ６７ Ｖ字形マイクロストリップ励振器 ８３ 断熱部材 ９１ コリメータレンズ ９５ 原子周波数標準器 ９７ レーザーダイオード光源 ９９ 小型化セシウム気体セル及びマイクロ波励振器 １０１ ＰＩＮダイオード光センサー １０３ ＨＢＡＲ発振器 １０５ 電力モジュール １０７ 定温ハウジング １０９ コネクター １１１ 半導体基板 １４９ 容器 １５６ マイクロ波プローブ １６０ レーザーダイオード １６２ 窓 １６４ ミラー
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ロバート ウィリアム ワイナート アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 モン ロービル ヘイゼンウッド ドライブ 1323 (72)発明者 サルバドール ヒュートウォルカー タリ サ アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 エッ ジウッド ウエスト ハッチンソン アベ ニュー 115 (72)発明者 ブルース ロナルド マカボイ アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ピッ ツバーグ アイビイ ストリート 926 (72)発明者 トーマス ジェームス スミス ジュニア アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 グリ ーンズバーグ ロード ナンバー ３ ボ ックス 138ジー (72)発明者 アービング リバマン アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ピッ ツバーグ ウエストランド ドライブ 125
Claims (9)
- 【請求項１】 気体セル、前記気体セルに収容された蒸
気、マイクロ波信号を発生させる発振器、前記発振器に
接続され、前記マイクロ波信号を前記蒸気と結合するマ
イクロ波空洞、光ビームが前記蒸気を通過するように配
置された光源、前記蒸気を通過した前記光ビームを感知
する光センサー、及び前記蒸気を通過した光量に応じて
前記マイクロ波信号の周波数を制御する回路から成る原
子周波数標準器において、前記光源がレーザーダイオー
ドから成り、前記マイクロ波空洞が直線共振器から成る
ことを特徴とする原子周波数標準器。 - 【請求項２】 請求項１に記載の原子周波数標準器にお
いて、前記直線共振器が前記マイクロ波信号の半波長よ
り大きくない２つの直線寸法を有することをも特徴とす
る原子周波数標準器。 - 【請求項３】 請求項１に記載の原子周波数標準器にお
いて、前記直線共振器がマイクロストリップ励振器から
成ることを特徴とする原子周波数標準器。 - 【請求項４】 請求項１に記載の原子周波数標準器にお
いて、前記マイクロ波空洞及び前記気体セルが単一容器
から成ることを特徴とする原子周波数標準器。 - 【請求項５】 気体セル、前記気体セルに収容された蒸
気、マイクロ波信号を発生させる発振器、前記発振器に
接続され、前記マイクロ波信号を前記蒸気と結合するマ
イクロ波空洞、光ビームが前記蒸気を通過するように配
置された光源、前記蒸気を通過した前記光ビームを感知
する光センサー、及び前記蒸気を通過した光量に応じて
前記マイクロ波信号の周波数を制御する回路から成る原
子周波数標準器において、前記光源がレーザーダイオー
ドから成り、前記マイクロ波空洞が前記気体セルの周り
に形成された導体から成ることを特徴とする原子周波数
標準器。 - 【請求項６】 請求項５に記載の原子周波数標準器にお
いて、前記マイクロ波空洞がらせんコイルから成ること
を特徴とする原子周波数標準器。 - 【請求項７】 請求項５に記載の原子周波数標準器にお
いて、前記マイクロ波空洞がＬＣギャップ導体から成る
ことを特徴とする原子周波数標準器。 - 【請求項８】 請求項１または５に記載の原子周波数標
準器において、前記蒸気がセシウムから成ることを特徴
とする原子周波数標準器。 - 【請求項９】 請求項１または２に記載の原子周波数標
準器において、前記気体セルの内部容積が１００ｍｍ３
よりも大きくないことを特徴とする原子周波数標準器。
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/815,677 US5192921A (en) | 1991-12-31 | 1991-12-31 | Miniaturized atomic frequency standard |
| US07/815677 | 1992-10-26 | ||
| US07/966,209 US5327105A (en) | 1991-12-31 | 1992-10-26 | Gas cell for a miniaturized atomic frequency standard |
| US07/966209 | 1992-10-26 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05300016A true JPH05300016A (ja) | 1993-11-12 |
Family
ID=27123986
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4357461A Withdrawn JPH05300016A (ja) | 1991-12-31 | 1992-12-24 | 原子周波数標準器 |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5327105A (ja) |
| EP (1) | EP0550240B1 (ja) |
| JP (1) | JPH05300016A (ja) |
| CA (1) | CA2086021A1 (ja) |
| IL (1) | IL104226A (ja) |
| MX (1) | MX9207305A (ja) |
| TW (1) | TW248597B (ja) |
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