JPH05327495A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ガスセル４にレーザ光ｇとマイクロ波ｂとを
入射して、光・マイクロ波二重共鳴を発生させる原子発
振器において、レーザ光ｇの強度雑音に起因する出力周
波数ｆ_S の短期周波数安定度を向上させる。 【構成】 光・マイクロ波二重共鳴を生起させるガスセ
ル４を透過したレーザ光を受光する第２の受光器２３の
出力信号ｊとガスセル４を透過しないレーザ光を受光す
る第１の受光器２２の出力信号ｉとの差信号ｋを差動増
幅器２４で作成して、出力周波数制御部２５でもってこ
の差信号ｋに基づいてマイクロ波発生部８の出力周波数
ｆ_S を二重共鳴にて定まる周波数に一致させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、原子の光・マイクロ波
二重共鳴現象を利用した原子発振器に係わり、特に、光
・マイクロ波二重共鳴現象を生起させるガスセルを透過
したレーザ光に含まれる雑音を抑制した原子発振器に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ルビジウムやセシウム等の原子における
光・マイクロ波二重共鳴現象を利用した原子発振器は、
小型、高性能の周波数標準器として、通信、放送、航
法、ＧＰＳ衛星等の多岐分野に応用されている。

【０００３】例えばルビジウムガスを用いた原子発振器
は図３に示すように構成されている。すなわち、励起用
光源１から出力された例えばレーザ光線等の光２は、ル
ビジウムガス３が封入されたガスセル４とこのガスセル
４を取巻くマイクロ波キャビティ５とからなる光・マイ
クロ波二重共鳴部６を透過して受光器７に入射する。そ
して、この光２は受光器７によって光・マイクロ波二重
共鳴検出信号ａに変換される。マイクロ波キャビティ５
にはマイクロ波発生部８から出力されたマイクロ波ｂが
印加されている。

【０００４】マイクロ波発生部８は、電圧制御水晶発振
器８ａと周波数合成・逓倍器８ｂとで構成されている。
電圧制御水晶発振器８ａは制御端子に印加されている制
御信号レベルに対応した周波数の信号を出力する。電圧
制御水晶発振器８ａは例えは１０ＭHz程度の信号を、標
準周波数信号として外部へ出力すると共に周波数合成・
逓倍器８ｂへ送出する。周波数合成・逓倍器８ｂは入力
した周波数を、逓倍すると共に、低周波発振器９から出
力される周波数ｆ_m1の低周波信号ｃでもって僅かに周波
数変調する。そして、この周波数変調されたマイクロ波
ｂが前記マイクロ波キャビティ５へ印加される。

【０００５】その結果、前記受光器７から出力される光
・マイクロ波二重共鳴検出信号ａも周波数ｆ_m1でもって
周波数変調されている。この光・マイクロ波二重共鳴検
出信号ａは増幅器１０で増幅された後、同期検波回路１
１において周波数ｆ_m1を有する前記低周波信号ｃでもっ
て同期検波される。同期検波回路１１の出力信号は次の
サーボ回路１２へ入力される。サーボ回路１２は同期検
波回路１１の出力信号が零になるようにマイクロ波発生
部８の電圧制御発振器８ａへ制御信号ｄを帰還する。

【０００６】ここで、光・マイクロ波二重共鳴現象を図
４に示すルビジウムＲｂ⁸⁷原子のエネルギ準位の３準位
原子系モデルを用いて説明する。熱平衡状態ではガスセ
ル４中の基底状態の原子は５Ｓ_1/2 のＦ＝２、Ｆ＝１の
各準位にほぼ等分に分布している。この中にルビジウム
Ｒｂ⁸⁷のＤ光の励起光を照射するとＦ＝１準位の原子は
励起光を吸収して５Ｐ準位へ励起され、自然放出して基
底状態のＦ＝２、Ｆ＝１準位にほぼ等確率で落ちてく
る。Ｆ＝１準位に落ちた原子は再び励起を受けるが、Ｆ
＝２準位の原子は励起されないので、これらのサイクル
を繰返すと、Ｆ＝２準位にほとんどの原子が留まり、大
きな分布差を生じる。このようにして２準位間に分布差
を生じさせることは光ポンピングと呼ばれている。

【０００７】この状態でガスセル４にマイクロ波ｂを照
射すると、マイクロ波ｂの周波数がルビジウムＲｂ⁸⁷の
Ｆ＝１、Ｆ＝２の準位差に相当する遷移周波数ｆ₀ と一
致したところで誘導放出を生じ、Ｆ＝２準位の原子はＦ
＝１準位へ落ちる。ここで再び、Ｆ＝１の準位の原子は
励起光を吸収して５Ｐ準位への励起が始まるので、ガス
セル４の透過光を受けている受光器７から図５のような
光の吸収信号が得られる。これを、光・マイクロ波二重
共鳴スペクトルと呼ぶ。

【０００８】この時マイクロ波ｂが周波数ｆ_m1でもって
周波数変調されていると、受光器７の出力信号（光・マ
イクロ波二重共鳴検出信号）ａを増幅し、周波数ｆ_m1で
もって同期検波することにより、図６に示すような、二
重共鳴スペクトルの微分波形が得られる。したがって、
マイクロ波周波数ｆをこの微分波形のゼロクロス点（す
なわち二重共鳴スペクトルのピーク点）になるようにサ
ーボ制御することにより、マイクロ波周波数ｆを二重共
鳴を生じる周波数ｆ₀ に一致させることが可能である。
よって、この時点における電圧制御水晶発振器８ａの出
力周波数を、二重共鳴マイクロ波周波数ｆ₀ と同じく、
周波数安定度の高い標準周波数ｆ_S として利用できる。

【０００９】なお、通常、二重共鳴のガスセル４では二
重共鳴スペクトル幅を狭くするため不活性ガスが緩衝気
体としてルビジウムＲｂガスとともに封入される。

【００１０】ところで、励起用光源１には、ルビジウム
Ｒｂ⁸⁷ランプや、レーザダイオードなどが用いられる。
励起用光源１としてレーザダイオードを用いる場合、レ
ーザ光の光周波数ＦをルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ線付近に固
定し、かつ雑音を低減するためレーザダイオードの発振
周波数（光周波数Ｆ）を安定化して用いる。

【００１１】図７は発振周波数の安定化手段が講じられ
た励起用光源１としてのレーザ光源１ａの概略構成図で
ある。駆動電流発生部１３から出力される駆動電流ｅが
供給されるレーザダイオード１４から出射されたレーザ
光ｇは図３に示すガスセル４へ入射されるとともに、そ
の一部はビームスプリッタ１５で分岐されてルビジウム
ガスを封入した吸収セル１６を透過して受光器１７へ入
射される。

【００１２】このとき、駆動電流発生部１３から出力さ
れる駆動電流ｅの値を掃引させるとレーザ光ｇの光周波
数Ｆも電流値変化に伴って変化するので、受光器１７の
出力信号には図８に示すルビジウムの吸収スペクトラム
が観測できる。図８はルビジウムＲｂ⁸⁵とルビジウムＲ
ｂ⁸⁷の両方を含む自然ルビジウムの吸収スペクトラムで
ある。このうち前述したように、ルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ
線付近でレーザ光ｅの光周波数Ｆを安定化する必要があ
る。

【００１３】そこで、予めレーザ光ｅの光周波数Ｆがこ
の付近になるよう駆動電流ｅを調整しておき、低周波発
振器１８から周波数ｆ_m2を有する低周波信号ｈを駆動電
流発生部１３へ印加して、この駆動電流発生部１３から
の駆動電流ｅに低周波信号ｈ成分を重畳することにより
レーザ光ｇの光周波数Ｆを僅かに周波数変調する。そし
て、この周波数変調された時の受光器１７の出力信号を
増幅器１９で増幅し、同期検波回路２０で周波数ｆ_m2の
低周波信号ｈで同期検波すると吸収スペクトラムの微分
波形が得られる。サーボ回路２１は、この同期検波信号
ｉを逆極性にして駆動電流発生部１３へ帰還させること
によって、レーザ光ｇの光周波数Ｆが吸収スペクトラム
の微分波形のゼロクロス点（すなわち吸収スペクトラム
のピーク点）になるよう制御する。

【００１４】このような帰還制御ループを構成すること
によって、ルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ線を基準にしてレーザ
光ｅの光周波数（発振周波数）Ｆが安定化される。な
お、この場合の吸収セル１６においては、通常、吸収強
度を大きくするため、緩衝気体は入れない。

【００１５】また、図７に示すように、励起用光源１と
してレーザ光源１ａを用いると、レーザ光源１ａのレー
ザダイオード１４から出力されるレーザ光ｇの光強度は
一般の他の光源に比較して高いので、図３に示す受光器
７から出力される光・マイクロ波二重共鳴検出信号ａの
Ｓ／Ｎが良くなり短期周波数安定度が向上する。また、
励起用光源１としてルビジウムＲｂランプのような経時
劣化がほとんどなく長寿命が期待できる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、レーザ光源１
ａのレーザダイオード１４から出射されるレーザ光ｇに
は少なからず雑音が含まれる。この雑音は、周波数雑音
と強度雑音に分類できる。一般に、この周波数雑音およ
び強度雑音は、この原子発振器から出力される標準周波
数信号の周波数ｆ_S における、例えば、１〜１００秒程
度の短期周波数安定度に悪影響を与える。

【００１７】周波数雑音については、図７に示すような
吸収セル１６を用いた帰還制御ループを構成することに
よって、ルビジウムＲｂ⁸⁷のｂ線を基準にして光周波数
Ｆを安定化することが可能である。一方、強度雑音につ
いても、受光器１７の出力信号をモニタし駆動電流発生
部１３へ直接帰還させて、駆動電流ｅを制御する方法が
ある。

【００１８】しかし、これらの手法は、周波数雑音の低
減、強度雑音の低減ともに駆動電流発生部１３から出力
される駆動電流ｅに帰還する方法であるため、両方の低
減を同時に行うことができない。すなわち、周波数雑音
のスペクトラム分布および位相と、強度雑音のスペクト
ラム分布および位相とが、共に同時に一致することはな
い。したがって、一方の雑音を低減しても他方の雑音を
低減したことにならず、逆に増加させる場合もある。

【００１９】また、一方の雑音をレーザダイオード１４
の温度に帰還する方法もある。しかし、この温度に帰還
する手法においては、温度制御における応答速度が遅い
ため、原子発振器の光・マイクロ波二重共鳴信号ａを検
出しようとする周波数帯域では、十分な効果が得られな
い。

【００２０】したがって、従来装置においては、いずれ
か一方の雑音を犠牲にして他方のみを制御していた。そ
して、一般的に、周波数雑音の影響の方が大きいため、
レーザダイオード１４の温度を安定化しておき、周波数
雑音成分を駆動電流ｅに帰還し、その周波数雑音の低減
化のみを行っていた。そして、強度雑音に対しては、特
に対策を講じていなかった。

【００２１】図７に示す従来のレーザ光源１ａにおいて
は、吸収セル１６を用いて周波数変動を駆動電流ｅに帰
還させているので、周波数雑音は有効に抑制されてい
る。したがって、励起用光源１として、図７に示すレー
ザ光源１ａを用いた場合においては、強度雑音に起因し
て短期周波数安定度が低下する問題があった。

【００２２】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、ガスセルを透過した光とガスセルを透過し
ない光との差信号をマイクロ波発生部の出力周波数制御
に用いることによって、レーザ光の強度雑音に起因する
出力周波数の短期周波数安定度の低下を防止した原子発
振器を提供することを目的とする。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に本発明の原子発振器においては、レーザ光を出力する
レーザ光源と、このレーザ光源から出力されるレーザ光
を受光する第１の受光器と、マイクロ波を出力するマイ
クロ波発生部と、レーザ光及びマイクロ波が同時に入射
されることによって光・マイクロ波二重共鳴が生起し、
透過したレーザ光が二重共鳴にて定まる周波数特性を呈
するガスセルと、このガスセルを透過したレーザ光を受
光する第２の受光器と、第１の受光器の出力信号と第２
の受光器の出力信号との差信号を出力する差動増幅器
と、この差動増幅器の出力信号を用いてマイクロ波発生
部の出力周波数を二重共鳴にて定まる周波数に一致させ
る出力周波数制御部とを備えたものである。

【００２４】

【作用】このように構成された原子発振器においては、
第１の受光器でもってガスセルを透過しないレーザ光が
検出される。また、第２の受光器でもってガスセルを透
過したレーザ光が検出される。したがって、この第２の
受光器の出力信号は元のレーザ光の強度雑音成分および
ガスセルにおける光・マイクロ波二重共鳴にて定まる周
波数特性を有した信号となる。一方、第１の受光器の出
力信号は元のレーザ光の強度雑音成分のみの信号とな
る。

【００２５】強度雑音は第１，第２の出力信号に共通に
現れるので、差動増幅器でもってこれらの差信号をとる
ことによって、上記雑音は相殺されて、次の出力周波数
制御部には、強度雑音成分が含まれていない信号が入力
される。したがって、レーザ光に含まれる強度雑音成分
を打消すことができ、二重共鳴信号のＳ／Ｎが向上し、
この原子発振器から出力される基準周波数信号の周波数
における短期周波数安定度が向上する。

【００２６】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。

【００２７】図１は実施例の原子発振器の概略構成を示
すブロック構成図である。なお、実施例の原子発振器は
ルビジウムを用いた原子発振器である。また、図３およ
び図７に示す従来の原子発振器と同一部分には同一符号
が付してある。したがって、重複する部分の詳細説明は
省略されている。

【００２８】この原子発振器は、大きく分けて、レーザ
光ｇを出力するレーザ光源１ａと、マイクロ波ｂを出力
するマイクロ波発生部８と、レーザ光ｇおよびマイクロ
波ｂが同時に入射されることによって光・マイクロ波二
重共鳴が生起し、透過したレーザ光ｇが二重共鳴にて定
まる周波数特性を呈するガスセル４と、レーザ光ｇを受
光する第１の受光器２２と、ガスセル４を透過したレー
ザ光を受光する第２の受光器２３ｓと、第１，第２の受
光器２２，２３の各出力信号ｉ，ｊの差信号ｋを出力す
る差動増幅器２４と、この差信号ｋに基づいてマイクロ
波発生部８の出力周波数、すなわち標準周波数信号の周
波数ｆ_S を二重共鳴にて定まる周波数に一致させる出力
周波数制御部２５とで構成されている。

【００２９】そして、レーザ光源１ａの構成および動作
は図７に示した従来のレーザ光源１ａと同じである。

【００３０】レーザ光源１ａから出力されたレーザ光ｇ
はビームスプリッタ２６をそのまま通過してルビジウム
ガス３が封入したガスセル４とガスセル４を取巻くマイ
クロ波キャビティ５とからなる光・マイクロ波二重共鳴
部６を透過して第２の受光器２３へ入射する。そして、
この光は第２の受光器２３によって電気信号に変換され
る。したがって、この第２の受光器２３の出力信号ｊ
は、図２に示す光・マイクロ波二重共鳴の周波数特性を
有する。この第２の受光器２３の出力信号ｊは前置増幅
器２７で所定倍率に増幅されたのち差動増幅器２４の
（＋）側入力端子へ入力される。

【００３１】また、レーザ光源１ａから出力されたレー
ザ光ｇの一部はビームスプリッタ２６で分岐されて第１
の受光器２２へ入射して、電気信号に変換される。第１
の受光器２２から出力される図２に示す出力信号ｉは前
置増幅器２８でもって所定倍率に増幅されたのち差動増
幅器２４の（−）側入力端子へ入力される。

【００３２】差動増幅器２４は第２の受光器２３の出力
信号ｊから第１の受光器２２の出力信号ｉを減算した差
信号ｋを出力する。第１の受光器２２の出力信号ｉはガ
スセル４を透過しないので、ガスセル４に起因する光・
マイクロ波二重共鳴の周波数特性３を有していないく
て、ほぼ直線の周波数特性を有している。よって、差信
号ｋには、図２に示すように、第２の受光器２３の出力
信号ｊを平行移動した波形となる。

【００３３】ガスセル４を取巻くマイクロ波キャビティ
５には電圧制御水晶発振器８ａと周波数合成・逓倍器８
ｂとで構成されマイクロ波発生部８から出力されたマイ
クロ波ｂが印加されている。このマイクロ波ｂは低周波
発振器９から出力される周波数ｆ_m1の低周波信号ｃでも
って僅かに周波数変調されている。

【００３４】その結果、第２の受光器２３のｊも周波数
ｆ_m1でもって周波数変調されている。したがって、この
出力信号ｊをほぼ平行移動した差動増幅器２４の出力信
号ｋも周波数ｆ_m1で周波数変調されている。この差信号
ｋは出力周波数制御部２５内の同期検波回路１１におい
て周波数ｆ_m1を有する低周波信号ｃでもって同期検波さ
れる。同期検波回路１１の出力信号ｍの周波数特性は、
図２に示すように、二重共鳴スペクトルの微分波形とな
る。したがって、サーボ回路１２によって、マイクロ波
キャビティ５に印加するマイクロ波ｂの周波数をこの微
分波形のゼロクロス点になるようにマイクロ波発生部８
の電圧制御水晶発振器８ａへ制御信号ｄを送出する。

【００３５】よって、マイクロ波発生部８から出力され
るマイクロ波周波数ｆは二重共鳴が生じる周波数ｆ₀ に
一致する。その結果、周波数合成・逓倍器８ｂによりマ
イクロ波周波数ｆと一定の関係にある電圧制御水晶発振
器８ａから出力される標準周波数信号の周波数ｆ_S も一
定に保たれる。

【００３６】この場合、レーザ光源１ａから出力される
レーザ光ｇに含まれる強度雑音は第１，第２の受光器２
２，２３の各出力信号ｉ，ｊに共通に現れるので、差動
増幅器２４でもって、各出力信号ｉ，ｊの差信号ｋをと
れば、雑音成分は相殺される。したがって、出力周波数
制御部２５の同期検波回路１１へ入力される差信号ｋに
は雑音成分ははとんど含まれない。

【００３７】よって、この差信号ｋに基づいて制御され
るマイクロ波発生部８から出力される標準周波数信号の
周波数ｆ_S における短期周波数安定度をさらに向上でき
る。

【００３８】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。例えば、第１の受光器２２を、レーザ
光源１ａのレーザダイオード１４に内蔵された光検出
器、いわゆるバックモニタ・フォトダイオードで兼用す
ることが可能である。この場合は、ビームスプリッタ２
６等の光分岐手段を必要としない。また、出力周波数制
御部２５は、差動増幅器２４からの差信号ｋをＡ／Ｄ変
換器等を用いてデジタル信号に変換して、ＣＰＵ等によ
り同期検波器およびサーボ回路の動作をソフトウエア手
法を用いてデジタル信号処理で行っても良い。

【００３９】また、セシウムガス等のアルカリ金属原子
のガスを用いた原子発振器であってもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の原子発振
器においては、光・マイクロ波二重共鳴を生起させるガ
スセルを透過したレーザ光とガスセルを透過しないレー
ザ光との差信号をマイクロ波発生部の出力周波数制御に
用いている。したがって、レーザ光に含まれる強度雑音
を二重共鳴検出信号としての差信号から除去できる。よ
って、強度雑音に起因する出力周波数の短期周波数安定
度の低下を防止でき。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係わる原子発振器の概略
構成を示すブロック図、

【図２】 実施例における各部の出力信号の周波数特性
を示す図、

【図３】 従来の原子発振器の概略構成を示す図、

【図４】 ルビジウム８７原子のエネルギ準位図、

【図５】 二重共鳴の周波数特性図、

【図６】 同期検波回路の出力信号波形図、

【図７】 従来原子発振器におけるレーザ光源の概略構
成図、

【図８】 ルビジウムの吸収スペクトラム図。

【符号の説明】

１ａ…レーザ光源、４…ガスセル、５…マイクロ波キャ
ビティ、６…光・マイクロ波二重共鳴部、８…マイクロ
波発生部、８ａ…電圧制御水晶発信器、８ｂ…周波数合
成・逓倍器、９，１８…低周波発振器、１１，２０…同
期検波回路、１２，２１…サーボ回路、１３…駆動電流
発生部、１４…レーザダイオード、１５，２６…ビーム
スプリッタ、１６…吸収セル、１９…増幅器、２２…第
１の受光器、２３…第２の受光器、２４…差動増幅器、
２５…出力周波数制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を出力するレーザ光源(1a)と、
   このレーザ光源から出力されるレーザ光を受光する第１
   の受光器(22)と、マイクロ波を出力するマイクロ波発生
   部(8) と、前記レーザ光及びマイクロ波が同時に入射さ
   れることによって光・マイクロ波二重共鳴が生起し、透
   過したレーザ光が前記二重共鳴にて定まる周波数特性を
   呈するガスセル(4) と、このガスセルを透過したレーザ
   光を受光する第２の受光器(23)と、前記第１の受光器の
   出力信号と前記第２の受光器の出力信号との差信号を出
   力する差動増幅器(24)と、この差動増幅器の出力信号を
   用いて前記マイクロ波発生部の出力周波数を前記二重共
   鳴にて定まる周波数に一致させる出力周波数制御部(25)
   とを備えた原子発振器。