JPH05327496A - Atomic oscillator - Google Patents
Atomic oscillatorInfo
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- JPH05327496A JPH05327496A JP12636892A JP12636892A JPH05327496A JP H05327496 A JPH05327496 A JP H05327496A JP 12636892 A JP12636892 A JP 12636892A JP 12636892 A JP12636892 A JP 12636892A JP H05327496 A JPH05327496 A JP H05327496A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、アルカリ金属原子の光
・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じるマイク
ロ波の電磁界強度を一定値に制御した原子発振器に関す
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an atomic oscillator utilizing the optical / microwave double resonance phenomenon of an alkali metal atom, and more particularly, to the electromagnetic field strength of the microwave which causes the optical / microwave double resonance phenomenon. The present invention relates to an atomic oscillator controlled to a constant value.
【０００２】[0002]
【従来の技術】ルビジウムやセシウム等のアルカリ金属
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。2. Description of the Related Art Atomic oscillators utilizing the optical / microwave double resonance phenomenon in alkali metal atoms such as rubidium and cesium are small and high-performance frequency standards, and are widely used in communication, broadcasting, navigation and GPS satellites. It is applied in the field.
【０００３】例えばルビジウムガスを用いた原子発振器
は図５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ルビジウムランプ等の光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。For example, an atomic oscillator using rubidium gas is constructed as shown in FIG. That is, for example, light 2 such as a rubidium lamp output from the excitation light source 1
Passes through a light / microwave double resonance part 6 including a gas cell 4 in which a rubidium gas 3 is enclosed and a microwave cavity 5 surrounding the gas cell 4, and enters a light receiver 7. Then, this light is converted into a light / microwave double resonance detection signal a by the light receiver 7. The microwave b output from the microwave generator 8 is applied to the microwave cavity 5.
【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ｃの電圧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は例えば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ｆm の低周波信号ｄ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。The microwave generator 8 comprises a voltage controlled crystal oscillator 8a and a frequency synthesizer / multiplier 8b.
The voltage controlled crystal oscillator 8a outputs a signal having a frequency corresponding to the voltage of the control signal c applied to the control terminal. The voltage controlled crystal oscillator 8a outputs a signal of about 10 MHz,
The signal is output to the outside as a standard frequency signal and is also sent to the frequency synthesizer / multiplier 8b. The frequency synthesizer / multiplier 8b multiplies the input frequency and slightly modulates the frequency with the low-frequency signal d having the frequency f m output from the low-frequency oscillator 9. Then, the frequency-modulated microwave b is applied to the microwave cavity 5.
【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ｆm でもって
周波数変調される。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１１に
おいて周波数ｆm を有する前記低周波信号ｄでもって同
期検波される。同期検波回路１１の出力信号ｅ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ｅ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ｃを帰還する。As a result, the optical / microwave double resonance detection signal a output from the photodetector 7 is also frequency-modulated with the frequency f m . The optical / microwave double resonance detection signal a is amplified by the amplifier 10 and then synchronously detected by the low-frequency signal d having the frequency f m in the synchronous detection circuit 11. The output signal e of the synchronous detection circuit 11 is input to the next servo circuit 12. The servo circuit 12 feeds back the control signal c to the voltage controlled oscillator 8a of the microwave generator 8 so that the output signal e of the synchronous detection circuit 11 becomes zero.
【０００６】この時、マイクロ波ｂが周波数ｆm でもっ
て周波数変調されていると、受光器７の出力信号ａを増
幅し、周波数ｆm 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ｆS
として利用できる。At this time, if the microwave b is frequency-modulated at the frequency f m , the output signal a of the photodetector 7 is amplified and synchronously detected at the frequency f m , as shown in FIG. , The differential waveform of the double resonance spectrum is obtained. Therefore, the microwave frequency f is controlled so as to be at the zero-cross point of this differential waveform (that is, the peak point of the double resonance spectrum), so that the microwave frequency f coincides with the frequency f 0 that causes double resonance. Is possible. Therefore, the output frequency of the voltage-controlled crystal oscillator 8a at this point is the standard frequency f S with high frequency stability, like the double resonance microwave frequency f 0.
Available as
【０００７】このような構成の原子発振器において、ガ
スセル４内おいて、光・マイクロ波二重共鳴現象を効率
的に生起させるためには、ガスセル４内に封入されたル
ビジウムガス３の蒸気圧を高める必要がある。また、ガ
スセル４内の温度が変化すると、光・マイクロ波二重共
鳴現象が生じるマイクロ波の周波数、すなわち二重共鳴
周波数ｆ0 がシフトする温度シフト現象が発生する。In the atomic oscillator having such a structure, in order to efficiently cause the optical / microwave double resonance phenomenon in the gas cell 4, the vapor pressure of the rubidium gas 3 sealed in the gas cell 4 is set. Need to raise. Further, when the temperature inside the gas cell 4 changes, a temperature shift phenomenon occurs in which the frequency of the microwave in which the optical / microwave double resonance phenomenon occurs, that is, the double resonance frequency f 0 shifts.
【０００８】したがって、一般に、図５に示すように、
ヒータ１３と温度制御器１４を用いて、ガスセル４の外
側を囲むマイクロ波キャビティ５内の温度を５０℃〜８
０℃の一定値に制御している。Therefore, in general, as shown in FIG.
Using the heater 13 and the temperature controller 14, the temperature inside the microwave cavity 5 surrounding the outside of the gas cell 4 is adjusted to 50 ° C. to 8 ° C.
It is controlled to a constant value of 0 ° C.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
原子発振器においては、マイクロ波キャビティ５内にお
けるマイクロ波電磁界の強度、すなわちマイクロ波の励
振電力の大きさによってガスセル４内における二重共鳴
マイクロ波周波数ｆ0 がシフトする現象が生じることが
知られている。これはパワーシフトと呼ばれている。By the way, in such an atomic oscillator, the double resonance microwave in the gas cell 4 depends on the strength of the microwave electromagnetic field in the microwave cavity 5, that is, the magnitude of the excitation power of the microwave. It is known that a phenomenon in which the wave frequency f 0 shifts occurs. This is called power shift.
【００１０】図７はマイクロ波キャビティ５に印加され
るマイクロ波の励振電力ＰM を変化させた場合における
ガスセル４の二重共鳴マイクロ波周波数ｆ0 の変化を示
す測定例である。図７からも理解できるように、マイク
ロ波の励振電力ＰM が変化すると、二重共鳴マイクロ波
周波数ｆ0 も大きく変化する。その結果、この二重共鳴
マイクロ波周波数ｆ0 に対応して決定されるマイクロ波
発生部８から外部へ出力される標準周波数ｆS が変動す
る懸念がある。FIG. 7 is a measurement example showing a change in the double resonance microwave frequency f 0 of the gas cell 4 when the excitation power P M of the microwave applied to the microwave cavity 5 is changed. As can be understood from FIG. 7, when the microwave excitation power P M changes, the double resonance microwave frequency f 0 also changes significantly. As a result, there is a concern that the standard frequency f S output from the microwave generation unit 8 to the outside, which is determined corresponding to the double resonance microwave frequency f 0 , may fluctuate.
【００１１】そこで、パワーシフトによる周波数安定度
の劣化を防止するには、マイクロ波の励振電力を一定に
制御する必要がある。しかし、実際にはマイクロ波発生
部８の周囲温度の変化等でマイクロ波ｂの出力レベルが
変動する。また、マイクロ波発生部８の出力レベルを一
定にするためのレベル制御回路を設けても、レベルを検
出するために、ダイオード検波器などを用いる必要があ
るので、そのダイオードの温度特性の影響を免れない。Therefore, in order to prevent the deterioration of the frequency stability due to the power shift, it is necessary to control the microwave excitation power to be constant. However, in practice, the output level of the microwave b fluctuates due to changes in the ambient temperature of the microwave generator 8. Further, even if a level control circuit for making the output level of the microwave generator 8 constant is provided, it is necessary to use a diode detector or the like to detect the level, so that the influence of the temperature characteristic of the diode is not affected. I cannot escape.
【００１２】このように、たとえ、ヒータ１３と温度制
御器１４を設けてマイクロ波キャビティ５内の温度を一
定に制御したり、レベル制御回路をマイクロ波発生部８
内に設けてマイクロ波の出力レベルを一定に制御しよう
としたとしても、実際のマイクロ波キャビティ５内にお
けるマイクロ波の電磁界強度が一定値を維持するとは限
らないので、パワーシフトが発生する懸念がある。よっ
て、この原子発振器によって得られる標準周波数ｆS に
おける高い周波数安定度が得られない問題がある。As described above, for example, the heater 13 and the temperature controller 14 are provided to control the temperature inside the microwave cavity 5 at a constant level, and the level control circuit is provided in the microwave generator 8.
Even if an attempt is made to control the microwave output level to be constant within the microwave cavity 5, the actual electromagnetic field strength of the microwave in the microwave cavity 5 does not always maintain a constant value. There is. Therefore, there is a problem that high frequency stability at the standard frequency f S obtained by this atomic oscillator cannot be obtained.
【００１３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、ガスセルを含むマイクロ波電磁界が発生す
る空間におけるマイクロ波電磁界を、その空間内で直接
検出することによって、当該空間におけるマイクロ波電
磁界を常に一定値に制御でき、たとえ周囲温度が変化し
たとしても、二重共鳴マイクロ波周波数におけるパワー
シフトの発生を極力防止でき、常に安定した標準周波数
を得ることかできる原子発振器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 the microwave electromagnetic field in a space including a gas cell in which the microwave electromagnetic field is generated is directly detected in the space, so that An atomic oscillator that can always control the microwave electromagnetic field to a constant value, prevent the occurrence of power shift at the double resonance microwave frequency as much as possible, and obtain a stable standard frequency even if the ambient temperature changes. The purpose is to provide.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に、本発明は、励起用の光を出力する励起用光源と、ア
ルカリ金属原子のガスを封入したガスセルと、このガス
セルを含む空間にマイクロ波電磁界を発生させるマイク
ロ波発生部と、前記空間及びガスの温度を一定に制御す
る温度制御手段とを備え、ガスに光およびマイクロ波を
同時に作用させて、光・マイクロ波二重共鳴が生じる周
波数にマイクロ波の周波数を一致させる原子発振器にお
いて、温度制御された前記空間内にマイクロ波電磁界の
強度を検出する検出器を配設し、この検出器で検出され
た電磁界強度が一定になるように、マイクロ波発生部の
出力を制御するようにしている。In order to solve the above problems, the present invention provides an excitation light source for outputting excitation light, a gas cell filled with a gas of alkali metal atoms, and a space including the gas cell. A microwave generation part for generating a microwave electromagnetic field and a temperature control means for controlling the temperature of the space and the gas at a constant level are provided, and light and microwave are simultaneously acted on the gas to generate a light / microwave double resonance. In the atomic oscillator that matches the frequency of the microwave with the frequency at which the frequency is generated, a detector for detecting the strength of the microwave electromagnetic field is arranged in the temperature-controlled space, and the electromagnetic field strength detected by this detector is The output of the microwave generator is controlled so as to be constant.
【００１５】[0015]
【作用】このように構成された原子発振器においては、
励起用光源からの光とマイクロ波発生部からのマイクロ
波が同時に入射して光・マイクロ波二重共鳴が生起され
るガスセルを囲む空間内に、マイクロ波電磁界の強度を
検出する検出器が配設されている。In the atomic oscillator configured as described above,
In the space surrounding the gas cell where the light from the excitation light source and the microwave from the microwave generator are simultaneously incident to cause optical / microwave double resonance, there is a detector that detects the intensity of the microwave electromagnetic field. It is arranged.
【００１６】そして、この検出器で検出されたマイクロ
波電磁界の強度はマイクロ波制御手段へ入力される。こ
のマイクロ波制御手段は、検出された電磁界強度が一定
値になるように、マイクロ波発生部の出力を制御する。Then, the intensity of the microwave electromagnetic field detected by this detector is input to the microwave control means. The microwave control means controls the output of the microwave generation unit so that the detected electromagnetic field strength has a constant value.
【００１７】このように、マイクロ波二重共鳴が生起さ
れるガスセルを囲む空間における電磁界強度を直接制御
しているので、たとえマイクロ波発生部の周囲温度が変
化しても、常に二重共鳴マイクロ周波数を一定値に制御
できる。As described above, since the electromagnetic field intensity in the space surrounding the gas cell in which the microwave double resonance is generated is directly controlled, the double resonance is always maintained even if the ambient temperature of the microwave generating part changes. The micro frequency can be controlled to a constant value.
【００１８】[0018]
【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。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５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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of the atomic oscillator of the embodiment. The atomic oscillator of the embodiment is an atomic oscillator using rubidium. Further, the same parts as those of the conventional atomic oscillator shown in FIG. Therefore, detailed description of the overlapping portions is omitted.
【００１９】例えばレーザ光源等からなる励起光源１か
ら出力されたレーザ光ｈは、ルビジウムガス３が封入し
たガスセル４とガスセル４を取り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へ入射する。受光器７は、光・マイクロ波二
重共鳴部６のガスセル４を透過したレーザ光ｈを光・マ
イクロ波二重共鳴検出信号ａに変換する。The laser light h output from the excitation light source 1 including, for example, a laser light source is composed of a gas cell 4 in which a rubidium gas 3 is enclosed and a light / microwave double resonance portion 6 including a microwave cavity 5 surrounding the gas cell 4. And is incident on the light receiver 7. The light receiver 7 converts the laser light h transmitted through the gas cell 4 of the optical / microwave double resonance unit 6 into an optical / microwave double resonance detection signal a.
【００２０】光・マイクロ波二重共鳴部６は例えば図２
に示すように構成されている。両端閉塞の円筒体形状を
有したマイクロ波キャビティ５の一方の内面５ａの中央
位置にレーザ光ｈが入射するための入射孔５ｂが穿設さ
れている。また、軸心に沿って、やはり円筒状の両端閉
塞のガラス管にルビジウムガス３を封入したガスセル４
が配設されている。The optical / microwave double resonance section 6 is shown in FIG.
It is configured as shown in. An entrance hole 5b for allowing the laser light h to enter is formed in the center position of one inner surface 5a of the microwave cavity 5 having a cylindrical shape with both ends closed. Further, along the axis, a gas cell 4 in which a rubidium gas 3 is enclosed in a cylindrical glass tube which is closed at both ends is also provided.
Are arranged.
【００２１】さらに、入射孔５ｂが穿設された内面５ａ
に、このマイクロ波キャビティ５内にマイクロ波電磁界
を発生させるためのアンテナループ１５が取付けられて
いる。また、この内面５ａにおけるアンテナループ１５
の反対側位置には、このマイクロ波キャビティ５内にお
けるマイクロ波電磁界強度を検出するダイオード検波器
１６が取付けられている。Further, an inner surface 5a having an entrance hole 5b formed therein.
An antenna loop 15 for generating a microwave electromagnetic field is attached inside the microwave cavity 5. In addition, the antenna loop 15 on the inner surface 5a
A diode detector 16 for detecting the intensity of the microwave electromagnetic field in the microwave cavity 5 is attached to a position opposite to the position.
【００２２】具体的には、ダイオード検波器１６の一端
は前記内面５ａに接地され、他端は貫通コンデンサ１７
を介してマイクロ波キャビティ５外へ導出されている。
なお、検出するマイクロ波の周波数が６．８ＧHz近傍に
おいては、ダイオードのパッケージ内のボンディングワ
イヤやリード線等がアンテナとして働き、貫通コンデン
サ１７から十分マイクロ波電磁界強度を検出できる。逆
に、大きな検出用アンテナを取付けると、このアンテナ
の存在によって、マイクロ波キャビティ５内の電磁界が
乱れ、二重共鳴現象に悪影響を与える懸念がある。Specifically, one end of the diode detector 16 is grounded to the inner surface 5a, and the other end is a feedthrough capacitor 17
It is led out of the microwave cavity 5 via.
When the frequency of the detected microwave is in the vicinity of 6.8 GHz, the bonding wire, the lead wire and the like in the package of the diode act as an antenna, and the microwave electromagnetic field strength can be sufficiently detected from the feedthrough capacitor 17. On the contrary, if a large detection antenna is attached, the presence of this antenna disturbs the electromagnetic field in the microwave cavity 5 and may adversely affect the double resonance phenomenon.
【００２３】マイクロ波発生部８は、図５に示した従来
の原子発振器と同様に、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ｃの電
圧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は例えば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。The microwave generator 8 is composed of a voltage controlled crystal oscillator 8a and a frequency synthesizer / multiplier 8b, like the conventional atomic oscillator shown in FIG. The voltage controlled crystal oscillator 8a outputs a signal having a frequency corresponding to the voltage of the control signal c applied to the control terminal. The voltage-controlled crystal oscillator 8a outputs a signal of, for example, about 10 MHz to the outside as a standard frequency signal, and also a frequency synthesizer / multiplier 8b.
Send to.
【００２４】周波数合成・逓倍器８ｂは入力した周波数
を逓倍して、前記光・マイクロ波二重共鳴部６における
二重共鳴マイクロ波周波数ｆ0 近傍の約６．８ＧHzの周
波数ｆを有するマイクロ波ｉを発生する。また、周波数
合成・逓倍器８ｂはこのマイクロ波ｉを低周波発振器９
から出力される周波数ｆm の低周波信号ｄでもって僅か
に周波数変調する。マイクロ波発生部８から出力された
マイクロ波ｉは次のマイクロ波制御手段としてのレベル
制御回路１８を介して図２に示すアンテナループ１５に
印加される。The frequency synthesizer / multiplier 8b multiplies the input frequency to generate a microwave having a frequency f of about 6.8 GHz near the double resonance microwave frequency f 0 in the optical / microwave double resonance section 6. generate i. Further, the frequency synthesizer / multiplier 8b transmits the microwave i to the low frequency oscillator 9
The frequency is slightly modulated by the low frequency signal d having the frequency f m output from The microwave i output from the microwave generator 8 is applied to the antenna loop 15 shown in FIG. 2 via the level control circuit 18 as the next microwave control means.
【００２５】レベル制御回路１８は例えば図３に示すよ
うに構成されている。ダイオード検波器１６から出力さ
れたマイクロ波電磁界強度を示す検出信号ｊは増幅器１
８ａで一定の増幅率で増幅されたのち、差動増幅器１８
ｂの（＋）側入力端子に入力される。差動増幅器１８ｂ
の（−）側入力端子には可変電圧源１８ｃからの設定電
圧が入力されている。差動増幅器１８ｂは検出信号ｊの
信号レベルの設定電圧からの偏差を示す偏差電圧信号ｋ
を電圧制御可変減衰器１８ｅの制御端子へ印加する。The level control circuit 18 is constructed, for example, as shown in FIG. The detection signal j indicating the microwave electromagnetic field intensity output from the diode detector 16 is the amplifier 1
After being amplified at a constant amplification rate by 8a, the differential amplifier 18
It is input to the (+) side input terminal of b. Differential amplifier 18b
The set voltage from the variable voltage source 18c is input to the (-) side input terminal of the. The differential amplifier 18b uses the deviation voltage signal k indicating the deviation of the signal level of the detection signal j from the set voltage.
Is applied to the control terminal of the voltage controlled variable attenuator 18e.
【００２６】電圧制御可変減衰器１８ｅは、例えばＰＩ
Ｎダイオード等を用いて構成され、偏差電圧信号ｋが０
になるようにマイクロ波ｉの信号レベルを制御する。よ
って、このレベル制御回路１８は、マイクロ波キャビテ
ィ５内のマイクロ波電磁界強度を可変電圧源１８ｃにて
設定された値に制御する。The voltage controlled variable attenuator 18e is, for example, PI
The deviation voltage signal k is set to 0 by using an N diode or the like.
The signal level of the microwave i is controlled so that Therefore, the level control circuit 18 controls the microwave electromagnetic field intensity in the microwave cavity 5 to a value set by the variable voltage source 18c.
【００２７】一方、マイクロ波ｉは前記低周波信号ｄで
もって周波数変調されているので、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ｆm 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１１において周波数ｆm を有する前記低周波信号ｄ
でもって同期検波される。サーボ回路１２は同期検波回
路１１の出力信号ｅ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ｃを帰還する。On the other hand, since the microwave i is frequency-modulated by the low frequency signal d, the optical / microwave double resonance detection signal a output from the photodetector 7 is also frequency-modulated by the frequency f m. There is. This optical / microwave double resonance detection signal a is amplified by an amplifier 10 and then, in the synchronous detection circuit 11, the low frequency signal d having a frequency f m.
Therefore, it is detected synchronously. The servo circuit 12 feeds back the control signal c to the voltage controlled oscillator 8a of the microwave generator 8 so that the output signal e of the synchronous detection circuit 11 becomes zero.
【００２８】よって、マイクロ波発生部８から出力され
るマイクロ波の周波数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ｆS も
一定に保たれる。Therefore, the frequency f of the microwave output from the microwave generator 8 is the frequency f 0 at which double resonance occurs.
Matches As a result, the frequency synthesizer / multiplier 8b also keeps the frequency f S of the standard frequency signal output from the voltage controlled crystal oscillator 8a, which has a constant relationship with the microwave frequency f, constant.
【００２９】このように構成された原子発振器において
は、励起用光源１からのレーザ光ｈとマイクロ波発生部
８からレベル制御回路１８を経由したマイクロ波ｉが同
時に入射して光・マイクロ波二重共鳴が生起されるガス
セル４を囲むマイクロ波キャビティ５（空間）内に、マ
イクロ波電磁界の強度を検出するダイオード検波器１６
が取付けられている。そして、このダイオード検波器１
６で検出されたマイクロ波電磁界の強度は検出信号ｊと
してレベル制御回路１８へ入力される。このレベル制御
回路１８は、検出されたマイクロ波電磁界強度が可変電
圧源１８ｃで設定された最適値になるように、マイクロ
波発生部８の出力マイクロ波ｉを制御する。In the atomic oscillator configured as described above, the laser light h from the excitation light source 1 and the microwave i from the microwave generation unit 8 via the level control circuit 18 are simultaneously incident and the optical / microwave two is transmitted. A diode detector 16 for detecting the intensity of the microwave electromagnetic field in the microwave cavity 5 (space) surrounding the gas cell 4 in which the double resonance is generated.
Is installed. And this diode detector 1
The intensity of the microwave electromagnetic field detected in 6 is input to the level control circuit 18 as a detection signal j. The level control circuit 18 controls the output microwave i of the microwave generation unit 8 so that the detected microwave electromagnetic field intensity becomes the optimum value set by the variable voltage source 18c.
【００３０】このように、マイクロ波二重共鳴が生起さ
れるガスセル４を囲むマイクロ波キャビティ５内におけ
るマイクロ波電磁界強度を直接制御しているので、たと
えマイクロ波発生部８の周囲温度が変化しても、パワー
シフトの発生を未然に抑制でき、二重共鳴マイクロ周波
数ｆ0 を常に一定値に制御できる。As described above, since the microwave electromagnetic field intensity in the microwave cavity 5 surrounding the gas cell 4 in which the microwave double resonance is generated is directly controlled, even if the ambient temperature of the microwave generating portion 8 changes. However, the occurrence of power shift can be suppressed in advance, and the double resonance micro frequency f 0 can always be controlled to a constant value.
【００３１】したがって、この原子発振器にて得られる
標準周波数ｆS の周波数安定度を大幅に向上できる。Therefore, the frequency stability of the standard frequency f S obtained by this atomic oscillator can be greatly improved.
【００３２】図４は本発明の他の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である。図１に示す実
施例と同一部分には同一符号を付して、重複する部分の
詳細説明を省略する。FIG. 4 is a block diagram showing a schematic structure of an atomic oscillator according to another embodiment of the present invention. The same parts as those in the embodiment shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and detailed description of the overlapping parts will be omitted.
【００３３】この実施例においては、サーキュレータ１
９が使用されている。また、マイクロ波キャビティ５内
には、従来の原子発振器と同様に、アンテナループ１５
のみが取付けられている。そして、このアンテナループ
１５は、マイクロ波電磁界の発生機能とマイクロ波電磁
界強度の検出機能とを兼用する。In this embodiment, the circulator 1
9 is used. Further, in the microwave cavity 5, the antenna loop 15 is provided as in the conventional atomic oscillator.
Only installed. The antenna loop 15 has both a microwave electromagnetic field generating function and a microwave electromagnetic field intensity detecting function.
【００３４】マイクロ波発生部８からレベル制御回路１
８を介して出力されたマイクロ波ｉは、サーキュレータ
１９の第１のポート１９ａから第２のポート１９ｂを介
してマイクロ波キャビティ５内のアンテナループ１５に
印加され、このマイクロ波キャビティ５内にマイクロ波
電磁界を発生させる。マイクロ波キャビティ５内に発生
したマイクロ波電磁界は再びアンテナループ１５に起電
力を誘起させる。この起電力はサーキュレータ１９の第
２のポート１９ｂから第３のポート１９ｃを介してダイ
オード検波器２０へ入力される。Microwave generator 8 to level control circuit 1
The microwave i output via 8 is applied from the first port 19a of the circulator 19 to the antenna loop 15 in the microwave cavity 5 via the second port 19b, and the microwave i is introduced into the microwave cavity 5. Generate a wave electromagnetic field. The microwave electromagnetic field generated in the microwave cavity 5 again induces an electromotive force in the antenna loop 15. This electromotive force is input to the diode detector 20 from the second port 19b of the circulator 19 through the third port 19c.
【００３５】ダイオード検波器２０はこの起電力を検波
して、マイクロ波電磁界の強度を示す検出信号ｍとして
レベル制御回路１８の制御端子へ入力する。したがっ
て、レベル制御回路１８は、図１に示した実施例と同様
に、検出信号ｍを用いて、サーキュレータ１９を介して
マイクロ波キャビティ５へ印加されるマイクロ波ｉの信
号レベルを一定値に制御する。The diode detector 20 detects this electromotive force and inputs it to the control terminal of the level control circuit 18 as a detection signal m indicating the strength of the microwave electromagnetic field. Therefore, the level control circuit 18 controls the signal level of the microwave i applied to the microwave cavity 5 via the circulator 19 to a constant value by using the detection signal m, as in the embodiment shown in FIG. To do.
【００３６】光・マイクロ波二重共鳴部６は、ヒータ１
３と温度制御器１４によって、一定温度に維持されてお
り、ダイオード検波器２０もマイクロ波キャビティ５と
同様に一定温度に維持されている。したがって、この実
施例においても、図１の実施例と同様に周囲温度の影響
を受けることなく、マイクロ波キャビティ５内のマイク
ロ波電磁界の強度を一定に維持することが可能である。The optical / microwave double-resonance section 6 includes a heater 1
3 and the temperature controller 14 maintain a constant temperature, and the diode detector 20 also maintains a constant temperature like the microwave cavity 5. Therefore, also in this embodiment, the strength of the microwave electromagnetic field in the microwave cavity 5 can be maintained constant without being affected by the ambient temperature as in the embodiment of FIG.
【００３７】よって、図１の実施例と同様に、パワーシ
フトの発生を抑制でき、出力される標準周波数ｆS の周
波数安定度を向上できる。Therefore, similarly to the embodiment of FIG. 1, the occurrence of power shift can be suppressed and the frequency stability of the output standard frequency f S can be improved.
【００３８】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。例えば、セシウム等の他のアルカリ
金属原子のガスを用いた原子発振器であってもよい。The present invention is not limited to the above embodiments. For example, it may be an atomic oscillator using a gas of another alkali metal atom such as cesium.
【００３９】[0039]
【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、ガスセルを含むマイクロ波電磁界が発生
する例えばマイクロ波キャビテイ等の空間におけるマイ
クロ波電磁界をその空間内において直接検出して、この
検出値でもってこの空間に印加されるマイクロ波の強度
を制御している。したがって、当該空間におけるマイク
ロ波電磁界を常に一定値に制御でき、たとえ周囲温度が
変化したとしても、二重共鳴マイクロ波周波数における
パワーシフトの発生を極力防止でき、この原子発振器か
ら出力される標準周波数における周波数安定度を大幅に
向上できる。As described above, in the atomic oscillator of the present invention, a microwave electromagnetic field in a space such as a microwave cavity where a microwave electromagnetic field including a gas cell is generated is directly detected in the space. The detected value controls the intensity of the microwave applied to this space. Therefore, the microwave electromagnetic field in the space can always be controlled to a constant value, and even if the ambient temperature changes, the occurrence of power shift at the double resonance microwave frequency can be prevented as much as possible, and the standard output from this atomic oscillator The frequency stability at the frequency can be significantly improved.
【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、FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an atomic oscillator according to an embodiment of the invention.
【図２】 同実施例における光・マイクロ波二重共鳴部
の構成を示す切欠斜視図、FIG. 2 is a cutaway perspective view showing a configuration of an optical / microwave double resonance part in the embodiment.
【図３】 同実施例におけるレベル制御回路を示すブロ
ック図、FIG. 3 is a block diagram showing a level control circuit in the embodiment.
【図４】 本発明の他の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、FIG. 4 is a block diagram showing a schematic configuration of an atomic oscillator according to another embodiment of the invention.
【図５】 従来の原子発振器の概略構成を示すブロック
図、FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of a conventional atomic oscillator,
【図６】 同期検波回路の出力信号波形図、FIG. 6 is a waveform diagram of an output signal of the synchronous detection circuit,
【図７】 マイクロ波キャビティにおけるマイクロ波励
振電力と二重共鳴マイクロ波周波数との関係を示す図、FIG. 7 is a diagram showing a relationship between a microwave excitation power and a double resonance microwave frequency in a microwave cavity;
３…ルビジウムガス、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、７…受光
器、８…マイクロ波発生部、８ａ…電圧制御水晶発振
器、８ｂ…周波数合成・逓倍器、９…低周波発振器、１
０…増幅器、１１…同期検波回路、１２…サーボ回路、
１３…ヒータ、１４…温度制御器、１５…アンテナルー
プ、１６，２０…ダイオード検波器、１７…貫通コンデ
ンサ、１８…レベル制御回路、１９…サーキュレータ。3 ... Rubidium gas, 4 ... Gas cell, 5 ... Microwave cavity, 6 ... Optical / microwave double resonance section, 7 ... Photoreceiver, 8 ... Microwave generating section, 8a ... Voltage controlled crystal oscillator, 8b ... Frequency synthesis / Multiplier, 9 ... Low frequency oscillator, 1
0 ... Amplifier, 11 ... Synchronous detection circuit, 12 ... Servo circuit,
13 ... Heater, 14 ... Temperature controller, 15 ... Antenna loop, 16, 20 ... Diode detector, 17 ... Feedthrough capacitor, 18 ... Level control circuit, 19 ... Circulator.
Claims (1)
と、アルカリ金属原子のガス(3) を封入したガスセル
(4) と、このガスセルを含む空間(5) にマイクロ波電磁
界を発生させるマイクロ波発生部(8) と、前記空間及び
ガスの温度を一定に制御する温度制御手段(13,14) とを
備え、前記ガスに前記光およびマイクロ波を同時に作用
させて、光・マイクロ波二重共鳴が生じる周波数に前記
マイクロ波の周波数を一致させる原子発振器において、 前記温度制御された空間内に配設され、前記マイクロ波
電磁界の強度を検出する検出器(16)と、この検出器で検
出された電磁界強度が一定になるように、前記マイクロ
波発生部の出力を制御するマイクロ波制御手段(18)とを
備えた原子発振器。1. A pumping light source (1) for outputting pumping light
And a gas cell filled with alkali metal atom gas (3)
(4), a microwave generator (8) for generating a microwave electromagnetic field in the space (5) containing the gas cell, and a temperature control means (13, 14) for controlling the temperature of the space and gas to be constant. An atomic oscillator for simultaneously applying the light and the microwave to the gas to match the frequency of the microwave with the frequency at which optical / microwave double resonance occurs, the atomic oscillator being disposed in the temperature-controlled space. The detector for detecting the intensity of the microwave electromagnetic field (16), and the microwave control means for controlling the output of the microwave generator so that the electromagnetic field intensity detected by the detector becomes constant. (18) An atomic oscillator comprising and.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12636892A JP3172777B2 (en) | 1992-05-19 | 1992-05-19 | Atomic oscillator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12636892A JP3172777B2 (en) | 1992-05-19 | 1992-05-19 | Atomic oscillator |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP3172777B2 JP3172777B2 (en) | 2001-06-04 |
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ID=14933457
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|---|---|---|---|
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3172777B2 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07245435A (en) * | 1994-03-07 | 1995-09-19 | Nec Corp | Optical microwave unit for rubidium atom oscillator |
| JPH08186491A (en) * | 1994-12-28 | 1996-07-16 | Nec Corp | Rubidium atomic oscillator |
| JP2018042114A (en) * | 2016-09-07 | 2018-03-15 | セイコーエプソン株式会社 | Atomic oscillator, electronic apparatus, and mobile body |
-
1992
- 1992-05-19 JP JP12636892A patent/JP3172777B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07245435A (en) * | 1994-03-07 | 1995-09-19 | Nec Corp | Optical microwave unit for rubidium atom oscillator |
| JPH08186491A (en) * | 1994-12-28 | 1996-07-16 | Nec Corp | Rubidium atomic oscillator |
| JP2018042114A (en) * | 2016-09-07 | 2018-03-15 | セイコーエプソン株式会社 | Atomic oscillator, electronic apparatus, and mobile body |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3172777B2 (en) | 2001-06-04 |
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