JPH07105718B2

JPH07105718B2 - 周波数標準器

Info

Publication number: JPH07105718B2
Application number: JP16809787A
Authority: JP
Inventors: 淑也水田; 浩二秋山
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1987-07-06
Filing date: 1987-07-06
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPS6412620A

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５図にこの様な周波数標準器の一例を示す。第５
図において、ルビジウムランプ１の光は共鳴セル２に照
射される。共鳴セル２にはRb⁸⁷が封入されている。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。また低周波発振
器８の出力により位相変調される。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、共鳴セルに電磁波が照射され
る。同期検波器５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
数標準出力として取出される。ルビジウムランプ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６図に基づいて説明す
る。第６図はRb⁸⁷のエネルギー準位であり、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る。
ルビジウムランプ１の光を吸収すると、Rb⁸⁷はＦ＝１の
準位から5Pの励起準位に持上げられ、そこから等確率で
Ｆ＝１とＦ＝２の準位におちる。Ｆ＝１の準位におちた
Rb⁸⁷はルビジウムランプ１の光により再度励起準位5Pに
持上げられる。この様にしてＦ＝１の準位にあるRb⁸⁷は
次第に少なくなり共鳴セル２によって吸収される光の強
度が弱くなる。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の準位におち、再び共鳴セル２による吸収が強く
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Rb⁸⁷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1360とし、5MHzの周波数が得られるようにす
る。

第７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７図におい
て、半導体レーザ13の出力光はハーフミラー14で２つに
分けられ、それぞれRb⁸⁷共鳴セル15およびRb⁸⁷吸収セル
16に入射される。Rb⁸⁷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。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。Rb⁸⁷共鳴セル15の透過光は光検出器19で検出され
周波数制御手段20に入力される。周波数制御手段20は光
検出器19が検出する光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、Rb⁸⁷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５図と同じなので説
明を省略する。

＜発明が解決すべき問題点＞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５図の周波数標準器はルビジウムランプ
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、周波数確度の点で第７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７図の周波数標準器は光源として半導体レーザを用い
ているので寿命が長く、また半導体レーザの出力光のス
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Rb⁸⁷共鳴セルを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、安定性、周波数確度が優れており、
かつ小型化が可能な周波数標準器を提供することにあ
る。

＜問題点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、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に半導体レ
ーザの出力光を照射し、またこの吸収セルに間欠的に電
磁波発生手段により電磁波を照射して、この吸収セルの
透過光を光検出器で検出すると共に、前記吸収セルに電
磁波が照射されていないときの前記光検出器の出力に基
づいて周波数安定化手段により前記半導体レーザの出力
光の周波数を安定化する。さらに、前記吸収セルに電磁
波が照射されているときの前記光検出器の出力に基づい
て前記電磁波発生手段手段に信号を与える発振器の出力
周波数を制御するようにしたものである。

＜作用＞半導体レーザの出力光の周波数を安定化する為の吸収セ
ルと超微細遷移を起こさせる共鳴セルを共通化すること
により装置の小型化を図る。

＜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に入力される。吸収セル31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は光検出器であり、吸収セル31の透過光の強度を
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は制御手段であり、前置増幅器
33の出力が入力される。制御手段34はサンプルホールド
手段341、ロックインアンプ342、PID制御部343から構成
されている。前置増幅器33の出力はサンプルホールド手
段341でサンプリングされ、ロックインアンプ342で同期
検波されてPID制御部343に入力される。35は制御手段で
あり、前置増幅器33の出力が入力される。制御手段35は
サンプルホールド手段351、ロックインアンプ352、PID
制御部353から構成されており、制御手段34と同じ機能
を有する。36は水晶発振器であり、制御手段34の出力で
その出力周波数が制御される。この水晶発振器36の出力
は標準周波数出力として取出されると共に位相変調器37
に入力される。38は低周波発振器であり、その出力は位
相変調器37およびロックインアンプ342に入力される。3
9は周波数逓倍器であり、位相変調器37の出力が入力さ
れる。40はスイッチであり、周波数逓倍器39の出力が入
力され、この出力を空胴共振器41に供給しまたその供給
を停止する。空胴共振器41は吸収セル31を取囲むように
配置されている。42はクロック発生器であり、その出力
はスイッチ40を駆動する。またその出力は分周器43、44
およびサンプルホールド手段351に入力される。分周器4
3の出力はサンプルホールド手段341に入力される。また
分周器44の出力はロックインアンプ352に入力される。4
5はレーザ電流変調器であり、分周器44の出力が入力さ
れる。46は加算器であり、レーザ電流変調器45および制
御手段35の出力が入力され、これらの入力を加算する。
加算器46の出力は半導体レーザ30に入力され、その駆動
電流を制御する。位相変調器37、周波数逓倍器39で電磁
波発生手段を構成し、制御手段35は半導体レーザ30の出
力光の周波数安定化手段として、制御手段34は水晶発振
器36の周波数制御手段として働く。

次にこの実施例の動作を第２図に基づいて説明する。第
２図（Ａ）はクロック発生器42の出力であり、例えば12
kHzの周波数を有する。（Ｂ）は分周器44の出力であ
る。分周器44はクロック発振器42の出力をその立ちさが
りのタイミングで1/2分周する。（Ｃ）は分周器43の出
力である。分周器43はクロック発生器42の出力をその立
ち上がりのタイミングで1/2分周する。分周器44の出力
はレーザ電流変調器45に入力され、半導体レーザ30の駆
動電流が制御される。従って半導体レーザ30の出力光の
周波数は、分周器44の出力が低レベルのときはυ_Ｏとな
り、高レベルのときはυ_Ｏ＋f_Dになる。またクロック発
生器42の出力はスイッチ40を駆動し、その高レベルで周
波数逓倍器39からの電磁波を空胴共振器41に供給し、ま
た低レベルで供給を停止する。またサンプルホールド手
段341は分周器43の出力の立ち上がりのタイミングで前
置増幅器33の出力をサンプリングする。そのため、サン
プルホールド手段341には周波数υ_Ｏのレーザ光が入射
され、かつ電磁波が照射されているときの吸収セル31の
透過光の強度信号がサンプリングされる。第６図で説明
したように、吸収セル31内の標準物質であるRb⁸⁷はレー
ザ光により励起状態に持上げられ、また空胴共振器41に
供給される電磁波によりＦ＝２のレベルからＦ＝１のレ
ベルに遷移される。従って、PID制御部343によりサンプ
ルホールド手段341にサンンプリングされる信号が最小
になるように水晶発振器36の出力周波数を制御すること
により、この出力周波数は高安定に保持される。なお、
この実施例では低周波発振器38の出力により位相変調器
37で水晶発振器36の出力を変調し、またサンプルホール
ド手段341の出力をロックインアンプ342で同じ出力で同
期検波することによりS/N比の改善を図っている。低周
波発振器38の出力周波数はクロック発生器42の出力周波
数より充分低い値例えば150Hzに設定される。また、サ
ンプルホールド手段351はクロック発生器42の出力の立
ちさがりのタイミングで前置増幅器33の出力をサンプリ
ングする。すなわち、サンプルホールド手段351は空胴
共振器41に電磁波が供給されていないときの吸収セル31
の透過光の強度信号がサンプリングされる。第３図に示
すように吸収セル31の透過光強度はピークを形成するの
で、周波数の変化は透過光の強度信号に変換される。従
って、PID制御部353によりサンプルホールド手段351の
出力が一定になるように半導体レーザ30の駆動電流を制
御することにより、その出力光の周波数を標準物質の遷
移周波数にロックすることが出来る。PID制御部353の出
力とレーザ電流変調器45の出力は加算器46で加算され、
半導体レーザ30に印加される。

第４図に本発明の他の実施例を示す。この実施例は半導
体レーザ30の出力光の周波数をf_Dだけ変化させるために
音響光学変調器を用いたものである。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。第４図に
おいて、47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。48はドライバであり、周波数f_Dのドライブ信号を出
力する。49はスイッチであり、分周器44の出力で駆動さ
れる。分周器44の出力が低レベルのときはスイッチ49は
オフにされ、音響光学変調器47は動作しない。従って吸
収セル31に入射される光の周波数はυ_Ｏになる。分周器
44の出力が高レベルになると、スイッチ49はオンにされ
音響光学変調器47はドライバ48で駆動される。従って吸
収セル31に入射する光の周波数はυ_Ｏ＋f_Dになる。半導
体レーザ30はPID制御部353でその出力光の周波数が制御
される。他の動作は第１図と同じなので、説明を省略す
る。

なお標準物質としてはRb⁸⁷の外にRb⁸⁵またはCsを使用し
てもよい。Rb⁸⁵の場合は照射する電磁波は約3GHzに、Cs
の場合は約9.2GHzになる。

また、電磁波を吸収セルに照射する装置としては、空胴
共振器の外に一般のアンテナ等電磁波が出力出来るもの
ならなんでも使用することが出来る。

またこの実施例では電磁波を吸収セルに照射してＦ＝２
からＦ＝１への誘導放出を行うようにしたが、マイクロ
波の吸収による光−マイクロ波２重共鳴信号を用いても
よい。すなわち第６図において、光を照射してＦ＝２か
ら5Pの準位へ励起するようにし、マイクロ波を標準物質
に吸収させてＦ＝１からＦ＝２への遷移を起こさせても
よい。

さらに、この実施例では光検出器32の出力をサンプルホ
ールド手段341でサンプリングしているので、時間の量
子化による量子化誤差が生じる。しかし、サンプリング
周波数（6kHz）を低周波発振器38の出力周波数（150H
z）より充分大きくすることによって実用上問題のない
範囲に出来る。

＜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
明では光源を半導体レーザとし、電磁波を間欠的に吸収
セルに吸収して電磁波が照射されているときの光検出器
の出力で発振器を制御し、照射されていないときの出力
で半導体レーザの出力光の周波数を制御するようにし
た。そのため、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、また寿命が長くなる。

また、電磁波を間欠的に与えるようにしたので、吸収セ
ルおよび光検出器が１個で良く、小型化が可能になる。

さらに、半導体レーザの出力光の周波数が安定化されて
いるので、光周波数の標準として用いることも出来る。

【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図は動作を示すタイムチャート、第３図
は吸収特性を示す特性曲線図、第４図は本発明の他の実
施例を示すブロック図、第５図、第７図は従来の周波数
標準器の構成を示すブロック図、第６図はRb⁸⁷のエネル
ギー準位を示す図である。 30……半導体レーザ、31……吸収セル、32……光検出
器、34,35……制御手段、36……水晶発振器、37……位
相変調器、39……周波数逓倍器、40,49……スイッチ、4
1……空胴共振器、45……レーザ電流変調器、47……音
響光学変調器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項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与え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が照射され
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を検出する光
検出器と、発振器と、この発振器の出力を逓倍して前記
吸収セルに間欠的に電磁波を与える電磁波発生手段と、
前記光検出器の出力が入力され前記吸収セルに電磁波が
与えられていないときの前記光検出器の出力に基づいて
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、前記吸収セルに電磁波が与えられている
ときの前記光検出器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することを特徴
とする周波数標準器。