JPH07114365B2 - 光周波数シフタを用いるレ−ザ励起型セシウム原子発振器 - Google Patents
光周波数シフタを用いるレ−ザ励起型セシウム原子発振器Info
- Publication number
- JPH07114365B2 JPH07114365B2 JP2214587A JP2214587A JPH07114365B2 JP H07114365 B2 JPH07114365 B2 JP H07114365B2 JP 2214587 A JP2214587 A JP 2214587A JP 2214587 A JP2214587 A JP 2214587A JP H07114365 B2 JPH07114365 B2 JP H07114365B2
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- cesium
- laser
- frequency
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、簡易な方法で２波長の励起光を得ることの
できるようにしたレーザ励起型セシウム原子発振器に関
する。
できるようにしたレーザ励起型セシウム原子発振器に関
する。
［従来の技術］ セシウム原子発振器は、セシウム原子の超微細構造にお
ける、電子エネルギ準位間の遷移周波数を基準として、
発振器の発振周波数を安定化さることにより、極めて安
定な周波数を得る発振器である。この原子発振器に用い
られる遷移周波数としては、セシウム133の基底状態の
超微細準位のうち、全角運動量量子数Ｆ＝４、全磁気量
子数mF＝０で指定される準位と、全角運動量量子数Ｆ＝
３、全磁気量子数mF＝０で指定される準位との間のエネ
ルギ差に相当する周波数ν０（9.19263GHz）が用いられ
る。これは、この遷移が、外部磁界によるゼーマン効果
の影響が最も小さいからである。そして、上記準位差の
遷移を検出するため、上記基底状態の超微細準位（Ｆ＝
3,F＝４）の一方の選択、および遷移原子の検出に偏向
磁石を用いたセシウム原子発振器が現在使用されてい
る。
ける、電子エネルギ準位間の遷移周波数を基準として、
発振器の発振周波数を安定化さることにより、極めて安
定な周波数を得る発振器である。この原子発振器に用い
られる遷移周波数としては、セシウム133の基底状態の
超微細準位のうち、全角運動量量子数Ｆ＝４、全磁気量
子数mF＝０で指定される準位と、全角運動量量子数Ｆ＝
３、全磁気量子数mF＝０で指定される準位との間のエネ
ルギ差に相当する周波数ν０（9.19263GHz）が用いられ
る。これは、この遷移が、外部磁界によるゼーマン効果
の影響が最も小さいからである。そして、上記準位差の
遷移を検出するため、上記基底状態の超微細準位（Ｆ＝
3,F＝４）の一方の選択、および遷移原子の検出に偏向
磁石を用いたセシウム原子発振器が現在使用されてい
る。
このような従来のセシウム原子発振器に対し、第２図に
示すようなレーザ励起型セシウム原子発振器が提案され
ている（特願昭61−262274号参照）。図において、１は
原子ビーム発生炉であり、電子エネルギ準位が基底状態
の準位Ｆ＝３、またはＦ＝４にある原子ビームを発生す
る。この原子ビームには、準位選択領域Ｄにおいて、励
起用レーザ2aおよび励起用レーザ2bから出力されたレー
ザ光が照射される。励起用レーザ2aから出力された第１
のレーザ光は、基底状態の準位Ｆ＝４と励起状態の準位
Ｆ＝４との間のエネルギ差に相当する周波数ν１を有す
る。これに対して、励起用レーザ2bから出力された第２
のレーザ光は、基底状態の準位Ｆ＝３と励起状態の準位
Ｆ＝４との間のエネルギ差に相当する周波数ν２を有す
る。したがって、これら第１、第２のレーザ光は、前記
原子ビームを励起状態の準位Ｆ＝４に励起する。
示すようなレーザ励起型セシウム原子発振器が提案され
ている（特願昭61−262274号参照）。図において、１は
原子ビーム発生炉であり、電子エネルギ準位が基底状態
の準位Ｆ＝３、またはＦ＝４にある原子ビームを発生す
る。この原子ビームには、準位選択領域Ｄにおいて、励
起用レーザ2aおよび励起用レーザ2bから出力されたレー
ザ光が照射される。励起用レーザ2aから出力された第１
のレーザ光は、基底状態の準位Ｆ＝４と励起状態の準位
Ｆ＝４との間のエネルギ差に相当する周波数ν１を有す
る。これに対して、励起用レーザ2bから出力された第２
のレーザ光は、基底状態の準位Ｆ＝３と励起状態の準位
Ｆ＝４との間のエネルギ差に相当する周波数ν２を有す
る。したがって、これら第１、第２のレーザ光は、前記
原子ビームを励起状態の準位Ｆ＝４に励起する。
上記レーザ光は、直線偏波であり、その偏波方向はＣ磁
界と平行である。この場合、基底状態の準位Ｆ＝3,4の
各副準位の原子は、光の吸収と自然放出とを繰り返し
て、基底状態の準位Ｆ＝4,mF＝０に集中する。従って、
空胴共振器３には、基底状態の準位Ｆ＝4,mF＝０の原子
だけが到達する。空胴共振器３は、周波数ν０のマイロ
波で励振されている。そこで、空胴共振器３に到達した
原子は、空胴共振器３の中で、周波数ν０のマイクロ波
と共鳴し、準位Ｆ＝4,mF＝０→準位Ｆ＝3,mF＝０の誘導
放出を起こす。すなわち、基底準位Ｆ＝4,mF＝０から基
底準位Ｆ＝3,mF＝０に遷移した原子が空胴共振器３から
放出される。この原子に励起用レーザ2aの光を照射し
て、励起準位のＦ＝４に励起させ、この準位から再び基
底準位に原子が落ちる際の自然放出光の強度を、光検出
器４で測定する。この場合、光検出器４の出力は上記誘
導放出を起こした原子数、言い替えれば、共鳴出力に対
応する。つまり、光検出器４は、共鳴検出器として機能
している。
界と平行である。この場合、基底状態の準位Ｆ＝3,4の
各副準位の原子は、光の吸収と自然放出とを繰り返し
て、基底状態の準位Ｆ＝4,mF＝０に集中する。従って、
空胴共振器３には、基底状態の準位Ｆ＝4,mF＝０の原子
だけが到達する。空胴共振器３は、周波数ν０のマイロ
波で励振されている。そこで、空胴共振器３に到達した
原子は、空胴共振器３の中で、周波数ν０のマイクロ波
と共鳴し、準位Ｆ＝4,mF＝０→準位Ｆ＝3,mF＝０の誘導
放出を起こす。すなわち、基底準位Ｆ＝4,mF＝０から基
底準位Ｆ＝3,mF＝０に遷移した原子が空胴共振器３から
放出される。この原子に励起用レーザ2aの光を照射し
て、励起準位のＦ＝４に励起させ、この準位から再び基
底準位に原子が落ちる際の自然放出光の強度を、光検出
器４で測定する。この場合、光検出器４の出力は上記誘
導放出を起こした原子数、言い替えれば、共鳴出力に対
応する。つまり、光検出器４は、共鳴検出器として機能
している。
上記マイクロ波は、低周波発振器５の出力により、位相
変調器６で変調され、周波数ν０を中心として、その前
後に掃引される。このとき、光検出器４から出力される
検出信号は、低周波発振器５の出力を参照信号として、
同期検波器７で同期検波される。この同期検波出力は、
光検出器４によって検出された共鳴出力の微分値に相当
するもので、マイクロ波の周波数が周波数ν０と一致し
たとき０となる。上記同期検波出力がVCO制御部８に供
給されると、VCO制御部８は、供給された信号に基づい
て、前記マイクロ波の周波数が値ν０と一致するよう
に、電圧制御発振器（VCO）９を制御する。VCO9の出力
は、周波数逓倍器10によって逓倍され、周波数がν０の
マイクロ波に変換される。そして、VCO9の出力が、周波
数安定化された所望の出力として取り出される。
変調器６で変調され、周波数ν０を中心として、その前
後に掃引される。このとき、光検出器４から出力される
検出信号は、低周波発振器５の出力を参照信号として、
同期検波器７で同期検波される。この同期検波出力は、
光検出器４によって検出された共鳴出力の微分値に相当
するもので、マイクロ波の周波数が周波数ν０と一致し
たとき０となる。上記同期検波出力がVCO制御部８に供
給されると、VCO制御部８は、供給された信号に基づい
て、前記マイクロ波の周波数が値ν０と一致するよう
に、電圧制御発振器（VCO）９を制御する。VCO9の出力
は、周波数逓倍器10によって逓倍され、周波数がν０の
マイクロ波に変換される。そして、VCO9の出力が、周波
数安定化された所望の出力として取り出される。
なお、上記低周波発振器５の出力周波数は、約100Hzで
ある。また、第２図中、空胴共振器３に印加されている
Ｃ磁界は、セシウム原子の磁気副準位mFを分離するため
のもので、mF≠０のエネルギ準位から、mF＝０のエネル
ギ準位を分離する。
ある。また、第２図中、空胴共振器３に印加されている
Ｃ磁界は、セシウム原子の磁気副準位mFを分離するため
のもので、mF≠０のエネルギ準位から、mF＝０のエネル
ギ準位を分離する。
このような２波長のレーザ光を用いたセシウム原子発振
器は、次のような特長をもっている。
器は、次のような特長をもっている。
すべての原子を有効に利用できるので、共鳴検出のS/
N比が増大し、周波数確度が向上する。
N比が増大し、周波数確度が向上する。
すべての原子の電子エネルギ状態が、基底状態の準位
Ｆ＝4,mF＝０に集中するので、磁気副準位mFの縮退を解
くためのＣ磁界が、原理的には不要となる。
Ｆ＝4,mF＝０に集中するので、磁気副準位mFの縮退を解
くためのＣ磁界が、原理的には不要となる。
［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上述したレーザ励起型セシウム原子発振器を
実現するためには、２台の励起用レーザが必要であり、
これらを同時に安定化しなければならず、回路構成が複
雑になる欠点があった。
実現するためには、２台の励起用レーザが必要であり、
これらを同時に安定化しなければならず、回路構成が複
雑になる欠点があった。
この発明は、このような背景の下になされたもので、２
波長励起光を用いる方式のレーザ励起型セシウム原子発
振器における、励起用レーザの問題を解決し、安定度が
高く、かつ小型で安価なレー励起型セシウム原子発振器
を提供することを目的とする。
波長励起光を用いる方式のレーザ励起型セシウム原子発
振器における、励起用レーザの問題を解決し、安定度が
高く、かつ小型で安価なレー励起型セシウム原子発振器
を提供することを目的とする。
［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決するために、この発明は、セシウムの
原子ビームを発生する原子ビーム発生炉と、この原子ビ
ームに第１の光を照射する励起用レーザと、前記第１の
光の一部を周波数シフトして前記原子ビームを照射する
第２の光を発生する光周波数シフタと、前記第１および
第２の光により一定の電子エネルギ準位の状態となった
セシウム原子をマイクロ波を用いて共鳴させる空胴共振
器と、前記空胴共振器によって共鳴させられた前記セシ
ウム原子に前記第１の光または第２の光を再照射し、セ
シウムの原子ビームを再励起するレーザ光照射手段と、
前記再励起されたセシウムの原子ビームからの自然放出
光の強度を検出する光検出器と、該光検出器の出力に基
づいて電圧制御発振器の発振周波数を安定化する発振器
制御部と、前記電圧制御発振器の出力を基に前記マイク
ロ波を発生する周波数逓倍器とを具備することを特徴と
する。
原子ビームを発生する原子ビーム発生炉と、この原子ビ
ームに第１の光を照射する励起用レーザと、前記第１の
光の一部を周波数シフトして前記原子ビームを照射する
第２の光を発生する光周波数シフタと、前記第１および
第２の光により一定の電子エネルギ準位の状態となった
セシウム原子をマイクロ波を用いて共鳴させる空胴共振
器と、前記空胴共振器によって共鳴させられた前記セシ
ウム原子に前記第１の光または第２の光を再照射し、セ
シウムの原子ビームを再励起するレーザ光照射手段と、
前記再励起されたセシウムの原子ビームからの自然放出
光の強度を検出する光検出器と、該光検出器の出力に基
づいて電圧制御発振器の発振周波数を安定化する発振器
制御部と、前記電圧制御発振器の出力を基に前記マイク
ロ波を発生する周波数逓倍器とを具備することを特徴と
する。
［作用］ 上記手段によれば、第１の光は励起用レーザから、第２
の光は光周波数シフタから得られる。つまり、２台の励
起用レーザを安定化する代わりに、１台の安定化された
励起用レーザと、光周波数シフタとによって、２波長の
励起光が得られる。この結果、装置の簡単化、高安定
化、小型化、低価格化が可能となる。
の光は光周波数シフタから得られる。つまり、２台の励
起用レーザを安定化する代わりに、１台の安定化された
励起用レーザと、光周波数シフタとによって、２波長の
励起光が得られる。この結果、装置の簡単化、高安定
化、小型化、低価格化が可能となる。
［実施例］ 以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
第１図は、この発明の一実施例の構成を示すブロック図
である。この図において、構成要素１〜10は、第２図に
示すレーザ励起型セシウム原子発振器と同様である。本
実施例が、前述の原子発振器と異なる点は、励起用レー
ザ2bを除去し、この代わりに光周波数シフタ11を設けた
点である。
である。この図において、構成要素１〜10は、第２図に
示すレーザ励起型セシウム原子発振器と同様である。本
実施例が、前述の原子発振器と異なる点は、励起用レー
ザ2bを除去し、この代わりに光周波数シフタ11を設けた
点である。
この光周波数シフタ11は、ブリルアン散乱を用いる音響
光学素子からなるもので、励起用レーザ2aと準位選択領
域Ｄとの間に配置され、励起用レーザ2aの出力光の一部
を、周波数ν１から周波数ν２＝ν１＋ν０に周波数シ
フトさせる。この場合、光周波数シフタ11は、周波数逓
倍器10によって合成された周波数ν０のマイクロ波を用
いて、上記周波数シフトを実行する。
光学素子からなるもので、励起用レーザ2aと準位選択領
域Ｄとの間に配置され、励起用レーザ2aの出力光の一部
を、周波数ν１から周波数ν２＝ν１＋ν０に周波数シ
フトさせる。この場合、光周波数シフタ11は、周波数逓
倍器10によって合成された周波数ν０のマイクロ波を用
いて、上記周波数シフトを実行する。
この結果、準位選択領域Ｄへは、周波数がν1,ν２の２
種の励起光が供給されることとなり、２波長の励起光に
よる励起が実現される。
種の励起光が供給されることとなり、２波長の励起光に
よる励起が実現される。
［発明の効果］ 以上説明したように、この発明は、励起用レーザから出
力された励起光と、この励起用レーザから出力されたレ
ーザ光をシフトして得た励起光とによって、原子ビーム
を励起するようにしたから、１台の励起用レーザを安定
化するだけでよい。
力された励起光と、この励起用レーザから出力されたレ
ーザ光をシフトして得た励起光とによって、原子ビーム
を励起するようにしたから、１台の励起用レーザを安定
化するだけでよい。
この結果、構成が簡単で、かつ高安定、小形、低価格の
原子発振器が実現可能となる。
原子発振器が実現可能となる。
第１図はこの発明の一実施例による２波長励起のレーザ
励起型セシウム原子発振器の構成を示すブロック、第２
図は本出願人が先に提案したものと同様な２波長励起の
レーザ励起型セシウム原子発振器の構成を示すブロック
図である。 １……原子ビーム発生炉、２……励起用レーザ、 ３……空胴共振器、４……光検出器、 ５……低周波発振器、６……位相変調器、 ７……同期検波器、８……VCO制御部、 ９……VCO（電圧制御発振器）、 10……周波数逓倍器、11……光周波数シフタ。
励起型セシウム原子発振器の構成を示すブロック、第２
図は本出願人が先に提案したものと同様な２波長励起の
レーザ励起型セシウム原子発振器の構成を示すブロック
図である。 １……原子ビーム発生炉、２……励起用レーザ、 ３……空胴共振器、４……光検出器、 ５……低周波発振器、６……位相変調器、 ７……同期検波器、８……VCO制御部、 ９……VCO（電圧制御発振器）、 10……周波数逓倍器、11……光周波数シフタ。
Claims (1)
- 【請求項１】セシウムの原子ビームを発生する原子ビー
ム発生炉と、 この原子ビームに第１の光を照射する励起用レーザと、 前記第１の光の一部を周波数シフトして前記原子ビーム
を照射する第２の光を発生する光周波数シフタと、 前記第１および第２の光により一定の電子エネルギ準位
の状態となったセシウム原子をマイクロ波を用いて共鳴
させる空胴共振器と、 前記空胴共振器によって共鳴させられた前記セシウム原
子に前記第１の光または第２の光を再照射し、セシウム
の原子ビームを再励起するレーザ光照射手段と、 前記再励起されたセシウムの原子ビームからの自然放出
光の強度を検出する光検出器と、 該光検出器の出力に基づいて電圧制御発振器の発振周波
数を安定化する発振器制御部と、 前記電圧制御発振器の出力を基に前記マイクロ波を発生
する周波数逓倍器と を具備することを特徴とする光周波数シフタを用いるレ
ーザ励起型セシウム原子発振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2214587A JPH07114365B2 (ja) | 1987-02-02 | 1987-02-02 | 光周波数シフタを用いるレ−ザ励起型セシウム原子発振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2214587A JPH07114365B2 (ja) | 1987-02-02 | 1987-02-02 | 光周波数シフタを用いるレ−ザ励起型セシウム原子発振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63189020A JPS63189020A (ja) | 1988-08-04 |
| JPH07114365B2 true JPH07114365B2 (ja) | 1995-12-06 |
Family
ID=12074695
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2214587A Expired - Fee Related JPH07114365B2 (ja) | 1987-02-02 | 1987-02-02 | 光周波数シフタを用いるレ−ザ励起型セシウム原子発振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07114365B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110571627B (zh) * | 2019-08-12 | 2020-07-21 | 浙江大学 | 一种基于被动补偿方式的频率稳定的光电振荡器及其方法 |
| CN110784217A (zh) * | 2019-10-11 | 2020-02-11 | 浙江法拉第激光科技有限公司 | 基于微波-光频调制转移技术的铯微波原子钟及实现方法 |
| CN112152079A (zh) * | 2020-10-29 | 2020-12-29 | 浙江法拉第激光科技有限公司 | 调制转移谱稳频dfb激光的光抽运小铯钟及实现方法 |
| CN114415487B (zh) * | 2021-12-09 | 2023-12-05 | 北京无线电计量测试研究所 | 一种光频原子钟频率自动锁定方法及系统 |
-
1987
- 1987-02-02 JP JP2214587A patent/JPH07114365B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63189020A (ja) | 1988-08-04 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |