JPH07193499A - 原子発振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 二重共鳴セル２３にレーザ光ｃとマイクロ波
ｉ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、出力周波数ｆ_s の安定度を向上さ
せる。 【構成】 原子発振器本体２２の二重共鳴セル２３へレ
ーザ光ｃを供給するレーザ光源２１に対して、レーザ光
ｃを発生するレーザダイオード４と、二重共鳴セル２３
に緩衝気体と共に封入された吸収ガス１１と同一の吸収
ガスが封入された吸収セル６とを設けている。そして、
この吸収セル６にレーザダイオード４にて発生されたレ
ーザ光ｃを透過させることによって、レーザ光ｃの光周
波数Ｆを、二重共鳴セル２３に封入された吸収ガス１１
の緩衝気体にてシフトされた線形吸収線の光周波数Ｆ_C1
に最も近い光周波数Ｆ_STを有する飽和吸収線に一致する
ように制御する。

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セル内に吸収ガスと共に封入された
緩衝気体に起因する出力周波数の安定度低下を抑制した
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、
安定なマイクロ波周波数が必要な原子線型原子標準やイ
オン蓄積型原子標準、またＶＬＢＩにおける微弱信号の
受信等の超高安定発振器のマイクロ波発振源、及び長期
の平均時間において周波数安定度が必要となるＴＶ放送
・データ伝送・航行・ＴＶカラー多次元中継・ＶＬＢＩ
等の基準同期信号源に用いられる。

【０００３】そして、レーザダイオードをルビジウム
（Ｒｂ）原子の励起用光源として用いた原子発振器は、
励起用光源としてルビジウムランプを用いた原子発振器
に比較してレーザ光特有の発振スペクトルの純粋性と高
い空間的パワー密度により、ルビジウム原子の励起効率
が向上し、出力段に設けられた水晶発振器の発振周波数
を高い精度で安定化することができる。

【０００４】レーザ光源を用いた原子発振器は例えば図
９に示すように構成されている。すなわち、この原子発
振器は、大きく分けてレーザ光ｃを出力するレーザ光源
１と、このレーザ光ｃが入射される原子発振器本体２と
で構成されている。

【０００５】レーザ光源１において、駆動電流発生部３
から出力される駆動電流ｄがレーザダイオード４へ供給
される。レーザダイオード４は駆動電流ｄに応じて光周
波数Ｆが変化するレーザ光ｃを出力する。レーザダイオ
ード４から出射されたレーザ光ｃは原子発振器本体２へ
入射されるとともに、その一部はビームスプリッタ５で
分岐されて吸収ガスとしてのルビジウムガスが封入され
た吸収セル６を透過して受光器７へ入射される。

【０００６】このとき、駆動電流発生部３から出力され
る駆動電流ｄの値を掃引させるとレーザ光ｃ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７の出力
信号にはルビジウムの吸収スペクトルが観測できる。

【０００７】図１０はルビジウム⁸⁵Ｒｂとルビジウム⁸⁷
Ｒｂの両方を含む天然ルビジウムの吸収スペクトルであ
る。図示するように、この吸収スペクトルにはａ線，Ａ
線，Ｂ線，ｂ線等の複数の線形吸収線が現れる。この複
数の線形吸収線のうちルビジウム⁸⁷Ｒｂのｂ線にレーザ
光ｃの光周波数Ｆを安定化させて使用する。したがっ
て、以下の説明はｂ線に励起光の光周波数Ｆを設定した
場合を説明する。

【０００８】しかし、原理的には他のルビジウムＲｂ原
子による光吸収線の光周波数を励起用のレーザ光ｃの光
周波数Ｆとして用いても原子発振器は構成できる。な
お、線形吸収線の光周波数とは前述したａ線，Ａ線，Ｂ
線，ｂ線の各線形吸収線における最大光吸収量が得られ
る光周波数と定義する。

【０００９】そこで、予めレーザ光ｃの光周波数Ｆがこ
のｂ線の付近になるよう駆動電流ｄを調整しておき、低
周波発振器８から周波数ｆ_m1を有する低周波信号ｅを駆
動電流発生部３へ印加して、この駆動電流発生部３から
の駆動電流ｄに低周波信号ｅ成分を重畳することにより
レーザダイオード４から出力されるレーザ光ｃの光周波
数Ｆを僅かに周波数変調させる。そして、この周波数変
調された時の受光器７の出力信号を増幅器９で増幅し、
同期検波回路１０において前述した周波数ｆ_m1の低周波
信号ｅで同期検波すると吸収スペクトルの微分波形が得
られる。同期検波回路１０はこの得られた同期検波信号
を誤差信号ｇとして駆動電流発生部３へ帰還させる。

【００１０】駆動電流発生部３は、サーボ回路を内蔵し
ており、入力した誤差信号ｇが０になるようように、レ
ーザダイオード４に駆動電流ｄを印加する。すなわち、
レーザ光ｃの光周波数Ｆが吸収スペクトルの微分波形の
ゼロクロス点（すなわち線形吸収線の最大光吸収点）に
なるよう制御する。

【００１１】このような帰還制御ループを構成すること
によって、レーザ光源１から出力されるレーザ光ｃの光
周波数Ｆが吸収セル６に封入されたルビジウム⁸⁷Ｒｂの
ｂ線の光周波数Ｆ_C で安定化される。

【００１２】なお、通常、この場合の吸収セル６には、
吸収強度を大きくするために緩衝気体は封入されていな
い。

【００１３】レーザ光源１から出力されたルビジウム⁸⁷
Ｒｂのｂ線の最大光吸収量が得られる光周波数Ｆ_C を有
するレーザ光ｃは原子発振器本体２内へ入射される。原
子発振器本体２内へ入射したレーザ光ｃは、吸収ガスと
してのルビジウムガス１１が封入された二重共鳴セル１
２と、受光器１３と、二重共鳴セル１２を取巻くマイク
ロ波キャビティ（空洞共振器）１４とからなる光・マイ
クロ波二重共鳴ユニット１５へ入射される。なお、この
光・マイクロ波二重共鳴ユニット１５は外部磁界の影響
を排除するために磁気シールドされている。

【００１４】光・マイクロ波二重共鳴ユニット１５へ入
力されたレーザ光ｃは二重共鳴セル１２を透過して受光
器１３へ入射される。そして、このレーザ光ｃは受光器
１３によって光・マイクロ波二重共鳴検出信号ｈに変換
される。マイクロ波キャビティ１４にはマイクロ波発生
部１６から出力されたマイクロ波ｉが印加されている。

【００１５】マイクロ波発生部１６は、電圧制御水晶発
振器１６ａと周波数合成・逓倍器１６ｂとで構成されて
いる。電圧制御水晶発振器１６ａは制御端子に印加され
ている制御信号電圧に応じて変化する周波数信号を出力
する。電圧制御水晶発振器１６ａ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１６ｂへ送出する。周波数合成・逓
倍器１６ｂは入力した周波数を、逓倍すると共に、低周
波発振器１７から出力される周波数ｆ_m2の低周波信号で
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ｉが前記マイクロ波キャビティ１４へ
印加される。

【００１６】その結果、前記受光器１３から出力される
光・マイクロ波二重共鳴検出信号ｈも周波数ｆ_m2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ｈは増幅器１８で増幅された後、同期検波回路
１９において周波数ｆ_m2を有する前記低周波信号でもっ
て同期検波される。同期検波回路１９の出力信号は誤差
信号ｊとしてマイクロ波発生部１６の電圧制御水晶発振
器１６ａへ帰還される。電圧制御水晶発振器１６ａは、
サーボ回路を内蔵しており、入力した誤差信号ｊが０に
なるようように、発振周波数を変化させる。

【００１７】ここで、光・マイクロ波二重共鳴現象を図
１１に示すルビジウム⁸⁷Ｒｂ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。熱平衡状態では二重
共鳴セル１２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⁸⁷Ｒｂ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。

【００１８】この状態で二重共鳴セル１２にマイクロ波
ｉを照射すると、マイクロ波ｉの周波数がルビジウム⁸⁷
ＲｂのＦ＝１、Ｆ＝２の準位差に相当する遷移周波数ｆ
₀ 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、二重共鳴セル１２の透過光を受けている受光器１３
から図１２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。

【００１９】この時マイクロ波ｉが周波数ｆ_m2でもって
周波数変調されていると、受光器１３の出力信号ｈを増
幅し、周波数ｆ_m2でもって同期検波することにより、図
１３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）になるように帰還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１６ａ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。

【００２０】したがって、増幅器１８，同期検波回路１
９及び低周波発振器１７は出力周波数制御部２０を構成
する。

【００２１】なお、通常、二重共鳴の二重共鳴セル１２
内には、ルビジウムＲｂ原子のドップラー運動や二重共
鳴セル１２の壁面の衝突等により、マイクロ波の共鳴線
が広がることを防ぐため、ルビジュウムガス１１の他
に、低圧力の不活性ガスが緩衝気体として封入されてい
る。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示したレーザ光源を用いた原子発振器においてもまだ解
消すべき次のような課題があった。

【００２３】すなわち、レーザ光源１から出力される励
起用のレーザ光ｃの光周波数Ｆは吸収セル６内に封入さ
れたルビジウムガスにおける図１０に示した光吸収スペ
クトルのルビジウム⁸⁷Ｒｂにおけるａ線とｂ線との２つ
の線形吸収線のうちのｂ線の最大光吸収量が得られる光
周波数Ｆ_C に安定化されている。

【００２４】一方、光・マイクロ波二重共鳴ユニット１
５内の二重共鳴セル１２内にも同一のルビジウムガス１
１が封入されているので、この二重共鳴セル１２もレー
ザ光源１の吸収セル６の光吸収スペクトルと同一の光吸
収スペクトルが得られる筈である。

【００２５】しかし、この二重共鳴セル１２にはルビジ
ウムガス１１の他に前述した緩衝気体が封入されている
ので、図１４に示すように、吸収スペクトル特性が緩や
かになるとともに、ａ線，Ａ線，Ｂ線，ｂ線の各線形吸
収線の最大光吸収量が大きくなり、かつ最大光吸収量が
得られる各光周波数Ｆも周波数が低くなる方向にシフト
する。

【００２６】なお、各線形吸収線の最大光吸収量の値は
二重共鳴セル１２にルビジウムガス１１と共に封入され
ている緩衝気体のガス圧力に応じて変化するが、一般
に、ルビジウム原子における最大緩和時間が得られるよ
うに前記ガス圧力が設定されている。

【００２７】その結果、二重共鳴セル１２の吸収スペク
トル上における⁸⁷Ｒｂのｂ線の最大光吸収量が得られる
光周波数Ｆ_C1が吸収セル６の⁸⁷Ｒｂのｂ線の最大光吸収
量が得られる光周波数Ｆ_C に一致しない。このずれ光周
波数Ｆ₁ は300 ＭHzに達する場合もある。

【００２８】このように、ずれ光周波数Ｆ₁ が生じる
と、図１５（ａ）に示すようにレーザ光源１からのレー
ザ光ｃの光周波数Ｆ_C は二重共鳴セル１２のシフトされ
たｂ線の光周波数Ｆ_C1に位置しなくて、図１５（ｂ）に
示すように線形吸収線の傾斜部に位置する。その結果、
レーザ光源１におけるレーザ周波数安定化により抑圧さ
れた残りの光周波数変動雑音（ＦＭ雑音）ΔＦが光強度
雑音（ＡＭ雑音）ΔＡに変換される。したがって、この
変換されたＡＭ雑音は直接光・マイクロ波二重共鳴検出
信号ｈの雑音となる。光・マイクロ波二重共鳴検出信号
ｈのＳ／Ｎが低下すると、出力周波数制御部２０の制御
安定性が低下し、最終的に電圧制御水晶発振器１６ａか
ら出力される標準周波数信号の周波数ｆ_S の安定度が低
下する。

【００２９】なお、この安定度低下は直接的にＳ／Ｎ低
下に起因するので特に短期の安定度を大きく劣化させ
る。前記出力されるマイクロ波の基準周波数ｆ_S の安定
度においては、τ時間の平均時間における安定度σ
_y （τ）は上記二重共鳴スペクトルの波形と雑音量によ
り以下のように定式化される。

【００３０】 σ_y （τ）＝ｋ／［Ｑ・（Ｓ／Ｎ）］・τ^-1/2 …(1) ここで、ｋは比例定数，Ｓは光・マイクロ波二重共鳴の
信号強度、Ｎは光・マイクロ波二重共鳴の雑音強度、Ｑ
は光・マイクロ波二重共鳴信号スペクトルのＱ値であ
る。

【００３１】なお、ずれ光周波数Ｆ₁ が生じない場合
（Ｆ_C1＝Ｆ_C ）には、図１５（ａ）に示すように、たと
え光周波数変動雑音（ＦＭ雑音）ΔＦが生じたとして
も、発生する光強度雑音（ＡＭ雑音）ΔＡは少ない。

【００３２】このような現象を回避するためには、吸収
セル６にも二重共鳴セル１２と同一の緩衝気体を封入す
ればよいが、前述したように、吸収セル６に緩衝気体を
封入すると、各線形吸収線の光吸収スペクトルが広がっ
てしまい、レーザ周波数安定化制御によるＦＭ雑音抑圧
度が低下し、ｂ線の光周波数Ｆ_C 近傍でも抑圧後の残余
のＦＭ雑音が増大する。その結果、変換されるＡＭ雑音
量ΔＡはルビジュウムＲｂ原子のみが封入された吸収セ
ル６を用いた場合と同等、又はそれ以下となるため、吸
収セル６に緩衝気体を封入できない。

【００３３】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、レーザ光源から出力されるレーザ光の光周
波数を二重共鳴セルに封入された吸収ガスのシフト後の
線形吸収線の光周波数に最も近い飽和吸収線の光周波数
に設定することによって、レーザ光を二重共鳴セルの吸
収ピークに一致させることができ、たとえレーザ光に光
周波数（ＦＭ）雑音が生じたとしても、常に安定した標
準周波数を得ることができる原子発振器を提供すること
を目的とする。

【００３４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解消するため
に請求項１の本発明は、レーザ光を出力するレーザ光源
と、マイクロ波を出力するマイクロ波発生部と、吸収ガ
スと緩衝気体とが封入され、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原子による光・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
定まるマイクロ波周波数特性を呈する二重共鳴セルと、
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原子発振
器において、レーザ光源を、レーザ光を発生するレーザ
ダイオードと、吸収ガスと同一の吸収ガスが封入された
吸収セルと、この吸収セルにレーザダイオードにて発生
されたレーザ光を透過させることによって、レーザ光の
光周波数を、二重共鳴セルに封入された吸収ガスの緩衝
気体にてシフトされた線形吸収線の光周波数に最も近い
光周波数を有する飽和吸収線に一致するように制御する
光周波数制御手段とで構成している。

【００３５】請求項２の発明の原子発振器においては、
レーザ光源を、レーザ光を発生するレーザダイオード
と、吸収ガスと同一の吸収ガスが封入された吸収セル
と、この吸収セルにレーザダイオードにて発生されたレ
ーザ光を透過させることによって、レーザ光の光周波数
を、ほぼ最大緩和時間が得られるガス圧力状態の緩衝気
体の存在によってシフトされた二重共鳴セルに封入され
た吸収ガスの線形吸収線の光周波数に最も近い光周波数
を有する飽和吸収線に一致するように制御する光周波数
制御手段とで構成し、さらに、二重共鳴セルに封入され
た緩衝気体のガス圧力を、線形吸収線の光周波数が光周
波数制御手段にて制御されたレーザ光の光周波数に一致
するガス圧力値に設定している。

【００３６】請求項３の発明の原子発振器においては、
請求項１の発明の原子発振器におけるレーザ光源に、線
形吸収線の光周波数と最も近い飽和吸収線の光周波数と
の差の光周波数分だけ光周波数制御手段にて制御された
レーザ光の光周波数をシフトさせる光周波数シフト手段
を付加したものである。

【００３７】

【作用】先ず、本願発明の動作原理を説明する。

【００３８】一般に、吸収ガスを光周波数分析して得ら
れる吸収スペクトルには前述したａ線〜ｂ線の各線形吸
収線が存在する。さらに、飽和吸収測定法で詳細に光周
波数分析すると、ａ線〜ｂ線の各線形吸収線内には、図
２及び図３に示すように、ｒ線，ｓ線，ｔ線等の３本の
要素線と各要素線の中間に位置する逆方向の３本の仮想
吸収線との合計６本の吸収線が得られる。

【００３９】以後、この飽和吸収測定法で得られるｒ
線，ｓ線，ｔ線等の各要素線及び３本の仮想吸収線を飽
和吸収線と呼ぶ。

【００４０】出力周波数制御部がマイクロ波発生部の出
力周波数を二重共鳴セルにおける二重共鳴にて定まる周
波数に一致させる場合におけるこの周波数に対応する光
周波数は、二重共鳴セル内に緩衝気体と共に封入された
吸収ガスの吸収スペクトルにおける線形吸収線の光周波
数に一致しているのが、前述したＦＭ雑音を抑制するた
めに好ましい。

【００４１】緩衝気体の存在によって、二重共鳴セルの
吸収ガスの線形吸収線の光周波数がシフトすると、この
シフトされた後の光周波数に一致するか又は最も近い光
周波数を有するレーザ光をレーザ光源から供給すればよ
い。前述したように、線形吸収線を構成する各飽和吸収
線の各光周波数は前述した線形吸収線の最大光吸収量を
示す光周波数の前後に分布する。

【００４２】したがって、この分布された各飽和吸収線
の各光周波数のうちの前記シフトされた後の線形吸収線
の光周波数に最も近い周波数を有した飽和吸収線の各光
周波数にレーザ光源の光周波数を設定すればよい。

【００４３】したがって、請求項１に示すように、吸収
セルを用い、レーザ光源のレーザ光の光周波数を前記指
定された一つの飽和吸収線の光周波数に制御することに
よって、二重共鳴セルに入射されるレーザ光の光波長を
二重共鳴セル内の吸収ガスの線形吸収線の光周波数に一
致させることができる。

【００４４】その結果、線形吸収線によるＦＭ／ＡＭ変
換効率が低いため、レーザ光源における光周波数安定化
制御によって抑圧しきれない残余の周波数雑音（ＦＭ雑
音）に起因する光・マイクロ波二重共鳴信号の雑音が低
減される。

【００４５】これによりマイクロ波発生部の出力周波数
のＳ／Ｎが向上し、(1) 式で示した安定度が改善され
る。

【００４６】次に、請求項２の発明の動作原理を説明す
る。前述したように、二重共鳴セル内に吸収ガスと共に
封入された緩衝気体のガス圧力は、一般に、吸収ガス原
子の最大緩和時間が得られるように設定される。したが
って、この緩衝気体の存在によってシフトされた後の線
形吸収線の光周波数が、元の吸収ガスのみにおける一つ
の飽和吸収線の光周波数に一致するとは限らない。した
がって、この最も近い飽和吸収線の光周波数に二重共鳴
セルのシフト後の線形吸収線の光周波数が一致するよう
に、緩衝気体のガス圧力を設定すればよい。

【００４７】したがって、請求項２の発明においては、
このような条件を満足するガス圧力の二重共鳴セルが採
用される。

【００４８】さらに、請求項３においては、請求項１の
手法においても、最も近い飽和吸収線の光周波数に二重
共鳴セルのシフト後の線形吸収線の光周波数が一致しな
い場合は、この差の光周波数分だけ、レーザ光源から出
力されるレーザ光の光周波数を強制的にシフトさせて、
両者を一致させている。

【００４９】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を用いて説明す
る。

【００５０】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。図９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。

【００５１】この実施例の原子発振器は、大きく分け
て、レーザ光ｃを出力するレーザ光源２１と、原子発振
器本体２２とで構成されている。原子発振器本体２２
は、マイクロ波ｉを出力するマイクロ波発生部１６と、
レーザ光ｃおよびマイクロ波ｉ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ｃが二重共鳴にて定まる周波数特性を呈する二重
共鳴セル２３と、マイクロ波発生部１６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２０とで構成されている。

【００５２】この原子発振器本体２２は、前記二重共鳴
セル２３内に吸収ガスとしてのルビジウムガス１１と共
に封入されている緩衝気体のガス圧力Ｐ以外は、図９に
示す従来の原子発振器本体２とほぼ同一構成である。

【００５３】レーザ光源２１内には、図９に示す従来の
レーザ光源１の各光学部材に加えて、偏光ビームスブリ
ッタ２４，偏光板２５及び反射鏡２６が組込まれてい
る。駆動電流発生部３から出力される駆動電流ｄがレー
ザダイオード４へ供給される。レーザダイオード４は駆
動電流ｄに応じて光周波数Ｆが変化するレーザ光ｃを出
力する。レーザダイオード４から出射されたレーザ光ｃ
は原子発振器本体２２へ入射されるとともに、その一部
はビームスプリッタ５で分岐されて偏光ビームスプリッ
タ２４へ入射する。

【００５４】偏光ビームスプリッタ２４は入射したレー
ザ光ｃの一つの偏光成分を抽出して偏光板２５を介して
前記二重共鳴セル２３と同一の吸収ガスであるルビジュ
ウムガスが封入された吸収セル６へ送出する。吸収セル
６を透過した偏光されたレーザ光は反射鏡２６で１８０
°進行方向が反転されて、再度吸収セル６及び偏光板２
５を経由して偏光ビームスプリッタ２４へ入射する。偏
光ビームスプリッタ２４は偏光板２５方向から入射した
レーザ光を反射して受光器７へ入射させる。

【００５５】受光器７の出力信号は増幅器９で増幅され
た後に同期検波回路１０へ入力される。同期検波回路１
０及び第１の駆動電流発生部３ａには低週波発振器８か
ら周波数ｆ_m1の低周波信号ｅが印加されている。したが
って、図９に示したレーザ光源１と同様に、レーザ光ｃ
の光周波数Ｆを、吸収セル６に封入されたルビシュウム
ガスの線形吸収線の一つであるｂ線内に存在するｒ線，
ｓ線，ｔ線の３つの飽和吸収線のうちの一つの飽和吸収
線の光周波数Ｆ_STの近傍に初期設定すると、同期検波回
路１０から誤差信号ｇが駆動電流発生部３ａへ帰還さ
れ、レーザダイオード４から出力されるレーザ光ｃの光
周波数Ｆは前記ｓ線の飽和吸収線の光周波数Ｆ_STに制御
される。

【００５６】偏光ビームスブッタ２４及び偏光板２５を
用いて、制御対象のレーザ光ｃの偏光成分のみを抽出
し、さらに、同一の吸収セル６を２回に亘って透過させ
ることによって、光周波数Ｆの解析精度が向上して、出
力されるレーザ光ｃの光周波数Ｆを予め指定した飽和吸
収線の光周波数Ｆ_STに制御することが可能である。

【００５７】よって、この予め指定した飽和吸収線の光
周波数Ｆ_STを有するレーザ光ｃが原子発振器本体２２の
二重共鳴セル２３内へ入射される。

【００５８】次に、二重共鳴セル２３内にルビジウムガ
ス１１と共に封入された緩衝気体について説明する。

【００５９】ネオンＮｅ，窒素Ｎ₂ ，アルゴンＡｒ，ク
リプトンＫｒ等の各不活性ガスの温度係数（Ｐ／Ｔ）は
図４に示すように、不活性ガスの種類の応じて正温度係
数と負温度係数とが存在する。したがって、正温度係数
を有する不活性ガスと負温度係数を有する不活性ガスと
適当な比率で混合することによって、たとえ温度が変化
したとしても、ガス圧力が変化しない緩衝気体を作るこ
とが可能である。

【００６０】図５は、各不活性ガスを上述した比率で混
合した緩衝気体のガス圧力Ｐとルビジウム原子の緩和時
間τとの関係を示す特性図である。緩衝気体のガス圧力
Ｐが極めて小さい場合は、原子は熱運動で二重共鳴セル
２３の壁から壁へ飛び、壁との衝突でエネルギを失うの
で、緩和時間τは極めて短い。緩衝気体のガス圧力Ｐを
上昇させていくと、原子は壁に到達するまでに緩気体と
衝突するので、その回数だけ緩和時間τが長くなる。す
なわち、衝突回数はガス圧力Ｐに比例する。

【００６１】緩衝気体のガス圧力Ｐをさらに上昇させる
と、衝突の回数は大きくなるが、緩衝気体との衝突で原
子がエネルギを失う率が大きくなり、緩和時間τの増大
は抑制され、図示するように、最大緩和時間τ_max が生
じる。さらに、ガス圧力Ｐを上昇させると、原子は壁に
到達するまでに緩衝規定との衝突で多大のエネルギを失
うので、緩和時間τは逆に短くなる。

【００６２】一般の、原子発振器においては、出力周波
数ｆ_s の周波数安定度を決める光・マイクロ二重共鳴検
出信号ｈのＳ／Ｎは緩和時間τに比例するので、二重共
鳴セル２３内に封入されている緩衝気体のガス圧力Ｐは
最大緩和時間τ_max に対応する最適圧力値Ｐ_opt に設定
されている。

【００６３】図３は、最適圧力Ｐ_opt に設定された緩衝
気体にてシフトされた二重共鳴セル２３の吸収スペクト
ルにおけるｂ線の線形吸収線の光周波数Ｆ_C1と、緩衝気
体が封入されていない状態におけるｂ線の線形吸収線の
光周波数Ｆ_C と、緩衝気体が封入されていない状態にお
けるｂ線の線形吸収線内のｒ線．ｓ線，ｔ線の各飽和吸
収線の光周波数との関係を示す図である。なお、下側方
向の各吸収線は仮想吸収線（クロスオーバ線）である。

【００６４】シフト後のｂ線の線形吸収線の光周波数Ｆ
_C1はｂ線の線形吸収線を構成するｓ線の飽和吸収線の光
周波数Ｆ_STの近傍に位置する。

【００６５】したがって、レーザ光源２１からのレーザ
光ｃの光周波数Ｆをｓ線の飽和吸収線の光周波数Ｆ_STに
制御することによって、レーザ光源２１からのレーザ光
ｃの光周波数Ｆと二重共鳴セル２３におけるシフト後の
ｂ線の線形吸収線の光周波数Ｆ_C1との間の差の光周波数
ΔＦ_STを、例えば１０ＭHz程度まで低減できる。

【００６６】緩衝気体のガス圧力Ｐを変化させると線形
吸収線の光周波数Ｆ_C1のシフト光周波数量Ｆ₁ が変化す
る。この実施例の原子発振器においては、シフト後のｂ
線の線形吸収線の光周波数Ｆ_C1が緩衝気体がない場合に
おけるｓ線の飽和吸収線の光周波数Ｆ_STのｂ線の線形吸
収線の光周波数Ｆ_C1に一致するように、二重共鳴セル２
３内の緩衝気体のガス圧力Ｐを図５に示す最大緩和時間
τ_max に対応する最適圧力値Ｐ_opt から微小圧力ΔＰだ
け移動させたガス圧力Ｐ_STに設定している。

【００６７】なお、最適圧力値Ｐ_opt からの移動圧力量
ΔＰはごく小さく、かつ図５に示すように、最適圧力値
Ｐ_opt 近傍の緩和時間τは最大緩和時間τ_max から大き
く低下しないので、光・マイクロ二重共鳴検出信号ｈの
Ｓ／Ｎはほとんど低下しない。

【００６８】このように、レーザ光源２１から出力され
るレーザ光ｃの光周波数Ｆを、緩衝気体に起因してシフ
トされた後のｂ線の線形吸収線の光周波数Ｆ_C1に最も近
い緩衝気体がない場合におけるｓ線の飽和吸収線の光周
波数Ｆ_STに制御すると共に、このレーザ光源２１による
光周波数Ｆの制御によってもまだ零にならないレーザ光
ｃの光周波数とｂ線の線形吸収線の光周波数との差の光
周波数分ΔＦ_STを緩衝気体のガス圧力Ｐを調整すること
によって、両者の光周波数を完全に一致させている。

【００６９】よって、レーザ光源２１から出力されるレ
ーザ光ｃにＦＭ雑音が生じたとしても、このＦＭ雑音が
ＡＭ雑音に変換されることが抑制されるので、光・マイ
クロ波二重共鳴検出信号ｈのＳ／Ｎが低下するとが未然
に防止され、最終的に電圧制御水晶発振器１６ａから出
力される標準周波数信号の周波数ｆ_S の安定度を向上で
きる。

【００７０】例えば、前述した(1) 式の安定度σ
_y （τ）を考える。すなわち、半値幅が約５００ＭHzで
ある線形吸収線を使用した従来装置に比較して、判値幅
が５〜１０ＭHzである飽和吸収線を使用した実施例装置
においては、例えば前記半値幅を５ＭHzと仮定すれば、
Ｑの寄与が約１００倍となる。しかし、飽和吸収線の場
合はその吸収量が数分の１から１０分の１程度になるの
で、実施例装置における全体としての安定度σ_y （τ）
は従来装置に比較して１０〜数十倍に改善される。

【００７１】図６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。

【００７２】この実施例における原子発振器本体２は図
９に示した従来の原子発振器の原子発振器本体２と同一
構成である。すなわち、二重共鳴セル１２に内には、ガ
ス圧力Ｐが図５に示す最大緩和時間τ_max に対応する最
適圧力値Ｐ_opt に設定された緩衝気体が封入されてい
る。

【００７３】そして、この実施例装置におけるレーザ光
源３１においては、レーザダイオード４から出力された
レーザ光線ｃが透過する吸収セル６の外周面に励磁コイ
ル３２が巻装されている。そして、この励磁コイル３２
には励磁電流回路３３から直流の励磁電流Ｉが供給され
る。

【００７４】励磁コイル３２に直流電流Ｉを通流する
と、吸収セル６内に磁界が印加される。吸収セル６に外
部磁界Ｇが印加されると、この吸収セル６内に封入され
たルビジウムガスの図２に示した吸収スペクトルにおけ
る各飽和吸収線の光周波数がシフトするゼーマンシフト
現象が生じる。

【００７５】図７は印加磁界Ｇと飽和吸収線の光周波数
のシフト量との関係を示す実測図である。この特性値に
よれば、印加磁界Ｇを１ガウス変化させると、飽和吸収
線の光周波数は約１．４ＭHz移動する。

【００７６】したがって、励磁電流Ｉを変化させること
によって、吸収セル６の吸収スペクトルにおけるｓ線の
飽和吸収線の光周波数を、磁界Ｇを全く印加しない場合
の光周波数Ｆ_STから任意の光周波数分だけ移動させるこ
とが可能である。よって、この移動光周波数量を前述し
た図３におけるまだ残留している差の光周波数ΔＦ_STに
対応する外部磁界Ｇ₁ が生じる電流Ｉ₁ を励磁電流回路
３３から供給すればよい。

【００７７】その結果、レーザダイオード４から出力さ
れるレーザ光ｃの光周波数Ｆを二重共鳴セル１２内の吸
収ガスのシフト後のｂ線の線形吸収線の光周波数Ｆ_C1に
完全に一致させることが可能である、したがって、図１
に示す実施例原子発振器とほぼ同様の効果を得ることが
可能である。

【００７８】さらに、この実施例においては、励磁電流
回路３３から励磁コイル３２に供給する電流Ｉ₁ は、１
０Ｇに満たない印加磁界Ｇ₁ を得るための値でよいの
で、比較的精度よく、出力されるレーザ光ｃの光周波数
Ｆのシフト量ΔＦ_STを設定可能である。

【００７９】すなわち、図１４におけるシフト光周波数
Ｆ₁ に対応する３００ＭHz程度の光周波数分をこのゼー
マンシフト現象のみを利用して、ｓ線の飽和吸収線の光
周波数Ｆ_STをシフトざる場合においては、必要磁界Ｇが
２１０Ｇを越える値となる。このような高い静的な磁界
Ｇを長時間に亘って継続して得るためには、励磁電流Ｉ
の高い安定度が必要である。例えば１０^-5〜１０^-6程度
の安定度が必要である。

【００８０】しかし、実施例装置においては、必要とす
る磁界Ｇが１桁小さいので、必要とする励磁電流Ｉ₁ の
精度は上述した場合に比較して１桁以上低くても、十分
な光周波数Ｆの安定度を確保できる。

【００８１】図８は本発明のさらに別の実施例に係わる
原子発振器の概略構成を示すブロック図である。図９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。

【００８２】この実施例においては、レーザ光源４１に
おけるレーザダイオード４から出力されたレーザ光線ｃ
の原子発振器本体２への光路に光周波数シフタ４２が介
挿されている。この光周波数シフタ４２は、例えばブラ
ック効果を用いた音響光学変調器で構成されており、入
力したレーザ光ｃの光周波数Ｆをシフタ駆動回路４３か
ら印加される周波数分だけ移動させる機能を有する。

【００８３】したがって、シフタ駆動回路４３から光周
波数シフタ４２へ印加する周波数を図３に示した残りの
差の光周波数ΔＦ^STに設定することによって、原子発振
器本体２へ入射されるレーザ光Ｃ₃ の光周波数Ｆをｓ線
の包絡吸収線の光周波数Ｆ^STから前記差の光周波数ΔＦ
^ST分だけシフトさせることが可能である。よって、図１
及び図６に示す各実施例発振器とほぼ同様の効果を得る
ことが可能である。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように本発明の原子発振器
によれば、レーザ光源から出力されるレーザ光の光周波
数を、二重共鳴セルに封入された吸収ガスのシフト後の
線形吸収線の光周波数に最も近い飽和吸収線の光周波数
に設定している。したがって、レーザ光を二重共鳴セル
の吸収ピークにほぼ一致させることができ、たとえレー
ザ光に光周波数（ＦＭ）雑音が生じたとしても、常に安
定した標準周波数を得ることができる。

【００８５】また、レーザ光の光周波数をシフト後の線
形吸収線の光周波数に最も近い飽和吸収線に設定したと
しても、まだレーザ光の光周波数とシフト後の線形吸収
線の光周波数との間に差の光周波数がある場合は、この
差の光周波数が零になるように、二重共鳴セルの緩衝気
体のガス圧力を最適ガス圧力からシフトさせている。

【００８６】その結果、レーザ光の光周波数をシフト後
の線形吸収線の光周波数に完全に一致差せることがで
き、上述した出力される標準周波数の安定度をさらに向
上できる。

【００８７】また、レーザ光源側において、出力される
レーザ光の光周波数を強制的に上述した差の光周波数分
だけシフトさせている。よって、上述した発明と同様
に、出力される標準周波数の安定度をさらに向上でき
る。

【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】 線形吸収線と飽和吸収線との関係を示す図

【図３】 各飽和吸収線の各光周波数とシフト後の線形
吸収線の光周波数との関係を示す図

【図４】 緩衝気体を構成する各不活性ガスのガス圧力
と温度係数との関係を示す図

【図５】 二重共鳴セル内の緩衝気体圧力と原子の緩和
時間との関係を示す図

【図６】 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

【図７】 同実施例原子発振器の吸収セルにおけるゼー
マンシフト特性を示す図

【図８】 本発明のさらに別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

【図９】 従来の原子発振器の概略構成を示すブロック
図

【図１０】 一般的な吸収ガスの吸収スペクトラムを示
す図

【図１１】 ルビジウム８７の原子エネルギ順位図

【図１２】 二重共鳴の周波数特性図

【図１３】 同期検波回路の出力信号波形図

【図１４】 吸収セルの吸収スペクトルと二重共鳴セル
の吸収スペクトルとの対比図

【図１５】 ＦＭ雑音の発生メカニズムを説明するため
の図

【符号の説明】

２，２２…原子発振器本体、３…駆動電流発生部，４…
レーザダイオード、６…吸収セル、８，１７…低周波発
振器、１０，１９…同期検波回路、１２，２３…二重共
鳴セル、１３…受光器、１４…マイクロ波キャビティ、
１５…光・マイクロ波二重共鳴ユニット、１６…マイク
ロ波発生部、１６ａ…電圧制御水晶発振器、１６ｂ…周
波数合成・逓倍器、２１，３１，４１…レーザ光源、２
４…偏光ビームスプリッタ、２５…偏光板、２６…反射
鏡、３２…励磁コイル、３３…励磁電流回路、４２…光
周波数シフタ、４３…シフタ駆動発振器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大内 裕司 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アンリ ツ株式会社内

Claims (3)

【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と、マイ
   クロ波を出力するマイクロ波発生部と、吸収ガスと緩衝
   気体とが封入され、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原子による光・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
   定まるマイクロ波周波数特性を呈する二重共鳴セルと、
   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とを備えた
   原子発振器において、 前記レーザ光源は、レーザ光を発生するレーザダイオー
   ドと、前記吸収ガスと同一の吸収ガスが封入された吸収
   セルと、この吸収セルに前記レーザダイオードにて発生
   されたレーザ光を透過させることによって、前記レーザ
   光の光周波数を、前記二重共鳴セルに封入された吸収ガ
   スの前記緩衝気体にてシフトされた線形吸収線の光周波
   数に最も近い光周波数を有する飽和吸収線に一致するよ
   うに制御する光周波数制御手段とを有することを特徴と
   する原子発振器。
2. 【請求項２】 レーザ光を出力するレーザ光源と、マイ
   クロ波を出力するマイクロ波発生部と、吸収ガスと緩衝
   気体とが封入され、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原子による光・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
   定まるマイクロ波周波数特性を呈する二重共鳴セルと、
   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とを備えた
   原子発振器において、 前記レーザ光源は、レーザ光を発生するレーザダイオー
   ドと、前記吸収ガスと同一の吸収ガスが封入された吸収
   セルと、この吸収セルに前記レーザダイオードにて発生
   されたレーザ光を透過させることによって、前記レーザ
   光の光周波数を、ほぼ最大緩和時間が得られるガス圧力
   状態の前記緩衝気体の存在によてシフトされた前記二重
   共鳴セルに封入された吸収ガスの線形吸収線の光周波数
   に最も近い光周波数を有する前記吸収セル内の吸収ガス
   の飽和吸収線の光周期数に一致するように制御する光周
   波数制御手段とを有し、 前記二重共鳴セルに封入された緩衝気体のガス圧力は、
   前記線形吸収線の光周波数が前記光周波数制御手段にて
   制御されたレーザ光の光周波数に一致するガス圧力値に
   設定されていることを特徴とする原子発振器。
3. 【請求項３】 レーザ光を出力するレーザ光源と、マイ
   クロ波を出力するマイクロ波発生部と、吸収ガスと緩衝
   気体とが封入され、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原子による光・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
   定まるマイクロ波周波数特性を呈する二重共鳴セルと、
   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とを備えた
   原子発振器において、 前記レーザ光源は、レーザ光を発生するレーザダイオー
   ドと、前記吸収ガスと同一の吸収ガスが封入された吸収
   セルと、この吸収セルに前記レーザダイオードにて発生
   されたレーザ光を透過させることによって、前記レーザ
   光の光周波数を、前記二重共鳴セルに封入された吸収ガ
   スの前記緩衝気体にてシフトされた線形吸収線の光周波
   数に最も近い光周波数を有する飽和吸収線に一致するよ
   うに制御する光周波数制御手段と、前記線形吸収線の光
   周波数と前記最も近い飽和吸収線の光周波数との差の光
   周波数分だけ前記光周波数制御手段にて制御されたレー
   ザ光の光周波数をシフトさせる光周波数シフト手段とを
   有することを特徴とする原子発振器。