JPH0730420A - 原子周波数標準器のエバネセント界インテロゲータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型で効率の良い原子周波数標準器を提供す
る。 【構成】 新規な原子周波数標準器１０は、通過する光
エネルギーの強度を変化させるための第１の原子群を収
納する吸収セル２４と、第１の原子群の超微細エネルギ
ー順位間遷移を誘起するエバネセント電磁界を発生する
ための少なくとも１つの誘電性共振器２２と、吸収セル
と誘電性共振器とを収容する導波管と、導波管の一端近
傍に設けられて光エネルギーを受ける光検出器２６と、
誘電性共振器を励振するための電磁エネルギー・インジ
ェクタとを含む。吸収セル２４と光源１２との間には、
誘電性共振器に隣接して、フィルターセルを設けるのが
好ましい。フィルターセルとこれに隣接する誘電性共振
器との距離を調整することによって、及び、誘電性共振
器に隣接して周波数調整用誘電性ディスクを設け、これ
ら間の距離を調整することによって、誘電性共振器の共
振周波数を調節することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、周波数標準器に関し、
特に、光ポンピング方式の原子周波数標準器に関するも
のである。

【０００２】周波数標準器は、原子又は分子の適切に区
分された２以上のエネルギー準位間で遷移する原子群又
は分子群の作用を利用する共振システムである。

【０００３】例えば、ルビジウム（Ｒｂ）原子の最も低
い２つのエネルギー準位は、基底状態超微細エネルギー
準位Ａ、Ｂとして知られている。準位Ａ、Ｂにあるガス
状のＲｂ−８７の原子に、超微細エネルギー間遷移を誘
起するルビジウム周波数に相当する、正確な「遷移周波
数」のマイクロ波エネルギーが照射されると、超微細エ
ネルギー準位Ａのルビジウム原子が準位Ｂに、またその
逆に、遷移する。遷移は、原子周波数標準器を製作する
際に水晶発振器（ＶＣＸＯ）又は電圧制御結晶発振器の
周波数を電子的にロックすることができる高精度周波数
標準として利用される。

【０００４】このような原子制御発振器では、水晶発振
器の周波数は、非常に長期に亘って極めて正確且つ安定
的に、規定された出力周波数、典型的には５ＭＨｚ又は
１０ＭＨｚを維持するための物理パッケージ及び電子素
子によって制御される。物理パッケージにおいて水晶発
振器を原子遷移の周波数に正しく追従させることによっ
て、エージング及び他の固有的及び外的要因に起因よる
水晶の経年劣化が著しく抑制される。典型的な原子周波
数標準器の物理パッケージは、マイクロ波キャビティ共
振器と、同位体フィルターセルと、吸収セルと、光源
と、光検出器と、温度制御手段と、これらの構成部材を
囲む少なくとも１つの磁気シールドとを含む。

【０００５】このような典型的ルビジウム原子周波数標
準器では、例えば、光源は、ｒｆ励起プラズマ放電によ
り光を発生するルビジウム原子を含有するガラス製バル
ブである。ランプ内のルビジウム原子は、約１１０゜Ｃ
の気体に加熱されて高エネルギーｒｆ電界中に置かれ、
励起されたルビジウム原子から光を発生させる。「ルビ
ジウム光」は、Ｒｂ−３５のようなルビジウム同位体を
含有するフィルターセルに通され、フィルターセルは、
原子を超微細エネルギー準位Ｂから光学的に励起された
準位Ｃに遷移させる波長の光をろ過する。ろ過されたル
ビジウム光は、次いで、共振セルとも呼ばれる吸収セル
に導かれる。吸収セルは、別のルビジウム同位体Ｒｂ−
８７を含有し、超微細エネルギー準位ＡのＲｂ−８７原
子に吸収されたろ過光エネルギーが、Ｒｂ−８７原子を
準位Ａから光励起された所望のエネルギー準位Ｃに遷移
させる。しかし、エネルギー準位Ｃに励起された原子
は、数ナノ秒より長くはその準位にとどまらず、自然発
光や、他の原子や分子又は吸収セルの壁面との衝突等に
より、ほぼ同数が、基底状態超微細準位Ａ、Ｂに復帰す
る。ろ過光は、原子を準位Ｂから準位Ｃへは遷移させな
いから、原子の準位Ａから準位Ｃへの光励起の反復、及
び、準位Ｃから準位Ａ、Ｂ間へ落下する原子の再分布の
結果、準位Ｃへ励起するための準位Ａの原子は、存在す
るとしても極く僅かになり、原子は超微細エネルギー準
位Ｂに蓄積されてしまうので、吸収セルを通過する光の
吸収は殆ど又は全く無くなる。この現象を、準位Ａの原
子は準位Ｂに「光ポンピング」されたと言う。しかし、
もしルビジウム遷移周波数でマイクロ波エネルギーが吸
収セルに印加されると、超微細準位Ａ、Ｂ間の原子の遷
移が起こり、準位Ａに原子が再び導入され、この原子が
再度光エネルギーを吸収して準位Ｃに遷移する。これに
よって、吸収セルを透過する光が減少する。

【０００６】吸収セルを透過するルビジウム光は、光検
出器に入射され、光検出器は、入射光の強度に比例する
電流出力を発生する。電流出力はサーボ電子系によって
処理され、電圧制御結晶発振器（ＶＣＸＯ）への制御電
圧とされ、該発振器の出力は、ルビジウム遷移周波数に
逓倍（及び合成）され、超微細準位Ａ、Ｂ間の遷移を誘
起するためのマイクロ波エネルギーとされる。マイクロ
波エネルギーの周波数が超微細遷移周波数（Ｒｂ−８７
の場合は６．８３４ＧＨｚ）に相当するときは、光の吸
収が最大になって、光検出器の電流出力が減少する。し
かし、マイクロ波エネルギーが超微細周波数と一致しな
いときは、吸収セルを透過して光検出器に達する光が増
大し、光検出器の電流出力が増す。従って、光検出器の
電流出力は、典型的には５又は１０ＭＨｚのＶＣＸＯの
出力周波数（これは、上述したように、逓倍及び合成さ
れ、ルビジウム原子の超微細遷移周波数とされる）を維
持するためのエラー信号を生成するのに使用することが
でき、これによって、極めて安定した５又は１０ＭＨｚ
出力用周波数標準器を実現することができる。

【０００７】尚、既に知られているように、準位Ａは、
実際には同一のエネルギーを持つ３つの準位から成り、
準位Ｂは、実際には準位Ａの原子のエネルギーと超微細
エネルギー準位の差だけ異なる互いに同一のエネルギー
を持つ５つの準位から成る。実用上は、Ａ準位を僅かに
分離すると共に、Ｂ準位も僅かに分離するように、弱い
静磁場（「Ｃ電界」〜０．３ガウス）がＲｂ−８７原子
に印加される。Ｒｂ−８７原子を含有する吸収セルに適
正な周波数で供給されたマイクロ波エネルギーは、６．
８３４ＧＨｚで、量子数（Ｆ＝２、Ｍ_F＝０）の一つの
Ｂ準位から量子数（Ｆ＝１、Ｍ_F＝０）の一つのＡ準位
への、原子又は「クロック」の遷移を誘起する。

【０００８】長年、動作特性を変えることなく、物理パ
ッケージの全体寸法を縮小するための改良に向けて、実
質的な努力が行われてきた。例えば、米国特許第３，９
０３，４８１号は、光源から発せられる超微細光周波数
の１つを除去するのに使用されていたフィルターセルを
物理パッケージから省くことによって、ルビジウム気体
周波数標準器の全体寸法を縮小しようとする、初期の技
術を示している。その手法は、フィルターセルの機能
と、対応する吸収セルの機能とを結合するものである。
そして、ろ過原子（一般にはルビジウム同位体Ｒｂ−８
５）と緩衝ガスが、別のルビジウム同位体Ｒｂ−８７を
含有する吸収セルに直接、併合される。従って、吸収セ
ルは、Ｒｂ−８７原子の密度差を作るための光ポンピン
グが行われる吸収セルとしてばかりでなく、不要の遷移
を防止するためのフィルターセルとしても動作するとい
う、二重の機能を果たしている。このように、一つのセ
ル内に２つの機能を結合することにより、物理パッケー
ジの寸法が縮小された。

【０００９】その他、Ｒｂ−８７原子の励起に注目した
ものもある。米国特許第４，４０５，９０５号は、吸収
セルの周囲にマイクロ波ループを持った原子周波数標準
器を開示している。このマイクロ波ループは、コーティ
ング壁を有する減圧されたルビジウム吸収セルに含有さ
れているＲｂ−８７原子を励起するために使用されるも
のである。

【００１０】米国特許第４，９４７，１３７号は、吸収
セルの円筒面に固着された、６．８ＧＨｚ共振のヘリカ
ル共振体によって励起された原子に働きかけるための受
動型原子周波数標準器を開示している。

【００１１】米国特許第４，４９４，０８５号は、マイ
クロ波キャビティ内にフィルターセルと吸収セルとを設
けた原子周波数標準器用小型光パッケージを開示してい
る。フィルターセルと吸収セルの窓を全てマイクロ波キ
ャビティ内の中心に配置することによって、キャビティ
に誘電性負荷を加え、小型化することができる。又、フ
ィルターセル及び吸収セルの窓の間にフルネル照準レン
ズを配設し、マイクロ波キャビティに更に誘電負荷を加
えることができる。

【００１２】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は、小型で効
率の良い原子周波数標準器を提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明は、原子
を励起する共振エバネセント電磁界を発生して、原子の
超微細エネルギー準位間遷移を起こすための方法と小型
化された装置とに係わり、更に、エバネセント電磁界の
共振周波数を調整する方法に関する。このような新規な
原子周波数標準器は、光エネルギーを供給する光源と、
通過する光エネルギーの強度を変化させる第１の原子群
を含有する吸収セルと、第１の原子群の超微細エネルギ
ー準位遷移を誘起するエバネセント電磁界を発生する誘
電性共振器と、吸収セルとフィルターセルとを収容する
導波管と、導波管の一端近傍に設けられて光エネルギー
を受け取る光検出器と、誘電性共振器を励磁する電磁イ
ンジェクタとから成る。第１の電子群は、同位体Ｒｂ−
８７又はＣｓ−１３３などのアルカリ金属群から選ばれ
た１つの元素であることが望ましい。誘電性共振器は、
コーニング(Corning)８１６１ガラスのような誘電材料
製ディスクであることが好ましい。又、誘電性共振器の
Ｑは１００以上であるのが好ましい。誘電性共振器の寸
法は、その初期共振周波数、例えば６.８４０ＧＨｚを
生成するように選択される。

【００１４】好ましい実施例では、誘電性共振器が吸収
セルとフィルターセルとの間に配置され、誘電性共振器
とフィルターセルとの距離が、誘電体の共振に影響する
ように変えられる。このように構成することで、誘電性
共振器の共振周波数の調整を可能にする構造が得られ
る。フィルターセルを含まない実施例においては、誘電
性共振器に隣接して周波数調整ディスクを配置し、誘電
性共振器と周波数調整ディスクとの距離を変化させるこ
とにより、誘電性共振器の共振周波数を調整することが
できる。

【００１５】別の実施例では、エバネセント電磁界を発
生するための吸収セルの両端に隣接して、第１の誘電性
共振器と第２の誘電性共振器とが配置される。第１、第
２の誘電性共振器は、夫々、光源からの有効光を透過さ
せる誘電材料で形成され、そのＱは、１００以上である
ことが望ましい。

【００１６】他の実施例では、吸収セルの窓としても機
能するガラス製の誘電性共振器を設けることにより、吸
収セル及び誘電性共振器が一つのユニットに一体化され
る。この一体化ユニットは、更に、光エネルギーをろ過
するための原子を含有するようにしてもよい。他の実施
例では、Ｒｂ−８５原子とＲｂ−８７原子との混合を含
有する一体化又は「集積」セルを構成するように、フィ
ルターセルと吸収セルとが一体化される。

【００１７】導波管は、少なくとも一端が電気的に開放
されて導電性内面を有する円筒チューブ、或いは、銅製
ソリッド・チューブで構成するのが好ましい。導波管に
は、更に、フィルターセル及び／又は吸収セルを、そこ
に含有される物質の適正な気体密度を形成するのに充分
な温度に加熱するための加熱装置を設けることができ
る。

【００１８】標準周波数を発生するための本発明による
方法は、複数の超微細エネルギー準位を持ち得る原子群
を供給する工程と、光エネルギーを発生して、その光エ
ネルギーを前記原子群に与える工程と、誘電性共振器を
励振する工程と、励振された誘電性共振器でエバネセン
ト電磁界を発生する工程と、前記原子群に与えられて該
原子群を透過する光エネルギーの強度に影響を与えるよ
うに、前記エバネセント電磁界を前記原子群に導入し
て、原子の超微細エネルギー準位間遷移を誘起する工程
と、透過する光エネルギーの強度に関連する電流出力
を、光検出器から出力させる工程とから成る。励振工程
は、光検出器からの電流出力をサーボ電子パッケージを
介して電圧制御された結晶発振器に供給する工程と、電
圧制御結晶発振器から出力信号を発生して誘電性共振器
を励振する工程とを含むことが好ましい。この方法は、
更に、光エネルギーをろ過して所定の周波数のみを透過
させる工程を含んでもよい。但し、光源としてレーザを
使用する場合は、光エネルギーのろ過工程は無くてもよ
い。

【００１９】本発明の動作において、誘電性共振器の励
振によって発生されるエバネセント電磁界は、原子遷移
周波数（Ｒｂ−８７原子については約６．８３４ＧＨ
ｚ）とほぼ等しい誘電性共振器の共振周波数で共振す
る。エバネセント電磁界は、吸収セルを透過して、吸収
セル内の第１の原子群の超微細エネルギー準位間遷移を
誘起する。

【００２０】原子周波数標準器において発生される電磁
場の共振周波数を調整する方法は、原子群の超微細エネ
ルギー準位間遷移を誘起するような該原子群との隣接位
置に誘電性共振器を設ける工程と、該誘電性共振器を該
原子群とフィルターセルとの間に位置させる工程と、誘
電性共振器とフィルターセルとの距離を調節して誘電性
共振器の共振周波数を調整する工程とから成る。

【００２１】原子周波数標準器において発生される電磁
場の共振周波数を調整するためのもう一つの方法は、励
振された誘電性共振器を原子群に隣接させて、該原子群
の超微細エネルギー準位間遷移を誘起する工程と、該誘
電性共振器を該原子群と誘電性ディスクとの間に位置さ
せる工程と、誘電性共振器と誘電性ディスクとの距離を
調節して誘電性共振器の共振周波数を調整する工程とか
ら成る。

【００２２】２つの誘電性共振器を有するシステムは、
誘電性ディスクを一方又は両方の誘電性共振器との隣接
位置に配置し、誘電性ディスクと隣接する誘電性共振器
との距離を調節することによって、周波数の調整を行う
ことができる。このシステムには、一方の誘電性共振器
に隣接する１つの周波数調整用誘電性ディスクと、他方
の誘電性共振器に隣接するフィルターセルとを設けても
よい。その場合、周波数調整用誘電性ディスクかフィル
ターセル又はその両方を、隣接する誘電性共振器に対し
て光学軸方向に移動させることによって、周波数の調整
を行うことができる。

【００２３】本発明の他の特徴及び利点は、添付図面及
び以下の説明から明らかになるであろう。

【００２４】

【実施例】図１は、本発明の実施例による原子周波数標
準器１０の略線図である。原子周波数標準器１０は、光
源１２と、周波数逓倍／合成器１４と、光物理パッケー
ジ１６と、サーボ電子パッケージ１８ａと、電圧制御さ
れた結晶発振器（ＶＣＸＯ）１８ｂとを含む。光物理パ
ッケージ１６は、誘電性共振器２２などの共振誘電体装
置と、Ｒｂ−４７のような原子群を含有する吸収セル２
４とを収納する導波管２０を含んでいる。光検出器２６
は、便宜的に、導波管２０の光源１２とは反対側の一端
に近接して設けられている。

【００２５】誘電性共振器２２は、吸収セル２４内の原
子のエネルギー準位間遷移のための光学的励起に有効な
光の周波数に対する透過性を示す低損失誘電体（例え
ば、Ｑ＞１００）から成るディスクであり、光源１２か
ら放射される有効な光を透過させる。誘電性共振器２２
は、ほぼ、吸収セル２４内の原子の遷移周波数に共振す
る寸法とされている。誘電性共振器２２は、端面が開放
された導波管２０の一分画に収納され、吸収セル２４内
の原子の遷移周波数で動作する。本発明において、吸収
セル２４と導波管２０は共働して、吸収セル２４内に広
がるエバネセント電磁界を発生させて従来のマイクロ波
キャビティを不要にすると共に、安価に製造できる原子
周波数標準器に使用される極めて小型の原子インテロゲ
ータを構成する。

【００２６】上述した原子周波数標準器の動作におい
て、光源１２から光物理パッケージ１６に光エネルギー
が供給される。すると光検出器２６は、吸収セル２４を
介して到達した光エネルギーに対応する出力信号を発生
する。光検出器２６からの信号は、サーボ電子パッケー
ジ１８ａを介してＶＣＸＯ１８ｂに供給される。ＶＣＸ
Ｏ１８ｂは、これに応答して、典型的には１、５、１
０、２０ＭＨｚ又はそれより高い周波数の出力信号を生
成して、周波数逓倍／合成器１４に供給する。周波数逓
倍／合成器１４は、ＶＣＸＯ信号を逓倍して、原子遷移
周波数出力信号１４ａを生成する。この信号は、電磁エ
ネルギー・インジェクタ・プローブ又はＥ電界プローブ
２８に供給され、誘電性共振器２２の励振に使用され
る。１０ＭＨｚの信号からＲｂ−８７原子の超微細エネ
ルギー準位間遷移周波数を発生するための１つの方法と
しては、１０ＭＨｚの信号を６８４倍して、１０ＭＨｚ
から合成された５．３ＭＨｚの信号をその積から減算す
ることが考えられる。これにより、（１０ＭＨｚ＊６８
４）−５．３ＭＨｚ＝６８３４．７ＭＨｚというＲｂ−
８７原子の超微細エネルギー準位間遷移周波数が得られ
る。誘電性共振器２２は、約６８３４ＭＨｚで共振する
ように設計され、励振されると、吸収セル２４内に広が
るエバネセント電磁界を発生し、原子を超微細準位Ａ、
Ｂ間で遷移させる。

【００２７】周波数逓倍／合成器１４も、典型的には１
００Ｈｚの低周波変調信号を発生するための電子回路を
含み、光物理パッケージ１６に入力する前に６．８３４
ＧＨｚの信号を内部的に位相変調するためにこの回路を
使用する。位相変調されて光物理パッケージ１６に入力
された６．８３４ＧＨｚの信号に応じて、誘電性共振器
２２は変調エバネセント界を発生する。変調エバネセン
ト界は、吸収セル２４内の原子に作用して、光検出器２
６に到達する光強度を変化させる。光検出器２６は、交
流電流出力信号を発生し、この信号は、次にサーボ電子
パッケージ１８ａにより処理される。この処理を支援す
るために、サーボ電子パッケージ１８ａには周波数逓倍
／合成器１４からも変調信号１４ｂが供給され、この信
号は、これに同期して光検出器２６からの交流信号を復
調してＶＣＸＯ１８ｂの周波数を制御するための直流エ
ラー電圧を生成するために使用される。

【００２８】光源１２は、励起されてインコヒーレント
な光エネルギーの放射プラズマ源となるＲｂ−８５とＲ
ｂ−８７原子の混合を含有する全方向性ルビジウムラン
プ、或いは、コヒーレントな光エネルギーのレーザ源で
構成することができる。光源１２から放射される光エネ
ルギーは、光源１２に近接する導波管２０の開放端に集
光され、誘電性共振器２２及び吸収セル２４を通って、
光検出器２６に至る。ルビジウムランプが使用される場
合、光源１２内のＲｂ−８７原子が励起されて、例えば
約１００ＭＨｚのラジオ周波数の放射を利用する放射プ
ラズマとされたとき、Ｒｂ−８７原子は、夫々、２つの
主な超微細成分から成るＲｂ−８７の２つの強い光線
（７９４．８ｎｍのＤ１と７８０．０ｎｍのＤ２）を含
むスペクトルの光を発する。図１に示す吸収セル２４
は、緩衝ガスとアルカリ金属原子群、詳細には、Ｒｂ−
８７原子群又はＲｂ−８５とＲｂ−８７原子との混合を
含有するものである。ルビジウムランプから発するこの
ような光線が吸収セル２４を透過するとき、何れの光ス
ペクトル線Ｄ１、Ｄ２についても、一方の超微細成分が
優先して吸収される。光スペクトル線Ｄ１、Ｄ２の内、
残りの成分は、ポンピング光として働き、吸収セル２４
内のＲｂ−８７の２つの基底状態超微細準位間に密度差
を生じさせる。このとき、低い方の超微細状態、準位Ａ
にある原子だけがポンピング光を吸収して光励起された
高エネルギー状態である準位Ｃに引き上げられることが
好ましい。更に、自然放出及び緩衝ガスの衝突によっ
て、このような原子は、ほぼ等量ずつ、２つの基底超微
細状態Ａ、Ｂに分割される。この過程が継続するにつれ
て、準位Ａでポンピング光を吸収できる原子数は減少し
ていき、吸収セル２４はより多くの光を透過させるよう
になり、光検出器２６に達する光エネルギーの強度が増
大する。

【００２９】周波数逓倍／合成器１４からのマイクロ波
エネルギーは、例えば、磁気結合ループを使用するか、
若しくは他の公知のエネルギー転送手段を使用して、図
１に示すＥ電界プローブ２８に電磁エネルギーを供給す
ることにより、誘電性共振器２２に与えられる。Ｅ電界
プローブ２８は、誘電性共振器２２に近接して配置する
必要があるが、その近接位置は一義的でなく、図１の位
置は単に好ましい例として示したものであって、本発明
は必ずしもこれに限定されない。誘電性共振器２２に入
射された電磁エネルギーにより、誘電性共振器２２は、
その共振周波数で発振するエバネセント電磁界を発生す
る。尚、この共振周波数は、ルビジウム装置の場合、理
想的には約６．８３４ＧＨｚのルビジウム周波数であ
り、これは、２つの基底状態超微細準位Ａ、Ｂ間のエネ
ルギーギャップに相当する。原子の超微細遷移を誘起す
るのに必要なエネルギーＥは、プランク定数をｈとする
とき、原子の遷移周波数ｆと、式Ｅ＝ｈｆで表される関
係を持つ。導波管２０は、誘電性共振器２２によって発
生されて吸収セル２４に供給されたエバネセント電磁界
を内部に閉じこめる。誘電性共振器２２からのエバネセ
ント電磁界は、準位Ｂ、Ａ間で原子の超微細エネルギー
準位間遷移を誘起することにより、低い方の超微細エネ
ルギー準位Ａの原子の密度を増加させる。低い方のエネ
ルギー準位Ａに達した原子は、光エネルギーを吸収し、
光源１２から供給される光エネルギーにより光ポンピン
グされて、高いエネルギー準位Ｃに引き上げられる。こ
の光エネルギーの吸収により、光検出器２６に到達する
光エネルギーが減少し、光検出器２６からの出力電流も
減少する。従って、マイクロ波周波数が厳密に規定され
た６．８３４ＧＨｚのルビジウム遷移周波数と等しいと
き、光検出器２６の電流出力２９が最小になる。

【００３０】光検出器２６の電流出力２９は、サーボ電
子パッケージ１８ａによって、振幅及び位相情報を有す
るエラー信号に電子的に変換される。この信号は、ＶＣ
ＸＯ１８ｂの信号出力を５ＭＨｚ又は１０ＭＨｚの所望
のＶＣＸＯ出力信号周波数に維持するために使用される
ものである。上述したように、ＶＣＸＯ信号は、周波数
逓倍／合成器１４によって逓倍及び合成により６．８３
４ＧＨｚのマイクロ波信号とされ、該信号は、誘電性共
振器２２を電磁的に励振して、６．８３４ＧＨｚで発振
するエバネセント電磁界を発生させる。従って、ＶＣＸ
Ｏ１８ｂの周波数出力を、安定したルビジウム原子遷移
周波数にロックすることができる。

【００３１】このように、上記装置及び方法を使用する
と、光検出器２６に供給されるマイクロ波の共振周波数
がルビジウム遷移周波数と正確に一致するので、ＶＣＸ
Ｏ１８ｂを、正確に５又は１０ＭＨｚで動作させること
ができる。

【００３２】図２は、図１の原子周波数標準器１０の光
物理パッケージの他の構成例を示す。図２において、原
子周波数標準器１０ａは、導波管２０内の吸収セル２４
と光検出器２６ａとの間に誘電性共振器２２を配置して
成る光物理パッケージ１６ａを含む。光検出器２６ａ
は、導波管２０の開口部分に僅かに入り込むように、光
物理パッケージ１６ａの後面に取り付けられている。図
示例では、Ｅ電界プローブ２８を誘電性共振器２２と吸
収セル２４との間に配置しているが、Ｅ電界プローブ２
８は誘電性共振器２２に近接していればよく、その厳密
な位置は、本発明において必ずしも一義的でない。図２
の構成によれば、光物理パッケージ１６ａを図１の光物
理パッケージ１６よりも小型化することができる。

【００３３】光物理パッケージ１６ａ全体の動作は、図
１の光物理パッケージ１６の動作と実質的に同じであ
り、両システムの個々の部材は、実質的に等価である。
しかし、両光物理パッケージ１６、１６ａの性能は、必
ずしも等価でない。第１の相違点は、図２の光物理パッ
ケージ１６ａの場合、誘電性共振器２２を光検出器２６
に近接して配置しているため、システム品質Ｑが誘電性
共振器２２のＱよりかなり小さく、５０又はそれ以下の
小さい値にもなり得ることである。光物理パッケージ１
６ａの実際のシステムＱは、誘電性共振器２２と光検出
器２６ａとの距離と相反する関係にあるが、誘電性共振
器２２を形成する誘電体の本来のＱより大きくなること
はない。図２の光物理パッケージ１６ａの低いシステム
Ｑを補ってシステムの性能を図１の光物理パッケージ１
６と同等にするためには、インジェクタ２８に供給され
る電磁エネルギー量を増大する必要がある。

【００３４】図３に、本発明の別の実施例を示す。この
実施例において、原子遷移周波数でマイクロ波エネルギ
ーを供給するための光物理パッケージ３０は、別体のフ
ィルターセル３７と、光源３１と、サーボ電子パッケー
ジ３２ａと、ＶＣＸＯ３２ｂと、逓倍／合成器３３とを
含む。光物理パッケージ３０は、導波管３５、導波管支
持体３６、フィルターセル３７、誘電性共振ディスク３
８、吸収セル３９、加熱トランジスタ４０、Ｅ電界プロ
ーブ４１、光セル４２およびＣ電界コイル４４の周囲に
配置された一対の磁気シールド３４を含む。磁気シール
ド３４は、地磁界及び他の磁界源に対する有効なシール
ドを行えるように、約１７％乃至２０％の鉄と、約５％
の銅と、少量のマンガン又はクロムとを含むニッケル−
鋼合金或いは他の強磁性材料等の、透磁率の高い材料で
形成される。磁気シールド３４には、導波管支持体３６
が取り付けられている。導波管支持体３６は、ポリアミ
ド製ファイバーグラス等の熱絶縁性を有する材料で形成
するのが好ましく、導波管３５を光物理パッケージ３０
内に支持している。

【００３５】導波管３５は、少なくとも一端が電気的に
開放され、導電性の、好ましくは金属の内面を有する円
筒チューブ、或いは銅製ソリッドチューブとし、カット
オフ周波数より低い、使用原子遷移周波数で動作する大
きさの円形断面を有するものであることが望ましい。
「電気的開放端」を有する導波管は、誘電性共振器を担
持することができ、且つ、電磁エネルギーを実質的に逃
すことなく、誘電性共振器から発生される超微細電界を
実質的に閉じこめるための導電面を形成することができ
れば、如何なる構成であってもよい。例えば、導波管
は、エバネセント界の少なくとも約２．５減衰長分、誘
電性共振器から導波軸Ｚ方向に延出したものであって、
誘電性共振器から約２．５減衰長分（必ずしも終端に及
ぶ必要はない）の導電性内面を形成する所望の形状の筒
状断面を有する誘電体ハウジングを形成するもの、好ま
しくは、少なくとも約５減衰長を有する端開放型金属製
筒状ハウジングを形成するもの、その他、光学的に開放
された、機能的に導波管と等価なものとすることができ
る。「減衰長」とは、エバネセント界が共振ディスクの
面で指数関数的に初期値の３７％に減少するのに必要な
距離を言う。

【００３６】導波管３５は、電気的に開放された端を有
するが、フィルターセル３７及び吸収セル３９内の温度
勾配を小さくするように、ＭＹＬＡＲ（登録商標）、サ
ファイア又はガラスのような、実質的に透明なカバーで
覆うことができる。導波管３５の開放端を実質的に透明
なカバーで覆っても、エバネセント界が実質的に導波管
から逃げないように、エバネセント界が電気的開放端に
到達する以前に十分に減衰されていれば、光物理パッケ
ージ３０の性能に実質的影響はない。

【００３７】導波管３５内には、フィルターセル３７
と、誘電性共振ディスク３８と、吸収セル３９とが固定
される。

【００３８】誘電性共振ディスク３８は、原子の超微細
エネルギー準位間遷移周波数で１００を超えるＱを有す
るコーニング(Corning)８１６１ガラスのような低損失
ガラスで、小さい円形ディスク状に形成することができ
る。６８３４ＭＨｚの原子遷移周波数を持つ受動型ルビ
ジウム原子標準器の場合、導波管３５の内径を約０．５
２５インチ（約１．３３ｃｍ）、誘電性ディスク３８の
外径を約０．５２０インチ（約１．３２ｃｍ）、その厚
みを約０．１２７インチ（約３．２３ｍｍ）にすること
ができる。

【００３９】フィルターセル３７及び吸収セル３９は、
一定量のアルカリ金属原子を含有している。ルビジウム
標準器の場合、フィルターセル３７は、Ｒｂ−８７原子
群を含有している。加熱トランジスタ４０は導波管３５
に熱を加える。そして、導波管３５はオーブンとして機
能して、フィルターセル３７及び吸収セル３９内に適量
のＲｂ気体を発生、維持できるように正確に制御された
温度、例えば７５゜Ｃまで、フィルターセル３７及び吸
収セル３９内のアルカリ金属を熱する。フィルターセル
３７及び吸収セル３９内のＲｂ気体の気体密度は、カリ
ウム等のアルカリ金属から成る元素群の１又は２以上の
元素を加えることにより、変化させることができる。Ｃ
電界コイル４４は、吸収セル３９内の原子に必要な直流
磁界環境を生成するために、便宜上、導波管３５の外側
に巻回されている。

【００４０】フィルターセル３７及び吸収セル３９は、
夫々、該セルのキャビティ内に差し込まれて、製造中に
Ｒｂ原子や（使用される場合は）緩衝ガスを腔内に導入
する導入管として機能する「ティップオフ」又はフィル
チューブ（原子導入管）４５、４６を含み、各フィルチ
ューブ４５、４６は、外径０．０８０インチ（２ｍｍ）
のガラス管であることが好ましい。フィルチューブ４
５、４６は、夫々、ガラス製のシール兼支持リング４
７、４８と対にされて各セルに取り付けられている。ガ
ラス製シール兼支持リング４７、４８は、例えば、外径
を０．１７０インチ（４．３ｍｍ）、厚みを０．０９０
インチ（２．３ｍｍ）とするのが好ましい。緩衝ガスが
フィルターセル３７に収容される実施例の場合、緩衝ガ
スとしてアルゴン又は類似のガスを１００Ｔｏｒｒ以上
の圧力で供給するのが好ましい。緩衝ガスが吸収セル３
９に収容される実施例の場合、緩衝ガスとして窒素又は
類似のガス又は希ガスを例えば４０Ｔｏｒｒの低圧で供
給するのが好ましい。但し、このガス圧は１００Ｔｏｒ
ｒまで許容できる。吸収セル３９内の緩衝ガスは、高性
能周波数標準器に望ましい、比較的小さい超微細遷移線
幅（約１−２ｋＨｚ）を可能にする。

【００４１】フィルターセル３７のフィルチューブ４５
は、光孔４３に入射する光（Ｌ）との干渉を避けるため
に、該セルの側壁に配設される。フィルチューブ４５
は、光源に最も近いフィルターセル３７の外側のガラス
窓から０．１８０インチ（４．６ｍｍ）の位置に設ける
のが有利である。導波管３５の側壁には、フィルチュー
ブ４５とガラス製シール兼支持リング４７とを収納する
ための穴又は凹部が設けられる。

【００４２】吸収セル３９のフィルチューブ４６は、セ
ルの窓から外方に延びている。吸収セル３９は、導波管
３５内に位置し、フィルチューブ４６が光セル４２に向
かって延びている。この実施例は、導波管３５の円筒側
壁にフィルチューブ４６を収容するための穴を不要とし
て、吸収セル３９及びＣフィールドコイル４４内のＴＥ
−１１エバネセント界との干渉の恐れをなくしている。

【００４３】図３の装置は、図１及び図２の装置と同様
に動作する。ルビジウムランプやレーザのような光源３
１から供給される光エネルギー（Ｌ）は、光孔４３を介
して光物理パッケージ３０に入射する。誘電性共振ディ
スク３８は、吸収セル３９内の原子のエネルギー準位間
遷移を光学的に誘起するのに有用な光の周波数に対して
透過性を示す低損失誘電体で形成される。フィルターセ
ル３７、誘電性共振ディスク３８、吸収セル３９を通過
した有効な光は、光セル４２を照射する。光は、吸収セ
ル３９を通るとき、該吸収セル３９内の原子をポンピン
グにより励起する。吸収セル３９に光が吸収されること
により、光セル４２に達する光が減少する。光セル４２
は、受け取った光に応答して、その光強度に対して例え
ば直線的関係にある電流を発生してサーボ電子パッケー
ジ３２ａに供給する。そして、サーボ電子パッケージ３
２ａは、ＶＸＣＯ３２ｂに信号を供給して、その出力周
波数を調整させる。ＶＣＸＯ３２ｂの出力周波数は、ロ
ックされたとき、正確に５ＭＨｚ又は１０ＭＨｚである
ことが好ましい。但し、分割及び／又は合成により５Ｍ
Ｈｚ又は１０ＭＨｚの出力を発生できるものであれば、
２０ＭＨｚ以上の周波数を使用してもよい。ＶＣＸＯ３
２ｂの出力周波数は、逓倍／合成器３３によって逓倍及
び合成され、Ｅ電界プローブ４１へ供給するためのマイ
クロ波励起信号３３ａとされる。逓倍／合成器３３は
又、低周波変調信号を生成し、該信号は、逓倍／合成器
３３ａを位相変調するために内部回路に供給されると共
に、光セル４２からの交流信号を復調するための変調信
号３３ｂとして、逓倍／合成器３３ａに供給される。Ｅ
電界プローブ４１は誘電性共振ディスク３８に近接して
配置され、誘電性共振ディスク３８に電磁エネルギーを
供給するが、その近接位置は一義的でなく、図２の位置
は単に好ましい位置として示したものであって、本発明
は必ずしもこれに限定されない。受け取った電磁エネル
ギーによって励振された誘電性共振ディスク３８は、共
振して、ほぼ、その共振周波数（即ち、原子遷移周波
数）で発振するエバネセント電磁界を発生する。エバネ
セント電磁界は、吸収セル３９を貫通して、上述した要
領で、Ｒｂ−８７原子の準位Ａ、Ｂ間での低準位エネル
ギー遷移を誘起する。

【００４４】エバネセント電磁界の振幅は、誘電性共振
ディスク３８において、該ディスクが共振するときに最
大になり、誘電性共振ディスク３８からの距離が増すほ
ど、Ｚ軸方向の距離に伴ってほぼ指数関数的に減少し、
導波管３５の長さと基本的に無関係に動作するインテロ
ゲータを形成する。しかし、誘電性共振ディスク３８側
の吸収セル３９の端で充分なエバネセント界の振幅が得
られるように、吸収セル３９は、誘電性共振ディスク３
８にできるだけ接近して（近く又は接して）いる必要が
ある。吸収セル３９を透過して吸収セル３９内のアルカ
リ金属（好ましくはＲｂ−８７）に作用するのは、誘電
性共振ディスク３８によって生成されるエバネセント電
磁界であり、準位Ｂから準位Ａへの原子の超微細エネル
ギー準位遷移を開始させる。

【００４５】図３の実施例は更に、フィルターセル３７
を誘電性共振ディスク３８に近接して配置する必要がな
いこと、フィルターセルと誘電性共振ディスク３８との
距離の変化を誘電性共振ディスク３８の共振周波数の微
調整に利用できることに特徴がある。

【００４６】図４は、図３に示した分画型物理パッケー
ジ３０の一部を拡大して示すものである。誘電性共振デ
ィスク３８は、フィルターセル３７と吸収セル３９との
間に配置されている。誘電性共振ディスク３８の共振周
波数は、フィルターセル３７と吸収セル３９のガラス体
が近接していることで影響を受ける。ほぼ指数関数的に
減衰するエバネセント界の振幅が吸収セル３９内でも充
分な大きさを維持して、Ｒｂ−８７原子のエネルギー準
位間遷移を誘起することができるように、吸収セル３９
は、誘電性共振ディスク３８にできるだけ近い位置に配
設すべきである。これに対して、エバネセント界は、フ
ィルターセル３７内のＲｂ−８５原子に殆ど影響を与え
ない。このＲｂ−８５原子は超微細エネルギー準位間遷
移に必要とされないので、フィルターセル３７は誘電性
共振ディスク３８に近接している必要がない。従って、
フィルターセル３７は、誘電性共振ディスク３８と、フ
ィルターセル３７の隣接する窓との距離を変化させるた
めに、光学軸Ｚ方向に移動させることができる。その結
果、誘電性共振ディスク３８の共振周波数を調整するた
めに、誘電性共振ディスク３８とフィルターセル３７と
の間隔を変えることができる。

【００４７】図１ないし図４に示す実施例において、共
振ディスクの寸法は、共振ディスクがルビジウム原子の
遷移周波数にほぼ等しい約６．８００ＧＨｚで初期共振
するように選ばれる。共振ディスクとしては、約６乃至
１５の誘電率を有する例えばコーニング(Corning)８１
６１ガラスのような特殊なガラスで、直径約０．５２イ
ンチ（１．３２ｃｍ）、厚さ約０．１２７インチ（３．
２３ｍｍ）の円形ディスク状に形成され、アルカリ金属
原子の光ポンピングに使用される光周波数を透過させる
ものを使用するのが好ましい。吸収セル及び図３及び図
４に示す実施例におけるフィルターセルは、約０．０４
０インチ（１ｍｍ）のセル窓厚みを有する。コーニング
(Corning)１７２０又は１７２４ガラスで形成される。
共振ディスクのＱは、コーニング８１６１ガラスを使用
することで、典型的には少なくとも１００になり、約１
２０という高い値にもなり得る。図１、図３、図４の各
実施例では、導波管の一端に位置する光セルと、２つの
ガラスセルの負荷効果を加えたシステムＱは、誘電性共
振器のＱより僅かに小さい。図２の実施例では、システ
ムＱは、共振ディスクと光検出器との比較的狭い間隔に
起因する誘電性共振器のＱより実質的に小さい５０以下
の値にすることができる。このＱは、所望のエバネセン
ト電磁界を生成するのに必要なマイクロ波パワーの量を
決めるので重要である。換言すれば、Ｑが高い程、エバ
ネセント電磁界を発生するのに必要なマイクロ波パワー
が少なくて済む。

【００４８】図３及び図４の実施例では、誘電性共振デ
ィスク３８はフィルターセル３７と吸収セル３９との間
に配置されている。光孔４３に近接する導波管３５の開
放端におけるエバネセント界の振幅は、誘電性共振ディ
スク３８の位置で、元の値の小分数値にまで減衰されて
いる。従って、約１００のシステムＱから明らかなよう
に、導波管３５の開放端で放射損失は殆ど無い。

【００４９】誘電性共振ディスク３８の共振周波数は、
フィルターセル３７、誘電性共振ディスク３８及び吸収
セル３９に使用されるガラスの種類、それらの直径、光
学軸Ｚに垂直な方向におけるフィルターセル３７及び吸
収セル３９のガラス窓の厚みと誘電率、誘電性共振ディ
スク３８の誘電率と厚み、フィルターセル３７と誘電性
共振ディスク３８との距離、及び誘電性共振ディスク３
８と吸収セル３９との距離に依存する。フィルターセル
３７と吸収セル３９が０．０４０インチ（１ｍｍ）の窓
厚と約０．５２インチ（１．３２ｃｍ）の直径とを有す
るコーニング１７２０ガラスで形成された部材であり、
誘電性共振ディスク３８が誘電率８．１、厚み０．１２
インチ（３．２３ｍｍ）、直径約０．５２０±０．００
５インチ（１３．２１ｍｍ±０．１３ｍｍ）のコーニン
グ８１６１ガラス製部材であり、フィルターセル３７と
誘電性共振ディスク３８との初期距離が０．０２０イン
チ（０．５ｍｍ）、誘電性共振ディスク３８と吸収セル
３９との固定距離が０．０２０インチ（０．５ｍｍ）で
ある共振器パッケージにおいては、誘電性共振ディスク
３８の共振周波数の初期値は約６．８００ＧＨｚであ
る。フィルターセル３７と誘電性共振ディスク３８との
距離が０．０２０インチ（０．５ｍｍ）増加して０．０
４０インチ（１．０ｍｍ）になると、共振周波数は、約
６６ＭＨｚだけ高くなる。フィルターセル３７と誘電性
共振ディスク３８との距離が更に０．０２０インチ
（０．５ｍｍ）だけ増加して０．０６０インチ（１．５
ｍｍ）になると、共振周波数は更に３１ＭＨｚ高くなっ
て、合計９７ＭＨｚの周波数増加となる。調整範囲は、
フィルターセル３７の窓厚を厚くすることによって増大
することができる。

【００５０】上に掲げた具体的寸法は、誘電性共振ディ
スク３８の誘伝率に依存することになる。コーニング８
１６１ガラス等の特定の材料で形成された共振ディスク
の共振周波数は、これらの同じガラスの混合比を変える
ことによって変化させることができ、共振ディスクの寸
法をそれに応じて調整できることは言うまでもない。

【００５１】図３及び図４の光物理パッケージ３０は、
共振ディスクの寸法や誘伝率等に関するユニット間の多
少のばらつきを補うために、フィルターセル３７と誘電
性共振ディスク３８との距離を調整することにより、好
ましくは、誘電性共振ディスク３８の方を固定してフィ
ルターセル３７の方を移動させることにより、微調整す
ることができる。フィルターセル３７と誘電性共振ディ
スク３８との距離の調整で、誘電性共振ディスク３８の
共振周波数に影響を与え、光物理パッケージ３０全体を
調整することができる。この周波数調整方法は、簡単且
つ効果的である。更に、この周波数調整方法は、フィル
ターセル３７の代りに吸収セル３９を移動させる場合で
も同様と思われるが、吸収セル３９内のエバネセント電
磁界の振幅を実質的に小さくすることがない。

【００５２】フィルターセルを含まない図１の実施例
は、図５に示すように、導波管２０内に周波数調整ディ
スク２１を誘電性共振器２２に隣接して移動可能に設け
ることにより、光物理パッケージ１０の誘電性共振器２
２の共振周波数を調整できる構成とすることができる。
周波数調整ディスク２１は、図３及び図４の実施例の説
明で延べたフィルターセルの誘電窓の一つと等しい特性
を有する誘電性ディスクであることが好ましい。光物理
パッケージ１０の共振周波数の調整は、誘電性共振器２
２の方を固定しておいて、周波数調整ディスク２１の方
を誘電性共振器２２に対して移動させることによって行
われる。この周波数調整ディスクによる周波数調整方法
は、図２の実施例にも適用することができる。

【００５３】図６は、一体化共振ディスク／吸収セル５
０を使用する実施例を示している。上述したように、共
振ディスクと吸収セルは近接していることが望ましい。
共振ディスクを吸収セルの端部として一体に形成するこ
とにより、或いは、後述するように共振ディスクを吸収
セルに固着することにより、吸収セルと共振ディスクと
を一体化することができる。一体化共振ディスク／吸収
セル５０は、共振ディスク５４をガラス部材５６に固着
することによって両者間に形成されるキャビティ内にＲ
ｂ−８７材料を含有するように形成された吸収セル５２
を含む一体構造体である。一体化共振ディスク／吸収セ
ル５０は、ガラス部材５６の穴を貫通して一体化セル内
のキャビティに至り、製造中にＲｂ原子及び／又は緩衝
ガスをキャビティ内に導入する導入管として機能するフ
ィルチューブ５８を含む。フィルチューブ５８は、その
周囲に配置されたシール兼支持リング５９と共に、ガラ
ス部材５６に取り付けられている。フィルチューブ５８
及び支持リング５９は、ガラス部材５６を形成するのに
使用されたものとの融和性を示すガラス、又は同一のガ
ラスで形成するのが好ましい。

【００５４】一体化共振ディスク／吸収セル５０は、共
振ディスクと吸収セルとを別々に設けたものに比して、
２つの大きな利点を持つ。第１の利点は、吸収セル５２
内の原子が、何も介在させないで、直接、共振ディスク
５４のエバネセント界の作用を受けるので、多くの場
合、吸収セル内の電界の振幅が大きくなり、その結果、
充分な性能を得るのに必要とされるマイクロ波パワーが
少なくて済むことである。マイクロ波パワーの高レベル
を発生するためのコストが大きいことを考慮すると、こ
れは望ましい利点である。第２の利点は、先の実施例に
必要であった窓が不要になるので、部品のコストが低減
されることである。

【００５５】図１乃至図５の共振器パッケージは、個別
に設けられた共振ディスクと吸収セルとを一体化するこ
とにより、一体化ユニット５０を含む構成に変形するこ
とができる。例えば、図３の光物理パッケージ３０は、
図７に示すように、図６の一体化共振ディスク／吸収セ
ル５０を含むものに変形可能である。一体化共振ディス
ク／吸収セル５０は、その共振ディスク５４側がフィル
ターセル３７に隣接するように、導波管３５内に配設さ
れている。フィルターセルと共振ディスクとの間隔を可
変にした上述の共振ディスクの周波数の微調整方法は、
一体化共振ディスク／吸収セル５０を含む共振器パッケ
ージにも適用できる。好ましくは、一体化共振ディスク
／吸収セル５０のフィルチューブ５８は、導波管３５の
端部に向かって、且つ、光セル４２に向かって突出する
ように配置される。又、一体化共振ディスク／吸収セル
５０には、光のろ過を行うためのＲｂ−８５のような原
子を含有させてもよい。

【００５６】図１乃至図５及び図７に示す実施例による
原子周波数標準器は、超微細エネルギー準位Ａ、Ｂ間で
原子を遷移させるような周波数で共振させるために端壁
を必要とするマイクロ波キャビティを使用する代りに、
電気的に端が開放された導波管と、誘電性共振器とを採
用している。端開放型導波管を使用する原子周波数標準
器は、従来のマイクロ波キャビティを使用した原子周波
数標準器に対して、重大な有利性を持つ。即ち、マイク
ロ波キャビティの寸法が縮小された場合にも、マイクロ
波キャビティの端壁に設けられた光孔は、作用に係わる
光エネルギーの入射量を制限することのないように、ほ
ぼ同寸を維持しなければならず、光孔が端壁全面に占め
る割合が、望ましい値を超えてしまう。そして、マイク
ロ波キャビティの径が光孔の径に近づくにつれて、端壁
が実質的に失われ、マイクロ波エネルギーをキャビティ
から逃がしてしまうことになるので、小型化マイクロ波
キャビティで効率的な動作を維持することは益々困難に
なる。又、従来のマイクロ波キャビティにおいて、端壁
の機能を維持できるようにマイクロ波キャビティの寸法
の縮小度に比例して端壁の光孔を小径にすると、Ｒｂラ
ンプからの光が光孔の縮小分だけ遮断され、光ポンピン
グのために吸収セルに入射される光強度が低減してしま
う。しかし、図１乃至図５及び図７に示す本発明の実施
例では、共振を維持するのに、マイクロ波キャビティも
端壁も必要としないから、原子エネルギー準位間遷移を
行うのに充分な量のＲｂランプからの光を通過させ得る
最小限の寸法まで、導波管の径を理論的に縮小すること
ができる。又、本発明は、レーザ光源と共に使用するた
めの最小寸法の物理パッケージを実現することができ
る。

【００５７】図１乃至図５及び図７の実施例では、共振
器パッケージがＴＥ−１１モードでカットオフ周波数よ
り低い６．８３４ＧＨｚで動作するように選ばれる。例
えば、１．０インチの内径を有する導波管のカットオフ
周波数は、ＴＥ−１１モードで約６．９２ＧＨｚであ
り、これは、約６．８３４ＧＨｚのルビジウム周波数よ
り高い。これにより、導波管の内径を、フィルターセ
ル、誘電性共振ディスク及び吸収セルの直径が納まる、
例えば０．５２５±０．００５インチの、より小さい値
にすることができる。導波管の直径は、フィルターセル
が導波管内で移動可能なように、フィルターセルの直径
より約０．００２乃至０．００５インチ大きくする必要
がある。又、導波軸、即ち光学軸Ｚに対して直角の方向
における電界分布は、従来のマイクロ波キャビティを使
用する他のルビジウム標準器に用いられるＴＥ−１１モ
ードのものと同じである。導波管は共振キャビティとし
ては機能しないので、光物理パッケージの共振周波数
は、基本的に、導波管の長さに拘束されず、従って、比
較的短い、例えば１．５インチの長さも実現可能であ
る。又、誘電性共振ディスクによって発生されるエバネ
セント界は、ディスクからの距離の関数として、ほぼ指
数関数的に減衰するので、共振ディスクが導波管の一端
から充分な距離、例えば約２．５減衰長以上離れていれ
ば、導波管の両端は、エバネセント界に何ら影響を与え
ない。導波管が６．８３４ＧＨｚのエバネセント界を許
容する約０．５２５インチの内径を有する好ましい実施
例では、減衰長は約０．１７インチ（４．３ｍｍ）であ
る。従って、６．８３４ＧＨｚで発振するエバネセント
界を発生するための、内径０．５２５インチの導波管の
一端と共振ディスクとの距離は、約２．５減衰長より大
きく、即ち、０．４２インチ（１０．８ｍｍ）より長く
設定すべきである。

【００５８】本発明の好ましい各実施例では、共振ディ
スクをフィルターセルと吸収セルとの間に配置している
が、本発明はこの構成に限られるものではない。図８
は、吸収セル６２を共振ディスク６４とフィルターセル
６６との間に配置して、これらを全て導波管６８内に収
納した光物理パッケージ６０の略線図である。吸収セル
６２、共振ディスク６４及びフィルターセル６６の特性
及び寸法は、先に述べた実施例のものと同じであるのが
好ましいが、図８の構成では、フィルターセル６６が、
共振ディスク６４から遠い位置にあり、共振ディスク６
４の周波数調整に効果を発揮できない。

【００５９】そこで、図８の実施例の周波数調整は、図
９に示すように、周波数調整ディスク７０を導波管６８
内に固定された共振ディスク６４に隣接して可動に設け
ることによって行われる。周波数調整ディスク７０は、
共振周波数の調整を行うためにフィルターセルを使用し
ている実施例におけるフィルターセルの窓の一つと等し
い特性を有する誘電性ディスクで構成するとよい。光物
理６０の共振ディスク６４の共振周波数の微調整は、可
動の周波数調整ディスク７０と共振ディスク６４との距
離を調節することにより達成される。

【００６０】前述の実施例がエバネセント電磁界を発生
するために単一の誘電性共振器を使用しているのに対し
て、図１０に示す原子周波数標準器１００は、エバネセ
ント電磁界を発生するために複数の誘電性共振器を使用
している。原子周波数標準器１００は、光物理パッケー
ジ１０２と、光源１０４と、サーボ電子パッケージ１０
６と、ＶＣＸＯ１０８と、逓倍／合成器１１０とを含
む。光物理パッケージ１０２は、電気的に端部が開放さ
れた導波管１１４の周囲に設けられて一対の磁気シール
ド１１２と、導波管支持体１１６と、フィルターセル１
１８、第１の誘電性共振ディスク１２０、吸収セル１２
２及び第２の誘電性共振ディスク１２４を含む光学構造
体１１７と、加熱トランジスタ１２６と、Ｅ電界プロー
ブ１２８と、光セル１３０と、Ｃ電界コイル１３２とを
含んでいる。

【００６１】磁気シールド１１２は、地磁界及びその他
の磁場発生源から効果的なシールドを行うことのできる
透磁率の高い材料で形成される。磁気シールド１１２に
は、導波管支持体１１６が設けられる。導波管支持体１
１６は、ポリアミド・ファイバーグラスのような熱絶縁
性材料で形成するのが好ましい。導波管支持体１１６
は、導波管１１４を光物理パッケージ１０２内に支持し
ている。

【００６２】導波管１１４は、少なくとも一端が電気的
に開放され、導電性の、好ましくは金属製内面を有する
円筒チューブ、或いは銅製ソリッドチューブとし、カッ
トオフ周波数より低い、使用原子遷移周波数で動作する
大きさの円形断面を有するものであることが望ましい。
導波管１１４は、フィルターセル１１８及び吸収セル１
２２内の温度勾配を小さくするために、開放された一端
又は両端をＭＹＬＡＲ（登録商標）、サファイア、ガラ
スのような実質的に透明なカバーで覆うとよい。エバネ
セント界が電気的開放端に到達する前に充分に減衰され
ていて、導波管からの電磁エネルギーの逃げが実質的に
なければ、導波管１１４の開放端を実質的に透明なカバ
ーで覆うことで、光物理パッケージ１０２に実質的影響
を与えることはない。導波管１１４内には、フィルター
セル１１８と、第１の誘電性共振ディスク１２０と、吸
収セル１２２と、第２の誘電性共振ディスク１２４とが
固定されている。

【００６３】誘電性共振ディスク１２０、１２４は夫
々、典型的には原子超微細エネルギー準位間遷移周波数
で１００を超えるＱを有するコーニング８１６１ガラス
のような低損失ガラスで小円盤状に形成することができ
る。フィルターセル１１８と吸収セル１２２は夫々、ア
ルカリ金属原子群を含有している。ルビジウム標準器で
は、フィルターセル１１８がＲｂ−８５原子群を、吸収
セル１２２がＲｂ−８７原子群を含有している。加熱ト
ランジスタ１２６は導波管１１４を加熱し、該導波管１
１４はオーブンのように機能して、フィルターセル１１
８及び吸収セル１２２でＲｂ気体を発生及び維持できる
ように精密に制御された温度、例えば７５゜Ｃまで、フ
ィルターセル１１８及び吸収セル１２２内のアルカリ金
属原子を熱する。Ｃ電界コイル１３２は、吸収セル１２
２内の原子に必要な磁界環境を作るために導波管１１４
の外側に配置される。

【００６４】フィルターセル１１８及び吸収セル１２２
は、夫々、該セルのキャビティ内に差し込まれて、製造
中にＲｂ原子や（使用される場合は）緩衝ガスを腔内に
導入する導入管として働く「ティップオフ」又はフィル
チューブ（原子導入管）１３４、１３６を含む。各フィ
ルチューブ１３４、１３６は夫々、シール兼支持リング
１３８、１４０と対にされて各セルに固着されている。
フィルターセル１１８が緩衝ガスを収容する実施例の場
合、緩衝ガスとしてアルゴン又は類似のガスを使用し、
１００Ｔｏｒｒ以上の圧力で供給するのが好ましい。吸
収セル１２２が緩衝ガスを収容する実施例の場合、緩衝
ガスとして窒素又は類似のガス又は希ガスを使用し、例
えば４０Ｔｏｒｒの圧力で供給するのが好ましい。但
し、このガス圧は１００Ｔｏｒｒまで許容できる。吸収
セル１２２内の緩衝ガスは、高性能周波数標準器にとっ
て望ましい、比較的小さい超微細遷移吸収線幅（約１−
２ｋＨｚ）を可能にする。

【００６５】フィルターセル１１８のフィルチューブ１
３４は、光孔１４２に入射する光（Ｌ）との干渉を避け
るために、該セルの側壁に配設される。フィルチューブ
１３４は、光源１０４に最も近いフィルターセル１１８
の外側のガラス窓の近接して設けるのが有利である。導
波管１１４の側壁には、フィルチューブ１３４とシール
兼支持リング１３８とを収納するための穴又は凹部が設
けられる。

【００６６】吸収セル１２２のフィルチューブ１３６
も、誘電性共振ディスク１２０、１２４の各々を吸収セ
ル１２２の窓の一つに近接させるように、セルの側壁に
配置される。導波管１１４の側壁には、フィルチューブ
１３４とシール兼支持リング１３８とを収納するための
穴又は凹部が設けられる。吸収セル１２２は、その中の
原子が２つの誘電性共振ディスク１２０、１２４によっ
て発生されるエバネセント界の作用を受けるように、第
１の誘電性共振ディスク１２０と第２の誘電性共振ディ
スク１２４との間に配設される。

【００６７】ルビジウムランプのような光源１０４から
供給される光エネルギー（Ｌ）は、光孔１４２を介して
光物理パッケージ１０２に入射する。誘電性共振ディス
ク１２０、１２４は、吸収セル１２２内の原子のエネル
ギー準位間遷移を光学的に誘起するのに有用な光の周波
数に対して透過性を示す低損失誘電体で形成される。有
効な光はフィルターセル１１８、第１の誘電性共振ディ
スク１２０、吸収セル１２２及び第１の誘電性共振ディ
スク１２０を通り、光セル１３０を照射する。この光
は、吸収セル１２２を通るとき、該吸収セル１２２内の
原子をポンピングにより励起する。吸収セル１２２に光
が吸収されることにより、光セル１３０に達する光が減
少する。光セル１３０は、受け取った光に応答して、そ
の光強度に対して例えば直線的関係にある電流を発生し
て、サーボ電子パッケージ１０６に出力信号を供給す
る。そして、サーボ電子パッケージ１０６は、ＶＸＣＯ
１０８に信号を供給して、その出力周波数を調整させ
る。ＶＣＸＯ１０８の出力周波数は、ロックされたと
き、正確に５ＭＨｚ又は１０ＭＨｚであることが好まし
い。但し、分割及び／又は合成により５ＭＨｚ又は１０
ＭＨｚの出力を発生できるものであれば、２０ＭＨｚ以
上の周波数を使用してもよい。ＶＣＸＯ１０８の出力周
波数は、逓倍／合成器１１０によって逓倍及び合成さ
れ、Ｅ電界プローブ１２８へ供給するためのマイクロ波
励起信号１１０ａとされる。逓倍／合成器１１０は又、
低周波変調信号を生成し、該信号は、マイクロ波励起信
号１１０ａを位相変調するために内部回路に供給される
と共に、光セル１３０からの交流信号を復調するための
変調信号１１０ｂとして、外部に供給される。Ｅ電界プ
ローブ１２８は第１の誘電性共振ディスク１２０に近接
して配置され、両誘電性共振ディスク１２０、１２４に
電磁エネルギーを供給するが、その近接位置は一義的で
なく、図１０の位置は単に好ましい例として示したもの
であって、本発明は必ずしもこれに限定されない。受け
取った電磁エネルギーによって励振された誘電性共振デ
ィスク１２０、１２４は、共振して、ほぼ、その共振周
波数（即ち、原子遷移周波数）で発振するエバネセント
電磁界を発生する。このとき、上記共振周波数は、夫々
独立に動作する誘電性共振ディスク１２０、１２４間で
必ずしも同じではない。エバネセント電磁界は、吸収セ
ル１２２を透過してＲｂ原子に作用し、Ｒｂ−８７原子
の準位Ａ、Ｂ間での低準位エネルギー遷移を誘起する。

【００６８】図１０の二重ディスクシステムによって発
生されるエバネセント電磁界の振幅は、２つの誘電性共
振ディスク１２０、１２４間の領域で比較的均一にな
る。これに対して、導波管内に一つだけ設けられた共振
ディスクによって発生されたエバネセント電磁界の振幅
は、ディスクからの軸方向の距離が増大するにつれて、
指数関数的に減衰する。吸収セルがある場合でも、単一
ディスクシステムにおけるエバネセント電磁界の振幅の
減衰は、ほぼ指数関数的である。複数の共振ディスク間
の間隔が単一ディスクシステムの２ー３減衰長より大き
くなく、二重ディスクシステムが所望の周波数で共振す
るならば、単一ディスクシステムにおける吸収セルのエ
バネセント界の空間的不均一性は、例えば、図１０に示
すように、吸収セルの、第１の共振ディスクとは反対側
に第２の共振ディスクを付加して二重ディスクシステム
を形成することにより、軸方向Ｚに関して大幅に改善す
ることができる。

【００６９】図１１は、図１０に示すような二重ディス
クシステムの予想されるエバネセント磁界の振幅のグラ
フであり、任意のユニットにおいて、誘電性共振ディス
ク１２０、１２４からのＺ軸方向の距離に対するエバネ
セント磁界Ｈｚ（Ｚ）のＺ成分の振幅をプロットしたも
のである。Ｈｚ（Ｚ）の絶対強度は、誘電性共振ディス
ク１２０、１２４の励振の強さで決まる。図１１に特に
Ｈｚ（Ｚ）を示したのは、Ｈｚ（Ｚ）が通常、原子に関
与するマイクロ波エバネセント電磁界の成分であって、
エバネセント電磁界の他の成分は、その点で有効ではな
いからである。

【００７０】図１１に示したエバネセント界の振幅のプ
ロットは、二重ディスク構造に適用された電磁力に関す
るマクスウェルの方程式を利用した解析によって求める
ことができる。尚、そのパラメータとして、導波管１１
４の内径を０．５２インチ（１３．２ｍｍ）とし、誘電
性共振ディスク１２０、１２４を、外径０．５２インチ
（１３．２ｍｍ）、厚さ０．１７インチ（４．２ｍ
ｍ）、誘電定数８．１の対称性のものとし、誘電性共振
ディスク１２０、１２４間の距離を、誘電体を介在させ
ないで、０．３４インチ（８．６ｍｍ、又は単一ディス
クシステムの２減衰長）とし、二重ディスクシステムが
ＴＥ−１１モードで約６．８１５ＧＨｚの共振周波数で
動作するものとしている。

【００７１】誘電性共振ディスク１２０、１２４の対向
面間のエバネセント磁界の振幅Ｈｚ（Ｚ）は、誘電性共
振ディスク１２０、１２４の何れかからの距離が増すに
つれて、約１６ユニットの最大値から約１０ユニットの
最小値まで光学軸Ｚ方向に幾分小さくなる。エバネセン
ト界の最小振幅Ｈｚ（Ｚ）は、誘電性共振ディスク１２
０、１２４間の中間地点で現れ、その時、電場振幅は、
誘電性共振ディスク１２０、１２４の何れかの面におけ
るエバネセント磁界の最大振幅の約６３％になってい
る。これに対して、誘電性共振ディスク１２０、１２４
の非対向面から広がる領域におけるエバネセント磁界の
振幅は、１４ユニットの最大値から指数関数的に減衰す
る。従って、二重ディスクシステムでは、誘電性共振デ
ィスク１２０、１２４の対向面間に、比較的均一なエバ
ネセント界の振幅の領域が形成され、誘電性共振ディス
ク１２０、１２４の対向面におけるエバネセント界の振
幅が誘電性共振ディスク１２０、１２４の非対向面にお
けるエバネセント界の振幅よりも大きく、誘電性共振デ
ィスク１２０、１２４の対向面から内側に離れた部分に
おけるエバネセント界の振幅が誘電性共振ディスク１２
０、１２４、の非対向面から外側に等距離だけ離れた部
分におけるエバネセント界の振幅より大きく、且つ、単
一ディスクシステムにおいて共振ディスクから等距離だ
け離れた部分におけるエバネセント界の振幅よりも大き
くなる。

【００７２】このように、比較的均一なエバネセント界
を形成することには、２つの利点がある。第１に、超微
細遷移を誘起するための最良値に近い電場振幅に吸収セ
ル内のより多くの原子を触れさせるように、ディスクの
面における電界振幅を調節することができるので、２つ
の共振ディスク間に位置する吸収セル内の原子への作用
がより効果的に行われる。第２に、原子に作用する電場
の不均一性の低減が、吸収セル内の全体的な不均一性の
低減に寄与し、公知のように、これが、緩衝ガス吸収セ
ルによって発生される基準周波数の減衰傾向を緩和する
ことになる。

【００７３】誘電性共振ディスク１２０、１２４間の距
離を小さくすると、一般に、誘電性共振ディスク１２
０、１２４間の中間地点におけるエバネセント界の振幅
が増大する傾向を示し、一方、誘電性共振ディスク１２
０、１２４間の距離が増すと、中間地点のエバネセント
界の振幅が小さくなる傾向を示す。誘電性共振ディスク
１２０、１２４間の距離を誘電性共振ディスク１２０、
１２４間の相互作用が無くなるほど大きくすると、誘電
性共振ディスク１２０、１２４は、励振されたとき、夫
々、個別のディスクとして働き、比較的均一なエバネセ
ント界を発生するという上述の利点は実質的に失われて
しまう。

【００７４】二重ディスクシステムの作用及び利点につ
いての以上の記述は、質的には、ＴＥ−１１モード以外
のモードにも通用する。例えば、ＴＥ−０１モードにつ
いては、全ての物理的寸法がＴＥ−１１モードに比べて
大きいという主な相違があるが、ＴＥ−０１モードで
は、ＴＥ−１１モードとは異なり、導波／光学軸に垂直
な面上のポーラー角度に対する依存性を示さないので、
Ｈｚ（Ｚ）の全体的な均一性は、ＴＥ−０１モードを使
用することにより改善される。

【００７５】図１２は、光学構造体１１７を収納する図
１０の導波管１１４の一部であって誘電体誘電性共振デ
ィスク１２０、１２４と吸収セル１２２とを含む部分
を、より詳細に示す。誘電性共振ディスク１２０、１２
４は、夫々、吸収セル１２２の窓１４４ａ、１４６ａに
隣接して配置されている。窓１４４ａ、１４６ａは、比
較的薄く形成され、誘電性共振ディスク１２０、１２４
によって発生されるエバネセント界を実質的に擾乱しな
いような低誘電定数を有する。この構成では、吸収セル
１２２は導波管への実質的な負荷効果を有せず、従っ
て、二重ディスクシステムの共振周波数に重大な影響を
与えない。そのため、吸収セル１２２は、誘電性共振デ
ィスク１２０、１２４の寸法を決める際に、基本的に無
視できる。

【００７６】図１３乃至図１６は、図１０の光学構造体
１１７の種々の構成例を示す。図１３は、一体化された
共振ディスク／吸収セル１５０を含む光学構造体１１７
ａの実施例を示し、一体化共振ディスク／吸収セル１５
０は、第２の誘電性共振ディスク１２４と共に、図１２
の実施例と作用的に等価な構造を形成している。上述し
たように、誘電性共振ディスクと吸収セルは、近接して
配置する方が有利である。図１２に示した吸収セル１２
２と誘電性共振ディスク１２０は、誘電性共振器を吸収
セルの単部として一体に形成することにより、或いは、
誘電性共振器を吸収セルに固着することにより、一体構
造に組み込むことができる。

【００７７】図１４は、一体化された誘電性共振器／吸
収セル１６０を含む光学構造体１１７ｂを示し、一体化
誘電性共振器／吸収セル１６０は、導波管１１４内に設
けられ、吸収セル構造体１６２の両端に位置して、Ｒｂ
−８７原子のような吸収セル原子を含有する誘電性共振
ディスク１２０、１２４を有する。誘電性共振ディスク
１２０、１２４は、吸収セルの一部として一体に形成し
てもよいし、ガラスチューブのような部材の両端に誘電
性共振ディスク１２０、１２４を夫々固着してもよい。
誘電性共振ディスク１２０の近傍には、誘電性共振ディ
スク１２０、１２４によって発生されるエバネセント界
の共振周波数に影響を与えるように、周波数調整ディス
ク１６４が配置されている。

【００７８】多くの場合、図１３及び図１４の実施例
は、吸収セルと誘電性共振器とを別体にした光物理パッ
ケージに比して、吸収セル内のエバネセント界の振幅を
大きくする。何故なら、吸収セル内の原子が、介在部材
の減少又は除去により、エバネセント界の影響を受ける
からである。このことは、充分な性能を達成するのに必
要とされるマイクロ波パワーを低減できるという効果を
もたらすので、マイクロ波パワーの高レベルを発生する
ためのコストを考慮すると、望ましいことである。又、
吸収セルの窓の内、少なくとも一つは不要になるので、
部品コストが低減される。

【００７９】図１５は、誘電性共振ディスク１２０、１
２４及び吸収セル１２２に更に周波数調整ディスク１６
４を加えて成る光学構造体１１７ｃを含む、図１２に示
す導波管１１４の同一部分を示す。図１５の吸収セル
は、吸収セル１２２のオルタネート窓１４４ｂ、１４６
ｂが二重ディスクシステムの共振周波数を擾乱しないよ
うに、より厚く、比較的高い誘電定数を持っている点
で、図１２の吸収セルと異なっている。従って、このシ
ステムは、基本的に、第１の誘電性共振ディスク１２０
と窓１４４ｂが第１のエバネセント界発生ユニットとし
て働き、誘電体第２の誘電性共振ディスク１２４と窓１
４６ｂが第２のエバネセント界発生ユニットとして働
く、四重ディスクシステムとして機能する。

【００８０】図１０、１２、１３の光学構造体１１７又
は１１７ａを含む光物理パッケージ１０２は、好ましく
は、誘電性共振ディスク１２０の方を固定してフィルタ
ーセル１１８の方を移動させることによって、フィルタ
ーセル１１８と誘電性共振ディスク１２０との距離を調
整し、これににより、共振ディスクの寸法や誘電定数等
のユニット間の多少のばらつきを修正するように微調整
することが可能である。フィルターセル１１８と誘電性
共振ディスク１２０との距離を調整することで、誘電性
共振ディスク１２０、１２４の共振周波数を微妙に調整
し、光物理パッケージ１０２全体の調整が行われる。光
物理パッケージ１０２は又、誘電性共振ディスク１２
０、１２４の一方又は両方と吸収セル１２２との距離を
調節することによっても調整することができる。但し、
この方法による調整は、誘電性共振ディスク１２０又は
１２４と吸収セル１２２との距離の増加が吸収セル１２
２内のエバネセント電磁界の振幅の縮小を招くので、余
り好ましくない。

【００８１】図１４及び図１５に示す実施例では、導波
管１１４ないの誘電性共振ディスク１２０に隣接して周
波数調整ディスク１６４を可動に取り付けることによ
り、誘電性共振ディスク１２０、１２４の共振周波数の
調整を行うことができる。周波数調整ディスク１６４
は、図３及び図４の実施例で述べたフィルターセルの誘
電性窓の一つと等しい特性を有する誘電性ディスクであ
ることが好ましい。周波数調整ディスク１６４を含む光
物理パッケージの共振周波数の調整は、誘電性共振ディ
スク１２０、１２４を固定しておいて、周波数調整ディ
スク１６４を誘電性共振ディスク１２０に対してＺ軸方
向に移動させることによって行うのが好ましい。図１４
及び図１５では、周波数調整ディスク１６４は誘電性共
振ディスク１２０に近接するものとして示されている
が、周波数調整ディスク１６４を第２の誘電性共振ディ
スク１２４に隣接して設け、周波数調整ディスク１６４
と第２の誘電性共振ディスク１２４とのＺ軸方向の距離
を変えることによって周波数を調整することもできる。
更に、１又は２以上の周波数調整ディスクと各誘電共振
体とのＺ軸方向の距離を変化させることによっても、周
波数の調整を行うことができる。

【００８２】図１６は、吸収セル１２２の両側の窓１４
４ｂ、１４６ｂの近傍に誘電性共振ディスク１２０、１
２４を配設した光学構造体１１７ｄを示している。フィ
ルターセル１１８は、吸収セル１２２の窓１４４の反対
側にあたる誘電性共振ディスク１２０の一側に配置さ
れ、周波数調整ディスク１６４は、吸収セル１２２の窓
１４６ｂの反対側にあたる第２の誘電性共振ディスク１
２４の一側に配置されている。このような構成の光学構
造体１１７ｄを含む光物理パッケージの共振周波数は、
フィルターセル１１８と誘電性共振ディスク１２０との
距離を変化させ、及び／又は、周波数調整ディスク１６
４と第２の誘電性共振ディスク１２４との距離を変化さ
せることによって調整することができる。好ましくは、
吸収セル１２２及び誘電性共振ディスク１２０、１２４
を導波管１１４内に固定し、フィルターセル１１８と周
波数調整ディスク１６４とを導波管１１４内に可動に取
付け、光学軸Ｚ方向に移動可能にするとよい。

【００８３】以上、本発明を好ましい実施例に基づいて
説明したが、本発明はその思想及び範囲内の種々の変形
をも含むことは言うまでもない。例えば、光源としてレ
ーザを使用するときは、吸収セル内の吸収体としてセシ
ウム同位体Ｃｓ−１３３を使用し、フィルターセルを省
略することも可能である。又、各セルの窓の厚みを変化
させて誘電性共振器の誘電率を所望の値に設定すること
ができれば、吸収セル及び／又はフィルターセルの形成
材料として、コーニング１７２０及び１７２４以外のガ
ラスを使用することもできる。又、ガラス、その他の材
料が、実質的に同じ誘電定数を有し、その電気的損失が
小さければ、誘電性共振器の形成材料として、コーニン
グ８１６１以外のガラスや、実質的に透明な結晶材料の
ような材料を使用することもできる。誘電性共振器に供
給されるマイクロ波励起エネルギーが、誘電性共振器に
吸収セル内の原子に働きかけるのに適した振幅のエバネ
セント電磁界を発生させることのできるレベルに調整さ
れるのであれば、誘電性共振器をコーニング８１６１ガ
ラスよりも電気損失の高い材料で形成することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による原子周波数標準器の略線
断面図。

【図２】図１の原子周波数標準器の光物理パッケージの
他の構成例を示す略線断面図。

【図３】本発明の一実施例を、導波管の一部と導波管支
持体省略して示す略線断面図。

【図４】図３の実施例における導波部の略線図。

【図５】図２の原子周波数標準器を、誘電性共振器に隣
接する調整ディスクを含むように変更したものの略線
図。

【図６】図１乃至図５の実施例に使用できる一体化され
た共振ディスク兼吸収セルの略線断面図。

【図７】図３の原子周波数標準器に組み込まれた一体化
共振ディスク兼吸収セルの断面図。

【図８】共振ディスクとフィルターセルとの間に吸収セ
ルが設けられた光物理パッケージの略線断面図。

【図９】図８の光物理パッケージを共振ディスクに隣接
する周波数調整ディスクを含むように変更したものの略
線断面図。

【図１０】本発明による実施例を、複数の誘電性共振器
が見えるように導波管の一部と導波管支持体とを省略し
て示す、本発明の実施例の略線図。

【図１１】２重ディスク・システムにおけるかく共振デ
ィスクの表面からの距離に対するエバネセント磁界の予
想される振幅を示すグラフ。

【図１２】比較的薄い窓と低誘電定数とを有する光学構
造体を含む、図１０の導波管の一部の詳細図。

【図１３】誘電性共振器が吸収セルの窓を形成している
光学構造体を含む、図１２と実質的に等価な導波管の一
部の詳細図。

【図１４】一体化誘電性共振器兼吸収セルを使用し、複
数の誘電性共振器が吸収セルの窓を形成している光学構
造体を含む、導波管の１部の詳細図。

【図１５】吸収セルの窓が比較的厚くて誘電定数が比較
的高い光学構造体を含む導波管の一部の詳細図。

【図１６】周波数調整ディスクとフィルターセルが各誘
電性共振器に隣接して配置された光学構造体を含む導波
管の一部の詳細図。

【符号の説明】

１０，１０ａ 原子周波数標準器 １２ 光源 １４ 周波数逓倍／合成器 １６，１６ａ 光物理パッケージ １８ａ サーボ電子パッケージ １８ｂ ＶＣＸＯ ２０ 導波管 ２１ 周波数調整ディスク ２２ 誘電性共振器 ２４ 吸収セル ２６，２６ａ 光検出器 ２８ Ｅ電界プローブ ３０ 光物理パッケージ ３１ 光源 ３２ａ サーボ電子パッケージ ３２ｂ ＶＣＸＯ ３３ 周波数逓倍／合成器 ３４ 磁気シールド ３５ 導波管 ３６ 導波管支持体 ３７ フィルターセル ３８ 誘電性共振ディスク ３９ 吸収セル ４０ 加熱トランジスタ ４１ Ｅ電界プローブ ４２ 光セル ４３ 光孔 ４４ Ｃ電界コイル ４５，４６ フィルチューブ ４７，４８ シール兼支持リング ５０ 一体化共振ディスク／吸収セル ５２ 吸収セル ５４ 共振ディスク ５６ ガラス部材 ５８ フィルチューブ ５９ シール兼支持リング ６０ 光物理パッケージ ６２ 吸収セル ６４ 共振ディスク ６６ フィルターセル ６８ 導波管 ７０ 周波数調整ディスク １００ 原子周波数標準器 １０２ 光物理パッケージ １０４ 光源 １０６ サーボ電子パッケージ １０８ ＶＣＸＯ １１０ 周波数逓倍／合成器 １１０ａ マイクロ波励起信号 １１２ 磁気シールド １１４ 導波管 １１６ 導波管支持体 １１７ａ，１１７ｂ，１１７ｃ，１１７ｄ 光学構造体 １１８ フィルターセル １２０ 第１の誘電性共振ディスク １２２ 吸収セル １２４ 第２の誘電性共振ディスク １２６ 加熱トランジスタ １２８ Ｅ電界プローブ １３０ 光セル １３２ Ｃ電界コイル １３４，１３６ フィルチューブ １３８，１４０ シール兼支持リング １４４ａ，１４４ｂ 窓 １５０ 一体化共振ディスク／吸収セル １６０ 一体化共振器／吸収セル １６２ 吸収セル構造体 １６４ 周波数調整ディスク

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原子のエネルギー準位間遷移の光学的誘
   起に有効な周波数の光エネルギーを供給する光源を含む
   原子周波数標準器において、 通過する有効な光エネルギーの強度を変化させるための
   第１の原子群を含有する吸収セルと、 前記第１の原子群の超微細エネルギー準位間遷移を誘起
   するエバネセント電磁界を発生するための誘電性共振器
   と、 前記吸収セルと前記誘電性共振器とを収容する導波管
   と、 前記導波管の一端近傍に設けられ、前記光エネルギーを
   受ける光検出器と、 前記誘電性共振器を励振するための電磁エネルギー・イ
   ンジェクタと、 から成ることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】 第２の原子群を含有し、前記誘電性共振
   器に隣接して配置されたフィルターセルを更に含むこと
   を特徴とする請求項１に記載した装置。
3. 【請求項３】 前記第１の原子群がＲｂ−８７原子であ
   り、前記第２の原子群がＲｂ−８５原子であることを特
   徴とする請求項２に記載した装置。
4. 【請求項４】 前記吸収セルがＲｂ−８５原子とＲｂ−
   ８７原子との混合を含有し、前記Ｒｂ−８５原子が前記
   吸収セルを通過する前記光エネルギーのろ過を行うこと
   を特徴とする請求項１に記載した装置。
5. 【請求項５】 前記吸収セルと前記誘電性共振器が、一
   体のユニットを形成するように結合され、前記誘電性共
   振器が前記吸収セルの窓を形成する位置を占めているこ
   とを特徴とする請求項１に記載した装置。
6. 【請求項６】 前記一体のユニットが、ろ過されていな
   い光エネルギーから、前記光エネルギーのろ過と、超微
   細エネルギー準位間遷移を行う原子を更に含有すること
   を特徴とする請求項５に記載した装置。
7. 【請求項７】 アルカリ金属元素群の１又は２以上の元
   素を前記吸収セルに付加することにより、前記第１の原
   子群の気体密度を変化させることを特徴とする請求項１
   に記載した装置。
8. 【請求項８】 複数の超微細エネルギー準位を持ち得る
   原子群を供給する工程と、 光エネルギーを発生して、その光エネルギーを前記原子
   群に案内する工程と、誘電性共振器を励振する工程と、 励振された誘電性共振器でエバネセント電磁界を発生す
   る工程と、 前記エバネセント電磁界を前記原子群に導入して原子の
   超微細エネルギー準位間遷移を誘起し、該原子群に触れ
   て通過する光エネルギーの強度に影響を与えるようにす
   る工程と、 光検出器に、前記原子群を介した後の光エネルギーの強
   度に応じた電流出力を出力させる工程と、 から成ることを特徴とする標準周波数の発生方法。
9. 【請求項９】 前記励振工程が、更に、 前記光検出器からの前記電流出力を、サーボ電子パッケ
   ージを介して、電圧制御結晶発振器に供給する工程と、 前記電圧制御結晶発振器から標準出力周波数を発生する
   工程と、 前記誘電性共振器を励振させる信号を発生する周波数逓
   倍器に、前記標準出力周波数を供給する工程と、 を含むことを特徴とする請求項８に記載した方法。