JPS61253876A - レ−ザダイオ−ド検出式光ポンピングセシウム共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、レーザダイオード検出式光ポンピングセシウ
ム共振器に係るものである。

現在、数千にものぼる原子時計が使用されている。しか
し、近代的な電気通信、航法、位置測定等のシステム並
びに自然科学における基礎及び応用研究では増々正確な
時計の使用が要求され、若干の場合には現在の原子時計
の性能では希望する要求を満足させるには不充分である
。従って更に進歩が望まれている。

従来の技術 現在量も広く用いられている原子時計においては、原子
は強い非均質な場を作る第１の２極磁石内で偏向される
。これにより、エネルギが磁場の増加関数である原子（
状態Ｆ＝４、ｍ、≧−３）と、エネルギが磁場の減少関
数である原子（状態Ｆ＝４、ｍｐ”４、及びＦ＝３、ｍ
ｐ≧−ゴ）とに空間的に分離される。最も関心ある状態
即ちＦ＝４、ｍｐ”Ｏ及びＦ＝３、ｍ、＝０（これらの
状態の間において時計のための遷移が行われる）は１つ
或は他の群に属している。共振空胴の入力において、ビ
ームは、設計に応じて、状態Ｆ＝４、ｍＦ＝０及びＦ＝
３、ｍｐ＝ｏの一方或は他方を多くする。正常動作にお
いては、共振空洞の役割は〔Ｆ＝３、ｍｐ：Ｏ〕ＣＦ＝
４、ｍｐ＝０１なる遷移を可能にすることである。第１
の磁石に類似の第２の磁石は、時計のための遷移を受け
た原子をホットワイヤ付検出器に向かわせるように偏向
する。

１９５０年にエム、エイ、カスドラ−は検出及び状態選
択の磁石を、原子と光ビームとの間の相互作用ゾーンに
置換することを提案した。この提案の正当性は、１９６
８年にピー、セレスによってルビジウムジェットで立証
された。これらの光学的方法における現在の関心は、半
導体レーザの開発に向けられている。それらの若干は（
選別後）セシウム原子のＤ２共振スペクトル線に十分に
一致する０、８５μｍビームを発生する。

もし状態選択を単一のレーザを用いて遂行すれば、Ｆ＝
３、ｍｐ”０準位の代りにＦ＝４、ｍ、＝０準位を満た
し、或はその逆を行うことができる。

光ボンピンクを遂行させるために２つのレーザＬＤＩ、
ＬＤ２を使用することが可能である。この場合、１６の
サブ準位を占めている全原子をＦ＝４、ｍｐ”０準位、
或はＦ＝３、ｍ、＝Ｑ準位の何れかに遷移させることが
望ましい。これらの有用な準位の一方の原子流が増加す
ることは、時計の性能にとって有利である。

時計のための遷移の検出は、近接遷移に同調させた原子
当りの光子生産量の高い第３のレーザダイオードＬＤ３
から到来するレーザビームと相互作用する原子から放射
される螢光を観測することによって行われる。

従来のこの光検出及びポンピングセシウム共振器は、セ
シウムジェットを放射する炉、ジェットの通路に配置さ
れている共振空胴、２つのレーザダイオードＬＤＩ及び
Ｌ’Ｄ２のビームが原子と相互作用して光ポンピングに
よって反転分布を生じさせる第１の相互作用ゾーン、空
胴の出力において原子流と相互作用するビームを放射す
る第３のレーザダイオードＬＤ３．２つの光検出器、及
び前記ダイオードの周波数を制御する手段を具備してい
る。

発明が解決しようとする問題点 しかし、最も微妙な点は、光検出である。レーザＬＤ３
の周波数の変動は検出光の振巾の変動に変換されるので
、レーザＬＤ３の周波数を安定化させるために十分な対
策を講じなければならない。

変動があると、時計信号を検出する際の信号対雑音比が
低下し、従って時計の周波数安定度が劣化する。

ＬＤ３の周波数安定度は低いから、ＬＤ３の周波数を安
定させるのに検出ゾーンの螢光信号を使用することは不
利である。

これらの欠陥を打解するために、本発明は３レーザダイ
オード型セシウムの共振器の光検出の改善を提案するも
のである。

問題点を解決するための手段 この目的のために、第３のレーザダイオードは、炉の出
力の直近に位置する第３の相互作用ゾーンにおいて制御
される。第３のダイオードのビームの一部だけが、従来
の３ダイオード型共振器の場合と同じように、第２の相
互作用ゾーンに向かわせられる。

本発明の共振器の長所は以下のようである。

（１）　　螢光を検出する際の信号対雑音比が極めて良
好であるので、ダイオードの周波数安定度が良好になる
。更に、周波数制御を迅速にする°ことができるのでダ
イオードの周波数雑音は大巾に減少する。これによって
例えば極めて安定なファブリ・ペロー共振器を用いた予
め安定化するループを昼間１ご使用しないですむ。

（２）近接遷移は基底状態の超微細準位間のポピユレー
ションの移動を生じさせないから、この解決方法が下流
の第１の相互作用ゾーンにおいて発生する有用なポピユ
レーション「ゼロ・ゼロ」反転を妨害しない。

詳述するならば、本発明は、レーザダイオード検出式光
ポンピングセシウム共振器を提供するものである。本発
明による共振器は；セシウム原子流を放射するセシウム
炉と、前記原子流の通路に配置されている共振空胴と、
前記炉と空胴との間に位置する第１の相互作用ゾーンに
おいて前記原子流と相互作用して光ポンピングを生じさ
せるような光ビームを放射する少なくとも第１のレーザ
ダイオードＬＤＩと好ましくは第２のレーザダイオード
ＬＤ２と、セシウムの超微細単位量遷移の共振周波数を
発生する発生器と、前記空胴の出力側においてセシウム
原子が放射する螢光を検出する手段とを具備している。

その検出手段は、前記空胴を出る原子流と第３のレーザ
ダイオードＬＤ３から放射される光ビームとの相互作用
が行われる第２の相互作用ゾーンから放射される螢光を
検出する第１の検出器を含み、該第１の検出器は、第２
の相互作用を゛表わす信号を周波数制御手段に供給して
前記発生器の周波数をセシウムの超微細準位間遷移に依
存せしめている。更に、本発明よる共振器は、前記第３
のダイオードＬＤ３から放射される光ビームの一部を前
記炉から放射された直後の原子流に導いて第３の相互作
用ゾーンを形成し、そして前記第３の相互作用ゾーンか
ら放射される螢光を検出する第２の検出器が第３の相互
作用を表わす信号を前記第３のレーザダイオードＬＤ３
の周波数を制御する手段へ供給する。

実施例 本発明は、添付図面を参照しての以下の説明からより良
く理解さｈよう。

１９６７年以降、１秒は「セシウム１３３原子の基底状
態の２つの超微細準位間遷移に対応する放射の＄　　９
．１９２．６３１，７７０周期の継続時間」と定義され
ている。セシウム時計はこの定義を実行に移す装置であ
る。因みに、２つのクラスのセシウム原子時計が存在し
ている。即ち、 ・　周波数標準及び時間標準の原基：これらは定義を最
高可能な精度で実現するように決定された実験室的な装
置である。

・　産業用セシウム原子時計：これらは性能と、小型化
、信頼性及びコストとの間に満足できる妥協を見出さな
ければならない。

さて、Ｎ、及びＮ２をそれぞれエネルギ準位Ｅ１及びＥ
２にあるポピユレーションとすれば、ボルツマンの法則
によって熱力学的平衡時にはＮｌ であることが分っている。但し、ｋはボルツマン定数で
あり、Ｔは絶対温度である。ν＝　１０　Ｇ　Ｈｚの場
合、ｈ×ν＝　６．６　Ｘｌ０−”　Ｊで°あり、Ｔ　
＝３００　Ｋの場合ｋ　Ｔ　＝　４．　Ｉ　Ｘｌ０−”
　Ｊとなる。これらの条件下では、（Ｎ２−Ｎｌ）　／
Ｎｌ　＝１．５ｘｌＯ−’となり、この程度のポピユレ
ーションの差は、超微細準位間遷移によって生ずる原子
特性の何等かの変化を、満足できる信号対雑音比で観測
するには余りにも小さ過ぎる。従って、熱力学的平衡を
打破ってポピユレーションの差を作り出す必要がある。

これらの方法には２つの型があり、１つは磁気的偏向で
あり、他の光ポンピングである。

磁気偏向型のセシウムジェット共振器は、原子法を作り
出すためのセシウム炉、第１の選択磁石、２アーム型共
振空胴、第２の磁石、及び検出兼分析回路を具備してい
る。

時間の単位の定義をできる限り実行しようとする少数の
実験室的な時計においては、２極磁石の代りに多極（４
極、６極、或はこれら両者の組合せ）磁石を用いている
。多くの長所の中で、多極磁石の主な長所は、これらが
原子の偏向に対して軸方向対称特性を有していることで
ある。２極磁石の場合と異なって、炉、磁石及び偏向器
は整列されている。更に、多極磁石によれば原子法の強
さを増すことが可能であり、従って多極磁石の使用は時
計の周波数安定度にとって好ましいことである。

残留誤差を減少させるために、スターン・セルラツバ磁
石をエイ、カスドラ−の提案に基づ（光ポンピングと超
微細準位間遷移による光の検出によって置換したセシウ
ムジェット時計が最近になって開発された。近赤外レー
ザが開発される以前は、スペクトルランプを使用したル
ジジウム８７ジエツトの光ボンピンクが試みられ成功し
たが、高精度原子時計に用いるには検出信号の信号対雑
音比が不充分であった。

同調可能なレーザ（半導体レーザ或は色素レーザ）の開
発は、セシウムジェットの効率的超微細準位間ポンピン
グを可能ならしめた。例えば、ガリウム砒素ＧａＡｓレ
ーザダイオードを用いると温度を変化させることによっ
て放射波長はセシウムの共振スペクトル線Ｄ　２　（８
５２，１ｎｍ）附近に調整され、最終的にはレイオード
内の電流の変化によって決定される超微細準位に同調さ
れる。

従って、光ポンピング方法は、検出兼状態選択磁石を原
子と光ビームとの間の相互作用ゾーンによって置換する
という事実に基いているものである。現時点におけるこ
の光学的方法の関心は、半導体レーザの開発に向けられ
ている。若干の半導体レーザは（選別後）セシウム原子
のＤ２共振スペクトル線に充分に一致する０、８５μｍ
の光ビームを発生する。

もし状態選択を単一のレーザを用いて遂行すれば、Ｆ＝
３、ｍ、−〇準位の代りＦ＝４、ｍｐ”０準位を満し、
或はその逆を行うことができる。これらの有用な準位の
一方の原子流が増加することは、時計の性能にとって有
利である。

検出は、時計のための遷移を受けた原子の螢光（この螢
光はレーザダイオードＬＤ３による照射によって得られ
るものである）を観測することによって光学的に遂行す
ることもできる。

状態選択及び光検出型のこのようなセシウム時計の概要
図を第１図に示す。レーザダイオードＬＤ１及びＬＤ２
の何れか一方、或は両方を用いることができる。

セシウム原子は、約１００℃の温度に加熱されている炉
１から放射される。絞り２によって原子流２を破線で示
すように形成することができる。第１図に示す装置には
、原子流の全通路を高真空にできるようにシールされた
ハウジングが設けであるが、図示してない。共振器は更
に、２アーム型マイクロ波空胴４、及び９．１９２．６
３１．７７０Ｈｚの周波数を発生する発生器５も含んで
いる。更に、周波数制御装置６及び光検出器７も含まれ
ている。ゾーン１０は光ポンピング領域であり、ゾーン
１１はマイクロ波共振の光検出領域である。

炉１はセシウム原子の流れ３を放射し、この原子流の通
路内にマイクロ波空胴の２つのアームが配置されている
。１つ或は２つのレーザＬＤＩ、ＬＤ２が発生する光ビ
ームは、炉と空胴との間に位置する相互作用ゾーン１０
にいて原子流と相互作用して光ポンピングを発生する。

マイクロ波共振によって誘導されたポピユレーションの
変動を光検出する手段は、マイクロ波空胴４の出力に配
置されており、これらの検出手段の出力と発生器５とに
接続されている周波数制御手段６は、発生器５の周波数
をセシウムの超微細準位間遷移に関係させて制御する。

レーザダイオードＬＤ３が放射する光ビームは、マイク
ロ波空胴４の出力において原子流と相互作用する。

検出器７は、この相互作用後の原子が放射する螢光を受
ける。

ラムゼイによって導入されたマイクロ波空胴４は、ジェ
ットに沿って距離りだけ離間した長さｌの２つの領域に
マイクロ波が印加されるようになっている。この技術は
、同じ長さｌの単一マイクロ波空胴と比較して共振スペ
クトル線の巾をＬ／βだけ減少させ、更に制御電界の不
均質性の影響を減少させ、そして進行波の代りに定在波
を使用することによって一部ドップラ効果を除去する。

マイクロ波励振信号を低周波変調することによって、検
出器の出力に接続されている同期検波器内に連続誤差信
号が得られる。この誤差信号の極性は、マイクロ波励振
周波数と超微細共振周波数との相対な関係に依存する。

周波数制御ループによってシステムが完成され、このル
ープは超微細準位間遷移に依存させるように水晶を制御
する。

最後に、１秒毎にインパルスを発生させるために分周器
が設けられている。機械的或は電気的に合計するカウン
タによって時計が完成する。

第２図は、水晶発振器の周波数をセシウム管の共振に依
存せしめる原理の概要を示すものである。

セシウム時計は受動的な型の周波数標準であり、原子遷
移を表示するように、その周波数で信号を発生させる必
要がある。マイクロ波空胴４に供給されるマイクロ波信
号は、５Ｍ）ｌｚで作動する水晶発振器２０から周波数
シンセサイザ２３により発生される。

セシウム共振器の共振周波数は従来の方法に従い決めら
れている。位相変調器２２を用いることによってマイク
ロ波信号の周波数は変調される。変調周波数に等しい周
波数を有しているセシウム管のレスポンス成分が選択的
に増巾され、復調器２４において変調信号に同期して復
調される。この結果、マイクロ波の平均周波数がセシウ
ム管の共振周波数、換言すれば基底状態にあるセシウム
原子の超微細準位間遷移の周波数とは異なる場合に誤差
信号が得られる。この誤差信号はアクティブフィルタ２
５において濾波され、その出力電圧が水晶発振器２０の
周波数を制御する。少なくとも１つの積分器を含むアク
ティブフィルタ２５の伝達関数は、周波数制御のための
望ましい特性（その最も重要なものは撹乱に対するレス
ポンス時間である）が得られるように決定される。

以上に説明したシステムは、セシウム管に組合わされて
いる電子装置の主要部分である。他の回路は、より特定
的に時間を表わすパルスを発生する。

このセシウム時計は、多くの潜在的な長所（媒体内の、
特に極めて長期に亘る周波数安定度の改善）を有してい
る。最も微妙な点は光検出である。

レーザＬＤ３の周波数の残留変動が検出光の振巾の変動
に変換されるから、レーザＬＤ３の周波数の安定化には
充分な対策を講じなければならない。

変動があると、時計信号の検出の際の信号対雑音比が低
下し、時計の周波数安定度が相応して劣化する。

レーザダイオードＬＤ３の周波数を安定させるのに検出
ゾーンの螢光信号を使用することは、この信号が小さい
ために、不利である。

本発明によれば、遥かに強い信号によってこのダイオー
ドの周波数を制御することが可能であり、この強い信号
は、第３図に示すビーム炉の出力に極めて近接したとこ
ろで得ている。

第３図においては、第１図と同じ要素に対しては同一番
号を付している。ダイオードＬＤ３は半反射鏡３３）を
通して光ビームを放射する。この光ビームは共振器の出
力（相互作用ゾーン１１）においてセシウムジェットと
相互作用する。相互作用ゾーンから放射される螢光が前
述のように検出される。第１図に示す従来の共振器と本
発明の共振器との主なる差は、ダイオードＬＤ３から放
射されるレーザビームの一部がビーム炉の出力（相互作
用ゾーン３２）においてセシウム原子流と相互作用する
ことである。検出器３０は原子の螢光を拾ってこの螢光
を表わす信号をダイオードＬＤ３の周波数を制御する回
路３１に送る。

本発明の共振器は次のような長所を有している。

（１）この螢光を検出する際の信号対雑音比が極めて良
好であるために、ダイオードの周波数安定度が良好であ
る。周波数制御を迅速に行うことができるので、ダイオ
ードの周波数雑音が大巾に減少する。これによって、例
えば極めて安定なファブリ・ペロー共振器を用いた予め
安定化するループを昼間に使用しないですむ。

（２）時計信号は、９．１９２ＧＨｚのマイクロ波共振
がラムゼイ空胴に誘起された時の螢光光子の数の変動と
して現われる。これは必然的に連続的なバックグラウン
ドから目立つようになる。それは、このバックグラウン
ドが先ず第１にＬＤ３の周波数を制御するからである。

またこれは若干の欠点を生じさせるかも知れない時計の
一般的な制御にも役立つ。

本発明は、時計のための遷移を黒いバックグラウンド上
で検出することができる。この解決法は、もしレーザＬ
Ｄ３を狭い遷移（例えば〔Ｆ＝４１−→［Ｆ’＝５））
に同調させるように注意すれば、光ポンピングゾーンに
おい七発生する分布反転を妨害することなく、これは原
子当りの光子の螢光生産量を良（するという長所を有し
ている。

本発明の変形では、このようにして安定化されたレーザ
ＬＤ３の出力パワーの一部を半反射鏡及び音響・光変調
器を通して相互作用ゾーン１０に供給することができる
。このようにすると、僅かに異なる光周波数を有する波
が発生し、これをダイオードＬＤＩ或はＬＤ３から構成
される装置換することができる。音響・光変調器を制御
するのに必要な周波数は２５３ＭＨｚであってよい。

以上のように、本発明の共振器は第２の光検出器３０及
びこの検出器からの信号を受はレーザダイオードＬＤ３
に出力が接続されている周波数制御手段３１をも備え、
このレーザダイオードＬＤ３から放射されるビームの一
部がマイクロ波空胴４よりも前方でセシウム原子流と相
互作用し、第２の検出器３０がこの相互作用の後にセシ
ウム原子から放射される螢光を受ける点が第１図の共振
器とは異なっている。

レーザダイオードＬＤ３を領域３２における周波数（例
えば近接遷移〔Ｆ＝４〕　−〔Ｆ°＝５〕におけるもの
）に効率的に予め確立しておくと、時計信号の光検出の
改善が得られる。

従ってレーザダイオードＬＤ２を省き、ダイオードＬＤ
’３をこのダイオードＬＤ２によって置換することがで
きる。従ってこの解決法はダイオードの節約になる。

本発明の装置は、従来の構造に対して時計の周波数安定
度を改善する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の光ポンピングセシウム共振器の原理を説
明する図であり、 第２図は第１図の共振器の発振器の周波数を制御する原
理を示す図であり、そして 第３図は本発明の共振器である。 （主な参照番号） １・・炉、　　２・・絞り、 ３・・原子流、 ４・・２アーム型マイクロ波空胴、 ５・・周波数発生器、　６・・周波数制御装置、７・・
光検出器、　　１０・・光ポンピング領域、１１・・マ
イクロ波共振光検出領域、 ２０・・水晶発振器、２２・・位相変調器、２３・・周
波数シンセサイザ、　２４・・復調器、２５・・アクテ
ィブ、フィルタ、

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）セシウム原子流を放射するセシウム炉と、前記原
   子流の通路に配置されている共振空胴と、前記炉と空胴
   との間に位置する第１の相互作用ゾーンにおいて前記原
   子流と相互作用して光ポンピングを生じさせるような光
   ビームを放射する少なくとも１つのレーザダイオードと
   、セシウムの超微細準位間遷移の共振周波数を発生する
   発生器と、前記空胴の出力側においてセシウム原子が放
   射する螢光を検出する手段とを具備し；前記検出手段は
   、前記空胴を出る原子流と第３のレーザダイオードから
   放射される光ビームとの相互作用が行われる第２の相互
   作用ゾーンから放射される螢光を検出する第１の検出器
   を含み；該第１の検出手段は、第２の相互作用を表わす
   信号を周波数制御手段に供給して前記発生器の周波数を
   セシウムの超微細準位間遷移に依存せしめることによっ
   て該発生器の周波数を制御し；前記第３のレーザダイオ
   ードから放射される光ビームの一部を前記炉から放射さ
   れた直後の原子流に導いて第３の相互作用ゾーンを形成
   し；前記第３の相互作用ゾーンから放射される螢光を検
   出する第２の検出器が、第３の相互作用を表わす信号を
   前記第３のレーザダイオードの周波数を制御する手段へ
   供給するようになされていることを特徴とするレーザダ
   イオード検出式光ポンピングセシウム共振器。
2. （２）前記第３のレーザダイオードからのビームの別の
   部分を取出し、音響・光変調器を通して前記第１の相互
   作用ゾーンへ供給するようにした特許請求の範囲（１）
   に記載のセシウム共振器。