JPS63189020A - 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

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］ この発明は、簡易な方法で２波長の励起光を得ることの
できようにしたレーザ励起を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措造にお
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せることにより、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、全角運動量重子数Ｆ＝４、全磁
気量子数ｍＦ＝０で指定される準位と、全角運動量重子
数Ｆ＝３、全磁気量子数ｍＦ＝ｏ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ν。（９，１９２６３
ＧＨｚ）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、上記皇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、ｌ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
を発生ずる。

この原子ビームには、準位選択領域りにおいて、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ν。

を有する。したがって、これら第１１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の各副檗位の原子は、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＝　Ｏの原子だけが到達する。空胴共振器３は
、周波数ν。のマイク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ν。のマイクロ波と共鳴し、準位Ｐ　＝　４　、
ｍＦ＝　０−”ｊｆｐ位Ｆ　＝　３　、ｍＰ＝　Ｏの誘
導放出を起こす。ずなわち、基底準位Ｐ　＝　４　、ｍ
Ｆ＝　Ｏ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、励起皇位
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ν。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ν。と一致するよ
うに、電圧制御発振器（ＶＣＯ）９を制御する。ＶＣＯ
９の出力は、周波数逓倍器ｌＯによって逓倍され、周波
数がν。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ｆｏｏｌ
（ｚ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側準位ｍＦを分離
するためのらので、ｍＦ≠０のよる。

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。

■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。

■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＝ｏに集中するので、磁気側準位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コ 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。

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ザ励起型セシウム原子発振
器を提供することを［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、この共鳴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７′　　
　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。

［実施例］ 以下、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

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ｌ〜ｌＯ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、プ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
位選択領域りとの間に配置され、励起用レーザ２ａの出
力光の一部を、周波数ν１から周波数ν、＝ν１＋ν。

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ＩＯによって合成された周波数ν。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、準位選択領域りへは、周波数がν１゜ν、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。

［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。

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。

【図面の簡単な説明】

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。 ■・・・・・・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)

【特許請求の範囲】
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、この共鳴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。