KR100814094B1 - 주입 잠금된 레이저를 이용한 결맞음 밀도 포획에 기초한원자시계 내에서의 주파수 표준 수득방법 - Google Patents

주입 잠금된 레이저를 이용한 결맞음 밀도 포획에 기초한원자시계 내에서의 주파수 표준 수득방법 Download PDF

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KR100814094B1 KR1020060133462A KR20060133462A KR100814094B1 KR 100814094 B1 KR100814094 B1 KR 100814094B1 KR 1020060133462 A KR1020060133462 A KR 1020060133462A KR 20060133462 A KR20060133462 A KR 20060133462A KR 100814094 B1 KR100814094 B1 KR 100814094B1
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박상언
박영호
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 루비듐87 D1선 내에서의 결맞음 밀도포획(coherent population trapping, CPT)에 기초한 마이크로파 주파수 표준을 제공하기 위한 것으로서 상기 CPT 스펙트럼은 주 레이저의 종 레이저로의 주입-잠금에 의하여 6.8㎓ 주파수 오프셋(offset)을 갖는 2개의 라만-레이저(Raman-lasers)들을 사용하여 얻어진다. 본 발명에 의하면, 70℃에서 6.67㎪ 네온 완충 가스를 포함하는 5㎝ 길이의 루비듐 증기 셀을 사용하여 원자시계를 제작하고, 직접 변조방법(direct modulation method)에 의해 생성된 바람직하지 못한 비공진장(off-resonant fields)의 제거를 통하여 CPT 콘트라스트를 향상시킬 수 있으며, 상기 루비듐 셀의 온도의 함수로서 CPT 신호의 주파수 이동을 측정할 수 있는데, 이때 측정값은 대략 1.3*10-9/K가 된다. 따라서 10㎒ 수정 발진기(crystal oscillator)의 주파수가 루비듐87 내에서의 두 바닥상태들 사이에서 CPT 스펙트럼으로 안정화된다. 여기서, 상대적 주파수 안정성은 68초의 평균시간에 대하여 약 2.3ㅧ10-12이다.
Figure R1020060133462
루비듐, 결맞음 밀도 포획, 주파수 표준, 직접 변조.

Description

주입 잠금된 레이저를 이용한 결맞음 밀도 포획에 기초한 원자시계 내에서의 주파수 표준 수득방법{Method for passive atomic frequency standard based on coherent population trapping using injection-locked lasers}
도1은 루비듐87 원자의 5S1/2 - 5P1/2 전이의 에너지 준위 다이아그램이다.
도2는 Λ-형 CPT에 기초하는 수동의 주파수 표준을 수득하기 위한 본 발명에 의한 시스템 구조도이다.
도3은 루비듐87 원자의 5S1/2 - 5P1/2 전이의 전형적인 Λ-형 CPT 스펙트럼이다. 단, CPT 스펙트럼의 선폭은 111.4㎐이고, 콘트라스트는 약 1%이다.
도4는 70℃의 온도에서의 레이저 출력의 함수로서의 CPT 스펙트럼 선폭이다.
도5는 70℃의 온도에서의 레이저 출력의 함수로서의 CPT 신호들의 콘트라스트이다.
도6은 루비듐 셀의 온도의 함수로서의 10㎒ 수정 발진기의 주파수 이동이다. 여기서 루비듐 셀의 온도 의존성은 약 1.3*10-9/K이다.
도7은 CPT 공명에 잠금된 10㎒ 수정 발진기의 분획적 주파수 안정성이다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전자기-광-변조기 2 : 반파장 편광판
3 : 편광 분리기 4, 5 : 루비듐 증기 셀
6, 7, 8, 9, 13 : 광 분리기 10 : 구멍
11 : 가열 테이프 12 : 마이크로 금속시트
14 : 1/4파장 편광판 15, 16 : ND 필터
17 : 록-인 증폭기 18 : 주파수 서보
19 : 10 MHz 고정밀 수정 발진기 20 : RF 신호발생기
21 : RF 증폭기 PD1, PD2 : 실리콘 포토 다이오드
L1 : 주 레이저 L2 : 종 레이저
본 발명은 주입 잠금된 레이저를 이용한 결맞음 밀도 포획에 기초한 원자시계 내에서의 주파수 표준 수득방법에 관한 것이다.
통상, 결맞음 밀도 포획(Coherent Population Trapping, CPT)이라 함은 2개의 결맞음 방사장(coherent radiation fileds)들에 의한 2개의 바닥상태의 하나의 공통 여기 상태로의 커플링이 여기 과정에서 간섭효과(interference effects)를 야기하는 현상을 일컫는다.
이 현상은 1976년 알제타 등(Alzetta et. al,)에 의해 처음으로 관측되었고, 그레이 등(Gray et. al,)이 "결맞음 포획(coherent trapping)"이라는 용어를 사용하였으며, 밀도의 결맞음 포획이라는 개념으로 CPT를 설명하였다. 레이저 냉 각(laser cooling), 역전(inversion) 없는 레이저 작동, 정밀 자력계 및 원자 주파수 표준(atomic frequency standard) 등을 포함하여 다양한 흥미 및 잠재적 주요 응용 예들을 제공하여, CPT는 상당히 주의를 끄는 관심의 대상이 되어 왔다.
CPT 원자 주파수 표준은 3-준위 원자 모델(3-level atomic model)에 기초하는 Λ-형 원자 시스템(Λ-type atomic system)에서 연구되었다. 알칼리 원자들 내의 2개의 바닥상태들의 초미세(hyperfine) 스플리팅(splitting)과 일치하는 광학장(optical fileds)들 사이의 주파수 차이를 갖는 전기 쌍극자 전이(electric dipole transition)와 대체로 공명하는 2개의 간섭 방사장을 발생시키기 위하여, 대부분의 CPT 원자 주파수 표준은 레이저 다이오드 또는 전자기-광 변조기(Electro-Optic Modulator, EOM)의 주입 전류의 직접적 변조를 채용하고 있다.
이 변조는 캐리어(carrier) 및 2차 측파대(sidebands) 등과 같은 피할 수 없는 비공진장을 야기하며, 이는 레이저 전류 변조 또는 EOM에 의해 형성된다. 이들 피할 수 없는 즉, 바람직하지 못한 비공명장은 CPT 원자 주파수 표준의 주파수 안정성을 저하시킨다. 이들 비공명장이 원자 공명들로부터 크게 부조화됨(far detuned)에도 불구하고, 이들은 에이시 스텍 이동(AC-Stark shift)를 일으키며, 이는 광학장 주파수와 세기 등의 2가지 모두에 의존한다. 또한 바람직하지 못한 비공명장은 CPT 신호의 콘트라스트에 해로운 영향을 끼친다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 원자 주파수 표준을 수득하는 과정에서 바람직하지 못한 비공명장에 의한 CPT 신호의 콘트라스트 의 영향을 제거하여 CPT 스펙트럼을 안정화시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 단일 모드로 작동하는 격자 피드백 외부 공동 다이오드 레이저(ECDL)를 주 레이저로 하고, 단일모드로 작동하는 페브리 -페로(Fabry-Perot) 레이저 다이오드를 종 레이저로 하는 주입 잠금 구조에 의해 2개의 결맞음 레이저를 생성하고, 상기 주 레이저와 상기 종 레이저에서 조사되는 각각 단일모드로 작동하는 결맞음 레이저가 루비듐 증기 셀을 통과하면서 같은 방향으로 진행되어, 결맞음 밀도 포획(CPT)에 기초한 주파수 표준 제공을 위해, 루비듐 증기 셀을 이용한 원자시계 내에서의 결맞음 밀도 포획(CPT) 스펙트럼을 안정화시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 주 레이저와 상기 종 레이저에서 조사되는 2개의 결맞음 레이저는 주 레이저에 의해서 발생된 전자기-광 변조기(Electro-Optic Modulator, EOM)의 측파대(sidebands)를 종 레이저로의 주입-잠금에 의하여 6.8㎓ 주파수 오프셋(offset)을 갖는 2개의 라만-레이저(Raman-lasers)들을 사용하여 얻어지는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 주 레이저와 상기 종 레이저에서 조사되는 2개의 결맞음 레이저는 광 분리기에 의해 오버랩(overlap)되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 루비듐 증기 셀은, 지구 자기장의 영향을 최소화하기 위해 루비듐 증기 셀의 주변을 마이크로 금속시트가 2∼4회 감싸고 있는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 루비듐 증기 셀은, 가열 테이프(heating tape)를 구비하여, 루비듐 셀이 65∼75℃에서 열적으로 안정화되도록 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 루비듐 증기 셀은, 6.67 kPa(50Torr)의 네온 완충가스를 포함하는 루비듐 증기 셀로 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 루비듐 증기 셀은, 제만 부준위(Zeeman sublevels)를 분리하기 위하여 150 mm 솔레노이드를 이용하여 루비듐 증기 셀 내의 자기장의 균일성을 높일 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 주 레이저와 상기 종 레이저로부터 상기 루비듐 증기 셀에 입사되는 총 레이저의 세기가 ND 필터에 의해 11.5㎼/㎠ 내지 115㎼/㎠로 변화되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명에 있어서, 상기 주 레이저와 종 레이저에서 조사되는 레이저는 편광(polarization)이 반파장 편광판 또는 1/4파장 편광판에 의해 최적화되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도1은 루비듐87 원자의 5S1/2 - 5P1/2 전이의 에너지 준위 다이아그램을 나타내는 루비듐87 원자 시스템으로서 2개의 여기된 상태들 사이에서의 816.8㎒의 큰 초미세 분리 때문에 루비듐87 원자의 간단한 3-준위(또는 3중) 원자 모델이 된다. 상기 루비듐87 원자 시스템에서, 상기 장들은 Λ 구조(scheme)를 형성하는 S1/2 바 닥상태의 2개의 초미세 상태들과 P1/2 상태의 하나의 초미세 상태들 사이에서의 전이와 공명하여 원자들의 조화(ensemble)에 적용된다.
도1에서, 여기 상태의 감쇠율(decay rate) Γ에는 여기 상태의 자발방출(stimulated emission) 및 완충가스(buffer gas) 상호작용(interaction)에 기인하는 훨씬 더 큰 감쇠율가 포함된다. 본 발명은 6.67㎪(50Torr)의 네온 완충가스를 포함하는 루비듐 증기 셀을 사용한다. 이 압력에서, 루비듐-네온 충돌(collision)은 상기 루비듐 원자의 여기된 상태의 교란(perturbation)의 원인이 된다. 6.67㎪의 네온가스 압력에서의 루비듐의 D1 선들의 충돌 선폭확대(collisional broadening)은 수백 ㎒이다. γ는 바닥상태 사이의 이완율(relaxation rate)이다. γ14는 벽과의 충돌, 레이저빔과의 상호작용의 영역(region)으로부터의 탈출, 루비듐 원자들의 완충가스 원자들과의 충돌 및 루비듐 원자들 간의 스핀-교환(spin-exchange) 충돌 등과 같은 감쇄 효과가 포함된다. 낮은 레이저 세기의 경우에서, 이완속도γ는 CPT 선폭에 주도적으로 영향을 미친다.
도2는 루비듐87의 5S1/2 - 5P1/2 Λ-형에서의 CPT에 기초한 원자시계 내에서의 수동의 주파수 표준을 수득하기 위한 본 발명에 의한 시스템 구조로서, 주입 잠금된 구조를 사용하여 2개의 결맞음 레이저를 생성시키고, 이는 바닥상태 사이의 초미세 주파수와 동등한 주파수로 분리된다.
주 레이저(L1)는 격자-피드백(grating-feedback) 외부 공동 다이오드 레이저(external cavity diode laser ; ECDL)로서 단일모드로 동작되며, 전류 및 온도 가 안정화된 레이저이다. 특히, 포화 흡수 기술에 의해 주 레이저의 주파수가 루비듐87 D1 선의 F = 1 → F' = 1로 고정된다. 또한 종 레이저(L2)는 100 ㎽ 출력의 페브리-페로(Fabry-Perot) 레이저 다이오드로서 자유 구동 모드에서 레이저의 주파수는 주 레이저(L1) 주파수로부터 부조화된 약 6.8 ㎓의 주파수에 10초당 수 ㎒ 내에서 안정화된 주파수이다.
주 레이저(L1) 빔이 EOM(1)을 통과하는데, 이는 6.8 ㎓에서 작동하며 측파대를 생성한다. 그 주파수는 무선 주파수(RF frequency) 구동 EOM(1)에 의해 조절될 수 있다. EOM(1)을 통과한 후 주 레이저(L1) 빔은 캐리어와 2개의 1차(first-order) 측파대로서 서로 다른 3가지의 주파수 성분들을 갖는다.
이 측파대의 세기는 캐리어의 세기의 약 28%이다. 3가지의 모드를 가지는 주 레이저(L1) 빔은 종 레이저(L2) 내로 주입된다. 주 레이저(L1) 출력은 종 레이저(L2)로 유입되기 전에 반파장 편광판(half-wave plate)(2) 및 편광 분리기(polarized beam splitter)(3)에 의해 최적화될 수 있다. EOM(1)을 통과한 후의 주 레이저(L1)의 스펙트럼은 10 ㎓의 자유 스펙트럼 영역을 가지는 페브리-페로 공동을 사용하여 모니터링된다.
각각 단일 모드로 작동하는 2개의 결맞음 레이저(L1)(L2) 빔은 루비듐 증기 셀(4)(5)을 통하여 공전파(co-propagate)된다. 본 발명은 각 레이저(L1)(L2)의 출력을 ND 필터(15)(16)로 제어하고, 2개의 레이저(L1)(L2) 빔을 2개의 광 분리기(6)(7)로 오버랩(overlap)시키고, 이를 원형상으로 편광시켜(circularly polarized) 바닥상태 ┃5S1/2 ; F = 1 ; mF = 0 > 및 ┃5S1/2 ; F = 2 ; mF = 0 >를 5P1/2 여기 상태의 공통 준위로 결합(couple) 시킨다. 또한 2개의 레이저(L1)(L2) 빔이 12 ㎜의 직경의 구멍(10)과 루비듐 증기 셀(5)을 통과하도록 조절한다. 직경이 2.5 ㎝이고, 길이가 5㎝인 루비듐 증기 셀(5)은 6.67㎪의 네온 완충가스를 포함하고 있다. 이 루비듐 증기 셀(5)은 가열 테이프(heating tapes)(11)에 의해 70℃에서 열적으로 안정화되어 있다. 지구 자기장의 영향을 최소화하기 위하여 루비듐 증기 셀(5)은 마이크로 금속 시트(μ-metal sheet)(12)가 3회 정도 감싸고 있다. 제만 부준위(Zeeman sublevels)들을 분리하기 위하여 150㎜ 솔레노이드를 사용하여 두비듐 증기 셀(5) 내의 자기장의 균일성(homogeneity)을 높인다.
실리콘 포토 다이오드(Si photodiode)(PD1)(PD2)로 2개의 레이저(L1)(L2) 빔을 검출한다. 레이저 세기의 함수로서 CPT 스펙트럼의 스펙트럼 선폭을 조사하기 위하여, 본 발명은 ND 필터(15)(16)를 사용하여 총 레이저 세기를 11.5㎼/㎠에서 115㎼/㎠까지 변화시킨다. 또한 본 발명은 반파장 편광판(HWP)(2)이나 1/4파장 편광판(QWP)(14)으로 주 레이저(L1) 및 종 레이저(L2)의 편광(polarization)을 조절한다. 이를 위한 시스템의 용적은 대략 7.5*10-3㎥이다.
도2에 개시되어 있는 록-인 증폭기(lock-in amplifier), 주파수 서보(frequency servo)(18), 10㎒ 고정밀 수정 발진기(19), RF 신호발생기(RF signal generator)(20) 및 RF 증폭기(21) 등은 실리콘 포토 다이오드(PD1) 출력으로부터 6.843GHz의 생성하기 위한 전기적인 구성이다.
상기 록-인 증폭기(17)는 실리콘 포토 다이오드(PD1)의 출력으로부터 CPT 공명을 검출하고, 주파수 잠금 전자부품(frequency-locking electronics)에 대한 오류신호(error signal)를 제공한다. 또한 RF 신호발생기(20)는 저잡음 RF 신호발생기로서 10 ㎒ 고정밀 수정 발진기(high precision crystal oscillator)에 의해 발진되는 10㎒의 발진주파수로부터 6.8㎓ 변조 주파수(modulation frequency)를 생성시킨다.
여기서, 마이크로파 주파수는 0.5의 변조지수(modulation index)를 가지는 300㎒에서 변조된 사인파이다.
도3은 루비듐87의 5S1/2 - 5P1/2 전이의 전형적인 Λ-형 CPT 스펙트럼을 나타낸 것으로서 여기에서 수평축은 루비듐87의 5S1/2 상태에서의 2개의 바닥상태 사이의 공명으로부터의 부조화(detuning)이다. EOM(1)의 주파수는 2개의 바닥상태 사이의 공명 근처의 영역에서 주사되며, 여기에서 레이저 세기는 11.5㎼/㎠이다. 도3에서 CPT 스펙트럼의 선폭은 111.4㎐ 이며, 콘트라스트는 대략 1% 이다. 콘트라스트는 CPT 신호 세기를 배경 세기(background intensity)로 나눈 것이다. 탐침(probe)의 주파수 주사속도가 빠른 경우에는 CPT 신호의 진동(oscillation)을 관찰할 수 있다. 이러한 현상은 라만 부조화(Raman detuning)가 갑자기 일어나는 경우에는 CPT 신호의 일시적 방출(evolution)로부터 일어난다. 도3에서의 비대칭적 공명(asymmetrical resonance)은 탐침 레이저의 주파수 주사에 의한 CPT의 일시적 방출의 결과이다.
최적의 주파수 안정성을 얻기 위해서는 콘트라스트가 최대가 되고, 선폭이 최소화되는 것이 바람직하다. 도4에 나타낸 바와 같이 70℃에서 레이저 출력의 함수로서 CPT 스펙트럼 폭 및 콘트라스트를 측정할 수 있다.
도4는 70℃의 온도에서의 레이저 출력의 함수로서의 CPT 스펙트럼 선폭을 보인 것으로서 선폭이 레이저 출력에 선형적으로 비례함을 알 수 있다.
즉, 4-준위(four-level)의 원자 시스템에 있어서, 3개의 바닥상태 준위의 분획밀도(fractional population)는 평형(equiribrium)에서 1/3이고 CPT 선폭 Δν1/2는 아래의 수학식1과 같다.
Δν1/2 = (γ + Ω2/Γ)/π
위에서 언급한 바와 같이 결맞음 이완속도Γ에는 완충가스 내에서의 확산(diffusion)에 의한 벽이완(wall relaxation), 스핀교환 충돌 및 완충가스 충돌 등과 같은 현상들이 포함된다. 라비(Rabi) 각 주파수(angular frequency) Ω의 제곱에 비례하는 마지막 용어(term)는 결맞음 방사장들에 의해 도입되는 광폭화(broadening)이다. 약한 세기의 경우에서 결맞음 이완속도γ가 CPT 선폭에 주로 영향을 준다. 이 γ/π값은 실험적 결과들에 선형적으로 일치하는 바와 같이 101.5㎐이다. 도4에서와 같이 수득된 선폭으로부터 도2의 루비듐 증기 셀(4)(5)의 결맞음 이완속도 γ가 예측 가능하다.
도5는 70℃의 온도에서의 레이저 출력의 함수로서의 CPT 신호들의 콘트라스 트를 보인 것으로서 직접 변조에 의해 수득되는 신호 콘트라스트가 개선되는 것을 알 수 있다. 즉, 주입 잠금 기술을 이용하므로 CPT에 기여하지 않는 캐리어 및 2차의 측파대가 소거(erase)될 수 있으며, 그에 의해 신호들의 콘트라스트가 개선될 수 있다. 비록, 최대 콘트라스트를 관측할 수는 없었으나, 콘트라스트는 130㎼(115㎼/㎠)의 레이저 출력에서 약 8.4%로 측정되며 CPT 스펙트럼의 선폭은 258㎐이다.
루비듐 증기 셀(5) 내에서의 CPT 공명 주파수는 루비듐 증기 셀(5) 온도에 의존하므로 주변 온도 변동에 민감하다. 이는 일반적으로 장기간 주파수 변동에서 반영된다. 양호한 주파수 표준을 얻기 위해서는 루비듐 증기 셀(4)(5)의 온도에 대한 주파수 의존성을 최소화하고, 측정하는 것이 중요하다. 비록, 루비듐 증기 셀(5)의 온도가 안정화되더라도 루비듐 증기 셀(5)은 외부의 주변 온도로부터 완전히 격리되지는 못한다.
상기 루비듐 증기 셀(5)의 온도 의존성을 측정하기 위해 10㎒ 고정밀 수정 발진기(19)를 CPT 내로 잠금시킨 후 이의 주파수를 측정한다. 도6에는 루비듐 증기 셀(5)의 온도의 함수로서 10㎒ 고정밀 수정 발진기(19)의 주파수 이동이 나타나고 있다. CPT에 잠금된 10㎒ 고정 수정 발진기(19)의 주파수 이동은 12.9m㎐/K로 측정된다. 상기 루비듐 증기 셀(5)의 온도 의존성은 약 1.3*10-9/K이다. 상기 50Torr의 네온 완충가스 내에서의 온도계수는 1.3*10-9/K로 계산된다. 이 결과는 표준편차(σ)가 0.26*10-9/K인 본 발명에 의해 얻어진 결과와 일치한다.
따라서, 본 발명에 의한 수동의 주파수 표준의 장기간 주파수 안정성은 루비 듐 증기 셀(5)의 온도 함수들에 의해 제한된다. 약 10-13의 장기간 주파수 안정성을 달성하기 위해서는, 루비듐 증기 셀(5)의 온도는 0.1mK보다 높은 수준에서 안정화되어야 한다. 한편, 네온 완충가스를 포함하는 루비듐 증기 셀(5)의 온도 함수로서 CPT 신호의 주파수 이동을 감소시키기 위해서는, 아르곤-네온 등과 같은 혼합 완충가스의 사용이 필요하다.
또한 빛의 이동은 수동의 주파수 표준의 장기간 안정성에 영향을 미친다. 주입-잠금 기술을 이용하여, 바람직하지 못한 비공진장들로부터 일어나는 빛의 이동을 제거할 수 있다. 도2의 시스템에 의하면, 바람직하지 못한 공진장(on-resonant fields)들로부터 일어나는 이동을 최소화시킬 수 있는데, 이는 주 레이저(L1)의 주파수를 포화된 흡수 스펙트럼에 잠금시키는 것에 의하여 각 방사장의 공명 상호작용을 그의 쌍의 수준으로 보존하고, 두 방사장들의 세기를 조절하는 것에 의하여 Λ-형 구조 내에서의 두 라비 주파수들과 동등하게 하도록 할 수 있기 때문이다.
그러나 이들 두 장 성분(field component)들 중 하나와 이들에 공명하지 않는 다른 하나의 전이와의 상호작용에 기인하는 빛 이동이 발생할 수 있는데, 이는 준위들을 서로 반대방향으로 밀어내는 경향이 있으며, 방사장들이 서로 동일하고 완전히 그들 각각의 전이로의 조화됨에도 불구하고 빛 이동의 원인이 된다. 세기 의존성 빛 이동은 대략 10-11/% 이다. 10-13의 주파수 안정성을 달성하기 위해서는 주 레이저(L1)의 출력 안정성(power stability)은 0.01% 이상이 되어야 한다.
도2와 같은 구조의 시스템에서 CPT 공명을 이용하여 10㎒ 고정밀 수정 발진기(19)의 주파수 안정성을 유지시켜 줌으로써 루비듐 증기 셀(5)의 온도는 0.1℃ 이내에서 안정화되고, 레이저 세기는 88㎼/㎠에서 0.02% 이내로 안정화된다. 여기서 CPT 스펙트럼의 선폭은 약 197㎐이고, 콘트라스트는 약 7.2% 이다.
도7은 알란 분산(Allan variation)의 제곱근으로서 CPT 공명에 잠금된 10㎒ 고정밀 수정 발진기(19)에서 측정된 상대적 주파수의 안정성을 보여주고 있다. 일반적으로, 주파수-잠금 루프(frequency-lock loop)는 평균시간에 대한 σ(τ)의 τ-1/2 및 τ-1 의존성 사이에 존재한다. 이러한 불일치(discrepancy)는 일부 측정시스템에 기인하는 것일 수 있다.
본 발명은 GPS 클럭(clock)으로 잠금된 카운터(HP53132A)로 측정시스템들의 주파수 안정성과 10㎒ 고정밀 수정 발진기(19)의 주파수를 측정하였을 때, 측정된 주파수가 평균시간에 대한 σ(τ)의 τ-1/2 및 τ-1 사이에서 수득된다. 이 결과는 CPT 클럭의 그것과 유사하다. 10㎒ 고정밀 수정 발진기(19)의 상대적 주파수 안정성은 1초에서 2.5*10-11이고, 2.3*10-12의 안정성은 68초의 적분시간(integration time)에서 도달된다.
따라서 본 발명에 의하면, 2개의 광학적 주입-잠금 결맞음 레이저의 이용으로 루비듐87 D1 선 내에서의 결맞음 밀도 포획에 기초하는 수동의 주파수 표준을 증명함으로써 주입 잠금된 레이저를 이용하는 접근방법은 루비듐의 바닥상태 내에서의 초미세 공명을 사용하는 CPT 주파수 표준을 구현하는 가능한 수단을 제공한다.
또한 본 발명은 루비듐87의 5S1/2 - 5P1/2 전이의 Λ-형 CPT 스펙트럼에 의해 레이저 출력의 함수로서의 선폭과 콘트라스트를 측정하여 가장 좁은 CPT 공명이 111.4㎐로 확인된다. 광학적 주입 잠금의 기술에 의한 2개의 라만 레이저들을 이용하여 본 발명은 캐리어 및 2차 측파대로부터 일어나는 빛 이동을 감소시킬 수 있다. 특히, 바람직하지 못한 비공진장들의 제거는 전자적으로 위상-잠금되는 레이저(electronically phase-locking laser) 등에 의해 이루어진다.
그리고 본 발명은 루비듐 증기 셀의 온도의 함수로서 CPT 신호의 주파수 이동을 측정하였을 때 1.3*10-9/K가 된다. 상기 루비듐 증기 셀의 온도 교란들은 우리의 수동의 주파수 표준의 주파수 안정성에 주도적으로 영향을 미친다. 본 발명에서 10㎒ 고정밀 수정 발진기가 CPT 공명으로 잠금된 경우, 주파수 안정성은 68초의 적분시간에서 2.3*10-12인데, 주파수 표준의 장기간 안정성을 개선시키기 위해서는 온도 변화 및 레이저 출력 동요를 감소시키는 것이 필요하다.
즉, 본 발명은 주입 잠금 기술을 통하여 CPT에 기여하지 않는 캐리어 및 2차 측파대를 제거함으로써 CPT 신호들의 콘트라스트가 개선된 CPT 공명에 기초하는 주파수 표준을 설계할 수 있다.

Claims (2)

  1. 단일 모드로 작동하는 격자 피드백 외부 공동 다이오드 레이저(ECDL)를 주 레이저로 하고, 단일모드로 작동하는 페브리 -페로(Fabry-Perot) 레이저 다이오드를 종 레이저로 하는 주입 잠금 구조에 의해 2개의 결맞음 레이저를 생성하고, 상기 주 레이저와 상기 종 레이저에서 조사되는 각각 단일모드로 작동하는 결맞음 레이저가 루비듐 증기 셀을 통과하면서 같은 방향으로 진행되어, 결맞음 밀도 포획(CPT)에 기초한 주파수 표준 제공을 위해, 루비듐 증기 셀을 이용한 원자시계 내에서의 결맞음 밀도 포획(CPT) 스펙트럼을 안정화시킬 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 주입 잠금된 레이저를 이용한 결맞음 밀도 포획에 기초한 원자시계 내에서의 주파수 표준 수득방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주 레이저와 상기 종 레이저에서 조사되는 2개의 결맞음 레이저는 주 레이저에 의해서 발생된 전자기-광 변조기(Electro-Optic Modulator, EOM)의 측파대(sidebands)를 종 레이저로의 주입-잠금에 의하여 6.8㎓ 주파수 오프셋(offset)을 갖는 2개의 라만-레이저(Raman-lasers)들을 사용하여 얻어는 것을 특징으로 하는 주입 잠금된 레이저를 이용한 결맞음 밀도 포획에 기초한 원자시계 내에서의 주파수 표준 수득방법.
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