JPH01177719A

JPH01177719A - 周波数標準器

Info

Publication number: JPH01177719A
Application number: JP199588A
Authority: JP
Inventors: Yoshiya Mizuta; 淑也水田; Koji Akiyama; 浩二秋山; Akira Ote; 明大手
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1988-01-08
Filing date: 1988-01-08
Publication date: 1989-07-14
Anticipated expiration: 2011-11-20
Also published as: JP2555660B2

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、標準物質の超微細スペクトル遷移を利用し
た周波数標準器に関し、特に構成が簡単な周波数標準器
に関するものである。

〈従来技術〉高安定な周波数出力を発生する周波数標準器として原子
の超微細スペクトル遷移を利用したものが知られている
。第４図にこの様な周波数標準器の一例を示す、第４図
において、ルビジウムランプ１の光はＲｂ８７が封入さ
れている共鳴セル２に照射される。この共鳴セル２の透
過光は光検出器３で検出され、その検出出力は信号増幅
器４で増幅されて同期検波器５に入力される。一方、電
圧制御水晶発振器６の出力は周波数合成器７に入力され
その周波数が逓倍される。また低周波発振器８の出力に
より位相変調される０周波数合成器７の出力はバラクタ
ダイオード９を介して共鳴セル２を取囲む空胴共振器１
０に入力され、共鳴セル２に電磁波が照射される。同期
検波器５は低周波発振器８の出力で動作され、その出力
は積分器１１で積分されて電圧制御水晶発振器６に入力
される。この電圧制御水晶発振器６の出力は周波数標準
出力として取出される。ルビジウムランプ１は駆動部１
２で駆動される。　　。

次にこの周波数標準器の動作を第５図に基づいて説明す
る。第５図はＲｂ８７のエネルギー単位であり、その基
底状ｆｉ５ｓはＦ＝１とＦ＝２の２つの超微細単位に分
かれている。ルビジウムランプ１の光を吸収すると、Ｒ
ｂ８７はＦ−１の単位から５Ｐの励起単位に励起され、
そこから等確率でＦ＝１とＦ＝２の単位におちる。Ｆ＝
１の単位におちたＲｂ８７はルビジウムランプ１の光に
より再度励起準位５Ｐに励起される。この様にしてＦ＝
１の単位にあるＲｂ８７は次第に少なくなりＦ＝２の単
位にあるＲｂ８７が増加する。この様な状態において、
空胴共振器１０にＦ＝１とＦ＝２のエネルギー差である
６、８ＧＨｚの電磁波を与えると、Ｆ＝２の単位にあっ
たｖｔ　ｂ　８７は誘導放出によりＦ＝１の単位に落ち
、共鳴セル２による吸収が強くなる。共鳴セル２の透過
光を光検出器３で検出し、この透過光の強度が最小すな
わち吸収光が最大になるように電圧制御水晶発振器６を
制御すると、この電圧制御水晶発振器６の出力周波数は
Ｒｂ８７の超微細単位で規制されるので高安定になる。

なお、周波数合成器７における逓倍率を例えば約１３６
０とし、５ＭＨｚの周波数が得られるようにする。

第６図に他の周波数標準器の構成を示す、この例は光源
として半導体レーザな用いたものである。

第６図において、半導体レーザ１３の出力光はハーフミ
ラ−１４で２つに分けられ、それぞれＲｂ８７共鳴セル
１５およびＲｂ８７吸収セル１６に入射される。Ｒｂ８
７吸収セル１６の透過光は光検出器１７で検出され、そ
の検出出力多よ周波数制御手段１８に入力される０周波
数制御手段１８は半導体レーザ１３の出力光の周波数が
Ｒｂ８７の吸収線と一致するようにその周波数を制御す
る。Ｒｂ８７共鳴セル１５の透過光は光検出器１９で検
出され周波数制御手段２０に入力される０周波数制御手
段２０は光検出器１９が検出する光の強度が最小になる
ように水晶発振器２１の出力周波数を制御する。水晶発
振器２１の出力１よ標準周波数として取出されると共に
周波数逓倍手段２２でその周波数が逓倍され、Ｒｂ８７
共鳴セル１５を取囲む空胴共振器２３に入力される。動
作原理は第４図と同じなので説明を省略する。

〈発明が解決すべき問題点〉しかしながら、この様な周波数標準器には次のような問
題点がある。第４図の周波数標準器はルビジウムランプ
１を励起するために大きなパワーが必要であり、またラ
ンプの寿命が短いという欠点があった。さらに、ルビジ
ウムランプ１の出力光のスペクトル幅が広いので、短期
安定性、周波数確度の点で第６図のレーザ励起方式に比
べて劣るという欠点があった。

第６図の周波数標準器は光源として半導体レーザを用い
ているので寿命が長・く、また半導体レーザの出力光の
スペクトル幅は狭いので短期安定性、周波数確度共優れ
ている。しかしながらＲｂ８７のセルを２つ必要とする
ので、構成が複雑になり、また装置が大きくなるという
欠点があった。

〈発明の目的〉この発明の目的は、小型化が可能な周波数標準器を提供
することにある。

く問題点を解決するための手段〉前記問題点を解決するために本発明では、所定の周波数
の光を特定の吸収スペクトルを有する標準物質を封入し
た吸収セルに照射し、またこの吸収セルに電磁波を与え
てこの標準物質に超微細スペクトル遷移を生じさせ、こ
の超微細スペクトル遷移に基づいて標準周波数を発生さ
せる周波数標準器において、半導体レーザの出力光を第
１の変調手段によって第１の周波数で変調し、この半導
体レーザの出力光を内部に特定の吸収スペクトルを有す
る標準物質を封入した吸収セルに照射する。

この吸収セルには電磁波発生手段により電磁波を与える
。この電磁波は発振器の出力を第２の変調手段により第
１の周波数とは異なる第２の周波数で変調し、この変調
した出力を逓倍して作る。また前記吸収セルの透過光強
度を光検出器で検出し、この光検出器の出力を第１のロ
ックインアンプで前記第１の周波数に関連する周波数で
同期検波し、その出力に基づいて前記半導体レーザの出
力光の周波数を周波数安定化手段で安定化し、また前記
光検出器の出力を第２のロックインアンプで前記第２の
周波数に関連する周波数で同期検波し、この出力に基づ
いて前記発振器の出力周波数を周波数制御手段で制御す
るようにしたものである。

〈実施例〉第１図に本発明に係る周波数標準器の一実施例を示す、
第１図において、３０は半導体レーザであり、その出力
光は吸収セル３１に入射される。

吸収セル３１には特定の周波数の光を吸収する標準物質
、例えばＲｂ　８７が封入されている。３２は光検出器
であり、吸収セル３１の透過光の強度を電気信号に変換
する。３３は前〜買増幅器であり、光検出器３２の出力
を増幅する。３４は第１のロックインアンプであり、前
置増幅器３３の出力が入力される。３５はＰＩＤ制御部
であり、第１のロックインアンプ３４の出力が入力され
る。３６は加算器であり、発振器３７の出力及びＰＩＤ
ｉｉＩＪ御部３５の出力が入力される。この発振器３７
の出力はまた第１のロックインアンプ３４に入力される
０発振器３７と加算器３６で第１の変調手段を構成し、
ＰＩＤ制御部３５、加算器３６で周波数安定化手段を構
成している。３８は第２のロックインアンプであり、前
置増幅器３３の出力が入力される。３９はＰＩＤ制御部
であり、第２のロックインアンプ３８の出力が入力され
る。４０は水晶発振器であり、例えば１０ＭＨｚの信号
な出力する。この水晶発振器４０にはＰＩＤＩＩＪＩ１
１部３９の出力が入力される。４１は位相変調器であり
、水晶発振器４０の出力が入力される。この位相変調器
４１にはまた発振器４２の出力が入力される。

この発振器４２の出力はまた第２のロックインアンプ３
８にも入力される。４３は周波数合成器であり、位相変
調器４１の出力が入力される。４４は空洞共振器であり
、吸収セル３１を取り囲むように配置されている。この
空胴共振器４４には周波数合成器４３の出力が入力され
る９発振器４２と位相変調器４１で第２の変調手段を、
ＰＩＤ制御部３９で周波数安定化手段を、周波数合成器
４３と空胴共振器４４で電磁波発生手段を構成する。

次に、この実施例の動作を説明する。加算器３６には発
振器３７の出力が入力され、この加算器３６の出力で半
導体レーザ３０の駆動電流が制御されるので、半導体レ
ーザ３０の出力光周波数は発振器３７の出力周波数であ
る周波数ｆ、１（例えば２ｋＨｚ＞で変調される。この
半導体レーザ３０の出力光は吸収セル３１に入射されて
Ｒｂ８７で吸収され、その透過光強度が光検出器３２に
より検出される。この光検出器３２の出力は第１のロッ
クインアンプ３４で周波数ｆ１で同期検波され、半導体
レーザ３０の出力光の周波数変化信号のみが分離される
。ＰＩＤ制御部３５はこの第１のロックインアンプ３４
の出力が一定になるように加算器３６を介して半導体レ
ーザ３０の駆動電流をｉ９ＨＭ＋するので、半導体レー
ザ３０の出力周波数は吸収セル３１に封入されているＲ
ｂ　８７の基底状態から５Ｐの励起状態に遷移させる光
周波数になるように制御される。一方、水晶発振器４０
の出力は位相変調器４１で周波数ｆ、２（例えば１５０
Ｈ２）で変調され、周波数合成器４３で６．８ＧＨ２に
逓倍されて空胴共振器４４に加えられる。空胴共振器４
４は吸収セル３１に６．８ＧＨｚの電磁波を照射する。

この電磁波の周波数は周波数ｆｎ２で変調されている。

第５図で説明したように、基底状態５ＳのＦ＝２の準位
にあるＲｂ８７は誘導放出によりＦ＝１の単位に落ち、
吸収セル３１による半導体レーザ３０の出力光の吸収が
増加してその透過光強度が減少する。この透過光の強度
は光検出器３２で検出されて第２のロックインアンプ３
８（こより周波数ｆ１２で同期検波される。従って、第
２のロックインアンプ３８の出力には空胴共振器４４に
よって吸収セル３１に照射される電磁波に起因する透過
光強度の変化分のみが分離されて表われる。ＰＩＤ制御
部３９は第２のロックインアンプ３８の出力が最小、す
なわち空胴共振器４４によって吸収セル３１に照射され
る電磁波によるＦ＝２からＦ＝１への誘導放出が最大に
なるように水晶発振器４０の出力周波数を制御する。

すなわち、水晶発振器４０の出力周波数はＲｂ８７のＦ
＝２からＦ＝１の単位のエネルギー差によってロックさ
れるので高安定になる。この実施例では周波数で１とｆ
１□を異ならせることにより、水晶発振器４０の出力周
波数の変化と半導体レーザ３０の出力光の周波数変化の
２つの情報を分離するようにしたものである。

第２図に他の実施例を示す、なお、第１図と同じ要素に
は同一符号を付し、説明を省略する。この実施例は半導
体レーザの出力光の周波数を変調する手段として音響光
学変調器を用いたものである。第２図において、４５は
音響光学変調器であり、半導体レーザ３０の出力光が入
射され、その出力光は吸収セル３１に入射される。４６
は発振器であり、周波数ｆ、の信号を発振する。この信
号はスイッチ４７を介して音響光学変調器４５に印加さ
れる。スイッチ４７は発振器３７の出力によって駆動さ
れる。音響光学変調器４５はスイッチ４７がオンしてい
るときのみ半導体レーザ３０の出力光の周波数をｆ。た
けシフトする。従って、半導体レーザ３０の出力光の周
波数は周波数ｆ、１で変調される。動作は第１図と同じ
なので、説明を省略する。このようにすると、半導体レ
ーザ３０の出力光の周波数は変調されないので、光周波
数標準として用いる事も出来る。また、音響光学変調器
４５の代わりに導波路型位相変調器やバルク型電気光学
素子を用いた位相変調器を用いてもよい、これには例え
ば縦型変調器、横型変調器、進行波形変調器等がある。

なお、この実施例ではＦ＝２とＦ＝１の単位の誘導放出
を利用したが、電磁波の吸収による光−マイクロ波２重
共鳴信号を用いるようにしてもよい、これを第３図を用
いて説明する。基底状態５ＳのＦ＝２の単位のＲｂ８７
は半導体レーザ３０の出力光を吸収して５Ｐの励起状態
に遷移し、等確率で５８のＦ＝１とＦ＝２の準位に落ち
る。ここで電磁波を吸収セル３１に照射してＦ＝１の準
位からＦ＝２の単位に遷移させるようにする。構成は第
１図及び第２図と同じなので、詳細説明は省−路する。

また、この実施例では吸収セル３１に封入する物質とし
てＲｂ８７を用いたが、このほかＲｂ　８５、ｃ　５１
３３を用いてもよい、Ｒｂ８５の場合は照射する電磁波
は３ＧＨ２，Ｃ５１３３の場合は９．２ＧＨｚになる。

また、電磁波を吸収セルに照射する手段として、空胴共
振器の他に一般のアンテナ等電磁波が出力出来るもので
あれば任意のものが使用出来る。

また、半導体レーザの出力光の周波数を変化させる手段
としてその温度を制御するようにしてもよい。

さらに、第１のロックインアンプ３４、第２のロックイ
ンアンプ３８に発振器３７．４２の出力である周波数ｆ
ｆ　　の信号を入力するようにＩｌｌ・　　ｍ２したが、その整数倍の周波数を用いるようにしてもよい
。

〈発明の効果〉以上実施例に基づいて具体的に説明したように、この発
明では吸収セルを１つとして、半導体レーザの出力光及
び吸収セルに照射する電磁波を異なる周波数で変調して
分離するようにした。その為、光源を半導体レーザとし
た事により、ルビジウムランプを使用するものに比べて
スペクトル幅が狭くなるので短期安定性、周波数確度が
向上し、また寿命を長くする事が出来る。また１つの吸
収セルを用い、電磁波を吸収セルに照射して、電磁波及
び半導体レーザの出力光の周波数を異なる周波数で変調
してこれらの信号を分離するようにした為、大幅に小型
化、簡略化が可能になる。

まな、吸収セルに照射する光の周波数が変化すると共鳴
周波数がシフトして周波数確度が若干低下するという欠
点はあるが、吸収セルを１つにすることが出来るので大
幅に小型化、簡略化が可能になり、特に２次標準器とし
て用いると効果が大きいという特徴がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る周波数標準器の一実施例を示すブ
ロック図、第２図は他の実施例を示すブロック図、第３
図及び第５図は吸収特性を示す特性曲線図、第４図、第
６図は従来の周波数標準器の構成を示すブロック図であ
る。３０・・・半導体レーザ、３１・・・吸収セル、３２・
・・光検出器、３４・・・第１のロックインアンプ、３
５゜３９・・・ＰＩＤ制御部、３６・・・加算器、３７
，４２゜４６・・・発振器、３８・・・第２のロックイ
ンアンプ、４０・・・水晶発振器、４１・・・位相変調
器、４３・・・周波数合成器、４４・・・空胴共振器、
４５・・・音響光学変調器、４７・・・スイッチ。第３図第４１！ｌ

Claims

【特許請求の範囲】所定の周波数の光を特定の吸収スペクトルを有する標準
物質を封入した吸収セルに照射し、またこの吸収セルに
電磁波を与えて前記標準物質の超微細スペクトル遷移を
生じさせ、この超微細スペクトル遷移に基づいて標準周
波数を発生させる周波数標準器において、半導体レーザと、この半導体レーザの出力光を第１の周
波数で変調する第１の変調手段と、前記半導体レーザの
出力光が照射されその内部に特定の吸収スペクトルを有
する標準物質を封入した吸収セルと、この吸収セルの透
過光を検出する光検出器と、発振器と、この発振器の出
力を第２の周波数で変調する第２の変調手段と、この第
２の変調手段の出力を逓倍して前記吸収セルに電磁波を
与える電磁波発生手段と、前記光検出器の出力を前記第
１の周波数に関連する周波数で同期検波する第１のロッ
クインアンプと、この第１のロックインアンプの出力に
基づいて前記半導体レーザの出力光の周波数を安定化す
る周波数安定化手段と、前記光検出器の出力を前記第２
の周波数に関連する周波数で同期検波する第２のロック
インアンプと、この第２のロックインアンプの出力に基
づいて前記発振器の出力周波数を制御する周波数制御手
段とを有し、前記第１及び第２の周波数を異ならしめる
ようにした事を特徴とする周波数標準器。