JPH02161824A - 周波数標準器 - 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」二の利用分野〉 この発明は、標準物質の超微細スペクトル遷移を利用し
た周波数標準器に間し、特に小型化を図った周波数標準
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ずる周波数標準器として原子
の超微細スペクｌ−ル遷移を利用したものが知られてい
る。第３図にこの様な周波数標準器の−・例を示す。第
３図において、ルビジウムランプ１の光はＲ１）８７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。とともに、低周波発振
器８の出力により位相変調される。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１０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１２で駆動される。

次にこの周波数標準器の動作を第４図に基づい８７　　
　　・ て説明する。第４図はＲｂ　　のエネルギー準位であり
、その基底状態５ＳはＦ＝１とＦ＝２の２つの超微細準
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、Ｒｂ８７はＦ＝１の単位から５２の励起準位に励起
され、そこから等確率でＦ＝１とＦ＝２の準位におちる
。Ｆ＝Ｉの準位におちなＲｂ　　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の準位にあるＲ　ｂ　８７は次第に少なくなり
Ｆ＝２の準位にある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
準位にあったＲｂ８７は誘導放出によりＦ＝１の準位に
落ち、共鳴セル２による光の吸収が強くなる。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の超微細準位で制御されるので高安定
になる。なお、周波数合成器７における逓倍率を例えば
約１３６０とすれば、５ＭＨｚの周波数出力が得られる
。

第５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を用いたものである。

第５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
の検出出力は周波数制御手段１８に入力される６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Ｒ
ｂ８７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６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の出力は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３図と同じなので説明を省略する。

〈発明が解決すべき課題〉 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３図および第５図の周波数標準器では共
にバラクタダイオードの逓倍出力を空胴共振器に印加し
、空胴共振器内部に置いた吸収セルに電磁波を照射して
いるが、空胴共振器の寸法は必要な電磁波周波数（例え
ば、Ｒｂなら６．８ＧＨｚ）で決まり、φ５（］−６０
ｍｍ以下にはなかなかならず、大型になるという欠点が
あった。また吸収セルが邪魔となるので空胴共振器内部
に高誘電率材料を充填して小型化を図ることは難しい。

〈発明の目的〉 本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので
、小型の周波数標準器を実現することを目的とする。

く課題を解決するための手段〉 本発明は、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するとともに
、この吸収セルに電磁波を照射し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係
るもので、その特徴とするところは半導体レーザと、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入射されそ
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
ｌ−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、この光検出器の出力を第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安定化する第１の増幅手段と、
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の変調手段ど、前記光検出器の出力を第２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
発振器の出力周波数を制御する第２の増幅手段と、前記
第２の変調手段の出力周波数を逓信するバラクタダイオ
ードと、このバラクタダイオードの出力を入力する誘電
体共振器と、この誘電体共振器の出力に基づいて前記吸
収セルに電磁波を照射する電磁波照射手段とを備えた点
にある。

く作用〉 小型化が容易な誘電体共振器を使用し、その出力に基づ
き電磁波照射手段を介して吸収セルに電は波を照射１゛
ることにより、周波数標準器の小型化を図ることができ
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Ｒｂ８７が封入されている。３２は吸収セル３
１の透過光の強度を検出して電気信号に変換する光検出
器である６３３は光検出器３２の出力を入力する第１の
増幅手段で、ロックインアンプおよびＰＩＤ制御部から
構成される。３４は加算器であり、発振器３５の出力及
び増幅手段３３の出力が入力される０発振器３５の出力
はまた増幅手段３３のロックインアンプに参照信−号と
して入力される。発振器３５と加算器３４で第１の変ｉ
＋段を構成する。３６は光検出器３２の出力を入力する
第２の増幅手段で、ロックインアンプおよびＰＩＤ制御
部から構成される。３７は水晶発振器であり、例えば１
０ＭＨｚの信号を出力する。この水晶発振器３７には増
幅手段３６の出力が入力される７３８は水晶発振器３７
の出力が入力される逓信部で、位相変調器および周波数
逓倍器から構成される。この逓倍部３８の位相変調器に
はまた発振器４４の出力が入力される。発振８４４と逓
信部３８の位相変調器とで第２の変調手段を構成する。

この発振器４４の出力はまた増幅手段３６のロックイン
アンプにも参照信号として入力される。３つは逓信部３
８の出力を入力して高調波を発生ずるバラクタダイオー
ド（ステップリカバリダイオードとも呼ぶ）、４０はバ
ラクタダイオード３つの出力から所定の周波数のマイク
ロ波信号のみを取出す誘電体共振器である。誘電体共振
器４０はＲｂの場合６．８ＧＨｚを取出す。４１は高速
のマイクロ波増幅器で、誘電体共振器４０のマイクロ波
出力を増幅する。４２は吸収セル３１の近傍に取付けら
れ、マイクロ波増幅器４Ｊの出力で駆動されて電磁波を
吸収セル３１に照射するアンテナである。

誘電体共振器４０は、空胴共振器内部に強誘電体を注入
したもので、強誘電体材料として各種のセラミック材料
等が用いられている。誘電体内部では自由空間に比べて
電磁波の波長が比誘電率の平方根に反比例して短縮され
るために、誘電体共振器は金属壁の空洞共振器よりも比
誘電率に応じて大幅に小形化される。

マイクロ波増幅器４１としてはＧａＡｓ索了等を用いた
、それぞれの周波数に適した狭帯域アンプを用いて必要
な１ノベルまで増幅する。

アンテナ４２としては、プリント化したダイポールアン
テナ等を用いる。

また吸収セル３１には駆動コイル４３で静磁場を与え、
ゼーマン分離させて安定度を増し、さらにパーマ１′：
ｌイ等で磁気シールドをして、外部磁場の影響を除いて
、安定度を上げている。

次に、この実施例の動作を説明する。加′Ａ−器３４に
は発振器３５の出力が入力され、この加算器３４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３５の出力周波数
ｆＩ１１（例えば２ｋＨ２）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Ｒｂ８
７で吸収され、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の増幅手段３３の
ロックインアンプで周波数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
。第１の増幅手段３３のＰＩＤ制御部はロックインアン
プの出力が一定になるように加算器３４を介して半導体
レーザ３０の駆動電流を制御するので、半導体レーザ３
０の出力周波数は吸収セル３１に封入されているＲｂ８
７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３７の出力
は逓倍部３８の位相変調器で周波数ｆ１□（例えば１５
０　Ｈｚ　）で変調され、周波数逓倍器で５０〜１００
　Ｍ　Ｈｚに逓倍されてバラクタダイオード３９に印加
し、高調波を発生する。誘電体共振器４０はバラクタダ
イオード３９の出力から６．８ＧＨ２のマイクロ波信号
を取出して、その出力をマイクロ波増幅器４１が増幅し
、アンテナ４２を介して吸収セル３１に６．８ＧＨｚの
マイクロ波を照射する。この電磁波の周波数は周波数’
ｎ２で変調されている。第４図において、基底状態５Ｓ
のＦ＝２の準位にあるＲｂ　８７が誘導放出によりＦ＝
１の準位に落ちると、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するので、透過光の強度が減
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の増幅手段３６のロックインアンプにより周波数ｆ
ｉ２で同期検波される。従って、第２の増幅手段３６の
ロックインアンプの出力にはアンテナ４２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。第２の増幅手段３６の
ＰＩＤ制御部は光検出器３２の出力が最小、すなわち吸
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３７の出力
周波数を制御する。すなわち、水晶発振器３７の出力周
波数はＲｂ８７のＦ＝２からＦ＝１の準位のエネルギー
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ｆ１とｆｌ１２を異ならせることにより、水
晶発振器３７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。

このような構成の周波数標準器によれば、誘電体共振器
は誘電率の平方根に比例して空胴共振器よりも小さくな
る。例えば、誘電率を３０としても空胴共振器の１／３
０１１２＝１１５．５と非常に小型になる。

また吸収セルに電磁波を照射する手段（ここではアンテ
ナ）とバラクタダイオード出力高調波から所定の周波数
を取出すフィルタ（ここでは誘電体共振器）を分離する
ことにより、誘電体共振器の内部に吸収セルを持たない
構成とすることができるので、誘電体を充填でき、小型
化が可能となる。

またバラクタダイオードの出力で直接アンテナを駆動せ
ずに、誘電体共振器とマイクロ波増幅器を介しているの
で、マイクロ波パワーが充分に印加でき、信号のＳ／Ｎ
および安定度が向上する。

また吸収セルを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と・ともに、大幅
に小型化、簡略化が可能になる。特に２次標準器として
用いると効果が大きい。

なお、上記の各実施例ではＦ＝２とＦ＝１の準位の誘導
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２図
を用いて説明する。基底状態５ＳのＦ＝２の準位のＲｂ
８７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の準位に遷移させるようにする。

構成は第１図及と同じなので、詳細説明は省略する。

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Ｒｂ８５Ｃｓ　　　
を用いてもよい。Ｒ１）８５の場合は照射する電磁波は
３ＧＨｚ、Ｃｓ１３３の場合は９．２Ｇ！−１ｚになる
。例えばＣｓの場合に誘電体共振器４０で９．２ＧＨｚ
を取出す。半導体】／−ザの波長はＲｂのとき０．７８
．ｉｚｍ、Ｃｓのとき０，８５μｍを用いる。

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の増幅手段３３のロックインアンプ、第２
の増幅手段３６のロックインアンプに発振器３５．４４
の出力である周波数ｆｆ　　の１１１・　ｍ２ 信号を入力するようにしたが、その整数倍の周波数を用
いるようにしてもよい。

また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てもよい、このようにすると、
半導体レーザ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ら出来る。また、音響光学変
調器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１１型変扼器、横型変調器、進行波形変調器等がある
。

〈発明の効果〉 以上述べたように本発明によれば、小型の原子周波数標
準器を節部な構成で実現することができる。

【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構
成ブロック図、第２図は他の実施例の原子吸収特性を示
す図、第３図は周波数標準器の第１の従来例を示す構成
ブロック図、第４図は第３図の構成における原子吸収特
性を示す図、第５図は周波数標準器の第２の従来例を示
す構成ブロック図である。 ３０・・−半導体レーザ、３１・・・吸収セル、３２・
・・光検出器、３３・・・第１の増幅手段、３４・・・
加算器。 ３５．４４・・・発振器、３６・・・第２の増幅手段、
３７・・・水晶発振器、３８・・・逓倍部、３９・・・
バラクタダイオード、４０・・・誘電体共振器、４１・
・・高周波増幅器、４２・・・電磁波照射手段。 第４図

Claims (1)

1. 【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するとともに、この吸収
   セルに電磁波を照射し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
   出力光が入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、この光検出器の出力を第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安定化する第
   １の増幅手段と、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、前記光検出器の出
   力を第２の周波数に関連する周波数で同期検波しその出
   力に基づいて前記発振器の出力周波数を制御する第２の
   増幅手段と、前記第２の変調手段の出力周波数を逓倍す
   るバラクタダイオードと、このバラクタダイオードの出
   力を入力する誘電体共振器と、この誘電体共振器の出力
   に基づいて前記吸収セルに電磁波を照射する電磁波照射
   手段とを備えたことを特徴とする周波数標準器。