JPH07114366B2 - レ−ザ励起型セシウム原子発振器 - Google Patents
レ−ザ励起型セシウム原子発振器Info
- Publication number
- JPH07114366B2 JPH07114366B2 JP2338587A JP2338587A JPH07114366B2 JP H07114366 B2 JPH07114366 B2 JP H07114366B2 JP 2338587 A JP2338587 A JP 2338587A JP 2338587 A JP2338587 A JP 2338587A JP H07114366 B2 JPH07114366 B2 JP H07114366B2
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- Japan
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- light
- atomic
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- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、安定な原子ビーム励起動作を実現できる光
学系を備えたレーザ励起型セシウム原子発振器に関す
る。
学系を備えたレーザ励起型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構造にお
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の規定状態
の超微細準位のうち、全角運動量量子数Ｆ＝４、全磁気
量子数mF＝０で指定される準位と、全角運動量量子数Ｆ
＝３、全磁気量子数mF＝０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ν０（9.19263GHz）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、上記準位差
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。
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の規定状態
の超微細準位のうち、全角運動量量子数Ｆ＝４、全磁気
量子数mF＝０で指定される準位と、全角運動量量子数Ｆ
＝３、全磁気量子数mF＝０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ν０（9.19263GHz）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、上記準位差
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４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（たとえば、特願昭61−241766号参照）。図にお
いて、１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
ムを発生する。この原子ビームには、準位選択領域D1に
おいて、励起用レーザ２から出力されたレーザ光が照射
される。すなわち、前記レーザ光は、レンズ2aによりコ
リメートされた後、ハーフミラー2bにより、準位選択用
の光と共鳴検出用の光とに分岐され、前者は準位選択領
域D1に送られて、原子ビーム発生炉１から放出された原
子ビームに照射され、後者はミラー2cを介して共鳴検出
領域D2に送られ、空胴共振器３から出た原子ビームに照
射される。
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（たとえば、特願昭61−241766号参照）。図にお
いて、１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
ムを発生する。この原子ビームには、準位選択領域D1に
おいて、励起用レーザ２から出力されたレーザ光が照射
される。すなわち、前記レーザ光は、レンズ2aによりコ
リメートされた後、ハーフミラー2bにより、準位選択用
の光と共鳴検出用の光とに分岐され、前者は準位選択領
域D1に送られて、原子ビーム発生炉１から放出された原
子ビームに照射され、後者はミラー2cを介して共鳴検出
領域D2に送られ、空胴共振器３から出た原子ビームに照
射される。
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
各副準位の原子は、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＝０の原子
だけが到達する。空胴共振器３は、周波数がν０近傍の
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、このマイクロ波
と共鳴し、準位Ｆ＝4,mF＝０→準位Ｆ＝3,mF＝０の誘導
放出を起こす。すなわち、基底準位Ｆ＝4,mF＝０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。この原子は、上述したように、共鳴検出領
域D2で励起用レーザ２の光により照射され、励起準位の
Ｆ＝４に励起される。そして、この励起準位から再び基
底準位に電子が落ちる際の自然放出光の強度が、光検出
器４で測定される。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。
界と平行である。この場合、基底状態の準位Ｆ＝3,4の
各副準位の原子は、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＝０の原子
だけが到達する。空胴共振器３は、周波数がν０近傍の
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、このマイクロ波
と共鳴し、準位Ｆ＝4,mF＝０→準位Ｆ＝3,mF＝０の誘導
放出を起こす。すなわち、基底準位Ｆ＝4,mF＝０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。この原子は、上述したように、共鳴検出領
域D2で励起用レーザ２の光により照射され、励起準位の
Ｆ＝４に励起される。そして、この励起準位から再び基
底準位に電子が落ちる際の自然放出光の強度が、光検出
器４で測定される。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ν０と一致し
たとき、すなわち共鳴出力が極大となったときに、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ν０と一致するように、電圧制
御発振器（VCO）９を制御する。VCO9の出力は、周波数
逓倍器10によって逓倍され、周波数がν０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。
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ν０と一致し
たとき、すなわち共鳴出力が極大となったときに、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ν０と一致するように、電圧制
御発振器（VCO）９を制御する。VCO9の出力は、周波数
逓倍器10によって逓倍され、周波数がν０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100Hzで
ある。また、第４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副準位mFを分離するため
のもので、mF≠０のエネルギ準位から、mF＝０のエネル
ギ準位を分離する。
ある。また、第４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副準位mFを分離するため
のもので、mF≠０のエネルギ準位から、mF＝０のエネル
ギ準位を分離する。
［発明が解決しようとする問題点］ ところで、上述したレーザ励起型セシウム原子発振器に
は、次のような欠点があった。
は、次のような欠点があった。
ハーフミラー2bやミラー2cのような個別光学部品によ
って、レーザ光を空中伝搬させているので、外部からの
機械的振動に弱く、動作が不安定になる。
って、レーザ光を空中伝搬させているので、外部からの
機械的振動に弱く、動作が不安定になる。
上記と同様の理由により、系の構成に対する柔軟性
に欠ける。したがって、このような励起光学系を使用す
るレーザ励起型セシウム原子発振器は、小形の可搬型原
子発振器には不向きである。
に欠ける。したがって、このような励起光学系を使用す
るレーザ励起型セシウム原子発振器は、小形の可搬型原
子発振器には不向きである。
この発明は、このような背景の下になされたもので、外
部からの振動に対しても動作の安定した小型・可搬型の
レーザ励起型セシウム原子発振器を提供することを目的
とする。
部からの振動に対しても動作の安定した小型・可搬型の
レーザ励起型セシウム原子発振器を提供することを目的
とする。
［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、前記原子ビ
ームに第１の照射領域において光を照射する励起用レー
ザと、こ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、前記空胴共振器によって共鳴させられた前記
セシウム原子に前記第１の照射領域とは異なる第２の照
射領域において前記光を再照射し、セシウムの原子ビー
ムを再励起するレーザ照射手段と、前記再励起されたセ
シウムの原子ビームからの自然放出光の強度を検出する
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の発生する周波
数逓倍器とを具備するレーザ励起型セシウム原子発振器
において、前記励起用レーザから出力された光を２つに
分岐する光分岐手段と、分岐された光のそれぞれを前記
第１および第２の照射領域に導波する光ファイバとを有
する光学系とを具備することを特徴とする。
原子ビームを発生する原子ビーム発生炉と、前記原子ビ
ームに第１の照射領域において光を照射する励起用レー
ザと、こ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、前記空胴共振器によって共鳴させられた前記
セシウム原子に前記第１の照射領域とは異なる第２の照
射領域において前記光を再照射し、セシウムの原子ビー
ムを再励起するレーザ照射手段と、前記再励起されたセ
シウムの原子ビームからの自然放出光の強度を検出する
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の発生する周波
数逓倍器とを具備するレーザ励起型セシウム原子発振器
において、前記励起用レーザから出力された光を２つに
分岐する光分岐手段と、分岐された光のそれぞれを前記
第１および第２の照射領域に導波する光ファイバとを有
する光学系とを具備することを特徴とする。
また、前記光分岐手段により分岐されたレーザ光の一方
に、このレーザ光と波長の異なる他の励起用レーザ光を
結合する光結合手段を設け、この光結合手段から出力さ
れた２波長のレーザ光により前記空胴共振器に入る前の
原子ビームを励起することを特徴とする。
に、このレーザ光と波長の異なる他の励起用レーザ光を
結合する光結合手段を設け、この光結合手段から出力さ
れた２波長のレーザ光により前記空胴共振器に入る前の
原子ビームを励起することを特徴とする。
［作用］ 上記手段によれば、励起用のレーザ光は、固体素子によ
り、いわば有機で伝送される。したがって、外部からの
振動に対して安定に動作することが可能である。また、
光ファイバで光を伝送するから、構成上の規制が減り、
柔軟性のある励起光学系を構成することがである。
り、いわば有機で伝送される。したがって、外部からの
振動に対して安定に動作することが可能である。また、
光ファイバで光を伝送するから、構成上の規制が減り、
柔軟性のある励起光学系を構成することがである。
［実施例］ 以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。
第１図は、この発明の第１実施例の励起光学系の構成を
示すブロック図である。この図において、構成要素１〜
４は、第４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。また、構成要素５〜10は、図示を省略し
た。本実施例が、第４図の原子発振器と異なる点は次の
通りである。
示すブロック図である。この図において、構成要素１〜
４は、第４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。また、構成要素５〜10は、図示を省略し
た。本実施例が、第４図の原子発振器と異なる点は次の
通りである。
光分岐素子11を設け、励起用レーザ２から出力された
励起用レーザ光を、準位選択用の光と、共鳴検出用の光
の２つに分岐するように構成した点。
励起用レーザ光を、準位選択用の光と、共鳴検出用の光
の２つに分岐するように構成した点。
分岐された光を、光ファイバ12,13で原子ビーム管ま
で導波するようにした点。
で導波するようにした点。
導波された光をレンズ14,15でコリメートした後、準
位選択用の光は、準位選択領域D1で、空胴共振器３に入
る前の原子ビームに照射し、共鳴検出用の光は、共鳴検
出領域D2で、空胴共振器３から出た後の原子ビームに照
射するようにした点。
位選択用の光は、準位選択領域D1で、空胴共振器３に入
る前の原子ビームに照射し、共鳴検出用の光は、共鳴検
出領域D2で、空胴共振器３から出た後の原子ビームに照
射するようにした点。
第３図（ａ）は、上記光分岐素子11の構成例を示す図で
あり、励起用レーザ２として半導体レーザ（LD）を、光
分岐素子11として導波路型デバイスを用い、これらを集
積化したものである。導波路型デバイスとしては、LiNb
O3基板上にTiを拡散して導波路としたもの等がある。
あり、励起用レーザ２として半導体レーザ（LD）を、光
分岐素子11として導波路型デバイスを用い、これらを集
積化したものである。導波路型デバイスとしては、LiNb
O3基板上にTiを拡散して導波路としたもの等がある。
このような構成によれば、励起用レーザ２から放出され
た光は、光分岐素子11で２つに分岐され、光ファイバ1
2,13を介して、レンズ14,15に送られる。そして、レン
ズ14でコリメートされた光が準位選択領域D1で原子ビー
ムに照射され、レンズ15でコリメートされた光が共鳴検
出領域D2で原子ビームに照射される。
た光は、光分岐素子11で２つに分岐され、光ファイバ1
2,13を介して、レンズ14,15に送られる。そして、レン
ズ14でコリメートされた光が準位選択領域D1で原子ビー
ムに照射され、レンズ15でコリメートされた光が共鳴検
出領域D2で原子ビームに照射される。
こうして、励起光は、光ファイバ等の固体素子により伝
送されるので、外部からの振動に対して動作が安定で、
小形化を図ることができる。
送されるので、外部からの振動に対して動作が安定で、
小形化を図ることができる。
次に、第２図は、この発明の第２実施例の励起光学系の
構成を示すものである。この第２実施例は、２波長の光
で原子ビームを励起するようにしたレーザ励起型セシウ
ム原子発振器である。
構成を示すものである。この第２実施例は、２波長の光
で原子ビームを励起するようにしたレーザ励起型セシウ
ム原子発振器である。
この第２実施例が第１実施例と異なる点は、次の通りで
ある。
ある。
光分岐素子11の出力端と光ファイバ12との間に光結合
素子21を介装し、光分岐素子11から出力された準位選択
用の第１のレーザ光を、光結合素子21の第１入力端へ供
給するようにした点。
素子21を介装し、光分岐素子11から出力された準位選択
用の第１のレーザ光を、光結合素子21の第１入力端へ供
給するようにした点。
この光結合素子21の第２入力端に、励起用レーザ22か
ら出力された準位選択用の第２の光を入力するようにし
た構成した点。
ら出力された準位選択用の第２の光を入力するようにし
た構成した点。
なお、これら第１、第２の光の波長は異なっており、た
とえば、前記第１のレーザ光は、基底準位Ｆ＝３にある
セシウム原子を励起準位Ｆ＝４に励起し、第２のレーザ
光は、基底準位Ｆ＝４にあるセシウム原子を励起準位Ｆ
＝４に励起する。
とえば、前記第１のレーザ光は、基底準位Ｆ＝３にある
セシウム原子を励起準位Ｆ＝４に励起し、第２のレーザ
光は、基底準位Ｆ＝４にあるセシウム原子を励起準位Ｆ
＝４に励起する。
第３図（ｂ）は、励起用レーザ2,22として半導体レーザ
を、光分岐素子11と光結合素子21として導波路型デバイ
スを用い、これらを集積化したデバイスを示すものであ
る。このデバイスも、同図（ａ）の導波路型デバイスと
同様に作られる。
を、光分岐素子11と光結合素子21として導波路型デバイ
スを用い、これらを集積化したデバイスを示すものであ
る。このデバイスも、同図（ａ）の導波路型デバイスと
同様に作られる。
このような構成において、励起用レーザ２から出力され
たレーザ光は、光分岐素子11中で２つに分岐される。分
岐された光のうち、準位選択用の光は、もう１つの励起
用レーザ22からのレーザ光と、光結合素子21の中で結合
された後、光ファイバ12で導波され、レンズ14でコリメ
ートされて、準位選択領域D1で、空胴共振器３に入る前
の原子ビームに照射される。一方、共鳴検出用の光は、
光ファイバ13とレンズ15とを介して、共鳴検出領域D2に
導波され、空胴共振器３を出た後の原子ビームに照射さ
れる。
たレーザ光は、光分岐素子11中で２つに分岐される。分
岐された光のうち、準位選択用の光は、もう１つの励起
用レーザ22からのレーザ光と、光結合素子21の中で結合
された後、光ファイバ12で導波され、レンズ14でコリメ
ートされて、準位選択領域D1で、空胴共振器３に入る前
の原子ビームに照射される。一方、共鳴検出用の光は、
光ファイバ13とレンズ15とを介して、共鳴検出領域D2に
導波され、空胴共振器３を出た後の原子ビームに照射さ
れる。
なお、上記各実施例において、光ファイバ12,13として
偏波面保持ファイバを用いれば、偏波面を確実に保った
ままの光を原子ビームに照射することができる。
偏波面保持ファイバを用いれば、偏波面を確実に保った
ままの光を原子ビームに照射することができる。
［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
力された励起光を、光ファイバ等を用いて導波し、原子
ビームに照射するようにしたから、動作が安定で小形の
レーザ励起型セシウム原子発振器を作ることができる。
したがって、取り扱いの簡易な可搬型原子発振器として
広く用いることができる。
力された励起光を、光ファイバ等を用いて導波し、原子
ビームに照射するようにしたから、動作が安定で小形の
レーザ励起型セシウム原子発振器を作ることができる。
したがって、取り扱いの簡易な可搬型原子発振器として
広く用いることができる。
第１図ないし第２図は、この発明の第１実施例ないし第
２実施例によるレーザ励起型セシウム原子発振器の励起
光学系の構成を示すブロック、第３図は半導体レーザと
光分岐、光結合素子を集積化した例を示す図で、同図
（ａ）は第１実施例に使用するもの、同図（ｂ）は第２
実施例に使用するものである。第４図はすでに知られて
いる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。 １……原子ビーム発生炉、 ２、22……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……光分岐素子、12,13……光ファイバ、 14,15……レンズ、21……光結合素子。
２実施例によるレーザ励起型セシウム原子発振器の励起
光学系の構成を示すブロック、第３図は半導体レーザと
光分岐、光結合素子を集積化した例を示す図で、同図
（ａ）は第１実施例に使用するもの、同図（ｂ）は第２
実施例に使用するものである。第４図はすでに知られて
いる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。 １……原子ビーム発生炉、 ２、22……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……光分岐素子、12,13……光ファイバ、 14,15……レンズ、21……光結合素子。
Claims (2)
- 【請求項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、 前記原子ビームに第１の照射領域において光を照射する
励起用レーザと、 こ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、 前記空胴共振器によって共鳴させられた前記セシウム原
子に前記第１の照射領域とは異なる第２の照射領域にお
いて前記光を再照射し、セシウムの原子ビームを再励起
するレーザ照射手段と、 前記再励起されたセシウムの原子ビームからの自然放出
光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の発生
する周波数逓倍器と を具備するレーザ励起型セシウム原子発振器において、 前記励起用レーザから出力された光を２つに分岐する光
分岐手段と、 分岐された光のそれぞれを前記第１および第２の照射領
域に導波する光ファイバとを有する光学系と、 を具備することを特徴とするレーザ励起型セシウム原子
発振器。 - 【請求項２】前記光分岐手段により分岐されたレーザ光
の一方に、このレーザ光と波長の異なる他の励起用レー
ザ光を結合する光結合手段を設け、 この光結合手段から出力された２波長のレーザ光により
前記空胴共振器に入る前の原子ビームを励起すること を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ励起型
セシウム原子発振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2338587A JPH07114366B2 (ja) | 1987-02-03 | 1987-02-03 | レ−ザ励起型セシウム原子発振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2338587A JPH07114366B2 (ja) | 1987-02-03 | 1987-02-03 | レ−ザ励起型セシウム原子発振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63191417A JPS63191417A (ja) | 1988-08-08 |
| JPH07114366B2 true JPH07114366B2 (ja) | 1995-12-06 |
Family
ID=12109054
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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-
1987
- 1987-02-03 JP JP2338587A patent/JPH07114366B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
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