JPH0783265B2 - レーザ励起ルビジウム原子発振器 - Google Patents
レーザ励起ルビジウム原子発振器Info
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- JPH0783265B2 JPH0783265B2 JP1214700A JP21470089A JPH0783265B2 JP H0783265 B2 JPH0783265 B2 JP H0783265B2 JP 1214700 A JP1214700 A JP 1214700A JP 21470089 A JP21470089 A JP 21470089A JP H0783265 B2 JPH0783265 B2 JP H0783265B2
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
- H01S3/139—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length
- H01S3/1392—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length by using a passive reference, e.g. absorption cell
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- G—PHYSICS
- G04—HOROLOGY
- G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
- G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
- G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
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- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03L—AUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
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- H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は原子時計用のルビジウム原子発振器に関し、特
にレーザ励起によるルビジウム原子発振器に関する。
にレーザ励起によるルビジウム原子発振器に関する。
現在、ルビジウム（Rb87）原子発振器は小型、高性能の
実用的２次周波数標準器として、通信、放送、航法、GP
S衛星等多岐にわたる分野に応用されている。本発明者
等は、すでに、ルビジウム原子発振器の励起光源とし
て、ルビジウムランプの代わりに半導体レーザを用いて
一層の性能向上、特に短期的な周波数安定化を図ること
を提案した。この半導体レーザ励起ルビジウム原子発振
器の概要を第３図のブロック構成図を参照にして説明す
る。この発振器の原子共鳴部は、半導体レーザ１、ルビ
ジウムガスを封入したガスセルからなる共鳴セル２、共
鳴セル２全体を取り巻くマイクロ波空洞共振器３から構
成されている。半導体レーザ１から出て共鳴セル２通過
して変調を受けた光は、光検出器４によって光電変換を
受ける。一方、電圧制御水晶発振器５から発せられたマ
イクロ波は、周波数シンセサイザ６において逓倍されて
変調波発振器７からの変調角周波数ωｍの波によって位
相変調を受け、マイクロ波空洞共振器３に印加される。
光検出器４からの信号は、同期検波器８において変調波
発振器７からの変調角周波数ωｍの参照信号によって同
期検波を受け、その出力はサーボ制御装置９を経て電圧
制御水晶発振器５へ印加される。なお、図の符号10はレ
ーザ１駆動用の電流源である。さて、第４図にRb87原子
のエネルギー準位を示す。ここでは簡単のために、Rb87
−D2線を３準位原子系でモデル化して示してある。第３
図に示した、ルビジウム原子発振器は、Rb87原子の基底
状態の超微細準位間のマイクロ波共鳴を基準にして、電
圧制御水晶発振器５の出力周波数を安定化する自動制御
系である。そして、マイクロ波共鳴を検出する方法とし
て光・マイクロ波二重共鳴法を使っている。すなわち、
光・マイクロ波二重共鳴は、レーザポンピングによって
第４図に示したRb87原子の基底状態の超微細準位間に原
子数分布差を作りだしておき、これと電圧制御水晶発振
器５から逓倍されたマイクロ波とを相互作用させること
によって起こる。Rb87原子を封入したガスセル２を透過
するポンピングレーザ光強度は光検出器４で検出されて
いるが、光・マイクロ波二重共鳴が生じると、ごくわず
かの吸収スペクトルが得られる。この透過光信号をマイ
クロ波に加える変調角周波数ωｍで同期検波して得られ
る同期検波出力VPSDを電圧制御水晶発振器５に与える誤
差曲線に用いている。上記VPSDは、同期検波のための参
照信号をcos（ωmt−θ）としたとき、 VPSD＝V0［（B/2）cosθ＋（C/2）sinθ］ ……（１） となる。ただし、 Ｂ＝２［J2J3（δ-3＋δ-2−δ２＋δ３） ＋J1J2（δ-2＋δ-1−δ１＋δ２） ＋J0J1（δ-1−δ１）］ ……（２） Ｃ＝２［J2J3（φ-3−φ-2−φ２＋φ３） ＋J1J2（φ-2−φ-1−φ１＋φ２） ＋J0J1（φ-1−２φ０＋φ１）］ ……（３） である。ここで、V0は比例定数、Jqはｑ次のベッセル関
数、δやφはそれぞれガスセル２を通過する光電界が受
ける振幅減衰量と位相シフト量であり、添字ｑ（ｑ＝±
１、±２、±３）はδやφがマイクロ波共鳴角周波数ω
Ｍからｑωｍだけずれていることを表す。第５図は上記
（２）、（３）式のＢスペクトル、Ｃスペクトルの典型
的な例を示すものである。この図から、Ｂスペクトルや
Ｃスペクトルは共にマイクロ波共鳴周波数の中心でゼロ
の値をとる奇関数であることがわかる。したがって、同
期検波出力VPSDも式（１）に従って、第６図に１例を示
すように、奇関数となり、同様にマイクロ波共鳴周波数
の中心でゼロの値をとることになるので、第３図のよう
にVPSDをサーボ制御装置９を経て電圧制御水晶発振器５
へ帰還させることにより、この原子発振器の出力周波数
を同期検波出力VPSDのゼロクロス点（第６図のａとｂの
間に位置する）の位置に固定できる。
実用的２次周波数標準器として、通信、放送、航法、GP
S衛星等多岐にわたる分野に応用されている。本発明者
等は、すでに、ルビジウム原子発振器の励起光源とし
て、ルビジウムランプの代わりに半導体レーザを用いて
一層の性能向上、特に短期的な周波数安定化を図ること
を提案した。この半導体レーザ励起ルビジウム原子発振
器の概要を第３図のブロック構成図を参照にして説明す
る。この発振器の原子共鳴部は、半導体レーザ１、ルビ
ジウムガスを封入したガスセルからなる共鳴セル２、共
鳴セル２全体を取り巻くマイクロ波空洞共振器３から構
成されている。半導体レーザ１から出て共鳴セル２通過
して変調を受けた光は、光検出器４によって光電変換を
受ける。一方、電圧制御水晶発振器５から発せられたマ
イクロ波は、周波数シンセサイザ６において逓倍されて
変調波発振器７からの変調角周波数ωｍの波によって位
相変調を受け、マイクロ波空洞共振器３に印加される。
光検出器４からの信号は、同期検波器８において変調波
発振器７からの変調角周波数ωｍの参照信号によって同
期検波を受け、その出力はサーボ制御装置９を経て電圧
制御水晶発振器５へ印加される。なお、図の符号10はレ
ーザ１駆動用の電流源である。さて、第４図にRb87原子
のエネルギー準位を示す。ここでは簡単のために、Rb87
−D2線を３準位原子系でモデル化して示してある。第３
図に示した、ルビジウム原子発振器は、Rb87原子の基底
状態の超微細準位間のマイクロ波共鳴を基準にして、電
圧制御水晶発振器５の出力周波数を安定化する自動制御
系である。そして、マイクロ波共鳴を検出する方法とし
て光・マイクロ波二重共鳴法を使っている。すなわち、
光・マイクロ波二重共鳴は、レーザポンピングによって
第４図に示したRb87原子の基底状態の超微細準位間に原
子数分布差を作りだしておき、これと電圧制御水晶発振
器５から逓倍されたマイクロ波とを相互作用させること
によって起こる。Rb87原子を封入したガスセル２を透過
するポンピングレーザ光強度は光検出器４で検出されて
いるが、光・マイクロ波二重共鳴が生じると、ごくわず
かの吸収スペクトルが得られる。この透過光信号をマイ
クロ波に加える変調角周波数ωｍで同期検波して得られ
る同期検波出力VPSDを電圧制御水晶発振器５に与える誤
差曲線に用いている。上記VPSDは、同期検波のための参
照信号をcos（ωmt−θ）としたとき、 VPSD＝V0［（B/2）cosθ＋（C/2）sinθ］ ……（１） となる。ただし、 Ｂ＝２［J2J3（δ-3＋δ-2−δ２＋δ３） ＋J1J2（δ-2＋δ-1−δ１＋δ２） ＋J0J1（δ-1−δ１）］ ……（２） Ｃ＝２［J2J3（φ-3−φ-2−φ２＋φ３） ＋J1J2（φ-2−φ-1−φ１＋φ２） ＋J0J1（φ-1−２φ０＋φ１）］ ……（３） である。ここで、V0は比例定数、Jqはｑ次のベッセル関
数、δやφはそれぞれガスセル２を通過する光電界が受
ける振幅減衰量と位相シフト量であり、添字ｑ（ｑ＝±
１、±２、±３）はδやφがマイクロ波共鳴角周波数ω
Ｍからｑωｍだけずれていることを表す。第５図は上記
（２）、（３）式のＢスペクトル、Ｃスペクトルの典型
的な例を示すものである。この図から、Ｂスペクトルや
Ｃスペクトルは共にマイクロ波共鳴周波数の中心でゼロ
の値をとる奇関数であることがわかる。したがって、同
期検波出力VPSDも式（１）に従って、第６図に１例を示
すように、奇関数となり、同様にマイクロ波共鳴周波数
の中心でゼロの値をとることになるので、第３図のよう
にVPSDをサーボ制御装置９を経て電圧制御水晶発振器５
へ帰還させることにより、この原子発振器の出力周波数
を同期検波出力VPSDのゼロクロス点（第６図のａとｂの
間に位置する）の位置に固定できる。
以上が本発明者等が提案した半導体レーザ励起ルビジウ
ム原子発振器の短期的周波数安定化の原理であり、従来
のものに比較して、１桁程度以上の安定度を得ている。
ム原子発振器の短期的周波数安定化の原理であり、従来
のものに比較して、１桁程度以上の安定度を得ている。
しかしながら、このような公知の半導体レーザ励起ルビ
ジウム原子発振器にあっても、周波数基準となるRb87の
マイクロ波共鳴周波数は、ポンピング光の電場による光
学的シュタルク効果により、ポンピング光の周波数に変
化があるとシフトする（光シフト）。第７図はこの様子
を示すものであり、この場合、第５図に示したようなス
ペクトルにも変形が起きる。第８図にＣスペクトルの変
形の例を示す。ただし、第７図においては、曲線Ｉはレ
ーザパワー密度が1008μW/cm2、曲線IIは360μW/cm2、
曲線IIIは144μW/cm2であり、第８図においては、曲線
Ｉ′はレーザ周波数の変化が1200M Hz、曲線II′は0H
z、曲線III′は−1200M Hzである。
ジウム原子発振器にあっても、周波数基準となるRb87の
マイクロ波共鳴周波数は、ポンピング光の電場による光
学的シュタルク効果により、ポンピング光の周波数に変
化があるとシフトする（光シフト）。第７図はこの様子
を示すものであり、この場合、第５図に示したようなス
ペクトルにも変形が起きる。第８図にＣスペクトルの変
形の例を示す。ただし、第７図においては、曲線Ｉはレ
ーザパワー密度が1008μW/cm2、曲線IIは360μW/cm2、
曲線IIIは144μW/cm2であり、第８図においては、曲線
Ｉ′はレーザ周波数の変化が1200M Hz、曲線II′は0H
z、曲線III′は−1200M Hzである。
この光シフトは、半導体レーザ励起ルビジウム原子発振
器の長期周波数安定度を阻害している。
器の長期周波数安定度を阻害している。
したがって、本発明の第１の目的は、半導体レーザ励起
ルビジウム原子発振器における上記のような光シフトを
防止するための手段を提供することである。
ルビジウム原子発振器における上記のような光シフトを
防止するための手段を提供することである。
ところで、上記のような光シフトに基づく長期周波数安
定度の制限の問題が解決しても、ガスセル２に封入され
ているバッファガスとルビジウムガスの衝突によってマ
イクロ波共鳴周波数のシフトが起こり、結果的に電圧制
御水晶発振器５からの出力周波数の確度が損なわれる問
題がある。
定度の制限の問題が解決しても、ガスセル２に封入され
ているバッファガスとルビジウムガスの衝突によってマ
イクロ波共鳴周波数のシフトが起こり、結果的に電圧制
御水晶発振器５からの出力周波数の確度が損なわれる問
題がある。
したがって、本発明の第２の目的は、半導体レーザ励起
ルビジウム原子発振器における上記のようなバッファガ
スとルビジウムガスの衝突によるマイクロ波共鳴周波数
のシフトを防止するための手段を提供することである。
ルビジウム原子発振器における上記のようなバッファガ
スとルビジウムガスの衝突によるマイクロ波共鳴周波数
のシフトを防止するための手段を提供することである。
本発明の第１の発明のレーザ励起ルビジウム原子発振器
は、ルビジウムガスにポンピング用のレーザ光と位相変
調したマイクロ波を同時に照射して光・マイクロ波二重
共鳴を起こさせ、光・マイクロ波二重共鳴部を透過した
ポンピング光強度信号を同期検波してその出力がゼロに
なるようにマイクロ波の周波数を制御するレーザ励起ル
ビジウム原子発振器において、光・マイクロ波二重共鳴
部に位相変調したマイクロ波を印加するマイクロ波発振
器の周波数を掃引する周波数掃引手段と、同期検波出力
を積分する同期検波出力積分手段と、同期検波出力積分
手段による積分値をゼロにするようにポンピング用レー
ザ光の周波数を制御するポンピング用レーザ光周波数制
御手段とを備えていることを特徴とするものである。
は、ルビジウムガスにポンピング用のレーザ光と位相変
調したマイクロ波を同時に照射して光・マイクロ波二重
共鳴を起こさせ、光・マイクロ波二重共鳴部を透過した
ポンピング光強度信号を同期検波してその出力がゼロに
なるようにマイクロ波の周波数を制御するレーザ励起ル
ビジウム原子発振器において、光・マイクロ波二重共鳴
部に位相変調したマイクロ波を印加するマイクロ波発振
器の周波数を掃引する周波数掃引手段と、同期検波出力
を積分する同期検波出力積分手段と、同期検波出力積分
手段による積分値をゼロにするようにポンピング用レー
ザ光の周波数を制御するポンピング用レーザ光周波数制
御手段とを備えていることを特徴とするものである。
その場合、同期検波出力をマイクロ波発振器へ帰還する
回路と、同期検波出力積分手段とを定期的に切り換える
手段を設けることが望ましい。
回路と、同期検波出力積分手段とを定期的に切り換える
手段を設けることが望ましい。
本発明の第２の発明のレーザ励起ルビジウム原子発振器
は、ルビジウムガスにポンピング用のレーザ光と位相変
調したマイクロ波を同時に照射して光・マイクロ波二重
共鳴を起こさせ、光・マイクロ波二重共鳴部を透過した
ポンピング光強度信号を同期検波してその出力がゼロに
なるようにマイクロ波の周波数を制御するレーザ励起ル
ビジウム原子発振器において、光・マイクロ波二重共鳴
部を、真空中でルビジウムビーム、マイクロ波、レーザ
ビームの３本のビームが相互に異なる方向から交差する
交差部で構成し、かつ、光・マイクロ波二重共鳴部に位
相変調したマイクロ波を印加するマイクロ波発振器の周
波数を掃引する周波数掃引手段と、同期検波出力を積分
する同期検波出力積分手段と、同期検波出力積分手段に
よる積分値をゼロにするようにポンピング用レーザ光の
周波数を制御するポンピング用レーザ光周波数制御手段
とを備えていることを特徴とするものである。
は、ルビジウムガスにポンピング用のレーザ光と位相変
調したマイクロ波を同時に照射して光・マイクロ波二重
共鳴を起こさせ、光・マイクロ波二重共鳴部を透過した
ポンピング光強度信号を同期検波してその出力がゼロに
なるようにマイクロ波の周波数を制御するレーザ励起ル
ビジウム原子発振器において、光・マイクロ波二重共鳴
部を、真空中でルビジウムビーム、マイクロ波、レーザ
ビームの３本のビームが相互に異なる方向から交差する
交差部で構成し、かつ、光・マイクロ波二重共鳴部に位
相変調したマイクロ波を印加するマイクロ波発振器の周
波数を掃引する周波数掃引手段と、同期検波出力を積分
する同期検波出力積分手段と、同期検波出力積分手段に
よる積分値をゼロにするようにポンピング用レーザ光の
周波数を制御するポンピング用レーザ光周波数制御手段
とを備えていることを特徴とするものである。
この場合も、同期検波出力をマイクロ波発振器へ帰還す
る回路と、同期検波出力積分手段とを定期的に切り換え
る手段を設けることが望ましい。
る回路と、同期検波出力積分手段とを定期的に切り換え
る手段を設けることが望ましい。
本発明の第１の発明によると、光・マイクロ波二重共鳴
部に印加する位相変調マイクロ波の周波数を掃引し、そ
れに応じて出力される共鳴部透過ポンピング光強度の同
期検波出力を積分し、この積分値をゼロにするようにレ
ーザの周波数を制御するようにしたので、レーザ励起ル
ビジウム原子発振器におけるポンピング光の周波数変化
によるマイクロ波共鳴周波数シフトを打ち消すことがで
きる。
部に印加する位相変調マイクロ波の周波数を掃引し、そ
れに応じて出力される共鳴部透過ポンピング光強度の同
期検波出力を積分し、この積分値をゼロにするようにレ
ーザの周波数を制御するようにしたので、レーザ励起ル
ビジウム原子発振器におけるポンピング光の周波数変化
によるマイクロ波共鳴周波数シフトを打ち消すことがで
きる。
また、本発明の第２の発明によると、光・マイクロ波二
重共鳴部を、真空中で相互に交差するルビジウムビー
ム、マイクロ波、レーザビームにて構成したので、ルビ
ジウムガスとバッファガスの衝突による周波数シフトを
除去することができ、レーザ励起ルビジウム原子発振器
の周波数確度を向上させることができる。
重共鳴部を、真空中で相互に交差するルビジウムビー
ム、マイクロ波、レーザビームにて構成したので、ルビ
ジウムガスとバッファガスの衝突による周波数シフトを
除去することができ、レーザ励起ルビジウム原子発振器
の周波数確度を向上させることができる。
先に述べたように、第３図に示したような半導体レーザ
励起ルビジウム原子発振器にあっては、周波数基準とな
るRb87のマイクロ波共鳴周波数は、ポンピング光の周波
数に変化があると、第７図に示したように光シフトす
る。その際、第５図に示したようなスペクトルも第８図
に示すように変形する。このような光シフトに基づいて
同期検波出力が変形すると、その左右対称性が著しく失
われることが論理的にも実験的にわかっている。したが
って、この非対称性を表す量ΔＳを第９図に示したよう
に定義する。すなわち、同期検波出力スペクトル形状の
上半分S+の面積と下半分S-の面積の差で定義する（第９
図にはΔＳはＣスペクトルの面積の差で定義してある
が、式（１）より明らかなように、Ｂ、Ｃスペクトルで
定義すること、同期検波出力スペクトルで定義すること
とのは本質的に同じである）。このように定義したΔＳ
のレーザ周波数の変化に対する依存性は、第10図に示し
たようになる（図中、曲線Ｉ″はレーザパワー密度が10
08μW/cm2、曲線II″は360μW/cm2、曲線III″は144μW
/cm2である）。この図から明らかなように、何れのレー
ザパワー密度においてもレーザ周波数の変化があると、
ΔＳはゼロでなくなるが、ΔＳをゼロにするようにレー
ザ周波数を制御すれば、第７図から明らかなように、レ
ーザ周波数の変化に起因したマイクロ波共鳴周波数のシ
フトは打ち消すことができる。以上の原理に基づいて構
成した本発明の半導体レーザ励起ルビジウム原子発振器
のブロック構成図を第１図に示す。
励起ルビジウム原子発振器にあっては、周波数基準とな
るRb87のマイクロ波共鳴周波数は、ポンピング光の周波
数に変化があると、第７図に示したように光シフトす
る。その際、第５図に示したようなスペクトルも第８図
に示すように変形する。このような光シフトに基づいて
同期検波出力が変形すると、その左右対称性が著しく失
われることが論理的にも実験的にわかっている。したが
って、この非対称性を表す量ΔＳを第９図に示したよう
に定義する。すなわち、同期検波出力スペクトル形状の
上半分S+の面積と下半分S-の面積の差で定義する（第９
図にはΔＳはＣスペクトルの面積の差で定義してある
が、式（１）より明らかなように、Ｂ、Ｃスペクトルで
定義すること、同期検波出力スペクトルで定義すること
とのは本質的に同じである）。このように定義したΔＳ
のレーザ周波数の変化に対する依存性は、第10図に示し
たようになる（図中、曲線Ｉ″はレーザパワー密度が10
08μW/cm2、曲線II″は360μW/cm2、曲線III″は144μW
/cm2である）。この図から明らかなように、何れのレー
ザパワー密度においてもレーザ周波数の変化があると、
ΔＳはゼロでなくなるが、ΔＳをゼロにするようにレー
ザ周波数を制御すれば、第７図から明らかなように、レ
ーザ周波数の変化に起因したマイクロ波共鳴周波数のシ
フトは打ち消すことができる。以上の原理に基づいて構
成した本発明の半導体レーザ励起ルビジウム原子発振器
のブロック構成図を第１図に示す。
第１図において、第３図と同一構成要素は同一番号で示
す。第１図の場合、第３図と異なり、同期検波器８から
の出力VPSDは、サーボ制御装置９を経て電圧制御水晶発
振器５へ印加せず、A/D変換器を経て演算制御装置11へ
入力するようにしてある。演算制御装置11は、マイクロ
波空洞共振器３に印加するマイクロ波の周波数を共鳴周
波数を中心として前後に掃引するために、D/A変換器を
通して電圧制御水晶発振器５へ印加する電圧を変えるよ
うに構成してあるとともに、マイクロ波の周波数の掃引
に応じて入力してくるVPSDを積分するようになってい
る。この積分値は前記した非対称性を表す量ΔＳに対応
するので、この積分値がゼロでない場合に、その値をD/
A変換器を通しレーザ駆動用の電流源10に帰還させ、レ
ーザ１に注入する電流を変えてΔＳをゼロにして、レー
ザ１の周波数を安定にする。こうして、マイクロ波共鳴
周波数のシフトは打ち消される。
す。第１図の場合、第３図と異なり、同期検波器８から
の出力VPSDは、サーボ制御装置９を経て電圧制御水晶発
振器５へ印加せず、A/D変換器を経て演算制御装置11へ
入力するようにしてある。演算制御装置11は、マイクロ
波空洞共振器３に印加するマイクロ波の周波数を共鳴周
波数を中心として前後に掃引するために、D/A変換器を
通して電圧制御水晶発振器５へ印加する電圧を変えるよ
うに構成してあるとともに、マイクロ波の周波数の掃引
に応じて入力してくるVPSDを積分するようになってい
る。この積分値は前記した非対称性を表す量ΔＳに対応
するので、この積分値がゼロでない場合に、その値をD/
A変換器を通しレーザ駆動用の電流源10に帰還させ、レ
ーザ１に注入する電流を変えてΔＳをゼロにして、レー
ザ１の周波数を安定にする。こうして、マイクロ波共鳴
周波数のシフトは打ち消される。
ところで、第１図において、ループスイッチ12は図のａ
とｂの端子を交互に切替え可能になっており、スイッチ
をａの端子の方へ切り換えると、第３図の従来の半導体
レーザ励起ルビジウム原子発振器と同様になり、短期的
な周波数安定化を図っている。そして、定期的にスイッ
チ12をｂの端子の方へ切り換え、この短期的周波数安定
化のループを開いて、その代わりに上記した光シフトに
よる周波数の不安定（長期的周波数不安定）を抑制する
自己同調系を作動させるようにしている。第11図は、上
記スイッチ12を定期的にｂの端子の方へ切り換えた場合
（●印。420秒に１回切替え、ΔＳの測定は120秒要し
た。）と、従来同様スイッチ12を切り換えないで連続的
にVPSDを電圧制御水晶発振器５へ帰還させた場合（○
印）のマイクロ波周波数の長期安定度を示している。こ
の場合、レーザ光強度は1008μW/cm2に固定された。縦
軸の１目盛りは、マイクロ波共鳴周波数（6.8G Hz）の
ゆらぎに換算すると、0.14Hzになる。図からわかるとお
り、自己同調制御を行わない場合、ドリフト量は−2.8
×10-11/hourであったが、自己同調制御により6.3×10
-13/hour、すなわち、1/40秒に減少した。なお、上記の
ΔＳの測定時間は単なる例示で、この時間よりずっと短
くできる。
とｂの端子を交互に切替え可能になっており、スイッチ
をａの端子の方へ切り換えると、第３図の従来の半導体
レーザ励起ルビジウム原子発振器と同様になり、短期的
な周波数安定化を図っている。そして、定期的にスイッ
チ12をｂの端子の方へ切り換え、この短期的周波数安定
化のループを開いて、その代わりに上記した光シフトに
よる周波数の不安定（長期的周波数不安定）を抑制する
自己同調系を作動させるようにしている。第11図は、上
記スイッチ12を定期的にｂの端子の方へ切り換えた場合
（●印。420秒に１回切替え、ΔＳの測定は120秒要し
た。）と、従来同様スイッチ12を切り換えないで連続的
にVPSDを電圧制御水晶発振器５へ帰還させた場合（○
印）のマイクロ波周波数の長期安定度を示している。こ
の場合、レーザ光強度は1008μW/cm2に固定された。縦
軸の１目盛りは、マイクロ波共鳴周波数（6.8G Hz）の
ゆらぎに換算すると、0.14Hzになる。図からわかるとお
り、自己同調制御を行わない場合、ドリフト量は−2.8
×10-11/hourであったが、自己同調制御により6.3×10
-13/hour、すなわち、1/40秒に減少した。なお、上記の
ΔＳの測定時間は単なる例示で、この時間よりずっと短
くできる。
さて、以上のようにして、出力マイクロ波周波数の短期
的安定性に加えて、長期的安定性を確保することができ
るが、さらに性能を向上させ、新しい一次周波数標準器
を実現するためには、周波数確度の向上、すなわちセル
中でのRb87ガスとバッファガスの衝突による周波数シフ
トの除去を図る必要がある。そのためには、第２図に光
・マイクロ波二重共鳴部の斜視図を示したように、第１
図又は第３図のルビジウムガスを封入したガスセル２の
代わりに、ルビジウムオーブン13を用いて真空中でルビ
ジウムビーム14を発生させる。他方、第１図、第３図の
マイクロ波空洞共振器３の代わりに、マイクロ波発生器
15を用いてルビジウムビーム14に交差するようにマイク
ロ波16を発生させる。レーザ１は、ルビジウムビーム14
及びマイクロ波16の交差部に、ルビジウムビーム14及び
マイクロ波16に交差する方向からレーザビーム17を当て
るように配置する。その他の構成は、第１図ないし第３
図のものと同様である。このように、Rb87原子をビーム
14状にすると、それに交差する方向のRb87原子の速度成
分は非常に小さくなり、交差する方向が90゜であると、
Rb87原子の速度成分はゼロになる。そのため、Rb87原子
からレーザビーム17、マイクロ波16を見たとき、何れの
原子にとってもほぼ同じ周波数、すなわち、ほぼ同じエ
ネルギーに見える。したがって、マイクロ波16及びレー
ザビーム17のドップラー幅は小さくでき、かつ、バッフ
ァガスを用いていたときのようなバッファガスの衝突に
よる周波数シフトの問題が起きない利点がある。なお、
マイクロ波16は進行波であっても定在波であってもよ
い。
的安定性に加えて、長期的安定性を確保することができ
るが、さらに性能を向上させ、新しい一次周波数標準器
を実現するためには、周波数確度の向上、すなわちセル
中でのRb87ガスとバッファガスの衝突による周波数シフ
トの除去を図る必要がある。そのためには、第２図に光
・マイクロ波二重共鳴部の斜視図を示したように、第１
図又は第３図のルビジウムガスを封入したガスセル２の
代わりに、ルビジウムオーブン13を用いて真空中でルビ
ジウムビーム14を発生させる。他方、第１図、第３図の
マイクロ波空洞共振器３の代わりに、マイクロ波発生器
15を用いてルビジウムビーム14に交差するようにマイク
ロ波16を発生させる。レーザ１は、ルビジウムビーム14
及びマイクロ波16の交差部に、ルビジウムビーム14及び
マイクロ波16に交差する方向からレーザビーム17を当て
るように配置する。その他の構成は、第１図ないし第３
図のものと同様である。このように、Rb87原子をビーム
14状にすると、それに交差する方向のRb87原子の速度成
分は非常に小さくなり、交差する方向が90゜であると、
Rb87原子の速度成分はゼロになる。そのため、Rb87原子
からレーザビーム17、マイクロ波16を見たとき、何れの
原子にとってもほぼ同じ周波数、すなわち、ほぼ同じエ
ネルギーに見える。したがって、マイクロ波16及びレー
ザビーム17のドップラー幅は小さくでき、かつ、バッフ
ァガスを用いていたときのようなバッファガスの衝突に
よる周波数シフトの問題が起きない利点がある。なお、
マイクロ波16は進行波であっても定在波であってもよ
い。
本発明の第１の発明によると、光・マイクロ波二重共鳴
部に印加する位相変調マイクロ波の周波数を掃引し、そ
れに応じて出力される共鳴部透過ポンピング光強度の同
期検波出力を積分し、この積分値をゼロにするようにレ
ーザの周波数を制御するだけの簡単な手段により、レー
ザ励起ルビジウム原子発振器におけるポンピング光の周
波数変化によるマイクロ波共鳴周波数シフトを打ち消す
ことができ、出力マイクロ波周波数の長期的安定性を確
保することができる。
部に印加する位相変調マイクロ波の周波数を掃引し、そ
れに応じて出力される共鳴部透過ポンピング光強度の同
期検波出力を積分し、この積分値をゼロにするようにレ
ーザの周波数を制御するだけの簡単な手段により、レー
ザ励起ルビジウム原子発振器におけるポンピング光の周
波数変化によるマイクロ波共鳴周波数シフトを打ち消す
ことができ、出力マイクロ波周波数の長期的安定性を確
保することができる。
また、本発明の第２の発明によると、光・マイクロ波二
重共鳴部を、真空中で相互に交差するルビジウムビー
ム、マイクロ波、レーザビームにて構成することによ
り、ルビジウムガスとバッファガスの衝突による周波数
シフトを除去することができ、レーザ励起ルビジウム原
子発振器の周波数確度を向上させることができる。
重共鳴部を、真空中で相互に交差するルビジウムビー
ム、マイクロ波、レーザビームにて構成することによ
り、ルビジウムガスとバッファガスの衝突による周波数
シフトを除去することができ、レーザ励起ルビジウム原
子発振器の周波数確度を向上させることができる。
第１図は本発明の第１の発明のレーザ励起ルビジウム原
子発振器の１実施例のブロック構成図、第２図は本発明
の第２の発明のレーザ励起ルビジウム原子発振器の光・
マイクロ波二重共鳴部の斜視図、第３図は従来のレーザ
励起ルビジウム原子発振器のブロック構成図、第４図は
ルビジウム87原子のエネルギー準位図、第５図はＢスペ
クトル、Ｃスペクトルの例を示すグラフ、第６図は同期
検波器出力の例を示すグラフ、第７図は光シフト特性を
示すグラフ、第８図は二重共鳴スペクトル変形の例を示
すグラフ、第９図は非対称量の定義を説明するための
図、第10図は非対称量の特性を示すグラフ、第11図はマ
イクロ波周波数の長期安定度を示すグラフである。 1:レーザ、2:ガスセル又は共鳴セル、3:マイクロ波空洞
共振器、4:光検出器、5:電圧制御水晶発振器、6:周波数
シンセサイザ、7:変調波発振器、8:同期検波器、9:サー
ボ制御装置、10:電流源、11:演算制御装置、12:ループ
スイッチ、13:ルビジウムオーブン、14:ルビジウムビー
ム、15:マイクロ波発生器、16:マイクロ波、17:レーザ
ビーム
子発振器の１実施例のブロック構成図、第２図は本発明
の第２の発明のレーザ励起ルビジウム原子発振器の光・
マイクロ波二重共鳴部の斜視図、第３図は従来のレーザ
励起ルビジウム原子発振器のブロック構成図、第４図は
ルビジウム87原子のエネルギー準位図、第５図はＢスペ
クトル、Ｃスペクトルの例を示すグラフ、第６図は同期
検波器出力の例を示すグラフ、第７図は光シフト特性を
示すグラフ、第８図は二重共鳴スペクトル変形の例を示
すグラフ、第９図は非対称量の定義を説明するための
図、第10図は非対称量の特性を示すグラフ、第11図はマ
イクロ波周波数の長期安定度を示すグラフである。 1:レーザ、2:ガスセル又は共鳴セル、3:マイクロ波空洞
共振器、4:光検出器、5:電圧制御水晶発振器、6:周波数
シンセサイザ、7:変調波発振器、8:同期検波器、9:サー
ボ制御装置、10:電流源、11:演算制御装置、12:ループ
スイッチ、13:ルビジウムオーブン、14:ルビジウムビー
ム、15:マイクロ波発生器、16:マイクロ波、17:レーザ
ビーム
Claims (4)
- 【請求項１】ルビジウムガスにポンピング用のレーザ光
と位相変調したマイクロ波を同時に照射して光・マイク
ロ波二重共鳴を起こさせ、光・マイクロ波二重共鳴部を
透過したポンピング光強度信号を同期検波してその出力
がゼロになるようにマイクロ波の周波数を制御するレー
ザ励起ルビジウム原子発振器において、光・マイクロ波
二重共鳴部に位相変調したマイクロ波を印加するマイク
ロ波発振器の周波数を掃引する周波数掃引手段と、同期
検波出力を積分する同期検波出力積分手段と、同期検波
出力積分手段による積分値をゼロにするようにポンピン
グ用レーザ光の周波数を制御するポンピング用レーザ光
周波数制御手段とを備えていることを特徴とするレーザ
励起ルビジウム原子発振器。 - 【請求項２】同期検波出力をマイクロ波発振器へ帰還す
る回路と、同期検波出力積分手段とを定期的に切り換え
る手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザ
励起ルビジウム原子発振器。 - 【請求項３】ルビジウムガスにポンピング用のレーザ光
と位相変調したマイクロ波を同時に照射して光・マイク
ロ波二重共鳴を起こさせ、光・マイクロ波二重共鳴部を
透過したポンピング光強度信号を同期検波してその出力
がゼロになるようにマイクロ波の周波数を制御するレー
ザ励起ルビジウム原子発振器において、光・マイクロ波
二重共鳴部を、真空中でルビジウムビーム、マイクロ
波、レーザビームの３本のビームが相互に異なる方向か
ら交差する交差部で構成し、かつ、光・マイクロ波二重
共鳴部に位相変調したマイクロ波を印加するマイクロ波
発振器の周波数を掃引する周波数掃引手段と、同期検波
出力を積分する同期検波出力積分手段と、同期検波出力
積分手段による積分値をゼロにするようにポンピング用
レーザ光の周波数を制御するポンピング用レーザ光周波
数制御手段とを備えていることを特徴とするレーザ励起
ルビジウム原子発振器。 - 【請求項４】同時検波出力をマイクロ波発振器へ帰還す
る回路と、同期検波出力積分手段とを定期的に切り換え
る手段を設けたことを特徴とする請求項３記載のレーザ
励起ルビジウム原子発振器。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1214700A JPH0783265B2 (ja) | 1989-08-21 | 1989-08-21 | レーザ励起ルビジウム原子発振器 |
| DE69025674T DE69025674T2 (de) | 1989-08-21 | 1990-08-20 | Lasergepumpter Atomfrequenzstandard mit hoher Frequenzstabilität |
| EP90115938A EP0414194B1 (en) | 1989-08-21 | 1990-08-20 | Laser pumped atomic frequency standard with high frequency stability |
| US07/754,268 US5148437A (en) | 1989-08-21 | 1991-08-29 | Laser pumped atomic frequency standard with high frequency stability |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1214700A JPH0783265B2 (ja) | 1989-08-21 | 1989-08-21 | レーザ励起ルビジウム原子発振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0378319A JPH0378319A (ja) | 1991-04-03 |
| JPH0783265B2 true JPH0783265B2 (ja) | 1995-09-06 |
Family
ID=16660157
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1214700A Expired - Fee Related JPH0783265B2 (ja) | 1989-08-21 | 1989-08-21 | レーザ励起ルビジウム原子発振器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5148437A (ja) |
| EP (1) | EP0414194B1 (ja) |
| JP (1) | JPH0783265B2 (ja) |
| DE (1) | DE69025674T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5150372A (en) * | 1991-09-13 | 1992-09-22 | Hughes Aircraft Company | Frequency sweeping phase-locked-loop synthesizer power supply for CO2 waveguide laser |
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| US5442326A (en) * | 1994-09-09 | 1995-08-15 | Westinghouse Electric Corporation | Atomic time standard with piezoelectric stabilization of diode laser light source |
| EP0732811A1 (fr) * | 1995-03-14 | 1996-09-18 | Observatoire Cantonal De Neuchatel | Etalon de fréquence atomique |
| DE69529209T2 (de) * | 1995-03-14 | 2003-11-13 | Brown & Sharpe Tesa S.A., Renens | Element mit einem geregelten Diodenlaser, und elektrooptische Vorrichtung unter Verwendung eines derartigen Elements |
| JPH08335876A (ja) * | 1995-06-09 | 1996-12-17 | Fujitsu Ltd | ルビジウム原子発振器 |
| US5606291A (en) * | 1995-11-06 | 1997-02-25 | Northrop Grumman Corporation | Miniature atomic frequency standard controlled by a digital processor |
| US5657340A (en) * | 1996-04-19 | 1997-08-12 | The Aerospace Corporation | Rubidium atomic clock with fluorescence optical pumping and method using same |
| US7550963B1 (en) * | 1996-09-20 | 2009-06-23 | The Regents Of The University Of California | Analytical scanning evanescent microwave microscope and control stage |
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| US6407846B1 (en) | 2001-03-16 | 2002-06-18 | All Optical Networks, Inc. | Photonic wavelength shifting method |
| US20020131125A1 (en) * | 2001-03-16 | 2002-09-19 | Myers Michael H. | Replicated-spectrum photonic transceiving |
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| RU2369959C1 (ru) * | 2008-04-07 | 2009-10-10 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой |
| RU2369958C1 (ru) * | 2008-04-07 | 2009-10-10 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой |
| US20090296760A1 (en) * | 2008-05-27 | 2009-12-03 | Miao Zhu | Optical Pumping Apparatus and Method to Reduce AC Stark Shift in Atomic Frequency Standards |
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| JP2010232792A (ja) * | 2009-03-26 | 2010-10-14 | Seiko Epson Corp | 原子発振器 |
| RU2408978C1 (ru) * | 2009-07-13 | 2011-01-10 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой |
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| CN103645627B (zh) * | 2013-11-29 | 2016-06-22 | 中国科学院武汉物理与数学研究所 | 一种切换微波频率实现Ramsey-CPT原子钟的装置及方法 |
| CN103809426B (zh) * | 2014-03-13 | 2017-02-15 | 北京大学 | 单电子原子光钟及其制备方法 |
| CN105388747B (zh) * | 2015-12-04 | 2017-10-13 | 兰州空间技术物理研究所 | 一种数字一体化的cpt原子钟控制系统 |
| CN107193035B (zh) * | 2017-06-28 | 2023-11-14 | 华中科技大学 | 一种原子干涉仪中基于微波回泵原子的探测系统及方法 |
| CN107543611A (zh) * | 2017-09-25 | 2018-01-05 | 江汉大学 | 一种原子谱线探测装置及系统闭环时间测量方法、调制频率与光强检测频率的控制方法 |
| FR3074973B1 (fr) | 2017-12-12 | 2019-12-06 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Emetteur d'un signal optique monochromatique |
| US10859980B2 (en) * | 2017-12-29 | 2020-12-08 | Texas Instruments Incorporated | Molecular atomic clock with wave propagating rotational spectroscopy cell |
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| CN110768097B (zh) * | 2019-10-11 | 2020-12-08 | 温州激光与光电子协同创新中心 | 基于调制转移谱稳频激光的光抽运铷原子钟及其制备方法 |
| CN110784217A (zh) * | 2019-10-11 | 2020-02-11 | 浙江法拉第激光科技有限公司 | 基于微波-光频调制转移技术的铯微波原子钟及实现方法 |
| CN111208724B (zh) * | 2020-01-13 | 2020-11-27 | 北京大学 | 基于微型原子气室的芯片主动光钟及其实现方法 |
| US20240243543A1 (en) * | 2023-01-17 | 2024-07-18 | Adva Optical Networking Se | Method and apparatus for compensating a reference frequency shift |
| CN121453269B (zh) * | 2025-12-31 | 2026-04-10 | 合肥国家实验室 | 一种压力原级计量系统和光学压力计 |
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1989
- 1989-08-21 JP JP1214700A patent/JPH0783265B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-08-20 EP EP90115938A patent/EP0414194B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-08-20 DE DE69025674T patent/DE69025674T2/de not_active Expired - Fee Related
-
1991
- 1991-08-29 US US07/754,268 patent/US5148437A/en not_active Expired - Fee Related
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| EP0414194B1 (en) | 1996-03-06 |
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