JPH10284772A - 原子発振器 - Google Patents
原子発振器Info
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- JPH10284772A JPH10284772A JP9821497A JP9821497A JPH10284772A JP H10284772 A JPH10284772 A JP H10284772A JP 9821497 A JP9821497 A JP 9821497A JP 9821497 A JP9821497 A JP 9821497A JP H10284772 A JPH10284772 A JP H10284772A
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Landscapes
- Lasers (AREA)
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光源部がランプ励起方式、ＬＤ励起方式の場
合において、光入力窓の開口径を小さくしても光ポンピ
ングの効率を悪化させず、またカットオフ導波管を用い
なくても空洞共振器のＱ値を落とさないようにするとと
もに、装置の小型化を図った原子発振器を提供する。 【解決手段】 光源部１と光入力窓２２ａとの間の励起
光の光路上にレンズ２８を備えることによって、レンズ
２８によって励起光の光束の径を変え、光入力窓２２ａ
を励起光が通過するときには光束の径を小さくし、光入
力窓２２ａを通過した後は光束の径が大きくするように
した。
合において、光入力窓の開口径を小さくしても光ポンピ
ングの効率を悪化させず、またカットオフ導波管を用い
なくても空洞共振器のＱ値を落とさないようにするとと
もに、装置の小型化を図った原子発振器を提供する。 【解決手段】 光源部１と光入力窓２２ａとの間の励起
光の光路上にレンズ２８を備えることによって、レンズ
２８によって励起光の光束の径を変え、光入力窓２２ａ
を励起光が通過するときには光束の径を小さくし、光入
力窓２２ａを通過した後は光束の径が大きくするように
した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、周波数の基準とな
る標準周波数信号を出力するガスセル型原子発振器に係
り、特に小型・簡素にして高い周波数安定度が得られる
ガスセル型原子発振器に関する。
る標準周波数信号を出力するガスセル型原子発振器に係
り、特に小型・簡素にして高い周波数安定度が得られる
ガスセル型原子発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスセル型原子発振器は、原子固有の共
鳴周波数を周波数基準とした極めて安定度の高い発振器
である。例として、金属原子にルビジウムを用いた原子
発振器の場合では、実用的な２次標準器として通信，放
送，航法，ＧＰＳ衛星等多岐にわたる分野に利用されて
いる。
鳴周波数を周波数基準とした極めて安定度の高い発振器
である。例として、金属原子にルビジウムを用いた原子
発振器の場合では、実用的な２次標準器として通信，放
送，航法，ＧＰＳ衛星等多岐にわたる分野に利用されて
いる。
【０００３】図３はガスセル型原子発振器の基本構成図
である。図３において、電圧制御水晶発振器５の出力
（周波数ｆ1 ）を周波数合成・逓倍回路４にて周波数合
成・逓倍し、原子の共鳴周波数ｆ2 に近いマイクロ波
（周波数Ｎ・ｆ1 ）を発生させる。このマイクロ波を二
重共鳴部２に供給すとともに、光源部１から出射された
励起光を二重共鳴部２へ照射して、二重共鳴現象を起こ
させる。二重共鳴部２からは、周波数合成・逓倍回路４
から加えたマイクロ波周波数（Ｎ・ｆ1 ）と共鳴周波数
（ｆ2 ）との周波数差( Ｎ・ｆ1 −ｆ2 ) に対応した電
気信号が出力される。そして、信号処理制御装置３はこ
の周波数差がゼロになるように電圧制御水晶発振器５の
発振周波数を制御する。この電圧制御水晶発振器５の出
力（周波数ｆ1 ）を標準周波数出力として利用する。
である。図３において、電圧制御水晶発振器５の出力
（周波数ｆ1 ）を周波数合成・逓倍回路４にて周波数合
成・逓倍し、原子の共鳴周波数ｆ2 に近いマイクロ波
（周波数Ｎ・ｆ1 ）を発生させる。このマイクロ波を二
重共鳴部２に供給すとともに、光源部１から出射された
励起光を二重共鳴部２へ照射して、二重共鳴現象を起こ
させる。二重共鳴部２からは、周波数合成・逓倍回路４
から加えたマイクロ波周波数（Ｎ・ｆ1 ）と共鳴周波数
（ｆ2 ）との周波数差( Ｎ・ｆ1 −ｆ2 ) に対応した電
気信号が出力される。そして、信号処理制御装置３はこ
の周波数差がゼロになるように電圧制御水晶発振器５の
発振周波数を制御する。この電圧制御水晶発振器５の出
力（周波数ｆ1 ）を標準周波数出力として利用する。
【０００４】図４は従来の原子発振器の二重共鳴部２の
構成図である。従来の二重共鳴部２は、空洞共振器２２
と、空洞共振器２２の中心に配置された金属原子を封入
したガスセル２１と、励起光を空洞共振器２２へ導入す
るとともに空洞共振器２２内のマイクロ波の漏洩を防止
するためのカットオフ導波管２２ｂと、カットオフ導波
管２２ｂから空洞共振器２２へ励起光を採り入れる光入
力窓２２ａと、光入力窓２２ａとガスセル２１を挟んで
対極する位置にガスセル２１を透過した光を受光しその
光強度を電気信号に変換して出力する光電変換素子２３
と、周波数合成・逓倍回路４から出力されるマイクロ波
を空洞共振器２２に供給するマイクロ波アンテナ（マイ
クロ波供給手段）２４とを備えている。空洞共振器２２
の外側にはガスセル２１の全長にわたり安定な直流平行
磁場を発生する静磁場コイル２７と、ガスセル２１と空
洞共振器２２とを加熱・恒温化する恒温ヒータ２６と、
外部磁場変動を除去する複数の磁気シールド槽２５とが
ある。
構成図である。従来の二重共鳴部２は、空洞共振器２２
と、空洞共振器２２の中心に配置された金属原子を封入
したガスセル２１と、励起光を空洞共振器２２へ導入す
るとともに空洞共振器２２内のマイクロ波の漏洩を防止
するためのカットオフ導波管２２ｂと、カットオフ導波
管２２ｂから空洞共振器２２へ励起光を採り入れる光入
力窓２２ａと、光入力窓２２ａとガスセル２１を挟んで
対極する位置にガスセル２１を透過した光を受光しその
光強度を電気信号に変換して出力する光電変換素子２３
と、周波数合成・逓倍回路４から出力されるマイクロ波
を空洞共振器２２に供給するマイクロ波アンテナ（マイ
クロ波供給手段）２４とを備えている。空洞共振器２２
の外側にはガスセル２１の全長にわたり安定な直流平行
磁場を発生する静磁場コイル２７と、ガスセル２１と空
洞共振器２２とを加熱・恒温化する恒温ヒータ２６と、
外部磁場変動を除去する複数の磁気シールド槽２５とが
ある。
【０００５】ここで光・マイクロ波二重共鳴現象につい
て、図５に示すルビジウム原子のエネルギー準位の３準
位原子系モデルを例に説明する。図５（ａ）に示すよう
に、熱平衡状態におけるルビジウム原子は、基底準位
（５Ｓ1/2 ）の２つの超微細準位（Ｆ＝１，Ｆ＝２）に
等分に分布している。この時共鳴周波数に合った波長の
励起光をルビジウム原子に照射すると、図５（ｂ）に示
すように、基底準位の高い超微細準位（５Ｓ1/2 ，Ｆ＝
２）にあるルビジウム原子は変化を受けないが、低い超
微細準位（５Ｓ1/2 ，Ｆ＝１）にあるルビジウム原子は
励起光の光エネルギーを吸収して、励起準位（５
Ｐ3/2 ）に光ポンピングされる。励起準位（５Ｐ3/2 ）
にポンピングされたルビジウム原子は、次の瞬間いま得
たエネルギーを自然放出して、基底準位（５Ｓ1/2 ）の
２つの超微細準位（Ｆ＝１，Ｆ＝２）に等確率に落ち
る。励起光を照射し続けることによりこの過程が繰り返
され、ルビジウム原子のほとんどが基底準位の高い超微
細準位（５Ｓ1/2 ，Ｆ＝２）に集められ、反転分布の状
態となる。この状態でルビジウム原子固有の共鳴周波数
に近いマイクロ波を加えると、図５（ｃ）に示すよう
に、共振によりエネルギーを放出し、基底準位の低い超
微細準位（５Ｓ1/2 ，Ｆ＝１）に誘導放出される。低い
準位の原子は励起光により、再度励起準位へと光ポンピ
ングされるが、加えられるマイクロ波周波数が共鳴周波
数からずれると、誘導放出される原子の数が減り、その
結果として低い準位の原子数は減り、光ポンピングがお
こらず、したがって光の吸収がおこらない。すなわち、
マイクロ波周波数と透過光レベルの関係は図５（ｄ）の
ようになる。その結果、ガスセル２１を透過した光（透
過光）レベルを光電変換素子２３で検出し、透過光レベ
ルが常に最小となるようにマイクロ波周波数を制御する
ことにより、原子固有共鳴周波数が持つ極めて安定な周
波数が移乗した標準周波数を得ることができる。
て、図５に示すルビジウム原子のエネルギー準位の３準
位原子系モデルを例に説明する。図５（ａ）に示すよう
に、熱平衡状態におけるルビジウム原子は、基底準位
（５Ｓ1/2 ）の２つの超微細準位（Ｆ＝１，Ｆ＝２）に
等分に分布している。この時共鳴周波数に合った波長の
励起光をルビジウム原子に照射すると、図５（ｂ）に示
すように、基底準位の高い超微細準位（５Ｓ1/2 ，Ｆ＝
２）にあるルビジウム原子は変化を受けないが、低い超
微細準位（５Ｓ1/2 ，Ｆ＝１）にあるルビジウム原子は
励起光の光エネルギーを吸収して、励起準位（５
Ｐ3/2 ）に光ポンピングされる。励起準位（５Ｐ3/2 ）
にポンピングされたルビジウム原子は、次の瞬間いま得
たエネルギーを自然放出して、基底準位（５Ｓ1/2 ）の
２つの超微細準位（Ｆ＝１，Ｆ＝２）に等確率に落ち
る。励起光を照射し続けることによりこの過程が繰り返
され、ルビジウム原子のほとんどが基底準位の高い超微
細準位（５Ｓ1/2 ，Ｆ＝２）に集められ、反転分布の状
態となる。この状態でルビジウム原子固有の共鳴周波数
に近いマイクロ波を加えると、図５（ｃ）に示すよう
に、共振によりエネルギーを放出し、基底準位の低い超
微細準位（５Ｓ1/2 ，Ｆ＝１）に誘導放出される。低い
準位の原子は励起光により、再度励起準位へと光ポンピ
ングされるが、加えられるマイクロ波周波数が共鳴周波
数からずれると、誘導放出される原子の数が減り、その
結果として低い準位の原子数は減り、光ポンピングがお
こらず、したがって光の吸収がおこらない。すなわち、
マイクロ波周波数と透過光レベルの関係は図５（ｄ）の
ようになる。その結果、ガスセル２１を透過した光（透
過光）レベルを光電変換素子２３で検出し、透過光レベ
ルが常に最小となるようにマイクロ波周波数を制御する
ことにより、原子固有共鳴周波数が持つ極めて安定な周
波数が移乗した標準周波数を得ることができる。
【０００６】なお、図４において、通常ガスセル２１内
には二重共鳴の共鳴スペクトル幅（図５（ｄ）に示す透
過光レベルの急峻さ）を狭くするため、緩衝気体として
不活性ガスをルビジウムと共に封入する。
には二重共鳴の共鳴スペクトル幅（図５（ｄ）に示す透
過光レベルの急峻さ）を狭くするため、緩衝気体として
不活性ガスをルビジウムと共に封入する。
【０００７】図３において、光源部１は、キャリアガス
とともに原子を封入したランプセルを高周波励振して放
電させ、所望波長を含む幅広いスペクトラムを持った放
電光を励起光としたランプ励起方式と、コヒーレントな
単一スペクトラムの光が得られる半導体レーザ（Ｌaser
Ｄiode：以下「ＬＤ」と記す。）を励起光としたＬＤ励
起方式がある。
とともに原子を封入したランプセルを高周波励振して放
電させ、所望波長を含む幅広いスペクトラムを持った放
電光を励起光としたランプ励起方式と、コヒーレントな
単一スペクトラムの光が得られる半導体レーザ（Ｌaser
Ｄiode：以下「ＬＤ」と記す。）を励起光としたＬＤ励
起方式がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来のガスセル型原子
発振器においては、光源部１がランプ励起方式の場合、
励起光をガスセル２１全体に照射させることにより光ポ
ンピングを効率良くおこなうため、光入力窓２２ａの開
口径を大きくする必要があった。また、ＬＤ励起方式の
場合でも、上記と同様の理由により励起光の光束を複合
レンズにより太く成形し、光入力窓２２ａへ導入してい
た。しかし光入力窓２２ａの開口径を大きくすると、空
洞共振器２２の損失が大きくなり共振器のＱ値が下がる
ため、その対策として開口径と同じ径を持つカットオフ
導波管２２ｂを付けなければならなかった。
発振器においては、光源部１がランプ励起方式の場合、
励起光をガスセル２１全体に照射させることにより光ポ
ンピングを効率良くおこなうため、光入力窓２２ａの開
口径を大きくする必要があった。また、ＬＤ励起方式の
場合でも、上記と同様の理由により励起光の光束を複合
レンズにより太く成形し、光入力窓２２ａへ導入してい
た。しかし光入力窓２２ａの開口径を大きくすると、空
洞共振器２２の損失が大きくなり共振器のＱ値が下がる
ため、その対策として開口径と同じ径を持つカットオフ
導波管２２ｂを付けなければならなかった。
【０００９】ここで、空洞共振器２２の光入力窓２２ａ
の開口径と最適なカットオフ導波管２２ｂの長さ寸法に
ついて考察するための解析モデルを図６に示す。空洞共
振器２２の共振長Ｌは、光入力窓２２ａの開口径φ２Ｒ
c とカットオフ導波管２２ｂの長さＬc により、わずか
に変化する。空洞共振器２２の共振長Ｌの変化量ΔＬは
近似的に（１）式で表される。 tan β1 ΔＬ＝Ｋ×（ＺR ／Ｚ0 ×coshα1 Ｌc ＋sinhα1 Ｌc ）／（ＺR ／ Ｚ0 ×sinhα1 Ｌc ＋coshα1 Ｌc ） ………（１） ここで、 Ｋ＝［｛２（Ｒc ／Ｒk ）×Ｊ1 （Ｒc ／Ｒk ×
ｘ1 ）｝／｛（１−（Ｒc／Ｒk ）2 ）×Ｊ0(ｘ1)×ｘ
1 ｝］×β1 ／α1 β1 ＝√｛（２π／λ）2 −ｘ1 ／Ｒk ｝ α1 ＝√｛（ｘ1 ／Ｒc ）2 −（２π／λ）2 ｝ ｘ1 ＝３．８３１７１ λは共振波長 Ｚ0 は特性インピーダンス Ｒk は空洞共振器の内径 Ｊ0 は次数０のベッセル（Bessel）関数 Ｊ1 は次数１のベッセル（Bessel）関数である。また、
ＺR はカットオフ導波管２２ｂの開口から外方を見たイ
ンピーダンスであるが、原子発振器では開口付近にフィ
ルタセル、光電変換素子、レンズなどがあるためにイン
ピーダンスは確定せず、空洞共振器２２の共振長Ｌの変
化量ΔＬは、複素数（ＺR ）を考える必要があるため、
（１）式の根ΔＬは（２）式のように不確定な複素数と
なる。 ΔＬ＝ΔＬ' ＋ｊΔＬ'' ………（２） このように考える時、ＺR がいかなる値をとっても共振
長Ｌの実質的な変化量ΔＬ' は、（３）式の不等式で示
される。 １／β1 tan -1｛Ｋtanhα1 Ｌc ｝≦ΔＬ' ＜１／β1 tan -1｛Ｋcothα1 Ｌ c ｝ ………（３） ここで、ΔＬ' の下限はＺR が零の場合であり、上限は
ＺR が無限大の場合である。この関係より、ＺR がどの
ような値であっても、空洞共振器２２の共振長Ｌの変化
量ΔＬ' は上式の範囲内にあることがわかる。例えばル
ビジウムの場合での数値計算例として、空洞共振器２２
の内径２ＲKがφ７０ｍｍで周波数６．８３４６８ＧＨ
ｚの時に、開口径の大きさを変えた場合のカットオフ導
波管２２ｂの長さＬC に対する変化量ΔＬ' の上限およ
び下限を図７に示す。図において、実線は上限を、点線
は下限をそれぞれ表す。この図から開口径〔ＲC ／
ＲK 〕が小さければ変化量ΔＬ' が小さいことがわか
る。また開口径〔ＲC ／ＲK 〕を大くしていくとカット
オフ導波管２２ｂを長くしなければ、変化量ΔＬ' すな
わち空洞共振器２２の共振長Ｌを確定できない。例えば
２ＲC をφ３５ｍｍとした場合にＲC ／ＲK ＝０．５と
なり、この時のカットオフ導波管２２ｂの最適長さ（最
も短く、かつ、空洞共振器２２の共振長Ｌが確定する）
ＬC は図７より２０ｍｍ以上となる。
の開口径と最適なカットオフ導波管２２ｂの長さ寸法に
ついて考察するための解析モデルを図６に示す。空洞共
振器２２の共振長Ｌは、光入力窓２２ａの開口径φ２Ｒ
c とカットオフ導波管２２ｂの長さＬc により、わずか
に変化する。空洞共振器２２の共振長Ｌの変化量ΔＬは
近似的に（１）式で表される。 tan β1 ΔＬ＝Ｋ×（ＺR ／Ｚ0 ×coshα1 Ｌc ＋sinhα1 Ｌc ）／（ＺR ／ Ｚ0 ×sinhα1 Ｌc ＋coshα1 Ｌc ） ………（１） ここで、 Ｋ＝［｛２（Ｒc ／Ｒk ）×Ｊ1 （Ｒc ／Ｒk ×
ｘ1 ）｝／｛（１−（Ｒc／Ｒk ）2 ）×Ｊ0(ｘ1)×ｘ
1 ｝］×β1 ／α1 β1 ＝√｛（２π／λ）2 −ｘ1 ／Ｒk ｝ α1 ＝√｛（ｘ1 ／Ｒc ）2 −（２π／λ）2 ｝ ｘ1 ＝３．８３１７１ λは共振波長 Ｚ0 は特性インピーダンス Ｒk は空洞共振器の内径 Ｊ0 は次数０のベッセル（Bessel）関数 Ｊ1 は次数１のベッセル（Bessel）関数である。また、
ＺR はカットオフ導波管２２ｂの開口から外方を見たイ
ンピーダンスであるが、原子発振器では開口付近にフィ
ルタセル、光電変換素子、レンズなどがあるためにイン
ピーダンスは確定せず、空洞共振器２２の共振長Ｌの変
化量ΔＬは、複素数（ＺR ）を考える必要があるため、
（１）式の根ΔＬは（２）式のように不確定な複素数と
なる。 ΔＬ＝ΔＬ' ＋ｊΔＬ'' ………（２） このように考える時、ＺR がいかなる値をとっても共振
長Ｌの実質的な変化量ΔＬ' は、（３）式の不等式で示
される。 １／β1 tan -1｛Ｋtanhα1 Ｌc ｝≦ΔＬ' ＜１／β1 tan -1｛Ｋcothα1 Ｌ c ｝ ………（３） ここで、ΔＬ' の下限はＺR が零の場合であり、上限は
ＺR が無限大の場合である。この関係より、ＺR がどの
ような値であっても、空洞共振器２２の共振長Ｌの変化
量ΔＬ' は上式の範囲内にあることがわかる。例えばル
ビジウムの場合での数値計算例として、空洞共振器２２
の内径２ＲKがφ７０ｍｍで周波数６．８３４６８ＧＨ
ｚの時に、開口径の大きさを変えた場合のカットオフ導
波管２２ｂの長さＬC に対する変化量ΔＬ' の上限およ
び下限を図７に示す。図において、実線は上限を、点線
は下限をそれぞれ表す。この図から開口径〔ＲC ／
ＲK 〕が小さければ変化量ΔＬ' が小さいことがわか
る。また開口径〔ＲC ／ＲK 〕を大くしていくとカット
オフ導波管２２ｂを長くしなければ、変化量ΔＬ' すな
わち空洞共振器２２の共振長Ｌを確定できない。例えば
２ＲC をφ３５ｍｍとした場合にＲC ／ＲK ＝０．５と
なり、この時のカットオフ導波管２２ｂの最適長さ（最
も短く、かつ、空洞共振器２２の共振長Ｌが確定する）
ＬC は図７より２０ｍｍ以上となる。
【００１０】ところで、小型化のためにカットオフ導波
管２２ｂを用いないで、光入力窓２２ａの開口径を小さ
くすると励起光のガスセル２１への照射面積が減り、最
適な光ポンピングができないことになる。
管２２ｂを用いないで、光入力窓２２ａの開口径を小さ
くすると励起光のガスセル２１への照射面積が減り、最
適な光ポンピングができないことになる。
【００１１】近年原子発振器は、より小型化、高性能化
が求められている。小型化のためにはカットオフ導波管
２２ｂを付けないことが望ましい。しかし、カットオフ
導波管２２ｂを付けないことによる空洞共振器２２の損
失（Ｑ値の低下）を補うためにはマイクロ波電力を多く
供給しなければならなくなり、今度はマイクロ波電力の
安定性が原子発振器の性能に大きく係わってくる。また
前述の解析より、光入力窓２２ａ付近にインピーダンス
変化があると、空洞共振器２２のＱ値が変化してしまう
ため安定度が劣化する。通常、空洞共振器２２の共振長
Ｌは固定であるため、外部インピーダンスの影響による
空洞共振器２２の実効的な共振長の変動量を補正するこ
とは不可能である。高性能化を目指す場合には、カット
オフ導波管２２ｂを付けることにより空洞共振器２２の
Ｑ値を上げることが望ましいが、小型化と相反する結果
となる。カットオフ導波管２２ｂを付けて、かつ、小型
化するために、最外郭の磁気シールド槽２５の光入力側
をカットオフ導波管２２ｂの管端面に合わせることも考
えられるが、磁気シールド槽２５の励起光を入力する窓
の開口径が大きくなることによる外部磁場の漏れ込み増
加と、空洞共振器２２を温度安定化する際に周囲温度の
変動が直接カットオフ導波管２２ｂから熱伝導されてし
まう問題が生じてしまい、やはり原子発振器の性能の劣
化を招く。
が求められている。小型化のためにはカットオフ導波管
２２ｂを付けないことが望ましい。しかし、カットオフ
導波管２２ｂを付けないことによる空洞共振器２２の損
失（Ｑ値の低下）を補うためにはマイクロ波電力を多く
供給しなければならなくなり、今度はマイクロ波電力の
安定性が原子発振器の性能に大きく係わってくる。また
前述の解析より、光入力窓２２ａ付近にインピーダンス
変化があると、空洞共振器２２のＱ値が変化してしまう
ため安定度が劣化する。通常、空洞共振器２２の共振長
Ｌは固定であるため、外部インピーダンスの影響による
空洞共振器２２の実効的な共振長の変動量を補正するこ
とは不可能である。高性能化を目指す場合には、カット
オフ導波管２２ｂを付けることにより空洞共振器２２の
Ｑ値を上げることが望ましいが、小型化と相反する結果
となる。カットオフ導波管２２ｂを付けて、かつ、小型
化するために、最外郭の磁気シールド槽２５の光入力側
をカットオフ導波管２２ｂの管端面に合わせることも考
えられるが、磁気シールド槽２５の励起光を入力する窓
の開口径が大きくなることによる外部磁場の漏れ込み増
加と、空洞共振器２２を温度安定化する際に周囲温度の
変動が直接カットオフ導波管２２ｂから熱伝導されてし
まう問題が生じてしまい、やはり原子発振器の性能の劣
化を招く。
【００１２】本発明の目的は、前述の光入力窓２２ａと
カットオフ導波管２２ｂの問題点を解決し、小型で高性
能な原子発振器を実現することである。
カットオフ導波管２２ｂの問題点を解決し、小型で高性
能な原子発振器を実現することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、光源部と光入力窓との間の励起光の光路上にレン
ズを備えることとし、該レンズによって励起光の光束の
径を変え、光入力窓を励起光が通過するときには光束の
径を小さくし、光入力窓を通過した後は光束の径が大き
くなるようにした。すなわち、本発明の原子発振器は、
励起光を発生する光源部と、金属原子を封入したガスセ
ルと、該ガスセルを内蔵し、かつ、前記励起光を導入す
る光入力窓、マイクロ波供給手段及び該光入力窓から導
入されて前記ガスセルを透過した励起光を受光し電気信
号に変換する光電変換素子を有しており、前記励起光と
マイクロ波とを受けて光・マイクロ波二重共鳴を起こさ
せる空洞共振器とを含み、該光・マイクロ波二重共鳴が
起きた際に生じる共鳴周波数を検出して周波数の基準に
用いる原子発振器において、前記光源部と前記光入力窓
との間の前記励起光の光路上に配置され、前記励起光が
前記光入力窓を通過した後にその光束が次第に広がるよ
うにするレンズを備えている。
めに、光源部と光入力窓との間の励起光の光路上にレン
ズを備えることとし、該レンズによって励起光の光束の
径を変え、光入力窓を励起光が通過するときには光束の
径を小さくし、光入力窓を通過した後は光束の径が大き
くなるようにした。すなわち、本発明の原子発振器は、
励起光を発生する光源部と、金属原子を封入したガスセ
ルと、該ガスセルを内蔵し、かつ、前記励起光を導入す
る光入力窓、マイクロ波供給手段及び該光入力窓から導
入されて前記ガスセルを透過した励起光を受光し電気信
号に変換する光電変換素子を有しており、前記励起光と
マイクロ波とを受けて光・マイクロ波二重共鳴を起こさ
せる空洞共振器とを含み、該光・マイクロ波二重共鳴が
起きた際に生じる共鳴周波数を検出して周波数の基準に
用いる原子発振器において、前記光源部と前記光入力窓
との間の前記励起光の光路上に配置され、前記励起光が
前記光入力窓を通過した後にその光束が次第に広がるよ
うにするレンズを備えている。
【００１４】
【作用】レンズで励起光の光束の径を小さくして光入力
窓を通過させることができるから、光入力窓の開口径を
小さくできる。光入力窓の開口径が空洞共振器内のマイ
クロ波電磁界を乱さない程度に小さければ、空洞共振器
のＱ値が下がることはないので、カットオフ導波管が必
要無く、またマイクロ波電力も小さい量で励振がおこな
える。レンズで絞りこまれた励起光は光入力窓通過後に
次第に広がり、空洞共振器内部のガスセルへ入射する。
このことにより、励起光は損失が無くガスセル全体に照
射され、また空洞共振器のＱ値が下がらずに最適な励振
がおこなえる。
窓を通過させることができるから、光入力窓の開口径を
小さくできる。光入力窓の開口径が空洞共振器内のマイ
クロ波電磁界を乱さない程度に小さければ、空洞共振器
のＱ値が下がることはないので、カットオフ導波管が必
要無く、またマイクロ波電力も小さい量で励振がおこな
える。レンズで絞りこまれた励起光は光入力窓通過後に
次第に広がり、空洞共振器内部のガスセルへ入射する。
このことにより、励起光は損失が無くガスセル全体に照
射され、また空洞共振器のＱ値が下がらずに最適な励振
がおこなえる。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図１を用いて説明する。図１は、本発明の要部である
二重共鳴部２の構成を主に示している。ただし、発明に
関連する要部について説明するために、マイクロ波アン
テナ２４、静磁場コイル２６、恒温ヒータ２７について
は説明を省略する。また、原子発振器の構成は図３に示
す基本構成と同じであり、光源部１、信号処理制御装置
３、周波数合成・逓倍回路４、および電圧制御水晶発振
器５は従来と同様であるので、その説明は省略する。な
お、この実施の形態では、光源部１からは励起光をガス
セル２１全体に照射できるように、従来の空洞共振器２
２の光入力窓２２ａの開口径に合うような径の大きな光
束の励起光が出力されている。第１の実施の形態の二重
共鳴部２は、金属原子を封入したガスセル２１を内蔵
し、一方の端面に光入力窓２２ａを有し、対向する他方
の端面には光電変換素子２３を有する空洞共振器２２、
該空洞共振器２２を覆う磁気シールド槽２５、及び該磁
気シールド槽２５の光入力窓２５ａに取り付けられたレ
ンズ２８を備えている。レンズ２８は凸レンズである。
破線は励起光の光束を示す。光源部１から出射された励
起光の光束はレンズ２８によって一旦細くなる。励起光
が細くなった部分（この実施の形態ではレンズ２８の焦
点近傍）に光入力窓２２ａが位置し、励起光が損失せず
に該光入力窓２２ａを通過する。光入力窓２２ａの開口
径は空洞共振器２２内のマイクロ波電磁界を乱さない大
きさとなっている。例えば空洞共振器２２の内径がφ７
０ｍｍで開口径が５ｍｍとすると光入力窓２２ａが存在
しない場合とほぼ同じであり、光入力窓２２ａの外近傍
に誘電体が存在しても、そのことにより外部インピーダ
ンスは変化しない。光入力窓２２ａを通過した励起光は
次第に広がりながらガスセル２１を透過し、光電変換素
子２３で受光される。励起光が広がることにより、空洞
共振器２２内の光ポンピングとマイクロ波励振がガスセ
ル２１内の金属原子に大きく作用する。この実施の形態
（図１）ではレンズ２８を内側の磁気シールド槽２５に
配している。通常、外部磁場の影響を除去して高性能化
を図るために、磁気シールド槽は２層以上を施すが、レ
ンズ２８の焦点距離に合わせて、その最外層近傍にレン
ズ２８を配しても良い。二重共鳴部２の小型化を図るに
は、レンズ２８の焦点距離のできるだけ小さいものを使
用するようにすればよい。特に、光源部１にランプセル
を用いる場合には、所望の励起波長を抽出するためにガ
スセル２１の光入射側にフィルタセル２９を挿入する
が、この実施の形態ではレンズ２８とガスセル２１の間
に配置するようにすればよい。また、発明が解決しよう
とする課題の項で説明した空洞共振器２２の寸法を例に
とると、空洞共振器２２の内径がφ７０ｍｍの場合、カ
ットオフ導波管２２ｂの寸法２０ｍｍ分の小型化が図れ
るが、小型化を図らずに、その２０ｍｍ分を、空洞共振
器２２を光軸方向に伸ばし、ガスセル２１を大きくする
ことに当てれば、光・マイクロ波二重共鳴の作用領域を
大きくとることが可能となるので、高性能化の効果が得
られる。
を図１を用いて説明する。図１は、本発明の要部である
二重共鳴部２の構成を主に示している。ただし、発明に
関連する要部について説明するために、マイクロ波アン
テナ２４、静磁場コイル２６、恒温ヒータ２７について
は説明を省略する。また、原子発振器の構成は図３に示
す基本構成と同じであり、光源部１、信号処理制御装置
３、周波数合成・逓倍回路４、および電圧制御水晶発振
器５は従来と同様であるので、その説明は省略する。な
お、この実施の形態では、光源部１からは励起光をガス
セル２１全体に照射できるように、従来の空洞共振器２
２の光入力窓２２ａの開口径に合うような径の大きな光
束の励起光が出力されている。第１の実施の形態の二重
共鳴部２は、金属原子を封入したガスセル２１を内蔵
し、一方の端面に光入力窓２２ａを有し、対向する他方
の端面には光電変換素子２３を有する空洞共振器２２、
該空洞共振器２２を覆う磁気シールド槽２５、及び該磁
気シールド槽２５の光入力窓２５ａに取り付けられたレ
ンズ２８を備えている。レンズ２８は凸レンズである。
破線は励起光の光束を示す。光源部１から出射された励
起光の光束はレンズ２８によって一旦細くなる。励起光
が細くなった部分（この実施の形態ではレンズ２８の焦
点近傍）に光入力窓２２ａが位置し、励起光が損失せず
に該光入力窓２２ａを通過する。光入力窓２２ａの開口
径は空洞共振器２２内のマイクロ波電磁界を乱さない大
きさとなっている。例えば空洞共振器２２の内径がφ７
０ｍｍで開口径が５ｍｍとすると光入力窓２２ａが存在
しない場合とほぼ同じであり、光入力窓２２ａの外近傍
に誘電体が存在しても、そのことにより外部インピーダ
ンスは変化しない。光入力窓２２ａを通過した励起光は
次第に広がりながらガスセル２１を透過し、光電変換素
子２３で受光される。励起光が広がることにより、空洞
共振器２２内の光ポンピングとマイクロ波励振がガスセ
ル２１内の金属原子に大きく作用する。この実施の形態
（図１）ではレンズ２８を内側の磁気シールド槽２５に
配している。通常、外部磁場の影響を除去して高性能化
を図るために、磁気シールド槽は２層以上を施すが、レ
ンズ２８の焦点距離に合わせて、その最外層近傍にレン
ズ２８を配しても良い。二重共鳴部２の小型化を図るに
は、レンズ２８の焦点距離のできるだけ小さいものを使
用するようにすればよい。特に、光源部１にランプセル
を用いる場合には、所望の励起波長を抽出するためにガ
スセル２１の光入射側にフィルタセル２９を挿入する
が、この実施の形態ではレンズ２８とガスセル２１の間
に配置するようにすればよい。また、発明が解決しよう
とする課題の項で説明した空洞共振器２２の寸法を例に
とると、空洞共振器２２の内径がφ７０ｍｍの場合、カ
ットオフ導波管２２ｂの寸法２０ｍｍ分の小型化が図れ
るが、小型化を図らずに、その２０ｍｍ分を、空洞共振
器２２を光軸方向に伸ばし、ガスセル２１を大きくする
ことに当てれば、光・マイクロ波二重共鳴の作用領域を
大きくとることが可能となるので、高性能化の効果が得
られる。
【００１６】図２は、本発明の第２の実施の形態を説明
するための図で、要部である二重共鳴部２の構成を主に
示している。ただし、発明に関連する要部について説明
するために、マイクロ波アンテナ２４、静磁場コイル２
６、恒温ヒータ２７については省略している。また、光
源部１、信号処理制御装置３、周波数合成・逓倍回路
４、および電圧制御水晶発振器５については、その説明
を省略する。なお、この実施の形態では第１の実施の形
態と異なり、光源部１にはＬＤが用いられており、径の
小さい光束の励起光が出力されている。従来の原子発振
器では、光源部１にＬＤが用いられている場合は、ガス
セル２１への照射面積を増すために、光源部１において
複合レンズでビーム径を太く成形し、空洞共振器２２の
光入力窓２２ａの開口径に合うような径の光束の励起光
にして出力していた。第２の実施の形態は、光源部１か
らの励起光の光束の径が小さいこと、レンズ２８に凹レ
ンズを用いてビーム径を広げていること、および、レン
ズ２８はビーム径を広げるだけなので光入力窓２２ａの
開口径を小さくするために、光入力窓２２ａの近傍に設
けられていることを除いて第１の実施の形態と同じであ
る。第２の実施の形態では、レンズ１枚を調整すること
で最適な光ポンピングが行える。このような構造によ
り、マイクロ波電磁界を乱すこと無く二重共鳴現象が最
適におこなわれ、またレンズを付けたことによる空洞共
振器２２の外部のインピーダンスの変化も影響せず、か
つ小型化も図れる。
するための図で、要部である二重共鳴部２の構成を主に
示している。ただし、発明に関連する要部について説明
するために、マイクロ波アンテナ２４、静磁場コイル２
６、恒温ヒータ２７については省略している。また、光
源部１、信号処理制御装置３、周波数合成・逓倍回路
４、および電圧制御水晶発振器５については、その説明
を省略する。なお、この実施の形態では第１の実施の形
態と異なり、光源部１にはＬＤが用いられており、径の
小さい光束の励起光が出力されている。従来の原子発振
器では、光源部１にＬＤが用いられている場合は、ガス
セル２１への照射面積を増すために、光源部１において
複合レンズでビーム径を太く成形し、空洞共振器２２の
光入力窓２２ａの開口径に合うような径の光束の励起光
にして出力していた。第２の実施の形態は、光源部１か
らの励起光の光束の径が小さいこと、レンズ２８に凹レ
ンズを用いてビーム径を広げていること、および、レン
ズ２８はビーム径を広げるだけなので光入力窓２２ａの
開口径を小さくするために、光入力窓２２ａの近傍に設
けられていることを除いて第１の実施の形態と同じであ
る。第２の実施の形態では、レンズ１枚を調整すること
で最適な光ポンピングが行える。このような構造によ
り、マイクロ波電磁界を乱すこと無く二重共鳴現象が最
適におこなわれ、またレンズを付けたことによる空洞共
振器２２の外部のインピーダンスの変化も影響せず、か
つ小型化も図れる。
【００１７】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の原子発振器
は、光源部と光入力窓との間の励起光の光路上にレンズ
を備えることとし、該レンズによって励起光の光束の径
を変え、光入力窓を励起光が通過するときには光束の径
を小さくし、光入力窓を通過した後は光束の径が大きく
なるようにしたから、小型で高性能な原子発振器が実現
できた。詳述すれば、光入力窓を励起光が通過するとき
には光束の径が小さくなるので、光入力窓の開口径を小
さくでき、カットオフ導波管がなくてもマイクロ波電磁
界を乱されず、空洞共振器のＱ値が向上する。また、光
入力窓を通過後励起光が広がるのでガスセルへの照射面
積が増し、効率のよい二重共鳴が得られ、原子発振器の
性能が向上する。さらに、カットオフ導波管を付けない
ことにより小型化が図れる。つまり、原子発振器の性能
を向上しながら、装置の小型化も達成できる。
は、光源部と光入力窓との間の励起光の光路上にレンズ
を備えることとし、該レンズによって励起光の光束の径
を変え、光入力窓を励起光が通過するときには光束の径
を小さくし、光入力窓を通過した後は光束の径が大きく
なるようにしたから、小型で高性能な原子発振器が実現
できた。詳述すれば、光入力窓を励起光が通過するとき
には光束の径が小さくなるので、光入力窓の開口径を小
さくでき、カットオフ導波管がなくてもマイクロ波電磁
界を乱されず、空洞共振器のＱ値が向上する。また、光
入力窓を通過後励起光が広がるのでガスセルへの照射面
積が増し、効率のよい二重共鳴が得られ、原子発振器の
性能が向上する。さらに、カットオフ導波管を付けない
ことにより小型化が図れる。つまり、原子発振器の性能
を向上しながら、装置の小型化も達成できる。
【図１】本発明の第１の実施の形態の二重共鳴部の構成
図である。
図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態の二重共鳴部の構成
図である。
図である。
【図３】ガスセル型原子発振器の基本構成図である。
【図４】従来の原子発振器の二重共鳴部の構成図であ
る。
る。
【図５】ルビジウム原子のエネルギー３準位系の説明図
である。
である。
【図６】カットオフ導波管を付けた空洞共振器の解析モ
デルを示す図である。
デルを示す図である。
【図７】カットオフ導波管の長さと空洞共振器の実効的
な共振長の変化量との関係を示す図である。
な共振長の変化量との関係を示す図である。
１ 光源部 ２ 二重共鳴部 ３ 信号処理制御装置 ４ 周波数合成・逓倍回路 ５ 電圧制御水晶発振器 ２１ ガスセル ２２ 空洞共振器 ２２ａ 光入力窓 ２２ｂ カットオフ導波管 ２３ 光電変換素子 ２４ マイクロ波アンテナ ２５ 磁気シールド槽 ２６ 恒温ヒータ ２７ 静磁場コイル ２８ レンズ ２９ フィルタセル
Claims (1)
- 【請求項１】励起光を発生する光源部（１）と、 金属原子を封入したガスセル（２１）と、 該ガスセルを内蔵し、かつ、前記励起光を導入する光入
力窓（２２ａ）、マイクロ波供給手段（２４）及び該光
入力窓から導入されて前記ガスセルを透過した励起光を
受光し電気信号に変換する光電変換素子（２３）を有し
ており、前記励起光とマイクロ波とを受けて光・マイク
ロ波二重共鳴を起こさせる空洞共振器（２２）とを含
み、 該光・マイクロ波二重共鳴が起きた際に生じる共鳴周波
数を検出して周波数の基準に用いる原子発振器におい
て、 前記光源部と前記光入力窓との間の前記励起光の光路上
に配置され、前記励起光が前記光入力窓を通過した後に
その光束が次第に広がるようにするレンズ（２８）を備
えたことを特徴とする原子発振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9821497A JP3963998B2 (ja) | 1997-03-31 | 1997-03-31 | 原子発振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9821497A JP3963998B2 (ja) | 1997-03-31 | 1997-03-31 | 原子発振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10284772A true JPH10284772A (ja) | 1998-10-23 |
| JP3963998B2 JP3963998B2 (ja) | 2007-08-22 |
Family
ID=14213733
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9821497A Expired - Fee Related JP3963998B2 (ja) | 1997-03-31 | 1997-03-31 | 原子発振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3963998B2 (ja) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7177332B2 (en) | 2003-08-20 | 2007-02-13 | National Institute Of Information And Communications Technology Incorporated Administrative Agency | Laser frequency stabilization device and a method for laser frequency stabilization |
| JP2007336136A (ja) * | 2006-06-14 | 2007-12-27 | Epson Toyocom Corp | 原子発振器、受動形原子発振器、原子発振器の温度制御方法及び受動形原子発振器の温度制御方法 |
| JP2009164334A (ja) * | 2008-01-07 | 2009-07-23 | Epson Toyocom Corp | 原子発振器 |
| JP2009164331A (ja) * | 2008-01-07 | 2009-07-23 | Epson Toyocom Corp | 原子発振器および発振デバイス |
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| US8736386B2 (en) | 2011-07-26 | 2014-05-27 | Seiko Epson Corporation | Gas cell unit and atomic oscillator |
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-
1997
- 1997-03-31 JP JP9821497A patent/JP3963998B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| US8633773B2 (en) | 2011-03-14 | 2014-01-21 | Seiko Epson Corporation | Gas cell unit, atomic oscillator and electronic apparatus |
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| CN103872574A (zh) * | 2014-03-17 | 2014-06-18 | 北京大学 | 一种产生红外2.7微米激光的装置及方法 |
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|---|---|
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