JPS62154821A - ガスセル形原子発振器 - 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】 〔概要〕 ガスセル形原子発振器において、単色光でコヒレントな
光を発光する半導体レーザをポンピング光源とし、半導
体レーザの波長を、原子共鳴信号の低周波変調周波数の
２倍波成分が常に最大となるように制御することで、周
波数短期安定度を格段に向上するようにしたものである
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、通信、計測、放送等の基準クロック発生器と
して使用するガスセル形原子発振器の改良に関する。

原子や分子の共鳴周波数を基準とし、内蔵の水晶発振器
の周波数を制御するガスセル形原子発振器は、優れた周
波数安定度を有する為高安定度周波数源を必要とする分
野に広く用いられているが、更に周波数短期安定度が向
上されることが望ましい。

〔従来の技術〕

第３図は従来例のルビジェムガスセル形原子発振器のブ
ロック図、第４図はマイクロ波周波数変化に対する共鳴
曲線を示す特性図、第５図はマイクロ波周波数変化に対
する同期整流器出力を示す特性図である。

図中１は原子共鳴器、２はルビジュム原子と緩衝気体を
封入しているランプセル、３は空洞共振器、４はルビジ
ュム原子が封入しである共鳴セル、５は光検出器、６は
サーボ回路、７は電圧制御水晶発振器、８は低周波発振
器、９は周波数合成器、１０は同期整流器、１３．１５
は増幅器、１４はコンデンサ、１６は２倍波増幅器、１
９は積分器を示す。

動作を説明すると、ランプ励振器（図指していない）で
高周波放電発光させられるランプセル２のポンピング光
は、共鳴セル４に入射し、これを通過した光量が光検出
器５に達する。

一方電圧制御水晶発振器７の出力は周波数合成器９にて
、低周波発振器８の低周波周波数で変調されると共に周
波数合成され、マイクロ波周波数ｆｘの信号となり空洞
共振器３に達し、原子共鳴周波数と一致すると、共鳴セ
ル４内で原子共鳴が起こって光の吸収が最も強くなるた
め、透過光量が第４図に示す如く急激に減少する。

この減少した光信号を光検出器５が検出し、増幅器１３
で増幅され、コンデンサ１４にて直流はカットされ、増
幅器１５．同期整流器１０．積分器１９．２倍波増幅器
１６よりなるサーボ回路６に入力する。

実際にはマイクロ波は上記説明の如く、低周波数で僅か
に周波数変調がかけられているので、共鳴の中心の上下
では第４図に示す如くその位相が１８０度異ｌ９た変調
周波数と同じ周波数の共鳴信号を得、共鳴周波数の中心
では変調周波数の２倍の周波数の共鳴信号を得る。

従ってこの信号を同期整流器ｌＯにて、低周波発振器８
よりの変調周波数で同期整流し、ローパスフィルタを通
せば第５図に示すような直流信号を得る。

この直流信号がＯとなる、即ちマイクロ波周波数ｆｘが
原子共鳴周波数と一致するように、サーボ回路６により
電圧制御水晶発振器７の周波数が自動制御される。

この場合ガスセル形原子発振器の周波数短期安定度は原
子共鳴器１からの出力である原子共鳴信号のＳ／Ｎで決
まる。

このＳ／Ｎの雑音は、ポンピング光源であるランプセル
２内の原子共鳴に寄与する光とは波長が異なる緩衝気体
からの不要な光による光検出器５における直流出力に起
因している。

即ちこの直流分は原子共鳴には全く関与せず光検出器３
における散弾雑音発生源となる。

したがって、この直流分を出来るだけ小さくすることが
原子共鳴のＳ／Ｎ延いては周波数短期安定度の向上を計
る大きな課題となっている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来のランプセル２を光源とする場合は
、ランプセル２内の緩衝気体の光が共鳴に寄与する光よ
り桁違いに強い為、この直流分を小さくすることは困難
であるので、更に周波数短期安定度の向上を計ることは
困難である問題点がある。

ｃ問題点を解決するための手段〕 半導体レーザは周知の如（単色光で且つコヒレントな光
を発生するので、従来のランプセルを用いた場合に比べ
ると原子共鳴に寄与する光だけを共鳴セルに照射出来る
ことになる。

従って、光検出器における不要光による直流成分が大幅
に減少し、これに基づく散弾雑音を大幅に少なくするこ
とが可能となりガスセル形原子発振器の周波数短期安定
度が格段に向上することが考えられるが、この場合、半
導体レーザの波長は温度変化、注入電流により僅か変化
するので、更に周波数短期安定度を向上するのには、周
波数を可変する要素を、波長が原子共鳴周波数に合致す
るように制御する必要がある点に着目し、第１図の如く
、半導体レーザ１１をポンピング光源とし、且つ原子共
鳴信号の低周波変調周波数の２倍波成分が常に最大とな
るように該半導体レーザ１１の波長を可変する要素を制
御するようにした本発明のガスセル形原子発振器により
、上記問題点は解決される。

〔作用〕

従来例の場合で説明した如く、マイクロ波による原子共
鳴によっても、変調周波数の２倍波信号が得られるが、
本発明は半導体レーザの波長が原子共鳴周波数に全く一
致すると、２倍波信号が最大になる点に着目し、半導体
レーザの波長を可変する要素を２倍波信号が最大になる
ように制御しているので、半導体レーザの波長は全く原
子共鳴周波数に一致し、且つ半導体レーザを用いること
で光検出器のＳ／Ｎが向上するので周波数短期安定度は
向上する。

（実施例〕 第１図は本発明の実施例のルビジェムガスセル形原子発
振器のブロック図、第２図は第１図の場合の波長合致度
に対する低周波変調周波数の２倍波の出力レベルの関係
を示す特性図である。

図中１°は原子共鳴器、１１はレーザダイオ・ド、１２
はレンズ、１７は制御回路、１８はレーザダイオードド
ライバーを示す。

第１図はレーザダイオード１１の波長を原子共鳴周波数
に全（一致するように注入電流をレーザダイオードドラ
イバー１８を介して制御する場合の例である。

第１図で第３図の場合と異なる点は、ポンピング光源と
して、レーザダイオード１１を用い、これよりの光を、
レンズ１２で平行光線として共鳴セル４に入射するよう
にした点と、光検出器５の２倍波増幅器１６の出力を制
御回路１７に入力し、制御回路１７では、２倍波増幅器
１６の出力が最大になるようにレーザダイオードドライ
バー１８を介してレーザダイオード１１の注入電流を制
御している点である。

このようにすれば、レーザダイオード１１の波長は原子
共鳴周波数に全く一致し、且つ光検出器５におけるＳ／
Ｎが向上するので周波数短期安定度を更に向上すること
が出来る。

向上記は注入電流を制御する場合の例を示したが、温度
を変化してレーザダイオード１１の波長を原子共鳴周波
数に全く一致させるには、温度を殆ど一定にする冷却器
（タライオスタット）を、２倍波増幅器１６の出力が最
大になるように制御するようにすればよい。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明せる如く本発明によれば、ポンピング光
源として、単色光でコヒレントな光を発する半導体レー
ザを用い光検出器のＳ／Ｎを向上させ、且つ半導体レー
ザの波長を、原子共鳴周波数に全く一致するように、周
波数可変部分を制御するようにしているので、周波数短
期安定度を更に向上出来る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のルビジェムガスセル形原子発
振器のブロック図、 第２図は第１図の場合の波長合致度に対する低周波変調
周波数の２倍波の出力レベルの関係を示す特性図、 第３図は従来例のルビジェムガスセル形原子発振器のブ
ロック図、 第４図はマイクロ波周波数変化に対する共鳴曲線器用力
を示す特性図である。 図において、 １、ｌｏ　は原子共鳴器、 ２はランプセル、 ３は空洞共振、器、 ４は共鳴セル、 ５は光検出器、 ６はサーボ回路、 ７は電圧制御水晶発振器、 ８は低周波発振器、 ９は周波数合成器、 １０は同期整流器、 １１はレーザダイオード、 １２はレンズ、 １３．１５は増幅器、 １４はコンデンサ、 １６は２倍波増幅器、 １７は制御回路、 卓　２　図 従来σ°１のルどシｉムガ欠セ／Ｕ彩原ｊ穢各ｎ１シの
フｂヮフＺ草３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザ（１１）をポンピング光源とし、且つ原子
   共鳴信号の低周波変調周波数の２倍波成分が常に最大と
   なるように該半導体レーザ（１１）の波長を可変するよ
   うにしたことを特徴とするガスセル形原子発振器。