JPS63191417A - 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

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JPS63191417A
JPS63191417A JP2338587A JP2338587A JPS63191417A JP S63191417 A JPS63191417 A JP S63191417A JP 2338587 A JP2338587 A JP 2338587A JP 2338587 A JP2338587 A JP 2338587A JP S63191417 A JPS63191417 A JP S63191417A
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light
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atomic
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賢治 久留
Masami Kihara
雅巳 木原
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

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
[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+33の基底状
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ν。(9,19263
G11z)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、」二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DI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−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
l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.m
F=0の原子だけが到達する。空胴共振器3は、周波数
がν。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、mP= Oの誘導放出を起こす。すなイ
つち、基底準位F = 4 、mF= O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−3= 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ν。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ν。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ν。
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ν。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、」−記低周波発振器5の出力周波数は、約100
 I−I z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側準位m
F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コ 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。
■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。
■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。
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。
[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
原子ビームを発生ずる原子ビーム発生炉と、前記原子ビ
ームに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、前記共鳴の強
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を
発生ず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
た光を分岐する光分岐手段と、分岐された光を所定の照
射領域に導波する光ファイバとを有する光学系を具備す
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」;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、いわば有線で伝送される。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きる。
[実施例] 以下、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。
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図に示ず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がら出力され
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。
■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。
■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。
第3図(a)は、」1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、L iN bo 3基板」−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Ifで2つに分岐され、光ファイバ
+ 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。
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。
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。
■光分岐素子II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。
■この光結合索子21の第2入力端に、励起用レーザ2
2から出力された準位選択用の第2の光を人力するよう
に構成した点。
なお、これら第11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。
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
バイス七同様に作られる。
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ll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2Iの中
で結合された後、光ファイバI2で導波され、レンズ1
4でコリメートされて、準位選択領域DIで、空胴共振
器3に入る前の原子ビーム7こ照射される。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。
[発明の効果] 以」二説明したように、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。
【図面の簡単な説明】
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側子発振器の励起
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。 l・・・・・・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・・・・・・■CO制
御部、9・・・・VCO(電圧制御発振器)、lO・・
・・・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。 第3図  (0) 1テ皮長J功尽シの補し会 呂 0皿界 、、ILL!   ヨ 町壬ビーム 空胴共B    9濯 6  郭尤 1枇′ フ イI乙オ巨at?号4ツ#             
   M’l@iすφじlり1達1ν0 周濯ぐ1口音孟       周吸り傅綺雅六    
          9              
串(b) 2汐長刀b8の針 ″  3163着−2品

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (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、前記共鳴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
    前記マイクロ波を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分岐する光分岐手段と、分岐さ
    れた光を所定の照射領域に導波する光ファイバとを有す
    る光学系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。
  2. (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。
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