JPS63215221A

JPS63215221A - レ−ザ励起型原子ビ−ム発振器

Info

Publication number: JPS63215221A
Application number: JP4955287A
Authority: JP
Inventors: Kenji Kudome; 賢治久留; Masami Kihara; 雅巳木原
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1987-03-04
Filing date: 1987-03-04
Publication date: 1988-09-07

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、レーザ励起型原子ビーム発振器に係り、特
に、共鳴検出のＳ／Ｎ比の改善を図ることにより、周波
数安定度を向上させたレーザ励起型原子ビーム発振器に
関する。

［従来の技術］原子ビーム発振器、たとえば、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。

第６図は、この原子発振器に用いられるセシウム１３３
のエネルギ準位と電磁波の量子エネルギとを示すもので
ある。この図において、Ｆは全角運動量量子数を、＋ｍ
Ｆは全磁気量子数を表す。そして、基底準位のＦ＝４、
ｍＦ＝０で指定される準位と、Ｆ＝３、ｍＦ＝ｏ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。（
９，１９２６３ＧＩｌｚ）が、上述した遷移周波数とし
て用いられる。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
記準位間の遷移を検出するため、基底状態の超微細準位
（Ｆ＝３、または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（特願昭６１−２６２２７４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１”　＝３、またはＦ＝４にある原子ビ
ームを発生ずる。

この原子ビームには、準位選択領域りにおいて、励起用
レーザ２ａおよび励起用レーザ２ｂから出力されたレー
ザ光が照射される。励起用レーザ２ａから出力された第
１のレーザ光は、第６図に示す基底状態の準位Ｆ＝４と
励起状態の準位Ｆ＝４との間のエネルギ差に相当する周
波数ν、をａする。

これに対して、励起用レーザ２ｂから出ノＪされた第２
のレーザ光は、基底状態の準位Ｆ＝３と励起状態の準位
Ｆ　＝　４との間のエネルギ差に相当する周波数ν２を
有する。したがって、これら第１、第２のレーザ光は、
前記原子ヒー１１を励起状態の準位Ｆ＝／Ｉに励起する
。

ここで、励起用レーザ２ａの出力光が、原子ビームに印
加されるＣ磁界と平行な直線偏波であるならば、熱平衡
状態では基底状態の各副懇位ｍＦにほぼ均等に存在して
いた原子が、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−〇に集中する。従って
、空胴共振器３には、基底状態の準位Ｆ＝４．ｍＦ＝ｏ
の原子だけが到達する。空胴共Ｆｉ器３は、周波数がν
。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ＩＦｉｌ共振器３の中で、この
マイクロ波と共鳴し、基底状態の学位Ｆ＝４１ｍＦ−０
−６八位Ｆ　＝　３　、ｍＰ＝　Ｏの誘導放出を起こす
。そして、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、遷移し
なかった原子ととらに空胴共振器３から放出される。

この原子に励起用レーザ２ｂの出力光の一部を照射する
と、空胴共振器３中で基底準位のＦ＝３゜ｍＦ＝ｏに誘
導遷移した原子だけが光を吸収して、励起準位のＦ＝４
に励起され、この準位から再び基底準位のＦ＝３および
Ｆ’＝４の準位に緩和する。

光検出器４は、この原子が緩和する際の自然放出光の強
度を検出し、電気信号に変換する。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ｎ　？５６で変調され、周波数ν。を中心として、そ
の面後に掃引される。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、これが積分増幅器８で積分され、共鳴
強度に相当する信号に変換される。この積分増幅器８の
出力がＶＣＯ（電圧制御発信器）９に供給されると、Ｖ
ＣＯ９は、供給された信号に基づいて、前記光検出器４
の出力か最大となるような、いいかえれば、前記マイク
ロ波の周波数が値ν。と一致し空胴共振器３内の共鳴が
最大となるような周波数の信号を発生する。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、上記低周波発振器５の出ノＪ周波数は、約１００
Ｈｚ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ＩＩＩＦを
分離するためのもので、ｍＦ≠０のエネルギ準位から、
ｍＦ＝ｏのエネルギ準位を分離する。

このような２波長のレーザ光を用いたセシウム原子発振
器では、すべての原子を何効に利用できるので、共鳴検
出のＳ／Ｎ比が増大し、周波数確度が向上する。

［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
おいては、原子ビームに吸収される光量は、光子束Ｓと
、原子が光ビームを通過するのに要する時間１゛との積
Ｓ　Ｔに依存する。積ＳＴが大きいとき、基底学位のＦ
＝３に存在していた原子は、励起皇位のＦ＝４に一旦遷
移して、基底学位のＦ＝３．Ｆ＝４に移行し、Ｆ’＝４
に移行した原子は、それ以上励起されない。このため、
原子ビームに吸収される光量が飽和してしまい、十分な
検出光（ｎがとれないという問題があった。

」二連した第１の共鳴検出法に対して、第５図のような
レーザ励起型セシウム原子発振器が提案されている。こ
の原子発振器は、空胴共振器３から出てきた原子ビーム
に、周波数ν、ではなく、周波数ν３の共鳴検出用のレ
ーザ光を照射するようにしたらのである。該周波数ν３
は、第６図に示すように、基底準位のＦ＝３と、励起準
位のＦ＝２とのエネルギ差に相当する周波数であり、共
鳴検出用レーザ２ｃから出力される。

このような構成によれば、空胴共振器３中で基底準位の
Ｆ　＝　３　、ｍＦ＝　Ｏに誘導遷移した原子だけが光
を吸収して、励起皇位のＦ＝２に励起され、基底皇位の
Ｆ＝３に緩和する過程を繰り返す。これは、励起準位の
Ｆ＝２から基底準位のＦ＝４への遷移は、選択律によっ
て禁止されている′からである。

この場合、上述した積ＳＴが大きくても、基底学位のＦ
＝３に存在していた原子は、基底皇位のＦ＝４に移らな
い。したがって、原子ビームに吸収される光量は飽和し
ない。この第２の方法は、サイクリング遷移検出法と呼
ばれている（Ｇ、Ａｖｉｌａｅｔ、ａｌ、ＨＭｉｃｒｏ
ｗａｖｅ　Ｒａｍ５ｅｙ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｆｒｏ
ｍ　　ａｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ　　ｏｐｔｉｃａｌｌ
ｙ　ｐｕｍｐｔｅｄ　ｃｅｓｉｕｍ　ｂｅａｍｒｅｓｏ
ｎａｔｏｒ　　ＩＥＥＥ　ＴｒａｎｓａｃＬｉｏｎｓ　
ｏｎ　ｌｎｓｔｒｕｍｅｎｔａ−ｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍ
ｅａｓｕｒｅｍｅｎＬ、ＩＭ−３４，２，ｐｐ、１３９
−１４３．１９８５）サイクリングａ移検出法を用いた
場合、吸収される光量が飽和しないから、第１の方法と
比較すると、自然放出光の光量が増大する。しかし、サ
イクリング遷移検出法は、共鳴検出用レーザ２ｃの強度
と周波数のゆらぎによる雑音が発生し易いという欠点が
あった。なお、このゆらぎにより雑音が生じる理由は後
述する。

この発明は、このような背景の下になされたしので、共
鳴検出に必要な自然放出光量を増大させつつ、レーザ光
の強度と周波数のゆらぎによる雑音の発生を抑圧して、
共鳴検出におけるＳ／Ｎ比を改ｆｇシ、もって周波数安
定度を向上さけたレーザ励起型原子ビーム発振器を提供
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、原子ビーム
を発生ずる原子ビーム発生炉と、この原子ビームに周波
数の異なる第１、第２の２種類の光を照射して単一の電
子エネルギ皇位の状態とする第１、第２の励起用レーザ
と、前記単一の電子エネルギ学位の状態となった原子を
マイクロ波を用いて共鳴させる空胴共振２べと、＋’＋
ｉｊ記第１お上第１２のレーザ光と周波数が鶏なり、１
ｉｉｊ記空胴共振器でＪ１鳴した原子を励起する第３の
レーザ光および前記第２のレーザ光を前記空胴共振器を
通過した原子ビームに照射する照射手段と、該原子ビー
ムに吸収された前記第２および第３のレーザ光の光量を
検出する光検出器と、この光検出器の出力に基づいてＯ
ｊＩ記光槍が最大となるように前記マイクロ波の周波数
を制御する手段とを具備することを特徴とする。

［作用　］」二足構成によれば、空胴共振器を通過した原子ビーム
は、第２、第３のレーザ光により照射され、このレーザ
光を吸収して励起状態となる。そして、励起状態の原子
が放出した自然放出光が光検出器により検出され、この
検出光量が最大となるように、つまり前記原子によるレ
ーザ光の吸収量が最大となるようにマイクロ波周波数が
制御される。

すなわち、第２、第３のレーザ光は、共鳴検出用として
使用されている。

この場合、第２のレーザ光により励起された原子は、特
定の電子エネルギ皇位に緩和すると、らはや励起されず
、この電子エネルギ準位に集中して飽和する。これに対
して、第３のレーザ光にょり励起された原子は、励起と
自然放出を繰り返して、飽和することがない。したがっ
て、これらの２周波のレーザ光によって励起された原子
は、多量の放出光を出しつつ飽和していくこととなる。

この結果、検出光量を増せると同時に、レーザ光のゆら
ぎの影響を減らすことができ、共鳴検出のＳ／Ｎ比を高
めることができる。なお、この作用の詳細は後述する。

［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、この発明の一実施例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１〜１０は、第５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。

本実施例が、前述の原子発振器と異なる点は、励起用レ
ーザ２ｂと共鳴検出用レーザ２ｃの出力光により、共鳴
検出を行うようにした点である。すなわち、励起用レー
ザ２ｂから出力された周波数ν、の第２レーザ光と、共
鳴検出用レーザ２ｃから出力された周波数ν３の第３の
レーザ光とを、空胴共振器３を通過した原子ビームに照
射して励起し、励起された原子から発せられる自然放出
光を、光検出器４で検出するようにした。

この２周波共鳴検出法の原理を説明する゛。説明を簡単
化するために、原子系は、第２図の４壁位系で近似し、
１１＞、１２〉、１３〉、１４〉は、それぞれ、基底準
位のＦ＝３、基底準位Ｆ＝４、励起準位のＦ＝２、励起
準位のＦ＝４を表すものとする。これらの各準位は、実
際には、それぞれ２Ｆ＋１の副準位から構成されている
が、解析を単純にするために、副準位の存在は無視する
。

レーザ光を平面と仮定し、原子が励起状態に存在する確
率を無視すると、ＩＩ〉に原子が存在する確率ρｍｍの
時間的変化は、次式で近似される（第２図参照）。

（１ρ１．／　ｄＬ＝　　Ｓ　３Ｂ　＋ｓρ１１＋τ、
Ａ　３１Ｓ　３Ｂ　１３ρ。

Ｓ１Ｂ、−ρ１．＋τ４Ａ４＋ＳｔＢ＋＊ρ１１・・・
・・・（１）ｄρ、ｔ／ｄｔ＝τ４Ａ　４．ｓ　＊Ｂ１４ρ、　　・
・・・・・（２）ただし、Ａｍｎ：自然放出により１ｍ＞からｌｎ＞へ緩和する単
位当たりの確率Ｓｉ：周波数ν１（ｉ−２，３）の光子束ＳｉＢｍｎ：
光子東Ｓｉ光子対したとき、１ｍ＞から１ｎ〉へ誘導遷
移する単位時間当たりの確率。Ｂｍｎは光の周波数νｉ
に依存する。

τｍ：１ｍ＞の寿命Ａ　３１　＝τ３−１・・・・・・（３）Ａ　４　＋　
＋　Ａ　４　！−τ　−１・・・・・・（４）ここで、
上記（３）、（４）式を（１）式に代入すると、（１）
式右辺の第１項、第２項が打ち消し合い０となる。よっ
て、（１）式は次のように変形される。

ｄρ＋　＋／　ｄｔ＝　　Ｓ　ｔＩ３１４（１−τ−Ａ
４１）ρ。

＝　　Ｓ　ｔＢ　＋４ｋｊｌ）　＋　＋　　　　”’　
”’　（ｌ　ａ）ただし、ｋ＝（１−τ−Ａ４１）＝τ
４Ａ４１（上記（４）式より）と置いた。

また、（２）式は、次のように変形される。

ｄ／）　ｔｔ／　ｄｔ＝　Ｓ　ｔＢ　＋＋にρ＋　＋・
”　−（２ａ）ここで、時刻１＝０に全原子が１１〉に
存在していたとすると、ρ＋＋（０）＝１．ρｔｔ（ｏ
）＝０であるから、（１）、（２）式の解は、それぞれ
、ｐ　＋　ｔ（ｔ）＝　ｅｘｐ（−Ｓ　ｔＢ　＋４ｋｔ
）・−・−（５）ρｔ＊（Ｄ＝ｔ−ρ、、（１）　　　
・・・・・・（６）で与えられる。

また、全原子数をｎとすると、時刻ｔから＋＋ａｔの間
に吸収される光子数、すなわち、１１〉から１３〉また
は１４〉に励起される原子に吸収される光子数は、第２
図から、（Ｓ　３Ｂ　ｔｓ＋　Ｓ　ｔＢ　＋＋）ｎρ＋　＋（ｔ
）ｄｌ”　−（７）で与えられる。よって、原子が光ビ
ームを通過するのに要する時間をＴ、この間に原子ビー
ムに吸収される光子数をＳａとし、Ｓ　＝　Ｓ　＋＋　Ｓ　３・・・・・・（８）ｄ＝Ｓｓ
／Ｓ・・・・・・（９）とすると、吸収される光子数Ｓａは、次のようになる。

まず、ｄ＝１のとき、すなわち、Ｓ、＝０、Ｓ。

＝Ｓのときは、（５）式からρ１１””ｌとなるから、
これを（７）式に代入して、時間０からＴまで積分する
ことにより、Ｓ　ａ＝　ｎ１３　＋３ｓ　Ｔ　　　（ｄ−１のとき）
・・・・・・（１０）となる。

次に、ｄ＜　１のときは、（７）式のＳ７、Ｓ３を、Ｓ
　、＝（１−ｄ）Ｓ、、　Ｓ　、＝（Ｉｓ・・・・・・
（ＩＩ）で置き換えて、時間０〜Ｔの間で積分すること
により、５ａ＝（ｎ／ｋ）・［ｄＢ１ａ／（ｌ　　ｄ）Ｂ、、＋
　Ｉ　］・［１−ａｘｐ（−Ｂ　１４（１−ｄ）ｋＳ　
７Ｉ’）］（ｄく１のとき）・・・・・・（！２）とな
る。Ｂ、３＝Ｂ＋、＝Ｂ、に＝０．５として、いくつか
の値ｄに対して、■原子当たりの吸収光子数Ｓａ／ｎを
求めると、第３図のようになる。

第３図において、横軸は、上述の値Ｂに積ＳＴをかけた
値ＢＳＴであり、縦軸は、原子１個当たりに吸収される
光子数Ｓａ／ｎである。また、ｄ＝８３／Ｓは、周波数
ν、とν３の光子束、つまり全体の光子束に対する、周
波数ν、の光子束の割合である。したがって、ｄ＝０と
いうのは、周波数ν３のレーザ光がない第４図の場合に
相当し、ｄ＝１というのは、周波数ν３のレーザ光だけ
を照射・Ｊ−ろ第５図の場合に相当する。

この図から分かるように、ｄ＝０の場合は、！個当たり
の吸収光子数Ｓａ／ｎが飽和する。よって、従来技術で
説明したように、共鳴検出用の光量が十分に得られない
。一方、ｄ＝１の場合は、飽和がなく、共鳴検出用の光
量は多い。しかしながら、レーザ光の強度および周波数
は、実際にはゆらいでいるから、値ｌ３ＳＴは時間的に
変動している。

よって、ｄ＝１の場合は、大きな雑音が発生する。

しかしながら、ｄ＜　１とし、かつ値ＢＳ　’Ｉ”、を
十分大きくすると、原子１個当たりに吸収される光子数
Ｓａ／ｎは大きい値で飽和するので、雑音の発生を抑制
でき、同時に高いＳ／Ｎ比を得ることができる。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、原子１個当た
りに吸収される（すなわち自然放出される）光子数が増
大する。したがって、共鳴検出における信号ＭＳが増大
する。

一方、完全なサイクリング遷移検出法とは異なり、レー
ザ光の強度および周波数のゆらぎによる雑音の発生は、
抑圧される。よって、共鳴検出におけろ雑音ｆｆ１Ｎの
増加は僅かであり、信号ショット雑音の増加分だけと考
えられる。

この結果、共鳴検出のＳ／Ｎ比が改善され、レーザ励起
型原子ビーム発振器の周波数安定度を向上さけることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるレーザ励起型原子ビ
ーム発振器の構成を示すブロック図、第２図は２周波共
鳴検出法の原理を説明するための４Ｑ位系を示す図、第
３図は原子１個当たりに吸収される光子数Ｓａ／ｎを示
す図、第４図、第５図は従来のレーザ励起型原子ビーム
発振器の構成を示すブロック図、第６図はセシウム！３
３原子のエネルギ準位と遷移に関係する電磁波の量子エ
ネルギを示す図である。１・・・・・・原子ビーム発生炉、２ａ・・・・・・励起用レーザ（第１のレーザ）、２ｂ
・・・・・・励起用レーザ（第２のレーザ）、２ｃ・・
・・・・共鳴検出用レーザ（第３のレーザ）、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・・・・・・積分増幅器、９
・・・・・・ＶＣＯ（電圧制御発振器）、１０・・・・
・・周波数逓倍器 ν１・・・・・・第１のレーザ光の周波数、ν、・・・
・・・第２のレーザ光の周波数、ν、・・・・・・第３
のレーザ光の周波数。第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

原子ビームを発生する原子ビーム発生炉と、この原子ビ
ームに周波数の異なる第１、第２の２種類の光を照射し
て単一の電子エネルギ準位の状態とする第１、第２の励
起用レーザと、前記単一の電子エネルギ準位の状態とな
った原子をマイクロ波を用いて共鳴させる空胴共振器と
、前記第１および第２のレーザ光と周波数が異なり、前
記空胴共振器で共鳴した原子を励起する第３のレーザ光
および前記第２のレーザ光を前記空胴共振器を通過した
原子ビームに照射する照射手段と、該原子ビームに吸収
された前記第２および第３のレーザ光の光量を検出する
光検出器と、この光検出器の出力に基づいて前記光量が
最大となるように前記マイクロ波の周波数を制御する手
段とを具備することを特徴とするレーザ励起型原子ビー
ム発振器。