(57)【要約】【課題】外部磁場の変動によっても発振周波数の安定した小型の原子発振器および発振周波数を安定化する方法を提供すること。【解決手段】ガスセル２に封入されたアルカリ金属元素に、磁場発生手段４によって磁場を印加することにより、アルカリ金属元素の基底準位がゼーマン分裂を起こす。印加される磁場は、逆回転の２つの円偏光に変換されたレーザー光に対し、ゼーマン分裂後の基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２が略一定値となるような領域の磁場である。したがって、磁場の変動に対してエネルギー差△Ｅ１２の変動を少なくできる。磁場による変動の少ない準位間のエネルギー差△Ｅ１２を利用して、基準周波数８を制御しているので、磁気シールド等が不要で、発振周波数の安定した小型の原子発振器１０およびその周波数安定化方法を得ることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発生するレーザー発生手段と、
前記レーザー光を逆回転の２つの円偏光に変換する光学素子と、
変換された前記レーザー光が入射する、アルカリ金属元素が封入されたガスセルと、
前記アルカリ金属元素の基底準位がゼーマン分裂したとき、逆回転の２つの円偏光で選
択される２つの基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２が、磁場の強度変化に対して略一定値
となるような領域の磁場を、前記アルカリ金属元素に印加する磁場発生手段と、
基準周波数を発振する基準発振源と、
前記基準周波数を逓倍することで得られる前記エネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数
分だけ前記レーザー光の波長をシフトさせるためのレーザー波長シフト手段と、
前記ガスセルを透過した透過レーザー光を検出するレーザー光検出手段と、
前記レーザー光検出手段で検出された前記透過レーザー光の強度分布が一定になるよう
に、前記基準発振源の前記基準周波数を制御する基準発振周波数制御手段とを備えた
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の原子発振器において、
前記アルカリ金属元素が133Ｃｓであり、
前記エネルギー差△Ｅ１２が、磁気量子数の組み合わせ（−２、−４）間の基底準位間
のエネルギー差である
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の原子発振器において、
前記磁場発生手段は、５００ｍＴ以上の磁場を発生する
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
基準発振源から基準周波数を発振させ、
逆回転の２つの円偏光に変換されたレーザー光に対し、アルカリ金属元素がゼーマン分
裂したとき、逆回転の２つの円偏光に変換された前記レーザー光で選択される２つの基底
準位間のエネルギー差△Ｅ１２が、磁場の強度変化に対して略一定となるような領域の磁
場を、前記アルカリ金属元素に印加しながら、
前記アルカリ金属元素に、前記基準周波数を逓倍することで得られる前記エネルギー差
△Ｅ１２に相当する周波数分だけ波長が異なる逆回転の２つの円偏光に変換された前記レ
ーザー光を入射し、
前記アルカリ金属元素と相互作用した後の透過レーザー光を検出し、
前記透過レーザー光の強度分布が一定に検出されるように前記基準発振源の発振周波数
を制御し、基準周波数として取り出す
ことを特徴とする原子発振器の周波数安定化方法。
【請求項５】
請求項４に記載の原子発振器の周波数安定化方法において、
前記アルカリ金属元素が133Ｃｓであり、
前記エネルギー差△Ｅ１２が、磁気量子数の組み合わせ（−２、−４）間の基底準位間
のエネルギー差である
ことを特徴とする原子発振器の周波数安定化方法。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の原子発振器の周波数安定化方法において、
印加される前記磁場は、５００ｍＴ以上である
ことを特徴とする原子発振器の周波数安定化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子のエネルギー準位間の遷移を利用した原子発振器およびその周波数安定
化方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子のエネルギー準位間の遷移を利用した原子発振器として、二重共鳴方式またはＣＰ
Ｔ（Coherent  Population  Trapping）方式を用いたものが知られている。いずれの方法
も、励起用の電磁波を用い、Ｃｓ（セシウム）、Ｒｂ（ルビジウム）等のアルカリ金属元
素の２つの基底準位間のエネルギー差を利用して、基準発振源の周波数を安定制御してい
る。
原子のエネルギー準位は、例えば地磁気のような外部磁場による外乱で、ゼーマン分裂
の程度が変化するため、２つの基底準位間のエネルギー差に広がりや揺らぎを生じる。エ
ネルギー差に広がりや揺らぎが生じると、周波数基準も揺らぎ、原子発振器の発振する周
波数が不安定となる。
外部磁場による影響を排除するために、二重共鳴ユニットが磁気シールドされている原
子発振器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、約０ｍＴ〜１ｍＴの弱磁場をアルカリ金属元素に印加して予めゼーマン分裂させ
、ゼーマン分裂後のエネルギー準位を利用することによって、２つの基底準位間のエネル
ギー差の揺らぎを減少させる装置および方法が知られている（例えば、特許文献２参照）
。
さらに、アルカリ金属元素に印加する磁場を制御して、アルカリ金属元素に加わる磁場
を一定とする装置および方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３３４９５７１号公報（３頁、図９、段落番号［００１３］）
【特許文献２】特公平７−５４９０９号公報（５頁）
【特許文献３】米国特許第６２６５９４５号明細書（５頁、図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、磁気シールドを設けると、原子発振器の小型化が困難になる。
図４には、弱磁場をＣｓに印加した場合の磁場の強度とゼーマン分裂後の基底準位間の
エネルギー差との関係を示した。横軸は磁場の強度であり、縦軸は磁場が印加されていな
い状態での基底準位間のエネルギー差（９．２ＧＨｚ）を基準値としたときのずれ値を表
している。ｍｆは、励起用電磁波の偏光の組み合わせにより選択が可能な磁気量子数を表
している。
図４において、約０ｍＴ〜１ｍＴの弱磁場を印加してもゼーマン分裂前の基準値からの
ずれが少なく、０．５ｍＴ程度の地磁気の影響で、ゼーマン分裂の程度が変化し、エネル
ギー差に広がりや揺らぎを生じることがわかる。
また、ゼーマン分裂後の磁気量子数ｍｆ＝０におけるずれ値は、厳密には磁場の強度に
対してわずかに傾いており変化する。したがって、弱磁場を印加した状態で、磁気量子数
ｍｆ＝０の２つの基底準位間のエネルギー差を利用しても、この値は磁場変動によって変
化し、揺らぎが生じる。
さらに、弱磁場における磁場の安定制御は困難である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の
形態または適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］
レーザー光を発生するレーザー発生手段と、前記レーザー光を逆回転の２つの円偏光に
変換する光学素子と、変換された前記レーザー光が入射する、アルカリ金属元素が封入さ
れたガスセルと、前記アルカリ金属元素の基底準位がゼーマン分裂したとき、逆回転の２
つの円偏光で選択される２つの基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２が、磁場の強度変化に
対して略一定値となるような領域の磁場を、前記アルカリ金属元素に印加する磁場発生手
段と、基準周波数を発振する基準発振源と、前記基準周波数を逓倍することで得られる前
記エネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数分だけ前記レーザー光の波長をシフトさせるた
めのレーザー波長シフト手段と、前記ガスセルを透過した透過レーザー光を検出するレー
ザー光検出手段と、前記レーザー光検出手段で検出された前記透過レーザー光の強度分布
が一定になるように、前記基準発振源の前記基準周波数を制御する基準発振周波数制御手
段とを備えたことを特徴とする原子発振器。
【０００７】
この適用例によれば、ガスセルに封入されたアルカリ金属元素に、磁場発生手段によっ
て磁場を印加することにより、アルカリ金属元素の基底準位がゼーマン分裂を起こす。印
加される磁場は、逆回転の２つの円偏光に変換されたレーザー光に対し、ゼーマン分裂後
の基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２が略一定値となるような領域の磁場である。したが
って、磁場の変動に対してエネルギー差△Ｅ１２の変動は少ない。
逓倍された基準周波数をもとに略一定値のエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数差を
生じた２光波レーザーが、ゼーマン分裂後のアルカリ金属元素が封入されたガスセルに入
射する。そして、レーザー光検出手段で検出されるレーザー光の強度分布が一定になるよ
うに基準発振周波数制御手段によって、基準発振源の発振する基準周波数を制御する。し
たがって、磁場による変動の少ない準位間のエネルギー差△Ｅ１２を利用して、基準周波
数を制御しているので、磁気シールド等が不要で、発振周波数の安定した小型の原子発振
器が得られる。
【０００８】
［適用例２］
上記原子発振器であって、前記アルカリ金属元素が133Ｃｓ（セシウム１３３）であり
、前記エネルギー差△Ｅ１２が、磁気量子数の組み合わせ（−２、−４）間の基底準位間
のエネルギー差であることを特徴とする原子発振器。
この適用例では、133Ｃｓのゼーマン分裂後の基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２のう
ち、磁気量子数組み合わせが（−２、−４）でのエネルギー差△Ｅ１２は、磁場の強度が
強くなるにつれ、小さくなるとともに一定値に近づく。そして、基底準位間のエネルギー
差△Ｅ１２が略一定値になるように磁場は印加される。したがって、133Ｃｓを用いた前
述の効果を有する原子発振器を得ることができる。
また、ゼーマン分裂前の基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数９．２Ｇ
Ｈｚと比較して、略一定値となったエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数が３ＧＨｚ程
度と低く、基準周波数を逓倍する際の高周波回路の設計が容易になる。
【０００９】
［適用例３］
上記原子発振器であって、前記磁場発生手段は、５００ｍＴ以上の磁場を発生すること
を特徴とする原子発振器。
この適用例では、発生させる磁場が、地磁気に対して５００ｍＴ以上の強磁場であるの
で、磁場を安定して制御できる。また、印加する磁場が変動してもエネルギー差△Ｅ１２
の変動が少なく安定しているので、精密な磁場の制御が必要ない原子発振器が得られる。
【００１０】
［適用例４］
基準発振源から基準周波数を発振させ、逆回転の２つの円偏光に変換されたレーザー光
に対し、アルカリ金属元素がゼーマン分裂したとき、逆回転の２つの円偏光に変換された
前記レーザー光で選択される２つの基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２が、磁場の強度変
化に対して略一定となるような領域の磁場を、前記アルカリ金属元素に印加しながら、前
記アルカリ金属元素に、前記基準周波数を逓倍することで得られる前記エネルギー差△Ｅ
１２に相当する周波数分だけ波長が異なる、逆回転の２つの円偏光に変換された前記レー
ザー光を入射し、前記アルカリ金属元素と相互作用した後の透過レーザー光を検出し、前
記透過レーザー光の強度分布が一定に検出されるように前記基準発振源の発振周波数を制
御し、基準周波数として取り出すことを特徴とする原子発振器の周波数安定化方法。
【００１１】
この適用例によれば、アルカリ金属元素に磁場を印加することにより、アルカリ金属元
素の基底準位がゼーマン分裂を起こす。ゼーマン分裂後の基底準位間のエネルギー差△Ｅ
１２のうち一部は、磁場の強度が増すにつれ、略一定になる。この磁場領域では、印加さ
れる磁場が変動してもエネルギー差△Ｅ１２の変動が少なく安定している。そして、逓倍
された基準周波数をもとに極小値付近のエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数差（波長
差）を生じた２光波レーザーを、ゼーマン分裂後のアルカリ金属元素に入射させて、透過
電磁波の強度分布が一定になるように基準発振周波数制御手段によって、基準周波数を制
御する。したがって、磁場による変動の少ない準位間のエネルギー差△Ｅ１２を利用して
、基準周波数を制御しているので、磁気シールド等が不要で、発振周波数の安定した原子
発振器の周波数安定化方法が得られる。
【００１２】
［適用例５］
上記原子発振器の周波数安定化方法であって、前記アルカリ金属元素が133Ｃｓ（セシ
ウム１３３）であり、前記エネルギー差△Ｅ１２が、磁気量子数の組み合わせ（−２、−
４）間の基底準位間のエネルギー差であることを特徴とする原子発振器の周波数安定化方
法。
この適用例では、133Ｃｓのゼーマン分裂後の基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２のう
ち、磁気量子数組み合わせが（−２、−４）でのエネルギー差△Ｅ１２は、磁場の強度が
強くなるにつれ、小さくなるとともに一定値に近づく。そして、基底準位間のエネルギー
差△Ｅ１２が略一定値になるように磁場は印加される。したがって、133Ｃｓを用いた前
述の効果を有する原子発振器の周波数安定化方法を得ることができる。
また、ゼーマン分裂前の基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数９．２Ｇ
Ｈｚと比較して、略一定値となったエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数が３ＧＨｚ程
度と低く、基準周波数を逓倍する際の高周波回路の設計が容易になる。
【００１３】
［適用例６］
上記原子発振器の周波数安定化方法であって、印加される前記磁場は、５００ｍＴ以上
であることを特徴とする原子発振器の周波数安定化方法。
この適用例では、発生させる磁場が、地磁気に対して５０ｍＴ以上〜５００ｍＴ未満の
強磁場であるので、磁場を安定して制御できる。また、印加する磁場が変動してもエネル
ギー差△Ｅ１２の変動が少なく安定しているので精密な磁場の制御が少ない原子発振器の
周波数安定化方法が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。
図１に、本実施形態における原子発振器１０の駆動ブロック図を示した。本実施形態は
、いわゆるＣＰＴ方式の原子発振器１０である。
原子発振器１０は、レーザー発生手段としての半導体レーザー１と、ガスセル２と、レ
ーザー光検出手段としてのフォトセンサー３と、磁場発生手段４と、基準発振周波数制御
手段５と、基準発振源６と、レーザー波長シフト手段としての音響光学変調器７と偏光ビ
ームスプリッター１１ａ，１１ｂとミラー１２と光学素子としてのλ／４波長板１３とを
備えている。
【００１５】
半導体レーザー１は、直流バイアスの駆動電流に応じて周波数の変化した赤外領域のレ
ーザー光を放射する。
半導体レーザー１から放射されたレーザー光は、偏光ビームスプリッター１１ａによっ
て２つのレーザー光に分離される。分離されたレーザー光の一方は、偏光ビームスプリッ
ター１１ｂへと向かう。分離された他方のレーザー光は、ミラー１２で反射され、音響光
学変調器７に入射する。
【００１６】
基準発振源６は、水晶振動子等から構成され、例えば１０ＭＨｚの発振を行っている。
この発振は、逓倍回路によって定められた逓倍次数に従って高周波化され、音響光学変調
器７によってこの高周波分がミラー１２で反射されてきたレーザー光に加算されることで
波長シフトする。波長シフトしたレーザー光は、偏光ビームスプリッター１１ｂへと向か
う。
偏光ビームスプリッター１１ｂでは、分離された２つのレーザー光が、互いに直交する
直線偏光二光波となり出力される。出力されたレーザー光は、λ／４波長板１３によって
、互いに逆回転の円偏光に変換され、振動数ν１のカップリング光と振動数ν２のプロー
ブ光とになり、ガスセル２に入射する。
【００１７】
ガスセル２はレーザー光を透過する容器で構成され、アルカリ金属元素のガスが封入さ
れている。容器としては、例えばガラスなどの光透過性を有する材料からなる。
また、アルカリ金属元素としては、Ｒｂ，Ｃｓ等を用いることができる。アルカリ金属
元素は蒸気になりやすく、ガスセル２を、Ｃｓでは３０℃程度、Ｒｂでは８０℃程度暖め
ることによって、ガス化させることができる。また、アルカリ金属元素のドップラー運動
やガスセル２の壁との衝突の影響を少なくするために、緩衝気体として、Ａｒ，Ｎ2等を
含んでいてもよい。
【００１８】
ガスセル２には、磁場発生手段４によって５００ｍＴ以上の磁場が印加されている。磁
場発生手段４としては、ソレノイドコイルやヘルムホルツコイルを用いることができる。
また、永久磁石を用いてもよい。永久磁石としては、フェライト系磁石、ＮｄＦｅＢ系磁
石、ＳｍＦｅ系磁石、アルニコ系磁石を用いることができる。
【００１９】
ガスセル２に入射したレーザー光は、アルカリ金属元素と相互作用を起こし、アルカリ
金属元素のエネルギー準位間の電子遷移を誘起する。
図２は、Ｃｓにおけるエネルギー準位を表す図である。Ｃｓのエネルギー準位は、２つ
の基底準位１，２と励起準位とを含む。基底準位１と基底準位２とのエネルギー差△Ｅ１
２は、９．２ＧＨｚに相当する。また、基底準位１，２と励起準位との差は、略８５２ｎ
ｍのレーザー光のエネルギーに相当する。
基底準位１，２は、磁場が印加されることにより、磁気量子数ｍｆに応じて、複数の準
位にゼーマン分裂する。基底準位１は、７つの準位にゼーマン分裂し、基底準位２は、９
つの準位にゼーマン分裂する。ここで、互いに逆回転の円偏光が入射した場合、ゼーマン
分裂した準位間で選ばれるエネルギー差△Ｅ１２は、分裂した各準位の磁気量子数ｍｆの
差の値が２になる組み合わせで起こる。
【００２０】
図３に、遷移の起こるゼーマン分裂した準位間のエネルギー差△Ｅ１２の磁場依存性を
示した。横軸が印加される磁場の強度で、縦軸がエネルギー差△Ｅ１２を表している。
ゼーマン分裂した各準位の磁気量子数ｍｆの組み合わせごとにグラフにして示した。こ
のうち、磁気量子数ｍｆの組み合わせが、（−２、−４）については、磁場の強度が大き
くなると略一定値に近づき、エネルギー差△Ｅ１２がほとんど変化しなくなる。また、こ
の一定値は、９．２ＧＨｚよりも小さい値をとる。
磁場発生手段４によって印加する磁場は、エネルギー差△Ｅ１２が略一定値をとる領域
の磁場とする。
【００２１】
２種類のレーザー光の周波数差に応じてガスセル２内での光吸収特性が変化する。振動
数ν１のカップリング光と振動数ν２のプローブ光のエネルギー差がエネルギー差△Ｅ１
２と同じになると、励起準位には励起せずに、入射レーザー光が透過する。この現象は、
ＥＩＴ（Electromagnetically  Induced  Transparency）現象として知られている。
フォトセンサー３では、透過レーザー光を検出する。フォトセンサー３は、例えば太陽
電池あるいはフォトダイオード等からなる。
【００２２】
フォトセンサー３で検出された透過レーザー光の強度分布が一定になるように、基準発
振源６の基準周波数を制御する。
具体的には、入射レーザー光が透過しない場合には、基準発振周波数制御手段５で電圧
等を調整し、基準発振源６の発振周波数を入射レーザー光が透過するようにフィードバッ
ク制御する。
フィードバックされて修正された基準発振源６の発振周波数を基準周波数８として取り
出す。
【００２３】
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
（１）ガスセル２に封入されたアルカリ金属元素に、磁場発生手段４によって磁場を印
加することにより、アルカリ金属元素の基底準位がゼーマン分裂を起こす。印加される磁
場は、逆回転の２つの円偏光に変換されたレーザー光に対し、ゼーマン分裂後の基底準位
間のエネルギー差△Ｅ１２が略一定値となるような領域の磁場である。したがって、磁場
の変動に対してエネルギー差△Ｅ１２の変動を少なくできる。
逓倍された基準周波数をもとに略一定値のエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数差を
生じた２光波レーザーが、ゼーマン分裂後のアルカリ金属元素が封入されたガスセル２に
入射する。そして、フォトセンサー３で検出されるレーザー光の強度分布が一定になるよ
うに基準発振周波数制御手段５によって、基準発振源６の発振する基準周波数８を制御す
る。したがって、磁場による変動の少ない準位間のエネルギー差△Ｅ１２を利用して、基
準周波数８を制御しているので、磁気シールド等が不要で、発振周波数の安定した小型の
原子発振器１０およびその周波数安定化方法を得ることができる。
【００２４】
（２）133Ｃｓ（セシウム１３３）のゼーマン分裂後の基底準位間のエネルギー差△Ｅ
１２のうち、磁気量子数組み合わせが（−２、−４）でのエネルギー差△Ｅ１２は、磁場
の強度が強くなるにつれ、小さくなるとともに一定値に近づく。そして、基底準位間のエ
ネルギー差△Ｅ１２が略一定値になるように磁場は印加される。したがって、133Ｃｓを
用いた前述の効果を有する原子発振器１０およびその周波数安定化方法を得ることができ
る。
また、ゼーマン分裂前の基底準位間のエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数９．２Ｇ
Ｈｚと比較して、略一定値となったエネルギー差△Ｅ１２に相当する周波数が３ＧＨｚ程
度と低く、基準周波数を逓倍する際の高周波回路の設計を容易にできる。
【００２５】
（３）発生させる磁場が、地磁気に対して５００ｍＴ以上の強磁場であるので、磁場を
安定して制御できる。また、印加する磁場が変動してもエネルギー差△Ｅ１２の変動が少
なく安定しているので、精密な磁場の制御が必要ない原子発振器が得られる。
【００２６】
上述した実施形態以外にも、種々の変更を行うことが可能である。
例えば、基準発振源６の発振周波数は、１０ＭＨｚに限らない。発振周波数を低くすれ
ば、より高周波回路の設計が容易になる。
【００２７】
また、実施形態において、レーザー光源は、２波長レーザーであっても、レーザー光源
を２つ使ってもよい。レーザー光源を２つ使う場合は、それぞれを制御してガスセル２に
レーザー光を入射する。
【００２８】
さらに、アルカリ金属元素以外の原子、分子の基底準位間の遷移エネルギーを利用した
発振器にも応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】実施形態における原子発振器の駆動ブロック図。
【図２】Ｃｓにおけるエネルギー準位を表す図。
【図３】Ｃｓにおけるエネルギー差△Ｅ１２の磁場依存性を示した図。
【図４】弱磁場におけるＣｓのエネルギー差△Ｅ１２の変動を示した図。
【符号の説明】
【００３０】
１…半導体レーザー、３…レーザー光検出手段としてのフォトセンサー、４…磁場発生
手段、５…基準発振周波数制御手段、６…基準発振源、７…レーザー波長シフト手段とし
ての音響光学変調器、１０…原子発振器、１３…光学素子としてのλ／４波長板。
【図１】
2010147967.tif 000003
【図２】
2010147967.tif 000004
【図３】
2010147967.tif 000005
【図４】
2010147967.tif 000006