(57)【要約】【課題】原子セルに入射するレーザー光の光量依存性を抑えた高精度の原子発振器を提供すること。【解決手段】レーザー光源１０から射出されるレーザー光の発光強度が変化しても、レーザー光源１０と原子セル２０との間に位置した透過光量可変手段４０およびそれを制御する透過光量制御回路４１によって原子セル２０に入射するレーザー光の強度を一定にできる。したがって、基準発振周波数制御手段６０によって、ＶＣＸＯ５０の基準周波数をレーザー光検出器３０で検出された射出光の強度に基づいて制御する際に、レーザー光の発光強度の変化に影響されることがなく、高精度な原子発振器１００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】
励起光を射出する励起光源と、
前記励起光が入射するアルカリ金属が封入された原子セルと、
前記原子セルからの射出光を検出する励起光検出器と、
前記励起光源と前記原子セルとの間に位置し、前記原子セルに入射する前記励起光の光量を可変する透過光量可変手段と、
前記透過光量可変手段を制御する透過光量制御手段と、
基準周波数を出力する発振器と、
前記励起光検出器で検出された前記射出光の強度に基づいて、前記発振器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、
前記透過光量制御手段は、前記励起光検出器で検出された前記射出光の強度に基づいて、前記透過光量可変手段を制御する
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、
前記基準発振周波数制御手段として、
第１の変調用発振器と、前記励起光検出器からの信号と前記第１の変調用発振器からの信号との位相比較を行う位相比較器とを備え、
前記第１の変調用発振器と前記発振器とを用いて周波数シンセサイザーで生成したマイクロ波を前記原子セルに印加するマイクロ波共振器と、
前記励起光に変調をかける第２の変調用発振器と、
前記位相比較器によって、前記第２の変調用発振器からの信号と前記励起光検出器からの信号との位相比較に基づいて、前記励起光源の駆動電流を制御する駆動電流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４】
請求項３に記載の原子発振器において、
前記位相比較器によって、位相同期が確認された後に前記透過光量制御手段によって、前記透過光量可変手段の制御を行う
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項５】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の原子発振器において、
前記透過光量制御手段は、前記励起光源の発光累積時間に基づいて、前記透過光量可変手段を制御する
ことを特徴とする原子発振器。
【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、励起光とマイクロ波の二重共鳴方式またはＣＰＴ（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、基底準位から励起準位への励起用のレーザー光を、Ｃｓ（セシウム）、Ｒｂ（ルビジウム）等のアルカリ金属原子が封入された原子セルに入射させ、原子セルからの射出光の強度を検出することにより、アルカリ金属原子の２つのエネルギー準位間のエネルギー差に相当する波長における吸収を利用して、原子発振器の出力する基準周波数を安定制御している。
【０００３】
励起光の光源としては、Ｒｂ等を用いた光源用ランプのほかに半導体レーザー光源や面発光レーザー光源を用いることができる。これらのレーザー光源の出力波長は駆動電流の制御で行い、アルカリ金属原子の２つのエネルギー準位間のエネルギー差に相当する波長に合わせこむ。
図３に、駆動電流と原子セルからの射出光の検出強度の関係を示した。横軸は駆動電流で、縦軸は検出強度である。
駆動電流を変えるとレーザー光源の発光強度も増減し、検出強度も変化する。また、アルカリ金属原子の２つのエネルギー準位間のエネルギー差に相当する吸収波長で吸収ピークが現れる。
レーザー光源の発光強度は、駆動電流の変化の他に、レーザー光源の温度変化や経年変化によっても変化する。
【０００４】
図４に、レーザー光源の出力波長を変えるために、駆動電流を制御したときの三つの状態Ａ，Ｂ，Ｃにおける検出強度と波長との関係を例として示した。
吸収ピークは原子固有のものであるので基本的には同じ波長となるが、駆動電流の制御によってレーザー光源の発光強度が変化し、検出強度は変化する。
【０００５】
ここで、厳密には、吸収波長および原子共鳴周波数は、原子セル内の圧力やレーザー光の強度に僅かながら依存する。
レーザー光の強度の増減の影響は、吸収波長に対する影響と比較して、周波数における分解能を考えると、原子共鳴周波数に対する影響は大きい。例えば、周波数としては０．０１Ｈｚ程度の変化は原子発振器の精度に対して考えると著しい影響となる。
図５に、例えば、二重共鳴方式の原子発振器において、マイクロ波領域で駆動電流を制御したときの三つの状態ａ，ｂ，ｃにおける検出強度と周波数との関係を示した。
例えば、周囲の温度変化に応じて図５に示すような原子共鳴の変化が生じると、マイクロ波共鳴に同期した発振器の出力周波数も変化する。結果的に、この変化は、原子発振器の出力する基準周波数の温度変動となる。尚、図４と図５は、同じ吸収特性を示しているが、図４は波長としての広域にわたる評価であり、図５は図４に示した点線付近の精密な違いを拡大して周波数として評価している。
【０００６】
半導体レーザーの発光強度である光出力の変動を、温度調節器によって半導体レーザーの動作温度を制御することにより小さくする周波数安定化光源が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−７４３７号公報（２頁および３頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、発光強度の経年変化に対しては、動作温度を制御することによって安定化させる効果があるが、半導体レーザー自体の温度変動に対しては、制御手段と変動要因が同じになるため制御ができず、発光強度が安定しない。したがって、より高精度な原子発振器が得られない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
［適用例１］
励起光を射出する励起光源と、前記励起光が入射するアルカリ金属が封入された原子セルと、前記原子セルからの射出光を検出する励起光検出器と、前記励起光源と前記原子セルとの間に位置し、前記原子セルに入射する前記励起光の光量を可変する透過光量可変手段と、前記透過光量可変手段を制御する透過光量制御手段と、基準周波数を出力する発振器と、前記励起光検出器で検出された前記射出光の強度に基づいて、前記発振器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。
【００１１】
この適用例によれば、励起光源から射出される励起光の発光強度が変化しても、励起光源と原子セルとの間に位置した透過光量可変手段およびそれを制御する透過光量制御手段によって原子セルに入射する励起光の強度が一定になる。したがって、基準発振周波数制御手段によって、発振器の基準周波数を励起光検出器で検出された射出光の強度に基づいて制御する際に、励起光の発光強度の変化に影響されることがなく、高精度な原子発振器が得られる。
【００１２】
［適用例２］
上記に記載の原子発振器において、前記透過光量制御手段は、前記励起光検出器で検出された前記射出光の強度に基づいて、前記透過光量可変手段を制御することを特徴とする原子発振器。
この適用例では、透過光量制御手段が、励起光検出器で検出された強度に基づいて制御を行っているので、実際に原子セルを透過した射出光に基づいて、透過光量の制御を行う。したがって、より高精度な原子発振器が得られる。
【００１３】
［適用例３］
上記に記載の原子発振器において、前記基準発振周波数制御手段として、第１の変調用発振器と、前記励起光検出器からの信号と前記第１の変調用発振器からの信号との位相比較を行う位相比較器とを備え、前記第１の変調用発振器と前記発振器とを用いて周波数シンセサイザーで生成したマイクロ波を前記原子セルに印加するマイクロ波共振器と、前記励起光に変調をかける第２の変調用発振器と、前記位相比較器によって、前記第２の変調用発振器からの信号と前記励起光検出器からの信号との位相比較に基づいて、前記励起光源の駆動電流を制御する駆動電流制御手段とを備えたことを特徴とする原子発振器。
この適用例では、励起光とマイクロ波の二重共鳴方式による原子発振器において、高精度な原子発振器が得られる。
【００１４】
［適用例４］
上記に記載の原子発振器において、前記位相比較器によって、位相同期が確認された後に前記透過光量制御手段によって、前記透過光量可変手段の制御を行うことを特徴とする原子発振器。
この適用例では、位相比較器によって位相同期が確認された後に、透過光量の制御を行うので、二重共鳴が成立し、定常動作後の制御になる。定常動作後の透過光量の補正量はごく僅かであるので、透過光量可変手段による透過光量の制御が低速であっても、二重共鳴の励起光とマイクロ波の位相同期は十分に追従する。したがって、より高精度な原子発振器が得られる。
【００１５】
［適用例５］
上記に記載の原子発振器において、前記透過光量制御手段は、前記励起光源の発光累積時間に基づいて、前記透過光量可変手段を制御することを特徴とする原子発振器。
この適用例では、励起光源の経年劣化に対して、発光累積時間に基づいて、予め透過光量可変手段を制御することにより、より高精度な原子発振器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態における原子発振器の構成を示す構成図。
【図２】実施形態における（ａ）は三つの状態Ａ，Ｂ，Ｃにおける検出強度と波長との関係を示す図、（ｂ）は、三つの状態ａ，ｂ，ｃにおける検出強度と周波数との関係を示す図。
【図３】駆動電流と原子セルからの射出光の検出強度の関係を示す図。
【図４】従来における駆動電流を制御したときの三つの状態Ａ，Ｂ，Ｃにおける検出強度と波長との関係を示す図。
【図５】従来における駆動電流を制御したときの三つの状態ａ，ｂ，ｃにおける検出強度と周波数との関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施形態を図面に基づいて詳しく説明する。実施形態では、励起光としてのレーザー光とマイクロ波の二重共鳴方式の原子発振器１００を例にとって説明する。
図１は、原子発振器１００の構成を示す構成図である。
図１において、原子発振器１００は、励起光源としてのレーザー光源１０と、原子セル２０と、励起光検出器としてのレーザー光検出器３０と、透過光量可変手段４０と、透過光量制御手段としての透過光量制御回路４１と、発振器としての電圧制御型水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage  Controlled  Xtal  Oscillator）５０と、基準発振周波数制御手段６０と、周波数シンセサイザー７０、マイクロ波共振器としてのマイクロ波空洞共振器８０、第２の変調用発振器９０と、駆動電流制御手段としての駆動電流制御回路９１とを備えている。
また、基準発振周波数制御手段６０は、アンプ６１、第１の変調用発振器６２および位相比較器６３を備えている。
【００１８】
レーザー光源１０としては、半導体レーザー、垂直共振器面発光レーザー（Vertical  Cavity  Surface  Emitting  LASER）等を用いることができる。これらのレーザー光源１０から射出されるレーザー光は、駆動電流で波長を制御することができる。
【００１９】
原子セル２０には、Ｃｓ（セシウム）、Ｒｂ（ルビジウム）等のアルカリ金属原子が封入されている。原子セル２０は、図示しない加熱手段で加熱され、アルカリ金属原子が蒸気化している。
また、アルカリ金属原子同士や原子セルの壁との衝突を緩和して、マイクロ波の共鳴線が広がるのを防ぐために、窒素、ヘリウム等の不活性ガスが混入されている。
原子セル２０には、レーザー光源１０から射出されたレーザー光が入射する。
【００２０】
レーザー光検出器３０は、原子セル２０に入射したレーザー光と原子セル２０に封入されたアルカリ金属原子との相互作用によって原子セル２０からの射出光を検出する。レーザー光検出器３０としては、フォトダイオード、太陽電池等を用いることができる。
【００２１】
透過光量可変手段４０は、レーザー光源１０と原子セル２０との間に位置し、透過光量制御回路４１によって制御されている。
透過光量可変手段４０としては、種々のものを用いることができる。
例えば、減光フィルターを組み合わせ、回転角度によって透過光量が変わるものを回転させて、透過光量を可変する。
また、光の偏光を利用して波長板を回転させて透過光量を可変してもよい。
さらに、着色液体によってグラデーション部が形成された光量調節部材で絞りを構成し、光量調節部材をスライドさせて透過光量を可変してもよい。
【００２２】
透過光量制御回路４１は、二重共鳴が成立している定常動作状態におけるレーザー光検出器３０で検出された射出光の強度を監視し、常にその検出強度が一定となるように、射出光の強度に基づいて、透過光量可変手段４０を制御している。レーザー光検出器３０からの出力は、アンプ６１によって増幅されている。
【００２３】
二重共鳴が成立している定常動作状態とは、位相比較器６３によって、二重共鳴の位相同期が確認された状態である。
具体的には、レーザー光源１０から射出されるレーザー光の波長が、吸収波長に同期した状態およびマイクロ波空洞共振器８０によって原子セル２０に印加されたマイクロ波の波長が二重共鳴方式の原子発振器１００における誘導放出周波数に同期した状態である。
【００２４】
例えば、二重共鳴が成立している定常動作状態以外の以下に示す時には、透過光量の制御は行わない。
原子発振器１００が何らかの故障や寿命により正常動作を損なう場合、アラーム機能により装置を停止したり、基準周波数の出力を止めたりする。
この場合、アラームが解除されて、二重共鳴が成立している定常動作状態に達するまでは、透過光量の制御は行わない。一定に制御される検出強度の値は、原子発振器１００の製造時の値でもよいし、アラーム前の値を記憶しておいてもよい。
また、透過光量制御回路４１は、レーザー光源１０の発光累積時間に基づいて、透過光量可変手段４０を制御してもよい。
【００２５】
ＶＣＸＯ５０は、基準周波数を出力する。ＶＣＸＯ５０は、制御端子に印加されている制御信号電圧に応じて変化する周波数信号を出力する。例えば、１０ＭＨｚ程度の信号を、基準周波数として出力する。
ＶＣＸＯ５０の出力する基準周波数は、基準発振周波数制御手段６０によって制御されている。
基準発振周波数制御手段６０では、アンプ６１により増幅されたレーザー光検出器３０からの信号と第１の変調用発振器６２からの信号の位相比較が位相比較器６３により行われ、誤差信号としてＶＣＸＯ５０へ帰還される。ＶＣＸＯ５０は、サーボ回路を内蔵しており、入力された誤差信号が０になるように発振周波数を変化させる。
例えば、第１の変調用発振器６２は、１００Ｈｚ程度の低周波信号を出力する。
【００２６】
周波数シンセサイザー７０は、ＶＣＸＯ５０から出力された周波数を逓倍するとともに、第１の変調用発振器６２から出力される周波数の信号でもって変調する。周波数変調されたマイクロ波がマイクロ波空洞共振器８０へ印加される。
例えば、ルビジウムの場合のマイクロ波共鳴周波数は約６．８３４ＧＨｚである。
【００２７】
周波数変調されたマイクロ波の周波数が、アルカリ金属原子の２つの基底準位差に相当する遷移周波数と一致したところで誘導放出を生じ、光マイクロ波二重共鳴スペクトルが得られる。ここで、マイクロ波の周波数を帰還制御して遷移周波数に一致させることにより、ＶＣＸＯ５０の出力する基準周波数を安定させることができる。
【００２８】
第２の変調用発振器９０は、レーザー光源１０から射出されるレーザー光に変調をかける。
位相比較器６３では、第２の変調用発振器９０からの信号とアンプ６１により増幅されたレーザー光検出器３０からの信号との位相比較を行い、原子セル２０での吸収が最大になる波長と一致するように、信号を駆動電流制御回路９１に出力する。
駆動電流制御回路９１は、レーザー光源１０から射出されるレーザー光の波長を、アルカリ金属原子の基底状態から励起状態へ遷移するエネルギーと一致するように、レーザー光源１０の駆動電流を制御する。
【００２９】
図２に、実施形態における駆動電流を制御したときの検出強度を示した。（ａ）は、三つの状態Ａ，Ｂ，Ｃにおける検出強度と波長との関係を示す図であり、（ｂ）は、三つの状態ａ，ｂ，ｃにおける検出強度と周波数との関係を示す図である。
駆動電流を制御した三つの状態においても検出強度に大きな変化は見られず、出力周波数の大きな変化も見られない。
【００３０】
以上に述べた実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１）レーザー光源１０から射出されるレーザー光の発光強度が変化しても、レーザー光源１０と原子セル２０との間に位置した透過光量可変手段４０およびそれを制御する透過光量制御回路４１によって原子セル２０に入射するレーザー光の強度を一定にできる。したがって、基準発振周波数制御手段６０によって、ＶＣＸＯ５０の基準周波数をレーザー光検出器３０で検出された射出光の強度に基づいて制御する際に、レーザー光の発光強度の変化に影響されることがなく、高精度な原子発振器１００を得ることができる。
【００３１】
（２）透過光量制御回路４１が、レーザー光検出器３０で検出された強度に基づいて制御を行っているので、実際に原子セル２０を透過した射出光に基づいて、透過光量の制御を行う。したがって、より高精度な原子発振器１００を得ることができる。
【００３２】
（３）レーザー光とマイクロ波の二重共鳴方式による原子発振器１００において、高精度な原子発振器１００を得ることができる。
【００３３】
（４）位相比較器６３によって位相同期が確認された後に、透過光量の制御を行うので、二重共鳴が成立し、定常動作後の制御になる。定常動作後の透過光量の補正量はごく僅かであるので、透過光量可変手段４０による透過光量の制御が低速であっても、二重共鳴のレーザー光とマイクロ波の位相同期は十分に追従できる。したがって、より高精度な原子発振器１００を得ることができる。
【００３４】
（５）レーザー光源１０の経年劣化に対して、発光累積時間に基づいて、予め透過光量可変手段４０を制御することにより、より高精度な原子発振器１００を得ることができる。
【００３５】
以上、原子発振器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。
上記は発光波長の電流依存性が明確であるレーザー光源を例に説明しているが、Ｒｂ等を用いたランプ光源の場合も同様の透過光量可変手段は有効である。
【００３６】
また、レーザー光源１０から射出したレーザー光をビームスプリッター等で分岐して直接レーザー光の強度のみをモニターしてもよいし、透過光量制御回路４１も予め予定していた応答制御をするのみならず、他の制御と同様に変調用発振器を設けて、ロックインアンプで自動制御することも可能である。この場合、変調用発振器の周波数は、第１および第２の変調用発振器の周波数と識別可能な周波数であればよい。
また、ＣＰＴ方式の原子発振器においても、垂直共振器面発光レーザーは用いられるので、本技術の適用が可能である。
また、レーザー光で原子をトラッピング、冷却する装置や原子泉方式の原子発振器においても本技術の適用が可能である。
さらに、原子発振器とは異なる用途であってもレーザー機器の安定化目的として適用できる。
【符号の説明】
【００３７】
１０…レーザー光源、２０…原子セル、３０…レーザー光検出器、４０…透過光量可変手段、４１…透過光量制御手段としての透過光量制御回路、５０…発振器としてのＶＣＸＯ、６０…基準発振周波数制御手段、６２…第１の変調用発振器、６３…位相比較器、７０…周波数シンセサイザー、８０…マイクロ波空洞共振器、９０…第２の変調用発振器、９１…駆動電流制御手段としての駆動電流制御回路、１００…原子発振器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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