(57)【要約】【課題】一次周波数標準器の寸法及び消費電力の低減を目的とする。【解決手段】Ｒｂ−８７の原子を高真空条件下に保持する真空チャンバキャビティと、単一レーザ光源、局部発振器、複数の磁場コイル、アンテナ、少なくとも１つの光検出器、および集積制御電子回路を有する光学ベンチとを含む物理パッケージを有する原子時計。単一レーザ光源は折り返し逆反射設計を有し、真空チャンバキャビティ内でお互いに９０°の角度で交差する３つの逆反射された光ビームを作る。この設計により、Ｒｂ−８７の原子をトラップおよび冷却するために必要とされる所定の６つのトラッピングビームを、単一レーザ光源によって作ることが可能になる。前述の設計によって、寸法と電力消費が低減され、能動的なポンプ動作なしに超高真空を維持できる、原子時計が可能となる。【選択図】図３
2010062554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子時計において、
物理パッケージ（１１０）であって、アルカリ金属原子（１３０）を受動的真空下に保持する真空チャンバキャビティ（１２０）、前記真空チャンバキャビティ内でお互いに９０°の角度で交差する３つの逆反射された光ビームを作るために前記物理パッケージを通して光ビーム（１６０）を単一レーザ光源（１７０）から導く光路（１４０）およびミラー（１５０）の配列、ならびに少なくとも１つの光検出器ポート（１８０）を含む物理パッケージ（１１０）と、
前記単一レーザ光源、前記単一レーザ光源からの前記光ビームをアルカリ金属の所定の原子遷移に相当する周波数に安定化するための前記アルカリ金属を収納する蒸気セル（１９２）、ならびに前記単一レーザ光源からの前記光ビームを前記蒸気セルおよび前記物理パッケージに分配するための分配ミラー（１９４）を備える微小光学ベンチ（１９０）と、
磁場を発生するための複数の磁場コイル（２００）であって、それにより、磁場および前記逆反射された光学ビームによって、前記物理パッケージの前記アルカリ金属原子に対する磁気光学トラップが作られる複数の磁場コイル（２００）と、
前記アルカリ金属の前記所定の原子遷移に相当するマイクロ波信号を発生するための局部発振器（１０）と、
前記マイクロ波信号を前記物理パッケージの前記アルカリ金属原子に結合するためのアンテナ（３０）と、
前記物理パッケージの前記アルカリ金属原子の蛍光放出を検出するための少なくとも１つの光検出器（２０）と、
原子時計に電力を供給し、前記原子時計の運転を制御し、前記光検出器からの信号を処理するための制御電子回路（２１０）と、
を備える原子時計。
【請求項２】
請求項１に記載の原子時計において、
前記アルカリ金属はルビジウムまたはセシウムであり、
前記単一レーザ光源は半導体レーザであり、
前記磁場コイルは反ヘルムホルツコイルであり、
前記光検出器は光ダイオードであり、
前記マイクロ波信号は６．８ＧＨｚの周波数を有する、原子時計。
【請求項３】
磁場、およびお互いに９０°の角度で交差する３つの逆反射された光ビームを作る逆反射された構成を有する単一レーザ光源（１７０）からの光ビーム（１６０）を使用して形成された、磁気光学トラップ中の受動的真空内に収納されたアルカリ金属原子の集団（１３０）を冷却および装荷するステップ（４１０）と、
前記磁場および前記磁気光学トラップを消滅し（４２０）、小さいバイアス磁場をかけて、前記アルカリ金属原子を高位エネルギー状態から低位エネルギー状態へ移動させるステップ（４３０）と、
前記アルカリ金属原子の周波数スプリットを検出するために、局部発振器（１０）によって発生され、アンテナ（６０）によって前記アルカリ金属原子に結合されたマイクロ波信号を使用して、分光を行うステップ（４４０）と、
前記アルカリ金属原子の前記蛍光放出を光検出器（５０）で測定して、前記高位基底エネルギー準位にある前記アルカリ金属原子の割合を決定するステップ（４５０）と、
前記局部発振器によって発生された前記マイクロ波信号の前記周波数を、前記高位エネルギー準位にある前記アルカリ金属原子の数を最大にする周波数に安定化するステップ（４６０）と、
を含む正確な周波数標準を形成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００８年８月１１日に出願された米国仮出願第６１／０８７９５５号に関し、その利益を主張するものであり、その開示は参照することにより全体として本書に含まれる。
【０００２】
本出願は、本出願と同日付けで出願され、「ＰＨＹＳＩＣＳ  ＰＡＣＫＡＧＥ  ＤＥＳＩＧＮ  ＦＯＲ  Ａ  ＣＯＬＤ  ＡＴＯＭ  ＰＲＩＭＡＲＹ  ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＳＴＡＮＤＡＲＤ」と題する米国特許出願第＿＿号に関し、それは参照することにより本書に含まれる。
【背景技術】
【０００３】
一次周波数標準器は、校正が不要で、長時間自律的に作動し、タイムロス（ｔｉｍｅ  ｌｏｓｓ）が最小限である原子時計である。そのような原子時計の１つは、レーザ冷却されたセシウムなどのアルカリ金属原子の膨張雲を使用する。通常、これらの一次周波数標準器は大きく、大量の電力を消費する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国仮出願第６１／０８７９５５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一次周波数標準器の寸法と消費電力の低減において、これまでいくつかの進歩がなされたが、それらのさらなる低減が、達成は困難であるものの、軍事および民間利用の両方において必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下で説明する一次周波数標準器の実施形態は、一次周波数標準器（「ＰＦＳ」）の要求を満たすことが可能な性能を有する新しいタイプの原子時計を提供する。これらの実施形態には、時計パッケージ全体として、体積が約５ｃｍ３までで、１日当りのタイムロスを５ｎｓ未満とすることが可能なものもある。
【０００７】
本原子時計の１つの実施形態は、膨張する低温原子雲内のルビジウム−８７（Ｒｂ−８７）の６．８ＧＨｚの超微細基底状態の周波数スプリットに基づいている。この作動原理はＮＩＳＴ−Ｆｌ原子泉時計（米国一次周波数標準器）の精神の内で設計されているが、従来、ＮＩＳＴ−Ｆｌ原子泉時計の重力方向に沿った軸の方向を維持するために必要であった、ジンバルの設置は必要としない。
【０００８】
原子時計のほかの実施形態において、原子時計の主要な構成要素は、Ｒｂ−８７の原子を高真空条件下に保持する真空チャンバキャビティ、垂直共振器面発光レーザ（「ＶＣＳＥＬ」）などの周波数安定化された単一レーザ光源、局部発振器（「ＬＯ」）、複数の磁場コイル、アンテナ、少なくとも１つの光検出器、および集積制御電子回路を含む、物理パッケージを含む。
【０００９】
原子時計の別の実施形態において、約１千万個のＲｂ−８７原子を捕獲し、封入し、雰囲気温度から約２０μＫまでレーザ冷却して、その結果、温度で１０ｅ７分の１、速度で３０００分の１に減少するために、レーザビームの磁気光学トラップ（「ＭＯＴ」）配置が使用される。この原子の内部基底状態エネルギー準位の間隔は、アルカリの基底状態超微細エネルギー準位スプリットに同調されたマイクロ波場を用いた時間領域ラムゼイ分光またはラビ分光を用いて、自由落下の間に検出される。クロック線幅は、ラムゼイパルスの間の時間またはラビパルスの長さに逆比例する。この低温でゆっくり運動するサンプル原子を使用して、ラムゼイパルスを時間的に大きく離間させる（約１０から１５ｍｓ）ことが可能であり、クロック線幅は７０Ｈｚ未満と予測される。マイクロ波場は局部発振器から加えられ、ＬＯは時計に短期間安定性を与える。ＬＯ周波数は、第２のラムゼイパルスの後、高い超微細状態内にある原子数を最大にする周波数にロックされる。時計の長期間安定性を決定する原子は、一般にはアラン偏差によって測定される。線幅が狭くＭＯＴ内に多数の原子があることによって、十分な信号対雑音比が実現され、この時計のアラン偏差（σｙ）のσｙは積分時間１時間で約１０×１０−１４である。
【００１０】
本原子時計の別の実施形態において、高性能で高数量の製造に適するリングレーザジャイロスコープ（「ＲＬＧ」）の製造技術が、物理パッケージを製作するために使用される。原子時計の実施形態は、原子をトラップし、冷却するために必要とされる、所定の６つのトラッピングビームを作るために、折り返し逆反射設計の単一ＶＣＳＥＬを含む。物理パッケージの形状はこの設計に適合しており、物理パッケージの外側にフリット接合された高性能の特別仕様誘電体ミラーに、光ビームを自動位置合わせする。集積低雑音光ダイオードはクロック信号を読み出す。これによって、ジンバルに取り付けられたミラーおよび他の大きな光学機器の必要性、および費用のかかる手動位置合わせの必要性が除去され、高真空性能に適合する封止されたチャンバが提供される。１つの実施形態において、本原子時計は携帯型低温原子デバイスである。
【００１１】
さらに本原子時計の実施形態では、単一ＶＣＳＥＬのみが全ての光ビームを供給するために使用される。従来のＶＣＳＥＬではなく外部共振器ＶＣＳＥＬの技術が、より狭い線幅を作り出すために使用される。ＶＣＳＥＬ技術は他の半導体レーザと比べて、小パッケージ（ほぼ０．２ｃｍ３の大きさ）内でのエネルギー効率が高い（約３０％を超える）ため、有利である。
【００１２】
さらに本原子時計の実施形態では、局部発振器は、６．８ＧＨｚにおいて十分な共振器のＱを実現する微小電子機械システム（「ＭＥＭＳ」）共振器設計を有しており、それによって周波数精度６．８３４６８２ＧＨｚにおいて、３ｄＢ線幅０．１Ｈｚの閉ループフィードバック発振器出力を可能とし、さらに温度に敏感でなく、電力消費は１０ｍＷ未満である。共振器の品質因子（Ｑ因子とも呼ばれる）は、共振器の振動のダンピング強度、または相対線幅に関する指標である。周波数同調された低出力コルピッツ型発振器などの、その他のＬＯ技術を実装することも可能である。
【００１３】
本原子時計のいくつかの実施形態の利点として、長期間、自力運転するために、原子超微細遷移に対してＶＣＳＥＬレーザ周波数の周波数安定化を行うことが含まれる。高性能の自律制御ループおよび高精度ＶＣＳＥＬ温度安定化技術、ならびにＭＥＭＳマイクロ製造された小型Ｒｂ−８７蒸気セルを使用して、人が介在することなしに、ＶＣＳＥＬ周波数が原子遷移にロックされ続けることになる。
【００１４】
本原子時計のいくつかの実施形態の別の利点として、最新技術の低温原子に比べ、必要とされる光出力を１０分に１未満に減少することが含まれる。折り返された逆反射アーキテクチャを使用することにより、ＶＣＳＥＬの光出力が有効に使用され、低電力運転が可能となる。
【００１５】
さらに以下で説明する原子時計の実施形態において、６．８ＧＨｚ放射をＲｂ−８７原子内に結合するために、光学的に透明なＭＥＭＳアンテナ・サブアセンブリが使用され、原子が自由落下膨張する間のエネルギー準位間隔を検出する。この手法によって、コヒーレント分布トラッピング（ＣＰＴ）共振に光学的に励起するためにＶＣＳＥＬを分離する必要性がなくなり、クロック周波数内の時間依存シュタルクシフトがなくなり、容易に小型化（マイクロ波共振器に比べ）され、原子近くに配置できて、電力低減が可能となる。
【００１６】
本原子時計の別の実施形態では、正確に取り付けられたアラインメント溝内で、大型の４分の１波長板と置き換えたナノ構造の回折要素（ＭＥＭＳ回折光学系など）が使用され、小型化が可能となり、手動位置合わせが不要になる。
【００１７】
さらに本原子時計の別の実施形態では、原子時計は、アルカリ金属原子を真空下に保持する真空チャンバキャビティ、真空チャンバキャビティ内でお互いに９０°の角度で交差する３つの逆反射された光ビームを作るための、光ビームを単一レーザ光源から物理パッケージを通して導く光路およびミラーの配列、ならびに少なくとも１つの光検出器ポートを含む物理パッケージと、単一レーザ光源、および単一レーザ光源からの光を、アルカリ金属の所定の原子遷移に相当する周波数に周波数安定化するためのアルカリ金属を収納する蒸気セル、ならびに単一レーザ光源からの光ビームを蒸気セルおよび物理パッケージに配分するための分配ミラー、を備える微小光学ベンチと、磁場、具体的には磁気光学トラップのための傾斜場、および自由落下時に磁気状態をスプリットするための均一なバイアス場、を発生するための複数の磁場コイルと、アルカリ金属の所定の原子遷移に相当するマイクロ波信号を発生するための局部発振器と、マイクロ波信号を物理パッケージのアルカリ金属原子に結合するためのアンテナと、物理パッケージのアルカリ金属原子の蛍光放出を検出するための少なくとも１つの光検出器と、原子時計に電力を供給し、原子時計の運転を制御し、光検出器からの信号を処理するための制御電子回路と、を備える。
【００１８】
一次周波数標準器の別の実施形態では、正確な周波数標準を形成する方法が提供される。本方法は、磁場、およびお互いに９０°の角度で交差する３つの逆反射された光ビームを作る逆反射された構成を有する単一レーザ光源からの光ビーム、を使用して形成された磁気光学トラップ中の受動的真空内に収納された、アルカリ金属原子の集団を冷却および装荷するステップと、磁気および光学トラップを消滅し、小さいバイアス磁場をかけて、アルカリ金属原子を高位エネルギー状態から低位エネルギー状態へ移動させるステップと、アルカリ金属原子の周波数スプリットを検出するために、局部発振器によって発生され、アンテナによってアルカリ金属原子に結合されたマイクロ波信号を使用して、時間領域のラムゼイ分光（本明細書ではラムゼイ呼び掛けとも呼ばれる）、またはラビ分光を行うステップと、アルカリ金属原子の蛍光放出を光検出器で測定して、高位基底エネルギー準位にあるアルカリ金属原子の割合を決定するステップと、原子基底状態共鳴に合致するＬＯ周波数に相当するラムゼイ呼び掛けの後、局部発振器によって発生されたマイクロ波信号の周波数を、高位エネルギー準位にあるアルカリ金属原子の数を最大にする周波数に安定化するステップと、を含む。
【００１９】
ここで小型化された原子時計の実施形態の利点を検討する。以下に説明する原子時計の実施形態は、マイクロビーム時計とは異なり、小型化されかつ狭いクロック線幅を有する。多くのクロック周波数シフト誤差は線幅に対応するので、広い線幅を生ずる時計は比例してやはり大きい周波数シフト誤差を持つことになる。少量のＲｂ−８７のサンプルは連続的にリサイクルされ長寿命を実現するので、消費するものもない。小型化された原子時計の実施形態は、蒸気セル時計とは異なり、バッファガスを使用せず、予測できない周波数シフトを除去している。コヒーレント分布トラッピングを使用するビーム時計、または蒸気セル時計とは異なり、クロック周波数の測定は、例えばＶＣＳＥＬエージングによって起こされる時間依存のシュタルクシフトを免れており、それによって時間依存のクロック周波数が除去されている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】原子時計の１つの実施形態のブロック線図である。
【図２】Ｒｂ−８７のエネルギー準位および周波数の線図である。
【図３】磁気光学トラップを使用する原子時計の１つの実施形態の概略図である。
【図４】正確な周波数標準器を形成する方法を示す１つの実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
種々の図面で同じ参照番号および名称は同じ要素を示す。
ここで原子時計の実施形態の基になる原理について説明する。そうするために、図１、原子時計８の１つの実施形態のブロック線図、および図２、アルカリ金属Ｒｂ−８７のエネルギー準位および周波数の線図を参照する。
【００２２】
図１および２と関連してここで説明する実施形態は、Ｒｂ−８７の超微細基底状態Ｆ＝１とＦ＝２との間の６．８３４６８２ＧＨｚの周波数スプリットに基づく（図２）。微小電子機械システム（「ＭＥＭＳ」）共振器、または電子コルピッツ型発振器などの局部発振器（「ＬＯ」）１０は、６．８ＧＨｚの原子遷移に共振するように安定化される。図１に示すように、レーザ２０はレーザビーム３０を発生し、それはＲｂ−８７原子４０を冷却するために使用される。Ｒｂ−８７原子４０はレーザ冷却され（以下でより詳細に記述するように）、低温原子の動きは遅いので、その結果大きな物理パッケージを必要とせずに、観測時間を長くしクロック線幅を非常に狭くできる。Ｒｂ−８７原子４０のバックグラウンド蒸気を、温度で１０ｅ７分の１、速度で３０００分の１に減少して、約２０μＫまでレーザ冷却するために、近共振の「捕獲光子」が使用され（図２）、次いでその原子を磁気光学トラップ（「ＭＯＴ」）内にトラップする。
【００２３】
ＭＯＴ内における磁場および光場は、複雑なゼーマンおよびシュタルクシフトを作り出し、それによって超微細基底状態の間のエネルギー準位間隔を変化させ、クロック周波数を検出するために望ましくない条件となる。逆にＭＯＴが消滅されると、エネルギー準位のシフトは消え、そして低温Ｒｂ−８７原子４０が何も外部場のない中で検出される。ひとたび消滅されると、Ｒｂ−８７原子４０はもはやトラップされず、自由に膨張できるが、それらの速度が低いためゆっくり膨張する。
【００２４】
局部発振器１０を６．８ＧＨｚ共振を超えて掃引し、光ダイオードなどの光検出器５０で（蛍光検出によって）Ｆ＝２内の原子分率をモニタすることによって、クロック共振が形成される。本原子時計の別の実施形態は、１つより多くの光検出器５０を含む。マイクロ波周波数は、ＭＥＭＳアンテナなどのアンテナ６０を介して原子に分配される。本原子時計の別の実施形態は、コイル、マイクロ波ホーン、集積された導波管、などを使用してマイクロ波周波数を原子に分配する。蛍光はＦ＝２内の原子数の指標であり、ＬＯ周波数が６．８ＧＨｚの超微細周波数と共振するときに最大化される。ＬＯ１０は蛍光の最大値７０（図１−１）にロックされる。制御電子回路８０はクロックの機能を制御する。
【００２５】
ここで図２を参照すると、ＭＯＴはトラッピング周波数、および再ポンピング周波数の２つの周波数を必要とする。トラッピング遷移はサイクル遷移であり、Ｒｂ−８７原子はＦ＝１準位に漏れ出す前に、多く（５０，０００など）のトラッピング光子を散乱する。レーザ２０はＦ＝２準位を再生成する（「再ポンピング」）するために使用され、Ｒｂ−８７原子はトラッピング光子の散乱を継続する。図１の実施形態に示すようなイオンポンプは、ＲＬＧ製造およびＵＶ管製造に使用された超高真空（「ＵＨＶ」）洗浄および封入技術を使用するため、図２では不要である。
【００２６】
Ｒｂ−８７原子のゆっくりした膨張の間に、６．８ＧＨｚの遷移が検出される。従来の時計では、原子が、無電磁場のドリフト領域ＬＲで分離された、２つの同等で均一な（マイクロ波共振器によって形成された）振動場を通って移動するときに、空間領域内でラムゼイ分光が行われる。このクロックの線幅ｒはＬＲに反比例する。マイクロビーム時計において、マイクロ波共振器を縮め、なおかつ共振器内の均一性を維持し、一方、無電磁場の短いドリフト領域を維持することは難しい。空間領域内で分光をする代わりに、時間領域分光が採用される。膨張する低温原子サンプルを時間領域ラムゼイ分光することにより、安定性および精度を犠牲にすることなく、時計の寸法が減少される。６．８ＧＨｚのＬＯ１０（図１）に接続されたアンテナ６０（図１）を使用して、無電磁場ドリフト時間ｔＲで分離された２つのパルスが作られ、微小スケールに縮小したときの空間領域分光の欠陥が克服できる。場が消滅させられた後に第１のパルスが発生される。本発明の原子時計は、マイクロビーム時計よりもほぼ百分の一狭い線幅を有する。第２のマイクロ波パルスの後にＦ＝２状態に存在する原子数は、マイクロ波放射がＦ＝１、ｍＦ＝０からＦ＝２、ｍＦ＝０への遷移に共振しているときに最大となる。別の方法として、また呼び掛け時間を短くするために、ラビ分光も使用できる。原子をＦ＝１、ｍＦ＝０からＦ＝２、ｍＦ＝０へ移すために、単一の共振パルスが使用される。クロック線幅の寸法は、ラムゼイパルスの間の時間、またはラビパルスの単一の時間幅に逆比例する。Ｆ＝２内の原子数は、蛍光検出によって測定されることになる。原子がＭＯＴ内にトラップされ、放出され、検出される各点に対して、蛍光曲線が作図される。検出された後に、原子はバックグラウンドの蒸気に戻り、それは次のＭＯＴサイクルの原子の源となる。Ｒｂ−８７はリサイクルされるので、この原子時計８は寿命が長い。
【００２７】
連続的に作動するビーム時計とは異なり、図１に示す原子時計の実施形態は、ほぼ１〜１０Ｈｚの繰り返し率を有するパルスモードで作動する。パルス作動することによって、使用しないときは共振器を停止することができるので、低電力運転が実現できる。原子時計８の構成要素の中で、最大の電力消費装置は、トラッピングおよび再ポンピング周波数の両方を発生するために使用されるレーザ２０（図１）であって、以下でさらに詳細に説明する。
【００２８】
運転性能は、
【００２９】
【数１】
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【００３０】
で評価されるアラン偏差を測定することにより特徴付けられる。ここで、Δν＝１／（ｔＲ）は積分時間であり、ν０＝６．８ＧＨｚ、ＴＣはｔＲおよび不感時間を含む全サイクル時間である。Ｓ／Ｎはサイクル当りの信号対雑音比である。ｔＲの値を用いると、５ｃｍ３パッケージ（＝７０Ｈｚ）は、第２のマイクロ波パルスの後、Ｎａ＝２．４×１０６のＲｂ−８７原子を有することになる。検出システムが原子ショット雑音制限と仮定すると、サイクル当りのＳ／Ｎは、Ｓ／Ｎ＝Ｓｑｒｔ［Ｎａ］＝１５００となる。
【００３１】
本原子時計の実施形態は、繰り返し率を変えることによって、性能を低下させることなく広い温度範囲で作動可能である。雰囲気温度が高いときはＲｂ−８７原子４０は、より迅速にＭＯＴ内に装荷されるが、バックグラウンドの衝突のために寿命は短い。雰囲気温度が低いときはＲｂ−８７原子４０は、よりゆっくりとＭＯＴ内に装荷されるが、寿命は長い。低温雰囲気で運転されるときは、室温運転に比べサイクル／秒は少ないが、各サイクルのクロック共振は狭く、そして高温雰囲気での運転の場合はその逆になる。
【００３２】
図３は、磁気光学トラップ（「ＭＯＴ」）を使用する原子時計１００の１つの実施形態の概略図である。原子時計１００は、（１）ルビジウムまたはセシウム（例えば、Ｒｂ−８７）などのアルカリ金属原子１３０を受動的真空（ゲッタ材を用いる場合と用いない場合がある）内に保持する真空チャンバキャビティ１２０、光ビーム１６０を単一レーザ光源１７０から物理パッケージ１１０を通して導く光路１４０およびミラー１５０の配列、ならびに少なくとも１つの光検出器ポート１８０（例示された実施形態では２つ示されている）を含む物理パッケージ１１０と、（２）例えば、垂直共振器面発光レーザ（「ＶＣＳＥＬ」）、分布帰還型レーザまたは端面発光レーザなどの半導体レーザの単一レーザ光源１７０、ルビジウムまたはセシウム（例えば、Ｒｂ−８７）などのアルカリ金属を収納する蒸気セル１９２、ならびに光ビーム１６０を蒸気セル１９２および物理パッケージ１１０に分配するためのミラー１９４を含む微小光学ベンチ１９０と、（３）傾斜磁場を発生するための、反ヘルムホルツコイルなどの複数の磁場コイル２００（本実施形態には２つ）と、（４）局部発振器（「ＬＯ」）１０（図１参照）と、（５）アンテナ３０（図１参照）と、（６）光検出器２０（図１参照）（例示された実施形態で、１つは各光検出器ポート１８０のために使用される）と、（７）制御電子回路２１０とを含む。光路１４０とミラー１５０の配列によって、単一レーザ光源１７０から物理パッケージ１１０を通して光ビーム１６０が導かれ、真空チャンバキャビティ１２０内でお互いに９０°の角度で交差する３つの逆反射された光ビームを作る。光ビームおよび磁場コイル２００によって作られた磁場は組み合わされて、バックグラウンド蒸気からのアルカリ金属原子１３０（例えば、Ｒｂ−８７原子）を減速、冷却、およびトラップするために使用され、そしてＲｂ−８７原子４０（温度約２０μＫの光ビームが交差する中心で約１千万個の原子）をＭＯＴ内にトラップする。折り返された逆反射ビーム光路によって単一光源１７０が有効に使用される。ミラー１５０（例えば、誘電体ミラー）および光回折素子が、散乱光と寸法を最小限に抑えて、光ビームを案内し、偏極を制御するために、それぞれ使用される。アルカリ金属を収納する蒸気セル１９２は、単一レーザ光源１７０からの光ビーム１６０の周波数を、所定のアルカリ金属の原子遷移に安定化するために使用される。ＬＯ１０は、所定のアルカリ金属の原子遷移に相当するマイクロ波信号を発生するために使用される。アンテナ３０は、ＬＯ１０からのマイクロ波信号を、物理パッケージ１１０のアルカリ金属原子１３０に与えるために使用される。光検出器２０はアルカリ金属原子１３０（例えば、Ｒｂ−８７原子）の蛍光を検出するために使用される。
【００３３】
図３に示す本発明の原子時計の例に必要とされる全ての光周波数は、単一レーザ光源（例えば、ＶＣＳＥＬ）によって供給される。トラッピング周波数は７８０ｎｍキャリア、再ポンピング周波数は６．８ＧＨｚでの側波帯であり、Ｆ＝２蛍光検出はキャリア周波数のみを使用する。ＶＣＳＥＬの場合、レーザ線幅はＲｂの自然線幅である約６ＭＨｚ未満でなければならず、それは通常のＶＣＳＥＬよりも約十分の一狭い。ＶＣＳＥＬは、約１０ｍＷより大きい光学的出力Ｐ、および約３ＭＨｚ未満の線幅を有し、それは６．８ＧＨｚで周波数変調されることが可能である。ＶＣＳＥＬは、微小光学ベンチ１９０上にあってアルカリ金属（例えば、外部ＣＳＡＣのようなＲｂ蒸気セル）を収納している蒸気セル１９２を使用して、原子ラインに周波数を安定化される。最適な性能のためには、約１×１０−７から約１×１０−８トル未満の真空が必要とされる。
【００３４】
制御電子回路２１０は、典型的には低雑音小型電子回路であり、冷却、自由膨張、および測定の段階をシーケンス化すること、時計のＬＯ１０をＲｂ−８７原子の原子共鳴にロックすること、正確な温度制御と波長安定化をＶＣＳＥＬに実現すること、の３つの主要な機能を果たす。一般に制御電子回路２１０は、原子時計１００に電力を供給し、原子時計１００の運転を制御し、光検出器２０からの信号を処理する働きをする。制御電子回路２１０は最適な運転のために、低レベルアナログ、ＲＦ、およびデジタルの回路を含むことになる。ＭＯＴのシーケンス化には、（１）ＶＣＳＥＬを６．８ＧＨｚに周波数変調して、Ｒｂ−８７原子を冷却およびトラップために必要な光周波数を供給すること、（２）膨張する前に、磁場コイル２００で発生された磁場を消滅すること、（３）ラムゼイ呼び掛けに対して、再び６．８ＧＨｚ変調をアンテナ３０に導くこと、を伴う。ＬＯ１０は、低雑音光検出技術を用いて原子時計の遷移にロックされて、蛍光信号を抽出し、それは積分器にフィードバックされる。積分器の出力はマイクロコントローラに供給され、ＬＯ１０がほぼ共振線に同期してロックを維持するようにする。最終的に電子装置は、ＶＣＳＥＬをｍＫまたはそれより低い安定性を有する正確な温度に維持しなければならない。本原子時計の実施形態は、ピーク検出および抵抗零位ブリッジによって、低電力の温度および波長制御を実現する。本原子時計の実施形態は、ＡＳＩＣ／ダイ実装を特定の個別部品と一体化して、一次標準を決定付ける寸法、性能、および電力の目標値に合致させる。
【００３５】
図４は、正確な周波数標準器を形成する方法４００の１つの実施形態を示すフローチャートである。本方法４００は、磁気光学トラップ中の受動的真空内に収納されたアルカリ金属原子の集団を冷却し、装荷するステップ（４１０）から始まる。磁気光学トラップは、磁場、およびお互いに９０°の角度で交差する３つの逆反射された光ビームを作る逆反射された構成を有する単一レーザ光源からの光ビーム、を使用して形成される。磁場および磁気光学トラップが消滅させられ（４２０）、次いで小さいバイアス磁場がかけられ、アルカリ金属原子を高位エネルギー状態から低位エネルギー状態へ移動させる（４３０）。本方法４００はさらに、局部発振器によって発生されアンテナによってアルカリ金属原子に結合されたマイクロ波信号を使用して、アルカリ金属原子の周波数スプリットを検出する時間領域のラムゼイ分光を行うステップ（４４０）を含む。アルカリ金属原子から放出された蛍光は光検出器で測定され（４５０）、高位エネルギー状態にあるアルカリ金属原子の割合が決定される。本方法４００は最後に、局部発振器によって発生されるマイクロ波信号の周波数を、高位エネルギー状態内のアルカリ金属原子数を最大とする周波数に安定化するステップ（４６０）を含む。
【００３６】
添付する請求項で決定される原子時計の複数の実施形態をこれまで説明してきた。しかし、請求の範囲に記載されている本発明の精神および範囲から逸脱することなく、説明された実施形態の様々な変形が作られ得ることを理解されたい。１つの実施形態に示された特有の態様は、別の実施形態に示された態様と組み合わされ、または置き換えられることが可能である。したがって、別の実施形態は添付する請求項の範囲内にある。
【符号の説明】
【００３７】
８  原子時計
３０  レーザビーム
４０  Ｒｂ−８７原子
７０  蛍光の最大値
１００  原子時計
１１０  物理パッケージ
１２０  真空チャンバキャビティ
１３０  アルカリ金属原子
１４０  光路
１５０  ミラー
１６０  光ビーム
１７０  単一レーザ光源
１８０  光検出器ポート
１９０  微小光学ベンチ
１９２  蒸気セル
１９４  ミラー
２００  磁場コイル
２１０  制御電子回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
2010062554000001.pdf