(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セシウム原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための光源を用いた原子発振器の制御方法であって、
前記光源に高周波信号を供給して前記共鳴光対を生成する第１の制御ステップと、
前記共鳴光対の中心周波数を設定するために前記光源に所定の直流信号を供給する第２
の制御ステップと、
前記高周波信号の供給又は停止を制御する第３の制御ステップと、
前記高周波信号の供給を停止させた状態で前記直流信号の強度を可変して、前記アルカ
リ金属原子を透過した前記共鳴光の強度を検出する第４の制御ステップと、
前記第４の制御ステップで検出した前記共鳴光の強度の最小値を検出する第５の制御ス
テップと、
前記第５の制御ステップで検出した前記最小値に基づき、前記高周波信号の供給を停止
させた状態で前記直流信号の強度を可変して、前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴
光の強度を検出し、前記共鳴光の強度が前記最小値よりも所定値大きくなるように、前記
直流信号の強度を設定する第６の制御ステップと、を備え、
前記第６の制御ステップにおいて設定された前記直流信号の強度に対応した前記共鳴光の中心周波数は、前記最小値に対応する前記共鳴光の中心周波数より１００乃至３００ＭＨｚ低くなるように前記所定値が設定されていることを特徴とする原子発振器の制御方法。
【請求項２】
セシウム原子に電磁誘起透過現象を発生させる共鳴光対を生成するための光源を用いた原子発振器の制御方法であって、
前記光源に高周波信号を供給して前記共鳴光対を生成する第１の制御ステップと、
前記共鳴光対の中心周波数を設定するために前記光源に所定の直流信号を供給する第２
の制御ステップと、
前記高周波信号の周波数を前記電磁誘起透過現象の発生しない所定の周波数に設定する
第３の制御ステップと、
前記直流バイアス電流を可変して、前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光の強度
の最小値を検出する第４の制御ステップと、
前記第４の制御ステップで検出した前記共鳴光の強度の最小値を記憶する第５の制御ス
テップと、
前記第５の制御ステップで記憶した前記最小値に基づき、前記直流信号の強度を可変し
て、前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光の強度を検出し、該共鳴光の強度の検出
値が前記最小値よりも所定値大きくなるように、前記直流信号の強度を設定する第６の制
御ステップと、を備え、
前記第６の制御ステップにおいて設定された前記直流信号の強度に対応した前記共鳴光の中心周波数は、前記最小値に対応する前記共鳴光の中心周波数より１００乃至３００ＭＨｚ低くなるように前記所定値が設定されていることを特徴とする原子発振器の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関し、さらに詳しくは、ＥＩＴ方式の原子発振器において、Ｅ
ＩＴ強度を最大にするＥＩＴの最適周波数を生成する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘起透過方式（ＥＩＴ方式、ＣＰＴ方式と呼ばれることもある）による原子発振器
は、アルカリ金属原子に波長の異なる二つの共鳴光を同時に照射すると、二つの共鳴光の
吸収が停止する現象（ＥＩＴ現象）を利用した発振器である。そして、波長の異なる２つ
の共鳴光対を１対のみ用意して、同時に照射される２つの共鳴光の周波数差（波長の差）
が正確に夫々の基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に一致するように周波数を制御している
。停止状態の原子発振器を起動する際の初期動作について述べる。原子発振器の電源を入
れると、先ず光源の波長をスイープすることで対象となるアルカリ金属原子の吸収帯の底
（ボトム）を探す。即ち、共鳴光対の中心周波数をスイープしたときに、検出信号の最小
値を検出してその点を励起周波数（励起波長）として決定し、ＥＩＴ信号を取得していた
。
また、特許文献１には、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）を光源としたサイドバンド方式
に係るＣＰＴ方式の小型原子発振器についての構成や動作方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】ＵＳ６２６５９４５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、最大のＥＩＴ信号強度が得られる励起周波数（励起波長）は吸収帯のボトムで
はなく、吸収帯のボトムより低周波数側にずれていることが実験的に確かめられた（図４
はアルカリ金属原子がセシウム（Ｃｓ）の場合であり、Ｐ点の周波数でＥＩＴ信号強度が
最大である。吸収帯のボトムは、同図横軸の値が５００（ＭＨｚ）付近である。尚、横軸
の絶対値の基準（ゼロ点）は任意である。）そのため、従来の原子発振器では、必ずしも
最大のＥＩＴ信号を検出していたとは言えず、Ｓ／Ｎ劣化の原因となっていた。
また、特許文献１に開示されている従来技術は、ＣＰＴ（ＥＩＴ）信号強度を最大にす
る二光波の周波数条件については規定されていない。
本発明は、かかる課題に鑑み、ＥＩＴを発生させないように周波数を僅かに外したサイ
ドバンド成分を供給して共鳴光対を発生させ、この状態で中心周波数をスイープして検出
信号のボトムを検出し、ボトムが検出されると共鳴光対の中心周波数を低周波数（長波長
）側にシフトしてサイドバンド変調波をスイープすることにより、最大のＥＩＴ信号が検
出でき、Ｓ／Ｎを向上して周波数の安定化を図ることができる原子発振器を提供すること
を目的としている。
【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
形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］気体状のアルカリ金属原子と、前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象
（ＥＩＴ現象）を発生させるための共鳴光対を生成する光源と、前記光源に高周波信号を
供給して前記共鳴光対を生成する高周波発生手段と、前記光源に直流信号を供給して前記
共鳴光対の中心周波数を可変する中心周波数可変手段と、前記アルカリ金属原子を透過し
た前記共鳴光対を検出し、該透過した前記共鳴光対の強度に応じた検出信号を出力する光
検出手段と、前記共鳴光対の中心周波数を可変したときの前記検出信号の最小値を検出す
る吸収検出手段と、前記高周波発生手段から出力される高周波信号の供給又は停止を制御
する信号処理手段と、を備え、該信号処理手段は、前記高周波信号の出力を停止させた状
態で、前記吸収検出手段により検出された前記最小値と前記検出信号とを比較し、前記検
出信号が前記最小値よりも所定値大きくなるよう、前記中心周波数可変手段を制御して前
記共鳴光対の中心周波数を設定するものであり、前記設定された中心周波数は前記最小値
に対応した前記共鳴光対の中心周波数よりも低く設定されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明は、高周波発生手段から高周波の供給と停止を制御する出力制御信号と、高周波
発生手段の周波数をスイープする周波数制御信号とを出力する信号処理手段を有し、中心
周波数可変手段により中心周波数をスイープしたときに発生する信号の最小値（ボトム）
を検出した際に、中心周波数（波長）を低周波数（長波長）側にシフトして高周波発生手
段により共鳴光対に高周波で変調をかけ、その高周波を信号処理手段によりスイープする
ことによりＥＩＴ信号を検出する。これにより、最大のＥＩＴ信号が検出でき、Ｓ／Ｎを
向上して原子発振器としての周波数の安定化を図ることができる。
【０００８】
［適用例２］気体状のアルカリ金属原子と、前記アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象
（ＥＩＴ現象）を発生させるための共鳴光対を生成する光源と、前記光源に高周波信号を
供給して前記共鳴光対を生成する高周波発生手段と、前記光源に直流信号を供給して前記
共鳴光対の中心周波数を可変する中心周波数可変手段と、前記アルカリ金属原子を透過し
た前記共鳴光対を検出し、該透過した前記共鳴光対の強度に応じた検出信号を出力する光
検出手段と、前記共鳴光対の中心周波数を可変したときの前記検出信号の最小値を検出す
る吸収検出手段と、前記高周波信号の周波数を前記電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象）の発
生しない所定の周波数に設定する信号処理手段と、を備え、該信号処理手段は、前記電磁
誘起透過現象（ＥＩＴ現象）を停止した状態で、前記吸収検出手段に記憶された前記最小
値と前記検出信号とを比較し、前記検出信号が前記最小値よりも所定値大きくなるよう、
前記中心周波数可変手段を制御して前記共鳴光対の中心周波数を設定するものであり、前
記設定された中心周波数は前記最小値に対応する前記共鳴光対の中心周波数よりも低く設
定されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明は、最初から高周波信号を共鳴光対に供給しておく。ただし、高周波信号の周波
数はＥＩＴが発生する周波数から僅かにずらしておく。これにより、中心周波数をスイー
プして検出信号の最小値を検出する際にＥＩＴ現象は発生しない。そして、検出信号のボ
トムが検出されると、中心周波数を低周波数（長波長）側にシフトし、高周波を信号処理
手段によりスイープすることによりＥＩＴ信号を検出する。これにより、最大のＥＩＴ信
号が検出でき、Ｓ／Ｎを向上して周波数の安定化を図ることができる。
【００１０】
［適用例３］前記アルカリ金属原子がセシウム（Ｃｓ）であり、前記設定された前記共
鳴光の中心周波数は、前記最小値に対応する前記共鳴光の中心周波数より１００乃至３０
０ＭＨｚ低く設定されていることを特徴とする。
【００１１】
ＥＩＴ信号が最も強くなる周波数は、検出信号のボトムよりむしろ低い周波数側にずれ
ていることが実験的に確かめられている。そこで本発明ではその範囲を１００乃至３００
ＭＨｚとして設定する。これにより、光源のドライブ電流（直流信号）対周波数（波長）
の関係が既知であるので、ドライブ電流を設定することにより容易に周波数を設定するこ
とができる。
【００１２】
［適用例４］アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象）を発生させる共鳴光
対を生成するための光源を用いた原子発振器の制御方法であって、前記光源に高周波信号
を供給して前記共鳴光対を生成する第１の制御ステップと、前記共鳴光対の中心周波数を
設定するために前記光源に所定の直流信号を供給する第２の制御ステップと、前記高周波
信号の供給又は停止を制御する第３の制御ステップと、前記高周波信号の供給を停止させ
た状態で前記直流信号の強度を可変して、前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光の
強度を検出する第４の制御ステップと、前記第４の制御ステップで検出した前記共鳴光の
強度の最小値を検出する第５の制御ステップと、前記第５の制御ステップで検出した前記
最小値に基づき、前記高周波信号の供給を停止させた状態で前記直流信号の強度を可変し
て、前記アルカリ金属原子を透過した前記共鳴光の強度を検出し、前記共鳴光の強度が前
記最小値よりも所定値大きくなるように、前記直流信号の強度を設定する第６の制御ステ
ップと、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
適用例１と同様の作用効果を奏する。
【００１４】
［適用例５］アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象）を発生させる共鳴光
対を生成するための光源を用いた原子発振器の制御方法であって、前記光源に高周波信号
を供給して前記共鳴光対を生成する第１の制御ステップと、前記共鳴光対の中心周波数を
設定するために前記光源に所定の直流信号を供給する第２の制御ステップと、前記高周波
信号の周波数を前記電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象）の発生しない所定の周波数に設定す
る第３の制御ステップと、前記第４の制御ステップで検出した前記共鳴光の強度の最小値
を記憶する第５の制御ステップと、前記直流バイアス電流を可変して、前記アルカリ金属
原子を透過した前記共鳴光の強度の最小値を記憶する第４の制御ステップと、前記第５の
制御ステップで記憶した前記最小値に基づき、前記直流信号の強度を可変して、前記アル
カリ金属原子を透過した前記共鳴光の強度を検出し、該共鳴光の強度の検出値が前記最小
値よりも所定値大きくなるように、前記直流信号の強度を設定する第６の制御ステップと
、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
適用例２と同様の作用効果を奏する。
【００１６】
［適用例６］前記アルカリ金属原子がセシウム（Ｃｓ）であり、前記第６の制御ステッ
プにおいて設定された前記直流信号の強度に対応した前記共鳴光の中心周波数は、前記最
小値に対応する前記共鳴光の中心周波数より１００乃至３００ＭＨｚ低くなるように前記
所定値が設定されていることを特徴とする。
【００１７】
適用例３と同様の作用効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の機能構成を示すブロック図である。
【図２】（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の動作を説明するフローチャート、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の動作を説明するフローチャートである。
【図３】（ａ）は光源の中心周波数をスイープしたときの光検出手段からの出力信号を表す図、（ｂ）は出力信号のボトムを検出したときの図、（ｃ）は中心周波数を長波長側にシフトしたときの図、（ｄ）はＣｓに対して高周波信号（サイドバンド）をスイープしてＥＩＴ信号を検出したときの図である。
【図４】ＣｓにおけるＥＩＴ信号強度と中心周波数の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記
載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限
り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
【００２０】
図１は本発明の第１乃至第２の実施形態に係る原子発振器の機能構成を示すブロック図
である。この原子発振器１００は、アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象）
を発生させるための共鳴光対を生成する光源１と、光源１からの光の波長により光の吸収
量を変化させるアルカリ金属入りセル（以下、ガスセルと記す）２と、光源１に高周波信
号を供給して共鳴光対を生成するサイドバンド発生手段（高周波発生手段）５と、光源１
に直流信号を供給して共鳴光対の中心周波数を可変する中心波長可変手段（中心周波数可
変手段）４と、アルカリ金属原子を透過した共鳴光対を検出し、透過した共鳴光対の強度
に応じた検出信号を出力する光検出手段３と、共鳴光対の中心周波数を可変したときの検
出信号の最小値（ボトム）を検出する吸収検出手段６と、サイドバンド発生手段５から出
力される高周波信号の供給又は停止を制御する信号処理手段８と、光検出手段３の出力を
同期検波してＥＩＴ状態を検出するＥＩＴ検出手段７と、を備えて構成されている。尚、
信号処理手段８からは、サイドバンド発生手段５のサイドバンド周波数をスイープする周
波数制御信号９と、サイドバンド発生手段５から発生するサイドバンドを供給又は停止す
る出力制御信号１０が出力される。
そして、信号処理手段８は、サイドバンド信号の出力を停止させた状態で、吸収検出手
段６により検出された検出信号の最小値と検出信号とを比較し、検出信号が最小値よりも
所定の値大きくなるよう、中心周波数可変手段４を制御して共鳴光対の中心周波数を設定
するものであり、設定された中心周波数は最小値に対応した共鳴光対の中心周波数よりも
低く設定されている。
【００２１】
また、信号処理手段８は、電磁誘起透過現象（ＥＩＴ現象）を停止した状態で、吸収検
出手段６により検出された最小値と検出信号とを比較し、検出信号が最小値よりも所定値
大きくなるよう、中心周波数可変手段４を制御して共鳴光対の中心周波数を設定するもの
であり、設定された中心周波数は最小値に対応する共鳴光対の中心周波数よりも低く設定
されている。
即ち、本実施形態では、サイドバンド発生手段５からサイドバンドの供給と停止を制御
する出力制御信号１０と、サイドバンド発生手段５の周波数をスイープする周波数制御信
号９とを出力する信号処理手段８を有し、中心波長可変手段４により中心周波数をスイー
プしたときに発生する信号の最小値（ボトム）を吸収検出手段６により検出した際に、中
心波長を長波長側にシフトしてサイドバンド発生手段５により共鳴光対に高周波で変調を
かけ、その高周波を信号処理手段８から出力される周波数制御信号９によりスイープする
ことでＥＩＴ信号を検出する。これにより、最大強度のＥＩＴ信号が検出でき、Ｓ／Ｎを
向上して原子発振器の周波数の安定化を図ることができる。
【００２２】
図２（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る原子発振器の動作を説明するフローチャー
トである。まず、信号処理手段８から出力制御信号１０をＯＮ状態にして光源１にサイド
バンド（高周波信号）を入力する。但し、このときのサイドバンド（高周波信号）の周波
数をＥＩＴ現象が発生しないように周波数を僅かにずらしておく（Ｓ１）。例えばアルカ
リ金属原子がＣｓの場合、ΔＥ１２が周波数に換算して９．１９２［ＧＨｚ］（或いはそ
の半分の値の４．５９６［ＧＨｚ］）なので、これらの値からずらす。次に中心周波数可
変手段４により中心周波数をスイープする（Ｓ２）。このとき図３（ａ）に示すとおり、
光検出手段３からは波形２０のような検出信号が出力される。また、スペクトルとして光
源１のスペクトル２１とサイドバンドのスペクトル２２が現れる。このとき、サイドバン
ドはＥＩＴ現象が発生しないように周波数を僅かにずらしてあるのでＥＩＴ現象は発生せ
ずに検出信号のボトム（最小値）を検出する（Ｓ３でＹ）（図３（ｂ）参照）。尚、吸収
の底ができたとする条件は、ある一定時間吸収の底にとどまったことや、変化が一定以下
になったことなどを条件にする。次に吸収の底が検出されると、中心波長を長波長側にシ
フトする（Ｓ４）（図３（ｃ）参照）。シフトする量は約２００ＭＨｚとする。そして、
信号処理手段８はサイドバンドを加えたまま周波数制御信号９によりサイドバンドをスイ
ープする（Ｓ５）。その後、スイープ制御に移行してＥＩＴ検出手段７によりＥＩＴ信号
を検出する（図３（ｄ）参照）。
【００２３】
即ち、本実施形態では、最初からサイドバンド（高周波信号）を共鳴光対に供給してお
く。ただし、サイドバンドの周波数はＥＩＴが発生する周波数から僅かにずらしておく。
これにより、中心周波数をスイープして検出信号の最小値を検出する際にＥＩＴ現象は発
生しない。そして、検出信号のボトム（最小値）が検出されると、中心周波数を長波長側
にシフトしてサイドバンド発生手段５により共鳴光対にサイドバンドで変調をかけ、その
サイドバンドを信号処理手段８によりスイープすることによりＥＦＩ信号を検出する。こ
れにより、最大強度のＥＩＴ信号が検出でき、Ｓ／Ｎを向上して原子発振器の周波数の安
定化を図ることができる。
また、ＥＩＴ信号が最も強くなる周波数は、検出信号のボトム（最小値）よりむしろ低
い周波数側にずれていることが実験的に確かめられている。そこで本実施形態ではその範
囲を１００乃至３００ＭＨｚとして設定する。これにより、光源１のドライブ電流対周波
数（波長）の関係が既知であるので、ドライブ電流を設定することにより容易に周波数を
設定することができる。
【００２４】
図２（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る原子発振器の動作を説明するフローチャー
トである。同じ動作には同じ参照番号を付して説明する。まず、信号処理手段８から出力
制御信号１０をＯＦＦ状態にして光源１にサイドバンド（高周波信号）を入力しないよう
にする（Ｓ１０）。次に中心周波数可変手段４により中心周波数をスイープする（Ｓ２）
。このとき図３（ａ）に示すとおり、光検出手段３からは波形２０のような検出信号が出
力される。また、スペクトルとして光源１のスペクトル２１のみが現れる。このとき、サ
イドバンドは入力していないのでＥＩＴ現象は発生せずに検出信号のボトム（最小値）を
検出する（Ｓ３でＹ）（図３（ｂ）参照）。尚、吸収の底ができたとする条件は、ある一
定時間吸収の底にとどまったことや、変化が一定以下になったことなどを条件にする。次
に吸収の底が検出されると、中心波長を長波長側にシフトする（Ｓ４）（図３（ｃ）参照
）。シフトする量は約２００ＭＨｚとする。次に、信号処理手段８から出力制御信号１０
をＯＮ状態にして光源１にサイドバンドを入力する（Ｓ１１）。そして、信号処理手段８
はサイドバンドを加えたまま周波数制御信号９によりサイドバンドをスイープする（Ｓ５
）。その後、スイープ制御に移行してＥＩＴ検出手段７によりＥＩＴ信号を検出する（図
３（ｄ）参照）。
【００２５】
即ち、本実施形態では、最初はサイドバンド（高周波信号）を供給しないでおく。これ
により、中心周波数をスイープして検出信号の最小値を検出する際にＥＩＴ現象は発生し
ない。そして、検出信号のボトムが検出されると、中心周波数を長波長側にシフトして、
サイドバンド発生手段５により共鳴光対にサイドバンドを供給する。つぎにそのサイドバ
ンドで変調をかけ、サイドバンドを信号処理手段８によりスイープすることによりＥＩＴ
信号を検出する。これにより、最大強度のＥＩＴ信号が検出でき、Ｓ／Ｎを向上して原子
発振器の周波数の安定化を図ることができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  光源、２  アルカリ金属入りセル、３  光検出手段、４  中心波長可変手段、５  
サイドバンド発生手段、６  吸収検出手段、７  ＥＩＴ検出手段、８  信号処理手段、９
周波数制御信号、１０  出力制御信号、１１  中心波長制御信号、１００  原子発振器
【図１】
0005540619.tif 000002
【図２】
0005540619.tif 000003
【図３】
0005540619.tif 000004
【図４】
0005540619.tif 000005