(57)【要約】【課題】消費電力の低い原子発振器を提供する。【解決手段】アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、前記サイドバンドは、２次以上のサイドバンドであることを特徴とする原子発振器を提供することにより上記課題を解決する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記サイドバンドは、２次以上のサイドバンドであることを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
前記サイドバンドは、３次のサイドバンドであることを特徴とする請求項１に記載の原子発振器。
【請求項３】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記２つの異なる波長のレーザ光は、一方は１次のサイドバンドであり、他方は２次以上のサイドバンドであることを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記光源における基本波となるレーザ光と前記サイドバンドであるレーザ光とを前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記サイドバンドであるレーザ光は、３次以上のサイドバンドであることを特徴とする原子発振器。
【請求項５】
前記レーザ光は、パルス光であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項６】
前記パルス光は、矩形波の形状であることを特徴とする請求項５に記載の原子発振器。
【請求項７】
前記パルス光は、三角波の形状であることを特徴とする請求項５に記載の原子発振器。
【請求項８】
前記パルス光は、前記光源から出射されたレーザ光を液晶素子により変調することにより得られるものであることを特徴とする請求項５または７に記載の原子発振器。
【請求項９】
前記アルカリ金属は、ルビジウム、セシウム、ナトリウム、カリウムのいずれかであることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項１０】
前記光源は、面発光レーザであることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項１１】
前記レーザ光の波長は、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍ、８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍ、７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍ、７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍの範囲に含まれるものであることを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項１２】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記サイドバンドは、２次以上のサイドバンドであることを特徴とするＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項１３】
前記サイドバンドは、３次のサイドバンドであることを特徴とする請求項１２に記載のＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項１４】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記２つの異なる波長のレーザ光は、一方は１次のサイドバンドであり、他方は２次以上のサイドバンドであることを特徴とするＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項１５】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記光源における基本波となるレーザ光と前記サイドバンドであるレーザ光とを前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記サイドバンドであるレーザ光は、３次以上のサイドバンドであることを特徴とするＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項１６】
前記レーザ光は、パルス光であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれかにに記載のＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項１７】
前記パルス光は、矩形波の形状であることを特徴とする請求項１６に記載のＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項１８】
前記パルス光は、三角波の形状であることを特徴とする請求項１６に記載のＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項１９】
前記パルス光は、前記光源から出射されたレーザ光を液晶素子により変調することにより得られるものであることを特徴とする請求項１６または１８に記載のＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項２０】
前記アルカリ金属は、ルビジウム、セシウム、ナトリウム、カリウムのいずれかであることを特徴とする請求項１２から１９のいずれかに記載のＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項２１】
前記光源は、面発光レーザであることを特徴とする請求項１２から２０のいずれかに記載のＣＰＴ共鳴の励起法。
【請求項２２】
前記レーザ光の波長は、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍ、８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍ、７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍ、７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍの範囲に含まれるものであることを特徴とする請求項１２から２１のいずれかに記載のＣＰＴ共鳴の励起法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器及びＣＰＴ共鳴の励起方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
極めて正確な時間を計る時計として原子時計（原子発振器）があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器に比べて、数桁高い周波数安定性を得ることができる。
【０００３】
このような原子時計には、幾つかの方式があるが、例えば、従来からあるマイクロ波共振器を用いた構造のものは、大型で高い消費電力を必要としていた。これに対し、ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式の原子時計は、従来の水晶発振器に比べて周波数安定性が３桁程度高く、また、超小型、超低消費電力を望むことができる。このようなＣＰＴ方式の原子時計は、２００７年にプロトタイプのものが作製されており、２０１１年には、米国のSymmetricom社より、民生品の販売がされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した原子時計は、従来からあるマイクロ波共振器を用いたものと比べて、消費電力が低くはなっているものの、消費電力は１１５ｍＷであるため、バッテリー駆動による使用を想定した場合には、まだまだ高く、更なる低消費電力のもの、例えば、消費電力が３０ｍＷ以下のものが望まれている。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、消費電力の低い原子発振器及びＣＰＴ共鳴の励起方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本実施の形態の一観点によれば、アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、前記サイドバンドは、２次以上のサイドバンドであることを特徴とする。
【０００７】
また、本実施の形態の他の一観点によれば、アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである２つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、前記２つの異なる波長のレーザ光は、一方は１次のサイドバンドであり、他方は２次以上のサイドバンドであることを特徴とする。
【０００８】
また、本実施の形態の他の一観点によれば、アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記光源における基本波となるレーザ光と前記サイドバンドであるレーザ光とを前記アルカリ金属セルに入射させることにより、２種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、前記サイドバンドであるレーザ光は、３次以上のサイドバンドであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、消費電力の低い原子発振器及びＣＰＴ共鳴の励起方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】レーザ光の説明図
【図２】第１の実施の形態における原子発振器の構造図
【図３】１３３ＣｓのＤ１線の説明図
【図４】１次、２次、３次のサイドバンドの説明図
【図５】連続励起によるＣＰＴ共鳴の特性図
【図６】パルス励起によるＣＰＴ共鳴の特性図
【図７】連続励起によるＲＦパワーとコントラストの相関図
【図８】パルス励起によるＲＦパワーとコントラストの相関図
【図９】連続励起によるレーザ強度と周波数シフトの相関図
【図１０】パルス励起によるレーザ強度と周波数シフトの相関図
【図１１】第２の実施の形態における原子発振器において用いられるパルス光の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００１２】
〔第１の実施の形態〕
ところで、上述したＣＰＴ方式の原子時計を調べたところ、電力の半分以上がマイクロ波発振器及びＰＬＬ（phase locked loop）等のマイクロ波関連回路で消費されていることがわかった。具体的には、数ＧＨｚ帯における消費電力は、主にＲＦ（Radio Frequency）帯域における動作によるスイッチング損失によりものであり、このスイッチング損失Ｐは数１に示される式で表わされる。
【００１３】
【数１】
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ｆＲＦはＲＦ周波数、Ｃは寄生容量、ＶはＲＦ振幅を示す。数１に示される式より、マイクロ波関連回路の消費電力を低減するためには、ＲＦ周波数ｆＲＦを低くする、寄生容量Ｃを低くする、ＲＦ振幅Ｖを低くする等の方策が考えられる。
【００１４】
本実施の形態における原子発振器では、これらのうちＲＦ周波数ｆＲＦを低くすることにより、原子発振器の消費電力を低くしたものである。具体的には、本実施の形態における原子発振器では、２次、３次等の高次高調波を用いることにより、基本波となるＲＦ周波数ｆＲＦを低くして、消費電力を抑えている。
【００１５】
ところで、原子発振器に高次高調波を用いた場合、励起に必要な波長のレーザ光の生成効率が落ちることから、ＣＰＴ共鳴におけるコントラストが低下する。原子発振器は、一般に高い周波数安定度が要求され、各種無線機器の基地局用基準発信源等として用いる場合には、特に、短期安定度が重要となる。周波数安定度の指標として用いられるアラン標準偏差において、短期安定度σｙ（τ）は、数２に示される式で表わされる。ここで、Ｑは原子共鳴の共振Ｑ値であり、数３に示される式で表わされる。尚、ＦＷＨＭ（full width at half maximum）はＲＦ周波数ｆＲＦにおける半値全幅、τは積算時間、Ｓ／Ｎは、Ｓ（シグナル）／Ｎ（ノイズ）比であり、具体的には、ＲＦ周波数ｆＲＦの強度とノイズとの比を示すものであり、本実施の形態においては、コントラストＣｔと記載する場合がある。また、図１は、レーザ光の強度分布を示す。
【００１６】
【数２】
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【００１７】
【数３】
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以上より、数２に示される短期安定度σｙ（τ）は、更に、数４に示される式で表わされる。
【００１８】
【数４】
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数４に示される式より、短期安定度σｙ（τ）は、原子共鳴の共振Ｑ値とコントラストＣｔ（Ｓ／Ｎ比）に依存して定まる。即ち、原子共鳴の共振Ｑ値、または、コントラストＣｔを大きくすることにより、短期安定度σｙ（τ）を小さくすることができる。しかしながら、ＣＰＴ共鳴を励起する場合には、励起用レーザ光の強度を高くすることにより、大きな共鳴振幅を得ることは可能ではあるが、同時に、パワーブロードニング効果により線幅が広がってしまう。従って、一般的には、Ｑ値の向上とコントラストＣｔ（Ｓ／Ｎ比）の向上とは、トレードオフの関係にある。
【００１９】
本実施の形態においては、レーザ光によるパルス励起を併用することにより、高次高調波におけるコントラストの低下を補い、消費電力を低くするとともに、原子発振器の安定性を高めている。
【００２０】
尚、パルス励起とは、光源より出射されたレーザ光をパルス化して励起するものである。このように、励起用レーザ光をパルス化することにより、ラムゼイ共鳴を生じさせ、共鳴線幅の狭帯域化やライトシフトを低減させることが可能となる。レーザ光をパルス化する方法としては、様々な方法があるが、励起用レーザの駆動電流を直接制御することによる直接変調では、変調の際に、レーザ光の出力波長が大きく変化してしまうため、原子発振器においては用いることはできない。従って、本実施の形態においては、レーザ光をパルス化するための変調は、ＡＯＭ（Acousto-Optic Modulator：音響光学素子）を用いて行なっている。
【００２１】
（原子発振器）
次に、図２に基づき本実施の形態における原子発振器の構造について説明する。本実施の形態における原子発振器は、レーザ光源１１０、コリメートレンズ１２０、ＡＯＭ１３０、偏光子１３１、アルカリ金属セル１４０、光検出器１５０等を有している。
【００２２】
レーザ光源１１０は、励起用のレーザ光源であり、本実施の形態においては、面発光半導体レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）が用いられている。レーザ光源１１０より出射されるレーザ光は、１３３ＣｓのＤ１線と略等しい波長が８９５ｎｍのレーザ光である。尚、ＶＣＳＥＬは、小型で、かつ、低消費電力でレーザ光を出射させることができるため、ＶＣＳＥＬを光源１１０に用いた場合、より一層消費電力を低くすることができるため好ましい。
【００２３】
アルカリ金属セル１４０は、例えば、直径２２．５ｍｍ、光路長２０．０ｍｍの円筒型の形状で形成されている。アルカリ金属セル１４０には、アルカリ原子ＣｓとバッファガスとしてＮ２が封入されており、アルカリ金属セル１４０の内部の圧力が、１．３ｋＰａとなっている。
【００２４】
本実施の形態においては、レーザ光源１１０より出射されたレーザ光は、コリメートレンズ１２０、ＡＯＭ１３０、偏光子１３１を介し、直径が約５mmのビーム径のレーザ光となりアルカリ金属セル１４０に入射する。アルカリ金属セル１４０に入射したレーザ光は、アルカリ金属セル１４０を透過し、フォトダイオード等からなる光検出器１５０に入射し、光検出器１５０に入射したレーザ光の光量等が検出される。
【００２５】
本実施の形態においては、光源１１０より出射されるレーザ光は、ＡＯＭ１３０によりパルス光とした後、アルカリ金属セル１４０に入射する。ＡＯＭ１３０は、高速変調可能であるため、パルス光は矩形波の形状となる。
【００２６】
本実施の形態では、レーザ光源１１０より出射されるレーザ光の波長を安定化させるために、ロックインアンプ１６１によるロックイン検波を行い、レーザ光源１１０であるＶＣＳＥＬを駆動する電流量をカレントドライブ１６２等により制御している。この制御では、アルカリ金属セル１４０におけるアルカリ原子の吸収量が最大となるように制御している。また、レーザ光源１１０であるＶＣＳＥＬの温度は、一定に保たれている。尚、このような動作のため、ロックインアンプ１６１及びカレントドライブ１６２には、ファンクションジェネレータ１６３が接続されている。
【００２７】
アルカリ金属セル１４０には、磁場に対して最も変動の少ないＣＰＴ共鳴を測定するため、ヘルムホルツコイルにより、３２μＴの静磁場Ｂが印加されており、ゼーマン分裂させることでＣＰＴ共鳴を選別している。また、地磁気などによる外部磁場を遮断するため、アルカリ金属セル１４０及びヘルムホルツコイルを磁気シールドで覆い、温度槽１４１内に設置して温度を一定に保っている。本実施の形態においては、アルカリ金属セル１４０の温度は、３０℃から５５℃までの範囲に保たれており、例えば、最もＣＰＴ共鳴のコントラストが高くなる４２．００℃の温度に保たれている。
【００２８】
ＣＰＴ共鳴の励起用レーザ光は、ゼーマン副準位の偏りを避けるため、偏光子１３１により直線偏光のレーザ光となっている。本実施の形態においては、図３に示されるように、｜Ｆ＝３，ｍ＝−１），｜Ｆ＝４，ｍ＝１）と｜Ｆ＝３，ｍ＝１），｜Ｆ＝４，ｍ＝−１）の２つのＣＰＴ共鳴が重畳した共鳴が観測される。
【００２９】
また、本実施の形態では、レーザ素子１１０から出射されるレーザ光は、ＡＯＭ１３０によりパルス光とした後、一次回折光をアルカリ金属セル１４０させている。ＡＯＭ１３０はＡＯＭドライバ１６５により制御されており、例えば、パルス光は、立ち上がり時間が公称値で６５ｎｓであり、パルス周期は１．００ｋＨｚ、Ｄｕｔｙ比は５０％となるように設定されている。従って、パルス光におけるパルスの立ち下りから立ち上りまでの時間間隔は５００μｓである。ＣＰＴラムゼイ共鳴の検出回路としては、サンプルホールド回路１７１を用いており、波形取得時間は５．０μｓ、レーザ立ち上がり直後から１０μｓのタイミングで共鳴を取得している。検出された光量に基づく光検出器１５０からの出力は、サンプルホールド回路１７１及びロックインアンプ１７２を介し、制御部１７３に入力している。また、制御部１７３からは、アナログシグナルジェネレータ１７４に制御信号が送られ、アナログシグナルジェネレータ１７４からは、ロックインアンプ１７２にＦＭ信号が送られる。また、測定器の基準周波数源にはＣｓ一次標準器１７５が用いられており、アナログシグナルジェネレータ１７４に接続されている。尚、これらの動作のため、サンプルホールド回路１７１及びＡＯＭドライバ１６５には、パルスジェネレータ１６６が接続されている。
【００３０】
ところで、本実施の形態におけるＣＰＴ共鳴を観測するためには、前述したように、アルカリ金属セル１４０内におけるアルカリ原子に対し、波長の異なる２種類のレーザ光を照射する必要がある。
【００３１】
具体的には、従来は、図４（ａ）に示されるように、レーザ光源１１０においてＦＭ変調させることにより発生する１次のサイドバンドを用いることにより、波長の異なる２種類のレーザ光を得ていた。これに対し、本実施の形態においては、図４（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、レーザ光源１１０をＦＭ変調させることにより発生する２次または３次のサイドバンドを用いている。これにより、２次のサイドバンドを用いた場合には、１次のサイドバンドを用いた場合に比べて変調周波数（ＲＦ周波数）を半分にすることができ、３次のサイドバンドを用いた場合には、１次のサイドバンドを用いた場合に比べて変調周波数（ＲＦ周波数）を１／３にすることができる。
【００３２】
即ち、表１に示されるように、１次のサイドバンドを用いた場合のＲＦ周波数が約４．６ＧＨｚである場合において、２次のサイドバンドを用いた場合には、ＲＦ周波数を約２．３ＧＨｚにすることができる。更に、３次のサイドバンドを用いた場合には、ＲＦ周波数を約１．５３ＧＨｚにすることができる。従って、数１に示される式より、スイッチング損失Ｐは、ＲＦ周波数ｆＲＦと比例関係にあるため、２次及び３次のサイドバンドを用いることにより、ＲＦ周波数ｆＲＦを低くした分、消費電力を低くすることができる。
【００３３】
【表１】
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次に、２次及び３次のサイドバンドを用いた場合におけるＣＰＴ励起における共鳴線幅特性について説明する。尚、本実施の形態においては、２次及び３次のサイドバンドとなる高調波を高次高調波と記載する場合がある。
【００３４】
図５には、連続励起におけるＣＰＴ共鳴を測定した結果を示す。縦軸は、ＣＰＴ共鳴の信号レベルであり、横軸は中心周波数からのズレ量を示す。尚、信号レベルは規格化されているものとする。表２は、１次〜３次のサイドバンドを用いた場合のコントラスト、ＦＷＨＭ等について、連続励起（ＣＷ）の場合と、パルス励起（ＰＬ）の場合について示す。
【００３５】
【表２】
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尚、ＲＦ電力は、コントラストが最大となる値を用いた。励起に必要なＲＦ周波数は、１次のサイドバンドを用いた場合には、４．５９６３２５ＧＨｚであるのに対し、２次のサイドバンドを用いた場合には、２．２９８１６２ＧＨｚである。２次のサイドバンドを用いた場合には、１次のサイドバンドを用いた場合の半分のＲＦ周波数によりＣＰＴ共鳴を観測することが可能である。同様に、３次のサイドバンドを用いた場合には、励起に必要なＲＦ周波数は、１．５３２１０８ＧＨｚであり、３次のサイドバンドを用いた場合には、１次のサイドバンドを用いた場合の１／３のＲＦ周波数によりＣＰＴ共鳴を観測することが可能である。
【００３６】
連続励起におけるＣＰＴ共鳴は、サイドバンドの次数が高くなるに伴い、ＦＷＨＭは僅かに狭くなり、Ｑ値は向上している。これは、パワーブロードニング効果による影響であるものと考えられる。パワーブロードニングとは、レーザ光の強度に比例して、ＦＷＨＭが広がる現象である。高次高調波を用いた場合では、ＣＰＴ共鳴に寄与する波長成分のレーザ強度が減少し、光強度が減少するため、ＦＷＨＭが狭くなるものと考えられる。
【００３７】
次に、図６には、パルス励起におけるＣＰＴラムゼイ共鳴を測定した結果を示す。縦軸は、ＣＰＴ共鳴の信号レベルであり、横軸は中心周波数からのズレ量を示す。尚、信号レベルは規格化されているものとする。パルス励起においては、高次高調波を用いた場合には、Ｑ値は略同一の値を示している。これは、パルス励起においては、パワーブロードニング効果が抑制されるため、ＦＷＨＭはレーザ光の強度に依存しないためと考えられる。
【００３８】
図７及び図８は、ＲＦパワーとコントラストとの関係を示す。図７は、連続励起におけるＲＦパワーとコントラストとの関係を示し、図８は、パルス励起におけるＲＦパワーとコントラストとの関係を示す。図７及び図８に示されるように、連続励起及びパルス励起において、各々コントラストが最大となるＲＦパワーが存在している。また、高次高調波を用いた励起では、１次による励起の場合と比べて、コントラストの最大値が低くなっている。これは変調度に伴いＣＰＴ共鳴に寄与する波長成分の割合が変化するためである。コントラストが最大となるＲＦパワーの値は、連続励起においては、１次の場合では、約０．３２ｍＷであり、２次及び３次の場合では、約０．５０ｍＷであった。尚、レーザ光源１１０であるＶＣＳＥＬに注入されるＲＦパワーが１ｍＷ以下であるのに対し、プロトタイプのマイクロ波関連回路の消費電力は、６６ｍＷであることから、マイクロ波関連回路の消費電力の９８％以上はスイッチング損失であるものと考えられる。
【００３９】
本実施の形態においては、高次高調波における励起により、２次のサイドバンドを用いた場合では、マイクロ波関連回路における消費電力が、２８．５（５７／２）ｍＷとなり、原子発振器全体では、７９．５（５１＋２８．５）ｍＷとなり、消費電力は２６．４％低減される。また、３次のサイドバンドを用いた場合では、マイクロ波関連回路の消費電力が、１９（５７／３）ｍＷとなり、原子発振器全体では、７０（５１＋１９）ｍＷとなり、消費電力は３５．２％低減される。従って、本実施の形態においては、原子発振器全体における消費電力を大幅に削減することができる。
【００４０】
高次高調波による励起において、２次の場合と３次の場合とを比較すると、コントラストは、２次の場合よりも３次の場合の方が高くなっている。これは励起準位Ｆ'＝３とＦ'＝４との差が１．１６７ＧＨｚであり、３次のＲＦ周波数と近いことから、励起準位Ｆ'＝３とＦ'＝４とを同時に励起している可能性がある。
【００４１】
尚、原子発振器における短期安定度は、Ｑ値とコントラストの積により定まる。表２に示されるように、連続励起の１次の場合を基準とすると、パルス励起の３次の場合においては、２．９７倍良好な結果が得られている。従って、高次高調波による励起とパルス励起とを組み合わせることにより、ＲＦ周波数を低くすることができるため省電力にすることができ、また、良好な短期安定度を得ることができる。
【００４２】
次に、ライトシフトについて説明する。ライトシフトは、レーザ光の光量に伴いＣＰＴ共鳴の中心周波数がシフトする現象であり、ＣＰＴ原子発振器の長期安定度を劣化させる大きな要因である。連続励起の場合では、ＣＰＴ共鳴周波数がレーザ光量に対して線形にシフトすることが知られている。また、ＣＰＴ共鳴に不要なサイドバンドにより、シフト量が変化することも報告されている。
【００４３】
図９及び図１０は、ＣＰＴ共鳴における光強度と周波数シフトとの関係を示す。具体的には、図９は、連続励起におけるレーザ光の光強度と周波数シフトとの関係を示すものであり、図１０は、パルス励起におけるレーザ光の光強度と周波数シフトとの関係を示す。また、表３には、レーザ光の光強度に対する周波数シフトの傾きであるライトシフト量（Light Shift）及びライトシフト量をＲＦ周波数で割った値（Relative Light Shift）を示す。尚、表３におけるRelative Light Shiftは、図９及び図１０における傾きとなるものである。
【００４４】
【表３】
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連続励起においては、ライトシフト量は、２次及び３次の場合では、１次の場合の２〜３倍であり、２次の場合の方が３次の場合のよりもライトシフト量は高かった。尚、これは、ＣＰＴ共鳴に不要なサイドバンドが原因であると考えられる。また、２次及び３次の場合におけるRelative Light Shiftは、１次の場合の約６倍であった。
【００４５】
一方、パルス励起においては、ＣＰＴラムゼイ共鳴におけるライトシフト量は、連続励起の場合よりも低くなっている。具体的には、パルス励起におけるライトシフト量は、連続励起の２０〜３０分の１以下であり、パルス励起によりライトシフト量を大幅に低減することができる。
【００４６】
また、パルス励起においても、高次高調波におけるライトシフト量は、１次の場合の約３倍であり、２次の場合と３次の場合とは略同じライトシフト量であった。高次高調波におけるRelative Light Shiftは、１次の場合の６倍〜１０倍であった。
【００４７】
以上より、高次高調波を用いたパルス励起の場合では、１次のサイドバンドを用いた連続励起の場合と比べて、ライトシフト量を低くすることができる。具体的には、３次のサイドバンドを用いたパルス励起の場合では、１次のサイドバンドを用いた連続励起の場合と比べて、Relative Light Shiftを１／３以下とすることができる。
【００４８】
従って、本実施の形態においては、３次のサイドバンドを用いたパルス励起の場合では、１次のサイドバンドを用いた連続励起の場合と比べて、Relative Light Shiftを１／３以下に抑えつつ、Ｑ値を５倍以上に向上させることができる。また、３次のサイドバンドを用いたパルス励起の場合では、１次のサイドバンドを用いた連続励起の場合に比べて、ＲＦ関連電力を１／３に抑えつつ、短期安定度を２．９７倍向上させることができる。
【００４９】
尚、上述した本実施の形態における説明では、アルカリ金属セル１４０に入れられているアルカリ金属として、セシウムの場合について説明したが、セシウムに代えてルビジウムを用いてもよい。また、光源１１０から出射されるレーザ光の波長は、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍ、８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍ、７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍ、７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍの範囲のいずれか含まれるものであってもよい。また、セシウムやルビジウムに代えて、他のアルカリ金属、具体的には、ナトリウム、または、カリウムを用いたものであってもよい。
【００５０】
また、上記における本実施の形態の説明では、２つの２次のサイドバンド、または、２つの３次のサイドバンドを用いた場合について説明したが、一方の側の２次のサイドバンドと他方の側の３次のサイドバンドを用いたものであってもよく、一方の側の１次のサイドバンドと他方の側の３次のサイドバンドを用いたものであってもよく、一方の側の１次のサイドバンドと他方の側の２次のサイドバンドを用いたものであってもよい。また、キャリアとなる基本波と３次のサイドバンドを用いたものであってもよい。尚、上記において一方の側及び他方の側とは、低周波側または高周波側のうちのいずれか一方を一方の側とし、他方を他方の側とするものである。また、サイドバンドについては、上記よりも高次のサイドバンドを用いた場合においても、同様の効果を得ることができる。
【００５１】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態における原子発振器において、図２に示されるＡＯＭ１３０に代えて、液晶素子を用いたものである。液晶素子はＡＯＭ１３０よりも小型であり、また、消費電力も低いため、更なる原子発振器の小型化が可能となり、また、消費電力も低くすることができる。このため、本実施の形態における原子発振器においては、図２に示されるＡＯＭドライバ１６５に代えて液晶ドライバが用いられる。このように、液晶素子を用いることにより、ＣＰＴを利用した超小型原子発振器（ＣＳＡＣ：Chip Scale Atomic Clock）を更に容易に得ることができる。
【００５２】
本実施の形態においては、液晶素子として、透過型のネマティック液晶と、偏光板２枚が用いられており、偏光面を９０°回転させることにより、光源１１０から出射されたレーザ光をパルス化させることによりパルス光を得ている。図１１は、液晶素子によりパルス化されたパルス光の波形を示す。本実施の形態においては、液晶素子によりオンオフ制御を行っているため、光パルスの形状は矩形波ではなく三角波に近い形状となる。図１１に示されるパルス光では、スイッチング周波数が１５０Ｈｚであり、立ち上がり時間は、２．６５ｍｓ、立ち下がり時間は２１８μｓである。本実施の形態においても、第１の実施の形態における原子発振器と同様の効果を得ることができた。
【００５３】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【００５４】
１１０      光源
１２０      コリメートレンズ
１３０      ＡＯＭ
１３１      偏光子
１４０      アルカリ金属セル
１５０      光検出器
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５５】
【特許文献１】特許第４８０１０４４号公報
【非特許文献】
【００５６】
【非特許文献１】Lutwak R, Vlitas P, Varghese M, Mescher M, Serkland D K, Peake G M., The MAC - A miniature atomic clock. Joint Meeting of the IEEE International Frequency Control Symposium and the Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, Vancouver,  BC, Canada, pp. 752-757 (2005)
【非特許文献２】N. Castagna, R. Boudot, S. Guerandel, E. Clercq, N. Dimarcq,and A. Clairon : "Investigations on Continuous and Pulsed Interrogation for a CPT Atomic Clock", IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 56 (2009) 246.
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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