(57)【要約】【課題】改良された原子時計システムを提供する。【解決手段】原子時計システムは、一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉する磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムを含む。このシステムは、第１の周波数を有する第１の光ビームと、第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するインテロゲーションシステムも含む。インテロゲーションシステムは、捕捉されたアルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、セルを通過する光差分ビームの方向を周期的に交互に切替える方向制御器を含む。このシステムは、一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節する発振器システムも含む。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子時計システムであって、
一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉する光捕捉システムと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するインテロゲーションシステムであって、前記アルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替える方向制御器を含む前記インテロゲーションシステムと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節する発振器システムと
を備える原子時計システム。
【請求項２】
前記光捕捉システムは、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムとして構成され、前記磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムは、
光捕捉ビームに応答して前記セル内の前記アルカリ金属原子を捕捉するように構成された捕捉磁場を生成するように構成された第１の磁場発生器と、
前記一連のクロック計測サイクルの前記ＣＰＴインテロゲーション段階中に均一クロック磁場を生成するように構成された第２の磁場発生器であって、前記均一クロック磁場は、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する、前記第２の磁場発生器とを含む、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項３】
前記アルカリ金属原子はルビジウム８７原子であり、前記均一クロック磁場は、約３．２３ガウスの大きさを有して、＜１、−１＞の第１のエネルギー状態から＜２、１＞の第２のエネルギー状態への前記ルビジウム８７原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動する、請求項２に記載の原子時計システム。
【請求項４】
前記第１の光ビームは、前記捕捉段階中に前記光捕捉ビームと共に前記セルを通過するように供給されて、前記アルカリ金属原子の実質的に全てを励起させて冷却アルカリ原子源及び前記アルカリ金属原子のベースライン光応答を供給し、前記発振器システムは、前記一連のクロック計測サイクルの各々における前記状態読み出し段階中に、前記アルカリ金属原子の前記ベースライン光応答に対する、前記ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の前記光応答に基づいて前記局部発振器の周波数を調節する、請求項２に記載の原子時計システム。
【請求項５】
前記インテロゲーションシステムは、前記ＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのそれぞれの強度を制御して、可変相対強度比を供給して前記アルカリ金属原子の励起に関連したＡＣシュタルクシフトを緩和するように構成される、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項６】
前記方向制御器は、
前記第１及び第２の光ビームを受け取って、第１のシーケンスで前記セルを通過する第１の方向に前記光差分ビームを供給するように構成された第１のビーム合成器と、
前記第１及び第２の光ビームを受け取って、第２のシーケンスで前記第１の方向とは反対の前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを供給するように構成された第２のビーム合成器と、
前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスとの間で交互に切替わるように構成された光スイッチとを含む、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項７】
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１のシーケンスにおいて、第１の相対的円偏光で前記第１の方向に第１の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成され、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第２のシーケンスにおいて、第２の相対的円偏光で前記第２の方向に第２の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成される、請求項６に記載の原子時計システム。
【請求項８】
第１及び第２の光信号の経路長は、前記セルを通過する差分光ビームの別個の個々の第１及び第２の印加方向に関してほぼ等しいか、又は前記第１及び第２の光信号の前記経路長は、前記第１及び第２の光ビームの差分周波数に対応する均等なマイクロ波波長の整数倍だけ異なっている、請求項７に記載の原子時計システム。
【請求項９】
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方を前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて第１の直線偏光で供給し、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第２の光ビーム及び前記第１の光ビームのうちの一方を前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて第２の直線偏光で供給し、前記原子時計システムは、
前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１及び第２のシーケンスの各々で第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給して、前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて、前記セルを通過する第１の方向に第１の相対的円偏光及び第２の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成された第３のビーム合成器と、
前記第１及び第２のシーケンスの各々で前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを反射して、前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて、前記第２の相対的円偏光及び前記第１の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成されたミラー及び第２の可変波長板を含む反射システムと
を更に備える、請求項６に記載の原子時計システム。
【請求項１０】
前記ミラーは、前記アルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーション領域に対応する前記セルのほぼ中心からの距離が、前記第１及び第２の光ビームの差分周波数に対応する均等なマイクロ波波長の整数倍の２分の１にほぼ等しくなるように物理的に配置される、請求項９に記載の原子時計システム。
【請求項１１】
前記第１の光ビームの周波数及び前記第２の光ビームの周波数は、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団の最大励起に対応するピークに関連した共振周波数の共振外れである差分周波数で差分光ビームを供給するように設定される、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項１２】
前記差分周波数は、前記一連のクロック計測サイクルの各々において前記共振周波数の＋Δ及び−Δのうちの一方となって、前記一連のクロック計測サイクルにおける前記状態読み出し段階中のＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に関連した差分強度を決定するように調節される、請求項１１に記載の原子時計システム。
【請求項１３】
前記局部発振器は、前記第１及び第２の光ビームの各々の間の差分周波数を安定化させる周波数安定化システムに周波数基準を供給して、前記発振器システムが前記局部発振器の周波数をフィードバック方式で調節するようにする、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項１４】
原子時計システムの局部発振器を安定化させるための方法であって、
冷却アルカリ原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答を供給するために、一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉するステップと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するステップと、
前記第１及び第２の光ビームの相対的円偏光に基づいて、捕捉されたアルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えるステップと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答を監視するステップと、
前記ベースライン光応答に対する、前記一連のクロック計測サイクルの各々の前記ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の前記光応答に基づいて前記局部発振器の周波数を調節するステップと
を含む、方法。
【請求項１５】
前記一連のクロック計測サイクルの前記ＣＰＴインテロゲーション段階中に均一クロック磁場を生成するステップを更に含み、前記均一クロック磁場は、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記光差分ビームの前記方向を周期的に交互に切替えるステップは、
前記第１及び第２の光ビームを第１のビーム合成器に供給して、第１のシーケンスにおいて、第１の方向に第１の相対的円偏光として前記セルを通過するように第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給するステップと、
前記第１及び第２の光ビームを第２のビーム合成器に供給して、第２のシーケンスにおいて、前記第１の方向とは反対の第２の方向に第２の相対的円偏光として前記セルを通過するように第２の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給するステップと、
前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスとの間で交互に切替えるステップと
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えるステップは、
前記第１及び第２の光ビームを第１のビーム合成器に供給して、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方を第１のシーケンス及び第２のシーケンスそれぞれにおいて第１の直線偏光で供給するステップと、
前記第１及び第２の光ビームを第２のビーム合成器に供給して、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方を前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて第２の直線偏光で供給するステップと、
直線偏光された第１及び第２のビームを第３のビーム合成器に供給して前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１及び第２のシーケンスの各々で第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給して、前記セルを通過する第１の方向に第１の相対的円偏光及び第２の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するステップであって、前記光差分ビームは、ミラーを介して反射され、且つ第２の可変波長板を通過して供給されて、前記第１及び第２のシーケンスの各々で前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを供給して、前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて、前記第２の相対的円偏光及び前記第１の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給する、前記光差分ビームを供給ステップと、
前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスとの間で交互に切替えるステップと
を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記光差分ビームを生成するステップは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団の最大励起に対応するピークに関連した共振周波数の共振外れである差分周波数で差分光ビームを供給することを含み、前記方法は、前記差分周波数が前記一連のクロック計測サイクルの各々において前記共振周波数の＋Δ及び−Δのうちの一方となって、前記一連のクロック計測サイクルにおける前記状態読み出し段階中に、ベースライン強度に対する、前記ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の前記光応答に関連した差分強度を決定するように前記差分周波数を調節するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
原子時計システムであって、
冷却アルカリ原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答を供給するために、一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内の前記アルカリ金属原子を捕捉するように構成された磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有し、且つ可変相対強度比を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するように構成されたインテロゲーションシステムであって、前記光差分ビームは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団の最大励起に対応するピークに関連した周波数の共振外れである周波数を有し、前記インテロゲーションシステムは、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えて、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する均一クロック磁場の存在下で第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動するように構成された方向制御器を含む、前記インテロゲーションシステムと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、前記ベースライン光応答に対する、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節するように構成された発振器システムと
を備える、原子時計システム。
【請求項２０】
前記方向制御器は、
前記第１及び第２の光ビームを受け取って、第１のシーケンスで前記セルを通過する第１の方向に前記光差分ビームを供給するように構成された第１のビーム合成器と、
前記第１及び第２の光ビームを受け取って、第２のシーケンスで前記第１の方向とは反対の前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを供給するように構成された第２のビーム合成器と、
前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスとの間で交互に切替えるように構成された光スイッチと
を含む、請求項１９に記載の原子時計システム。
【請求項２１】
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１のシーケンスにおいて、第１の相対的円偏光で前記第１の方向に第１の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成され、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第２のシーケンスにおいて、第２の相対的円偏光で前記第２の方向に第２の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成される、請求項２０に記載の原子時計システム。
【請求項２２】
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方をそれぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて第１の直線偏光で供給し、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第２の光ビーム及び前記第１の光ビームのうちの一方をそれぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて第２の直線偏光で供給し、前記原子時計システムは、
前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１及び第２のシーケンスの各々で第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給して、それぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて、前記セルを通過する第１の方向にそれぞれ第１の相対的円偏光及び第２の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成された第３のビーム合成器と、
前記第１及び第２のシーケンスの各々で前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを反射して、それぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて、それぞれ前記第２の相対的円偏光及び前記第１の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成されたミラー及び第２の可変波長板を含む反射システムと
を更に含む、請求項２０に記載の原子時計システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してタイミングシステムに関し、具体的には原子時計システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
原子時計は、航空宇宙用途での使用向けなどの非常に正確で安定した周波数基準として実施され得る。一例として、原子時計は、バイスタティックレーダシステム、全地球的航法衛星システム（ＧＮＳＳ：Ｇｌｏｂａｌ  Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ  ｓｙｓｔｅｍ）、並びに衛星システムなどの他のナビゲーション及び測位システムで使用することができる。原子時計は、携帯電話システムなどの通信システムで使用することもできる。幾つかの冷却原子源は、磁気光学トラップ（ＭＯＴ：ｍａｇｎｅｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｒａｐ）を含み得る。ＭＯＴは、原子捕捉領域でセシウム（Ｃｓ）又はルビジウム（Ｒｂ）などのアルカリ金属原子を捕捉することにより機能し、名目上球状の空間領域に原子を閉じ込めるように構成され得る。一例として、原子時計は、光インテロゲーションに応答して２つの状態間を遷移することができるアルカリ金属原子を捕捉する冷却原子源を利用して、光ビームの周波数監視を提供することができる。従って、冷却原子は、同じ性能のために遥かにより多くの空間を占有するより典型的なホットアトムビームシステムに取って代わる周波数基準として実施され得る。
【発明の概要】
【０００３】
一実施形態は、原子時計システムを含む。このシステムは、一連のクロック計測サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉する磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムを含む。このシステムは、第１の周波数を有する第１の光ビームと、第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するインテロゲーションシステムも含む。インテロゲーションシステムは、捕捉されたアルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、セルを通過する光差分ビームの方向を周期的に交互に切替える方向制御器を含む。このシステムは、一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節する発振器システムも含む。
【０００４】
別の実施形態は、原子時計システムの局部発振器を安定化させるための方法を含む。この方法は、冷却原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答を供給するために、一連のクロック計測サイクルの各々の捕捉段階中に、捕捉磁場及び捕捉光ビームに応答してＭＯＴシステムに関連したセル内のアルカリ金属原子を捕捉するステップを含む。この方法は、第１の周波数を有する第１の光ビームと、第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するステップも含む。この方法は、第１及び第２の光ビームの相対的円偏光に基づいて、捕捉されたアルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、セルを通過する光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えるステップも含む。この方法は、一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答を監視するステップも含む。この方法は、ベースライン光応答に対する、一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節するステップを更に含む。
【０００５】
別の実施形態は、原子時計システムを含む。このシステムは、冷却原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答を供給するために、一連のクロック計測サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉するように構成されたＭＯＴシステムを含む。このシステムは、第１の周波数を有する第１の光ビームと、第１の周波数と異なる第２の周波数を有し、且つ可変相対強度比を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するように構成されたインテロゲーションシステムも含み、この光差分ビームは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子の集団の最大励起に対応するピークに関連した周波数の共振外れである周波数を有する。インテロゲーションシステムは、一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中にセルを通過する光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えて、アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する均一クロック磁場の存在下で第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動するように構成された方向制御器を含む。このシステムは、一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ベースライン光応答に対する、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節するように構成された発振器システムも含む。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】原子時計システムの一例を示す。
【図２】原子時計システムの別の例を示す。
【図３】インテロゲーションシステムの一例を示す。
【図４】インテロゲーションシステムの別の例を示す。
【図５】アルカリ金属励起及びコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）のグラフの一例を示す。
【図６】アルカリ金属励起及びＣＰＴのグラフの別の例を示す。
【図７】タイミング図の一例を示す。
【図８】原子時計システムの局部発振器を安定化させるための方法の一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明は、概してタイミングシステムに関し、具体的には原子時計システムに関する。原子時計システムは、安定した周波数基準を供給する、水晶発振器などの局部発振器の周波数を調整するように実施することができ、それによって局部発振器の安定性及び精度を向上させる。例えば、原子時計システムは、一連のＣＰＴベースのインテロゲーションサイクルを実施してアルカリ金属原子の集団の２つの状態間の遷移エネルギーを測定し、異なる周波数及び円偏光の第１の光ビーム及び第２の光ビームを含む共線形ビームとして供給される差分光ビームの差分周波数に基づいて、安定した周波数基準を得ることができる。原子時計システムは、捕捉磁場及び捕捉光ビームの集合に応答してアルカリ金属原子を捕捉（例えば、冷却トラップ）するように構成された磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムを含み得る。一例として、各クロック計測サイクルの捕捉段階中、ＭＯＴシステムは、循環する遷移（即ち、Ｆ＝２、ｍＦ＝２→Ｆ’＝３、ｍＦ’＝３、以降では＜２、２＞−＜３’、３＞と記す）においてアルカリ金属原子を励起状態（例えば、ルビジウム８７の場合、Ｆ’＝３の超微細構造）に繰り返し励起して、冷却アルカリ原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答を供給することができる。アルカリ金属原子を捕捉して冷却アルカリ原子源及びベースライン光応答を供給すると、ＭＯＴシステムは、光捕捉ビーム及び捕捉磁場の印加を停止して、インテロゲーションのためのアルカリ金属原子を準備することができる。
【０００８】
原子時計システムは、インテロゲーションシステムを含むこともできる。インテロゲーションシステムは、第１の光ビームを供給する第１のレーザと、第２の光ビームを供給する第２のレーザとを含み得、これらの光ビームの各々は、異なる周波数と、互いに対して反対の円偏光とを有し、その結果、第１及び第２の光ビームは差分光ビームにおいて反対方向に回転する。また、インテロゲーションシステムは、アルカリ金属原子が収容されているＭＯＴシステムのセルを通過するように供給される、差分周波数を有する共線形ビームとして供給される第１及び第２の光ビームに対応する差分光ビームを印加するように構成された方向制御器と、光学系とを含む。従って、差分光ビームは、状態検出段階が後に続くアルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動して、差分光ビームの差分周波数に基づいてアルカリ金属原子の光応答を取得することができる。別の例として、アルカリ金属原子のインテロゲーションは、アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に関連した均一クロック磁場で提供され得、その結果、アルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションは、外部磁場に実質的に反応しないような方式で第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態になる。一例として、アルカリ金属原子は、ルビジウム８７原子であってもよく、その結果、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への（即ち、Ｆ＝０、ｍＦ＝−１→Ｆ’＝２、ｍＦ’＝１、以降では＜１、−１＞−＜２、１＞と記す）ルビジウム原子のＣＰＴインテロゲーションが磁場の変動に最小の依存性を有するように、均一クロック磁場は約３．２３ガウスの大きさを有し得る。
【０００９】
一例として、アルカリ金属原子の光応答を複数のクロック計測サイクルにわたって取得して、安定した周波数基準を決定することができる。例えば、差分周波数は、アルカリ金属原子の集団の実質的な最大ＣＰＴに関連した共振周波数から実質的に共振外れで供給され得る。共振外れ周波数は、交互のクロック計測サイクル又はクロック計測サイクルの疑似ランダムシーケンスなどにおいて、１つのクロック計測サイクルから次のサイクルで切替えることができる。結果として、共振周波数に対する＋Δ周波数及び−Δ周波数の各々におけるアルカリ金属原子の共振外れ周波数ＣＰＴインテロゲーションの光応答間の差分により、自然の原子の共振周波数と比較した局部発振器の誤差シフトを決定することができる。結果として、誤差は、局部発振器への調整量として適用することができる。一例として、局部発振器は、第１及び第２の光ビームを供給するレーザ間の差分周波数を安定化させるように構成され得、その結果、局部発振器の中心周波数への調節は、第１の光ビームと第２の光ビームとの間の差分周波数のフィードバック補正をもたらすことができる。
【００１０】
各クロック計測サイクルのＣＰＴインテロゲーション段階中、差分光ビームは、（例えば、円偏光の第１のペアでの）第１のシーケンスで第１の方向に、また（例えば、円偏光の第２のペアでの）第２のシーケンスで第１の方向とは反対の第２の方向に供給され得、スイッチングシステムが第１のシーケンスと第２のシーケンスとの間で交互に切替わる。例えば、このスイッチングシステムは、ＣＰＴインテロゲーション段階中に、第１のシーケンスと第２のシーケンスとの間で数百回〜数千回にわたり交互に切替わることができる。結果として、アルカリ金属原子の励起は、急速に方向を交互に切替えるような方式でもたらされ得る。従って、差分周波数に対するドップラーシフトがアルカリ金属原子の集団の励起において実質的に緩和され得る。従って、アルカリ金属原子の光応答は、差分周波数に対して非常に正確であることが可能であるため、この差分周波数を、局部発振器の周波数を調節するための高精度周波数基準とすることができる。
【００１１】
図１は、原子時計システム１０の一例を示す。原子時計システム１０は、航空宇宙飛行体の慣性航行システム（ＩＮＳ：ｉｎｅｒｔｉａｌ  ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）など、高度に安定した周波数基準を必要とする様々な用途のうちの任意のものにおいて実施され得る。本明細書でより詳細に説明するように、原子時計システム１０は、一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルに基づいて、発振器システム１４内の局部発振器１２の周波数を調節するように構成され得る。
【００１２】
原子時計システム１０は、アルカリ金属原子１８を捕捉（例えば、冷却トラップ）するように構成された光捕捉システム１６を含む。一例として、光捕捉システム１６は、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムとして構成することができる。例えば、アルカリ金属原子１８はルビジウム８７であり得るが、ルビジウム８７に限定されず、代わりに異なるアルカリ金属（例えば、セシウム１３３）に対応することができる。一例として、光捕捉システム１６は、アルカリ金属原子１８が光捕捉システム１６内で捕捉され、次いで光捕捉ビームの印加並びに捕捉磁場の印加及び除去に応答して、「光モラセス」内で更に冷却されるように、アルカリ金属原子１８を閉じ込めるセルを含む。例えば、一連のクロック計測サイクルの各々が捕捉段階を含むことができ、その捕捉段階中にアルカリ金属原子１８は光捕捉システム１６によって捕捉され得る。一例として、捕捉段階中、実質的に全てのアルカリ金属原子１８が基底状態（例えば、ルビジウム８７の場合、５２Ｓ１／２の微細構造におけるＦ＝２の超微細構造）から励起状態（例えば、ルビジウム８７の場合、５２Ｐ３／２の微細構造におけるＦ’＝３の超微細構造）へ遷移し、次いで、循環遷移において各サイクルで蛍光光子を放射しながら基底状態に戻ることができる。これに応答して、アルカリ金属原子１８は、図１の例において信号ＯＰＴＤＥＴとして示される光応答を供給することができる。信号ＯＰＴＤＥＴは、アルカリ金属原子１８が励起状態から基底状態に戻る際の光子の放出から生じるようなアルカリ金属原子１８の蛍光発光の振幅に対応し得る。結果として、捕捉段階中、実質的に全てのアルカリ金属原子１８が励起され、基底状態に戻ることができるため、信号ＯＰＴＤＥＴは、所与のクロック計測サイクルの捕捉段階中に捕捉された原子の総数に比例するベースライン光応答に対応し得る。
【００１３】
クロック計測サイクルの各々において、捕捉段階後に続いてＣＰＴインテロゲーション段階が開始される。図１の例では、原子時計システム１０は、ＣＰＴインテロゲーション段階中に差分光ビームＯＰＴΔを生成するように構成されたインテロゲーションシステム２０を含む。差分光ビームＯＰＴΔは、光捕捉システム１６を通過するように（例えば、光捕捉システム１６のセルを通過するように）供給されて、アルカリ金属原子１８の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動する。一例として、差分光ビームＯＰＴΔは、異なる周波数を有する（例えば、第１のレーザを介して生成される）第１の光ビームにより、及び（例えば、第２のレーザを介して生成される）第２の光ビームにより生成され得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔは、第１の光ビームの周波数と第２の光ビームの周波数との差分である差分周波数を有する。一例として、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数は、約６．８ＧＨｚであり得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔは、アルカリ金属原子１８の集団を第１の状態（例えば、基底状態＜１、−１＞）から第２の状態（例えば、励起状態＜２、１＞）に励起させることができる。例えば、本明細書でより詳細に説明するように、差分周波数は、ＣＰＴインテロゲーション中の第１の状態から第２の状態へのアルカリ金属原子１８の最大励起に対応する共振周波数の僅かに共振外れとなるように選択され得る。
【００１４】
従って、差分光ビームＯＰＴΔによるアルカリ金属原子１８の集団のＣＰＴインテロゲーションは、状態検出段階が後に続き、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数に基づいてアルカリ金属原子１８の光応答ＯＰＴＤＥＴが得られる。従って、光応答ＯＰＴＤＥＴは、アルカリ金属原子１８の光捕捉に応答して所与のクロック計測サイクルの捕捉段階中にまず供給され得、且つ光差分ビームＯＰＴΔに応答したアルカリ金属原子１８の集団の励起に応答して、ＣＰＴインテロゲーション段階後の状態検出段階中に再び供給され得る。別の例として、光捕捉システム１６は、ＣＰＴインテロゲーション段階に印加される均一クロック磁場を生成するように構成された均一クロック磁場発生器を含むこともできる。例えば、均一クロック磁場は、アルカリ金属原子１８のゼーマンシフト特性に関連した大きさを有して、外部磁場及びその変動に実質的に反応しないような方式で第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子１８の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動することができる。一例として、アルカリ金属原子は、ルビジウム８７原子であってもよく、その結果、均一クロック磁場は約３．２３ガウスの大きさを有して、＜１、−１＞の第１のエネルギー状態から＜２、１＞の第２のエネルギー状態へのルビジウム８７原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動し得る。
【００１５】
一例として、アルカリ金属原子１８の光応答ＯＰＴＤＥＴを複数のクロック計測サイクルにわたって取得して、安定した周波数基準を決定することができる。図１の例では、光応答ＯＰＴＤＥＴは発振器システム１４に供給され、その結果、発振器システム１４は、複数の一連のクロック計測サイクルにわたって光応答ＯＰＴＤＥＴに基づいて局部発振器１２の周波数を調節することができる。例えば、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数は、アルカリ金属原子１８の集団の実質的な最大ＣＰＴに関連した共振周波数から実質的に共振外れで供給され得、また、差分周波数における変化に対してＣＰＴ応答の増加した又は最大の変化率の程度で供給され得る。共振外れ周波数は、交互のクロック計測サイクル又はクロック計測サイクルの疑似ランダムシーケンスなどにおいて、１つのクロック計測サイクルから次のサイクルで、共振周波数から実質的に等しく且つ反対に切替えることができる。結果として、共振周波数に対する＋Δ周波数及び−Δ周波数の各々におけるアルカリ金属原子１８の共振外れ周波数励起の光応答ＯＰＴＤＥＴ間の差分により、局部発振器１２の安定した周波数基準のドリフトから生じるような共振周波数の誤差を決定することができる。結果として、誤差は、局部発振器１２の周波数への調整量として適用することができる。一例として、局部発振器１２は、差分光ビームＯＰＴΔを生成する第１及び第２の光ビームを供給する第１のレーザと第２のレーザとの間の差分周波数を安定化させるように構成され得る。図１の例では、発振器システム１４は、インテロゲーションシステム２０に周波数安定化信号ＢＴＳＴＢＬを供給してインテロゲーションシステム内のそれぞれのレーザの周波数を調節し、従って、差分光ビームＯＰＴΔを調節する。従って、局部発振器１２の中心周波数に対する調節により、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数のフィードバック補正をもたらすことができる。
【００１６】
加えて、図１の例では、インテロゲーションシステム２０は方向制御器２２も含み、この方向制御器２２は、（例えば、第１の円偏光構成での）第１のシーケンスでの第１の方向と、（例えば、第２の円偏光構成での）第２のシーケンスでの第１の方向とは反対の第２の方向との各々において、光捕捉システム１６を通過する（例えば、光捕捉システム１６のセルを通過する）差分光ビームＯＰＴΔを印加するように構成される。例えば、この方向制御器２２は、ＣＰＴインテロゲーション段階中に、第１のシーケンスと第２のシーケンスとの間で数百回〜数千回（例えば、１〜１００ｋＨｚ）にわたり交互に切替わることができる。結果として、アルカリ金属原子１８の励起は、急速に方向を交互に切替えるような方式でもたらされ得る。例えば、アルカリ金属原子１８は、差分光ビームＯＰＴΔの所与の円偏光構成のみに応答して励起され得、差分光ビームＯＰＴΔの所与の円偏光構成は、第１及び第２のシーケンスの各々において、それぞれ第１の方向と第２の方向との間で交互に替わり得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数に対するドップラーシフトがアルカリ金属原子１８の集団のエネルギー状態遷移のＣＰＴインテロゲーションにおいて実質的に緩和され得る。従って、アルカリ金属原子ＯＰＴΔの光応答ＯＰＴＤＥＴは、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数に対して非常に正確であることが可能であるため、この差分周波数を、局部発振器１２の周波数を調節するための高精度周波数基準とすることができる。
【００１７】
図２は、原子時計システム５０の別の例を示す。原子時計システム５０は、一連のクロック計測サイクルに基づいて発振器システム５４内の局部発振器５２の周波数を調節するように構成され得る。
【００１８】
原子時計システム５０は、アルカリ金属原子５８を捕捉（例えば、冷却トラップ）するように構成されたＭＯＴシステム５６を含む。図２の例では、アルカリ金属原子５８は、光損失を実質的に緩和する透明なガラスから形成され得るセル６０内に閉じ込められる。例えば、アルカリ金属原子５８は、ルビジウム８７であり得る。ＭＯＴシステム５６はまた、光捕捉ビームＯＰＴＴを生成するように構成された捕捉レーザ６２と、捕捉磁場を生成するように構成された捕捉磁場発生器６４（「トラップＢ発生器」）とを含む。一連のクロック計測サイクルの各々は捕捉段階で開始することができ、捕捉段階中、アルカリ金属原子５８は、光捕捉ビームＯＰＴＴ及び捕捉磁場を介してＭＯＴシステム５６によって捕捉され得る。原子時計システム５０は、ＭＯＴとして構成された光捕捉システムを含むものとして示されているが、原子時計システム５０では、アルカリ金属原子５８を捕捉する他の方法が実施され得ることを理解されたい。
【００１９】
捕捉段階中、実質的に全てのアルカリ金属原子５８が基底状態（例えば、ルビジウム８７の場合、５２Ｓ１／２の微細構造におけるＦ＝２の超微細構造）から励起状態（例えば、ルビジウム８７の場合、５２Ｐ３／２の微細構造におけるＦ’＝３の超微細構造）へ遷移し、次いで、循環遷移において基底状態（例えば、ルビジウム８７の場合、５２Ｓ１／２の微細構造におけるＦ＝２の超微細構造）に戻ることができる。共振外れのラマン遷移を通じて、アルカリ原子がより低い基底状態（例えば、ルビジウム８７の場合、５２Ｓ１／２の微細構造におけるＦ＝１の超微細構造）に落ちる場合、本明細書で説明するように、捕捉光の一部が調節されてより低い基底状態の原子を冷却及び捕捉のために循環遷移に戻すように再ポンプし得る。一例として、本明細書でより詳細に説明するように、アルカリ金属原子５８の大部分は、捕捉磁場及び光捕捉ビームに応答して励起され得、追加の刺激を受け取って、アルカリ金属原子５８の実質的に全体が励起状態に遷移するようにすることができる。この励起及び基底状態への回帰に応答して、アルカリ金属原子５８は、図２の例において信号ＯＰＴＤＥＴとして示される光応答を供給することができる。信号ＯＰＴＤＥＴは、アルカリ金属原子５８が励起状態から基底状態に戻る際の光子の放出から生じるようなアルカリ金属原子５８の蛍光発光の振幅に対応し得る。結果として、捕捉段階中、実質的に全てのアルカリ金属原子５８が励起され、基底状態に戻ることができるため、信号ＯＰＴＤＥＴは、所与のクロック計測サイクルの捕捉段階中のベースライン光応答に対応することができる。ＭＯＴシステム５６は、励起されたアルカリ金属原子５８の自然崩壊に基づいて光応答を供給するものとして本明細書では説明しているが、ベースライン光応答を得るためにアルカリ金属原子５８の捕捉を容易にするための他の方法が実施され得ることを理解されたい。例えば、ＭＯＴシステム５６は、代わりに励起刺激された放射サイクルを作動することができ、これは、より速く作動され得、また、アルカリ金属原子５８により大きい冷却力を及ぼすことができる。
【００２０】
捕捉段階に続いて、ＭＯＴシステム５６は、所与のクロック計測サイクルの光モラセス状態を提供することができる。一例として、光モラセス状態中、ＭＯＴシステム５６は、捕捉磁場発生器６４を停止させることができ、従って、光捕捉ビームＯＰＴＴを維持しながら捕捉磁場の印加を止めることができる。結果として、アルカリ金属原子５８は大幅に（例えば、約５μＫまで）冷却されて、アルカリ金属原子５８のより大きい閉じ込めをもたらすことができる。従って、アルカリ金属原子５８は、クロック計測サイクル後に続くＣＰＴインテロゲーション段階中に放出される際に非常に遅い速度を有し得る。
【００２１】
原子時計システム５０は、インテロゲーションシステム６６も含む。ＣＰＴインテロゲーション段は、第１の光ビームＯＰＴ１を生成するように構成された第１のレーザ６８と、第２の光ビームＯＰＴ２を生成するように構成された第２のレーザ７０とを含む。第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２は、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２を合成して差分光ビームＯＰＴΔを供給するように構成された光学系７２に供給される。差分光ビームＯＰＴΔは、ＭＯＴシステム５６のセル６０を通過するように供給され、所与のクロック計測サイクルのＣＰＴインテロゲーション段階中、アルカリ金属原子５８の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動する。一例として、第１の光ビームＯＰＴ１は第１の周波数を有するように第１のレーザ６８によって生成され得、第２の光ビームＯＰＴ２は第１の周波数と異なる第２の周波数を有するように第２のレーザ７０によって生成され得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔは、第１の光ビームＯＰＴ１の周波数と第２の光ビームＯＰＴ２の周波数との差分である差分周波数を有する。一例として、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数は、約６．８ＧＨｚであり得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔは、アルカリ金属原子５８の集団を第１の状態（例えば、基底状態＜１、−１＞）から第２の状態（例えば、励起状態＜２、１＞）に励起させることができる。例えば、本明細書でより詳細に説明するように、差分周波数は、第１の状態から第２の状態へのアルカリ金属原子５８の最大励起に対応する光共振周波数の僅かに共振外れとなるように選択され得る。
【００２２】
本明細書で使用する場合、アルカリ金属原子５８に関する「集団」という用語は、アルカリ金属原子５８の全てよりも少ない部分、とりわけ捕捉段階中に励起されるアルカリ金属原子５８の実質的な全体よりも少ない部分について述べている。一例として、ＣＰＴインテロゲーション段階中、アルカリ金属原子５８は、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの一方を介して、安定した励起状態（例えば、＜１’、０＞）に近いエネルギー状態に励起され、次いで、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの他方を介して、安定状態（例えば、＜２、１＞）に励起される。最終安定状態に励起されたアルカリ金属原子５８の部分は、差分光ビームＯＰＴΔのパルスの印加中の第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の相対的周波数（例えば、差分周波数）に依存し得る。しかしながら、アルカリ金属原子５８の一部は、「暗状態」のままであり、ＣＰＴインテロゲーション段階中に最終安定状態（例えば、＜２、１＞）に定着しない。従って、暗状態のままであるアルカリ金属原子５８は、ＣＰＴインテロゲーション段階中に最終安定状態に励起されるアルカリ金属原子５８の集団に入らないアルカリ金属原子５８の残りの部分を構成する。
【００２３】
本明細書でより詳細に説明するように、差分光ビームＯＰＴΔを介したアルカリ金属原子５８の集団の励起により、（例えば、それぞれのクロック計測サイクルの読み出し段階中に）差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数に基づいてアルカリ金属原子５８の光応答ＯＰＴＤＥＴが得られる。加えて、前述したように、アルカリ金属原子５８は、捕捉段階中に追加の刺激を受け取り、アルカリ金属原子５８の実質的に全体が励起状態に遷移することを可能にすることができる。一例として、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの一方が、捕捉段階中にセル６０に供給されて追加の刺激をもたらし、アルカリ金属原子５８の実質的に全ての励起をもたらして、冷却原子源及びベースライン光応答ＯＰＴＤＥＴを供給することができる。
【００２４】
加えて、図２の例では、ＭＯＴシステム５６は、均一クロック磁場発生器（「遷移Ｂ発生器」）７４を含む。均一クロック磁場発生器７４は、ＣＰＴインテロゲーション段階中にセル６０を通過するように均一クロック磁場を供給して、外部磁場に実質的に反応しないような方式でアルカリ金属原子５８の集団の励起をもたらすように構成され得る。一例として、均一クロック磁場は、アルカリ金属原子５８のゼーマンシフト特性に関連した大きさを有して、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態へのアルカリ金属原子５８の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動することができる。例えば、アルカリ金属原子は、ルビジウム８７原子であってもよく、その結果、均一クロック磁場は約３．２３ガウスの大きさを有して、＜１、−１＞の第１のエネルギー状態から＜２、１＞の第２のエネルギー状態へのルビジウム８７原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動し得る。
【００２５】
一例として、ＣＰＴインテロゲーション段階中、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２は、互いに対して変動する強度で供給され得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔは、ＣＰＴインテロゲーション段階中、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の変動する強度のある割合である強度を有し得る。一例として、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの一方が、断熱増加においてゼロからピークに達するまで増加する強度を有し得、ピーク到達時に第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの他方の強度がゼロから断熱的に増加を開始する。従って、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの所与の一方がまず断熱的に減少し始めることができ、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの他方がこれに続く。差分光ビームＯＰＴΔにおける第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の強度の比に基づいて、第１の状態から第２の状態へのアルカリ金属原子５８の集団の励起は、有害なＡＣシュタルクシフトを実質的に緩和するような方式でもたらされ得る。
【００２６】
加えて、アルカリ金属原子５８は、差分光ビームＯＰＴΔの所与の円偏光の向き（例えば、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対して、それぞれ円偏光＋σ及び−σで）に対してのみ反応することができ、反対の円偏光の方向に対して（例えば、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対して、それぞれ円偏光−σ及び＋σでは）反応しないことがあり得る。結果として、所与の一方向におけるアルカリ金属原子５８の繰り返しの励起により、その所与の方向におけるアルカリ金属原子５８の運動量の増加をもたらすことができる。結果として、所与の方向でのアルカリ金属原子５８の運動量は、この所与の方向において、差分周波数での光応答ＯＰＴＤＥＴに対して、ドップラーシフトを引き起こし得る。光応答ＯＰＴＤＥＴに対するそのようなドップラーシフトは、光応答ＯＰＴＤＥＴの誤差をもたらし得、従って、本明細書でより詳細に説明するように、水晶発振器５２に対する結果として得られる周波数基準において誤差をもたらし得る。
【００２７】
図２の例では、差分光ビームＯＰＴΔは、インテロゲーションシステム６６に関連した方向制御器７６を介して、第１の方向と第１の方向とは反対の第２の方向との両方にセル６０を通過するように供給される。一例として、方向制御器７６は、所与のクロック計測サイクルのＣＰＴインテロゲーション段階全体にわたり、第１及び第２の方向に対して、セル６０を通過する差分光ビームＯＰＴΔの印加の方向を複数回周期的に反転させるように構成され得る。従って、方向制御器７６は、第１のシーケンス中に第１の方向でセル６０を通過する光差分ビームＯＰＴΔを供給することができ、これに続いて、第２のシーケンス中に第２の方向でセル６０を通過する光差分ビームＯＰＴΔを供給し、ＣＰＴインテロゲーション段階中に第１のシーケンスと第２のシーケンスとの間で迅速に（例えば、約１〜１００ｋＨｚ）交互に切替わることができる。
【００２８】
一例として、差分光ビームＯＰＴΔは、円偏光の反対の向き（例えば、それぞれ＋σ及び−σ）で供給される第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２を含むことができる。従って、方向制御器７６は、これらの反対方向の各々において＋σの円偏光を供給して、これらの反対方向の各々においてアルカリ金属原子５８の励起を交互にもたらすことができる。従って、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数に対するドップラーシフトがアルカリ金属原子５８の集団の励起において実質的に緩和され得る。例えば、各クロック計測サイクルのＣＰＴインテロゲーション段階中に、反対方向の各々においてアルカリ金属原子５８の励起を急速にもたらすことにより、所与の方向に供給される差分光ビームＯＰＴΔに応答したアルカリ金属原子５８の運動量は、反対方向に供給される差分光ビームＯＰＴΔによってもたらされる実質的に等しく反対の運動量によって実質的に相殺されて、光応答ＯＰＴＤＥＴにおける任意の潜在的なドップラーシフトを実質的に緩和する。
【００２９】
図３は、インテロゲーションシステム１００の一例を示す。インテロゲーションシステム１００は、インテロゲーションシステム６６の第１の例に対応し得る。従って、図３の例についての以下の説明では、図２の例への参照がなされる。
【００３０】
インテロゲーションシステム１００は、第１の光ビームＯＰＴ１を生成するように構成された第１のレーザ１０２と、第２の光ビームＯＰＴ２を生成するように構成された第２のレーザ１０４とを含む。第１の光ビームＯＰＴ１は光スイッチ１０６に向けて供給され、第２の光ビームＯＰＴ２は光スイッチ１０８に向けて供給される。光スイッチ１０６及び１０８は、切替式局部発振器（「切替ＬＯ」）１１４に応答して、第１の偏光ビーム合成器１１０と第２の偏光ビーム合成器１１２との間でそれぞれ第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２を切替えるようにそれぞれ構成される。一例として、切替式局部発振器１１４は、局部発振器５２によって制御されて、光スイッチ１０６及び１０８の各々の出力を実質的に高頻度で同時に切替えて、ＣＰＴインテロゲーション段階中に約数百回〜数千回の切り替えをもたらすことができる。
【００３１】
図３の例では、インテロゲーションシステム１００は、第１の制御信号ＣＴＲＬ１を第１のレーザ１０２に、第２の制御信号ＣＴＲＬ２を第２のレーザ１０４に供給するように構成されたＣＰＴ制御器１１５も含む。一例として、制御信号ＣＴＲＬ１及びＣＴＲＬ２は、互いに対して第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のそれぞれの変動する強度をもたらすように実施され得る。従って、本明細書でより詳細に説明するように、差分光ビームＯＰＴΔは、ＣＰＴインテロゲーション段階中、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の変動する強度のある割合である強度を有し得る。差分光ビームＯＰＴΔにおける第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の強度の比に基づいて、第１の状態から第２の状態へのアルカリ金属原子５８の集団の励起は、有害なＡＣシュタルクシフトを実質的に緩和するような方式でもたらされ得る。
【００３２】
一例として、第１のシーケンス中、切替式局部発振器１１４は、光スイッチ１０６に命令して、第１の光信号ＯＰＴ１を第１の偏光ビーム合成器１１０に供給される出力光信号ＯＰＴ１＿１として供給することができる。同様に、第１のシーケンス中、切替式局部発振器１１４は、光スイッチ１０８に命令して、第２の光信号ＯＰＴ２を第１の偏光ビーム合成器１１０に同様に供給される出力光信号ＯＰＴ２＿１として供給することができる。一例として、光ビームＯＰＴ１＿１及びＯＰＴ２＿１は、それぞれ互いに対して直交する直線偏光を伴って直線的に偏光され得る。従って、第１の偏光ビーム合成器１１０は、それぞれ直交する直線偏光された光ビームＯＰＴ１＿１及びＯＰＴ２＿１を有する単一ビームとして差分光ビームＯＰＴΔを供給することができる。差分光ビームＯＰＴΔは、可変波長板（例えば、４分の１波長板）１１６を介して供給されて、（例えば、逆回転する円偏光＋σ及び−σで）それぞれ反対に円偏光された光ビームＯＰＴ１＿１及びＯＰＴ２＿１を有する単一ビームとして差分光ビームＯＰＴΔを供給する。従って、円偏光された差分光ビームＯＰＴΔが、第１のシーケンス中に第１の方向でセル６０を通過するように供給される。
【００３３】
同様に、第２のシーケンス中、切替式局部発振器１１４は、光スイッチ１０６に命令して、第１の光信号ＯＰＴ１を第２の偏光ビーム合成器１１２に供給される出力光信号ＯＰＴ１＿２として供給することができる。同様に、第２のシーケンス中、切替式局部発振器１１４は、光スイッチ１０８に命令して、第２の光信号ＯＰＴ２を第２の偏光ビーム合成器１１２に同様に供給される出力光信号ＯＰＴ２＿２として供給することができる。一例として、光ビームＯＰＴ１＿２及びＯＰＴ２＿２は、それぞれ互いに対して直交する直線偏光を伴って直線的に偏光され得る。従って、第２の偏光ビーム合成器１１２は、それぞれ直交する直線偏光された光ビームＯＰＴ１＿２及びＯＰＴ２＿２を有する単一ビームとして差分光ビームＯＰＴΔを供給することができる。差分光ビームＯＰＴΔは、可変波長板（例えば、４分の１波長板）１１８を介して供給されて、（例えば、逆回転する円偏光＋σ及び−σで）それぞれ反対に円偏光された光ビームＯＰＴ１＿２及びＯＰＴ２＿２を有する単一ビームとして差分光ビームＯＰＴΔを供給する。従って、円偏光された差分光ビームＯＰＴΔが、第２のシーケンス中に第１の方向とは反対の第２の方向でセル６０を通過するように供給される。従って、第１のシーケンスと第２のシーケンスとを迅速に切替えることにより、差分光ビームＯＰＴΔは、セル６０を通過するように迅速に交互に供給されて、ＣＰＴインテロゲーション段階中に（例えば、第１のシーケンス及び第２のシーケンスの各々において、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対して、それぞれ円偏光＋σ及び−σで）第１の方向と第２の方向とのそれぞれにアルカリ金属原子５８のＣＰＴインテロゲーションを作動することができる。
【００３４】
図３の例では、光スイッチ１０６及び１０８は、ＣＰＴインテロゲーション領域に対応するセル６０のおよその中心に対して、光信号ＯＰＴ１及びＯＰＴ２、従って光ビームＯＰＴ１＿１及びＯＰＴ１＿２、並びに光ビームＯＰＴ２＿１及びＯＰＴ２＿２の位相がほぼ等しくなることを確実にするような方式で物理的に配置され得る。結果として、アルカリ金属原子５８のＣＰＴインテロゲーションは、第１のシーケンス及び第２のシーケンスの各々においてほぼ等しい位相を有する差分光ビームＯＰＴΔに基づいて、第１のシーケンスと第２のシーケンスとの各々に対してほぼ等しくなることができる。例えば、光スイッチ１０６及び１０８は、光信号ＯＰＴ１及びＯＰＴ２の経路長が、セル６０を通過する差分光ビームＯＰＴΔのそれぞれの別個の印加方向についてほぼ等しくなるように物理的に配置され得、又は２つの光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の差分周波数に対応する均等なマイクロ波波長（例えば、ルビジウム８７の場合、約４．４ｃｍ）の整数倍だけ異なる経路長を有し得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔの位相は、第１及び第２のシーケンスの各々におけるアルカリ金属原子５８のＣＰＴインテロゲーションに関してほぼ等しいことがあり得る。
【００３５】
図４は、インテロゲーションシステム１５０の別の例を示す。インテロゲーションシステム１５０は、インテロゲーションシステム６６の第２の例に対応し得る。従って、図４の例についての以下の説明では、図２の例への参照がなされる。
【００３６】
インテロゲーションシステム１５０は、第１の光ビームＯＰＴ１を生成するように構成された第１のレーザ１５２と、第２の光ビームＯＰＴ２を生成するように構成された第２のレーザ１５４とを含む。第１の光ビームＯＰＴ１は光スイッチ１５６に向けて供給され、第２の光ビームＯＰＴ２は光スイッチ１５８に向けて供給される。光スイッチ１５６及び１５８は、切替式局部発振器（「切替ＬＯ」）１６４に応答して、第１の偏光ビーム合成器１６０と第２の偏光ビーム合成器１６２との間でそれぞれ第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２を切替えるようにそれぞれ構成される。一例として、切替式局部発振器１６４は、局部発振器５２によって制御されて、光スイッチ１５６及び１５８の各々の出力を実質的に高頻度で同時に切替えて、ＣＰＴインテロゲーション段階中に約数百回〜数千回の切り替えをもたらすことができる。
【００３７】
図４の例では、インテロゲーションシステム１５０は、第１の制御信号ＣＴＲＬ１を第１のレーザ１５２に、第２の制御信号ＣＴＲＬ２を第２のレーザ１５４に供給するように構成されたＣＰＴ制御器１６５も含む。一例として、制御信号ＣＴＲＬ１及びＣＴＲＬ２は、互いに対して第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のそれぞれの変動する強度をもたらすように実施され得る。従って、本明細書でより詳細に説明するように、差分光ビームＯＰＴΔは、ＣＰＴインテロゲーション段階中、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の変動する強度のある割合である強度を有し得る。差分光ビームＯＰＴΔにおける第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の強度の比に基づいて、第１の状態から第２の状態へのアルカリ金属原子５８の集団の励起は、有害なＡＣシュタルクシフトを実質的に緩和するような方式でもたらされ得る。
【００３８】
一例として、第１のシーケンス中、切替式局部発振器１６４は、光スイッチ１５６に命令して、第１の光信号ＯＰＴ１を第１の偏光ビーム合成器１６０に供給される出力光信号ＯＰＴ１＿１として供給することができる。同様に、第１のシーケンス中、切替式局部発振器１６４は、光スイッチ１５８に命令して、第２の光信号ＯＰＴ２を第２の偏光ビーム合成器１６２に同様に供給される出力光信号ＯＰＴ２＿１として供給することができる。一例として、光ビームＯＰＴ１＿１及びＯＰＴ２＿１は、それぞれ互いに対して直交する直線偏光を伴って直線的に偏光され得る。従って、第１の偏光ビーム合成器１６０は、第１のシーケンス中に第１の光ビームＯＰＴ１（例えば、光ビームＯＰＴ１＿１）に対応する光ビームＯＰＴＡを供給することができ、第２の偏光ビーム合成器１６２は、第１のシーケンス中に第２の光ビームＯＰＴ２（例えば、光ビームＯＰＴ２＿１）に対応する光ビームＯＰＴＢを供給することができる。従って、光ビームＯＰＴＡ及びＯＰＴＢは、互いに対して直交する直線偏光を有し、第３の偏光ビーム合成器１６６に供給されて、それぞれの直交する直線偏光された光ビームＯＰＴＡ及びＯＰＴＢ（例えば、光ビームＯＰＴ１＿１及びＯＰＴ２＿１）を有する単一ビームとして差分光ビームＯＰＴΔを供給する。差分光ビームＯＰＴΔは、可変波長板（例えば、４分の１波長板）１６８を介して供給されて、第１のシーケンス中に、（例えば、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対して、それぞれ逆回転する円偏光＋σ及び−σで）それぞれ反対に円偏光された光ビームＯＰＴＡ及びＯＰＴＢを有する単一ビームとして差分光ビームＯＰＴΔを供給する。
【００３９】
同様に、第２のシーケンス中、切替式局部発振器１６４は、光スイッチ１５６に命令して、第１の光信号ＯＰＴ１を第２の偏光ビーム合成器１６２に供給される出力光信号ＯＰＴ１＿２として供給することができる。同様に、第２のシーケンス中、切替式局部発振器１６４は、光スイッチ１５８に命令して、第２の光信号ＯＰＴ２を第１の偏光ビーム合成器１６０に同様に供給される出力光信号ＯＰＴ２＿２として供給することができる。一例として、光ビームＯＰＴ１＿２及びＯＰＴ２＿２は、それぞれ互いに対して直交する直線偏光を伴って直線的に偏光され得る。従って、第１の偏光ビーム合成器１６０は、第２のシーケンス中に第２の光ビームＯＰＴ２（例えば、光ビームＯＰＴ２＿２）に対応する光ビームＯＰＴＡを供給することができ、第２の偏光ビーム合成器１６２は、第２のシーケンス中に第１の光ビームＯＰＴ１（例えば、光ビームＯＰＴ１＿２）に対応する光ビームＯＰＴＢを供給することができる。従って、光ビームＯＰＴＡ及びＯＰＴＢは、互いに対して直交する直線偏光を有し、第３の偏光ビーム合成器１６６に供給されて、それぞれの直交する直線偏光された光ビームＯＰＴＡ及びＯＰＴＢ（例えば、光ビームＯＰＴ１＿２及びＯＰＴ２＿２）を有する単一ビームとして差分光ビームＯＰＴΔを供給する。差分光ビームＯＰＴΔは、可変波長板１６８を介して供給されて、第２のシーケンス中に、（例えば、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対して、それぞれ逆回転する円偏光−σ及び＋σで）それぞれ反対に円偏光された光ビームＯＰＴＡ及びＯＰＴＢを有する単一ビームとして差分光ビームＯＰＴΔを供給する。従って、それぞれの第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の円偏光は、第１のシーケンスに対して第２にシーケンスでは反転される。
【００４０】
第１及び第２のシーケンスの各々において、差分光ビームＯＰＴΔは、可変波長板１６８からセル６０を通過するように供給される。差分光ビームＯＰＴΔは、セル６０を通過し、可変波長板（例えば、４分の１波長板）１７０を通過して差分光ビームＯＰＴΔ１として出て、差分光ビームＯＰＴΔ２を供給する。従って、差分光ビームＯＰＴΔ２は、可変波長板１７０に応答して、それぞれの直交する直線偏光された第１及び第２の光ビームＯＰＴＡ及びＯＰＴＢを含む単一のビームに変換される。差分光ビームＯＰＴΔ２は、ミラー１７２によって反射され、可変波長板１７０に供給され、この可変波長板１７０は、差分光ビームＯＰＴΔ２の直交する直線偏光された光ビームＯＰＴＡ及びＯＰＴＢをそれぞれの反対の円偏光に戻すように変換して、差分光ビームＯＰＴΔ３を供給する。しかしながら、ミラー１７２による反射に基づいて、差分光ビームＯＰＴΔ３の円偏光は、差分光ビームＯＰＴΔ１の円偏光に対して反転されている。例えば、第１のシーケンスにおいて、差分光ビームＯＰＴΔ、従ってＯＰＴΔ１は、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ円偏光＋σ及び−σを有し得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔ３は、第１のシーケンス中、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ反対の相対的円偏光−σ及び＋σを有し得る。同様に、第２のシーケンスにおいて、差分光ビームＯＰＴΔ、従ってＯＰＴΔ１は、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ円偏光−σ及び＋σを有し得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔ３は、第２のシーケンス中、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ反対の相対的円偏光＋σ及び−σを有し得る。
【００４１】
前述のように、アルカリ金属原子５８は、差分光ビームＯＰＴΔの所与の円偏光の向き（例えば、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対して、それぞれ円偏光＋σ及び−σで）に対してのみ反応することができ、反対の円偏光の方向に対して（例えば、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対して、それぞれ円偏光−σ及び＋σでは）反応しないことがあり得る。従って、第１のシーケンス中、光差分ビームＯＰＴΔは、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ円偏光＋σ及び−σを有するものとして、第１の方向に可変波長板１６８からセル６０を通過するように供給され得る。同時に、光差分ビームＯＰＴΔ３は、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ円偏光−σ及び＋σを有するものとして、第２の方向に可変波長板１７０からセル６０を通過するように供給され得る。従って、アルカリ金属原子５８は、第１のシーケンス中、第１の方向に供給される光差分ビームＯＰＴΔに応答して励起され得、第１の方向とは反対の第２の方向に供給される光差分ビームＯＰＴΔ３には反応しないことがあり得る。
【００４２】
或いは、第２のシーケンス中、光差分ビームＯＰＴΔは、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ円偏光−σ及び＋σを有するものとして、第１の方向に可変波長板１６８からセル６０を通過するように供給され得る。同時に、光差分ビームＯＰＴΔ３は、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ円偏光＋σ及び−σを有するものとして、第２の方向に可変波長板１７０からセル６０を通過するように供給され得る。従って、アルカリ金属原子５８は、第２のシーケンス中、第２の方向に供給される光差分ビームＯＰＴΔ３に応答して励起され得、第２の方向とは反対の第１の方向に供給される光差分ビームＯＰＴΔには反応しないことがあり得る。従って、第１のシーケンスと第２のシーケンスとを迅速に切替えることにより、差分光ビームＯＰＴΔは、セル６０を通過するように迅速に交互に供給されて、ＣＰＴインテロゲーション段階中、第１のシーケンス及び第２のシーケンスの各々において、光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２に対してそれぞれ円偏光＋σ及び−σで第１の方向と第２の方向のそれぞれにアルカリ金属原子５８のＣＰＴインテロゲーションを作動することができる。
【００４３】
図４の例では、ミラー１７２は、ＣＰＴインテロゲーション領域に対応するセル６０のおよその中心に対して、光信号ＯＰＴ１及びＯＰＴ２の位相、従って差分光ビームＯＰＴΔの位相がほぼ等しくなることを確実にするような方式で物理的に配置され得る。結果として、アルカリ金属原子５８のＣＰＴインテロゲーションは、第１のシーケンス及び第２のシーケンスの各々においてほぼ等しい位相を有する差分光ビームＯＰＴΔに基づいて、第１のシーケンスと第２のシーケンスの各々に対してほぼ等しくなることができる。例えば、ミラー１７２は、ＣＰＴインテロゲーション領域に対応するセル６０のほぼ中心からの距離が、２つの光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の差分周波数に対応する均等なマイクロ波波長（例えば、ルビジウム８７の場合、約４．４ｃｍ）の整数倍の２分の１にほぼ等しくなるように物理的に配置され得る。従って、差分光ビームＯＰＴΔの位相は、第１及び第２のシーケンスの各々におけるアルカリ金属原子５８のＣＰＴインテロゲーションに関してほぼ等しいことがあり得る。
【００４４】
図２の例に戻って参照すると、光応答ＯＰＴＤＥＴは、発振器システム５４の蛍光検出器７８に供給される。蛍光検出器７８は、所与のクロック計測サイクルの捕捉段階及びＣＰＴインテロゲーション段階の各々において、光応答ＯＰＴＤＥＴの強度を監視するように構成される。例えば、蛍光検出器７８は、捕捉段階中、捕捉磁場及び光捕捉ビームＯＰＴＴによるアルカリ金属原子５８の励起に応答したアルカリ金属原子５８のベースライン光応答ＯＰＴＤＥＴを監視することができ、また、ＣＰＴインテロゲーション段階中、差分光ビームＯＰＴΔによるアルカリ金属原子５８の集団の励起に応答したアルカリ金属原子５８の光応答ＯＰＴＤＥＴを監視することができる。蛍光検出器７８は、光応答ＯＰＴＤＥＴに応答して強度信号ＩＮＴＳを生成するように構成され、その結果、強度信号ＩＮＴＳは光応答ＯＰＴＤＥＴの強度に対応する振幅を有し得る。
【００４５】
強度信号ＩＮＴＳは制御システム８０に供給され、制御システム８０は、プロセッサ又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）として構成され得る。制御システム８０は、捕捉段階及びＣＰＴインテロゲーション段階の各々における強度信号ＩＮＴＳを比較するように構成され得る。従って、制御システム８０は、捕捉段階中に供給されるベースライン光応答ＯＰＴＤＥＴに対して、ＣＰＴインテロゲーション段階中の励起されたアルカリ金属原子５８の光応答ＯＰＴＤＥＴを比較し得る。一例として、制御システム８０は、各クロック計測サイクルの終了時にこの比較を実行することができ、従って、複数のクロック計測サイクルの過程にわたり局部発振器５２の周波数における周波数シフトを判定することができる。
【００４６】
図２の例では、発振器システム５４は、第１及び第２のインテロゲーションレーザ６８及び７０の各々に周波数安定化信号ＢＴＳＴＢＬを供給して、第１の光ビームＯＰＴ１と第２の光ビームＯＰＴ２との差分周波数を設定し安定化させるように構成された、周波数安定化システム８２も含む。図２の例では、周波数安定化システム８２は、局部発振器５２から供給される安定した周波数基準ＦＳＴＢＬに応答して、第１の光ビームＯＰＴ１と第２の光ビームＯＰＴ２との差分周波数を安定化させるように構成される。一例として、周波数安定化システム８２は、安定した周波数基準ＦＳＴＢＬによって安定化されるマスターレーザ（図示せず）を含み得、周波数安定化システム８２は、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の周波数をそれぞれマスターレーザの周波数と比較するビート安定化システムに基づいて、第１のレーザ６８と第２のレーザ７０との差分周波数を安定化させることができる。従って、周波数安定化信号ＢＴＳＴＢＬは、ビート安定化フィードバックに対応して、第１及び第２のレーザ６８及び７０の、従ってそれぞれ第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の安定化をもたらすことができる。
【００４７】
一例として、各クロック計測サイクルにおいて、周波数安定化システム８２は、周波数安定化信号ＢＴＳＴＢＬに基づいて差分周波数の振幅を調節するように構成され得る。例えば、周波数安定化システム８２は、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの一方の周波数を維持しながら、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの他方の周波数を調節するように構成され得る。従って、各クロック計測サイクルにおいて、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数は、第１の状態（例えば、＜１、−１＞）から第２の状態（例えば、＜２、１＞）へのアルカリ金属原子５８の最大励起に対応する共振周波数から共振外れであり得る。一例として、この共振外れ周波数は、交互のクロック計測サイクルなどにおいて、１つのクロック計測サイクルから次のサイクルで、共振周波数から実質的に等しく且つ反対に切替えることができ、又はそれぞれのクロック計測サイクルの疑似ランダムシーケンスにおいて切替えることができる。結果として、共振周波数に対する第１の共振外れ周波数＋Δ及び第２の共振外れ周波数−Δの各々におけるアルカリ金属原子５８の共振外れ周波数励起の光応答ＯＰＴＤＥＴ間の差分により、局部発振器５２の安定した周波数基準のドリフトから生じるような共振周波数の誤差を決定することができる。
【００４８】
図５は、アルカリ金属励起のグラフ２００の一例を示す。グラフ２００は、第１の状態から第２の状態へのアルカリ金属原子５８の期待される実質的な最大励起に対応する所定の共振周波数に対する、共振外れ周波数をＸ軸上にＨｚ単位で示している。従って、所定の共振周波数は、差分光ビームＯＰＴΔに対する周波数安定化システム８２の周波数設定に対応する。
【００４９】
図５の例では、アルカリ金属原子５８は、ルビジウム８７原子に対応し得、ルビジウム８７原子５８の最大励起は、ゼロの共振外れ周波数を中心とする逆ピーク２０２として示されている。Ｙ軸は、（例えば、図６の例でのタイミング図２５０に基づいて）本明細書でより詳細に説明するように、ＣＰＴインテロゲーション段階においてクロック計測サイクルに応答して第１の状態から第２の状態（例えば、超微細Ｆ＝２状態）へ励起されないルビジウム８７原子５８の割合を示す。従って、励起されないルビジウム８７原子５８の割合（例えば、パーセンテージ）が、ＣＰＴインテロゲーション段階中の光応答ＯＰＴＤＥＴに影響を及ぼし得、励起されないルビジウム８７原子５８の割合が低いほど、光応答ＯＰＴＤＥＴの強度は高くなる。従って、図５の例についての以下の説明では、図２の例への参照がなされる。
【００５０】
従って、グラフ２００は、アルカリ金属原子５８（例えば、ルビジウム８７原子）の励起は非常に狭い線幅を有することを示している。グラフ２００は、それぞれ点線として示される第１の共振外れ周波数２０４及び第２の共振外れ周波数２０６も示す。図５の例では、第１の共振外れ周波数２０４は、＋Δ共振外れ周波数（例えば、０Ｈｚの共振外れでの共振周波数に対してプラス約２０Ｈｚ）として示されており、第２の共振外れ周波数２０６は、−Δ共振外れ周波数（例えば、０Ｈｚの共振外れでの共振周波数に対してマイナス約２０Ｈｚ）として示されている。０Ｈｚの共振外れでの共振周波数において、このグラフは、ＣＰＴインテロゲーション段階中にアルカリ金属原子５８の約２５％が第２の状態に励起されないことを示す。逆ピーク２０２に対する共振外れ周波数の共振外れシフトの方向の各々において、励起されないアルカリ金属原子５８のパーセンテージは急激に直線的に増加し、それぞれ約３０Ｈｚ及び−３０Ｈｚでほぼ平坦な（例えば、漸近の）特性を達成する。図５の例では、第１の共振外れ周波数２０４及び第２の共振外れ周波数２０６は、それぞれ等しく反転ピーク２０２に対して対向しており、従って、アルカリ金属原子５８の約５０％がＣＰＴインテロゲーション段階中に第２の状態に励起されないことに対応する。
【００５１】
一例として、周波数安定化システム８２は、各クロック計測サイクルのＣＰＴインテロゲーション段階中に、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数を第１の共振外れ周波数２０４及び第２の共振外れ周波数２０６のうちの一方に設定するように構成され得る。例えば、周波数安定化システム８２は、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの一方の周波数を維持しながら、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２のうちの他方の周波数を調節し得る。従って、各クロック計測サイクルにおいて、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数は、＋Δ又は−Δだけ共振周波数逆ピーク２０２から共振外れであり得る。第１及び第２の共振外れ周波数２０４及び２０６の各々がグラフ２００の高傾斜領域に対応するため、第１及び第２の共振外れ周波数２０４及び２０６からのグラフ２００の僅かなドリフトが、差分光ビームＯＰＴΔによって励起されないルビジウム８７原子５８のパーセンテージに大きい変化をもたらし得る。従って、図６の例で示すように、光応答ＯＰＴＤＥＴは、第２の共振外れ周波数２０６と比べて第１の共振外れ周波数２０４で供給される差分光ビームＯＰＴΔ間で著しく異なることがあり得る。
【００５２】
図６は、アルカリ金属励起のグラフ２５０の別の例を示す。グラフ２５０は、図５の例におけるグラフ２００に対応する。しかしながら、図６の例では、周波数安定化システム８２の所定の共振周波数設定は、＋ｆの周波数振幅だけドリフトしたものとして示されている。従って、第１の状態から第２の状態へのアルカリ金属原子５８の実際の実質的な最大励起に対応する実際の共振周波数は、約５Ｈｚだけシフトされる。この周波数ドリフトに基づいて、第１及び第２の共振外れ周波数２０４及び２０６は、ルビジウム８７原子５８の集団（例えば、割合）の著しく異なる励起をもたらす。特に、図６の例では、第１の共振外れ周波数＋Δは、ルビジウム８７原子の約３２％が第２の状態に励起されないことをもたらし、第２の共振外れ周波数−Δは、ルビジウム８７原子の約７０％が第２の状態に励起されないことをもたらす。従って、差分光ビームＯＰＴΔの差分光周波数が第１の共振外れ周波数＋Δで供給される所与のクロック計測サイクルは、差分光ビームＯＰＴΔが共振外れ周波数−Δの差分周波数で供給される別のクロック計測サイクルの光応答と比べて、著しく異なる光応答ＯＰＴＤＥＴをもたらす。従って、蛍光検出器７８は、それぞれのクロック計測サイクルの光応答のそれぞれの強度の差分を測定することができる。
【００５３】
図２の例に戻って参照すると、第１の共振外れ周波数＋Δの差分周波数に対応する第１のクロック計測サイクルの光応答ＯＰＴＤＥＴを測定することと、第２の共振外れ周波数−Δの差分周波数に対応する第２のクロック計測サイクルの光応答ＯＰＴＤＥＴを測定することとに応答して、制御システム８０は、（例えば、それぞれの強度信号ＩＮＴＳに基づいて）光応答ＯＰＴＤＥＴの強度の差分を比較するように構成される。それぞれのクロック計測サイクルの各々における光応答ＯＰＴＤＥＴの強度の差分を検出することに応答して、制御システム８０は、アルカリ金属原子５８の実際の共振周波数におけるドリフトを検出することができる。従って、制御システム８０は、局部発振器５２に周波数フィードバック信号ＦＦＤＢＫを供給することができる。結果として、局部発振器５２は、それぞれの安定した周波数基準ＦＳＴＢＬを調節することができる。周波数安定化システム８２は、安定した周波数基準ＦＳＴＢＬに基づいて、第１のレーザ６８と第２のレーザ７０との差分周波数、それぞれの第１の光ビームＯＰＴ１と第２の光ビームＯＰＴ２との差分周波数を安定化させるように構成されるため、差分光ビームＯＰＴΔの差分周波数は、フィードバック方式で調節され得る。従って、一連のクロック計測サイクルにわたるアルカリ金属原子５８のインテロゲーションにより、局部発振器５２から出力される安定した周波数基準ＦＳＴＢＬの非常に正確な安定化をもたらすことができる。
【００５４】
図７は、タイミング図３００の一例を示す。タイミング図３００は、所与のクロック計測サイクルを規定する信号及びタイミングに対する各クロック計測サイクルのタイミングに対応する。図７の例についての以下の説明では、図１〜図６の例への参照がなされる。
【００５５】
タイミング図３００は、各クロック計測サイクルの別々の段階を示している。これらの段階は、互いに対して一定の縮尺で示されていないことを理解されたい。時刻Ｔ０で開始し、クロック計測サイクルは捕捉段階３０２で始まる。時刻Ｔ０で、光捕捉ビームＯＰＴＴがセル６０を通過するように供給され、加えて、捕捉磁場ＢＴＲＡＰが捕捉磁場発生器６４から供給される。加えて、前述したように、アルカリ金属原子５８は、追加の刺激を受け取って、アルカリ金属原子集団の実質的に全体の励起を確実にし得る。従って、図７の例では、第１の光ビームＯＰＴ１もセル６０を通過するように供給されて、Ｆ＝０からＦ＝１へのアルカリ金属原子５８の少なくとも一部の励起をもたらし、従って、光捕捉ビームＯＰＴＴがＦ＝１からＦ＝２’に励起されるべきアルカリ金属原子５８の少なくとも一部の励起をもたらすことを可能にする。一例として、捕捉段階３０２は、約５０ミリ秒の持続期間を有し得る。捕捉段階３０２の終了時、アルカリ金属原子５８が基底状態に戻る際に光子を放出することに応答して、原子時計システム５０は、冷却アルカリ原子源及びアルカリ金属原子５８のベースライン光応答ＯＰＴＤＥＴを得ることができる。
【００５６】
時刻Ｔ１で、クロック計測サイクルは光モラセス段階３０４に移行する。時刻Ｔ１で、光捕捉ビームＯＰＴＴ及び第１の光ビームＯＰＴ１はセル６０を通過するように維持されるが、捕捉磁場ＢＴＲＡＰは停止される。その結果、光捕捉ビームＯＰＴＴは、アルカリ金属原子５８の更なる冷却をもたらすことができる。例えば、アルカリ金属原子５８は、絶対零度に近い温度（例えば、約５μＫ）まで低下することができ、その結果、アルカリ金属原子５８は拡散速度を大幅に減少させる（例えば、１秒あたり数センチメートル）ことができる。その結果、アルカリ金属原子５８は、実質的にインテロゲーションの準備ができた状態に含まれ得る。一例として、光モラセス段階３０４は、約２５ミリ秒の持続期間を有し得る。
【００５７】
時刻Ｔ２で、クロック計測サイクルは原子状態準備段階３０６に移行する。時刻Ｔ２で、光捕捉ビームＯＰＴＴは停止され、第１の光ビームＯＰＴ１が維持されている一方で第２の光ビームＯＰＴ２が活性化される。加えて、均一クロック磁場発生器７４によって供給される均一クロック磁場ＢＴＲＡＮが時刻Ｔ２で活性化される。従って、原子状態準備段階３０６は、所与のクロック計測サイクル中に、インテロゲーションを開始するための状態を設定する。一例として、原子状態準備段階３０６は、約２ミリ秒の持続期間を有し得る。
【００５８】
時刻Ｔ３で、ＣＰＴインテロゲーション段階３０８が開始する。本明細書でより詳細に説明するように、ＣＰＴインテロゲーション段階３０８は、差分光ビームが第１及び第２の方向にセル６０を通過するように交互に迅速に供給されるＣＰＴインテロゲーション段階に対応する。ＣＰＴインテロゲーション段階３０８中、第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２は、互いに対して変動する強度で供給されるものとして示される。図７の例では、時刻Ｔ３で開始して、第２の光ビームＯＰＴ２は、時刻Ｔ４で振幅のピークに達するまで断熱的に強度を増加させ始める。時刻Ｔ４で開始して、第２の光ビームＯＰＴ２は断熱的に減少し始め、同時に時刻Ｔ４で開始して、第１の光ビームＯＰＴ１は断熱的に増加し始める。時刻Ｔ５で、第１の光ビームＯＰＴ１はピークに達し、第２の光ビームＯＰＴ２は強度がほぼゼロまで減少する。時刻Ｔ５後、第１の光ビームＯＰＴ１は強度が減少し、時刻Ｔ６でほぼゼロまで強度が減少する。一例として、ＣＰＴインテロゲーション段階３０８は、約２０ミリ秒の持続期間を有し得る。差分光ビームＯＰＴΔにおける第１及び第２の光ビームＯＰＴ１及びＯＰＴ２の強度の比に基づいて、第１の状態から第２の状態へのアルカリ金属原子５８の集団の励起は、有害なＡＣシュタルクシフトを実質的に緩和するような方式でもたらされ得る。
【００５９】
時刻Ｔ６で、クロック計測サイクルは状態読み出し段階３１０に移行する。時刻Ｔ６で、光捕捉ビームＯＰＴＴは再び活性化され、均一クロック磁場ＢＴＲＡＮは停止される。状態読み出し段階３１０中、アルカリ金属原子５８の集団は第１の状態（例えば、状態＜１、−１＞）から第２の状態（例えば、状態＜２、１＞）に遷移し、その結果、アルカリ金属原子５８の集団は、状態読み出し段階３１０中に光応答ＯＰＴＤＥＴを供給する。従って、本明細書で説明するように、発振器システム５４は、光応答ＯＰＴＤＥＴに基づいて（例えば、一連のクロック計測サイクルにわたる光応答ＯＰＴＤＥＴに基づいて）、局部発振器５２の周波数を制御することができる。一例として、状態読み出し段階３１０は、約３ミリ秒の持続期間を有し得る。
【００６０】
上記で説明した前述の構造的及び機能的特徴を考慮して、本発明の様々な態様による方法は、図８を参照するとより良く理解されるであろう。説明を簡単にする目的で、図８の方法は順次実行されるものとして示され説明されるが、本発明は図示された順序によって限定されるものではなく、本発明によると、幾つかの態様は異なる順序で発生し得、且つ／又は本明細書に示され説明される態様とは別の態様と同時に発生し得ることが理解されるべきである。更に、本発明の一態様による方法を実施するのに図示された特徴の全てが必要とされるわけではないことがあり得る。
【００６１】
図８は、原子時計システム（例えば、原子時計システム１０）の局部発振器（例えば、局部発振器１２）を安定化させるための方法３５０の一例を示す。３５２で、アルカリ金属原子（例えば、アルカリ金属原子１８）が、一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階（例えば、捕捉段階３０２）中にセル（例えば、セル６０）内で捕捉されて、冷却アルカリ原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答（例えば、ベースライン光応答ＯＰＴＤＥＴ）を供給する。３５４で、第１の周波数を有する第１の光ビーム（例えば、第１の光ビームＯＰＴ１）と、第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビーム（例えば、第２の光ビームＯＰＴ２）とを含む光差分ビーム（例えば、差分光ビームＯＰＴΔ）が生成される。３５６で、第１及び第２の光ビームの交互に切替わる相対的円偏光に基づいて、捕捉されたアルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階（例えば、ＣＰＴインテロゲーション段階３０８）中に、セルを通過する光差分ビームの方向が周期的に交互に替えられる。３５８で、一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階（例えば、状態読み出し段階３１０）中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答（例えば、光応答ＯＰＴＤＥＴ）が監視される。３６０で、ベースライン光応答に対する、一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数が調節される。
【００６２】
上記で説明されたことは、本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的のために構成要素又は方法の全ての考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者であれば、多数の更なる組み合わせ及び本発明の置換形態が可能であることを理解するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲を含めて本出願の範囲内に入るそのような変更形態、修正形態、及び変形形態の全てを包含することが意図されている。
【符号の説明】
【００６３】
１０…原子時計システム、１２…局部発振器、１４…発振器システム、１６…光捕捉システム、１８…アルカリ金属原子、２０…インテロゲーションシステム、２２…方向制御器、５０…原子時計システム、５２…局部発振器、５４…発振器システム、５６…ＭＯＴシステム、５８…アルカリ金属原子、６０…セル、６２…捕捉レーザ、６４…捕捉磁場発生器、６６…インテロゲーションシステム、６８…第１のレーザ、７０…第２のレーザ、７２…光学系、７４…均一クロック磁場発生器、７６…方向制御器、７８…蛍光検出器、８０…制御システム、８２…周波数安定化システム、１００…インテロゲーションシステム、１０２…第１のレーザ、１０４…第２のレーザ、１０６…光スイッチ、１０８…光スイッチ、１１０…第１の偏光ビーム合成器、１１２…第２の偏光ビーム合成器、１１４…切替式局部発振器、１１５…ＣＰＴ制御器、１１６…可変波長板、１１８…可変波長板、１５０…インテロゲーションシステム、１５２…第１のレーザ、１５４…第２のレーザ、１５６…光スイッチ、１５８…光スイッチ、１６０…第１の偏光ビーム合成器、１６２…第２の偏光ビーム合成器、１６４…切替式局部発振器、１６５…ＣＰＴ制御器、１６６…第３の偏光ビーム合成器、１６８…可変波長板、１７０…可変波長板、１７２…ミラー、２００…グラフ、２０２…逆ピーク、２０４…第１の共振外れ周波数、２０６…第２の共振外れ周波数、２５０…グラフ、３００…タイミング図、３０２…捕捉段階、３０４…光モラセス段階、３０６…原子状態準備段階、３０８…ＣＰＴインテロゲーション段階、３１０…状態読み出し段階。
【図１】
2018085719.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月30日(2017.10.30)
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原子時計システムであって、
一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉する光捕捉システムと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するインテロゲーションシステムであって、前記アルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替える方向制御器を含む前記インテロゲーションシステムと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節する発振器システムと
を備える原子時計システム。
【請求項２】
前記光捕捉システムは、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムとして構成され、前記磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムは、
光捕捉ビームに応答して前記セル内の前記アルカリ金属原子を捕捉するように構成された捕捉磁場を生成するように構成された第１の磁場発生器と、
前記一連のクロック計測サイクルの前記ＣＰＴインテロゲーション段階中に均一クロック磁場を生成するように構成された第２の磁場発生器であって、前記均一クロック磁場は、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する、前記第２の磁場発生器とを含む、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項３】
前記第１の光ビームは、前記捕捉段階中に前記光捕捉ビームと共に前記セルを通過するように供給されて、前記アルカリ金属原子の実質的に全てを励起させて冷却アルカリ原子源及び前記アルカリ金属原子のベースライン光応答を供給し、前記発振器システムは、前記一連のクロック計測サイクルの各々における前記状態読み出し段階中に、前記アルカリ金属原子の前記ベースライン光応答に対する、前記ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の前記光応答に基づいて前記局部発振器の周波数を調節する、請求項２に記載の原子時計システム。
【請求項４】
前記インテロゲーションシステムは、前記ＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのそれぞれの強度を制御して、可変相対強度比を供給して前記アルカリ金属原子の励起に関連したＡＣシュタルクシフトを緩和するように構成される、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項５】
前記方向制御器は、
前記第１及び第２の光ビームを受け取って、第１のシーケンスで前記セルを通過する第１の方向に前記光差分ビームを供給するように構成された第１のビーム合成器と、
前記第１及び第２の光ビームを受け取って、第２のシーケンスで前記第１の方向とは反対の前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを供給するように構成された第２のビーム合成器と、
前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスとの間で交互に切替わるように構成された光スイッチとを含む、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項６】
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１のシーケンスにおいて、第１の相対的円偏光で前記第１の方向に第１の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成され、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第２のシーケンスにおいて、第２の相対的円偏光で前記第２の方向に第２の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成される、請求項５に記載の原子時計システム。
【請求項７】
第１及び第２の光信号の経路長は、前記セルを通過する差分光ビームの別個の個々の第１及び第２の印加方向に関してほぼ等しいか、又は前記第１及び第２の光信号の前記経路長は、前記第１及び第２の光ビームの差分周波数に対応する均等なマイクロ波波長の整数倍だけ異なっている、請求項６に記載の原子時計システム。
【請求項８】
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方を前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて第１の直線偏光で供給し、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第２の光ビーム及び前記第１の光ビームのうちの一方を前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて第２の直線偏光で供給し、前記原子時計システムは、
前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１及び第２のシーケンスの各々で第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給して、前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて、前記セルを通過する第１の方向に第１の相対的円偏光及び第２の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成された第３のビーム合成器と、
前記第１及び第２のシーケンスの各々で前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを反射して、前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて、前記第２の相対的円偏光及び前記第１の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成されたミラー及び第２の可変波長板を含む反射システムと
を更に備える、請求項５に記載の原子時計システム。
【請求項９】
前記ミラーは、前記アルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーション領域に対応する前記セルのほぼ中心からの距離が、前記第１及び第２の光ビームの差分周波数に対応する均等なマイクロ波波長の整数倍の２分の１にほぼ等しくなるように物理的に配置される、請求項８に記載の原子時計システム。
【請求項１０】
前記第１の光ビームの周波数及び前記第２の光ビームの周波数は、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団の最大励起に対応するピークに関連した共振周波数の共振外れである差分周波数で差分光ビームを供給するように設定される、請求項１に記載の原子時計システム。
【請求項１１】
前記差分周波数は、前記一連のクロック計測サイクルの各々において前記共振周波数の＋Δ及び−Δのうちの一方となって、前記一連のクロック計測サイクルにおける前記状態読み出し段階中のＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に関連した差分強度を決定するように調節される、請求項１０に記載の原子時計システム。
【請求項１２】
原子時計システムの局部発振器を安定化させるための方法であって、
冷却アルカリ原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答を供給するために、一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉するステップと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するステップと、
前記第１及び第２の光ビームの相対的円偏光に基づいて、捕捉されたアルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えるステップと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答を監視するステップと、
前記ベースライン光応答に対する、前記一連のクロック計測サイクルの各々の前記ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の前記光応答に基づいて前記局部発振器の周波数を調節するステップと
を含む、方法。
【請求項１３】
前記光差分ビームの前記方向を周期的に交互に切替えるステップは、
前記第１及び第２の光ビームを第１のビーム合成器に供給して、第１のシーケンスにおいて、第１の方向に第１の相対的円偏光として前記セルを通過するように第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給するステップと、
前記第１及び第２の光ビームを第２のビーム合成器に供給して、第２のシーケンスにおいて、前記第１の方向とは反対の第２の方向に第２の相対的円偏光として前記セルを通過するように第２の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給するステップと、
前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスとの間で交互に切替えるステップと
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えるステップは、
前記第１及び第２の光ビームを第１のビーム合成器に供給して、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方を第１のシーケンス及び第２のシーケンスそれぞれにおいて第１の直線偏光で供給するステップと、
前記第１及び第２の光ビームを第２のビーム合成器に供給して、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方を前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて第２の直線偏光で供給するステップと、
直線偏光された第１及び第２のビームを第３のビーム合成器に供給して前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１及び第２のシーケンスの各々で第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給して、前記セルを通過する第１の方向に第１の相対的円偏光及び第２の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するステップであって、前記光差分ビームは、ミラーを介して反射され、且つ第２の可変波長板を通過して供給されて、前記第１及び第２のシーケンスの各々で前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを供給して、前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスそれぞれにおいて、前記第２の相対的円偏光及び前記第１の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給する、前記光差分ビームを供給ステップと、
前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスとの間で交互に切替えるステップと
を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記光差分ビームを生成するステップは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団の最大励起に対応するピークに関連した共振周波数の共振外れである差分周波数で差分光ビームを供給することを含み、前記方法は、前記差分周波数が前記一連のクロック計測サイクルの各々において前記共振周波数の＋Δ及び−Δのうちの一方となって、前記一連のクロック計測サイクルにおける前記状態読み出し段階中に、ベースライン強度に対する、前記ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の前記光応答に関連した差分強度を決定するように前記差分周波数を調節するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６２】
上記で説明されたことは、本発明の例である。当然のことながら、本発明を説明する目的のために構成要素又は方法の全ての考えられる組み合わせを説明することは不可能であるが、当業者であれば、多数の更なる組み合わせ及び本発明の置換形態が可能であることを理解するであろう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲を含めて本出願の範囲内に入るそのような変更形態、修正形態、及び変形形態の全てを包含することが意図されている。
上記実施形態から把握できる技術思想を付記として以下に記載する。
［付記１］
原子時計システムであって、
一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉する光捕捉システムと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するインテロゲーションシステムであって、前記アルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替える方向制御器を含む前記インテロゲーションシステムと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節する発振器システムと
を備え、
前記光捕捉システムは、磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムとして構成され、前記磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムは、
光捕捉ビームに応答して前記セル内の前記アルカリ金属原子を捕捉するように構成された捕捉磁場を生成するように構成された第１の磁場発生器と、
前記一連のクロック計測サイクルの前記ＣＰＴインテロゲーション段階中に均一クロック磁場を生成するように構成された第２の磁場発生器であって、前記均一クロック磁場は、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する、前記第２の磁場発生器とを含み、
前記アルカリ金属原子はルビジウム８７原子であり、前記均一クロック磁場は、約３．２３ガウスの大きさを有して、＜１、−１＞の第１のエネルギー状態から＜２、１＞の第２のエネルギー状態への前記ルビジウム８７原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動する、原子時計システム。
［付記２］
原子時計システムであって、
一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉する光捕捉システムと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するインテロゲーションシステムであって、前記アルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替える方向制御器を含む前記インテロゲーションシステムと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節する発振器システムと
を備え、
前記局部発振器は、前記第１及び第２の光ビームの各々の間の差分周波数を安定化させる周波数安定化システムに周波数基準を供給して、前記発振器システムが前記局部発振器の周波数をフィードバック方式で調節するようにする、原子時計システム。
［付記３］
原子時計システムの局部発振器を安定化させるための方法であって、
冷却アルカリ原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答を供給するために、一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内のアルカリ金属原子を捕捉するステップと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するステップと、
前記第１及び第２の光ビームの相対的円偏光に基づいて、捕捉されたアルカリ金属原子のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に、前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えるステップと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答を監視するステップと、
前記ベースライン光応答に対する、前記一連のクロック計測サイクルの各々の前記ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の前記光応答に基づいて前記局部発振器の周波数を調節するステップと
を含み、
前記一連のクロック計測サイクルの前記ＣＰＴインテロゲーション段階中に均一クロック磁場を生成するステップを更に含み、前記均一クロック磁場は、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動するために、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する、方法。
［付記４］
原子時計システムであって、
冷却アルカリ原子源及びアルカリ金属原子のベースライン光応答を供給するために、一連のコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）サイクルの各々の捕捉段階中にセル内の前記アルカリ金属原子を捕捉するように構成された磁気光学トラップ（ＭＯＴ）システムと、
第１の周波数を有する第１の光ビームと、前記第１の周波数と異なる第２の周波数を有し、且つ可変相対強度比を有する第２の光ビームとを含む光差分ビームを生成するように構成されたインテロゲーションシステムであって、前記光差分ビームは、第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団の最大励起に対応するピークに関連した周波数の共振外れである周波数を有し、前記インテロゲーションシステムは、前記一連のクロック計測サイクルの各々のＣＰＴインテロゲーション段階中に前記セルを通過する前記光差分ビームの方向を周期的に交互に切替えて、前記アルカリ金属原子のゼーマンシフト特性に基づく振幅を有する均一クロック磁場の存在下で第１のエネルギー状態から第２のエネルギー状態への前記アルカリ金属原子の集団のＣＰＴインテロゲーションを作動するように構成された方向制御器を含む、前記インテロゲーションシステムと、
前記一連のクロック計測サイクルの各々における状態読み出し段階中に、前記ベースライン光応答に対する、ＣＰＴインテロゲーションされたアルカリ金属原子の光応答に基づいて局部発振器の周波数を調節するように構成された発振器システムと
を備える、原子時計システム。
［付記５］
前記方向制御器は、
前記第１及び第２の光ビームを受け取って、第１のシーケンスで前記セルを通過する第１の方向に前記光差分ビームを供給するように構成された第１のビーム合成器と、
前記第１及び第２の光ビームを受け取って、第２のシーケンスで前記第１の方向とは反対の前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを供給するように構成された第２のビーム合成器と、
前記第１のシーケンスと前記第２のシーケンスとの間で交互に切替えるように構成された光スイッチと
を含む、付記４に記載の原子時計システム。
［付記６］
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１のシーケンスにおいて、第１の相対的円偏光で前記第１の方向に第１の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成され、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第２のシーケンスにおいて、第２の相対的円偏光で前記第２の方向に第２の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成される、付記５に記載の原子時計システム。
［付記７］
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方をそれぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて第１の直線偏光で供給し、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第２の光ビーム及び前記第１の光ビームのうちの一方をそれぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて第２の直線偏光で供給し、前記システムは、
前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１及び第２のシーケンスの各々で第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給して、それぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて、前記セルを通過する第１の方向にそれぞれ第１の相対的円偏光及び第２の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成された第３のビーム合成器と、
前記第１及び第２のシーケンスの各々で前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを反射して、それぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて、それぞれ前記第２の相対的円偏光及び前記第１の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成されたミラー及び第２の可変波長板を含む反射システムと
を更に含む、付記５に記載の原子時計システム。
［付記８］
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１のシーケンスにおいて、第１の相対的円偏光で前記第１の方向に第１の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成され、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第２のシーケンスにおいて、第２の相対的円偏光で前記第２の方向に第２の可変波長板を通過して且つ前記セルを通過するように前記光差分ビームを供給するように構成される、付記５に記載の原子時計システム。
［付記９］
前記第１のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第１の光ビーム及び前記第２の光ビームのうちの一方をそれぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて第１の直線偏光で供給し、前記第２のビーム合成器は、前記第１及び第２の光ビームを受け取って、前記第２の光ビーム及び前記第１の光ビームのうちの一方をそれぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて第２の直線偏光で供給し、前記システムは、
前記第１及び第２の光ビームを合成して、前記第１及び第２のシーケンスの各々で第１の可変波長板を通過して前記光差分ビームを供給して、それぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて、前記セルを通過する第１の方向にそれぞれ第１の相対的円偏光及び第２の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成された第３のビーム合成器と、
前記第１及び第２のシーケンスの各々で前記セルを通過する第２の方向に前記光差分ビームを反射して、それぞれ前記第１のシーケンス及び前記第２のシーケンスにおいて、それぞれ前記第２の相対的円偏光及び前記第１の相対的円偏光の各々で前記光差分ビームを供給するように構成されたミラー及び第２の可変波長板を含む反射システムと
を更に含む、付記５に記載の原子時計システム。
【外国語明細書】
2018085719000001.pdf