(57)【要約】【課題】長期に渡って高い周波数安定度を維持するガスセル型の原子発振器を提供する。【解決手段】本発明によれば、第１の電圧制御発振器が発振する基準周波数信号を第１の逓倍率で逓倍して第１の高周波信号を合成する第１の周波数シンセサイザと、前記第１の高周波信号によって変調された第１のレーザー光を出射する第１の半導体レーザーと、第２の電圧制御発振器が発振する出力信号を第２の逓倍率で逓倍して第２の高周波信号を合成する第２の周波数シンセサイザと、前記第２の高周波信号によって変調された第２のレーザー光を出射する第２の半導体レーザーと、前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光が同時に入射するガスセルであって、第１のアルカリ金属原子のガスと第２のアルカリ金属原子のガスとバッファガスを封入するガスセルと、前記第１の逓倍率を前記第１の周波数シンセサイザに設定するコンピュータとを含む原子発振器が提供される。【選択図】図１
2018042181.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＰＴ共鳴を利用したガスセル型の原子発振器であって、
第１の電圧制御発振器が発振する基準周波数信号を第１の逓倍率で逓倍して第１の高周波信号を合成する第１の周波数シンセサイザと、
前記第１の高周波信号によって変調された第１のレーザー光を出射する第１の半導体レーザーと、
第２の電圧制御発振器が発振する出力信号を第２の逓倍率で逓倍して第２の高周波信号を合成する第２の周波数シンセサイザと、
前記第２の高周波信号によって変調された第２のレーザー光を出射する第２の半導体レーザーと、
前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光が同時に入射するガスセルであって、第１のアルカリ金属原子のガスと第２のアルカリ金属原子のガスとバッファガスを封入するガスセルと、
前記第１の逓倍率を前記第１の周波数シンセサイザに設定するコンピュータと、
を含み、
前記コンピュータは、
前記第１の高周波信号と前記第２の高周波信号の周波数比を算出する周波数比算出手段と、
算出した前記周波数比に基づいて前記バッファガスのガス圧を推定するバッファガス圧推定手段と、
推定した前記ガス圧に基づいて前記第１のアルカリ金属原子の共鳴周波数を推定する共鳴周波数推定手段と、
推定した前記第１のアルカリ金属原子の共鳴周波数に基づいて前記第１の逓倍率を算出する逓倍率算出手段と、
を含む、
原子発振器。
【請求項２】
前記バッファガス圧推定手段は、
下記式に基づいて前記ガス圧を推定する、請求項１に記載の原子発振器。
2018042181.tif 000008
（上記式において、Ｐは前記ガス圧を示し、ｒは前記周波数比を示し、ν１は前記第１のアルカリ金属原子の公称周波数を示し、ν２は前記第２のアルカリ金属原子の公称周波数を示し、α１は前記第１のアルカリ金属原子の圧力係数を示し、α２は前記第２のアルカリ金属原子の圧力係数を示す。）
【請求項３】
前記逓倍率算出手段は、
推定した前記第１のアルカリ金属原子の共鳴周波数の１／２の値を前記基準周波数信号の目標周波数で除した値を前記第１の逓倍率として算出する、請求項１または２に記載の原子発振器。
【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、より詳細には、ＣＰＴ共鳴を利用した原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＰＴ共鳴を利用した原子発振器は、量子部を光学素子だけで構成することができるため、小型化・省電力化が容易であることから、幅広い用途への適用が期待されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
しかしながら、アルカリガスとバッファガスを封入したガスセルを用いる原子発振器では、バッファガスのリークなどが原因でバッファガス圧が長期的に変動することによって共鳴周波数がシフトするため（バッファガスシフト）、長期的な周波数安定度に限界があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３３６１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、長期に渡って高い周波数安定度を維持するガスセル型の原子発振器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ガスセル型の原子発振器では、ガスセルに封入されるバッファガスのガス圧の変動によって原子の共鳴周波数がシフトすると、その共鳴周波数に同期して制御される原子発振器の発振周波数の信頼性が失われる。
【０００７】
この点につき、本発明者は、バッファガス圧の変動が共鳴周波数に与える影響が原子の種類によって異なる点に着目して、ガスセルに２種類の異なるアルカリ金属原子を封入するという着想を得た。この着想のもと、さらに検討を進める中で、本発明者は、ガスセルに封入したそれぞれの原子の共鳴周波数を測定することによって、変動するバッファガス圧を推定できることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、ＣＰＴ共鳴を利用したガスセル型の原子発振器であって、第１の電圧制御発振器が発振する基準周波数信号を第１の逓倍率で逓倍して第１の高周波信号を合成する第１の周波数シンセサイザと、前記第１の高周波信号によって変調された第１のレーザー光を出射する第１の半導体レーザーと、第２の電圧制御発振器が発振する出力信号を第２の逓倍率で逓倍して第２の高周波信号を合成する第２の周波数シンセサイザと、前記第２の高周波信号によって変調された第２のレーザー光を出射する第２の半導体レーザーと、前記第１のレーザー光と前記第２のレーザー光が同時に入射するガスセルであって、第１のアルカリ金属原子のガスと第２のアルカリ金属原子のガスとバッファガスを封入するガスセルと、前記第１の逓倍率を前記第１の周波数シンセサイザに設定するコンピュータと、を含み、前記コンピュータは、前記第１の高周波信号と前記第２の高周波信号の周波数比を算出する周波数比算出手段と、算出した前記周波数比に基づいて前記バッファガスのガス圧を推定するバッファガス圧推定手段と、推定した前記ガス圧に基づいて前記第１のアルカリ金属原子の共鳴周波数を推定する共鳴周波数推定手段と、推定した前記第１のアルカリ金属原子の共鳴周波数に基づいて前記第１の逓倍率を算出する逓倍率算出手段とを含む原子発振器が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
上述したように、本発明によれば、長期に渡って高い周波数安定度を維持するガスセル型の原子発振器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施形態の原子発振器のハードウェア構成図。
【図２】本実施形態の原子発振器に搭載されるコンピュータの構成図。
【図３】本実施形態の原子発振器に搭載されるコンピュータが実行する処理のフローチャート。
【図４】実験装置を示す図。
【図５】Ｃｓと８７ＲｂのＣＰＴ共鳴線を示す図。
【図６】Ｃｓと８７ＲｂのＣＰＴ共鳴周波数の経時変化と周波数変動量の経時変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。なお、以下に参照する各図においては、共通する要素について同じ符号を用い、適宜、その説明を省略するものとする。
【００１２】
本発明の実施形態である原子発振器は、ガスセルに封入されたアルカリ金属原子のＣＰＴ（Coherent Population Trapping）共鳴に伴って生じる透明化現象を利用して、極めて安定した周波数信号を生成するように構成された発振器である。
【００１３】
図１は、本発明の実施形態である原子発振器１００のハードウェア構成を示す。図１に示すように、本実施形態の原子発振器１００は、量子部１０と、２つの波長制御部２０ａ，２０ｂと、２つの周波数制御部３０ａ，３０ｂと、２つのバイアスＴ４０ａ，４０ｂと、原子発振器１００を制御するコンピュータ５０を含んで構成されている。以下、各構成要素について説明する。
【００１４】
最初に、量子部１０について説明する。
【００１５】
量子部１０は、２つの半導体レーザー１２ａ，１２ｂと、ガスセル１４と、２つの光検出器１８ａ，１８ｂと、量子部１０の温度を一定に維持するための温度制御手段（図示せず）を含んで構成されている。
【００１６】
ここで、本実施形態では、ガスセル１４に、２種類のアルカリ金属原子のガスとバッファガスが封入されている。ここでいう２種類のアルカリ金属原子とは、それぞれが異なる原子番号と異なるＣＰＴ共鳴周波数を有する原子を意味し、その種類を限定するものではないが、同位体の組み合わせ（例えば、８５Ｒｂと８７Ｒｂを７２：２８の割合で含むナチュラルＲｂ）は２種類のアルカリ金属原子として考えない。以下では、便宜上、セシウム（Ｃｓ）とルビジウム（Ｒｂ）をガスセル１４に封入した場合を例にとって説明を行う。
【００１７】
一方、本実施形態では、バッファガスとして、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｎ２といった不活性のガスの中から１種類以上のガスを選択して用いることができる。なお、温度依存の周波数シフトを低減するために、温度に対する周波数シフト方向が異なる２種類のガスをガスセル１４に封入しても良い。
【００１８】
第１の半導体レーザー１２ａ（以下、半導体レーザー[Ｃｓ]という場合がある）は、セシウム（Ｃｓ）用の励起光源であり、バイアスＴ４０ａから入力される駆動電流によって駆動され、セシウム（Ｃｓ）の吸収波長帯（894nm）のレーザー光を出射する。一方、第２の半導体レーザー１２ｂ（以下、半導体レーザー[Ｒｂ]という場合がある）は、ルビジウム（Ｒｂ）用の励起光源であり、バイアスＴ４０ｂから入力される駆動電流によって駆動され、ルビジウム（Ｒｂ）の吸収波長帯（795nm）のレーザー光を出射する。なお、本実施形態では、半導体レーザー１２ａ，１２ｂとして、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）を用いることが好ましい。
【００１９】
本実施形態では、２つの半導体レーザー１２ａ，１２ｂから出射した２つのレーザー光が、ビームスプリッタ１３（分割比５０：５０）で重ね合された後、ガスセル１４に同時に入射する。その後、ガスセル１４を透過したレーザー光は、ビームスプリッタ１５（分割比５０：５０）で２つの光に分割された後、一方の光がセシウム（Ｃｓ）の励起光（894nm）を選択的に透過するバンドパスフィルタ１６ａを経てセシウム用の光検出器１８ａに入射し、他方の光がルビジウム（Ｒｂ）の励起光（795nm）を選択的に透過するバンドパスフィルタ１６ｂを経てルビジウム用の光検出器１８ｂに入射する。その後、２つの光検出器１８ａ,１８ｂは、受光した透過光を光電変換して光検出信号（直流電圧）を出力する。
【００２０】
ここで、本実施形態では、セシウム用の光検出器１８ａ（以下、光検出器[Ｃｓ]という場合がある）から出力される光検出信号が波長制御部２０ａおよび周波数制御部３０ａに入力されるとともに、ルビジウム用の光検出器１８ｂ（以下、光検出器[Ｒｂ]という場合がある）から出力される光検出信号が波長制御部２０ｂおよび周波数制御部３０ｂに入力されるように構成されている。
【００２１】
以上、量子部１０について説明したので、続いて、波長制御部２０ａ，２０ｂについて説明する。
【００２２】
まず、波長制御部２０ａについて説明する。波長制御部２０ａは、電流駆動回路２２ａと、低周波発振器２４ａと、同期検波回路２６ａと、制御回路２８ａを含んで構成されている。
【００２３】
電流駆動回路２２ａは、半導体レーザー[Ｃｓ]を駆動するための駆動電流をバイアスＴ４０ａに入力する。ここで、電流駆動回路２２ａから出力される駆動電流は、低周波発振器２４ａの発振周波数で変調されるようになっている。一方、同期検波回路２６ａは、光検出器[Ｃｓ]から入力される光検出信号を低周波発振器２４ａが発振する低周波信号で同期検波し、電圧信号を制御回路２８ａに出力する。これを受けて、制御回路２８ａは、同期検波回路２６ａから入力される電圧がゼロになるように、電流駆動回路２２ａの出力電流を制御する。その結果、ガスセル１４に封入されたセシウム（Ｃｓ）が励起準位を維持するように、半導体レーザー[Ｃｓ]のレーザー光の波長がロックされる。
【００２４】
次に、波長制御部２０ｂについて説明する。波長制御部２０ｂは、電流駆動回路２２ｂと、低周波発振器２４ｂと、同期検波回路２６ｂと、制御回路２８ｂを含んで構成されており、上述した波長制御部２０ａと同様の機能を果たす。
【００２５】
すなわち、電流駆動回路２２ｂは、半導体レーザー[Ｒｂ]を駆動するために、低周波発振器２４ｂの発振周波数で変調された駆動電流をバイアスＴ４０ｂに入力する。一方、同期検波回路２６ｂは、光検出器[Ｒｂ]から入力される光検出信号を低周波発振器２４ｂが発振する低周波信号で同期検波し、電圧信号を制御回路２８ｂに出力する。これを受けて、制御回路２８ｂは、同期検波回路２６ｂから入力される電圧がゼロになるように、電流駆動回路２２ｂの出力電流を制御する。その結果、ガスセル１４に封入されたルビジウム（Ｒｂ）が励起準位を維持するように、半導体レーザー[Ｒｂ]のレーザー光の波長がロックされる。
【００２６】
以上、波長制御部２０ａ，２０ｂについて説明したので、続いて、周波数制御部３０ａ，３０ｂについて説明する。
【００２７】
まず、周波数制御部３０ａについて説明する。周波数制御部３０ａは、電圧制御発振器３２ａと、周波数シンセサイザ３３ａ（以下、周波数シンセサイザ[Ｃｓ]という場合がある）と、低周波発振器３４ａと、同期検波回路３５ａと、制御回路３６ａを含んで構成されている。
【００２８】
電圧制御発振器３２ａは、制御回路３６ａから印加される制御電圧に応じて出力周波数が可変制御される電圧制御型の発振器であり、本実施形態では、電圧制御発振器３２ａの発振信号が、原子発振器１００の基準周波数信号（例えば、１０ＭＨｚ）として外部に出力されるとともに、周波数シンセサイザ３３ａに基準信号として入力されるようになっている。なお、本実施形態は、電圧制御発振器３２ａの源振となる振動子を限定するものではなく、電圧制御発振器３２ａは、水晶発振器であっても良いし、ＭＥＭＳ発振器（シリコン発振器）であっても良い。
【００２９】
一方、周波数シンセサイザ３３ａは、セシウム（Ｃｓ）のＣＰＴ共鳴に必要な±１次のサイドバンド光を生じさせるために、半導体レーザー[Ｃｓ]の駆動電流にＦＭ変調を施すための高周波信号（ＲＦ信号）を合成するＰＬＬシンセサイザであり、より具体的には、出力周波数を１Ｈｚ以下の分解能で制御することが可能なフラクショナル‐Ｎ ＰＬＬシンセサイザである。周波数シンセサイザ３３ａは、電圧制御発振器３２ａから入力される基準信号を設定された逓倍率で逓倍して、セシウム（Ｃｓ）の共鳴周波数の１／２に相当する周波数を持つＲＦ信号を合成する。そして、周波数シンセサイザ３３ａは、合成したＲＦ信号をバイアスＴ４０ａとコンピュータ５０の双方に同時に出力する。
【００３０】
ここで、周波数シンセサイザ３３ａの逓倍率を決定するフラクショナル‐Ｎ ＰＬＬのパラメータ（具体的には、分周比）のデフォルト値は、ガスセル１４に封入されたセシウム（Ｃｓ）の共鳴周波数のデフォルト値をＦＣｓとすると、１／２ＦＣｓを原子発振器１００が出力する基準周波数信号の目標周波数で除してなる逓倍率が実現されるように設定される。例えば、ＦＣｓが９．１９２６５１７１８ＧＨｚであり、原子発振器１００の目標周波数が１０ＭＨｚである場合、周波数シンセサイザ３３ａが実現すべき逓倍率は、（１／２ＦＣｓ）／１０ＭＨｚ＝４５９．６３２５８５９であるので、この逓倍率（＝４５９．６３２５８５９）を実現する値が周波数シンセサイザ３３ａのパラメータのデフォルト値として設定される。
【００３１】
周波数シンセサイザ３３ａが合成するＲＦ信号（以下、ＲＦ信号[Ｃｓ]という場合がある）は、低周波発振器３４ａの発振周波数で変調され、バイアスＴ４０ａに入力される。これにより、電流駆動回路２２ａから入力される駆動電流に対して、周波数シンセサイザ３３ａが合成するＲＦ信号の周波数に基づくＦＭ変調と低周波発振器２４ａの発振周波数に基づくＡＭ変調が同時に施されることになる。
【００３２】
一方、同期検波回路３５ａは、光検出器[Ｃｓ]から入力される光検出信号を低周波発振器３４ａが発振する低周波信号で同期検波し、電圧信号を制御回路３６ａに出力する。これを受けて、制御回路３６ａは、同期検波回路３５ａから入力される電圧がゼロになるように、電圧制御発振器３２ａに対して制御電圧を印加する。その結果、ガスセル１４に封入されたセシウム（Ｃｓ）のＣＰＴ共鳴が維持されるように、周波数シンセサイザ３３ａから出力されるＲＦ信号[Ｃｓ]の周波数がロックされる。
【００３３】
次に、周波数制御部３０ｂについて説明する。周波数制御部３０ｂは、電圧制御発振器３２ｂと、周波数シンセサイザ３３ｂ（以下、周波数シンセサイザ[Ｒｂ]という場合がある）と、低周波発振器３４ｂと、同期検波回路３５ｂと、制御回路３６ｂを含んで構成されており、上述した周波数制御部３０ａと同様の機能を果たす。
【００３４】
すなわち、電圧制御発振器３２ｂが発振する基準信号が周波数シンセサイザ３３ｂ（フラクショナル‐Ｎ ＰＬＬシンセサイザ）に入力され、周波数シンセサイザ３３ｂは、入力された基準信号に基づいて、ルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数の１／２に相当する周波数を持つＲＦ信号を合成する。そして、周波数シンセサイザ３３ｂは、合成したＲＦ信号をバイアスＴ４０ｂとコンピュータ５０の双方に同時に出力する。
【００３５】
ここで、周波数シンセサイザ３３ｂの逓倍率を決定するフラクショナル‐Ｎ ＰＬＬのパラメータのデフォルト値は、ガスセル１４に封入されルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数のデフォルト値をＦＲｂとすると、１／２ＦＲｂを原子発振器１００が出力する基準周波数信号の目標周波数で除してなる逓倍率が実現されるように設定される。例えば、ＦＲｂが６．８３４６９６３６０ＧＨｚであり、原子発振器１００の目標周波数が１０ＭＨｚである場合、周波数シンセサイザ３３ｂが実現すべき逓倍率は、（１／２ＦＲｂ）／１０ＭＨｚ＝３４１．７３４８１８であるので、この逓倍率（＝３４１．７３４８１８）を実現する値が周波数シンセサイザ３３ｂのパラメータのデフォルト値として設定される。
【００３６】
周波数シンセサイザ３３ｂが合成するＲＦ信号（以下、ＲＦ信号[Ｒｂ]という場合がある）は、低周波発振器２４ｂの発振周波数で変調され、バイアスＴ４０ｂに入力される。これにより、電流駆動回路２２ｂから入力される駆動電流に対して、周波数シンセサイザ３３ｂが合成するＲＦ信号の周波数に基づくＦＭ変調と低周波発振器２４ｂの発振周波数に基づくＡＭ変調が同時に施されることになる。
【００３７】
一方、同期検波回路３５ｂは、光検出器[Ｒｂ]から入力される光検出信号を低周波発振器３４ｂが発振する低周波信号で同期検波し、電圧信号を制御回路３６ｂに出力する。これを受けて、制御回路３６ｂは、同期検波回路３５ｂから入力される電圧がゼロになるように、電圧制御発振器３２ｂに対して制御電圧を印加する。その結果、ガスセル１４に封入されたルビジウム（Ｒｂ）のＣＰＴ共鳴が維持されるように、周波数シンセサイザ３３ｂから出力されるＲＦ信号[Ｒｂ]の周波数がロックされる。
【００３８】
以上、周波数制御部３０ａ，３０ｂについて説明したので、続いて、コンピュータ５０について説明する。
【００３９】
原子発振器１００に搭載されるコンピュータ５０は、例えば、マイクロコンピューターであり、量子部１０の温度制御手段（図示せず）を制御する役割の他、２つの周波数シンセサイザ３３ａ、３３ｂに対して、バッファガスの圧力変動に適応した最適なパラメータを設定する役割を果たす。
【００４０】
図２（ａ）は、コンピュータ５０のハードウェア構成を示す。図２（ａ）に示すように、コンピュータ５０は、プロセッサ５０１と、後述する所定のプログラムを保存するＲＯＭ５０２と、プログラムの実行空間を提供するＲＡＭ５０３と、後述する周波数の時系列データなどを記憶する補助記憶手段５０４と、入力信号のＡ／Ｄ変換ならびに出力信号のＤ／Ａ変換を実行するアナログ入出力回路５０５を備えている。
【００４１】
図２（ｂ）は、コンピュータ５０の機能構成を示す。図２（ｂ）に示すように、コンピュータ５０は、周波数測定部５２と、周波数比算出部５３と、バッファガス圧推定部５４と、共鳴周波数推定部５５と、逓倍率算出部５６と、逓倍率制御部５８とを含んで構成される。なお、上述した各機能部は、コンピュータ５０が所定のプログラムを実行することにより実現される。
【００４２】
周波数測定部５２は、コンピュータ５０に入力されるＲＦ信号[Ｃｓ]の周波数（以下、周波数[Ｃｓ]という場合がある）と、コンピュータ５０に入力されるＲＦ信号[Ｒｂ]の周波数（以下、周波数[Ｒｂ]という場合がある）を測定し、測定した周波数[Ｃｓ]および周波数[Ｒｂ]の時系列データを既知の平滑化手法（例えば、移動平均法）を用いて平滑化して一時記憶に記録する機能部である。
【００４３】
ここで、周波数測定部５２は、コンピュータ５０に入力される２つのＲＦ信号の周波数を共通の時間基準を用いて測定する。例えば、周波数測定部５２は、コンピュータ５０に入力される２つのＲＦ信号のうち、いずれか一方のＲＦ信号を時間基準として用いて、周波数[Ｃｓ]と周波数[Ｒｂ]を測定する。例えば、ＲＦ信号[Ｒｂ]を時間基準として用いる場合、周波数測定部５２は、コンピュータ５０に入力されるＲＦ信号[Ｒｂ]とＲＦ信号[Ｃｓ]のパルス数のカウントを同時に開始した後、ＲＦ信号[Ｒｂ]のカウント数がルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数に見合った数（例えば、６．８×１０９個）に達した時点で２つのＲＦ信号のカウントを同時に終了し、その際に得られたＲＦ信号[Ｒｂ]のカウント数を周波数[Ｒｂ]として取得し、ＲＦ信号[Ｃｓ]のカウント数を周波数[Ｃｓ]として取得する。
【００４４】
なお、周波数測定部５２は、別法として、コンピュータ５０の内部クロック信号が定義する時間基準を用いて、既知の方法で周波数[Ｃｓ]と周波数[Ｒｂ]を測定しても良い。
【００４５】
周波数比算出部５３は、ＲＦ信号[Ｃｓ]とＲＦ信号[Ｃｓ]の周波数比を算出する機能部である。
【００４６】
バッファガス圧推定部５４は、算出した周波数比に基づいて、ガスセル１４に封入されるバッファガスのガス圧を推定する機能部である。
【００４７】
共鳴周波数推定部５５は、推定したバッファガスのガス圧に基づいて、セシウム（Ｃｓ）の共鳴周波数とルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数を推定する機能部である。
【００４８】
逓倍率算出部５６は、推定したセシウム（Ｃｓ）の共鳴周波数に基づいて、周波数シンセサイザ[Ｃｓ]に設定する逓倍率を算出し、推定したルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数に基づいて、周波数シンセサイザ[Ｒｂ]に設定する逓倍率を算出する機能部である。
【００４９】
逓倍率制御部５８は、算出した逓倍率を周波数シンセサイザ[Ｃｓ]および周波数シンセサイザ[Ｒｂ]に設定する機能部である。
【００５０】
以上、コンピュータ５０の機能構成について説明してきたが、続いて、上述した各機能部が協働して実行する処理の内容を図３に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、以下の説明においては、適宜、図２を参照するものとする。
【００５１】
まず、ステップ１０１では、周波数比算出部５３が、一時記憶に記録されている周波数の時系列データから最新の周波数[Ｃｓ]と周波数[Ｒｂ]を読み出して、周波数比（周波数[Ｃｓ]／周波数[Ｒｂ]）を算出する。
【００５２】
続くステップ１０２では、バッファガス圧推定部５４が、先のステップ１０１で算出した周波数比（周波数[Ｃｓ]／周波数[Ｒｂ]）に基づいてガスセル１４に封入されたバッファガス圧を推定する。具体的には、周波数比算出部５３が算出した周波数比を所定の推定式に代入して、バッファガス圧の推定値を算出する。ここで、本実施形態が採用するバッファガス圧の推定式について説明する。
【００５３】
ガスセル型の原子発振器において、ガスセルに封入された原子の共鳴周波数は、バッファガス圧およびガスセルの温度に依存して変動（シフト）する。ここで、バッファガス圧をＰ、ガスセルの温度の変動量をΔＴ、圧力係数をα、温度係数をδとすると、原子の共鳴周波数のシフト量Δνは、下記式（１）で表わすことができる。
【００５４】
【数１】
2018042181.tif 000003
【００５５】
ここで、ガスセルの温度が常に一定温度に制御されることを前提とすれば、温度係数δは、１次の項のみを考慮すれば足りる。したがって、本実施形態の場合、ガスセル１４に封入されたセシウム（Ｃｓ）の共鳴周波数[νｍ_Ｃｓ]を下記式（２）で表わすことができ、ガスセル１４に封入されたルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数[νｍ_Ｒｂ]を下記式（３）で表わすことができる。
【００５６】
【数２】
2018042181.tif 000004
【００５７】
なお、上記式（２）において、νＣｓ、αＣｓおよびδＣｓ１は、それぞれ、セシウム（Ｃｓ）の公称周波数、圧力係数および１次の温度係数を示す。また、上記式（３）において、νＲｂ、αＲｂおよびδＲｂ１は、それぞれ、ルビジウム（Ｒｂ）の公称周波数、圧力係数および１次の温度係数を示す。（以下の式において同様。）
【００５８】
上記式（２）および（３）から、ガスセル１４に封入された、セシウム（Ｃｓ）の共鳴周波数[νｍ_Ｃｓ]とルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数[νｍ_Ｒｂ]の比（νｍ_Ｃｓ／νｍ_Ｒｂ）は、下記式（４）で表わすことができる。
【００５９】
【数３】
2018042181.tif 000005
【００６０】
ここで、ガスセル１４の温度が常に一定温度に制御されることを前提として、上記式（４）におけるΔＴをゼロとし、上記式（４）をバッファガス圧[Ｐ]について整理すると、下記式（５）が導出される。
【００６１】
【数４】
2018042181.tif 000006
【００６２】
最後に、上記式（５）における周波数比（νｍ_Ｃｓ／νｍ_Ｒｂ）をｒｍに置き換えることによって、下記式（６）がバッファガス圧[Ｐ]の推定式として導出される。
【００６３】
【数５】
2018042181.tif 000007
【００６４】
そして、ステップ１０２では、バッファガス圧推定部５４が、先のステップ１０１で算出した周波数比ｒｍ（＝νｍ_Ｃｓ／νｍ_Ｒｂ）を上記式（６）に代入してガスセル１４のバッファガス圧[Ｐ]の推定値を算出する。
【００６５】
続くステップ１０３では、共鳴周波数推定部５５が、先のステップ１０２で推定したバッファガス圧[Ｐ]に基づいて、セシウム（Ｃｓ）の共鳴周波数[νｍ_Ｃｓ]とルビジウム（Ｒｂ）の共鳴周波数[νｍ_Ｒｂ]を推定する。具体的には、バッファガス圧[Ｐ]を先に挙げた式（１）および式（２）に代入することによって、共鳴周波数[νｍ_Ｃｓ]および共鳴周波数[νｍ_Ｒｂ]の推定値を算出する。
【００６６】
続くステップ１０４では、逓倍率算出部５６が、先のステップ１０３で算出した共鳴周波数[νｍ_Ｃｓ]に基づいて周波数シンセサイザ[Ｃｓ]に設定すべき逓倍率[ＭＣｓ]を算出するとともに、先のステップ１０３で算出した共鳴周波数[νｍ_Ｒｂ]に基づいて周波数シンセサイザ[Ｒｂ]に設定すべき逓倍率[ＭＲｂ]を算出する。具体的には、算出した共鳴周波数[νｍ_Ｃｓ]の１／２を原子発振器１００の目標周波数で除した値を逓倍率[ＭＣｓ]として算出し、算出した共鳴周波数[νｍ_Ｒｂ]の１／２を原子発振器１００の目標周波数で除した値を逓倍率[νｍ_Ｒｂ]として算出する。
【００６７】
続くステップ１０５では、逓倍率制御部５８が、周波数シンセサイザ[Ｃｓ]に先のステップ１０４で算出した逓倍率[ＭＣｓ]を設定し、周波数シンセサイザ[Ｒｂ]に先のステップ１０４で算出した逓倍率[ＭＲｂ]を設定する。具体的には、逓倍率制御部５８は、逓倍率[ＭＣｓ]を実現するパラメータ[Ｐｒ_Ｃｓ]を算出した後、パラメータ[Ｐｒ_Ｃｓ]を設定するための逓倍率制御信号を生成して周波数シンセサイザ[Ｃｓ]に送信する。そして、逓倍率制御信号を受信した周波数シンセサイザ[Ｃｓ]がパラメータを更新する。また、逓倍率制御部５８は、逓倍率[ＭＲｂ]を実現するパラメータ[Ｐｒ_Ｒｂ]を算出した後、パラメータ[Ｐｒ_Ｒｂ]を設定するための逓倍率制御信号を生成して周波数シンセサイザ[Ｒｂ]に送信する。そして、逓倍率制御信号を受信した周波数シンセサイザ[Ｒｂ]がパラメータを更新する。
【００６８】
本実施形態では、コンピュータ５０が、上述した一連の処理（ステップ１０１〜１０５）を所定のタイミングで繰り返し実行する。これにより、バッファガス圧の変動の影響が最小化され、結果として、原子発振器１００の発振周波数が長期に渡って安定化する。
【００６９】
以上、本発明について実施形態をもって説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、当業者が推考しうる実施態様の範囲内において、本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
【００７０】
上述した実施形態の各機能は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｊａｖａ（登録商標）などで記述された装置実行可能なプログラムにより実現でき、本実施形態のプログラムは、ハードディスク装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ、フレキシブルディスク、ＥＥＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭなどの装置可読な記録媒体に格納して頒布することができ、また他装置が可能な形式でネットワークを介して伝送することができる。
【実施例】
【００７１】
以下の手順で本発明の原子発振器の実証実験を行った。
【００７２】
図４は、本実験で用いた実験装置を示す。本実験では、ＭＥＭＳ加工により作製した光路長２ｍｍのセルをガスセルとし、２種類のアルカリ金属原子として、１３３ＣｓおよびナチュラルＲｂを封入し、バッファガスとしてＮｅを封入した。なお、実験期間中、ガスセル温度を９０℃に維持するとともに、量子部の周辺温度をモニタした。
【００７３】
本実験では、Ｃｓ用の励起用光源として出力波長895nm (Cs-D1線)のＶＣＳＥＬを用意し、Ｒｂ用の励起用光源として出力波長795nm (Rb-D1線) のＶＣＳＥＬを用意した。また、各ＶＣＳＥＬの駆動電流にＲＦを重畳させてＡＭ／ＦＭ変調を施すことにより、ＣＰＴ共鳴の観測に必要な励起光である±１次のサイドバンドを生成した。実験装置の光学系は、各ＶＣＳＥＬから出射する２つのレーザ光が、コリメートレンズを経て平行光とされ、ＮＤフィルタおよびλ/4波長板を経てσ+偏光となった後、２つのレーザ光がハーフミラーで重なってガスセルの同一部分を透過するように構成した。一方、ガスセルを透過する光は、Ｃｓ用のバンドパスフィルタ（890±5nm）とＲｂ用バンドパスフィルタ（800±5nm）を用いて分離し、それぞれを専用のフォトダイオードで検出した。
【００７４】
本実験では、レーザ波長の安定化とＣＰＴ共鳴の中心周波数の維持のためにロックインアンプを用いてフィードバックループを構成した。また、周波数の測定にあっては、ＶＣＳＥＬにＲＦを重畳するＲＦジェネレータに対して、セシウム一次標準器をリファレンスとして接続した上で、ＰＣを用いてＲＦジェネレータの出力信号の周波数の制御と記録を行った。
【００７５】
図５は、同時に観測されたＣｓと８７ＲｂのＣＰＴ共鳴線を示す。図５に示す結果から、１つのガスセルに２種類のアルカリ金属原子（Ｃｓ、８７Ｒｂ）を一緒に封入しても、各原子のＣＰＴ共鳴を問題なく観測できることが確認された。
【００７６】
一方、図６（ａ）は、Ｃｓの共鳴周波数の経時変化を示し、図６（ｂ）は、Ｃｓの共鳴周波数の周波数変動量の経時変化を示す。また、図６（ｃ）は、８７Ｒｂの共鳴周波数の経時変化を示し、図６（ｄ）は、８７Ｒｂの共鳴周波数の周波数変動量の経時変化を示す。なお、図６（ｂ）および（ｄ）は、量子部の周辺温度の測定結果に基づいて温度補正を施した結果である。図６に示す結果から、２種類のアルカリ金属原子（Ｃｓ、８７Ｒｂ）において、バッファガスシフトの挙動が異なることが確認された。
【符号の説明】
【００７７】
１０…量子部、１２ａ，１２ｂ…半導体レーザー、１３…ビームスプリッタ、１４…ガスセル、１５…ビームスプリッタ、１６ａ，１６ｂ…バンドパスフィルタ、１８ａ，１８ｂ…光検出器、２０ａ，２０ｂ…波長制御部、２２ａ，２２ｂ…電流駆動回路、２４ａ，２４ｂ…低周波発振器、２６ａ，２６ｂ…同期検波回路、２８ａ，２８ｂ…制御回路、３０ａ，３０ｂ…周波数制御部、３２ａ，３２ｂ…電圧制御発振器、３３ａ，３３ｂ…周波数シンセサイザ、３４ａ，３４ｂ…低周波発振器、３５ａ，３５ｂ…同期検波回路、３６ａ，３６ｂ…制御回路、４０ａ，４０ｂ…バイアスＴ、５０…コンピュータ、５２…周波数測定部、５３…周波数比算出部、５４…バッファガス圧推定部、５５…共鳴周波数推定部、５６…逓倍率算出部、５８…逓倍率制御部、１００…原子発振器、５０１…プロセッサ、５０２…ＲＯＭ、５０３…ＲＡＭ、５０４…補助記憶手段、５０５…アナログ入出力回路
【図１】
2018042181.tif 000009
【図２】
2018042181.tif 000010
【図３】
2018042181.tif 000011
【図４】
2018042181.tif 000012
【図５】
2018042181.tif 000013
【図６】
2018042181.tif 000014