(57)【要約】  本発明は、交互偏光の光で原子を励起することによって、原子時計および磁力計において使用されるコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）共振の強度を増加するための方法および装置を提供する。原子の配置において原子の超微細周波数で方向が交替する光子スピンベクトルによって特徴付けられるそのような光での励起は、プッシュプルポンピングと称される。本発明のシステムの一実施形態において、適当な共振周波数で強度変調された交互回転偏光Ｄ１レーザ光線でアルカリ金属蒸気が励起され、それによって、アルカリ金属蒸気の平均透過率の増加として観察されることができるＣＰＴ共振を発生させる。これらの共振は、光学的に引き起こされる原子の共振エネルギー副準位への集中に起因して実質的に強められる。
2007527994.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弱い外部磁場の領域の範囲内で気相または原子ビームの原子を発生させる段階と、原子の配置において原子の超微細周波数で方向が交替する光子スピンによって特徴付けられる交互偏光の光で励起することによって、原子の超微細遷移を発生させる段階と、を含む原子時計を動かすための方法。
【請求項２】
原子と相互に作用している光の偏光は、右回転偏光と左回転偏光の状態を原子の超微細周波数で交互に繰り返す、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
交互偏光の光は、原子の超微細周期の半整数倍だけ右円偏光に対してシフトまたは遅らされた同様に変調された左円偏光（ＬＣＰ）と組み合わされた右円偏光（ＲＣＰ）の強度または周波数変調によって生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
交互偏光の光は、相互に垂直な直線偏光の２つのビームを組み合わせることによって生成され、前記ビームの光周波数は原子の超微細周波数だけ異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
交互偏光の光は、原子の配置で磁場方向に対して垂直な平面において時計回りの回転と反時計回りの回転を原子の超微細周波数で交互に繰り返す電場ベクトルまたはその要素を生成する２つの逆伝搬ビームによって生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
交互偏光の光は、周波数において原子の超微細周波数だけ等しく間隔があけられたスペクトル線の系によって生成され、各スペクトル線は線形に偏光されており、隣接した線の偏光は相互に直交する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
交互偏光の光は、右円偏光に対して原子の超微細周期の半整数倍だけシフトまたは遅らされた左円偏光の正弦波強度包絡線と結合された右円偏光の正弦波強度包絡線を生成することによって生成され、光と相互に作用している原子は、基底状態超微細分割周波数ν００未満の光学的プレッシャーブロードニングを引き起こしているバッファガスと混ぜ合わされる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
交互偏光の光は、左円偏光のパルスが組み入れられている右円偏光の強度のパルスを生成することによって生成され、前記パルスは超微細変調周期の半分未満またはおよそ半分のパルス幅を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、変調周期の半分の差をつけて、左円偏光の強度ピークが右円偏光の強度ピークに続くように、原子の超微細周波数で強度変調される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、原子の超微細周期の半分の差をつけて、左円偏光の周波数の最大値が右円偏光の周波数の最大値に続くように、原子の超微細周波数の半分で周波数変調される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
交互偏光の光は、
変調またはパルス光ビームを第１経路と第２経路に分割する段階と、
第１経路の光を右円偏光に偏光させる段階と、
第２経路の光を左円偏光に偏光させる段階と、
第１経路の右円偏光と第２経路の左円偏光との間に超微細周期の半整数倍の遅れを導入する段階と、
第１経路と第２経路を再結合する段階と、によって生成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
交互偏光の光は、原子時計の性能を最適化するために形成された１または複数の波形パターンを伴う前記光のソースを調節することによって生成される、または、前記光のソースを調節することによって生成されるビームからなる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
原子を含む媒体を通り抜ける交互偏光の光の透過率を検出する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
交互偏光の光によって励起される原子の蛍光を検出する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
交互偏光の光で照射される原子ビームのアルカリ金属原子の原子状態を分析する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
原子がルビジウム原子またはセシウム原子である、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
弱い外部磁場の領域の範囲内で気相または原子ビームの原子を発生させる手段と、
原子の配置において原子の超微細周波数で方向が交替する光子スピンによって特徴付けられる交互偏光の光で励起することによって、原子の超微細遷移を発生させる手段と、
を含む、原子時計を動かすためのシステム。
【請求項１８】
原子と相互に作用している光の偏光は、右回転偏光と左回転偏光の状態を原子の超微細周波数で交互に繰り返す、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
交互偏光の光は、原子の超微細周期の半整数倍だけ右円偏光に対してシフトまたは遅らされた同様に変調された左円偏光（ＬＣＰ）と組み合わされた右円偏光（ＲＣＰ）の強度または周波数変調によって生成される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
交互偏光の光は、相互に垂直な直線偏光の２つのビームを組み合わせることによって生成され、前記ビームの光周波数は原子の超微細周波数だけ異なる、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
交互偏光の光は、原子の配置で磁場方向に対して垂直な平面において時計回りの回転と反時計回りの回転を原子の超微細周波数で交互に繰り返す電場ベクトルまたはその要素を生成する２つの逆伝搬ビームによって生成される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
交互偏光の光は、周波数において原子の超微細周波数だけ等しく間隔があけられたスペクトル線の系によって生成され、各スペクトル線は線形に偏光されており、隣接した線の偏光は相互に直交する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２３】
交互偏光の光は、右円偏光に対して原子の超微細周期の半整数倍だけシフトまたは遅らされた左円偏光の正弦波強度包絡線と結合された右円偏光の正弦波強度包絡線を生成する手段によって生成され、光と相互に作用している原子は、基底状態超微細分割周波数ν００未満の光学的プレッシャーブロードニングを引き起こしているバッファガスと混ぜ合わされる、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２４】
交互偏光の光は、左円偏光のパルスが組み入れられている右円偏光の強度のパルスを生成する手段によって生成され、前記パルスは超微細変調周期の半分未満またはおよそ半分のパルス幅を有する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２５】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、変調周期の半分の差をつけて、左円偏光の強度ピークが右円偏光の強度ピークに続くように、原子の超微細周波数で強度変調される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２６】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、原子の超微細周期の半分の差をつけて、左円偏光の周波数の最大値が右円偏光の周波数の最大値に続くように、原子の超微細周波数の半分で周波数変調される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２７】
交互偏光の光は、
変調またはパルス光ビームを第１経路と第２経路に分割する手段と、
第１経路の光を右円偏光に偏光させる手段と、
第２経路の光を左円偏光に偏光させる手段と、
第１経路の右円偏光と第２経路の左円偏光との間に超微細周期の半整数倍の遅れを導入する手段と、
第１経路と第２経路を再結合する手段と、によって生成される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２８】
交互偏光の光は、原子時計の性能を最適化するために形成された１または複数の波形パターンを伴う前記光のソースを調節することによって生成される、または、前記光のソースを調節することによって生成されるビームからなる、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２９】
原子を含む媒体を通り抜ける交互偏光の光の遷移を検出する手段をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項３０】
交互偏光の光によって励起される原子の蛍光を検出する手段をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項３１】
交互偏光の光で照射される原子ビームのアルカリ金属原子の原子状態を分析する手段をさらに含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項３２】
原子がルビジウム原子またはセシウム原子である、請求項１７に記載のシステム。
【請求項３３】
アルカリ金属蒸気のセルと、
前記セルに交互偏光の光を印加して前記蒸気の原子の超微細遷移を発生させる手段と、
を含む、原子時計を動かすためのシステム。
【請求項３４】
原子と相互に作用している光の偏光は、右回転偏光と左回転偏光の状態を原子の超微細周波数で交互に繰り返す、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
交互偏光の光は、原子の超微細周期の半整数倍だけ右円偏光に対してシフトまたは遅らされた同様に変調された左円偏光（ＬＣＰ）と組み合わされた右円偏光（ＲＣＰ）の強度または周波数変調によって生成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３６】
交互偏光の光は、相互に垂直な直線偏光の２つのビームを組み合わせることによって生成され、前記ビームの光周波数は原子の超微細周波数だけ異なる、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
交互偏光の光は、原子の配置で磁場方向に対して垂直な平面において時計回りの回転と反時計回りの回転を原子の超微細周波数で交互に繰り返す電場ベクトルまたはその要素を生成する２つの逆伝搬ビームによって生成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３８】
交互偏光の光は、周波数において原子の超微細周波数だけ等しく間隔があけられたスペクトル線の系によって生成され、各スペクトル線は線形に偏光されており、隣接した線の偏光は相互に直交する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３９】
交互偏光の光は、右円偏光に対して原子の超微細周期の半整数倍だけシフトまたは遅らされた左円偏光の正弦波強度包絡線と結合された右円偏光の正弦波強度包絡線を生成する手段によって生成され、光と相互に作用している原子は、基底状態超微細分割周波数ν００未満の光学的プレッシャーブロードニングを引き起こしているバッファガスと混ぜ合わされる、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４０】
交互偏光の光は、左円偏光のパルスが組み入れられている右円偏光の強度のパルスを生成する手段によって生成され、前記パルスは超微細変調周期の半分未満またはおよそ半分のパルス幅を有する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４１】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、変調周期の半分の差をつけて、左円偏光の強度ピークが右円偏光の強度ピークに続くように、原子の超微細周波数で強度変調される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４２】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、原子の超微細周期の半分の差をつけて、左円偏光の周波数の最大値が右円偏光の周波数の最大値に続くように、原子の超微細周波数の半分で周波数変調される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４３】
交互偏光の光は、
変調またはパルス光ビームを第１経路と第２経路に分割する手段と、
第１経路の光を右円偏光に偏光させる手段と、
第２経路の光を左円偏光に偏光させる手段と、
第１経路の右円偏光と第２経路の左円偏光との間に超微細周期の半整数倍の遅れを導入する手段と、
第１経路と第２経路を再結合する手段と、によって生成される、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４４】
原子を含む媒体を通り抜ける交互偏光の光の透過率を検出する手段をさらに含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４５】
交互偏光の光によって励起される原子の蛍光を検出する手段をさらに含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４６】
交互偏光の光は、原子時計の性能を最適化するために形成された１または複数の波形パターンを伴う前記光のソースを調節することによって生成される、または、前記光のソースを調節することによって生成されるビームからなる、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４７】
原子がルビジウム原子またはセシウム原子である、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４８】
前記セルの内部の磁場を制御する手段をさらに含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４９】
前記セルを加熱する手段をさらに含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項５０】
測定される磁場の領域の範囲内で気相または原子ビームの原子を発生させる段階と、原子の配置において原子の超微細周波数で方向が交替する光子スピンによって特徴付けられる交互回転偏光の光で励起することによって、原子の超微細遷移を発生させる段階と、を含む磁力計を動かすための方法。
【請求項５１】
原子と相互に作用している光の偏光は、右回転偏光と左回転偏光の状態を原子の超微細周波数で交互に繰り返す、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
交互偏光の光は、原子の超微細周期の半整数倍だけ右円偏光に対してシフトまたは遅らされた同様に変調された左円偏光（ＬＣＰ）と組み合わされた右円偏光（ＲＣＰ）の強度または周波数変調によって生成される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
交互偏光の光は、相互に垂直な直線偏光の２つのビームを組み合わせることによって生成され、前記ビームの光周波数は原子の超微細周波数だけ異なる、請求項５０に記載の方法。
【請求項５４】
交互偏光の光は、原子の配置で磁場方向に対して垂直な平面において時計回りの回転と反時計回りの回転を原子の超微細周波数で交互に繰り返す電場ベクトルまたはその要素を生成する２つの逆伝搬ビームによって生成される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５５】
交互偏光の光は、周波数において原子の超微細周波数だけ等しく間隔があけられたスペクトル線の系によって生成され、各スペクトル線は線形に偏光されており、隣接した線の偏光は相互に直交する、請求項５０に記載の方法。
【請求項５６】
交互偏光の光は、右円偏光に対して原子の超微細周期の半整数倍だけシフトまたは遅らされた左円偏光の正弦波強度包絡線と結合された右円偏光の正弦波強度包絡線を生成することによって生成され、光と相互に作用している原子は、基底状態超微細分割周波数ν００未満の光学的プレッシャーブロードニングを引き起こしているバッファガスと混ぜ合わされる、請求項５０に記載の方法。
【請求項５７】
交互偏光の光は、左円偏光のパルスが組み入れられている右円偏光の強度のパルスを生成することによって生成され、前記パルスは超微細変調周期の半分未満またはおよそ半分のパルス幅を有する、請求項５０に記載の方法。
【請求項５８】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、変調周期の半分の差をつけて、左円偏光の強度ピークが右円偏光の強度ピークに続くように、原子の超微細周波数で強度変調される、請求項５０に記載の方法。
【請求項５９】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、原子の超微細周期の半分の差をつけて、左円偏光の周波数の最大値が右円偏光の周波数の最大値に続くように、原子の超微細周波数の半分で周波数変調される、請求項５０に記載の方法。
【請求項６０】
交互偏光の光は、
変調またはパルス光ビームを第１経路と第２経路に分割する段階と、
第１経路の光を右円偏光に偏光させる段階と、
第２経路の光を左円偏光に偏光させる段階と、
第１経路の右円偏光と第２経路の左円偏光との間に超微細周期の半整数倍の遅れを導入する段階と、
第１経路と第２経路を再結合する段階と、によって生成される、請求項５０に記載の方法。
【請求項６１】
交互偏光の光は、磁力計の性能を最適化するために形成された１または複数の波形パターンを伴う前記光のソースを調節することによって生成される、または、前記光のソースを調節することによって生成されるビームからなる、請求項５０に記載の方法。
【請求項６２】
原子を含む媒体を通り抜ける交互偏光の光の透過率を検出する段階をさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６３】
交互偏光の光によって励起される原子の蛍光を検出する段階をさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６４】
交互偏光の光で照射される原子ビームのアルカリ金属原子の原子状態を分析する段階をさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項６５】
原子がルビジウム原子またはセシウム原子である、請求項５０に記載の方法。
【請求項６６】
弱い外部磁場の領域の範囲内で気相または原子ビームの原子を発生させる手段と、
原子の配置において原子の超微細周波数で方向が交替する光子スピンによって特徴付けられる交互偏光の光で励起することによって、原子の超微細遷移を発生させる手段と、
を含む、磁力計を動かすためのシステム。
【請求項６７】
原子と相互に作用している光の偏光は、右回転偏光と左回転偏光の状態を原子の超微細周波数で交互に繰り返す、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６８】
交互偏光の光は、原子の超微細周期の半整数倍だけ右円偏光に対してシフトまたは遅らされた同様に変調された左円偏光（ＬＣＰ）と組み合わされた右円偏光（ＲＣＰ）の強度または周波数変調によって生成される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項６９】
交互偏光の光は、相互に垂直な直線偏光の２つのビームを組み合わせることによって生成され、前記ビームの光周波数は原子の超微細周波数だけ異なる、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７０】
交互偏光の光は、原子の配置で磁場方向に対して垂直な平面において時計回りの回転と反時計回りの回転を原子の超微細周波数で交互に繰り返す電場ベクトルまたはその要素を生成する２つの逆伝搬ビームによって生成される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７１】
交互偏光の光は、周波数において原子の超微細周波数だけ等しく間隔があけられたスペクトル線の系によって生成され、各スペクトル線は線形に偏光されており、隣接した線の偏光は相互に直交する、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７２】
交互偏光の光は、右円偏光に対して原子の超微細周期の半整数倍だけシフトまたは遅らされた左円偏光の正弦波強度包絡線と結合された右円偏光の正弦波強度包絡線を生成する手段によって生成され、光と相互に作用している原子は、基底状態超微細分割周波数ν００未満の光学的プレッシャーブロードニングを引き起こしているバッファガスと混ぜ合わされる、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７３】
交互偏光の光は、左円偏光のパルスが組み入れられている右円偏光の強度のパルスを生成する手段によって生成され、前記パルスは超微細変調周期の半分未満またはおよそ半分のパルス幅を有する、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７４】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、変調周期の半分の差をつけて、左円偏光の強度ピークが右円偏光の強度ピークに続くように、原子の超微細周波数で強度変調される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７５】
交互偏光の光は、右円偏光の第１ビームと左円偏光の第２ビームとの合流ビームの形状をしており、前記第１ビームおよび前記第２ビームは、原子の超微細周期の半分の差をつけて、左円偏光の周波数の最大値が右円偏光の周波数の最大値に続くように、原子の超微細周波数の半分で周波数変調される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７６】
交互偏光の光は、
変調またはパルス光ビームを第１経路と第２経路に分割する手段と、
第１経路の光を右円偏光に偏光させる手段と、
第２経路の光を左円偏光に偏光させる手段と、
第１経路の右円偏光と第２経路の左円偏光との間に超微細周期の半整数倍の遅れを導入する手段と、
第１経路と第２経路を再結合する手段と、によって生成される、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７７】
交互偏光の光は、磁力計の性能を最適化するために形成された１または複数の波形パターンを伴う前記光のソースを調節する手段によって生成される、または、前記光のソースを調節することによって生成されるビームからなる、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７８】
原子を含む媒体を通り抜ける交互偏光の光の透過率を検出する手段をさらに含む、請求項６６に記載のシステム。
【請求項７９】
交互偏光の光によって励起される原子の蛍光を検出する手段をさらに含む、請求項６６に記載のシステム。
【請求項８０】
交互偏光の光で照射される原子ビームのアルカリ金属原子の原子状態を分析する手段をさらに含む、請求項６６に記載のシステム。
【請求項８１】
原子がルビジウム原子またはセシウム原子である、請求項６６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光励起された原子時計または磁力計の技術分野に関し、特に、プッシュプルポンピング（ｐｕｓｈ−ｐｕｌｌ  ｐｕｍｐｉｎｇ）と称される交互偏光（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の光を用いる０−０コヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）共振を調べることによって動作する原子時計または磁力計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のガス電池（ｇａｓ−ｃｅｌｌ）原子時計は、光励起されたアルカリ金属の蒸気を利用する。原子時計は、極めて正確な周波数測定を要求する様々なシステムにおいて利用される。たとえば、原子時計は、ＧＰＳ（グローバル位置決定システム）衛星ならびに他のナビゲーションおよび測位システムのみならず、携帯電話システム、無線通信、科学実験、および軍事用途において使用される。ある種の原子共鳴は磁場に対して高感度であるため、原子時計の設計に類似する設計はまた磁力計として利用される。
【０００３】
原子時計の一形式において、ルビジウムまたはセシウム蒸気といった活性媒体を含むセルは、光およびマイクロ波出力（ｐｏｗｅｒ）の両方が照射される。セルは、大気圧の何分の１かの圧力でアルカリ金属および不活性バッファガス（たとえば、Ｎ２、任意の希ガス、またはそれらの混合体）の数滴の液滴を含む。光源からの光は、アルカリ金属蒸気の原子を基底状態から光学的に励起された状態に励起し、そこから原子は蛍光を放出することによって、または、Ｎ２といったバッファガス分子との衝突を抑制することによって、基底状態に戻ってくる。光の波長および偏光が選択されて、ある基底状態の副準位が選択的に減少させられ、他の副準位が副準位間の原子の通常のほぼ均一な分布に比べて過密となることを保証する。これらの副準位間での共鳴遷移（または共振）は、マイクロ波によって調べられることができる。また、参照することにより本願に含まれるＷ．Ｅ．ベルとＡ．Ｌ．ブルーム，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６，２８０（１９６１）で最初にベルとブルームによって指摘されたように、ボーアの共振周波数で光を調節すること（コヒーレントポピュレーショントラッピング（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  Ｔｒａｐｐｉｎｇ）またはＣＰＴとして現在知られている方法）によって同一の共振を発生させることは可能である。共振によって導かれるアルカリ金属原子の基底状態の変化は、蒸気の透明度の変化を引き起こし、したがって、異なる量の光が蒸気を通過して、励起ビームの透過率を測定する光検出器またはビームから散乱する蛍光を測定する光検出器に入る。マイクロ波によって生成される印加磁場が原子のボーア周波数のうちの一つと等しい周波数で振動するとき、基底状態の副準位の個体数（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓ）は不安定となって、蒸気の透明度は変化する。マイクロ波の代わりに変調光（ＣＰＴ）による励起が使用される場合、光変調周波数またはその高調波のうちの一つが原子のボーア周波数のうちの一つと一致するとき、基底状態の副準位の密着した（ｃｏｈｅｒｅｎｔ）重畳状態が引き起こされる。時計または磁力計をアルカリ金属原子のボーア周波数に固定するために、蒸気の透明度における変化は使用される。
【０００４】
ガス電池原子時計のボーア周波数は、アルカリ金属原子の電子スピンＳおよび核スピンＩが互いに対してかつ外部磁場に対してすりこぎ運動をする（ｐｒｅｃｅｓｓ）周波数νである。基底状態のために、すりこぎ運動（ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ）は磁気相互作用に起因する。おおよその時計周波数は、８７Ｒｂに対してν＝６．８３５ＧＨｚであり、１３３Ｃｓに対してν＝９．１９３ＧＨｚである。通常、方位量子数（ａｚｉｍｕｔｈａｌ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｎｕｍｂｅｒ）ｍ＝０かつ全角運動量量子数（ｔｏｔａｌ  ａｎｇｕｌａｒ  ｍｏｍｅｎｔｕｍ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｎｕｍｂｅｒ）Ｆ＝Ｉ＋１／２である上位のエネルギー準位と、同様に方位量子数ｍ＝０であるけれども全角運動量量子数Ｆ＝Ｉ−１／２である下位のエネルギー準位との間での遷移である“０−０”共振を時計は使用している。
【０００５】
通常、ＣＰＴ共振を発生させるために、（図１Ａに示される）原子の共鳴線Ｄ１またはＤ２に近い波長を有する周波数変調（ＦＭ）または位相変調（ＰＭ）された光ポンピング光（ｏｐｔｉｃａｌ−ｐｕｍｐｉｎｇ  ｌｉｇｈｔ）が使用される。光は、図１Ｂに示される０−０共振周波数ν０の半分に近いマイクロ波周波数νに調節される。振幅変調および搬送周波数（ｃａｒｒｉｅｒ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）が選択されて、ＣＰＴ信号のために側波帯スペクトルを最適化する。蒸気の時間平均透明度は、ν＝ν０／２のとき増加する。このＣＰＴ共振の半値全幅は、１ｋＨｚ未満であることができる。０−０ＣＰＴ共振の振幅はあまり大きくなく、１％未満を単位として時間平均透過率が増加することをたびたび意味する。０−０共振の周波数ν０は、磁場への非常に弱い二次依存を有し、したがって、時計を安定させるために磁場のある程度の制御が必要とされる。
【０００６】
図１Ａにおいて、原子エネルギー準位および光学遷移が光励起原子時計のために示される。８７Ｒｂについて説明されるアルカリ金属原子の基底状態は、フェルミ接触相互作用によって、量子数Ｓ＝１／２の電子スピンと量子数Ｉ＝３／２の核スピンとの間で超微細副準位に分割される。８７Ｒｂの基底状態副準位の広範な図表が図１Ｂに示される。超微細分割は、全角運動量量子数Ｆ＝Ｉ＋Ｓ＝２の副準位のエネルギーをＦ＝Ｉ−Ｓ＝１のそれから分離する。同じＦただし異なる方位量子数ｍを有する副準位エネルギーは、磁場によって互いに相対的にシフトされる。一定の回転偏光（ｃｉｒｃｕｌａｒ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）のＤ１共鳴光でアルカリ金属原子を励起することは、回転偏光のベクトルの方向（右または左）に応じて、基底状態の個体数分布（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）を最大または最小ｍの端部状態（ｅｎｄ  ｓｔａｔｅｓ）の方に至らせる。スピン交換衝突が支配的なスピン緩和機構である、すなわち、高バッファガス圧力の高密度蒸気に対して、図１Ｂの縦棒によって説明されるものと同様のスピン温度個体数分布が形成される。より低いバッファガス圧力とより遅いスピン交換率に対して、分布は定性的に類似しているけれども詳細において異なる。図１Ｂに図示されるように、端部状態の個体数の増加は、周波数νｍおよびνｚでの非常に大きなマイクロ波およびゼーマン端部共鳴信号をもたらす。しかしながら、端部状態の個体数の増加は０−０共振の初期および最終状態の原子をほとんど残さないので、ν０での０−０共鳴信号は非常に小さい。
【０００７】
周波数変調光によって励起されて調べられた０−０共振は、Ｄ．Ｅ．ニコノフその他、Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｏｐｔ．６，２４５（１９９４）に記載のとおり、数百トール（ｔｏｒｒ）を上回るバッファガス圧力で実際的に使用するには、小さくなり過ぎることが分かっている。２つの同調回路のＱｓ（品質係数）の減少がＦＭラジオまたはテレビジョン受信機の位相シフト識別器の性能を悪化させることとほぼ同じように、かつ類似の理由によって、光吸収線の広がりは、周波数変調光で生成されるＣＰＴ信号を悪化させる。また、端部状態への個体数の集中および０−０共振の抑制は、一定の回転偏光の非変調光で励起（ｐｕｍｐｉｎｇ）がなされるときに生じ、それは、マイクロ波によって、または、０−０周波数の半分であるν０／２で周波数変調された円偏光（ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ  ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ｌｉｇｈｔ）で共振が発生されるかどうかとは無関係である。
【０００８】
従来のＣＰＴ原子時計システムは、一定の偏光の変調光を使用している。一定の回転偏光の光がν０／２で周波数変調される代わりに周波数ν０で強度変調される場合、バッファガス圧力の増加にともなって０−０ＣＰＴ共振のより少ない悪化が生じることが分かっている。
【０００９】
８７Ｒｂに対する強度変調された右円偏光（ＲＣＰ）によって生成される個体数分布およびＣＰＴ共振のモデリング演算が図２Ａ−Ｃに示される。ＲＣＰ  Ｄ１励起光の強度変調パターンは図２Ａに示される。基底状態の副準位間の原子の個体数の分布が図２Ｂに示される。円偏光は、最大方位スピン量子数ｍの端部状態に向かって、かつ共振に関与するｍ＝０状態から離れる向きに原子を励起する。図２Ｃは、極性を与えられていない原子（ｕｎｐｏｌａｒｉｚｅｄ  ａｔｏｍ）に対する横断面図（ｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ）σ０に対して正規化された、原子の時間平均吸収横断面図
【００１０】
【数１】
2007527994.tif 000003
【００１１】
（以下、σｂａｒと称する。σｂａｒはσの上に−）における計算されたＣＰＴ共振を示す。ω０＝２πν０の共振周波数からの変調周波数ωの離調ω−ω０は、Ｓ−減衰率Γｓｄに正規化される。バッファガス圧力は、ＦＭまたはＰＭ  ＣＰＴを著しく悪化させるのに十分な高さであると仮定される。完全に極性を与えられていない原子の吸収横断面図σ０を単位にしてプロットされる時間平均横断面図σｂａｒにおける小さな減少として、強度変調光を伴うＣＰＴ共振がかろうじて見えることが示される。図２Ａ−Ｃのモデリング演算のために、平均光ポンピング率Γｏｐが使用されたが、それはガスにおけるスピンのＳ−減衰率Γｓｄの３倍、すなわち、Γｏｐ＝３Γｓｄであった。アルカリ金属原子の障壁（ｗａｌｌｓ）への拡散に起因する小さい付加的なスピン損失がΓｄ＝０．０１Γｓｄの割合で発生すると仮定された。ＲＣＰ光の瞬間的なポンピング率は、ｐ＝２でＲ＝Γｏｐ（２ｐｐ！）２［２（２ｐ）！］−１ｃｏｓ２ｐπν０ｔの時間依存を有すると仮定された。類似の時間依存を伴う任意の強度変調形式は、比較されうる結果を生じさせる。
【００１２】
非常に高いバッファガス圧力で一定の回転偏光のパルス光を伴うＣＰＴ信号は、低圧で周波数変調光を伴うＣＰＴ信号とほぼ同じ振幅を有する。両方の場合において、図２Ｂに示されるように、小さな信号振幅は端部状態への大部分の原子の集積に起因する。光励起に起因する０−０ＣＰＴ信号の抑制は、Ｊ．バニエ、Ｍ．Ｗ．リバイン、Ｄ．ヤンセン、およびＭ．デレーニー，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ａ６７，０６５８０１（２００３）において議論されている。
【００１３】
アルカリ金属蒸気における０−０コヒーレントポピュラリティトラッピング（ＣＰＴ）共振の強度を増加するための方法およびシステムを提供することが望ましい。
【発明の開示】
【００１４】
政府援助による研究の声明
本研究は、空軍局科学研究Ｆ４９６２０−０１−１−０２９７によって支援された。したがって、政府は本発明において特定の権利を有する。
【００１５】
出願書類の相互参照
本出願は、２００４年２月１８日に出願された暫定的な米国仮出願第６０／５４５３５９号に関し、優先権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。
【００１６】
発明の概要
本発明は、原子の配置において（ａｔ  ｔｈｅ  ｌｏｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｔｏｍｓ）外部印加磁場の方向に沿って向いていることと逆らって向いていることとを超微細共振周波数で交互に繰り返すまたは交互に繰り返す要素を有する光子スピンにより特徴付けられるＤ１光で励起することによって、０−０コヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）共振の強度を増加させる方法および装置を提供する。本方法は、プッシュプルポンピングと称される。一実施形態は、０−０超微細共振周波数で、右円偏光（ＲＣＰ）と左円偏光（ＬＣＰ）の状態、より一般的には、右楕円偏光（ＲＥＰ）と左楕円偏光（ＬＥＰ）の状態を交互に繰り返すＤ１光を伴うポンピングを含む。別の実施形態は、原子の超微細周波数によってビームの光周波数が各々異なる一定の互いに直交する直線偏光の２以上のビームを結合することによって生成される光を伴うポンピングを含む。さらに別の実施形態において、交互偏光（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の光は、一定の回転偏光の２つの逆伝搬ビームによって生成される。原子の配置で２つのビームによって生成される局所的な光子スピンベクトルが超微細周波数でその方向が交替するように、両方のビームは原子の超微細周波数で振幅または周波数変調される。本発明のシステムの一実施形態において、アルカリ金属蒸気は、（適当な共振周波数で）強度変調された交互回転偏光のＤ１レーザ光で励起され、その結果、コヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）共振を提供し、それは、アルカリ金属蒸気の平均透過率（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ）における増加として観察されることができる。あるいは、変調周期の半分Ｔ＝１／（２ν０）だけＲＣＰ光に対して強度変調ＬＣＰ光がシフトされる（または遅らされる）ように、交互偏光のポンピング光は、ＲＣＰ光およびＬＣＰ光の散在されるビームによって生成されることができる。
【００１７】
図面の簡単な説明
本発明は、以下の図面を参照することによりさらに十分に説明される。
【００１８】
図１Ａは、８７Ｒｂのようなアルカリ金属原子の基底状態および最初の２つの光励起された状態の概略図である。
【００１９】
図１Ｂは、基底状態副準位および一定の回転偏光の変調光での光ポンピングによって生成される副準位個体数の概略図である。
【００２０】
図２Ａは、右円偏光された（ＲＣＰ）Ｄ１ポンピング光の光変調パターンの概略図である。
【００２１】
図２Ｂは、図２Ａの光変調パターンに対する基底状態副準位間の原子個体数分布の概略図である。
【００２２】
図２Ｃは、図２Ａの光変調パターンに対する完全に極性を与えられていない原子の吸収横断面図σ０を単位にしてプロットされる時間平均吸収横断面図σｂａｒにおいて演算されたＣＰＴ共振の概略図である。
【００２３】
図３は、本発明の内容に基づいて原子時計または磁力計を動かす方法のフローチャートである。
【００２４】
図４Ａは、交互偏光のＤ１ポンピング光の要素である強度変調された右回転偏光（ＲＣＰ）および左回転偏光（ＬＣＰ）の光変調パターンの概略図である。
【００２５】
図４Ｂは、個体数分布の概略図である。
【００２６】
図４Ｃは、交互偏光での２波ポンピングを使用することによって低バッファガス圧力でのＣＰＴ共振の増大の演算である。
【００２７】
図５は、低バッファガス圧力での交互偏光の光での２波プッシュプルポンピングを受けている核スピンＩ＝１／２を伴う仮想原子のエネルギー準位図である。
【００２８】
図６Ａは、交互偏光のＤ１ポンピング光の要素である強度変調された右回転偏光（ＲＣＰ）および左回転偏光（ＬＣＰ）の（ｐ＝２でＲ＝Γｏｐ（２ｐｐ！）２［２（２ｐ）！］−１ｃｏｓ２ｐπν０ｔによって与えられる）光変調パターンの概略図である。
【００２９】
図６Ｂは、図６Ａの光変調パターンに対する高ガス圧力での基底状態副準位間の原子個体数分布の概略図である。
【００３０】
図６Ｃは、図５Ａの光変調パターンに対する完全に極性を与えられていない原子の吸収横断面図σ０を単位にしてプロットされる時間平均吸収横断面図σｂａｒにおいて演算された高ガス圧力でのＣＰＴ共振の概略図である。
【００３１】
図７Ａは、変調周期よりもずっと短い光パルスを有する交互偏光のＤ１ポンピング光の要素である強度変調された右円偏光（ＲＣＰ）および左円偏光（ＬＣＰ）の光変調パターンの概略図である。
【００３２】
図７Ｂは、図７Ａの光変調パターンに対する高ガス圧力での基底状態副準位間の原子個体数分布の概略図である。
【００３３】
図７Ｃは、図７Ａの光変調パターンに対する完全に極性を与えられていない原子の吸収横断面図σ０を単位にしてプロットされる時間平均吸収横断面図σｂａｒにおいて演算された高ガス圧力での促進されたＣＰＴ共振の概略図である。
【００３４】
図８は、原子時計または磁力計を動かすためのシステムの一つの可能な実施形態の概略図である。
【００３５】
図９は、図８のシステムで生成される交互偏光の光によって励起される０−０ＣＰＴ共振の測定された信号増大のプロットである。
【００３６】
詳細な説明
添付の図面において一例が説明される本発明の好ましい実施形態について、これからより詳細に言及される。可能な限り、同じ参照番号が図面および説明の全体にわたって使用されて同じまたは類似の部分を参照する。
【００３７】
図３は、本発明の内容に基づいて原子時計または磁力計１０を動かす方法のフローチャートである。ブロック１１において、電子−核超微細相互作用によって基底状態が分割された原子が気相または原子ビーム（ａｔｏｍｉｃ  ｂｅａｍ）状態で生成される。原子蒸気は、窒素もしくは任意の希ガスまたはそれらの混合体といった１種または複数種のバッファガスと混合されることができる。原子の配置での量子化方向を定義するために弱い外部磁場が必要とされる。アルカリ金属原子の基底状態の副準位にラベルを付けるために量子数Ｆおよびｍが使用される。ここで、Ｆは、原子の電子と核を合わせた全スピンの量子数であり、ｍは、磁場の方向に沿った全スピンの見積もりである方位量子数である。Ｆの可能な値は、Ｆ＝Ｉ＋１／２＝ａまたはＦ＝Ｉ−１／２＝ｂであり、ｍの可能な値は、ｍ＝Ｆ，Ｆ−１，Ｆ−２，…−Ｆである。
【００３８】
ブロック１２において、アルカリ金属蒸気におけるコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）０−０共振を発生させるために、基底状態のアルカリ金属原子は交互偏光の光で光励起される。交互偏光の光は、原子の配置において原子の超微細周波数でその方向が交替するスピンを有する光子を提供する。原子の配置において、その電場ベクトルまたはいくつかの構成成分が磁場方向に対して垂直な平面における時計回り回転と反時計回り回転を原子の超微細周波数で交互に繰り返す光場として、本発明の範囲内で交互偏光の光は定義される。一実施形態において、原子と相互作用する光の偏光は、磁気右円偏光（ｍＲＣＰ）から磁気左円偏光（ｍＬＣＰ）に交替する。ｍＲＣＰ光は、吸収された光子が原子の方位角運動量を（ディラック定数（エイチバー）を単位にして）１だけ増やすことができるように、平均光子スピンを磁場の方向に沿って向かわせる光として定義される。ｍＬＣＰは、吸収された光子が原子の方位角運動量を（ディラック定数を単位にして）１だけ減らすことができるように、平均光子スピンを磁場の方向に逆行性に向かわせる光として定義される。磁場方向に逆行性に伝播している光ビームのために、ｍＲＣＰおよびｍＬＣＰの定義は、一般的に使用されるＲＣＰおよびＬＣＰの定義とそれぞれ等しい。しかしながら、磁場方向に沿って伝播している光ビームのために、ｍＲＣＰはＬＣＰと等しく、ｍＬＣＰはＲＣＰと等しい。一実施形態において、０−０共振の周波数と等しい繰返し周波数で右偏光（ＲＣＰ）光を強度または周波数変調することによって、そして、それをＲＣＰ光に対して繰返し周期の半整数倍（ｈａｌｆ−ｉｎｔｅｇｅｒ  ｍｕｌｔｉｐｌｅ）だけシフトまたは遅れさせた同様に変調された左円偏光（ＬＣＰ）光と合成することによって、ブロック１２は実行される。あるいは、交互偏光の光は、ビームの光周波数が原子の超微細周波数だけ互いに異なる相互に垂直な直線偏光の２つのビームを合成することによって生成される。あるいは、交互偏光の光は、光伝搬に対して垂直な平面における時計回り回転と反時計回り回転を原子の超微細周波数で交互に繰り返す電場ベクトルを原子の配置で生成する２つの逆伝搬ビームによって生成される。あるいは、交互偏光の光は、各スペクトル線が直線偏光されていて近接線の偏光が相互に直交する原子の超微細周波数だけ周波数の間隔が等しくあけられるスペクトル線の系によって生成される。あるいは、交互偏光の光は、原子の超微細周期の半整数倍だけ右円偏光に対してシフトまたは遅らされた左円偏光の正弦波強度包絡線（ｅｎｖｅｌｏｐｅ）と合成された右円偏光の正弦波強度包絡線を生成することによって生成される。
【００３９】
ブロック１４において、アルカリ金属蒸気を通り抜ける光の透過率の検出が測定される。たとえば、受光素子が使用されることができて、アルカリ金属蒸気およびバッファガスを含んでいるガラスセルを通り抜ける光の透過率を測定する。あるいは、アルカリ金属蒸気の蛍光が測定される。あるいは、原子ビームにおけるアルカリ金属原子の原子状態が、標準方法を使用して分析される。方法１０は、ガス電池原子時計、原子ビーム時計、原子泉時計、および磁力計の性能を向上させるために使用されることができる。
【００４０】
図４Ａ−Ｃは、低ガス圧力で交互偏光の強度変調光で励起された８７Ｒｂに対する個体数の分布および０−０ＣＰＴ共振の詳細なモデリング演算を例示する。ここで、低ガス圧力は、基底状態の超微細分割よりずっと小さい光学的プレッシャーブロードニング（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）によって定義される。強度変調ＲＣＰ光およびＬＣＰ光の光変調パターンは、図４Ａに示される。低圧管理体制（ｒｅｇｉｍｅ）において、アルカリ金属原子は、２つのコヒーレント光周波数と相互に作用することのみできる。それゆえに、０−０ＣＰＴ共振を強化するために、正弦関数的な交互回転偏光を有するポンピング光を使用することは十分なことである。それは、２波プッシュプルポンピングと称されることができる。光ポンピング率が全ての緩和率を占める高光出力の範囲において、低圧管理体制における２波プッシュプルポンピングが、１００％の原子をｍ＝０状態、０−０共振の初期および最終状態に集中させることができることを演算は示す。
【００４１】
図５は、核スピンＩ＝１／２を有する仮想原子のエネルギー準位図を使用することによって２波プッシュプルポンピングを説明する。２波プッシュプルポンピングは、２つのΛ（ラムダ）−ポンピングスキームと等しい。２つのΛ遷移は反対の回転偏光を有するけれども、それらの間には超微細周期の半分に等しい時間遅れが存在する。信号のコントラストを最適化するために、超微細周波数によって分離された２つの基底状態の多重線を励起状態に結合する等しい強度の２つのポンピング波が使用されるべきである。仮に２波の強度が異なれば、原子はｍ＝０の状態に依然として供給されることができるけれども、２つのｍ＝０の状態の相対的な個体数は異なる。この場合、ポンピング光は、右楕円偏光と左楕円偏光の状態を交互に繰り返す。
【００４２】
図６Ａ−Ｃは、高ガス圧力で交互回転偏光の強度変調光で励起される８７Ｒｂに対する個体数の分布および０−０ＣＰＴ共振の詳細なモデリング演算を例示する。ここで、高ガス圧力は、基底状態の超微細分割よりずっと大きい光学的プレッシャーブロードニングによって定義される。強度変調ＲＣＰ光およびＬＣＰ光の光変調パターンは、図６Ａに示される。時間平均された光出力が図２Ａ−Ｃと同じであるように設定される。光子の時間平均されたスピンはゼロであるので、どちらの端部状態へも原子を送り出す傾向はなく、それどころか、図６Ｂに示されるように、０−０遷移の初期および最終状態に原子が蓄積する傾向がある。一定の回転偏光および図２Ｃに示されるものと同じ平均強度の光でのポンピングと比較して、ＣＰＴ信号は図６Ｃで約４０倍に強められる。光の変調周波数が共振から外れる場合、（図２Ａ−Ｃに示される）一定の回転偏光を伴う０−０ＣＰＴと比較して、（交互回転偏光を伴う）本発明の方法１０では光の透過率が小さい。光ポンピングがない場合、時間平均された光子吸収横断面図σｂａｒは、極性が与えられていない原子の横断面図σ０に等しい。共振での時間平均横断面図の減少は、図２Ａ−Ｃに示される一定の回転偏光を伴うＣＰＴに対するよりも図６Ａ−Ｃに示される交互回転偏光を伴うＣＰＴに対して約１０から約１００倍大きい。
【００４３】
代わりの実施形態において、ブロック１２は、変調周期Ｔ＝１／ν０の半分よりも小さいパルス幅を有するＲＣＰ光およびＬＣＰ光の光パルスで励起することによって実行される。短パルスポンピングの効果を得るために、短パルスの周期的な列（ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ｔｒａｉｎ）の光周波数側波帯の大部分を原子が吸収することができるように、バッファガスによる光学線の広がり（ｏｐｔｉｃａｌ  ｌｉｎｅ  ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）は十分大きくなければならないことが分かっている。
【００４４】
本実施形態において、アルカリ金属蒸気のセルは、０−０超微細周波数ν０よりもずっと大きい光吸収線幅を生じさせるのに十分な非常に高いガス圧力を有する。
【００４５】
図７Ａ−Ｃは、変調周期の半分よりもずっと短いけれども、図６Ａおよび２Ａに示されるものと同じ平均光強度を有する光パルスでのポンピングを示す。光学線は、変調光の側波帯の全てを原子が吸収することができるように、十分に圧力により広げられている（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｂｒｏａｄｅｎｅｄ）と仮定される。また、０−０遷移の初期および最終状態におけるより高い個体数の集中は、スピン交換線幅の広がりの適度な抑制を引き起こし、それによって、図７Ｂおよび７Ｃに示されるように、高いアルカリ金属蒸気の密度でのいくらか狭いＣＰＴ共鳴信号を提供する。図７Ｃに示されるＣＰＴ信号は、一定の回転偏光および図２Ｃに示されるものと同じ平均強度の光でのポンピングと比較して、約１２０倍に強められる。理論上は、γｏｐ／π＞＞ν０のように、光吸収の非常に広い線幅γｏｐを引き起こすのにバッファガス圧力が十分高い場合、我々は、Ｔ０が超微細周期１／ν０である
【００４６】
【数２】
2007527994.tif 000004
【００４７】
に最適化された光パルスの一時的な幅を計算することができる。γｏｐ／π〜ν０の超微細分割周波数に相当する光学線の拡大を引き起こすバッファガス圧力で、原子時計または磁力計の性能を最適化する変調波形の形状を計算することが可能である。
【００４８】
図４Ａ−Ｃのモデリング演算は、図２Ａ−Ｃにおいて使用されるΓｏｐ＝３ΓｓｄおよびΓｄ＝０．０１Γｓｄと同じポンピングおよび緩和条件を伴う低圧力管理体制のＣＰＴ信号を示す。ＲＣＰ光の瞬間的なポンピング率は、ｐ＝１でＲ＝Γｏｐ（２ｐｐ！）２［２（２ｐ）！］−１ｃｏｓ２ｐπν０ｔの時間依存を有すると仮定された。ＬＣＰ光の瞬間的なポンピング速度Ｌは、遅れることなく変調周期Ｔの半分だけシフトされたことを除いては、ＲＣＰ光のそれと同一、すなわち、Ｌ（ｔ）＝Ｒ（ｔ−Ｔ／２）であった。
【００４９】
図６Ａ−Ｃおよび７Ａ−Ｃのモデリング演算は、図２Ａ−Ｃにおいて使用されるΓｏｐ＝３ΓｓｄおよびΓｄ＝０．０１Γｓｄと同じポンピングおよび緩和条件を伴う高圧力管理体制のＣＰＴ信号を示す。ＲＣＰ光の瞬間的なポンピング率は、図６Ａ−Ｃに対してはｐ＝２であり図７Ａ−Ｃに対してはｐ＝１７であるＲ＝Γｏｐ（２ｐｐ！）２［２（２ｐ）！］−１ｃｏｓ２ｐπν０ｔの時間依存を有すると仮定された。ＬＣＰ光の瞬間的なポンピング率Ｌは、遅れることなく変調周期Ｔの半分だけシフトされたことを除いては、ＲＣＰ光のそれと同一、すなわち、Ｌ（ｔ）＝Ｒ（ｔ−Ｔ／２）であった。
【００５０】
一の特定の実施形態において、交互回転偏光の光は、右円偏光（ＲＣＰ）光と左回転偏光（ＬＣＰ）光の合流ビーム（ｍｅｒｇｅｄ  ｂｅａｍｓ）によって提供される。ＬＣＰ光の強度ピークがＲＣＰ光のそれに変調周期の半分１／２ν０の差で続くように、各ビームは０−０超微細周波数ν０で強度変調される。あるいは、ＬＣＰ光の周波数の最大値（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍａｘｉｍａ）がＲＣＰ光のそれに変調周期の半分１／２ν０の差で続くように、各ビームは０−０超微細周波数の半分ν０／２で周波数変調される。１または複数の搬送周波数は調整されて、光のコヒーレント側波帯が、０−０共振の上側および下側の副準位の両方から励起状態の同じ１または複数のゼーマン多重線を発生させることができることを保証する。本実施形態は、光吸収線の０−０分割がよく分解されて残る十分低いガス圧力を伴う原子ビーム、原子泉、またはガス電池に対して有用である。
【００５１】
図８は、本発明の内容に基づいて原子時計２０を動かすためのシステムの概略図である。システム２０は、光変調ユニット２２およびＣＰＴ信号検出ユニット２４を備える。光変調ユニット２２において、８７ＲｂのＤ１線に調整されたダイオードレーザシステム２５によってほぼ単色光２３が生成されて、偏波保持（ＰＭ）光ファイバ２６に放たれる。ＰＭファイバ２６は、強度変調器２７の入力に結合する。たとえば、強度変調器２７は、市販用のマッハツェンダ変調器であることができる。強度変調器２７において、光２３は、デジタルマイクロ波シンセサイザ２８からのマイクロ波信号によって振幅変調される。
【００５２】
強度変調器２７からの出力は、ＰＭ光ファイバ２９に連結し、出力カプラ３０によって平行にされて平行ビームになる。
【００５３】
交互回転偏光を得るために、光線３１は分割されて２つの異なる経路に沿って送り出される。各経路の光は、適当な光学素子を用いることによって、ＲＣＰまたはＬＣＰのどちらかに独立して偏光される。一実施形態において、１つの経路のサブビームは、直線偏光を垂直から水平に変えるλ／４位相遅延板３２を２回通過する。ミラー３３の可調変位は、２つのサブビームのうちの１つに超微細周期の半分の遅れを導入する。たとえば、８７Ｒｂに対して、０−０共振周波数はν００＝６．８４ＧＨｚかつマイクロ波の波長はλ００＝４．３９ｃｍであり、したがって、λ／４＝１．１ｃｍのミラー３３の変位は、一のビームの強度ピークを他のピークに対して超微細周期の半分だけシフトさせる。現在、直線偏光の直交状態にある出力ビームは合成されて、励起光線が右回転偏光と左回転偏光の状態を交互に繰り返すことを保証するために導入される第２λ／４板３４を通過される。一般的に、一の光路は他よりも（ｎ＋１／２）Λだけ長くなることができ、ここでΛ＝ｃ／ν０はマイクロ波の波長であって、ｎ＝０，±１，…は整数である。時計周期の半分の遅れは、直線偏光器およびミラーを用いることによって経路間で導入されることができる。交互回転偏光３９の単一ビームとして現れるように、ビームは再結合される。
【００５４】
交互回転偏光の変調されたビーム３９は、８７Ｒｂ蒸気およびバッファガスを含んでいるＣＰＴ信号検出ユニット２４のセル４０に送られる。セル４０は、活性媒体を含む。たとえば、セル４０は、セシウム（Ｃｓ）またはルビジウム（Ｒｂ）蒸気と１または複数のバッファガスを含むことができる。セル４０は、オーブン４２によって加熱される。セル４０内部の磁場は、一つ以上のコイル対４４によって制御されることができる。たとえば、３つのコイル対４４の組が、磁場を制御するために使用されることができる。セル４０を通る光の透過率は、光検出器４６によって測定される。アルカリ蒸気の共振周波数を通って変調周波数がゆっくりと捜索される（ｓｗｅｐｔ）とき、ＣＰＴ信号は観察される。
【００５５】
図９は、図８の装置で生成される交互回転偏光の光によって励起された０−０ＣＰＴ共振５０の測定と、同様に、従来の一定の回転偏光を有する同じ平均強度の強度変調光によって励起された０−０ＣＰＴ共振５２の測定を示す。
【００５６】
（超微細周波数の半分である周波数νｍｏｄ＝ν０／２での）変調出力の強度、マッハツェンダ変調器２７の２つのアームの静電電圧バイアス、およびレーザ搬送周波数は、ＣＰＴ信号を最大にするために調整された。セル４０は、１大気圧の室温圧力で、同位体濃縮された８７Ｒｂおよび窒素バッファガスを含んでいた。変調周波数νｍｏｄは、共振の５ｋＨｚ下方から５ｋＨｚ上方まで捜索された。蒸気の平均透明度は共振で増加し、その増加は、一定の回転偏光５２の光に対するよりも交互回転偏光５０の光に対する方が４２．５倍大きかった。
【００５７】
２ｃｍの光路を伴うセルから７５℃で得られる信号は、変調周波数が共振から十分に外れるときの透過率である“ベースライン”を引いたセルの時間平均透過率である。信号は蒸気の透過率に比例するので、それは、図２Ａ−Ｃ、４Ａ−Ｃ、６Ａ−Ｃ、および７Ａ−Ｃにプロットされる時間平均吸収横断面図と反対の符号を有する。共振“コントラスト”は、ベースラインに対する信号の比率として定義される。実験的に観察された０−０共振振幅は、図８のシステム２０で生成される交互回転偏光の光で原子が励起された場合、一定の回転偏光の強度変調光で励起された場合よりも４２．５倍大きい。共振は、ほとんど同じ平均出力の光によって生成された。
【００５８】
上記の実施形態は、本発明の原理の用途を示すことができる多くの可能な具体的な実施形態のほんのわずかを例証するものであることは理解されることである。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、これらの原理にしたがって、当業者によって多数のかつ多様な他の処理が容易に考案されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】８７Ｒｂのようなアルカリ金属原子の基底状態および最初の２つの光励起された状態の概略図である。
【図１Ｂ】基底状態副準位および一定の回転偏光の変調光での光ポンピングによって生成される副準位個体数の概略図である。
【図２Ａ】右円偏光された（ＲＣＰ）Ｄ１ポンピング光の光変調パターンの概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａの光変調パターンに対する基底状態副準位間の原子個体数分布の概略図である。
【図２Ｃ】図２Ａの光変調パターンに対する完全に極性を与えられていない原子の吸収横断面図σ０を単位にしてプロットされる時間平均吸収横断面図σｂａｒにおいて演算されたＣＰＴ共振の概略図である。
【図３】本発明の内容に基づいて原子時計または磁力計を動かす方法のフローチャートである。
【図４Ａ】交互偏光のＤ１ポンピング光の要素である強度変調された右回転偏光（ＲＣＰ）および左回転偏光（ＬＣＰ）の光変調パターンの概略図である。
【図４Ｂ】個体数分布の概略図である。
【図４Ｃ】交互偏光での２波ポンピングを使用することによって低バッファガス圧力でのＣＰＴ共振の増大の演算である。
【図５】低バッファガス圧力での交互偏光の光での２波プッシュプルポンピングを受けている核スピンＩ＝１／２を伴う仮想原子のエネルギー準位図である。
【図６Ａ】交互偏光のＤ１ポンピング光の要素である強度変調された右回転偏光（ＲＣＰ）および左回転偏光（ＬＣＰ）の（ｐ＝２でＲ＝Γｏｐ（２ｐｐ！）２［２（２ｐ）！］−１ｃｏｓ２ｐπν０ｔによって与えられる）光変調パターンの概略図である。
【図６Ｂ】図６Ａの光変調パターンに対する高ガス圧力での基底状態副準位間の原子個体数分布の概略図である。
【図６Ｃ】図５Ａの光変調パターンに対する完全に極性を与えられていない原子の吸収横断面図σ０を単位にしてプロットされる時間平均吸収横断面図σｂａｒにおいて演算された高ガス圧力でのＣＰＴ共振の概略図である。
【図７Ａ】変調周期よりもずっと短い光パルスを有する交互偏光のＤ１ポンピング光の要素である強度変調された右円偏光（ＲＣＰ）および左円偏光（ＬＣＰ）の光変調パターンの概略図である。
【図７Ｂ】図７Ａの光変調パターンに対する高ガス圧力での基底状態副準位間の原子個体数分布の概略図である。
【図７Ｃ】図７Ａの光変調パターンに対する完全に極性を与えられていない原子の吸収横断面図σ０を単位にしてプロットされる時間平均吸収横断面図σｂａｒにおいて演算された高ガス圧力での促進されたＣＰＴ共振の概略図である。
【図８】原子時計または磁力計を動かすためのシステムの一つの可能な実施形態の概略図である。
【図９】図８のシステムで生成される交互偏光の光によって励起される０−０ＣＰＴ共振の測定された信号増大のプロットである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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