(57)【要約】【課題】本発明は、プッシュプル型光学的ポンピングの物理現象に基づく自己変調レーザーシステムに関する原子時計や原子磁力計を作るための方法と装置を提供する。【解決手段】原子蒸気セルは、レーザーキャビティー内に設置されることを必要としており、適切な条件下で、自発的なプッシュプル型光学的ポンピングがレーザーキャビティー内で起こる。これにより、レーザービームは超微細共鳴振動に変調される。高速光検出器を有することで、変調レーザー信号は電気信号に変換され、それにより、原子時計の時刻を刻む信号または磁力計の信号として用いられる。自己変調レーザーシステムは超微細共鳴振動に発信器の振動を同期させるために局部発振器およびマイクロ波回路を使用せず、それゆえ従来のシステムよりコンパクトにでき、少ない電源消費にすることができる。本発明は、時間測定および磁場測定の応用として役立つ。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の光増幅媒介と蒸気セルをレーザーキャビティー内に設置し、
超微細振動（Ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で変調された前記レーザーからの光でポンピングすることによって、前記蒸気セル内の原子の超微細遷移を励起する、自己変調レーザーの操作方法。
【請求項２】
レーザーからの光の光コムは、自動的に生成される請求項１の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項３】
蒸気セル内でのプッシュプル型ポンピングは、自発的に起こる請求項１の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項４】
蒸気セル内でのポンピング光の電界は、超微細振動でその偏光は交互性がある請求項１の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項５】
蒸気セル内でのポンピング光の光子のスピンは、電子スピン振動または原子の歳差運動と同期をとり振動している請求項１の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項６】
光増幅媒介は、電子的にポンピングされる半導体の一種である請求項１の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項７】
電子的にポンピングされる半導体は、発光レーザーダイオードである請求項６の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項８】
光増幅媒介は、光学的にポンピングされる増幅媒介の一種である請求項１の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項９】
光学的にポンピングされる増幅媒介は、色素または結晶である請求項１の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項１０】
ａ）レーザーキャビティー内に増幅媒介と蒸気セルからなる自己変調レーザーを設置するステップと、
ｂ）超微細振動で変調された前記レーザーからの光でポンピングすることによって、前記蒸気セル内の原子の超微細遷移を励起するステップと、を有する原子時計作動方法。
【請求項１１】
ステップｂ）で出力される変調光を電気信号に変換するステップと、
前記原子時計のために時刻を刻む信号として前記電気信号を提供するステップと、をさらに有する請求項１０の原子時計作動方法。
【請求項１２】
ａ）レーザーキャビティー内に増幅媒介と蒸気セルからなる自己変調レーザーを設置するステップと、
ｂ）超微細振動で変調された前記レーザーからの光でポンピングすることによって、前記蒸気セル内の原子の超微細遷移を励起するステップと、を有する磁力計作動方法。
【請求項１３】
ステップｂ）からの前記出力される変調光を磁界測定のために使用するステップをさらに有する請求項１２の磁力計作動方法。
【請求項１４】
蒸気セルは、アルカリ金属蒸気セルである請求項１の自己変調レーザーの操作方法。
【請求項１５】
１つ以上の光増幅媒介と蒸気セルをレーザーキャビティー内に設置し、前記蒸気セルが超微細振動で前記レーザーを変調する自己変調レーザー。
【請求項１６】
レーザーからの光の光コムは、自動的に生成される請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項１７】
蒸気セル内でのプッシュプル型ポンピングは、自発的に起こる請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項１８】
蒸気セル内でのポンピング光の電界は、超微細振動でその偏光は交互性がある請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項１９】
蒸気セル内でのポンピング光の光子のスピンは、電子スピン振動または原子の歳差運動と同期をとり振動している請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項２０】
光増幅媒介は、電子的にポンピングされる半導体の一種である請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項２１】
電子的にポンピングされる半導体は、発光レーザーダイオードである請求項２０の自己変調レーザー。
【請求項２２】
光増幅媒介は、光学的にポンピングされる増幅媒介の一種である請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項２３】
光学的にポンピングされる増幅媒介は、色素または結晶である請求項２２の自己変調レーザー。
【請求項２４】
前記光増幅媒介と前記蒸気セルの片側との間に設置された第１の１／４波長板と、前記蒸気セルの反対側に設置された第２の１／４波長板と、をさらに有し、前記蒸気セルは、レーザービームが光の偏光の交互性が最大になるような場所に設置される請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項２５】
前記第２の１／４波長板からのビームを再結合するためのブラッグミラーおよびアウトプットカプラーをさらに有する請求項２４の自己変調レーザー。
【請求項２６】
前記蒸気セルは、環状キャビティーを有する請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項２７】
前記環状キャビティー内に狭バンド光学フィルターをさらに有する請求項２６の自己変調レーザー。
【請求項２８】
前記１つ以上の光増幅媒介と前記蒸気セルは、ブラッグミラーおよびアウトプットカプラーと共にコンパクト化される請求項１５の自己変調レーザー。
【請求項２９】
光増幅媒介と蒸気セルをレーザーキャビティー内に設置し、前記蒸気セルが超微細振動で前記レーザーを変調する原子時計。
【請求項３０】
レーザーからの光の光コムは、自動的に生成される請求項２９の原子時計。
【請求項３１】
蒸気セル内でのプッシュプル型ポンピングは、自発的に起こる請求項２９の原子時計。
【請求項３２】
蒸気セル内でのポンピング光の電界は、超微細振動でその偏光は交互性がある請求項２
９の原子時計。
【請求項３３】
蒸気セル内でのポンピング光の光子のスピンは、電子スピン振動または原子の歳差運動と同期をとり振動している請求項２９の原子時計。
【請求項３４】
光増幅媒介は、電子的にポンピングされる半導体の一種である請求項２９の原子時計。
【請求項３５】
電子的にポンピングされる半導体は、発光レーザーダイオードである請求項３４の原子時計。
【請求項３６】
光増幅媒介は、光学的にポンピングされる増幅媒介の一種である請求項２９の原子時計。
【請求項３７】
光学的にポンピングされる増幅媒介は、色素または結晶である請求項３６の原子時計。
【請求項３８】
出力される変調光を電気信号に変換するための手段と、前記原子時計のために時間を刻む信号として電気信号を提供するための手段と、をさらに有することを特徴としている請求項２９の原子時計。
【請求項３９】
光増幅媒介と蒸気セルをレーザーキャビティー内に設置し、前記蒸気セルが超微細振動で前記レーザーを変調すること特徴とする磁力計。
【請求項４０】
レーザーからの光の光コムは、自動的に生成される請求項３９の磁力計。
【請求項４１】
蒸気セル内でのプッシュプル型ポンピングは、自発的に起こる請求項３９の磁力計。
【請求項４２】
蒸気セル内でのポンピング光の電界は、超微細振動でその偏光は交互性がある請求項３９の磁力計。
【請求項４３】
蒸気セル内でのポンピング光の光子のスピンは、電子スピン振動または原子の歳差運動と同期をとり振動している請求項３９の磁力計。
【請求項４４】
光増幅媒介は、電子的にポンピングされる半導体の一種である請求項３９の磁力計。
【請求項４５】
電子的にポンピングされる半導体は、発光レーザーダイオードである請求項４４の磁力計。
【請求項４６】
光増幅媒介は、光学的にポンピングされる増幅媒介の一種である請求項３９の磁力計。
【請求項４７】
光学的にポンピングされる増幅媒介は、色素または結晶である請求項４６の磁力計。
【請求項４８】
前記出力される変調光を磁界測定のために使用する手段をさらに有する請求項４４の磁力計。
【請求項４９】
ａ）レーザーキャビティー内に増幅媒介と蒸気セルからなる自己変調レーザーを設置するステップと、
ｂ）超微細振動で変調された前記レーザーからの光でポンピングすることによって、前記蒸気セル内の原子の超微細遷移を励起するステップと、を有する光源を安定化させる超微細振動の生成方法。
【請求項５０】
光コムの1つのピークの光学的振動を安定させるために、ステップｂ）から出力される
変調光を使用するステップをさらに含む請求項４９の超微細振動の生成方法。
【請求項５１】
コムピークの光学的振動数ｆｎは、
ｎを整数、νｈを超微細振動数としたとき、ｆｎ＝ｎνｈになるように、レーザーキャビティーをコントロールするフィードバックのステップにより安定化されている請求項５０の超微細振動の生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的なポンピングによる原子時計、光学的なポンピングによる原子磁力計、パルスレーザーシステムの分野に関し、より詳しくは、プッシュプル型光学的ポンピングテクニックと称される交互性のある偏光した光を用いて、０−０間の原子時計振動でアルカリ金属蒸気による自己変調するレーザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセル原子時計および磁力計は、光学的にポンピングされるアルカリ金属蒸気を使用している。原子時計は、極めて正確な振動測定を必要とするさまざまなシステムに適用されている。原子磁力計は、超高感度を有する磁界検出に利用されている。例えば、原子時計は、高速デジタル通信システム、科学実験および軍事アプリケーションに加えて、ＧＰＳ（グローバル位置決定システム）衛星および他のナビゲーションシステムに使用されている。磁力計は、医療システム、科学実験、産業および軍事アプリケーションに使用されている。
【０００３】
原子時計または磁力計に使用される蒸気セルは、カリウム、ルビジウムまたはセシウムのようなアルカリ金属の少量の液滴を含んでいる。窒素、他の希ガス類またはそれらの混合ガスのようなバッファ気体は、光をポンピングするスペクトルプロフィールに適合し、放射トラッピングを抑制し、そしてセルの壁に拡散しているアルカリ金属原子を減らすために、セル内に満たされることが必要となる。ガスセルは、充分なアルカリ金属蒸気を作るために室温以上にいたるまで加熱される。アルカリ金属の基底状態の超微細サブ準位の共鳴は、特に原子時計および原子磁力計に役に立っている。超微細共鳴は、ＲＦ（無線周波）フィールド、マイクロ波フィールド、または変調光（ＣＰＴ：コヒ―レントポピュレーショントラッピング方法）により励起される。共鳴は、レーザービームによって調査される。図１に示すように、低フィールド型の磁界の非感受性に関し、超微細０−０間の共鳴ν００は原子時計にとって非常に興味深く、超微細エンド共鳴νｅｎｄは、原子時計および磁力計どちらでも使うことができ、ゼーマンエンド共鳴νＺは、磁界のその高感度性のために、磁力計によく使用されている。３つの図示した共鳴の他に、異なる超微細サブ準位による他の共鳴は、原子時計および磁力計のためにも使うことができる。振動が共鳴振動で走査されるときに、共鳴信号は透過傾斜または透過ピークとしてプロービングビームに反映される。従来、原子時計または磁力計は、原子共鳴の応答が最大値のときの振動を測定する。局部発振器は、振動信号を作り、共鳴を励起することを必要としている。受動型原子時計では、局部発振器の振動は、図２に示すようにピーク共鳴に同期している。したがって、正確な時刻を刻む信号は、局部発振器のアウトプットにより提供される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
原子時計および磁力計の発展は、低消費電力およびコンパクトサイズ化の方向に進んでいる。原子時計のサイズおよび複雑さを減らすために、原子時計に関し、マイクロ波キャビティーを取り除くためにＣＰＴの方法が導入されている。固定円偏光およびＦＭ変調を伴う従来のＣＰＴの方法は、母集団の希薄化および高バッファ気体圧力の効果を受ける。したがって、それは非常に小さい共鳴信号を有する。従来の受動型原子時計の消費電力に関し、局部発振器およびマイクロ波回路は、受動型原子時計のフィードバックループやマイクロ波回路の複雑さによって主要な消費原因でありえる。携帯原子時計素子に関して、相対的に高い消費電力がバッテリーの寿命を短くし、それにより、小型の原子時計の有用性をなくしている。
【０００５】
原子時計または磁力計の複雑さおよび消費電力を減らすことによって、改良された手段とシステムを提供することは望ましいことである。
【０００６】
従来のＣＰＴの課題は、プッシュプル型ポンピングテクニックにより解決されている。プッシュプル型ポンピングは重要なファクターによりＣＰＴ信号を増幅することができ、それにより、効果的にＣＰＴ原子時計の性能は向上している。本発明は、局部発振器がなく、局部発振器の振動を安定させるための電気的フィードバックループもない原子時計と磁力計を作動させる手段と装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
１つ以上の光増幅媒介と蒸気セルをレーザーキャビティー内に設置し、超微細振動（Ｈｙｐｅｒｆｉｎｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）で変調された前記レーザーからの光でポンピングすることによって、前記蒸気セル内の原子の超微細遷移を励起する。
【０００８】
原子時計信号は、直接自己変調レーザー光から得る。その手段と装置は、超微細共鳴振動でレーザー光を変調するためにレーザーキャビティー内に設置されたアルカリ金属蒸気セルを用いるプッシュプル型光学的ポンピングテクニックの物理現象に基づいている。レーザーキャビティー内では、レーザーダイオードやその他の種類のような光増幅媒介により異なる光学的振動で光子フラックスを増幅できる。キャビティー構成により、光の偏光および光学的バンド幅を制御するために光学部品が必要となることもある。高速光検出器は、いくつかの光学部品用いて変調光を電気形式として時刻を刻む信号に変換できる。
【０００９】
レーザーは、光子の正帰還増幅器である。レーザーキャビティー内のアルカリ蒸気セルは、光学フィルターや特別なレーザーモードを作るためのコンバーターと同様に作動し、光を変調させる。通常、レーザーは光学モ−ドにおいて、レーザー光線を出す傾向があり、キャビティー内を往復することにより光子を最大限増幅し、最小限の損失で済ます。蒸気セルなしでは、レーザー光の出すスペクトルは、増幅プロファイル及びレーザーキャビティーの特性により決定される。キャビティー内に蒸気セルを有することで、レーザーのスペクトルでプッシュプル型光学的ポンピングの最大効率が得られる間、安定したレーザーになり、それにより、蒸気セルは非常に良い透明状態となる。この点で、アウトプットレーザー光は、超微細振動で変調される。もし、光変調に関して０−０間の超微細共鳴が選択される場合、アウトプットレーザー光は原子時計信号として役立つ。もし、光変調に関して共鳴に依存した他の磁界が選択される場合、アウトプットレーザー光は磁力計信号として役立つ。
【００１０】
好ましくは、アルカリ金属原子のＤ１光を用いたプッシュプル型光学的ポンピングが使われ、というのも、Ｄ１ポンピング光がアルカリ金属原子の基底状態の超微細コヒーレンスのＣＰＴ励起にとって良い効率を有するからである。プッシュプル型ポンピングは、超微細振動で電子スピン振動を励起する傾向がある。アルカリ金属蒸気の電子スピン振動は、光強度を変調できる。閉回路レーザーキャビティーにおいて、蒸気からの光変調は増幅媒介により増幅され、安定したプッシュプル型ポンピング光を生成する。スピン振動の最初の励起は、レーザーノイズやレーザーの不安定性などによって生じることがある。プッシュプル型ポンピング光の往復による増幅が１回以上なら、自発的にプッシュプル型ポンピングが起こり、それによって自己変調レーザーシステムができる。
【００１１】
本発明は、以下の図面を参照することでより一層明確にされる。
【発明の効果】
【００１２】
アルカリ金属原子の超微細振動による自己変調レーザーを作動するための方法およびシ
ステムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
参考資料は、現在、本発明の好ましい実施例をさらに詳細にし、その例が添付の図面中に図示されている。可能な場合、同じ参照番号は図面と説明を通じ、同等または類似したものとして参照するために用いられている。
【００１４】
図３は、本発明の実施形態による、プッシュプル型ポンピングテクノロジーを使用した原子時計または磁力計１０を作動するための手段を示したフロー図である。ブロック１１において、原子は気相または原子ビーム中で生成され、基底状態は電子−原子核間超微細相互作用によって分裂する。原子蒸気は、窒素または希ガスまたはそれらを混合したような、バッファガスまたは複数のガスを混ぜ合わせることが可能である。弱い外部磁界が、原子の位置での量子方向を定めるために必要である。量子数Ｆおよびｍは、アルカリ金属原子の基底状態のサブ準位として使用される。ここで、Ｆは原子中の電子と原子核の全スピンの量子数であり、ｍは磁界の方向に向いた全スピンを射影した方位量子数である。有効なＦの値は、Ｆ＝Ｉ＋１／２＝ａまたはＦ＝Ｉ−１／２＝ｂであり、有効なｍの値はｍ＝Ｆ、Ｆ−１、Ｆ−２、…−Ｆである。
【００１５】
ブロック１２において、アルカリ金属蒸気内で０−０間の共鳴でコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）現象を起こすために、基底準位にいるアルカリ金属は偏光が交互状態になっている光により光学的にポンピングされる。偏光が交互状態である光から、原子が位置する場所での原子の超微細振動で方向が交互状態にあるスピンを持つ光子が作られる。交互性のある偏光の光をこの発明の範囲内で光学的フィールドと定義し、その電界ベクトルや原子の位置でのそのいくつかの構成要素は、磁界の方向に垂直な平面内において原子の超微細振動では時計回りと反時計回りを交替する。実施例において、原子と相互作用している光の偏光は、磁気右円偏光（ｍＲＣＰ）から、磁気左円偏光（ｍＬＣＰ）まで交互状態にする。ｍＲＣＰの光は、吸収される光子の原子の方位角運動量が１（ディラック定数を単位とする）増えるために、光子のスピンの平均値が磁界の向きの光として定義される。ｍＬＣＰの光は、吸収される光子の原子の方位角運動量が１（ディラック定数を単位とする）減少するために、光子のスピンの平均値が磁界の向きとは反平行な光として定義される。磁場方向とは逆平行に伝播している光ビームにとって、ｍＲＣＰおよびｍＬＣＰの定義は、それぞれ、一般的に使われるＲＣＰやＬＣＰの定義と同等である。しかし、磁場方向に伝播している光ビームにとって、ｍＲＣＰはＬＣＰと同等であり、ｍＬＣＰはＲＣＰと同等である。実施例において、ブロック１２は、０−０間共鳴振動と等しい繰り返し振動で右円偏光（ＲＣＰ）を変調する強度または振動と、繰り返し周期の半整数倍のＲＣＰ光に比例して移行または遅延された左円偏光（ＬＣＰ）を同様に変調されるものを組み合わせることによって行われる。あるいは、交互状態の偏光は相互に垂直な直線偏光の二光波を結合することにより生成され、ビームの光学的振動は、原子の超微細振動に関し、各々と異なる。あるいは、原子の超微細振動に光伝播に垂直な平面内で時計回りと反時計回りとの間に交互性のある原子の位置で電界ベクトルを作る２つの反対方向に伝播しているビームによって、交互性のある偏光の光が作られる。あるいは、交互性のある光はスペクトル線のシステムにより生成され、同様に、各々のスペクトル線が直線偏光であり、隣接した線の偏光が互いに直交している原子の超微細振動で一定間隔の振動を保っている。あるいは、交互性のある偏光の光は、原子の超微細周期の半整数倍の右円偏光に比例して移行または遅延された左円偏光の正弦波強度エンベロープと組み合わされる右円偏光の正弦波強度エンベロープを生成することにより、生成される。
【００１６】
ブロック１４において、アルカリ金属蒸気を通過する光の伝導の検出が測定される。たとえば、アルカリ金属蒸気およびバッファ気体を含んでいるガラスセルと通過した光の伝導を測定するために光検出器が使用される。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、原子ビーム中のアルカリ金属原子の原子状態が標準的な手段を用いて分析される。ガスセル型原子時計、原子ビーム時計、原子フォウンテイン時計および磁力計の性能を改良するためにプッシュプル型光学的ポンピングが使用される。
【００１７】
図４は、本願発明の実施形態による自己変調レーザー２０の作動手段を示した工程図である。ブロック２２によると、一つ以上の光増幅媒介および蒸気セルはレーザーキャビティー内に設置される。増幅媒介の例として、電子的ポンピング半導体が含まれ、たとえばエッジ放射レーザーダイオード、垂直型キャビティー放射レーザーダイオードがあり、または光学的ポンピング増幅媒介があり、たとえば、色素や結晶がある。必然的な光学部は、光の偏光および光のバンド幅をコントロールすることを有する。光学部は、波長板、偏光フィルターおよび光学フィルターを含む。ブロック２４によると、蒸気セル内での原子の超微細遷移は、超微細振動で変調された前記レーザーからの光を用いてポンピングによって励起される。原子時計または磁力計を作動するための手段とシステムは、レーザーキャビティー内に増幅媒介および蒸気セルから成る自己変調レーザーを有することと、超微細振動で変調された前記レーザーからの光を用いてポンピングによって蒸気セル内での原子の超微細遷移を励起すること、を有する。
【００１８】
図５Ａ−５Ｃは、電子スピンがＤ１ポンピング光と相互作用する方法と、電子スピン振動または歳差連動がプッシュプル型ポンピングによって同期する状態と、電子スピンがアルカリ金属蒸気の光吸収を変調する状態との図解である。Ｄ１ポンピング光は、図５Ｂに記載されている光子のスピンｓの方向と図５Ａに記載されている電子のスピンの方向をそろえる傾向がある。プッシュプル型ポンピングは、ｓ＝１とｓ＝−１のパルスを組み合わせた光パルスであり、２つの隣接したパルスの間の時間間隔は超微細サイクルの半分の周期１／（２ν００）に等しい。プッシュプル型ポンピング光のパルス幅は、蒸気セル内でのバッファ気体の圧力により決定される。プッシュプル型ポンピングビームを磁界（ｚ方向）と平行にセットすることによって、強い０−０間コヒーレンスが励起され、ｚ方向を向いた電子スピン振動として観測される。電子スピン振動は、図５Ｃに記載されるように異なる光子スピンにアルカリ金属蒸気の時間に依存した光吸収をも生じさせる。図５Ａ−５Ｃは、プッシュプル型ポンピングを使用することによる蒸気セルの最大透過度があることを示した図解である。
【００１９】
図６は、振動数領域でのプッシュプル型ポンピング光のスペクトルと、自己変調レーザーシステムのスペクトル反応を描写したものである。０−０間コヒーレンスのプッシュプル型ポンピング光は、スペクトルの光コムとして記述することができる。光コムはν００によって区切られている複数のピークを示す。光コム３０の間隔は、０−０間超微細振動に等しい。光コム３０のそれぞれの光学的ピークは、線形に偏光で隣接したピークに直交している。光コム３０のバンド幅は、蒸気セル３１内のバッファ気体の圧力と増幅バンド幅により制限される。自己変調レーザーシステムに関し、異なる原因によるスペクトル反応が図６にまとめている。通常、増幅バンド幅は、ブラッグミラー３２または代替バンド選択型光学フィルターにより制御される。最初の非常に小さい０−０間の超微細コヒーレンスは、レーザーの不安定性により励起される。超微細コヒーレンスが存在するため、アルカリ金属蒸気は元の振動数ν０から新しい光学的振動数ν０±ν００へ光子を散乱することができる。有効な条件を伴うことで、新しい振動数を持った散乱光子は光増幅媒介３３によって増加することができ、たとえばレーザーダイオードがある。したがって、プッシュプル型ポンピング光の光コムは増幅バンド幅内で成長する。光コムの成長はプッシュプル型ポンピング光の増加を表す。強いプッシュプル型ポンピング光は、より強い超微細コヒーレンスを生み出す。最終的に、レーザーは超微細振動で確実に変調される。光コムの間隔がキャビティーモードに相応していることは、有利である。他のフィールドに依存する超微細振動で変調しているレーザーに関し、類似的光コムは生成されるが、光コムの偏光のパターンは異なるようになりえる。
【００２０】
自己変調レーザーにより生成された光コムは、超微細振動と同期したコム間隔を有する。レギュラーコムレーザーによって生成された光コムと異なり、コム間隔は外部関連と同期していなければならない。アルカリ蒸気自己変調レーザーの拡張アプリケーションは、光時計として安定な光学的振動を生じることになっている。レーザー光の安定な光学的振動を生じることと、光コムのスペクトルの位置は、同期していなければならない。光学時計に関し、コムピークの１つの光振動は、レーザーキャビティーのフィードバックコントロールによって複数の超微細振動と同期することができる。コムピークの光学的振動数ｆｎは、ｆｎ＝ｎνｈとなるためにレーザーキャビティーをコントロールするフィードバックのステップによって安定する。ここで、ｎは整数であり、νｈは超微細振動数である。通常、光学的振動数は約１０×１０１４〜１０×１０１５Ｈｚであり、超微細振動数は約１０×１０９〜１０×１０１０Ｈｚである。ここで、整数ｎは、１０４〜１０６の間の値である。そして、安定な光学的振動の光源が作られる。そのような安定光源は、いかなる種類の精密測定において大きなアプリケーションを有することができる。
【００２１】
図７Ａ−７Ｄは、自己変調レーザーシステム４０−７０に関し、キャビティー構成の可能な実施例を示している。４つの実施可能なキャビティー構成が例として、レーザーキャビティー内に１つだけの増幅媒介だけを有するものが描写されている。２つ以上の増幅媒介がキャビティー内に組み込み可能だということは理解できる。自己変調レーザーシステム４０は偏光増幅媒介４２を使用しており、たとえば電子的ポンピング半導体であり、たとえば、量子井戸型ヘテロ接合エッジ放射レーザーダイオードである。偏光増幅媒介４２は直線偏光を伴う光を出力する。光子のスピンを交互状態にするために、２つの１／４波長板４３ａと４３ｂがレーザーキャビティー内に設置される。蒸気セルは、レーザービームが光の偏光が最も大きい交互性になるような、１／４波長板４３ａと４３ｂの間に設置される。ブラッグミラー４５およびアウトプットカプラー４６がビームを再結合することで、交互状態の円偏光の単一ビームが出力される。外部キャビティーを通過した光の伝導はフォトダイオード４８で測定される。本実施例において、キャビティーモードがプッシュプル型ポンピングを達成するために用いられる。プッシュプル型ポンピング光の効果的な往復時間はだいたい超微細周期の倍数である。レーザーキャビティーは、自己変調を励起するために共鳴器として作動する。それゆえに、効果を引き出すキャビティーについて十分考える必要がある。通常、キャビティー長の変化による変調振動数の振動数シフトは小さい。例えば、Δνを変調振動数の差分であるとし、Δｆを第１の高調波キャビティー振動数の差分であるとすると、Δν＝αγＴｃΔｆとなる。ここで、γは超微細線幅であり、Ｔｃはキャビティー往復時間であり、αは蒸気セルの長さおよび蒸気密度によって決定される因数である。
【００２２】
自己変調レーザーシステム５０は偏光多様性増幅媒介５２を用いる。いかなる偏光の光であっても、この種の増幅媒介により増幅される。偏光多様性増幅媒介は、電子的ポンピング半導体によって作られる。たとえば、ＥＬＤや垂直型キャビティー表面放射レーザー（ＶＣＳＥＬ）ダイオードである。したがって、この実施例では、図６に示すように光学的ポンピングパターンを得るために、蒸気セルの両側に１／４波長板を用いない。１／４波長板と直線偏光板を組み合わせることによって、光検出器で光子のスピンがｓ＝１またはｓ＝−１だけの光を検出する。超微細振動に関してキャビティーモードの比例関係が使用される。
【００２３】
自己変調レーザーシステム６０は環状キャビティー６２を使用する。本実施例において、光子は一方向へ移動している。偏光多様性増幅媒介６２は、図６に示されるようにポンピングパターンを生成するために使用される。キャビティー６１内にある狭バンド光学フィルター６４は、他の構成のために上記で述べたブラッグミラーと同様の方法で作動します。狭バンド光学フィルター６４の振動数領域のレーザー光だけが環状キャビティー６１
内を循環できる。環状キャビティー６１内の循環期間はだいたい超微細周期の倍数である。この実施例は、効果を引き出す最小のキャビティーを有する長所があり、なぜなら、アルカリ金属蒸気が全てのキャビティー内に満たされているからである。
【００２４】
自己変調レーザーシステム７０は増幅媒介４２、蒸気セル４４、ブラッグミラー４５、および一つにコンパクト化したアウトプットカプラー４６を有する。キャビティー長は非常に短いため、往復時間は超微細周期よりも短い。本実施例において、プッシュプル型ポンピング光は、増幅媒介の固有の性能に依存する。例えば、増幅媒介の光遷移を描写するために、４つの準位がある図を用いると、σ＋およびσーの光の増幅度は２つの異なる光学的遷移に依存することになり、方位量子数Δｍ＝＋１とΔｍ＝−１の違いができる。増幅媒介のスピン依存量子準位の緩和特性を適した設計にすることよって、自発的にプッシュプル型ポンピングを確立する。この実施例の特徴は、自己変調レーザーシステムを非常にコンパクトなサイズにすることであり、なぜなら、キャビティー長は超微細振動により制限されないからである。半導体増幅媒介と小型のレーザーキャビティーを適した設計にすることで、ミリメートルまたはサブミリメートルスケールの光時計（局部発振器なし）を完成させることができる。
【００２５】
図７Ａ−７Ｄに示されるキャビティー構造は、単なる一例だということが、分かる。アルカリ金属蒸気セルを用いた光コム内のレーザービームの自己変調を実現するようなほかの種類のキャビティー設計が、本発明の技術の中に含まれていることは考慮される。
【００２６】
図８、図９および図１０は図７Ａに示される自己変調レーザーシステムのコンピューターシミュレーションの結果を示している。各々の図のために三つのパネルがあり、水平軸は時間の増加である。上部のパネルは、時間の関数としたＥＤＬ内の相対的なキャリア密度を示している。中央のパネルは、時間の関数としたキャビティー内のレーザーの強度を示している。下部のパネルは、時間の関数としたｚ方向に沿った０−０間の超微細コヒーレンスによる電子スピン振幅を示している。図８に関すると、蒸気セルは３ａｔｍのバッファ気体の圧力の８７Ｒｂを含んでいると仮定している。増幅バンド幅は、約６６ＧＨｚである。ビーム直径は３ｍｍである。光子のスピンの偏りは９０％である。アウトプットカプラーからの喪失は３０％である。蒸気セルは、０．１ｅ−ｆｏｌｄｉｎｇ光学的厚さを有する。まず最初に、レーザーがちょうどターンオンされたときに、レーザーの強度がステップアップすることによって、小さいスピン振動が１０−８のスケールにおいて観察される。スピン振動は、不十分な蒸気密度により、維持することができずに、次第になくなる。蒸気セルの光学的厚さを０．２５に増やし、その他の条件はそのままにすることによって、強いスピン振動はレーザーをターンオンした後、約１ミリ秒で作られることがわかっており、それにより、光もまた図９に示すように超微細振動で変調される。図１０は、１３３Ｃｓに関するシミュレーション結果のうちの１つを示している。セシウムは、ルビジウムよりも高い原子核スピンを有する。キャビティー内で自発的なプッシュプル型ポンピングを生成するには高蒸気密度を必要とする。もし、光学的厚さを０．５ｅ−ｆｏｌｄｉｎｇに増加すると、ビーム直径は１ｍｍに縮小する。レーザーをターンオンにした後、約０．１ミリ秒で自発的プッシュプル型ポンピングが始まる。上記全てのシミュレーションに関し、キャビティーモードおよび超微細振動間の不整合性の許容範囲は、約０．５％である。許容範囲を越えると、自発的プッシュプル型ポンピングは生じない。
【００２７】
図１１は、安定した自己変調が確立されるときに、キャビティー軸に沿った異なる時間点での強度パターンを図示している。このシミュレーションにおいて、キャビティーの往復時間は、超微細周期の３倍に等しい。蒸気セルは、レーザーキャビティーの中央に設置される。光パルスが蒸気セルを打つたびに、スピン強度が最大になることが示される。レーザーは、超微細振動で繰り返している光パルスを連続的に出力する。光パルス信号は、時計の電気的な時刻を刻む信号に簡単に変換される。原子時計として自己変調レーザーを
使用することに関し、増幅媒介と蒸気セルは一定に保たれた温度でなければならなく、そこでは、レーザーキャビティーの周辺の磁界は一定に保たれていなければならなく、また、キャビティー長も一定に保たれていなければならない。磁界および温度の安定性は、磁界センサーおよび温度センサーを用いて、それら二つの量の変化を補正するためのフィードバックループを伴うことで、達成することができる。キャビティー長は、最大光変調を得るためにキャビティー長のフィードバック調整を行うことで一定に保つことができる。
【００２８】
図１２は図７Ｄの自己変調レーザーシステム７０のコンピューターシミュレーションの結果を示している。蒸気セルは、８５Ｒｂを有すると仮定する。有効キャビティー往復時間は５ｐｓであり、それは、８５Ｒｂの超微細周期〜３３０ｎｓよりもかなり短い。自己変調レーザー光はσ＋偏光とσ−偏光との間に交互性を有していることが、図１２に示されている。蒸気セル内での自発的プッシュプル型ポンピングの生成は、レーザーダイオードのいくつかの物理特性に強く依存しており、たとえば、特異な増幅、キャリアの寿命、増幅媒介の励起状態のスピン緩和率、およびキャリアのポンピング率である。
【００２９】
上記で述べた実施例は多くの可能な特異的な実施例のほんの一例に過ぎないことであると理解され、発明の原理の応用を示している。多様で様々な他の変更は、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、当業者によってこれらの原理に従い、直ちに考案されることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】核スピンＩ＝３／２を伴う代表的なアルカリ金属原子の基底状態の超微細エネルギー準位を示した概略図である。
【図２】従来技術受動形、ガス状のセル、原子時計システムの概略図である。
【図３】プッシュプル型ポンピングテクノロジーを使用した原子時計または磁力計を作動するための手段を示したフロー図である。
【図４】本願発明の技術による自己変調レーザーを作動手段のフロー図である。
【図５】Ａ〜Ｃは、電子スピン振動に関する超微細コヒーレンスと、プッシュプル型ポンピング光の時間領域での形態と、スピン振動によって変調される原子蒸気の光吸収と、を示した実施形態の図である。
【図６】蒸気セル内でのプッシュプル型ポンピング光のスペクトルと全レーザーシステムのスペクトル応答を示した実施形態の図である。
【図７】Ａ〜Ｃは、超微細振動で変調されたレーザーのためのキャビティー構成の実施例を示す概要図である。
【図８】ガスセルが不十分な蒸気密度を有する時に、図７Ａの構成を使用した際の８７Ｒｂセルによって変調されないダイオードレーザーのシミュレーション結果を示すプロットである。
【図９】ガスセルが十分な蒸気密度を有する時に、図７Ａの構成を使用した際の８７Ｒｂセルによって変調されるダイオードレーザーのシミュレーション結果を示すプロットである。
【図１０】ガスセルが十分な蒸気密度を有する時に、図７Ａの構成を使用した際の１３３Ｃｓセルによって変調されるダイオードレーザーのシミュレーション結果を示すプロットである。
【図１１】レーザーが蒸気セルによって順に変調されるとき、レーザー強度とアルカリ金属原子の電子スピンを示した実施形態の経過図である。
【図１２】図７Ｄの構成を使用した際の８５Ｒｂセルによって変調される偏光多様性レーザーダイオードのシミュレーション結果を示したプロットである。
【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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【図１２】
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【国際調査報告】
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