(57)【要約】  本発明は、原子ガスが充填されるガスセル４００と、前記ガスセル４００に入り、前記原子ガスの第１エネルギ遷移を引き起こすレーザビームを放射するレーザ光源１００と、前記原子ガスのＨＦＳ遷移の周波数を含む周波数レンジ内の発振器周波数を生成するための局部発振器７００と、前記発振器周波数で変調されたレーザ光線を放射するように前記レーザ光源１００を変調する変調器６００とを有する原子周波数取得装置に関する。前記ガスセル４００の後ろには、前記レーザビームを、前記原子ガス通過後に、前記レーザキャビティに再び入るように反射するよう、光学反射器５００が配設される。光検出器２００は、前記レーザキャビティ内の自己混合干渉によってもたらされるうなり周波数を検出する。制御ユニット７５０、８００は、前記発振周波数を２つの周波数マージンの間で周期的に変化させるように前記局部発振器を制御し、前記２つの周波数マージンは、前記光検出器２００の出力信号における最大うなり周波数が前記２つの周波数マージン内にあるように適合される。提案装置は、一体化されたフォトダイオードを備えるＶＣＳＥＬを用いることによって、小型化及びコスト削減を可能にし、検出の問題のより少ない動作を達成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントポピュレーショントラッピングを可能にする第１及び第２エネルギ遷移であって、第１及び第２遷移周波数に対応する第１及び第２エネルギ遷移を持つ原子ガスが充填されるガスセルと、
前記ガスセルに入り、前記原子ガスの前記第１エネルギ遷移を引き起こすレーザビームを放射するレーザキャビティを備えるレーザ光源と、
前記原子ガスの前記第２遷移周波数の半分を含む周波数レンジ内の発振器周波数を生成するよう適合される局部発振器と、
前記発振器周波数で変調されたレーザ光線を放射するように前記レーザ光源を変調する変調器と、
前記レーザビームを、前記原子ガス通過後に、前記レーザキャビティに再び入るように反射するよう配設される光学反射器であって、再び入った前記レーザビームが、前記レーザキャビティにおいて自己混合効果をもたらし、放射された前記レーザ光線の強度におけるうなり周波数をもたらす光学反射器と、
前記うなり周波数を検出するよう配設される光検出器と、
前記光検出器及び前記局部発振器に接続され、前記発振周波数を２つの周波数マージンの間で周期的に変化させるように前記局部発振器を制御する制御ユニットであって、前記光検出器の出力信号における最大うなり周波数が前記２つの周波数マージン内にあるように、前記２つの周波数マージンが適合される制御ユニットとを少なくとも有する原子周波数取得装置。
【請求項２】
前記光検出器の出力信号における最大うなり周波数が、常に、前記２つの周波数マージンの間の中央に置かれるように、前記２つの周波数マージンを適合させるよう、前記制御ユニットが設計される請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記発振周波数を、1kHzと100kHzとの間の変調周波数で周期的に変化させるよう、前記制御ユニットが設計される請求項１に記載の装置。 
【請求項４】
前記レーザ光源が、ＶＣＳＥＬである請求項１又は２に記載の装置。
【請求項５】
前記光検出器が、前記ＶＣＳＥＬとモノリシックに一体化される請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記変調器が、前記レーザ光源の動作電流を変調するよう設計される請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記制御ユニットが、前記局部発振器を制御するための制御回路と、前記光検出器の出力信号におけるうなり周波数を決定するためのスペクトル分析器とを有する請求項１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレントポピュレーショントラッピングを可能にする第１及び第２エネルギ遷移を備える原子ガスが充填されるガスセルと、前記ガスセルに入り、前記原子ガスの前記第１エネルギ遷移を引き起こすレーザビームを放射するレーザキャビティを備えるレーザ光源とを少なくとも有する原子周波数取得装置に関する。
【０００２】
原子周波数取得装置は、一般に、多くのアプリケーションに時間基準を供給する原子時計として用いられている。電子装置の継続的な小型化により、例えば、ＧＰＳ受信機などの携帯型バッテリ駆動装置における高精度時間調整を可能にする小型原子時計のニーズもある。
【背景技術】
【０００３】
コヒーレントポピュレーショントラッピングは、安定した時間基準として原子周波数を取得するために原子時計において用いられている技術のうちの１つである。このような原子周波数取得装置又は原子時計は、例えば、Ｃｓ又はＲｂなどの金属蒸気を収容する小型ガスセルを有する。通常、このガスセルは、或る一定のガス圧力を実現するように約１００℃の温度に保たれる。例えばＣｓの場合は852nmといった、対応する原子における光学遷移に合う波長で放射するレーザが、対応する原子ガスが充填されたガスセルにレーザビームを向けるよう配設される。レーザ放射は、同時に、例えばＣｓ分裂の半分の場合は4.6GHzといった、対応する原子の超微細遷移の半分に合う周波数で動作する安定した電子振動子によって変調される。この周波数が、原子時計の時間基準として用いられる。セル通過後のレーザビームの減衰を、検出フォトダイオードが測定する。目標周波数において最小値を示すフォトダイオード信号に基づいて、電子回路が、電子振動子を、原子の超微細遷移の周波数に適合させる。この最小値は、コヒーレントポピュレーショントラッピングによるものである。コヒーレントポピュレーショントラッピングは、超微細遷移を形成する２つの基底状態におけるコヒーレント重畳において原子のごく一部が捕捉されるという事実を指す。これは、これらの基底状態の光学的な励起状態への光学遷移の遷移確率振幅間の相殺的干渉により光を吸収しない。
【０００４】
D. K. Serkland他の"VCSELs for Atomic Clocks"、http://www.sandia.govは、このようなコヒーレントポピュレーショントラッピングに依存する原子時計のためのＶＣＳＥＬ(ＶＣＳＥＬ：垂直共振器面発光レーザ)の使用を記載している。この技術の物理的背景は、この文献でも説明されている。Serkland他は、852nmの波長で放射するＶＣＳＥＬによって励起されるＣｓが充填されたガスセルを用いている。レーザ出力は、4.6GHzで周波数変調され、それにより、352THz(852nm)の搬送波の光周波数から+/-4.6GHzの周波数変調側波帯を得る。ガスセル通過後のレーザビームの出力が、ガスセルの反対側に配設されるフォトダイオードによって測定される。変調されたＶＣＳＥＬが、ほぼ1GHzの広い吸収共鳴に合わせられ、変調周波数が、4.6GHzの近くに合わせられる場合、9.2GHzの超微細周波数のちょうど半分で、送信光出力の限られた増大が観察される。4.6GHz変調を引き起こすための局部発振器は、この限られた共鳴にロックされ、Ｃｓの基底状態の超微細分裂のちょうど半分である周波数をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、原子時計として用いられることができ、従来技術のシステムと比べて更なる小型化及びコスト削減を可能にする原子周波数取得装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この目的は、請求項１において規定されているような原子周波数取得装置で達成される。この装置の有利な実施例は、従属請求項の内容である、又は説明の後続部に記載されている。
【０００７】
提案原子周波数取得装置は、
−  コヒーレントポピュレーショントラッピングを可能にする第１及び第２エネルギ遷移であって、第１及び第２遷移周波数に対応する第１及び第２エネルギ遷移を持つ原子ガスが充填されるガスセルと、
−  前記ガスセルに入り、前記原子ガスの前記第１エネルギ遷移を引き起こすレーザビームを放射するレーザキャビティを備えるレーザ光源と、
−  前記原子ガスの前記第２遷移周波数の半分を含む周波数レンジ内の発振器周波数を生成するよう適合される局部発振器と、
−  前記発振器周波数で変調されたレーザ光線を放射するように前記レーザ光源を変調する変調器と、
−  前記レーザビームを、前記原子ガス通過後に、前記レーザキャビティに再び入るように反射するよう配設される光学反射器であって、再び入った前記レーザビームが、前記レーザキャビティにおいて自己混合効果をもたらし、放射された前記レーザ光線の強度におけるうなり周波数をもたらす光学反射器と、
−  前記うなり周波数を検出するよう配設される光検出器と、
−  前記光検出器及び前記局部発振器に接続され、前記発振周波数を２つの周波数マージンの間で周期的に変化させるように前記局部発振器を制御する制御ユニットであって、前記光検出器の出力信号における最大うなり周波数が前記２つの周波数マージン内にあるように、前記２つの周波数マージンが適合される制御ユニットとを少なくとも有する。
【０００８】
最大ＳＭＩうなり周波数には、ちょうど、前記発振器が前記第２遷移周波数の半分に合わせられる場合に、到達する。従って、この最大うなり周波数は、前記発振器をこの遷移周波数にロックするのに用いられることができ、前記遷移周波数は、次いで、他のアプリケーションのための時間基準として用いられる。この自己混合干渉技術は、前記レーザ及び検出装置として、ＶＣＳＥＬを、一体化されたフォトダイオードと共に用いることを可能にする。これは、レーザ及び検出器が、一体化され、前記ガスセルの同じ一方の側にしか配設されないことから、光学機械構成をよりコンパクトにする。このような場合には、前記装置又は原子時計全体が、一体化されたフォトダイオード（ＶＩＰ）と一緒のＶＣＳＥＬ、ガスセル、並びに前記局部発振器及び前記制御ユニットを形成する適切なＡＳＩＣだけで構成される。従って、著しい小型化及びコスト削減が可能になる。更に、自己混合干渉を用いる検出原理に基づいて、振幅ではなく、周波数だけが測定される。これは、従来技術のソリューションの場合と比べて、より少ない検出の問題しか伴わずに、より容易に行われ得る。この場合には、測定信号は、かなり強くなることができ、前記レーザ自身から生じない他の如何なる放射線によっても全く乱されず、kHz乃至MHzの範囲内の相対的に低い周波数の信号として測定され得る。これは、従来技術において記載されているようなＤＣ振幅測定と比べて好ましい。
【０００９】
提案装置の検出原理は、以下のように理解され得る。例えばＲｂ又はＣｓの蒸気であり得る前記原子ガスが充填された前記ガスセルが、前記レーザ光源と、前記光学反射器又はフィードバックを与えるミラーとの間に配設される。このフィードバックは、フィードバックパスの光路長に非常に影響されやすい。なぜなら、４分の１波長によるあらゆる変化が、既に、前記フィードバック信号の変化をもたらすからである。前記光学反射器と前記レーザ光源との間の距離は、一定の幾何学長に保たれるが、前記光路長は、中間の屈折率が変化する場合に変化する。ガスの屈折率は、前記波長に依存する。特に、共鳴遷移の近くでは、前記屈折率は、非常に高い値に達し、前記波長と共に素早く変化する。
【００１０】
前記原子周波数取得装置の提案構成においては、光吸収の強さは、前記波長だけではなく、前記変調周波数の、前記第２遷移周波数の半分に対する完全一致にも依存する。前記第２遷移周波数の半分は、Ｃｓ又はＲｂなどの金属蒸気の場合のＨＦＳ（超微細分裂）遷移の半分である。前記局部発振器の周波数が、所望の周波数から少しずれる場合には、前記屈折率が、変化し、前記光検出器が、前記光学反射器と前記レーザ光源との間の距離の変化に似た信号を測定する。このような測定原理は、光検出器が一体化される又は取り付けられるＶＣＳＥＬをベースにしているＳＭＩセンサ（ＳＭＩ：自己混合干渉）から知られている。
【００１１】
このようなＳＭＩセンサの一般的な使用とは対照的に、原子時計におけるＳＭＩセンサの使用は、著しい複雑化のために、検出を通常より困難にする。前記光学反射器と前記レーザ光源との間の外部距離は、一般に、レーザ波長の変調をもたらすレーザ電流の変調を介して測定される。しかしながら、Ｃｓ又はＲｂ遷移のスペクトル幅は非常に狭いので、前記レーザは厳密に適正な波長で動作しなければならない。これは達成するのが非常に困難であり、故に、ここで、この方法を利用することはできない。外部光キャビティ長とも呼ばれる前記レーザと前記光学反射器との間の外部距離の変化は、前記光学反射器の動きとしても観察され得る。しかしながら、この動きは、速度測定を必要とし、原子時計から期待される精度に達するためには、極限精度で制御される必要があるであろう。前記時計は、前記発振器が非常にゆっくり移動する場合であっても、長期walk-offを示すであろう。利用される技術は、前記変化の正確な検出だけでなく、ＨＦＳ遷移最大の正確な検出を可能にする。これは、波長走査によっても、動き検出によっても、行われ得ない。
【００１２】
提案装置の前記制御ユニットは、上記の複雑化を避けるため、以下の検出方法を可能にするよう設計される。前記レーザ光源は、一定の波長、即ち、使用される前記原子、とりわけＲｂ又はＣｓの第１（光）エネルギ遷移の波長で動作する。前記レーザのスペクトル幅は、前記第１エネルギ遷移のスペクトル幅よりずっと狭いことに注意されたい。それ故、依然として、レーザ波長の小さな変化は許容される。レーザ出力は、前記局部発振器の周波数、例えば4.6GHzで変調される。如何なる波長変化も十分に小さなままであることは確実にされなければならない。これは、高い変調周波数によってかなえられると思われる。更に、この状態を確実にするため、出力変調度は、絶対出力のごく一部に制限され得る。
【００１３】
前記局部発振器は、実際には、一定周波数では動作せず、例えば、4.6GHzでは、20乃至50kHzあたりの周波数変化で、ゆっくり周波数変調される。これは、より強いＨＦＳ遷移と、より弱いＨＦＳ遷移とをもたらし、それ故、外部光キャビティ長の変化をもたらす。この変化は、ＨＦＳ最大のあたりで、即ち、取得されるべき所望の周波数のあたりで最も激しい。
【００１４】
前記ＳＭＩうなり周波数は、前記外部光キャビティ長の変化の最も激しいところで最も高い。従って、測定される前記ＳＭＩうなり周波数の最大値と、望まれる最適のＨＦＳ周波数の最大値とは、同時発生し、故に、最大うなり周波数を探すだけで、ＨＦＳ遷移周波数が見つけられる。この測定は、絶対振幅に依存しないので、むしろ曖昧でない。前記自己混合効果は、前記光検出器によって測定される、前記レーザ光源の出力の周期的な変化をもたらす。それ故、前記光検出器の出力信号は、ビート信号、即ち、この出力の時間間隔を置いて配置されるピークを含み、これは、前記ビート信号の周波数、即ち、全ての２つのピークの間の時間の逆数を決定する周波数検出回路に供給される。また、前記ビート信号の位相は、（例えば、位相ロックループ回路によって）直接、測定されることができ、これは、ゆっくりとした変化の場合に有利である。
【００１５】
提案装置の或る実施例においては、前記制御ユニットが、前記発振器の変調周波数レンジを、所望のＨＦＳ周波数が、常に、前記変調レンジの中央にあるように、即ち、絶え間なく適応させられるこの変調の２つのマージン周波数の間の中央に置かれるように、調節するよう設計される。このようにして、前記発振器が高すぎる周波数で動作する期間は、低すぎる周波数を持つ期間によってちょうど相殺される。この測定により、前記装置の長期にわたる非常によい精度が達成される。
【００１６】
上記の説明から、前記ガスセルが、如何なる特別な設計又は寸法にも制限されないことは明白である。このガスセルは、前記原子ガスを所望の温度及び／又は圧力に維持することだけはできる必要があり、これは、前記ガスセルに取り付けられる付加的な加熱素子によって達成され得る。更に、前記ガスセルは、前記レーザ光ビームの、少なくとも１つの経路に沿った通過を可能にしなければならない。前記光学反射器、とりわけ、前記波長の前記レーザビームに適切なミラーは、前記ガスセルに直接取り付けられてもよく、又は前記がスセルから間隔を置いて配置されてもよい。更に、このようなミラーは、前記ガスセル内に形成されてもよく、又は前記ガスセルの壁部のうちの１つの層として形成されてもよい。前記レーザ出力の変調は、好ましくは、前記レーザ光源の動作電流を変調することによって達成されるが、このような変調方法に制限されない。
【００１７】
以下、一例として、請求項によって規定されるような保護範囲を限定しない添付図面を参照して、提案原子周波数取得装置を説明する。    
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】原子周波数取得装置の実施例の配置図である。
【図２】提案装置の動作原理を図示する３つの図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、提案原子周波数取得装置又は原子時計の例の配置図である。レーザドライバ６００は、レーザビームをコリメートレンズ３００の方へ放射するＶＣＳＥＬ１００に動作電流を供給する。レーザビームは、本例においてはＣｓである充填アルカリ金属の適切な圧力を維持するために、例えば６０℃と１００℃との間の高い温度に保たれるガスセル４００を通過する。温度は、温度測定及びフィードバックループ（図示せず）を含む小さな加熱素子によって制御され得る。このようなガスセルは、原子時計の業界においては一般に知られている。
【００２０】
コリメートされたレーザビームをそれ自身の後方に反射するために、ガスセル４００の後ろに、ミラー５００が配設される。望ましいフィードバックを調節するために、ミラー５００の反射率は、適切に、例えば１０％の反射率を持つよう、設計されるべきである。更に、レーザキャビティ内での最適な自己混合効果を確実にするために、レーザ１００の前の付加的な減衰器も推奨される。好ましくは、全ての他の光学面に反射防止コーティング（ＡＲ）が設けられる。フィードバックは、自己混合により、レーザの光出力に影響を与える。このレーザ出力は、レーザのこの側部において下部ＤＢＲ（ＤＢＲ：分布ブラッグ反射器）を通って漏れるレーザ光線の量を測定するフォトダイオード２００によって監視される。好ましくは、フォトダイオード２００は、自己混合干渉を実施するＶＣＳＥＬの業界においては既知であるようにＶＣＳＥＬとモノリシックに一体化される。フォトダイオードは、直接、下部ＤＢＲに組み込まれてもよい。
【００２１】
フォトダイオード２００からの電気信号は、増幅器９００で増幅され、スペクトル分析器８００で分析される。スペクトル分析器８００は、この分析に基づいて、自己混合干渉に起因するうなり周波数を供給する。このうなり周波数は、制御回路７５０で分析される。制御回路７５０はまた、局部発振器７００の周波数変調を、最大うなり周波数が変調間隔のちょうど中央にあるように設定する。発振器７００は、用いられるアルカリ金属におけるＨＦＳ遷移に合う例えば4.6GHzの高い周波数を生成する。この周波数は、時計の時間基準として用いられ、これは、クロックポート７１０を通して、対応するアプリケーションに供給される。前記高い周波数は、レーザの電源６００を振幅変調するのにも用いられる。変調度は、レーザの如何なる波長変調もレーザの線幅よりずっと小さいままにするように設計されなければならない。
【００２２】
動作原理は、図２に図示されている。発振器７００は、制御回路７５０によって周波数変調される。図２における上のグラフは、三角形の周波数変調Δνの例を示している。真ん中のグラフは、金属蒸気におけるレーザビームの吸収を示している。それは、発振器周波数がＨＦＳ遷移とぴったり合う場合に最小値を呈する。下のグラフは、屈折率dn/dtの変化を示している。屈折率dn/dtの変化は、外部光キャビティ長の変化に対応し、それ故、うなり周波数に対応する。
最大うなり周波数は、ＨＦＳ遷移と一致する。 
【００２３】
図２における上のグラフの水平破線は、変調Δνが、この線より上の領域と、この線より下の領域とが、等しいように選ばれることができ、従って、時計の動作が、等しい時間量に対して早すぎる及び遅すぎることを図示している。マージン周波数が絶え間なく調節されるこの調節は、制御ユニット７５０によって実施される。この方法により、所望の原子周波数が、常に、局部発振器の変調レンジの中央に置かれる。この中央に置かれる発振周波数であって、局部発振器が固定される発振周波数が、原子時計の標準的な信号として用いられる。
【００２４】
図面及び上記の記載において、本発明を、詳細に図示及び記載しているが、このような図示及び記載は、説明的なもの又は例とみなされるべきであり、限定するものではない。本発明は、開示されている実施例に限定されない。上記の様々な実施例及び請求項において規定されている様々な実施例は組み合わされ得る。請求項記載の発明の実施において、図面、明細及び添付の請求項を研究することで、当業者には、開示されている実施例の他の変形が、理解され、達成され得る。例えば、本発明は、ＶＣＳＥＬの使用に限定されない。ＶＥＣＳＥＬ（vertical extended cavity surface emitting laser）も、レーザ光源として同様に用いられ得る。小型化が必要とされない場合には、他のレーザ光源も装置において用いられ得る。  
【００２５】
請求項において、「有する」という動詞及びその語形変化の使用は、他の要素又はステップを除外せず、単数形表記は、複数の存在を除外しない。単に、手段が、互いに異なる従属請求項において列挙されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利には用いられることができないこと示さない。請求項における参照符号は、これらの請求項の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。 
【符号の説明】
【００２６】
１００    ＶＣＳＥＬ
２００    フォトダイオード
３００    コリメートレンズ
４００    ガスセル
５００    ミラー
６００    レーザドライバ
７００    局部発振器
７１０    クロックポート
７５０    制御回路
８００    スペクトル分析器
９００    増幅器
【図１】
2011523787.tif 000003
【図２】
2011523787.tif 000004
【国際調査報告】
2011523787.tif 000005
2011523787.tif 000006
2011523787.tif 000007