(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非常に均一なマイクロ波磁場を維持する冷原子時計（１０）の動作方法であって、
共振器においてマイクロ波磁場を励起するために、マイクロ波フィードライン（１０１）、（１０２）、（１０３）、および（１０４）の部分集合（１０１）および（１０２）を駆動するステップであって、前記部分集合における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持しつつ、前記部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させる、ステップと、
前記マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ、前記共振器において前記マイクロ波磁場によって励起される原子遷移の強度を測定するステップと、
少なくとも１つの補助測定サイクルにおいて測定された前記マイクロ波磁場によって励起された前記原子遷移の強度を処理することによって、前記マイクロ波フィードラインの部分集合間の相対パワーおよび相対位相を抽出するステップと、
前記抽出に基づいて、前記マイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するために、前記マイクロ波フィードラインの部分集合における前記マイクロ波フィードラインの内１本以上に対して調節が必要か否か判断するステップと、
調節が必要であると判断した場合、前記マイクロ波フィードラインの部分集合（１０１）および（１０２）におけるマイクロ波フィードライン（１０１）、（１０２）、（１０３）、および（１０４）の内１本以上を調節するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
請求項１記載の方法であって、更に、
前記マイクロ波フィードラインの部分集合（１０１）および（１０２）を駆動しつつ前記共振器において前記マイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定することに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るステップを含み、Ｎが正の整数である、方法。
【請求項３】
高精度冷原子時計（１０）を動作させるシステムであって、
前記冷原子時計が、
複数のマイクロ波フィードライン（１０１）、（１０２）、（１０３）、および（１０４）と、
前記複数のマイクロ波フィードラインに関連付けられたそれぞれの複数の位相および振幅調節モジュール（１５１）、（１５２）、（１５３）、および（１５４）と、
を含み、
前記冷原子時計に通信可能に結合されたプロセッサ（２０）であって、前記複数のマイクロ波フィードラインの部分集合（１０１）および（１０２）のために補助測定シーケンスを実行するように構成される、プロセッサと、
前記複数のマイクロ波フィードラインの位相およびパワーに対して改善された動作パラメータに収束するように、前記プロセッサによって実行可能な少なくとも１つのアルゴリズム（４０）と、
を含み、前記プロセッサが、
前記複数のマイクロ波フィードラインの部分集合（１０１）および（１０２）における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持し、前記部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させつつ、共振器においてマイクロ波磁場を励起するために、前記複数のマイクロ波フィードラインの部分集合（１０１）および（１０２）を駆動し、
前記マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ、前記共振器において前記マイクロ波磁場によって励起される原子遷移の強度を測定し、
前記補助測定シーケンスの間に測定された前記マイクロ波磁場によって励起された前記原子遷移の強度を処理することによって、前記マイクロ波フィードラインの部分集合間の相対パワーおよび相対位相を抽出し、
前記抽出に基づいて、前記マイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するために、前記マイクロ波フィードラインの部分集合における前記マイクロ波フィードラインの内１本以上に対して調節が必要か否か判断し、
調節が必要であると判断した場合、前記マイクロ波フィードラインの部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上を調節する、
ように構成される、システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]  本願は、２０１６年２月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／２９６，９００号の優先権を主張する。この出願をここで引用したことにより、その内容全体が本願にも含まれるものとする。
【０００２】
[0002]  本発明は、政府契約第Ｗ３１Ｐ４Ｑ−０９−Ｃ−０３４８号および米国陸軍庁(Agency U.S. Army)ＡＭＣＯＭの下で、政府支援によって行われた。政府は、本発明において一定の権利を保有する。
【０００３】
[0003]  原子周波数標準（原子時計）は、入手可能な最も安定した周波数基準の一部である。その安定性のために、原子時計は安定した周波数基準を必要とする多数の用途において頻繁に使用されている。微小冷原子時計(miniature cold atom clock)は、微小マイクロ波共振器を採用することができ、この微小マイクロ波共振器は、マイクロ波フィードラインによって駆動され、非常に均一なマイクロ波磁場（microwave field）を生成する。微小冷原子時計は、サイズが小さく、必要なパワー消費が少なく、高精度が可能である。しかしながら、このような冷原子時計は、大きな温度の揺れにわたって精度を維持しなければならないが、大きな温度の揺れは、時計を制御するマイクロ波電子回路に有害な結果を生ずるおそれがある。例えば、温度の移り変わり(excursion)が、マイクロ波信号を搬送する同軸ケーブルの長さのような、デバイスにおける重要な機械構造の寸法を変化させる可能性があり、またはタイミングの不安定性の原因となる可能性がある。このように、温度変化は冷原子時計の精度を低下させる可能性がある。
【発明の概要】
【０００４】
[0004]  本願は、非常に均一なマイクロ波磁場を維持するように冷原子時計を動作させる方法に関する。この方法は、共振器においてマイクロ波磁場を励起するために、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動するステップであって、部分集合における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持し、部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させる、ステップと、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起される原子遷移の強度を測定するステップと、少なくとも１つの補助測定シーケンスにおいて測定されたマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を処理することによって、マイクロ波フィードラインの部分集合間の相対パワーおよび相対位相を抽出するステップと、抽出に基づいて、マイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するために、マイクロ波フィードラインの部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上に対して調節が必要か否か判断するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
[0005]  図面は例証的な実施形態を図示するに過ぎず、したがって範囲を限定するように解釈してはならないことを理解の上で、添付図面の使用によって、更に具体的にそして詳細に例証的な実施形態について説明する。
【図１】図１は、本願にしたがって冷原子時計を較正するシステムの実施形態の模式図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本願にしたがってマイクロ波信号および４本のマイクロ波フィードラインを供給する例証的な共振器を示す。
【図２Ｂｉ】図２Ｂｉは、本発明にしたがって８本のフィードラインによって誘導的に繋げられる(feed)ループ・ギャップ共振器の実施形態を示す。
【図２Ｂｉｉ】図２Ｂｉｉは、図２Ｂｉのループ・ギャップ共振器の分解図を示す。
【図３】図３は、本願にしたがって原子雲(atomic cloud)を生成する８本の同軸マイクロ波フィードラインおよび共振器の実施形態の模式図である。
【図４】図４は、本願にしたがって、マイクロ波フィードラインのパワーおよび位相の較正において、冷原子時計内に非常に均一なマイクロ波磁場を維持する方法の実施形態の流れ図である。
【図５Ａ】図５Ａは、２つの対向するフィード・ポート間における位相差の関数として正規化されたラビ・フロッピング期間(Rabi flopping period)のプロットである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａにおけるデータと同じデータから得られた、マイクロ波磁場駆動強度の正規化強度に対する位相のプロットである。
【０００６】
[0014]  共通の慣例にしたがって、説明する種々の構造(feature)は、同じ拡縮率で描かれるのではなく、例証的な実施形態に関連のある特定の特徴を強調するように描かれている。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
[0015]  以下の詳細な説明では、その一部を形成する添付図面を参照する。添付図面では、本発明を実施することができる具体的な実例となる実施形態を一例として示す。しかしながら、他の実施形態が利用されてもよいこと、そして論理的、機械的、および電気的変更が行われてもよいことは理解されてしかるべきである。更に、図面および明細書において紹介される方法は、個々のステップを実行することができる順序を限定するように解釈してはならない。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で捕らえてはならない。
【０００８】
[0016]  冷原子時計は、連続的に信号を出力するクオーツ・クリスタル発振器（「局部発振器」または「ＬＯ」）を採用することができる。クオーツ・クリスタル発振器の周波数は、ドリフトまたは精度低下を補償するために周期的に調節される。このＬＯの周波数の周期的な調節は、ＬＯ出力の周波数の、超高真空（ＵＨＶ）セル内部に取り込まれた冷原子雲内に取り込まれた原子の内部状態間におけるエネルギ分裂との比較に基づく。冷原子雲内に取り込まれ原子の内部状態間のエネルギ分裂は、時間ドメイン・ラムジー分光分析(Ramsey spectroscopy)によって判定され、原子遷移は、ＬＯから合成されたマイクロ波によって励起される。例えば、取り込まれた原子の分光分析測定値は、ＬＯがコンポーネントとなっているタイミング・システムにおいて基準周波数として使用することができる。本明細書において説明するシステムおよび方法の実施形態は、一般に、冷原子センサに適用される。
【０００９】
[0017]  冷原子時計は、微小マイクロ波共振器を採用することができ、微小マイクロ波共振器は、冷原子雲によって占められる空間領域(volume)内にマイクロ波磁場を生成するために、マイクロ波フィードラインによって駆動することができる。一実施形態では、マイクロ波共振器はループ・ギャップ共振器である。冷原子時計は、冷原子雲から情報を得る(interrogate)ために使用される非常に均一なマイクロ波磁場のために、サイズが小さく、高精度が可能である。マイクロ波エネルギは、マイクロ波ソースからマイクロ波共振器に、複数の送信線ケーブル（ここではマイクロ波フィードラインまたはフィードラインと呼ぶ）を通じて送られる。送信線ケーブルは、マイクロ波ソースから出て、共振器において終端する。これらのケーブルは、容量性または誘導性結合構造によって、共振器を励起するために使用される。
【００１０】
[0018]  原子時計（例えば、冷原子時計）の最適な性能に要求される高い共振器（マイクロ波）磁場均一性を達成するためには、ケーブルによって共振器に伝達されるマイクロ波エネルギの位相およびパワーの正確なバランスを達成しなければならない。大きな温度の移り変わりの下では、駆動回路、同軸ライン、結合構造、および共振器の電気的および機械的プロパティが変化するおそれがあり、位相およびパワーのバランスの劣化を生じ、性能が失われる結果となる。具体的には、マイクロ波フィードの位相およびパワーのバランスが崩れると、フィードによって生成されるマイクロ波磁場はもはや均一ではなくなり、時計は、不均一位相のメカニズムによって精度を失う。当業者には知られているように、不均一位相は分散位相(distributed-phase)または時計周波数ずれとも呼ばれている。
【００１１】
[0019]  本明細書では、変化する温度の下で非常に均一なマイクロ波磁場を維持する方法およびシステムについて説明するが、この方法およびシステムは、ケーブル（フィード）によって共振器に伝達されるマイクロ波エネルギの位相およびパワー双方を較正するために、補助測定を使用する。補助測定は、時計を原子遷移の周波数にロックする時計測定とは全く異なる。各補助測定は、一連のステップを含む。これらのステップを組み合わせて、ここでは、補助測定シーケンスと呼ぶ。共振器に伝達されるマイクロ波エネルギの位相およびパワーの総合的較正は、通例、複数の補助測定シーケンスを含み、各シーケンスがシステムにおけるケーブルの部分集合を有効化する(activate)。各補助測定シーケンスは、有効化されたケーブルの部分集合間における位相およびパワーのバランスについての情報を提供するので、補助測定シーケンスの間に得られるデータを、ここでは、完全な較正における複数のデータ集合におけるデータ集合と呼ぶ。各補助測定シーケンスにおいて得られたデータ集合は、位相およびパワーのバランス(phase and power balance)が、関連するケーブルの部分集合にとってアンバランスになっているか否か判定するために使用される。補助測定シーケンスにおけるデータが、位相およびパワーのバランスがアンバランスになっていることを示す場合、システムにおけるプロセッサは、ケーブルまたは出力の位相およびパワーを調節する。これは、全体的なマイクロ波パワー・レベルがずれているか否か判定するが、原子を励起するマイクロ波磁場の位相均一性を判定および補正（最適化）しない先行技術のシステムとは異なる。
【００１２】
[0020]  本明細書において定義するように、原子測定サイクルとは、１つの原子雲の形成(creation)、励起、および破壊である。これはデータの最も小さい「粒子」を与える。本明細書において定義するように、時計測定サイクルとは、ＬＯを操作する(steer)ためにデータを得る一種の原子測定サイクルである。本明細書において定義するように、補助測定サイクルとは、ケーブルの現在の部分集合のフィードラインの位相およびパワーのバランスを推論するためにデータを得る一種の原子測定サイクルである。本明細書において定義するように、補助測定シーケンスとは、フィードラインの１つの部分集合を完全に特徴付けるために必要なＰ回で１組の補助測定サイクルである。ｉ番目のサイクルは、（ｉ＋１）番目のサイクロとは異なる位相および／またはパワーの設定を有し、シーケンス全体を構築するために、これらは段階的に最後まで通して行われる(step through)。
【００１３】
[0021]  有利なこととして、補助測定サイクルを時計測定サイクルと交互に行うことができるので、マイクロ波フィードの位相およびパワーは、ＬＯに対する連続補正の時計機能を停止することなく、較正される。例えば、時計測定サイクルが、Ｎ回の原子雲測定サイクルに合わせて得られるとする。Ｎは正の整数である。（Ｎ＋１）番目の原子雲測定サイクルが時計測定サイクルｑであった時点において（ｑは１以上（ｑ≧））、補助測定シーケンスが代わりに実行される。次いで、次のＮ回のサイクルの間に、原子雲測定が再度時計測定サイクルを与える。次いで、Ｎ回の追加の時計測定サイクルの後、別のｑ回の補助測定シーケンスが実行される。このように、ｍ個のデータ点（ｍは正の整数）を必要とする完全な補助測定シーケンスは、（ｍ×Ｎ）／ｑ回の原子雲測定毎に完了する。全てのフィードラインの相対的位相およびパワーの完全な較正が、Ｐ回の補助測定サイクル（Ｐは正の整数）からのデータを必要とする場合、マイクロ波の位相およびパワーの完全な較正は、Ｐ×ｍ×Ｎ／ｑ回の原子雲測定サイクル毎に得られる。一実施形態では、原子雲測定サイクルは、２０ミリ秒未満しか要さないことも可能である。原子雲測定サイクルの速度を考慮すると、この手順は、連続的に行われる較正を可能とし、ＬＯの安定化と干渉しない。この実施形態の他の実施態様では、ｑは１よりも大きくＰまでであるので、時計測定サイクルに戻る前に、クラスタにおいてＰ回の補助測定サイクルが実行される。
【００１４】
[0022]  本明細書では、温度可変環境のために時計本体の温度が変化しつつある間に非常に均一なマイクロ波磁場を維持する方法およびシステムについて説明する。本明細書において説明する方法およびシステムは、冷原子時計のための内部較正ルーチンを提供する。これは、温度のずれまたは他の環境変化による、原子を励起するマイクロ波磁場のあらゆる位相またはパワーのずれを補正する。この較正プロセスの間、マイクロプロセッサの制御の下で、複数のマイクロ波フィードラインの内の部分集合に順次給電し、それらの位相およびパワーを調節する。給電されたフィードラインは、通常の時計測定サイクルにおいて使用される原子状態間で遷移を生ずる。しかしながら、本明細書において説明する較正ルーチンの一部を形成する補助サイクルでは、新しい情報をＬＯ操作回路に提供するためではなく、位相およびパワーにおけるアンバランスを検出するために、原子遷移情報を使用する。原子に基づくパワーおよび位相のバランスの兆候(signature)が、マイクロ波フィードラインの複数の位相およびパワーに対する各部分集合の動作の間に検出される。少なくとも１つのプロセッサが、マイクロ波フィードラインの部分集合の順次給電によって、マイクロ波フィードラインの種々の部分集合を巡回する(cycle)アルゴリズムを実行する。この実施形態の一実施態様では、部分集合は１対のマイクロ波フィードラインである。この実施形態の他の実施態様では、部分集合は、例えば、共振器外形の対称点、対称軸、または対称面による反射によって関係付けられる、共振器の対向する両側に繋がる(feed)１対のマイクロ波フィードラインである。少なくとも１つのプロセッサは、巡回の間原子に基づく兆候を分析し、これらのフィードラインを駆動する位相およびパワーが共振器において最も均一な磁場を生成するのに適していることを確保するために必要とされるマイクロ波フィードラインの位相およびパワーに必要なあらゆる補正を計算し、フィードラインを駆動する信号に補正を適用させる。
【００１５】
[0023]  この技法は、いずれの先行技術の電気的測定（例えば、ピックアップ・アンテナを採用することによる）よりも遙かに好ましい。何故なら、共振器の中心において、そこのマイクロ波磁場を乱すことなく、マイクロ波位相およびパワーを形成する(establish)電気的方法がないからである。更に、時計本体の温度変動により、いずれの電気プローブもそれ自体が精度低下を受けるのに対して、真空セルにおける原子は時計本体と干渉せず、したがって、共振器において形成されたマイクロ波磁場の絶対位相およびパワーの変化を精度高く判定するための基準として役割を果たすことができる。
【００１６】
[0024]  図１は、本願にしたがって非常に均一なマイクロ波磁場１２６を維持することによって、高精度の原子時計（即ち、冷原子時計１０）を動作させるシステム１１の実施形態の模式図である。システム１１は、冷原子時計１０が安定した周波数基準を供給する間に、冷原子時計１０の継続的(ongoing)較正を行うことによって、非常に均一なマイクロ波磁場１２６を維持するように構成されている。継続的較正を実行することによって、冷原子時計は大きな温度の揺れにわたって精度を維持する。システム１１は、冷原子時計１０、局部発振器操作回路(steering circuit)２７における局部発振器２６、メモリ３５、少なくとも１つのプロセッサ２０、および記憶媒体３０における少なくとも１つのアルゴリズム４０を含む。随意に、システム１１は少なくとも１つの温度センサ４５と温度コントローラ４６を含む。
【００１７】
[0025]  この実施形態の一実施態様では、メモリ３５はプロセッサ２０の内部にある。プロセッサ２０は、冷原子時計１０および少なくとも１つのアルゴリズム４０と通信可能に結合されている。プロセッサ２０は、本明細書において説明するように冷原子時計１０を較正するために少なくとも１つのアルゴリズム４０を実行する。局部発振器操作回路２７は、冷原子時計１０に通信可能に結合されている。この実施形態の一実施態様では、少なくとも１つの温度センサ４５は、冷原子時計１０の温度を検知するように構成されている。温度コントローラ４６は、少なくとも１つの温度センサ４５からのデータを入力するように通信可能に結合されている。温度コントローラ４６は、冷原子時計０の温度変化を示す情報をプロセッサ２０に提供するために、プロセッサ２０に通信可能に結合されている。
【００１８】
[0026]  冷原子時計１０は、共振器１００、４つの例証的なマイクロ波フィードライン１０１、１０２、１０３、および１０４、ならびにそれぞれのマイクロ波フィードライン１０１、１０２、１０３、および１０４と関連付けられた４つの位相および振幅調節モジュール１５１、１５２、１５３、および１５４を含む。共振器１００は、原子雲１２５によって占められる空間領域内にマイクロ波磁場を生成するために、マイクロ波フィードライン１０１、１０２、１０３、および１０４によって駆動される。マイクロ波フィードラインにおいて位相または振幅に対する調節が必要と判断されたとき（以下で説明するように）、このマイクロ波フィードラインに関連付けられた位相および振幅調節モジュールに信号が送られ、この信号に応答して、位相または振幅が調節される。
【００１９】
[0027]  冷原子時計１０のある種の実施形態では、真空セル１２６がマイクロ波共振器１００内に取り付けられる。真空セル１２６は、真空セル１６内部の特定の位置において原子を冷却／捕獲するレーザ・ビーム１２７を受け入れる。少なくとも１つの実施態様では、真空セル１２６上のファセット・ウィンドウ(faceted window)が、マイクロ波共振器内に嵌め込まれた(fit)真空セル１２６内へのレーザ・ビームの導入を可能にする。更に、マイクロ波共振器１００は真空セル１２６を包囲し、冷原子雲１２５によって占められる真空セル１２６の内部空間領域内にマイクロ波磁場を生成する。
【００２０】
[0028]  この実施形態の一実施態様では、冷原子時計は、冷原子センサとして実装されるために、物理パッケージ内に収容される。この実施形態の他の実施態様では、共振器は、共振器の軸に沿った均一な直線偏波と、共振器および真空セル１２６内部の空間領域ｘ全域に空間的に均一な位相とを有するマイクロ波磁場を生成する。少なくとも１つの実施態様では、真空セル１２６内部の原子がルビディウム原子である場合、共振器は、真空セル１２６内部に６．８３５ＧＨｚの周波数を有するマイクロ波磁場を生成し、生成される周波数は、マイクロ波時計における時計遷移として一般に使用される原子の基底状態の超微細遷移の共振周波数である。
【００２１】
[0029]  プロセッサ２０は、較正プロセスの一部として、複数の補助測定サイクルを、それぞれの複数のマイクロ波フィードラインの部分集合において実行するように構成されている。少なくとも１つのアルゴリズム４０は、プロセッサ１０によって、較正中に、冷原子時計１０における少なくとも２本のマイクロ波フィードラインの位相およびパワーに対して最適な（改善された）動作パラメータに収束するために実行される。
【００２２】
[0030]  冷原子時計１０は、概略的に、ボックスとして表され、現在入手可能なまたは今後開発される種々のタイプの冷原子時計の内任意の１つとすることができる。例えば、冷原子時計１０は、２０１５年７月１４日に発行されSYSTEMS AND METHODS FOR A COLD ATOM FREQUENCY STANDARD（冷原子周波数標準のためのシステムおよび方法）と題する米国特許第９，０８３，３６３号に記載されている冷原子時計の実施形態とすることができる。米国特許第９，０８３，３６３号をここで引用したことにより、その全内容が本願にも含まれるものとし、本明細書では’３６３特許と呼ぶことにする。冷原子時計１０は、通信可能にプロセッサ２０に結合され、プロセッサ２０は記憶媒体３０内にあるアルゴリズム４０を実行する。この実施形態の一実施態様では、本明細書において説明する冷原子時計は、微小、バッテリ給電型マイクロ波親時計(primary clock)である。
【００２３】
[0031]  マイクロ波フィードライン１０１、１０２、１０３、および１０４は、それぞれ、Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤの記号が付せられた矢印として示されている。この文書では、マイクロ波フィードライン１０１を「Ａ」または「Ａケーブル」と呼び、マイクロ波フィードライン１０２を「Ｂ」または「Ｂケーブル」と呼び、マイクロ波フィードライン１０３を「Ｃ」または「Ｃケーブル」と呼び、マイクロ波フィードライン１０４を「Ｄ」または「Ｄケーブル」と呼ぶ。
【００２４】
[0032]  共振器１００には、フィードラインの矢印が指し示す点においてギャップが示されている。この実施形態では、フィードライン１０１〜１０４は、ループ・ギャップ共振器１００に容量的に結合され、これらの導体およびシールドは、これらが指し示すギャップの異なる側に電気的に接続されている。一実施形態では、フィードライン１０１〜１０４を共振器１００に結合するために、バラン変圧器が使用される。図１に示すように、マイクロ波フィードライン１０１はマイクロ波フィードライン１０２と対抗し、マイクロ波フィードライン１０３および１０４と直交する。つまり、マイクロ波フィードライン１０３および１０４も互いに直交する。
【００２５】
[0033]  図２Ａは、本願にしたがって、マイクロ波信号を供給する共振器２００、ならびに４本のマイクロ波フィードライン２０１、２０２、２０３、および２０４の実施形態を示す。共振器２００は、軸方向に沿って２つの異なる位置にフィードラインを有し、２つの位置は、「上位」レベルおよび「下位」レベルと呼ぶこともできる。図１に示したように、マイクロ波フィードライン２０１はマイクロ波フィードライン２０２に対向し、これらは双方共共振器２００の上位レベルに繋がる。マイクロ波フィードライン２０３はマイクロ波フィードライン２０４に対向し、これらは双方共共振器２００の下位レベルに繋がる。マイクロ波フィードライン２０１はマイクロ波フィードライン２０３の上にある。マイクロ波フィードライン２０２はマイクロ波フィードライン２０４の上にある。共振器２００は、ループ・ギャップ共振器２００であり、円筒状シールドの内部に金属製のスロット付きループを含む。このループは、ギャップによってループに沿って分離された電極によって形成され、このループは、’３６３特許において記載されているように、電極をシールドに接続する支持体によって支持されている。共振器２００の形状は、共振するマイクロ波磁場の周波数を決定する。例えば、ギャップのサイズ、支持体の長さ、シールドの円周、および電極のサイズが、共振マイクロ波磁場の周波数を決定する。
【００２６】
[0034]  図２Ｂｉは、本発明にしたがって、８本のフィードライン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、および１０８によって誘導的に繋げられるループ・ギャップ共振器２０１の実施形態を示す。図２Ｂｉｉは、図２Ｂｉのループ・ギャップ共振器２０１の分解図を示す。図２Ｂｉｉにおいて、フィードライン１０１および１０５は、関連する円領域２２１からずれて示され、フィードライン１０２および１０６は関連する円領域２２２からずれて示され、フィードライン１０３および１０７は関連する円領域２２３からずれて示され、フィードライン１０４および１０８は関連する円領域２２４からずれて示されている。フィードライン１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、および１０８は、関連する円領域２２１、２２２、２２３、および２２４の上下にあるループ内で終端し、各駆動ライン上で正しい位相および振幅で駆動磁場によって付勢されると、中央領域２２０内にマイクロ波磁場を形成する(create)。
【００２７】
[0035]  図３は、本願にしたがって原子雲１２５を生成するための８本の同軸マイクロ波フィードライン３０１〜３０８および共振器３００の実施形態の模式図である。マイクロ波フィードライン３０１〜３０８は、それぞれ、Ａ〜Ｈの記号が付せられた矢印として示されている。共振器３００は、ループ・ギャップ共振器３００であり、容量性結合の実施形態では、フィードラインの矢印１０１〜１０８が結合される点にギャップがあることが示されている。図３に示すように、８本のマイクロ波フィードライン３０１〜３０８は全て、他を基準として、４５度の整数倍の角度（即ち、Ｌ×４５°、ここでＬは正の整数である）をなす。マイクロ波フィードライン３０１はマイクロ波フィードライン３０５と対向し、マイクロ波フィードライン３０３および３０７と直交する。マイクロ波フィードライン３０２は、マイクロ波フィードライン３０６と対向し、マイクロ波フィードライン３０４および３０８と直交する。この実施形態の他の実施態様では、共振器には３本のマイクロ波フィードラインがフィードされ、３本のマイクロ波フィードライン間の角度は、１２０度の整数倍となる。注記すべきこととして、フィードラインが共振器の周囲に対称的に配置されるのは通常のことであるが、本明細書において説明する較正方法の動作にとっては必ずしもそうではない。
【００２８】
[0036]  図１、図２Ａ、図２Ｂｉ、および図３は、種々の共振器およびマイクロ波フィードラインの構成を示す。本明細書において説明する技法を実現するためには、他の共振器およびマイクロ波フィードラインの構成も使用することができる。本明細書において説明する技法に対する必須事項は、少なくとも２本のフィードラインが少なくとも２つのそれぞれのマイクロ波磁場を生成し、少なくとも２つのそれぞれのマイクロ波磁場の少なくとも一部が逆伝搬成分を含むことである。本明細書において説明するアルゴリズム４０は、マイクロ波フィードラインの位相およびパワーに対する最適な動作パラメータに収束する。しかしながら、共振器において生成されるマイクロ波磁場の均一性の最終的な品質は、マイクロ波フィードラインに使用される特定の外形(geometry)に応じて、良くなることも悪くなることもあり得る。
【００２９】
[0037]  図４は、本願にしたがって、マイクロ波フィードラインのパワーおよび位相の較正において、冷原子時計内に非常に均一なマイクロ波磁場を維持する方法の実施形態の流れ図である。方法４００について、図１および図３を参照しながら説明するが、この方法は冷原子時計システムの他の実施形態にも適用可能である。較正は、冷原子時計１０が安定した周波数基準として機能する間に連続的に進められる。
【００３０】
[0038]  較正プロセスの間、プロセッサ２０は少なくとも２回の補助測定サイクルを、マイクロ波フィードラインの少なくとも２つのそれぞれの部分集合において実行する。マイクロ波フィードラインの部分集合（ここでは「部分集合」とも呼ぶ）は、各々階層またはラウンド・ロビン比較動作網(comparison network)において駆動される。この実施形態の一実施態様では、メモリ３５が階層またはラウンド・ロビン比較動作網のフローを部分集合のために格納する。例えば、メモリ３５は、マイクロ波フィードラインの部分集合（例えば、ケーブルＡおよびＢの第１部分集合、ならびにケーブルＣおよびＤの第２部分集合）と、これらの部分集合の各々を駆動するためのシーケンス（例えば、ケーブルＡおよびＢの部分集合では、最初にケーブルＡ、次いでケーブルＢ）のリストとを格納することができる。この場合、所与の部分集合に対する補助測定サイクルが完了したとき、プロセッサ２０は次の部分集合（例えば、ケーブルＣおよびＤを含む部分集合）をメモリ３５から引き出し、次いで、この部分集合に対する階層またはラウンド・ロビン比較動作網においてこの部分集合が駆動される（例えば、ケーブルＣおよびＤの部分集合では、最初にケーブルＣ、次いでケーブルＤ）。
【００３１】
[0039]  階層またはラウンド・ロビン比較動作網の１つにおいて実行される補助測定サイクルについて、ブロック４０２〜４１０のプロセスに沿って説明する。
[0040]  ブロック４０２において、マイクロ波フィードラインの部分集合における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持し、この部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させつつ、共振器においてマイクロ波磁場を励起するためにこの部分集合を駆動する。
【００３２】
[0041]  ブロック４０４において、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しながら、共振器においてマイクロ波磁場によって励起される原子遷移の強度を測定する。補助測定サイクルのｉ番目の測定の間に、少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定サイクルのｉ番目のオフセット値に設定しつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定する。補助測定サイクルのｉ番目のオフセット値は、１）補助測定サイクルのｉ番目の測定中に変化させられている、部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーおよび／または位相と、２）時計測定値を得るために冷原子時計が動作させられているときの少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相との間の差である。
【００３３】
[0042]  所与の補助測定サイクルの間、部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を、複数のオフセット値を経て段階的に変化させつつ、数回の測定を行う。具体的には、補助測定サイクルの第１の測定を行うとき、少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を、補助測定サイクルの第１オフセット値に設定し、次いで補助測定サイクルの第２の測定を行うとき、少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定サイクルの第２オフセット値に設定する等、補助測定サイクルの間の全てのデータ点が収集されるまで続ける。
【００３４】
[0043]  所与の補助測定サイクルのための例証的な部分集合がＡおよびＢケーブル（図１）を含む場合、信号をＡおよびＢケーブルに印加することによって共振器１００においてマイクロ波磁場を励起する。図１に示すように、ＡおよびＢケーブルは共振器１００の対向側に結合する。補助測定サイクルの測定がこの部分集合に対して行われる毎に、Ｂによって供給されているマイクロ波のパワーおよび／または位相を（一定に保持されているＡに対して）変化させる（段階的に変化させる）。所与のケーブル（または複数のケーブル）によって供給されているマイクロ波の位相を３６０度にわたって段階的に変化させ、所与のケーブル（または複数のケーブル）によって供給されるマイクロ波のパワーを、所望のパワー範囲にわたって段階的に変化させる。位相の刻み幅、パワーの刻み幅、およびパワー範囲はメモリ３５に格納されている。次いで、Ａによって供給されているマイクロ波のパワーおよび／または位相を（一定に保持されているＢに対して）変化させる（または段階的に変化させる）。このように、ケーブルＡおよびＢは、階層またはラウンド・ロビン比較動作網において補助測定サイクルが行われる対象である部分集合である。他の例証的な部分集合では、ＡおよびＢで構成された部分集合（「ＡＢ」）を、これらの相対的なパワーおよび位相を固定して、駆動することができ、ＣおよびＤで構成された部分集合（「ＣＤ」）を、これらの相対的なパワーおよび位相を固定して、駆動することができ、「ＣＤ」に対する「ＡＢ」の相対的なパワーおよび／または位相を変化させる（段階的に変化させる）ことができる。同様に、複数のフィードラインのあらゆるまたは全ての組み合わせを階層またはラウンド・ロビン動作網において駆動することができるように、ＡおよびＣの部分集合、ならびにＢおよびＤの部分集合を形成し、同様に使用することもできる。集合Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ全体は、それ自体の部分集合と見なすこともできる。
【００３５】
[0044]  更に他の例では、所与の補助測定サイクルに対する部分集合は、Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブル（図３）を含み、信号をＣ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブルに印加することによって、マイクロ波磁場を共振器１００内に励起する。
【００３６】
[0045]  図３に示すように、ＣおよびＧケーブルは共振器１００の対向側に結合し、ケーブルＢおよびＦは共振器１００の対向側に結合する。Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブルの例証的な部分集合では、補助測定サイクルの測定がこの部分集合に対して行われる毎に、Ｃによって供給されているマイクロ波のパワーおよび位相を（一定に保持されているＧ、Ｂ、およびＦに対して）変化させる（段階的に変化させる）。次いで、他の補助測定サイクルでは、補助測定サイクルの測定がこの部分集合に対して行われる毎に、Ｇによって供給されているマイクロ波のパワーおよび／または位相を（一定に保持されているＣ、Ｂ、およびＦに対して）変化させる（段階的に変化させる）。次に、補助測定サイクルの測定がこの部分集合に対して行われる毎に、Ｂによって供給されているマイクロ波のパワーおよび位相を（一定に保持されているＦ、Ｃ、およびＧに対して）変化させる（段階的に変化させる）。次いで、補助測定サイクルの測定がこの部分集合に対して行われる毎に、Ｆによって供給されているマイクロ波のパワーおよび位相を（一定に保持されているＢ、Ｃ、およびＧに対して）変化させる（段階的に変化させる）。このように、このＣ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブルの部分集合に対する補助測定サイクルにおける階層またはラウンド・ロビン比較動作網においてＣ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブルを駆動する。当業者には理解されるように、Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブルには他の階層またはラウンド・ロビン比較動作網も可能である。
【００３７】
[0046]  Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブルの部分集合の例証的な場合では、冷原子時計１０が時計サイクル位相で動作するときに使用されるパワーおよび／または位相から少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび／または位相を変化させつつ、共振器におけるマイクロ波磁場によって駆動される原子遷移の強度を、Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦフィードラインの部分集合に対して測定する。
【００３８】
[0047]  ブロック４０４の測定を行った後、フローはブロック４０６に進む。ブロック４０６において、冷原子時計１０を時計測定サイクルに戻す前に、他の測定が必要か否か判断する。この実施形態の一実施態様では、プロセッサ２０は、Ｎ回の時計サイクルの間に２つ以上のｉ番目の測定値を収集するように構成されている。この場合、フローはブロック４０６からブロック４０２に進み、（ｉ＋１）番目のオフセット値に対して（ｉ＋１）番目の測定が行われる。一実施形態では、時計測定サイクルに戻る前に、所与の部分集合に対する補助測定シーケンスの全ての補助測定サイクルが同時に行われる。他の実施形態では、全ての部分集合に対する全ての補助測定シーケンスの全ての補助測定サイクルが、時計測定サイクルに戻る前に同時に行われる。この後者の場合、マイクロ波フィードラインのパワーおよび位相の完全な較正が一度に行われる。先に注記したように、全てのフィードラインの相対的な位相およびパワーの完全な較正には、Ｐ回の補助測定シーケンスからのデータが必要となる。例えば、温度センサ４５が冷原子時計１０の極端な温度変化を示す場合、プロセス２０は非常に均一なマイクロ波磁場を維持するために較正を開始することができる。
【００３９】
[0048]  この実施形態の他の実施態様では、プロセッサ２０は、Ｎ回の時計サイクルの間１回の補助測定サイクル(auxiliary-measurement cycle)を収集する(collect)ように構成される。この場合、フローは、ブロック４０２に戻ることなく、ブロック４０６からブロック４０８に進む。
【００４０】
[0049]  フローがブロック４０８に進むと、冷原子時計１０は、補助測定サイクルから時計測定サイクルに切り替わる。時計測定サイクルの間、全てのケーブルの位相およびパワーは、冷原子時計１０を動作させるために現在最適化されているレベルにあり、オフセット値になっていない。ブロック４０８において、Ｎ個の時計測定値が冷原子時計１０から出力されたか否か判定を行う。冷原子時計１０から出力された時計測定値がＮ個未満である場合、方法４００のフローは、Ｎ個の時計測定値が出力され終えるまで、ブロック４０８に戻る。Ｎ個の時計測定値が冷原子時計１０から出力されたと判定されたとき、方法４００のフローはブロック４０８からブロック４１０に進む。この実施形態の一実施態様では、プロセッサ２０は時計測定サイクルの数を数える。
【００４１】
[0050]  ブロック４１０において、プロセッサ２０は、マイクロ波フィードラインの部分集合に対する全ての補助測定サイクルが収集されたか否か判定する。実行中の補助測定シーケンスに追加のデータ点が必要とされる場合、フローはブロック４０２に戻る。所与の部分集合に対する１回の補助測定シーケンスは、ブロック４０２、４０４、４０６、４０８、および４１０を経て４０２に戻り、所与の補助測定シーケンスの間において全てのデータ点が収集されるまで、巡回することによって完了する。プロセッサ２０が、マイクロ波フィードラインの部分集合に対する補助測定シーケンスの全ての測定値が収集されたと判定した場合、フローはブロック４１２に進む。
【００４２】
[0051]  ブロック４１２において、補助測定シーケンスのために測定されたマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を処理することによって、マイクロ波フィードラインの部分集合間の相対的パワーおよび相対的位相を抽出する。
【００４３】
[0052]  Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブルの部分集合の例証的な場合では、プロセッサ２０は、ブロック４０４を参照して説明した補助測定値に対する原子遷移の測定強度を処理する。次いで、プロセッサ２０は、原子遷移の測定強度に対してアルゴリズム４０の１つ以上を実行して、マイクロ波フィード・ラインＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨの内部分集合Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦの間の相対的パワーおよび相対的位相を抽出する。
【００４４】
[0053]  ブロック４１４において、プロセッサ２０は、フィードラインの駆動によって共振器内に発生したマイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するためには部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上に調節が必要か否か判断するために、少なくとも１つのアルゴリズム４０を実行する。Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦケーブルの部分集合の例証的な場合では、プロセッサ２０は、共振器に伝達されたマイクロ波エネルギの位相またはパワーの内１つをバランスさせるためには、マイクロ波フィード・ラインＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨの内部分集合Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦにおいて、マイクロ波フィード・ラインＣ、Ｇ、Ｂ、およびＦの１本以上に調節が必要か否か判断するために、少なくとも１つのアルゴリズム４０を実行する。
【００４５】
[0054]  ブロック４０８において調節が必要であると判断された場合、ブロック４１６において、冷原子時計の共振器においてマイクロ波磁場を励起するための複数のマイクロ波フィード・ラインＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨの内部分集合Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦにおけるマイクロ波フィード・ラインＣ、Ｇ、Ｂ、およびＦの１本以上を調節する。プロセッサ２０は、信号（図１において位相および振幅調節モジュール１５１、１５２、１５３、および１５４を指し示す矢印によって概略的に表される）を位相および振幅調節モジュール１５１、１５２、１５３、および１５４の内１つ以上に送る。この信号に応答して、位相および振幅調節モジュール１５１、１５２、１５３、および／または１５４は、それぞれのマイクロ波フィードライン１０１、１０２、１０３、および／または１０４の位相および／またはパワーを調節する。
【００４６】
[0055]  フィードラインによって時計に伝達されたマイクロ波エネルギの位相およびパワーがバランスされると、冷原子時計１０は非常に均一なマイクロ波磁場を維持し、冷原子時計１０は高精度となる。このように、プロセッサ２０によって実行可能な少なくとも１つのアルゴリズム４０は、複数のマイクロ波フィードラインの位相およびパワーに対して改善された（最適な）動作パラメータに収束する。
【００４７】
[0056]  つまり、ブロック４０２および４０４において、マイクロ波を短期間パルス状で供給し、レーザによって原子を測定し、信号を得る。ケーブルの１本以上の部分集合によって供給されるマイクロ波のパワーおよび／または位相を段階的に変化させることによって（１つ以上の部分集合における１つ以上の変化させないケーブルに対して）、補助測定サイクルについての新たなデータを、メモリ３５内に既に格納されているデータに追加する。プロセッサ２０は、メモリ３５からのアルゴリズム４０を使用して、マイクロ波フィードライン１０１〜１０４間の相対的な位相およびパワーを計算することができる。プロセッサ２０は、アルゴリズム４０を使用して、冷原子時計１０の動作を最適化するために、マイクロ波フィードライン１０１〜１０４の内任意のもののパワーおよび／または位相に対して必要なあらゆる調節を計算する。
【００４８】
[0057]  ブロック４１８において、プロセッサ２０は、複数のマイクロ波フィードラインから他の部分集合を選択し、フローはブロック４０２に戻り、他の補助測定シーケンスの間におけるデータを収集する。他の補助測定シーケンスは、ブロック４１６において選択した、複数のマイクロ波フィードラインからの部分集合において実行する。このように、マイクロ波フィードラインのパワーおよび位相の連続較正には、時計信号が差し挟まれ(interleave with)、一方プロセッサ２０によって実行されるアルゴリズム４０は、複数のマイクロ波フィードラインの部分集合に対して補助測定シーケンスを繰り返した後、マイクロ波フィードラインの位相およびパワーの最適な動作パラメータに収束する。
【００４９】
[0058]  例えば、マイクロ波フィードラインの次の部分集合は、Ｅ、Ａ、Ｃ、およびＧケーブルの１組（図３）とすることができる。この実施形態の他の実施態様では、プロセッサ２０はマイクロ波フィードラインの次の部分集合を示す情報をメモリ３５から引き出す。
【００５０】
[0059]  マイクロ波フィード・ラインＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨの例証的な場合では、プロセッサ２０は、Ｃ、Ｇ、Ｂ、およびＦの第１例証的部分集合、Ｄ、Ｈ、Ｅ、Ａの第２例証的部分集合、Ｄ、Ｈ、Ｆ、およびＢの第３例証的部分集合、Ｃ、Ｇ、Ａ、およびＥの第４例証的部分集合を処理した後、マイクロ波フィード・ラインＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨの位相およびパワーに対する最適な動作パラメータに収束する。勿論、他の部分集合を使用することができ、もっと多いまたは少ない部分集合を使用することもできる。
【００５１】
[0060]  このように、各ケーブルによって伝達されるマイクロ波のパワーおよび位相を最適化することができる。これは、このようなマイクロ波共振器１００に基づいて、冷原子時計１０の性能を改善する。
【００５２】
[0061]  これより、ブロック４０２および４０４において実施されたプロセスの物理的過程(physics)について、図１におけるケーブルの例証的な補助較正サイクルについて説明する。この例証的な補助較正サイクルでは、マイクロ波フィードライン１０１を付勢する間、他のマイクロ波フィードライン１０２〜１０４は付勢されない。この例証的な補助較正サイクルでは、マイクロ波パルスの期間を補助測定サイクルのオフセット値に変化させる（段階的に変化させる）。マイクロ波磁場の励起強度は、時計遷移において駆動される原子の数に反映され、この測定値が、プロセッサによって設定されたデータに追加され、メモリに保持される。１つ以上の補助較正サイクルの後、固定値の位相およびパワーで付勢されたフィードラインの現在の部分集合によって駆動された原子の「ラビ・フロッピング期間」を、プロセッサが計算するのに十分なデータ集合がメモリに保持される。図５Ａは、２本の逆伝搬フィードライン（例えば、マイクロ波フィードライン１０１および１０２）間の位相差の関数とした、正規化ラビ・フロッピング期間のプロットである。図５Ａにおける各データ点は、プロセッサによって実行された計算の出力であり、ラビ・フロッピング期間は、１組の１つ以上の測定値の数値処理によって抽出される。１組の１つ以上の測定値は、占拠数移動(population transfer)対パルス期間の変調パターンを形成する。占拠数は、原子に適用されるマイクロ波パルスの種々の期間にマイクロ波磁場によって時計遷移において駆動される原子の数である。図５Ｂは、強度を駆動するマイクロ波磁場の正規化強度に対する位相のプロットであり、正規化ラビ・フロッピング期間の逆数に関係することから、位相は図５Ａにおけると同じデータから導き出される。これらの曲線は、フィードラインの相対的な位相およびパワーがデータ点から推論される数値処理の結果である。
【００５３】
[0062]  図５Ａにおいてブロック５０によって包囲されたエリアは、例えば、実線、短い破線、および長い破線を比較して、バランスされた位相およびパワーが最も速いラビ・フロッピング信号と、データ点対位相のピーク対バリーに最大のコントラストとを生成する最適動作条件のエリアである。当業者には分かるように、ラビ・フロッピング期間は、２つのエネルギ・レベル間のエネルギ分割によって共振またはその近くの駆動磁場によって結合された２つのエネルギ・レベル間で、原子波関数に遷移を行わせる速度(rate)である。その測定値は、マイクロ波磁場と原子遷移との間の結合の強度を伝える。共振マイクロ波磁場で照明された２レベル・システムのレベル間におけるラビ・フロッピングは、ラビ・フロッピング期間の期間で生じる。ラビ周波数は、ラビ・フロッピング期間にわたって、２πに等しい。
【００５４】
[0063]  原子遷移が２つのレベル間における磁気双極遷移である場合、共振ラビ周波数(on-resonance Rabi frequency)ｂｉ，ｊは、
【００５５】
【数１】
0006752133.tif 000002
【００５６】
として定義され、ここで、
【００５７】
【数２】
0006752133.tif 000003
【００５８】
は、ｉ→ｊ遷移に対する磁気遷移双極モーメントであり、
【００５９】
【数３】
0006752133.tif 000004
【００６０】
は、分極(polarization)を含むベクトル磁場振幅である。
[0064]  マイクロ波フィードライン１０１および１０２に対してパワーの粗いバランスを行うために、マイクロ波フィードライン１０１のパワーおよび位相を固定にして、１つ以上の補助測定サイクルからのデータで構成される占拠数移動の変調パターンを、プロセッサ２０によって分析する。次に、マイクロ波フィードライン１０２を付勢するが、他のマイクロ波フィードライン１０１および１０３〜１０４を付勢せず、１つ以上の補助測定サイクルからのデータで構成される占拠数移動の新たな変調パターンをプロセッサ２０によって分析する。最後に、ラビ・フロッピング期間を、マイクロ波フィードライン１０１によって生成されたそれに等しくなるように、マイクロ波フィードライン１０２へのパワーを調節する。このプロセスは、マイクロ波フィードライン１０１および１０２に対してパワーの粗いバランスを行う。
【００６１】
[0065]  次いで、直前のステップからのマイクロ波フィードライン１０１およびマイクロ波フィードライン１０２に対するパワー設定値を保持しながら、マイクロ波フィードライン１０１およびマイクロ波フィードライン１０２の双方を付勢する。次に、マイクロ波フィードライン１０２の位相を、マイクロ波フィードライン１０１に対してスキャンする。マイクロ波フィードライン１０１および１０２に同時に伝達された印加マイクロ波パルスの様々な周期に対する１つ以上の補助測定サイクルからのデータで構成された占拠数移動の変調バターンの分析によって、ラビ・フロッピング期間を測定する。プロセッサ２０は、ラビ・フロッピング期間を最小化する位相を判定する。このプロセスは、マイクロ波フィードライン１０１および１０２に対して位相の粗い調節を行う。
【００６２】
[0066]  一旦位相およびパワーのバランスに対する粗い調節を完了したなら、次に、マイクロ波フィードライン１０１および１０２の位相およびパワーの微調整を以下のように完了する。ラビ・フロッピング時間対位相曲線のピークまたはその付近にあるマイクロ波フィードライン１０２の位相を選択する。注記すべきこととして、これは、通常の時計動作中にマイクロ波磁場の均一性を最大化する位相値に関して、ほぼ１８０度「ずれる」(wrong)。ラビ・フロッピング時間がその最大値になる（即ち、原子遷移に対するマイクロ波磁場の結合強度がその最小の最も弱い値を取る）まで、マイクロ波フィードライン１０２のパワーに対する調節を行う。これは、フィードライン１０１および１０２間においてパワー・バランスの細かい設定を構成する。次いで、プロセッサ２０は、マイクロ波フィードライン１０１および１０２間におけるラビ・フロッピング期間対相対位相のモデルを計算する。このモデルは、最小ラビ・フロッピング期間に対応する位相、つまり、原子遷移に対するマイクロ波磁場の結合強度がその最大の最も大きな値を取るときの位相を識別するために使用される。これは、冷原子時計１０にとってライン１０１および１０２間の相対位相の望ましい動作点であり、マイクロ波フィードライン１０２の位相をこの点において取り込む。これは、フィードライン１０１および１０２間における相対位相の細かい設定を構成する。このように、マイクロ波フィードライン１０１および１０２の位相およびパワーは、時計モードにあるときの時計の性能を最適化するやり方で、細かくバランスされる。
【００６３】
[0067]  次いで、このプロセスは、ブロック４０２〜４１０において次の補助測定サイクルの間複数のマイクロ波フィードライン１０１〜１０４におけるマイクロ波フィードラインの他の部分集合（例えば、マイクロ波フィードライン１０３および１０４）のために繰り返される。例えば、このプロセスは、４本のマイクロ波フィードライン１０１〜１０４（図１）の内２本のマイクロ波フィードライン１０１および１０２を付勢するが、４本のマイクロ波フィードラインの内他の２本のマイクロ波フィードライン１０３および１０４を付勢せずに、繰り返される。本文書を読んで理解したことに基づいて理解できるように、ＣＤ対およびＡＢ対間における共通振幅および共通位相に対して調節を行う。これは、マイクロ波フィードライン１０１〜１０４（例えば、Ａ〜Ｄ）の全ての位相およびパワーのバランスを取る。
【００６４】
[0068]  複数マイクロ波フィードライン、例えば、Ａ〜Ｄに奇数のマイクロ波フィードラインがあるとき、Ａのみを付勢し、次いでＢのみを付勢し、次いでＣのみを付勢することによって、Ａ、Ｂ、およびＣの粗調整を行う。これは、これらのラインのパワー・バランスの粗調整を構成する。次いで、３本のライン全てを付勢しながら、ラビ期間を最小化するようにＢの位相を調節する。次いで、ラビ期間を更に最小化するようにＣの位相を調節し、次いで更にラビ時間を最小化するようにＡの位相を調節する。これは、包括的な最小化ラビ時間が得られるまで、繰り返し行われ、駆動ラインの位相の粗調整を構成する。次いで、Ａ、Ｂ、およびＣのパワーの微調整を以下のように決定する(determine)。Ａの位相を維持し、ラビ期間に対するそれらの位相の二次元マップを掃引するためにＢおよびＣの位相を繰り返し調節する。このマップには最大ラビ期間のピークが存在する。しかるべき二次元最大化アルゴリズムを実行することによって、このピークを識別する。ＢおよびＣの位相をこのピークまたはその付近に設定する。次いで、ＢおよびＣのパワーを調節する。他のしかるべき二次元最大化アルゴリズムを実行することによって、ピークをできるだけ大きくするように、即ち、マイクロ波磁場の原子遷移に対する結合を最小化するように、ＢおよびＣのパワーを調節する。これは、フィードＡ、Ｂ、およびＣ間におけるパワー・バランスの細かい設定を構成する。最終的な２−Ｄマップを処理して、ラビ時間対Ａに対するＢの位相、およびラビ時間対Ａに対するＣの位相のモデルを得る。このモデルは、最小ラビ期間の点を識別するために使用される。ＢおよびＣの位相はこの点に設定される。このように、Ａ、Ｂ、およびＣの位相は、時計モードにあるときに時計の性能を最適化するやり方で、細かくバランスされる。
【００６５】
[0069]  この較正プロセスは、先行技術の冷原子時計であれば性能劣化が生ずる大きな温度の揺れを冷原子時計１０が受けても、冷原子時計１０の性能の劣化を防止する。
[0070]  プロセッサ２０は、本明細書において説明した冷原子時計において使用される種々の方法、プロセス・タスク、計算、および制御機能を実行するためのソフトウェア・プログラム、ファームウェア、またはその他のコンピュータ読み取り可能命令によって機能する。一実施態様では、プロセッサ２０は、特定用途集積回路（ＡＳＩＣ）またはフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）のような、プロセッサ・サポート・チップおよび／またはシステム・サポート・チップを含む。
【００６６】
[0071]  これらの命令は、通例、コンピュータ読み取り可能命令またはデータ構造の格納に使用される任意のしかるべきコンピュータ読み取り可能媒体上に格納される。コンピュータ読み取り可能媒体は、汎用または特殊目的コンピュータあるいはプロセッサによってアクセスすることができる任意の入手可能な媒体として、あるいは任意のプログラマブル論理デバイスとして実現することができる。適したプロセッサ読み取り可能媒体には、磁気または光媒体のような、記憶媒体またはメモリ媒体を含むことができる。例えば、記憶媒体またはメモリ媒体は、従来のハード・ディスク、コンパクト・ディスク−リード・オンリ・メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）（同期ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＤＲＡＭ）、データ倍速（ＤＤＲ）ＲＡＭ、ＲＡＭＢＵＳダイナミックＲＡＭ（ＲＤＲＡＭ）、スタティックＲＡＭ（ＳＲＡＭ）等を含むがこれらに限定されるのではない）、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブルＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、およびフラッシュ・メモリ等のような揮発性または不揮発性媒体を含むことができる。また、適したプロセッサ読み取り可能媒体は、ネットワークおよび／またはワイヤレス・リンクのような通信媒体を通じて伝送される電気信号、電磁信号、またはディジタル信号というような送信媒体も含むことができる。
【００６７】
[0072]  実施形態例
[0073]  例１は、非常に均一なマイクロ波磁場を維持する冷原子時計の動作方法であって、この方法は、部分集合における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持し、部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させつつ、共振器においてマイクロ波磁場を励起するためにマイクロ波フィードラインの部分集合を駆動するステップと、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起される原子遷移の強度を測定するステップと、少なくとも１つの補助測定サイクルにおいて測定されたマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を処理することによって、マイクロ波フィードラインの部分集合間の相対パワーおよび相対位相を抽出するステップと、抽出に基づいて、マイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するために、マイクロ波フィードラインの部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上に対して調節が必要か否か判断するステップとを含む。
【００６８】
[0074]  例２は、例１の方法を含み、更に、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動する間に共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定することに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るステップを含み、Ｎが正の整数である。
【００６９】
[0075]  例３は、例１〜２のいずれかの方法を含み、更に、調節が必要であると判断した場合、マイクロ波フィードラインの部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上のパワーおよび／または位相を調節するステップを含む。
【００７０】
[0076]  例４は、例１〜３のいずれかの方法を含み、部分集合における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持し、部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させつつ、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動するステップが、部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第１オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場を励起するためにマイクロ波フィードラインの部分集合を駆動するステップと、部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第２オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場を励起するためにマイクロ波フィードラインの部分集合を駆動するステップとを含む。
【００７１】
[0077]  例５は、例４の方法を含み、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起される原子遷移の強度を測定するステップが、補助測定シーケンスの第１測定値を得るために、部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第１オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定するステップと、補助測定シーケンスの第２測定値を得るために、部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第２オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定するステップとを含む。
【００７２】
[0078]  例６は、例５の方法を含み、更に、補助測定シーケンスの第１測定値を得たことに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るステップであって、Ｎが正の整数である、ステップと、補助測定シーケンスの第２測定値を得たことに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るステップとを含む。
【００７３】
[0079]  例７は、例１〜６のいずれかを含み、更に、マイクロ波フィードラインの他の部分集合を選択するステップを含む。
[0080]  例８は、例１〜７のいずれかの方法を含み、部分集合における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持し、部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させつつ、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動するステップと、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起される原子遷移の強度を測定するステップが、マイクロ波フィードラインの第１部分集合を駆動しつつ、第１部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第１オフセット値にするステップと、第１部分集合に対して補助測定シーケンスの第１測定値を得るために、第１部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第１オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定するステップとを含む。この方法は、更に、補助測定サイクルの第１測定値を得たことに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るステップであって、Ｎが正の整数である、ステップを含む。部分集合における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持し、部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させつつ、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動するステップ、およびマイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定するステップは、更に、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第２オフセット値にしつつ、マイクロ波フィードラインの第１部分集合を駆動するステップと、第１部分集合に対して補助測定シーケンスの第２測定値を得るために、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定サイクルの第２オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定するステップとを含む。
【００７４】
[0081]  例９は、例８の方法を含み、更に、第１部分集合に対して補助測定シーケンスの第２測定値を得たことに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るステップを含む。
[0082]  例１０は、例９の方法を含み、更に、マイクロ波フィードラインの第１部分集合に対する補助測定シーケンスの間において全ての測定値が収集されたか否か判定するステップを含み、補助測定シーケンスの間に測定されたマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を処理することによって、マイクロ波フィードラインの部分集合間における相対パワーおよび相対位相を抽出するステップが、マイクロ波フィードラインの第１部分集合に対する補助測定シーケンスの間において全ての測定値が収集されたと判定したことに応答して、第１部分集合に対する補助測定シーケンスにおける全ての測定の間に測定されたマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を処理することによって、マイクロ波フィードラインの第１部分集合間における相対パワーおよび想定位相を抽出するステップを含む。
【００７５】
[0083]  例１１は、例１０の方法を含み、マイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するために、マイクロ波フィードラインの部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上に対して調節が必要か否か判断するステップが、マイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するために、マイクロ波フィードラインの第１部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上に対して調節が必要か否か判断するステップを含み、この方法は、更に、調節が必要であると判断された場合、マイクロ波フィードラインの第１部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上を調節するステップを含む。
【００７６】
[0084]  例１２は、 高精度原子時計を動作させるシステムを含み、このシステムは、複数のマイクロ波フィードラインと、複数のマイクロ波フィードラインに関連付けられたそれぞれの複数の位相および振幅調節モジュールとを含む冷原子時計と、冷原子時計に通信可能に結合されたプロセッサであって、複数のマイクロ波フィードラインの部分集合に対して補助測定シーケンスを実行するように構成される、プロセッサと、複数のマイクロ波フィードラインの位相およびパワーに対して改善された動作パラメータに収束するように、プロセッサによって実行可能な少なくとも１つのアルゴリズムとを含む。
【００７７】
[0085]  例１３は、例１２のシステムを含み、プロセッサが、共振器においてマイクロ波磁場を励起するために、複数のマイクロ波フィードラインの部分集合における少なくとも１本のマイクロ波フィードラインのパワーおよび位相を一定に保持し、この部分集合における少なくとも１つの他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を変化させつつ、 この部分集合を駆動し、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起される原子遷移の強度を測定し、補助測定サイクルの間に測定されたマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を処理することによって、マイクロ波フィードラインの部分集合間の相対パワーおよび相対位相を抽出し、抽出に基づいて、マイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するために、マイクロ波フィードラインの部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上に対して調節が必要か否か判断するように構成される。
【００７８】
[0086]  例１４は、例１３のシステムを含み、プロセッサが、更に、調節が必要であると判断した場合、マイクロ波フィードラインの部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上を調節するように構成される。
【００７９】
[0087]  例１５は、例１３〜１４のいずれかのシステムを含み、プロセッサが、複数のマイクロ波フィードラインに関連付けられた複数の位相および振幅調節モジュールに通信可能に結合されており、マイクロ波フィードラインの第１部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上において調節が必要であると判断された場合、プロセッサは、調節すべきマイクロ波フィードラインの内１本以上と関連付けられた位相および振幅調節モジュールの内１つ以上に信号を送り、信号を入力したことに応答して、１つ以上の位相および振幅調節モジュールが、マイクロ波フィードラインの内１本以上の位相および振幅の内１つを調節する。
【００８０】
[0088]  例１６は、例１３〜１５のいずれかのシステムを含み、プロセッサが、更に、マイクロ波フィードラインの部分集合を駆動しつつ共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定したことに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るように構成され、Ｎが正の整数である。
【００８１】
[0089]  例１７は、例１２〜１６のいずれかのシステムを含み、更に、冷原子時計の温度を検知するように構成された少なくとも１つの温度センサと、少なくとも１つの温度センサからデータを入力するために通信可能に結合され、温度変化を示す情報をプロセッサに提供するために通信可能にプロセッサに結合された温度コントローラとを含む。
【００８２】
[0090]  例１８は、例１２〜１７のいずれかのシステムを含み、プロセッサが、更に、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第１オフセット値にしつつ、複数のマイクロ波フィードラインの第１部分集合を駆動し、第１部分集合に対して補助測定シーケンスの第１測定値を得るために、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第１オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定し、補助測定シーケンスの第１測定値を得たことに応答して、Ｎ個の時計測定値を得て、Ｎが正の整数であり、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第２オフセット値にしつつ、マイクロ波フィードラインの第１部分集合を駆動し、第１部分集合に対して補助測定シーケンスの第２測定値を得るために、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第２オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定し、第１部分集合に対して補助測定シーケンスの第２測定値を得たことに応答してＮ個の時計測定値を得て、マイクロ波フィードラインの第１部分集合に対する補助測定シーケンスの間において全ての測定値が収集されたか否か判定し、マイクロ波フィードラインの第１部分集合に対する補助測定シーケンスの間において全ての測定値が収集されたと判定したことに応答して、第１部分集合に対する補助測定シーケンスにおける全ての測定において測定されたマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を処理することによって、マイクロ波フィードラインの第１部分集合間における相対パワーおよび相対位相を抽出するように構成される。
【００８３】
[0091]  例１９は、冷原子時計において非常に均一なマイクロ波磁場を維持する方法を含む。この方法は、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第１オフセット値にしつつ、マイクロ波フィードラインの第１部分集合を駆動するステップと、第１部分集合に対して補助測定シーケンスの第１測定値を得るために、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第１オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定するステップと、補助測定サイクルの第１測定値を得たことに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るステップであって、Ｎが正の整数であるステップと、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第２オフセット値にしつつ、マイクロ波フィードラインの第１部分集合を駆動するステップと、第１部分集合に対して補助測定シーケンスの第２測定値を得るために、第１部分集合における少なくとも１本の他のマイクロ波フィードラインのパワーまたは位相を補助測定シーケンスの第２オフセット値にしつつ、共振器においてマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を測定するステップと、第１部分集合に対して補助測定サイクルの第２測定値を得たことに応答して、Ｎ個の時計測定値を得るステップと、マイクロ波フィードラインの第１部分集合に対する補助測定シーケンスの間において全ての測定値が収集されたか否か判定するステップと、マイクロ波フィードラインの第１部分集合に対する補助測定シーケンスに対して全ての測定値が収集されたと判定したことに応答して、この方法は更に、第１部分集合に対する補助測定シーケンスにおける全ての測定の間に測定されたマイクロ波磁場によって励起された原子遷移の強度を処理することによって、マイクロ波フィードラインの第１部分集合間における相対パワーおよび相対位相を抽出するステップと、マイクロ波磁場の位相および振幅の均一性を改善するために、マイクロ波フィードラインの第１部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上に対して調節が必要か否か判断するステップとを含む。
【００８４】
[0092]  例２０は、例１９の方法を含み、更に、調節が必要であると判断された場合、マイクロ波フィードラインの第１部分集合におけるマイクロ波フィードラインの内１本以上を調節するステップを含む。
【００８５】
[0093]  本明細書では、具体的な実施形態について例示し説明したが、同じ目的を達成すると考えられる任意の構成と、以上で示した具体的な実施形態を置換してもよいことは、当業者には認められよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることを意図しているのは明白である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂｉ】
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【図２Ｂｉｉ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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