JP3613575B2

JP3613575B2 - Atomic frequency standard

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Publication number: JP3613575B2
Application number: JP2000263321A
Authority: JP
Inventors: 憲萩本; 保喜古賀; 謙一郎高幣
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2005-01-26
Anticipated expiration: 2020-08-31
Also published as: JP2002076890A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子のエネルギ状態が遷移するときに吸収又は放出される電磁波の周波数を用いて標準周波数を得る原子周波数標準器に係わり、特に、原子のエネルギ状態に対してマイクロ波遷移を行なわせるための空洞共振器を改良した原子周波数標準器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９６７年に「秒」の定義にセシウム（^１３３Ｃｓ）原子のエネルギ遷移が採用されてから、このセシウム（^１３３Ｃｓ）原子のエネルギ遷移を用いて、いかに高い精度で時刻（時間）を測定するかの研究がなされてきた。この測定精度は、近年、相対精度が１０^−１３〜１０^−１４のオーダまで上昇している。したがって、現在まで、このように高い精度の標準周波数信号を出力する原子周波数標準器が開発され実用化されている。
【０００３】
この原子周波数標準器に利用されるセシウム（^１３３Ｃｓ）原子の遷移を図５に示す。図５において、セシウム（^１３３Ｃｓ）原子の基底状態（６^２Ｓ_１／２）における超微細準位をＦで示し、励起状態（６^２Ｐ_３／２）おける超微細準位をＦ‘で示した。
【０００４】
セシウム（^１３３Ｃｓ）原子の基底状態（６^２Ｓ_１／２）は、Ｆ（準位）＝４、３の超微細準位を有している。そして、標準周波数信号の作成に使用される遷移は［（Ｆ＝４，ｍ_Ｆ＝０）→（Ｆ＝３，ｍ_Ｆ＝０）］又は［（Ｆ＝４，ｍ_Ｆ＝０）←（Ｆ＝３，ｍ_Ｆ＝０）］である。但し、ｍ_Ｆは磁気量子数である。この遷移を特にクロック遷移と称する。セシウム原子のエネルギ状態を一つの超微細準位に揃えるには、移動中の原子（原子ビーム）に対して、磁界を印加するか、又は、セシウム（Ｃｓ）原子のＤ_２線（光）の波長λ（＝８５２．１ｎｍ）と同一波長を有するレーザ光を印加（光ポンピング）すればよい。
【０００５】
原子を単一のエネルギ状態に揃えるために光ポンピングを利用した原子周波数標準器は、例えば、図４に示すように構成されている。
【０００６】
１０^−５〜１０^−６Ｐａ（パスカル）の高真空状態に維持されたＣｓ原子ビーム管１内に配設された原子ビーム発生器としてのＣｓ炉２から加熱されて蒸気状態になったセシウム（^１３３Ｃｓ）原子の原子ビーム３が出力される。このＣｓ炉２から出力された原子ビーム３の原子のエネルギ状態は、図５のエネルギ状態における基底準位Ｆ＝４と基底準位Ｆ＝３とに均等に分布している。
【０００７】
このエネルギ状態の原子ビーム３に対して、第１のレーザ光源４から出力されたセシウム（^１３３Ｃｓ）原子のＤ_２線（光）と同じ波長を有したσ偏光された第１のレーザ光５、及び第３のレーザ光源６から出力されたＤ_２線（光）と同じ波長を有したπ偏光された第３のレーザ光７が照射される。この各レーザ光５、７による光ポンピング作用により、原子ビーム３の基底準位Ｆ＝４のエネルギ状態の原子は励起準位Ｆ‘＝４へ励起され、その後極く短時間（３０ｎｓ）でＦ＝４、Ｆ＝３へ落ちるが、基底準位Ｆ＝３の原子は励起されないので、結果として、Ｃｓ炉２から出射された原子ビーム３の原子のエネルギ状態は基底準位Ｆ＝３に遷移する。
【０００８】
エネルギ状態が基底準位Ｆ＝３に遷移された原子ビーム３はラムゼイ（Ｒａｍｓｅｙ）型の空洞共振器８へ入射される。
【０００９】
この空洞共振器８には、水晶発振器９で発振され、周波数合成・逓倍器１０で図５のエネルギ準位図における基底準位の周波数（励振周波数ν）９１９３ＭＨｚに仮設定されたマイクロ波が印加されている。なお、水晶発振器９の発振周波数はサーボ増幅器１１にて可変制御される。さらに、この空洞共振器８には、原子ビーム３の進行方向に直交する方向に一様な静磁界（Ｃ磁界）１２が印加されている。この一様な静磁界（Ｃ磁界）１２を印加する理由は、空洞共振器８を用いた所定のマイクロ波遷移の効率を上げると共に、不要なマイクロ波遷移を抑制するためである。
【００１０】
空洞共振器８へ入射されたエネルギ状態が基底準位Ｆ＝３に遷移された原子ビーム３の原子は、この空洞共振状態の空洞共振器８の両端に穿設された一対の貫通孔１３ａ、１３ｂを通過する過程で、マイクロ波遷移が行われ、エネルギ状態が基底準位Ｆ＝４へ移る。
【００１１】
空洞共振器８を通過してエネルギ状態が基底準位Ｆ＝４になった原子ビーム３の原子は、第２のレーザ光源１４から出力された第１のレーザ光５に近い波長を有したσ偏光された第２のレーザ光１５が照射される。その結果、この第２のレーザ光１５によって、原子ビーム３の基底準位Ｆ＝４のエネルギ状態にある原子は励起準位Ｆ‘＝５へ励起され、ごく短時間の後に蛍光を発して元の基底準位Ｆ＝４に戻ることを繰り返す。
【００１２】
この遷移する過程で放出される原子ビーム３の原子からの蛍光を光検出器１６で検出する。光検出器１６は、検出した蛍光の光量を電気信号（ビーム電流）に変換してサーボ増幅器１１へ送出する。サーボ増幅器１１は、水晶発振器９の発振周波数ｆを順次変化させていって、入力した光量（ビーム電流）が最大値となる発振周波数ｆを検出する。そして、この発振周波数ｆを標準周波数ｆ_Ｓとする。
【００１３】
図６に、空洞共振器８に印加するマイクロ波の周波数（励振周波数ν）と、検出される原子ビーム３の光量（ビーム電流）との関係を示す。励振周波数νが共振周波数ν_０に一致した場合に、ビーム電流は鋭いピークを示すことが理解できる。したがって、この時点で、水晶発振器９から出力される信号が標準周波数信号１７となる。
【００１４】
図７は、このような構成の原子周波数標準器におけるラムゼイ（Ｒａｍｓｅｙ）型の空洞共振器８の詳細構成を示す斜視図であり、図８は正面図である。この空洞共振器８は、原子ビーム３が通過する貫通孔１３ａ、１３ｂが形成され互いに対向する一対の垂直部１８ａ、１８ｂと、各垂直部１８ａ、１８ｂに連通する水平部１９ａ。１９ｂとマイクロ波入力部２０とで構成されている。
【００１５】
このような構成のラムゼイ（Ｒａｍｓｅｙ）型の空洞共振器８に対して、マイクロ波入力部２０から、この空洞共振器８の一対の垂直部１８ａ、１８ｂと各水平部１９ａ、１９ｂとの寸法で定まる共振周波数ν_０を有するマイクロ波を印加すると、空洞共振器８内にマイクロ波の多数の定在波が発生する。図７、図８において、実線矢印は各定在波の最大の電界発生位置とその位置での電界方向を示し、点線矢印は各定在波の最大の磁界発生位置とその位置での磁界方向を示す。
【００１６】
図示するように、原子ビーム３が通過する貫通孔１３ａ、１３ｂは各垂直部１８ａ、１８ｂにおける定在波の最大の磁界発生位置でこの磁界方向に直交する方向に穿設されている。このように、定在波の最大の磁界発生位置に原子ビーム３を通すことにより、マイクロ波遷移をより効率的に行なえる。
【００１７】
そして、原子ビーム３が通過する貫通孔１３ａ、１３ｂ位置における点線矢印で示すマイクロ波の磁界方向に平行する静磁界１２を印加するための一対のコイル２１ａ、２１ｂがこの空洞共振器８を側方から挟むように配設されている。
【００１８】
しかしながら、図７，図８に示すラムゼイ（Ｒａｍｓｅｙ）型の空洞共振器８においては次のような問題がある。
【００１９】
すなわち、マイクロ波入力部２０から入力されたマイクロ波は水平部１９ａ。１９ｂを経由して垂直部１８ａ、１８ｂの底面で反射することによって定在波を形成する。しかし、底面におけける反射特性は、空洞共振器８の底部の材質や表面状態により微妙に異なる。その結果、定在波の発生位相が微妙に変動する。
【００２０】
定在波の位相が変動することは、原子ビーム３が通過する貫通孔１３ａ、１３ｂ位置におけるマイクロ波の磁界強度や電界強度が変動することになる。マイクロ波の磁界強度や電界強度が変動すると、この空洞共振器８を用いた原子ビーム３に対するマイクロ波遷移の遷移率が変動する。その結果、光検出器１６で検出されるビーム電流が変動し、出力される標準周波数信号１７の周波数が変動し、得られる標準周波数ｆ_Ｓも誤差が増大する。
【００２１】
このような不都合を解消するために、図９に示す、一対のＥベンド型リング共振器を用いた空洞共振器８ａが提唱されている。
【００２２】
この空洞共振器８ａは、原子ビーム３の経路に沿い、かつ互いに対向して配設された一対のＥベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂと、両端開口が各Ｅベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂの外周面から各リング共振器２２ａ、２２ｂ内に連通し、中央部にマイクロ波入力口２４が形成されたマイクロ波導入管２３とで構成されている。
【００２３】
このような構成の空洞共振器８ａにおいて、マイクロ波入力口２４から入力されたマイクロ波は、マイクロ波導入管２３を経由して、各Ｅベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂへ進入する。マイクロ波導入管２３から各Ｅベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂへ進入したマイクロ波は、図１０において二点鎖線で示すように、二方向に分離してＥベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂ中を互いに逆向きに進行する。
【００２４】
そして、このマイクロ波導入管２３が取付けられた周上位置の１８０°反対側位置に、原子ビーム３の貫通孔１３ａ、１３ｂが穿設されている。この位置では、２つの向きのマイクロ波は強度が同一で合成された結果、その進行波成分は０となる。つまり、マイクロ波の位相分布は小となり、これによる周波数誤差は小さくなる。
【００２５】
したがって、マイクロ波入力口２４から、この空洞共振器８ａのマイクロ波導入管２３と各Ｅベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂとの寸法で定まる共振周波数ν_０を有するマイクロ波を印加すると、空洞共振器８ａ内にマイクロ波の多数の定在波が発生する。
【００２６】
具体的には、図９、図１０に示すように、マイクロ波の各定在波の最大の電界発生位置とその位置での電界方向は、各Ｅベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂの周方向の各位置に実線矢印で示される位置と方向である。したがって、この電界方向は原子ビーム３の方向と直交している。一方、マイクロ波の各定在波の最大の磁界発生位置とその位置での磁界方向は各Ｅベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂの軸方向に点線矢印で示される位置と方向である。したがって、この磁界方向は原子ビーム３の方向と平行である。
【００２７】
このようなモードでマイクロ波の各定在波が発生するためには、各Ｅベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂにおける原子ビーム３方向（磁界方向）の幅Ｗを、原子ビーム３方向と直交する方向（電界方向）の高さＴより２倍以上大きく設定する必要がある。
なお、このように、リング型の共振器において、周方向に向かって電界方向が変化していくのをＥベンド型リング共振器と称する。
【００２８】
このように、各Ｅベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂ内において、マイクロ波は、共振器内の壁面や底面で反射されることなく、定在波が形成されるので、この形成された定在波の位相（最大電界位置や最大磁界位置）が共振器内の位置によって変動することはない。
【００２９】
したがって、マイクロ波導入管２３が取付けられた周上位置の１８０°反対位置、すなわち、定在波の磁界の最大位置に形成された貫通孔１３ａ、１３ｂ位置においては、電界変動や磁界変動は生じない。よって、原子ビーム３に対するマイクロ波遷移の遷移率が変動することはないので、出力される標準周波数信号１７の周波数変動を極力抑制でき、得られる標準周波数ｆ_Ｓの精度が上昇する。
【００３０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図９，図１０に示すような一対のＥベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂを用いた空洞共振器８ａが組込まれた原子周波数標準器においてもまだ次のような課題があった。
【００３１】
すなわち、先述したように、原子ビーム３に対する所定のマイクロ波遷移の効率を上げると共に不要なマイクロ波遷移を抑制するために、空洞共振器８ａを含む領域に一様な静磁界（Ｃ磁界）１２を与えておく必要がある。そして、この静磁界（Ｃ磁界）１２の方向は、原子ビーム３が通過する貫通孔１３ａ、１３ｂ位置におけるマイクロ波の磁界方向と一致させる必要がある。
【００３２】
この空洞共振器８ａにおいては、磁界方向と原子ビーム３の方向が一致しているので、原子ビーム３の方向の静磁界（Ｃ磁界）１２を発生させるためには、図１１に示すような、空洞共振器８ａ全体を覆う円筒状コイル２５を設ける必要がある。
【００３３】
しかし、空洞共振器８ａ全体を覆う円筒状コイル２５を設置するには、原子周波数標準器全体の構成が複雑化するとともに、装置全体が大型化し、かつ製造費が上昇する。
【００３４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、共振器内の定在波の位相変動を抑制し、出力される標準周波数を高い精度に維持した状態で、簡単な構成でマイクロ波の磁界方向と一致する静磁界（Ｃ磁界）を発生させることができ、簡単な構成で高精度の原子周波数標準器を提供することを目的とする。
【００３５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、原子ビーム発生器から出射された原子ビームの原子を２つのエネルギ状態の１つに統一し、この単一のエネルギ状態に対して、マイクロ波の磁界に平行する静磁界が印加された状態の空洞共振器でマイクロ波遷移を行なって別の１つのエネルギ状態に遷移させ、この遷移された原子の数量を検知することにより、その原子の数量が最大となる空洞共振器に印加するマイクロ波の周波数を標準周波数信号として出力する原子周波数標準器に適用される。
【００３６】
そして、上記課題を解消するために、本発明の原子周波数標準器に組込まれた空洞共振器は、原子の経路に沿い、かつ互いに対向して配設された一対のＨベンド型リング共振器と、両端開口が各Ｈベンド型リング共振器の互いに対向する面における周上一カ所で当該リング共振器内に連通し、かつ中央部にマイクロ波の入力口が形成されたマイクロ波導入管と、各Ｈベンド型リング共振器におけるマイクロ波導入管が取付けられた周上位置の１８０°反対側位置に形成された原子が通過する貫通孔とを備えている。
【００３７】
このように構成された原子周波数標準器に組込まれた空洞共振器においては、従来における一対のＥベンド型リング共振器の代わりに、一対のＨベンド型リング共振器が用いられる。Ｅベンド型リング共振器が、前述したように、リング型の共振器において周方向に向かって電界方向が変化していくのに対して、Ｈベンド型リング共振器においては、リング型の共振器において周方向に向かって磁界方向が変化していく。
【００３８】
したがって、このＨベンド型リング共振器においては、マイクロ波の磁界方向は、各Ｈベンド型リング共振器におけるマイクロ波導入管が取付けられた周上位置の１８０°反対側位置に形成された貫通孔を通る原子ビームの方向と直交する。よって、マイクロ波の磁界方向に平行に印加する必要がある静磁界（Ｃ磁界）は原子ビームの方向と直交する方向に印加すればよいので、Ｅベンド型リング共振器を用いた従来装置のように円筒状コイルを用いる必要がないので、コイルの構成を簡素化できる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
図１は実施形態に係る原子周波数標準器の概略構成図である。図４に示す従来の原子周波数標準器と同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【００４０】
この実施形態の原子周波数標準器においては、図４に示す従来の原子周波数標準器におけるラムゼイ（Ｒａｍｓｅｙ）型の空洞共振器８の代わりに、一対のＨベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂを用いた空洞共振器８ｂが組込まれている。この空洞共振器８ｂ以外は、図４に示した従来の原子周波数標準器とほぼ同一構成である。
【００４１】
このような構成の原子周波数標準器において、Ｃｓ原子ビーム管１内に配設された原子発生器としてのＣｓ炉２から出射された基底準位Ｆ＝４と基底準位Ｆ＝３とに均等に分布されたエネルギ状態を有する原子ビーム３に対して、第１のレーザ光源４から出力されたセシウム原子のＤ_２線（光）と同じ波長を有した第１のレーザ光５、及び第３のレーザ光源６から出力されたＤ_２線（光）と同じ波長を有した第３のレーザ光７が照射される。この各レーザ光５、７による光ポンピング作用により、原子ビーム３の基底準位Ｆ＝４の原子のエネルギ状態は基底準位Ｆ＝３に遷移する。
【００４２】
エネルギ状態が基底準位Ｆ＝３に遷移された原子ビーム３の原子は一対のＨベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂを用いた空洞共振器８ｂへ入射される。
【００４３】
この空洞共振器８ｂには、図２に示す一対のコイル２１ａ、２１ｂにて、原子ビーム３の進行方向に直交する方向でかつ空洞共振器８ｂ内のマイクロ波の磁界方向と平行な方向に一様な静磁界（Ｃ磁界）１２が印加されている。
【００４４】
空洞共振器８ｂへ入射されたエネルギ状態が基底準位Ｆ＝３に遷移された原子ビーム３の原子は、この空洞共振状態の空洞共振器８ｂの両端に穿設された一対の貫通孔１３ａ、１３ｂを通過する過程で、マイクロ波遷移が行われ、エネルギ状態が基底準位Ｆ＝４へ移る。
【００４５】
空洞共振器８ｂを通過してエネルギ状態が基底準位Ｆ＝４になった原子ビーム３の原子は、第２のレーザ光源１４から出力された第１のレーザ光５に近い波長を有した第２のレーザ光１５が照射される。その結果、このレーザ光１５によって、原子ビーム３の基底準位Ｆ＝４のエネルギ状態にある原子は励起準位Ｆ‘＝＝５へ励起され、ごく短時間の後に、蛍光を発して元の基底準位Ｆ＝４へ戻ることを繰り返す。
【００４６】
この遷移の過程で放出される原子ビーム３の蛍光が光検出器１６で検出され、電気信号に変換されてサーボ増幅器１１へ送出される。サーボ増幅器１１は、水晶発振器９の発振周波数ｆを順次変化させていって、入力した光量（ビーム電流）が最大値となる発振周波数ｆを検出して、この発振周波数ｆを標準周波数ｆ_Ｓとする。そして、水晶発振器９から標準周波数信号１７が出力される。
【００４７】
なお、このようなレーザ光源にセシウム原子のＤ_１線（光）波長λ（＝８９４．３ｎｍ）と同一の波長を有するレーザ光を使用することもできる。
【００４８】
次に、このような基本動作を行う原子周波数標準器に組込まれた空洞共振器８ｂの詳細を説明する。
【００４９】
図２は空洞共振器８ｂの斜視図であり、図３はこの空洞共振器８ｂを構成する一方のＨベンド型リング共振器２６ａの正面図である。この空洞共振器８ｂは、図示するように、原子ビーム３の経路に沿い、かつ互いに対向して配設された一対のＨベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂと、両端開口が各Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂの互いの対向面から各リング共振器２６ａ、２６ｂ内に連通し、かつ中央部にマイクロ波入力口２８が形成されたマイクロ波導入管２７とで構成されている。
【００５０】
このような構成の空洞共振器８ｂにおいて、マイクロ波入力口２８から入力されたマイクロ波は、マイクロ波導入管２７を経由して、各Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂへ進入する。マイクロ波導入管２７から各Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂへ進入したマイクロ波は、図１０に示した従来のＥベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂと同様に、二方向に分離してＨベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂ中を互いに逆方向に進行する。
【００５１】
このマイクロ波導入管２７が取付けられた周上位置の１８０°反対側位置に、原子ビーム３の貫通孔１３ａ、１３ｂが穿設されている。この位置では、２つの向きのマイクロ波は強度が同一で合成された結果、その進行波成分は０となる。つまり、マイクロ波の位相分布は小となり、これによる周波数誤差は小さくなる。したがって、マイクロ波入力口２８から、この空洞共振器８ｂのマイクロ波導入管２７と各Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂとの寸法で定まる共振周波数ν_０を有するマイクロ波を印加すると、空洞共振器８ｂ内にマイクロ波の多数の定在波が発生する。
【００５２】
具体的には、図２、図３に示すように、マイクロ波の各定在波の最大の磁界発生位置とその位置での磁界方向は、各Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂの周方向の各位置に点線矢印で示される位置と方向である。したがって、この磁界方向は原子ビーム３の方向と直交している。一方、マイクロ波の各定在波の最大の電界発生位置とその位置での電界方向は、各Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂの軸方向に実線矢印で示される位置と方向である。したがって、この電界方向は原子ビーム３の方向と平行である。
【００５３】
このようなモードでマイクロ波の各定在波が発生するためには、各Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂにおける原子ビーム３方向（電界方向）の幅Ｗａを、原子ビーム３方向と直交する方向（磁界方向）の高さＴａに対して１／２倍以下に設定する必要がある。
【００５４】
なお、このように、リング型の共振器において、周方向に向かって磁界方向が変化していくのをＨベンド型リング共振器と称する。
【００５５】
このように、各Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂ内において、マイクロ波は、共振器内の壁面や底面で反射されることなく、定在波が形成されるので、この形成された定在波の位相（最大電界位置や最大磁界位置）が共振器内の壁面や底面の材質や表面状態によって変動することはない。
【００５６】
したがって、マイクロ波導入管２７が取付けられた周上位置の１８０°反対位置、すなわち、定在波の磁界の最大位置に形成された貫通孔１３ａ、１３ｂの位置においては、電界変動や磁界変動は生じない。
【００５７】
よって、原子ビーム３に対するマイクロ波遷移の遷移率が変動することはないので、出力される標準周波数信号１７の周波数の変動を極力抑制でき、得られる標準周波数ｆ_Ｓの精度が上昇する。
【００５８】
また、Ｈベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂにおける貫通孔１３ａ、１３ｂ位置におけるマイクロ波の磁界方向は、図２、図１に示すように、原子ビーム３の進行方向に直交する方向であり、かつ、原子周波数標準器における垂直方向であるので、この空洞共振器８ｂに静磁界（Ｃ磁界）１２を印加するためのコイル２１ａ、２１ｂは、図４、図７に示す従来の原子周波数標準器と同様に、空洞共振器８ｂの両側（上下側）に配設された一対の平面状コイルで構成することが可能である。
【００５９】
したがって、図９、図１１に示した円筒状コイル２５が必要である一対のＥベンド型リング共振器２２ａ、２２ｂを採用した空洞共振器８ａが組込まれた原子周波数標準器に比較して、装置全体の構成をより簡素化でき、装置全体の製造費も低下できる。
【００６０】
さらに、図４に示す従来の原子周波数標準器におけるラムゼイ（Ｒａｍｓｅｙ）型の空洞共振器８を実施形態のＨベンド型リング共振器２６ａ、２６ｂを用いた空洞共振器８ｂに置き換えるのみで、静磁界（Ｃ磁界）を印加する平面状のコイル２１ａ、２１ｂをそのまま転用できる。したがって、図４に示す従来の原子周波数標準器から少ない改造費で上述した高い周波数精度を有した原子周波数標準器を得ることができる。
【００６１】
なお、本発明は上述した実施形態の原子周波数標準器に限定されるものではない。実施形態の原子周波数標準器においては、原子を単一のエネルギ状態に揃える手段として、当該原子のＤ_２線と同一波長を有するレーザ光を原子に照射した。すなわち、光ポンピング型の原子周波数標準器に本発明を適用したが、レーザ光の代りに、磁界を印加する磁気偏向型の原子周波数標準器にも適用できる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の原子周波数標準器においては、原子に対してマイクロ波遷移を行なわせるための空洞共振器を一対のＨベンド型リング共振器を用いて構成している。
したがって、構成を複雑化することなく、マイクロ波の磁界方向と一致する静磁界（Ｃ磁界）を発生させ、空洞共振器内の定在波の位相変動を抑制でき、出力される標準周波数を高い精度に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる原子周波数標準器の概略構成図
【図２】同実施形態の原子周波標準器に組込まれた空洞共振器の形状を示す斜視図
【図３】同空洞共振器を構成するＨベンド型リング共振器の正面図
【図４】従来の原子周波数標準器の概略構成図
【図５】セシウム原子のＤ_２線に関するエネルギ準位を示す図
【図６】セシウム原子とマイクロ波の共振特性を示す図
【図７】従来の原子周波数標準器に組込まれたラムゼイ型の空洞共振器の形状を示す斜視図
【図８】同ラムゼイ型の空洞共振器の正面図
【図９】原子周波数標準器に組込まれる従来のＥベンド型リング共振器を用いた空洞共振器の形状を示す斜視図
【図１０】同Ｅベンド型リング共振器の正面図
【図１１】同従来のＥベンド型リング共振器を用いた空洞共振器及び静磁界を発生させるための円筒状コイルを示す図
【符号の説明】
１…Ｃｓ原子ビーム管
２…Ｃｓ炉
３…原子ビーム
４…第１のレーザ光源
６…第３のレーザ光源
８、８ａ、８ｂ…空洞共振器
９…水晶発振器
１０…周波数合成・逓倍器
１１…サーボ増幅器
１２…静磁界（Ｃ磁界）
１３ａ、１３ｂ…貫通孔
１４…第２のレーザ光源
１６…光検出器
２２ａ、２２ｂ…Ｅベンド型リング共振器
２６ａ、２６ｂ…Ｈベンド型リング共振器
２７…マイクロ波導入管
２８…マイクロ波入力口[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an atomic frequency standard that obtains a standard frequency using the frequency of an electromagnetic wave that is absorbed or emitted when the energy state of an atom transitions, and in particular, makes a microwave transition to the energy state of the atom. The present invention relates to an atomic frequency standard with an improved cavity resonator.
[0002]
[Prior art]
Since the energy transition of the cesium ( ¹³³ Cs) atom was adopted in the definition of “second” in 1967, how accurately the time (time) is measured using the energy transition of the cesium ( ¹³³ Cs) atom. Has been studied. In recent years, the relative accuracy has increased to the order of 10 ⁻¹³ to 10 ⁻¹⁴ . Therefore, until now, an atomic frequency standard that outputs such a high-accuracy standard frequency signal has been developed and put into practical use.
[0003]
FIG. 5 shows the transition of cesium ( ¹³³ Cs) atoms used in this atomic frequency standard. In FIG. 5, the hyperfine level in the ground state (6 ² S _1/2 ) of the cesium ( ¹³³ Cs) atom is denoted by F, and the hyperfine level in the excited state (6 ² P _3/2 ) is denoted by F ′. Indicated.
[0004]
The ground state (6 ² S _1/2 ) of the cesium ( ¹³³ Cs) atom has hyperfine levels of F (level) = 4 and 3. The transition used to create the standard frequency signal is [(F = 4, m _F = 0) → (F = 3, m _F = 0)] or [(F = 4, m _F = 0) ← ( F = 3, m _F = 0)]. However, _{m F} is the magnetic quantum number. This transition is particularly referred to as clock transition. In order to align the energy states of cesium atoms to one hyperfine level, a magnetic field is applied to the moving atoms (atomic beam), or the D ₂ line (light) of cesium (Cs) atoms. Laser light having the same wavelength as the wavelength λ (= 852.1 nm) may be applied (optical pumping).
[0005]
An atomic frequency standard that uses optical pumping to align atoms into a single energy state is configured, for example, as shown in FIG.
[0006]
Cesium heated from a Cs furnace 2 as an atomic beam generator disposed in a Cs atomic beam tube 1 maintained in a high vacuum state of 10 ⁻⁵ to 10 ⁻⁶ Pa (Pascal) and turned into a vapor state ( ¹³³ Cs) Atomic beam 3 of atoms is output. The energy states of the atoms of the atomic beam 3 output from the Cs furnace 2 are evenly distributed between the ground level F = 4 and the ground level F = 3 in the energy state of FIG.
[0007]
The σ-polarized first laser light 5 having the same wavelength as the D ₂ line (light) of the cesium ( ¹³³ Cs) atom output from the first laser light source 4 with respect to the atomic beam 3 in this energy state , and the third third of the laser beam 7 that is π polarized having the same wavelength as the laser light source 6 is output from the D ₂ line (light) of the illumination. By the optical pumping action of the laser beams 5 and 7, atoms in the energy state of the ground level F = 4 of the atomic beam 3 are excited to the excitation level F ′ = 4, and then the F in a very short time (30 ns). = 4, F = 3, but the atom of the ground level F = 3 is not excited. As a result, the energy state of the atom of the atomic beam 3 emitted from the Cs furnace 2 is shifted to the ground level F = 3. To do.
[0008]
The atomic beam 3 whose energy state has been changed to the ground level F = 3 is incident on a Ramsey cavity resonator 8.
[0009]
The cavity resonator 8 is oscillated by a crystal oscillator 9 and applied by a frequency synthesizer / multiplier 10 to a microwave temporarily set to a base level frequency (excitation frequency ν) of 9193 MHz in the energy level diagram of FIG. Has been. The oscillation frequency of the crystal oscillator 9 is variably controlled by the servo amplifier 11. Further, a uniform static magnetic field (C magnetic field) 12 is applied to the cavity resonator 8 in a direction orthogonal to the traveling direction of the atomic beam 3. The reason for applying this uniform static magnetic field (C magnetic field) 12 is to increase the efficiency of a predetermined microwave transition using the cavity resonator 8 and to suppress unnecessary microwave transitions.
[0010]
The atoms of the atomic beam 3 in which the energy state incident on the cavity resonator 8 is changed to the ground level F = 3 are a pair of through holes 13a formed at both ends of the cavity resonator 8 in the cavity resonance state. In the process of passing through 13b, a microwave transition occurs, and the energy state moves to the ground level F = 4.
[0011]
The atom of the atomic beam 3 whose energy state has reached the ground level F = 4 after passing through the cavity 8 has a wavelength close to that of the first laser beam 5 output from the second laser light source 14. The polarized second laser beam 15 is irradiated. As a result, the atoms in the energy state of the ground level F = 4 of the atomic beam 3 are excited to the excitation level F ′ = 5 by the second laser light 15 and emit fluorescence after a very short time. It repeats returning to the ground level F = 4.
[0012]
The fluorescence from the atoms of the atomic beam 3 emitted in the transition process is detected by the photodetector 16. The photodetector 16 converts the detected fluorescence light amount into an electric signal (beam current) and sends it to the servo amplifier 11. The servo amplifier 11 sequentially changes the oscillation frequency f of the crystal oscillator 9 and detects the oscillation frequency f at which the input light quantity (beam current) becomes the maximum value. Then, the oscillation frequency f and the standard frequency f _S.
[0013]
FIG. 6 shows the relationship between the frequency (excitation frequency ν) of the microwave applied to the cavity resonator 8 and the amount of light (beam current) of the detected atomic beam 3. It can be seen that the beam current exhibits a sharp peak when the excitation frequency ν coincides with the resonance frequency ν ₀ . Therefore, at this time, the signal output from the crystal oscillator 9 becomes the standard frequency signal 17.
[0014]
FIG. 7 is a perspective view showing a detailed configuration of a Ramsey type cavity resonator 8 in the atomic frequency standard having such a configuration, and FIG. 8 is a front view. The cavity resonator 8 includes a pair of vertical portions 18a and 18b that are formed with through holes 13a and 13b through which the atomic beam 3 passes and that face each other, and a horizontal portion 19a that communicates with each of the vertical portions 18a and 18b. 19b and the microwave input part 20 are comprised.
[0015]
With respect to the Ramsey type cavity resonator 8 having such a configuration, from the microwave input unit 20, the dimensions of the pair of vertical portions 18a and 18b and the horizontal portions 19a and 19b of the cavity resonator 8 are as follows. When a microwave having a fixed resonance frequency ν ₀ is applied, a large number of standing waves of the microwave are generated in the cavity resonator 8. 7 and 8, the solid line arrows indicate the maximum electric field generation position of each standing wave and the electric field direction at that position, and the dotted line arrows indicate the maximum magnetic field generation position of each standing wave and the magnetic field direction at that position. Indicates.
[0016]
As shown in the drawing, the through holes 13a and 13b through which the atomic beam 3 passes are formed in the direction perpendicular to the magnetic field direction at the maximum magnetic field generation position of the standing wave in the vertical portions 18a and 18b. In this way, microwave transition can be performed more efficiently by passing the atomic beam 3 through the maximum magnetic field generation position of the standing wave.
[0017]
A pair of coils 21a and 21b for applying a static magnetic field 12 parallel to the direction of the magnetic field of the microwave indicated by the dotted arrows at the positions of the through holes 13a and 13b through which the atomic beam 3 passes are laterally connected to the cavity resonator 8. It is arrange | positioned so that it may pinch.
[0018]
However, the Ramsey type cavity resonator 8 shown in FIGS. 7 and 8 has the following problems.
[0019]
That is, the microwave input from the microwave input unit 20 is the horizontal portion 19a. A standing wave is formed by reflecting on the bottom surfaces of the vertical portions 18a and 18b via 19b. However, the reflection characteristics on the bottom surface are slightly different depending on the material and surface state of the bottom of the cavity resonator 8. As a result, the standing wave generation phase fluctuates slightly.
[0020]
The change in the phase of the standing wave changes the magnetic field strength and electric field strength of the microwave at the positions of the through holes 13a and 13b through which the atomic beam 3 passes. When the magnetic field strength and electric field strength of the microwave fluctuate, the transition rate of the microwave transition with respect to the atomic beam 3 using the cavity resonator 8 fluctuates. As a result, the beam current detected by the photodetector 16 varies, the frequency of the standard frequency signal 17 to be output varies, and the error in the obtained standard frequency f _S also increases.
[0021]
In order to eliminate such inconvenience, a cavity resonator 8a using a pair of E-bend ring resonators as shown in FIG. 9 has been proposed.
[0022]
The cavity resonator 8a includes a pair of E-bend type ring resonators 22a and 22b arranged along the path of the atomic beam 3 and facing each other, and both end openings have respective E-bend type ring resonators 22a and 22b. And a microwave introduction tube 23 which communicates with each of the ring resonators 22a and 22b from the outer peripheral surface and has a microwave input port 24 formed at the center.
[0023]
In the cavity resonator 8 a having such a configuration, the microwave input from the microwave input port 24 enters the E-bend ring resonators 22 a and 22 b via the microwave introduction tube 23. The microwaves that have entered the E-bend ring resonators 22a and 22b from the microwave introduction tube 23 are separated in two directions as shown by the two-dot chain lines in FIG. 10, and in the E-bend ring resonators 22a and 22b. Proceed in opposite directions.
[0024]
And the through-holes 13a and 13b of the atomic beam 3 are perforated at a position 180 ° opposite to the circumferential position where the microwave introduction tube 23 is attached. At this position, the microwaves in the two directions are synthesized with the same intensity, so that the traveling wave component is zero. That is, the phase distribution of the microwave is small, and the frequency error due to this is small.
[0025]
Accordingly, when a microwave having a resonance frequency ν ₀ determined by the dimensions of the microwave introduction tube 23 of the cavity resonator 8a and each of the E-bend type ring resonators 22a and 22b is applied from the microwave input port 24, the cavity resonance occurs. Many standing waves of microwaves are generated in the vessel 8a.
[0026]
Specifically, as shown in FIGS. 9 and 10, the maximum electric field generation position of each standing wave of the microwave and the electric field direction at that position are the circumferential directions of the E-bend ring resonators 22a and 22b. The positions and directions indicated by solid arrows at the respective positions. Therefore, this electric field direction is orthogonal to the direction of the atomic beam 3. On the other hand, the maximum magnetic field generation position of each standing wave of the microwave and the magnetic field direction at the position are the positions and directions indicated by the dotted arrows in the axial direction of the E-bend ring resonators 22a and 22b. Therefore, this magnetic field direction is parallel to the direction of the atomic beam 3.
[0027]
In order to generate each standing wave of the microwave in such a mode, the width W in the direction of the atomic beam 3 (magnetic field direction) in each E-bend type ring resonator 22a, 22b is orthogonal to the direction of the atomic beam 3. It is necessary to set at least twice as large as the height T in the direction (electric field direction).
In this way, in the ring type resonator, the electric field direction changing in the circumferential direction is referred to as an E-bend type ring resonator.
[0028]
In this way, in each E-bend type ring resonator 22a, 22b, a standing wave is formed without being reflected by the wall surface or the bottom surface in the resonator. The wave phase (maximum electric field position or maximum magnetic field position) does not vary depending on the position in the resonator.
[0029]
Therefore, electric field fluctuations and magnetic field fluctuations occur at positions 180 ° opposite to the circumferential position where the microwave introduction tube 23 is attached, that is, at the positions of the through holes 13a and 13b formed at the maximum position of the standing wave magnetic field. Absent. Therefore, since the transition rate of the microwave transition with respect to the atomic beam 3 does not fluctuate, the frequency fluctuation of the output standard frequency signal 17 can be suppressed as much as possible, and the accuracy of the obtained standard frequency f _S increases.
[0030]
[Problems to be solved by the invention]
However, the atomic frequency standard in which the cavity resonator 8a using the pair of E-bend ring resonators 22a and 22b as shown in FIGS. 9 and 10 still has the following problems.
[0031]
That is, as described above, in order to increase the efficiency of a predetermined microwave transition with respect to the atomic beam 3 and to suppress unnecessary microwave transition, a uniform static magnetic field (C magnetic field) 12 in a region including the cavity resonator 8a. It is necessary to give. The direction of the static magnetic field (C magnetic field) 12 needs to coincide with the magnetic field direction of the microwave at the positions of the through holes 13a and 13b through which the atomic beam 3 passes.
[0032]
In this cavity resonator 8a, the direction of the magnetic field coincides with the direction of the atomic beam 3. Therefore, in order to generate a static magnetic field (C magnetic field) 12 in the direction of the atomic beam 3, as shown in FIG. It is necessary to provide a cylindrical coil 25 that covers the entire cavity resonator 8a.
[0033]
However, in order to install the cylindrical coil 25 that covers the entire cavity resonator 8a, the configuration of the entire atomic frequency standard is complicated, the entire apparatus is increased in size, and the manufacturing cost is increased.
[0034]
The present invention has been made in view of such circumstances, and suppresses the phase fluctuation of the standing wave in the resonator and maintains the standard frequency to be output with high accuracy and with a simple configuration. An object of the present invention is to provide a high-accuracy atomic frequency standard with a simple configuration that can generate a static magnetic field (C magnetic field) that coincides with the magnetic field direction.
[0035]
[Means for Solving the Problems]
The present invention unifies atoms of an atomic beam emitted from an atomic beam generator into one of two energy states, and a static magnetic field parallel to a microwave magnetic field is applied to the single energy state. The state is applied to the cavity resonator having the maximum number of atoms by detecting the number of atoms that have been transitioned by performing a microwave transition in the cavity resonator in a different state to shift to another energy state. It is applied to an atomic frequency standard that outputs a microwave frequency as a standard frequency signal.
[0036]
In order to solve the above problems, the cavity resonator incorporated in the atomic frequency standard of the present invention includes a pair of H-bend ring resonators disposed along the atomic path and facing each other. A microwave introduction tube in which both end openings communicate with the ring resonator at one circumferential position on the mutually opposing surfaces of each H-bend ring resonator, and a microwave input port is formed in the center portion; Each H-bend ring resonator includes a through-hole through which atoms are formed at a position 180 ° opposite to the circumferential position where the microwave introduction tube is attached.
[0037]
In the cavity resonator incorporated in the atomic frequency standard configured as described above, a pair of H-bend ring resonators are used instead of the conventional pair of E-bend ring resonators. As described above, in the E-bend type ring resonator, the electric field direction changes in the circumferential direction in the ring type resonator, whereas in the H bend type ring resonator, the ring type resonator is used. The magnetic field direction changes in the circumferential direction.
[0038]
Therefore, in this H bend type ring resonator, the direction of the magnetic field of the microwave is a through hole formed at a position 180 ° opposite to the circumferential position where the microwave introduction tube is attached in each H bend type ring resonator. Perpendicular to the direction of the atomic beam through Therefore, the static magnetic field (C magnetic field) that needs to be applied in parallel to the direction of the microwave magnetic field may be applied in a direction orthogonal to the direction of the atomic beam, so that the conventional device using an E-bend ring resonator is used. Since it is not necessary to use a cylindrical coil, the configuration of the coil can be simplified.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an atomic frequency standard according to the embodiment. The same parts as those of the conventional atomic frequency standard shown in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description of the overlapping parts is omitted.
[0040]
In the atomic frequency standard of this embodiment, a pair of H bend type ring resonators 26a and 26b are used instead of the Ramsey type cavity resonator 8 in the conventional atomic frequency standard shown in FIG. A cavity resonator 8b is incorporated. Except for the cavity resonator 8b, the configuration is almost the same as that of the conventional atomic frequency standard shown in FIG.
[0041]
In the atomic frequency standard having such a configuration, the ground level F = 4 and the ground level F = 3 emitted from the Cs furnace 2 as an atomic generator disposed in the Cs atomic beam tube 1 are equal. relative atomic beam 3 having an energy state that is distributed to the first laser beam 5 having the same wavelength as the D ₂ line (light) of the output cesium atoms from the first laser light source 4, and the third third laser beam 7 having the same wavelength as the D ₂ line output from the laser light source 6 (light) of the illumination. By the optical pumping action of the laser beams 5 and 7, the energy state of the atom having the ground level F = 4 of the atomic beam 3 is changed to the ground level F = 3.
[0042]
The atoms of the atomic beam 3 whose energy state has been transitioned to the ground level F = 3 are incident on the cavity resonator 8b using the pair of H-bend ring resonators 26a and 26b.
[0043]
The cavity resonator 8b has a pair of coils 21a and 21b shown in FIG. 2 in a direction orthogonal to the traveling direction of the atomic beam 3 and parallel to the magnetic field direction of the microwave in the cavity resonator 8b. Such a static magnetic field (C magnetic field) 12 is applied.
[0044]
The atoms of the atomic beam 3 in which the energy state incident on the cavity resonator 8b is changed to the ground level F = 3 are a pair of through holes 13a drilled at both ends of the cavity resonator 8b in the cavity resonance state. In the process of passing through 13b, a microwave transition occurs, and the energy state moves to the ground level F = 4.
[0045]
The atoms of the atomic beam 3 whose energy state has reached the ground level F = 4 after passing through the cavity 8b have a wavelength close to that of the first laser light 5 output from the second laser light source 14. Two laser beams 15 are irradiated. As a result, the atoms in the energy state of the ground level F = 4 of the atomic beam 3 are excited to the excitation level F ′ == 5 by the laser beam 15, and after a very short time, emits fluorescence and emits the original level. Repeat the return to the ground level F = 4.
[0046]
The fluorescence of the atomic beam 3 emitted in the process of this transition is detected by the photodetector 16, converted into an electric signal, and sent to the servo amplifier 11. The servo amplifier 11 sequentially changes the oscillation frequency f of the crystal oscillator 9, detects the oscillation frequency f at which the input light quantity (beam current) becomes the maximum value, and sets this oscillation frequency f as the standard frequency f _S. To do. The standard frequency signal 17 is output from the crystal oscillator 9.
[0047]
In addition, a laser beam having the same wavelength as the D ₁ line (light) wavelength λ (= 894.3 nm) of the cesium atom can be used for such a laser light source.
[0048]
Next, details of the cavity resonator 8b incorporated in the atomic frequency standard that performs such basic operation will be described.
[0049]
FIG. 2 is a perspective view of the cavity resonator 8b, and FIG. 3 is a front view of one H-bend ring resonator 26a constituting the cavity resonator 8b. As shown in the figure, the cavity resonator 8b includes a pair of H-bend type ring resonators 26a and 26b arranged along the path of the atomic beam 3 and facing each other, and both ends of the H-type bend type ring resonator. The resonators 26a and 26b are configured by a microwave introduction tube 27 which communicates with the ring resonators 26a and 26b from the mutually facing surfaces and has a microwave input port 28 formed at the center.
[0050]
In the cavity resonator 8b having such a configuration, the microwave input from the microwave input port 28 enters the H bend ring resonators 26a and 26b via the microwave introduction tube 27. Microwaves that have entered the H bend ring resonators 26a and 26b from the microwave introduction tube 27 are separated into two directions in the same manner as the conventional E bend ring resonators 22a and 22b shown in FIG. The bend ring resonators 26a and 26b travel in opposite directions.
[0051]
Through-holes 13a and 13b of the atomic beam 3 are formed at positions 180 ° opposite to the circumferential position where the microwave introduction tube 27 is attached. At this position, the microwaves in the two directions are synthesized with the same intensity, so that the traveling wave component is zero. That is, the phase distribution of the microwave is small, and the frequency error due to this is small. Therefore, when a microwave having a resonance frequency ν ₀ determined by the dimensions of the microwave introduction tube 27 of the cavity resonator 8b and each of the H bend type ring resonators 26a and 26b is applied from the microwave input port 28, the cavity resonance occurs. Many standing waves of microwaves are generated in the vessel 8b.
[0052]
Specifically, as shown in FIGS. 2 and 3, the maximum magnetic field generation position of each standing wave of the microwave and the magnetic field direction at that position are the circumferential directions of the H-bend ring resonators 26a and 26b. The positions and directions indicated by dotted arrows at the respective positions. Therefore, this magnetic field direction is orthogonal to the direction of the atomic beam 3. On the other hand, the maximum electric field generation position of each standing wave of the microwave and the electric field direction at the position are the positions and directions indicated by solid arrows in the axial direction of the H-bend type ring resonators 26a and 26b. Therefore, this electric field direction is parallel to the direction of the atomic beam 3.
[0053]
In order to generate each microwave standing wave in such a mode, the width Wa in the direction of the atomic beam 3 (electric field direction) in each of the H bend type ring resonators 26a and 26b is orthogonal to the direction of the atomic beam 3. It is necessary to set it to ½ times or less the height Ta in the direction (magnetic field direction).
[0054]
In this way, in the ring type resonator, the magnetic field direction changing in the circumferential direction is referred to as an H bend type ring resonator.
[0055]
Thus, in each H-bend type ring resonator 26a, 26b, the microwave is not reflected by the wall surface and the bottom surface in the resonator, and a standing wave is formed. The wave phase (maximum electric field position and maximum magnetic field position) does not vary depending on the material and surface condition of the wall surface and bottom surface in the resonator.
[0056]
Therefore, at the position 180 ° opposite to the circumferential position where the microwave introduction tube 27 is attached, that is, at the position of the through holes 13a and 13b formed at the maximum position of the standing wave magnetic field, the electric field fluctuation and magnetic field fluctuation are Does not occur.
[0057]
Therefore, since the transition rate of the microwave transition with respect to the atomic beam 3 does not fluctuate, the fluctuation of the frequency of the output standard frequency signal 17 can be suppressed as much as possible, and the accuracy of the obtained standard frequency f _S increases.
[0058]
Further, the magnetic field direction of the microwaves at the positions of the through holes 13a and 13b in the H-bend type ring resonators 26a and 26b is a direction orthogonal to the traveling direction of the atomic beam 3, as shown in FIGS. The coils 21a and 21b for applying the static magnetic field (C magnetic field) 12 to the cavity resonator 8b are the same as the conventional atomic frequency standard shown in FIGS. Similarly, it can be configured by a pair of planar coils disposed on both sides (upper and lower sides) of the cavity resonator 8b.
[0059]
Therefore, compared with the atomic frequency standard in which the cavity resonator 8a adopting the pair of E-bend type ring resonators 22a and 22b that require the cylindrical coil 25 shown in FIGS. The overall configuration can be further simplified, and the manufacturing cost of the entire apparatus can be reduced.
[0060]
Furthermore, the static magnetic field can be obtained simply by replacing the Ramsey type cavity resonator 8 in the conventional atomic frequency standard shown in FIG. The planar coils 21a and 21b to which (C magnetic field) is applied can be used as they are. Therefore, the atomic frequency standard having the high frequency accuracy described above can be obtained with a small modification cost from the conventional atomic frequency standard shown in FIG.
[0061]
The present invention is not limited to the atomic frequency standard of the embodiment described above. In atomic frequency standard of the embodiment, as a means to align the atoms to a single energy state was irradiated with a laser beam having a D _2-wire the same wavelength of the atom to atom. That is, although the present invention is applied to an optical pumping type atomic frequency standard, it can also be applied to a magnetic deflection type atomic frequency standard that applies a magnetic field instead of a laser beam.
[0062]
【The invention's effect】
As described above, in the atomic frequency standard of the present invention, the cavity resonator for causing the atom to perform microwave transition is configured using a pair of H-bend type ring resonators.
Therefore, it is possible to generate a static magnetic field (C magnetic field) that matches the magnetic field direction of the microwave without complicating the configuration, suppress the phase fluctuation of the standing wave in the cavity resonator, and increase the output standard frequency. The accuracy can be maintained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an atomic frequency standard according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a perspective view showing the shape of a cavity resonator incorporated in the atomic frequency standard of the embodiment. Figure 6 showing the energy levels related to H bend type front view of the ring resonator 4 is a schematic block diagram of a conventional atomic frequency standard [5] D ₂ line of cesium atoms constituting the cavity resonator FIG. 7 is a perspective view showing the shape of a Ramsey-type cavity resonator incorporated in a conventional atomic frequency standard. FIG. 8 is a front view of the Ramsey-type cavity resonator. FIG. 9 is a perspective view showing the shape of a cavity resonator using a conventional E-bend ring resonator incorporated in an atomic frequency standard. FIG. 10 is a front view of the E-bend ring resonator. Cavity resonator using the same E-bend type ring resonator And figure showing a cylindrical coil for generating a static magnetic field 【Explanation of symbols】
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cs atomic beam tube 2 ... Cs furnace 3 ... Atomic beam 4 ... 1st laser light source 6 ... 3rd laser light source 8, 8a, 8b ... Cavity resonator 9 ... Crystal oscillator 10 ... Frequency synthesizer / multiplier 11 ... Servo amplifier 12 ... Static magnetic field (C magnetic field)
13a, 13b ... through hole 14 ... second laser light source 16 ... photodetectors 22a, 22b ... E bend type ring resonators 26a, 26b ... H bend type ring resonator 27 ... microwave introduction tube 28 ... microwave input port

Claims

原子ビーム発生器（２）から出射された原子ビーム（３）の原子を２つのエネルギ状態の１つに統一し、この単一のエネルギ状態に対して、マイクロ波の磁界に平行する静磁界が印加された状態の空洞共振器（８ｂ）でマイクロ波遷移を行なって別の１つのエネルギ状態に遷移させ、この遷移された原子の数量を検知することにより、その原子の数量が最大となる前記空洞共振器に印加するマイクロ波の周波数を標準周波数信号（１７）として出力する原子周波数標準器において、
前記空洞共振器（８ｂ）は、
前記原子の経路に沿い、かつ互いに対向して配設された一対のＨベンド型リング共振器（２６ａ、２６ｂ）と、
両端開口が前記各Ｈベンド型リング共振器の互いに対向する面における周上一カ所で当該リング共振器内に連通し、かつ中央部に前記マイクロ波の入力口（２８）が形成されたマイクロ波導入管（２７）と、
前記各Ｈベンド型リング共振器における前記マイクロ波導入管が取付けられた周上位置の１８０°反対側位置に形成された前記原子が通過する貫通孔（１３ａ、１３ｂ）と
を備えたことを特徴とする原子周波数標準器。The atoms of the atomic beam (3) emitted from the atomic beam generator (2) are unified into one of two energy states, and for this single energy state, a static magnetic field parallel to the microwave magnetic field is generated. A microwave transition is performed by the cavity resonator (8b) in an applied state to transition to another energy state, and by detecting the number of transitioned atoms, the number of the atoms is maximized. In an atomic frequency standard that outputs the frequency of the microwave applied to the cavity resonator as a standard frequency signal (17),
The cavity resonator (8b)
A pair of H-bend ring resonators (26a, 26b) disposed along the path of the atoms and facing each other;
A microwave in which both end openings communicate with the ring resonator at one circumferential position on the surfaces of the H bend ring resonators facing each other, and the microwave input port (28) is formed at the center. An introduction tube (27);
In each of the H bend type ring resonators, there is provided a through hole (13a, 13b) through which the atoms pass formed at a position 180 ° opposite to the circumferential position where the microwave introduction tube is attached. An atomic frequency standard.