JP3963998B2

JP3963998B2 - 原子発振器

Info

Publication number: JP3963998B2
Application number: JP9821497A
Authority: JP
Inventors: 裕司大内
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2017-03-31
Also published as: JPH10284772A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、周波数の基準となる標準周波数信号を出力するガスセル型原子発振器に係り、特に小型・簡素にして高い周波数安定度が得られるガスセル型原子発振器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスセル型原子発振器は、原子固有の共鳴周波数を周波数基準とした極めて安定度の高い発振器である。例として、金属原子にルビジウムを用いた原子発振器の場合では、実用的な２次標準器として通信，放送，航法，ＧＰＳ衛星等多岐にわたる分野に利用されている。
【０００３】
図３はガスセル型原子発振器の基本構成図である。
図３において、電圧制御水晶発振器５の出力（周波数ｆ₁）を周波数合成・逓倍回路４にて周波数合成・逓倍し、原子の共鳴周波数ｆ₂に近いマイクロ波（周波数Ｎ・ｆ₁）を発生させる。このマイクロ波を二重共鳴部２に供給すとともに、光源部１から出射された励起光を二重共鳴部２へ照射して、二重共鳴現象を起こさせる。二重共鳴部２からは、周波数合成・逓倍回路４から加えたマイクロ波周波数（Ｎ・ｆ₁）と共鳴周波数（ｆ₂）との周波数差( Ｎ・ｆ₁−ｆ₂) に対応した電気信号が出力される。そして、信号処理制御装置３はこの周波数差がゼロになるように電圧制御水晶発振器５の発振周波数を制御する。この電圧制御水晶発振器５の出力（周波数ｆ₁）を標準周波数出力として利用する。
【０００４】
図４は従来の原子発振器の二重共鳴部２の構成図である。
従来の二重共鳴部２は、空洞共振器２２と、空洞共振器２２の中心に配置された金属原子を封入したガスセル２１と、励起光を空洞共振器２２へ導入するとともに空洞共振器２２内のマイクロ波の漏洩を防止するためのカットオフ導波管２２ｂと、カットオフ導波管２２ｂから空洞共振器２２へ励起光を採り入れる光入力窓２２ａと、光入力窓２２ａとガスセル２１を挟んで対極する位置にガスセル２１を透過した光を受光しその光強度を電気信号に変換して出力する光電変換素子２３と、周波数合成・逓倍回路４から出力されるマイクロ波を空洞共振器２２に供給するマイクロ波アンテナ（マイクロ波供給手段）２４とを備えている。空洞共振器２２の外側にはガスセル２１の全長にわたり安定な直流平行磁場を発生する静磁場コイル２７と、ガスセル２１と空洞共振器２２とを加熱・恒温化する恒温ヒータ２６と、外部磁場変動を除去する複数の磁気シールド槽２５とがある。
【０００５】
ここで光・マイクロ波二重共鳴現象について、図５に示すルビジウム原子のエネルギー準位の３準位原子系モデルを例に説明する。
図５（ａ）に示すように、熱平衡状態におけるルビジウム原子は、基底準位（５Ｓ_1/2）の２つの超微細準位（Ｆ＝１，Ｆ＝２）に等分に分布している。この時共鳴周波数に合った波長の励起光をルビジウム原子に照射すると、図５（ｂ）に示すように、基底準位の高い超微細準位（５Ｓ_1/2，Ｆ＝２）にあるルビジウム原子は変化を受けないが、低い超微細準位（５Ｓ_1/2，Ｆ＝１）にあるルビジウム原子は励起光の光エネルギーを吸収して、励起準位（５Ｐ_3/2）に光ポンピングされる。励起準位（５Ｐ_3/2）にポンピングされたルビジウム原子は、次の瞬間いま得たエネルギーを自然放出して、基底準位（５Ｓ_1/2）の２つの超微細準位（Ｆ＝１，Ｆ＝２）に等確率に落ちる。励起光を照射し続けることによりこの過程が繰り返され、ルビジウム原子のほとんどが基底準位の高い超微細準位（５Ｓ_1/2，Ｆ＝２）に集められ、反転分布の状態となる。
この状態でルビジウム原子固有の共鳴周波数に近いマイクロ波を加えると、図５（ｃ）に示すように、共振によりエネルギーを放出し、基底準位の低い超微細準位（５Ｓ_1/2，Ｆ＝１）に誘導放出される。低い準位の原子は励起光により、再度励起準位へと光ポンピングされるが、加えられるマイクロ波周波数が共鳴周波数からずれると、誘導放出される原子の数が減り、その結果として低い準位の原子数は減り、光ポンピングがおこらず、したがって光の吸収がおこらない。すなわち、マイクロ波周波数と透過光レベルの関係は図５（ｄ）のようになる。
その結果、ガスセル２１を透過した光（透過光）レベルを光電変換素子２３で検出し、透過光レベルが常に最小となるようにマイクロ波周波数を制御することにより、原子固有共鳴周波数が持つ極めて安定な周波数が移乗した標準周波数を得ることができる。
【０００６】
なお、図４において、通常ガスセル２１内には二重共鳴の共鳴スペクトル幅（図５（ｄ）に示す透過光レベルの急峻さ）を狭くするため、緩衝気体として不活性ガスをルビジウムと共に封入する。
【０００７】
図３において、光源部１は、キャリアガスとともに原子を封入したランプセルを高周波励振して放電させ、所望波長を含む幅広いスペクトラムを持った放電光を励起光としたランプ励起方式と、コヒーレントな単一スペクトラムの光が得られる半導体レーザ（ＬaserＤiode：以下「ＬＤ」と記す。）を励起光としたＬＤ励起方式がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のガスセル型原子発振器においては、光源部１がランプ励起方式の場合、励起光をガスセル２１全体に照射させることにより光ポンピングを効率良くおこなうため、光入力窓２２ａの開口径を大きくする必要があった。また、ＬＤ励起方式の場合でも、上記と同様の理由により励起光の光束を複合レンズにより太く成形し、光入力窓２２ａへ導入していた。しかし光入力窓２２ａの開口径を大きくすると、空洞共振器２２の損失が大きくなり共振器のＱ値が下がるため、その対策として開口径と同じ径を持つカットオフ導波管２２ｂを付けなければならなかった。
【０００９】
ここで、空洞共振器２２の光入力窓２２ａの開口径と最適なカットオフ導波管２２ｂの長さ寸法について考察するための解析モデルを図６に示す。
空洞共振器２２の共振長Ｌは、光入力窓２２ａの開口径φ２Ｒ_cとカットオフ導波管２２ｂの長さＬ_cにより、わずかに変化する。空洞共振器２２の共振長Ｌの変化量ΔＬは近似的に（１）式で表される。
tan β₁ΔＬ＝Ｋ×（Ｚ_R／Ｚ₀×coshα₁Ｌ_c＋sinhα₁Ｌ_c）／（Ｚ_R／Ｚ₀×sinhα₁Ｌ_c＋coshα₁Ｌ_c） ………（１）
ここで、
Ｋ＝［｛２（Ｒ_c／Ｒ_k）×Ｊ₁（Ｒ_c／Ｒ_k×ｘ₁）｝／｛（１−（Ｒ_c／Ｒ_k）²）×Ｊ₀(ｘ₁)×ｘ₁｝］×β₁／α₁
β₁＝√｛（２π／λ）²−ｘ₁／Ｒ_k｝
α₁＝√｛（ｘ₁／Ｒ_c）²−（２π／λ）²｝
ｘ₁＝３．８３１７１
λは共振波長
Ｚ₀は特性インピーダンス
Ｒ_kは空洞共振器の内径
Ｊ₀は次数０のベッセル（Bessel）関数
Ｊ₁は次数１のベッセル（Bessel）関数である。
また、Ｚ_Rはカットオフ導波管２２ｂの開口から外方を見たインピーダンスであるが、原子発振器では開口付近にフィルタセル、光電変換素子、レンズなどがあるためにインピーダンスは確定せず、空洞共振器２２の共振長Ｌの変化量ΔＬは、複素数（Ｚ_R）を考える必要があるため、（１）式の根ΔＬは（２）式のように不確定な複素数となる。
ΔＬ＝ΔＬ^'＋ｊΔＬ^'' ………（２）
このように考える時、Ｚ_Rがいかなる値をとっても共振長Ｌの実質的な変化量ΔＬ^'は、（３）式の不等式で示される。
１／β₁tan ^-1｛Ｋtanhα₁Ｌ_c｝≦ΔＬ^'＜１／β₁tan ^-1｛Ｋcothα₁Ｌ _c｝ ………（３）
ここで、ΔＬ^'の下限はＺ_Rが零の場合であり、上限はＺ_Rが無限大の場合である。この関係より、Ｚ_Rがどのような値であっても、空洞共振器２２の共振長Ｌの変化量ΔＬ^'は上式の範囲内にあることがわかる。
例えばルビジウムの場合での数値計算例として、空洞共振器２２の内径２Ｒ_Kがφ７０ｍｍで周波数６．８３４６８ＧＨｚの時に、開口径の大きさを変えた場合のカットオフ導波管２２ｂの長さＬ_Cに対する変化量ΔＬ^'の上限および下限を図７に示す。図において、実線は上限を、点線は下限をそれぞれ表す。この図から開口径〔Ｒ_C／Ｒ_K〕が小さければ変化量ΔＬ^'が小さいことがわかる。また開口径〔Ｒ_C／Ｒ_K〕を大くしていくとカットオフ導波管２２ｂを長くしなければ、変化量ΔＬ^'すなわち空洞共振器２２の共振長Ｌを確定できない。
例えば２Ｒ_Cをφ３５ｍｍとした場合にＲ_C／Ｒ_K＝０．５となり、この時のカットオフ導波管２２ｂの最適長さ（最も短く、かつ、空洞共振器２２の共振長Ｌが確定する）Ｌ_Cは図７より２０ｍｍ以上となる。
【００１０】
ところで、小型化のためにカットオフ導波管２２ｂを用いないで、光入力窓２２ａの開口径を小さくすると励起光のガスセル２１への照射面積が減り、最適な光ポンピングができないことになる。
【００１１】
近年原子発振器は、より小型化、高性能化が求められている。小型化のためにはカットオフ導波管２２ｂを付けないことが望ましい。しかし、カットオフ導波管２２ｂを付けないことによる空洞共振器２２の損失（Ｑ値の低下）を補うためにはマイクロ波電力を多く供給しなければならなくなり、今度はマイクロ波電力の安定性が原子発振器の性能に大きく係わってくる。また前述の解析より、光入力窓２２ａ付近にインピーダンス変化があると、空洞共振器２２のＱ値が変化してしまうため安定度が劣化する。通常、空洞共振器２２の共振長Ｌは固定であるため、外部インピーダンスの影響による空洞共振器２２の実効的な共振長の変動量を補正することは不可能である。
高性能化を目指す場合には、カットオフ導波管２２ｂを付けることにより空洞共振器２２のＱ値を上げることが望ましいが、小型化と相反する結果となる。カットオフ導波管２２ｂを付けて、かつ、小型化するために、最外郭の磁気シールド槽２５の光入力側をカットオフ導波管２２ｂの管端面に合わせることも考えられるが、磁気シールド槽２５の励起光を入力する窓の開口径が大きくなることによる外部磁場の漏れ込み増加と、空洞共振器２２を温度安定化する際に周囲温度の変動が直接カットオフ導波管２２ｂから熱伝導されてしまう問題が生じてしまい、やはり原子発振器の性能の劣化を招く。
【００１２】
本発明の目的は、前述の光入力窓２２ａとカットオフ導波管２２ｂの問題点を解決し、小型で高性能な原子発振器を実現することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、光源部と光入力窓との間の励起光の光路上にレンズを備えることとし、該レンズによって励起光の光束の径を変え、光入力窓を励起光が通過するときには光束の径を小さくし、光入力窓を通過した後は光束の径が大きくなるようにした。すなわち、本発明の原子発振器は、励起光を発生する光源部と、金属原子を封入したガスセルと、該ガスセルを内蔵し、かつ、前記励起光を導入する光入力窓、マイクロ波供給手段及び該光入力窓から導入されて前記ガスセルを透過した励起光を受光し電気信号に変換する光電変換素子を有しており、前記励起光とマイクロ波とを受けて光・マイクロ波二重共鳴を起こさせる空洞共振器とを含み、該光・マイクロ波二重共鳴が起きた際に生じる共鳴周波数を検出して周波数の基準に用いる原子発振器において、
前記光源部は半導体レーザを用いており、
前記光源部と前記光入力窓との間の前記励起光の光路上で、かつ前記空洞共振器の外側で、前記光入力窓の近傍に配置されており、前記半導体レーザから出射した励起光を通過し、該励起光が前記光入力窓を通過した後にその光束が次第に広がるようにする凹レンズ（２８）を備えた。
【００１４】
【作用】
レンズで励起光の光束の径を小さくして光入力窓を通過させることができるから、光入力窓の開口径を小さくできる。光入力窓の開口径が空洞共振器内のマイクロ波電磁界を乱さない程度に小さければ、空洞共振器のＱ値が下がることはないので、カットオフ導波管が必要無く、またマイクロ波電力も小さい量で励振がおこなえる。レンズで絞りこまれた励起光は光入力窓通過後に次第に広がり、空洞共振器内部のガスセルへ入射する。このことにより、励起光は損失が無くガスセル全体に照射され、また空洞共振器のＱ値が下がらずに最適な励振がおこなえる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の原理形態を図１を用いて説明する。図１は、本発明の要部である二重共鳴部２の構成を主に示している。ただし、発明に関連する要部について説明するために、マイクロ波アンテナ２４、静磁場コイル２６、恒温ヒータ２７については説明を省略する。また、原子発振器の構成は図３に示す基本構成と同じであり、光源部１、信号処理制御装置３、周波数合成・逓倍回路４、および電圧制御水晶発振器５は従来と同様であるので、その説明は省略する。なお、この原理形態では、光源部１からは励起光をガスセル２１全体に照射できるように、従来の空洞共振器２２の光入力窓２２ａの開口径に合うような径の大きな光束の励起光が出力されている。原理形態の二重共鳴部２は、金属原子を封入したガスセル２１を内蔵し、一方の端面に光入力窓２２ａを有し、対向する他方の端面には光電変換素子２３を有する空洞共振器２２、該空洞共振器２２を覆う磁気シールド槽２５、及び該磁気シールド槽２５の光入力窓２５ａに取り付けられたレンズ２８を備えている。レンズ２８は凸レンズである。破線は励起光の光束を示す。光源部１から出射された励起光の光束はレンズ２８によって一旦細くなる。励起光が細くなった部分（この原理形態ではレンズ２８の焦点近傍）に光入力窓２２ａが位置し、励起光が損失せずに該光入力窓２２ａを通過する。光入力窓２２ａの開口径は空洞共振器２２内のマイクロ波電磁界を乱さない大きさとなっている。例えば空洞共振器２２の内径がφ７０ｍｍで開口径が５ｍｍとすると光入力窓２２ａが存在しない場合とほぼ同じであり、光入力窓２２ａの外近傍に誘電体が存在しても、そのことにより外部インピーダンスは変化しない。光入力窓２２ａを通過した励起光は次第に広がりながらガスセル２１を透過し、光電変換素子２３で受光される。励起光が広がることにより、空洞共振器２２内の光ポンピングとマイクロ波励振がガスセル２１内の金属原子に大きく作用する。この原理形態（図１）ではレンズ２８を内側の磁気シールド槽２５に配している。通常、外部磁場の影響を除去して高性能化を図るために、磁気シールド槽は２層以上を施すが、レンズ２８の焦点距離に合わせて、その最外層近傍にレンズ２８を配しても良い。二重共鳴部２の小型化を図るには、レンズ２８の焦点距離のできるだけ小さいものを使用するようにすればよい。特に、光源部１にランプセルを用いる場合には、所望の励起波長を抽出するためにガスセル２１の光入射側にフィルタセル２９を挿入する必要があるが、コヒーレントな単一スペクトラムの光が得られる半導体レーザの場合には、フィルタセル２９を挿入する必要がない。また、発明が解決しようとする課題の項で説明した空洞共振器２２の寸法を例にとると、空洞共振器２２の内径がφ７０ｍｍの場合、カットオフ導波管２２ｂの寸法２０ｍｍ分の小型化が図れるが、小型化を図らずに、その２０ｍｍ分を、空洞共振器２２を光軸方向に伸ばし、ガスセル２１を大きくすることに当てれば、光・マイクロ波二重共鳴の作用領域を大きくとることが可能となるので、高性能化の効果が得られる。
【００１６】
図２は、本発明の実施の形態を説明するための図で、要部である二重共鳴部２の構成を主に示している。ただし、発明に関連する要部について説明するために、マイクロ波アンテナ２４、静磁場コイル２６、恒温ヒータ２７については省略している。また、光源部１、信号処理制御装置３、周波数合成・逓倍回路４、および電圧制御水晶発振器５については、その説明を省略する。なお、この実施の形態では原理形態と異なり、光源部１にはＬＤが用いられており、径の小さい光束の励起光が出力されている。従来の原子発振器では、光源部１にＬＤが用いられている場合は、ガスセル２１への照射面積を増すために、光源部１において複合レンズでビーム径を太く成形し、空洞共振器２２の光入力窓２２ａの開口径に合うような径の光束の励起光にして出力していた。第２の実施の形態は、光源部１からの励起光の光束の径が小さいこと、レンズ２８に凹レンズを用いてビーム径を広げていること、および、レンズ２８はビーム径を広げるだけなので光入力窓２２ａの開口径を小さくするために、光入力窓２２ａの近傍に設けられていることを除いて原理形態と同じである。実施の形態では、レンズ１枚を調整することで最適な光ポンピングが行える。このような構造により、マイクロ波電磁界を乱すこと無く二重共鳴現象が最適におこなわれ、またレンズを付けたことによる空洞共振器２２の外部のインピーダンスの変化も影響せず、かつ小型化も図れる。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の原子発振器は、光源部と光入力窓との間の励起光の光路上にレンズを備えることとし、該レンズによって励起光の光束の径を変え、光入力窓を励起光が通過するときには光束の径を小さくし、光入力窓を通過した後は光束の径が大きくなるようにしたから、小型で高性能な原子発振器が実現できた。詳述すれば、光入力窓を励起光が通過するときには光束の径が小さくなるので、光入力窓の開口径を小さくでき、カットオフ導波管がなくてもマイクロ波電磁界を乱されず、空洞共振器のＱ値が向上する。また、光入力窓を通過後励起光が広がるのでガスセルへの照射面積が増し、効率のよい二重共鳴が得られ、原子発振器の性能が向上する。さらに、カットオフ導波管を付けないことにより小型化が図れる。つまり、原子発振器の性能を向上しながら、装置の小型化も達成できる。さらに、空洞共振器の外側で、光入力窓の近傍に配置したレンズ１枚を調整することで最適な光ポンピングが行える。このような構造により、マイクロ波電磁界を乱すこと無く二重共鳴現象が最適におこなわれ、またレンズを付けたことによる空洞共振器２２の外部のインピーダンスの変化も影響しない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理形態の二重共鳴部の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の二重共鳴部の構成図である。
【図３】ガスセル型原子発振器の基本構成図である。
【図４】従来の原子発振器の二重共鳴部の構成図である。
【図５】ルビジウム原子のエネルギー３順位系の説明図である。
【図６】カットオフ導波管を付けた空洞共振器の解析モデルを示す図である。
【図７】カットオフ導波管の長さと空洞共振器の実効的な共振長の変化量との関係を示す図である。

Claims

励起光を発生する光源部（１）と、
金属原子を封入したガスセル（２１）と、
該ガスセルを内蔵し、かつ、前記励起光を導入する光入力窓（２２ａ）、マイクロ波供給手（２４）及び該光入力窓から導入されて前記ガスセルを透過した励起光を受光し電気信号に変換する光電変換素子（２３）を有しており、前記励起光とマイクロ波とを受けて光・マイクロ波二重共鳴を起こさせる空洞共振器（２２）とを含み、該光・マイクロ波二重共鳴が起きた際に生じる共鳴周波数を検出して周波数の基準に用いる原子発振器において、
前記光源部は半導体レーザを用いており、
前記光源部と前記光入力窓との間の前記励起光の光路上で、かつ前記空洞共振器の外側で、前記光入力窓の近傍に配置されており、前記半導体レーザから出射した励起光を通過し、該励起光が前記光入力窓を通過した後にその光束が次第に広がるようにする凹レンズ（２８）を備えたことを特徴とする原子発振器。