(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6124536
(24)【登録日】2017年4月14日
(45)【発行日】2017年5月10日
(54)【発明の名称】原子発振器及びCPT共鳴の励起方法
(51)【国際特許分類】
H03L 7/26 20060101AFI20170424BHJP
H01S 1/06 20060101ALI20170424BHJP
【FI】
H03L7/26
H01S1/06
【請求項の数】18
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2012-190180(P2012-190180)
(22)【出願日】2012年8月30日
(65)【公開番号】特開2014-49886(P2014-49886A)
(43)【公開日】2014年3月17日
【審査請求日】2015年7月14日
(73)【特許権者】
【識別番号】000006747
【氏名又は名称】株式会社リコー
(73)【特許権者】
【識別番号】305027401
【氏名又は名称】公立大学法人首都大学東京
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】五箇 繁善
(72)【発明者】
【氏名】矢野 雄一郎
【審査官】
鬼塚 由佳
(56)【参考文献】
【文献】
特開2011−061272(JP,A)
【文献】
特表2007−530965(JP,A)
【文献】
米国特許第06320472(US,B1)
【文献】
国際公開第01/026231(WO,A1)
【文献】
米国特許出願公開第2004/0223523(US,A1)
【文献】
米国特許出願公開第2009/0289728(US,A1)
【文献】
Z.Zanon, et al.,High Contrast Ramsey Fringes with Coherent-Population-Trapping Pulses in a Double Lambda Atomic System,PHYSICAL REVIEW LETTERS,2005年 5月17日,Vol.94,pages 193002-4
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H03L 7/26
H01S 1/06
G04F 5/14
IEEE Xplore
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである2つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記サイドバンドは、3次のサイドバンドであることを特徴とする原子発振器。
【請求項2】
前記レーザ光は、パルス光であることを特徴とする請求項1に記載の原子発振器。
【請求項3】
前記パルス光は、矩形波の形状であることを特徴とする請求項2に記載の原子発振器。
【請求項4】
前記パルス光は、三角波の形状であることを特徴とする請求項2に記載の原子発振器。
【請求項5】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである2つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記サイドバンドは、2次以上のサイドバンドであって、
前記レーザ光は、パルス光であり、
前記パルス光は、三角波の形状であることを特徴とする原子発振器。
【請求項6】
前記パルス光は、前記光源から出射されたレーザ光を液晶素子により変調することにより得られるものであることを特徴とする請求項2、4、5のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項7】
前記アルカリ金属は、ルビジウム、セシウム、ナトリウム、カリウムのいずれかであることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項8】
前記光源は、面発光レーザであることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項9】
前記レーザ光の波長は、893.6nm〜895.6nm、851.3nm〜853.3nm、794.0nm〜796.0nm、779.2nm〜781.2nmの範囲に含まれるものであることを特徴とする請求項1から8のいずれかに記載の原子発振器。
【請求項10】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである2つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記サイドバンドは、3次のサイドバンドであることを特徴とするCPT共鳴の励起法。
【請求項11】
前記レーザ光は、パルス光であることを特徴とする請求項10に記載のCPT共鳴の励起法。
【請求項12】
前記パルス光は、矩形波の形状であることを特徴とする請求項11に記載のCPT共鳴の励起法。
【請求項13】
前記パルス光は、三角波の形状であることを特徴とする請求項11に記載のCPT共鳴の励起法。
【請求項14】
アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、
前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、
前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、
を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである2つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、
前記サイドバンドは、2次以上のサイドバンドであって、
前記レーザ光は、パルス光であり、
前記パルス光は、三角波の形状であることを特徴とするCPT共鳴の励起法。
【請求項15】
前記パルス光は、前記光源から出射されたレーザ光を液晶素子により変調することにより得られるものであることを特徴とする請求項11、13、14のいずれかに記載のCPT共鳴の励起法。
【請求項16】
前記アルカリ金属は、ルビジウム、セシウム、ナトリウム、カリウムのいずれかであることを特徴とする請求項10から15のいずれかに記載のCPT共鳴の励起法。
【請求項17】
前記光源は、面発光レーザであることを特徴とする請求項10から16のいずれかに記載のCPT共鳴の励起法。
【請求項18】
前記レーザ光の波長は、893.6nm〜895.6nm、851.3nm〜853.3nm、794.0nm〜796.0nm、779.2nm〜781.2nmの範囲に含まれるものであることを特徴とする請求項10から17のいずれかに記載のCPT共鳴の励起法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、原子発振器及びCPT共鳴の励起方法に関する。
【背景技術】
【0002】
極めて正確な時間を計る時計として原子時計(原子発振器)があり、この原子時計を小型化する技術等の検討がなされている。原子時計とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準とする発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器に比べて、数桁高い周波数安定性を得ることができる。
【0003】
このような原子時計には、幾つかの方式があるが、例えば、従来からあるマイクロ波共振器を用いた構造のものは、大型で高い消費電力を必要としていた。これに対し、CPT(Coherent Population Trapping)方式の原子時計は、従来の水晶発振器に比べて周波数安定性が3桁程度高く、また、超小型、超低消費電力を望むことができる。このようなCPT方式の原子時計は、2007年にプロトタイプのものが作製されており、2011年には、米国のSymmetricom社より、民生品の販売がされている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、上述した原子時計は、従来からあるマイクロ波共振器を用いたものと比べて、消費電力が低くはなっているものの、消費電力は115mWであるため、バッテリー駆動による使用を想定した場合には、まだまだ高く、更なる低消費電力のもの、例えば、消費電力が30mW以下のものが望まれている。
【0005】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、消費電力の低い原子発振器及びCPT共鳴の励起方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本実施の形態の一観点によれば、アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである2つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、前記サイドバンドは、
3次のサイドバンドであることを特徴とする。
また、本実施の形態の他の一観点によれば、アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである2つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、前記サイドバンドは、2次以上のサイドバンドであって、前記レーザ光は、パルス光であり、前記パルス光は、三角波の形状であることを特徴とする。
【0007】
また、本実施の形態の他の一観点によれば、アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記サイドバンドである2つの異なる波長のレーザ光を前記アルカリ金属セルに入射させることにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、前記2つの異なる波長のレーザ光は、一方は1次のサイドバンドであり、他方は2次以上のサイドバンドであることを特徴とする。
【0008】
また、本実施の形態の他の一観点によれば、アルカリ金属が封入されたアルカリ金属セルと、前記アルカリ金属セルにレーザ光を照射する光源と、前記アルカリ金属セルを透過した光を検出する光検出器と、を有し、前記光源を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、前記光源における基本波となるレーザ光と前記サイドバンドであるレーザ光とを前記アルカリ金属セルに入射させることにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものであって、前記サイドバンドであるレーザ光は、3次以上のサイドバンドであることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、消費電力の低い原子発振器及びCPT共鳴の励起方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図2】第1の実施の形態における原子発振器の構造図
【
図7】連続励起によるRFパワーとコントラストの相関図
【
図8】パルス励起によるRFパワーとコントラストの相関図
【
図9】連続励起によるレーザ強度と周波数シフトの相関図
【
図10】パルス励起によるレーザ強度と周波数シフトの相関図
【
図11】第2の実施の形態における原子発振器において用いられるパルス光の説明図
【発明を実施するための形態】
【0011】
本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【0012】
〔第1の実施の形態〕
ところで、上述したCPT方式の原子時計を調べたところ、電力の半分以上がマイクロ波発振器及びPLL(phase locked loop)等のマイクロ波関連回路で消費されていることがわかった。具体的には、数GHz帯における消費電力は、主にRF(Radio Frequency)帯域における動作によるスイッチング損失によりものであり、このスイッチング損失Pは数1に示される式で表わされる。
【0013】
【数1】
f
RFはRF周波数、Cは寄生容量、VはRF振幅を示す。数1に示される式より、マイクロ波関連回路の消費電力を低減するためには、RF周波数f
RFを低くする、寄生容量Cを低くする、RF振幅Vを低くする等の方策が考えられる。
【0014】
本実施の形態における原子発振器では、これらのうちRF周波数f
RFを低くすることにより、原子発振器の消費電力を低くしたものである。具体的には、本実施の形態における原子発振器では、2次、3次等の高次高調波を用いることにより、基本波となるRF周波数f
RFを低くして、消費電力を抑えている。
【0015】
ところで、原子発振器に高次高調波を用いた場合、励起に必要な波長のレーザ光の生成効率が落ちることから、CPT共鳴におけるコントラストが低下する。原子発振器は、一般に高い周波数安定度が要求され、各種無線機器の基地局用基準発信源等として用いる場合には、特に、短期安定度が重要となる。周波数安定度の指標として用いられるアラン標準偏差において、短期安定度σ
y(τ)は、数2に示される式で表わされる。ここで、Qは原子共鳴の共振Q値であり、数3に示される式で表わされる。尚、FWHM(full width at half maximum)はRF周波数f
RFにおける半値全幅、τは積算時間、S/Nは、S(シグナル)/N(ノイズ)比であり、具体的には、RF周波数f
RFの強度とノイズとの比を示すものであり、本実施の形態においては、コントラストCtと記載する場合がある。また、
図1は、レーザ光の強度分布を示す。
【0017】
【数3】
以上より、数2に示される短期安定度σ
y(τ)は、更に、数4に示される式で表わされる。
【0018】
【数4】
数4に示される式より、短期安定度σ
y(τ)は、原子共鳴の共振Q値とコントラストCt(S/N比)に依存して定まる。即ち、原子共鳴の共振Q値、または、コントラストCtを大きくすることにより、短期安定度σ
y(τ)を小さくすることができる。しかしながら、CPT共鳴を励起する場合には、励起用レーザ光の強度を高くすることにより、大きな共鳴振幅を得ることは可能ではあるが、同時に、パワーブロードニング効果により線幅が広がってしまう。従って、一般的には、Q値の向上とコントラストCt(S/N比)の向上とは、トレードオフの関係にある。
【0019】
本実施の形態においては、レーザ光によるパルス励起を併用することにより、高次高調波におけるコントラストの低下を補い、消費電力を低くするとともに、原子発振器の安定性を高めている。
【0020】
尚、パルス励起とは、光源より出射されたレーザ光をパルス化して励起するものである。このように、励起用レーザ光をパルス化することにより、ラムゼイ共鳴を生じさせ、共鳴線幅の狭帯域化やライトシフトを低減させることが可能となる。レーザ光をパルス化する方法としては、様々な方法があるが、励起用レーザの駆動電流を直接制御することによる直接変調では、変調の際に、レーザ光の出力波長が大きく変化してしまうため、原子発振器においては用いることはできない。従って、本実施の形態においては、レーザ光をパルス化するための変調は、AOM(Acousto-Optic Modulator:音響光学素子)を用いて行なっている。
【0021】
(原子発振器)
次に、
図2に基づき本実施の形態における原子発振器の構造について説明する。本実施の形態における原子発振器は、レーザ光源110、コリメートレンズ120、AOM130、偏光子131、アルカリ金属セル140、光検出器150等を有している。
【0022】
レーザ光源110は、励起用のレーザ光源であり、本実施の形態においては、面発光半導体レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting LASER)が用いられている。レーザ光源110より出射されるレーザ光は、
133CsのD
1線と略等しい波長が895nmのレーザ光である。尚、VCSELは、小型で、かつ、低消費電力でレーザ光を出射させることができるため、VCSELを光源110に用いた場合、より一層消費電力を低くすることができるため好ましい。
【0023】
アルカリ金属セル140は、例えば、直径22.5mm、光路長20.0mmの円筒型の形状で形成されている。アルカリ金属セル140には、アルカリ原子CsとバッファガスとしてN
2が封入されており、アルカリ金属セル140の内部の圧力が、1.3kPaとなっている。
【0024】
本実施の形態においては、レーザ光源110より出射されたレーザ光は、コリメートレンズ120、AOM130、偏光子131を介し、直径が約5mmのビーム径のレーザ光となりアルカリ金属セル140に入射する。アルカリ金属セル140に入射したレーザ光は、アルカリ金属セル140を透過し、フォトダイオード等からなる光検出器150に入射し、光検出器150に入射したレーザ光の光量等が検出される。
【0025】
本実施の形態においては、光源110より出射されるレーザ光は、AOM130によりパルス光とした後、アルカリ金属セル140に入射する。AOM130は、高速変調可能であるため、パルス光は矩形波の形状となる。
【0026】
本実施の形態では、レーザ光源110より出射されるレーザ光の波長を安定化させるために、ロックインアンプ161によるロックイン検波を行い、レーザ光源110であるVCSELを駆動する電流量をカレントドライブ162等により制御している。この制御では、アルカリ金属セル140におけるアルカリ原子の吸収量が最大となるように制御している。また、レーザ光源110であるVCSELの温度は、一定に保たれている。尚、このような動作のため、ロックインアンプ161及びカレントドライブ162には、ファンクションジェネレータ163が接続されている。
【0027】
アルカリ金属セル140には、磁場に対して最も変動の少ないCPT共鳴を測定するため、ヘルムホルツコイルにより、32μTの静磁場Bが印加されており、ゼーマン分裂させることでCPT共鳴を選別している。また、地磁気などによる外部磁場を遮断するため、アルカリ金属セル140及びヘルムホルツコイルを磁気シールドで覆い、温度槽141内に設置して温度を一定に保っている。本実施の形態においては、アルカリ金属セル140の温度は、30℃から55℃までの範囲に保たれており、例えば、最もCPT共鳴のコントラストが高くなる42.00℃の温度に保たれている。
【0028】
CPT共鳴の励起用レーザ光は、ゼーマン副準位の偏りを避けるため、偏光子131により直線偏光のレーザ光となっている。本実施の形態においては、
図3に示されるように、|F=3,m=−1),|F=4,m=1)と|F=3,m=1),|F=4,m=−1)の2つのCPT共鳴が重畳した共鳴が観測される。
【0029】
また、本実施の形態では、レーザ素子110から出射されるレーザ光は、AOM130によりパルス光とした後、一次回折光をアルカリ金属セル140させている。AOM130はAOMドライバ165により制御されており、例えば、パルス光は、立ち上がり時間が公称値で65nsであり、パルス周期は1.00kHz、Duty比は50%となるように設定されている。従って、パルス光におけるパルスの立ち下りから立ち上りまでの時間間隔は500μsである。CPTラムゼイ共鳴の検出回路としては、サンプルホールド回路171を用いており、波形取得時間は5.0μs、レーザ立ち上がり直後から10μsのタイミングで共鳴を取得している。検出された光量に基づく光検出器150からの出力は、サンプルホールド回路171及びロックインアンプ172を介し、制御部173に入力している。また、制御部173からは、アナログシグナルジェネレータ174に制御信号が送られ、アナログシグナルジェネレータ174からは、ロックインアンプ172にFM信号が送られる。また、測定器の基準周波数源にはCs一次標準器175が用いられており、アナログシグナルジェネレータ174に接続されている。尚、これらの動作のため、サンプルホールド回路171及びAOMドライバ165には、パルスジェネレータ166が接続されている。
【0030】
ところで、本実施の形態におけるCPT共鳴を観測するためには、前述したように、アルカリ金属セル140内におけるアルカリ原子に対し、波長の異なる2種類のレーザ光を照射する必要がある。
【0031】
具体的には、従来は、
図4(a)に示されるように、レーザ光源110においてFM変調させることにより発生する1次のサイドバンドを用いることにより、波長の異なる2種類のレーザ光を得ていた。これに対し、本実施の形態においては、
図4(b)及び(c)に示されるように、レーザ光源110をFM変調させることにより発生する2次または3次のサイドバンドを用いている。これにより、2次のサイドバンドを用いた場合には、1次のサイドバンドを用いた場合に比べて変調周波数(RF周波数)を半分にすることができ、3次のサイドバンドを用いた場合には、1次のサイドバンドを用いた場合に比べて変調周波数(RF周波数)を1/3にすることができる。
【0032】
即ち、表1に示されるように、1次のサイドバンドを用いた場合のRF周波数が約4.6GHzである場合において、2次のサイドバンドを用いた場合には、RF周波数を約2.3GHzにすることができる。更に、3次のサイドバンドを用いた場合には、RF周波数を約1.53GHzにすることができる。従って、数1に示される式より、スイッチング損失Pは、RF周波数f
RFと比例関係にあるため、2次及び3次のサイドバンドを用いることにより、RF周波数f
RFを低くした分、消費電力を低くすることができる。
【0033】
【表1】
次に、2次及び3次のサイドバンドを用いた場合におけるCPT励起における共鳴線幅特性について説明する。尚、本実施の形態においては、2次及び3次のサイドバンドとなる高調波を高次高調波と記載する場合がある。
【0034】
図5には、連続励起におけるCPT共鳴を測定した結果を示す。縦軸は、CPT共鳴の信号レベルであり、横軸は中心周波数からのズレ量を示す。尚、信号レベルは規格化されているものとする。表2は、1次〜3次のサイドバンドを用いた場合のコントラスト、FWHM等について、連続励起(CW)の場合と、パルス励起(PL)の場合について示す。
【0035】
【表2】
尚、RF電力は、コントラストが最大となる値を用いた。励起に必要なRF周波数は、1次のサイドバンドを用いた場合には、4.596325GHzであるのに対し、2次のサイドバンドを用いた場合には、2.298162GHzである。2次のサイドバンドを用いた場合には、1次のサイドバンドを用いた場合の半分のRF周波数によりCPT共鳴を観測することが可能である。同様に、3次のサイドバンドを用いた場合には、励起に必要なRF周波数は、1.532108GHzであり、3次のサイドバンドを用いた場合には、1次のサイドバンドを用いた場合の1/3のRF周波数によりCPT共鳴を観測することが可能である。
【0036】
連続励起におけるCPT共鳴は、サイドバンドの次数が高くなるに伴い、FWHMは僅かに狭くなり、Q値は向上している。これは、パワーブロードニング効果による影響であるものと考えられる。パワーブロードニングとは、レーザ光の強度に比例して、FWHMが広がる現象である。高次高調波を用いた場合では、CPT共鳴に寄与する波長成分のレーザ強度が減少し、光強度が減少するため、FWHMが狭くなるものと考えられる。
【0037】
次に、
図6には、パルス励起におけるCPTラムゼイ共鳴を測定した結果を示す。縦軸は、CPT共鳴の信号レベルであり、横軸は中心周波数からのズレ量を示す。尚、信号レベルは規格化されているものとする。パルス励起においては、高次高調波を用いた場合には、Q値は略同一の値を示している。これは、パルス励起においては、パワーブロードニング効果が抑制されるため、FWHMはレーザ光の強度に依存しないためと考えられる。
【0038】
図7及び
図8は、RFパワーとコントラストとの関係を示す。
図7は、連続励起におけるRFパワーとコントラストとの関係を示し、
図8は、パルス励起におけるRFパワーとコントラストとの関係を示す。
図7及び
図8に示されるように、連続励起及びパルス励起において、各々コントラストが最大となるRFパワーが存在している。また、高次高調波を用いた励起では、1次による励起の場合と比べて、コントラストの最大値が低くなっている。これは変調度に伴いCPT共鳴に寄与する波長成分の割合が変化するためである。コントラストが最大となるRFパワーの値は、連続励起においては、1次の場合では、約0.32mWであり、2次及び3次の場合では、約0.50mWであった。尚、レーザ光源110であるVCSELに注入されるRFパワーが1mW以下であるのに対し、プロトタイプのマイクロ波関連回路の消費電力は、66mWであることから、マイクロ波関連回路の消費電力の98%以上はスイッチング損失であるものと考えられる。
【0039】
本実施の形態においては、高次高調波における励起により、2次のサイドバンドを用いた場合では、マイクロ波関連回路における消費電力が、28.5(57/2)mWとなり、原子発振器全体では、79.5(51+28.5)mWとなり、消費電力は26.4%低減される。また、3次のサイドバンドを用いた場合では、マイクロ波関連回路の消費電力が、19(57/3)mWとなり、原子発振器全体では、70(51+19)mWとなり、消費電力は35.2%低減される。従って、本実施の形態においては、原子発振器全体における消費電力を大幅に削減することができる。
【0040】
高次高調波による励起において、2次の場合と3次の場合とを比較すると、コントラストは、2次の場合よりも3次の場合の方が高くなっている。これは励起準位F'=3とF'=4との差が1.167GHzであり、3次のRF周波数と近いことから、励起準位F'=3とF'=4とを同時に励起している可能性がある。
【0041】
尚、原子発振器における短期安定度は、Q値とコントラストの積により定まる。表2に示されるように、連続励起の1次の場合を基準とすると、パルス励起の3次の場合においては、2.97倍良好な結果が得られている。従って、高次高調波による励起とパルス励起とを組み合わせることにより、RF周波数を低くすることができるため省電力にすることができ、また、良好な短期安定度を得ることができる。
【0042】
次に、ライトシフトについて説明する。ライトシフトは、レーザ光の光量に伴いCPT共鳴の中心周波数がシフトする現象であり、CPT原子発振器の長期安定度を劣化させる大きな要因である。連続励起の場合では、CPT共鳴周波数がレーザ光量に対して線形にシフトすることが知られている。また、CPT共鳴に不要なサイドバンドにより、シフト量が変化することも報告されている。
【0043】
図9及び
図10は、CPT共鳴における光強度と周波数シフトとの関係を示す。具体的には、
図9は、連続励起におけるレーザ光の光強度と周波数シフトとの関係を示すものであり、
図10は、パルス励起におけるレーザ光の光強度と周波数シフトとの関係を示す。また、表3には、レーザ光の光強度に対する周波数シフトの傾きであるライトシフト量(Light Shift)及びライトシフト量をRF周波数で割った値(Relative Light Shift)を示す。尚、表3におけるRelative Light Shiftは、
図9及び
図10における傾きとなるものである。
【0044】
【表3】
連続励起においては、ライトシフト量は、2次及び3次の場合では、1次の場合の2〜3倍であり、2次の場合の方が3次の場合のよりもライトシフト量は高かった。尚、これは、CPT共鳴に不要なサイドバンドが原因であると考えられる。また、2次及び3次の場合におけるRelative Light Shiftは、1次の場合の約6倍であった。
【0045】
一方、パルス励起においては、CPTラムゼイ共鳴におけるライトシフト量は、連続励起の場合よりも低くなっている。具体的には、パルス励起におけるライトシフト量は、連続励起の20〜30分の1以下であり、パルス励起によりライトシフト量を大幅に低減することができる。
【0046】
また、パルス励起においても、高次高調波におけるライトシフト量は、1次の場合の約3倍であり、2次の場合と3次の場合とは略同じライトシフト量であった。高次高調波におけるRelative Light Shiftは、1次の場合の6倍〜10倍であった。
【0047】
以上より、高次高調波を用いたパルス励起の場合では、1次のサイドバンドを用いた連続励起の場合と比べて、ライトシフト量を低くすることができる。具体的には、3次のサイドバンドを用いたパルス励起の場合では、1次のサイドバンドを用いた連続励起の場合と比べて、Relative Light Shiftを1/3以下とすることができる。
【0048】
従って、本実施の形態においては、3次のサイドバンドを用いたパルス励起の場合では、1次のサイドバンドを用いた連続励起の場合と比べて、Relative Light Shiftを1/3以下に抑えつつ、Q値を5倍以上に向上させることができる。また、3次のサイドバンドを用いたパルス励起の場合では、1次のサイドバンドを用いた連続励起の場合に比べて、RF関連電力を1/3に抑えつつ、短期安定度を2.97倍向上させることができる。
【0049】
尚、上述した本実施の形態における説明では、アルカリ金属セル140に入れられているアルカリ金属として、セシウムの場合について説明したが、セシウムに代えてルビジウムを用いてもよい。また、光源110から出射されるレーザ光の波長は、893.6nm〜895.6nm、851.3nm〜853.3nm、794.0nm〜796.0nm、779.2nm〜781.2nmの範囲のいずれか含まれるものであってもよい。また、セシウムやルビジウムに代えて、他のアルカリ金属、具体的には、ナトリウム、または、カリウムを用いたものであってもよい。
【0050】
また、上記における本実施の形態の説明では、2つの2次のサイドバンド、または、2つの3次のサイドバンドを用いた場合について説明したが、一方の側の2次のサイドバンドと他方の側の3次のサイドバンドを用いたものであってもよく、一方の側の1次のサイドバンドと他方の側の3次のサイドバンドを用いたものであってもよく、一方の側の1次のサイドバンドと他方の側の2次のサイドバンドを用いたものであってもよい。また、キャリアとなる基本波と3次のサイドバンドを用いたものであってもよい。尚、上記において一方の側及び他方の側とは、低周波側または高周波側のうちのいずれか一方を一方の側とし、他方を他方の側とするものである。また、サイドバンドについては、上記よりも高次のサイドバンドを用いた場合においても、同様の効果を得ることができる。
【0051】
〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態は、第1の実施の形態における原子発振器において、
図2に示されるAOM130に代えて、液晶素子を用いたものである。液晶素子はAOM130よりも小型であり、また、消費電力も低いため、更なる原子発振器の小型化が可能となり、また、消費電力も低くすることができる。このため、本実施の形態における原子発振器においては、
図2に示されるAOMドライバ165に代えて液晶ドライバが用いられる。このように、液晶素子を用いることにより、CPTを利用した超小型原子発振器(CSAC:Chip Scale Atomic Clock)を更に容易に得ることができる。
【0052】
本実施の形態においては、液晶素子として、透過型のネマティック液晶と、偏光板2枚が用いられており、偏光面を90°回転させることにより、光源110から出射されたレーザ光をパルス化させることによりパルス光を得ている。
図11は、液晶素子によりパルス化されたパルス光の波形を示す。本実施の形態においては、液晶素子によりオンオフ制御を行っているため、光パルスの形状は矩形波ではなく三角波に近い形状となる。
図11に示されるパルス光では、スイッチング周波数が150Hzであり、立ち上がり時間は、2.65ms、立ち下がり時間は218μsである。本実施の形態においても、第1の実施の形態における原子発振器と同様の効果を得ることができた。
【0053】
以上、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【0054】
110 光源
120 コリメートレンズ
130 AOM
131 偏光子
140 アルカリ金属セル
150 光検出器
【先行技術文献】
【特許文献】
【0055】
【特許文献1】特許第4801044号公報
【非特許文献】
【0056】
【非特許文献1】Lutwak R, Vlitas P, Varghese M, Mescher M, Serkland D K, Peake G M., The MAC - A miniature atomic clock. Joint Meeting of the IEEE International Frequency Control Symposium and the Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, Vancouver, BC, Canada, pp. 752-757 (2005)
【非特許文献2】N. Castagna, R. Boudot, S. Guerandel, E. Clercq, N. Dimarcq,and A. Clairon : "Investigations on Continuous and Pulsed Interrogation for a CPT Atomic Clock", IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 56 (2009) 246.