2025-12026 周波数安定化装置、および原子時計装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025012026

(43)【公開日】2025-01-24

(54)【発明の名称】周波数安定化装置、および原子時計装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 1/06 20060101AFI20250117BHJP

   G04F 5/14 20060101ALI20250117BHJP

   H03L 7/26 20060101ALN20250117BHJP

【ＦＩ】

H01S1/06

G04F5/14

H03L7/26

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023114548

(22)【出願日】2023-07-12

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、未来社会創造事業「マルチチャネルレーザ制御システムの開発、および、チャンバ駆動光学系の小型モジュール化」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000001993

【氏名又は名称】株式会社島津製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】久井 裕介

【テーマコード（参考）】

5J106

【Ｆターム（参考）】

5J106CC07

5J106CC21

5J106GG02

5J106KK05

5J106LL10

(57)【要約】

【課題】レーザ光の周波数を好適に安定化させる。
【解決手段】変調信号を用いてレーザ光の位相を変調する電気光学変調器１３と、電気光学変調器１３によって変調されたレーザ光を共振させる光共振器１６と、光共振器１６と変調信号とに基づき、レーザ装置１０によって照射されるレーザ光の周波数を調整するサーボ回路２２とを備える。光共振器１６は、電気光学変調器１３によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を光共振器１６において共振させる。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原子時計装置であって、
真空容器と、
前記真空容器に対して原子ビームを放射する原子発生装置と、
前記原子発生装置により前記原子ビームが放射された状態で前記真空容器に対してレーザ光を照射することによって、原子のエネルギー準位間遷移を励起するレーザ装置と、
前記真空容器において発生した前記原子のエネルギー遷移確率に比例して生じる光強度を検出する検出装置と、
前記検出装置によって検出された前記光強度に基づき前記レーザ装置によって照射される前記レーザ光の周波数を特定する制御装置と、
前記レーザ装置によって照射される前記レーザ光の周波数を安定化させる周波数安定化装置とを備え、
前記周波数安定化装置は、
変調信号を用いて前記レーザ光の位相を変調する位相変調部と、
前記位相変調部によって変調された前記レーザ光を共振させる光共振部と、
前記光共振部と前記変調信号とに基づき、前記レーザ装置によって照射される前記レーザ光の周波数を調整するレーザ調整部とを備え、
前記光共振部は、前記位相変調部によって変調された前記レーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数の前記レーザ光を前記光共振部において共振させる、原子時計装置。

【請求項2】

前記周波数安定化装置は、
前記変調信号を出力する発振部と、
前記光共振部から出力された前記レーザ光の一部を検出信号として検出する光検出部と、
前記検出信号と前記変調信号との比較値を算出する位相比較部とをさらに備え、
前記レーザ調整部は、前記比較値に基づいて前記レーザ装置によって照射される前記レーザ光の周波数を調整する、請求項１に記載の原子時計装置。

【請求項3】

前記光共振部は、共振器長を前記サイドバンドに対応する周波数に対応した長さに変更可能である、請求項１または請求項２に記載の原子時計装置。

【請求項4】

前記周波数安定化装置は、前記レーザ装置と前記位相変調部との間に配置され、前記レーザ装置によって照射された前記レーザ光の一部を前記原子時計装置に誘導する誘導部をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の原子時計装置。

【請求項5】

前記レーザ装置は、第１波長の第１レーザ光を照射する第１レーザ装置と、第２波長の第２レーザ光を照射する第２レーザ装置とを含み、
前記周波数安定化装置は、前記第１レーザ光および前記第２レーザ光の各々の周波数を安定化させる、請求項１または請求項２に記載の原子時計装置。

【請求項6】

前記発振部は、前記光共振部において前記サイドバンドに対応する周波数の前記レーザ光が共振可能な前記変調信号を前記位相変調部へ出力する、請求項２に記載の原子時計装置。

【請求項7】

前記位相比較部は、前記検出信号と、位相が１８０度反転した前記変調信号とを比較することで、前記比較値を算出する、請求項２に記載の原子時計装置。

【請求項8】

少なくとも１つのレーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を安定化させる周波数安定化装置であって、
変調信号を用いて前記レーザ光の位相を変調する位相変調部と、
前記位相変調部によって変調された前記レーザ光を共振させる光共振部と、
前記光共振部と前記変調信号とに基づき、前記レーザ装置によって照射される前記レーザ光の周波数を調整するレーザ調整部とを備え、
前記光共振部は、前記位相変調部によって変調された前記レーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数の前記レーザ光を前記光共振部において共振させる、周波数安定化装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ光の周波数を安定化させる周波数安定化装置、および周波数安定化装置から照射されるレーザ光を用いた原子時計装置に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ光の周波数を安定化させる手法の一つとして、ＰＤＨ（Pound-Drever-Hall）法がある。ＰＤＨ法は、光共振器を用いてレーザ光の周波数を安定化させる手法である。ＰＤＨ法では、電気光学変調器（EOM: Electro-Optic Modulator）によって周波数ｆ_ｍの位相変調をかけられたレーザ光が光共振器に入射する。光共振器から反射した光を偏光ビームスプリッタ（PBS: Polarizing Beam Splitter）で取り出し、光検出器（フォトダイオード）で受光するとキャリアとサイドバンドとの間のビート信号が得られる。ＰＤＨ法では、得られたビート信号をフィードバック制御のエラー信号として用いることで、キャリアが光共振器の共鳴となる周波数でレーザ光の周波数を安定化させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【非特許文献1】R. W. P. Drever, J. L. Hall, F. V. Kowalski, J. Hough, G. M. Ford, A. J. Munley and H. Ward, “Laser Phase and Frequency Stabilization Using an Optical Resonator” Appl. Phys. B: Photophys. Laser Chem. 31, 97-105 (1983).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ＰＤＨ法による周波数の安定度は、光共振器における共振器長の安定度に左右される。共振器長は、極力変化しないことが望ましい。共振器長を変化させる要因の一つは、光共振器に入射する光量の変化である。光共振器に入射し一対のミラー間を往復する光は、共振器内部を加熱し、輻射圧によって光共振器のミラーに力を与える。光共振器に入射する光は、光共振器の熱雑音を生じさせ、この熱雑音によっても周波数の安定度が変化する。したがって、光共振器に入射する光の信号強度は、小さい方が望ましい。

【0005】

一方、光共振器に入射する光の信号強度が小さくなると、光検出器でレーザ光を受光する際、キャリアとサイドバンドとの干渉光の強度が小さくなり、光検出器で検出された光の信号のＳ／Ｎ比が低下する。その結果、レーザ光の周波数の安定度が悪化する。すなわち、光共振器に入射する光量は、小さければ小さいほど、光共振器における共振器長が安定する一方で、光検出器で検出される光の信号のＳ／Ｎ比が低下するという、トレードオフの関係がある。

【0006】

本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、レーザ光の周波数を好適に安定化させることである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示は、原子時計装置に関する。原子時計装置は、真空容器と、真空容器に対して原子ビームを放射する原子発生装置と、原子発生装置により原子ビームが放射された状態で真空容器に対してレーザ光を照射することによって、原子のエネルギー準位間遷移を励起するレーザ装置と、真空容器において発生した原子のエネルギー遷移確率に比例して生じる光強度を検出する検出装置と、検出装置によって検出された光強度に基づきレーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を特定する制御装置と、レーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を安定化させる周波数安定化装置とを備える。周波数安定化装置は、変調信号を用いてレーザ光の位相を変調する位相変調部と、位相変調部によって変調されたレーザ光を共振させる光共振部と、光共振部と変調信号とに基づき、レーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を調整するレーザ調整部とを備える。光共振部は、位相変調部によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を光共振部において共振させる。

【0008】

本開示は、少なくとも１つのレーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を安定化させる周波数安定化装置に関する。周波数安定化装置は、変調信号を用いてレーザ光の位相を変調する位相変調部と、位相変調部によって変調されたレーザ光を共振させる光共振部と、光共振部と変調信号とに基づき、レーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を調整するレーザ調整部とを備える。光共振部は、位相変調部によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を光共振部において共振させる。

【発明の効果】

【0009】

本開示の周波数安定化装置、および原子時計装置によれば、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を共振させることによってレーザ光の周波数を好適に安定化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施の形態１に係る光格子型原子時計の機能ブロック図である。

【図2】光格子の概念図である。

【図3】実施の形態１に係る周波数安定化装置の機能ブロック図である。

【図4】レーザ光の周波数成分について説明するための図である。

【図5】エラー信号のシミュレーションを示すグラフである。

【図6】周波数安定化装置の周波数安定化処理を示すフローチャートである。

【図7】実施の形態２に係る周波数安定化装置の機能ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一の符号を付して、その説明は原則的に繰り返さない。

【0012】

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１に係る原子時計装置１００の機能ブロック図である。図１における原子時計装置１００は、光格子型原子時計（光格子時計とも称する）である。

【0013】

図１を参照して、原子時計装置１００は、原子発生装置１１０と、真空容器１３０と、検出装置１４０と、複数のレーザ装置１０と、磁場発生装置１６０と、制御装置１７０と、周波数安定化装置１とを備える。複数のレーザ装置１０は、冷却用レーザ装置１０Ａと、励起用レーザ装置１０Ｂと、検出用レーザ装置１０Ｃと、光格子用レーザ装置１０Ｄとを含む。

【0014】

原子発生装置１１０は、図示しない加熱装置（オーブン）を含んでおり、ストロンチウムあるいはイッテルビウム、水銀などの原子の母材をオーブンで加熱する。加熱により、原子同士の化学結合が切断されることによって原子が孤立し、原子の集団（原子ガス）が生成される。加熱されてガス化した原子は、高い運動エネルギーを有しているため、原子発生装置１１０からは、高速度の原子ガスが原子ビームとして放射される。原子発生装置１１０から放射された原子ビームは、真空容器１３０内に導かれる。

【0015】

冷却用レーザ装置１０Ａは、制御装置１７０からの制御信号ＣＴＬ１によって制御される。冷却用レーザ装置１０Ａは、真空容器１３０内において、原子発生装置１１０から放射された原子ビームに三次元的に対向するレーザ光（図１中の矢印ＡＲ１，ＡＲ２）を照射する。この冷却用レーザ光が、原子ビームの運動方向に対して逆方向に照射されることによって原子の運動エネルギーが減少し（すなわち、冷却され）、その結果として原子の速度が低下する。

【0016】

また、真空容器１３０内には、対向する一対のミラー１３１，１３２が設けられている。この対向するミラー１３１，１３２の間に、制御装置１７０の制御信号ＣＴＬ５によって特定の波長（魔法波長）に制御されたレーザ光が光格子用レーザ装置１０Ｄから放射されると、ミラー１３１とミラー１３２との間でレーザ光による定在波が生じる。

【0017】

一般的に、原子は、電場中において分極し誘起双極子を生じる。この双極子は電場と相互作用する。この結果、空間的に不均一なレーザ電場中においては、原子に対する電気ポテンシャルは電場強度の極大点で極小になり、その位置に原子が捕捉（トラップ）されることになる。上記のように、ミラー１３１，１３２との間でレーザ光の定在波が生成されると、原子は当該定在波の腹の位置にトラップされる。この定在波を三次元的に組み合わせると、半波長間隔に原子が配列される「光格子」が実現される。図２は、この光格子を概念的に示したものである。図２においてレーザによって生じる光格子１９０は、概念的には、一定間隔に電気ポテンシャルの凹部が形成された空間的な干渉縞であり、当該凹部内に原子ＡＴＭが捕捉される。

【0018】

原子が運動量（速度）を持つと、ドップラー効果により共鳴周波数がシフトし、計測される時間の精度が低下する可能性がある。冷却用レーザ装置１０Ａのレーザ光を用いて原子ビーム内の原子ＡＴＭを減速させるとともに、図２で示したような光格子１９０を用いて原子ＡＴＭを捕捉することによって、静止状態における原子の共鳴周波数を探索することが可能となる。

【0019】

磁場発生装置１６０は、制御装置１７０からの制御信号ＣＴＬ４により制御され、真空容器１３０内において、上記のミラー１３１，１３２の周囲に配置された電磁コイル（図示せず）に電流を流すことにより、運動する原子ＡＴＭに対して磁場を印加する。この印加される磁場により、原子ＡＴＭのエネルギー準位が制御され、種々の原子冷却に寄与する。

【0020】

励起用レーザ装置１０Ｂは、制御装置１７０からの制御信号ＣＴＬ２によって制御される。励起用レーザ装置１０Ｂは、捕捉された原子ＡＴＭにパルス状のレーザ光を照射して、原子ＡＴＭのエネルギー遷移を励起する。原子は、一般的に、複数の固有のエネルギー準位を有しており、異なる２つのエネルギー準位の遷移において、エネルギー準位差に相当するエネルギーを持った周波数の光子が選択的に吸収される性質を有している。

【0021】

検出用レーザ装置１０Ｃは、制御装置１７０からの制御信号ＣＴＬ３によって制御される。検出用レーザ装置１０Ｃは、励起用レーザ装置１０Ｂによる原子ＡＴＭのエネルギー準位の励起後に、検出用のレーザ光を原子ＡＴＭに照射する。検出用レーザ装置１０Ｃから照射されたレーザは、原子のエネルギー遷移確率に比例した強度を有する蛍光を発生する。

【0022】

検出装置１４０は、検出用レーザ装置１０Ｃによって発生した蛍光を受光し、受光した蛍光の強度を検出する。検出装置１４０は、検出した蛍光強度によって表わされる励起レーザ周波数に依存する遷移確率スペクトルを制御装置１７０へ出力する。

【0023】

制御装置１７０は、たとえば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリおよび入出力インタフェース（いずれも図示せず）を含んで構成され、原子時計装置１００の各機器を統括的に制御する。制御装置１７０は、検出装置１４０から受信した遷移確率スペクトルから、原子ＡＴＭの共振周波数を特定する。また、制御装置１７０は、演算により求められた共振周波数に基づいて、励起用レーザ装置１０Ｂから照射されるレーザ光の周波数を安定化する。

【0024】

周波数安定化装置１は、レーザ装置１０から照射されるレーザ光の周波数を安定化させるための装置である。実施の形態１では、複数あるレーザ装置１０のうち、励起用レーザ装置１０Ｂから照射されるレーザ光の周波数を安定化させる場合について説明する。なお、周波数安定化装置１は、冷却用レーザ装置１０Ａ、励起用レーザ装置１０Ｂ、検出用レーザ装置１０Ｃ、および光格子用レーザ装置１０Ｄなどの励起用レーザ装置１０Ｂ以外のレーザ装置１０から照射されるレーザ光の周波数を安定化させてもよく、複数種類のレーザ装置に対応する周波数を安定化させてもよい。

【0025】

このような光格子型原子時計を含めた原子時計装置１００においては、レーザ光について高精度の周波数の安定化が求められる。周波数安定化装置１は、複数のレーザ装置１０のうち、たとえば励起用レーザ装置１０Ｂから照射されるレーザ光を好適に安定化することができる。図３は、実施の形態１に係る周波数安定化装置１の機能ブロック図である。

【0026】

図３を参照して、周波数安定化装置１は、アイソレータ１２と、電気光学変調器（EOM）１３と、偏光ビームスプリッタ（PBS）１４と、１／４波長板１５と、光共振器１６と、フォトダイオード（PD: photodiode）１７と、ＲＦ発振器１８と、位相シフタ１９と、位相比較器２０と、ローパスフィルタ（LPF: Low Pass Filter）２１と、サーボ回路２２とを含む。

【0027】

アイソレータ１２は、レーザ装置１０と光共振器１６との間の光路に設けられている。アイソレータ１２は、一定方向にのみレーザ光を伝送する装置である。アイソレータ１２は、レーザ装置１０の近くに配置されることによって、戻り光に由来するレーザ光の周波数の不安定化を防ぐことができる。電気光学変調器１３は、レーザ光の位相を変調する位相変調部として機能する。電気光学変調器１３は、電気的に光の屈折率を変化させることが可能である。電気光学変調器１３は、ＲＦ発振器１８から入力される変調信号に基づいて、レーザ光の周波数および位相を変調する。

【0028】

偏光ビームスプリッタ１４は、入射したレーザ光のうち一部のレーザ光を通過させるとともに、１／４波長板１５を介して戻って来たレーザ光を略直角方向に反射させる。１／４波長板１５は、偏光ビームスプリッタ１４から入射するレーザ光の偏光状態を変化させて光共振器１６へ入射させるとともに、光共振器１６から戻って来たレーザ光の偏光状態を再び変化させて偏光ビームスプリッタ１４へ戻す。

【0029】

フォトダイオード１７は、偏光ビームスプリッタ１４において反射されたレーザ光の一部を検出信号として検出する光検出部として機能する。フォトダイオード１７は、レーザ光の強度に応じた電気信号を出力する。ＲＦ発振器１８は、変調信号を出力する発振部として機能する。ＲＦ発振器１８は、電気光学変調器１３および位相シフタ１９に対して変調信号を出力する。

【0030】

位相シフタ１９は、ＲＦ発振器１８から送信される変調信号の位相を１８０度ずらす。位相比較器２０は、フォトダイオード１７で検出された検出信号と、ＲＦ発振器１８からの変調信号との比較値を算出する位相比較部として機能する。位相比較器２０は、検出信号と変調信号とから光共振器１６の周波数とレーザ光の周波数との差の情報を比較値として誤差を算出する。比較値がローパスフィルタ２１に通されることによって、誤差に基づくエラー信号が生成される。

【0031】

サーボ回路２２は、エラー信号を用いてレーザ装置１０によって照射されるレーザ光の周波数を調整するレーザ調整部として機能する。サーボ回路２２は、たとえば、レーザ装置１０においてレーザ光の周波数を光共振器１６の共振器長に調整することによって誤差が小さくなるようフィードバック制御を実行する。

【0032】

光共振器１６は、電気光学変調器１３によって変調されたレーザ光を共振させる。光共振器１６は、電気光学変調器１３によって変調されたレーザ光を共振させるために内部に一対のミラーを備えている。一対のミラーは、光共振器１６の外部に漏れ出す光が極めて微弱になるように高反射率（たとえば９９．９％程度）のものが採用される。なお、光共振器１６の内部に配置されるミラーの数は、２つに限定されるものではなく、３つ以上であってもよい。つまり、光が互いの間で反射するようにミラーが配置された共振器であってもよいし、一方向に反射するようにミラーがリング状に配置された共振器であってもよい。

【0033】

ミラーには、ピエゾ素子（圧電素子）が配置されている。ピエゾ素子は、制御装置１７０からの指令に従って、光共振器１６を構成するミラーを駆動することで、ミラーを光軸方向に変位させる。これにより、光共振器１６の共振器長を変更することができる。したがって、レーザ波数に一致するように共振器長を可変させたり、また、共振器長に一致するようにレーザ波数を掃引したりすることができる。

【0034】

ここで、レーザ装置１０と周波数安定化装置１のアイソレータ１２との間には、ハーフミラー１１が配置されている。ハーフミラー１１は、入射したレーザ光のうち一部のレーザ光を通過させ、他のレーザ光を略直角方向に反射させる。ハーフミラー１１は、安定化されたレーザ光の一部を原子時計装置１００の真空容器１３０内へ向けて誘導する誘導部として機能する。

【0035】

このように、周波数安定化装置１は、位相変調後のレーザ光を光共振器１６に入射して、光共振器１６から出力されたレーザ光をフォトダイオード１７によって検出し、検出したレーザ光に基づくフィードバックをかけることで、レーザ光の周波数を安定化させるように構成されている。このようなＰＤＨ法による周波数の安定度は、光共振器における共振器長の安定度に左右されるため、共振器長は、極力変化しないことが望ましい。

【0036】

たとえば、光共振器に入射する光は、光共振器の熱雑音を生じさせ、この熱雑音によっても周波数の安定度が変化するため、光共振器に入射する光の信号強度は、小さい方が望ましい。一方、光共振器に入射する光の信号強度が小さくなると、光検出器でレーザ光を受光する際、キャリアとサイドバンドとの干渉光の強度が小さくなり、信号のＳ／Ｎ比が低下する。その結果、レーザ光の周波数の安定度が悪化する。すなわち、光共振器に入射する光量は、小さければ小さいほど、光共振器における共振器長が安定する一方で、光検出器で検出される光の信号のＳ／Ｎ比が低下するという、トレードオフの関係がある。

【0037】

そこで、実施の形態に係る周波数安定化装置１は、以下で説明するように、光共振器１６に入射するレーザ光として、キャリアに対応する光ではなくサイドバンドに対応する光を用いるように構成されている。そして、光共振部は、位相変調部によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を共振させるように構成されている。

【0038】

レーザ光の周波数成分について具体的に説明する。図４は、レーザ光の周波数成分について説明するための図である。電気光学変調器１３に入る前のレーザ光は、図４（Ａ）に示すように、キャリアが単一のピークとなるスペクトルとして表される。その後、ＲＦ発振器１８は、光共振器１６においてサイドバンドに対応する周波数のレーザ光が共振可能な変調信号を電気光学変調器１３へ出力する。これによって、電気光学変調器１３において位相変調された後のレーザ光は、図４（Ｂ）に示すように、ピークが３つのスペクトルとして表される。中央のキャリアの両隣に位置するピークがサイドバンドである。

【0039】

図４（Ｃ）光共振器１６では、電気光学変調器１３によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を共振させる。本開示は、光共振器１６で共振させるレーザ光としてキャリアではなくサイドバンドを用いる。たとえば、レーザ装置１０の発振周波数を調整することによって光共振器１６においてサイドバンドを共振させる。光共振器１６に入射する光をキャリアよりも信号の強度が小さいサイドバンドとすることによって、光共振器１６における共振器長を安定化させることができる。

【0040】

フォトダイオード１７においては、キャリアとサイドバンドとの間のビート信号が光共振器１６においてキャリアを共振させたときと同様に得られる。これはキャリアの信号強度が大きいため干渉光の強度を確保することができるためである。これによって、フォトダイオード１７で得られる信号のＳ／Ｎ比を低下させないようにすることができる。

【0041】

ここで、サイドバンドを共振させる際の問題について説明する。図５は、エラー信号のシミュレーションを示すグラフである。図５では、キャリアが光共振器１６の共鳴周波数に一致するようにシミュレーションしている。周波数の安定化処理では、エラー信号の波形とゼロクロスする点（エラー信号がゼロとなる点）が光共振器１６に用いられる周波数のロックポイントとなる。図５に示すように、ゼロクロス点のうち中央のキャリアに対応する点は、傾きが負である。図５に示すように、ゼロクロス点のうち中央の点の両端のサイドバンドに対応する点は、傾きが正である。

【0042】

つまり、キャリアとサイドバンドとではエラー信号の傾きが反転する。このため、サイドバンドを用いる場合、位相シフタ１９において位相を１８０度反転させる必要がある。位相比較器２０は、フォトダイオード１７で検出された検出信号と、位相が１８０度反転したＲＦ発振器１８からの変調信号とを比較することによって、比較値を算出する。これによって、適切なエラー信号を生成することができる。

【0043】

次に、周波数安定化装置１において実行される周波数安定化処理の流れについて説明する。図６は、周波数安定化装置１の周波数安定化処理を示すフローチャートである。以下では、フローチャート中の各ステップを、単に「Ｓ」と表記する。周波数安定化装置１は、位相変調部である電気光学変調器１３においてレーザ光の位相を変調する（Ｓ１）。次いで、周波数安定化装置１は、光共振器１６においてレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を共振させる（Ｓ２）。次いで、周波数安定化装置１は、光検出部であるフォトダイオード１７においてサイドバンドに対応する検出信号を出力する（Ｓ３）。

【0044】

次いで、周波数安定化装置１は、位相比較部である位相比較器２０において光共振器１６の周波数とレーザ光の周波数との差の情報を比較値として誤差を算出する（Ｓ４）。次いで、周波数安定化装置１は、レーザ調整部であるサーボ回路２２においてレーザ光を安定化する（Ｓ５）。

【0045】

以上のようなフローに従って周波数安定化装置１を動作させることによって、電気光学変調器１３によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を光共振器１６において共振させることができる。光共振器１６に入射する光をキャリアよりも信号強度の小さいサイドバンドとすることによって、光共振器１６における共振器長を安定化させることができる。また、フォトダイオード１７においてキャリアとサイドバンドとの間のビート信号を検出することによって、フォトダイオード１７で得られる信号のＳ／Ｎ比を低下させないようにすることができる。

【0046】

［実施の形態２］
実施の形態２の周波数安定化装置１Ａについて説明する。図７は、実施の形態２に係る周波数安定化装置１Ａの機能ブロック図である。実施の形態２の周波数安定化装置１Ａの構成は、実施の形態１の周波数安定化装置１と同じである。実施の形態２においては、レーザ装置１０が２つ設けられている点においてレーザ装置１０が１つの実施の形態１と異なっている。

【0047】

周波数安定化装置１Ａは、複数あるレーザ装置１０のうち２つのレーザ装置から照射されるレーザ光の周波数を安定化させる。周波数安定化装置１Ａは、３つ以上のレーザ装置から照射されるレーザ光の周波数を安定化させるものであってもよい。

【0048】

周波数安定化装置１Ａの電気光学変調器１３は、複数のレーザ光の周波数および位相を変調することができる。光共振器１６は、各レーザ光について電気光学変調器１３によって変調されたレーザ光の周波数帯のうちサイドバンドに対応する周波数のレーザ光を共振させる。その後、フォトダイオード１７は、キャリアとサイドバンドとの間のビート信号を各レーザ光毎に検出する。なお、光共振器１６内には、複数のレーザ光が同時に入射するが、共振器長は一定の値で固定されている。これは、サイドバンドで共振されるように各レーザ装置１０から照射されるレーザ光の発振周波数を光共振器１６の共振周波数に調整するからである。

【0049】

周波数安定化装置１Ａは、複数のレーザ光においてサイドバンドに対応する周波数のレーザ光を共振させる。これによって、複数のレーザ光を用いた場合であっても、光共振器１６に入射する光をキャリアよりも信号強度の小さいサイドバンドとすることによって、光共振器１６における共振器長を安定化させることができる。また、フォトダイオード１７においてキャリアとサイドバンドとの間のビート信号を各レーザ光毎に検出することによって、フォトダイオード１７で得られる信号のＳ／Ｎ比を低下させないようにすることができる。

【0050】

（変形例）
以上の実施の形態では、レーザ装置１０の発振周波数を変更し、光共振器１６の共振器長を一定とする場合について説明した。しかしながら、レーザ装置１０の発振周波数を固定し、光共振器１６の共振器長をサイドバンドに対応する周波数に対応した長さに変更してもよい。

【0051】

＜他の原子時計への適用＞
以上の実施の形態では、光格子型の原子時計において、レーザ光の周波数を安定化する手法を適用した例について説明した。しかしながら、本開示の特徴の概念は、光格子型原子時計以外の他の型式の原子時計についても適用可能である。たとえば、原子泉型マイクロ波原子時計、原子ビーム型マイクロ波原子時計、光イオン時計等に用いられるレーザ光に対しレーザ光の周波数を安定化する手法を適用してもよい。

【0052】

［態様］
上述した例示的な実施の形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

【0053】

（第１項） 一態様に係る原子時計装置であって、真空容器と、真空容器に対して原子ビームを放射する原子発生装置と、原子発生装置により原子ビームが放射された状態で真空容器に対してレーザ光を照射することによって、原子のエネルギー準位間遷移を励起するレーザ装置と、真空容器において発生した原子のエネルギー遷移確率に比例して生じる光強度を検出する検出装置と、検出装置によって検出された光強度に基づきレーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を特定する制御装置と、レーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を安定化させる周波数安定化装置とを備える。周波数安定化装置は、変調信号を用いてレーザ光の位相を変調する位相変調部と、位相変調部によって変調されたレーザ光を共振させる光共振部と、光共振部と変調信号とに基づき、レーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を調整するレーザ調整部とを備える。光共振部は、位相変調部によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を光共振部において共振させる。

【0054】

第１項に記載の原子時計装置によれば、周波数安定化装置がレーザ装置から照射されたレーザ光の周波数を安定化させる際に、位相変調部によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する光を光共振部において共振させることができる。光共振部に入射する光として、キャリアに対応する光よりも信号強度が小さいサイドバンドに対応する光を用いることによって、光共振部における共振器長を安定化させることができる。一方、共振部に入射する光をキャリアに対応する光からサイドバンドに対応する光に変更した場合でも、キャリアおよびサイドバンドのいずれかの信号強度が大きければ干渉光の強度はある程度確保することができるため、信号のＳ／Ｎ比を低下させないようにすることができる。これによって、安定した周波数のレーザ光を用いた正確な計時が可能となる。

【0055】

（第２項） 第１項に記載の原子時計装置によれば、周波数安定化装置は、変調信号を出力する発振部と、光共振部から出力されたレーザ光の一部を検出信号として検出する光検出部と、検出信号と変調信号との比較値を算出する位相比較部とをさらに備える。レーザ調整部は、比較値に基づいてレーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を調整する。

【0056】

第２項に記載の原子時計装置によれば、検出信号と変調信号との比較値に基づいてレーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を調整することができる。これによって、レーザ光の周波数を好適に安定化させることができる。

【0057】

（第３項） 第１項または第２項に記載の原子時計装置によれば、光共振部は、共振器長をサイドバンドに対応する周波数に対応した長さに変更可能である。

【0058】

第３項に記載の原子時計装置によれば、光共振部の共振器長をサイドバンドに対応する周波数に対応した長さに変更可能である。これによって、レーザ光の周波数を好適に安定化させることができる。

【0059】

（第４項） 第１項から第３項のいずれか１項に記載の原子時計装置によれば、周波数安定化装置は、レーザ装置と位相変調部との間に配置され、レーザ装置によって照射されたレーザ光の一部を原子時計装置に誘導する誘導部をさらに備える。

【0060】

第４項に記載の原子時計装置によれば、誘導部によって、周波数が安定化したレーザ光の一部を原子時計装置へ送ることができる。これによって、安定した周波数のレーザ光を用いた正確な計時が可能となる。

【0061】

（第５項） 第１項から第４項のいずれか１項に記載の原子時計装置によれば、レーザ装置は、第１波長の第１レーザ光を照射する第１レーザ装置と、第２波長の第２レーザ光を照射する第２レーザ装置とを含む。周波数安定化装置は、第１レーザ光および第２レーザ光の各々の周波数を安定化させる。

【0062】

第５項に記載の原子時計装置によれば、第１レーザ光および第２レーザ光の各々の周波数を安定化させることができる。

【0063】

（第６項） 第２項から第５項のいずれか１項に記載の原子時計装置によれば、発振部は、光共振部においてサイドバンドに対応する周波数のレーザ光が共振可能な変調信号を位相変調部へ出力する。

【0064】

第６項に記載の原子時計装置によれば、光共振部においてサイドバンドに対応する周波数のレーザ光が共振可能となる適切な変調信号を発振部から位相変調部へ送信することができる。これによって、レーザ光の周波数を好適に安定化させることができる。

【0065】

（第７項） 第２項から第６項のいずれか１項に記載の原子時計装置によれば、位相比較部は、検出信号と、位相が１８０度反転した変調信号とを比較することで、比較値を算出する。

【0066】

第７項に記載の原子時計装置によれば、サイドバンドに対応した比較値を算出することができる。これによって、レーザ光の周波数を好適に安定化させることができる。

【0067】

（第８項） 一態様に係る少なくとも１つのレーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を安定化させる周波数安定化装置であって、変調信号を用いてレーザ光の位相を変調する位相変調部と、位相変調部によって変調されたレーザ光を共振させる光共振部と、光共振部と変調信号とに基づき、レーザ装置によって照射されるレーザ光の周波数を調整するレーザ調整部とを備える。光共振部は、位相変調部によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する周波数のレーザ光を光共振部において共振させる。

【0068】

第８項に記載の周波数安定化装置によれば、周波数安定化装置がレーザ装置から照射されたレーザ光の周波数を安定化させる際に、位相変調部によって変調されたレーザ光の周波数帯のうち、サイドバンドに対応する光を光共振部において共振させることができる。光共振部に入射する光として、キャリアに対応する光よりも信号強度が小さいサイドバンドに対応する光を用いることによって、光共振部における共振器長を安定化させることができる。一方、共振部に入射する光をキャリアに対応する光からサイドバンドに対応する光に変更した場合でも、キャリアおよびサイドバンドのいずれかの信号強度が大きければ干渉光の強度はある程度確保することができるため、信号のＳ／Ｎ比を低下させないようにすることができる。

【0069】

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0070】

１，１Ａ 周波数安定化装置、１０ レーザ装置、１０Ａ 冷却用レーザ装置、１０Ｂ 励起用レーザ装置、１０Ｃ 検出用レーザ装置、１０Ｄ 光格子用レーザ装置、１１ ハーフミラー、１２ アイソレータ、１３ 電気光学変調器、１４ 偏光ビームスプリッタ、１５ １／４波長板、１６ 光共振器、１７ フォトダイオード、１８ ＲＦ発振器、１９ 位相シフタ、２０ 位相比較器、２１ ローパスフィルタ、２２ サーボ回路、１００ 原子時計装置、１１０ 原子発生装置、１３０ 真空容器、１３１，１３２ ミラー、１４０ 検出装置、１６０ 磁場発生装置、１７０ 制御装置、１９０ 光格子。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】