原子発振器
【課題】光源の輝度劣化の影響を回避する。
【解決手段】第１の励起光５２を出力する励起光出力部１２と、第１の励起光５２を分光し第２の励起光１５２を出力する分光器２４と、第１の励起光５２により励起される第１のガスセル１３を含み第１の周波数信号Ｏ１を出力する第１の原子発振部１００と、第２の励起光１５２により励起される第２のガスセル１１３を含み第２の周波数信号Ｏ２を出力する第２の原子発振部２００と、第１の周波数信号Ｏ１と第２の周波数信号Ｏ２とを混合した混合信号３０１を出力する周波数混合器３１０と、混合信号３０１の周波数を変換した出力信号ＯＵＴを出力する周波数変換部３００と、を含む原子発振器１。
【解決手段】第１の励起光５２を出力する励起光出力部１２と、第１の励起光５２を分光し第２の励起光１５２を出力する分光器２４と、第１の励起光５２により励起される第１のガスセル１３を含み第１の周波数信号Ｏ１を出力する第１の原子発振部１００と、第２の励起光１５２により励起される第２のガスセル１１３を含み第２の周波数信号Ｏ２を出力する第２の原子発振部２００と、第１の周波数信号Ｏ１と第２の周波数信号Ｏ２とを混合した混合信号３０１を出力する周波数混合器３１０と、混合信号３０１の周波数を変換した出力信号ＯＵＴを出力する周波数変換部３００と、を含む原子発振器１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光により励起されるガスセルを有する原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子発振器は、ほとんどがルビジウム、セシウムのアルカリ金属原子の電子軌道エネルギーを周波数基準に用いている。これらアルカリ金属原子の特徴は、ルビジウムが希ガスであるクリプトンより１つ電子が多く（次の原子番号）、セシウムは同様に希ガスのキセノンより１つ電子が多いためである。安定時の電子は、原子核の周りに幾つかある電子軌道上を、最もエネルギーが低い軌道から順に原子番号数だけ運動しているが、希ガスは電子が複数個入れる軌道が丁度一杯に埋まった状態の原子であり、他の原子や分子と電子共有しにくい構造であるために非常に安定した元素である。反応しにくい、つまり安定した元素であるために発火性が低いなどの特徴があり、ランプなど高温環境でも使用されている。
【０００３】
一方、アルカリ金属が持っている希ガスよりも１つ多い電子は、希ガスの電子軌道の次にエネルギーが高い軌道に電子が１個だけ存在する構造になる。次の軌道にも複数個の電子が入ることができるため、アルカリ金属の最外核の電子が取りうる状態が軌道内に複数存在することになる。安定時には、この複数の状態のうち最もエネルギーが低い基底準位と呼ばれる状態（軌道）に電子が存在するが、次にエネルギーが高い状態（励起準位）とのエネルギー差に相当するエネルギーを外部から加えると、電子はそのエネルギーを吸収して励起準位に移行する。このエネルギー準位が上がることを励起、下がることを緩和と言うが、励起準位は無限に存在する訳ではなく、軌道に格納できる電子数に相応したとびとびの数だけ存在する。つまり、電子が吸収できるエネルギーもとびとびになる。また、外部から励起の為に与えられたエネルギーは、励起の際に電子に吸収されるので、このエネルギーを観測すれば、電子が励起する現象を把握できる。これは、アルカリ金属に限った現象ではないが、他の原子の場合には、励起・緩和しうる電子が複数存在するため、その組合せや観測が複雑になる。その点、対象となりうる電子が１つしかないアルカリ金属原子では、印加エネルギーの変化は全てこの最外核電子の応答と断定でき、励起・緩和先も単純なので甚だ都合がよい。
【０００４】
アルカリ金属原子の中で、ルビジウムとセシウムが多用される主な理由は、自然界における存在確率が比較的高いことに加えて、基底準位に隣接した励起準位に相当するエネルギーが、ルビジウムは７９５ｎｍ，７８０ｎｍなど、セシウムは８９５ｎｍ，８５２ｎｍなどの光の波長帯あり、比較的実現しやすいこともある。例えば、これらの波長の光は現在では半導体レーザーなどで容易に作れるため、光源とフォトダイオードの様な検出器の間にアルカリ金属原子を置いて、波長掃引しながら検出信号を観測すれば、丁度上記エネルギー差に波長が一致したところで、電子の吸収による検出信号の低下が確認できる。この様相を図２に示す。
【０００５】
図２に示すように、２つの吸収特性を示しているのは、ルビジウム、セシウム共に、原子核にもスピンが存在するため、原子核と電子の相互作用の影響で実際の基底状態が２つ存在するためである。２つの基底状態のエネルギー間隔ΔＦも原子発振器では重要になるが、原子核スピンによるエネルギー差は電子のエネルギー差より遥かに小さく、この場合は光ではなく電磁波の周波数に相当し、ルビジウムは６．８３４６８２６１２８ＧＨｚ、セシウムは９．１９２６３１７７ＧＨｚであることが解っている。これは物理定数であり、永久に変化することはない。
【０００６】
従って、この周波数を信号源の用途として取り出せれば、経年変化のない信号源（発振器）を実現できることになり、これが原子発振器の基本的な発想である。この周波数はマイクロ波ではあるが、電子回路で生成可能な周波数であるため、原子発振器の実現に至っている。実際にはマイクロ波として提供するのではなく、一般使用に便利な１０ＭＨｚや５ＭＨｚ、１ＭＨｚの様な信号として提供している。そのため、例えば出力周波数を電圧制御可能な１０ＭＨｚの水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Xtal Oscillator）を上記マイクロ波にＰＬＬ等の手法で位相同期させることが容易であるので、この様な構成の機種を受動型原子発振器と呼んでいる。一方、受動型原子発振器に対して能動型原子発振器は、原子が緩和時に放出するマイクロ波等のエネルギーを直接増幅加工して提供するものを言う。
【０００７】
但し、上述の原子発振器の原理を実現するための回路や検出器の性能には有限の劣化が実在するために、実際の原子発振器の経年変化はゼロにはならない。原子発振器の研究は、これらを改善して精度を向上させるための研究が多い。
【０００８】
前述の様に、原子の励起には光を用いるのが一般的であり、従来方式の二重共鳴方式の原子発振器ではランプ光源やレーザー光源が用いられ、近年研究が盛んな量子干渉を利用したＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式では面発光レーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）光源が用いられたりしているが、共に光源と検出器の間に原子を配置し、光に対する原子の応答を観測して制御に供していることには変わりない。
【０００９】
１年から数年、または１０年以上と言った長期間の周波数安定度を必要とする場合、いずれの場合も光源の輝度劣化が問題となる。輝度劣化は、光源素子内部の微量な不純物の化学反応による原因や、単に発光窓の僅かな汚れなど様々な原因があるが、輝度が長期に渡って不変と言うことは考えにくい。原子発振器は、基本原理上、光源素子の劣化を改善しても、改善後の性能に相当する経年変化は避けられない。
【００１０】
この問題を解決するために、例えば特許文献１には、ルビジウム（Ｒｂ：Rubidium）原子を用いた二重共鳴方式の原子発振器の方法が記載されている。図３は、特許文献１に記載されたルビジウム（Ｒｂ：Rubidium）原子を用いた二重共鳴方式の原子発振器４の基本構成の一例である。励起光５２は、ルビジウム原子を用いたＲｂランプ１２から発せられ、Ｒｂガスセル１３に入射される。Ｒｂガスセル１３は、ガラス等の透明容器に微量のルビジウム金属を収容し、加熱することによりルビジウム原子を気化させている。従って、励起光５２はルビジウム原子の蒸気中を透過し、フォトセンサー１７に到達する。気化したルビジウム原子は高速で運動するため、Ｒｂガスセル１３の壁面やルビジウム原子同士が激しく衝突する。その影響を緩和する目的で、窒素やネオン、アルゴンなどの不活性ガスを緩衝ガスとして微量封入するのが一般的である。
【００１１】
二重共鳴のメカニズムは、図４（ａ）に示すように励起光５２が照射されない状態では、ルビジウム原子の最外殻電子は２つある基底準位にほぼ均等の確率で存在する。図４（ｂ）は、このうちＦ＝１準位と励起準位間のエネルギー差に等しい７９５ｍｍの励起光５２をＲｂランプ１２から照射した場合の応答を示す。Ｆ＝１準位に存在していたルビジウム原子のみが、励起光５２からエネルギーを吸収して励起準位になる。この瞬間、図３のフォトセンサー１７に到達する光５３は、僅かに減少することになる。図４（ｂ）で励起準位になったルビジウム原子は、緩和によりやがて基底準位に戻ってくる。その確率は、図４（ａ）の存在確率と同様にＦ＝１，Ｆ＝２ともほぼ均等である。しかし、Ｆ＝１に緩和したルビジウム原子は、励起光５２により再び励起し、また均等の確率で緩和する。この図４（ｂ）、（ｃ）が連続的に行われると、図４（ｄ）に示すように最終的にはＦ＝１にルビジウム原子が存在する確率はほぼゼロになる。いわゆるポンピングであるが、図４（ｄ）の状態は、光を吸収するルビジウム原子が存在しないので、図３のフォトセンサー１７に到達する光５３が最大になることを意味する。
【００１２】
図３においてＲｂガスセル１３は、マイクロ波キャビィティー１４に収納されていて、このマイクロ波キャビィティー１４に周波数逓倍合成変調部２２からのマイクロ波ＭＷＶを放射用アンテナ１５で照射できるようにしておく。前述の様に、図４のＦ＝１とＦ＝２準位間のエネルギー差は、ルビジウム原子の場合６．８３４６８２６１２８ＧＨｚであり、照射するマイクロ波ＭＷＶがちょうどこの周波数になった瞬間のみＦ＝２のルビジウム原子に誘導放出が発生し、図４（ｅ）に示すようにＦ＝１へ多数のルビジウム原子が移動する。Ｆ＝１にルビジウム原子が移動すれば、再び励起光５２の吸収が始まるので、二重共鳴方式の原子発振器４ではＲｂランプ１２から励起光５２を照射したまま、マイクロ波キャビィティー１４のマイクロ波ＭＷＶを掃引して、図４（ｄ）から（ｅ）に移行する波長を見つけ、その波長を６．８３４６８２６１２８ＧＨｚとして信号生成に用いている。
【００１３】
そのため、図３の構成では、低周波信号ＬＷＶをマイクロ波ＭＷＶに重畳し、フォトセンサー１７の出力を増幅・検波することによって、マイクロ波ＭＷＶを誘導放出が起きる周波数に同期制御している。同期が成立すると、フォトセンサー１７の出力は安定的に最小値となる。動作時の原子発振器はこの状態を延々と維持して信号提供している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−３３６１３６号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来の方法では、ルビジウム原子の挙動を引き出すために様々な機能や部品を用いているが、これらの回路素子は全て有限の安定性を持っており、温度依存性や経年変化を持っているという課題がある。勿論、温度依存性のある部位は、温度補償により一定温度に保つなど配慮されているが、例えば温度を検出するセンサーを取ってみてもそこには僅かながら経年変化が存在する。なかでも、最も影響が大きいのがＲｂランプ１２の輝度劣化であることが解っている。Ｒｂランプ１２の発光機能は、最悪は発光停止と言う故障もあるが、故障せず正常に動作している際も僅かずつ発光性能が劣化する傾向がある。
【００１６】
図３に例を挙げた二重共鳴方式の原子発振器４では、輝度が劣化した場合、フォトセンサー１７の検出量が全体的に下がるだけであれば、周波数精度への影響はない。しかし、Ｒｂガスセル１３の吸収ピーク、つまり共鳴周波数は印加される励起光５２の光量に対する依存性（パワーシフト）があることが知られている。従って、入射光量がごく微量少なくなった場合、図５に示すように、フォトセンサー１７の検出特性は、絶対量が下がると同時に応分の周波数シフトを伴う。もちろん、なんらかの理由で輝度が向上した場合は、反対の挙動を示す。その結果、原子発振器４を長期間運転した場合、出力周波数の変動、つまり長期安定度に対して大きな影響を与えることになる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１８】
［適用例１］
第１の励起光を出力する励起光出力部と、前記第１の励起光を分光し第２の励起光を出力する分光器と、前記第１の励起光により励起される第１のガスセルを含み第１の周波数信号を出力する第１の原子発振部と、前記第２の励起光により励起される第２のガスセルを含み第２の周波数信号を出力する第２の原子発振部と、前記第１の周波数信号と前記第２の周波数信号とを混合した混合信号を出力する周波数混合器と、前記混合信号の周波数を変換した出力信号を出力する周波数変換部と、を含む、ことを特徴とする原子発振器。
【００１９】
この構成によれば、励起光出力部の光量が低下すると第１のガスセルと第２のガスセルの共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号と第２の周波数信号とを混合した混合信号を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号は励起光出力部の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【００２０】
［適用例２］
上記に記載の原子発振器において、前記第１の原子発振部は、前記第１の励起光を第１のＮＤフィルターを介して前記第１のガスセルに照射し、前記第２の原子発振部は、前記第２の励起光を前記第１のＮＤフィルターの透過率と異なる透過率の第２のＮＤフィルターを介して前記第２のガスセルに照射することを特徴とする原子発振器。
【００２１】
この構成によれば、励起光出力部の光量が低下すると第１のガスセルと第２のガスセルの共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号と第２の周波数信号とを混合した混合信号を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号は励起光出力部の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【００２２】
［適用例３］
上記に記載の原子発振器において、前記第１のガスセルのガス圧と前記第２のガスセルのガス圧とは異なることを特徴とする原子発振器。
【００２３】
この構成によれば、励起光出力部の光量が低下すると第１のガスセルと第２のガスセルの共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号と第２の周波数信号とを混合した混合信号を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号は励起光出力部の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【００２４】
［適用例４］
上記に記載の原子発振器において、前記第１のガスセルに与えられる磁場の磁力と前記第２のガスセルに与えられる磁場の磁力とは異なることを特徴とする原子発振器。
【００２５】
この構成によれば、励起光出力部の光量が低下すると第１のガスセルと第２のガスセルの共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号と第２の周波数信号とを混合した混合信号を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号は励起光出力部の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図。
【図２】２つの吸収特性を示すグラフ。
【図３】従来のルビジウム原子を用いた二重共鳴方式の原子発振器の基本構成図。
【図４】二重共鳴のメカニズムを示す概略図。
【図５】従来の二重共鳴方式の原子発振器の光量低下の影響を示すグラフ。
【図６】第１実施形態に係る原子発振器の原子準位の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、原子発振器の実施形態について図面に従って説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
＜原子発振器の構成＞
先ず、第１実施形態に係る原子発振器の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。
【００２９】
図１に示すように、原子発振器１は、ランプ励振部１１と、励起光出力部であるＲｂランプ１２と、分光器であるプリズム２４と、第１の原子発振部１００と、第２の原子発振部２００と、周波数混合器３１０と、周波数変換部３００と、から構成されている。
【００３０】
Ｒｂランプ１２は、ランプ励振部１１から出力される電圧５１に基づき第１の励起光５２を出力する。プリズム２４は、第１の励起光５２を分光し第２の励起光１５２を出力する。
【００３１】
第１の原子発振部１００は、第１のＮＤフィルター２５と、第１のガスセルであるＲｂガスセル１３と放射用アンテナ１５を含むマイクロ波キャビィティー１４と、フォトセンサー１７と、増幅器１８と、低周波位相変調信号発生器２１と、位相弁別器２０と、電圧制御水晶発振器２３と、周波数逓倍合成変調部２２と、から構成されている。
【００３２】
放射用アンテナ１５は、周波数逓倍合成変調部２２が出力するマイクロ波ＭＷＶに基づきＲｂガスセル１３に放射する。Ｒｂガスセル１３には気化したルビジウム原子が封印され、第１のＮＤフィルター２５を介した第１の励起光５２により励起する。気化したルビジウム原子は、供給したマイクロ波ＭＷＶが基底準位間のエネルギー差と一致する周波数の時に誘導放出５３が生じ、ルビジウム原子は再び光エネルギーを吸収して励起する。フォトセンサー１７は、Ｒｂガスセル１３からの誘導放出５３を電圧５４に変換する。
【００３３】
増幅器１８は、フォトセンサー１７が出力した電圧５４を増幅し、増幅電圧５５を位相弁別器２０に出力する。低周波位相変調信号発生器２１は、１００Ｈｚ程度の低周波信号ＬＷＶを出力する。位相弁別器２０は、増幅電圧５５を低周波信号ＬＷＶで位相同期させ、制御電圧ＶＣを出力する。
【００３４】
電圧制御水晶発振器２３は、制御電圧ＶＣに基づき第１の周波数信号Ｏ１の周波数が制御される。周波数逓倍合成変調部２２は、第１の周波数信号Ｏ１を低周波信号ＬＷＶに基づき逓倍及び合成しマイクロ波ＭＷＶを出力する。
【００３５】
第２の原子発振部２００は、第１のＮＤフィルター２５と透過率が異なる透過率の第２のＮＤフィルター１２５と、第２のガスセルであるＲｂガスセル１１３と放射用アンテナ１１５を含むマイクロ波キャビィティー１１４と、フォトセンサー１１７と、増幅器１１８と、低周波位相変調信号発生器１２１と、位相弁別器１２０と、電圧制御水晶発振器１２３と、周波数逓倍合成変調部１２２と、から構成されている。
【００３６】
放射用アンテナ１１５は、周波数逓倍合成変調部１２２が出力するマイクロ波ＭＷ２に基づきＲｂガスセル１１３に放射する。Ｒｂガスセル１１３には気化したルビジウム原子が封印され、第２のＮＤフィルター１２５を介した第２の励起光１５２により励起する。気化したルビジウム原子は、供給したマイクロ波ＭＷ２が基底準位間のエネルギー差と一致する周波数の時に誘導放出１５３が生じ、ルビジウム原子は再び光エネルギーを吸収して励起する。フォトセンサー１１７は、Ｒｂガスセル１１３からの誘導放出１５３を電圧１５４に変換する。
【００３７】
増幅器１１８は、フォトセンサー１１７が出力した電圧１５４を増幅し、増幅電圧１５５を位相弁別器１２０に出力する。低周波位相変調信号発生器１２１は、１００Ｈｚ程度の低周波信号ＬＷ２を出力する。位相弁別器１２０は、増幅電圧１５５を低周波信号ＬＷ２で位相同期させ、制御電圧ＶＣ２を出力する。
【００３８】
電圧制御水晶発振器１２３は、制御電圧ＶＣ２に基づき第２の周波数信号Ｏ２の周波数が制御される。周波数逓倍合成変調部１２２は、第２の周波数信号Ｏ２を低周波信号ＬＷ２に基づき逓倍及び合成しマイクロ波ＭＷ２を出力する。
【００３９】
周波数混合器３１０は、第１の周波数信号Ｏ１と第２の周波数信号Ｏ２とを混合した混合信号３０１を出力する。
【００４０】
周波数変換部３００は、位相比較器３１１とＬＰＦ（Low- pass filter）３１２と電圧制御水晶発振器３１３と分周器３１４とから構成されている。位相比較器３１１は、周波数混合器３１０が出力する混合信号３０１と分周器３１４が出力する信号３０４との位相を比較し、信号３０２を出力する。ＬＰＦ３１２は、信号３０２の低域周波数のみを信号３０３として通過させる。電圧制御水晶発振器３１３は、信号３０３に基づき出力する出力信号ＯＵＴの周波数が制御される。分周器３１４は、出力信号ＯＵＴの周波数を分周した信号３０４を出力する。
【００４１】
Ｒｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３とが全く同一のものとした場合、第１のＮＤフィルター２５と第２のＮＤフィルター１２５とは透過率の異なるものを用いる。その場合、Ｒｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３との入射光量に差が生じ、共鳴周波数の光量依存性によりマイクロ波キャビィティー１４とマイクロ波キャビィティー１１４との共鳴周波数には差が生じる。この差は、実用的な範囲では数ｋＨｚ以下である。マイクロ波キャビィティー１４とマイクロ波キャビィティー１１４とが原子共鳴に同期すると、電圧制御水晶発振器２３の第１の周波数信号Ｏ１の周波数ｆａと電圧制御水晶発振器１２３の第２の周波数信号Ｏ２の周波数ｆｂとの出力周波数も、若干の差（ｆａ−ｆｂ）が生じる。周波数混合器３１０とＬＰＦ３１２によりこの差を信号３０３として取り出し、電圧制御水晶発振器３１３をこの信号３０３に同期させ、出力信号ＯＵＴを最終出力とする。
【００４２】
このときの原子準位の関係を、図６に示す。マイクロ波キャビィティー１４及びマイクロ波キャビィティー１１４は、基底準位Ｆ＝１に存在するルビジウム原子を同一の第１の励起光５２及び第２の励起光１５２にて励起する。マイクロ波キャビィティー１４及びマイクロ波キャビィティー１１４では入射光量が異なるため、Ｆ＝１とＦ＝２の共鳴周波数は、ｍｆａとｍｆｂで僅かに異なる。ただし、入射光量はこの基底準位間の遷移には一切寄与しないので、同一のＲｂランプ１２の発光を分岐することにより併用できる。第１の原子発振部１００と第２の原子発振部２００とが単独の周波数逓倍合成変調部２２，１２２及び制御系を持っていれば成立する。
【００４３】
以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００４４】
本実施形態では、Ｒｂランプ１２の光量が低下するとＲｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３の共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号Ｏ１と第２の周波数信号Ｏ２とを混合した混合信号３０１を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号ＯＵＴはＲｂランプ１２の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【００４５】
以上、原子発振器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。
【００４６】
（変形例１）原子発振器の変形例１について説明する。前記第１実施形態では、２つのＲｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３の共鳴周波数を異ならせるために、透過率の異なる第１のＮＤフィルター２５及び第２のＮＤフィルター１２５を用いたが、Ｒｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３に封入される緩衝ガス圧を別々の設定にすれば、共鳴周波数は緩衝ガス圧に対しても依存性があることは周知であるので、同様の効果が期待できる。
【００４７】
また、Ｒｂランプ１２の偏光特性を利用したり、位相フィルターを用いて、光路分岐に偏光ビームスプリッタを用いれば分岐比率を変えてガスセルへの入射光量を変えることもできる。
【００４８】
或いは、これも周知に手法であるＲｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３に与える低磁場の磁力を異なる設定にしても同様の効果は期待できる。いずれの代替手法も第１のＮＤフィルター２５及び第２のＮＤフィルター１２５を不要とすることができる。
【００４９】
（変形例２）原子発振器の変形例２について説明する。前記第１実施形態では、ルビジウム原子を用いた二重共鳴方式を挙げたが、原子がセシウム等他の原子でも同じことが言え、また二重共鳴方式でなく、ＣＰＴ方式においても同一光源の光を異なる物理共鳴部に入射すれば同様の効果は期待できる。
【００５０】
ＣＰＴ方式では、ＶＣＳＥＬ（面発光ダイオード）を使う例がほとんどであるが、ＶＣＳＥＬ光は発光光線の線幅が数１０ＭＨｚとＲｂランプ１２より広いので、図６の準位関係に製作偏差等で多少のずれが生じてもその影響は現れにくい。
【００５１】
本方式では、２つの二重共鳴部は制御系を含めて同一のものを２系統使用する。原子発振器においては、共鳴周波数の光量依存性の影響が大きいが、それ以外に回路素子の劣化の影響も受けることを冒頭述べた。その多くの素子が二重共鳴部の制御に寄与しているが、原子セルやフォトセンサーを初めとする一切の構成要素が同一なので、本方式は各構成要素が持つ本質的な劣化傾向も相殺する効果がある。更に、ＭＥＭＳ工法や半導体製造プロセスを使用した小型原子発振器においては、これら周辺機能を半導体同様にウェハ生産すること指向している。その様な製法においては、同一生産した構成要素の性能ばらつきが酷似するため、相殺効果は更に期待できる。
【００５２】
更には、近年原子発振器の技術を応用した磁気センサーなどの研究も盛んであるが、光ポンピングを用いたこれらの磁気センサーも基本原理は原子発振器と同一であるので長期に渡って、高精度を維持可能な磁気センサーをも実現することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１…原子発振器、１１…ランプ励振部、１２…Ｒｂランプ、１３…Ｒｂガスセル、１４…マイクロ波キャビィティー、１５…放射用アンテナ、１７…フォトセンサー、１８…増幅器、２０…位相弁別器、２１…低周波位相変調信号発生器、２２…周波数逓倍合成変調部、２３…電圧制御水晶発振器、２４…分光器、２５…第１のＮＤフィルター、５１…電圧、５２…第１の励起光、５３…誘導放出、５４…電圧、５５…増幅電圧、１００…第１の原子発振部、１１３…Ｒｂガスセル、１１４…マイクロ波キャビィティー、１１５…放射用アンテナ、１１７…フォトセンサー、１１８…増幅器、１２０…位相弁別器、１２１…低周波位相変調信号発生器、１２２…周波数逓倍合成変調部、１２３…電圧制御水晶発振器、１２５…第２のＮＤフィルター、１５２…第２の励起光、１５３…誘導放出、１５４…電圧、１５５…増幅電圧、２００…第２の原子発振部、３００…周波数変換部、３０１…混合信号、３０２…信号、３０３…信号、３０４…信号、３１０…周波数混合器、３１１…位相比較器、３１２…ＬＰＦ、３１３…電圧制御水晶発振器、３１４…分周器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、励起光により励起されるガスセルを有する原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子発振器は、ほとんどがルビジウム、セシウムのアルカリ金属原子の電子軌道エネルギーを周波数基準に用いている。これらアルカリ金属原子の特徴は、ルビジウムが希ガスであるクリプトンより１つ電子が多く（次の原子番号）、セシウムは同様に希ガスのキセノンより１つ電子が多いためである。安定時の電子は、原子核の周りに幾つかある電子軌道上を、最もエネルギーが低い軌道から順に原子番号数だけ運動しているが、希ガスは電子が複数個入れる軌道が丁度一杯に埋まった状態の原子であり、他の原子や分子と電子共有しにくい構造であるために非常に安定した元素である。反応しにくい、つまり安定した元素であるために発火性が低いなどの特徴があり、ランプなど高温環境でも使用されている。
【０００３】
一方、アルカリ金属が持っている希ガスよりも１つ多い電子は、希ガスの電子軌道の次にエネルギーが高い軌道に電子が１個だけ存在する構造になる。次の軌道にも複数個の電子が入ることができるため、アルカリ金属の最外核の電子が取りうる状態が軌道内に複数存在することになる。安定時には、この複数の状態のうち最もエネルギーが低い基底準位と呼ばれる状態（軌道）に電子が存在するが、次にエネルギーが高い状態（励起準位）とのエネルギー差に相当するエネルギーを外部から加えると、電子はそのエネルギーを吸収して励起準位に移行する。このエネルギー準位が上がることを励起、下がることを緩和と言うが、励起準位は無限に存在する訳ではなく、軌道に格納できる電子数に相応したとびとびの数だけ存在する。つまり、電子が吸収できるエネルギーもとびとびになる。また、外部から励起の為に与えられたエネルギーは、励起の際に電子に吸収されるので、このエネルギーを観測すれば、電子が励起する現象を把握できる。これは、アルカリ金属に限った現象ではないが、他の原子の場合には、励起・緩和しうる電子が複数存在するため、その組合せや観測が複雑になる。その点、対象となりうる電子が１つしかないアルカリ金属原子では、印加エネルギーの変化は全てこの最外核電子の応答と断定でき、励起・緩和先も単純なので甚だ都合がよい。
【０００４】
アルカリ金属原子の中で、ルビジウムとセシウムが多用される主な理由は、自然界における存在確率が比較的高いことに加えて、基底準位に隣接した励起準位に相当するエネルギーが、ルビジウムは７９５ｎｍ，７８０ｎｍなど、セシウムは８９５ｎｍ，８５２ｎｍなどの光の波長帯あり、比較的実現しやすいこともある。例えば、これらの波長の光は現在では半導体レーザーなどで容易に作れるため、光源とフォトダイオードの様な検出器の間にアルカリ金属原子を置いて、波長掃引しながら検出信号を観測すれば、丁度上記エネルギー差に波長が一致したところで、電子の吸収による検出信号の低下が確認できる。この様相を図２に示す。
【０００５】
図２に示すように、２つの吸収特性を示しているのは、ルビジウム、セシウム共に、原子核にもスピンが存在するため、原子核と電子の相互作用の影響で実際の基底状態が２つ存在するためである。２つの基底状態のエネルギー間隔ΔＦも原子発振器では重要になるが、原子核スピンによるエネルギー差は電子のエネルギー差より遥かに小さく、この場合は光ではなく電磁波の周波数に相当し、ルビジウムは６．８３４６８２６１２８ＧＨｚ、セシウムは９．１９２６３１７７ＧＨｚであることが解っている。これは物理定数であり、永久に変化することはない。
【０００６】
従って、この周波数を信号源の用途として取り出せれば、経年変化のない信号源（発振器）を実現できることになり、これが原子発振器の基本的な発想である。この周波数はマイクロ波ではあるが、電子回路で生成可能な周波数であるため、原子発振器の実現に至っている。実際にはマイクロ波として提供するのではなく、一般使用に便利な１０ＭＨｚや５ＭＨｚ、１ＭＨｚの様な信号として提供している。そのため、例えば出力周波数を電圧制御可能な１０ＭＨｚの水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Xtal Oscillator）を上記マイクロ波にＰＬＬ等の手法で位相同期させることが容易であるので、この様な構成の機種を受動型原子発振器と呼んでいる。一方、受動型原子発振器に対して能動型原子発振器は、原子が緩和時に放出するマイクロ波等のエネルギーを直接増幅加工して提供するものを言う。
【０００７】
但し、上述の原子発振器の原理を実現するための回路や検出器の性能には有限の劣化が実在するために、実際の原子発振器の経年変化はゼロにはならない。原子発振器の研究は、これらを改善して精度を向上させるための研究が多い。
【０００８】
前述の様に、原子の励起には光を用いるのが一般的であり、従来方式の二重共鳴方式の原子発振器ではランプ光源やレーザー光源が用いられ、近年研究が盛んな量子干渉を利用したＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式では面発光レーザーダイオード（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）光源が用いられたりしているが、共に光源と検出器の間に原子を配置し、光に対する原子の応答を観測して制御に供していることには変わりない。
【０００９】
１年から数年、または１０年以上と言った長期間の周波数安定度を必要とする場合、いずれの場合も光源の輝度劣化が問題となる。輝度劣化は、光源素子内部の微量な不純物の化学反応による原因や、単に発光窓の僅かな汚れなど様々な原因があるが、輝度が長期に渡って不変と言うことは考えにくい。原子発振器は、基本原理上、光源素子の劣化を改善しても、改善後の性能に相当する経年変化は避けられない。
【００１０】
この問題を解決するために、例えば特許文献１には、ルビジウム（Ｒｂ：Rubidium）原子を用いた二重共鳴方式の原子発振器の方法が記載されている。図３は、特許文献１に記載されたルビジウム（Ｒｂ：Rubidium）原子を用いた二重共鳴方式の原子発振器４の基本構成の一例である。励起光５２は、ルビジウム原子を用いたＲｂランプ１２から発せられ、Ｒｂガスセル１３に入射される。Ｒｂガスセル１３は、ガラス等の透明容器に微量のルビジウム金属を収容し、加熱することによりルビジウム原子を気化させている。従って、励起光５２はルビジウム原子の蒸気中を透過し、フォトセンサー１７に到達する。気化したルビジウム原子は高速で運動するため、Ｒｂガスセル１３の壁面やルビジウム原子同士が激しく衝突する。その影響を緩和する目的で、窒素やネオン、アルゴンなどの不活性ガスを緩衝ガスとして微量封入するのが一般的である。
【００１１】
二重共鳴のメカニズムは、図４（ａ）に示すように励起光５２が照射されない状態では、ルビジウム原子の最外殻電子は２つある基底準位にほぼ均等の確率で存在する。図４（ｂ）は、このうちＦ＝１準位と励起準位間のエネルギー差に等しい７９５ｍｍの励起光５２をＲｂランプ１２から照射した場合の応答を示す。Ｆ＝１準位に存在していたルビジウム原子のみが、励起光５２からエネルギーを吸収して励起準位になる。この瞬間、図３のフォトセンサー１７に到達する光５３は、僅かに減少することになる。図４（ｂ）で励起準位になったルビジウム原子は、緩和によりやがて基底準位に戻ってくる。その確率は、図４（ａ）の存在確率と同様にＦ＝１，Ｆ＝２ともほぼ均等である。しかし、Ｆ＝１に緩和したルビジウム原子は、励起光５２により再び励起し、また均等の確率で緩和する。この図４（ｂ）、（ｃ）が連続的に行われると、図４（ｄ）に示すように最終的にはＦ＝１にルビジウム原子が存在する確率はほぼゼロになる。いわゆるポンピングであるが、図４（ｄ）の状態は、光を吸収するルビジウム原子が存在しないので、図３のフォトセンサー１７に到達する光５３が最大になることを意味する。
【００１２】
図３においてＲｂガスセル１３は、マイクロ波キャビィティー１４に収納されていて、このマイクロ波キャビィティー１４に周波数逓倍合成変調部２２からのマイクロ波ＭＷＶを放射用アンテナ１５で照射できるようにしておく。前述の様に、図４のＦ＝１とＦ＝２準位間のエネルギー差は、ルビジウム原子の場合６．８３４６８２６１２８ＧＨｚであり、照射するマイクロ波ＭＷＶがちょうどこの周波数になった瞬間のみＦ＝２のルビジウム原子に誘導放出が発生し、図４（ｅ）に示すようにＦ＝１へ多数のルビジウム原子が移動する。Ｆ＝１にルビジウム原子が移動すれば、再び励起光５２の吸収が始まるので、二重共鳴方式の原子発振器４ではＲｂランプ１２から励起光５２を照射したまま、マイクロ波キャビィティー１４のマイクロ波ＭＷＶを掃引して、図４（ｄ）から（ｅ）に移行する波長を見つけ、その波長を６．８３４６８２６１２８ＧＨｚとして信号生成に用いている。
【００１３】
そのため、図３の構成では、低周波信号ＬＷＶをマイクロ波ＭＷＶに重畳し、フォトセンサー１７の出力を増幅・検波することによって、マイクロ波ＭＷＶを誘導放出が起きる周波数に同期制御している。同期が成立すると、フォトセンサー１７の出力は安定的に最小値となる。動作時の原子発振器はこの状態を延々と維持して信号提供している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００７−３３６１３６号公報（図５）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来の方法では、ルビジウム原子の挙動を引き出すために様々な機能や部品を用いているが、これらの回路素子は全て有限の安定性を持っており、温度依存性や経年変化を持っているという課題がある。勿論、温度依存性のある部位は、温度補償により一定温度に保つなど配慮されているが、例えば温度を検出するセンサーを取ってみてもそこには僅かながら経年変化が存在する。なかでも、最も影響が大きいのがＲｂランプ１２の輝度劣化であることが解っている。Ｒｂランプ１２の発光機能は、最悪は発光停止と言う故障もあるが、故障せず正常に動作している際も僅かずつ発光性能が劣化する傾向がある。
【００１６】
図３に例を挙げた二重共鳴方式の原子発振器４では、輝度が劣化した場合、フォトセンサー１７の検出量が全体的に下がるだけであれば、周波数精度への影響はない。しかし、Ｒｂガスセル１３の吸収ピーク、つまり共鳴周波数は印加される励起光５２の光量に対する依存性（パワーシフト）があることが知られている。従って、入射光量がごく微量少なくなった場合、図５に示すように、フォトセンサー１７の検出特性は、絶対量が下がると同時に応分の周波数シフトを伴う。もちろん、なんらかの理由で輝度が向上した場合は、反対の挙動を示す。その結果、原子発振器４を長期間運転した場合、出力周波数の変動、つまり長期安定度に対して大きな影響を与えることになる。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１８】
［適用例１］
第１の励起光を出力する励起光出力部と、前記第１の励起光を分光し第２の励起光を出力する分光器と、前記第１の励起光により励起される第１のガスセルを含み第１の周波数信号を出力する第１の原子発振部と、前記第２の励起光により励起される第２のガスセルを含み第２の周波数信号を出力する第２の原子発振部と、前記第１の周波数信号と前記第２の周波数信号とを混合した混合信号を出力する周波数混合器と、前記混合信号の周波数を変換した出力信号を出力する周波数変換部と、を含む、ことを特徴とする原子発振器。
【００１９】
この構成によれば、励起光出力部の光量が低下すると第１のガスセルと第２のガスセルの共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号と第２の周波数信号とを混合した混合信号を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号は励起光出力部の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【００２０】
［適用例２］
上記に記載の原子発振器において、前記第１の原子発振部は、前記第１の励起光を第１のＮＤフィルターを介して前記第１のガスセルに照射し、前記第２の原子発振部は、前記第２の励起光を前記第１のＮＤフィルターの透過率と異なる透過率の第２のＮＤフィルターを介して前記第２のガスセルに照射することを特徴とする原子発振器。
【００２１】
この構成によれば、励起光出力部の光量が低下すると第１のガスセルと第２のガスセルの共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号と第２の周波数信号とを混合した混合信号を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号は励起光出力部の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【００２２】
［適用例３］
上記に記載の原子発振器において、前記第１のガスセルのガス圧と前記第２のガスセルのガス圧とは異なることを特徴とする原子発振器。
【００２３】
この構成によれば、励起光出力部の光量が低下すると第１のガスセルと第２のガスセルの共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号と第２の周波数信号とを混合した混合信号を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号は励起光出力部の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【００２４】
［適用例４］
上記に記載の原子発振器において、前記第１のガスセルに与えられる磁場の磁力と前記第２のガスセルに与えられる磁場の磁力とは異なることを特徴とする原子発振器。
【００２５】
この構成によれば、励起光出力部の光量が低下すると第１のガスセルと第２のガスセルの共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号と第２の周波数信号とを混合した混合信号を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号は励起光出力部の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図。
【図２】２つの吸収特性を示すグラフ。
【図３】従来のルビジウム原子を用いた二重共鳴方式の原子発振器の基本構成図。
【図４】二重共鳴のメカニズムを示す概略図。
【図５】従来の二重共鳴方式の原子発振器の光量低下の影響を示すグラフ。
【図６】第１実施形態に係る原子発振器の原子準位の関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、原子発振器の実施形態について図面に従って説明する。
【００２８】
（第１実施形態）
＜原子発振器の構成＞
先ず、第１実施形態に係る原子発振器の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。
【００２９】
図１に示すように、原子発振器１は、ランプ励振部１１と、励起光出力部であるＲｂランプ１２と、分光器であるプリズム２４と、第１の原子発振部１００と、第２の原子発振部２００と、周波数混合器３１０と、周波数変換部３００と、から構成されている。
【００３０】
Ｒｂランプ１２は、ランプ励振部１１から出力される電圧５１に基づき第１の励起光５２を出力する。プリズム２４は、第１の励起光５２を分光し第２の励起光１５２を出力する。
【００３１】
第１の原子発振部１００は、第１のＮＤフィルター２５と、第１のガスセルであるＲｂガスセル１３と放射用アンテナ１５を含むマイクロ波キャビィティー１４と、フォトセンサー１７と、増幅器１８と、低周波位相変調信号発生器２１と、位相弁別器２０と、電圧制御水晶発振器２３と、周波数逓倍合成変調部２２と、から構成されている。
【００３２】
放射用アンテナ１５は、周波数逓倍合成変調部２２が出力するマイクロ波ＭＷＶに基づきＲｂガスセル１３に放射する。Ｒｂガスセル１３には気化したルビジウム原子が封印され、第１のＮＤフィルター２５を介した第１の励起光５２により励起する。気化したルビジウム原子は、供給したマイクロ波ＭＷＶが基底準位間のエネルギー差と一致する周波数の時に誘導放出５３が生じ、ルビジウム原子は再び光エネルギーを吸収して励起する。フォトセンサー１７は、Ｒｂガスセル１３からの誘導放出５３を電圧５４に変換する。
【００３３】
増幅器１８は、フォトセンサー１７が出力した電圧５４を増幅し、増幅電圧５５を位相弁別器２０に出力する。低周波位相変調信号発生器２１は、１００Ｈｚ程度の低周波信号ＬＷＶを出力する。位相弁別器２０は、増幅電圧５５を低周波信号ＬＷＶで位相同期させ、制御電圧ＶＣを出力する。
【００３４】
電圧制御水晶発振器２３は、制御電圧ＶＣに基づき第１の周波数信号Ｏ１の周波数が制御される。周波数逓倍合成変調部２２は、第１の周波数信号Ｏ１を低周波信号ＬＷＶに基づき逓倍及び合成しマイクロ波ＭＷＶを出力する。
【００３５】
第２の原子発振部２００は、第１のＮＤフィルター２５と透過率が異なる透過率の第２のＮＤフィルター１２５と、第２のガスセルであるＲｂガスセル１１３と放射用アンテナ１１５を含むマイクロ波キャビィティー１１４と、フォトセンサー１１７と、増幅器１１８と、低周波位相変調信号発生器１２１と、位相弁別器１２０と、電圧制御水晶発振器１２３と、周波数逓倍合成変調部１２２と、から構成されている。
【００３６】
放射用アンテナ１１５は、周波数逓倍合成変調部１２２が出力するマイクロ波ＭＷ２に基づきＲｂガスセル１１３に放射する。Ｒｂガスセル１１３には気化したルビジウム原子が封印され、第２のＮＤフィルター１２５を介した第２の励起光１５２により励起する。気化したルビジウム原子は、供給したマイクロ波ＭＷ２が基底準位間のエネルギー差と一致する周波数の時に誘導放出１５３が生じ、ルビジウム原子は再び光エネルギーを吸収して励起する。フォトセンサー１１７は、Ｒｂガスセル１１３からの誘導放出１５３を電圧１５４に変換する。
【００３７】
増幅器１１８は、フォトセンサー１１７が出力した電圧１５４を増幅し、増幅電圧１５５を位相弁別器１２０に出力する。低周波位相変調信号発生器１２１は、１００Ｈｚ程度の低周波信号ＬＷ２を出力する。位相弁別器１２０は、増幅電圧１５５を低周波信号ＬＷ２で位相同期させ、制御電圧ＶＣ２を出力する。
【００３８】
電圧制御水晶発振器１２３は、制御電圧ＶＣ２に基づき第２の周波数信号Ｏ２の周波数が制御される。周波数逓倍合成変調部１２２は、第２の周波数信号Ｏ２を低周波信号ＬＷ２に基づき逓倍及び合成しマイクロ波ＭＷ２を出力する。
【００３９】
周波数混合器３１０は、第１の周波数信号Ｏ１と第２の周波数信号Ｏ２とを混合した混合信号３０１を出力する。
【００４０】
周波数変換部３００は、位相比較器３１１とＬＰＦ（Low- pass filter）３１２と電圧制御水晶発振器３１３と分周器３１４とから構成されている。位相比較器３１１は、周波数混合器３１０が出力する混合信号３０１と分周器３１４が出力する信号３０４との位相を比較し、信号３０２を出力する。ＬＰＦ３１２は、信号３０２の低域周波数のみを信号３０３として通過させる。電圧制御水晶発振器３１３は、信号３０３に基づき出力する出力信号ＯＵＴの周波数が制御される。分周器３１４は、出力信号ＯＵＴの周波数を分周した信号３０４を出力する。
【００４１】
Ｒｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３とが全く同一のものとした場合、第１のＮＤフィルター２５と第２のＮＤフィルター１２５とは透過率の異なるものを用いる。その場合、Ｒｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３との入射光量に差が生じ、共鳴周波数の光量依存性によりマイクロ波キャビィティー１４とマイクロ波キャビィティー１１４との共鳴周波数には差が生じる。この差は、実用的な範囲では数ｋＨｚ以下である。マイクロ波キャビィティー１４とマイクロ波キャビィティー１１４とが原子共鳴に同期すると、電圧制御水晶発振器２３の第１の周波数信号Ｏ１の周波数ｆａと電圧制御水晶発振器１２３の第２の周波数信号Ｏ２の周波数ｆｂとの出力周波数も、若干の差（ｆａ−ｆｂ）が生じる。周波数混合器３１０とＬＰＦ３１２によりこの差を信号３０３として取り出し、電圧制御水晶発振器３１３をこの信号３０３に同期させ、出力信号ＯＵＴを最終出力とする。
【００４２】
このときの原子準位の関係を、図６に示す。マイクロ波キャビィティー１４及びマイクロ波キャビィティー１１４は、基底準位Ｆ＝１に存在するルビジウム原子を同一の第１の励起光５２及び第２の励起光１５２にて励起する。マイクロ波キャビィティー１４及びマイクロ波キャビィティー１１４では入射光量が異なるため、Ｆ＝１とＦ＝２の共鳴周波数は、ｍｆａとｍｆｂで僅かに異なる。ただし、入射光量はこの基底準位間の遷移には一切寄与しないので、同一のＲｂランプ１２の発光を分岐することにより併用できる。第１の原子発振部１００と第２の原子発振部２００とが単独の周波数逓倍合成変調部２２，１２２及び制御系を持っていれば成立する。
【００４３】
以上に述べた本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００４４】
本実施形態では、Ｒｂランプ１２の光量が低下するとＲｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３の共鳴周波数はどちらも変動してしまうが、両者はほぼ同一の光量依存性を有するので、第１の周波数信号Ｏ１と第２の周波数信号Ｏ２とを混合した混合信号３０１を生成することにより共鳴周波数の変動は相殺でき、出力信号ＯＵＴはＲｂランプ１２の輝度劣化に依存しない高精度の周波数信号を提供できる。
【００４５】
以上、原子発振器の実施形態を説明したが、こうした実施の形態に何ら限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲内において様々な形態で実施し得ることができる。以下、変形例を挙げて説明する。
【００４６】
（変形例１）原子発振器の変形例１について説明する。前記第１実施形態では、２つのＲｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３の共鳴周波数を異ならせるために、透過率の異なる第１のＮＤフィルター２５及び第２のＮＤフィルター１２５を用いたが、Ｒｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３に封入される緩衝ガス圧を別々の設定にすれば、共鳴周波数は緩衝ガス圧に対しても依存性があることは周知であるので、同様の効果が期待できる。
【００４７】
また、Ｒｂランプ１２の偏光特性を利用したり、位相フィルターを用いて、光路分岐に偏光ビームスプリッタを用いれば分岐比率を変えてガスセルへの入射光量を変えることもできる。
【００４８】
或いは、これも周知に手法であるＲｂガスセル１３とＲｂガスセル１１３に与える低磁場の磁力を異なる設定にしても同様の効果は期待できる。いずれの代替手法も第１のＮＤフィルター２５及び第２のＮＤフィルター１２５を不要とすることができる。
【００４９】
（変形例２）原子発振器の変形例２について説明する。前記第１実施形態では、ルビジウム原子を用いた二重共鳴方式を挙げたが、原子がセシウム等他の原子でも同じことが言え、また二重共鳴方式でなく、ＣＰＴ方式においても同一光源の光を異なる物理共鳴部に入射すれば同様の効果は期待できる。
【００５０】
ＣＰＴ方式では、ＶＣＳＥＬ（面発光ダイオード）を使う例がほとんどであるが、ＶＣＳＥＬ光は発光光線の線幅が数１０ＭＨｚとＲｂランプ１２より広いので、図６の準位関係に製作偏差等で多少のずれが生じてもその影響は現れにくい。
【００５１】
本方式では、２つの二重共鳴部は制御系を含めて同一のものを２系統使用する。原子発振器においては、共鳴周波数の光量依存性の影響が大きいが、それ以外に回路素子の劣化の影響も受けることを冒頭述べた。その多くの素子が二重共鳴部の制御に寄与しているが、原子セルやフォトセンサーを初めとする一切の構成要素が同一なので、本方式は各構成要素が持つ本質的な劣化傾向も相殺する効果がある。更に、ＭＥＭＳ工法や半導体製造プロセスを使用した小型原子発振器においては、これら周辺機能を半導体同様にウェハ生産すること指向している。その様な製法においては、同一生産した構成要素の性能ばらつきが酷似するため、相殺効果は更に期待できる。
【００５２】
更には、近年原子発振器の技術を応用した磁気センサーなどの研究も盛んであるが、光ポンピングを用いたこれらの磁気センサーも基本原理は原子発振器と同一であるので長期に渡って、高精度を維持可能な磁気センサーをも実現することができる。
【符号の説明】
【００５３】
１…原子発振器、１１…ランプ励振部、１２…Ｒｂランプ、１３…Ｒｂガスセル、１４…マイクロ波キャビィティー、１５…放射用アンテナ、１７…フォトセンサー、１８…増幅器、２０…位相弁別器、２１…低周波位相変調信号発生器、２２…周波数逓倍合成変調部、２３…電圧制御水晶発振器、２４…分光器、２５…第１のＮＤフィルター、５１…電圧、５２…第１の励起光、５３…誘導放出、５４…電圧、５５…増幅電圧、１００…第１の原子発振部、１１３…Ｒｂガスセル、１１４…マイクロ波キャビィティー、１１５…放射用アンテナ、１１７…フォトセンサー、１１８…増幅器、１２０…位相弁別器、１２１…低周波位相変調信号発生器、１２２…周波数逓倍合成変調部、１２３…電圧制御水晶発振器、１２５…第２のＮＤフィルター、１５２…第２の励起光、１５３…誘導放出、１５４…電圧、１５５…増幅電圧、２００…第２の原子発振部、３００…周波数変換部、３０１…混合信号、３０２…信号、３０３…信号、３０４…信号、３１０…周波数混合器、３１１…位相比較器、３１２…ＬＰＦ、３１３…電圧制御水晶発振器、３１４…分周器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の励起光を出力する励起光出力部と、
前記第１の励起光を分光し第２の励起光を出力する分光器と、
前記第１の励起光により励起される第１のガスセルを含み第１の周波数信号を出力する第１の原子発振部と、
前記第２の励起光により励起される第２のガスセルを含み第２の周波数信号を出力する第２の原子発振部と、
前記第１の周波数信号と前記第２の周波数信号とを混合した混合信号を出力する周波数混合器と、
前記混合信号の周波数を変換した出力信号を出力する周波数変換部と、
を含む、
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の原子発振器において、前記第１の原子発振部は、前記第１の励起光を第１のＮＤフィルターを介して前記第１のガスセルに照射し、前記第２の原子発振部は、前記第２の励起光を前記第１のＮＤフィルターの透過率と異なる透過率の第２のＮＤフィルターを介して前記第２のガスセルに照射することを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の原子発振器において、前記第１のガスセルのガス圧と前記第２のガスセルのガス圧とは異なることを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の原子発振器において、前記第１のガスセルに与えられる磁場の磁力と前記第２のガスセルに与えられる磁場の磁力とは異なることを特徴とする原子発振器。
【請求項１】
第１の励起光を出力する励起光出力部と、
前記第１の励起光を分光し第２の励起光を出力する分光器と、
前記第１の励起光により励起される第１のガスセルを含み第１の周波数信号を出力する第１の原子発振部と、
前記第２の励起光により励起される第２のガスセルを含み第２の周波数信号を出力する第２の原子発振部と、
前記第１の周波数信号と前記第２の周波数信号とを混合した混合信号を出力する周波数混合器と、
前記混合信号の周波数を変換した出力信号を出力する周波数変換部と、
を含む、
ことを特徴とする原子発振器。
【請求項２】
請求項１に記載の原子発振器において、前記第１の原子発振部は、前記第１の励起光を第１のＮＤフィルターを介して前記第１のガスセルに照射し、前記第２の原子発振部は、前記第２の励起光を前記第１のＮＤフィルターの透過率と異なる透過率の第２のＮＤフィルターを介して前記第２のガスセルに照射することを特徴とする原子発振器。
【請求項３】
請求項１または２に記載の原子発振器において、前記第１のガスセルのガス圧と前記第２のガスセルのガス圧とは異なることを特徴とする原子発振器。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の原子発振器において、前記第１のガスセルに与えられる磁場の磁力と前記第２のガスセルに与えられる磁場の磁力とは異なることを特徴とする原子発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１９２９６５（Ｐ２０１０−１９２９６５Ａ）
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３２３５１（Ｐ２００９−３２３５１）
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２日（２０１０．９．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月１６日（２００９．２．１６）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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