原子発振器
【課題】設計の自由度を向上させることにより比較的簡易な構成の原子発振器を提供すること。
【解決手段】原子発振器１は、光源１０、光検出手段３０、制御手段４０を含む。光源１０は、中心周波数をｆ１として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第１の光と、中心周波数をｆ２として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第２の光と、を発生させる。光検出手段３０は、アルカリ金属原子を透過した第１の光及び第２の光を含む光の強度を検出する。制御手段４０は、光検出手段３０の検出結果に基づいて、第１の光の所定の周波数成分と第２の光の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。第１の光の中心周波数ｆ１と第２の光の中心周波数ｆ２の周波数差は、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と異なる。
【解決手段】原子発振器１は、光源１０、光検出手段３０、制御手段４０を含む。光源１０は、中心周波数をｆ１として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第１の光と、中心周波数をｆ２として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第２の光と、を発生させる。光検出手段３０は、アルカリ金属原子を透過した第１の光及び第２の光を含む光の強度を検出する。制御手段４０は、光検出手段３０の検出結果に基づいて、第１の光の所定の周波数成分と第２の光の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。第１の光の中心周波数ｆ１と第２の光の中心周波数ｆ２の周波数差は、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と異なる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）方式（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、アルカリ金属原子に波長（周波数）の異なる２つの共鳴光を同時に照射すると、２つの共鳴光の吸収が停止する現象を利用した発振器である。
【０００３】
アルカリ金属原子と２つの共鳴光との相互作用機構は、図１３（Ａ）に示すように、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ１）を有する共鳴光１、あるいは基底準位２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ２）を有する共鳴光２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、よく知られているように光吸収が起きる。ところが、図１３（Ｂ）に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致する共鳴光１と共鳴光２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して共鳴光１と共鳴光２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。このＥＩＴ現象を利用し、共鳴光１と共鳴光２との周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
【０００４】
図１４は、従来のＣＰＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図である。図１４に示すように、従来のＣＰＴ方式による原子発振器は、電流駆動回路により発生した周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０はレーザー光の中心波長）の駆動電流を、基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数の１／２の変調周波数ｆｍ１で変調することにより、半導体レーザーに周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１の共鳴光１と周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１の共鳴光２を発生させ（図１３（Ｂ））、原子セルに含まれる気体状のアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる。この原子発振器は、原子セルを透過した光の検出量が最大になるように電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の発振周波数を制御し、その発振周波数をＰＬＬ（Phase Locked Loop）により逓倍率Ｎ／Ｒ（Ｎ、Ｒはともに正の整数）で逓倍してΔＥ１２に相当する周波数の１／２の変調周波数ｆｍ１の信号を生成する。このような構成によれば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）は極めて安定に発振動作を継続するので、周波数安定度が極めて高い発振信号を発生させることができる。なお、ここで言う原子セルとは、気体状のアルカリ金属原子とこれを封入する容器とから構成されたものとして、以降説明をする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の原子発振器では、ΔＥ１２に相当する周波数（例えば、セシウム原子であれば９．１９２６３・・・ＧＨｚ）の１／２の周波数と正確に一致する変調周波数ｆｍ１を直接又は高調波によって発生させるＰＬＬ等の発振器を特別に用意しなければならないため、設計の自由度が制限される。
【０００７】
また、変調周波数ｆｍ１がΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致した状態で安定するので、従来の原子発振器では、ＰＬＬの逓倍率Ｎ／Ｒの精度によっては電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）を正確に所望の周波数（公称周波数）で発振させることができない場合がある。そのため、例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の発振周波数が９．９９９ＭＨｚであれば、公称周波数の１０ＭＨｚを得るためだけに高精度の周波数変換回路が必要になり簡易な構成で実現できない場合もある（図１４参照）。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、設計の自由度を向上させることにより比較的簡易な構成の原子発振器を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明は、アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、中心周波数をｆ１として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第１の光と、中心周波数をｆ２として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第２の光と、を発生させる光源と、前記アルカリ金属原子を透過した前記第１の光及び前記第２の光を含む光の強度を検出する光検出手段と、前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記第１の光の所定の周波数成分と前記第２の光の所定の周波数成分の周波数差が前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する制御手段と、を含み、前記第１の光の中心周波数ｆ１と前記第２の光の中心周波数ｆ２の周波数差は、前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と異なる。
【００１０】
従来のＣＰＴ方式の原子発振器では、２つの共鳴光の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致するように制御がかかるのに対して、本発明の原子発振器では、第１の光の所定の周波数成分と第２の光の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御がかかる。すなわち、第１の光の所定の周波数成分と第２の光の所定の周波数成分が２つの共鳴光になるように制御がかかる（但し、第１の光の中心周波数ｆ１と第２の光の中心周波数ｆ２がともに共鳴光になることはない）。
【００１１】
要するに、本発明の原子発振器では、第１の光の中心周波数ｆ１以外の所定の周波数成分と第２の光の中心周波数ｆ２以外の所定の周波数成分の対、又は、第１の光の中心周波数ｆ１と第２の光の中心周波数ｆ２以外の所定の周波数成分の対、又は、第１の光の中心周波数ｆ１以外の所定の周波数成分と第２の光の中心周波数ｆ２の対のいずれかが共鳴対になるように設計すればよい。
【００１２】
従って、本発明によれば、従来の原子発振器と比較して設計の自由度が向上し、そのため比較的簡易な構成の原子発振器を提供することができる。
【００１３】
（２）この原子発振器において、前記制御手段は、前記光検出手段の検出結果に基づいて、第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させる第１の変調周波数発生手段と、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させる第２の変調周波数発生手段と、を含み、前記光源は、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる前記第１の光及び前記第２の光を発生させるようにしてもよい。
【００１４】
本発明の原子発振器では、第１の光の所定の周波数成分（ｆ１＋ｊ×Δｆ）と第２の光の所定の周波数成分（ｆ２＋ｋ×Δｆ）の周波数差、すなわち、（２×ｆｍ１＋（ｊ−ｋ）×ｆｍ２）（ｊ，ｋは整数、かつ、ｊ≠ｋ）がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致すればよい。
【００１５】
従って、本発明によれば、直接又は簡単な分周器等を用いて所望の周波数が得られるように、上記の条件を満たす第１の変調周波数ｆｍ１と第２の変調周波数ｆｍ２を選択すれば、比較的簡易な構成の原子発振器を実現することができる。
【００１６】
（３）この原子発振器において、前記第２の変調周波数発生手段は、前記第１の信号を周波数変換して前記第２の信号を発生させるようにしてもよい。
【００１７】
（４）この原子発振器において、前記第２の変調周波数発生手段は、前記第１の信号から独立して前記第２の変調周波数ｆｍ２で発振するようにしてもよい。
【００１８】
（５）この原子発振器は、前記第１の信号を周波数変換して所定の周波数の信号を発生させる周波数変換手段を含むようにしてもよい。
【００１９】
（６）この原子発振器において、前記制御手段は、前記光検出手段の検出結果に基づいて、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させる第２の変調周波数発生手段と、前記第２の信号を周波数変換して第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させる第１の変調周波数発生手段と、を含み、前記光源は、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる前記第１の光及び前記第２の光を発生させるようにしてもよい。
【００２０】
本発明の原子発振器では、第１の光の所定の周波数成分（ｆ１＋ｊ×Δｆ）と第２の光の所定の周波数成分（ｆ２＋ｋ×Δｆ）の周波数差、すなわち、（２×ｆｍ１＋（ｊ−ｋ）×ｆｍ２）（ｊ，ｋは整数、かつ、ｊ≠ｋ）がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致すればよい。
【００２１】
従って、本発明によれば、直接又は簡単な分周器等を用いて所望の周波数が得られるように、上記の条件を満たす第１の変調周波数ｆｍ１と第２の変調周波数ｆｍ２を選択すれば、比較的簡易な構成の原子発振器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の原子発振器の機能ブロック図。
【図２】図２（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと照射光１及び照射光２の関係の第１の例を示す図であり、図２（Ｂ）は照射光１及び照射光２の周波数スペクトラムの第１の例を示す図。
【図３】図３（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと照射光１及び照射光２の関係の第２の例を示す図であり、図３（Ｂ）は照射光１及び照射光２の周波数スペクトラムの第２の例を示す図。
【図４】図４（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと照射光１及び照射光２の関係の第３の例を示す図であり、図４（Ｂ）は照射光１及び照射光２の周波数スペクトラムの第３の例を示す図。
【図５】第１実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図６】第１実施形態の原子発振器における照射光１及び照射光２の一例について説明するための図。
【図７】第１実施形態の原子発振器における第２変調周波数発生回路構成例を示す図。
【図８】第１実施形態の原子発振器の変形例の構成を示す図。
【図９】第２実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１０】第２実施形態の原子発振器における照射光１及び照射光２の一例について説明するための図。
【図１１】第２実施形態の原子発振器における第１変調周波数発生回路の構成例を示す図。
【図１２】第３実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１３】図１３（Ａ）はアルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図であり、図１３（Ｂ）は２つの共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。
【図１４】従来のＣＰＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２４】
図１は、本実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。
【００２５】
本実施形態の原子発振器１は、光源１０、原子セル２０、光検出手段３０及び制御手段４０を含んで構成されている。
【００２６】
光源１０は、中心周波数をｆ１として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第１の光と、中心周波数をｆ２として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第２の光と、を発生させる。
【００２７】
原子セル２０には気体状のアルカリ金属原子が含まれており、光源１０により、第１の光と第２の光が照射される。以下、第１の光及び第２の光をそれぞれ「照射光１」及び「照射光２」ということにする。
【００２８】
光検出手段３０は、アルカリ金属原子を透過した照射光１及び照射光２を含む光の強度を検出する。
【００２９】
制御手段４０は、光検出手段３０の検出結果に基づいて、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。ただし、本実施形態では、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の中心周波数ｆ２の周波数差は、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致しない。
【００３０】
すなわち、制御手段４０は、照射光１の中心周波数ｆ１以外の所定の周波数成分と照射光２の中心周波数ｆ２以外の所定の周波数成分の対、又は、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の中心周波数ｆ２以外の所定の周波数成分の対、又は、照射光１の中心周波数ｆ１以外の所定の周波数成分と照射光２の中心周波数ｆ２の対のいずれかを共鳴光対として、その周波数がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致するように制御する。
【００３１】
このような制御手段４０は、図１に示すように、第１の変調周波数発生手段４２と、第２の変調周波数発生手段４４と、を含んで構成することができる。
【００３２】
例えば、第１の変調周波数発生手段４２が、光検出手段３０の検出結果に基づいて、第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させ、第２の変調周波数発生手段４４が、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させるように構成してもよい。ここで、第２の変調周波数発生手段４４は、第１の変調周波数発生手段４２により発生する第１の信号を周波数変換して第２の信号を発生させるようにしてもよいし、第１の信号から独立して第２の変調周波数ｆｍ２で発振するように構成してもよい。後者の場合、制御手段４０は、さらに、第１の信号を周波数変換して所定の周波数の信号を発生させる周波数変換手段４６を含むようにしてもよい。
【００３３】
また、例えば、第２の変調周波数発生手段４４が、光検出手段３０の検出結果に基づいて、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させ、第１の変調周波数発生手段４２が、第２の変調周波数発生手段４４により発生する第２の信号を周波数変換して第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させるように構成してもよい。
【００３４】
そして、いずれの場合も、光源１０は、第１の変調周波数発生手段４２により発生する第１の信号及び第２の変調周波数発生手段４４により発生する第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる照射光１及び照射光２を発生させるようにすればよい。
【００３５】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本実施形態の原子発振器において発生する照射光１及び照射光２の第１、第２、第３の例についてそれぞれ説明するための図である。図２（Ａ）、図３（Ａ）及び図４（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと照射光１及び照射光２の関係を示す図であり、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）は、照射光１及び照射光２の周波数スペクトラムを示す図である。
【００３６】
図２（Ｂ）、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、第１、第２、第３の例ともに、周波数ｆ０（＝ｖ／λ０）に対して、上側サイドバンドに周波数がｆｍ２ずつ異なる複数の周波数成分を有する照射光１と、下側サイドバンドに周波数がｆｍ２ずつ異なる複数の周波数成分を有する照射光２が存在する。照射光１の中心周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１であり、照射光２の中心周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１である。
【００３７】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、第１の例では、照射光１の周波数成分ｆ１−ｆｍ２と照射光２の周波数成分ｆ２＋ｆｍ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。従って、アルカリ金属原子は、照射光１の周波数成分ｆ１−ｆｍ２と照射光２の周波数成分ｆ２＋ｆｍ２を共鳴光対としてＥＩＴ現象を起こす。
【００３８】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、第２の例では、照射光１の周波数成分ｆ１＋ｆｍ２と照射光２の周波数成分ｆ２−ｆｍ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。従って、アルカリ金属原子は、照射光１の周波数成分ｆ１＋ｆｍ２と照射光２の周波数成分ｆ２−ｆｍ２を共鳴光対としてＥＩＴ現象を起こす。
【００３９】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、第３の例では、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の周波数成分ｆ２＋ｆｍ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。従って、アルカリ金属原子は、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の周波数成分ｆ２＋ｆｍ２を共鳴光対としてＥＩＴ現象を起こす。
【００４０】
以下、本実施形態の原子発振器のより具体的な構成について説明する。
【００４１】
（１）第１実施形態
図５は、第１実施形態の原子発振器の構成を示す図である。
【００４２】
図５に示すように、第１実施形態の原子発振器１００Ａは、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、低周波発振器１５０、電流駆動回路１６０、検波回路１７０、低周波発振器１８０、検波用変調回路１９０、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路２１０を含んで構成されている。
【００４３】
原子セル１２０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。
【００４４】
この原子セル１２０に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数を有する共鳴光対が同時に照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線における基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの共鳴光対が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００４５】
半導体レーザー１１０は、原子セル１２０に含まれるアルカリ金属原子に照射光１と照射光２を含むレーザー光を照射する。具体的には、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、電流駆動回路１６０が出力する駆動電流によって中心周波数ｆ０（中心波長λ０）が制御され、第１変調周波数発生回路２００の出力信号（以下、「第１変調信号」という）及び第２変調周波数発生回路２１０の出力信号（以下、「第２変調信号」という）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１６０による駆動電流に、第１変調信号の周波数成分と第２変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光に変調をかけることができる。
【００４６】
なお、半導体レーザー１１０は、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）であってもよいし、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーであってもよい。
【００４７】
光検出器１３０は、原子セル１２０を透過した光を検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。光検出器１３０の出力信号は検波回路１４０及び検波回路１７０に入力される。
【００４８】
検波回路１４０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器１５０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。
【００４９】
電流駆動回路１６０は、検波回路１４０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生して半導体レーザー１１０に供給し、レーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）を制御する。なお、検波回路１４０による同期検波を可能とするために、電流駆動回路１６０により発生する駆動電流には低周波発振器１５０の発振信号（検波回路１４０に供給される発振信号と同じ）が重畳される。
【００５０】
半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、電流駆動回路１６０を通るフィードバックループによりレーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）が微調整されて安定する。
【００５１】
検波回路１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器１８０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。
【００５２】
第１変調周波数発生回路２００は、検波回路１７０の出力信号の電圧に応じた第１変調周波数ｆｍ１を有する第１変調信号を発生させる。
【００５３】
この第１変調信号は低周波発振器１８０の発振信号（検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）で変調がかけられ、半導体レーザー１１０に供給される。これにより、第１変調周波数ｆｍ１をわずかにスイープさせながら検波回路１７０による同期検波が行われ、光検出器１３０の出力信号が最大になるように第１変調周波数ｆｍ１が微調整される。
【００５４】
第１変調信号は第２変調周波数発生回路２１０にも供給され、第２変調周波数発生回路２１０は、第１変調信号を第２変調周波数ｆｍ２を有する第２変調信号に周波数変換する。
【００５５】
そして、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、第１変調信号と第２変調信号により変調がかけられ、照射光１と照射光２を発生させる。
【００５６】
なお、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、原子セル２０、光検出手段３０に対応する。また、検波回路１４０、低周波発振器１５０、電流駆動回路１６０、検波回路１７０、低周波発振器１８０、検波用変調回路１９０、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路２１０で構成される回路は、図１の制御手段４０に対応する。また、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路２１０は、それぞれ図１の第１の変調周波数発生手段４２、第２の変調周波数発生手段４４に対応する。
【００５７】
このような構成の原子発振器１００Ａにおいて、半導体レーザー１１０が出射する照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差が原子セル１２０に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、照射光１と照射光２の周波数に応じて光検出器１３０の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０、検波回路１７０及び第１変調周波数発生回路２００と検波用変調回路１９０又は第２変調周波数発生回路２１０を通る２つのフィードバックループにより、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、第１変調周波数と第２変調周波数は極めて安定した周波数になるので、第１変調信号や第２変調信号を原子発振器１００Ａの出力信号（クロック出力）とすることができる。
【００５８】
図６は、第１実施形態の原子発振器における照射光１及び照射光２の一例について説明するための図である。
【００５９】
図６に示す照射光１と照射光２の関係は、図２（Ｂ）に示した照射光１と照射光２の関係と同じであるが、図３（Ｂ）や図４（Ｂ）に示した関係等、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致する（ただし、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の中心周波数ｆ２の周波数差はΔＥ１２に相当する周波数と一致しない）ような関係であればよい。
【００６０】
原子発振器１００Ａによれば、図６に示すように、レーザー光の中心周波数ｆ０（＝ｖ／λ０）に対して、中心周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１であり周波数がｆｍ２ずつ異なる照射光１の全体と、中心周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１であり周波数がｆｍ２ずつ異なる照射光２の全体を線対称にスイープさせながら同期検波が行われ、２×（ｆｍ１−ｆｍ２）がΔＥ１２に相当する周波数と一致する状態で安定するようになる。
【００６１】
アルカリ金属原子がセシウム原子であればΔＥ１２に相当する周波数は９．１９２６３・・・ＧＨｚであるので、例えば、ｆｍ１＝４．６０６３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚで安定するように設計することができる。
【００６２】
この場合、第１変調周波数発生回路２００は、例えば、検波回路１７０の出力信号の大きさに応じてインダクタンス（Ｌ）やキャパシタンス（Ｃ）を調整することにより４．６ＧＨｚ近傍で共振周波数を変更可能なＬＣ共振器によって実現することができる。また、第２変調周波数発生回路２１０は、例えば、入力信号（第１変調信号）の周波数を（１０ＭＨｚ／４．６０６３１５・・・ＧＨｚ）倍にダウンコンバートして出力するダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）によって実現することができる。
【００６３】
図７は、原子発振器１００Ａにおける第２変調周波数発生回路２１０の構成例を示す図である。
【００６４】
図７に示すように、第２変調周波数発生回路２１０は、周波数設定部２１１、アドレス演算部２１２、波形メモリー２１３、Ｄ／Ａ変換器２１４、ローパスフィルター２１５を含むダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）として構成されている。
【００６５】
周波数設定部２１１は、あらかじめ設定された周波数データ（周波数変換率を決定するためのデータ）に基づいて加算値データを生成する。先の例の場合、周波数変換率は（１０ＭＨｚ／４．６０６３１５・・・ＧＨｚ）である。
【００６６】
アドレス演算部２１２は、周波数設定部２１１が生成する加算値データを第１変調信号に同期して順次加算することにより位相角データを計算する。具体的には、アドレス演算部２１２は、前回の位相角データに加算値データを加算して今回の位相角データを計算し、位相角データに相当するアドレスを生成する。アドレス演算部２１２は、加算値データの加算処理を繰り返すｐビットのアキュムレーターにより実現することができ、アキュムレーターの出力がアドレスになる。
【００６７】
波形メモリー２１３には、波形パターン（例えば正弦波）の位相角と振幅値の対応関係が記憶されている。具体的には、波形メモリー２１３には１周期分の波形パターンを一定の時間間隔（１周期／２ｐ）でサンプリングした２ｐ個の点の振幅値データ（デジタルデータ）がアドレス順に記憶されており、アドレス演算部が生成するアドレスで指定される領域に記憶されている振幅値データが波形メモリー２１３から出力される。
【００６８】
Ｄ／Ａ変換器２１４は、波形メモリー２１３が出力する振幅値データをＤ／Ａ変換する。Ｄ／Ａ変換器２１４の出力信号は第１変調信号の周期毎に階段状に変化する波形であるため、ローパスフィルター２１５で平滑化されて第２変調信号が生成される。
【００６９】
以上の構成により、第２変調周波数発生回路２１０（ＤＤＳ）は、周波数設定部２１１が生成する加算値データＭに対して、第１変調周波数のＭ／２ｐ倍の周波数を有する第２変調信号を出力する。従って、ｐを十分大きくすれば、第１変調周波数をほぼ正確に（１０ＭＨｚ／４．６０６３１５・・・ＧＨｚ）倍することができるので、極めて高い周波数精度の１０ＭＨｚを有する第２変調信号を生成することができる。
【００７０】
以上に説明したように、第１実施形態の原子発振器では、照射光１の所定の周波数成分（ｆ１＋ｊ×ｆｍ２）と照射光２の所定の周波数成分（ｆ２＋ｋ×ｆｍ２）の周波数差、すなわち、（２×ｆｍ１＋（ｊ−ｋ）×ｆｍ２）（ｊ，ｋは整数、かつ、ｊ≠ｋ）がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致するように制御がかかる。
【００７１】
従って、第１実施形態によれば、第１変調周波数ｆｍ１又は第２変調周波数ｆｍ２が所望の周波数となるように、上記の条件を満たす第１変調周波数ｆｍ１と第２変調周波数ｆｍ２を選択すればよいので、従来の原子発振器と比較して設計の自由度が向上し、そのため比較的簡易な構成の原子発振器を提供することができる。
【００７２】
［変形例］
図８は、第１実施形態の原子発振器の変形例の構成を示す図である。図８に示すように、変形例の原子発振器１００Ｂは、図５に示した原子発振器１００Ａに対して、電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）２２０が追加されている。
【００７３】
図８に示すように、原子発振器１００Ｂでは、半導体レーザー１１０は、第１変調周波数ｆｍ１を有する第１変調信号や第２変調周波数ｆｍ２を有する第２変調信号による変調がかけられず、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０に対して周波数ｆ０のレーザー光を出射する。
【００７４】
そして、検波用変調回路１９０により変調がかけられた第１変調信号は、第２変調信号とともに電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０に入力される。
【００７５】
電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０は、周波数ｆ０のレーザー光に対して第１変調信号と第２変調信号で変調をかける。その結果、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０を透過して原子セル１２０に照射される光には、図５に示した原子発振器１００Ａと同様、ｆ０を中心とする上側サイドバンドと下側サイドバンドに、中心周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１であり周波数がｆｍ２ずつ異なる複数の周波数成分を有する照射光１と、中心周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１であり周波数がｆｍ２ずつ異なる複数の周波数成分を有する照射光２がそれぞれ発生する。
【００７６】
図８に示す原子発振器１００Ｂにおけるその他の構成は、図５に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００７７】
なお、半導体レーザー１１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０による構成が図１の光源１０に対応する。その他の対応関係は、図５に示した原子発振器１００Ａと同じである。
【００７８】
このような構成によっても、図５に示した原子発振器Ａと同様の機能及び効果を有する原子発振器を実現することができる。
【００７９】
（２）第２実施形態
図９は、第２実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図９に示すように、第２実施形態の原子発振器１００Ｃは、第１変調周波数発生回路３００と第２変調周波数発生回路３１０の接続関係が、図５に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａにおける第１変調周波数発生回路２００と第２変調周波数発生回路２１０の接続関係と逆になっている。
【００８０】
原子発振器１００Ｃにおいて、第２変調周波数発生回路３１０は、検波回路１７０の出力信号の電圧に応じた第２変調周波数ｆｍ２を有する第２変調信号を発生させる。
【００８１】
この第２変調信号は低周波発振器１８０の発振信号（検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）で変調がかけられ、半導体レーザー１１０に供給される。これにより、第２変調周波数ｆｍ２をわずかにスイープさせながら検波回路１７０による同期検波が行われ、光検出器１３０の出力信号が最大になるように第２変調周波数ｆｍ２が微調整される。
【００８２】
第２変調信号は第１変調周波数発生回路３００にも供給され、第１変調周波数発生回路３００は、第２変調信号を第１変調周波数ｆｍ１を有する第１変調信号に周波数変換する。
【００８３】
そして、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、第１変調信号と第２変調信号により変調がかけられ、照射光１と照射光２を発生させる。
【００８４】
図９に示す原子発振器１００Ｃにおけるその他の構成は、図５に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００８５】
なお、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、原子セル２０、光検出手段３０に対応する。また、検波回路１４０、低周波発振器１５０、電流駆動回路１６０、検波回路１７０、低周波発振器１８０、検波用変調回路１９０、第１変調周波数発生回路３００、第２変調周波数発生回路３１０で構成される回路は、図１の制御手段４０に対応する。また、第１変調周波数発生回路３００、第２変調周波数発生回路３１０は、それぞれ図１の第１の変調周波数発生手段４２、第２の変調周波数発生手段４４に対応する。
【００８６】
このような構成の原子発振器１００Ｃにおいて、半導体レーザー１１０が出射する照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差が原子セル１２０に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、照射光１と照射光２の周波数に応じて光検出器１３０の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０、検波回路１７０及び第２変調周波数発生回路３１０と検波用変調回路１９０又は第１変調周波数発生回路３００を通る２つのフィードバックループにより、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、第１変調周波数と第２変調周波数は極めて安定した周波数になるので、第１変調信号や第２変調信号を原子発振器１００Ｃの出力信号（クロック出力）とすることができる。
【００８７】
図１０は、第２実施形態の原子発振器における照射光１及び照射光２の一例について説明するための図である。
【００８８】
図１０に示す照射光１と照射光２の関係は、図２（Ｂ）に示した照射光１と照射光２の関係と同じであるが、図３（Ｂ）や図４（Ｂ）に示した関係等、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致する（ただし、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の中心周波数ｆ２の周波数差はΔＥ１２に相当する周波数と一致しない）ような関係であればよい。
【００８９】
原子発振器１００Ｃによれば、図１０に示すように、周波数がｆｍ２ずつ異なる照射光１の各周波数成分を中心周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１に対して線対称にスイープさせるとともに、周波数がｆｍ２ずつ異なる照射光２の各周波数成分を中心周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１に対して線対称にスイープさせながら同期検波が行われ、２×（ｆｍ１−ｆｍ２）がΔＥ１２に相当する周波数と一致する状態で安定するようになる。
【００９０】
アルカリ金属原子がセシウム原子であればΔＥ１２に相当する周波数は９．１９２６３・・・ＧＨｚであるので、例えば、ｆｍ１＝４．６０６３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚで安定するように設計することができる。
【００９１】
この場合、第２変調周波数発生回路３１０は、例えば、検波回路１７０の出力信号の大きさに応じて水晶振動子の負荷容量を調整することにより発振周波数を変更可能な電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）によって実現することができる。また、第１変調周波数発生回路３００は、例えば、入力信号（第２変調信号）の周波数を（４．６０６３１５・・・ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）倍に逓倍するＰＬＬによって実現することができる。
【００９２】
図１１は、原子発振器１００Ｃにおける第１変調周波数発生回路３００の構成例を示す図である。
【００９３】
図１１に示すように、第１変調周波数発生回路３００は、分周器３０１、位相比較器３０２、ループフィルター３０３、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）３０４、分周器３０５を含むＰＬＬとして構成されている。
【００９４】
分周器３０１は、第２変調信号の周波数（第２変調周波数ｆｍ２）を１／Ｒ（Ｒはあらかじめ決められた整数値）にして出力する。
【００９５】
位相比較器３０２は、分周器３０１の出力信号と分周器３０５の出力信号の位相差を電圧に変換して出力する。
【００９６】
ループフィルター３０３は、位相比較器３０２の出力電圧に含まれる高周波成分を除去（正確には一定レベル以下に減衰）する。
【００９７】
電圧制御発振器（ＶＣＯ）３０４は、ループフィルター３０３の出力電圧に応じた周波数の信号を出力する。
【００９８】
分周器３０５は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３０４の出力周波数を１／Ｎ（Ｎはあらかじめ決められた整数値）にして出力する。
【００９９】
そして、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３０４の出力信号が第１変調信号（第１変調周波数ｆｍ１を有する）になる。
【０１００】
このような構成によれば、位相比較器３０２に入力される２つの信号の周波数が一致するように、すなわちｆｍ２／Ｒ＝ｆｍ１／Ｎとなるようにフィードバック制御がかかるので、ｆｍ１＝（Ｎ／Ｒ）×ｆｍ２となる第１変調信号が得られる。
【０１０１】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示したような照射光１と照射光２を発生させる場合は、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、例えば、ｆｍ１＝４．６０６３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚであればよいので、逓倍率Ｎ／Ｒが（４．６０６３１５・・・ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）になるようにＮ及びＲを決定すればよい。
【０１０２】
また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示したような照射光１と照射光２を発生させる場合は、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、例えば、ｆｍ１＝４．５８６３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚであればよいので、逓倍率Ｎ／Ｒが（４．５８６３１５・・・ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）になるようにＮ及びＲを決定すればよい。
【０１０３】
また、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示したような照射光１と照射光２を発生させる場合は、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、例えば、ｆｍ１＝４．６０１３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚであればよいので、逓倍率Ｎ／Ｒが（４．６０１３１５・・・ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）になるようにＮ及びＲを決定すればよい。
【０１０４】
以上に説明したように、第２実施形態の原子発振器では、第１実施形態と同様に、照射光１の所定の周波数成分（ｆ１＋ｊ×ｆｍ２）と照射光２の所定の周波数成分（ｆ２＋ｋ×ｆｍ２）の周波数差、すなわち、（２×ｆｍ１＋（ｊ−ｋ）×ｆｍ２）（ｊ，ｋは整数、かつ、ｊ≠ｋ）がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致するように制御がかかる。
【０１０５】
従って、第２実施形態によれば、第１変調周波数ｆｍ１又は第２変調周波数ｆｍ２が所望の周波数となるように、上記の条件を満たす第１変調周波数ｆｍ１と第２変調周波数ｆｍ２を選択すればよいので、従来の原子発振器と比較して設計の自由度が向上し、そのため比較的簡易な構成の原子発振器を提供することができる。
【０１０６】
また、第２実施形態において、第２変調周波数ｆｍ２をＭＨｚ帯の周波数に決定すれば、第２変調周波数発生回路３１０や検波用変調回路１９０をＭＨｚ帯の回路によって実現することができるので、高度な設計技術を要するマイクロ波回路の設計を大幅に省略することができる。
【０１０７】
（３）第３実施形態
図１２は、第３実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図３に示すように、第３実施形態の原子発振器１００Ｄは、第２変調周波数発生回路４１０に第１変調周波数発生回路２００による第１変調信号が入力されない点において図５に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａと異なる。また、第３実施形態の原子発振器１００Ｄには周波数変換回路２３０が追加されている。
【０１０８】
原子発振器１００Ｄにおいて、第２変調周波数発生回路４１０は、第１変調周波数発生回路２００により発生する第１変調信号から独立して第２変調周波数ｆｍ２を有する第２変調信号を発生させる。第２変調周波数発生回路４１０は、例えば、水晶振動子が周波数ｆｍ２で発振するように負荷容量が調整された水晶発振器（ＸＯ：Crystal Oscillator）によって実現することができる。
【０１０９】
そして、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、第１変調信号と第２変調信号により変調がかけられ、照射光１と照射光２を発生させる。
【０１１０】
周波数変換回路２３０は、第１変調信号を所望の周波数の信号に周波数変換する。周波数変換回路２３０は、例えば、ダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）によって実現することができる。
【０１１１】
図１２に示す原子発振器１００Ｄにおけるその他の構成は、図５に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【０１１２】
なお、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、原子セル２０、光検出手段３０に対応する。また、検波回路１４０、低周波発振器１５０、電流駆動回路１６０、検波回路１７０、低周波発振器１８０、検波用変調回路１９０、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路４１０で構成される回路は、図１の制御手段４０に対応する。また、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路４１０、周波数変換回路２３０は、それぞれ図１の第１の変調周波数発生手段４２、第２の変調周波数発生手段４４、周波数変換手段４６に対応する。
【０１１３】
このような構成の原子発振器１００Ｄによれば、第２変調周波数ｆｍ２が固定されているので、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすように第１変調周波数ｆｍ１が微調整され、第１変調周波数ｆｍ１が所望の周波数に変換されて出力される。従って、第３実施形態によれば、所望の周波数を得るために、第１変調周波数ｆｍ１、第２変調周波数ｆｍ２、周波数変換回路２３０の周波数変換率の組み合わせをある程度自由に選択できるので、設計の自由度を向上させることができる。
【０１１４】
また、例えば、照射光１と照射光２が図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示した関係にあり、アルカリ金属原子がセシウム原子である場合、第２変調信号の周波数（第２変調周波数ｆｍ２）が１０ＭＨｚに対して±１ｋＨｚ（±１００ｐｐｍ）の範囲で変動するなら、第１変調信号の周波数（第１変調周波数ｆｍ１）は４．６０６３１５・・・ＧＨｚに対して±１ｋＨｚ（±１ｐｐｍ未満）で変動する。従って、周波数変換回路２３０の周波数変換率を（１０ＭＨｚ／４．６０６３１５・・・ＧＨｚ）に設定すれば、１０ＭＨｚに対して±１ｐｐｍ未満の周波数精度の出力信号が得られる。すなわち、第２変調信号の周波数精度（±１００ｐｐｍ）に対して、その１００倍以上の周波数精度の出力信号が得られることになる。
【０１１５】
このように、第３実施形態の原子発振器によれば、アルカリ金属原子のＥＩＴ現象を利用することで出力信号の周波数精度を大幅に向上させることができる。
【０１１６】
また、第３実施形態の原子発振器において、第２変調周波数発生回路４１０を、例えば電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）によって実現すれば、第２変調周波数が変更可能になり、周波数変換回路２３０の出力信号は第２変調周波数に応じた周波数になる。すなわち、出力周波数が可変な原子発振器を実現することができる。
【０１１７】
なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１１８】
例えば、第１実施形態やその変形例の原子発振器では、第２変調周波数発生回路２１０は、ダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）によって実現しているが、ＰＬＬによって実現することもできる。
【０１１９】
また、例えば、第２実施形態の原子発振器では、第１変調周波数発生回路３００は、ＰＬＬによって実現しているが、逓倍機能付きのダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）によって実現することもできる。
【０１２０】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 原子発振器、１０ 光源、２０ 原子セル、３０ 光検出手段、４０ 制御手段、４２ 第１の変調周波数発生手段、４４ 第２の変調周波数発生手段、４６ 周波数変換手段、１００Ａ〜１００Ｄ 原子発振器、１１０ 半導体レーザー、１２０ 原子セル、１３０ 光検出器、１４０ 検波回路、１５０ 低周波発振器、１６０ 電流駆動回路、１７０ 検波回路、１８０ 低周波発振器、１９０ 検波用変調回路、２００ 第１変調周波数発生回路、２１０ 第２変調周波数発生回路、２１１ 周波数設定部、２１２ アドレス演算部、２１３ 波形メモリー、２１４ Ｄ／Ａ変換器、２１５ ローパスフィルター、２２０ 電気光学変調器（ＥＯＭ）、２３０ 周波数変換回路、３００ 第１変調周波数発生回路、３０１ 分周器、３０２ 位相比較器、３０３ ループフィルター、３０４ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）、３０５ 分周器、３１０ 第２変調周波数発生回路、４１０ 第２変調周波数発生回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原子発振器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁誘起透過（ＥＩＴ：Electromagnetically Induced Transparency）方式（ＣＰＴ（Coherent Population Trapping）方式と呼ばれることもある）による原子発振器は、アルカリ金属原子に波長（周波数）の異なる２つの共鳴光を同時に照射すると、２つの共鳴光の吸収が停止する現象を利用した発振器である。
【０００３】
アルカリ金属原子と２つの共鳴光との相互作用機構は、図１３（Ａ）に示すように、Λ型３準位系モデルで説明できることが知られている。アルカリ金属原子は２つの基底準位を有し、基底準位１と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ１）を有する共鳴光１、あるいは基底準位２と励起準位とのエネルギー差に相当する波長（周波数ｆ２）を有する共鳴光２を、それぞれ単独でアルカリ金属原子に照射すると、よく知られているように光吸収が起きる。ところが、図１３（Ｂ）に示すように、このアルカリ金属原子に、周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と正確に一致する共鳴光１と共鳴光２を同時に照射すると、２つの基底準位の重ね合わせ状態、即ち量子干渉状態になり、励起準位への励起が停止して共鳴光１と共鳴光２がアルカリ金属原子を透過する透明化現象（ＥＩＴ現象）が起きる。このＥＩＴ現象を利用し、共鳴光１と共鳴光２との周波数差ｆ１−ｆ２が基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数からずれた時の光吸収挙動の急峻な変化を検出し制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
【０００４】
図１４は、従来のＣＰＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図である。図１４に示すように、従来のＣＰＴ方式による原子発振器は、電流駆動回路により発生した周波数ｆ０（＝ｖ／λ０：ｖは光の速度、λ０はレーザー光の中心波長）の駆動電流を、基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数の１／２の変調周波数ｆｍ１で変調することにより、半導体レーザーに周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１の共鳴光１と周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１の共鳴光２を発生させ（図１３（Ｂ））、原子セルに含まれる気体状のアルカリ金属原子にＥＩＴ現象を起こさせる。この原子発振器は、原子セルを透過した光の検出量が最大になるように電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）の発振周波数を制御し、その発振周波数をＰＬＬ（Phase Locked Loop）により逓倍率Ｎ／Ｒ（Ｎ、Ｒはともに正の整数）で逓倍してΔＥ１２に相当する周波数の１／２の変調周波数ｆｍ１の信号を生成する。このような構成によれば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）は極めて安定に発振動作を継続するので、周波数安定度が極めて高い発振信号を発生させることができる。なお、ここで言う原子セルとは、気体状のアルカリ金属原子とこれを封入する容器とから構成されたものとして、以降説明をする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６３２０４７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の原子発振器では、ΔＥ１２に相当する周波数（例えば、セシウム原子であれば９．１９２６３・・・ＧＨｚ）の１／２の周波数と正確に一致する変調周波数ｆｍ１を直接又は高調波によって発生させるＰＬＬ等の発振器を特別に用意しなければならないため、設計の自由度が制限される。
【０００７】
また、変調周波数ｆｍ１がΔＥ１２に相当する周波数の１／２の周波数と正確に一致した状態で安定するので、従来の原子発振器では、ＰＬＬの逓倍率Ｎ／Ｒの精度によっては電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）を正確に所望の周波数（公称周波数）で発振させることができない場合がある。そのため、例えば、電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）の発振周波数が９．９９９ＭＨｚであれば、公称周波数の１０ＭＨｚを得るためだけに高精度の周波数変換回路が必要になり簡易な構成で実現できない場合もある（図１４参照）。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、設計の自由度を向上させることにより比較的簡易な構成の原子発振器を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明は、アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、中心周波数をｆ１として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第１の光と、中心周波数をｆ２として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第２の光と、を発生させる光源と、前記アルカリ金属原子を透過した前記第１の光及び前記第２の光を含む光の強度を検出する光検出手段と、前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記第１の光の所定の周波数成分と前記第２の光の所定の周波数成分の周波数差が前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する制御手段と、を含み、前記第１の光の中心周波数ｆ１と前記第２の光の中心周波数ｆ２の周波数差は、前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と異なる。
【００１０】
従来のＣＰＴ方式の原子発振器では、２つの共鳴光の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致するように制御がかかるのに対して、本発明の原子発振器では、第１の光の所定の周波数成分と第２の光の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御がかかる。すなわち、第１の光の所定の周波数成分と第２の光の所定の周波数成分が２つの共鳴光になるように制御がかかる（但し、第１の光の中心周波数ｆ１と第２の光の中心周波数ｆ２がともに共鳴光になることはない）。
【００１１】
要するに、本発明の原子発振器では、第１の光の中心周波数ｆ１以外の所定の周波数成分と第２の光の中心周波数ｆ２以外の所定の周波数成分の対、又は、第１の光の中心周波数ｆ１と第２の光の中心周波数ｆ２以外の所定の周波数成分の対、又は、第１の光の中心周波数ｆ１以外の所定の周波数成分と第２の光の中心周波数ｆ２の対のいずれかが共鳴対になるように設計すればよい。
【００１２】
従って、本発明によれば、従来の原子発振器と比較して設計の自由度が向上し、そのため比較的簡易な構成の原子発振器を提供することができる。
【００１３】
（２）この原子発振器において、前記制御手段は、前記光検出手段の検出結果に基づいて、第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させる第１の変調周波数発生手段と、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させる第２の変調周波数発生手段と、を含み、前記光源は、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる前記第１の光及び前記第２の光を発生させるようにしてもよい。
【００１４】
本発明の原子発振器では、第１の光の所定の周波数成分（ｆ１＋ｊ×Δｆ）と第２の光の所定の周波数成分（ｆ２＋ｋ×Δｆ）の周波数差、すなわち、（２×ｆｍ１＋（ｊ−ｋ）×ｆｍ２）（ｊ，ｋは整数、かつ、ｊ≠ｋ）がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致すればよい。
【００１５】
従って、本発明によれば、直接又は簡単な分周器等を用いて所望の周波数が得られるように、上記の条件を満たす第１の変調周波数ｆｍ１と第２の変調周波数ｆｍ２を選択すれば、比較的簡易な構成の原子発振器を実現することができる。
【００１６】
（３）この原子発振器において、前記第２の変調周波数発生手段は、前記第１の信号を周波数変換して前記第２の信号を発生させるようにしてもよい。
【００１７】
（４）この原子発振器において、前記第２の変調周波数発生手段は、前記第１の信号から独立して前記第２の変調周波数ｆｍ２で発振するようにしてもよい。
【００１８】
（５）この原子発振器は、前記第１の信号を周波数変換して所定の周波数の信号を発生させる周波数変換手段を含むようにしてもよい。
【００１９】
（６）この原子発振器において、前記制御手段は、前記光検出手段の検出結果に基づいて、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させる第２の変調周波数発生手段と、前記第２の信号を周波数変換して第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させる第１の変調周波数発生手段と、を含み、前記光源は、前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる前記第１の光及び前記第２の光を発生させるようにしてもよい。
【００２０】
本発明の原子発振器では、第１の光の所定の周波数成分（ｆ１＋ｊ×Δｆ）と第２の光の所定の周波数成分（ｆ２＋ｋ×Δｆ）の周波数差、すなわち、（２×ｆｍ１＋（ｊ−ｋ）×ｆｍ２）（ｊ，ｋは整数、かつ、ｊ≠ｋ）がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致すればよい。
【００２１】
従って、本発明によれば、直接又は簡単な分周器等を用いて所望の周波数が得られるように、上記の条件を満たす第１の変調周波数ｆｍ１と第２の変調周波数ｆｍ２を選択すれば、比較的簡易な構成の原子発振器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の原子発振器の機能ブロック図。
【図２】図２（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと照射光１及び照射光２の関係の第１の例を示す図であり、図２（Ｂ）は照射光１及び照射光２の周波数スペクトラムの第１の例を示す図。
【図３】図３（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと照射光１及び照射光２の関係の第２の例を示す図であり、図３（Ｂ）は照射光１及び照射光２の周波数スペクトラムの第２の例を示す図。
【図４】図４（Ａ）はアルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと照射光１及び照射光２の関係の第３の例を示す図であり、図４（Ｂ）は照射光１及び照射光２の周波数スペクトラムの第３の例を示す図。
【図５】第１実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図６】第１実施形態の原子発振器における照射光１及び照射光２の一例について説明するための図。
【図７】第１実施形態の原子発振器における第２変調周波数発生回路構成例を示す図。
【図８】第１実施形態の原子発振器の変形例の構成を示す図。
【図９】第２実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１０】第２実施形態の原子発振器における照射光１及び照射光２の一例について説明するための図。
【図１１】第２実施形態の原子発振器における第１変調周波数発生回路の構成例を示す図。
【図１２】第３実施形態の原子発振器の構成を示す図。
【図１３】図１３（Ａ）はアルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図であり、図１３（Ｂ）は２つの共鳴光の周波数スペクトラムを示す図。
【図１４】従来のＣＰＴ方式による原子発振器の一般的な構成の概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００２４】
図１は、本実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。
【００２５】
本実施形態の原子発振器１は、光源１０、原子セル２０、光検出手段３０及び制御手段４０を含んで構成されている。
【００２６】
光源１０は、中心周波数をｆ１として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第１の光と、中心周波数をｆ２として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第２の光と、を発生させる。
【００２７】
原子セル２０には気体状のアルカリ金属原子が含まれており、光源１０により、第１の光と第２の光が照射される。以下、第１の光及び第２の光をそれぞれ「照射光１」及び「照射光２」ということにする。
【００２８】
光検出手段３０は、アルカリ金属原子を透過した照射光１及び照射光２を含む光の強度を検出する。
【００２９】
制御手段４０は、光検出手段３０の検出結果に基づいて、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する。ただし、本実施形態では、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の中心周波数ｆ２の周波数差は、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致しない。
【００３０】
すなわち、制御手段４０は、照射光１の中心周波数ｆ１以外の所定の周波数成分と照射光２の中心周波数ｆ２以外の所定の周波数成分の対、又は、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の中心周波数ｆ２以外の所定の周波数成分の対、又は、照射光１の中心周波数ｆ１以外の所定の周波数成分と照射光２の中心周波数ｆ２の対のいずれかを共鳴光対として、その周波数がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致するように制御する。
【００３１】
このような制御手段４０は、図１に示すように、第１の変調周波数発生手段４２と、第２の変調周波数発生手段４４と、を含んで構成することができる。
【００３２】
例えば、第１の変調周波数発生手段４２が、光検出手段３０の検出結果に基づいて、第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させ、第２の変調周波数発生手段４４が、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させるように構成してもよい。ここで、第２の変調周波数発生手段４４は、第１の変調周波数発生手段４２により発生する第１の信号を周波数変換して第２の信号を発生させるようにしてもよいし、第１の信号から独立して第２の変調周波数ｆｍ２で発振するように構成してもよい。後者の場合、制御手段４０は、さらに、第１の信号を周波数変換して所定の周波数の信号を発生させる周波数変換手段４６を含むようにしてもよい。
【００３３】
また、例えば、第２の変調周波数発生手段４４が、光検出手段３０の検出結果に基づいて、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させ、第１の変調周波数発生手段４２が、第２の変調周波数発生手段４４により発生する第２の信号を周波数変換して第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させるように構成してもよい。
【００３４】
そして、いずれの場合も、光源１０は、第１の変調周波数発生手段４２により発生する第１の信号及び第２の変調周波数発生手段４４により発生する第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる照射光１及び照射光２を発生させるようにすればよい。
【００３５】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、本実施形態の原子発振器において発生する照射光１及び照射光２の第１、第２、第３の例についてそれぞれ説明するための図である。図２（Ａ）、図３（Ａ）及び図４（Ａ）は、アルカリ金属原子のΛ型３準位モデルと照射光１及び照射光２の関係を示す図であり、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）、図４（Ｂ）は、照射光１及び照射光２の周波数スペクトラムを示す図である。
【００３６】
図２（Ｂ）、図３（Ｂ）及び図４（Ｂ）に示すように、第１、第２、第３の例ともに、周波数ｆ０（＝ｖ／λ０）に対して、上側サイドバンドに周波数がｆｍ２ずつ異なる複数の周波数成分を有する照射光１と、下側サイドバンドに周波数がｆｍ２ずつ異なる複数の周波数成分を有する照射光２が存在する。照射光１の中心周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１であり、照射光２の中心周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１である。
【００３７】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、第１の例では、照射光１の周波数成分ｆ１−ｆｍ２と照射光２の周波数成分ｆ２＋ｆｍ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。従って、アルカリ金属原子は、照射光１の周波数成分ｆ１−ｆｍ２と照射光２の周波数成分ｆ２＋ｆｍ２を共鳴光対としてＥＩＴ現象を起こす。
【００３８】
図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、第２の例では、照射光１の周波数成分ｆ１＋ｆｍ２と照射光２の周波数成分ｆ２−ｆｍ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。従って、アルカリ金属原子は、照射光１の周波数成分ｆ１＋ｆｍ２と照射光２の周波数成分ｆ２−ｆｍ２を共鳴光対としてＥＩＴ現象を起こす。
【００３９】
図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すように、第３の例では、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の周波数成分ｆ２＋ｆｍ２との周波数差が、アルカリ金属原子の基底準位１と基底準位２のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致している。従って、アルカリ金属原子は、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の周波数成分ｆ２＋ｆｍ２を共鳴光対としてＥＩＴ現象を起こす。
【００４０】
以下、本実施形態の原子発振器のより具体的な構成について説明する。
【００４１】
（１）第１実施形態
図５は、第１実施形態の原子発振器の構成を示す図である。
【００４２】
図５に示すように、第１実施形態の原子発振器１００Ａは、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、低周波発振器１５０、電流駆動回路１６０、検波回路１７０、低周波発振器１８０、検波用変調回路１９０、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路２１０を含んで構成されている。
【００４３】
原子セル１２０は、容器中に気体状のアルカリ金属原子（ナトリウム（Ｎａ）原子、ルビジウム（Ｒｂ）原子、セシウム（Ｃｓ）原子等）が封入されたものである。
【００４４】
この原子セル１２０に対して、アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数を有する共鳴光対が同時に照射されると、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こす。例えば、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、Ｄ１線における基底準位１と基底準位２のエネルギー差に相当する周波数が９．１９２６３・・・ＧＨｚなので、周波数差が９．１９２６３・・・ＧＨｚの共鳴光対が同時に照射されるとＥＩＴ現象を起こす。
【００４５】
半導体レーザー１１０は、原子セル１２０に含まれるアルカリ金属原子に照射光１と照射光２を含むレーザー光を照射する。具体的には、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、電流駆動回路１６０が出力する駆動電流によって中心周波数ｆ０（中心波長λ０）が制御され、第１変調周波数発生回路２００の出力信号（以下、「第１変調信号」という）及び第２変調周波数発生回路２１０の出力信号（以下、「第２変調信号」という）によって変調がかけられる。すなわち、電流駆動回路１６０による駆動電流に、第１変調信号の周波数成分と第２変調信号の周波数成分を有する交流電流を重畳することにより、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光に変調をかけることができる。
【００４６】
なお、半導体レーザー１１０は、端面発光レーザー（Edge Emitting Laser）であってもよいし、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）等の面発光レーザーであってもよい。
【００４７】
光検出器１３０は、原子セル１２０を透過した光を検出し、検出した光の量に応じた信号強度の信号を出力する。光検出器１３０の出力信号は検波回路１４０及び検波回路１７０に入力される。
【００４８】
検波回路１４０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器１５０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。
【００４９】
電流駆動回路１６０は、検波回路１４０の出力信号に応じた大きさの駆動電流を発生して半導体レーザー１１０に供給し、レーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）を制御する。なお、検波回路１４０による同期検波を可能とするために、電流駆動回路１６０により発生する駆動電流には低周波発振器１５０の発振信号（検波回路１４０に供給される発振信号と同じ）が重畳される。
【００５０】
半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０、検波回路１４０、電流駆動回路１６０を通るフィードバックループによりレーザー光の中心周波数ｆ０（中心波長λ０）が微調整されて安定する。
【００５１】
検波回路１７０は、数Ｈｚ〜数百Ｈｚ程度の低い周波数で発振する低周波発振器１８０の発振信号を用いて光検出器１３０の出力信号を同期検波する。
【００５２】
第１変調周波数発生回路２００は、検波回路１７０の出力信号の電圧に応じた第１変調周波数ｆｍ１を有する第１変調信号を発生させる。
【００５３】
この第１変調信号は低周波発振器１８０の発振信号（検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）で変調がかけられ、半導体レーザー１１０に供給される。これにより、第１変調周波数ｆｍ１をわずかにスイープさせながら検波回路１７０による同期検波が行われ、光検出器１３０の出力信号が最大になるように第１変調周波数ｆｍ１が微調整される。
【００５４】
第１変調信号は第２変調周波数発生回路２１０にも供給され、第２変調周波数発生回路２１０は、第１変調信号を第２変調周波数ｆｍ２を有する第２変調信号に周波数変換する。
【００５５】
そして、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、第１変調信号と第２変調信号により変調がかけられ、照射光１と照射光２を発生させる。
【００５６】
なお、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、原子セル２０、光検出手段３０に対応する。また、検波回路１４０、低周波発振器１５０、電流駆動回路１６０、検波回路１７０、低周波発振器１８０、検波用変調回路１９０、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路２１０で構成される回路は、図１の制御手段４０に対応する。また、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路２１０は、それぞれ図１の第１の変調周波数発生手段４２、第２の変調周波数発生手段４４に対応する。
【００５７】
このような構成の原子発振器１００Ａにおいて、半導体レーザー１１０が出射する照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差が原子セル１２０に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、照射光１と照射光２の周波数に応じて光検出器１３０の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０、検波回路１７０及び第１変調周波数発生回路２００と検波用変調回路１９０又は第２変調周波数発生回路２１０を通る２つのフィードバックループにより、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、第１変調周波数と第２変調周波数は極めて安定した周波数になるので、第１変調信号や第２変調信号を原子発振器１００Ａの出力信号（クロック出力）とすることができる。
【００５８】
図６は、第１実施形態の原子発振器における照射光１及び照射光２の一例について説明するための図である。
【００５９】
図６に示す照射光１と照射光２の関係は、図２（Ｂ）に示した照射光１と照射光２の関係と同じであるが、図３（Ｂ）や図４（Ｂ）に示した関係等、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致する（ただし、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の中心周波数ｆ２の周波数差はΔＥ１２に相当する周波数と一致しない）ような関係であればよい。
【００６０】
原子発振器１００Ａによれば、図６に示すように、レーザー光の中心周波数ｆ０（＝ｖ／λ０）に対して、中心周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１であり周波数がｆｍ２ずつ異なる照射光１の全体と、中心周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１であり周波数がｆｍ２ずつ異なる照射光２の全体を線対称にスイープさせながら同期検波が行われ、２×（ｆｍ１−ｆｍ２）がΔＥ１２に相当する周波数と一致する状態で安定するようになる。
【００６１】
アルカリ金属原子がセシウム原子であればΔＥ１２に相当する周波数は９．１９２６３・・・ＧＨｚであるので、例えば、ｆｍ１＝４．６０６３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚで安定するように設計することができる。
【００６２】
この場合、第１変調周波数発生回路２００は、例えば、検波回路１７０の出力信号の大きさに応じてインダクタンス（Ｌ）やキャパシタンス（Ｃ）を調整することにより４．６ＧＨｚ近傍で共振周波数を変更可能なＬＣ共振器によって実現することができる。また、第２変調周波数発生回路２１０は、例えば、入力信号（第１変調信号）の周波数を（１０ＭＨｚ／４．６０６３１５・・・ＧＨｚ）倍にダウンコンバートして出力するダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ：Direct Digital Synthesizer）によって実現することができる。
【００６３】
図７は、原子発振器１００Ａにおける第２変調周波数発生回路２１０の構成例を示す図である。
【００６４】
図７に示すように、第２変調周波数発生回路２１０は、周波数設定部２１１、アドレス演算部２１２、波形メモリー２１３、Ｄ／Ａ変換器２１４、ローパスフィルター２１５を含むダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）として構成されている。
【００６５】
周波数設定部２１１は、あらかじめ設定された周波数データ（周波数変換率を決定するためのデータ）に基づいて加算値データを生成する。先の例の場合、周波数変換率は（１０ＭＨｚ／４．６０６３１５・・・ＧＨｚ）である。
【００６６】
アドレス演算部２１２は、周波数設定部２１１が生成する加算値データを第１変調信号に同期して順次加算することにより位相角データを計算する。具体的には、アドレス演算部２１２は、前回の位相角データに加算値データを加算して今回の位相角データを計算し、位相角データに相当するアドレスを生成する。アドレス演算部２１２は、加算値データの加算処理を繰り返すｐビットのアキュムレーターにより実現することができ、アキュムレーターの出力がアドレスになる。
【００６７】
波形メモリー２１３には、波形パターン（例えば正弦波）の位相角と振幅値の対応関係が記憶されている。具体的には、波形メモリー２１３には１周期分の波形パターンを一定の時間間隔（１周期／２ｐ）でサンプリングした２ｐ個の点の振幅値データ（デジタルデータ）がアドレス順に記憶されており、アドレス演算部が生成するアドレスで指定される領域に記憶されている振幅値データが波形メモリー２１３から出力される。
【００６８】
Ｄ／Ａ変換器２１４は、波形メモリー２１３が出力する振幅値データをＤ／Ａ変換する。Ｄ／Ａ変換器２１４の出力信号は第１変調信号の周期毎に階段状に変化する波形であるため、ローパスフィルター２１５で平滑化されて第２変調信号が生成される。
【００６９】
以上の構成により、第２変調周波数発生回路２１０（ＤＤＳ）は、周波数設定部２１１が生成する加算値データＭに対して、第１変調周波数のＭ／２ｐ倍の周波数を有する第２変調信号を出力する。従って、ｐを十分大きくすれば、第１変調周波数をほぼ正確に（１０ＭＨｚ／４．６０６３１５・・・ＧＨｚ）倍することができるので、極めて高い周波数精度の１０ＭＨｚを有する第２変調信号を生成することができる。
【００７０】
以上に説明したように、第１実施形態の原子発振器では、照射光１の所定の周波数成分（ｆ１＋ｊ×ｆｍ２）と照射光２の所定の周波数成分（ｆ２＋ｋ×ｆｍ２）の周波数差、すなわち、（２×ｆｍ１＋（ｊ−ｋ）×ｆｍ２）（ｊ，ｋは整数、かつ、ｊ≠ｋ）がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致するように制御がかかる。
【００７１】
従って、第１実施形態によれば、第１変調周波数ｆｍ１又は第２変調周波数ｆｍ２が所望の周波数となるように、上記の条件を満たす第１変調周波数ｆｍ１と第２変調周波数ｆｍ２を選択すればよいので、従来の原子発振器と比較して設計の自由度が向上し、そのため比較的簡易な構成の原子発振器を提供することができる。
【００７２】
［変形例］
図８は、第１実施形態の原子発振器の変形例の構成を示す図である。図８に示すように、変形例の原子発振器１００Ｂは、図５に示した原子発振器１００Ａに対して、電気光学変調器（ＥＯＭ：Electro-Optic Modulator）２２０が追加されている。
【００７３】
図８に示すように、原子発振器１００Ｂでは、半導体レーザー１１０は、第１変調周波数ｆｍ１を有する第１変調信号や第２変調周波数ｆｍ２を有する第２変調信号による変調がかけられず、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０に対して周波数ｆ０のレーザー光を出射する。
【００７４】
そして、検波用変調回路１９０により変調がかけられた第１変調信号は、第２変調信号とともに電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０に入力される。
【００７５】
電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０は、周波数ｆ０のレーザー光に対して第１変調信号と第２変調信号で変調をかける。その結果、電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０を透過して原子セル１２０に照射される光には、図５に示した原子発振器１００Ａと同様、ｆ０を中心とする上側サイドバンドと下側サイドバンドに、中心周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１であり周波数がｆｍ２ずつ異なる複数の周波数成分を有する照射光１と、中心周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１であり周波数がｆｍ２ずつ異なる複数の周波数成分を有する照射光２がそれぞれ発生する。
【００７６】
図８に示す原子発振器１００Ｂにおけるその他の構成は、図５に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００７７】
なお、半導体レーザー１１０と電気光学変調器（ＥＯＭ）２２０による構成が図１の光源１０に対応する。その他の対応関係は、図５に示した原子発振器１００Ａと同じである。
【００７８】
このような構成によっても、図５に示した原子発振器Ａと同様の機能及び効果を有する原子発振器を実現することができる。
【００７９】
（２）第２実施形態
図９は、第２実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図９に示すように、第２実施形態の原子発振器１００Ｃは、第１変調周波数発生回路３００と第２変調周波数発生回路３１０の接続関係が、図５に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａにおける第１変調周波数発生回路２００と第２変調周波数発生回路２１０の接続関係と逆になっている。
【００８０】
原子発振器１００Ｃにおいて、第２変調周波数発生回路３１０は、検波回路１７０の出力信号の電圧に応じた第２変調周波数ｆｍ２を有する第２変調信号を発生させる。
【００８１】
この第２変調信号は低周波発振器１８０の発振信号（検波回路１７０に供給される発振信号と同じ）で変調がかけられ、半導体レーザー１１０に供給される。これにより、第２変調周波数ｆｍ２をわずかにスイープさせながら検波回路１７０による同期検波が行われ、光検出器１３０の出力信号が最大になるように第２変調周波数ｆｍ２が微調整される。
【００８２】
第２変調信号は第１変調周波数発生回路３００にも供給され、第１変調周波数発生回路３００は、第２変調信号を第１変調周波数ｆｍ１を有する第１変調信号に周波数変換する。
【００８３】
そして、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、第１変調信号と第２変調信号により変調がかけられ、照射光１と照射光２を発生させる。
【００８４】
図９に示す原子発振器１００Ｃにおけるその他の構成は、図５に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【００８５】
なお、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、原子セル２０、光検出手段３０に対応する。また、検波回路１４０、低周波発振器１５０、電流駆動回路１６０、検波回路１７０、低周波発振器１８０、検波用変調回路１９０、第１変調周波数発生回路３００、第２変調周波数発生回路３１０で構成される回路は、図１の制御手段４０に対応する。また、第１変調周波数発生回路３００、第２変調周波数発生回路３１０は、それぞれ図１の第１の変調周波数発生手段４２、第２の変調周波数発生手段４４に対応する。
【００８６】
このような構成の原子発振器１００Ｃにおいて、半導体レーザー１１０が出射する照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差が原子セル１２０に含まれるアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と正確に一致しなければ、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こさないため、照射光１と照射光２の周波数に応じて光検出器１３０の検出量は極めて敏感に変化する。そのため、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０、検波回路１７０及び第２変調周波数発生回路３１０と検波用変調回路１９０又は第１変調周波数発生回路３００を通る２つのフィードバックループにより、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と極めて正確に一致するようにフィードバック制御がかかる。その結果、第１変調周波数と第２変調周波数は極めて安定した周波数になるので、第１変調信号や第２変調信号を原子発振器１００Ｃの出力信号（クロック出力）とすることができる。
【００８７】
図１０は、第２実施形態の原子発振器における照射光１及び照射光２の一例について説明するための図である。
【００８８】
図１０に示す照射光１と照射光２の関係は、図２（Ｂ）に示した照射光１と照射光２の関係と同じであるが、図３（Ｂ）や図４（Ｂ）に示した関係等、照射光１の所定の周波数成分と照射光２の所定の周波数成分の周波数差がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差ΔＥ１２に相当する周波数と一致する（ただし、照射光１の中心周波数ｆ１と照射光２の中心周波数ｆ２の周波数差はΔＥ１２に相当する周波数と一致しない）ような関係であればよい。
【００８９】
原子発振器１００Ｃによれば、図１０に示すように、周波数がｆｍ２ずつ異なる照射光１の各周波数成分を中心周波数ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１に対して線対称にスイープさせるとともに、周波数がｆｍ２ずつ異なる照射光２の各周波数成分を中心周波数ｆ２＝ｆ０−ｆｍ１に対して線対称にスイープさせながら同期検波が行われ、２×（ｆｍ１−ｆｍ２）がΔＥ１２に相当する周波数と一致する状態で安定するようになる。
【００９０】
アルカリ金属原子がセシウム原子であればΔＥ１２に相当する周波数は９．１９２６３・・・ＧＨｚであるので、例えば、ｆｍ１＝４．６０６３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚで安定するように設計することができる。
【００９１】
この場合、第２変調周波数発生回路３１０は、例えば、検波回路１７０の出力信号の大きさに応じて水晶振動子の負荷容量を調整することにより発振周波数を変更可能な電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ：Voltage Controlled Crystal Oscillator）によって実現することができる。また、第１変調周波数発生回路３００は、例えば、入力信号（第２変調信号）の周波数を（４．６０６３１５・・・ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）倍に逓倍するＰＬＬによって実現することができる。
【００９２】
図１１は、原子発振器１００Ｃにおける第１変調周波数発生回路３００の構成例を示す図である。
【００９３】
図１１に示すように、第１変調周波数発生回路３００は、分周器３０１、位相比較器３０２、ループフィルター３０３、電圧制御発振器（ＶＣＯ：Voltage Controlled Oscillator）３０４、分周器３０５を含むＰＬＬとして構成されている。
【００９４】
分周器３０１は、第２変調信号の周波数（第２変調周波数ｆｍ２）を１／Ｒ（Ｒはあらかじめ決められた整数値）にして出力する。
【００９５】
位相比較器３０２は、分周器３０１の出力信号と分周器３０５の出力信号の位相差を電圧に変換して出力する。
【００９６】
ループフィルター３０３は、位相比較器３０２の出力電圧に含まれる高周波成分を除去（正確には一定レベル以下に減衰）する。
【００９７】
電圧制御発振器（ＶＣＯ）３０４は、ループフィルター３０３の出力電圧に応じた周波数の信号を出力する。
【００９８】
分周器３０５は、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３０４の出力周波数を１／Ｎ（Ｎはあらかじめ決められた整数値）にして出力する。
【００９９】
そして、電圧制御発振器（ＶＣＯ）３０４の出力信号が第１変調信号（第１変調周波数ｆｍ１を有する）になる。
【０１００】
このような構成によれば、位相比較器３０２に入力される２つの信号の周波数が一致するように、すなわちｆｍ２／Ｒ＝ｆｍ１／Ｎとなるようにフィードバック制御がかかるので、ｆｍ１＝（Ｎ／Ｒ）×ｆｍ２となる第１変調信号が得られる。
【０１０１】
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示したような照射光１と照射光２を発生させる場合は、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、例えば、ｆｍ１＝４．６０６３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚであればよいので、逓倍率Ｎ／Ｒが（４．６０６３１５・・・ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）になるようにＮ及びＲを決定すればよい。
【０１０２】
また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示したような照射光１と照射光２を発生させる場合は、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、例えば、ｆｍ１＝４．５８６３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚであればよいので、逓倍率Ｎ／Ｒが（４．５８６３１５・・・ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）になるようにＮ及びＲを決定すればよい。
【０１０３】
また、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示したような照射光１と照射光２を発生させる場合は、アルカリ金属原子がセシウム原子であれば、例えば、ｆｍ１＝４．６０１３１５・・・ＧＨｚ、ｆｍ２＝１０ＭＨｚであればよいので、逓倍率Ｎ／Ｒが（４．６０１３１５・・・ＧＨｚ／１０ＭＨｚ）になるようにＮ及びＲを決定すればよい。
【０１０４】
以上に説明したように、第２実施形態の原子発振器では、第１実施形態と同様に、照射光１の所定の周波数成分（ｆ１＋ｊ×ｆｍ２）と照射光２の所定の周波数成分（ｆ２＋ｋ×ｆｍ２）の周波数差、すなわち、（２×ｆｍ１＋（ｊ−ｋ）×ｆｍ２）（ｊ，ｋは整数、かつ、ｊ≠ｋ）がアルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と一致するように制御がかかる。
【０１０５】
従って、第２実施形態によれば、第１変調周波数ｆｍ１又は第２変調周波数ｆｍ２が所望の周波数となるように、上記の条件を満たす第１変調周波数ｆｍ１と第２変調周波数ｆｍ２を選択すればよいので、従来の原子発振器と比較して設計の自由度が向上し、そのため比較的簡易な構成の原子発振器を提供することができる。
【０１０６】
また、第２実施形態において、第２変調周波数ｆｍ２をＭＨｚ帯の周波数に決定すれば、第２変調周波数発生回路３１０や検波用変調回路１９０をＭＨｚ帯の回路によって実現することができるので、高度な設計技術を要するマイクロ波回路の設計を大幅に省略することができる。
【０１０７】
（３）第３実施形態
図１２は、第３実施形態の原子発振器の構成を示す図である。図３に示すように、第３実施形態の原子発振器１００Ｄは、第２変調周波数発生回路４１０に第１変調周波数発生回路２００による第１変調信号が入力されない点において図５に示した第１実施形態の原子発振器１００Ａと異なる。また、第３実施形態の原子発振器１００Ｄには周波数変換回路２３０が追加されている。
【０１０８】
原子発振器１００Ｄにおいて、第２変調周波数発生回路４１０は、第１変調周波数発生回路２００により発生する第１変調信号から独立して第２変調周波数ｆｍ２を有する第２変調信号を発生させる。第２変調周波数発生回路４１０は、例えば、水晶振動子が周波数ｆｍ２で発振するように負荷容量が調整された水晶発振器（ＸＯ：Crystal Oscillator）によって実現することができる。
【０１０９】
そして、半導体レーザー１１０が出射するレーザー光は、第１変調信号と第２変調信号により変調がかけられ、照射光１と照射光２を発生させる。
【０１１０】
周波数変換回路２３０は、第１変調信号を所望の周波数の信号に周波数変換する。周波数変換回路２３０は、例えば、ダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）によって実現することができる。
【０１１１】
図１２に示す原子発振器１００Ｄにおけるその他の構成は、図５に示した原子発振器１００Ａと同じであるため同じ番号を付しており、その説明を省略する。
【０１１２】
なお、半導体レーザー１１０、原子セル１２０、光検出器１３０は、それぞれ図１の光源１０、原子セル２０、光検出手段３０に対応する。また、検波回路１４０、低周波発振器１５０、電流駆動回路１６０、検波回路１７０、低周波発振器１８０、検波用変調回路１９０、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路４１０で構成される回路は、図１の制御手段４０に対応する。また、第１変調周波数発生回路２００、第２変調周波数発生回路４１０、周波数変換回路２３０は、それぞれ図１の第１の変調周波数発生手段４２、第２の変調周波数発生手段４４、周波数変換手段４６に対応する。
【０１１３】
このような構成の原子発振器１００Ｄによれば、第２変調周波数ｆｍ２が固定されているので、アルカリ金属原子がＥＩＴ現象を起こすように第１変調周波数ｆｍ１が微調整され、第１変調周波数ｆｍ１が所望の周波数に変換されて出力される。従って、第３実施形態によれば、所望の周波数を得るために、第１変調周波数ｆｍ１、第２変調周波数ｆｍ２、周波数変換回路２３０の周波数変換率の組み合わせをある程度自由に選択できるので、設計の自由度を向上させることができる。
【０１１４】
また、例えば、照射光１と照射光２が図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示した関係にあり、アルカリ金属原子がセシウム原子である場合、第２変調信号の周波数（第２変調周波数ｆｍ２）が１０ＭＨｚに対して±１ｋＨｚ（±１００ｐｐｍ）の範囲で変動するなら、第１変調信号の周波数（第１変調周波数ｆｍ１）は４．６０６３１５・・・ＧＨｚに対して±１ｋＨｚ（±１ｐｐｍ未満）で変動する。従って、周波数変換回路２３０の周波数変換率を（１０ＭＨｚ／４．６０６３１５・・・ＧＨｚ）に設定すれば、１０ＭＨｚに対して±１ｐｐｍ未満の周波数精度の出力信号が得られる。すなわち、第２変調信号の周波数精度（±１００ｐｐｍ）に対して、その１００倍以上の周波数精度の出力信号が得られることになる。
【０１１５】
このように、第３実施形態の原子発振器によれば、アルカリ金属原子のＥＩＴ現象を利用することで出力信号の周波数精度を大幅に向上させることができる。
【０１１６】
また、第３実施形態の原子発振器において、第２変調周波数発生回路４１０を、例えば電圧制御水晶発振器（ＶＣＸＯ）によって実現すれば、第２変調周波数が変更可能になり、周波数変換回路２３０の出力信号は第２変調周波数に応じた周波数になる。すなわち、出力周波数が可変な原子発振器を実現することができる。
【０１１７】
なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１１８】
例えば、第１実施形態やその変形例の原子発振器では、第２変調周波数発生回路２１０は、ダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）によって実現しているが、ＰＬＬによって実現することもできる。
【０１１９】
また、例えば、第２実施形態の原子発振器では、第１変調周波数発生回路３００は、ＰＬＬによって実現しているが、逓倍機能付きのダイレクトディジタルシンセサイザー（ＤＤＳ）によって実現することもできる。
【０１２０】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 原子発振器、１０ 光源、２０ 原子セル、３０ 光検出手段、４０ 制御手段、４２ 第１の変調周波数発生手段、４４ 第２の変調周波数発生手段、４６ 周波数変換手段、１００Ａ〜１００Ｄ 原子発振器、１１０ 半導体レーザー、１２０ 原子セル、１３０ 光検出器、１４０ 検波回路、１５０ 低周波発振器、１６０ 電流駆動回路、１７０ 検波回路、１８０ 低周波発振器、１９０ 検波用変調回路、２００ 第１変調周波数発生回路、２１０ 第２変調周波数発生回路、２１１ 周波数設定部、２１２ アドレス演算部、２１３ 波形メモリー、２１４ Ｄ／Ａ変換器、２１５ ローパスフィルター、２２０ 電気光学変調器（ＥＯＭ）、２３０ 周波数変換回路、３００ 第１変調周波数発生回路、３０１ 分周器、３０２ 位相比較器、３０３ ループフィルター、３０４ 電圧制御発振器（ＶＣＯ）、３０５ 分周器、３１０ 第２変調周波数発生回路、４１０ 第２変調周波数発生回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、
中心周波数をｆ１として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第１の光と、中心周波数をｆ２として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第２の光と、を発生させる光源と、
前記アルカリ金属原子を透過した前記第１の光及び前記第２の光を含む光の強度を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記第１の光の所定の周波数成分と前記第２の光の所定の周波数成分の周波数差が前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する制御手段と、を含み、
前記第１の光の中心周波数ｆ１と前記第２の光の中心周波数ｆ２の周波数差は、前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と異なる、原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御手段は、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させる第１の変調周波数発生手段と、
第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させる第２の変調周波数発生手段と、を含み、
前記光源は、
前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる前記第１の光及び前記第２の光を発生させる、原子発振器。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の変調周波数発生手段は、
前記第１の信号を周波数変換して前記第２の信号を発生させる、原子発振器。
【請求項４】
請求項２において、
前記第２の変調周波数発生手段は、
前記第１の信号から独立して前記第２の変調周波数ｆｍ２で発振する、原子発振器。
【請求項５】
請求項４において、
前記第１の信号を周波数変換して所定の周波数の信号を発生させる周波数変換手段を含む、原子発振器。
【請求項６】
請求項１において、
前記制御手段は、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させる第２の変調周波数発生手段と、
前記第２の信号を周波数変換して第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させる第１の変調周波数発生手段と、を含み、
前記光源は、
前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる前記第１の光及び前記第２の光を発生させる、原子発振器。
【請求項１】
アルカリ金属原子に共鳴光対を照射することにより生じる電磁誘起透過現象を利用する原子発振器であって、
中心周波数をｆ１として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第１の光と、中心周波数をｆ２として周波数がΔｆずつ異なる複数の周波数成分を有する第２の光と、を発生させる光源と、
前記アルカリ金属原子を透過した前記第１の光及び前記第２の光を含む光の強度を検出する光検出手段と、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記第１の光の所定の周波数成分と前記第２の光の所定の周波数成分の周波数差が前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数に等しくなるように制御する制御手段と、を含み、
前記第１の光の中心周波数ｆ１と前記第２の光の中心周波数ｆ２の周波数差は、前記アルカリ金属原子の２つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数と異なる、原子発振器。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御手段は、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させる第１の変調周波数発生手段と、
第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させる第２の変調周波数発生手段と、を含み、
前記光源は、
前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる前記第１の光及び前記第２の光を発生させる、原子発振器。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２の変調周波数発生手段は、
前記第１の信号を周波数変換して前記第２の信号を発生させる、原子発振器。
【請求項４】
請求項２において、
前記第２の変調周波数発生手段は、
前記第１の信号から独立して前記第２の変調周波数ｆｍ２で発振する、原子発振器。
【請求項５】
請求項４において、
前記第１の信号を周波数変換して所定の周波数の信号を発生させる周波数変換手段を含む、原子発振器。
【請求項６】
請求項１において、
前記制御手段は、
前記光検出手段の検出結果に基づいて、第２の変調周波数ｆｍ２を有する第２の信号を発生させる第２の変調周波数発生手段と、
前記第２の信号を周波数変換して第１の変調周波数ｆｍ１を有する第１の信号を発生させる第１の変調周波数発生手段と、を含み、
前記光源は、
前記第１の信号及び前記第２の信号に基づいて所定の周波数ｆ０の信号を変調し、ｆ１＝ｆ０＋ｆｍ１及びｆ２＝ｆ０−ｆｍ１、かつ、Δｆ＝ｆｍ２となる前記第１の光及び前記第２の光を発生させる、原子発振器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−１０８６７８（Ｐ２０１１−１０８６７８Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５８８７２（Ｐ２００９−２５８８７２）
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【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２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１２日（２００９．１１．１２）
【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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