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JP2012019261A - Atomic oscillator - Google Patents

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JP2012019261A
JP2012019261A JP2010153665A JP2010153665A JP2012019261A JP 2012019261 A JP2012019261 A JP 2012019261A JP 2010153665 A JP2010153665 A JP 2010153665A JP 2010153665 A JP2010153665 A JP 2010153665A JP 2012019261 A JP2012019261 A JP 2012019261A
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JP
Japan
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light
frequency
alkali metal
metal atom
signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2010153665A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hiroshi Aoyama
拓 青山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
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  • Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)

Abstract

【課題】EIT方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させることが可能な原子発振器
を提供する。
【解決手段】原子集団生成部30は、速度が略均一の気体状の複数のアルカリ金属原子2
1を含むアルカリ金属原子集団20を生成する。光源10は、可干渉性を有し、周波数が
異なる第1の光と第2の光を発生させてアルカリ金属原子集団20に照射する。光検出部
40は、アルカリ金属原子集団20を透過した光の強度に応じた検出信号42を生成する
。周波数制御部50は、検出信号42に基づいて、第1の光と第2の光がアルカリ金属原
子21に二光子吸収を起こさせる共鳴光対となるように、第1の光の周波数及び第2の光
の周波数の少なくとも一方を制御する。
【選択図】図6
An atomic oscillator capable of improving frequency accuracy over an EIT type atomic oscillator is provided.
An atomic group generation unit 30 includes a plurality of gaseous alkali metal atoms 2 having a substantially uniform velocity.
An alkali metal atom group 20 containing 1 is generated. The light source 10 has coherence, generates first light and second light having different frequencies and irradiates the alkali metal atom group 20. The light detection unit 40 generates a detection signal 42 corresponding to the intensity of light transmitted through the alkali metal atom group 20. Based on the detection signal 42, the frequency control unit 50 sets the frequency of the first light and the second light so that the first light and the second light form a resonant light pair that causes the alkali metal atom 21 to absorb two-photons. Control at least one of the two light frequencies.
[Selection] Figure 6

Description

本発明は、原子発振器に関する。   The present invention relates to an atomic oscillator.

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、可干渉性(コヒーレント性)を有し、かつ、互いに異なる特定の波長(
周波数)を有する2種類の共鳴光を同時に照射すると共鳴光の吸収が停止する現象を利用
した発振器である。
Electromagnetically Induced Transparency (EIT) method (CPT (
Coherent Population Trapping (sometimes referred to as Coherent Population Trapping)) is an atomic oscillator that has coherence (coherence) with alkali metal atoms and has different specific wavelengths (
This is an oscillator that utilizes the phenomenon that absorption of resonance light stops when two types of resonance light having a frequency are simultaneously irradiated.

アルカリ金属原子と2種類の共鳴光との相互作用機構は、図11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周波数を有する共鳴光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周波数を有する共鳴光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、このアルカリ金属原子に共鳴光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。例えば、セシ
ウム原子のD2線(波長は852.1nm)に関する基底準位と励起準位はそれぞれ6
1/2と63/2であるが、基底準位61/2は超微細構造量子数F=3、4
の2つの準位に分裂した超微細構造を有しており、F=3の準位(基底準位1に相当する
)とF=4の準位(基底準位2に相当する)とのエネルギー差に相当する周波数は9.1
92631770GHzである。そのため、セシウム原子に、波長が852.1nm付近
で周波数差が9.192631770GHzの2種類のレーザー光を同時に照射すると、
EIT信号現象が起こる。
As shown in FIG. 11, the interaction mechanism between the alkali metal atom and the two types of resonance light is a Λ-type 3
It is known that it can be explained by a level system model. The alkali metal atom has two ground levels, and corresponds to the resonance light 1 having a frequency corresponding to the energy difference between the ground level 1 and the excitation level, or the energy difference between the ground level 2 and the excitation level. As is well known, light absorption occurs when the resonance light 2 having the frequency to be irradiated is irradiated to alkali metal atoms alone. However, when this alkali metal atom is simultaneously irradiated with the resonance light 1 and the resonance light 2, the two ground levels are superposed, that is, a quantum interference state, and the excitation to the excitation level is stopped and the resonance light 1 and A transparency phenomenon (EIT phenomenon) in which the resonant light 2 passes through the alkali metal atoms occurs. For example, the ground level and the excited level for the D2 line (wavelength is 852.1 nm) of the cesium atom are 6 2
S 1/2 and 6 2 P 3/2 , but the ground level 6 2 S 1/2 is the hyperfine quantum number F = 3, 4
The level of F = 3 (corresponds to the ground level 1) and the level of F = 4 (corresponds to the ground level 2). The frequency corresponding to the energy difference is 9.1
92631770 GHz. Therefore, when cesium atoms are simultaneously irradiated with two types of laser light having a wavelength of about 852.1 nm and a frequency difference of 9.192613770 GHz,
An EIT signal phenomenon occurs.

従って、アルカリ金属原子に周波数の異なる2種類の光を照射したとき、この2種類の
光が共鳴光対となってアルカリ金属原子がEIT現象を起こすか否かで光吸収挙動が急峻
に変化する。この急峻に変化する光吸収挙動を示す信号はEIT信号と呼ばれ、共鳴光対
の周波数差が2つの基底準位のエネルギー差ΔE12に相当する周波数(例えば、セシウ
ム原子であれば9.192631770GHz)と正確に一致するときにEIT信号のレ
ベルがピーク値を示す。そこで、EIT信号のピークトップを検出し、アルカリ金属原子
に照射する2種類の光が共鳴光対となるように、すなわち、この2種類の光の周波数差が
ΔE12に相当する周波数と正確に一致するように周波数制御することで、高精度な発振
器を実現することができる。
Therefore, when two types of light having different frequencies are irradiated onto an alkali metal atom, the light absorption behavior changes sharply depending on whether the two types of light become a resonance light pair and the alkali metal atom causes the EIT phenomenon. . A signal indicating this steeply changing light absorption behavior is called an EIT signal, and the frequency difference between the resonant light pair is equivalent to the energy difference ΔE 12 between the two ground levels (for example, 9.192613770 GHz for a cesium atom). ) And the level of the EIT signal show a peak value. Therefore, to detect the peak top of the EIT signal, as two kinds of light to be irradiated to the alkali metal atom is resonant light pair, i.e., exactly the frequency that the frequency difference between the two types of light corresponds to Delta] E 12 By controlling the frequency so as to match, a highly accurate oscillator can be realized.

米国特許第6265945号明細書US Pat. No. 6,265,945

しかしながら、EIT方式の原子発振器では、EIT信号のピークトップを検出して周
波数制御を行うので、EIT信号のQ値(特にピークトップの曲率)が小さいと周波数の
揺らぎの原因となり、原子発振器としての周波数精度に問題をきたす場合もあった。
However, since the EIT type atomic oscillator detects the peak top of the EIT signal and controls the frequency, if the Q value of the EIT signal (especially the curvature of the peak top) is small, it may cause frequency fluctuations. In some cases, there was a problem with frequency accuracy.

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、EIT方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させることが可能な原子発振
器を提供することができる。
The present invention has been made in view of the above problems, and according to some aspects of the present invention, there is provided an atomic oscillator capable of improving frequency accuracy as compared with an EIT-type atomic oscillator. can do.

(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量子干渉現
象を利用する原子発振器であって、速度が略均一の気体状の複数のアルカリ金属原子を含
むアルカリ金属原子集団を生成する原子集団生成部と、可干渉性を有し、周波数が異なる
第1の光と第2の光を発生させて前記アルカリ金属原子集団に照射する光源と、前記アル
カリ金属原子集団を透過した光の強度に応じた検出信号を生成する光検出部と、前記検出
信号に基づいて、前記第1の光と前記第2の光が前記アルカリ金属原子に二光子吸収を起
こさせる共鳴光対となるように、前記第1の光の周波数及び前記第2の光の周波数の少な
くとも一方を制御する周波数制御部と、を含む。
(1) The present invention is an atomic oscillator using a quantum interference phenomenon generated by irradiating an alkali metal atom with a resonant light pair, and includes an alkali metal atom including a plurality of gaseous alkali metal atoms having a substantially uniform velocity. An atomic group generation unit that generates a group, a light source that generates coherent first light and second light having different frequencies and irradiates the alkali metal atom group; and the alkali metal atom group A light detection unit that generates a detection signal according to the intensity of the transmitted light, and resonance light that causes the first light and the second light to cause two-photon absorption in the alkali metal atom based on the detection signal A frequency control unit that controls at least one of the frequency of the first light and the frequency of the second light so as to form a pair.

「二光子吸収」とは、アルカリ金属原子が2個の光子を同時に吸収して励起状態へと遷
移する現象である。
“Two-photon absorption” is a phenomenon in which an alkali metal atom simultaneously absorbs two photons and transitions to an excited state.

「アルカリ金属」とは、元素周期律表の第一列にある第1族に属する元素(Na,K,
Rb,Cs,・・・)のことをいう。
“Alkali metal” means an element belonging to Group 1 in the first column of the periodic table (Na, K,
Rb, Cs,.

後述するシミュレーション結果から、一般的に、EIT信号のピークトップの曲率より
も二光子吸収信号のピークトップの曲率の方が大きいと考えられる。そのため、本発明の
原子発振器によれば、アルカリ金属原子に二光子吸収を起こさせる共鳴光対を発生させる
ことにより、従来のEIT方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させることができる
From the simulation results described later, it is generally considered that the curvature of the peak top of the two-photon absorption signal is larger than the curvature of the peak top of the EIT signal. Therefore, according to the atomic oscillator of the present invention, the frequency accuracy can be improved as compared with the conventional EIT-type atomic oscillator by generating a resonant light pair that causes two-photon absorption in an alkali metal atom.

(2)この原子発振器において、前記周波数制御部は、前記アルカリ金属原子の励起状
態と第1の基底状態とのエネルギー差に相当する周波数をω13、前記アルカリ金属原子
の前記励起状態と第2の基底状態とのエネルギー差に相当する周波数ω23とした時、前
記第1の光の周波数がω13+Δ(Δ≠0)になるとともに前記第2の光の周波数がω
+Δになるように、前記第1の光の周波数及び前記第2の光の周波数の少なくとも一方
を制御するようにしてもよい。
(2) In this atomic oscillator, the frequency control unit sets the frequency corresponding to the energy difference between the excited state of the alkali metal atom and the first ground state to ω 13 , and the excited state of the alkali metal atom and the second state. The frequency of the first light is ω 13 + Δ (Δ ≠ 0) and the frequency of the second light is ω 2, where the frequency is ω 23 corresponding to the energy difference from the ground state.
At least one of the frequency of the first light and the frequency of the second light may be controlled so as to be 3 + Δ.

このようにすれば、第1の光と第2の光の周波数差がアルカリ金属原子の第1の基底状
態と第2の基底状態とのエネルギー差に相当する周波数と等しくなるように制御がかかる
ので、アルカリ金属原子に二光子吸収を起こさせることができる。
In this way, control is performed so that the frequency difference between the first light and the second light is equal to the frequency corresponding to the energy difference between the first ground state and the second ground state of the alkali metal atom. Therefore, two-photon absorption can be caused in the alkali metal atom.

(3)この原子発振器は、前記光源が発生する光の中心周波数を(ω13+ω23)/
2+Δに設定する中心周波数設定部を含み、前記周波数制御部は、前記検出信号に応じた
周波数で発振する発振信号を生成する発振信号生成部と、前記発振信号を所与の周波数変
換率で周波数変換する周波数変換部と、を含み、前記光源は、中心周波数設定部が設定し
た前記中心周波数の光を、前記周波数変換部が周波数変換した信号によって周波数変調す
ることにより前記第1の光と前記第2の光を発生させるようにしてもよい。
(3) This atomic oscillator sets the center frequency of the light generated by the light source to (ω 13 + ω 23 ) /
A center frequency setting unit that sets 2 + Δ, wherein the frequency control unit generates an oscillation signal that oscillates at a frequency corresponding to the detection signal, and the oscillation signal has a frequency at a given frequency conversion rate. A frequency conversion unit for converting, and the light source performs frequency modulation on the light of the center frequency set by the center frequency setting unit by a signal frequency-converted by the frequency conversion unit, and the first light and the The second light may be generated.

このようにすれば、アルカリ金属原子に二光子吸収を起こさせる共鳴光対を1つの光源
で効率的に発生させることができる。
In this way, a resonant light pair that causes two-photon absorption in an alkali metal atom can be efficiently generated with one light source.

(4)この原子発振器において、前記原子集団生成部は、前記アルカリ金属原子を絶対
零度近傍まで冷却することにより前記アルカリ金属原子集団を生成するようにしてもよい
(4) In this atomic oscillator, the atomic group generation unit may generate the alkali metal atom group by cooling the alkali metal atoms to near zero.

このように、アルカリ金属原子を絶対零度近傍まで冷却すれば、速度がほぼ0のアルカ
リ金属原子集団を生成することができる。
In this way, if the alkali metal atoms are cooled to near absolute zero, an alkali metal atom group having a substantially zero velocity can be generated.

EIT信号を発生させるシミュレーションについて説明するための図。The figure for demonstrating the simulation which generates an EIT signal. EIT信号のシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of an EIT signal. 二光子吸収信号を発生させるシミュレーションについて説明するための図。The figure for demonstrating the simulation which generates a two-photon absorption signal. 二光子吸収信号のシミュレーション結果を示す図。The figure which shows the simulation result of a two-photon absorption signal. EIT信号と二光子吸収信号のピークトップの2階微分値(曲率)の比較結果を示す図。The figure which shows the comparison result of the 2nd-order differential value (curvature) of the peak top of an EIT signal and a two-photon absorption signal. 本実施形態の原子発振器の機能ブロック図。The functional block diagram of the atomic oscillator of this embodiment. 本実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図。The figure which shows the specific structural example of the atomic oscillator of this embodiment. レーザー冷却の原理について説明するための図。The figure for demonstrating the principle of laser cooling. 磁気光学トラップ(MOT)によるアルカリ金属原子集団の捕捉原理について説明するための図。The figure for demonstrating the capture principle of the alkali metal atom group by a magneto-optical trap (MOT). 半導体レーザーの出射光の周波数スペクトルを示す概略図。Schematic which shows the frequency spectrum of the emitted light of a semiconductor laser. アルカリ金属原子のエネルギー準位を模式的に示す図。The figure which shows typically the energy level of an alkali metal atom.

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。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. Also, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

1.EIT信号と二光子吸収信号の比較
アルカリ金属原子をΛ型3準位系モデルで近似してEIT信号を発生させるシミュレー
ションと二光子吸収信号を発生させるシミュレーションを行い、EIT信号と二光子吸収
信号の特性の比較を行った。なお、これらのシミュレーションにおいて、アルカリ金属原
子の種類は限定していない。
1. Comparison between EIT signal and two-photon absorption signal Perform simulation to generate EIT signal by approximating alkali metal atom with Λ-type three-level system model and simulation to generate two-photon absorption signal. The characteristics were compared. In these simulations, the type of alkali metal atom is not limited.

1−1.EIT信号のシミュレーション
図1(A)及び図1(B)はEIT信号を発生させるシミュレーションについて説明す
るための図である。このシミュレーションでは、図1(A)に示すΛ型3準位系モデルで
近似されるアルカリ金属原子を多数含むアルカリ金属原子集団に対して、周波数がω
カップリング光と周波数がωのプローブ光を、ωを固定してωをスイープしながら
同時に照射する。そして、アルカリ原子集団を透過した光(透過光)をフォトデテクター
(PD:Photo Detector)のモデルにより検出し、PDの出力レベルを算出する。なお、
二光子吸収信号はアルカリ金属原子集団の速度が均一でなければ明確に発生しないので、
後述する二光子吸収信号のシミュレーションではすべてのアルカリ金属原子を絶対零度に
冷却された状態(速度0)にモデル化している。そのため、シミュレーション条件を同じ
にするために、EIT信号のシミュレーションにおいてもすべてのアルカリ金属原子を絶
対零度に冷却された状態(速度0)にモデル化している。
1-1. EIT Signal Simulation FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams for explaining a simulation for generating an EIT signal. In this simulation, FIG. 1 for an alkali metal atom group containing a number of alkali metal atoms approximated by Λ type three-level system model (A), the frequency coupling light and frequency omega c is omega p The probe light is simultaneously irradiated while ω c is fixed and ω p is swept. And the light (transmitted light) which permeate | transmitted the alkali atom group is detected by the model of a photo detector (PD: Photo Detector), and the output level of PD is calculated. In addition,
Since the two-photon absorption signal is not clearly generated unless the velocity of the alkali metal group is uniform,
In the simulation of the two-photon absorption signal, which will be described later, all alkali metal atoms are modeled in a state cooled to absolute zero (speed 0). Therefore, in order to make the simulation conditions the same, all the alkali metal atoms are also modeled in a state cooled to absolute zero (speed 0) in the simulation of the EIT signal.

図1(A)及び図1(B)に示すように、カップリング光の周波数ωは、アルカリ金
属原子の基底準位2と励起準位とのエネルギー差ΔE23に相当する周波数ω23(=Δ
23/h:hはプランク定数)に固定する。一方、プローブ光の周波数ωは、アルカ
リ金属原子の基底準位1と励起準位とのエネルギー差ΔE13に相当する周波数ω13
=ΔE13/h)を中心としてスイープする。離調δ(=(ω−ω)−ω12)を、
0を中心としてスイープすると考えることもできる。δ=0の時、ωとωの周波数差
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ω12(=ΔE12
/h)と一致する。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the frequency ω c of the coupling light is a frequency ω 23 (corresponding to the energy difference ΔE 23 between the ground level 2 and the excitation level of the alkali metal atom). = Δ
E 23 / h: h is fixed to Planck's constant). On the other hand, the frequency ω p of the probe light is a frequency ω 13 (corresponding to the energy difference ΔE 13 between the ground level 1 and the excitation level of the alkali metal atom.
= ΔE 13 / h). Detuning δ (= (ω p −ω c ) −ω 12 )
It can also be considered that the sweep is centered on zero. When δ = 0, the frequency ω 12 (= ΔE 12) where the frequency difference between ω p and ω c corresponds to the energy difference ΔE 12 between the ground level 1 and the ground level 2.
/ H).

図2(A)にシミュレーション結果を示す。図2(A)において、横軸はδ、縦軸はP
Dの出力レベルを示し、ともに任意単位である。図2(A)に示すように、δ=0の近傍
でEIT信号が発生し、δ=0すなわちω−ω=ω12となる時にピークとなる。図
2(B)に、図2(A)のシミュレーション結果のPD出力レベルを2階微分した値(曲
率)を計算した結果を示す。図2(B)において、横軸は離調δ、縦軸はPD出力の2階
微分値(曲率)を示し、ともに任意単位である。図2(B)に示すように、EIT信号の
ピークトップの曲率は−20程度である。尚「曲率」とは、本来「曲率半径」の逆数とし
て定義されるが、対象とする曲線の2階(次)微分係数値を反映することから、本明細書
では「曲率」と「2階微分値」を同義語として扱う。
FIG. 2A shows the simulation result. In FIG. 2A, the horizontal axis is δ, and the vertical axis is P.
D indicates the output level, both of which are arbitrary units. As shown in FIG. 2A, an EIT signal is generated in the vicinity of δ = 0 and peaks when δ = 0, that is, ω p −ω c = ω 12 . FIG. 2B shows a result of calculating a value (curvature) obtained by second-order differentiation of the PD output level of the simulation result of FIG. In FIG. 2B, the horizontal axis indicates detuning δ, and the vertical axis indicates the second-order differential value (curvature) of the PD output, both of which are arbitrary units. As shown in FIG. 2B, the curvature of the peak top of the EIT signal is about −20. The “curvature” is originally defined as the reciprocal of the “curvature radius”, but reflects the second-order (order) derivative value of the target curve, and therefore, in this specification, “curvature” and “second-order”. "Differential value" is treated as a synonym.

1−2.二光子吸収信号のシミュレーション
図3(A)及び図3(B)は二光子吸収信号を発生させるシミュレーションについて説
明するための図である。このシミュレーションでは、図3(A)に示すΛ型3準位系モデ
ルで近似されるアルカリ金属原子を多数含むアルカリ金属原子集団(EIT信号のシミュ
レーション時とまったく同じアルカリ金属原子集団)に対して、周波数がωのカップリ
ング光と周波数がωのプローブ光を、ωを固定してωをスイープしながら同時に照
射する。そして、アルカリ原子集団を透過した光(透過光)をフォトデテクター(PD:
Photo Detector)のモデルにより検出し、PDの出力レベルを算出する。なお、すべての
アルカリ金属原子を絶対零度に冷却された状態(速度0)にモデル化している。
1-2. Simulation of Two-Photon Absorption Signal FIGS. 3A and 3B are diagrams for explaining a simulation for generating a two-photon absorption signal. In this simulation, for an alkali metal atom group containing many alkali metal atoms approximated by the Λ-type three-level system model shown in FIG. 3A (the same alkali metal atom group as in the EIT signal simulation), the probe light frequency is coupled light and the frequency of ω c ω p, simultaneously irradiated while sweeping the omega p securing the omega c. Then, light (transmitted light) transmitted through the alkali atom group is converted into a photodetector (PD:
Detect with the Photo Detector model and calculate the PD output level. Note that all alkali metal atoms are modeled in a state of being cooled to absolute zero (speed 0).

図3(A)及び図3(B)に示すように、カップリング光の周波数ωは、ΔE23
ΔEに相当する周波数ω23+Δ(=(ΔE23+ΔE)/h)に固定する。一方、プロ
ーブ光の周波数ωは、ω13を中心としてスイープする。離調δ(=(ω−ω)−
ω12)を用いると、δ+Δを0を中心としてスイープすると考えることもできる。δ+
Δ=Δ(すなわちδ=0)の時、ωとωの周波数差がω12と一致する。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the frequency ω c of the coupling light is ΔE 23 +
The frequency is fixed to ω 23 + Δ (= (ΔE 23 + ΔE) / h) corresponding to ΔE. On the other hand, the frequency ω p of the probe light sweeps around ω 13 . Detuning δ (= (ω p −ω c ) −
If ω 12 ) is used, it can be considered that δ + Δ sweeps around 0. δ +
Delta = delta time (i.e. [delta] = 0), the frequency difference between the omega p and omega c matches the omega 12.

図4(A)にシミュレーション結果を示す。図4(A)において、横軸はδ+Δ、縦軸
はPDの出力レベルを示し、ともに任意単位である。図4(A)に示すように、δ+Δ=
Δ(δ=0)の近傍で二光子吸収信号が発生し、δ+Δ=Δ(δ=0)すなわちω−ω
=ω12となる時にピークとなる。また、δ+Δ=0〜Δ(δ=−Δ〜0)の付近でE
IT信号が発生し、δ+ΔがΔよりもわずかに小さい値(δが0よりもわずかに小さい値
)の時にピークとなる。図4(B)に、図4(A)のシミュレーション結果のPD出力レ
ベルを2階微分した値(曲率)を計算した結果を示す。図4(B)において、横軸は離調
δ+Δ、縦軸はPD出力の2階微分値(曲率)を示し、ともに任意単位である。図4(B
)に示すように、EIT信号のピークトップの曲率は−30程度であり、二光子吸収信号
のピークトップの曲率は40程度である。
FIG. 4A shows the simulation result. In FIG. 4A, the horizontal axis indicates δ + Δ and the vertical axis indicates the output level of PD, both of which are arbitrary units. As shown in FIG. 4A, δ + Δ =
A two-photon absorption signal is generated in the vicinity of Δ (δ = 0), and δ + Δ = Δ (δ = 0), that is, ω p −ω.
It reaches a peak when the c = ω 12. Further, in the vicinity of δ + Δ = 0 to Δ (δ = −Δ to 0), E
An IT signal is generated and peaks when δ + Δ is a value slightly smaller than Δ (δ is slightly smaller than 0). FIG. 4B shows a result of calculating a value (curvature) obtained by second-order differentiation of the PD output level of the simulation result of FIG. 4A. In FIG. 4B, the horizontal axis indicates detuning δ + Δ, and the vertical axis indicates the second-order differential value (curvature) of the PD output, both of which are arbitrary units. FIG. 4 (B
), The peak top curvature of the EIT signal is about −30, and the peak top curvature of the two-photon absorption signal is about 40.

1−3.シミュレーション結果の比較
図5(A)は、二光子吸収信号のシミュレーションをΔをスイープして行った時のEI
T信号と二光子吸収信号の各ピークトップの曲率の算出結果を示す図である。図5(A)
において、横軸はΔ、縦軸はピークトップの曲率の絶対値を示し、ともに任意単位である
。二光子吸収信号とEIT信号の各ピークトップの曲率をそれぞれ実線と破線で示す。ま
た、図5(B)は、図5(A)に示す二光子吸収信号のピークトップの曲率とEIT信号
のピークトップの曲率の比R(R=二光子吸収信号のピークトップの曲率/EIT信号の
ピークトップの曲率)の算出結果を示す図である。図5(B)において、横軸はΔ、縦軸
はRを示す。なお、Δ=0の時は、図2(A)のEIT信号と同じEIT信号が得られる
ので、図5(A)においてΔ=0の時のEIT信号のそのピークトップの曲率は図2(B
)と一致する。
1-3. Comparison of Simulation Results FIG. 5A shows the EI when the two-photon absorption signal simulation is performed by sweeping Δ.
It is a figure which shows the calculation result of the curvature of each peak top of T signal and a two-photon absorption signal. FIG.
, The horizontal axis indicates Δ, and the vertical axis indicates the absolute value of the curvature of the peak top, both of which are arbitrary units. The curvature of each peak top of the two-photon absorption signal and the EIT signal is indicated by a solid line and a broken line, respectively. FIG. 5B shows the ratio R of the peak top curvature of the two-photon absorption signal and the peak top curvature of the EIT signal shown in FIG. 5A (R = the curvature of the peak top of the two-photon absorption signal / EIT). It is a figure which shows the calculation result of the curvature of the peak top of a signal. In FIG. 5B, the horizontal axis indicates Δ and the vertical axis indicates R. When Δ = 0, the same EIT signal as the EIT signal in FIG. 2A can be obtained. Therefore, in FIG. 5A, the curvature of the peak top of the EIT signal when Δ = 0 in FIG. B
).

図5(A)と図5(B)から、Δが0の近傍(概ね−1<Δ<1の範囲)ではEIT信
号の曲率が二光子吸収信号の曲率よりも大きいが、その他のΔの範囲では二光子吸収信号
の曲率がEIT信号の曲率よりも大きいことがわかる。なお、このシミュレーションでは
一般的なΛ型3準位系モデルを用いているので、アルカリ金属原子の種類を限定しても同
様の傾向のシミュレーション結果が得られるものと推測できる。
From FIG. 5A and FIG. 5B, the curvature of the EIT signal is larger than the curvature of the two-photon absorption signal when Δ is near 0 (approximately in the range of −1 <Δ <1). In the range, it can be seen that the curvature of the two-photon absorption signal is larger than the curvature of the EIT signal. In this simulation, since a general Λ-type three-level system model is used, it can be assumed that a simulation result having the same tendency can be obtained even if the types of alkali metal atoms are limited.

ピークトップの曲率が大きい信号ほど急峻であると言えるので、このシミュレーション
結果は、Δの絶対値をある程度大きくすれば、EIT信号よりも急峻な二光子吸収信号が
得られることを意味する。すなわち、Δの絶対値をある程度大きくして二光子吸収信号の
ピークトップにロックさせる原子発振器を構成すれば、周波数の揺らぎが小さくなり、E
IT方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させることができる。
Since it can be said that a signal having a larger peak top curvature is steeper, this simulation result means that if the absolute value of Δ is increased to some extent, a two-photon absorption signal steeper than the EIT signal can be obtained. In other words, if an atomic oscillator is configured to increase the absolute value of Δ to some extent and lock it to the peak top of the two-photon absorption signal, the frequency fluctuation is reduced, and E
The frequency accuracy can be improved as compared with the IT type atomic oscillator.

また、図5(A)の結果によれば、Δ=±6程度で二光子吸収信号のピークトップの曲
率が最大になる。二光子吸収信号のピークトップの曲率が最大になるようにΔを設定すれ
ば、原子発振器の周波数精度をさらに向上させることができる。
Further, according to the result of FIG. 5A, the curvature of the peak top of the two-photon absorption signal becomes maximum at Δ = ± 6. If Δ is set so that the curvature of the peak top of the two-photon absorption signal is maximized, the frequency accuracy of the atomic oscillator can be further improved.

以上に説明したシミュレーション結果を踏まえて、本実施形態の原子発振器は、二光子
吸収信号を利用して周波数精度を向上させるものである。以下、本実施形態の原子発振器
の構成について説明する。
Based on the simulation results described above, the atomic oscillator of this embodiment improves the frequency accuracy by using a two-photon absorption signal. Hereinafter, the configuration of the atomic oscillator of this embodiment will be described.

2.本実施形態の原子発振器の機能構成
図6は、本実施形態の原子発振器の機能ブロック図である。本実施形態の原子発振器1
は、光源10、原子集団生成部30、光検出部40、周波数制御部50を含んで構成され
ている。
2. Functional Configuration of Atomic Oscillator of this Embodiment FIG. 6 is a functional block diagram of the atomic oscillator of this embodiment. Atomic oscillator 1 of this embodiment
Includes a light source 10, an atomic group generation unit 30, a light detection unit 40, and a frequency control unit 50.

原子集団生成部30は、速度が略均一の気体状の複数のアルカリ金属原子21を含むア
ルカリ金属原子集団20を生成する。例えば、原子集団生成部30は、アルカリ金属原子
21を絶対零度近傍まで冷却することによりアルカリ金属原子集団30を生成するように
してもよい。
The atomic group generation unit 30 generates an alkali metal atom group 20 including a plurality of gaseous alkali metal atoms 21 having a substantially uniform velocity. For example, the atomic group generation unit 30 may generate the alkali metal atom group 30 by cooling the alkali metal atoms 21 to near absolute zero.

光源10は、可干渉性(コヒーレント性)を有し、周波数が異なる第1の光と第2の光
を発生させてアルカリ金属原子集団20に照射する。例えば、レーザー光は可干渉性(コ
ヒーレント性)を有する光である。
The light source 10 has coherence (coherence), generates first light and second light having different frequencies, and irradiates the alkali metal atom group 20. For example, laser light is light having coherence.

光検出部40は、アルカリ金属原子集団20を透過した光(透過光)22の強度に応じ
た検出信号42を生成する。
The light detection unit 40 generates a detection signal 42 according to the intensity of the light (transmitted light) 22 that has passed through the alkali metal atom group 20.

周波数制御部50は、光検出部40の検出信号42に基づいて、光源10が発生させる
第1の光と第2の光が、アルカリ金属原子21に二光子吸収を起こさせる共鳴光対となる
ように、第1の光及び第2の光の少なくとも一方の周波数制御を行う。具体的には、周波
数制御部50は、前記第1の光の周波数がω13+Δ(Δ≠0)になるとともに前記第2
の光の周波数がω23+Δになるように、第1の光の周波数及び第2の光の周波数の少な
くとも一方を制御するようにしてもよい。こうすることで、第1の光と第2の光の周波数
差がω12(=ω13−ω23)になり、アルカリ金属原子21に二光子吸収を起こさせ
ることができる。
Based on the detection signal 42 of the light detection unit 40, the frequency control unit 50 forms a resonance light pair in which the first light and the second light generated by the light source 10 cause the alkali metal atom 21 to absorb two-photons. As described above, frequency control of at least one of the first light and the second light is performed. Specifically, the frequency control unit 50 sets the frequency of the first light to ω 13 + Δ (Δ ≠ 0) and the second light.
At least one of the frequency of the first light and the frequency of the second light may be controlled so that the frequency of the light becomes ω 23 + Δ. By doing so, the frequency difference between the first light and the second light becomes ω 12 (= ω 13 −ω 23 ), and two-photon absorption can be caused in the alkali metal atom 21.

本実施形態の原子発振器1は、さらに、中心周波数設定部60を含むように構成しても
よい。この中心周波数設定部60は、光源10が発生する光の中心周波数を(ω13+ω
23)/2+Δに設定する。
The atomic oscillator 1 of the present embodiment may further be configured to include a center frequency setting unit 60. The center frequency setting unit 60 sets the center frequency of light generated by the light source 10 to (ω 13 + ω
23 ) / 2 + Δ.

この場合、周波数制御部50を、検出信号42に応じた周波数で発振する発振信号を生
成する発振信号生成部52と、発振信号生成部52が生成する発振信号を所与の周波数変
換率で周波数変換する周波数変換部54と、を含むように構成し、光源10を、中心周波
数設定部60が設定した中心周波数の光を、周波数変換部54が周波数変換した信号によ
って周波数変調することにより第1の光と第2の光を発生させるように構成してもよい。
In this case, the frequency control unit 50 generates an oscillation signal generation unit 52 that generates an oscillation signal that oscillates at a frequency according to the detection signal 42, and the oscillation signal generated by the oscillation signal generation unit 52 has a frequency at a given frequency conversion rate. The light source 10 is frequency-modulated with the light having the center frequency set by the center frequency setting unit 60 by the frequency-converted signal by the frequency conversion unit 54. The light and the second light may be generated.

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。   Hereinafter, a more specific configuration of the atomic oscillator of this embodiment will be described.

3.本実施形態の具体的構成
図7は、本実施形態の原子発振器の具体的な構成例を示す図である。図7に示すように
、本実施形態の原子発振器100は、半導体レーザー110、アルカリ金属原子集団12
0、レーザー冷却部130、光検出器140、増幅回路150、検波回路160、電圧制
御水晶発振器(VCXO)170、変調回路180、低周波発振器190、周波数変換回
路200、電流駆動回路210を含んで構成されている。
3. Specific Configuration of the Present Embodiment FIG. 7 is a diagram illustrating a specific configuration example of the atomic oscillator of the present embodiment. As shown in FIG. 7, the atomic oscillator 100 of this embodiment includes a semiconductor laser 110, an alkali metal atom group 12 and the like.
0, laser cooling unit 130, photodetector 140, amplification circuit 150, detection circuit 160, voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 170, modulation circuit 180, low frequency oscillator 190, frequency conversion circuit 200, current drive circuit 210. It is configured.

アルカリ金属原子集団120は、速度がほぼ均一(以下、「均一系」という)の気体状
のアルカリ金属原子が集まったものである。本実施形態では、レーザー冷却部130によ
り、均一系のアルカリ金属原子集団120を作り出している。
The alkali metal atom group 120 is a collection of gaseous alkali metal atoms having a substantially uniform velocity (hereinafter referred to as “homogeneous system”). In the present embodiment, a uniform alkali metal atom group 120 is created by the laser cooling unit 130.

レーザー冷却部130は、アルカリ金属原子発生源131で発生させた気体状のアルカ
リ金属原子をガラスセル133に向かって出射し、このアルカリ金属原子の進行方向に対
向させて、共鳴周波数付近のレーザー光135を照射することで、アルカリ金属原子を減
速させる。コイル132は、アルカリ金属原子の減速に合わせてアルカリ金属原子の共鳴
周波数がレーザー光135の周波数付近になるように、アルカリ金属原子の飛行経路(減
速路)に沿ってガラスセル133に近いほど小さくなるような傾斜勾配をつけた磁場を発
生させる。アルカリ金属原子は、この磁場を通過する間にレーザー光135の光子と衝突
を繰り返して次第に減速し、絶対零度付近まで冷却(レーザー冷却)される。
The laser cooling unit 130 emits gaseous alkali metal atoms generated by the alkali metal atom generation source 131 toward the glass cell 133, and opposes the traveling direction of the alkali metal atoms so that laser light near the resonance frequency is emitted. By irradiating 135, alkali metal atoms are decelerated. The coil 132 is smaller as it is closer to the glass cell 133 along the flight path (deceleration path) of the alkali metal atoms so that the resonance frequency of the alkali metal atoms is close to the frequency of the laser beam 135 in accordance with the deceleration of the alkali metal atoms. A magnetic field with a gradient like that is generated. While passing through this magnetic field, the alkali metal atom repeatedly collides with the photons of the laser beam 135 and gradually decelerates, and is cooled to near absolute zero (laser cooling).

図8(A)、図8(B)及び図8(C)は、レーザー冷却の原理について説明するため
の図である。アルカリ金属原子の進行方向からレーザー光135の光子(共鳴光)が衝突
すると、運動量保存則により、アルカリ金属原子は減速される(図8(A))。この時、
光子が一つ吸収されて消滅し、同時にエネルギー保存則により、アルカリ金属原子の電子
は励起準位に遷移する(図8(B))。励起準位から基底準位に戻る時に、光子が1つ放
出生成されるが、飛び出す光子の方向運動量はランダムなので、平均すると光子放出過程
での原子の速度は変わらない(図8(C))。このアルカリ金属原子の進行方向から次の
光子が衝突すると、同様の過程を経由してアルカリ金属原子はさらに減速する。これを繰
り返しアルカリ金属原子の速度が0に収斂し、アルカリ金属原子は絶対零度付近まで冷却
される。なお、アルカリ金属原子の減速に伴い、遷移エネルギーのドップラーシフトを生
じる。これを補正する為、減速路に沿って磁場勾配をつけた磁場を発生させるコイル13
2(所謂「ゼーマン減速器」)が付加されている。
8A, 8B, and 8C are diagrams for explaining the principle of laser cooling. When the photon (resonant light) of the laser beam 135 collides from the traveling direction of the alkali metal atom, the alkali metal atom is decelerated according to the momentum conservation law (FIG. 8A). At this time,
One photon is absorbed and disappears, and at the same time, due to the conservation of energy, the electrons of the alkali metal atom transition to the excited level (FIG. 8B). When returning from the excited level to the ground level, one photon is emitted and generated, but since the directional momentum of the emitted photon is random, on average, the velocity of the atom in the photon emission process does not change (FIG. 8C). . When the next photon collides from the traveling direction of the alkali metal atom, the alkali metal atom further decelerates through the same process. By repeating this, the velocity of the alkali metal atom converges to 0, and the alkali metal atom is cooled to near absolute zero. As the alkali metal atoms are decelerated, a transition energy Doppler shift occurs. In order to correct this, the coil 13 for generating a magnetic field with a magnetic field gradient along the deceleration path.
2 (so-called “Zeeman decelerator”) is added.

このようにして十分減速されたアルカリ金属原子は、ガラスセル133を挟むように対
向して配置された1対のアンチヘルムホルツコイル134(図7は2つのコイル134が
重なる方向から図示しているため1つに見えている)を用いた磁気光学トラップ(MOT
:Magneto-Optical Trap)でガラスセル133の内部に捕捉され、均一系のアルカリ金属
原子集団120が生成される。
The alkali metal atoms sufficiently decelerated in this way are a pair of anti-helmholtz coils 134 arranged so as to face each other with the glass cell 133 interposed therebetween (because FIG. 7 shows the two coils 134 from the overlapping direction). Magneto-optical trap (MOT) using one visible)
: Magneto-Optical Trap) and trapped inside the glass cell 133 to generate a homogeneous alkali metal atom group 120.

図9(A)及び図9(B)は、磁気光学トラップ(MOT)によるアルカリ金属原子集
団120の捕捉原理について説明するための図である。z軸方向に対向して配置された1
対のアンチヘルムホルツコイル134に互いに逆方向の電流を流すと、原点O付近に、原
点からの距離(ずれ)に比例して線形に変化する磁場が得られる(図9(A))。具体的
には、座標(x,y,z)の磁場Bは、B=(bx,by,−2bz)(b:定数)で表
される。この磁場を発生させた状態で、レーザー冷却等で十分冷却された(速度がほぼ0
の)アルカリ金属原子集団120に対し、x軸方向から1組のレーザー光136aと13
6bを対向させて照射し、y軸方向から1組のレーザー光137aと137bを対向させ
て照射し、z軸方向から1組のレーザー光138aと138bを対向させて照射すると、
アンチヘルムホルツコイル134の中心(原点O)付近に原子集団を捕捉することができ
る(図9(B))。なお、図7は、z軸方向から見た図であり、z軸方向のレーザー光1
38aと138bの図示を省略している。
FIGS. 9A and 9B are diagrams for explaining the principle of trapping the alkali metal atom group 120 by the magneto-optical trap (MOT). 1 arranged facing the z-axis direction
When currents in opposite directions are passed through the pair of anti-helmholtz coils 134, a magnetic field that changes linearly in proportion to the distance (shift) from the origin is obtained near the origin O (FIG. 9A). Specifically, the magnetic field B at coordinates (x, y, z) is represented by B = (bx, by, −2bz) (b: constant). With this magnetic field generated, it was sufficiently cooled by laser cooling or the like (the speed was almost 0
A) a set of laser beams 136a and 13 from the x-axis direction for the alkali metal atom group 120.
6b is opposed to each other, a pair of laser beams 137a and 137b are irradiated from the y-axis direction, and a pair of laser beams 138a and 138b are irradiated from the z-axis direction to face each other.
An atomic group can be captured near the center (origin O) of the anti-helmholtz coil 134 (FIG. 9B). FIG. 7 is a view as seen from the z-axis direction. The laser beam 1 in the z-axis direction is shown in FIG.
Illustration of 38a and 138b is omitted.

図7に戻り、半導体レーザー110は、電流駆動回路210が出力する駆動電流によっ
て中心波長λ(中心周波数f=v/λ:vは光の速度)が制御され、この駆動電流
に周波数変換回路200の出力信号(変調周波数fの変調信号)が重畳されることで変
調がかけられ、周波数の異なる複数の光を発生させる。この半導体レーザー110の出射
光は、アルカリ金属原子集団120に照射される。このような半導体レーザー110は、
例えば、端面発光レーザー(Edge Emitting Laser)や、垂直共振器面発光レーザー(V
CSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)等の面発光レーザーなどで実現す
ることができる。
Returning to FIG. 7, the semiconductor laser 110 has a center wavelength λ 0 (center frequency f 0 = v / λ 0, where v is the speed of light) controlled by the drive current output from the current drive circuit 210. modulation is multiplied by the output signal of the conversion circuit 200 (modulation signal of the modulation frequency f m) are superimposed, to generate a plurality of lights having different frequencies. The emitted light of the semiconductor laser 110 is applied to the alkali metal atom group 120. Such a semiconductor laser 110 includes:
For example, edge emitting lasers or vertical cavity surface emitting lasers (V
It can be realized by a surface emitting laser such as CSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser).

図10は、半導体レーザー110の出射光の周波数スペクトルを示す概略図である。図
10において、横軸は光の周波数であり、縦軸は光の強度である。図10に示すように、
半導体レーザー110の出射光には、中心周波数fを有する光と、その両側にf間隔
の周波数をそれぞれ有する複数種類の光が含まれる。本実施形態では、1次のサイドバン
ドの2つの光がアルカリ金属原子に二光子吸収状態を発生させる共鳴光対になるように、
中心周波数fと変調周波数fを調整する。具体的には、電流駆動回路210の駆動電
流を所定量に設定し、中心周波数fを(ω13+ω23)/2+Δと一致させる。また
、変調周波数fは、後述するフィードバック制御により(ω13−ω23)/2と一致
させる。これにより、1次の上側サイドバンドの光(共鳴光1)の周波数fと1次の下
側サイドバンドの光(共鳴光2)の周波数fは、それぞれω13+Δとω23+Δと一
致し、この2つの共鳴光1、2によりアルカリ金属原子集団120の各原子に二光子吸収
状態を発生させることができる。このようにすれば、アルカリ金属原子に二光子吸収を起
こさせる共鳴光対を1つの半導体レーザーで効率的に発生させることができる。
FIG. 10 is a schematic diagram showing the frequency spectrum of the emitted light from the semiconductor laser 110. In FIG. 10, the horizontal axis represents the light frequency, and the vertical axis represents the light intensity. As shown in FIG.
The light emitted from the semiconductor laser 110 includes light having a center frequency f 0 and a plurality of types of light having frequencies of fm intervals on both sides thereof. In the present embodiment, the two lights in the primary sideband become a resonant light pair that generates a two-photon absorption state in the alkali metal atom.
The center frequency f 0 and the modulation frequency f m are adjusted. Specifically, the drive current of the current drive circuit 210 is set to a predetermined amount, and the center frequency f 0 is matched with (ω 13 + ω 23 ) / 2 + Δ. The modulation frequency f m is the feedback control described later (ω 1323) / 2 and the match. Thus, the frequency f 2 of the first-order upper sideband of the optical light frequency f 1 and the first-order lower sideband (resonant light 1) (resonant light 2) are respectively omega 13 + delta and omega 23 + delta These two resonance lights 1 and 2 can generate a two-photon absorption state for each atom of the alkali metal atom group 120. In this way, a resonant light pair that causes two-photon absorption in an alkali metal atom can be efficiently generated with one semiconductor laser.

光検出器140は、アルカリ金属原子集団120を透過した光(透過光)を検出し、光
の強度に応じた検出信号を出力する。二光子吸収を起こすアルカリ金属原子の数が多いほ
ど透過光の強度が減少し、光検出器140の出力信号(検出信号)の電圧レベルが低くな
る。
The photodetector 140 detects light (transmitted light) transmitted through the alkali metal atom group 120 and outputs a detection signal corresponding to the intensity of the light. As the number of alkali metal atoms causing two-photon absorption increases, the intensity of transmitted light decreases, and the voltage level of the output signal (detection signal) of the photodetector 140 decreases.

光検出器140の出力信号は増幅回路150で増幅され、検波回路160に入力される
。検波回路160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170
の発振信号を用いて増幅回路150の出力信号を同期検波する。そして、検波回路160
の出力信号の大きさに応じて、電圧制御水晶発振器(VCXO)170の発振周波数が微
調整される。電圧制御水晶発振器(VCXO)170は、例えば、数MHz程度で発振す
る。
The output signal of the photodetector 140 is amplified by the amplification circuit 150 and input to the detection circuit 160. The detection circuit 160 includes a low frequency oscillator 170 that oscillates at a low frequency of about several Hz to several hundred Hz.
The output signal of the amplifier circuit 150 is synchronously detected using the oscillation signal. Then, the detection circuit 160
The oscillation frequency of the voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 170 is finely adjusted according to the magnitude of the output signal. The voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 170 oscillates at about several MHz, for example.

変調回路180は、検波回路160による同期検波を可能とするために、低周波発振器
190の発振信号(検波回路160に供給される発振信号と同じ)を変調信号として電圧
制御水晶発振器(VCXO)170の出力信号を変調する。変調回路180は、周波数混
合器(ミキサー)、周波数変調(FM:Frequency Modulation)回路、振幅変調(AM:
Amplitude Modulation)回路等により実現することができる。
In order to enable synchronous detection by the detection circuit 160, the modulation circuit 180 uses the oscillation signal of the low-frequency oscillator 190 (same as the oscillation signal supplied to the detection circuit 160) as a modulation signal, and a voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 170. Modulate the output signal. The modulation circuit 180 includes a frequency mixer (mixer), a frequency modulation (FM) circuit, and an amplitude modulation (AM:
(Amplitude Modulation) circuit or the like.

周波数変換回路200は、設定された周波数変換率に応じて、変調回路180の出力信
号を周波数変換する。周波数変換回路200は、例えば、設定した逓倍率で、変調回路1
80の出力信号の周波数を逓倍するPLL(Phase Locked Loop)回路により実現するこ
とができる。
The frequency conversion circuit 200 frequency converts the output signal of the modulation circuit 180 according to the set frequency conversion rate. The frequency conversion circuit 200 is, for example, a modulation circuit 1 with a set multiplication rate.
This can be realized by a PLL (Phase Locked Loop) circuit that multiplies the frequency of 80 output signals.

そして、前述した通り、電流駆動回路210による駆動電流に周波数変換回路200の
出力信号を重畳することにより、半導体レーザー110は、周波数変換回路200の出力
信号を変調信号(変調周波数f)として変調がかけられ、図10に示したような周波数
スペクトラムを有する出射光を発生させる。
As described above, the semiconductor laser 110 modulates the output signal of the frequency conversion circuit 200 as a modulation signal (modulation frequency f m ) by superimposing the output signal of the frequency conversion circuit 200 on the drive current from the current drive circuit 210. Is applied to generate outgoing light having a frequency spectrum as shown in FIG.

半導体レーザー110、アルカリ金属原子集団120、光検出器140、増幅回路15
0、検波回路160、電圧制御水晶発振器(VCXO)170、変調回路180、周波数
変換回路200を通るフィードバックループにより、光検出器140の検出信号の強度が
極小になるように、すなわち、共鳴光1の周波数f=ω13+Δかつ共鳴光2の周波数
=ω23+Δとなるように、フィードバック制御がかけられる。共鳴光1をプローブ
光、共鳴光2をカップリング光と考えて図3(A)及び図3(B)に当てはめるとδ+Δ
=Δ(δ=0)の条件が満たされるので、図4(A)及び図4(B)の結果より、光検出
器140の検出信号のレベルは二光子吸収信号のピークトップのレベルと一致する。すな
わち、本実施形態の原子発振器によれば、二光子吸収信号のピークトップにロックをかけ
ることができるので、従来のEIT方式の原子発振器よりも周波数精度を向上させること
ができる。
Semiconductor laser 110, alkali metal atom group 120, photodetector 140, amplifier circuit 15
0, the detection circuit 160, the voltage control crystal oscillator (VCXO) 170, the modulation circuit 180, and the feedback loop passing through the frequency conversion circuit 200, so that the intensity of the detection signal of the photodetector 140 is minimized, that is, the resonance light 1 The feedback control is applied so that the frequency f 1 = ω 13 + Δ and the frequency f 2 of the resonant light 2 = ω 23 + Δ. Considering the resonance light 1 as the probe light and the resonance light 2 as the coupling light and applying them to FIGS. 3 (A) and 3 (B), δ + Δ
= Δ (δ = 0) is satisfied, and therefore the level of the detection signal of the photodetector 140 matches the level of the peak top of the two-photon absorption signal from the results of FIGS. 4 (A) and 4 (B). To do. That is, according to the atomic oscillator of the present embodiment, the peak top of the two-photon absorption signal can be locked, so that the frequency accuracy can be improved as compared with the conventional EIT type atomic oscillator.

なお、図7における半導体レーザー110、アルカリ金属原子集団120、電流駆動回
路210は、それぞれ図6の光源10、アルカリ金属原子集団20、中心周波数設定部6
0に対応する。また、光検出器140と増幅回路150による構成は、図6の光検出部4
0に対応する。また、検波回路160、電圧制御水晶発振器(VCXO)170、変調回
路180、低周波発振器190、周波数変換回路200による構成は、図6の周波数制御
部50に対応する。また、検波回路160、電圧制御水晶発振器(VCXO)170、変
調回路180、低周波発振器190による構成は、図6の発振信号生成部52に対応する
。また、周波数変換回路200は、図6の周波数変換部54に対応する。
In addition, the semiconductor laser 110, the alkali metal atom group 120, and the current driving circuit 210 in FIG. 7 are the light source 10, the alkali metal atom group 20, and the center frequency setting unit 6 in FIG.
Corresponds to 0. Further, the configuration of the photodetector 140 and the amplifier circuit 150 is the same as that of the photodetector 4 in FIG.
Corresponds to 0. The configuration of the detection circuit 160, the voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 170, the modulation circuit 180, the low frequency oscillator 190, and the frequency conversion circuit 200 corresponds to the frequency control unit 50 in FIG. Further, the configuration of the detection circuit 160, the voltage controlled crystal oscillator (VCXO) 170, the modulation circuit 180, and the low frequency oscillator 190 corresponds to the oscillation signal generation unit 52 of FIG. The frequency conversion circuit 200 corresponds to the frequency conversion unit 54 in FIG.

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。
In addition, this invention is not limited to this embodiment, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of this invention.

例えば、本実施形態では、半導体レーザー110の出射光の1次のサイドバンドの2種
類の光(周波数f±f)が共鳴光対となるように制御していたが、これに限られない
。例えば、中心周波数fの光と周波数がf+fの光が共鳴光対となるとともに、中
心周波数fの光と周波数がf−fの光が共鳴光対となるように制御してもよい。
For example, in the present embodiment, control is performed so that two types of light (frequency f 0 ± f m ) in the primary sideband of the light emitted from the semiconductor laser 110 form a resonant light pair. Absent. For example, with light and frequency is light resonant light pair of f 0 + f m of the center frequency f 0, the control such that the light is resonant light pair of light and frequency f 0 -f m center frequency f 0 May be.

また、例えば、本実施形態では、1つの半導体レーザーに変調をかけることで効率的に
共鳴光対を発生させているが、より単純に、2つの半導体レーザーを別々の駆動電流で駆
動して共鳴光対を発生させるようにしてもよい。
Further, for example, in this embodiment, a resonant light pair is efficiently generated by modulating one semiconductor laser, but more simply, two semiconductor lasers are driven by separate drive currents to resonate. A light pair may be generated.

また、例えば、本実施形態では、共鳴光対となる2種類の光の周波数をフィードバック
制御しているが、一方の光の周波数を固定して他方の周波数をフィードバック制御するよ
うにしてもよい。
Further, for example, in the present embodiment, feedback control is performed on the frequencies of two types of light serving as a resonant light pair, but the frequency of one light may be fixed and the other frequency may be feedback controlled.

また、例えば、本実施形態では半導体レーザー110に変調をかけることで2つの共鳴
光を発生させているが、半導体レーザー110には変調をかけずに周波数fの単一レー
ザー光を発生させ、周波数fの単一レーザー光を電気光学変調器(EOM:Electro-Op
tic Modulator)に入射することで変調をかけて2つの共鳴光を発生させるようにしても
よい。なお、電気光学変調器(EOM)の代わりに、音響光学変調器(AOM:Acousto-
Optic Modulator)を用いてもよい。
Further, for example, in the present embodiment but is generating two resonant light by applying a modulation to the semiconductor laser 110 generates a single laser beam of frequency f 0 without applying modulation to the semiconductor laser 110, A single laser beam with frequency f 0 is converted into an electro-optic modulator (EOM: Electro-Op).
It is also possible to generate two resonance lights by modulating the light incident on a tic modulator. In place of the electro-optic modulator (EOM), an acousto-optic modulator (AOM: Acousto-
Optic Modulator) may be used.

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。
The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

1 原子発振器、10 光源、20 アルカリ金属原子集団、21 アルカリ金属原子、
22 透過光、30 原子集団生成部、40 光検出部、42 検出信号、50 周波数
制御部、52 発振信号生成部、54 周波数変換部、60 中心周波数設定部、100
原子発振器、110 半導体レーザー、120 アルカリ金属原子集団、130 レー
ザー冷却部、131 アルカリ金属原子発生源、132 コイル(ゼーマン減速器)、1
33 ガラスセル、134 アンチヘルムホルツコイル、135,136a,136b,
137a,137b,138a,138b, レーザー光、140 光検出器、150
増幅回路、160 検波回路、170 電圧制御水晶発振器(VCXO)、180 変調
回路、190 低周波発振器、200 周波数変換回路
1 atomic oscillator, 10 light source, 20 alkali metal atom group, 21 alkali metal atom,
22 transmitted light, 30 atomic group generation unit, 40 light detection unit, 42 detection signal, 50 frequency control unit, 52 oscillation signal generation unit, 54 frequency conversion unit, 60 center frequency setting unit, 100
Atomic oscillator, 110 semiconductor laser, 120 alkali metal atom group, 130 laser cooling unit, 131 alkali metal atom source, 132 coil (Zeeman decelerator), 1
33 glass cell, 134 anti-helmholtz coil, 135, 136a, 136b,
137a, 137b, 138a, 138b, laser beam, 140 photodetector, 150
Amplification circuit, 160 detection circuit, 170 voltage controlled crystal oscillator (VCXO), 180 modulation circuit, 190 low frequency oscillator, 200 frequency conversion circuit

Claims (4)

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量子干渉現象を利用する原子
発振器であって、
速度が略均一の気体状の複数のアルカリ金属原子を含むアルカリ金属原子集団を生成す
る原子集団生成部と、
可干渉性を有し、周波数が異なる第1の光と第2の光を発生させて前記アルカリ金属原
子集団に照射する光源と、
前記アルカリ金属原子集団を透過した光の強度に応じた検出信号を生成する光検出部と

前記検出信号に基づいて、前記第1の光と前記第2の光が前記アルカリ金属原子に二光
子吸収を起こさせる共鳴光対となるように、前記第1の光の周波数及び前記第2の光の周
波数の少なくとも一方を制御する周波数制御部と、を含む原子発振器。
An atomic oscillator using a quantum interference phenomenon caused by irradiating an alkali metal atom with a resonant light pair,
An atomic group generation unit for generating an alkali metal atom group including a plurality of gaseous alkali metal atoms having a substantially uniform velocity;
A light source that has coherence and generates first light and second light having different frequencies to irradiate the alkali metal atom group;
A light detection unit that generates a detection signal according to the intensity of light transmitted through the alkali metal atom group;
Based on the detection signal, the frequency of the first light and the second light are such that the first light and the second light form a resonant light pair that causes the alkali metal atom to absorb two-photons. An atomic oscillator comprising: a frequency control unit that controls at least one of light frequencies.
請求項1において、
前記周波数制御部は、
前記アルカリ金属原子の励起状態と第1の基底状態とのエネルギー差に相当する周波数
をω13、前記アルカリ金属原子の前記励起状態と第2の基底状態とのエネルギー差に相
当する周波数ω23とした時、前記第1の光の周波数がω13+Δ(Δ≠0)になるとと
もに前記第2の光の周波数がω23+Δになるように、前記第1の光の周波数及び前記第
2の光の周波数の少なくとも一方を制御する、原子発振器。
In claim 1,
The frequency control unit
The frequency corresponding to the energy difference between the excited state of the alkali metal atom and the first ground state is ω 13 , and the frequency ω 23 is equivalent to the energy difference between the excited state of the alkali metal atom and the second ground state. The frequency of the first light and the second light so that the frequency of the first light is ω 13 + Δ (Δ ≠ 0) and the frequency of the second light is ω 23 + Δ. An atomic oscillator that controls at least one of the frequencies of light.
請求項2において、
前記光源が発生する光の中心周波数を(ω13+ω23)/2+Δに設定する中心周波
数設定部を含み、
前記周波数制御部は、
前記検出信号に応じた周波数で発振する発振信号を生成する発振信号生成部と、
前記発振信号を所与の周波数変換率で周波数変換する周波数変換部と、を含み、
前記光源は、
中心周波数設定部が設定した前記中心周波数の光を、前記周波数変換部が周波数変換し
た信号によって周波数変調することにより前記第1の光と前記第2の光を発生させる、原
子発振器。
In claim 2,
A center frequency setting unit for setting a center frequency of light generated by the light source to (ω 13 + ω 23 ) / 2 + Δ;
The frequency control unit
An oscillation signal generator that generates an oscillation signal that oscillates at a frequency corresponding to the detection signal;
A frequency converter that converts the frequency of the oscillation signal at a given frequency conversion rate,
The light source is
An atomic oscillator that generates the first light and the second light by frequency-modulating light having the center frequency set by a center frequency setting unit with a signal frequency-converted by the frequency conversion unit.
請求項1乃至3のいずれかにおいて、
前記原子集団生成部は、
前記アルカリ金属原子を絶対零度近傍まで冷却することにより前記アルカリ金属原子集
団を生成する、原子発振器。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
The atomic group generation unit
An atomic oscillator that generates the alkali metal atom group by cooling the alkali metal atom to near absolute zero.
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