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CN102064828B - 原子振荡器 - Google Patents

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CN102064828B
CN102064828B CN201010546843.3A CN201010546843A CN102064828B CN 102064828 B CN102064828 B CN 102064828B CN 201010546843 A CN201010546843 A CN 201010546843A CN 102064828 B CN102064828 B CN 102064828B
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light
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    • H03L7/26—Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks
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Abstract

本发明通过提高设计自由度而提供结构比较简单的原子振荡器。原子振荡器(1)包含光源(10)、光检测单元(30)和控制单元(40)。光源(10)产生中心频率为f1且具有频率依次相差Δf的多个频率成分的第1光和中心频率为f2且具有频率依次相差Δf的多个频率成分的第2光。光检测单元(30)检测透射过碱金属原子的包含第1光以及第2光的光的强度。控制单元(40)根据光检测单元(30)的检测结果进行控制，使得第1光的规定频率成分与第2光的规定频率成分的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率相等。第1光的中心频率f1与第2光的中心频率f2的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率不同。

Description

原子振荡器
技术领域
本发明涉及原子振荡器。
背景技术
基于电磁诱导透明(EIT：Electromagnetically Induced Transparency)方式(有时也称为CPT(Coherent Population Trapping，相干布局囚禁)方式)的原子振荡器是利用以下现象的振荡器，即：当向碱金属原子同时照射波长(频率)不同的2种共振光时，2种共振光的吸收停止。
众所周知，如图13(A)所示，可使用∧型3能级系统模型来说明碱金属原子与2种共振光的相互作用机构。碱金属原子具有2个基态能级，当将以下的共振光1、或共振光2分别单独照射到碱金属原子时，众所周知会产生光吸收，其中，共振光1具有相当于基态能级1与激发能级之间的能量差的波长(频率f1)，共振光2具有相当于基态能级2与激发能级之间的能量差的波长(频率f2)。然而，如图13(B)所示，当向该碱金属原子同时照射频率差f1-f2与相当于基态能级1与基态能级2的能量差的频率精确地一致的共振光1和共振光2时，会成为2个基态能级的重合状态，即量子干涉状态，从而产生透明化(EIT)现象，即：向激发能级的激发停止，共振光1和共振光2透射过碱金属原子。利用该EIT现象，通过检测并控制共振光1与共振光2之间的频率差f1-f2偏离了相当于基态能级1与基态能级2的能量差的频率时的光吸收动作的急剧变化，能够制造高精度的振荡器。
图14是现有的基于CPT方式的原子振荡器的一般结构的概略图。如图14所示，在现有的基于CPT方式的原子振荡器中，利用相当于基态能级1与基态能级2的能量差ΔE12的频率的1/2即调制频率fm1来对由电流驱动电路产生的频率f0(＝v/λ0：v为光的速度，λ0为激光的中心波长)的驱动电流进行调制，由此使半导体激光器产生频率为f1＝f0+fm1的共振光1和频率为f2＝f0-fm1的共振光2(图13(B))，使原子气室(cell)中含有的气体状的碱金属原子产生EIT现象。该原子振荡器控制压控石英振荡器(VCXO：Voltage Controlled Crystal Oscillator)的振荡频率，使得透射过原子气室的光的检测量达到最大，并利用PLL(Phase Locked Loop：锁相环)以倍增率N/R(N、R均为正整数)对该振荡频率进行倍增，生成相当于ΔE12的频率的1/2即调制频率fm1的信号。根据这样的结构，压控石英振荡器(VCXO)极其稳定地持续进行振荡动作，所以能够产生频率稳定度极高的振荡信号。此外，这里所说的原子气室由气体状的碱金属原子和封入该碱金属原子的容器构成，随后将对其进行说明。
【专利文献1】美国专利第6320472号说明书
但是，在现有的原子振荡器中，必须特意准备直接或利用谐波来产生调制频率fm1的PLL等振荡器，因此，设计自由度受到限制，其中，该调制频率fm1与相当于ΔE12的频率(例如，如果是铯原子，则为9.19263…GHz)的1/2的频率精确地一致。
另外，在调制频率fm1与相当于ΔE12的频率的1/2的频率精确地一致的状态下是稳定的，所以在现有的原子振荡器中，根据PLL的倍增率N/R精度的不同，有时不能使压控石英振荡器(VCXO)精确地在期望的频率(公称频率)下进行振荡。因此还存在如下这样的情况：例如在压控石英振荡器(VCXO)的振荡频率为9.999MHz时，仅仅为了获得10MHz的公称频率，就需要高精度的频率变换电路，从而无法利用简单的结构来实现(参照图14)。
发明内容
本发明是鉴于上述问题点而完成的，根据本发明的几个方式，可通过提高设计自由度来提供结构比较简单的原子振荡器。
(1)本发明是利用通过向碱金属原子照射共振光对而产生的电磁诱导透明现象的原子振荡器，该原子振荡器具有：光源，其产生中心频率为f1的第1光和中心频率为f2的第2光，该第1光具有频率依次相差Δf的多个频率成分，该第2光具有频率依次相差Δf的多个频率成分；光检测单元，其检测透射过所述碱金属原子的包含所述第1光和所述第2光的光的强度；以及控制单元，其根据所述光检测单元的检测结果来进行控制，使得所述第1光的规定频率成分与所述第2光的规定频率成分的频率差与相当于所述碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率相等，其中，所述第1光的中心频率f1与所述第2光的中心频率f2的频率差不同于相当于所述碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率。
在现有的CPT方式的原子振荡器中，控制为使得2种共振光的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致，与此相对，在本发明的原子振荡器中，控制为使得第1光的规定频率成分与第2光的规定频率成分之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率相等。即，控制为使得第1光的规定频率成分和第2光的规定频率成分成为2种共振光(但是，不会出现第1光的中心频率f1与第2光的中心频率f2都为共振光的情况)。
总之，在本发明的原子振荡器中，以如下方式进行设计即可：使得第1光的除中心频率f1以外的规定频率成分与第2光的除中心频率f2以外的规定频率成分的对、或者第1光的中心频率f1与第2光的除中心频率f2以外的规定频率成分的对、或者第1光的除中心频率f1以外的规定频率成分与第2光的中心频率f2的对中的任意一对成为共振光对。
因此，根据本发明，与现有的原子振荡器相比，设计自由度得到提高，所以能够提供结构比较简单的原子振荡器。
(2)在该原子振荡器中，也可以是，所述控制单元具有：第1调制频率产生单元，其根据所述光检测单元的检测结果，产生具有第1调制频率fm1的第1信号；以及第2调制频率产生单元，其产生具有第2调制频率fm2的第2信号，所述光源根据所述第1信号以及所述第2信号来调制规定频率f0的信号，产生满足f1＝f0+fm1以及f2＝f0-fm1、且Δf＝fm2的所述第1光以及所述第2光。
在本发明的原子振荡器中，只要第1光的规定频率成分(f1+j×Δf)与第2光的规定频率成分(f2+k×Δf)之间的频率差、即(2×fm1+(j-k)×fm2)(j、k为整数，且j≠k)与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致即可。
因此，根据本发明，只要选择满足上述条件的第1调制频率fm1和第2调制频率fm2以便直接或采用简单的分频器等来获得期望的频率，就能够实现结构比较简单的原子振荡器。
(3)在该原子振荡器中，也可以是，所述第2调制频率产生单元对所述第1信号进行频率变换，产生所述第2信号。
(4)在该原子振荡器中，也可以是，所述第2调制频率产生单元与所述第1信号独立地在所述第2调制频率fm2下进行振荡。
(5)该原子振荡器还可以包含对所述第1信号进行频率变换来产生规定频率的信号的频率变换单元。
(6)在该原子振荡器中，也可以是，所述控制单元具有：第2调制频率产生单元，其根据所述光检测单元的检测结果来产生具有第2调制频率fm2的第2信号；第1调制频率产生单元，其对所述第2信号进行频率变换，产生具有第1调制频率fm1的第1信号，所述光源根据所述第1信号以及所述第2信号来调制规定频率f0的信号，产生满足f1＝f0+fm1以及f2＝f0-fm1、且Δf＝fm2的所述第1光以及所述第2光。
在本发明的原子振荡器中，只要第1光的规定频率成分(f1+j×Δf)与第2光的规定频率成分(f2+k×Δf)之间的频率差、即(2×fm1+(j-k)×fm2)(j、k为整数，且j≠k)与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致即可。
因此，根据本发明，只要选择满足上述条件的第1调制频率fm1和第2调制频率fm2以便直接或采用简单的分频器等来获得期望的频率，就能够实现结构比较简单的原子振荡器。
附图说明
图1是本实施方式的原子振荡器的功能框图。
图2(A)是示出碱金属原子的A型3能级模型与照射光1以及照射光2之间的关系的第1例的图，图2(B)是示出照射光1以及照射光2的频谱的第1例的图。
图3(A)是示出碱金属原子的Λ型3能级模型与照射光1以及照射光2之间的关系的第2例的图，图3(B)是示出照射光1以及照射光2的频谱的第2例的图。
图4(A)是示出碱金属原子的Λ型3能级模型与照射光1以及照射光2之间的关系的第3例的图，图4(B)是示出照射光1以及照射光2的频谱的第3例的图。
图5是示出第1实施方式的原子振荡器的结构的图。
图6是用于对第1实施方式的原子振荡器中的照射光1以及照射光2的一例进行说明的图。
图7是示出第1实施方式的原子振荡器中的第2调制频率产生电路的结构例的图。
图8是示出第1实施方式的原子振荡器的变形例的结构的图。
图9是示出第2实施方式的原子振荡器的结构的图。
图10是用于对第2实施方式的原子振荡器中的照射光1以及照射光2的一例进行说明的图。
图11是示出第2实施方式的原子振荡器中的第1调制频率产生电路的结构例的图。
图12是示出第3实施方式的原子振荡器的结构的图。
图13(A)是示意性地示出碱金属原子的能级的图，图13(B)是示出2种共振光的频谱的图。
图14是现有的基于CPT方式的原子振荡器的一般结构的概略图。
标号说明
1原子振荡器；10光源；20原子气室；30光检测单元；40控制单元；42第1调制频率产生单元；44第2调制频率产生单元；46频率变换单元；100A～100D原子振荡器；110半导体激光器；120原子气室；130光检测器；140检波电路；150低频振荡器；160电流驱动电路；170检波电路；180低频振荡器；190检波用调制电路；200第1调制频率产生电路；210第2调制频率产生电路；211频率设定部；212地址运算部；213波形存储器；214D/A转换器；215低通滤波器；220电子光学调制器(EOM)；230频率变换电路；300第1调制频率产生电路；301分频器；302相位比较器；303环路滤波器；304压控振荡器(VCO)；305分频器；310第2调制频率产生电路；410第2调制频率产生电路。
具体实施方式
下面，利用附图来详细说明本发明的优选实施方式。另外，以下说明的实施方式并不是要对权利要求中记载的本发明的内容进行不恰当的限定。并且，以下说明的所有结构不一定是本发明的必要技术特征。
图1是本实施方式的原子振荡器的功能框图。
本实施方式的原子振荡器1构成为包括：光源10、原子气室20、光检测单元30以及控制单元40。
光源10产生中心频率为f1的第1光和中心频率为f2的第2光，该第1光具有频率依次相差Δf的多个频率成分，该第2光具有频率依次相差Δf的多个频率成分。
在原子气室20中含有气体状的碱金属原子，由光源10照射第1光和第2光。以下，分别将第1光和第2光称为“照射光1”以及“照射光2”。
光检测单元30检测透射过碱金属原子的包含照射光1和照射光2的光的强度。
控制单元40根据光检测单元30的检测结果来进行控制，使得照射光1的规定频率成分与照射光2的规定频率成分之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率相等。其中，在本实施方式中，照射光1的中心频率f1与照射光2的中心频率f2之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率不同。
即，控制单元40控制为，使得照射光1的除中心频率f1以外的规定频率成分与照射光2的除中心频率f2以外的规定频率成分的对、或者照射光1的中心频率f1与照射光2的除中心频率f2以外的规定频率成分的对、或者照射光1的除中心频率f1以外的规定频率成分与照射光2的中心频率f2的对中的任意一对成为共振光对，且它们之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致。
如图1所示，这样的控制单元40可构成为包括：第1调制频率产生单元42和第2调制频率产生单元44。
例如，可以构成为，第1调制频率产生单元42根据光检测单元30的检测结果，产生具有第1调制频率fm1的第1信号，第2调制频率产生单元44产生具有第2调制频率fm2的第2信号。这里，第2调制频率产生单元44也可以对由第1调制频率产生单元42产生的第1信号进行频率变换来产生第2信号，还可以构成为与第1信号独立地在第2调制频率fm2下进行振荡。在后者的情况下，控制单元40还可以包括对第1信号进行频率变换来产生规定频率的信号的频率变换单元46。
另外，例如也可以构成为，第2调制频率产生单元44根据光检测单元30的检测结果来产生具有第2调制频率fm2的第2信号，第1调制频率产生单元42对由第2调制频率产生单元44产生的第2信号进行频率变换，来产生具有第1调制频率fm1的第1信号。
并且，无论在哪种情况下，光源10均只要根据由第1调制频率产生单元42产生的第1信号以及由第2调制频率产生单元44产生的第2信号，调制规定频率f0的信号，产生满足f1＝f0+fm1、f2＝f0-fm1且Δf＝fm2的照射光1和照射光2即可。
图2(A)和图2(B)、图3(A)和图3(B)、图4(A)和图4(B)分别是用于说明在本实施方式的原子振荡器中产生的照射光1以及照射光2的第1例、第2例、第3例的图。图2(A)、图3(A)以及图4(A)是示出碱金属原子的Λ型3能级模型与照射光1以及照射光2之间的关系的图，图2(B)、图3(B)、图4(B)是示出照射光1以及照射光2的频谱的图。
如图2(B)、图3(B)以及图4(B)所示，在第1例、第2例、第3例中，均是相对于频率f0(＝v/λ0)，在上侧边带存在照射光1、在下侧边带存在照射光2，该照射光1具有频率依次相差fm2的多个频率成分，该照射光2具有频率依次相差fm2的多个频率成分。照射光1的中心频率f1＝f0+fm1，照射光2的中心频率f2＝f0-fm1。
如图2(A)以及图2(B)所示，在第1例中，照射光1的频率成分f1-fm2与照射光2的频率成分f2+fm2之间的频率差与相当于碱金属原子的基态能级1与基态能级2之间的能量差ΔE12的频率相等。因此，碱金属原子将照射光1的频率成分f1-fm2和照射光2的频率成分f2+fm2作为共振光对，产生EIT现象。
如图3(A)以及图3(B)所示，在第2例中，照射光1的频率成分f1+fm2与照射光2的频率成分f2-fm2之间的频率差与相当于碱金属原子的基态能级1与基态能级2之间的能量差ΔE12的频率一致。因此，碱金属原子将照射光1的频率成分f1+fm2和照射光2的频率成分f2-fm2作为共振光对，产生EIT现象。
如图4(A)以及图4(B)所示，在第3例中，照射光1的中心频率f1与照射光2的频率成分f2+fm2之间的频率差与相当于碱金属原子的基态能级1与基态能级2之间的能量差ΔE12的频率一致。因此，碱金属原子将照射光1的中心频率f1和照射光2的频率成分f2+fm2作为共振光对，产生EIT现象。
下面，对本实施方式的原子振荡器的更具体的结构进行说明。
(1)第1实施方式
图5是示出第1实施方式的原子振荡器的结构的图。
如图5所示，第1实施方式的原子振荡器100A构成为包括：半导体激光器110、原子气室120、光检测器130、检波电路140、低频振荡器150、电流驱动电路160、检波电路170、低频振荡器180、检波用调制电路190、第1调制频率产生电路200以及第2调制频率产生电路210。
原子气室120是在容器中封入了气体状的碱金属原子(钠(Na)原子、铷(Rb)原子、铯(Cs)原子等)而成的。
当向该原子气室120同时照射具有与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致的频率差的共振光对时，碱金属原子会产生EIT现象。例如，如果碱金属原子是铯原子，则相当于D1线中的基态能级1与基态能级2的能量差的频率是9.19263…GHz，因此，当同时照射频率差为9.19263…GHz的共振光对时，会产生EIT现象。
半导体激光器110向原子气室120中含有的碱金属原子照射包含照射光1和照射光2的激光。具体而言，由电流驱动电路160输出的驱动电流来控制半导体激光器110射出的激光的中心频率f0(中心波长λ0)，并且，由第1调制频率产生电路200的输出信号(以下称为“第1调制信号”)以及第2调制频率产生电路210的输出信号(以下称为“第2调制信号”)来对半导体激光器110射出的激光实施调制。即，可通过将具有第1调制信号频率成分和第2调制信号频率成分的交流电流叠加在电流驱动电路160的驱动电流中，来对半导体激光器110射出的激光实施调制。
另外，半导体激光器110可以是端面发光激光器(Edge EmittingLaser)，也可以是垂直谐振腔面发光激光器(VCSEL：Vertical CavitySurface Emitting Laser)等面发光激光器。
光检测器130检测透射过原子气室120的光，输出与检测到的光量对应的信号强度的信号。光检测器130的输出信号被输入至检波电路140以及检波电路170。
检波电路140使用在几Hz～几百Hz左右的低频率下进行振荡的低频振荡器150的振荡信号，对光检测器130的输出信号进行同步检波。
电流驱动电路160产生与检波电路140的输出信号对应的大小的驱动电流，提供给半导体激光器110，控制激光的中心频率f0(中心波长λ0)。另外，为了能够进行检波电路140的同步检波，要将低频振荡器150的振荡信号(与提供给检波电路140的振荡信号相同)叠加在电流驱动电路160产生的驱动电流中。
由经过半导体激光器110、原子气室120、光检测器130、检波电路140、电流驱动电路160的反馈环路来对激光的中心频率f0(中心波长λ0)进行微调，使其稳定。
检波电路170使用在几Hz～几百Hz左右的低频率下进行振荡的低频振荡器180的振荡信号，对光检测器130的输出信号进行同步检波。
第1调制频率产生电路200产生具有与检波电路170的输出信号的电压对应的第1调制频率fm1的第1调制信号。
该第1调制信号由低频振荡器180的振荡信号(与提供给检波电路170的振荡信号相同)实施调制，并被提供给半导体激光器110。由此，在使第1调制频率fm1微微地扫频的同时，进行检波电路170的同步检波，对第1调制频率fm1进行微调，使得光检测器130的输出信号最大。
第1调制信号还被提供给第2调制频率产生电路210，第2调制频率产生电路210对第1调制信号进行频率变换，使其成为具有第2调制频率fm2的第2调制信号。
然后，利用第1调制信号和第2调制信号对半导体激光器110射出的激光施加调制，产生照射光1和照射光2。
另外，半导体激光器110、原子气室120、光检测器130分别对应于图1的光源10、原子气室20、光检测单元30。并且，由检波电路140、低频振荡器150、电流驱动电路160、检波电路170、低频振荡器180、检波用调制电路190、第1调制频率产生电路200以及第2调制频率产生电路210构成的电路对应于图1的控制单元40。另外，第1调制频率产生电路200和第2调制频率产生电路210分别对应于图1的第1调制频率产生单元42和第2调制频率产生单元44。
在这种结构的原子振荡器100A中，如果半导体激光器110射出的照射光1的规定频率成分与照射光2的规定频率成分之间的频率差不与相当于原子气室120中含有的碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率精确地一致，则碱金属原子不会产生EIT现象，所以，光检测器130的检测量是随照射光1与照射光2的频率而极敏感地变化的。因此，利用经过半导体激光器110、原子气室120、光检测器130、检波电路170以及第1调制频率产生电路200和检波用调制电路190或第2调制频率产生电路210的2个反馈环路，实施反馈控制，使得照射光1的规定频率成分与照射光2的规定频率成分之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率极精确地一致。其结果是，第1调制频率和第2调制频率成为极其稳定的频率，因此第1调制信号或第2调制信号可作为原子振荡器100A的输出信号(时钟输出)。
图6是用于说明第1实施方式的原子振荡器中的照射光1以及照射光2的一例的图。
图6所示的照射光1和照射光2之间的关系与图2(B)所示的照射光1和照射光2之间的关系相同，但也可以是图3(B)或图4(B)所示的关系等，即，只要满足以下关系即可：照射光1的规定频率成分与照射光2的规定频率成分之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差ΔE12的频率一致(其中，照射光1的中心频率f1与照射光2的中心频率f2的频率差与相当于ΔE12的频率不一致)。
根据原子振荡器100A，如图6所示，使中心频率为f1＝f0+fm1且频率依次相差fm2的照射光1整体和中心频率为f2＝f0-fm1且频率依次相差fm2的照射光2整体以相对于激光的中心频率f0(＝v/λ0)呈线对称的方式进行扫频，同时进行同步检波，稳定在2×(fm1-fm2)与相当于ΔE12的频率一致的状态。
如果碱金属原子是铯原子，则相当于ΔE12的频率是9.19263…GHz，所以，例如可设计为，使得稳定在fm1＝4.606315…GHz、fm2＝10MHz的状态。
在此情况下，第1调制频率产生电路200例如可由LC谐振器来实现，该LC谐振器可通过根据检波电路170的输出信号大小调节电感(L)或电容(C)，由此在4.6GHz附近改变谐振频率。另外，第2调制频率产生电路210例如可由直接数字式频率综合器(DDS：Direct DigitalSynthesizer)来实现，该直接数字式频率综合器对输入信号(第1调制信号)频率进行(10MHz/4.606315…GHz)倍的下变频而将其输出。
图7是示出原子振荡器100A中的第2调制频率产生电路210的结构例的图。
如图7所示，第2调制频率产生电路210构成为直接数字式频率综合器(DDS)，其包括频率设定部211、地址运算部212、波形存储器213、D/A转换器214以及低通滤波器215。
频率设定部211根据预先设定的频率数据(用于决定频率变换率的数据)来生成加法值数据。在上述例子的情况下，频率变换率是(10MHz/4.606315…GHz)。
地址运算部212与第1调制信号同步地将频率设定部211生成的加法值数据依次相加，由此计算相位角数据。具体而言，地址运算部212将上次的相位角数据与加法值数据相加来计算本次的相位角数据，生成相当于相位角数据的地址。地址运算部212可通过反复进行加法值数据的相加处理的p位累加器来实现，累加器的输出为地址。
在波形存储器213中存储有波形图案(例如正弦波)的相位角与振幅值之间的对应关系。具体而言，在波形存储器213中按地址顺序存储有以一定时间间隔(1周期/2p)对1个周期的波形图案进行采样而得到的2p个点的振幅值数据(数字数据)，从波形存储器213输出存储在由地址运算部生成的地址所指定的区域内的振幅值数据。
D/A转换器214对波形存储器213输出的振幅值数据进行D/A转换。D/A转换器214的输出信号是按照第1调制信号的每个周期而阶段性地变化的波形，因此，要由低通滤波器215对其进行平滑化而生成第2调制信号。
根据以上结构，第2调制频率产生电路210(DDS)针对频率设定部211生成的加法值数据M，输出具有第1调制频率的M/2p倍的频率的第2调制信号。因此，如果p足够大，则能够使第1调制频率近似精确地变为(10MHz/4.606315…GHz)倍，所以能够生成具有频率精度极高的10MHz的第2调制信号。
如上所述，在第1实施方式的原子振荡器中控制为，使得照射光1的规定频率成分(f1+j×fm2)与照射光2的规定频率成分(f2+k×fm2)的频率差、即(2×fm1+(j-k)×fm2)(j、k为整数、且j≠k)与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致。
因此，根据第1实施方式，为了使第1调制频率fm1或第2调制频率fm2成为期望的频率，只要选择满足上述条件的第1调制频率fm1和第2调制频率fm2即可，所以与现有的原子振荡器相比，设计自由度得到提高，因此能够提供结构比较简单的原子振荡器。
[变形例]
图8是示出第1实施方式的原子振荡器的变形例的结构的图。如图8所示，相对于图5所示的原子振荡器100A，在变形例的原子振荡器100B中追加了电子光学调制器(EOM：Electro-Optic Modulator)220。
如图8所示，在原子振荡器100B中，半导体激光器110未被施加基于具有第1调制频率fm1的第1调制信号的调制和基于具有第2调制频率fm2的第2调制信号的调制，向电子光学调制器(EOM)220射出频率f0的激光。
并且，由检波用调制电路190实施调制后的第1调制信号与第2调制信号共同被输入电子光学调制器(EOM)220。
电子光学调制器(EOM)220利用第1调制信号和第2调制信号对频率f0的激光进行调制。其结果是，透射过电子光学调制器(EOM)220而照射到原子气室120的光与图5所示的原子振荡器100A相同，在以f0为中心的上侧边带和下侧边带中分别产生中心频率为f1＝f0+fm1的照射光1和中心频率为f2＝f0-fm1的照射光2，该照射光1具有频率依次相差fm2的多个频率成分，该照射光2具有频率依次相差fm2的多个频率成分。
图8所示的原子振荡器100B的其他结构与图5所示的原子振荡器100A相同，所以标注相同的编号而省略其说明。
另外，半导体激光器110和电子光学调制器(EOM)220的结构对应于图1的光源10。其他的对应关系与图5所示的原子振荡器100A相同。
根据这样的结构，也能实现具有与图5所示的原子振荡器A相同的功能和效果的原子振荡器。
(2)第2实施方式
图9是示出第2实施方式的原子振荡器的结构的图。如图9所示，在第2实施方式的原子振荡器100C中，第1调制频率产生电路300和第2调制频率产生电路310之间的连接关系与图5所示的第1实施方式的原子振荡器100A中的第1调制频率产生电路200和第2调制频率产生电路210之间的连接关系相反。
在原子振荡器100C中，第2调制频率产生电路310产生第2调制信号，该第2调制信号具有与检波电路170的输出信号的电压对应的第2调制频率fm2。
该第2调制信号由低频振荡器180的振荡信号(与提供给检波电路170的振荡信号相同)实施调制，被提供给半导体激光器110。由此，在使第2调制频率fm2微微地扫频的同时，进行检波电路170的同步检波，对第2调制频率fm2进行微调，使得光检测器130的输出信号最大。
第2调制信号还被提供给第1调制频率产生电路300，第1调制频率产生电路300对第2调制信号进行频率变换，使其成为具有第1调制频率fm1的第1调制信号。
并且，半导体激光器110射出的激光由第1调制信号和第2调制信号实施调制，产生照射光1和照射光2。
图9所示的原子振荡器100C的其他结构与图5所示的原子振荡器100A相同，所以标注相同的编号而省略其说明。
另外，半导体激光器110、原子气室120、光检测器130分别对应于图1的光源10、原子气室20、光检测单元30。另外，由检波电路140、低频振荡器150、电流驱动电路160、检波电路170、低频振荡器180、检波用调制电路190、第1调制频率产生电路300以及第2调制频率产生电路310构成的电路对应于图1的控制单元40。另外，第1调制频率产生电路300和第2调制频率产生电路310分别对应于图1的第1调制频率产生单元42和第2调制频率产生单元44。
在这种结构的原子振荡器100C中，如果半导体激光器110射出的照射光1的规定频率成分与照射光2的规定频率成分之间的频率差不与相当于原子气室120中含有的碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率精确地一致，则碱金属原子不会引起EIT现象，因此，光检测器130的检测量是随照射光1与照射光2的频率而极敏感地变化的。因此，利用经过半导体激光器110、原子气室120、光检测器130、检波电路170以及第2调制频率产生电路310和检波用调制电路190或第1调制频率产生电路300的2个反馈环路，施加反馈控制，使得照射光1的规定频率成分与照射光2的规定频率成分之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率极精确地一致。其结果是，第1调制频率和第2调制频率成为极其稳定的频率，因此能够将第1调制信号及第2调制信号作为原子振荡器100C的输出信号(时钟输出)。
图10是用于说明第2实施方式的原子振荡器中的照射光1以及照射光2的一例的图。
图10所示的照射光1和照射光2之间的关系与图2(B)所示的照射光1与照射光2之间的关系相同，但也可以是图3(B)或图4(B)所示的关系等，即，只要满足以下关系即可：照射光1的规定频率成分与照射光2的规定频率成分之间的频率差与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差ΔE12的频率一致(其中，照射光1的中心频率f1和与照射光2的中心频率f2的频率差与相当于ΔE12的频率不一致)。
根据原子振荡器100C，如图10所示，使频率依次相差fm2的照射光1的各频率成分以相对于中心频率f1＝f0+fm1呈线对称的方式进行扫频，并且使频率依次相差fm2的照射光2的各频率成分以相对于中心频率f2＝f0-fm1呈线对称的方式进行扫频，同时进行同步检波，稳定在2×(fm1-fm2)与相当于ΔE12的频率一致的状态。
如果碱金属原子是铯原子，则相当于ΔE12的频率是9.19263…GHz，因此，例如可设计为，使得稳定在fm1＝4.606315…GHz、fm2＝10MHz的状态。
在此情况下，第2调制频率产生电路310例如可由压控石英振荡器(VCXO：Voltage Controlled Crystal Oscillator)来实现，该压控石英振荡器可根据检波电路170的输出信号的大小来调节石英振子的负载电容，由此改变振荡频率。另外，第1调制频率产生电路300例如可由PLL实现，该PLL可使输入信号(第2调制信号)的频率倍增为(4.606315…GHz/10MHz)倍。
图11是示出原子振荡器100C中的第1调制频率产生电路300的结构例的图。
如图11所示，第1调制频率产生电路300可构成为PLL，该PLL包括：分频器301、相位比较器302、环路滤波器303、压控振荡器(VCO：Voltage Controlled Oscillator)304、分频器305。
分频器301使第2调制信号的频率(第2调制频率fm2)成为1/R(R是预定的整数值)而将其输出。
相位比较器302将分频器301的输出信号与分频器305的输出信号之间的相位差变换为电压而将其输出。
环路滤波器303去除相位比较器302的输出电压中包含的高频成分(准确地说是使其衰减至一定电平以下)。
压控振荡器(VCO)304输出与环路滤波器303的输出电压对应的频率信号。
分频器305使压控振荡器(VCO)304的输出频率成为1/N(N是预定的整数值)而将其输出。
并且，压控振荡器(VCO)304的输出信号成为第1调制信号(具有第1调制频率fm1)。
根据这样的结构，通过进行反馈控制而使得输入相位比较器302的2个信号的频率一致、即fm2/R＝fm1/N，因此，能够获得满足fm1＝(N/R)×fm2的第1调制信号。
在要产生图2(A)以及图2(B)所示的照射光1和照射光2的情况下，如果碱金属原子是铯原子，则例如满足fm1＝4.606315…GHz、fm2＝10MHz即可，因此，只要以倍增率N/R为(4.606315…GHz/10MHz)的方式来确定N以及R即可。
另外，在要产生图3(A)以及图3(B)所示的照射光1和照射光2的情况下，如果碱金属原子是铯原子，则例如满足fm1＝4.586315…GHz、fm2＝10MHz即可，因此，只要以倍增率N/R为(4.586315…GHz/10MHz)的方式来确定N以及R即可。
另外，在要产生图4(A)以及图4(B)所示的照射光1和照射光2的情况下，如果碱金属原子是铯原子，则例如满足fm1＝4.601315…GHz、fm2＝10MHz即可，因此，只要以倍增率N/R为(4.601315…GHz/10MHz)的方式来确定N以及R即可。
如上所述，在第2实施方式的原子振荡器中，与第1实施方式相同地施加控制，使得照射光1的规定频率成分(f1+j×fm2)与照射光2的规定频率成分(f2+k×fm2)之间的频率差、即(2×fm1+(j-k)×fm2)(j、k是整数，且j≠k)与相当于碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率一致。
因此，根据第2实施方式，为了使第1调制频率fm1或第2调制频率fm2成为期望的频率，只要选择满足上述条件的第1调制频率fm1和第2调制频率fm2即可，所以与现有的原子振荡器相比，设计自由度得到提高，因此能够提供结构比较简单的原子振荡器。
另外，在第2实施方式中，如果将第2调制频率fm2确定为MHz频带的频率，则可利用MHz频带的电路来实现第2调制频率产生电路310及检波用调制电路190，因此能够大幅度地省略要求高度设计技术的微波电路设计。
(3)第3实施方式
图12是示出第3实施方式的原子振荡器的结构的图。如图12所示，第3实施方式的原子振荡器100D与图5所示的第1实施方式的原子振荡器100A的不同之处在于，第1调制频率产生电路200的第1调制信号未被输入至第2调制频率产生电路410。另外，在第3实施方式的原子振荡器100D中追加了频率变换电路230。
在原子振荡器100D中，第2调制频率产生电路410与由第1调制频率产生电路200产生的第1调制信号独立地产生第2调制信号，该第2调制信号具有第2调制频率fm2。第2调制频率产生电路410例如可由石英振荡器(XO：Crystal Oscillator)来实现，该石英振荡器的负载电容被调节成使得石英振子在频率fm2下进行振荡。
并且，半导体激光器110射出的激光由第1调制信号和第2调制信号进行调制，产生照射光1和照射光2。
频率变换电路230对第1调制信号进行频率变换，使其成为期望的频率信号。频率变换电路230例如可由直接数字式频率综合器(DDS)来实现。
图12所示的原子振荡器100D中的其他结构与图5所示的原子振荡器100A相同，所以标注相同的编号而省略其说明。
另外，半导体激光器110、原子气室120、光检测器130分别对应于图1的光源10、原子气室20、光检测单元30。并且，由检波电路140、低频振荡器150、电流驱动电路160、检波电路170、低频振荡器180、检波用调制电路190、第1调制频率产生电路200以及第2调制频率产生电路410构成的电路对应于图1的控制单元40。并且，第1调制频率产生电路200、第2调制频率产生电路410、频率变换电路230分别对应于图1的第1调制频率产生单元42、第2调制频率产生单元44、频率变换单元46。
根据这种结构的原子振荡器100D，由于第2调制频率fm2被固定，所以是对第1调制频率fm1进行微调而将第1调制频率fm1变换为期望的频率后将其输出，由此使碱金属原子产生EIT现象。因此，根据第3实施方式，为了获得期望的频率，可以在某种程度上自由地选择第1调制频率fm1、第2调制频率fm2、与频率变换电路230的频率变换率的组合，所以能够提高设计自由度。
另外，例如在照射光1和照射光2处于图2(A)以及图2(B)所示的关系、且碱金属原子是铯原子的情况下，如果第2调制信号的频率(第2调制频率fm2)相对于10MHz在±1kHz(±100ppm)的范围内变动，则第1调制信号的频率(第1调制频率fm1)相对于4.606315…GHz在±1kHz(小于±1ppm)的范围内变动。因此，如果将频率变换电路230的频率变换率设定为(10MHz/4.606315…GHz)，则相对于10MHz可获得小于±1ppm的频率精度的输出信号。即，相对于第2调制信号的频率精度(±100ppm)，可获得其100倍以上的频率精度的输出信号。
这样，根据第3实施方式的原子振荡器，可利用碱金属原子的EIT现象来显著提高输出信号的频率精度。
另外，在第3实施方式的原子振荡器中，如果例如由压控石英振荡器(VCXO)来实现第2调制频率产生电路410，则能够变更第2调制频率，频率变换电路230的输出信号成为与第2调制频率对应的频率。即，能够实现输出频率可变的原子振荡器。
另外，本发明不限于本实施方式，在本发明的主旨范围内可实施各种变形。
例如，在第1实施方式及其变形例的原子振荡器中，第2调制频率产生电路210是由直接数字式频率综合器(DDS)来实现的，但也可以由PLL来实现。
此外，例如，在第2实施方式的原子振荡器中，第1调制频率产生电路300是由PLL来实现的，但也可以由附带倍增功能的直接数字式频率综合器(DDS)来实现。
本发明包含与实施方式中说明的结构实质上相同的结构(例如，功能、方法及结果相同的结构、或者目的及效果相同的结构)。并且，本发明包含对实施方式中说明的结构中的非本质部分进行置换后的结构。并且，本发明包含可起到与实施方式中说明的结构相同的作用效果的结构、或可实现相同目的的结构。另外，本发明包含对实施方式中说明的结构添加了公知技术后的结构。

Claims (6)

1.一种原子振荡器，其利用通过向碱金属原子照射共振光对而产生的电磁诱导透明现象，该原子振荡器具有：
光源，其产生中心频率为f1的第1光和中心频率为f2的第2光，该第1光具有频率依次相差Δf的多个频率成分，该第2光具有频率依次相差Δf的多个频率成分；
光检测单元，其检测透射过所述碱金属原子的包含所述第1光和所述第2光的光的强度；以及
控制单元，其根据所述光检测单元的检测结果来进行控制，使得所述第1光的规定频率成分与所述第2光的规定频率成分之间的频率差与相当于所述碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率相等，
其中，所述第1光的中心频率f1与所述第2光的中心频率f2之间的频率差与相当于所述碱金属原子的2个基态能级的能量差的频率不同，
所述第1光的除中心频率f1以外的规定频率成分与所述第2光的除中心频率f2以外的规定频率成分的对、或者所述第1光的中心频率f1与所述第2光的除中心频率f2以外的规定频率成分的对、或者所述第1光的除中心频率f1以外的规定频率成分与所述第2光的中心频率f2的对中的任意一对成为共振光对。
2.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，
所述控制单元具有：
第1调制频率产生单元，其根据所述光检测单元的检测结果，产生具有第1调制频率fm1的第1信号；以及
第2调制频率产生单元，其产生具有第2调制频率fm2的第2信号，
所述光源根据所述第1信号以及所述第2信号来调制规定频率f0的信号，产生满足f1=f0+fm1以及f2=f0-fm1、且Δf=fm2的所述第1光以及所述第2光。
3.根据权利要求2所述的原子振荡器，其中，
所述第2调制频率产生单元对所述第1信号进行频率变换，产生所述第2信号。
4.根据权利要求2所述的原子振荡器，其中，
所述第2调制频率产生单元与所述第1信号独立地在所述第2调制频率fm2下进行振荡。
5.根据权利要求4所述的原子振荡器，其中，
该原子振荡器具有对所述第1信号进行频率变换来产生规定频率的信号的频率变换单元。
6.根据权利要求1所述的原子振荡器，其中，
所述控制单元具有：
第2调制频率产生单元，其根据所述光检测单元的检测结果来产生具有第2调制频率fm2的第2信号；
第1调制频率产生单元，其对所述第2信号进行频率变换，产生具有第1调制频率fm1的第1信号，
所述光源根据所述第1信号以及所述第2信号来调制规定频率f0的信号，产生满足f1=f0+fm1以及f2=f0-fm1、且Δf=fm2的所述第1光以及所述第2光。
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