专利名称：原子振荡器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对原子振荡器的光源进行控制的方法，更加详细来说，涉及一种对用于使由于原子振荡器的吸收增益可变而导致的吸收俘获稳定的、原子振荡器的光源进行控制的方法。
背景技术：
应用了电磁诱导透明方式(也被称为EIT(Electromagnetically Induced Transparency)方式、CPT (Coherent Population Trapping)方式)白勺原子IS荡器为，禾ll用了如下现象(EIT现象)的振荡器，即，当向碱金属原子同时照射波长不同的两种共振光时， 两种共振光的吸收将停止。所以，稳定地获得EIT现象十分重要。已知碱金属原子和两种共振光之间的相互作用机理可以如图7(A)所示，通过Λ 型三能级系统模型来进行说明。碱金属原子具备两个基态能级，当向碱金属原子分别单独地照射具有相当于第1基态能级33与激发态能级30之间的能量差的波长(频率fl)的第 1共振光31、或者具有相当于第2基态能级34与激发态能级30之间的能量差的波长(频率f2)的第2共振光32时，如所公知的这样会发生光吸收。但是，如图7(B)所示，当向该碱金属原子同时照射频率差fl-f2与相当于第1基态能级33和第2基态能级34之间的能量差ΔE12的频率(跃迁频率)准确一致的、第1共振光31和第2共振光32时，将成为两个基态能级的叠加状态、即量子干涉状态，从而向激发态能级30的激发将停止而产生第1 共振光31和第2共振光32透过碱金属原子的透明化现象(EIT现象)。通过利用该EIT现象，对第1共振光31与第2共振光32的频率差fl-f2从相当于第1基态能级33与第2基态能级34的能量差的频率发生了偏移时的、光吸收行为的剧烈变化进行检测和控制， 从而能够制造出高精度的振荡器。现有的应用了 CPT方式的原子振荡器为，通过对由电流驱动电路所产生的频率 fo( = V/ λ “V为光的速度、λ 0为激光的中心波长)的驱动电流，以相当于第1基态能级33 与第2基态能级34之间的能量差ΔΕ12的频率(跃迁频率)的1/2的调制频率fml进行调制，从而使半导体激光器产生频率为fl = fo+fml的第1共振光31和频率为f2 = f0-fml 的第2共振光32(图7(B))，由此使包含于原子化池中的气体状的碱金属原子产生EIT现象。该原子振荡器对压控晶体振荡器(VCXO)的振荡频率进行控制，以使透过原子化池后的光的检测量成为最大，并通过PLL以倍增率N/R(N、R均为正整数)使该振荡频率倍增而生成相当于AE12的频率的1/2的调制频率fml的信号。根据此种结构，由于压控晶体振荡器 (VCXO)极为稳定地持续振荡动作，所以能够产生频率稳定度极高的振荡信号。作为现有技术，在专利文献1中，公开了一种以低频信号对通向半导体激光器的偏置电流进行调制，从而使吸收稳定化的电路结构(参照图8)。依据该结构，为了使半导体激光的中心波长(载波频率)稳定，使用锁定放大器(同步检波电路)并通过对该锁定放大器的输出信号进行模拟性反馈，从而控制半导体激光的中心波长。即，由于锁定放大器作为窄带滤波器而发挥功能，从而仅对反馈控制所需要的成分进行检测，所以能够实现高精度的频率控制。但是，专利文献1所公开的现有技术，如图7⑶所示，通过对由电流驱动电路所产生的频率fo ( = V/ λ ^ :v为光的速度、λ ^为激光的中心波长)的驱动电流以相当于第1基态能级33与第2基态能级34之间的能量差△ E12的频率的1/2的调制频率fml进行调制， 从而使半导体激光器产生频率为fl = fo+fml的第1共振光31和频率为f2 = f0-fml的第2共振光32，从而使包含在原子化池中的气体状的碱金属原子产生EIT现象。此外，虽然在EIT现象中，包含于原子化池中的碱金属原子的数量越多，有助于EIT现象的原子数就越多，从而能够通过光检测器检测出的光的能级越大，但由于近年来存在小型化、低消耗化的要求，从而在包含于原子化池中的碱金属原子的数量减少时，有助于EIT现象的原子数也将变少，进而存在所检测出的光的能级下降并导致S/N恶化的问题。在先技术文献专利文献1 美国专利第6320472号
发明内容
本发明是鉴于所述课题而进行的，其以提供一种如下的原子振荡器为目的，即，利用碱金属原子存在同位素这一点，通过向混合了碱金属原子和该碱金属原子的同位素的气体照射多种光，从而提高由光检测器所检测出的光的能级，进而改善了 S/N，其中，所述多种光包括具有频率不同的两个频率成分的第1对共振光、和具有频率不同的两个频率成分的第2对共振光。本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而进行的，其能够通过如下的方式或者应用例来实现。[应用例1]一种原子振荡器，其特征在于，所述原子振荡器利用了通过向碱金属原子照射一对共振光而产生的电磁诱导透明现象，并具备气体，其为混合了所述碱金属原子和所述碱金属原子的同位素的气体；光源，其向所述气体照射多种光，所述多种光具有可干涉性(相干性)，并包括具有频率不同的两个频率成分的第1对共振光，和具有频率不同的两个频率成分的第2对共振光；光检测部，其生成与透过所述气体后的光的强度相对应的检测信号；频率控制部，其根据所述检测信号，对所述第1对共振光的两个频率成分的频率差进行控制以使所述碱金属原子产生电磁诱导透明现象，并对所述第2对共振光的两个频率成分的频率差进行控制以使所述碱金属原子的同位素产生电磁诱导透明现象。为了产生至少四个(两对共振光)共振光，考虑到如下方案，即，对从相干性光源出射的共振光进行调制，使其产生边带，并利用其频谱。并且，共振光的调制频率需要与相当于所述ΔΕ12的频率的1/2的频率相等。所以，在本发明中，准备混合了碱金属原子和该碱金属原子的同位素的气体，并由频率控制部对两对共振光各自的频率差进行控制。由此， 能够从相干性光源出射的共振光，生成具有维持了相当于所述ΔΕ12的频率的1/2的频率的、四个频谱的共振光。[应用例2]本应用例的特征在于，所述碱金属原子为质量数85的铷，而所述碱金属原子的同位素为质量数87的铷。铷的同位素已知有M种。天然存在的铷具有天然丰度为72. 2%的稳定同位素 85Rb和天然丰度为27. 8%的放射性同位素87Rb这两种。即，虽然85Rb和87Rb的中心波长分别共通，即Dl线为795nm、D2线为780nm，但各自的跃迁频率为两种，即85Rb为6. 8GHz、 87Rb为3. OGHz0由此，能够通过一束激光产生两种边带，从而能够增多有助于EIT现象的原子数。[应用例3]本应用例的特征在于，所述频率控制部具备相位调制部，其以预定的频率对压控晶体振荡器的输出信号进行相位调制；第1频率倍增部，其将被该相位调制部进行了相位调制后的信号倍增为与所述碱金属原子的跃迁频率的1/2相等的频率；第2频率倍增部，其将被该相位调制部进行了相位调制后的信号的频率倍增为，与所述碱金属原子的同位素的跃迁频率的1/2相等的频率；混频器，其对被所述第1频率倍增部倍增后的信号和被所述第2频率倍增部倍增后的信号进行混频。本发明所涉及的原子振荡器的另外一个特征在于频率控制部的结构。即，为了控制两种跃迁频率，从而具备第1频率倍增部，其将被相位调制部进行了调制后的信号的频率倍增为，与第1对共振光的跃迁频率的1/2相等的频率；第2频率倍增部，其将被相位调制部进行了调制后的信号的频率倍增为，与第2对共振光的跃迁频率的1/2相等的频率。并且，需要对这些第1、第2频率倍增部的各自的输出信号进行混频的混频器。由此，能够将碱金属原子和其同位素的跃迁频率合成为一个从而激发光源。[应用例4]本实施例的特征在于，在所述第1频率倍增部以及所述第2频率倍增部上分别具备所述相位调制部，且在某一方的所述相位调制部上具备用于使相位移转的移相器。虽然能够共用相位调制部来驱动两个频率倍增部，但存在由于构件的误差等而导致相互的相位发生错位的可能性。所以，当发生该现象时，需要使相位移转而进行相位同位。所以，在本发明中，在某一方的相位调制部上具备用于使相位移转的移相器。由此，能够准确且迅速地进行同步检波。[应用例5]本应用例的特征在于，在所述第1频率倍增部以及所述第2频率倍增部上分别具备所述相位调制部，且在某一方的所述相位调制部上具备用于对信号的振幅进行调节的振幅调节器。两个频率倍增部的输出能级会影响检波后的误差电压的斜率。所以，理想情况下， 优选两个频率倍增部的输出能级相等。所以，在本发明中，在某一方的相位调制部上具备用于对振幅进行调节的振幅调节器。由此，能够准确且迅速地进行同步检波。[应用例6]本应用例的特征在于，所述光源具备电光调制器(EOM)。为了对光进行调制，从而需要电光调制元件。但是，当增加频谱的数量时，必须增加对应量的电光调制元件的数量，从而存在成本增高且构件数量增加的问题。所以，在本发明中，将混频器的输出信号作为调制信号而向一个电光调制元件输入，从而对从光源出射的光进行调制。由此，能够将电光调制元件的数量设定于最小限度，从而减少构件数量。
图1为用于对EIT现象的基本动作进行说明的图。图2为用于对本发明的基本原理进行说明的图。图3为表示本发明的第1实施方式所涉及的原子振荡器的结构的框图。图4为表示本发明的第2实施方式所涉及的原子振荡器的结构的框图。
图5为表示本发明的第3实施方式所涉及的原子振荡器的结构的框图。图6为表示本发明的第4实施方式所涉及的原子振荡器的结构的框图。图7为对碱金属原子和两个共振光之间的相互作用机理进行说明的图。图8为表示专利文献1所公开的原子振荡器的电路结构的图。符号说明1 光源(LD)2 气室3 光检测部(PD)4 增幅器(AMP)5:同步控制部6 压控晶体振荡器7 相位调制部8 第1频率倍增部9 第2频率倍增部10:混频器11 光源部12 频率控制部13 移相器14 滤波器15 乘法器16 移相器17 低频振荡器18:中心波长设定部19 振幅调节器20 电光调制器(EOM)50 53 原子振荡器
具体实施例方式以下，利用图示的实施方式对本发明进行详细说明。但是，只要没有对本实施方式所记载的结构要素、种类、组合、形状及其相对配置等进行特殊的记载，则均不表示将本发明的范围限定于该实施方式，而仅表示为说明示例。图1为用于对EIT现象的基本动作进行说明的图。首先，当开启装置的电源时， 中心波长设定部18将设定光源(LD)I的中心波长，以使图3中的光检测部(PD) 3的输出成为最大(参照图1(a))。当放大EIT信号48时，将得到如图1(b)中的这种信号。S卩，在波形40为解锁状态时，相位调制的中心频率处于从EIT信号48的峰值偏移的状态，从而增幅器(AMP)4的输出以IllHz为周期进行波动(波形40)。在解锁(非同步)状态下，因为PLL8、9(第1、第2频率倍增部)的中心频率未被锁定在跃迁频率的1/2，所以在AMP4 的输出中只产生低频振荡器17的成分(IllHz)。所以，AMP4的输出被反馈控制成，低频振荡器17(111Ηζ)的2倍的成分022Hz)成为最大，从而如图1 (b)中的波形41所示，光源部11的输出信号的频率被准确地锁定为，与跃迁频率(相当于所述ΔΕ12的频率)的1/2 的频率相等。即，相位调制的中心频率与EIT信号48的峰值相一致。此时，同步控制输出信号产生如图1(c)这样的同步控制电压42。对压控晶体振荡器6进行反馈控制，以使该同步控制电压42成为0V，从而PLL8、9(第1、第2频率倍增部)的中心频率被准确锁定为跃迁频率的1/2。图1(d)为用于对频率的稳定度进行说明的图，稳定度δ (τ)被表示为， δ ( τ ) =1/ (Q · S/N · τ )。即，在半峰宽相同的波形43和44中，波形43与波形44相比S为2倍，其结果为，稳定度δ为2倍。图2为用于对本发明的基本原理进行说明的图。图2 (a)为表示本发明的PD的输出信号、与被输入至光源的微波的频率之间的关系的图。本发明为如下的原子振荡器，即， 利用碱金属原子存在同位素这一点，通过向混合了碱金属原子和该碱金属原子的同位素的气体照射多种光，而提高由光检测部(PD) 3所吸收的光的能级，从而改善了 S/N的原子振荡器，其中，所述多种光包括具有频率不同的两个频率成分的第1对共振光、和具有频率不同的两个频率成分的第2对共振光。例如，当使用铷时，碱金属原子为质量数85的铷(85Rb)，碱金属原子的同位素为质量数87的铷(87Rb)。铷的同位素已知有M种。天然存在的铷具有天然丰度为72. 2% 的稳定同位素85Rb和天然丰度为27. 8%的放射性同位素87Rb这两种。此时的中心频率中的、光检测部(PD)3的输出信号能级的关系为，87Rb的EIT波谱47最低，85Rb的EIT波谱 46高于87Rb。并且，通过将两者合成，能够使EIT波谱45更大。并且，从图2(b)以及(c) 可以明确看出，虽然85 和87 的中心波长分别共通，即Dl线为795nm、D2线为780nm， 但各自的跃迁频率为，85Rb为约6. 8GHz、87Rb为约3. OGHz这两种。由此，能够通过一束激光产生两种边带，从而能够增多有助于EIT现象的原子数。图3为表示本发明的第1实施方式所涉及的原子振荡器的结构的框图。该原子振荡器50在大体区分时被构成为，具备气室2，其封入有混合了碱金属原子和该碱金属原子的同位素的气体；光源(LD) 1，其向气体照射具有可干涉性(相干性)的多种光，所述多种光包括具有频率不同的两个频率成分的第1对共振光、和具有频率不同的两个频率成分的第2对共振光；光检测部(PD) 3，其生成与透过气体后的光的强度相对应的检测信号；频率控制部12，其根据检测信号，对第1对共振光的频率差进行控制以使碱金属原子产生电磁诱导透明现象(以下，称为EIT现象)，并对第2对共振光的频率差进行控制以使碱金属原子的同位素产生EIT现象。并且，频率控制部12具备相位调制部7，其以预定的频率对压控晶体振荡器6的输出信号进行相位调制；第1频率倍增部8，其将被相位调制部7进行了相位调制后的信号倍增为与碱金属原子的跃迁频率的1/2相等的频率；第2频率倍增部9，其将被相位调制部 7进行了相位调制后的信号的频率倍增为与碱金属原子的同位素的跃迁频率的1/2相等的频率；混频器10，其对被第1频率倍增部8倍增后的信号和被第2频率倍增部9倍增后的信号进行混频。并且，同步控制部5具备低频振荡器17，其以预定的频率进行振荡；移相器16 ；乘法器15，其将光检测部(PD) 3的信号与移相器16的信号相乘；滤波器14，其从乘法器15的输出中提取直流成分。即，为了产生至少四个(两对共振光)共振光，考虑到如下方案，即，对从光源1出射的共振光进行调制，使其产生边带，并利用其频谱。并且，对共振光进行调制的频率需要与跃迁频率的1/2的频率相等。所以，在本实施方式中，将混合了碱金属原子、该碱金属原子的同位素的气体密封于气室2中，而频率控制部12对两对共振光分别控制频率成分的频率差。由此，能够通过从光源1出射的共振光，生成具有与碱金属原子的跃迁频率和碱金属原子的同位素的跃迁频率相对应的四个频率成分的共振光。图4为表示本发明的第2实施方式所涉及的原子振荡器的结构的框图。对于相同的结构要素，标注与图3相同的参照符号并省略其说明。该原子振荡器51与图3中的原子振荡器50的不同点在于，在第1频率倍增部8以及第2频率倍增部9上分别具备相位调制部7a、7b，且在某一方(在图4中为7b)的相位调制部上具有用于使相位移转的移相器13。 即，虽然能够共用相位调制部7来驱动两个频率倍增部8、9，但存在由于构件的误差等而导致相互的相位发生错位的可能性。所以，当发生该现象时，需要使相位移转而进行相位同位。所以，在本实施方式中，在相位调制部7b上具备用于使相位移转的移相器13。由此，能够准确且迅速地进行同步检波。图5为表示本发明的第3实施方式所涉及的原子振荡器的结构的框图。对于相同的结构要素，标注与图3相同的参照符号并省略其说明。该原子振荡器52与图3中的原子振荡器50的不同点在于，在第1频率倍增部8以及第2频率倍增部9上分别具备相位调制部7a、7b，且在某一方(在图5中为7b)的相位调制部7b上具有用于对信号的振幅进行调节的振幅调节器19。即，两个相位调制部8、9的输出中的相位调制度会影响检波后的误差电压的斜率(参照图1 (C))。所以，在理想情况下优选为，两个频率倍增部8、9的相位调制度相同。所以，在本实施方式中，在相位调制部7b上具备用于对调制信号的振幅进行调节的振幅调节器19。由此，能够准确且迅速地进行同步检波。图6为表示本发明的第4实施方式所涉及的原子振荡器的结构的框图。对于相同的结构要素，标注与图3相同的参照符号并省略其说明。该原子振荡器53与图3中的原子振荡器50的不同点在于，具备对包括从光源1出射的第1对共振光和第2对共振光在内的多种光进行调制的电光调制器(EOM) 20。即，为了对光进行调制，需要电光调制器20。但是， 当增加频谱的数量时，必须增加相对应量的电光调制器20的数量，从而存在成本较高且构件数量增加的问题。所以，在本实施方式中，由混频器10对第1频率倍增部8的输出信号和第2频率倍增部9的输出信号进行混频，并将混频器10的输出信号作为调制信号而供给至一个电光调制器20中。从光源1入射至电光调制器20中的光被所述调制信号调制，再从电光调制器20出射。由此，能够将电光调制器20的数量设定于最小限度，从而减少构件数量。
权利要求
1.一种原子振荡器，其特征在于，所述原子振荡器利用了通过向气体状的金属原子照射一对共振光而产生的电磁诱导透明现象，并具备混合气体，其为混合了所述金属原子和所述金属原子的同位素的气体； 光源，其向所述混合气体照射光，所述光包括使所述金属原子产生电磁诱导透明现象的第1对共振光；使所述金属原子的同位素产生电磁诱导透明现象的第2对共振光； 光检测部，其生成与透过所述混合气体后的光的强度相对应的检测信号； 频率控制部，其根据所述检测信号，对所述第1对共振光的频率差进行控制，并对所述第2对共振光的频率差进行控制。
2.如权利要求1所述的原子振荡器，其特征在于， 所述频率控制部具备相位调制部，其以预定的频率对压控晶体振荡器的输出信号进行相位调制； 第1频率倍增部，其将被该相位调制部进行了相位调制后的信号的中心频率倍增为， 与所述金属原子的跃迁频率的1/2相等的频率；第2频率倍增部，其将被该相位调制部进行了相位调制后的信号的中心频率倍增为， 与所述金属原子的同位素的跃迁频率的1/2相等的频率；混频器，其对被所述第1频率倍增部倍增后的信号和被所述第2频率倍增部倍增后的信号进行混频。
3.如权利要求2所述的原子振荡器，其特征在于，在所述第1频率倍增部以及所述第2频率倍增部上分别具备所述相位调制部，且在某一方的所述相位调制部上具备用于使相位移转的移相器。
4.如权利要求2所述的原子振荡器，其特征在于，在所述第1频率倍增部以及所述第2频率倍增部上分别具备所述相位调制部，且在某一方的所述相位调制部上具备用于对信号的振幅进行调节的振幅调节器。
5.如权利要求2所述的原子振荡器，其特征在于， 所述光源具备电光调制器。
6.如权利要求1所述的原子振荡器，其特征在于，所述金属原子为质量数85的铷，而所述金属原子的同位素为质量数87的铷。
全文摘要
本发明提供一种提高由光检测器所吸收的光的能级从而改善了S/N的原子振荡器。该原子振荡器(50)在大体上区分时被构成为，具备气室(2)，其封入有混合了碱金属原子和该碱金属原子的同位素的气体；光源(LD)(1)，其向气体照射多种光，所述多种光具有可干涉性(相干性)，并包括相对于一个中心频率具有两个不同频率成分的第1对共振光、和相对于一个中心频率具有两个不同的频率成分的第2对共振光；光检测部(PD)(3)，其生成与透过气体后的光的强度相对应的检测信号；频率控制部(12)，其根据检测信号的强度，对第1对共振光的频率进行控制以使碱金属原子产生电磁诱导透明现象(以下，称为EIT现象)，且对第2对共振光的频率进行控制以使碱金属原子的同位素产生EIT现象。
文档编号H03L7/26GK102291135SQ20111016874
公开日2011年12月21日 申请日期2011年6月17日 优先权日2010年6月21日
发明者吉田啓之, 牧义之, 田中良明 申请人:精工爱普生株式会社