專利名稱：原子振蕩器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種對原子振蕩器的光源進行控制的方法，更加詳細來說，涉及一種對用于使由于原子振蕩器的吸收增益可變而導致的吸收俘獲穩定的、原子振蕩器的光源進行控制的方法。
背景技術：
應用了電磁誘導透明方式(也被稱為EIT(Electromagnetically Induced Transparency)方式、CPT (Coherent Population Trapping)方式)白勺原子IS蕩器為，禾ll用了如下現象(EIT現象)的振蕩器，即，當向堿金屬原子同時照射波長不同的兩種共振光時， 兩種共振光的吸收將停止。所以，穩定地獲得EIT現象十分重要。已知堿金屬原子和兩種共振光之間的相互作用機理可以如圖7(A)所示，通過Λ 型三能級系統模型來進行說明。堿金屬原子具備兩個基態能級，當向堿金屬原子分別單獨地照射具有相當于第1基態能級33與激發態能級30之間的能量差的波長(頻率fl)的第 1共振光31、或者具有相當于第2基態能級34與激發態能級30之間的能量差的波長(頻率f2)的第2共振光32時，如所公知的這樣會發生光吸收。但是，如圖7(B)所示，當向該堿金屬原子同時照射頻率差fl-f2與相當于第1基態能級33和第2基態能級34之間的能量差ΔE12的頻率(躍遷頻率)準確一致的、第1共振光31和第2共振光32時，將成為兩個基態能級的疊加狀態、即量子干涉狀態，從而向激發態能級30的激發將停止而產生第1 共振光31和第2共振光32透過堿金屬原子的透明化現象(EIT現象)。通過利用該EIT現象，對第1共振光31與第2共振光32的頻率差fl-f2從相當于第1基態能級33與第2基態能級34的能量差的頻率發生了偏移時的、光吸收行為的劇烈變化進行檢測和控制， 從而能夠制造出高精度的振蕩器。現有的應用了 CPT方式的原子振蕩器為，通過對由電流驅動電路所產生的頻率 fo( = V/ λ “V為光的速度、λ 0為激光的中心波長)的驅動電流，以相當于第1基態能級33 與第2基態能級34之間的能量差ΔΕ12的頻率(躍遷頻率)的1/2的調制頻率fml進行調制，從而使半導體激光器產生頻率為fl = fo+fml的第1共振光31和頻率為f2 = f0-fml 的第2共振光32(圖7(B))，由此使包含于原子化池中的氣體狀的堿金屬原子產生EIT現象。該原子振蕩器對壓控晶體振蕩器(VCXO)的振蕩頻率進行控制，以使透過原子化池后的光的檢測量成為最大，并通過PLL以倍增率N/R(N、R均為正整數)使該振蕩頻率倍增而生成相當于AE12的頻率的1/2的調制頻率fml的信號。根據此種結構，由于壓控晶體振蕩器 (VCXO)極為穩定地持續振蕩動作，所以能夠產生頻率穩定度極高的振蕩信號。作為現有技術，在專利文獻1中，公開了一種以低頻信號對通向半導體激光器的偏置電流進行調制，從而使吸收穩定化的電路結構(參照圖8)。依據該結構，為了使半導體激光的中心波長(載波頻率)穩定，使用鎖定放大器(同步檢波電路)并通過對該鎖定放大器的輸出信號進行模擬性反饋，從而控制半導體激光的中心波長。即，由于鎖定放大器作為窄帶濾波器而發揮功能，從而僅對反饋控制所需要的成分進行檢測，所以能夠實現高精度的頻率控制。但是，專利文獻1所公開的現有技術，如圖7⑶所示，通過對由電流驅動電路所產生的頻率fo ( = V/ λ ^ :v為光的速度、λ ^為激光的中心波長)的驅動電流以相當于第1基態能級33與第2基態能級34之間的能量差△ E12的頻率的1/2的調制頻率fml進行調制， 從而使半導體激光器產生頻率為fl = fo+fml的第1共振光31和頻率為f2 = f0-fml的第2共振光32，從而使包含在原子化池中的氣體狀的堿金屬原子產生EIT現象。此外，雖然在EIT現象中，包含于原子化池中的堿金屬原子的數量越多，有助于EIT現象的原子數就越多，從而能夠通過光檢測器檢測出的光的能級越大，但由于近年來存在小型化、低消耗化的要求，從而在包含于原子化池中的堿金屬原子的數量減少時，有助于EIT現象的原子數也將變少，進而存在所檢測出的光的能級下降并導致S/N惡化的問題。在先技術文獻專利文獻1 美國專利第6320472號
發明內容
本發明是鑒于所述課題而進行的，其以提供一種如下的原子振蕩器為目的，即，利用堿金屬原子存在同位素這一點，通過向混合了堿金屬原子和該堿金屬原子的同位素的氣體照射多種光，從而提高由光檢測器所檢測出的光的能級，進而改善了 S/N，其中，所述多種光包括具有頻率不同的兩個頻率成分的第1對共振光、和具有頻率不同的兩個頻率成分的第2對共振光。本發明是為了解決上述課題中的至少一部分而進行的，其能夠通過如下的方式或者應用例來實現。[應用例1]一種原子振蕩器，其特征在于，所述原子振蕩器利用了通過向堿金屬原子照射一對共振光而產生的電磁誘導透明現象，并具備氣體，其為混合了所述堿金屬原子和所述堿金屬原子的同位素的氣體；光源，其向所述氣體照射多種光，所述多種光具有可干涉性(相干性)，并包括具有頻率不同的兩個頻率成分的第1對共振光，和具有頻率不同的兩個頻率成分的第2對共振光；光檢測部，其生成與透過所述氣體后的光的強度相對應的檢測信號；頻率控制部，其根據所述檢測信號，對所述第1對共振光的兩個頻率成分的頻率差進行控制以使所述堿金屬原子產生電磁誘導透明現象，并對所述第2對共振光的兩個頻率成分的頻率差進行控制以使所述堿金屬原子的同位素產生電磁誘導透明現象。為了產生至少四個(兩對共振光)共振光，考慮到如下方案，即，對從相干性光源出射的共振光進行調制，使其產生邊帶，并利用其頻譜。并且，共振光的調制頻率需要與相當于所述ΔΕ12的頻率的1/2的頻率相等。所以，在本發明中，準備混合了堿金屬原子和該堿金屬原子的同位素的氣體，并由頻率控制部對兩對共振光各自的頻率差進行控制。由此， 能夠從相干性光源出射的共振光，生成具有維持了相當于所述ΔΕ12的頻率的1/2的頻率的、四個頻譜的共振光。[應用例2]本應用例的特征在于，所述堿金屬原子為質量數85的銣，而所述堿金屬原子的同位素為質量數87的銣。銣的同位素已知有M種。天然存在的銣具有天然豐度為72. 2%的穩定同位素 85Rb和天然豐度為27. 8%的放射性同位素87Rb這兩種。即，雖然85Rb和87Rb的中心波長分別共通，即Dl線為795nm、D2線為780nm，但各自的躍遷頻率為兩種，即85Rb為6. 8GHz、 87Rb為3. OGHz0由此，能夠通過一束激光產生兩種邊帶，從而能夠增多有助于EIT現象的原子數。[應用例3]本應用例的特征在于，所述頻率控制部具備相位調制部，其以預定的頻率對壓控晶體振蕩器的輸出信號進行相位調制；第1頻率倍增部，其將被該相位調制部進行了相位調制后的信號倍增為與所述堿金屬原子的躍遷頻率的1/2相等的頻率；第2頻率倍增部，其將被該相位調制部進行了相位調制后的信號的頻率倍增為，與所述堿金屬原子的同位素的躍遷頻率的1/2相等的頻率；混頻器，其對被所述第1頻率倍增部倍增后的信號和被所述第2頻率倍增部倍增后的信號進行混頻。本發明所涉及的原子振蕩器的另外一個特征在于頻率控制部的結構。即，為了控制兩種躍遷頻率，從而具備第1頻率倍增部，其將被相位調制部進行了調制后的信號的頻率倍增為，與第1對共振光的躍遷頻率的1/2相等的頻率；第2頻率倍增部，其將被相位調制部進行了調制后的信號的頻率倍增為，與第2對共振光的躍遷頻率的1/2相等的頻率。并且，需要對這些第1、第2頻率倍增部的各自的輸出信號進行混頻的混頻器。由此，能夠將堿金屬原子和其同位素的躍遷頻率合成為一個從而激發光源。[應用例4]本實施例的特征在于，在所述第1頻率倍增部以及所述第2頻率倍增部上分別具備所述相位調制部，且在某一方的所述相位調制部上具備用于使相位移轉的移相器。雖然能夠共用相位調制部來驅動兩個頻率倍增部，但存在由于構件的誤差等而導致相互的相位發生錯位的可能性。所以，當發生該現象時，需要使相位移轉而進行相位同位。所以，在本發明中，在某一方的相位調制部上具備用于使相位移轉的移相器。由此，能夠準確且迅速地進行同步檢波。[應用例5]本應用例的特征在于，在所述第1頻率倍增部以及所述第2頻率倍增部上分別具備所述相位調制部，且在某一方的所述相位調制部上具備用于對信號的振幅進行調節的振幅調節器。兩個頻率倍增部的輸出能級會影響檢波后的誤差電壓的斜率。所以，理想情況下， 優選兩個頻率倍增部的輸出能級相等。所以，在本發明中，在某一方的相位調制部上具備用于對振幅進行調節的振幅調節器。由此，能夠準確且迅速地進行同步檢波。[應用例6]本應用例的特征在于，所述光源具備電光調制器(EOM)。為了對光進行調制，從而需要電光調制元件。但是，當增加頻譜的數量時，必須增加對應量的電光調制元件的數量，從而存在成本增高且構件數量增加的問題。所以，在本發明中，將混頻器的輸出信號作為調制信號而向一個電光調制元件輸入，從而對從光源出射的光進行調制。由此，能夠將電光調制元件的數量設定于最小限度，從而減少構件數量。
圖1為用于對EIT現象的基本動作進行說明的圖。圖2為用于對本發明的基本原理進行說明的圖。圖3為表示本發明的第1實施方式所涉及的原子振蕩器的結構的框圖。圖4為表示本發明的第2實施方式所涉及的原子振蕩器的結構的框圖。
圖5為表示本發明的第3實施方式所涉及的原子振蕩器的結構的框圖。圖6為表示本發明的第4實施方式所涉及的原子振蕩器的結構的框圖。圖7為對堿金屬原子和兩個共振光之間的相互作用機理進行說明的圖。圖8為表示專利文獻1所公開的原子振蕩器的電路結構的圖。符號說明1 光源(LD)2 氣室3 光檢測部(PD)4 增幅器(AMP)5:同步控制部6 壓控晶體振蕩器7 相位調制部8 第1頻率倍增部9 第2頻率倍增部10:混頻器11 光源部12 頻率控制部13 移相器14 濾波器15 乘法器16 移相器17 低頻振蕩器18:中心波長設定部19 振幅調節器20 電光調制器(EOM)50 53 原子振蕩器
具體實施例方式以下，利用圖示的實施方式對本發明進行詳細說明。但是，只要沒有對本實施方式所記載的結構要素、種類、組合、形狀及其相對配置等進行特殊的記載，則均不表示將本發明的范圍限定于該實施方式，而僅表示為說明示例。圖1為用于對EIT現象的基本動作進行說明的圖。首先，當開啟裝置的電源時， 中心波長設定部18將設定光源(LD)I的中心波長，以使圖3中的光檢測部(PD) 3的輸出成為最大(參照圖1(a))。當放大EIT信號48時，將得到如圖1(b)中的這種信號。S卩，在波形40為解鎖狀態時，相位調制的中心頻率處于從EIT信號48的峰值偏移的狀態，從而增幅器(AMP)4的輸出以IllHz為周期進行波動(波形40)。在解鎖(非同步)狀態下，因為PLL8、9(第1、第2頻率倍增部)的中心頻率未被鎖定在躍遷頻率的1/2，所以在AMP4 的輸出中只產生低頻振蕩器17的成分(IllHz)。所以，AMP4的輸出被反饋控制成，低頻振蕩器17(111Ηζ)的2倍的成分022Hz)成為最大，從而如圖1 (b)中的波形41所示，光源部11的輸出信號的頻率被準確地鎖定為，與躍遷頻率(相當于所述ΔΕ12的頻率)的1/2 的頻率相等。即，相位調制的中心頻率與EIT信號48的峰值相一致。此時，同步控制輸出信號產生如圖1(c)這樣的同步控制電壓42。對壓控晶體振蕩器6進行反饋控制，以使該同步控制電壓42成為0V，從而PLL8、9(第1、第2頻率倍增部)的中心頻率被準確鎖定為躍遷頻率的1/2。圖1(d)為用于對頻率的穩定度進行說明的圖，穩定度δ (τ)被表示為， δ ( τ ) =1/ (Q · S/N · τ )。即，在半峰寬相同的波形43和44中，波形43與波形44相比S為2倍，其結果為，穩定度δ為2倍。圖2為用于對本發明的基本原理進行說明的圖。圖2 (a)為表示本發明的PD的輸出信號、與被輸入至光源的微波的頻率之間的關系的圖。本發明為如下的原子振蕩器，即， 利用堿金屬原子存在同位素這一點，通過向混合了堿金屬原子和該堿金屬原子的同位素的氣體照射多種光，而提高由光檢測部(PD) 3所吸收的光的能級，從而改善了 S/N的原子振蕩器，其中，所述多種光包括具有頻率不同的兩個頻率成分的第1對共振光、和具有頻率不同的兩個頻率成分的第2對共振光。例如，當使用銣時，堿金屬原子為質量數85的銣(85Rb)，堿金屬原子的同位素為質量數87的銣(87Rb)。銣的同位素已知有M種。天然存在的銣具有天然豐度為72. 2% 的穩定同位素85Rb和天然豐度為27. 8%的放射性同位素87Rb這兩種。此時的中心頻率中的、光檢測部(PD)3的輸出信號能級的關系為，87Rb的EIT波譜47最低，85Rb的EIT波譜 46高于87Rb。并且，通過將兩者合成，能夠使EIT波譜45更大。并且，從圖2(b)以及(c) 可以明確看出，雖然85 和87 的中心波長分別共通，即Dl線為795nm、D2線為780nm， 但各自的躍遷頻率為，85Rb為約6. 8GHz、87Rb為約3. OGHz這兩種。由此，能夠通過一束激光產生兩種邊帶，從而能夠增多有助于EIT現象的原子數。圖3為表示本發明的第1實施方式所涉及的原子振蕩器的結構的框圖。該原子振蕩器50在大體區分時被構成為，具備氣室2，其封入有混合了堿金屬原子和該堿金屬原子的同位素的氣體；光源(LD) 1，其向氣體照射具有可干涉性(相干性)的多種光，所述多種光包括具有頻率不同的兩個頻率成分的第1對共振光、和具有頻率不同的兩個頻率成分的第2對共振光；光檢測部(PD) 3，其生成與透過氣體后的光的強度相對應的檢測信號；頻率控制部12，其根據檢測信號，對第1對共振光的頻率差進行控制以使堿金屬原子產生電磁誘導透明現象(以下，稱為EIT現象)，并對第2對共振光的頻率差進行控制以使堿金屬原子的同位素產生EIT現象。并且，頻率控制部12具備相位調制部7，其以預定的頻率對壓控晶體振蕩器6的輸出信號進行相位調制；第1頻率倍增部8，其將被相位調制部7進行了相位調制后的信號倍增為與堿金屬原子的躍遷頻率的1/2相等的頻率；第2頻率倍增部9，其將被相位調制部 7進行了相位調制后的信號的頻率倍增為與堿金屬原子的同位素的躍遷頻率的1/2相等的頻率；混頻器10，其對被第1頻率倍增部8倍增后的信號和被第2頻率倍增部9倍增后的信號進行混頻。并且，同步控制部5具備低頻振蕩器17，其以預定的頻率進行振蕩；移相器16 ；乘法器15，其將光檢測部(PD) 3的信號與移相器16的信號相乘；濾波器14，其從乘法器15的輸出中提取直流成分。即，為了產生至少四個(兩對共振光)共振光，考慮到如下方案，即，對從光源1出射的共振光進行調制，使其產生邊帶，并利用其頻譜。并且，對共振光進行調制的頻率需要與躍遷頻率的1/2的頻率相等。所以，在本實施方式中，將混合了堿金屬原子、該堿金屬原子的同位素的氣體密封于氣室2中，而頻率控制部12對兩對共振光分別控制頻率成分的頻率差。由此，能夠通過從光源1出射的共振光，生成具有與堿金屬原子的躍遷頻率和堿金屬原子的同位素的躍遷頻率相對應的四個頻率成分的共振光。圖4為表示本發明的第2實施方式所涉及的原子振蕩器的結構的框圖。對于相同的結構要素，標注與圖3相同的參照符號并省略其說明。該原子振蕩器51與圖3中的原子振蕩器50的不同點在于，在第1頻率倍增部8以及第2頻率倍增部9上分別具備相位調制部7a、7b，且在某一方(在圖4中為7b)的相位調制部上具有用于使相位移轉的移相器13。 即，雖然能夠共用相位調制部7來驅動兩個頻率倍增部8、9，但存在由于構件的誤差等而導致相互的相位發生錯位的可能性。所以，當發生該現象時，需要使相位移轉而進行相位同位。所以，在本實施方式中，在相位調制部7b上具備用于使相位移轉的移相器13。由此，能夠準確且迅速地進行同步檢波。圖5為表示本發明的第3實施方式所涉及的原子振蕩器的結構的框圖。對于相同的結構要素，標注與圖3相同的參照符號并省略其說明。該原子振蕩器52與圖3中的原子振蕩器50的不同點在于，在第1頻率倍增部8以及第2頻率倍增部9上分別具備相位調制部7a、7b，且在某一方(在圖5中為7b)的相位調制部7b上具有用于對信號的振幅進行調節的振幅調節器19。即，兩個相位調制部8、9的輸出中的相位調制度會影響檢波后的誤差電壓的斜率(參照圖1 (C))。所以，在理想情況下優選為，兩個頻率倍增部8、9的相位調制度相同。所以，在本實施方式中，在相位調制部7b上具備用于對調制信號的振幅進行調節的振幅調節器19。由此，能夠準確且迅速地進行同步檢波。圖6為表示本發明的第4實施方式所涉及的原子振蕩器的結構的框圖。對于相同的結構要素，標注與圖3相同的參照符號并省略其說明。該原子振蕩器53與圖3中的原子振蕩器50的不同點在于，具備對包括從光源1出射的第1對共振光和第2對共振光在內的多種光進行調制的電光調制器(EOM) 20。即，為了對光進行調制，需要電光調制器20。但是， 當增加頻譜的數量時，必須增加相對應量的電光調制器20的數量，從而存在成本較高且構件數量增加的問題。所以，在本實施方式中，由混頻器10對第1頻率倍增部8的輸出信號和第2頻率倍增部9的輸出信號進行混頻，并將混頻器10的輸出信號作為調制信號而供給至一個電光調制器20中。從光源1入射至電光調制器20中的光被所述調制信號調制，再從電光調制器20出射。由此，能夠將電光調制器20的數量設定于最小限度，從而減少構件數量。
權利要求
1.一種原子振蕩器，其特征在于，所述原子振蕩器利用了通過向氣體狀的金屬原子照射一對共振光而產生的電磁誘導透明現象，并具備混合氣體，其為混合了所述金屬原子和所述金屬原子的同位素的氣體； 光源，其向所述混合氣體照射光，所述光包括使所述金屬原子產生電磁誘導透明現象的第1對共振光；使所述金屬原子的同位素產生電磁誘導透明現象的第2對共振光； 光檢測部，其生成與透過所述混合氣體后的光的強度相對應的檢測信號； 頻率控制部，其根據所述檢測信號，對所述第1對共振光的頻率差進行控制，并對所述第2對共振光的頻率差進行控制。
2.如權利要求1所述的原子振蕩器，其特征在于， 所述頻率控制部具備相位調制部，其以預定的頻率對壓控晶體振蕩器的輸出信號進行相位調制； 第1頻率倍增部，其將被該相位調制部進行了相位調制后的信號的中心頻率倍增為， 與所述金屬原子的躍遷頻率的1/2相等的頻率；第2頻率倍增部，其將被該相位調制部進行了相位調制后的信號的中心頻率倍增為， 與所述金屬原子的同位素的躍遷頻率的1/2相等的頻率；混頻器，其對被所述第1頻率倍增部倍增后的信號和被所述第2頻率倍增部倍增后的信號進行混頻。
3.如權利要求2所述的原子振蕩器，其特征在于，在所述第1頻率倍增部以及所述第2頻率倍增部上分別具備所述相位調制部，且在某一方的所述相位調制部上具備用于使相位移轉的移相器。
4.如權利要求2所述的原子振蕩器，其特征在于，在所述第1頻率倍增部以及所述第2頻率倍增部上分別具備所述相位調制部，且在某一方的所述相位調制部上具備用于對信號的振幅進行調節的振幅調節器。
5.如權利要求2所述的原子振蕩器，其特征在于， 所述光源具備電光調制器。
6.如權利要求1所述的原子振蕩器，其特征在于，所述金屬原子為質量數85的銣，而所述金屬原子的同位素為質量數87的銣。
全文摘要
本發明提供一種提高由光檢測器所吸收的光的能級從而改善了S/N的原子振蕩器。該原子振蕩器(50)在大體上區分時被構成為，具備氣室(2)，其封入有混合了堿金屬原子和該堿金屬原子的同位素的氣體；光源(LD)(1)，其向氣體照射多種光，所述多種光具有可干涉性(相干性)，并包括相對于一個中心頻率具有兩個不同頻率成分的第1對共振光、和相對于一個中心頻率具有兩個不同的頻率成分的第2對共振光；光檢測部(PD)(3)，其生成與透過氣體后的光的強度相對應的檢測信號；頻率控制部(12)，其根據檢測信號的強度，對第1對共振光的頻率進行控制以使堿金屬原子產生電磁誘導透明現象(以下，稱為EIT現象)，且對第2對共振光的頻率進行控制以使堿金屬原子的同位素產生EIT現象。
文檔編號H03L7/26GK102291135SQ20111016874
公開日2011年12月21日 申請日期2011年6月17日 優先權日2010年6月21日
發明者吉田啓之, 牧義之, 田中良明 申請人:精工愛普生株式會社