JP5796454B2 - Atomic oscillator - Google Patents
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Description
本発明は、原子発振器に関し、特に、ゼーマン分裂したEITスペクトルのS/Nを改善した原子発振器に関するものである。 The present invention relates to an atomic oscillator, and more particularly to an atomic oscillator having an improved S / N ratio of a Zeeman split EIT spectrum.
アルカリ金属原子に電磁誘起透過現象を発現させるためには、周波数の異なる2つの共鳴光(周波数ω1、ω2)をアルカリ金属原子に照射する必要がある。EIT方式による原子発振器は、図6に示すように、第1基底準位33と第2基底準位34は準位のエネルギーが若干異なるため(ΔE12)、共鳴光もそれぞれ第1共鳴光31と第2共鳴光32の波長f1、f2が若干異なる。同時に照射される第1共鳴光31と第2共鳴光32の周波数差f1−f2(波長の差:ω1−ω2)が正確に第1基底準位33と第2基底準位34のエネルギー差ΔE12に一致すると、図6の系は2つの基底準位の重ね合わせ状態になり、励起準位30への励起が停止する(EIT現象と呼ぶ)。EITはこの原理を利用して、第1共鳴光31と第2共鳴光32のどちらか,または両方の波長を変化させたときに、ガスセルでの光吸収(つまり励起準位30への転換)が停止する状態を検出、利用する方式である。この現象を利用し、第1共鳴光31と第2共鳴光32との周波数差が第1基底準位33と第2基底準位34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、制御することで、高精度な発振器をつくることができる。
In order to cause the alkali metal atom to exhibit the electromagnetically induced transmission phenomenon, it is necessary to irradiate the alkali metal atom with two resonance lights (frequency ω1, ω2) having different frequencies. As shown in FIG. 6, since the
また、第1基底準位33と第2基底準位34のエネルギー差は外部磁気の強さやゆらぎで敏感に変化するので、EIT現象を利用して高感度な磁気センサーをつくることもできる。
尚、特許文献1のFIG5(図7(b))には、ソレノイドコイル114によってガスセル(アルカリ金属原子)115に100ミリガウス程度の弱い磁場(共鳴光に対して平行な磁場)を与える技術が開示されている。アルカリ金属原子に弱い磁場を与えると、Λ型3準位を構成する2つの基底準位と励起準位とがそれぞれエネルギーの異なる複数のエネルギー準位に分裂(ゼーマン分裂と呼ばれる。以下、分裂したエネルギー準位をゼーマン準位と言う)することが知られている。また、2つの基底準位(第1基底準位33と第2基底準位34)がそれぞれ複数のエネルギー準位にゼーマン分裂することで、第1基底準位33と第2基底準位34とのエネルギー差(周波数差)が変化するため、これに応じて原子発振器の出力周波数も変化することが知られている。
In addition, since the energy difference between the
FIG. 5 of FIG. 7 (FIG. 7B) discloses a technique for applying a weak magnetic field (magnetic field parallel to resonance light) of about 100 milligauss to the gas cell (alkali metal atom) 115 by the
ここで、複数に分裂したゼーマン準位のうちで、磁場の影響をほとんど受けない第1基底準位33と第2基底準位34、及び励起準位30(磁気量子数mF=0を有する第1基底準位33と第2基底準位34、及び磁気量子数mF=0を有する励起準位30)が存在することが知られている。
そこで、予め所定の強度の弱磁場をガスセル内のアルカリ金属原子に与えておくと、磁気量子数mF=0を有する第1基底準位33と第2基底準位34、及び磁気量子数mF=0を有する励起準位30からなる特定のΛ型3準位のみが電磁誘起透過現象を発現するように、原子発振器の出力周波数を制御することができる。これにより、原子発振器の出力周波数に対する磁場の影響を軽減できるとされている。
Here, among the Zeeman levels split into a plurality, the
Therefore, if a weak magnetic field having a predetermined intensity is applied to the alkali metal atom in the gas cell in advance, the
一方、特許文献1のFIG3(図7(a))には半導体レーザーの出力光(直線偏光)をλ/4波長板で円偏光に変換して、アルカリ金属原子に照射する構成が開示されている。半導体レーザーの出力光(直線偏光)を円偏光に変換する理由は、前述した第1基底準位33と第2基底準位34が複数のゼーマン準位に分裂することに関係している。
例えば、半導体レーザーの出力光(直線偏光)を直接アルカリ金属原子に照射すると、直線偏光とアルカリ金属原子とが相互作用を起こし、アルカリ金属原子が磁気量子数mF=0を含め全てのゼーマン準位(基底準位)に均等に分散して存在するようになる。このことは、原子セル内部において磁気量子数mF=0の基底準位に存在するアルカリ金属原子の数が減少することを意味し、EIT現象を発現する原子数が減少することを意味する。
On the other hand, FIG. 3 of FIG. 1 (FIG. 7A) discloses a configuration in which output light (linearly polarized light) of a semiconductor laser is converted into circularly polarized light by a λ / 4 wavelength plate and irradiated to alkali metal atoms. Yes. The reason why the output light (linearly polarized light) of the semiconductor laser is converted to circularly polarized light is related to the splitting of the
For example, when the output light (linearly polarized light) of a semiconductor laser is directly irradiated to an alkali metal atom, the linearly polarized light and the alkali metal atom interact with each other, and the alkali metal atom has all Zeeman quasi including the magnetic quantum number m F = 0. It becomes evenly distributed in the level (base level). This means that the number of alkali metal atoms present at the ground level of the magnetic quantum number m F = 0 in the atomic cell is reduced, and that the number of atoms that develop the EIT phenomenon is reduced.
そこで、アルカリ金属原子が磁気量子数mF=0の基底準位に存在する確率を高めるために、円偏光の光を照射してアルカリ金属原子と円偏光との間で相互作用を起こすようにしている。例えば、図8に示すように、セシウム原子に右円偏光の光を照射すると、右円偏光の光の照射を受けたアルカリ金属原子はF=4の基底準位(第2基底準位34)に対しては、9つの磁気量子数(mF=−4、−3、−2、−1、0、1、2、3、4)の中で5つの磁気量子数(mF=0、1、2、3、4)に偏って存在する確率が高くなる。(逆に左円偏光の光を照射すると、磁気量子数mF=0、−1、−2、−3、−4のいずれかに偏って存在する確率が高くなる。)
あるいは、セシウム原子に右円偏光の光を照射すると、右円偏光の光の照射を受けたアルカリ金属原子はF=3の基底準位(第1基底準位33)に対しては4つの磁気量子数(mF=0、1、2、3)に原子が偏って存在する確率が高くなる(逆に左円偏光の光を照射すると、磁気量子数mF=0、−1、−2、−3に偏って存在する確率が高くなる)。
Therefore, in order to increase the probability that an alkali metal atom exists in the ground level of the magnetic quantum number m F = 0, circularly polarized light is irradiated so that an interaction occurs between the alkali metal atom and the circularly polarized light. ing. For example, as shown in FIG. 8, when the right-handed circularly polarized light is irradiated to the cesium atom, the alkali metal atom that has been irradiated with the right-handed circularly polarized light has an F = 4 ground level (second ground level 34). For five magnetic quantum numbers (m F = 0, m F = -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4) The probability of being biased to 1, 2, 3, 4) increases. (Conversely, when left circularly polarized light is irradiated, the probability that the magnetic quantum number m F = 0 is biased to any one of 0, −1, −2, −3, and −4 increases.)
Alternatively, when the right-handed circularly polarized light is irradiated to the cesium atom, the alkali metal atom that has been irradiated with the right-handed circularly polarized light has four magnetic fields for the F = 3 ground level (first ground level 33). The probability that atoms are biased and exist in the quantum numbers (m F = 0, 1, 2, 3) increases (conversely, when irradiated with light of left circular polarization, the magnetic quantum numbers m F = 0, −1, −2) , −3 is likely to exist in a biased manner).
上記の説明により、それぞれの磁気量子数mFに対するアルカリ金属原子が存在する確率に偏りが生じることになる。(アルカリ金属原子がF=4の基底準位になっているか、或いはF=3の基底準位になっているかは確率的にほぼ同じである。)しかしながら、円偏光を照射しても、依然として磁気量子数mF=1,2,3,4といったmF=0以外の基底準位にアルカリ金属原子が存在することになり、これ以上EIT現象の発現確率を高めることができないといった問題点がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、磁気量子数mF=0以外の磁気量子数mFに存在するアルカリ金属原子の数をmF=0の基底準位に遷移させて、磁気量子数mF=0におけるEIT信号のピーク値を高くした原子発振器を提供することを目的とする。
According to the above explanation, the probability that an alkali metal atom exists for each magnetic quantum number m F is biased. (Whether the alkali metal atom is at the ground level of F = 4 or the ground level of F = 3 is almost the same in terms of probability.) An alkali metal atom exists in a ground level other than m F = 0 such as the magnetic quantum number m F = 1, 2, 3, 4, and the problem that the probability of the EIT phenomenon cannot be increased any more. is there.
The present invention has been made in view of these problems, by transitioning the number of alkali metal atoms present in the magnetic quantum number m F other than the magnetic quantum number m F = 0 in the ground level of m F = 0 An object of the present invention is to provide an atomic oscillator in which the peak value of the EIT signal at the magnetic quantum number m F = 0 is increased.
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following forms or application examples.
[適用例1]
本適用例の原子発振器は、電磁誘起透過現象を発生するアルカリ金属原子と、前記アルカリ金属原子に直流磁場を与えるとにより、前記アルカリ金属原子にゼーマン分裂を起こす直流磁場発生手段と、前記アルカリ金属原子に所定の交流磁場を与える交流磁場発生手段と、を備え前記交流磁場発生手段は、前記所定の交流磁場として、前記ゼーマン分裂における磁気量子数mFが互いに異なるエネルギー差ΔEに相当する周波数差ΔFに等しい交流磁場を与える、ことを特徴とする。
[Application Example 1]
The atomic oscillator of this application example includes an alkali metal atom that generates an electromagnetically induced transmission phenomenon, a DC magnetic field generating unit that causes Zeeman splitting of the alkali metal atom by applying a DC magnetic field to the alkali metal atom, and the alkali metal. An alternating magnetic field generating means for applying a predetermined alternating magnetic field to the atom, wherein the alternating magnetic field generating means has a frequency difference ΔF corresponding to an energy difference ΔE having different magnetic quantum numbers mF in the Zeeman splitting as the predetermined alternating magnetic field. An alternating magnetic field equal to is given .
アルカリ金属原子に直流磁場を与えると、ゼーマン分裂を起こす。ゼーマン分裂された
EIT信号は、夫々の基底準位に配分されているために、mF=0の基底準位でのアルカ
リ金属原子が存在する確率が低くなり、EIT信号のレベルが低くなる。そこで、mF=
0の基底準位でのアルカリ金属原子が存在する確率を高めるために、円偏光の光をアルカ
リ金属原子に照射する。その結果、例えば、右円偏光の光の照射を受けたアルカリ金属原
子はF=4の基底準位(第2基底準位34)に対しては、9つの磁気量子数(mF=−4
、−3、−2、−1、0、1、2、3、4)の中で5つの磁気量子数(mF=0、1、2
、3、4)に偏って存在する確率が高くなる。或いは、F=3の基底準位(第1基底準位
33)に対しては4つの磁気量子数(mF=0、1、2、3)に原子が偏って存在する確
率が高くなる。しかし、この状態では、直線偏光に比べてmF=0でのEIT信号のレベ
ルは高くなるが、それ以外のmFでのレベルも高いため、必ずしも効率よくmF=0でのE
ITレベルを高くできない。そこで本発明では、前記ゼーマン分裂における磁気量子数mFが互いに異なるエネルギー差ΔEに相当する周波数差ΔFに等しい交流磁場をアルカリ金属原子に与える交流磁場発生手段を備える。これにより、磁気量子数mF=0以外の磁気量子数mFに存在するアルカリ金属原子の数をmF=0の基底準位に遷移させて、磁気量子数mF=0におけるEIT信号のピーク値を高くすることができる。
When a DC magnetic field is applied to an alkali metal atom, Zeeman splitting occurs. Since the EIT signal subjected to Zeeman splitting is distributed to each ground level, the probability that an alkali metal atom exists at the ground level of mF = 0 is lowered, and the level of the EIT signal is lowered. Therefore, mF =
In order to increase the probability that an alkali metal atom at the zero ground level exists, circularly polarized light is irradiated to the alkali metal atom. As a result, for example, an alkali metal atom irradiated with right circularly polarized light has nine magnetic quantum numbers (mF = −4) for the F = 4 ground level (second ground level 34).
, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4), five magnetic quantum numbers (mF = 0, 1, 2, 4)
The probability of being biased to 3, 4) increases. Alternatively, with respect to the ground level of F = 3 (first ground level 33), the probability that atoms are biased to four magnetic quantum numbers (mF = 0, 1, 2, 3) increases. However, in this state, the level of the EIT signal at mF = 0 is higher than that of linearly polarized light, but the level at other mFs is also higher, so that the E at mF = 0 is not necessarily efficient.
IT level cannot be raised. Therefore, in the present invention, there is provided AC magnetic field generating means for applying an AC magnetic field equal to a frequency difference ΔF corresponding to an energy difference ΔE having different magnetic quantum numbers mF in the Zeeman splitting to alkali metal atoms. As a result, the number of alkali metal atoms present in the magnetic quantum number mF other than the magnetic quantum number mF = 0 is shifted to the ground level of mF = 0, and the peak value of the EIT signal at the magnetic quantum number mF = 0 is increased. can do.
[適用例2]前記直流磁場の強度を検出する直流磁場検出手段を備え、前記交流磁場発生手段は、前記直流磁場検出手段が検出した前記直流磁場の強度に基づき、所定の周波数の交流磁場を前記アルカリ金属原子に与えることを特徴とする。 [Application Example 2] DC magnetic field detection means for detecting the strength of the DC magnetic field is provided, and the AC magnetic field generation means generates an AC magnetic field having a predetermined frequency based on the strength of the DC magnetic field detected by the DC magnetic field detection means. It is characterized by giving to the alkali metal atom.
直流磁場をアルカリ金属原子に与えるとゼーマン分裂を起こす。そのとき、磁気量子数mFが互いに異なるエネルギー差ΔEと、そのエネルギー差に相当する周波数差ΔFを生じる。そして、直流磁場と、円偏光の共鳴光と、ΔFに等しい交流磁場を与えると、磁気量子数mF=+1のゼーマン準位にあったアルカリ金属原子は磁気量子数mF=0の状態へと遷移する。これにより、磁気量子数mF=0のゼーマン準位にあるアルカリ金属原子の数を多くすることができる。 When a DC magnetic field is applied to an alkali metal atom, Zeeman splitting occurs. At this time, an energy difference ΔE having different magnetic quantum numbers m F and a frequency difference ΔF corresponding to the energy difference are generated. When a direct-current magnetic field, circularly polarized resonance light, and an alternating-current magnetic field equal to ΔF are applied, the alkali metal atom at the Zeeman level of the magnetic quantum number m F = + 1 is changed to the state of the magnetic quantum number m F = 0. And transition. Thereby, the number of alkali metal atoms in the Zeeman level of the magnetic quantum number m F = 0 can be increased.
[適用例3]前記交流磁場発生手段は、前記直流磁場検出手段が検出した前記直流磁場の強度に基づいて周波数制御信号を生成する周波数制御手段と、前記周波数制御信号に従い周波数が制御される電圧制御発振器と、前記電圧制御発振器の出力信号が入力されることにより前記交流磁場を発生するコイルと、を備えたことを特徴とする。 Application Example 3 The AC magnetic field generation means includes a frequency control means for generating a frequency control signal based on the intensity of the DC magnetic field detected by the DC magnetic field detection means, and a voltage whose frequency is controlled according to the frequency control signal. A control oscillator, and a coil that generates the AC magnetic field when an output signal of the voltage control oscillator is input are provided.
直流磁場は、直流電源からコイルに電流を流して生成する。しかし、電源電圧が変動するとコイルに流れる電流が変化するため、直流磁場の強度が変動する。交流磁場は直流磁場の強度に対応した周波数により磁場を発生する必要がある。そこで本発明では、直流磁場の強度を検出して、その強度に応じた制御信号を電圧制御発振器に与える。これにより、直流磁場の変動に追従して交流磁場の周波数を制御することができる。 The DC magnetic field is generated by passing a current from a DC power supply to the coil. However, when the power supply voltage fluctuates, the current flowing through the coil changes, and the strength of the DC magnetic field fluctuates. The alternating magnetic field needs to be generated at a frequency corresponding to the strength of the direct magnetic field. Therefore, in the present invention, the intensity of the DC magnetic field is detected, and a control signal corresponding to the intensity is given to the voltage controlled oscillator. Thereby, the frequency of the alternating magnetic field can be controlled following the fluctuation of the direct magnetic field.
[適用例4]前記周波数制御手段は、前記直流磁場検出手段が検出した前記直流磁場の強度に対応した周波数情報を記憶する記憶手段を備え、該記憶手段から読み出された周波数情報に基づいて前記周波数制御信号を生成することを特徴とする。 Application Example 4 The frequency control means includes storage means for storing frequency information corresponding to the intensity of the DC magnetic field detected by the DC magnetic field detection means, and based on the frequency information read from the storage means. The frequency control signal is generated.
直流磁場の強度と交流磁場の周波数の関係は、連続的に変化させても良いが、回路を簡略化するために、直流磁場の強度に対応する交流磁場の周波数情報をテーブルに記憶しておき、検出した直流磁場の強度に対応する周波数情報をテーブルから読み出して出力する。これにより、回路構成を簡略化することができる。 The relationship between the DC magnetic field intensity and the AC magnetic field frequency may be changed continuously, but in order to simplify the circuit, the frequency information of the AC magnetic field corresponding to the DC magnetic field intensity is stored in a table. The frequency information corresponding to the detected DC magnetic field intensity is read from the table and output. As a result, the circuit configuration can be simplified.
以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
本発明の特徴はアルカリ金属原子に強い直流磁場(約3ガウス)を与え、直流磁場の強度に応じた周波数の交流磁場をアルカリ金属原子に与えた構成にある。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings. However, the components, types, combinations, shapes, relative arrangements, and the like described in this embodiment are merely illustrative examples and not intended to limit the scope of the present invention only unless otherwise specified. .
The present invention is characterized in that a strong direct current magnetic field (about 3 gauss) is applied to the alkali metal atom, and an alternating current magnetic field having a frequency corresponding to the strength of the direct current magnetic field is applied to the alkali metal atom.
図1は、量子数F=4とF=3における周波数差と磁場強度の関係を示す図である。図1(a)は量子数F=4のときの周波数差と磁場強度の関係を示す図、図1(b)は量子数F=3のときの周波数差と磁場強度の関係を示す図、図1(c)はゼーマン分裂したときの基底準位のエネルギーレベルを示す図である。
例えば、図1(c)に示すセシウム原子の量子数F=3の基底準位(第1基底準位33)を例として説明すると、磁気量子数mF=−3、−2、−1、0、+1、+2、+3について、磁気量子数mFが互いに1だけ異なる基底準位のエネルギー差を、それぞれΔE(−3、−2)21、ΔE(−2、−1)22、ΔE(−1、0)23、ΔE(0、+1)24、ΔE(+1、+2)25、ΔE(+2、+3)26とし、それぞれのΔEに相当する周波数差をΔF(−3、−2)、ΔF(−2、−1)、ΔF(−1、0)、ΔF(0、+1)、ΔF(+1、+2)、ΔF(+2、+3)とすると、アルカリ金属原子に強い磁場をかけた場合、ΔFはそれぞれ互いに異なる値を有することに本発明者等は着目した(図1(b)の直線21〜26のそれぞれの間隔が異なる)。尚、アルカリ金属原子に弱い直流磁場をかけた場合は、それぞれのΔFはほぼ等しくなる。
FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the frequency difference and the magnetic field strength at quantum numbers F = 4 and F = 3. 1A is a diagram showing the relationship between the frequency difference and the magnetic field strength when the quantum number F = 4, and FIG. 1B is a diagram showing the relationship between the frequency difference and the magnetic field strength when the quantum number F = 3. FIG.1 (c) is a figure which shows the energy level of a ground level at the time of Zeeman splitting.
For example, the ground level (first ground level 33) of the cesium atom with the quantum number F = 3 shown in FIG. 1C will be described as an example. The magnetic quantum numbers m F = −3, −2, −1, With respect to 0, +1, +2, and +3, energy levels of ground levels whose magnetic quantum numbers m F are different from each other by 1 are respectively expressed as ΔE (−3, −2) 21, ΔE (−2, −1) 22, and ΔE ( −1,0) 23, ΔE (0, + 1) 24, ΔE (+ 1, + 2) 25, ΔE (+ 2, + 3) 26, and the frequency difference corresponding to each ΔE is ΔF (−3, −2), When a strong magnetic field is applied to an alkali metal atom when ΔF (−2, −1), ΔF (−1, 0), ΔF (0, +1), ΔF (+1, +2), ΔF (+2, +3) , ΔF have different values from each other, the present inventors have noted that each of the
そこで、ΔFがそれぞれ異なった値を有する特徴を利用して、例えば、アルカリ金属原子に、共鳴光と平行な強い直流磁場と、右円偏光の共鳴光と、ΔF(0、+1)に等しい周波数の交流磁場とを与えると、磁気量子数mF=+1のゼーマン準位にあったアルカリ金属原子は磁気量子数mF=0の状態へと遷移することになる(図1(c)の矢印)。(2重共鳴法におけるマイクロ波照射と同じ考え)このとき、もともと磁気量子数mF=0のゼーマン準位にあったアルカリ金属原子はmF=−1のゼーマン準位に遷移しない。なぜならば、交流磁場をアルカリ金属原子に与えても、ΔF(0、+1)とΔF(−1、0)とは異なる値を有するため、mF=+1→0への遷移のみが生じ、mF=0→mF=−1への遷移は生じないからである。このようにして、F=3の基底準位(第1基底準位33)において、磁気量子数mF=0に存在する原子数を増やすことができ、EIT現象の発現確率を十分に高めることができる。
尚、mF=+1→0の遷移のみならず、mF=+2→0、mF=+3→0のいずれかの遷移が起こるように、交流磁場の周波数を制御しても良い。また、セシウム原子のF=4の基底準位についても、F=3の基底準位の例と同様である。
Therefore, by using the feature that ΔF has different values, for example, an alkali metal atom, a strong DC magnetic field parallel to the resonance light, a right circular polarization resonance light, and a frequency equal to ΔF (0, +1). When the AC magnetic field is given, the alkali metal atom in the Zeeman level of the magnetic quantum number m F = + 1 transitions to the state of the magnetic quantum number m F = 0 (arrow in FIG. 1C). ). (Same idea as microwave irradiation in the double resonance method) At this time, the alkali metal atom originally in the Zeeman level of the magnetic quantum number m F = 0 does not transition to the Zeeman level of m F = -1. This is because even when an AC magnetic field is applied to an alkali metal atom, ΔF (0, + 1) and ΔF (−1,0) have different values, so that only a transition from m F = + 1 → 0 occurs. This is because the transition from F = 0 → m F = −1 does not occur. In this way, in the ground level of F = 3 (first ground level 33), the number of atoms existing in the magnetic quantum number m F = 0 can be increased, and the occurrence probability of the EIT phenomenon can be sufficiently increased. Can do.
The frequency of the alternating magnetic field may be controlled so that not only the transition of m F = + 1 → 0 but also the transition of m F = + 2 → 0 and m F = + 3 → 0 occurs. Further, the F = 4 ground level of the cesium atom is the same as the example of the F = 3 ground level.
図2は本発明の第1の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。本発明の原子発振器100は、アルカリ金属原子にEIT現象を発現させるための第1の共鳴光、及び第2の共鳴光を発生する半導体レーザー(光源)1と、半導体レーザー1から発生した共鳴光1aを円偏光するλ/4波長板2と、アルカリ金属原子が封入された原子セル3と、原子セル3から出射した共鳴光3aの強度を検出する光検出手段5と、アルカリ金属原子に所定の強度の直流磁場を与える直流磁場発生手段4と、直流磁場の強度に応じた所定の周波数の交流磁場をアルカリ金属原子に与える交流磁場発生手段8と、光検出手段5から出力された共鳴光の中心波長を制御する中心波長制御手段9と、アルカリ金属原子にEIT現象を発現させるように、第1の共鳴光と第2の共鳴光との周波数差を制御する制御手段10と、を備えて構成されている。尚、交流磁場発生手段8は、交流磁場の周波数を発振する発振器7と、発振器7の出力信号が入力されることにより交流磁場を発生するコイル6と、を備えている。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of the atomic oscillator according to the first embodiment of the present invention. An
アルカリ金属原子に直流磁場を与えると、ゼーマン分裂を起こす。ゼーマン分裂されたEIT信号は、夫々の基底準位に配分されているために、mF=0の基底準位でのアルカリ金属原子が存在する確率が低くなり、EIT信号のレベルが低くなる。そこで、mF=0の基底準位でのアルカリ金属原子の存在確率を高めるために、円偏光の光2aをアルカリ金属原子に照射する。その結果、例えば、右円偏光の光の照射を受けたアルカリ金属原子は量子数F=4の基底準位(第2基底準位34)に対しては、9つの磁気量子数(mF=−4、−3、−2、−1、0、1、2、3、4)の中で5つの磁気量子数(mF=0、1、2、3、4)に偏って存在する確率が高くなる。或いは、量子数F=3の基底準位(第1基底準位33)に対しては4つの磁気量子数(mF=0、1、2、3)に原子が偏って存在する確率が高くなる。
しかし、この状態では、直線偏光に比べてmF=0でのEIT信号のレベルは高くなるが、それ以外のmFでのレベルも高いため、必ずしも効率よくmF=0でのEITレベルを高くできない。そこで本実施形態では、直流磁場の強度に応じた所定の周波数の交流磁場をアルカリ金属原子に与える交流磁場発生手段8を備える。これにより、磁気量子数mF=0以外の磁気量子数mFに存在するアルカリ金属原子の数をmF=0の基底準位に遷移させて、磁気量子数mF=0におけるEIT信号のピーク値を高くすることができる。
When a DC magnetic field is applied to an alkali metal atom, Zeeman splitting occurs. Since the EIT signal subjected to Zeeman splitting is distributed to each ground level, the probability that an alkali metal atom exists at the ground level of m F = 0 is lowered, and the level of the EIT signal is lowered. Therefore, in order to increase the existence probability of the alkali metal atom at the ground level of m F = 0, the circularly polarized light 2a is irradiated to the alkali metal atom. As a result, for example, an alkali metal atom that has been irradiated with right-circularly polarized light has nine magnetic quantum numbers (m F = 4) for the ground level (second ground level 34) having a quantum number F = 4. -4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4) Probability of being biased to five magnetic quantum numbers (m F = 0, 1, 2, 3, 4) Becomes higher. Alternatively, with respect to the ground level of the quantum number F = 3 (the first ground level 33), there is a high probability that atoms are biased in four magnetic quantum numbers (m F = 0, 1, 2, 3). Become.
However, in this state, the level of the EIT signal at m F = 0 is higher than that of linearly polarized light, but the level at other m F is also higher, so the EIT level at m F = 0 is not necessarily efficiently. Can't be high. Therefore, in the present embodiment, an AC magnetic field generating means 8 is provided that applies an AC magnetic field having a predetermined frequency according to the strength of the DC magnetic field to the alkali metal atoms. Accordingly, by transitioning the number of alkali metal atoms present in the magnetic quantum number m F other than the magnetic quantum number m F = 0 in the ground level of m F = 0, the EIT signal in the magnetic quantum number m F = 0 The peak value can be increased.
図3は本発明の第2の実施形態に係る原子発振器の構成を示すブロック図である。本発明の原子発振器110が図2と異なる点は、直流磁場発生手段4の直流磁場の強度を検出する直流磁場検出手段11と、交流磁場発生手段14に、直流磁場検出手段11が検出した直流磁場の強度に基づいて周波数制御信号を生成する周波数制御手段12と、周波数制御信号に従い周波数が制御される電圧制御発振器13と、を更に備えたところである。
直流磁場をアルカリ金属原子に与えるとゼーマン分裂を起こすことは前記したが、そのとき、磁気量子数mFが互いに異なるエネルギー差ΔEと、そのエネルギー差に相当する周波数差ΔFを生じる。そして、直流磁場と、円偏光の共鳴光2aと、ΔFに等しい交流磁場を与えると、磁気量子数mF=+1のゼーマン準位にあったアルカリ金属原子は磁気量子数mF=0の状態へと遷移する。これにより、磁気量子数mF=0のゼーマン準位にあるアルカリ金属原子の数を更に多くすることができる。
また、直流磁場は、直流電源からコイルに電流を流して生成する。しかし、電源電圧が変動するとコイルに流れる電流が変化するため、直流磁場の強度が変動する。交流磁場は直流磁場の強度に対応した周波数により磁場を発生する必要がある。そこで本実施形態では、直流磁場の強度を検出して、その強度に応じた制御信号を電圧制御発振器13に与える。これにより、直流磁場の変動に追従して交流磁場の周波数を制御することができる。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of an atomic oscillator according to the second embodiment of the present invention. The
As described above, when a DC magnetic field is applied to an alkali metal atom, Zeeman splitting occurs. At this time, an energy difference ΔE having different magnetic quantum numbers m F and a frequency difference ΔF corresponding to the energy difference are generated. When a DC magnetic field, circularly polarized resonance light 2a, and an AC magnetic field equal to ΔF are applied, the alkali metal atom in the Zeeman level of the magnetic quantum number m F = + 1 is in the state of the magnetic quantum number m F = 0. Transition to. Thereby, the number of alkali metal atoms in the Zeeman level of the magnetic quantum number m F = 0 can be further increased.
The DC magnetic field is generated by passing a current from a DC power supply to the coil. However, when the power supply voltage fluctuates, the current flowing through the coil changes, so that the strength of the DC magnetic field fluctuates. The alternating magnetic field needs to be generated at a frequency corresponding to the strength of the direct magnetic field. Therefore, in this embodiment, the intensity of the DC magnetic field is detected and a control signal corresponding to the intensity is given to the voltage controlled
図4(a)は本発明の周波数制御手段の一実施形態を示すブロック図である。例えば、本実施形態の周波数制御手段12は、増幅器12aと、増幅器12aの出力を反転入力にフィードバックさせる可変抵抗器R2と、反転入力を接地する抵抗器R1と、を備え、抵抗器R1とR2の比により増幅率を決定する。直流磁場検出手段11は、検出した磁場の強度に対応する検出電圧を出力する(図4(b))。その検出電圧を周波数制御手段12の増幅器12aの非反転入力で受信し、抵抗R1とR2の比で決まる増幅率により磁場の強度を制御電圧に変換して電圧制御発振器13に出力する(図4(c))。電圧制御発振器13は、制御電圧に対応した発振周波数で電圧制御発振器13を発振させる(図4(d))。
FIG. 4A is a block diagram showing an embodiment of the frequency control means of the present invention. For example, the frequency control means 12 of this embodiment includes an
図5は本発明の周波数制御手段の他の実施形態を示すブロック図である。例えば、周波数制御手段12は、アナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器12aと、直流磁場の強度の検出電圧に対応した周波数値の制御電圧を記憶する不揮発性メモリ12bと、不揮発性メモリ12bから読み出された制御電圧のデジタル値をアナログ電圧に変換するD/A変換器12cと、を備えている。
直流磁場検出手段11により検出された磁場の強度に対応する検出電圧をA/D変換器12aでデジタル信号に変換し、この検出電圧に対応する不揮発性メモリ12bに記憶されたデジタル電圧値を読み出す。そのデジタル電圧値はD/A変換器12cによりアナログ値に変換されて電圧制御発振器13に出力する。電圧制御発振器13は、アナログ値に変換された制御電圧に対応した発振周波数で電圧制御発振器13を発振させる。
FIG. 5 is a block diagram showing another embodiment of the frequency control means of the present invention. For example, the frequency control means 12 includes an A /
A detection voltage corresponding to the intensity of the magnetic field detected by the DC magnetic field detection means 11 is converted into a digital signal by the A /
1 半導体レーザー、2 λ/4波長板、3 原子セル、4 直流磁場発生手段、5 光検出手段、6 コイル、7 発振器、8 交流磁場発生手段、9 中心波長制御手段、10 制御手段、11 直流磁場検出手段、12 周波数制御手段、13 電圧制御発振器、14 交流磁場発生手段、30 励起準位、31 第1共鳴光、32 第2共鳴光、33 第1基底準位、34 第2基底準位、100、110 原子発振器
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記アルカリ金属原子に直流磁場を与えることにより、前記アルカリ金属原子にゼーマン分裂を起こす直流磁場発生手段と、
前記アルカリ金属原子に所定の交流磁場を与える交流磁場発生手段と、を備え
前記交流磁場発生手段は、前記所定の交流磁場として、前記ゼーマン分裂における磁気量子数mFが互いに異なるエネルギー差ΔEに相当する周波数差ΔFに等しい交流磁場を与える、
ことを特徴とする原子発振器。 An alkali metal atom that generates an electromagnetically induced transmission phenomenon;
The Rukoto given DC magnetic field to the alkali metal atom, a DC magnetic field generating means to cause Zeeman splitting in the alkali metal atom,
AC magnetic field generating means for applying a predetermined AC magnetic field to the alkali metal atoms,
The AC magnetic field generating means gives an AC magnetic field equal to a frequency difference ΔF corresponding to an energy difference ΔE having different magnetic quantum numbers m F in the Zeeman splitting as the predetermined AC magnetic field.
An atomic oscillator characterized by that.
前記直流磁場の強度に基づいて周波数制御信号を生成する周波数制御手段を有することを特徴とする請求項1ないし3の何れか1項に記載の原子発振器。 The AC magnetic field generating means includes
The atomic oscillator according to claim 1, further comprising a frequency control unit that generates a frequency control signal based on the intensity of the DC magnetic field.
前記周波数制御信号に基づいて周波数が制御される電圧制御発振器を有することを特徴とする請求項4に記載の原子発振器。 The AC magnetic field generating means includes
The atomic oscillator according to claim 4, further comprising a voltage-controlled oscillator whose frequency is controlled based on the frequency control signal.
前記直流磁場検出手段が検出した前記直流磁場の強度に対応する周波数情報を記憶する記憶手段を有し、前記記憶手段から読み出された周波数情報に基づいて前記周波数制御信号を生成することを特徴とする請求項4または5に記載の原子発振器。 The frequency control means includes
It has a memory | storage means which memorize | stores the frequency information corresponding to the intensity | strength of the said DC magnetic field detected by the said DC magnetic field detection means, The said frequency control signal is produced | generated based on the frequency information read from the said memory | storage means The atomic oscillator according to claim 4 or 5.
前記電圧制御発振器からの出力信号が入力されることにより前記交流磁場を発生するコイルを有していることを特徴とする請求項5に記載の原子発振器。 The AC magnetic field generating means includes
The atomic oscillator according to claim 5, further comprising a coil that generates the alternating magnetic field when an output signal from the voltage controlled oscillator is input.
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