專利名稱：原子振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及原子振蕩器。
背景技術(shù)：
基于電石茲誘導(dǎo)透明(EIT :Electromagnetically Induced Transparency)方式 (有時(shí)也稱為CPT(Coherent Population Trapping，相干布局囚禁)方式)的原子振蕩器是 利用以下現(xiàn)象的振蕩器，即當(dāng)向堿金屬原子同時(shí)照射波長(頻率)不同的2種共振光時(shí)， 2種共振光的吸收停止。眾所周知，如圖13㈧所示，可使用Λ型3能級(jí)系統(tǒng)模型來說明堿金屬原子與2種 共振光的相互作用機(jī)構(gòu)。堿金屬原子具有2個(gè)基態(tài)能級(jí)，當(dāng)將以下的共振光1、或共振光2 分別單獨(dú)照射到堿金屬原子時(shí)，眾所周知會(huì)產(chǎn)生光吸收，其中，共振光1具有相當(dāng)于基態(tài)能 級(jí)1與激發(fā)能級(jí)之間的能量差的波長(頻率，共振光2具有相當(dāng)于基態(tài)能級(jí)2與激發(fā)能 級(jí)之間的能量差的波長(頻率f2)。然而，如圖13(B)所示，當(dāng)向該堿金屬原子同時(shí)照射頻 率差f\_f2與相當(dāng)于基態(tài)能級(jí)1與基態(tài)能級(jí)2的能量差的頻率精確地一致的共振光1和共 振光2時(shí)，會(huì)成為2個(gè)基態(tài)能級(jí)的重合狀態(tài)，即量子干涉狀態(tài)，從而產(chǎn)生透明化(EIT)現(xiàn)象， 即向激發(fā)能級(jí)的激發(fā)停止，共振光1和共振光2透射過堿金屬原子。利用該EIT現(xiàn)象，通 過檢測并控制共振光1與共振光2之間的頻率差f\_f2偏離了相當(dāng)于基態(tài)能級(jí)1與基態(tài)能 級(jí)2的能量差的頻率時(shí)的光吸收動(dòng)作的急劇變化，能夠制造高精度的振蕩器。圖14是現(xiàn)有的基于CPT方式的原子振蕩器的一般結(jié)構(gòu)的概略圖。如圖14所示， 在現(xiàn)有的基于CPT方式的原子振蕩器中，利用相當(dāng)于基態(tài)能級(jí)1與基態(tài)能級(jí)2的能量差 AE12的頻率的1/2即調(diào)制頻率fml來對(duì)由電流驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的頻率fj = ν/λ“ν為光的 速度，λ ^為激光的中心波長)的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行調(diào)制，由此使半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生頻率為= f。+fml的共振光1和頻率為& = &-41的共振光2(圖13出))，使原子氣室(cell)中含有 的氣體狀的堿金屬原子產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。該原子振蕩器控制壓控石英振蕩器(VCXO=Voltage Controlled Crystal Oscillator)的振蕩頻率，使得透射過原子氣室的光的檢測量達(dá)到最 大，并利用PLLO^hase Locked Loop:鎖相環(huán))以倍增率N/R(N、R均為正整數(shù))對(duì)該振蕩頻 率進(jìn)行倍增，生成相當(dāng)于的頻率的1/2即調(diào)制頻率fml的信號(hào)。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，壓控 石英振蕩器(VCXO)極其穩(wěn)定地持續(xù)進(jìn)行振蕩動(dòng)作，所以能夠產(chǎn)生頻率穩(wěn)定度極高的振蕩 信號(hào)。此外，這里所說的原子氣室由氣體狀的堿金屬原子和封入該堿金屬原子的容器構(gòu)成， 隨后將對(duì)其進(jìn)行說明。專利文獻(xiàn)1美國專利第6320472號(hào)說明書但是，在現(xiàn)有的原子振蕩器中，必須特意準(zhǔn)備直接或利用諧波來產(chǎn)生調(diào)制頻率fml 的PLL等振蕩器，因此，設(shè)計(jì)自由度受到限制，其中，該調(diào)制頻率fml與相當(dāng)于Δ E12的頻率 (例如，如果是銫原子，則為9. 19263-GHz)的1/2的頻率精確地一致。另外，在調(diào)制頻率fml與相當(dāng)于Δ E12的頻率的1/2的頻率精確地一致的狀態(tài)下是 穩(wěn)定的，所以在現(xiàn)有的原子振蕩器中，根據(jù)PLL的倍增率N/R精度的不同，有時(shí)不能使壓控石英振蕩器(VCXO)精確地在期望的頻率(公稱頻率)下進(jìn)行振蕩。因此還存在如下這樣 的情況例如在壓控石英振蕩器(VCXO)的振蕩頻率為9. 999MHz時(shí)，僅僅為了獲得IOMHz的 公稱頻率，就需要高精度的頻率變換電路，從而無法利用簡單的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)(參照?qǐng)D14)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是鑒于上述問題點(diǎn)而完成的，根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)方式，可通過提高設(shè)計(jì)自 由度來提供結(jié)構(gòu)比較簡單的原子振蕩器。(1)本發(fā)明是利用通過向堿金屬原子照射共振光對(duì)而產(chǎn)生的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象的 原子振蕩器，該原子振蕩器具有光源，其產(chǎn)生中心頻率為fi的第1光和中心頻率為f2的 第2光，該第1光具有頻率依次相差Δ f的多個(gè)頻率成分，該第2光具有頻率依次相差Δ f 的多個(gè)頻率成分；光檢測單元，其檢測透射過所述堿金屬原子的包含所述第1光和所述第2 光的光的強(qiáng)度；以及控制單元，其根據(jù)所述光檢測單元的檢測結(jié)果來進(jìn)行控制，使得所述第 1光的規(guī)定頻率成分與所述第2光的規(guī)定頻率成分的頻率差與相當(dāng)于所述堿金屬原子的2 個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率相等，其中，所述第1光的中心頻率f\與所述第2光的中心頻 率f2的頻率差不同于相當(dāng)于所述堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率。在現(xiàn)有的CPT方式的原子振蕩器中，控制為使得2種共振光的頻率差與相當(dāng)于堿 金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率一致，與此相對(duì)，在本發(fā)明的原子振蕩器中，控制 為使得第1光的規(guī)定頻率成分與第2光的規(guī)定頻率成分之間的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子 的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率相等。即，控制為使得第1光的規(guī)定頻率成分和第2光的 規(guī)定頻率成分成為2種共振光(但是，不會(huì)出現(xiàn)第1光的中心頻率與第2光的中心頻率 f2都為共振光的情況)。總之，在本發(fā)明的原子振蕩器中，以如下方式進(jìn)行設(shè)計(jì)即可使得第1光的除中心 頻率fi以外的規(guī)定頻率成分與第2光的除中心頻率f2以外的規(guī)定頻率成分的對(duì)、或者第1 光的中心頻率fl與第2光的除中心頻率&以外的規(guī)定頻率成分的對(duì)、或者第1光的除中心 頻率以外的規(guī)定頻率成分與第2光的中心頻率f2的對(duì)中的任意一對(duì)成為共振光對(duì)。因此，根據(jù)本發(fā)明，與現(xiàn)有的原子振蕩器相比，設(shè)計(jì)自由度得到提高，所以能夠提 供結(jié)構(gòu)比較簡單的原子振蕩器。(2)在該原子振蕩器中，也可以是，所述控制單元具有第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元，其 根據(jù)所述光檢測單元的檢測結(jié)果，產(chǎn)生具有第1調(diào)制頻率fml的第1信號(hào)；以及第2調(diào)制頻 率產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生具有第2調(diào)制頻率fm2的第2信號(hào)，所述光源根據(jù)所述第1信號(hào)以及所 述第2信號(hào)來調(diào)制規(guī)定頻率&的信號(hào)，產(chǎn)生滿足= f0+fffll以及f2 = fcrfml、且Δ f = fm2 的所述第1光以及所述第2光。在本發(fā)明的原子振蕩器中，只要第1光的規(guī)定頻率成分(f\+jX Af)與第2光的規(guī) 定頻率成分(f2+kX Af)之間的頻率差、即(2Xfffll+(j-k) Xfffl2) (j、k為整數(shù)，且j興k)與 相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率一致即可。因此，根據(jù)本發(fā)明，只要選擇滿足上述條件的第1調(diào)制頻率fml和第2調(diào)制頻率fm2 以便直接或采用簡單的分頻器等來獲得期望的頻率，就能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)比較簡單的原子振蕩器。(3)在該原子振蕩器中，也可以是，所述第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元對(duì)所述第1信號(hào)進(jìn)行頻率變換，產(chǎn)生所述第2信號(hào)。(4)在該原子振蕩器中，也可以是，所述第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元與所述第1信號(hào)獨(dú) 立地在所述第2調(diào)制頻率fm2下進(jìn)行振蕩。(5)該原子振蕩器還可以包含對(duì)所述第1信號(hào)進(jìn)行頻率變換來產(chǎn)生規(guī)定頻率的信 號(hào)的頻率變換單元。(6)在該原子振蕩器中，也可以是，所述控制單元具有第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元，其 根據(jù)所述光檢測單元的檢測結(jié)果來產(chǎn)生具有第2調(diào)制頻率fm2的第2信號(hào)；第1調(diào)制頻率產(chǎn) 生單元，其對(duì)所述第2信號(hào)進(jìn)行頻率變換，產(chǎn)生具有第1調(diào)制頻率fml的第1信號(hào)，所述光源 根據(jù)所述第1信號(hào)以及所述第2信號(hào)來調(diào)制規(guī)定頻率&的信號(hào)，產(chǎn)生滿足= f0+fffll以及 f2 = fQ-fml、且Δ f = fm2的所述第1光以及所述第2光。在本發(fā)明的原子振蕩器中，只要第1光的規(guī)定頻率成分(f\+jX Af)與第2光的規(guī) 定頻率成分(f2+kX Af)之間的頻率差、即(2Xfffll+(j-k) Xfffl2) (j、k為整數(shù)，且j興k)與 相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率一致即可。因此，根據(jù)本發(fā)明，只要選擇滿足上述條件的第1調(diào)制頻率fml和第2調(diào)制頻率fm2 以便直接或采用簡單的分頻器等來獲得期望的頻率，就能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)比較簡單的原子振蕩
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圖1是本實(shí)施方式的原子振蕩器的功能框圖。圖2㈧是示出堿金屬原子的A型3能級(jí)模型與照射光1以及照射光2之間的關(guān) 系的第1例的圖，圖2(B)是示出照射光1以及照射光2的頻譜的第1例的圖。圖3 (A)是示出堿金屬原子的Λ型3能級(jí)模型與照射光1以及照射光2之間的關(guān) 系的第2例的圖，圖3(B)是示出照射光1以及照射光2的頻譜的第2例的圖。圖4(A)是示出堿金屬原子的Λ型3能級(jí)模型與照射光1以及照射光2之間的關(guān) 系的第3例的圖，圖4(B)是示出照射光1以及照射光2的頻譜的第3例的圖。圖5是示出第1實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。圖6是用于對(duì)第1實(shí)施方式的原子振蕩器中的照射光1以及照射光2的一例進(jìn)行 說明的圖。圖7是示出第1實(shí)施方式的原子振蕩器中的第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)例的 圖。圖8是示出第1實(shí)施方式的原子振蕩器的變形例的結(jié)構(gòu)的圖。圖9是示出第2實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。圖10是用于對(duì)第2實(shí)施方式的原子振蕩器中的照射光1以及照射光2的一例進(jìn) 行說明的圖。圖11是示出第2實(shí)施方式的原子振蕩器中的第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路的結(jié)構(gòu)例的 圖。圖12是示出第3實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。圖13㈧是示意性地示出堿金屬原子的能級(jí)的圖，圖13⑶是示出2種共振光的 頻譜的圖。
圖14是現(xiàn)有的基于CPT方式的原子振蕩器的一般結(jié)構(gòu)的概略圖。標(biāo)號(hào)說明1原子振蕩器；10光源；20原子氣室；30光檢測單元；40控制單元；42第1調(diào)制頻 率產(chǎn)生單元；44第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元；46頻率變換單元；100A 100D原子振蕩器；110 半導(dǎo)體激光器；120原子氣室；130光檢測器；140檢波電路；150低頻振蕩器；160電流驅(qū)動(dòng) 電路；170檢波電路；180低頻振蕩器；190檢波用調(diào)制電路；200第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路； 210第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路；211頻率設(shè)定部；212地址運(yùn)算部；213波形存儲(chǔ)器；214D/A轉(zhuǎn) 換器；215低通濾波器；220電子光學(xué)調(diào)制器(EOM) ；230頻率變換電路；300第1調(diào)制頻率 產(chǎn)生電路；301分頻器；302相位比較器；303環(huán)路濾波器；304壓控振蕩器(VCO) ；305分頻 器；310第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路；410第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路。
具體實(shí)施例方式下面，利用附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。另外，以下說明的實(shí)施方式并 不是要對(duì)權(quán)利要求中記載的本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行不恰當(dāng)?shù)南薅ā２⑶?，以下說明的所有結(jié)構(gòu) 不一定是本發(fā)明的必要技術(shù)特征。圖1是本實(shí)施方式的原子振蕩器的功能框圖。本實(shí)施方式的原子振蕩器1構(gòu)成為包括光源10、原子氣室20、光檢測單元30以 及控制單元40。光源10產(chǎn)生中心頻率為的第1光和中心頻率為f2的第2光，該第1光具有頻 率依次相差Δ f的多個(gè)頻率成分，該第2光具有頻率依次相差Δ f的多個(gè)頻率成分。在原子氣室20中含有氣體狀的堿金屬原子，由光源10照射第1光和第2光。以 下，分別將第1光和第2光稱為“照射光1”以及“照射光2”。光檢測單元30檢測透射過堿金屬原子的包含照射光1和照射光2的光的強(qiáng)度?？刂茊卧?0根據(jù)光檢測單元30的檢測結(jié)果來進(jìn)行控制，使得照射光1的規(guī)定頻 率成分與照射光2的規(guī)定頻率成分之間的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能 量差的頻率相等。其中，在本實(shí)施方式中，照射光1的中心頻率與照射光2的中心頻率 f2之間的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率不同。S卩，控制單元40控制為，使得照射光1的除中心頻率以外的規(guī)定頻率成分與照 射光2的除中心頻率f2以外的規(guī)定頻率成分的對(duì)、或者照射光1的中心頻率與照射光2 的除中心頻率f2以外的規(guī)定頻率成分的對(duì)、或者照射光1的除中心頻率以外的規(guī)定頻率 成分與照射光2的中心頻率f2的對(duì)中的任意一對(duì)成為共振光對(duì)，且它們之間的頻率差與相 當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率一致。如圖1所示，這樣的控制單元40可構(gòu)成為包括第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元42和第2 調(diào)制頻率產(chǎn)生單元44。例如，可以構(gòu)成為，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元42根據(jù)光檢測單元30的檢測結(jié)果，產(chǎn) 生具有第1調(diào)制頻率fml的第1信號(hào)，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元44產(chǎn)生具有第2調(diào)制頻率fm2 的第2信號(hào)。這里，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元44也可以對(duì)由第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元42產(chǎn)生 的第1信號(hào)進(jìn)行頻率變換來產(chǎn)生第2信號(hào)，還可以構(gòu)成為與第1信號(hào)獨(dú)立地在第2調(diào)制頻 率fm2下進(jìn)行振蕩。在后者的情況下，控制單元40還可以包括對(duì)第1信號(hào)進(jìn)行頻率變換來產(chǎn)生規(guī)定頻率的信號(hào)的頻率變換單元46。另外，例如也可以構(gòu)成為，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元44根據(jù)光檢測單元30的檢測結(jié) 果來產(chǎn)生具有第2調(diào)制頻率fm2的第2信號(hào)，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元42對(duì)由第2調(diào)制頻率 產(chǎn)生單元44產(chǎn)生的第2信號(hào)進(jìn)行頻率變換，來產(chǎn)生具有第1調(diào)制頻率fml的第1信號(hào)。并且，無論在哪種情況下，光源10均只要根據(jù)由第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元42產(chǎn)生的 第1信號(hào)以及由第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元44產(chǎn)生的第2信號(hào)，調(diào)制規(guī)定頻率f^的信號(hào)，產(chǎn)生 滿足fi = f0+fffll> f2 = f。_fml且Δ f = fm2的照射光1和照射光2即可。圖2(A)和圖2(B)、圖3(A)和圖3(B)、圖4(A)和圖4(B)分別是用于說明在本實(shí) 施方式的原子振蕩器中產(chǎn)生的照射光1以及照射光2的第1例、第2例、第3例的圖。圖 2(A)、圖3(A)以及圖4(A)是示出堿金屬原子的Λ型3能級(jí)模型與照射光1以及照射光2 之間的關(guān)系的圖，圖2(B)、圖3(B)、圖4(B)是示出照射光1以及照射光2的頻譜的圖。如圖2(B)、圖3(B)以及圖4(B)所示，在第1例、第2例、第3例中，均是相對(duì)于頻 率= ν/Xci),在上側(cè)邊帶存在照射光1、在下側(cè)邊帶存在照射光2，該照射光1具有頻率 依次相差fm2的多個(gè)頻率成分，該照射光2具有頻率依次相差fm2的多個(gè)頻率成分。照射光 1的中心頻率fi = fC^fml,照射光2的中心頻率f2 = f0-fmlo如圖2(A)以及圖2(B)所示，在第1例中，照射光1的頻率成分frf^與照射光2 的頻率成分f2+fm2之間的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子的基態(tài)能級(jí)1與基態(tài)能級(jí)2之間的能 量差Δ E12的頻率相等。因此，堿金屬原子將照射光1的頻率成分A^iii2和照射光2的頻率 成分f2+fm2作為共振光對(duì)，產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。如圖3(A)以及圖3⑶所示，在第2例中，照射光1的頻率成分&+&2與照射光2 的頻率成分f2_fm2之間的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子的基態(tài)能級(jí)1與基態(tài)能級(jí)2之間的能 量差Δ E12的頻率一致。因此，堿金屬原子將照射光1的頻率成分1+乙2和照射光2的頻率 成分f2_fm2作為共振光對(duì)，產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。如圖4㈧以及圖4⑶所示，在第3例中，照射光1的中心頻率與照射光2的 頻率成分f2+fm2之間的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子的基態(tài)能級(jí)1與基態(tài)能級(jí)2之間的能量 差Δ E12的頻率一致。因此，堿金屬原子將照射光1的中心頻率和照射光2的頻率成分 f2+fm2作為共振光對(duì)，產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。下面，對(duì)本實(shí)施方式的原子振蕩器的更具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。(1)第1實(shí)施方式圖5是示出第1實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。如圖5所示，第1實(shí)施方式的原子振蕩器100A構(gòu)成為包括半導(dǎo)體激光器110、 原子氣室120、光檢測器130、檢波電路140、低頻振蕩器150、電流驅(qū)動(dòng)電路160、檢波電路 170、低頻振蕩器180、檢波用調(diào)制電路190、第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路200以及第2調(diào)制頻率 產(chǎn)生電路210。原子氣室120是在容器中封入了氣體狀的堿金屬原子(鈉(Na)原子、銣(Rb)原 子、銫(Cs)原子等)而成的。當(dāng)向該原子氣室120同時(shí)照射具有與相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差 的頻率一致的頻率差的共振光對(duì)時(shí)，堿金屬原子會(huì)產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。例如，如果堿金屬原子是 銫原子，則相當(dāng)于Dl線中的基態(tài)能級(jí)1與基態(tài)能級(jí)2的能量差的頻率是9. 19263…GHz，因此，當(dāng)同時(shí)照射頻率差為9. 19263-GHz的共振光對(duì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。半導(dǎo)體激光器110向原子氣室120中含有的堿金屬原子照射包含照射光1和照射 光2的激光。具體而言，由電流驅(qū)動(dòng)電路160輸出的驅(qū)動(dòng)電流來控制半導(dǎo)體激光器110射出 的激光的中心頻率fo(中心波長λ J，并且，由第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路200的輸出信號(hào)(以 下稱為“第1調(diào)制信號(hào)”)以及第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210的輸出信號(hào)(以下稱為“第2調(diào) 制信號(hào)”)來對(duì)半導(dǎo)體激光器110射出的激光實(shí)施調(diào)制。即，可通過將具有第1調(diào)制信號(hào)頻 率成分和第2調(diào)制信號(hào)頻率成分的交流電流疊加在電流驅(qū)動(dòng)電路160的驅(qū)動(dòng)電流中，來對(duì) 半導(dǎo)體激光器110射出的激光實(shí)施調(diào)制。另外，半導(dǎo)體激光器110可以是端面發(fā)光激光器(Edge EmittingLaser)，也可以 是垂直諧振腔面發(fā)光激光器(VCSEL Vertical CavitySurface Emitting Laser)等面發(fā)光 激光器。光檢測器130檢測透射過原子氣室120的光，輸出與檢測到的光量對(duì)應(yīng)的信號(hào)強(qiáng) 度的信號(hào)。光檢測器130的輸出信號(hào)被輸入至檢波電路140以及檢波電路170。檢波電路140使用在幾Hz 幾百Hz左右的低頻率下進(jìn)行振蕩的低頻振蕩器150 的振蕩信號(hào)，對(duì)光檢測器130的輸出信號(hào)進(jìn)行同步檢波。電流驅(qū)動(dòng)電路160產(chǎn)生與檢波電路140的輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)的大小的驅(qū)動(dòng)電流，提供 給半導(dǎo)體激光器110，控制激光的中心頻率&(中心波長λ》。另外，為了能夠進(jìn)行檢波電 路140的同步檢波，要將低頻振蕩器150的振蕩信號(hào)(與提供給檢波電路140的振蕩信號(hào) 相同)疊加在電流驅(qū)動(dòng)電路160產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)電流中。由經(jīng)過半導(dǎo)體激光器110、原子氣室120、光檢測器130、檢波電路140、電流驅(qū)動(dòng)電 路160的反饋環(huán)路來對(duì)激光的中心頻率中心波長λ0)進(jìn)行微調(diào)，使其穩(wěn)定。檢波電路170使用在幾Hz 幾百Hz左右的低頻率下進(jìn)行振蕩的低頻振蕩器180 的振蕩信號(hào)，對(duì)光檢測器130的輸出信號(hào)進(jìn)行同步檢波。第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路200產(chǎn)生具有與檢波電路170的輸出信號(hào)的電壓對(duì)應(yīng)的第 1調(diào)制頻率fml的第1調(diào)制信號(hào)。該第1調(diào)制信號(hào)由低頻振蕩器180的振蕩信號(hào)(與提供給檢波電路170的振蕩信 號(hào)相同)實(shí)施調(diào)制，并被提供給半導(dǎo)體激光器110。由此，在使第1調(diào)制頻率fml微微地掃 頻的同時(shí)，進(jìn)行檢波電路170的同步檢波，對(duì)第1調(diào)制頻率fml進(jìn)行微調(diào)，使得光檢測器130 的輸出信號(hào)最大。第1調(diào)制信號(hào)還被提供給第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210 對(duì)第1調(diào)制信號(hào)進(jìn)行頻率變換，使其成為具有第2調(diào)制頻率fm2的第2調(diào)制信號(hào)。然后，利用第1調(diào)制信號(hào)和第2調(diào)制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體激光器110射出的激光施加調(diào) 制，產(chǎn)生照射光1和照射光2。另外，半導(dǎo)體激光器110、原子氣室120、光檢測器130分別對(duì)應(yīng)于圖1的光源10、 原子氣室20、光檢測單元30。并且，由檢波電路140、低頻振蕩器150、電流驅(qū)動(dòng)電路160、檢 波電路170、低頻振蕩器180、檢波用調(diào)制電路190、第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路200以及第2調(diào) 制頻率產(chǎn)生電路210構(gòu)成的電路對(duì)應(yīng)于圖1的控制單元40。另外，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路 200和第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210分別對(duì)應(yīng)于圖1的第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元42和第2調(diào)制 頻率產(chǎn)生單元44。
在這種結(jié)構(gòu)的原子振蕩器100A中，如果半導(dǎo)體激光器110射出的照射光1的規(guī)定 頻率成分與照射光2的規(guī)定頻率成分之間的頻率差不與相當(dāng)于原子氣室120中含有的堿金 屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率精確地一致，則堿金屬原子不會(huì)產(chǎn)生EIT現(xiàn)象，所 以，光檢測器130的檢測量是隨照射光1與照射光2的頻率而極敏感地變化的。因此，利用 經(jīng)過半導(dǎo)體激光器110、原子氣室120、光檢測器130、檢波電路170以及第1調(diào)制頻率產(chǎn)生 電路200和檢波用調(diào)制電路190或第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210的2個(gè)反饋環(huán)路，實(shí)施反饋 控制，使得照射光1的規(guī)定頻率成分與照射光2的規(guī)定頻率成分之間的頻率差與相當(dāng)于堿 金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率極精確地一致。其結(jié)果是，第1調(diào)制頻率和第2 調(diào)制頻率成為極其穩(wěn)定的頻率，因此第1調(diào)制信號(hào)或第2調(diào)制信號(hào)可作為原子振蕩器100A 的輸出信號(hào)(時(shí)鐘輸出)。圖6是用于說明第1實(shí)施方式的原子振蕩器中的照射光1以及照射光2的一例的 圖。圖6所示的照射光1和照射光2之間的關(guān)系與圖2 (B)所示的照射光1和照射光2 之間的關(guān)系相同，但也可以是圖3(B)或圖4(B)所示的關(guān)系等，即，只要滿足以下關(guān)系即可 照射光1的規(guī)定頻率成分與照射光2的規(guī)定頻率成分之間的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子的 2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率一致(其中，照射光1的中心頻率與照射光2的中心 頻率f2的頻率差與相當(dāng)于Δ E12的頻率不一致)。根據(jù)原子振蕩器100Α，如圖6所示，使中心頻率為= f0+fffll且頻率依次相差 fm2的照射光1整體和中心頻率為f2 = f0-fffll且頻率依次相差fm2的照射光2整體以相對(duì) 于激光的中心頻率fo( = ν/λ0)呈線對(duì)稱的方式進(jìn)行掃頻，同時(shí)進(jìn)行同步檢波，穩(wěn)定在 2Χ (fml_fm2)與相當(dāng)于ΔΕ12的頻率一致的狀態(tài)。如果堿金屬原子是銫原子，則相當(dāng)于ΔΕ12的頻率是9. 1^63···6Ηζ，所以，例如可 設(shè)計(jì)為，使得穩(wěn)定在fml = 4. 606315…GHz、fm2 = IOMHz的狀態(tài)。在此情況下，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路200例如可由LC諧振器來實(shí)現(xiàn)，該LC諧振 器可通過根據(jù)檢波電路170的輸出信號(hào)大小調(diào)節(jié)電感(L)或電容(C)，由此在4. 6GHz附近 改變諧振頻率。另外，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210例如可由直接數(shù)字式頻率綜合器(DDS Direct DigitalSynthesizer)來實(shí)現(xiàn)，該直接數(shù)字式頻率綜合器對(duì)輸入信號(hào)(第1調(diào)制信 號(hào))頻率進(jìn)行(ΙΟΜΗζ/4. 606315…GHz)倍的下變頻而將其輸出。圖7是示出原子振蕩器100A中的第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210的結(jié)構(gòu)例的圖。如圖7所示，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210構(gòu)成為直接數(shù)字式頻率綜合器(DDS)， 其包括頻率設(shè)定部211、地址運(yùn)算部212、波形存儲(chǔ)器213、D/A轉(zhuǎn)換器214以及低通濾波器 215。頻率設(shè)定部211根據(jù)預(yù)先設(shè)定的頻率數(shù)據(jù)(用于決定頻率變換率的數(shù)據(jù))來生成 加法值數(shù)據(jù)。在上述例子的情況下，頻率變換率是(ΙΟΜΗζ/4. 606315…GHz)。地址運(yùn)算部212與第1調(diào)制信號(hào)同步地將頻率設(shè)定部211生成的加法值數(shù)據(jù)依次 相加，由此計(jì)算相位角數(shù)據(jù)。具體而言，地址運(yùn)算部212將上次的相位角數(shù)據(jù)與加法值數(shù)據(jù) 相加來計(jì)算本次的相位角數(shù)據(jù)，生成相當(dāng)于相位角數(shù)據(jù)的地址。地址運(yùn)算部212可通過反 復(fù)進(jìn)行加法值數(shù)據(jù)的相加處理的P位累加器來實(shí)現(xiàn)，累加器的輸出為地址。在波形存儲(chǔ)器213中存儲(chǔ)有波形圖案(例如正弦波)的相位角與振幅值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。具體而言，在波形存儲(chǔ)器213中按地址順序存儲(chǔ)有以一定時(shí)間間隔(1周期/2P)對(duì) 1個(gè)周期的波形圖案進(jìn)行采樣而得到的2P個(gè)點(diǎn)的振幅值數(shù)據(jù)(數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù))，從波形存儲(chǔ)器 213輸出存儲(chǔ)在由地址運(yùn)算部生成的地址所指定的區(qū)域內(nèi)的振幅值數(shù)據(jù)。D/A轉(zhuǎn)換器214對(duì)波形存儲(chǔ)器213輸出的振幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。D/A轉(zhuǎn)換器 214的輸出信號(hào)是按照第1調(diào)制信號(hào)的每個(gè)周期而階段性地變化的波形，因此，要由低通濾 波器215對(duì)其進(jìn)行平滑化而生成第2調(diào)制信號(hào)。根據(jù)以上結(jié)構(gòu)，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210 (DDQ針對(duì)頻率設(shè)定部211生成的加法 值數(shù)據(jù)M,輸出具有第1調(diào)制頻率的M/2P倍的頻率的第2調(diào)制信號(hào)。因此，如果ρ足夠大， 則能夠使第1調(diào)制頻率近似精確地變?yōu)?ΙΟΜΗζ/4. 606315…GHz)倍，所以能夠生成具有頻 率精度極高的IOMHz的第2調(diào)制信號(hào)。如上所述，在第1實(shí)施方式的原子振蕩器中控制為，使得照射光1的規(guī)定頻率成分 (fi+jXfJ與照射光2的規(guī)定頻率成分(f2+kXfffl2)的頻率差、即(2Xfffll+(j-k) XfJ (j、k 為整數(shù)、且j Φ k)與相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率一致。因此，根據(jù)第1實(shí)施方式，為了使第1調(diào)制頻率fml或第2調(diào)制頻率fm2成為期望的 頻率，只要選擇滿足上述條件的第1調(diào)制頻率fml和第2調(diào)制頻率fm2即可，所以與現(xiàn)有的原 子振蕩器相比，設(shè)計(jì)自由度得到提高，因此能夠提供結(jié)構(gòu)比較簡單的原子振蕩器。[變形例]圖8是示出第1實(shí)施方式的原子振蕩器的變形例的結(jié)構(gòu)的圖。如圖8所示，相對(duì)于 圖5所示的原子振蕩器100A，在變形例的原子振蕩器100B中追加了電子光學(xué)調(diào)制器(Ε0Μ Electro-Optic Modulator)220。如圖8所示，在原子振蕩器100B中，半導(dǎo)體激光器110未被施加基于具有第1調(diào) 制頻率fml的第ι調(diào)制信號(hào)的調(diào)制和基于具有第2調(diào)制頻率fm2的第2調(diào)制信號(hào)的調(diào)制，向 電子光學(xué)調(diào)制器(EOM) 220射出頻率f0的激光。并且，由檢波用調(diào)制電路190實(shí)施調(diào)制后的第1調(diào)制信號(hào)與第2調(diào)制信號(hào)共同被 輸入電子光學(xué)調(diào)制器(EOM) 220。電子光學(xué)調(diào)制器(EOM) 220利用第1調(diào)制信號(hào)和第2調(diào)制信號(hào)對(duì)頻率f^的激光進(jìn) 行調(diào)制。其結(jié)果是，透射過電子光學(xué)調(diào)制器(EOM) 220而照射到原子氣室120的光與圖5所 示的原子振蕩器100A相同，在以&為中心的上側(cè)邊帶和下側(cè)邊帶中分別產(chǎn)生中心頻率為 fi = f0+fffll的照射光1和中心頻率為f2 = f0-fffll的照射光2，該照射光1具有頻率依次相 差fm2的多個(gè)頻率成分，該照射光2具有頻率依次相差fm2的多個(gè)頻率成分。圖8所示的原子振蕩器100B的其他結(jié)構(gòu)與圖5所示的原子振蕩器100A相同，所 以標(biāo)注相同的編號(hào)而省略其說明。另外，半導(dǎo)體激光器110和電子光學(xué)調(diào)制器(E0M)220的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于圖1的光源 10。其他的對(duì)應(yīng)關(guān)系與圖5所示的原子振蕩器100A相同。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，也能實(shí)現(xiàn)具有與圖5所示的原子振蕩器A相同的功能和效果的 原子振蕩器。(2)第2實(shí)施方式圖9是示出第2實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。如圖9所示，在第2實(shí)施方 式的原子振蕩器100C中，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路300和第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路310之間的
10連接關(guān)系與圖5所示的第1實(shí)施方式的原子振蕩器100A中的第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路200 和第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210之間的連接關(guān)系相反。在原子振蕩器100C中，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路310產(chǎn)生第2調(diào)制信號(hào)，該第2調(diào) 制信號(hào)具有與檢波電路170的輸出信號(hào)的電壓對(duì)應(yīng)的第2調(diào)制頻率fm2。該第2調(diào)制信號(hào)由低頻振蕩器180的振蕩信號(hào)(與提供給檢波電路170的振蕩信 號(hào)相同)實(shí)施調(diào)制，被提供給半導(dǎo)體激光器110。由此，在使第2調(diào)制頻率fm2微微地掃頻 的同時(shí)，進(jìn)行檢波電路170的同步檢波，對(duì)第2調(diào)制頻率fm2進(jìn)行微調(diào)，使得光檢測器130的 輸出信號(hào)最大。第2調(diào)制信號(hào)還被提供給第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路300，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路300 對(duì)第2調(diào)制信號(hào)進(jìn)行頻率變換，使其成為具有第1調(diào)制頻率fml的第1調(diào)制信號(hào)。并且，半導(dǎo)體激光器110射出的激光由第1調(diào)制信號(hào)和第2調(diào)制信號(hào)實(shí)施調(diào)制，產(chǎn) 生照射光1和照射光2。圖9所示的原子振蕩器100C的其他結(jié)構(gòu)與圖5所示的原子振蕩器100A相同，所 以標(biāo)注相同的編號(hào)而省略其說明。另外，半導(dǎo)體激光器110、原子氣室120、光檢測器130分別對(duì)應(yīng)于圖1的光源10、 原子氣室20、光檢測單元30。另外，由檢波電路140、低頻振蕩器150、電流驅(qū)動(dòng)電路160、檢 波電路170、低頻振蕩器180、檢波用調(diào)制電路190、第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路300以及第2調(diào) 制頻率產(chǎn)生電路310構(gòu)成的電路對(duì)應(yīng)于圖1的控制單元40。另外，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路 300和第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路310分別對(duì)應(yīng)于圖1的第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元42和第2調(diào)制 頻率產(chǎn)生單元44。在這種結(jié)構(gòu)的原子振蕩器100C中，如果半導(dǎo)體激光器110射出的照射光1的規(guī)定 頻率成分與照射光2的規(guī)定頻率成分之間的頻率差不與相當(dāng)于原子氣室120中含有的堿金 屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率精確地一致，則堿金屬原子不會(huì)引起EIT現(xiàn)象，因 此，光檢測器130的檢測量是隨照射光1與照射光2的頻率而極敏感地變化的。因此，利用 經(jīng)過半導(dǎo)體激光器110、原子氣室120、光檢測器130、檢波電路170以及第2調(diào)制頻率產(chǎn)生 電路310和檢波用調(diào)制電路190或第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路300的2個(gè)反饋環(huán)路，施加反饋 控制，使得照射光1的規(guī)定頻率成分與照射光2的規(guī)定頻率成分之間的頻率差與相當(dāng)于堿 金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率極精確地一致。其結(jié)果是，第1調(diào)制頻率和第2 調(diào)制頻率成為極其穩(wěn)定的頻率，因此能夠?qū)⒌?調(diào)制信號(hào)及第2調(diào)制信號(hào)作為原子振蕩器 100C的輸出信號(hào)(時(shí)鐘輸出)。圖10是用于說明第2實(shí)施方式的原子振蕩器中的照射光1以及照射光2的一例 的圖。圖10所示的照射光1和照射光2之間的關(guān)系與圖2 (B)所示的照射光1與照射光 2之間的關(guān)系相同，但也可以是圖3(B)或圖4(B)所示的關(guān)系等，即，只要滿足以下關(guān)系即 可照射光1的規(guī)定頻率成分與照射光2的規(guī)定頻率成分之間的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原 子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差ΔΕ12的頻率一致(其中，照射光1的中心頻率和與照射光2 的中心頻率f2的頻率差與相當(dāng)于Δ E12的頻率不一致)。根據(jù)原子振蕩器100C，如圖10所示，使頻率依次相差fm2的照射光1的各頻率成 分以相對(duì)于中心頻率= f0+fml呈線對(duì)稱的方式進(jìn)行掃頻，并且使頻率依次相差fm2的照射光2的各頻率成分以相對(duì)于中心頻率f2 = f0-fffll呈線對(duì)稱的方式進(jìn)行掃頻，同時(shí)進(jìn)行同步 檢波，穩(wěn)定在2X (fml_fm2)與相當(dāng)于ΔΕ12的頻率一致的狀態(tài)。如果堿金屬原子是銫原子，則相當(dāng)于ΔΕ12的頻率是9. 1^63···6Ηζ，因此，例如可 設(shè)計(jì)為，使得穩(wěn)定在fml = 4. 606315…GHz、fm2 = IOMHz的狀態(tài)。在此情況下，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路310例如可由壓控石英振蕩器(VCXO =Voltage Controlled Crystal Oscillator)來實(shí)現(xiàn)，該壓控石英振蕩器可根據(jù)檢波電路170的輸出 信號(hào)的大小來調(diào)節(jié)石英振子的負(fù)載電容，由此改變振蕩頻率。另外，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路 300例如可由PLL實(shí)現(xiàn)，該P(yáng)LL可使輸入信號(hào)(第2調(diào)制信號(hào))的頻率倍增為(4. 606315… GHz/10MHz)倍。圖11是示出原子振蕩器100C中的第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路300的結(jié)構(gòu)例的圖。如圖11所示，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路300可構(gòu)成為PLL，該P(yáng)LL包括分 頻器301、相位比較器302、環(huán)路濾波器303、壓控振蕩器(VC0 :Voltage Controlled Oscillator) 304、分頻器 305。分頻器301使第2調(diào)制信號(hào)的頻率(第2調(diào)制頻率fm2)成為1/R(R是預(yù)定的整數(shù) 值)而將其輸出。相位比較器302將分頻器301的輸出信號(hào)與分頻器305的輸出信號(hào)之間的相位差 變換為電壓而將其輸出。環(huán)路濾波器303去除相位比較器302的輸出電壓中包含的高頻成分(準(zhǔn)確地說是 使其衰減至一定電平以下)。壓控振蕩器(VCO) 304輸出與環(huán)路濾波器303的輸出電壓對(duì)應(yīng)的頻率信號(hào)。分頻器305使壓控振蕩器(VCO) 304的輸出頻率成為1/N(N是預(yù)定的整數(shù)值)而 將其輸出。并且，壓控振蕩器(VCO) 304的輸出信號(hào)成為第1調(diào)制信號(hào)(具有第1調(diào)制頻率 fflli)。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，通過進(jìn)行反饋控制而使得輸入相位比較器302的2個(gè)信號(hào)的頻 率一致、即fm2/R = fml/N，因此，能夠獲得滿足fffll = (N/R) Xfffl2的第1調(diào)制信號(hào)。在要產(chǎn)生圖2(A)以及圖2(B)所示的照射光1和照射光2的情況下，如果堿金屬 原子是銫原子，則例如滿足fml = 4. 606315…GHz、fm2 = IOMHz即可，因此，只要以倍增率N/ R為(4. 606315…GHz/10MHz)的方式來確定N以及R即可。另外，在要產(chǎn)生圖3(A)以及圖3(B)所示的照射光1和照射光2的情況下，如果堿 金屬原子是銫原子，則例如滿足fml = 4. 586315…GHz、fm2 = IOMHz即可，因此，只要以倍增 率N/R為(4. 586315…GHz/10MHz)的方式來確定N以及R即可。另外，在要產(chǎn)生圖4(A)以及圖4(B)所示的照射光1和照射光2的情況下，如果堿 金屬原子是銫原子，則例如滿足fml = 4. 601315…GHz、fm2 = IOMHz即可，因此，只要以倍增 率N/R為(4. 601315-GHz/10MHz)的方式來確定N以及R即可。如上所述，在第2實(shí)施方式的原子振蕩器中，與第1實(shí)施方式相同地施加控制，使 得照射光1的規(guī)定頻率成分(fi+jXfJ與照射光2的規(guī)定頻率成分(f2+kXfm2)之間的頻 率差、即(2Xfml+(j-k)Xfm2) (j、k是整數(shù)，且j乒k)與相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí) 的能量差的頻率一致。
因此，根據(jù)第2實(shí)施方式，為了使第1調(diào)制頻率fml或第2調(diào)制頻率fm2成為期望的 頻率，只要選擇滿足上述條件的第1調(diào)制頻率fml和第2調(diào)制頻率fm2即可，所以與現(xiàn)有的原 子振蕩器相比，設(shè)計(jì)自由度得到提高，因此能夠提供結(jié)構(gòu)比較簡單的原子振蕩器。另外，在第2實(shí)施方式中，如果將第2調(diào)制頻率fm2確定為MHz頻帶的頻率，則可利 用MHz頻帶的電路來實(shí)現(xiàn)第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路310及檢波用調(diào)制電路190，因此能夠大幅 度地省略要求高度設(shè)計(jì)技術(shù)的微波電路設(shè)計(jì)。(3)第3實(shí)施方式圖12是示出第3實(shí)施方式的原子振蕩器的結(jié)構(gòu)的圖。如圖12所示，第3實(shí)施方 式的原子振蕩器100D與圖5所示的第1實(shí)施方式的原子振蕩器100A的不同之處在于，第 1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路200的第1調(diào)制信號(hào)未被輸入至第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路410。另外，在 第3實(shí)施方式的原子振蕩器100D中追加了頻率變換電路230。在原子振蕩器100D中，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路410與由第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路 200產(chǎn)生的第1調(diào)制信號(hào)獨(dú)立地產(chǎn)生第2調(diào)制信號(hào)，該第2調(diào)制信號(hào)具有第2調(diào)制頻率fm2。 第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路410例如可由石英振蕩器0(0 =Crystal Oscillator)來實(shí)現(xiàn)，該石 英振蕩器的負(fù)載電容被調(diào)節(jié)成使得石英振子在頻率fm2下進(jìn)行振蕩。并且，半導(dǎo)體激光器110射出的激光由第1調(diào)制信號(hào)和第2調(diào)制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn) 生照射光1和照射光2。頻率變換電路230對(duì)第1調(diào)制信號(hào)進(jìn)行頻率變換，使其成為期望的頻率信號(hào)。頻 率變換電路230例如可由直接數(shù)字式頻率綜合器(DDQ來實(shí)現(xiàn)。圖12所示的原子振蕩器100D中的其他結(jié)構(gòu)與圖5所示的原子振蕩器100A相同， 所以標(biāo)注相同的編號(hào)而省略其說明。另外，半導(dǎo)體激光器110、原子氣室120、光檢測器130分別對(duì)應(yīng)于圖1的光源10、 原子氣室20、光檢測單元30。并且，由檢波電路140、低頻振蕩器150、電流驅(qū)動(dòng)電路160、 檢波電路170、低頻振蕩器180、檢波用調(diào)制電路190、第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路200以及第2 調(diào)制頻率產(chǎn)生電路410構(gòu)成的電路對(duì)應(yīng)于圖1的控制單元40。并且，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電 路200、第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路410、頻率變換電路230分別對(duì)應(yīng)于圖1的第1調(diào)制頻率產(chǎn) 生單元42、第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元44、頻率變換單元46。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)的原子振蕩器100D，由于第2調(diào)制頻率fm2被固定，所以是對(duì)第1調(diào) 制頻率fml進(jìn)行微調(diào)而將第1調(diào)制頻率fml變換為期望的頻率后將其輸出，由此使堿金屬原 子產(chǎn)生EIT現(xiàn)象。因此，根據(jù)第3實(shí)施方式，為了獲得期望的頻率，可以在某種程度上自由 地選擇第1調(diào)制頻率fml、第2調(diào)制頻率fm2、與頻率變換電路230的頻率變換率的組合，所以 能夠提高設(shè)計(jì)自由度。另外，例如在照射光1和照射光2處于圖2(A)以及圖2(B)所示的關(guān)系、且堿金 屬原子是銫原子的情況下，如果第2調(diào)制信號(hào)的頻率(第2調(diào)制頻率fm2)相對(duì)于IOMHz 在士 IkHz (士 IOOppm)的范圍內(nèi)變動(dòng)，則第1調(diào)制信號(hào)的頻率(第1調(diào)制頻率fml)相對(duì)于 4. 606315···6Ηζ在士 lkHz(小于士 Ippm)的范圍內(nèi)變動(dòng)。因此，如果將頻率變換電路230的 頻率變換率設(shè)定為(ΙΟΜΗζ/4. 606315…GHz)，則相對(duì)于IOMHz可獲得小于士 Ippm的頻率精 度的輸出信號(hào)。即，相對(duì)于第2調(diào)制信號(hào)的頻率精度(士 IOOppm)，可獲得其100倍以上的頻 率精度的輸出信號(hào)。
這樣，根據(jù)第3實(shí)施方式的原子振蕩器，可利用堿金屬原子的EIT現(xiàn)象來顯著提高 輸出信號(hào)的頻率精度。另外，在第3實(shí)施方式的原子振蕩器中，如果例如由壓控石英振蕩器(VCXO)來實(shí) 現(xiàn)第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路410，則能夠變更第2調(diào)制頻率，頻率變換電路230的輸出信號(hào)成 為與第2調(diào)制頻率對(duì)應(yīng)的頻率。即，能夠?qū)崿F(xiàn)輸出頻率可變的原子振蕩器。另外，本發(fā)明不限于本實(shí)施方式，在本發(fā)明的主旨范圍內(nèi)可實(shí)施各種變形。例如，在第1實(shí)施方式及其變形例的原子振蕩器中，第2調(diào)制頻率產(chǎn)生電路210是 由直接數(shù)字式頻率綜合器(DDS)來實(shí)現(xiàn)的，但也可以由PLL來實(shí)現(xiàn)。此外，例如，在第2實(shí)施方式的原子振蕩器中，第1調(diào)制頻率產(chǎn)生電路300是由PLL 來實(shí)現(xiàn)的，但也可以由附帶倍增功能的直接數(shù)字式頻率綜合器(DDS)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明包含與實(shí)施方式中說明的結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上相同的結(jié)構(gòu)(例如，功能、方法及結(jié) 果相同的結(jié)構(gòu)、或者目的及效果相同的結(jié)構(gòu))。并且，本發(fā)明包含對(duì)實(shí)施方式中說明的結(jié)構(gòu) 中的非本質(zhì)部分進(jìn)行置換后的結(jié)構(gòu)。并且，本發(fā)明包含可起到與實(shí)施方式中說明的結(jié)構(gòu)相 同的作用效果的結(jié)構(gòu)、或可實(shí)現(xiàn)相同目的的結(jié)構(gòu)。另外，本發(fā)明包含對(duì)實(shí)施方式中說明的結(jié) 構(gòu)添加了公知技術(shù)后的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種原子振蕩器，其利用通過向堿金屬原子照射共振光對(duì)而產(chǎn)生的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn) 象，該原子振蕩器具有光源，其產(chǎn)生中心頻率為fi的第1光和中心頻率為f2的第2光，該第1光具有頻率依 次相差Δ f的多個(gè)頻率成分，該第2光具有頻率依次相差Δ f的多個(gè)頻率成分；光檢測單元，其檢測透射過所述堿金屬原子的包含所述第1光和所述第2光的光的強(qiáng) 度；以及控制單元，其根據(jù)所述光檢測單元的檢測結(jié)果來進(jìn)行控制，使得所述第1光的規(guī)定頻 率成分與所述第2光的規(guī)定頻率成分之間的頻率差與相當(dāng)于所述堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能 級(jí)的能量差的頻率相等，其中，所述第1光的中心頻率與所述第2光的中心頻率f2之間的頻率差與相當(dāng)于所 述堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率不同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子振蕩器，其中，所述控制單元具有第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元，其根據(jù)所述光檢測單元的檢測結(jié)果，產(chǎn)生具有第1調(diào)制頻率fml 的第1信號(hào)；以及第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元，其產(chǎn)生具有第2調(diào)制頻率fm2的第2信號(hào)，所述光源根據(jù)所述第1信號(hào)以及所述第2信號(hào)來調(diào)制規(guī)定頻率&的信號(hào)，產(chǎn)生滿足 =f0+fffll以及f2 = fQ-fml、且Δ f = fm2的所述第1光以及所述第2光。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原子振蕩器，其中，所述第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元對(duì)所述第1信號(hào)進(jìn)行頻率變換，產(chǎn)生所述第2信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的原子振蕩器，其中，所述第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元與所述第1信號(hào)獨(dú)立地在所述第2調(diào)制頻率fm2下進(jìn)行振蕩。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的原子振蕩器，其中，該原子振蕩器具有對(duì)所述第1信號(hào)進(jìn)行頻率變換來產(chǎn)生規(guī)定頻率的信號(hào)的頻率變換 單元。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的原子振蕩器，其中，所述控制單元具有第2調(diào)制頻率產(chǎn)生單元，其根據(jù)所述光檢測單元的檢測結(jié)果來產(chǎn)生具有第2調(diào)制頻率 fm2的第2信號(hào)；第1調(diào)制頻率產(chǎn)生單元，其對(duì)所述第2信號(hào)進(jìn)行頻率變換，產(chǎn)生具有第1調(diào)制頻率fml 的第1信號(hào)，所述光源根據(jù)所述第1信號(hào)以及所述第2信號(hào)來調(diào)制規(guī)定頻率&的信號(hào)，產(chǎn)生滿足 =f0+fffll以及f2 = fQ-fml、且Δ f = fm2的所述第1光以及所述第2光。
全文摘要
本發(fā)明通過提高設(shè)計(jì)自由度而提供結(jié)構(gòu)比較簡單的原子振蕩器。原子振蕩器(1)包含光源(10)、光檢測單元(30)和控制單元(40)。光源(10)產(chǎn)生中心頻率為f1且具有頻率依次相差Δf的多個(gè)頻率成分的第1光和中心頻率為f2且具有頻率依次相差Δf的多個(gè)頻率成分的第2光。光檢測單元(30)檢測透射過堿金屬原子的包含第1光以及第2光的光的強(qiáng)度?？刂茊卧?40)根據(jù)光檢測單元(30)的檢測結(jié)果進(jìn)行控制，使得第1光的規(guī)定頻率成分與第2光的規(guī)定頻率成分的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率相等。第1光的中心頻率f1與第2光的中心頻率f2的頻率差與相當(dāng)于堿金屬原子的2個(gè)基態(tài)能級(jí)的能量差的頻率不同。
文檔編號(hào)H03L7/26GK102064828SQ20101054684
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2010年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
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