原子振荡器及原子振荡器的控制方法

专利名称：原子振荡器及原子振荡器的控制方法
技术领域：
本发明涉及原子振荡器，更详细地讲，涉及在EIT方式的原子振荡器中，生成 使EIT强度最大的EIT的最佳频率的技术。
背景技术：
电磁诱导透明方式(EIT方式，有时也称为CPT方式)的原子振荡器是利用了如 下现象(EIT现象)的振荡器，即当同时向碱金属原子照射波长不同的两种共振光时， 两种共振光的吸收停止。并且，仅准备一对波长不同的两种共振光的对，并对频率进行 控制，使得同时照射的两种共振光的频率差(波长差)与彼此的基态能级的能量差ΔΕ12 准确地一致。现对启动停止状态的原子振荡器时的初始动作进行叙述。当接通原子振 荡器的电源时，首先通过扫描(sweep)光源的波长，来寻找作为对象的碱金属原子的吸 收带的底部(bottom)。S卩，在扫描共振光对的中心频率时，针对检测信号，检测其最小 值，将该点确定为激励频率(激励波长)，取得EIT信号。
并且，在专利文献1中公开了将垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为光源的边频 带(sideband)方式的CPT方式小型原子振荡器的构成和动作方法。
专利文献1 US6^5945
但是，通过实验确认到，得到最大的EIT信号强度的激励频率(激励波长)不 在吸收带的底部，而是相比于吸收带的底部，向低频侧偏移(图4是碱金属原子为铯 (Cs)的情况，在P点的频率处EIT信号强度最大。吸收带的底部则位于该图横轴的值 500 (MHz)附近。另外，横轴的绝对值的基准(零点)是任意的)。因此，对于以往的 原子振荡器，未必一定能检测出最大的EIT信号，成为导致S/N劣化的因素。
并且，专利文献1中公开的现有技术没有规定使CPT (EIT)信号强度最大的两个 光波的频率条件。发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的，其目的在于提供一种原子振荡器，在该原子 振荡器中，提供以不产生EIT的方式使频率略微偏移的边频带成分，产生共振光对，在 该状态下扫描中心频率，检测检测信号的底部，当检测到底部时，使共振光对的中心频 率向低频(长波长)侧移动，对边频带调制波进行扫描，由此，能够检测出最大的EIT信 号，能够提高S/N而实现频率的稳定化。
本发明是为了解决上述课题中的至少一部分而完成的，可以通过以下的方式或 应用例来实现。
[应用例1]一种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有气体状的碱金 属原子；光源，其生成用于使所述碱金属原子产生电磁诱导透明现象(EIT现象)的共振 光；高频产生单元，其向所述光源提供高频信号来生成共振光对；中心频率改变单元， 其向所述光源提供直流信号而改变所述共振光对的中心频率；光检测单元，其检测透射过所述碱金属原子的所述共振光，输出与该透射过的所述共振光的强度对应的检测信 号；吸收检测单元，其检测使所述共振光的频率改变时所述检测信号的最小值；以及信 号处理单元，其控制从所述高频产生单元输出的高频信号的提供或停止，其中，该信号 处理单元在使所述高频信号的输出停止的状态下，对由所述吸收检测单元检测出的所述 最小值与所述检测信号进行比较，控制所述中心频率改变单元来设定所述共振光对的中 心频率，使得所述检测信号比所述最小值大规定值，所述设定的中心频率被设定为比与 所述最小值对应的所述共振光的频率低。
本发明具有信号处理单元，其输出以下信号控制来自高频产生单元的高频的 提供和停止的输出控制信号；以及扫描高频产生单元的频率的频率控制信号，当检测出 由中心频率改变单元扫描中心频率时产生的信号的最小值(底部)时，使中心频率(波 长)向低频(长波长)侧移动，由高频产生单元用高频对光源实施调制，并由信号处理单 元扫描该高频，由此来检测EIT信号。由此，能够检测到最大的EIT信号，能够提高S/ N而实现原子振荡器的频率的稳定化。
[应用例2]—种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有气体状的碱金 属原子；光源，其生成用于使所述碱金属原子产生电磁诱导透明现象(EIT现象)的共振 光；高频产生单元，其向所述光源提供高频信号来生成共振光对；中心频率改变单元， 其向所述光源提供直流信号而改变所述共振光对的中心频率；光检测单元，其检测透 射过所述碱金属原子的所述共振光对，输出与该透射过的所述共振光对的强度对应的检 测信号；吸收检测单元，其检测使所述共振光对的中心频率改变时所述检测信号的最小 值；以及信号处理单元，其将所述高频信号的频率设定为不产生所述电磁诱导透明现象 (EIT现象)的预定频率，其中，该信号处理单元在停止了所述电磁诱导透明现象(EIT现 象)的状态下，对存储在所述吸收检测单元中的所述最小值与所述检测信号进行比较， 控制所述中心频率改变单元来设定所述共振光对的中心频率，使得所述检测信号比所述 最小值大规定值，所述设定的中心频率被设定为比与所述最小值对应的所述共振光对的 中心频率低。
本发明从最初就开始向光源提供高频信号。其中，高频信号的频率与产生EIT 的频率略微错开。由此，在扫描中心频率而检测检测信号的最小值时，不会产生EIT现 象。并且，当检测出检测信号的底部时，使中心频率向低频(长波长)侧移动，并由信 号处理单元扫描高频，由此来检测EIT信号。由此，能够检测最大的EIT信号，能够提 高S/N而实现频率的稳定化。
[应用例3]特征在于，所述碱金属原子是铯(Cs)，所述设定的所述共振光的中 心频率被设定为比与所述最小值对应的所述共振光的频率或所述共振光对的中心频率低 IOOMHz 至 300MHz。
通过实验确认到，EIT信号为最强的频率相比于检测信号的底部(最小值)，是 向低频侧偏移的。因此，在本发明中，将其范围设定为IOOMHz至300MHz。由此，因 为光源的驱动电流(直流信号)与频率(波长)的关系是已知的，所以通过设定驱动电 流，能够容易地设定频率。
[应用例4]一种原子振荡器的控制方法，所述原子振荡器使用了用于生成使碱 金属原子产生电磁诱导透明现象(EIT现象)的共振光的光源，该控制方法的特征在于，包括以下步骤第1控制步骤，向所述光源提供高频信号来生成共振光对；第2控制 步骤，向所述光源提供预定的直流信号，以设定所述共振光对的中心频率；第3控制步 骤，控制所述高频信号的提供或停止；第4控制步骤，在停止了所述高频信号的提供的 状态下，改变所述直流信号的强度，检测透射过所述碱金属原子的所述共振光的强度； 第5控制步骤，检测在所述第4控制步骤中检测出的所述共振光的强度的最小值；以及第 6控制步骤，根据在所述第5控制步骤中检测出的所述最小值，在停止了所述高频信号的 提供的状态下改变所述直流信号的强度，检测透射过所述碱金属原子的所述共振光的强 度，设定所述直流信号的强度，使得所述共振光的强度比所述最小值大规定值。
应用例4起到与应用例1相同的作用效果。
[应用例5]—种原子振荡器的控制方法，所述原子振荡器使用了用于生成使碱 金属原子产生电磁诱导透明现象(EIT现象)的共振光的光源，该控制方法的特征在于， 包括以下步骤第1控制步骤，向所述光源提供高频信号来生成共振光对；第2控制 步骤，向所述光源提供预定的直流信号，以设定所述共振光对的中心频率；第3控制步 骤，将所述高频信号的频率设定为不产生所述电磁诱导透明现象(EIT现象)的预定频 率；第4控制步骤，改变所述直流信号的强度，存储透射过所述碱金属原子的所述共振 光对的强度的最小值；以及第5控制步骤，根据在所述第4控制步骤中存储的所述最小 值，改变所述直流信号的强度，检测透射过所述碱金属原子的所述共振光对的强度，将 所述直流信号的强度设定为使得该共振光对的强度的检测值比所述最小值大规定值。
应用例5起到与应用例2相同的作用效果。
[应用例6]特征在于，所述碱金属原子是铯(Cs)，与所述直流信号的强度对应的 所述共振光的中心频率设定为，比与所述最小值对应的所述共振光的频率或所述共振光 对的中心频率低IOOMHz至300MHz。
应用例6起到与应用例3相同的作用效果。


图1是示出本发明的第1实施方式的原子振荡器的功能结构的框图。
图2中的(a)是说明本发明第1实施方式的原子振荡器的动作的流程图，(b)是 说明本发明第2实施方式的原子振荡器的动作的流程图。
图3中的(a)是表示扫描光源的中心频率时来自光检测单元的输出信号的图， (b)是检测到输出信号的底部时的图，(c)是使中心频率向长波长侧移动时的图，(d)是 针对Cs扫描高频信号(边频带)来检测EIT信号时的图。
图4是示出Cs的EIT信号强度与中心频率之间的关系的图。
符号说明
1 光源
2 碱金属装入室
3 光检测单元
4 中心波长改变单元
5 边频带(Sidebiffld)产生单元
6 吸收检测单元
7 EIT检测单元
8 信号处理单元
9 频率控制信号
10 输出控制信号
11 中心波长控制信号
100 原子振荡器具体实施方式
下面，利用附图中所示的实施方式来详细说明本发明。但是，只要没有特定说 明，则该实施方式中记载的结构要素、种类、组合、形状、其相对配置等就只是单纯的 说明例，其目的不是要将本发明的范围仅限定于此。
图1是示出本发明的第1至第2实施方式的原子振荡器的功能结构的框图。该原 子振荡器100构成为具有光源1，其生成用于使碱金属原子产生电磁诱导透明现象(EIT 现象)的共振光；碱金属装入室(以下，称为气室(gas cell))2,其根据来自光源1的光 的波长而改变光的吸收量；边频带产生单元(高频产生单元)5，其向光源1提供高频信 号来生成共振光对；中心波长改变单元(中心频率改变单元)4，其向光源1提供直流信 号而改变共振光对的中心频率；光检测单元3，其检测透射过碱金属原子的共振光或共 振光对，输出与透射过的共振光或共振光对的强度对应的检测信号；吸收检测单元6， 其检测使共振光对的中心频率改变时检测信号的最小值(底部)；信号处理单元8，其控 制从边频带产生单元5输出的高频信号的提供或停止；以及EIT检测单元7，其对光检测 单元3的输出进行同步检波，检测EIT状态。另外，从信号处理单元8输出以下信号 扫描边频带产生单元5的边频带频率的频率控制信号9 ；以及控制从边频带产生单元5产 生的边频带的提供或停止的输出控制信号10。
并且，信号处理单元8在使边频带信号的输出停止的状态下，对由吸收检测单 元6检测出的检测信号的最小值与检测信号进行比较，控制中心频率改变单元4来设定共 振光对的中心频率，使得检测信号比最小值大规定的值，并且，所设定的中心频率被设 定得比与最小值对应的共振光的频率或共振光对的中心频率低。
并且，在停止了电磁诱导透明现象(EIT现象)的状态下，信号处理单元8对由 吸收检测单元6检测出的最小值与检测信号进行比较，控制中心频率改变单元4来设定共 振光对的中心频率，使得检测信号比最小值大规定值，并且所设定中心频率被设定得比 与最小值对应的共振光的频率或共振光对的中心频率低。
S卩，在本实施方式中，具有信号处理单元8，其输出以下信号控制来自边频 带产生单元5的边频带的提供和停止的输出控制信号10 ；以及扫描边频带产生单元5的 频率的频率控制信号9，当吸收检测单元6检测出由中心波长改变单元4扫描中心频率时 产生的信号的最小值(底部)时，使中心波长向长波长侧移动，由边频带产生单元5用 高频对光源1进行调制，并通过从信号处理单元8输出的频率控制信号9对该高频进行扫 描，由此来检测EIT信号。由此，能够检测出最大强度的EIT信号，能够提高S/N而实 现原子振荡器的频率的稳定化。
图2(a)是说明本发明的第1实施方式的原子振荡器的动作的流程图。首先，由信号处理单元8将输出控制信号10设为接通(ση)状态，向光源1输入边频带(高频信 号)。这里，针对此时的边频带(高频信号)的频率，以不发生EIT现象的方式使频率 略微偏移61)。例如，在碱金属原子为Cs的情况下，ΔΕ12换算成频率为9.192[GHz| (或者是其一半的值4.596[GHz])，因此是与这些值错开。接着，由中心频率改变单元4 扫描中心频率62)。此时，如图3(a)所示，从光检测单元3输出如波形20那样的检测 信号。并且，作为光谱，出现了光源1的光谱21和边频带的光谱22。此时，由于边频 带是以不发生EIT现象的方式使频率略微偏移的，因此，是在不发生EIT现象的情况下检 测到检测信号的底部(最小值MS3中为“是”)(参照图3(b))。另外，吸收的底部成 功出现的条件是停留在吸收的底部一定时间、或发生的变化为一定值以下等。接着， 当检测出吸收的底部时，使中心波长向长波长侧移动64)(参照图3(c))。移动的量约为 200MHz。然后，信号处理单元8在施加边频带的状态下通过频率控制信号9扫描边频带 (S5)。之后，转移到扫描控制，由EIT检测单元7检测EIT信号(参照图3(d))。
S卩，在本实施方式中，从最初就向光源1提供边频带(高频信号)。其中，边 频带的频率是与产生EIT的频率略微错开的。由此，在扫描中心频率而检测检测信号的 最小值时，不会发生EIT现象。并且，当检测出检测信号的底部(最小值)时，使中心 频率向长波长侧移动，由边频带产生单元5用边频带对光源1进行调制，并由信号处理单 元8对该边频带进行扫描，由此来检测EIT信号。由此，能够检测到最大强度的EIT信 号，能够提高S/N而实现原子振荡器的频率的稳定化。
并且，通过实验确到，EIT信号为最强的频率相比于检测信号的底部(最 小值)，是向低频侧偏移的。因此，在本实施方式中，将其范围设定为IOOMHz至 300MHz。由此，因为光源1的驱动电流与频率(波长)的关系是已知的，所以通过设定 驱动电流，能够容易地设定频率。
图2(b)是说明本发明的第2实施方式的原子振荡器的动作的流程图。对于相同 动作附上相同的参考编号进行说明。首先，由信号处理单元8将输出控制信号10设为断 开(OFF)状态，不向光源1输入边频带(高频信号MS10)。接着，由中心频率改变单元 4扫描中心频率62)。此时，如图3(a)所示，从光检测单元3输出如波形20那样的检 测信号。并且，作为光谱，仅出现了光源1的光谱21。此时，由于没有输入边频带，因 此，是在不产生EIT现象的情况下检测检测信号的底部(最小值)(S3中为“是”)(参 照图3(b))。另外，吸收的底部成功出现的条件是停留在吸收的底部一定时间、或发 生的变化为一定值以下等。接着，当检测出吸收的底部时，使中心波长向长波长侧移动 64)(参照图3(c))。移动的量约为200MHz。接着，由信号处理单元8将输出控制信号 10设成“接通”状态，向光源1输入边频带611)。然后，信号处理单元8在施加边频 带的状态下通过频率控制信号9扫描边频带6 。之后，转移到扫描控制，由EIT检测 单元7检测EIT信号(参照图3 (d))。
S卩，在本实施方式中，最初不提供边频带(高频信号)。由此，在对中心频率 (共振光的频率)进行扫描而检测检测信号的最小值时，不会发生EIT现象。并且，当 检测出检测信号的底部时，使中心频率向长波长侧移动，由边频带产生单元5向光源1提 供边频带。接着，对该边频带实施调制，由信号处理单元8扫描该边频带，由此来检测 EIT信号。由此，能够检测到最大强度的EIT信号，能够提高S/N而实现原子振荡器的频率的稳定化。
权利要求
1.一种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有 气体状的碱金属原子；光源，其生成用于使所述碱金属原子产生电磁诱导透明现象的共振光； 高频产生单元，其向所述光源提供高频信号来生成共振光对； 中心频率改变单元，其向所述光源提供直流信号而改变所述共振光对的中心频率； 光检测单元，其检测透射过所述碱金属原子的所述共振光，输出与该透射过的所述 共振光的强度对应的检测信号；吸收检测单元，其检测使所述共振光的频率改变时所述检测信号的最小值；以及 信号处理单元，其控制从所述高频产生单元输出的高频信号的提供或停止， 其中，该信号处理单元在使所述高频信号的输出停止的状态下，对由所述吸收检测 单元检测出的所述最小值与所述检测信号进行比较，控制所述中心频率改变单元来设定 所述共振光对的中心频率，使得所述检测信号比所述最小值大规定值，所述设定的中心 频率被设定为比与所述最小值对应的所述共振光的频率低。
2.—种原子振荡器，其特征在于，该原子振荡器具有 气体状的碱金属原子；光源，其生成用于使所述碱金属原子产生电磁诱导透明现象的共振光； 高频产生单元，其向所述光源提供高频信号来生成共振光对； 中心频率改变单元，其向所述光源提供直流信号而改变所述共振光对的中心频率； 光检测单元，其检测透射过所述碱金属原子的所述共振光对，输出与该透射过的所 述共振光对的强度对应的检测信号；吸收检测单元，其检测使所述共振光对的中心频率改变时所述检测信号的最小值；以及信号处理单元，其将所述高频信号的频率设定为不产生所述电磁诱导透明现象的预 定频率，其中，该信号处理单元在停止了所述电磁诱导透明现象的状态下，对由所述吸收检 测单元检测出的所述最小值与所述检测信号进行比较，控制所述中心频率改变单元来设 定所述共振光对的中心频率，使得所述检测信号比所述最小值大规定值，所述设定的中 心频率被设定为比与所述最小值对应的所述共振光对的中心频率低。
3.根据权利要求1或2所述的原子振荡器，其特征在于，所述碱金属原子是铯，所述设定的所述共振光的中心频率被设定为比与所述最小值 对应的所述共振光的频率或所述共振光对的中心频率低IOOMHz至300MHz。
4.一种原子振荡器的控制方法，所述原子振荡器使用了用于生成使碱金属原子产生 电磁诱导透明现象的共振光的光源，该控制方法的特征在于，包括以下步骤第1控制步骤，向所述光源提供高频信号来生成共振光对；第2控制步骤，向所述光源提供预定的直流信号，以设定所述共振光对的中心频率；第3控制步骤，控制所述高频信号的提供或停止；第4控制步骤，在停止了所述高频信号的提供的状态下，改变所述直流信号的强 度，检测透射过所述碱金属原子的所述共振光的强度；第5控制步骤，检测在所述第4控制步骤中检测出的所述共振光的强度的最小值；以及第6控制步骤，根据在所述第5控制步骤中检测出的所述最小值，在停止了所述高 频信号的提供的状态下改变所述直流信号的强度，检测透射过所述碱金属原子的所述共 振光的强度，将所述直流信号的强度设定为使得所述共振光的强度比所述最小值大规定值。
5.一种原子振荡器的控制方法，所述原子振荡器使用了用于生成使碱金属原子产生 电磁诱导透明现象的共振光的光源，该控制方法的特征在于，包括以下步骤第1控制步骤，向所述光源提供高频信号来生成共振光对；第2控制步骤，向所述光源提供预定的直流信号，以设定所述共振光对的中心频率；第3控制步骤，将所述高频信号的频率设定为不产生所述电磁诱导透明现象的预定 频率；第4控制步骤，改变所述直流信号的强度，存储透射过所述碱金属原子的所述共振 光对的强度的最小值；以及第5控制步骤，根据在所述第4控制步骤中存储的所述最小值，改变所述直流信号的 强度，检测透射过所述碱金属原子的所述共振光对的强度，将所述直流信号的强度设定 为使得该共振光对的强度的检测值比所述最小值大规定值。
6.根据权利要求4或5所述的原子振荡器的控制方法，其特征在于，所述碱金属原子是铯，与所述直流信号的强度对应的所述共振光对的中心频率被设 定为，比与所述最小值对应的所述共振光的频率或所述共振光对的中心频率低IOOMHz 至 300MHz。
全文摘要
本发明提供原子振荡器及原子振荡器的控制方法。原子振荡器(100)具有生成用于使碱金属原子产生电磁诱导透明现象(EIT现象)的共振光对的光源(1)；根据来自光源(1)的光的波长来改变光吸收量的碱金属装入室(2)；向光源(1)提供高频信号来生成共振光对的边频带产生单元(5)；向光源(1)提供直流信号且能够改变共振光对的中心频率的中心波长改变单元(4)；检测透过碱金属原子的共振光对、输出与透过的共振光对的强度对应的检测信号的光检测单元(3)；检测改变共振光对的中心频率时检测信号的最小值的吸收检测单元(6)；控制从边频带产生单元(5)输出的高频信号的提供或停止的信号处理单元(8)。
文档编号H03L7/26GK102025372SQ20101028850
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月15日 优先权日2009年9月16日
发明者珎道幸治, 青山拓 申请人:精工爱普生株式会社