КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ НА ГАЗОВОЙ ЯЧЕЙКЕ С ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ
QUANTUM FREQUENCY STANDARD ON GAS CELL WITH PULSED LASER PUMPING

Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке, например, в цезиевых или рубидиевых стандартах частоты с импульсной лазерной накачкой.
свч
0
0
свч
0
0
Принцип работы квантового стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, см., например, [1] - А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978, с.5; [2] - F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293. В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки (автоподстройки) частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также формирователь опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами формирователя сигнала радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, [3] - RU №2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003. Формирователь сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора модулированный по частоте (фазе) СВЧ сигнал, номинальное значение несущей частоты f которого соответствует вершине контура спектральной линии квантового дискриминатора. В рассматриваемом случае квантового стандарта частоты на газовой ячейке указанная вершина контура спектральной линии квантового дискриминатора определяется резонансной частотой f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения. Частота f стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f от эталонной частоты f. Формирователь управляющего напряжения на основе выходного сигнала квантового дискриминатора формирует сигнал рассогласования, а затем путем интегрирования формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, определяющая частоту выходного сигнала квантового стандарта частоты, изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно эталонной частоты f.
87
0
нч
свч
0
нч
свч
0
0
Известны квантовые стандарты частоты, в которых квантовый дискриминатор содержит расположенные на одной оптической оси источник света оптической накачки в виде безэлектродной спектральной лампы, СВЧ резонатор с газовой ячейкой, наполненной рабочим веществом и буферным газом, и фотодетектор, см., например, рубидиевые квантовые стандарты частоты, представленные в патентах: [4] - US №6300841, H03L 7/26, 09.10.2001, Fig.2; [5] - US №6985043, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.2. Эти квантовые стандарты частоты работают на принципе двойного радиооптического резонанса поглощения частотно модулированного сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе (пары рубидия Rb) газовой ячейки СВЧ резонатора, настроенного на резонансную частоту f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения. Детектирование резонанса поглощения осуществляется фотодетектором по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с получением на выходе фотодетектора гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой f модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и несущих в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f сигнала радиочастотного возбуждения относительно частоты f. Первая из этих гармоник используется в качестве полезного выходного сигнала квантового дискриминатора. Этот сигнал поступает на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения, где обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой f, формируемого формирователем опорных сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования поступает на вход интегратора, который формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f к частоте f. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f - резонансной частотой контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения.
Недостатком квантовых стандартов частоты, использующих в качестве источника света оптической накачки безэлектродную спектральную лампу, является чрезмерно обогащенный спектр света оптической накачки нерезонансными линиями излучения этой лампы (нерезонансными спектральными линиями ее рабочего вещества и буферного газа), что увеличивает шумовую составляющую выходного сигнала квантового дискриминатора и соответственно увеличивает нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.
л
опт
св
свч
опт
св
0
опт
0
87
15
10
Принципиально устранение этого недостатка возможно при использовании в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке методов лазерной оптической накачки, см., например, работу [6] - С.Affolderbach, F.Droz, G.Mileti. Experimental demonstration of a compact and high-performance laser-pumped rubidium gas cell atomic frequency standard. // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol.55, NO.2, 2006, pp.429-435. Связано это с тем, что лазерное излучение характеризуется одной спектральной составляющей, ширина W которой (порядка 10 МГц) значительно уже ширины W контура спектральной линии поглощения света оптической накачки (А) в газовой ячейке (порядка 1000 МГц в ячейке с парами рубидия Rb) и больше ширины W контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения (менее 1 кГц), при этом оптическая резонансная частота f (резонансная частота контура А спектральной линии поглощения света оптической накачки) значительно больше резонансной частоты f, определяемой резонансной частотой контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения (f≈10 Гц, f≈10 Гц). Все это дает потенциальную возможность для уменьшения шумовой составляющей выходного сигнала квантового дискриминатора (увеличения отношения полезного сигнала к шуму) и уменьшения вследствие этого нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты).
0
0
Известны квантовые стандарты частоты на газовой ячейке с непрерывной лазерной накачкой, см., например, патенты: [7] - US №5751193, H03L 7/26, 12.05.1998; [8] - US №5442326, H03L 7/26, 15.08.1995; [9] - US №5656974, H03L 7/26, H03B 17/00, 12.08.1997; [10] - DE №4306754, H03L 7/26, H01S 1/06, 21.10.1993. Общим для всех этих устройств является наличие двух колец автоподстройки - кольца автоподстройки частоты кварцевого генератора и кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, причем оба этих кольца работают в непрерывном режиме. Основной технической задачей, решаемой в этих устройствах, является обеспечение работоспособности в условиях применения непрерывной лазерной накачки и наличия двух колец автоподстройки, работающих в непрерывном режиме. При этом, однако, в этих устройствах не удается получить характеристик стабильности частоты, приближающихся к характеристикам стабильности лучших образцов квантовых стандартов частоты на газовой ячейке, использующих лампу накачки, за исключением характеристик за очень короткое время. Связано это, в частности, с тем, что в этих устройствах квантовый переход, соответствующий резонансной частоте f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, осуществляется в условиях существенной связи между оптической и СВЧ когерентностью, что приводит к существенной зависимости частоты f от интенсивности лазерного излучения (существенному «световому сдвигу») и повышению уровня шума выходного сигнала квантового дискриминатора.
0
Об этих недостатках, органически присущих квантовым стандартам частоты на газовой ячейке с непрерывной лазерной накачкой, указывается в известной работе [11] - A.Godone, S.Micalizio, C.E.Calosso, and F.Levi. The pulsed rubidium clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Vol.53, No.3, March 2006, pp.525-529. В этой же работе описывается метод импульсной лазерной накачки и схема квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, обеспечивающие повышение характеристик стабильности квантового стандарта частоты за счет уменьшения «светового сдвига» (зависимости частоты f от интенсивности лазерного излучения) и рамзеевского сужения контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения.
Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, описанный в работе [11], принят в качестве прототипа.
Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, выход которого является выходом квантового стандарта частоты.
87
Квантовый дискриминатор в прототипе состоит из расположенных последовательно на одной оптической оси лазерного модуля, полупрозрачного зеркала, оптического переключателя и СВЧ резонатора с газовой ячейкой, использующей в качестве рабочего вещества рубидий Rb. СВЧ резонатор имеет радиочастотные вход и выход, образованные однонаправленным входом и однонаправленным выходом взаимодействующего с СВЧ резонатором СВЧ циркулятора. Радиочастотные вход и выход СВЧ резонатора образуют соответственно радиочастотные вход и выход квантового дискриминатора. Управляющий вход оптического переключателя образует первый управляющий вход квантового дискриминатора. Управляющий вход лазерного модуля образует второй управляющий вход квантового дискриминатора. Ответвляющий выход полупрозрачного зеркала образует оптический выход квантового дискриминатора.
Радиочастотный вход квантового дискриминатора соединен с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а радиочастотный выход - с сигнальным входом формирователя управляющего напряжения. Оптический выход квантового дискриминатора соединен с входом устройства оптической дискриминации и детектирования, выход которого через формирователь управляющего тока соединен со вторым управляющим входом квантового дискриминатора. Первый управляющий вход квантового дискриминатора соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, второй и третий управляющие выходы которого соединены соответственно с управляющим входом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя управляющего напряжения, а опорные выходы соединены с соответствующими опорными входами формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения. Вход блока формирования опорных и управляющих сигналов по общепринятой практике подсоединяется к выходу подстраиваемого кварцевого генератора (выходу квантового стандарта частоты), что обеспечивает согласованность формируемых им опорных и управляющих сигналов, что, в свою очередь, обеспечивает согласованное разделение во времени процессов импульсной лазерной накачки, импульсного радиочастотного возбуждения рабочего вещества газовой ячейки СВЧ резонатора и автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора в определенных временных окнах при непрерывной работе кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля.
с
с
свч
нч
свч
0
свч
Импульсная лазерная накачка осуществляется последовательностью одиночных световых импульсов, формируемых оптическим переключателем с периодичностью Т из непрерывного лазерного излучения, создаваемого лазерным модулем. Импульсное радиочастотное возбуждение осуществляется последовательностью пачек из двух СВЧ импульсов, формируемых формирователем сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с периодичностью Т после прохождения каждого импульса лазерной накачки. Несущая частота f СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения модулирована низкочастотным сигналом с частотой f; номинальное значение несущей частоты f соответствует резонансной частоте f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, а текущее значение частоты f определяется текущим значением частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора. Формирование СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения осуществляется в формирователе сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с помощью входного модулирующего преобразователя частоты и выходного электронного ключа, где модулирующий преобразователь частоты может быть реализован, например, на основе повышающего преобразователя частоты и модулятора, при этом сигнальный и опорные входы модулирующего преобразователя частоты образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а управляющий вход и выход электронного ключа образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.
Автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора осуществляется в соответствующих временных окнах по окончанию каждой пачки СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения по сигналам, поступающим на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения с радиочастотного выхода квантового дискриминатора. Формирователь управляющего напряжения в прототипе состоит из входного электронного ключа, гетеродинного понижающего преобразователя частоты, амплитудного детектора и выходного блока синхронного детектирования и интегрирования, где сигнальный и управляющий входы электронного ключа образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего напряжения, опорные входы гетеродинного понижающего преобразователя частоты и блока синхронного детектирования и интегрирования образуют опорные входы формирователя управляющего напряжения, а выход блока синхронного детектирования и интегрирования образует выход формирователя управляющего напряжения.
свч
0
нч
нч
свч
0
Сигналы, поступающие на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения с радиочастотного выхода квантового дискриминатора, представляют собой отклик СВЧ резонатора на СВЧ импульсы радиочастотного возбуждения и несут в себе информацию об отклонении текущего значения несущей частоты f от эталона - резонансной частоты f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения. Эти сигналы проходят через входной электронный ключ, периоды замкнутого состояния которого определяют временные окна, в которые происходит автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Далее сигналы преобразуются по частоте с помощью гетеродинного понижающего преобразователя частоты и детектируются с помощью амплитудного детектора с выделением гармоники с частотой f. После этого сигналы поступают на сигнальный вход блока синхронного детектирования и интегрирования, где синхронно детектируются относительно опорного сигнала с частотой f с выделением сигнала рассогласования, величина и знак которого характеризуют величину и знак отклонения частоты f от частоты f, а затем полученный сигнал рассогласования интегрируется, образуя управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Формирование временных окон осуществляется под воздействием управляющего сигнала, а гетеродинирование и синхронное детектирование - под воздействием опорных сигналов, поступающих на управляющий и опорные входы формирователя управляющего напряжения с соответствующих выходов блока формирования опорных и управляющих сигналов.
свч
0
0
Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора с выхода формирователя управляющего напряжения, частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f к частоте f. Тем самым осуществляется процесс подстройки и стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f.
свч
свч
1
1
При этом за счет разделения во времени СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения, импульсов лазерной накачки и промежутков времени (временных окон), отведенных для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивается рамзеевское сужение контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения до значения, примерно равного W*≈W·t/T, где
свч
1
1
0
0
W - ширина контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с СВЧ сигналом радиочастотного возбуждения при непрерывном режиме работы, t - длительность СВЧ импульса радиочастотного возбуждения, T - временной разнос между фронтами СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения в пачке. В этих условиях квантовый переход, соответствующий резонансной частоте f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, осуществляется со значительно ослабленной (по сравнению с непрерывным режимом работы) связью между оптической и СВЧ когерентностью, при этом уменьшается зависимость частоты f от интенсивности лазерного излучения (уменьшается «световой сдвиг»), а также уровень шума выходного сигнала квантового дискриминатора. Все это положительно сказывается на работе кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивая возможность достижения более высоких характеристик стабильности частоты его выходного сигнала (выходного сигнала квантового стандарта частоты) по сравнению с квантовыми стандартами частоты, использующими как непрерывную лазерную накачку, так и непрерывную оптическую накачку с помощью безэлектродной спектральной лампы.
Долговременная стабильность квантового стандарта частоты обеспечивается при стабильной частоте излучения лазерного модуля. В прототипе это реализуется за счет непрерывно работающего кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, в состав которого помимо собственно лазерного модуля входят полупрозрачное зеркало, устройство оптической дискриминации и детектирования и формирователь управляющего тока, выход которого подключен к управляющему входу лазерного модуля. Работа кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля происходит по части излучения лазерного модуля, ответвляемой полупрозрачным зеркалом на вход устройства оптической дискриминации и детектирования, которое содержит эталонную газовую ячейку с фотодетектором на выходе. Оптическая резонансная частота этой газовой ячейки, определяемая резонансной частотой контура спектральной линии поглощения лазерного излучения, является эталоном для оценки отклонения частоты излучения лазерного модуля от номинала, а выходной сигнал фотодетектора, фиксирующий оптический резонанс, несет в себе информацию об этом отклонении. Выходной сигнал фотодетектора обрабатывается в формирователе управляющего тока с получением выходного сигнала - управляющего тока, под воздействием которого частота излучения лазерного модуля приводится в соответствие с эталоном.
Однако наличие в прототипе непрерывно работающего кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, использующего к тому же в качестве эталона отдельную газовую ячейку, требующую термостабилизации, увеличивает энергопотребление, габариты и массу квантового стандарта частоты. Это является недостатком, препятствующим практическому применению такого квантового стандарта частоты, особенно в составе бортового оборудования.
Кроме этого использование в прототипе для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора СВЧ сигнала, снимаемого с радиочастотного выхода СВЧ резонатора, накладывает повышенные требования к его добротности, что ведет к усложнению конструкции СВЧ резонатора и увеличению его массогабаритных характеристик.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, в котором оба кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля работают в импульсном режиме по сигналу, снимаемому с фотодетектора квантового дискриминатора. Такой квантовый стандарт частоты, по сравнению с прототипом, отличается сниженными требованиями к добротности СВЧ резонатора, меньшими габаритами и массой, меньшим уровнем энергопотребления, что с учетом обеспечиваемых характеристик стабильности (на уровне прототипа) делает его перспективным для практического применения, в том числе в составе бортового оборудования.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных и управляющих сигналов, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, а опорные выходы - с соответствующими опорными входами формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения. Квантовый дискриминатор содержит расположенные последовательно на одной оптической оси лазерный модуль, оптический переключатель и СВЧ резонатор с газовой ячейкой. Радиочастотный вход СВЧ резонатора, образующий радиочастотный вход квантового дискриминатора, соединен с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, управляющий вход оптического переключателя, образующий первый управляющий вход квантового дискриминатора, соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, управляющий вход лазерного модуля, образующий второй управляющий вход квантового дискриминатора, соединен с выходом формирователя управляющего тока, а второй и третий управляющие выходы блока формирования опорных и управляющих сигналов соединены соответственно с управляющим входом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя управляющего напряжения. При этом формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения содержит входной модулирующий преобразователь частоты, сигнальный и опорные входы которого образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, и выходной электронный ключ, управляющий вход и выход которого образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а формирователь управляющего напряжения содержит входной электронный ключ, сигнальный и управляющий входы которого образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего напряжения, и выходной блок синхронного детектирования и интегрирования, опорный вход и выход которого образуют соответственно опорный вход и выход формирователя управляющего напряжения. В отличие от прототипа квантовый дискриминатор дополнительно содержит расположенный на одной оптической оси с СВЧ резонатором фотодетектор, выход которого, образующий выход квантового дискриминатора, соединен с сигнальным входом формирователя управляющего напряжения, а также с сигнальным входом формирователя управляющего тока, выполненным в виде последовательно соединенных входного электронного ключа, сигнальный и управляющий входы которого образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего тока, блока синхронного детектирования и интегрирования, опорный вход которого образует опорный вход формирователя управляющего тока, и выходного сумматора, второй вход и выход которого образуют соответственно суммирующий вход и выход формирователя управляющего тока. При этом управляющий вход формирователя управляющего тока соединен с четвертым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, опорный вход формирователя управляющего тока через формирователь опорного сигнала детектирования соединен с выходом делителя частоты, вход которого соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, а суммирующий вход формирователя управляющего тока через формирователь импульсов соединен с выходом делителя частоты.
В вариантах реализации, предпочтительных для практического осуществления, формирователь импульсов выполнен в виде формирователя импульсов типа «меандр», а делитель частоты выполнен в виде триггера.
Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1-3, где:
на фиг.1 представлена структурная схема заявляемого квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой;
на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие импульсный характер работы;
на фиг.3 - график, поясняющий особенности формирования импульсов лазерной накачки.
Заявляемый квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой (далее - квантовый стандарт частоты) содержит, см. фиг.1, последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, формирователь 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор 3 и формирователь 4 управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, выход которого образует выход квантового стандарта частоты.
87
133
Квантовый дискриминатор 3 содержит расположенные последовательно на одной оптической оси лазерный модуль 5, оптический переключатель 6, СВЧ резонатор 7 с газовой ячейкой 8 и фотодетектор 9. Лазерный модуль 5 может быть выполнен, например, в виде термостабилизированного модуля с лазерным диодом; оптический переключатель 6 может быть выполнен, например, в виде оптоэлектронного переключателя; в качестве рабочего вещества в газовой ячейке 8 может быть использован рубидий (например Rb) или цезий (например Cs). СВЧ резонатор 7 имеет радиочастотный вход, реализованный, например, в виде петли или щели связи. Радиочастотный вход СВЧ резонатора 7 образует радиочастотный вход квантового дискриминатора 3. Управляющий вход оптического переключателя 6 образует первый управляющий вход квантового дискриминатора 3. Управляющий вход лазерного модуля 5 образует второй управляющий вход квантового дискриминатора 3. Выход фотодетектора 9 образует выход квантового дискриминатора 3.
Радиочастотный вход квантового дискриминатора 3 соединен с выходом формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.
Первый управляющий вход квантового дискриминатора 3 соединен с первым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.
Второй управляющий вход квантового дискриминатора 3 соединен с выходом формирователя 11 управляющего тока.
Выход квантового дискриминатора 3 соединен с сигнальным входом формирователя 4 управляющего напряжения, а также с сигнальным входом формирователя 11 управляющего тока.
Второй и третий управляющие выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов соединены соответственно с управляющим входом формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя 4 управляющего напряжения, опорные входы которых соединены с соответствующими опорными выходами блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.
Вход блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1.
Формирователь 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения содержит последовательно соединенные входной модулирующий преобразователь частоты 12, сигнальный и опорные входы которого образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, и выходной электронный ключ 13, управляющий вход и выход которого образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.
Формирователь 4 управляющего напряжения содержит последовательно соединенные входной электронный ключ 14, сигнальный и управляющий входы которого образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя 4 управляющего напряжения, и выходной блок 15 синхронного детектирования и интегрирования, опорный вход и выход которого образуют соответственно опорный вход и выход формирователя 4 управляющего напряжения.
Блок 10 формирования опорных и управляющих сигналов в рассматриваемом примере состоит из формирователя 16 опорных сигналов и формирователя 17 управляющих сигналов, где вход формирователя 16 опорных сигналов образует вход блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, опорные выходы формирователя 16 опорных сигналов образуют опорные выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, а управляющие выходы формирователя 17 управляющих сигналов образуют управляющие выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, при этом вход формирователя 17 управляющих сигналов подключен к синхронизирующему выходу формирователя 16 опорных сигналов. Формирователь 16 опорных сигналов может быть выполнен, например, на основе синтезатора частот, а формирователь 17 управляющих сигналов - на основе одновибраторов.
Формирователь 11 управляющего тока выполнен в виде последовательно соединенных входного электронного ключа 18, блока 19 синхронного детектирования и интегрирования и выходного сумматора 20, где сигнальный и управляющий входы электронного ключа 18 образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя 11 управляющего тока, опорный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования образует опорный вход формирователя 11 управляющего тока, а второй вход и выход сумматора 20 образуют соответственно суммирующий вход и выход формирователя 11 управляющего тока.
Управляющий вход формирователя 11 управляющего тока соединен с четвертым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.
Опорный вход формирователя 11 управляющего тока через формирователь 21 опорного сигнала детектирования соединен с выходом делителя частоты 22, вход которого соединен с первым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.
Суммирующий вход формирователя 11 управляющего тока через формирователь импульсов 23 соединен с выходом делителя частоты 22.
Формирователь 21 опорного сигнала детектирования может быть выполнен, например, в виде полосового фильтра и фазосдвигающей цепи, обеспечивающих формирование гармонического сигнала с частотой, соответствующей частоте первой гармоники выходного сигнала делителя частоты 22, и фазой, соответствующей фазе импульсов, поступающих на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования.
Формирователь импульсов 23 может быть выполнен в виде формирователя импульсов типа «меандр», а делитель частоты 22 - в виде триггера, реализующего функцию делителя частоты «на два».
Работа заявляемого квантового стандарта частоты происходит следующим образом.
с
1
1
свч
нч
свч
0
свч
Как и в прототипе, процессы лазерной накачки и радиочастотного возбуждения рабочего вещества газовой ячейки 8 являются импульсными и разнесены во времени. При этом импульсная лазерная накачка осуществляется последовательностью одиночных световых импульсов, формируемых с периодичностью Т из выходного сигнала лазерного модуля 5 с помощью оптического переключателя 6, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а), а импульсное радиочастотное возбуждение осуществляется последовательностью пачек из двух СВЧ импульсов длительностью t и временным разносом T между фронтами этих импульсов в пачке, формируемых формирователем 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения после прохождения каждого импульса лазерной накачки с помощью выходного электронного ключа 13, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего со второго управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2б). Несущая частота f СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения модулирована низкочастотным сигналом с частотой f; номинальное значение несущей частоты f соответствует резонансной частоте f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, а текущее значение частоты f определяется текущим значением частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора. Формируются СВЧ импульсы радиочастотного возбуждения из непрерывного модулированного СВЧ сигнала, поступающего на сигнальный вход электронного ключа 13 с выхода модулирующего преобразователя частоты 12, где этот сигнал формируется из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 путем модулирования и некратного повышающего преобразования частоты. Необходимые для этого опорные сигналы поступают на опорные входы формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с соответствующих выходов блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.
d
нч
свч
0
нч
свч
0
По окончании каждой пачки СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения осуществляется автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1. Временные окна, в течение которых происходят процессы автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1, совпадают с начальной частью импульсов лазерной накачки и имеют длительность t. Эти временные окна формируются с помощью входного электронного ключа 14 формирователя 4 управляющего напряжения, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего с третьего управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2в). В промежутки времени, когда электронный ключ 14 открыт, на сигнальный вход блока 15 синхронного детектирования и интегрирования поступает сигнал с выхода квантового дискриминатора 3, т.е. с выхода фотодетектора 9. Этот сигнал определяется реакцией рабочего вещества газовой ячейки 8 на произведенное перед этим радиочастотное возбуждение и содержит в числе прочих составляющих гармоники низкочастотного сигнала, определяемые частотой f модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, несущие в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f сигнала радиочастотного возбуждения относительно эталона - резонансной частоты f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения. Первая из этих гармоник используется в качестве полезного сигнала для автоподстройки подстраиваемого кварцевого генератора 1. В блоке 15 синхронного детектирования и интегрирования этот полезный сигнал синхронно детектируется относительно опорного сигнала с частотой f, поступающего с соответствующего опорного выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, с выделением сигнала рассогласования, величина и знак которого характеризуют величину и знак отклонения частоты f от частоты f. Затем полученный сигнал рассогласования интегрируется, образуя выходной сигнал формирователя 4 управляющего напряжения.
свч
0
0
Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1 с выхода формирователя 4 управляющего напряжения, частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f к частоте f. Тем самым осуществляется процесс подстройки и стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f.
1
1
0
При этом, как и в прототипе, за счет разделения во времени СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения и импульсов лазерной накачки, а также формирования временных окон для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 в соответствующие промежутки времени после СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения обеспечивается рамзеевское сужение контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения (определяемое отношением t/T), что приводит к уменьшению связи между оптической и СВЧ когерентностью и уменьшению зависимости частоты f от интенсивности лазерного излучения (уменьшению «светового сдвига»), что положительно сказывается на характеристиках стабильности квантового стандарта частоты.
В долговременном плане характеристики стабильности квантового стандарта частоты, обусловленные рамзеевским сужением контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения, обеспечиваются при условии стабильной частоты излучения лазерного модуля 5. В заявляемом квантовом стандарте частоты это осуществляется за счет автоподстройки частоты излучения лазерного модуля 5 с использованием в качестве эталона газовой ячейки 8, входящей в состав квантового дискриминатора 3.
p
Автоподстройка частоты излучения лазерного модуля 5 происходит в соответствующих временных окнах, формируемых вслед за временными окнами, отведенными для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1. Эти временные окна совпадают с конечной частью импульсов лазерной накачки и имеют длительность t. Формируются эти временные окна с помощью входного электронного ключа 18 формирователя 11 управляющего тока, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего с четвертого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2г). В промежутки времени, когда электронный ключ 18 открыт, через него на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования поступает сигнал с выхода квантового дискриминатора 3, т.е. с выхода фотодетектора 9.
с
На основе выходного сигнала квантового дискриминатора 3 формирователь 11 управляющего тока формирует управляющий ток, который поступает на второй управляющий вход квантового дискриминатора 3, т.е. на управляющий вход лазерного модуля 5. Формируется управляющий ток путем сложения в сумматоре 20 токов, поступающих на его первый и второй входы соответственно с выхода блока 19 синхронного детектирования и интегрирования и выхода формирователя импульсов 23. Управляющий ток является пульсирующим, имеет постоянную составляющую, определяемую выходным током блока 19 синхронного детектирования и интегрирования, и переменную составляющую, определяемую величиной импульсов тока типа «меандр», формируемых формирователем импульсов 23 (фиг.2д) на основе периодического импульсного сигнала, поступающего с выхода делителя частоты 22 (фиг.2е). В свою очередь, выходной сигнал делителя частоты 22 формируется из управляющего сигнала, поступающего на его вход с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а), и имеет по сравнению с ним удвоенный период 2Т (фиг.2е). Этот же удвоенный период имеет и импульсный ток типа «меандр», формируемый формирователем импульсов 23 (фиг.2д).
св
св
с
с
св
d
p
св
опт
св
св
св
опт
св
Под действием управляющего тока, поступающего на управляющий вход лазерного модуля 5, частота его излучения приобретает пульсирующий вид, характеризуемый девиацией частоты ±Δf относительно среднего значения f и периодом пульсаций 2Т. После прохождения такого пульсирующего лазерного излучения через оптический переключатель 6, переключаемый с периодом Т под действием управляющего сигнала, поступающего с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а), на его выходе образуются импульсы лазерной накачки с поочередно изменяющейся девиацией частоты на величину ±Δf, что проиллюстрировано на фиг.3. Длительность импульсов лазерной накачки соответствует суммарной длительности временных окон (t+t), в течение которых осуществляются автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и автоподстройка частоты излучения лазерного модуля 5; средняя частота f импульсов лазерной накачки соответствует резонансной частоте f контура А спектральной линии поглощения света лазерной накачки в газовой ячейке 8; девиация частоты Δf относительно среднего значения f соответствует полуширине W контура А (фиг.3).
св
св
опт
св
Прошедшие через газовую ячейку 8 импульсы лазерной накачки претерпевают амплитудные изменения, определяемые контуром А спектральной линии поглощения света лазерной накачки рабочим веществом в газовой ячейке 8 (фиг.3), что отражается в уровнях выходного сигнала фотодетектора 9. При этом при совпадении среднего значения частоты лазерного излучения f с резонансной частотой f контура А импульсы выходного сигнала фотодетектора 9 будут равны по амплитуде, а при несовпадении (расстройке) - будут иметь разные амплитуды, причем величина и знак разности амплитуд этих импульсов будут определяться величиной и знаком расстройки.
d
p
p
св
опт
c
Импульсы выходного сигнала фотодетектора 9 длительностью t+t проходят на выход квантового дискриминатора 3, а с него поступают на сигнальный вход формирователя 11 управляющего тока, т.е. на сигнальный вход электронного ключа 18. Электронный ключ 18 пропускает на свой выход часть каждого из этих импульсов, соответствующую формируемому им временному окну длительностью t (фиг.2г), образуя тем самым входной сигнал для блока 19 синхронного детектирования и интегрирования. В разнице амплитуд импульсов, составляющих этот сигнал, содержится, как указано выше, информация об отклонении среднего значения частоты лазерного излучения f относительно резонансной частоты f, которая в виде сигнала рассогласования выделяется при синхронном детектировании в блоке 19 синхронного детектирования и интегрирования. Синхронное детектирование ведется относительно опорного сигнала детектирования, поступающего на опорный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования с выхода формирователя 21 опорного сигнала детектирования. Опорный сигнал детектирования в рассматриваемом примере представляет собой гармонический сигнал, период которого соответствует периоду 2Т выходного сигнала делителя частоты 22, а фаза соответствует фазе импульсов, поступающих на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования с выхода электронного ключа 18. Полученный сигнал рассогласования далее интегрируется, образуя выходной сигнал (выходной ток) блока 19 синхронного детектирования и интегрирования. Этот выходной сигнал поступает на первый вход сумматора 20, где он преобразуется рассмотренным выше образом в пульсирующий ток, являющийся выходным сигналом формирователя 11 управляющего тока.
св
опт
Под действием выходного сигнала формирователя 11 управляющего тока частота излучения лазерного модуля 5 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя среднее значение f частоты излучения в соответствие с эталонной частотой f. Тем самым осуществляется процесс подстройки и стабилизации среднего значения частоты излучения лазерного модуля 5 с использованием в качестве эталона газовой ячейки 8, входящей в состав квантового дискриминатора 3.
c
1
1
d
p
Временные параметры рассмотренных процессов лазерной накачки, радиочастотного возбуждения и автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 5 могут быть, например, следующими: Т=12 мс, t=0,2 мс, T=4 мс, t=3,8 мс, t=4 мс. Значения постоянных времени колец автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 5 могут быть в диапазоне 0,1÷1,0 с.
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, в котором оба кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля работают в импульсном режиме по сигналу, снимаемому с фотодетектора квантового дискриминатора. Такой квантовый стандарт частоты характеризуется (по сравнению с прототипом) сниженными требованиями к добротности СВЧ резонатора, меньшими габаритами и массой, меньшим уровнем энергопотребления, что с учетом обеспечиваемых характеристик стабильности (на уровне прототипа) делает его перспективным для практического применения, в том числе в составе бортового оборудования.
Источники информации
1. А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. // М., Сов. радио, 1978.
2. F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293.
3. RU №2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003.
4. US №6300841, H03L 7/26, опубл. 09.10.2001.
5. US №6985043, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006.
6. C.Affolderbach, F.Droz, G.Mileti. Experimental demonstration of a compact and high-performance laser-pumped rubidium gas cell atomic frequency standard. // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol.55, NO.2, 2006, pp.429-435.
7. US №5751193, H03L 7/26, опубл. 12.05.1998.
8. US №5442326, H03L 7/26, опубл. 15.08.1995.
9. US №5656974, H03L 7/26, H03B 17/00, опубл. 12.08.1997.
10. DE №4306754, H03L 7/26, H01S 1/06, опубл. 21.10.1993.
11. A.Godone, S.Micalizio, C.E.Calosso, and F.Levi. The pulsed rubidium clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Vol.53, No.3, March 2006, pp.525-529.