АТОМНО-ЛУЧЕВОЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ
ATOMIC BEAM FREQUENCY STANDARD

Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты пассивного типа с квантовым дискриминатором на основе атомно-лучевой трубки с лазерной накачкой и лазерным детектированием пучка рабочих атомов.
Принцип работы атомно-лучевого стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно резонансной частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу рабочего вещества атомного пучка атомно-лучевой трубки, выполняющей функцию квантового дискриминатора, 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.
1
2
0
0
1
0
1
2
0
Обобщенная структурная схема атомно-лучевого стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор в виде атомно-лучевой трубки и блок автоматической подстройки частоты, формирующий управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами блока автоматической подстройки частоты и блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, патент РФ [2] - RU 2220499 С2, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует па основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f) и соответствующего выходного сигнала блока формирования опорных сигналов модулированный по фазе (частоте) СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f которого соответствует вершине контура спектральной линии атомно-лучевой трубки (контур линии Рамзея или Раби), определяемой резонансной частотой f контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения. Частота f стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. На выходе атомно-лучевой трубки формируется сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f от частоты f. Блок автоматической подстройки частоты на основе выходного сигнала атомно-лучевой трубки и соответствующего выходного сигнала блока формирования опорных сигналов формирует, например, путем синхронного детектирования сигнал ошибки, а затем путем интегрирования сигнала ошибки формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней несущая частота f сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты f.
Известен атомно-лучевой стандарт частоты, представленный в патенте США [3] - US 4943955, H03L 7/26, 24.07.1990, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, атомно-лучевую трубку с отклоняющей магнитной системой и устройство автоматической подстройки частоты, формирующее управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора.
Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения содержит преобразователь частоты и связанный с ним программируемый синтезатор частоты. Сигнальный вход преобразователя частоты, образующий сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Сигнальный выход преобразователя частоты, образующий сигнальный выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединен с радиочастотным входом атомно-лучевой трубки. Высокочастотный выход программируемого синтезатора частоты (выход фазомодулированного высокочастотного сигнала) соединен с опорным входом преобразователя частоты. Низкочастотный выход программируемого синтезатора частоты (выход низкочастотного сигнала, частота которого соответствует частоте модуляции) образует опорный выход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, соединенный с опорным входом устройства автоматической подстройки частоты.
В качестве атомно-лучевой трубки используется цезиевая трубка традиционной конструкции с отклоняющей магнитной системой, примеры выполнения которой представлены в патентах США: [4] - US 4425653, H01S 3/091, 10.01.1984; [5] - US 4354108, H01S 1/00, 12.10.1982; [6] - US 3967115, H01S 1/00, 29.06.1976; [7] - US 3397310, US C1.250-41.3, 13.08.1968; [8] - US 3323008, US C1.315-111, 30.05.1967. Такая атомно-лучевая трубка содержит размещенные на одной оси источник атомного пучка, первый отклоняющий магнит, СВЧ резонатор, второй отклоняющий магнит и фотоэлектронный умножитель, при этом радиочастотный вход СВЧ резонатора образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, а выход фотоэлектронного умножителя - выход атомно-лучевой трубки.
Устройство автоматической подстройки частоты содержит входной блок, выполняющий функции усиления и аналого-цифрового преобразования сигнала, центральный блок, выполняющий функцию цифрового синхронного детектирования, и выходной блок, выполняющий функции цифро-аналогового преобразования сигнала и интегрирования преобразованного сигнала. Сигнальный вход входного блока является сигнальным входом устройства автоматической подстройки частоты, соединенным с выходом атомно-лучевой трубки. Выход выходного блока является выходом устройства автоматической подстройки частоты, соединенным с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора.
1
1
2
0
1
Работа атомно-лучевого стандарта частоты, представленного в [3], происходит следующим образом. Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f) модулированный по фазе с частотой низкочастотной модуляции F СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f которого соответствует резонансной частоте f контура спектральной линии атомно-лучевой трубки, определяемой взаимодействием рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения, а значение частоты низкочастотной модуляции F соответствует полуширине этого контура.
0
0
Сигнал радиочастотного возбуждения поступает на радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, т.е. на радиочастотный вход СВЧ резонатора. Процессы, происходящие при этом в атомно-лучевой трубке, описываются на основе двухуровневой энергетической модели атомов рабочего вещества с частотой радиочастотного атомного перехода, равной f. Суть этих процессов заключается в следующем. Начальное энергетическое распределение атомов пучка на выходе источника атомного пучка подчиняется распределению Больцмана и в первом приближении равновероятно. Далее в области размещения первого отклоняющего магнита происходит энергетическая сортировка атомов за счет различий в дипольных магнитных моментах. В результате такой сортировки в СВЧ резонатор влетают атомы, находящиеся в первом (нижнем) энергетическом состоянии. Взаимодействие этих атомов с сигналом радиочастотного возбуждения атомно-лучевой трубки является резонансным и описывается контуром спектральной линии Рамзея с центральной частотой радиочастотного атомного перехода, равной f. В результате этого взаимодействия атомы пучка на выходе СВЧ резонатора оказываются преимущественно во втором (верхнем) энергетическом состоянии, т.е. происходит инвертирование населенности в энергетической структуре атомов. Количество атомов пучка, перешедших во второе энергетическое состояние, характеризует эффективность данного взаимодействия и, в конечном итоге, определяет величину сигнала, получаемого на выходе атомно-лучевой трубки (т.е. величину, пропорциональную количеству атомов пучка, поступающих на вход фотоэлектронного умножителя). Для максимизации выходного сигнала атомно-лучевой трубки атомы пучка с помощью второго отклоняющего магнита фокусируются на вход фотоэлектронного умножителя, выход которого является выходом атомно-лучевой трубки.
1
2
0
2
0
Получаемый таким образом выходной сигнал атомно-лучевой трубки содержит постоянную составляющую и гармоники с частотами, кратными частоте модуляции F. Эти гармоники несут в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении текущего значения частоты f от частоты f. Первая из этих гармоник используется в качестве полезной составляющей выходного сигнала атомно-лучевой трубки для получения информации об отклонении текущего значения частоты f от частоты f, т.е. для получения сигнала ошибки.
1
Сигнал ошибки получают в устройстве автоматической подстройки частоты в результате синхронного детектирования выходного сигнала атомно-лучевой трубки относительно опорного сигнала с частотой F, поступающего на опорный вход устройства автоматической подстройки частоты с опорного выхода блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения. Полученный сигнал ошибки далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора, которое является выходным сигналом устройства автоматической подстройки частоты.
1
2
0
.
Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора с выхода устройства автоматической подстройки частоты, частота f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора и связанная с ней несущая частота f сигнала радиочастотного возбуждения изменяются в сторону уменьшения сигнала ошибки, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты f
Достоинством рассмотренного атомно-лучевого стандарта частоты является простота реализации, а недостатком - существенная нестабильность частоты выходного сигнала, обусловленная низким отношением сигнала к шуму на выходе атомно-лучевой трубки, что связано с низкой эффективностью сортировки атомов и фокусировки атомного пучка с помощью отклоняющих магнитов.
Решение задачи улучшения отношения сигнала к шуму на выходе атомно-лучевой трубки и, соответственно, повышения стабильности частоты атомно-лучевого стандарта частоты обеспечивается в более сложных по реализации схемах атомно-лучевых стандартов частоты, использующих лазерную оптическую накачку и лазерное оптическое детектирование атомного пучка вместо магнитной сортировки и фокусировки.
-12
-1/2
th
Среди атомно-лучевых стандартов частоты, использующих лазерную оптическую накачку и лазерное оптическое детектирование атомного пучка, известны решения, в которых лазерная оптическая накачка и лазерное оптическое детектирование осуществляются на двух разных частотах, см., например, статью [9] - С.Sallot, М.Baldy, D.Gin, R.Petit. 3·10·τ on industrial optically pumped cesium beam frequency standard. // 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointy with the 17 European Frequency and Time Forum. 2003, pp.100-104, а также патент США [10] - US 4684900, H03E 7/26, 04.08.1987.
1
1
2
2
1
1/2
3/2
2
1/2
3/2
1
2
3/2
3/2
133
133
87
Суть двухчастотной схемы лазерной оптической накачки и лазерного оптического детектирования атомного пучка состоит в следующем. Лазерная оптическая накачка производится одномодовым лазерным излучением с первой частотой ν на участке траектории до влета атомов пучка в СВЧ резонатор, при этом частоте ν соответствует резонансная частота используемого поглощающего оптического атомного перехода между энергетическими уровнями атомов. Лазерное оптическое детектирование производится одномодовым лазерным излучением со второй частотой ν на участке траектории после вылета атомов пучка из СВЧ резонатора, при этом частоте ν соответствует резонансная частота используемого циркулярного оптического атомного перехода между энергетическими уровнями атомов. Например, как указано в [9|, в пучке атомов Cs в качестве поглощающего оптического атомного перехода, соответствующего частоте ν, может использоваться переход между подуровнями 6SF=4 и 6РF=4, а в качестве циркулярного оптического атомного перехода, соответствующего частоте ν, может использоваться переход между подуровнями 6SF=4 и 6РF=5, в этом случае разность частот ν-ν=251,4 МГц. Могут использоваться и другие оптические атомные переходы, при этом следует отметить, что общее количество пригодных для использования оптических атомных переходов ограничено и определяется однозначным числом. Так, в цезии Cs количество оптических атомных переходов, пригодных для использования в рассматриваемых целях, ограничено количеством подуровней в состоянии 6Р и равно пяти, а в рубидии Rb ограничено количеством подуровней в состоянии 5Р и равно четырем.
2
0
2
0
Детектирование резонанса взаимодействия рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения СВЧ резонатора осуществляется фотодетектором по флуоресцентному излучению атомов пучка, облученного указанным выше лазерным излучением детектирования. Сигнал радиочастотного возбуждения представляет собой модулированный по фазе (частоте) СВЧ сигнал, несущая частота f которого соответствует резонансной частоте f используемого радиочастотного атомного перехода, возбуждаемого сигналом радиочастотного возбуждения. Низкочастотная составляющая сигнала, снимаемого с выхода фотодетектора, соответствующая частоте модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, несет в себе информацию об отклонении текущего значения несущей частоты f от резонансной частоты f. Этот сигнал далее используется стандартным образом для подстройки частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.
Применение лазерной оптической накачки и лазерного оптического детектирования приводит к увеличению отношения сигнала к шуму на выходе атомно-лучевой трубки, что позволяет в конечном итоге достичь уменьшения нестабильности частоты выходного сигнала атомно-лучевого стандарта частоты. При этом для достижения указанного результата требуется обеспечение стабильности частот лазерной оптической накачки и лазерного оптического детектирования.
87
В качестве прототипа принят рубидиевый атомно-лучевой стандарт частоты, описанный в работе [11] - A.Besedina, A.Gevorkyan, V.Zholnerov. Two-frequency Pumping in Rb Atomic Beam Frequency Standard with Laser Pumping/Detection for Space Application. EFTF 07 // European Frequency and Time Forum, 2007, pp.623-628, Fig.6, в котором формирование частот лазерной оптической накачки и лазерного оптического детектирование осуществляется с помощью двух отдельных лазерных модулей, стабильность излучения которых обеспечивается индивидуальными схемами автоматической подстройки частоты, структура которых рассмотрена в этой же работе.
1
Атомно-лучевой стандарт частоты, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, выход которого является выходом атомно-лучевого стандарта частоты, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, атомно-лучевую трубку, первое фотоприемное устройство и первый блок автоматической подстройки частоты, формирующий управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора, а также первый низкочастотный генератор, формирующий опорный сигнал с частотой F (частотой модуляции сигнала радиочастотного возбуждения), выход которого соединен с опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения и опорным входом первого блока автоматической подстройки частоты.
87
Атомно-лучевая трубка содержит расположенные на одной оси источник атомного пучка (Rb) и СВЧ резонатор, радиочастотный вход которого образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, соединенный с выходом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения. Атомно-лучевая трубка имеет окно оптической накачки, расположенное в области прохода атомного пучка от источника атомного пучка до СВЧ резонатора, служащее для ввода в атомно-лучевую трубку сигнала оптической накачки, формируемого лазерным модулем накачки, и окно оптического детектирования, расположенное в области выхода атомного пучка из СВЧ резонатора, служащее для ввода в атомно-лучевую трубку сигнала оптического детектирования, формируемого лазерным модулем детектирования. В области выхода атомного пучка из СВЧ резонатора располагается выходное фотодетектирующее устройство, выход которого образует первый выход атомно-лучевой трубки, к которому подключен вход первого фотоприемного устройства, а в области прохода атомного пучка от источника пучка до СВЧ резонатора располагается фотодетектор оптической накачки, выход которого образует второй выход атомно-лучевой трубки.
2
87
Лазерный модуль накачки и лазерный модуль детектирования выполнены на основе полупроводниковых лазерных диодов с близкими длинами волн лазерного излучения, расположенными в области λ=780, … нм, соответствующими D линии поглощения в рубидии Rb.
2
Первый выход атомно-лучевой трубки связан, как указано выше, с входом первого фотоприемного устройства (а через него - с сигнальным входом первого блока автоматической подстройки частоты), а кроме этого, первый выход атомно-лучевой трубки связан через последовательно соединенные второе фотоприемное устройство, второй блок автоматической подстройки частоты и первый управляемый стабилизатор тока с управляющим входом лазерного модуля детектирования, при этом опорный вход второго блока автоматической подстройки частоты и опорный вход первого управляемого стабилизатора тока соединены с выходом второго низкочастотного генератора, формирующего опорный сигнал с частотой F (частотой модуляции излучения лазерного модуля детектирования).
3
Второй выход атомно-лучевой трубки через последовательно соединенные третье фотоприемное устройство, третий блок автоматической подстройки частоты и второй управляемый стабилизатор тока соединен с управляющим входом лазерного модуля накачки, при этом опорный вход третьего блока автоматической подстройки частоты и опорный вход второго управляемого стабилизатора тока соединены с выходом третьего низкочастотного генератора, формирующего опорный сигнал с частотой F (частотой модуляции излучения лазерного модуля накачки).
Блоки автоматической подстройки частоты выполнены по традиционной схеме, обычно используемой в квантовых стандартах частоты для частотной автоподстройки. В состав этой схемы входят входной усилитель, синхронный детектор и выходной интегратор, при этом опорный вход синхронного детектора образует опорный вход блока автоматической подстройки частоты, а вход усилителя и выход интегратора образуют, соответственно, сигнальный вход и выход блока автоматической подстройки частоты.
1
1
1
2
0
1
Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения представляет собой повышающий модулирующий преобразователь частоты, формирующий из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f) и выходного сигнала первого низкочастотного генератора (с частотой F порядка нескольких десятков герц) модулированный по фазе с частотой низкочастотной модуляции F СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f которого соответствует резонансной частоте f контура спектральной линии атомно-лучевой трубки, определяемой взаимодействием рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения и характеризуемой контуром линии Рамзея, при этом значение частоты низкочастотной модуляции F соответствует полуширине этого контура.
Сигнал радиочастотного возбуждения, снимаемый с выхода блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения, поступает на радиочастотный вход атомно-лучевой трубки (на радиочастотный вход СВЧ резонатора), через который проходит пучок атомов от источника атомного пучка, подвергнутый лазерной оптической накачке.
1
3
1
1/2
3/2
Лазерная оптическая накачка атомного пучка производится сигналом оптической накачки - частотно-модулированным излучением лазерного модуля накачки, вводимым в атомно-лучевую трубку через окно оптической накачки на участке прохода атомного пучка от источника атомного пучка до СВЧ резонатора. Несущая частота излучения лазерного модуля накачки соответствует резонансной частоте ν используемого поглощающего оптического атомного перехода, а частота модуляции F (порядка десяти килогерц) меньше полуширины спектральной линии этого перехода. Схематически оптический атомный переход между энергетическими уровнями, соответствующий резонансной частоте ν, представлен на энергетической диаграмме атомов пучка рабочего вещества атомно-лучевой трубки переходом между энергетическими уровнями «2» и «3» (фиг.1). В реальном рубидиевом атомно-лучевом стандарте частоты этот оптический атомный переход может соответствовать, например, переходу между подуровнями 5SF=2 и 5РF=2.
1
2
0
0
0
В результате произведенной лазерной оптической накачки атомы влетают в СВЧ резонатор, находясь преимущественно в энергетическом состоянии первого (нижнего) уровня, обозначенного на фиг.1 как уровень «1». В СВЧ резонаторе атомы пучка взаимодействуют с сигналом радиочастотного возбуждения - модулированным по фазе с частотой F СВЧ сигналом с несущей частотой f, соответствующей резонансной частоте f используемого радиочастотного атомного перехода (т.е. резонансной частоте f контура спектральной линии атомно-лучевой трубки, определяемой взаимодействием рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения). В рассматриваемом случае рубидиевого атомно-лучевого стандарта частоты значение f=6834,682…МГц. В результате взаимодействия рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения атомы пучка вылетают из СВЧ резонатора, находясь преимущественно в энергетическом состоянии второго уровня (уровень «2», фиг.1).
2
2
1/2
3/2
2
1
2
1
Выходящий из СВЧ резонатора атомный пучок подвергается лазерному оптическому детектированию. Лазерное оптическое детектирование производится сигналом оптического детектирования - частотно модулированным излучением лазерного модуля детектирования, вводимым в атомно-лучевую трубку через окно оптического детектирования на участке выхода атомного пучка из СВЧ резонатора. Несущая частота излучения лазерного модуля детектирования соответствует резонансной частоте ν используемого циркулярного оптического атомного перехода между энергетическими уровнями «2» и «3'» (фиг.1), а частота F модуляции (порядка десяти килогерц) меньше полуширины спектральной линии этого перехода. В реальном рубидиевом атомно-лучевом стандарте частоты этот оптический атомный переход может соответствовать, например, переходу между подуровнями 5SF=2 и 5РF=3 на частоте ν, которая отличается от частоты ν на величину Δν=ν-ν=267 МГц.
1
2
2
0
2
Результат лазерного оптического детектирования контролируется по переизлученному атомами пучка флуоресцентному свету, фиксируемому выходным фотодетектирующим устройством. Спектральные составляющие сигнала выходного фотодетектирующего устройства, соответствующие частоте F модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и частоте F модуляции излучения лазерного модуля детектирования, несут информацию об отклонении несущей частоты f сигнала радиочастотного возбуждения от резонансной частоты f и отклонении несущей частоты излучения лазерного модуля детектирования от резонансной частоты ν. Указанные спектральные составляющие выделяются из выходного сигнала выходного фотодетектирующего устройства соответственно первым и вторым фотоприемными устройствами.
1
1
2
0
Спектральная составляющая выходного сигнала выходного фотодетектирующего устройства, соответствующая частоте F модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, выделяемая первым фотоприемным устройством, поступает на сигнальный вход первого блока автоматической подстройки частоты, который формирует управляющее напряжение для подстройки частоты f подстраиваемого кварцевого генератора (и, соответственно, связанной с ней несущей частоты f сигнала радиочастотного возбуждения), устанавливая ее в соответствии с резонансной частотой f.
2
2
Спектральная составляющая выходного сигнала выходного фотодетектирующего устройства, соответствующая частоте F модуляции излучения лазерного модуля детектирования, выделяемая вторым фотоприемным устройством, поступает на сигнальный вход второго блока автоматической подстройки частоты, который формирует управляющее напряжение для подстройки первого управляемого стабилизатора тока, постоянная составляющая выходного тока которого определяет значение несущей частоты излучения лазерного модуля детектирования, устанавливая ее в соответствии с резонансной частотой ν.
3
1
1
Аналогичным образом осуществляется автоматическая подстройка частоты излучения лазерного модуля накачки. При этом контроль лазерной оптической накачки производится по переизлученному атомами флуоресцентному свету, фиксируемому фотодетектотором оптической накачки, спектральная составляющая выходного сигнала которого, соответствующая частоте F модуляции излучения лазерного модуля накачки, несет в себе информацию об отклонении несущей частоты излучения лазерного модуля накачки от резонансной частоты ν. Выходной сигнал фотодетектора оптической накачки поступает через третье фотоприемное устройство на сигнальный вход третьего блока автоматической подстройки частоты, который формирует управляющее напряжение для подстройки второго управляемого стабилизатора тока, постоянная составляющая выходного тока которого определяет значение несущей частоты излучения лазерного модуля накачки, устанавливая ее в соответствии с резонансной частотой ν.
Все три блока автоматической подстройки частоты работают по одному принципу, осуществляя вначале синхронное детектирование сигнала, поступающего с выхода соответствующего фотоприемного устройства, относительно опорного сигнала, формируемого соответствующим низкочастотным генератором, а затем - интегрирование полученного в результате синхронного детектирования сигнала ошибки с получением необходимого управляющего напряжения.
Таким образом, в атомно-лучевом стандарте частоты, принятом в качестве прототипа, одновременно работают три кольца автоматической подстройки частоты: основное кольцо - кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, а также два дополнительных кольца - кольцо автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля накачки и кольцо автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля детектирования. Совместная работа этих трех колец автоматической подстройки частоты обеспечивает возможность достижения требуемых характеристик стабильности выходного сигнала атомно-лучевого стандарта частоты в установившемся режиме работы.
0
1
2
Достижение требуемых характеристик стабильности обусловлено, в числе других факторов, узкополосностыо колец автоматической подстройки частоты, определяемых шириной спектральных линий используемых атомных переходов. Вследствие этого возникает проблема принудительной начальной («грубой») установки частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, определяющей частоту сигнала радиочастотного возбуждения, в соответствии с резонансной частой f, а также частот излучения лазерных модулей в соответствии с резонансными частотами ν и ν, что необходимо для обеспечения возможности их последующего «захвата» и «слежения» в соответствующих кольцах автоматической подстройки частоты.
Очевидное решение этой проблемы, реализуемое на практике, заключается в «ручной» начальной настройке подстраиваемого кварцевого генератора и лазерных модулей с помощью внешних контрольно-измерительных приборов и управляемых вручную вспомогательных источников напряжения, подсоединенных к вторым управляющим входам подстраиваемого кварцевого генератора и управляемых стабилизаторов тока. Такая начальная «ручная» настройка подстраиваемого кварцевого генератора и лазерных модулей производится независимо для каждого объекта настройки и в произвольном порядке.
Отсутствие средств автоматической начальной настройки подстраиваемого кварцевого генератора и лазерных модулей, приводящее к необходимости применения «ручной» начальной настройки, сужает область возможного практического применения прототипа, ограничивая ее классом оборудования, обслуживаемого техническим персоналом. Это является недостатком, препятствующим использованию прототипа на необслуживаемых объектах, работающих полностью в автоматическом режиме. Кроме этого, наличие двух лазерных модулей, с помощью которых обеспечивается реализация двухчастотной схемы лазерной оптической накачки и лазерного оптического детектирования атомного пучка в атомно-лучевой трубке, усложняет атомно-лучевой стандарт частоты, увеличивает энергопотребление, уменьшает надежность.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание атомно-лучевого стандарта частоты, работающего по двухчастотной схеме, реализуемой с помощью одного лазерного модуля, и в котором осуществляется автоматическая установка начальных значений частот подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля в соответствии с частотами используемых атомных переходов. Такой атомно-лучевой стандарт частоты обладает расширенными, по сравнению с прототипом, возможностями практического применения, в том числе в составе необслуживаемого бортового оборудования.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Атомно-лучевой стандарт частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, выход которого является выходом атомно-лучевого стандарта частоты, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения, атомно-лучевую трубку, первое фотоприемное устройство и первый блок автоматической подстройки частоты, выход которого соединен с первым управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также первый низкочастотный генератор, выход которого соединен с опорным входом первого блока автоматической подстройки частоты и опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения. Атомно-лучевая трубка содержит расположенные на одной оси источник атомного пучка и СВЧ резонатор, радиочастотный вход которого образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки, соединенный с выходом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения. Атомно-лучевая трубка имеет окно оптической накачки, расположенное в области прохода атомного пучка от источника атомного пучка до СВЧ резонатора, предназначенное для ввода в атомно-лучевую трубку сигнала оптической накачки, и окно оптического детектирования, расположенное в области выхода атомного пучка из СВЧ резонатора, предназначенное для ввода в атомно-лучевую трубку сигнала оптического детектирования, а также расположенное в области выхода атомного пучка из СВЧ резонатора выходное фотодетектирующее устройство, выход которого образует выход атомно-лучевой трубки, соединенный с входом указанного первого фотоприемного устройства и с входом второго фотоприемного устройства. При этом выход второго фотоприемного устройства через второй блок автоматической подстройки частоты соединен с первым управляющим входом управляемого стабилизатора тока, выход которого соединен с управляющим входом лазерного модуля, выход которого связан оптически с окном оптического детектирования, а опорный вход второго блока автоматической подстройки частоты и опорный вход управляемого стабилизатора тока соединены с выходом второго низкочастотного генератора. В отличие от прототипа соединение выхода первого низкочастотного генератора с опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения осуществлено через первый электронный ключ, а соединение выхода второго низкочастотного генератора с опорным входом управляемого стабилизатора тока осуществлено через второй электронный ключ, при этом второй выход первого фотоприемного устройства соединен с сигнальным входом первого устройства автоматического поиска частоты, первый выход которого соединен с вторым управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а второй выход - с управляющими входами первого и второго электронных ключей, а второй выход второго фотоприемного устройства соединен с сигнальным входом второго устройства автоматического поиска частоты, первый выход которого соединен с вторым управляющим входом управляемого стабилизатора тока, а второй выход - с управляющим входом первого устройства автоматического поиска частоты и с управляющим входом блока формирования сигнала оптической накачки, опорный вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, оптический вход связан оптически с выходом лазерного модуля, а оптический выход связан оптически с окном оптической накачки. При этом блок формирования сигнала оптической накачки выполнен в виде последовательно соединенных синтезатора частоты, третьего электронного ключа и модулятора, причем вход синтезатора частоты, управляющий вход третьего электронного ключа и оптические вход и выход модулятора являются, соответственно, опорным входом, управляющим входом и оптическими входом и выходом блока формирования сигнала оптической накачки.
В частных случаях выполнения оптический вход блока формирования сигнала оптической накачки связан с выходом лазерного модуля с помощью полупрозрачного зеркала, а оптический выход блока формирования сигнала оптической накачки связан с окном оптической накачки с помощью отражающего зеркала или волоконного световода.
Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1-3, где
на фиг.1 схематически представлены используемые переходы между энергетическими уровнями атомов рабочего вещества атомно-лучевой трубки;
на фиг.2 представлена структурная схема заявляемого атомно-лучевого стандарта частоты;
на фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие этапы начальной настройки лазерного модуля и подстраиваемого кварцевого генератора.
1
Заявляемый атомно-лучевой стандарт частоты содержит, см. фиг.2, последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого является выходом атомно-лучевого стандарта частоты, блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2, атомно-лучевую трубку 3, первое фотоприемное устройство 4 и первый блок автоматической подстройки частоты 5, выход которого соединен с первым управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, а также первый низкочастотный генератор 6, формирующий опорный сигнал с частотой F (частотой модуляции сигнала радиочастотного возбуждения), выход которого соединен непосредственно с опорным входом первого блока автоматической подстройки частоты 5, а также через первый электронный ключ 7 - с опорным входом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2.
Атомно-лучевая трубка 3 содержит расположенные на одной оси источник атомного пучка 8 и СВЧ резонатор 9, радиочастотный вход которого образует радиочастотный вход атомно-лучевой трубки 3, соединенный с выходом блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2. Атомно-лучевая трубка 3 имеет окно оптической накачки 10, расположенное в области прохода атомного пучка от источника атомного пучка 8 до СВЧ резонатора 9, предназначенное для ввода в атомно-лучевую трубку 3 сигнала оптической накачки, и окно оптического детектирования 11, расположенное в области выхода атомного пучка из СВЧ резонатора 9, предназначенное для ввода в атомно-лучевую трубку 3 сигнала оптического детектирования. Кроме этого, в области выхода атомного пучка из СВЧ резонатора 9 располагается выходное фотодетектирующее устройство 12, выход которого образует выход атомно-лучевой трубки 3.
Помимо соединения выхода атомно-лучевой трубки 3 с входом первого фотоприемного устройства 4 (а через него - с сигнальным входом первого блока автоматической подстройки частоты 5), выход атомно-лучевой трубки 3 также связан через последовательно соединенные второе фотоприемное устройство 13 и второй блок автоматической подстройки частоты 14 с первым управляющим входом управляемого стабилизатора тока 15, выход которого соединен с управляющим входом лазерного модуля 16. Лазерный модуль 16 служит для формирования сигнала оптического детектирования, его выход связан оптически с окном оптического детектирования 11.
2
Опорный вход второго блока автоматической подстройки частоты 14 непосредственно соединен с выходом второго низкочастотного генератора 17, формирующего опорный сигнал с частотой F (частотой модуляции сигнала оптического детектирования), а опорный вход управляемого стабилизатора тока 15 соединен с выходом второго низкочастотного генератора 17 через второй электронный ключ 18.
Второй выход первого фотоприемного устройства 4 соединен с сигнальным входом первого устройства автоматического поиска частоты 19, первый выход которого соединен с вторым управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, а второй выход - с управляющими входами первого 7 и второго 18 электронных ключей.
Второй выход второго фотоприемного устройства 13 соединен с сигнальным входом второго устройства автоматического поиска частоты 20, первый выход которого соединен с вторым управляющим входом управляемого стабилизатора тока 15, а второй выход - с управляющим входом первого устройства автоматического поиска частоты 19 и с управляющим входом блока формирования сигнала оптической накачки 21, опорный вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1, оптический вход связан оптически с выходом лазерного модуля 16 - в рассматриваемом случае с помощью полупрозрачного зеркала 22, а оптический выход связан оптически с окном оптической накачки 10 - в рассматриваемом случае с помощью отражающего зеркала 23. Связь оптического выхода блока формирования сигнала оптической накачки 21 с окном оптической накачки 10 также может быть реализована с помощью волоконного световода (на фиг.2 не показано).
Блок формирования сигнала оптической накачки 21 содержит синтезатор частоты 24, третий электронный ключ 25 и модулятор 26, электрический вход которого соединен через электронный ключ 25 с выходом синтезатора частоты 24. Вход синтезатора частоты 24 и управляющий вход электронного ключа 25 являются, соответственно, опорным и управляющим входами блока формирования сигнала оптической накачки 21, а оптические вход и выход модулятора 26 являются, соответственно, оптическими входом и выходом блока формирования сигнала оптической накачки 21.
Модулятор 26 может быть выполнен в виде электрооптического модулятора или акустооптического модулятора с электрическим входом, осуществляющих угловую (фазовую, частотную) или амплитудную модуляцию света, см., например, книгу [12] - Г.П.Катыс, Н.В.Кравцов, Л.Е.Чирков, С.М.Коновалов. Модуляция и отклонение оптического излучения. // М., Наука, 1967, с.12, 23-30, 110-118, а также патенты РФ: [13] - RU 2029977 C1, G02F 1/03, 27.02.1995; [14] - RU 2225631 C2, G02F 1/00, G02F 1/29, 10.03.2004; [15] - RU 2248601 C1, G02F 1/03, 20.03.2005.
Первое устройство автоматического поиска частоты 19 в рассматриваемом примере содержит последовательно соединенные первый аналого-цифровой преобразователь 27, первый микроконтроллер 28 и первый цифроаналоговый преобразователь 29. Сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 27 и управляющий вход микроконтроллера 28 являются, соответственно, сигнальным и управляющим входами первого устройства автоматического поиска частоты 19, а выход цифроаналогового преобразователя 29 и управляющий выход микроконтроллера 28 являются, соответственно, первым и вторым выходами первого устройства автоматического поиска частоты 19.
Второе устройство автоматического поиска частоты 20 в рассматриваемом примере содержит последовательно соединенные второй аналого-цифровой преобразователь 30, второй микроконтроллер 31 и второй цифроаналоговый преобразователь 32. Сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 30, выход цифроаналогового преобразователя 32 и управляющий выход микроконтроллера 31 являются, соответственно, сигнальным входом и первым и вторым выходами второго устройства автоматического поиска частоты 20.
В качестве микроконтроллеров 28 и 31 в практических схемах могут использоваться, например, однокристальные микроконтроллеры с внутренней памятью PIC17C4x, PIC17C75x, M3820 и другие, аналогичные им. В качестве управляющего выхода в таких микроконтроллерах может быть использован один из выводов разрядов порта ввода-вывода данных, а в качестве управляющего входа - один из выводов другого порта ввода-вывода данных или один из входов прерывания.
Подстраиваемый кварцевый генератор 1 и управляемый стабилизатор тока 15 выполнены, как в прототипе, при этом их вторые управляющие входы, используемые в прототипе для подключения управляемых вручную вспомогательных источников напряжения, в заявляемом атомно-лучевом стандарте частоты служат для подключения устройств автоматического поиска частоты 19 и 20 соответственно.
1
2
Фотоприемные устройства 4 и 13 представляют собой двухканальные усилители-преобразователи тока в напряжение с фильтрующими элементами, осуществляющими частотное разделение каналов. При этом в фотоприемном устройстве 4 по первому каналу на первый выход проходит переменная составляющая входного сигнала на частоте F, а по второму каналу на второй выход проходит постоянная составляющая входного сигнала. В фотоприемном устройстве 13 по первому каналу на первый выход проходит переменная составляющая входного сигнала на частоте F, а по второму каналу на второй выход проходит постоянная составляющая входного сигнала.
Блоки автоматической подстройки частоты 5 и 14 содержат, как в прототипе, входной усилитель, синхронный детектор и интегратор на выходе, при этом вход входного усилителя, опорный вход синхронного детектора и выход интегратора образуют, соответственно, сигнальный вход, опорный вход и выход блока автоматической подстройки частоты. Каждый из блоков автоматической подстройки частоты 5, 14 осуществляет синхронное детектирование полезного сигнала, поступающего с первого выхода соответствующего фотоприемного устройства 4, 13, относительно опорного сигнала, поступающего с выхода соответствующего низкочастотного генератора 6, 17, и последующее интегрирование полученного в результате синхронного детектирования сигнала ошибки с получением необходимого управляющего напряжения. В практических реализациях интегратор может быть выполнен в виде интегратора, обнуляемого при отсутствии полезного сигнала на входе блока автоматической подстройки частоты, например в виде интегратора с обнулением, представленного в патенте РФ [16] - RU 2015556 C1, G06G 7/186, 30.06.1994, управляющий вход которого (вход обнуления) подключен через пороговый элемент к выходу входного усилителя блока автоматической подстройки частоты (на фиг.2 не показано).
1
1
1
2
0
0
1
Блок формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2 выполнен, как в прототипе, в виде повышающего модулирующего преобразователя частоты, осуществляющего формирование на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (гармонического сигнала с частотой f) и выходного сигнала первого низкочастотного генератора 6 (с частотой F) модулированного по фазе с частотой низкочастотной модуляции F СВЧ сигнала радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f которого соответствует резонансной частоте f радиочастотного атомного перехода, т.е. резонансной частоте f контура спектральной линии атомно-лучевой трубки 3, определяемой взаимодействием рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения (в рассматриваемом случае контур линии Рамзея), при этом значение частоты низкочастотной модуляции F соответствует полуширине этого контура.
1
2
0
Атомно-лучевая трубка 3 может быть выполнена, как в прототипе, в виде рубидиевой атомно-лучевой трубки с теми же используемыми частотами ν и ν оптических атомных переходов и той же частотой f радиочастотного атомного перехода.
Работа заявляемого атомно-лучевого стандарта частоты в части, соответствующей установившемуся режиму работы, т.е. по завершению начальной настройки подстраиваемого кварцевого генератора 1 и лазерного модуля 16, рассматриваемой позже, осуществляется аналогично работе прототипа за исключением формирования сигнала оптической накачки.
1
1
Подстраиваемый кварцевый генератор 1 формирует гармонический сигнал с частотой f, являющийся выходным сигналом атомно-лучевого стандарта частоты. Текущее значение частоты f определяется суммой напряжений, поступающих на его первый и второй управляющие входы, при этом управляющее напряжение на втором управляющем входе определяется выходным напряжением устройства автоматического поиска частоты 19, зафиксированным на постоянном уровне по результатам осуществленной начальной («грубой») настройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1, а управляющее напряжение на первом управляющем входе определяется текущим выходным напряжением блока автоматической подстройки частоты 5.
1
1
2
1
0
1
Выходной сигнал подстраиваемого кварцевого генератора 1 поступает на сигнальный вход блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2, на опорный вход которого через замкнутый электронный ключ 7 с выхода низкочастотного генератора 6 поступает опорный сигнал с частотой F (порядка нескольких десятков герц). На основании этих входных сигналов в блоке формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2 формируется модулированный по фазе с частотой низкочастотной модуляции F СВЧ сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f которого, однозначно связанное с текущим значением частоты f, соответствует резонансной частоте f радиочастотного атомного перехода (резонансной частоте контура спектральной линии атомно-лучевой трубки 3, определяемой взаимодействием рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения и соответствующей переходу между энергетическими уровнями «1» и «2», фиг.1), а значение частоты низкочастотной модуляции F соответствует полуширине спектральной линии этого перехода.
Сигнал радиочастотного возбуждения, снимаемый с выхода блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2, поступает на радиочастотный вход атомно-лучевой трубки 3, т.е. на радиочастотный вход СВЧ резонатора 9, через который проходит пучок атомов от источника атомного пучка 8, подвергнутый лазерной оптической накачке.
1
2
2
1
2
1
Лазерная оптическая накачка атомного пучка производится сигналом оптической накачки, вводимым в атомно-лучевую трубку 3 через окно оптической накачки 10 на участке прохода атомного пучка от источника атомного пучка 8 до СВЧ резонатора 9. Сигнал оптической накачки представляет собой спектральную составляющую выходного сигнала модулятора 26, соответствующую резонансной частоте ν используемого поглощающего оптического атомного перехода между энергетическими уровнями «2» и «3» рабочего вещества атомного пучка (фиг.1). Получают эту спектральную составляющую в результате высокочастотной модуляции с частотой Δν части излучения лазерного модуля 16, ответвляемого полупрозрачным зеркалом 22 на оптический вход блока формирования сигнала оптической накачки 21 (т.е. на оптический вход модулятора 26). Несущая частота излучения лазерного модуля 16 соответствует резонансной частоте ν циркулярного оптического атомного перехода между энергетическими уровнями «2» и «3'» (фиг.1), используемого при оптическом детектировании. Соответственно, частота модуляции Δν определяется разницей частот ν и ν, например, как отмечалось выше, для рубидиевого атомно-лучевого стандарта Δν=ν-ν=267 МГц. Сигналом, задающим частоту модуляции Δν, является сигнал, поступающий на электрический вход модулятора 26 через замкнутый электронный ключ 25 с выхода синтезатора частоты 24, где он формируется на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1.
1
2
В рассматриваемом случае, когда выходной сигнал модулятора 26 не фильтруется с целью выделения одной полезной спектральной составляющей, соответствующей резонансной частоте ν используемого поглощающего оптического атомного перехода, в атомно-лучевую трубку 3 через окно оптической накачки 10 наряду с полезной спектральной составляющей проходят и другие спектральные составляющие, присутствующие в выходном сигнале модулятора 26, в том числе спектральная составляющая, соответствующая несущей частоте излучения лазерного модуля 16, т.е. резонансной частоте ν циркулярного оптического атомного перехода.
1
Под воздействием спектральной составляющей, соответствующей резонансной частоте ν поглощающего оптического атомного перехода, происходит оптическая накачка атомного пучка, приводящая к обогащению энергетического уровня «1» и обеднению энергетического уровня «2». В результате атомы атомного пучка влетают в СВЧ резонатор 9, находясь преимущественно в энергетическом состоянии первого уровня «1» (фиг.1).
2
-8
Воздействие других спектральных составляющих, присутствующих в выходном сигнале модулятора 26, несущественно. Так, спектральные составляющие, частоты которых не совпадают с резонансными частотами оптических атомных переходов, вообще не влияют на энергетическое состояние атомов атомного пучка. Результат же воздействия спектральной составляющей с частотой ν (частотой циркулярного оптического атомного перехода) на часть атомов, оставшихся в энергетическом состоянии «2», имеет кратковременный характер (порядка 10 секунд, определяемый длительностью жизни атомов в возбужденном состоянии «3'») и заканчивается еще до входа атомного пучка в СВЧ резонатор 9.
1
2
0
Таким образом, в результате осуществленной лазерной оптической накачки атомы атомного пучка влетают в СВЧ резонатор 9, находясь преимущественно в энергетическом состоянии первого уровня «1» (фиг.1). В СВЧ резонаторе 9 атомы пучка взаимодействуют с сигналом радиочастотного возбуждения - модулированным по фазе с частотой F СВЧ сигналом с несущей частотой f, соответствующей резонансной частоте f радиочастотного атомного перехода, возбуждаемого при взаимодействии рабочего вещества атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения. В результате взаимодействия атомного пучка с сигналом радиочастотного возбуждения атомы пучка вылетают из СВЧ резонатора 9, находясь преимущественно в энергетическом состоянии второго уровня «2» (фиг.1).
2
2
2
Лазерное оптическое детектирование выходящего из СВЧ резонатора 9 атомного пучка производится сигналом оптического детектирования. Сигнал оптического детектирования представляет собой часть излучения лазерного модуля 16, поступающего через полупрозрачное зеркало 22 в атомно-лучевую трубку 3 через окно оптического детектирования 11. Излучение лазерного модуля 16 представляет собой модулированный по частоте оптический сигнал, несущая частота которого соответствует резонансной частоте ν используемого циркулярного оптического атомного перехода между энергетическими уровнями «2» и «3'» (фиг.1), а частота F модуляции (порядка десяти килогерц) меньше полуширины спектральной линии этого перехода. Параметры излучения лазерного модуля 16 определяются параметрами модулированного по амплитуде тока, поступающего на его управляющий вход с выхода управляемого стабилизатора тока 15. Величина постоянной составляющей этого тока, определяющая значение несущей частоты излучения лазерного модуля 16, определяется суммой управляющих напряжений, поступающих на первый и второй управляющие входы управляемого стабилизатора тока 15, а частота модуляции этого тока определяется частотой F выходного сигнала низкочастотного генератора 17, поступающего на опорный вход управляемого стабилизатора тока 15 через замкнутый электронный ключ 18. При этом управляющее напряжение на втором управляющем входе управляемого стабилизатора тока 15 определяется выходным напряжением устройства автоматического поиска частоты 20, зафиксированным на постоянном уровне по результатам осуществленной начальной («грубой») настройки частоты излучения лазерного модуля 16, а управляющее напряжение на первом управляющем входе определяется текущим выходным напряжением блока автоматической подстройки частоты 14.
1
2
2
0
2
Результат лазерного оптического детектирования контролируется по переизлученному атомами пучка флуоресцентному свету, фиксируемому выходным фотодетектирующим устройством 12. Спектральные составляющие сигнала выходного фотодетектирующего устройства 12, соответствующие частоте F модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и частоте F модуляции излучения лазерного модуля 16, несут, соответственно, информацию об отклонении несущей частоты f сигнала радиочастотного возбуждения от резонансной частоты f и об отклонении несущей частоты излучения лазерного модуля 16 от резонансной частоты ν.
Первая из этих спектральных составляющих выделяется в фотоприемном устройстве 4 и в качестве сигнала обратной связи поступает с его первого выхода на сигнальный вход блока автоматической подстройки частоты 5, обеспечивая работу кольца автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1.
Вторая из этих спектральных составляющих выделяется в фотоприемном устройстве 13 и в качестве другого сигнала обратной связи поступает с его первого выхода на сигнальный вход блока автоматической подстройки частоты 14, обеспечивая работу кольца автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля 16.
2
2
2
В блоке автоматической подстройки частоты 14 сигнал, поступающий с первого выхода фотоприемного устройства 13, подвергается синхронному детектированию (относительно частоты F) с выделением сигнала ошибки, который далее интегрируется с получением управляющего напряжения, под действием которого постоянная составляющая выходного тока управляемого стабилизатора тока 15 устанавливается на уровне, определяющем значение несущей частоты излучения лазерного модуля 16 в соответствии с резонансной частотой ν. Таким образом, в результате работы данного кольца автоматической подстройки частоты значение несущей частоты излучения лазерного модуля 16 стабилизируется относительно резонансной частоты ν.
1
1
0
0
В блоке автоматической подстройки частоты 5 сигнал, поступающий с первого выхода фотоприемного устройства 4, подвергается синхронному детектированию (относительно частоты F) с выделением сигнала ошибки, который далее интегрируется с получением управляющего напряжения, под действием которого частота f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 устанавливается в соответствии с резонансной частотой f (с учетом преобразования частоты, осуществляемого в блоке формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2). Таким образом, в результате работы данного кольца автоматической подстройки частоты текущее значение частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 стабилизируется относительно резонансной частоты f.
Совместная работа обоих колец автоматической подстройки частоты - кольца автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и кольца автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля 16 - обеспечивает достижение требуемых характеристик стабильности выходного сигнала заявляемого атомно-лучевого стандарта частоты в установившемся режиме работы. При этом за счет использования одного лазерного модуля (а не двух, как в прототипе) упрощается схема атомно-лучевого стандарта частоты, уменьшается энергопотребление, увеличивается надежность.
0
1
1
2
2
3
Как и в прототипе, в заявляемом атомно-лучевом стандарте частоты требуется принудительная начальная («грубая») установка частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 16 в соответствии с частотами используемых атомных переходов для обеспечения возможности их последующего «захвата» и «слежения» в соответствующих кольцах автоматической подстройки частоты. Эта начальная установка частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 16 осуществляется автоматически после включения питания и происходит в три этапа, схематически представленных на фиг.3 интервалами «t-t», «t-t», «t-t».
0
1
Первый этап (фиг.3. промежуток времени от t до t) характеризуется следующим.
0
1
1кp
2
0
2
0
2
Устройство автоматического поиска частоты 19 в промежутке времени от t до t под действием внутренней программы микроконтроллера 28 устанавливается в исходное состояние, характеризующееся установкой частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 в крайнюю точку диапазона перестройки f (фиг.3а), при этом с второго выхода устройства автоматического поиска частоты 19 (т.е. с управляющего выхода микроконтроллера 28) поступает сигнал, под действием которого размыкаются электронные ключи 7 и 18. В данном состоянии отсутствует резонансное взаимодействие атомов пучка с СВЧ полем СВЧ резонатора 9, так как частота f формируемого в этих условиях сигнала радиочастотного возбуждения не соответствует резонансной частоте f радиочастотного атомного перехода. При этом величина отстройки частоты f от резонансной частоты f радиочастотного атомного перехода составляет, например, величину порядка пяти килогерц, т.е. частота f находится за пределами полосы спектральной линии данного перехода.
1кp
Установка частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 в крайнюю точку диапазона перестройки f осуществляется под действием сигнала, поступающего на его второй управляющий вход с первого выхода устройства автоматического поиска частоты 19 (т.е. с выхода цифроаналогового преобразователя 29). При этом на первый управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1 сигнал не поступает, поскольку в условиях разомкнутого ключа 7 работа кольца автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 заблокирована: нет сигнала на опорном входе блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2, соответственно нет модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, нет полезного сигнала на первом выходе фотоприемного устройства 4 и, соответственно, нет сигнала на выходе блока автоматической подстройки частоты 5, соединенном с первым управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1. В этих условиях частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 определяется только напряжением, присутствующим на его втором управляющем входе.
0
1
2кр
Устройство автоматического поиска частоты 20 в промежутке времени от t до t под действием внутренней программы микроконтроллера 31 устанавливается в исходное состояние, характеризующееся установкой частоты излучения лазерного модуля 16 в крайнюю точку диапазона перестройки ν (фиг.3б), при этом на втором выходе устройства автоматического поиска частоты 20 (т.е. на управляющем выходе микроконтроллера 31) формируется сигнал, под действием которого размыкается электронный ключ 25 блока формирования сигнала оптической накачки 21, устанавливая данный блок в начальное состояние.
2кр
Установка частоты излучения лазерного модуля 16 в крайнюю точку диапазона перестройки ν осуществляется под действием выходного сигнала управляемого стабилизатора тока 15, сформированного под действием сигнала, поступающего на его второй управляющий вход с первого выхода устройства автоматического поиска частоты 20 (т.е. с выхода цифроаналогового преобразователя 32). При этом на первый вход управляемого стабилизатора тока 15 управляющий сигнал не поступает, поскольку в условиях разомкнутого электронного ключа 18 работа кольца автоматической подстройки частоты лазерного модуля 16 заблокирована: нет сигнала на опорном входе управляемого стабилизатора тока 15, соответственно нет модуляции излучения лазерного модуля 16, нет полезного сигнала на первом выходе фотоприемного устройства 13 и, соответственно, нет сигнала на выходе блока автоматической подстройки частоты 14, соединенном с первым управляющим входом управляемого стабилизатора тока 15. В этих условиях выходной сигнал управляемого стабилизатора тока 15, задающий частоту излучения лазерного модуля 16, определяется только напряжением, присутствующим на его втором управляющем входе.
Блок формирования сигнала оптической накачки 21 в начальном состоянии - состоянии разомкнутого ключа 25 - пропускает входной оптический сигнал без модуляции. В результате оптический сигнал, снимаемый с оптического выхода блока формирования сигнала оптической накачки 21 и направляемый отражающим зеркалом 23 в окно оптической накачки 10, имеет ту же частоту, что и излучение лазерного модуля 16.
1
2
2
3/2
2
87
На втором этапе (фиг.3, промежуток времени от t до t) устройство автоматического поиска частоты 19 и блок формирования сигнала оптической накачки 21 находятся в режиме «ожидания», сохраняя состояние, установленное на первом этапе, а устройство автоматического поиска частоты 20 осуществляет программную перестройку частоты излучения лазерного модуля 16 с «грубым» поиском частоты, отвечающей резонансной частоте ν используемого циркулярного оптического атомного перехода. Нахождение этой частоты осуществляется путем выявления определенного (в порядке следования) пика выходного сигнала выходного фотодетектирующего устройства 12, поступающего через фотоприемное устройство 13 (с его второго выхода) на сигнальный вход устройства автоматического поиска частоты 20. При этом используется тот факт, что каждый выявленный пик соответствует определенному оптическому атомному переходу между энергетическими уровнями атомов используемого рабочего вещества атомного пучка, количество которых и расположение на частотной оси для каждого рабочего вещества известно. В рассматриваемом случае использования в качестве рабочего вещества атомного пучка рубидия Rb количество оптических атомных переходов равно четырем, что определяется четырьмя подуровнями в состоянии 5Р (см., например, работу [17] - A.Besedina, A.Gevorkyan, G.Mileti, V.Zholnerov, A.Bassevich. Preliminary result of investigation of the high-stable Rubidium atomic beam frequency standard with laser pumping/detection for space application. EFTF '06 // European Frequency and Time Forum, 2006, pp.270-276, Fig.2), при этом циркулярный оптический атомный переход, соответствующий частоте ν, является третьим (в порядке увеличения частоты) оптическим атомным переходом.
2
2
Поиск частоты ν (поиск определенного пика сигнала, снимаемого с второго выхода фотоприемного устройства 13) происходит по программе, заложенной в микропроцессоре 31. В соответствии с этой программой на выходе цифроаналогового преобразователя 32 формируется ступенчатое (изменяющееся по тактам) напряжение, под действием которого посредством управляемого стабилизатора тока 15 соответствующим образом изменяется частота излучения лазерного модуля 16. Часть этого излучения, поступающая через полупрозрачное зеркало 22 в окно оптического детектирования 11, облучает выходящий из СВЧ резонатора 9 атомный пучок. Результат лазерного оптического детектирования атомного пучка контролируется по переизлученному атомами пучка флуоресцентному свету, фиксируемому выходным фотодетектирующим устройством 12. Выходной сигнал выходного фотодетектирующего устройства 12 выделяется на втором выходе фотоприемного устройства 13 и поступает на сигнальный вход устройства автоматического поиска частоты 20 (т.е. на сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 30). Преобразованный в цифровой вид сигнал далее поступает в микроконтроллер 31, где осуществляется запоминание величины текущего сигнала и ее сравнение с величиной сигнала, поступившего на предыдущем такте, что позволяет выявлять частоты, соответствующие пиковым значениям выходного сигнала выходного фотодетектирующего устройства 12, и тем самым найти искомую частоту ν, соответствующую определенному пику.
2
2
2
2
Рассмотренный поиск частоты ν происходит в условиях отсутствия модуляции в блоке формирования сигнала оптической накачки 21. Это приводит к тому, что в атомно-лучевую трубку 3 через окно оптической накачки 10 поступает оптический сигнал той же частоты, что и через окно оптического детектирования 11. В случае, когда частота этого сигнала совпадает с частотой какого либо оптического атомного перехода (циркулярного или поглощающего), происходит возбуждение атомов атомного пучка на участке его прохода от источника атомного пучка 8 до СВЧ резонатора 9. При этом, если частота оптического сигнала соответствует частоте циркулярного оптического атомного перехода, то результат возбуждения имеет, как указывалось выше, кратковременный характер и заканчивается еще до входа атомного пучка в СВЧ резонатор 9. В этом случае картина энергетического состояния атомов пучка на выходе из СВЧ резонатора 9 характеризуется равновероятным распределением атомов на энергетических уровнях «1» и «2», и результат лазерного оптического детектирования дает пик флуоресцентного света, фиксируемый выходным фотодектирующим устройством 12 на частоте соответствующего циркулярного оптического атомного перехода (в том числе на искомой частоте ν, что позволяет осуществить ее поиск). Если же частота оптического сигнала соответствует частоте поглощающего оптического атомного перехода, то происходит оптическая накачка атомного пучка на участке его прохода от источника атомного пучка 8 до СВЧ резонатора 9, что приводит к изменению исходного энергетического распределения атомов пучка за счет обогащения энергетического уровня «1» и обеднения энергетического уровня «2». Поскольку время жизни атомов в таком состоянии больше длительности пролета атомов пучка через СВЧ резонатор 9, то атомы атомного пучка вылетают из СВЧ резонатора 9, находясь преимущественно в энергетическом состоянии первого уровня «1». В этом случае результат лазерного оптического детектирования не дает пика флуоресцентного света, т.е. имеет место пропуск соответствующей резонансной частоты. Однако, поскольку ищется частота, соответствующая резонансной частоте ν используемого циркулярного оптического атомного перехода, а не поглощающего, то данный эффект не препятствует поиску частоты ν.
2
2
2
2
По завершении поиска частоты ν (фиг.3б. момент времени t) микроконтроллер 31 фиксирует состояние цифроаналогового преобразователя 32, отвечающее найденной частоте ν, т.е. фиксирует выходной сигнал, поступающий с первого выхода устройства автоматического поиска частоты 20 на второй управляющий вход управляемого стабилизатора тока 15. Тем самым фиксируется установленное начальное («грубое») значение частоты лазерного модуля 16, отвечающее резонансной частоте ν используемого циркулярного оптического атомного перехода.
2
2
1кp
1
Кроме этого, по завершении поиска частоты ν (фиг.3б, момент времени t) с второго выхода устройства автоматического поиска частоты 20 на управляющий вход блока формирования сигнала оптической накачки 21 поступает сигнал, под действием которого замыкается электронный ключ 25, в результате чего блок формирования сигнала оптической накачки 21 переходит в рабочее состояние, характеризующееся модуляцией оптического сигнала. Модуляция начинается в условиях, когда подстраиваемый кварцевый генератор 1 находится в крайней точке диапазона перестройки f. При этом частота опорного сигнала, формируемого синтезатором частоты 24 на основе выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, близка к номинальной разностной частоте Δν, а частота полезной спектральной составляющей выходного сигнала модулятора 26, используемой в качестве сигнала оптической накачки, попадет в полосу спектральной линии поглощающего оптического атомного перехода с резонансной частотой ν. В этих условиях происходит оптическая накачка атомного пучка, приводящая к тому, что существенная часть атомов пучка попадает в СВЧ резонатор 9 в энергетическом состоянии первого уровня «1» (фиг.1).
0
2
3
Одновременно указанный сигнал с второго выхода устройства автоматического поиска частоты 20 поступает на управляющий вход устройства автоматического поиска частоты 19 (т.е. на управляющий вход микроконтроллера 28). Под действием этого сигнала устройство автоматического поиска частоты 19 начинает осуществлять программную перестройку частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 с поиском частоты, отвечающей (с учетом преобразования, осуществляемого в блоке формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2) частоте f радиочастотного атомного перехода (фиг.3а, промежуток времени от t до t). При этом ищется пик сигнала на выходе выходного фотодетектирующего устройства 12, соответствующий пику контура линии Рамзея ([17, фиг.6]). получаемого в результате происходящего в СВЧ резонаторе 9 взаимодействия атомов пучка, находящихся в энергетическом состоянии первого уровня «1», с немодулированным сигналом радиочастотного возбуждения, поступающим на радиочастотный вход атомно-лучевой трубки 3 с выхода блока формирования сигнала радиочастотного возбуждения 2.
1
2
Перестройка частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 осуществляется по программе, заложенной в микропроцессоре 28. В соответствии с этой программой на выходе цифроаналогового преобразователя 29 формируется ступенчатое (изменяющееся по тактам) напряжение, под действием которого соответствующим образом изменяется частота f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и связанная с ней частота f сигнала радиочастотного возбуждения. Поиск пика контура линии Рамзея осуществляется по переизлученному атомами пучка флуоресцентному свету, фиксируемому выходным фотодетектирующим устройством 12, выходной сигнал которого поступает через фотоприемное устройство 4 (с его второго выхода) на сигнальный вход устройства автоматического поиска частоты 19 (т.е. на сигнальный вход аналого-цифрового преобразователя 27). Преобразованный в цифровой вид сигнал далее поступает в микроконтроллер 28. В микроконтроллере 28 осуществляется запоминание величины текущего сигнала и ее сравнение с величиной сигнала, поступившего на предыдущем такте, что позволяет выявить частоту выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, соответствующую пику контура линии Рамзея.
3
0
По завершении поиска частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, соответствующей пику контура линии Рамзея (фиг.3а, момент времени t), микроконтроллер 28 фиксирует состояние цифроаналогового преобразователя 29, отвечающее найденной частоте, т.е. фиксирует выходной сигнал, поступающий с первого выхода устройства автоматического поиска частоты 19 на второй управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1. Тем самым фиксируется установленное начальное («грубое») значение частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1, отвечающее резонансной частоте f радиочастотного атомного перехода.
Одновременно с этим на управляющем выходе микроконтроллера 28 (т.е. на втором выходе устройства автоматического поиска частоты 19) появляется сигнал, под действием которого замыкаются электронные ключи 7 и 18, включая тем самым в работу соответствующие кольца автоматической подстройки частоты - кольцо автоматической подстройки частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 и кольцо автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля 16. С этого момента начинается рассмотренная выше текущая работа атомно-лучевого стандарта частоты, когда одновременно в режиме «слежения» работают оба кольца автоматической подстройки частоты - кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и кольцо автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля 16, обеспечивая стабилизацию частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 16 относительно резонансных частот используемых атомных переходов.
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании атомно-лучевого стандарта частоты, работающего по двухчастотной схеме, реализуемой с помощью одного лазерного модуля, и в котором осуществляется автоматическая установка начальных значений частот подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля в соответствии с частотами используемых атомных переходов.
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. RU 2220499 C2, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003.
3. US 4943955, H03L 7/26, опубл. 24.07.1990.
4. US 4425653, H01S 3/091, опубл. 10.01.1984.
5. US 4354108, H01S 1/00, опубл. 12.10.1982.
6. US 3967115, H01S 1/00, опубл. 29.06.1976.
7. US 3397310, US C1.250-41.3, опубл. 13.08.1968.
8. US 3323008, US C1.315-111, опубл. 30.05.1967.
-12
-1/2
th
9. C.Sallot, M.Baldy, D.Gin, R.Petit. 3·10·τ on industrial optically pumped cesium beam frequency standard. // 2003 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition Jointy with the 17 European Frequency and Time Forum, 2003, pp.100-104.
10. US 4684900, H03L 7/26, опубл. 04.08.1987.
87
11. A.Besedina, A.Gevorkyan, V.Zholnerov. Two-frequency Pumping in Rb Atomic Beam Frequency Standard with Laser Pumping/Detection for Space Application. EFTF' 07 // European Frequency and Time Forum, 2007, pp.623-628.
12. Г.П.Катыс, Н.В.Кравцов, Л.Е.Чирков, С.М.Коновалов. Модуляция и отклонение оптического излучения. // М., Наука. 1967. с.12, 23-30. 110-118.
13. RU 2029977 C1, G02F 1/03, опубл. 27.02.1995.
14. RU 2225631 С2, G02F 1/00, G02F 1/29. опубл. 10.03.2004.
15. RU 2248601 C1, G02F 1/03, опубл. 20.03.2005.
16. RU 2015556 C1, G06G 7/186, опубл. 30.06.1994.
17. A.Besedina, A.Gevorkyan, G.Mileti, V.Zholnerov, A.Bassevich. Preliminary result of investigation of the high-stable Rubidium atomic beam frequency standard with laser pumping/detection for space application. EFTF' 06 // European Frequency and Time Forum, 2006, pp.270-276, Fig.2, Fig.6.