Способ выбора рабочего режима квантового стандарта частоты
METHOD FOR SELECTING THE OPERATING MODE OF THE QUANTUM FREQUENCY STANDARD

Изобретение (способ) относятся к квантовым стандартам частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КСЧ-КПН), к способам выбора рабочего режима стандарта, реализованным в устройствах для генерирования гармонических электрических сигналов с высокой стабильностью частоты, и может быть использовано в электронных приборах в качестве задающего генератора мегагерцового диапазона.
Известны способы выбора рабочего режима сверхминиатюрного квантового стандарта частоты на основе КПН, которые сочетают в себе низкую кратковременную и долговременную нестабильность частоты, а также малые габариты и низкое энергопотребление (Сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты. Патент № RU 197054 МПК H03L 7/26 https://i.moscow/patents/RU197054U1_20200326).
87
Однако способ выбора режима работы стандарта частоты, реализованный в устройстве, осуществляет режим, при котором среднее значение длины волны лазера поддерживается постоянным и совпадает с пиком поглощения используемой квантовой ячейки, а модуляция длины волны лазера, используемая для оценки отклонения от пика поглощения и дальнейшей подстройки длины волны лазера, имеет небольшую амплитуду, малую сравнительно с шириной пика поглощения, обусловленной эффектом Доплера в атомах паров щелочного металла в ячейке (Cs или Rb) при ее рабочей температуре. В следствии этого, только малая часть атомов паров оказывается вовлеченной в процессы, связанные с поглощением лазерного излучения, и, в итоге, в образование эффекта когерентного пленения населенностей (КПН).
87
Кроме того, известен миниатюрный квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей в парах атомов Rb (Скворцов М.Н., Игнатович СМ., Вишняков В.И., Квашнин Н.Л., Месензова И.С., Бражников Д.В., Васильев В.А., Тайченачев А.В., Юдин В.И., Багаев С.Н., Блинов И.Ю., Пальчиков В.Г., Самохвалов Ю.С., Парехин Д.А. Квантовая электроника. 2020. Т. 50. № 6. С. 576-580. http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&imid=qe&4&option_lang=rus), являющийся прототипом предлагаемого изобретения.
87
Однако способ выбора режима работы стандарта частоты, реализованный в устройстве, осуществляет режим, при котором среднее значение длины волны лазера поддерживается постоянным и совпадает с пиком поглощения используемой квантовой ячейки, а модуляция длины волны лазера, используемая для оценки отклонения от пика поглощения и дальнейшей подстройки длины волны лазера, имеет небольшую амплитуду, малую сравнительно с шириной пика поглощения, обусловленной эффектом Доплера в атомах паров щелочного металла в ячейке (Cs или Rb) при ее рабочей температуре. Вследствие этого, только малая часть атомов паров оказывается вовлеченной в процессы, связанные с поглощением лазерного излучения, и, в итоге, в образование эффекта когерентного пленения населенностей (КПН). В прототипе длина волны лазера точно регулируется не его током, а его температурой, однако, выбор рабочей длины волны по-прежнему совпадает с пиком поглощения ячейки и осуществляется детектированием вспомогательной модуляции тока лазера вблизи пика поглощения, при этом зависимость выходной частоты стандарта от рабочей длины волны лазера определяется свойствами используемой ячейки и не может быть изменена выбором режима работы стандарта.
0
0
0
b
Способы выбора режима работы стандарта частоты, как реализованные в устройстве-прототипе, так и предлагаемые к реализации, предполагают структуру реализующего их устройства, показанную на фиг. 1, где генератор СВЧ сигнала (17) подает по цепи 23 сигнал модуляции тока лазера СВЧ частотой, электронная система управления (3) подает по цепи 21 сигнал модуляции тока лазера (для модуляции его длины волны), фотодиод (16) подает по цепи 27 выходной сигнал на вход электронной системы управления (3) для его обработки, при этом кварцевый генератор, управляемый напряжением (2) вырабатывает сигналы тактирования 25 и 26 стандарта, причем цепи 20 управляют температурой лазерного диода, а цепь 21 задает также режим лазерного диода по постоянному току. Лазер (4) подает излучение со средней длиной волны λ на фотодиод (16), пропустив его предварительно сквозь ячейку (6), причем частота СВЧ модуляции F, поступающая по цепи 23 преобразует длину волны лазера так, что образуются новые компоненты с длинами волн  и , отличающиеся по частоте от λ на ±F, при этом СВЧ частоту реализуют в виде  где t - время, т.е. модулируют с частотой  и амплитудой  лазерное излучение, прошедшее через квантовую ячейку подают на фотодиод, проводят синхронное детектирование тока фотодиода с сигналом частоты  и получают, таким образом, выходной сигнал  квантового дискриминатора частоты F, в котором рабочую длину волны лазера с помощью цепи 21 модулируют в виде  (в аналогах и прототипе амплитуда дополнительной модуляции λ=0), проводят синхронное детектирование тока фотодиода с сигналом частоты  и получают, таким образом, выходной сигнал  дискриминатора длины волны. Остальные элементы, показанные и пронумерованные на фиг. 1, являются существенными при реализации КСЧ-КПН, и присутствуют как в аналогах, так и в прототипе устройств, реализующих известные способы выбора рабочего режима стандарта, подробно они рассмотрены ниже, при описании иллюстрации.
Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности квантового стандарта частоты за счет увеличения стабильности частоты сигнала на выходе устройства. Принципиальная возможность достижения технического результата видна из графика фиг. 2. По оси абсцисс дано отклонение длины волны лазера относительно пика поглощения, выраженное через отклонение частоты лазера (в мегагерцах), а по оси ординат показано относительное отклонение выходной частоты стандарта. Из фиг. 2 видно, что при отклонении частоты лазера в пределах от +80 МГц до - 40 МГц зависимость мало отклоняется от линейной. Однако, заметно наличие экстремумов, а именно, минимум при -90 МГц и максимум при +150 МГц. Кроме того, становится понятно, что в случае увеличения амплитуды модуляции длины волны можно достигнуть существенного изменения хода зависимости, в том числе образования зон нечувствительности выходной частоты к длине волны лазера. Так, например, график на фиг. 2, смещенный влево на 190 МГц и взвешенный с равными весами с исходным позволяет своей «растущей» ветвью (при 190 МГц) компенсировать «падающую» ветвь (при 0 МГц). Для этого понадобилась бы модуляция длины волны в виде меандра с амплитудой примерно 95 МГц. Разумеется, модуляция с иной амплитудой или формой также может привести к образованию участков стабильности.
00
00
1
2
Поставленный технический результат достигается тем, что предлагается способ увеличения точности квантового стандарта путем уменьшения зависимости его выходной частоты от рабочей длины волны лазера, где в качестве средней рабочей длины волны лазера λ выбирается точка экстремума (минимума или максимума) зависимости выходной частоты стандарта от длины волны лазера, а подстройка длины волны λ, проводится путем сравнения выходных сигналов квантовых дискриминаторов частоты для двух чередующихся рабочих длин волн λ и λ, причем  без какой-либо привязки к пикам поглощения ячейки.
В другом варианте заявляемого способа проводят уменьшение крутизны зависимости выходной частоты стандарта от длины волны лазера, одновременно улучшая отношение сигнала к шуму в квантовом дискриминаторе частоты, для чего дополнительно модулируют рабочую длину волны лазера со значительной амплитудой, сопоставимой с половиной ширины линии поглощения в спектре поглощения ячейки.
Изобретение поясняется чертежами
На Фиг. 1 представлена общая схема устройства, реализующего как способы прототипа, так и заявленный способ, где
1 - группа элементов конструкции, традиционно именуемая «квантовым дискриминатором частоты», состоящая из «физической части» (из ячейки в термостате с магнитным экранированием и средствами регулировки температуры), из источника излучения (лазера), его приемника (фотодиода) и из вспомогательных оптических элементов (пакета из четвертьволновой пластины и нейтрального светофильтра, дополненное клиновидным вкладышем);
2 - кварцевый генератор, управляемый напряжением (ГУН);
3 - электронная система управления;
4 - диодный лазер с вертикальным резонатором;
5 - фазовая четвертьволновая пластинка;
6 - стеклянная поглощающая ячейка с парами щелочного металла;
7 - внутренний магнитный экран (окружает ячейку);
8 - внешний магнитный экран (окружает внутренний магнитный экран);
9 - ось сквозных отверстий для ввода в ячейку и вывода из нее лазерного излучения (проходит через поглощающую ячейку);
10 - средство нагрева поглощающей ячейки;
11 - средство термостабилизации поглощающей ячейки;
12 - катушки подмагничивания (для создания однородного магнитного поля в области стеклянной ячейки);
13 - нейтральный светофильтр;
14 - клиновидный вкладыш;
15 - отдельный отсек для средства нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки;
16 - фотодиод;
17 - генератор сверхвысокой частоты (СВЧ) управляемый напряжением;
18 - нагреватель (элемент Пельтье) с датчиком температуры (терморезистором) лазерного диода (встроены в корпус лазерного диода);
19 - цепи управления температурой лазера;
20 - цепи управления температурой ячейки и током подмагничивания катушек;
21 - сигнал модуляции тока лазера (для модуляции его длины волны);
22 - сигнал модуляции частоты СВЧ генератора (для захвата частоты КПН резонанса квантовым дискриминатором частоты);
23 - сигнал модуляции тока лазера СВЧ частотой (для расщепления спектральной линии лазера, обеспечивающего наблюдение КПН резонанса);
24 - сигналы управления микросхемой фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) СВЧ генератора (относительно частоты кварцевого генератора ГУН);
25 - сигнал кварцевого генератора (для обеспечения работы схемы ФАПЧ СВЧ генератора);
26 - сигнал кварцевого генератора (для тактирования микроконтроллера и для выработки выходного сигнала квантового стандарта частоты, непосредственно, либо после деления частоты 10 МГц в 2 раза, до частоты 5 МГц);
27 - выходной сигнал фотодиода;
28 - линза (возможный, не обязательный, элемент в оптической схеме).
На фиг. 2 представлена зависимость выходной частоты стандарта от отклонения рабочей длины волны относительно пика поглощения ячейки, отклонение длины волны приведено как отклонение частоты лазера, в МГц. Использована ячейка диаметром 5,0 мм Cs+Ne(87%)+Ar(13%) 100 торр.
На фиг. 3 представлен график девиации Аллана, характеризующий точность работы стандарта. Использована ячейка диаметром 5,0 мм Cs+Ne(87%)+Ar(13%) 100 торр. Использован вариант 1 предложенного способа.
На фиг. 4 представлен график девиации Аллана, характеризующий точность работы стандарта. Использована ячейка диаметром 5,0 мм Cs+Ne(87%)+Ar(13%) 100 торр. Использован вариант 2 предложенного способа.
На фиг. 5 представлен график девиации Аллана, характеризующий точность работы стандарта. Использована ячейка диаметром 5,0 мм Cs+Ne(87%)+Ar(13%) 100 торр. Использован исходный вариант выбора рабочих режимов, как в аналогах и в прототипе
Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.
Электронная система управления (3):
1) преобразует входное питающее напряжение квантового стандарта частоты (например,+5 В) в стабилизированные напряжения питания элементов системы управления (например,+3 В);
2) вырабатывает выходные сигналы частоты квантового стандарта (например, меандры с частотами 10 МГц и 5 МГц и синусоидальный сигнал одной из этих частот);
3) вырабатывает (при необходимости) импульсные сигналы времени (например, с частотой 1 Гц, либо 100 Гц, либо с иной частотой);
4) осуществляет (при необходимости) информационный обмен с пользователем квантового стандарта по интерфейсу RS-232;
5) осуществляет подключение к микроконтроллеру по протоколу SWD, позволяя реализовать отладочные режимы работы и обновление программы микроконтроллера;
6) осуществляет прием (при необходимости) внешних синхронизующих импульсов (например, импульсов ГНСС с частой 1 Гц), для реализации режима дисциплинирования стандарта;
7) вырабатывает и принимает сигналы цепи управления температурой лазера;
8) вырабатывает и принимает сигналы цепи управления температурой ячейки;
9) вырабатывает сигнал модуляции тока лазера (для модуляции его длины волны);
10) вырабатывает сигнал модуляции частоты СВЧ генератора (для захвата частоты КПН резонанса квантовым дискриминатором частоты);
11) вырабатывает сигнал модуляции тока лазера СВЧ частотой (для расщепления спектральной линии лазера, обеспечивающего наблюдение КПН резонанса);
12) принимает, усиливает, оцифровывает и обрабатывает выходной сигнал фотодиода (16);
13) преобразует частоту входного сигнала тактирования от кварцевого генератора (2) в необходимые для работы микроконтроллера тактовые частоты;
14) осуществляет опрос дополнительных датчиков, а именно, температуры внутри корпуса стандарта, а также 3-х компонент вектора магнитного поля внутри экранирующего магнитное поле корпуса стандарта, действующих на внутренний магнитный экран ячейки, расчет поправок к выходной частоте стандарта и их использование при управлении выходной частотой стандарта
Квантовый дискриминатор частоты (1) осуществляет:
1) излучение лазерным диодом заданного спектра на требуемой длине волны;
2) фокусировку (при необходимости) лазерного излучения;
3) ослабление мощности излучения до заданного уровня;
4) преобразования поляризации излучения (от излучаемой лазером линейной поляризации в круговую поляризацию);
5) обеспечение прохождения лазерного излучения сквозь квантовую ячейку;
6) прием прошедшего через ячейку излучения и преобразование его в электрический сигнал;
7) управление температурой лазерного диода;
8) управление температурой квантовой ячейки;
9) управление магнитным полем в области ячейки путем управления током подмагничивания катушек;
10) управление рабочей температурой лазерного диода с использованием встроенных в корпус лазера элементов Пельтье и терморезистора.
00
00
00
Квантовый стандарт частоты (1) модулирует ток лазера сигналом низкой частоты  (например, равной 12 кГц), модулирующим рабочую длину волны вблизи наблюдаемого пика поглощения рабочего щелочного металла ячейки), после чего проводит демодуляцию (синхронное детектирование) принятого фотодиодом прошедшего через ячейку излучения. В результате этого вырабатывается сигнал G(λ) дискриминатора длины волны λ, после программной обработки которого вырабатывается сигнал управления рабочей длиной волны λ (ее подстройкой) путем изменения рабочего тока лазера и (или) изменения его рабочей температуры. При реализации второго варианта изобретения ток лазера дополнительно модулируют сигналом низкой частоты  (например, 480 кГц) с амплитудой модуляции, существенно превышающей амплитуду модуляции с частотой  (например, в 20 раз).
+
-
0
0
00
Квантовый стандарт частоты модулирует также частоту СВЧ генератора F (подаваемую на лазер и расщепляющую его спектральную линию на пару рабочих компонент) сигналом низкой частоты  модулирующим рабочую разницу длин волн λ и λ (разницу частот излучения) вблизи наблюдаемого микроволнового перехода (КПН резонанса) рабочего щелочного металла ячейки, после чего проводит демодуляцию (синхронное детектирование) принятого фотодиодом прошедшего через ячейку излучения с частотой  c(например, равной 10 кГц). В результате этого вырабатывается сигнал дискриминатора частоты  (позволяющий регулировать частоту F по резонансной частоте квантовой ячейки), после программной обработки которого вырабатывается сигнал управления рабочей выходной частотой стандарта F (ее подстройкой) путем изменения напряжения, подаваемого на кварцевый генератор, и управляющего его частотой. При этом результат работы дискриминатора частоты  зависит, в том числе, и от выбранной рабочей длины волны λ.
Квантовый стандарт частоты осуществляет работу систем автоматической подстройки рабочих управляющих параметров с использованием специальных цифровых алгоритмов управления, в том числе и реализующих алгоритм PID управления (пропорциональный, интегральный и дифференциальный члены) в цепи обратной связи при автоподстройке.
Способ реализован (выполнен) следующим образом.
00
2
1
2
00
2
1
Для варианта по п. 1 Формулы изобретения среднюю рабочую длину волны лазера λ реализуют в виде чередующихся длин волн λ и λ, отличающихся между собой, например, на 90 МГц (при переводе длины волны лазера в частоту излучения). Для длины волны λ реализуют квантовый дискриминатор частоты  а для длины волны λ1 реализуют квантовый дискриминатор частоты  затем, по разности  вычисляют управляющее воздействие для выполнения условия  и подстраивают длину волны лазера λ, при этом чередование длин волн λ и λ проводится, например, с частотой 500 Гц.
00
b
Для варианта по п. 2 Формулы изобретения среднюю рабочую длину волны лазера λ выбирают равной наблюдаемому пику поглощения ячейки, используя дискриминатор длины волны  как в аналогах и в прототипе, однако, осуществляют дополнительную модуляцию длины волны лазера λ (модуляцию тока лазера) со значительной амплитудой (сопоставимой с долей от ширины линии поглощения ячейки), достаточной для изменения характера зависимости выходной частоты стандарта от длины волны, а частоту такой дополнительной модуляции выбирают достаточно высокой.