КВАНТОВЫЙ ДИСКРИМИНАТОР

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована в квантовых стандартах частоты с оптической накачкой. Подобные устройства широко применяются в дальней космической связи, службе точного времени, а также при уточнении фундаментальных констант и проверке положений теории относительности.
К аналогам полезной модели относятся рубидиевые квантовые дискриминаторы с изотопической фильтрацией света накачки, составляющие основу пассивных стандартов частоты на парах щелочных металлов в камере поглощения. Подобные устройства содержат в своем составе два основных элемента - оптическую систему и схему обработки. Оптическая система включает расположенные на одной оси источник накачки, ячейку фильтр, камеру поглощения, помещенную в объемный резонатор, и приемный фотодетектор. Схема обработки состоит из усилителя низкой частоты, фазового детектора, звукового генератора, кварцевого генератора и умножителя частоты. Принцип работы аналогов основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей квантовому переходу в сверхтонкой структуре основного состояния атомов рубидия, см., например, [Григорьянц В.В., Жаботинский М.Е., Золин В.Ф. Квантовые стандарты частоты. - М: Наука, 1967, 288 с], [Пихтелев А.И., Ульянов А.А., Фатеев Б.П. и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. - М: Сов. радио, 1978, 304 с], [Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. Пер. с англ. - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009. - 512 с]. Недостатком аналогов является зависимость их резонансной частоты от рабочего магнитного поля, вариации которого по величине и направлению приводят к уменьшению их относительной стабильности частоты.
87
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является квантовый дискриминатор с лазерной оптической накачкой паров щелочного металла [Казаков Г.А., Матисов Б.Г., Литвинов А.Н. Радиооптический резонанс при лазерном возбуждении в парах Rb. НТВ СПбГПУ Физ. мат науки 4, 2006, с. 70-74].
Квантовый дискриминатор-прототип содержит магнитную систему, схему обработки и оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник лазерной накачки, камеру поглощения с парами щелочного металла, размещенную в магнитной системе, и приемный фото детектор, подключенный к схеме обработки. В схему обработки входят избирательный усилитель, фазовый детектор, звуковой генератор, умножитель частоты и кварцевый генератор, частота которого управляется сигналом приемного фотодетектора. Камера поглощения размещена в объемном резонаторе, который создает СВЧ поле в зоне размещения камеры поглощения и тем самым вызывает изменение степени прозрачности камеры поглощения, фиксируемое приемным фотодетектором в виде сигнала радио оптического резонанса. Этот сигнал в схеме обработке используется для автоподстройки частоты кварцевого генератора схемы обработки до значений, соответствующих частоте магнитодипольного 0-0 перехода в атомах рабочего вещества, находящихся в камере поглощения.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является ориентационная погрешность измерений резонансной частоты, вызванная ее ориентационной зависимостью от угла между направлением вектора напряженности магнитного поля и лучом света накачки. Изменение этого угла может быть обусловлено различными причинами, например, изменением ориентации датчика в пространстве, наличием внешних магнитных наводок и т.п.
Задачей полезной модели является разработка квантового дискриминатора с уменьшенной ориентационной погрешностью определения резонансной частоты, связанной с ее зависимостью от угла между направлением магнитного поля и лучом света накачки.
Поставленная задача достигается тем, что в квантовом дискриминаторе, содержащем магнитную систему, схему обработки и оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник лазерной накачки, камеру поглощения с парами щелочного металла, размещенную в магнитной системе, и приемный фотодетектор, подключенный к схеме обработки, введен преобразователь частоты, соединенный со схемой обработки, между источником лазерной накачки и камерой поглощения установлен оптический разделитель света с образованием двух дополнительных источников накачки, ориентированных на камеру поглощения во взаимно перпендикулярных направлениях, после камеры поглощения установлены два дополнительных приемных фотодетектора, подключенные к схеме обработки и расположенные напротив соответствующих дополнительных источников накачки так, что образуются два дополнительных оптических тракта, причем все оптические тракты взаимно перпендикулярны и имеют общую камеру поглощения, вокруг камеры поглощения установлены три рупорные антенны, подключенные к схеме обработки.
В заявляемом устройстве, благодаря введению преобразователя частоты, трех рупорных антенн, образованию трех идентичных источников накачки и трех взаимно перпендикулярных оптических трактов с общей камерой поглощения, суммарный ориентационный сдвиг резонансной частоты квантового дискриминатора, может быть сведен до сколь угодно малых значений (в принципе до нуля) за счет взаимной компенсации светового сдвига, наблюдаемого при индуцировании радиооптического резонанса в различных оптических трактах квантового дискриминатора. Уровень такой компенсации определяется степенью идентичности приемных фотодетекторов квантового дискриминатора.
Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг), на которой изображена схема оптической части квантового дискриминатора на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой щелочных атомов, где 1 - магнитная система, 2 - схема обработки, 3 - источник лазерной накачки, 4 - камера поглощения, 5 - приемный фотодетектор, 6 - преобразователь частоты, 7 - оптический разделитель света накачки, 8 и 9 - дополнительные приемные фотодетекторы, 10, 11 и 12 - рупорные антенны.
Квантовый дискриминатор (фиг.) содержит магнитную систему 1, схему обработки 2 и оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник лазерной накачки 3, камеру поглощения 4 с парами щелочного металла, размещенную в магнитной системе 1, и приемный фото детектор 5, подключенный к схеме обработки 2, преобразователь частоты 6, соединенный со схемой обработки 2. Между источником 3 лазерной накачки и камерой поглощения 4 установлен оптический разделитель света 7 с образованием двух дополнительных источников накачки, ориентированных на камеру поглощения 4 во взаимно перпендикулярных направлениях. После камеры поглощения 4 установлены два дополнительных приемных фотодетектора 8 и 9, подключенные к схеме обработки 2 и расположенные напротив соответствующих дополнительных источников накачки так, что образуются два дополнительных оптических тракта. Все оптические тракты взаимно перпендикулярны и имеют общую камеру поглощения 4. Вокруг камеры поглощения 4 установлены три рупорные антенны 10, 11 и 12, подключенные к схеме обработки 2
Схема обработки может быть выполнена аналогично схеме, описанной в работе [Пихтелев А.И., Ульянов А.А., Фатеев Б.П. и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. - М: Сов. радио, 1978, 304 с]. Схема обработки должна пропускать сигнал с выхода каждого приемного фотодетектора только на определенной звуковой частоте. Тогда на выходе схемы обработки формируются три независимых СВЧ сигнала, питающие рупорные антенны соответствующих оптических трактов, несмотря на то, что приемные фотодетекторы воспринимают сигнал радиооптического резонанса одновременно на трех звуковых частотах.
В качестве оптического разделителя могут быть использованы волоконные световоды, либо система зеркал и светоделительных призм.
В качестве преобразователя частоты может быть использован СВЧ частотомер, например, Pendulum CNT-85R, соединенный с микроконтроллером, например, RS-232, который определяет средневзвешенную частоту СВЧ поля рупорных антенн, не зависящую от ориентации квантового дискриминатора в магнитном пространстве.
Магнитная система может быть выполнена в виде катушек Гельмгольца, создающих рабочее магнитное поле, вектор напряженности которого ориентирован в сферической системе координат, осями которой являются оси оптических трактов. Положение вектора напряженности рабочего поля в сферической системе координат определено полярным углом θ и азимутальным углом φ.
Квантовый дискриминатор работает следующим образом.
Свет накачки от лазерного источника 3 с помощью оптического разделителя 7 разделяется на три пучка, распространяющихся в трех взаимноперпендикулярных направлениях и поступает на камеру поглощения 4 с парами щелочного металла, обеспечивая неравновесное распределение населенностей магнитных подуровней основного состояния атомов. Приемные фотодетекторы 5, 8 и 9 регистрируют степень прозрачности камеры поглощения 4 по сигналам радиооптического резонанса, индуцируемых в атомной среде действием СВЧ полей рупорных антенн 10, 11 и 12. Степень прозрачности камеры поглощения 4 модулируется одновременно тремя звуковыми частотами, на которые настроена схема обработки 2. Величина сигнала радиооптического резонанса, регистрируемого приемными фотодетекторами 5, 8 и 9 достигает максимального значения при совпадении частоты СВЧ поля в рупорных антеннах 10, 11 и 12 с резонансной частотой магнитодипольного перехода, определяемой энергетическим зазором атомных подуровней, который, в свою очередь, зависит от рабочего магнитного поля, создаваемого магнитной системой 1. Звуковые частоты модуляции частоты СВЧ поля рупорных антенн 10, 11 и 12 имеют различные значения, при этом на выходе приемных СВЧ фотодетекторов 5, 8 и 9 формируются сигналы переменного напряжения на всех трех частотах модуляции, которые, поступая в схему обработки 2, преобразуются в частотно модулированные СВЧ сигналы, питающие рупорные антенны 10, 11 и 12, СВЧ поле которых, в свою очередь, индуцирует магнитодипольные переходы в камере поглощения 4, изменяя ее степень прозрачности на звуковых частотах модуляции. Преобразователь частоты 6 определяет средневзвешенное значение частот СВЧ поля в рупорных антеннах 10, 11 и 12, величина которого не зависит от угла между направлением оптических трактов и вектором напряженности рабочего магнитного поля. Действительно, в соответствии с фиг. ориентационная зависимость частот сигналов радиооптического резонанса, фиксируемых приемными фотодетекторами 9, 5 и 8, будет иметь следующий вид:
1
2
3
где ν, ν и ν - СВЧ частота поля соответствующих рупорных антенн 10, 11 и 12;
0
1
2
3
ν - средневзвешенная частота СВЧ частот ν, ν и ν;
1
2
3
α, α и α - максимальные приращения частоты СВЧ поля в соответствующих рупорных антеннах 10, 11, 12, связанные со световым сдвигом (в герцах), величина которого определяется интенсивностью и спектральным составом источника накачки;
θ и φ - полярный и азимутальный углы, определяющие направление вектора напряженности магнитного поля в сферической системе координат, определяемой расположением оптических трактов дискриминатора.
-14
-16
В идеальном случае равенства интенсивностей света накачки в оптических трактах квантового дискриминатора максимальные приращения частоты СВЧ поля в соответствующих рупорных антеннах 10, 11, 12, связанные со световым сдвигом, идентичны, что обеспечивает независимость суммы СВЧ частот рупорных антенн от углов θ и φ. На практике вследствие различия параметров элементов оптических трактов (например, приемных фотодетекторов) подобной идентичности не удается реализовать, поэтому степень компенсации ориентационной зависимости квантового дискриминатора при определении средневзвешенной СВЧ частоты рупорных антенн напрямую зависит от степени этого различия. Из литературных данных следует, что величина максимального приращения частоты СВЧ поля для лазерных источников накачки достигает значений порядка 100 Гц. Этим значениям соответствует относительная ориентационная погрешность принятого за прототип рубидиевого квантового дискриминатора при изменении угла θ на один градус 4·10. В заявленном устройстве относительное расхождение максимальных приращений частоты СВЧ поля несложно обеспечить на уровне одного процента, что соответствует уменьшению относительной ориентационной погрешности дискриминатора до величины 4·10, то есть на два порядка меньшего значения в сравнении с аналогами.