Радиоспектрометр с оптической накачкой

Полезная модель относится к технике квантовых приборов с оптической накачкой щелочных атомов и может быть использована при разработке атомных стандартов частоты и квантовых магнитометров в качестве измерительного устройства для определения различных (скалярной, векторной, тензорной) компонент светового сдвига частоты радиооптического резонанса, по-разному влияющих на прецизионные параметры квантовых приборов.
В современных прецизионных устройствах с оптической накачкой световой сдвиг частоты радиооптического резонанса является главным источником измерительной погрешности, которая определяет класс точности таких устройств. В магнитометрах и квантовых гироскопах по частоте резонанса измеряют соответственно величину рабочего магнитного поля и скорость вращения прибора, в квантовых стандартах частоты их основные параметры – относительная стабильность и воспроизводимость – непосредственно связаны с вариациями частоты резонанса, вызванные световым сдвигом энергетических подуровней атомов рабочего вещества. В процессе работы названных устройств световой сдвиг их резонансной частоты проявляется как сумма различных его компонент, динамика которых при изменении внешних факторов (таких как интенсивность и спектральный состав спектра накачки источника, ориентация прибора в магнитном пространстве, величина ядерного спина атомов рабочего вещества) существенно различается.
Известно, что правильный выбор направления циркулярной поляризации света накачки в тандеме двух квантовых магнитометров позволяет повысить их долговременную стабильность частоты за счет взаимной компенсации скалярной и векторной компонент [Баранов А.А., Ермак С.В., Сагитов Э.А., Смолин Р.В., Семенов В.В. О компенсации светового сдвига частоты радиооптического СВЧ резонанса в оптически ориентированных атомах щелочных металлов ЖЭТФ, Том 148, Вып. 3, стр. 453 (Сентябрь 2015)].
z
Известен радиоспектрометр с оптической накачкой на основе атомного магнитометра M типа на низкочастотном (НЧ) радиооптическом резонансе, в котором контролируется   разность населенностей атомов рабочего вещества под действием резонансного радиочастотного поля [Н.М.Померанцев, В.М.Рыжков, Г.В.Скроцкий, Физические основы квантовой магнитометрии, Из-во Наука, М. 1972, стр.284].  В подобных устройствах используется периодическое прохождение магнитного резонанса, для чего измеряемое магнитное поле или частота радиочастотного поля модулируется с низкой звуковой частотой. На этой частоте осуществляется усиление и фазовое детектирование сигнала фотодетектора в схеме автоподстройки опорного генератора. Выход фазового детектора при медленном прохождении резонансных условий имеет вид дисперсионной кривой, причем в центре резонанса при совпадении частоты радиочастотного поля с резонансным значением сигнал фазового детектора равен нулю.
z
В состав атомного магнитометра M типа входит квантовый дискриминатор и схема автоподстройки опорного генератора. Квантовый дискриминатор содержит расположенные на одной оси источник накачки, циркулярный поляроид, камеру поглощения, охваченную радиочастотной катушкой, и приемный фотодетектор. Выход приемного фотодетектора подключен к входу избирательного усилителя схемы автоподстройки опорного генератора. Сигнал ошибки на выходе фазового детектора схемы автоподстройки перестраивает частоту опорного генератора под резонансное значение, измеряемое частотомером. Вариации интенсивности излучения накачки приводят к погрешностям определения резонансной частоты, обусловленным так называемым векторным световым сдвигом энергоподуровней [W.Happer, B.S.Mathur, Effective operator formalism in optical pumping, Phys. Rev.- 1967.- v163.- №1, P.12-25], который вуалируется фоном магнитных флуктуаций измеряемого магнитного поля. Другим недостатком аналога являются его принципиальная неспособность измерять СВЧ компоненты светового сдвига частоты радиооптического резонанса, поскольку диапазон работы подобного рода магнитометров лежит в НЧ области зеемановских переходов между соседними магнитными подуровнями основного состояния атомов.
39
z
Известен радиоспектрометр с оптической накачкой на основе системы двух квантовых магнитометров, содержащих два оптических тракта с общей камерой поглощения, оптические оси которых ориентированы под углом 45° по отношению друг к другу [ Е.Б.Александров, М.В.Балабас, А.К.Вершовский, А.С.Пазгалев, Новая версия квантового магнитометра: однокамерный  Cs-K тандем на четырехквантовом резонансе в К.ЖТФ.- 2000.- т.70.-вып. №7, с.118-124]. Помимо общей камеры поглощения с парами калия и цезия оптические тракты содержат источники накачки и приемные фотодетекторы, подключенные через усилители к фазовым детекторам. Схема аналога включает цезиевый самогенерирующий магнитометр и калиевый M магнитометр, в котором использована стандартная методика синхронного детектирования резонансного сигнала.
z
Недостатком аналога являются его принципиальная неспособность измерять СВЧ компоненты светового сдвига частоты, так как частотный диапазон работы M магнитометра лежит в области низких частот.
Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является радиоспектрометр с оптической накачкой на основе пассивного стандарта частоты на рубидиевой газовой ячейке [В.В.Григрьянц, М.Е.Жаботинский, В.Ф.Золин. Квантовые стандарты частоты. Наука, 1967, 288 c]. Радиоспектрометр содержит магнитный экран, магнитную систему с блоком питания для создания однородного магнитного поля, оптический тракт с последовательно размещенными источником накачки, камерой фильтром, камерой поглощения и фотодетектором, опорный генератор VCXO со схемой автоподстройки в виде блока «сервоэлектроника», вход которой подключен к фотодетектору, а выход к схеме возбуждения СВЧ поля в виде резонатора.
Принцип работы прототипа основан на стабилизации частоты опорного генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей квантовому переходу в сверхтонкой структуре основного состояния атомов рубидия, см., например, [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, 304 с.], [Ф.Риле Стандарты частоты. Принципы и приложения// Пер. с англ.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.-512 С.].
Для компенсации магнитного поля Земли оптический тракт радиоспектрометра помещается в магнитный экран. В резонаторе имеются отверстия, сквозь одно из которых на камеру поглощения фокусируется пучок света от источника накачки. Свет, прошедший через камеру поглощения, попадает на фотодетектор, подключенный к схеме автоподстройки опорного генератора. Сигнал на выходе этой схемы возбуждает резонатор на частоте, близкой к частоте СВЧ сверхтонкого   0-0 перехода.
При совпадении частоты сигнала в схеме возбуждения СВЧ поля с СВЧ переходом в атоме рубидия происходит изменение интенсивности света, вызванное одновременным воздействием на атомы СВЧ излучения и света накачки. Сигнал с выхода фотодетектора используется для автоподстройки опорного генератора в схеме его автоподстройки на частоту резонансного перехода атомов рубидия.
Недостатком известного устройства, принятого за прототип, являются его неспособность измерять компоненты светового сдвига резонансной частоты наблюдаемого сигнала. Причиной этого недостатка является одновременность действия компонент светового сдвига, формирующих его суммарную величину в виде измерительной погрешности квантового радиоспектрометра.
Технической проблемой полезной модели является разработка радиоспектрометра с оптической накачкой, способного измерять различные компоненты светового сдвига частоты радиооптического резонанса в атомах щелочных металлов для определения оптимальных режимов оптической накачки, позволяющих свести к минимуму негативное влияние светового сдвига на метрологические характеристики квантового устройства.
Сущность полезной модели состоит в том, что аналогично прототипу радиоспектрометр с оптической накачкой содержит магнитный экран, магнитную систему с блоком питания, оптический тракт с последовательно размещенными источником накачки, камерой поглощения и фотодетектором, первый опорный генератор со схемой автоподстройки, вход которой подключен к фотодетектору, а первый выход к схеме возбуждения СВЧ поля. В отличие от прототипа устройство дополнительно содержит второй опорный генератор со схемой автоподстройки, девяностоградусный фазовращатель, преобразователь частоты, измерительный блок. Источник накачки выполнен с возможностью изменения поляризации излучения света накачки и ее интенсивности. Магнитная система выполнена в виде двух катушек, подключенных к блоку питания через переключатель. Ось первой катушки совпадает с осью оптического тракта Ось второй катушки ориентирована под углом к оси первой катушки. Камера поглощения охвачена радиочастотной катушкой, состоящей из первой и второй секций, оси которых взаимно перпендикулярны и ориентированы под углом 90° по отношению к оси оптического тракта. Выход фотодетектора присоединен к входу схемы автоподстройки второго опорного генератора, первый выход которой подключен к первой секции радиочастотной катушки, второй выход присоединен через девяностоградусный фазовращатель ко второй секции радиочастотной катушки, а третий выход схемы автоподстройки второго опорного генератора подключен к второму входу измерительного блока, первый вход которого подключен к выходу преобразователя частоты.
Схема возбуждения СВЧ поля может быть выполнена в виде рупорной антенны, размещенной вблизи камеры поглощения.
Ось второй катушки может быть ориентирована по отношению к оси первой катушки под углом преимущественно 90° или под углом, тангенс которого равен.
Источник накачки может быть выполнен в виде последовательно размещенных спектральной лампы с изотопом рубидий-87 и камеры фильтра с изотопом рубидий-85, либо в виде лазера, настроенного на электродипольный переход атомов в камере поглощения с возможностью подключения на его выходе циркулярного поляризатора. Изменение интенсивности источника накачки может быть осуществлено с помощью нейтрального фильтра, уменьшающего интенсивность излучения, например, в два раза.
Выполнение магнитной системы в виде двух катушек, подключенных через переключатель к блоку питания, введение радиочастотной катушки, состоящей из первой и второй секций, и второго опорного генератора со схемой автоподстройки, а также возможность установки циркулярного поляризатора приводит к способности работы радиоспектроскопа в трех режимах:
при включенной первой катушке, ось которой совпадает с осью оптического тракта, и отключенной второй катушке, при этом схема автоподстройки второго опорного генератора выключена и отключены первая и вторая секция радиочастотной катушки от схемы автоподстройки второго опорного генератора (режим А);
при включенной второй катушке, ось которой ориентирована по отношению к оси первой катушки либо под углом 90 градусов, либо  под углом, тангенс которого равен, при этом первая катушка отключена, схема автоподстройки второго опорного генератора выключена и отключены первая  и вторая секция радиочастотной катушки от схемы автоподстройки второго опорного генератора, при этом проводят измерения сначала при полной интенсивности источника накачки, затем уменьшают интенсивность накачки, например, в два раза, с помощью нейтрального фильтра, проводят повторные измерения, фиксируя величину сдвига частоты (режим В);
при включенной первой катушке, ось которой совпадает с осью оптического тракта, и отключенной второй катушке, при этом схема  автоподстройки второго опорного генератора включена, к ней присоединены первая  и вторая секция радиочастотной катушки,  схема  автоподстройки первого опорного генератора отключена, а на выходе источника накачки установлен циркулярный поляризатор (режим С).
2
В режимах А и В осуществляется измерение скалярной и тензорной компоненты светового сдвига на основе использования их зависимости от интенсивности света накачки и ориентационной зависимости тензорной компоненты от угла  θ  между направлением света накачки и вектором рабочего магнитного поля по закону 1 – 3cos θ, согласно которому тензорная компонента различается по величине и знаку при  углах  θ=0 и  θ= 90° . При угле θ, тангенс которого равен , тензорная компонента светового сдвига равна нулю. Когда интенсивность света накачки одна и та же – и в режиме А и в режиме В– величина скалярной компоненты светового сдвига не изменяется при переходе от одного режима в другой.
Изменение интенсивности света накачки в режиме В, например, в два раза, дает уменьшение скалярной и тензорной компонент также в два раза, что приводит к уменьшению в два раза суммарного (скалярная плюс тензорная компоненты) светового сдвига частоты, фиксируемого измерительным блоком.
+
-
+
-
+
-
В режиме С использование циркулярно поляризованного излучения приводит к сдвигу резонансной частоты, обусловленному действием эффективного магнитного поля, наводимого в среде излучением накачки (явление, известное как обратный эффект  Фарадея). Этот тип светового сдвига в литературе получил название векторного светового сдвига, который необходимо определить в ходе измерений. Циркулярно поляризованное излучение света накачки может быть создано в двух направлениях – правополяризованное излучение циркулярной поляризации (поляризация σ, когда вектор электрической составляющей света накачки вращается по часовой стрелке) и левополяризованное излучение циркулярной поляризации (поляризация σ, когда вектор электрической составляющей света накачки вращается против часовой стрелки). При этом для поляризации σ вектор эффективного магнитного поля совпадает по направлению с направлением рабочего магнитного поля, для поляризации σ вектор эффективного магнитного поля противоположно направлен вектору рабочего магнитного поля. Соответственно для поляризации σ векторный сдвиг частоты будет положителен для поляризации σ векторный сдвиг частоты будет отрицателен.  Циркулярно поляризованное излучение при работе радиоспектроскопа в режиме С получается за счет установки циркулярного поляризатора на выходе источника накачки, что приводит к ослаблению в два раза интенсивности проходящего света без изменения спектра накачки. [У.Шерклиф Поляризованный свет.- Из-во Мир .- М. 1965, 264с]..
Радиочастотная катушка, состоящая из первой и второй секций, позволяет принципиально исключить погрешности измерений, связанные с эффектом Блоха-Зигерта, [Л.Н.Новиков, Г.В.Скроцкий, Нелинейные и параметрические эффекты в атомной радиоспектроскопии,- УФН, 1978, том 125, вып.3, стр. 449-488].
Использование второго опорного генератора со схемой автоподстройки позволяет получить информацию о величине постоянного магнитного поля по частоте магнитного резонанса, которая не подвержена возмущениям, связанным с скалярным и тензорным световым сдвигом. Это дает возможность определить величину эффективного магнитного поля, проявляемого в векторной компоненте светового сдвига частоты радиооптического резонанса.
Преобразователь частоты выполняет функцию преобразования наблюдаемых сигналов, необходимую для обработки информации об измеряемой величине компонент светового сдвига.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображены:
Фиг. 1 - схема предлагаемой полезной модели рубидиевого радиоспектрометра  на газовой ячейке с оптической накачкой, где 1 - магнитный экран;  2  – первая катушка магнитной системы; 3 – вторая катушка магнитной системы; 4 -  блок питания магнитной системы; 5 -  источник накачки; 6 - камера поглощения; 7 – фотодетектор;  8 -  рупорная антенна; 9 - схема  автоподстройки первого опорного генератора; 10 - переключатель, 11 – первая секция радиочастотной катушки, 12 – вторая секция радиочастотной катушки, 13 - схема автоподстройки второго опорного генератора, 14 - девяностоградусный - фазовращатель, 15 - преобразователь частоты, 16 - измерительный блок.
Фиг. 2 – энергетический спектр атомов щелочного металла c ядерным спином 3/2 для электродипольного перехода Д2 линии головного дублета. в слабом постоянном магнитном поле, где
0
g
F
g
F
ν – частота магнитонезависимого перехода  (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0) между магнитными подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атомов;
1
0
g
F
g
F
ν  = ν + 3aH  -  зависящая от напряженности H магнитного поля частота перехода  (F =2, m=2 ↔ F =1, m=1) между магнитными подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атомов;
2
0
g
F
g
F
ν = ν - 3aH  – зависящая от напряженности H магнитного поля частота перехода  (F =2, m=-2 ↔ F =1 , m=-1)    между магнитными подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атомов;
ω - частота Лармора, зависящая от напряженности H внешнего магнитного поля по закону ω = аН , где  а – коэффициент пропорциональности.
Фиг.3. - схема световых сдвигов энергетических подуровней в сверхтонкой структуре щелочного атома с ядерным спином    3/2, где
0
1/2
3/2
δE  - энергетический сдвиг частоты оптического перехода     S  ↔ P ;
0
A I J - оператор    сверхтонкого     взаимодействия,     (А  -  его   постоянная,  I   и    J - соответственно   операторы   ядерного   и   электронного   угловых  моментов), определяющий скалярный световой сдвиг частоты ∆ν ;
μ δH  - оператор взаимодействия магнитного дипольного момента μ атома    c напряженностью δH эффективного магнитного поля, наводимым в среде циркулярно поляризованным излучением накачки (явление, известное как обратный эффект Фарадея);
Т
δE* – тензорная компонента оператора светового сдвига, связанная с так называемым эффектом выстраивания атомов щелочного металла в основном состоянии, определяющая тензорную компоненту ∆ν светового сдвига частоты.
Радиоспектрометр с оптической накачкой в частном случае реализации   содержит (фиг.1) магнитный экран 1, магнитную систему в виде первой катушки 2 и второй катушки 3  с блоком 4 питания  для создания однородного магнитного поля, оптический тракт с последовательно размещенными источником 5 накачки, камерой 6 поглощения и фотодетектором 7, рупорную антенну 8, подключенную к первому выходу схемы 9 автоподстройки первого опорного генератора, вход которой подключен к фотодетектору 7. Ось первой катушки 2 магнитной системы совпадает с осью оптического тракта,  ось второй катушки 3 магнитной системы ориентирована по отношению к оси первой катушки 2 под углом 90°. Первая катушка 2 и вторая катушка 3 магнитной системы подключены к блоку питания 4 через переключатель 10. Камера 6 поглощения охвачена радиочастотной катушкой, состоящей из первой 11 и второй 12 секций, оси которых взаимно перпендикулярны и ориентированы под углом 90° по отношению к оси оптического тракта.  Выход фотодетектора 7 присоединен к входу схемы 13 автоподстройки второго опорного генератора, первый  выход которой  подключен к первой секции 11 радиочастотной катушки, а второй присоединен через девяностоградусный фазовращатель 14 ко второй секции 12 радиочастотной катушки, при этом второй выход схемы 9 автоподстройки первого опорного генератора через преобразователь 15 частоты  подключен к первому входу измерительного блока 16, второй вход которого присоединен к третьему выходу схемы 13 автоподстройки второго опорного генератора.
В качестве переключателя 10 может быть использована стандартная цифровая микросхема – мультиплексор К561КП1, обеспечивающая как раздельное включение первой катушки 2 и второй катушки 3, так и инверсию направления постоянного тока в этих катушках 2, 3.
В качестве измерительного блока 16 может быть использован персональный компьютер с соответствующим программным обеспечением алгоритма измерений компонент светового сдвига.
1
0
g
F
g
F
В преобразователе 15 частоты осуществляется операция вычитания частоты fСВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 накачки и известной частоты ν магнитонезависимого перехода  (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0) между магнитными подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атомов. Эта операция может быть выполнена с помощью персонального компьютера.
Источник 5 накачки может быть выполнен (на фиг. не показан) в виде последовательно размещенных спектральной лампы с изотопом рубидий-87 и камеры фильтра с изотопом рубидий-85 либо в виде лазера, настроенного на электродипольный переход атомов в камере поглощения, с возможностью подключения на его выходе циркулярного поляризатора, состоящего из последовательно соединенных линейного поляризатора и четверть волновой пластинки, преобразующей его поляризацию из линейной в циркулярную. Для изменения интенсивности излучения в источнике накачки может быть предусмотрен нейтральный фильтр. В качестве нейтрального фильтра, уменьшающего интенсивность излучения в два раза, можно использовать циркулярный поляризатор, достаточно развернуть его вокруг своей оси на 180°, свет накачки будет линейно поляризован и ослаблен по интенсивности вдвое.
1
Cхемы 9, 13 автоподстройки первого и второго опорных генераторов могут быть выполнены на основе ординарной схемы синхронного детектирования сигнала ошибки, практикуемой в технике образцовых мер частоты [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, 304 с.]. При этом схема 9 может включать известные схемы умножения и синтезирования частоты с целью преобразования частоты первого опорного генератора так, чтобы на выходе рупорной антенны 8 формировался СВЧ сигнал на частоте f,
В качестве девяностоградусногофазовращателя 14 может быть использована мостовая схема на полевом транзисторе КП103, сопротивление которого меняется в зависимости от управляющего сигнала.
В частном случае реализации при ориентации оси второй катушки под углом 90°к первой катушке радиоспектрометр работает следующим образом.
g
В режиме работы А в частном случае использования лампового источника накачки в виде последовательно размещенных спектральной лампы с изотопом рубидий-87 и камеры фильтра с изотопом рубидий-85 излучение поступает в камеру 6 поглощения с атомами рабочего вещества, взаимодействие с которыми приводит к накоплению атомов рубидия-87 в состоянии сверхтонкой структуры с полным моментом атома F =2  (см. фиг.2)
1
1
В соответствии со схемой на фиг.2 магнитное расщепление энергетических подуровней атомов рубидия осуществляется с помощью приложения постоянного магнитного поля напряженностью Н, создаваемого магнитной системой в виде первой катушки 2 и второй катушки 3. Переключатель 10 осуществляет раздельное включение первой катушки 2 и второй катушки 3. В случае включения первой катушки 2 (режим А) ее рабочее магнитное поле направлено вдоль оси оптического тракта. В случае включения второй катушки 3 (режим В) - рабочее магнитное поле ориентировано к этой оси под углом 90°. На рупорную антенну 8 поступает СВЧ сигнал с первого выхода схемы 9 автоподстройки первого опорного генератора, настроенной на частоту СВЧ поля f. работа схемы 9 автоподстройки первого опорного генератора основана на стандартной методике синхронного детектирования [Ф.Риле Стандарты частоты. Принципы и приложения// Пер. с англ.- М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009.-512 С.], согласно которой частота первого опорного генератора в схеме 9 его автоподстройки  модулируется с низкой звуковой частотой модуляции . При этом в условиях радиооптического резонанса на частоте f прозрачность камеры 6 поглощения будет изменяться синхронно с частотой модуляции , и это изменение фиксируется приемным фотодетектором 7. С выхода фотодетектора 7 сигнал модуляции поступает на вход схемы 9 автоподстройки первого опорного генератора, в которой выделяется сигнал на частоте модуляции .
При работе радиоспектрометра в режиме А на выходе преобразователя 15 частоты формируется сигнал, частота которого равна:
1
1
0
ν = f - ν,                                                   (1),  где:
1
0
0
Т
f = ν + ∆ν -2∆ν                                         (2), где
1
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0);
1
f – частота СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 при работе радиоспектроскопа в режиме А;
0
g
F
g
F
ν- частота магнитонезависимого перехода  (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0) между магнитными подуровнями сверхтонкой структуры основного состояния атомов;
0
∆ν  - скалярная компонента светового сдвига частоты;
Т
∆ν - тензорная компонента светового сдвига частоты.
При работе радиоспектрометра в режиме В с полной интенсивностью накачки на выходе преобразователя 15 частоты формируется сигнал, частота которого равна:
2
2
0
ν = f - ν,                                                   (3),  где:
2
0
0
Т
f = ν + ∆ν + ∆ν                                         (4), где
2
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0);
2
f – частота СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 при работе радиоспектроскопа в режиме В;
0
∆ν  - скалярная компонента светового сдвига частоты;
Т
∆ν - тензорная компонента светового сдвига частоты.
Различие в величине и знаке тензорной компоненты светового сдвига в выражениях  (3) и (4) связано с упомянутй ранее ориентационной зависимостью тензорной компоненты от угла θ.
Далее ослабляют интенсивность накачки, например, в два раза подключением нейтрального фильтра, тогда вследствие линейной связи между величиной светового сдвига частоты и интенсивности света на выходе преобразователя 15 частоты формируется сигнал, частота которого равна:
3
3
0
ν = f - ν,                                                               (5),  где:
3
0
0
Т
f = ν + 0,5∆ν +0,5∆ν                                         (6), где
3
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0);
3
f – частота СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 при работе радиоспектроскопа в режиме В при ослабленной в два раза интенсивности света накачки.
1
2
3
В измерительном блоке 16 осуществляется обработка последовательно поступающих с преобразователя 15 сигналов ν, ν, νи измерение скалярной и тензорной компонент светового сдвига частоты радиооптического резонанса в соответствии с выражениями:
Т
2
1
∆ν    =  (ν- ν)/3                           (7),
0
2
3
1
2
∆ν   =  2(ν- ν) + (ν- ν)/3                     (8),   где
Т
∆ν -тензорная компонента светового сдвига частоты;
1
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0) при работе радиоспектроскопа в режиме А;
2
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0 при работе радиоспектроскопа в режиме В;
0
∆ν - скалярная компонента светового сдвига частоты;
3
0
g
F
g
F
ν -  разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0) при ослаблении интенсивности накачки в два раза при работе радиоспектроскопа в режиме В.
g
F
g
F
+
-
В режиме работы С в частном случае использования лампового источника 5 накачки в виде последовательно размещенных спектральной лампы с изотопом рубидий-87, и камеры фильтра с изотопом рубидий-85 на выходе источника 5 накачки подключают циркулярный поляризатор. Циркулярно поляризованное излучение поступает в камеру 6 поглощения с атомами рабочего вещества, взаимодействие с которыми приводит к неравновесному перераспределению атомов рубидия-87 в основном состоянии сверхтонкой структуры (см. фиг.2). При этом атомы рубидия-87 преимущественно заселяют магнитный подуровень с F =2,  m=2  (при поляризации света накачки σ), либо с F =2 m=-2 (при поляризации света накачки σ).
В режиме работы С в первую секцию 11 и через девяностоградусный фазовращатель 14 во вторую секцию 12 радиочастотной катушки поступает низкочастотный сигнал соответственно с первого и второго выходов схемы 13 автоподстройки второго опорного генератора. Действие на атомы рабочего вещества переменного магнитного поля, создаваемого секциями 11, 12 радиочастотной катушки, выравнивает населенности магнитных подуровней, что приводит к изменению интенсивности проходящего через камеру 6 поглощения интенсивности света.
+
В режиме работы С осуществляют инверсию рабочего магнитного поля, что позволяет изменить знак циркулярной поляризации света накачки и частоту циркулярно поляризованного радиочастотного поля, создаваемого первой 11 и второй 12 секциями радиочастотной катушки. Так, при поляризации света накачки   σ  частота переменного поля радиочастотной катушки будет равна
1
ω = а (Н + δH)                                              (9)
-
при поляризации света накачки   σ  частота переменного поля радиочастотной катушки будет равна
2
ω= а (Н - δH)                                               (10) , где
1
+
ω-  частота циркулярно поляризованного НЧ радиополя при σполяризации света накачки при работе радиоспектроскопа в режиме А;
2
-
ω- частота циркулярно поляризованного НЧ радиополя при σполяризации света накачки при работе радиоспектроскопа в режиме А;
а – коэффициент пропорциональности;
H – напряженность магнитного поля;
δH – напряженность эффективного магнитного поля.
0
Циркулярная поляризация НЧ радиополя обеспечивается с помощью девяностоградусного фазовращателя 14, вносящего 90фазовый сдвиг частоты НЧ радиополя, создаваемого второй секцией 12 радиочастотной катушки, по отношению к НЧ радиополю, создаваемому первой секцией 11 радиочастотной катушки.
2
+
2
-
1
2
Схемное исполнение радиочастотной катушки в виде первой и второй секций 11 и 12, оси которых взаимно перпендикулярны, позволяет с помощью девяностоградусного фазовращателя 14 индуцировать в зоне размещения камеры 6 поглощения  переменное радиополе с круговой поляризацией магнитной составляющей. Это дает возможность исключить погрешности радиоспектрометра, связанные с эффектом Блоха-Зигерта, который вызывает сдвиг частоты магнитного резонанса под действием нерезонансной компоненты в условиях использования линейно поляризованного радиополя [Л.Н.Новиков, Г.В.Скроцкий, Нелинейные и параметрические эффекты в атомной радиоспектроскопии,- УФН, 1978, том 125, вып.3, стр. 449-488]. Относительная величина этого сдвига пропорциональна отношению [/2ω] при σполяризации света накачки,  (либо [/2ω] при σ поляризации света накачки) где - выраженная в единицах частоты амплитуда радиополя. На практике в квантовых устройствах амплитуду  радиополя подбирают сравнимой с шириной линии атомов рабочего вещества. Так, например, ширина неразрешенного контура линии поглощения атомов цезия достигает величины несколько сотен герц.  При таких параметрах рабочего вещества в прототипе, используемом в качестве магнитометра, его относительная погрешность измерения магнитного поля напряженностью 0,01 Э составляет 0,3%, что на несколько порядков превышает измерительную погрешность того же магнитометра, работающего в геомагнитном поле (~0,5 Э).
1
2
+
-
работа схемы 13 автоподстройки второго опорного генератора основана на той же методике синхронного детектирования, которая применяется в схеме 9 автоподстройки первого опорного генератора. Частота второго опорного генератора в схеме 13 его автоподстройки модулируется с низкой звуковой частотой . При этом прозрачность камеры 6 поглощения изменяется синхронно с частотой модуляции , что приводит к появлению сигнала на входе  приемного фотодетектора 7.  С выхода приемного фотодетектора 7 сигнал модуляции поступает на вход схемы 13 автоподстройки второго опорного генератора, в которой выделяется сигнал на частоте , обеспечивающий подстройку этого опорного генератора на частоту ω  при σ поляризации света накачки, либо  ω при σполяризации света накачки.
Сигнал со второго выхода схемы 13 поступает на вход девяностоградусного фазовращателя 14, на выходе которого формируется переменное напряжение, сдвинутое по фазе на 90 градусов по отношению к переменному напряжению на его входе. Переменное напряжение с выхода девяностоградусногофазовращателя 14 создает во второй секции 12 радиочастотной катушки переменное радиочастотное поле, сдвинутое по фазе на 90 градусов по отношению к переменному радиочастотному полю, создаваемому в первой секции 11 радиочастотной катушки с помощью переменного напряжения, поступающего с первого выхода схемы 13 автоподстройки второго опорного генератора.
1
2
+
-
С третьего выхода схемы 13 автоподстройки второго опорного генератора сигналы с частотой ω при σполяризации света и сигналы с частотой ω при σ поляризации света накачки (при инверсии рабочего магнитного поля)последовательно поступают на второй вход измерительного блока 16, в котором осуществляется обработка поступающих сигналов и измерение компонент светового сдвига частоты радиооптического резонанса.
В
В соответствии с выражениями (9), (10) после компьютерной обработки входных сигналов в измерительном блоке 16 на его выход поступает информация о векторной компоненте ∆ν   светового сдвига, определяемой через напряженность эффективного магнитного поля в единицах частоты следующим образом:
В
1
2
∆ν   = а δH= (ω - ω)/2                 (11) ,  где
1
+
ω- частота циркулярно поляризованного НЧ радиополя при σполяризации света накачки при работе радиоспектроскопа в режиме С;
2
-
ω -  частота циркулярно поляризованного НЧ радиополя при σполяризации света накачки при работе радиоспектроскопа в режиме С.
Приведенные формулы (7), (8), (11) позволяют определить различные компоненты светового сдвига частоты радиооптического резонанса, влияющие на метрологические характеристики атомных стандартов частоты и квантовых магнитометров с оптической накачкой, составной частью которых может служить заявляемое устройство.
В частном случае реализации устройства при угле θ, тангенс которого равен , тензорная компонента светового сдвига равна нулю.
Тогда при работе радиоспектрометра в режиме Вна выходе преобразователя 15 частоты формируется сигнал, частота которого равна:
4
4
0
ν = f - ν,                                                   (12),  где:
4
0
0
f  = ν + ∆ν                                                 (13), где
4
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0);
4
f– частота СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 при работе радиоспектроскопа в режиме В;
0
∆ν  - скалярная компонента светового сдвига частоты;
Далее ослабляют интенсивность накачки, например, в два раза, тогда вследствие линейной связи между величиной светового сдвига частоты и интенсивности света на выходе преобразователя 15 частоты формируется сигнал, частота которого равна:
5
5
0
ν = f - ν,                                                               (14),  где:
5
0
0
f = ν + 0,5∆ν                                                     (15), где
5
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0);
5
f – частота СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 при работе радиоспектроскопа в режиме В при ослабленной в два раза интенсивности света накачки.
4
5
В измерительном блоке 16 осуществляется обработка поступающих сигналовν и νи измерение скалярной и тензорной компонент светового сдвига частоты радиооптического резонанса в соответствии с выражениями:
0
4
5
∆ν    =  2(ν- ν)                           (16),
Т
5
4
1
∆ν   =  ν- ν + ν/2                 (17),   где
0
∆ν - скалярная компонента светового сдвига частоты;
Т
∆ν -тензорная компонента светового сдвига частоты;
1
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0) при работе радиоспектроскопа в режиме А;
4
0
g
F
g
F
ν - разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0 при работе радиоспектроскопа в режиме В;
5
0
g
F
g
F
ν -  разность частот СВЧ поля на выходе рупорной антенны 8 и известной частоты ν магнитонезависимого перехода (F =2, m=0 ↔ F =1, m=0) при ослаблении интенсивности накачки в два раза при работе радиоспектроскопа в режиме В.
0
2
0
Экспериментальная проверка работоспособности предлагаемого радиоспектрометра была реализована на опытном образце, содержащем магнитный экран, магнитную систему с блоком питания, оптический тракт с последовательно размещенными источником накачки в виде последовательно размещенных спектральной лампы с изотопом рубидий-87 и камеры фильтра с изотопом рубидий-85, камерой поглощения и фотодетектором. При этом использовались первый и второй опорные генераторы со схемами автоподстройки, магнитная система была выполнена в виде двух катушек, оси которых были ориентированы под углом θ = 90.  Схема возбуждения СВЧ поля была выполнена в виде рупорной антенны, размещенной вблизи камеры поглощения. В соответствии с описанием работы предлагаемого устройства в эксперименте измерялся тензорный сдвиг частоты путем фиксирования сдвига частоты СВЧ резонанса на 0-0 переходе при последовательном включении катушек магнитной системы, скалярный сдвиг частоты измерялся по сдвигу частоты СВЧ резонанса на 0-0 переходе, фиксируемом при 50% ослаблении интенсивности света накачки, векторная компонента светового сдвига измерялась по изменению частоты второго опорного генератора при инверсии магнитного поля в катушке магнитной системы, ось которой совпадала с осью оптического тракта установки.  В результате в пределах относительной измерительной погрешности 10% были определены следующие значения компонент светового сдвига для интенсивности лампового источника накачки 100 мкВт/см  и температуре камеры фильтра  50С
Т
Тензорная компонента ∆ν   =  - 7 Гц.
0
Скалярная компонента   ∆ν = 18 Гц.
В
Векторная компонента   ∆ν   =  18 Гц.
Расчетные значения указанных компонент, определенные на основе математического аппарата работы [W.Happer, B.S.Mathur, Effective operator formalism in optical pumping,   Phys. Rev.- 1967.- v163.- №1, P.12-25] в пределах измерительной погрешности 10%  совпали с экспериментальными данными.
Таким образом, можно констатировать, что определенные с помощью заявленного радиоспектроскопа компоненты светового сдвига частоты радиооптического резонанса в атомах щелочных металлов полностью совпадают с их расчетными значениями.
Приведенные значения компонент светового сдвига позволяют вычислить их суммарную величину, наблюдаемую в реальном эксперименте вследствие одновременности действия этих компонент.
+
при σ поляризации света накачки
- 7 Гц. + 18 Гц +  18 Гц,  = 29 Гц,
-
при σ поляризации света накачки
- 7 Гц. + 18 Гц -  18 Гц,  = -7 Гц.
Из приведенных оценок видно, что абсолютные значения суммарного  светового сдвига частоты различаются в зависимости от направления поляризации света накачки примерно в четыре раза.
-
Поскольку вариации светового сдвига частоты непосредственно зависят от его абсолютной величины, при поляризации   σ обеспечивается более высокая относительная стабильность измеряемой частоты, что соответствует оптимальному режиму оптической накачки в предлагаемом радиоспектрометре.
Предлагаемая полезная модель радиоспектрометра с оптической накачкой, способная измерять различные компоненты светового сдвига частоты радиооптического резонанса в атомах щелочных металлов может быть использована для определения оптимальных режимов оптической накачки, позволяющих свести к минимуму негативное влияние светового сдвига на метрологические характеристики квантового устройства.