Сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты

Полезная модель относится к квантовым стандартам частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КСЧ-КПН), устройствам для генерирования гармонических электрических сигналов с высокой стабильностью частоты, и может быть использована в электронных приборах в качестве задающего генератора мегагерцового диапазона.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания сверхминиатюрного квантового стандарта частоты, обладающего высокой стабильностью сигнала частотой 10 МГц на выходе устройства при сохранении его малых габаритов и малого энергопотребления.
87
Поставленная задача решается тем, что предлагается сверхминиатюрный квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенностей, содержащий квантовый дискриминатор, кварцевый генератор и электронную систему управления, при этом квантовый дискриминатор содержит последовательно расположенные в оптической схеме диодный лазер с вертикальным резонатором, коллимирующую линзу, фазовую четвертьволновую пластинку для получения циркулярно поляризованного лазерного поля, стеклянную ячейку с парами щелочного металла Rb, снабженную системой термостабилизации и магнитного экранирования, включающую, по меньшей мере, пару цилиндрических магнитных экранов, расположенных концентрично вокруг ячейки квантового дискриминатора таким образом, что внутренний магнитный экран окружает ячейку, а внешний магнитный экран окружает внутренний магнитный экран, причем названные магнитные экраны расположены с зазором между ними, в котором создан вакуум или который заполнен инертным газом, причем каждый экран снабжен плотно установленными торцевыми крышками, в которых соосно выполнены сквозные отверстия для ввода в ячейку и вывода из нее лазерного излучения, причем с внешней стороны торцевых крышек внешнего экрана расположены окна, плотно закрывающие отверстия указанных крышек, при этом внутренний магнитный экран снабжен средством нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки, расположенным на его внешней поверхности, обращенной к внутренней поверхности внешнего экрана, при этом внутри внутреннего экрана также установлены два соленоида для создания однородного магнитного поля в области стеклянной ячейки.
Температура внутреннего магнитного экрана стабилизируется с помощью двух транзисторных нагревателей и двух термодатчиков, расположенных на внешней стороне внутреннего экрана.
Электронная система управления с помощью синтезатора сверхвысокой частоты и лазера с вертикальным резонатором обеспечивает стабилизацию частоты кварцевого генератора относительно частоты резонанса когерентного пленения населенностей в атомах рубидия.
Электронная система управления задает оптимальный температурный режим работы лазера и стеклянной ячейки, а также обеспечивает стабильность этого режима.
0
На Фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемой полезной модели. Источник тока и внутренняя система термостабилизации лазера обеспечивают работу лазера в требуемом режиме в отношении выходной оптической мощности и длины волны излучения. К этому току посредством сумматора (Bias-T) подмешивается гармонический сигнал с СВЧ частотой от синтезатора, благодаря чему в оптическом спектре генерации лазера возникают дополнительные частоты: несущая частота и боковые полосы ("сайдбенды"). Межчастотное расстояние совпадает с частотой СВЧ синтезатора и равно ƒ. Затем многочастотное расходящееся излучение лазера коллимируется линзой и направляется на фазовую четвертьволновую пластинку (λ/4), которая преобразует линейную поляризацию излучения в циркулярную. Нелинейный резонанс КПН наблюдается в сигнале на фотодетекторе (ФД) при совпадении разности частот 2ƒ между двумя сайдбендами порядков +1 и -1 с частотой ƒ сверхтонкого расщепления основного состояния в атоме рубидия-87 (с учетом сдвига этой частоты из-за различных физических факторов). В области рубидиевой ячейки создается постоянное магнитное поле, направленное вдоль волнового вектора лазерного излучения для расщепления подуровней основного состояния в атоме и исключения КПН резонансов, которые обладают высокой (линейной) чувствительностью к внешнему магнитному полю. Таким образом, наблюдаемый на ФД реперный КПН резонанс соответствует двухфотонному переходу между магнитными подуровнями, характеризуемыми магнитными квантовыми числами m=0 («0-0» переход). Этот переход малочувствителен к вариациям внешнего магнитного поля, что является необходимым условием для достижения высокой долговременной стабильности КСЧ. Кроме того, для улучшения стабильности частоты КСЧ-КПН необходима стабилизация оптической частоты генерации лазера, которая осуществляется по резонансам однофотонного поглощения света в стеклянной ячейке с парами рубидия. Система стабилизации оптической частоты использует для этого модуляцию тока лазера на частоте 15.7 кГц и последующую фильтрацию этого сигнала из общего сигнала с фотодетектора с помощью узкополосного фильтра. Система стабилизации частоты СВЧ синтезатора и задающего кварцевого генератора также использует модуляцию тока, поступающего от СВЧ синтезатора в лазер через сумматор. Эта частота, которая равна 9.4 кГц, фильтруется из общего сигнала от фотодетектора для формирования сигнала ошибки и последующей подстройки частоты кварцевого генератора. Для создания нужного уровня поглощения оптического излучения в стеклянной рубидиевой ячейке необходимо поддерживать определенную температуру паров. Это достигается нагревом стенок внутреннего магнитного экрана с помощью двух термотранзисторов, расположенных по обе стороны экрана для уменьшения температурного градиента по экрану и лучшему прогреву области ячейки. На одной плате с транзисторами располагаются термодатчики для измерения фактической температуры экрана. Расположение термодатчиков и термотранзисторов снаружи внутреннего магнитного экрана уменьшает влияние паразитных магнитных полей от этих элементов на положение реперного КПН резонанса и стабильность частоты КСЧ. Для уменьшения влияния вариаций столкновительного сдвига частоты КПН резонанса термоконтроль паров рубидия в ячейке осуществляется с низкой погрешностью на уровне 1 мК. Равномерный прогрев стеклянной ячейки может привести к кристаллизации металлического рубидия в нежелательной области поверхности ячейки, где проходит световой луч. Для устранения этой возможности к отростку ячейки, содержащему частицы металлического рубидия, подведен медный хладопровод, подключенный другим концом к элементу Пельтье. Этот элемент также вынесен за область внутреннего магнитного экрана и служит для создания требуемого градиента температур по стенкам ячейки таким образом, чтобы минимальная температура соответствовала отростку ячейки. Такое решение исключает возможность кристаллизации паров атомов рубидия на стенках ячейки в месте прохождения лазерного луча, что могло бы ухудшить долговременную стабильность КСЧ вследствие дрейфа оптической мощности излучения в ячейке и связанного с этим динамического штарковского сдвига положения КПН резонанса.
87
0
0
На Фиг. 2 приведен типичный КПН резонанс, наблюдаемый на фотодетекторе при сканировании частоты СВЧ синтезатора. На рисунке по оси абсцисс отложена отстройка удвоенной частоты СВЧ синтезатора (2ƒ) от частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома Rb (ƒ ≈ 6.8 ГГц). Вблизи нулевой отстройки δ=2ƒ-ƒ наблюдается резонанс КПН с полушириной Г менее 1 кГц и амплитудой на фотодетекторе на уровне 1 В.
87
Необходимо отметить, что стеклянная ячейка с парами щелочного металла Rb снабжена системой термостабилизации и магнитного экранирования. Указанная система включает в себя два цилиндрических магнитных экрана, размещенных концентрично, один внутри другого, с зазором между ними. Оба магнитных экрана снабжены плотно установленными торцевыми крышками, в которых соосно выполнены сквозные отверстия для ввода в ячейку и вывода из нее лазерного излучения. Для создания герметичного замкнутого объема внутри указанной системы, с внешней стороны торцевых крышек внешнего экрана расположены окна, плотно закрывающие отверстия указанных крышек. В герметичном объеме создается вакуум или он заполняется инертным газом. Средство нагрева и термостабилизации поглощающей ячейки расположено на внешней части внутреннего магнитного экрана.
Отличительной особенностью представленной полезной модели является конструкция, составленная из магнитного экрана и нагревательных элементов и датчиков температуры, расположенных на внешней стороне экрана. Кроме того, для предотвращения нежелательной кристаллизации атомов на стенках ячейки реализован градиент температур с помощью медного хладопровода, соединяющего отросток ячейки, содержащий атомы металла, с элементом Пельтье, расположенным вне магнитного экрана. Традиционно нагревательные элементы для нагрева и термостабилизации ячейки с атомами (Rb или Cs) в миниатюрных стандартах частоты помещены внутрь магнитных экранов, что может привести к дополнительной нестабильности частоты стандарта из-за паразитных магнитных полей и связанных с ними сдвигами частоты микроволнового перехода в атомах.
В частности, в образце атомных часов "NAC" от израильской компании "AccuBeat" нагрев ячейки происходит за счет нагрева покрытия, нанесенного на саму ячейку (см. Рис. 5 в работе [Prazot S., Stern A., Israel W., Marmor S., Levi C., Yevilevich I., Arad U., Man R., Levi B. The Medium and Long Term Stability of the NAC Atomic Clock // Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS). 2017. IEEE Xplore. DOI: 10.1109/FCS.2017.8088834]). В других коммерческих продуктах от американской компании "Microsemi" ("Simmetricom") нагревательные элементы помещена на одну из граней стеклянной ячейки, т.е. внутри магнитных экранов и в непосредственной близости от области лазерной спектроскопии (Рис. 1 в [R. Lutwak, P. Vlitas, М. Varghese, М. Mescher, D.K. Serkland, G.M. Peake. The MAC - A Miniature Atomic Clock // Proceedings of the IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition. 2005. IEEE Xplore. DOI: 10.1109/FREQ.2005.1574029]). В передовой разработке французской компании все основные элементы, включая лазер, пластинку λ/4 и нагреватели, помещены внутрь магнитного экрана (см. Рис. 1 и Рис. 2а в работе [R. Vicarini, М. Abdel Hafiz, V. Maurice, N. Passilly, E. Kroemer, L. Ribetto, V. Gaff, C. Gorecki, S. Galliou, R. Boudot. Mitigation of temperature-induced light-shift effects in miniaturized atomic clocks // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. 2019. Vol. 66. No. 12. P. 1962-1967. DOI: 10.1109/TUFFC.2019.2933051]). В новой разработке группы японских компаний и университета, представленной в работе [Н. Zhang, Н. Herdian, А.Т. Narayanan, A. Shirane, М. Suzuki, K. Harasaka, K. Adachi, S. Goka, S. Yanagimachi, K. Okada. ULPAC: A Miniaturized Ultralow-Power Atomic Clock // IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2019. Vol. 54. No. 11. P. 3135-3148. DOI: 10.1109/JSSC.2019.2941004], нагреватель и термистор расположены в непосредственной близости от лазерного диода и в некотором удалении от стеклянной ячейки. Однако и в этой конструкции эти элементы не разделены магнитным экраном. Кроме того, не реализован контролируемый градиент температуры вдоль ячейки для предотвращения кристаллизации атомов на стенках.