УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОМ УЛЬТРАСТАБИЛЬНЫХ ОПОРНЫХ СИГНАЛОВ ЧАСТОТЫ

Устройство относится к автоматизированным системам управления технологическими процессами и предназначено для контроля и управления генератором ультрастабильных опорных сигналов частоты.
Известно техническое решение, используемое для автоматического управления лазерной системой для оптического стандарта частоты на ионах Стронция-88 (описанный в статье: doi:10.1088/0957-0233/23/5/055201), при помощи которого реализовано автоматическое управление лазерной системой, состоящей из четырех лазеров оптического ионного стандарта частоты. Благодаря этому способу происходит автоматическое управление четырьмя лазерами при помощи персонального компьютера с установленным программным обеспечением.
Недостатком этого способа является то, что в системе, использующей данный способ автоматически управляются только лазерные системы, а для настройки остальных компонентов оптического ионного стандарта требуется обслуживающий персонал.
Известно устройство [RU 75791, U1, H01S 3/00, 20.08.2008], содержащее лазер и пульт оператора, связанные с общей магистралью, соответственно, через устройство ввода-вывода и последовательный интерфейс, а также центральный процессор, постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство, соединенные с общей магистралью напрямую, а также блок обработки аварийных ситуаций, состоящий из одновибратора, двух формирователей, триггера и логических элементов 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ, 2ИЛИ и 3ИЛИ, при этом, с общей магистралью соединен вход одновибратора и первый вход элемента 2И-НЕ, первый вход элемента 2ИЛИ-НЕ и три входа элемента 3ИЛИ, а также выход триггера, выход первого формирователя, выход элемента 3ИЛИ и выход элемента 2ИЛИ, причем, выход одновибратора соединен со вторым входом элемента 2И-НЕ, выход которого связан с входом второго формирователя и с входом триггера, второй вход которого соединен с выходом элемента 2ИЛИ-НЕ, а выход - со входом первого формирователя, при этом выход элемента 3ИЛИ связан со вторым входом элемента 2ИЛИ-НЕ и с первым входом элемента 2ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом второго формирователя.
Недостатком этого устройства является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно не выполняет ряд функций, являющихся важными для контроля и управления оптическим генератором стандарта частоты.
Кроме того, известно устройство [RU 186569, U1, H01S 3/00, 24.01.2019], выполненное по электрической схеме управления током лазера для формирования заданной формы сигнала, содержащий конвертер постоянного тока, подключенный к внешнему источнику питания постоянного тока, при этом, в цепь от конвертера к источнику питания параллельно включена пара конденсаторов, причем к положительному выводу источника питания последовательно подключена катушка индуктивности, а выходы конвертера постоянного тока соединены с цепочкой модуляции конвертированного тока питания, выполненной в виде параллельно соединенных двух пар конденсаторов и последовательно включенной между парами конденсаторов активной нагрузке, причем, один выход цепочки модуляции конвертированного тока питания заземлен, а второй выход цепочки модуляции конвертированного тока питания подключен к трем веткам, а именно, ко входу повторителя напряжения, который подключен к земле через последовательно подключенный конденсатор, ко входу сдвоенного операционного усилителя, который также подключен к земле через последовательно подключенный конденсатор, к коллектору транзистора Дарлингтона, при этом, модуль содержит цепь управления тока лазером, состоящую из входного делителя напряжения, выполненного в виде последовательно подключенной нагрузки и параллельно подключенной нагрузки, и конденсатора, повторителя напряжения, сдвоенного усилителя напряжения и транзистора Дарлингтона, один выход входного делителя напряжения соединен со вторым входом повторителя напряжения, а второй выход делителя напряжения заземлен, третий вход повторителя напряжения замкнут на выход повторителя напряжения, второй выход повторителя напряжения заземлен, и выход повторителя напряжения соединен со первым входом сдвоенного усилителя напряжения через последовательно подключенную нагрузку, при этом выход сдвоенного усилителя напряжения соединен с базой транзистора Дарлингтона, эмиттер которого соединен через последовательно подключенную нагрузку с выключателем и с первым входом повторителя напряжения, второй вход которого замкнут на выход упомянутого повторителя напряжения, а выход повторителя напряжения через последовательно подключенную нагрузку соединен со входом сдвоенного операционного усилителя, при этом второй выход сдвоенного усилителя операционного усилителя заземлен, а третий вход заземлен и подключен через последовательную соединенную нагрузку с выключателем через последовательно соединенную пару нагрузки.
Недостатком этого устройства также является относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно не выполняет ряд функций, являющихся важными для контроля и управления оптическим генератором стандарта частоты.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство контроля и управления оптическим генератором стандарта частоты [G Р Barwood, Р Gill, G Huang and Н A Klein. Automatic laser control for a 88Sr+ optical frequency standard. Measurement Science and Technology. 23 (2012) 055201, pp 1-9 (doi:10.1088/0957-0233/23/5/055201)], при помощи которого реализовано автоматическое управление лазерной системой, состоящей из четырех лазеров оптического ионного стандарта частоты при помощи персонального компьютера с установленным программным обеспечением, при этом, устройство содержит измеритель длины волны излучения генератора и блок сравнения частоты лазерного излучения с реперной частотой, входы которых соединены с выходами лазерного излучения генератора, а выходы соединены с входами блока контроля длины волны излучения, предназначенного для определения отклонения текущей длины волны излучения генератора от требуемой и выработки сигнала управления для регулировки длины волны генератора и его подаче на вход управления длиной волны генератора через блок управления лазерами, входы-выходы управления которого соединены с управляющими входами-выходами блока программного управления, выполненного в виде персонального компьютера с установленным программным обеспечением.
Это устройство обеспечивает автоматическое управление четырьмя лазерами при помощи персонального компьютера с установленным программным обеспечением.
Недостатком наиболее близкого по технической сущности к предложенному устройства является его относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, хотя оно и обеспечивает автоматическое управление лазерами, но не позволяет настроить и поддерживать в требуемом функциональном состоянии остальные компоненты оптического ионного стандарта и эти функции возлагаются на обслуживающий персонал для ручного управления. В частности, не обеспечивается контроль и выработка сигналов управления для исполнительных устройств оптических генераторов стандартов частоты, поддерживающих, в частности, температуру среды, давление и электрические поля в отдельных его элементах, что является важным для надежной и точной работы генераторов ультрастабильных опорных сигналов частоты.
Это сужает арсенал технических средств, которые могут быть использованы для контроля и управления генераторами ультрастабильных опорных сигналов частоты.
Задачей, которая решается в предложенном техническом решении, является создание устройства контроля и управления генератора ультрастабильных опорных сигналов частоты на основе холодных ионов иттербия с более широкими функциями, по отношению к известным устройствам для обеспечения максимальной автоматизации их настройки и поддержания в рабочем состоянии.
Требуемый технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, которые могут быть использованы для контроля и управления генераторами ультрастабильных опорных сигналов частоты, на основе расширения функциональных возможностей известного устройства.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее измеритель длины волны лазерного излучения и блок сравнения частоты лазерного излучения с реперной частотой, входы которых соединены с выходами лазерного излучения из генератора, а выходы соединены с входами блока контроля длины волны лазерного излучения, предназначенного для определения отклонения текущей длины волны лазерного излучения от требуемой и выработки сигнала управления для регулировки длины волны лазерного излучения и его подаче через блок управления лазерами, выполненного с возможностью соединений его входов-выходов управления с управляющими входами-выходами блока программного управления, на вход управления длиной волны излучения лазера в генераторе, согласно техническому решению, введены блок контроля температуры, вход которого соединен с выходом сигнала датчика температуры внутри генератора, а выход соединен с входом блока управления температурой внутри генератора, выход которого соединен с входом управления температурой внутри генератора, блок контроля давления в ловушке генератора, вход которого соединен с выходом сигнала датчика давления в ловушке генератора, а выход соединен с входом блока управления давлением в ловушке генератора, выход которого соединен с входом управления давлением в ловушке генератора, блок контроля флуоресценции иона в ловушке генератора, вход которого соединен с выходом сигнала датчика флуоресценции иона в ловушке генератора, а выход соединен с входом блока управления электрическим полем ловушки генератора, выход которого соединен с входом управления электрическим полем ловушки генератора, блок контроля сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора, вход которого соединен с выходом измерителя сигнала флуоресценции, вход которого соединен с выходом сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора, а выход соединен с входом управления сигнала флуоресценцией иона в ловушке генератора через блок управления лазерами, блок измерения мощности лазерного излучения, вход которого соединен с выходом лазерного излучения из генератора, а выход соединен через блок контроля мощности лазерного излучения с входом управления мощностью лазерного излучения, а также контроллер микроволновой частоты, вход которого соединен с выходом сигнала датчика микроволновой частоты, а выход - со входом сигнала управления микроволновой частотой генератора, при этом, блок управления температурой генератора, блок контроля давления в ловушке генератора, блок управления электрическим полем ловушки генератора и блок контроля мощности лазерного излучения выполнены с возможностью соединения их входов-выходов управления с управляющими входами-выходами блока программного управления.
Сущность устройства поясняется чертежом, где представлена функциональная схема устройств контроля и управления генератором ультрастабильных опорных сигналов частоты совместно с самим генератором. Блок программного управления, выполненный, в частности, в виде персонального компьютера с установленным программным обеспечением, для упрощения чертежа на нем не показан.
На чертеже обозначены:
1 - измеритель длины волны лазерного излучения;
2 - блок сравнения частоты лазерного излучения с реперной частотой;
3 - блок контроля длины волны лазерного излучения;
4 - блок управления лазерами;
5- блок контроля температуры;
6 - блок управления температурой внутри генератора;
7 - блок контроля давления в ловушке генератора;
8 - блок управления давлением в ловушке генератора;
9 - блок контроля флуоресценции иона в ловушке генератора;
10 - блок управления электрическим полем ловушки генератора;
11 - измеритель сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора;
12 - блок контроля сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора;
13 - измеритель мощности лазерного излучения;
14 - блока контроля мощности лазерного излучения;
15 - контроллер микроволновой частоты;
16 - генератор ультрастабильных опорных сигналов частоты.
В устройстве входы измерителя 1 длины волны лазерного излучения и блока 2 сравнения частоты лазерного излучения с реперной частотой соединены с выходами лазерного излучения генератора 16, а выходы соединены с входами блока 3 контроля длины волны лазерного излучения, предназначенного для определения отклонения текущей длины волны лазерного излучения от требуемой и выработки сигнала управления для регулировки длины волны лазерного излучения и его подаче через блок 4 управления лазерами, выполненного с возможностью соединении его входов-выходов управления с управляющими входами-выходами блока программного управления, выполненного, в частности, в виде персонального компьютера с установленным программным обеспечением, на вход управления длиной волны лазерного излучения генератора 16.
Кроме того, в устройстве вход блока 5 контроля температуры соединен с выходом сигнала датчика температуры внутри генератора 16, а выход соединен с входом блока 6 управления температурой внутри генератора, выход которого соединен с входом управления температурой внутри генератора 16, вход блока 7 контроля давления в ловушке генератора соединен с выходом сигнала датчика давления в ловушке генератора 16, а выход соединен с входом блока 8 управления давлением в ловушке генератора, выход которого соединен с входом управления давлением в ловушке генератора 16, вход блока 9 контроля флуоресценции иона в ловушке генератора, вход которого соединен с выходом сигнала датчика флуоресценции иона в ловушке генератора 16, а выход соединен с входом блока 10 управления электрическим полем ловушки генератора, выход которого соединен с входом управления электрическим полем ловушки генератора 16.
Дополнительно к указанному вход блока 12 контроля сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора соединен с выходом измерителя 11 сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора, вход которого соединен с выходом сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора, а выход соединен с входом управления флуоресценцией иона в ловушке генератора 16 через блок 4 управления лазерами, вход блока 13 измерения мощности лазерного излучения соединен с выходом лазерного излучения из генератора 16, а выход соединен через блок 14 контроля мощности лазерного излучения с входом управления мощностью лазерного излучения генератора 16, вход контроллера 15 микроволновой частоты соединен с выходом сигнала датчика микроволновой частоты генератора 16, а выход соединен со входом сигнала управления микроволновой частотой.
При этом, блок 6 управления температурой внутри генератора, блок 8 контроля давления в ловушке генератора, блок 10 управления электрическим полем ловушки генератора и блок 14 контроля мощности лазерного излучения выполнены с возможностью соединения их входов-выходов управления с управляющими входами-выходами блока программного управления.
Работает устройство контроля и управления генератором ультрастабильных опорных сигналов частоты следующим образом.
Блок программного управления, предназначенный для организации автоматизированного управления всеми элементами устройства, выполненный, в частном случае, в виде персонального компьютера со специальным программным обеспечением, позволяет обеспечить управление всего изделия в целом, начиная от момента подачи напряжения питания при первом запуске, процесса поддержания оптимального режима работы генератора и заканчивая обеспечением штатного режима выключения устройства.
Для контроля частоты лазерного излучения 16 сигнал с выхода лазерного излучения 16 через входы измерителя 1 длины волны лазерного излучения поступает в измеритель 1 и через вход блока 2 сравнения частоты лазерного излучения с реперной частотой поступает в блок 2 сравнения частоты лазера с реперной частотой. Преобразованные сигналы поступают с выходов измерителя 1 длины волны лазерного излучения и с выхода блока 2 сравнения частоты лазерного излучения с реперной частотой на входы блока 3 контроля длины волны лазерного излучения системы управления. После обработки сигналов блоком 3 сигнал с его выхода поступает на входы блока 4 управления лазерами системы управления. С выходов блока 4 управления лазерами управляющий сигнал поступает в генератор 16 на входы управления лазерами генератора.
Для контроля и поддержания температуры внутри генератора с выхода сигнала датчика температуры внутри генератора на вход блока 5 контроля температуры поступает сигнал текущей температуры. После его обработки он поступает в блок 5 управления температурой для управления температурой внутри генератора.
Для контроля и поддержания давления в ловушке генератора с выхода сигнала датчика давления в ловушке генератора сигнал поступает на вход блока 7 контроля давления в ловушке системы управления. После обработки сигнала блоком 7 контроля давления в ловушке сигнал с его выхода поступает на вход блока 8 управления давлением в ловушке системы управления и далее в генератор на вход сигнала управления давлением в ловушке генератора.
Для контроля флуоресценции иона в ловушке генератора сигнал с выхода сигнала датчика флуоресценции иона в ловушке генератора поступает на вход блока 9 контроля флуоресценции иона в ловушке. После обработки сигнала блоком 9 контроля флуоресценции иона в ловушке сигнал с его выхода поступает на вход блока 10 управления электрическим полем ловушки и далее на вход сигнала управления электрическим полем ловушки генератора.
Для контроля и стабилизации частоты лазерного излучения сигнал с выхода сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора поступает на вход измерителя 11 и после преобразования поступает на вход блока 12 контроля сигнала флуоресценции иона в ловушке генератора, после чего через блок 4 управления лазерами поступает в генератор 16 на вход управления лазерами.
Для контроля и стабилизации мощности лазерного излучения сигнал с выходов лазерного излучения генератора поступает на вход измерителя 13 мощности лазерного излучения и далее через блок 14 контроля мощности поступает в генератор 16 на вход сигнала управления мощностью лазерного излучения 16.
Для контроля и поддержания микроволновой частоты на выходе генератора сигнал с выхода сигнала датчика микроволновой частоты на выходе генератора поступает на вход контроллера 15 микроволновой частоты и его после обработки на вход сигнала управления микроволновой частотой генератора.
Все вышесказанное позволит расширить арсенал технических средств, которые могут быть использованы для контроля и управления генераторов ультрастабильных опорных сигналов частоты, на основе расширения функциональных возможностей известного устройства.