КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ ОПТИЧЕСКОГО И СВЧ ДИАПАЗОНОВ

Предлагаемая заявка на полезную модель относится к разделу «Прикладная квантовая метрология», а именно, к устройствам для генерирования стабильных частот оптического и СВЧ диапазонов и предназначено для точного измерения частоты и времени.
87
1
2
Разработка квантовых стандартов частоты (КСЧ) является важнейшим направлением в измерительной технике, так как они нашли широкое применение во многих областях. Среди КСЧ на парах атомов щелочных металлов наиболее массовыми являются рубидиевые стандарты частоты (РСЧ) [см. Григорьянц В.В., Жаботинский М.Е., Золин В.Ф., Квантовые стандарты частоты, с.171-194, М., 1968.], в которых на протяжении многих лет в качестве источника оптической накачки рубидиевой ячейки используется без электродная спектральная лампа с парами Rb. Оптическое излучение этого источника взаимодействует с линиями D и D рубидия-87, меняя населенность уровней сверхтонкой структуры основного состояния. Если в дополнение к свету накачки подействовать одновременно на атомы рубидия резонансным на частоте часового перехода СВЧ электромагнитным излучением, то оно будет стремиться выровнять населенности, что приведет к увеличению поглощения света накачки и уменьшению его интенсивности на выходе рубидиевой ячейки. На основе этого двойного радиооптического резонанса создается квантовый дискриминатор, являющийся основой квантовых стандартов частоты в том числе и рубидиевых. В квантовом стандарте частоты на парах щелочных металлов зондирующее СВЧ поле, создающее частотный репер (квантовый дискриминатор), непосредственно взаимодействует с рабочими атомами в ячейке, находящаяся в специальном СВЧ резонаторе, используя для этого двойной радиооптический резонанс. Размеры стандарта частоты определяются габаритами СВЧ резонатора, которые в свою очередь зависят от оптической длины волны перехода между сверхтонкими подуровнями основного состояния в Rb или Cs, длины волн которых соответственно 4,4 см, 3,2 см. При высоких эксплуатационных качествах эти квантовые приборы, обладая сравнительно высокими метрологическими характеристиками в радиодиапазоне, в то же время за последние десятилетия темпы роста этих характеристик значительно замедлились и развитие рубидиевых стандартов частоты шло в основном по пути снижения их габаритов, массы и потребляемой мощности. Эти тенденции обусловлены прежде всего тем, что традиционный принцип в КСЧ с оптической накачкой, использующий излучение спектральной лампы на парах рубидия, в значительной мере исчерпал себя. В то же время существует устойчивая потребность в повышении метрологических характеристик РСЧ.
Решение данной задачи лежит на пути использования новых физических принципов в КСЧ, одним из которых является использование лазерного излучения в качестве оптической накачки [см. С. Affolderbach, F. Droz, G. Mileti. Experimental demonstration of a compact and high-performance laser-pumped rubidium gas cell atomic frequency standard. // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol.55, No.2, 2006, pp.429-435].
Известен КСЧ оптического и СВЧ диапазонов (Patent No: US 6,265,945, Date of Patent: Jul. 24, 2001), содержащий диодный лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки. С ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации данной ячейки. Оптический выход диодного лазера также соединен с оптическим входом первого, контролирующего интенсивность излучения диодного лазера фотодетектора. Электрический выход этого фотодетектора соединен со входом первого блока аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со вторым блоком аналого-цифрового преобразования микроконтроллера. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом третьего фотодетектора, контролирующего интенсивность флюоресценции. Электрический выход данного фотодетектора соединен с третьим блоком аналого-цифрового преобразования микроконтроллера. Микроконтроллер обеспечивает цифровую обработку сигналов схемы и выработку сигналов управления, посредством трех цифроаналоговых преобразователей, для подсоединенных к его выходам трех блоков схемы, и управление блоком температурной стабилизации диодного лазера. Два выхода соединены со входами СВЧ генератора и предназначены для управления частотой и индексом модуляции выходного сигнала СВЧ генератора. Третий цифроаналоговый выход микроконтроллера соединен с первым входом блока источника питания диодного лазера для управления оптической частотой диодного лазера, посредством обработки микроконтроллером сигнала с фотодетектора, контролирующего интенсивность флюоресценции. Выход СВЧ генератора соединен со вторым входом блока источника питания диодного лазера. Выход источника питания соединен с электрическим входом диодного лазера.
Однако в указанном КСЧ используется детектирование полезного сигнала по сигналу флюоресценции и, следовательно, подстройка оптической частоты диодного лазера в оптический резонанс по однородному спектральному контуру группы атомов в ячейке, а также отсутствуют меры по устранению полевого сдвига, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.
Кроме того, известен КСЧ оптического и СВЧ диапазонов (Patent No: US 6,320,472 B1, Date of Patent: Nov.20, 2001), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий диодный лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки, содержащей смесь паров щелочного металла и буферного газа. С ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации данной ячейки. Первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора (первый фотодетектор и первый избирательный усилитель) для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора (первый синхронный детектор). Второй вход первого синхронного детектора (первый синхронный детектор) соединен с выходом первого модулятора (низкочастотный генератор). Выход первого синхронного детектора (синхронный детектор) соединен с блоком формирования управляющего сигнала СВЧ генератором (первый операционный усилитель). Также со входом блока формирователя (первый операционный усилитель) соединен выход первого модулятора (низкочастотный генератор). Выход блока формирования управляющего сигнала СВЧ генератора (первый операционный усилитель) соединен со входом СВЧ генератора. Выход СВЧ генератора соединен с электрическим входом диодного лазера. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом второго фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала флюоресценции из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора. Второй синхронный детектор вырабатывает сигнал, пропорциональный сигналу поправки оптической частоты к линии оптического резонанса в схеме КПН (когерентного пленения населенности) в пределах однородного контур резонансной линии. Второй вход второго синхронного детектора соединен с выходом второго модулятора. Также с выходом второго модулятора соединен блок формирования управляющего сигнала оптической частотой диодного лазера для его источника питания. Выход этого блока соединен со вторым управляющим входом источника питания диодного лазера. Выход источника питания, который обеспечивает модуляцию излучения диодного лазера, а также управление его оптической частотой, соединен с электрическим входом диодного лазера.
0
0
0
0
Однако в указанном устройстве используется стабилизация оптической частоты диодного лазера, соответствующая частоте перехода с возбужденного уровня P на основной уровень S щелочного металла, модулированием на низкой частоте постоянной составляющей тока накачки i диодного лазера, соответствующей центру пика флюоресценции. В нем используется модуляция сигнала управления, обеспечиваемая вторым модулятором с частотой 7 Гц. Если составляющая тока источника накачки точно не соответствует i, то сигнал флюоресценции, преобразованный вторым фотодетектором, на выходе будет промодулирован прямоугольными импульсами. Если составляющая тока источника накачки точно соответствует i, то сигнал флюоресценции, преобразованный вторым фотодетектором, на выходе будет постоянный сигнал. Прямое обнаружение посредством синхронного детектора и формирователя сигнала управления источника тока обеспечивает сигнал, пропорциональный сигналу отстройки составляющей тока накачки от i, и этот сигнал может использоваться для стабилизации оптической частоты диодного лазера к максимуму флюоресценции. В данной цепи обратной связи составляющая тока накачки лазера никогда не стабилизирована к io, и, соответственно, сигнал не находится в центре контура флюоресценции. Величина модуляции, однако, не сильно меняется для получения не слишком сильных отстроек оптической частоты диодного лазера по сравнению с шириной оптического резонанса. То есть используется подстройка оптической частоты диодного лазера по однородному спектральному контуру группы атомов в ячейке, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала, отсутствие компенсации или уменьшения полевого сдвига, и, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, а значит меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.
Задачей предлагаемой заявки на полезную модель является увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ в оптическом и СВЧ диапазонах.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в КСЧ оптического и СВЧ диапазонов, содержащий диодный лазер, длина волны генерации которого предварительно устанавливается измерителем длин волн на резонансную D1 линию изотопа рубидия-87, выход которого поступает на поворотные зеркала. Первый оптический выход диодного лазера соединен с оптическим входом рубидиевой-87 ячейки с буферным газом, с которой соединены первые блоки создания магнитного поля в ней и ее термостабилизации. Оптический выход рубидиевой-87 ячейки с буферным газом соединен с оптическим входом первого фотодетектора. Электрический выход первого фотодетектора соединен со входом первого избирательного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора. Со вторым входом первого синхронного детектора соединен первый выход низкочастотного генератора. Второй выход низкочастотного генератора соединен со входом СВЧ генератора с управляемой частотой. Выход первого синхронного детектора соединен со входом первого операционного усилителя, выход которого имеет кабельную связь со входом управляемого СВЧ генератора, имеющий кабельную связь со входом диодного лазера. Второй оптический выход диодного лазера после поворотных зеркал соединен с оптическим входом рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа, с которой соединены вторые блоки создания магнитного поля в ней и ее термостабилизации. Выход рубидиевой-87 ячейки без буферного газа имеет оптическую связь со входом второго фотодетектора, электрический выход которого соединен со входом второго избирательного усилителя, настроенный на частоту высокочастотного (ВЧ) генератора. Первый выход ВЧ генератора имеет кабельную связь с первым входом второго синхронного детектора, а со второго выхода ВЧ генератора электрический сигнал поступает на вход диодного лазера. Второй вход второго синхронного детектора имеет кабельную связь с выходом второго избирательного усилителя. Выход второго синхронного детектора соединен со входом второго операционного усилителя, который имеет кабельную связь с оптическим резонатором диодного лазера.
На чертеже приведена структурная схема предложенного квантового стандарта частоты оптического и СВЧ диапазонов.
Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов содержит: 1 - первый операционный усилитель; 2 - СВЧ генератор с управляемой частотой; 3 - низкочастотный генератор; 4 - первый синхронный детектор; 5 - измеритель длин волн (ИДВ); 6 - первый блок создания магнитного поля в ячейке 12; 7 - первый блок термостабилизации ячейки 12; 8 - первый избирательный усилитель; 9 - дифракционная решетка с пьезокерамикой; 10 - оптический затвор; 11 - поворотное зеркало; 12 - рубидиевая-87 ячейка с буферным газом; 13 - первый фотодетектор; 14 - поворотное зеркало; 15 - поворотное зеркало; 16 - рубидиевая-87 ячейка без буферного газа; 17 - поворотное плотное зеркало; 18 - второй блок создания магнитного поля в ячейке 16; 19 - второй блок термостабилизации ячейки 16; 20 - диодный лазер; 21 - поворотное зеркало с пьезокерамикой; 22 - второй фотодетектор; 23 - второй избирательный усилитель; 24 - второй операционный усилитель; 25 - второй синхронный детектор; 26 - высокочастотный генератор.
Операционный усилитель 1 имеет кабельную связь с СВЧ генератором с управляемой частотой 2 и с первым синхронным детектором 4; СВЧ генератор 2 с управляемой частотой имеет кабельную связь с первым операционным усилителем 1, с низкочастотным генератором 3 и с диодным лазером 20; низкочастотный генератор 3 имеет кабельную связь с СВЧ генератором с управляемой частотой 2 и с первым синхронным детектором 4; первый синхронный детектор 4 имеет кабельную связь с первым операционным усилителем 1, с низкочастотным генератором 3 и с первым избирательным усилителем 8; измеритель длин волн (ИДВ) 5 по оптическому и кабельному каналам связан с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9; первый блок создания магнитного поля 6 имеет кабельную связь с рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом; первый блок термостабилизации 7 имеет кабельную связь с рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом; первый избирательный усилитель 8 имеет кабельную связь с первым синхронным детектором 4 и с первым фотодетектором 13; дифракционная решетка с пьезокерамикой 9 имеет оптическую и кабельную связь с измерителем длин волн (ИДВ) 5, а так же имеет оптическую связь с оптическим затвором 10 и с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 21; оптический затвор 10 имеет оптическую связь с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9 и с поворотным зеркалом 11; поворотное зеркало 11 имеют оптическую связь с оптическим затвором 10, с поворотным зеркалом 15 и с рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом 12; рубидиевая-87 ячейка с буферным газом 12 имеет оптическую связь с поворотным зеркалом 11 и с первым фотодетектором 13, а кабельную связь с первым блоком создания магнитного поля бис первым блоком термостабилизации 7; первый фотодетектор 13 по оптическому каналу связан с рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом 12, а по кабельному каналу связан с первым избирательным усилителем 8; поворотное зеркало 14 имеет оптическую связь с поворотным зеркалом 15 и со вторым фотодетектором 22; поворотное зеркало 15 имеет оптическую связь с поворотным зеркалом 14, с поворотным зеркалом 11 и с рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа 16; рубидиевая-87 ячейка без буферного газа 16 имеет оптическую связь с поворотным плотным зеркалом 17 и с поворотным зеркалом 15, а кабельную связь со вторым блоком создания магнитного поля 6 и со вторым блоком термостабилизации 7; поворотное плотное зеркало 17 имеет оптическую связь с рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа 16; второй блок создания магнитного поля 18 имеет кабельную связь с рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа 16; второй блок термостабилизации 19 имеет кабельную связь с рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа 16; диодный лазер 20 имеет кабельную связь с СВЧ генератором с управляемой частотой 2, с высокочастотным генератором 26, а по оптическую каналу имеет связь с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 21; поворотное зеркало с пьезокерамикой 21 по оптическому каналу связан с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9 и с диодным лазером 20, а по кабельному каналу связан со вторым операционным усилителем 24; второй фотодетектор 22 по оптическому каналу связан с поворотным зеркалом 14, а по кабельному каналу связан со вторым избирательным усилителем 23; второй избирательный усилитель 23 по кабельному каналу связан со вторым фотодетектором 22 и со вторым синхронным детектором 25; второй операционный усилитель 24 по кабельному каналу связан с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 21 и со вторым синхронным детектором 25; второй синхронный детектор 25 по кабельному каналу связан со вторым операционным усилителем 24, со вторым избирательным усилителем 23 и с высокочастотным генератором 26; высокочастотный генератор 26 по кабельному каналу связан с диодным лазером 20 и со вторым синхронным детектором 25.
Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов работает следующим образом.
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
1/2
Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов построен на частотах излучения диодного лазера, стабилизированные по атомной линии щелочного металла. Дискриминаторами частот являются: для СВЧ стандарта - резонанс когерентного пленения населенностей (КПН-резонанс), а для оптического - узкий нелинейный резонанс в центре доплеровской уширенной линии поглощения. В качестве щелочного металла используется изотоп рубидия-87 со своей спектральной линией D1, на основе которой создаются резонансы для частот оптического и СВЧ диапазонов с использованием сверхтонкого перехода 5 SF2-5SF1 основного состояния этой линии (λ≈795 нм). Источником накачки рубидиевых-87 ячеек 12 и 16 является диодный лазер 20 на λ≈795 нм, работающий с внешним резонатором. В качестве внешнего зеркала оптического резонатора используется дифракционная решетка 9, укрепленная на пьезокерамическом преобразователе и установленная по автоколлимационной схеме, обеспечивающая обратную связь в оптическом резонаторе диодного лазера. Пьезокерамический преобразователь необходим для точной установки угла отражения дифракционной решетки для получения генерации на нужной длине волны, контролируемый измерителем длин волн (ИДВ) 5. К рубидиевым-87 ячейкам 12 и 16 соединены блоки создания магнитного поля и термостабилизации. Поле облучения ячеек 12 и 16 создается частотно-модулированным излучением диодного лазера 20, осуществляемом СВЧ генератором с управляемой частотой 2. Эффективная СВЧ модуляция излучения диодного лазера достигается при согласовании межмодовой частоты диодного лазера с частотой модуляции [см.журнал "Квантовая электроника", 26, №2, (1999), с.109-113]. Для этого изменение длины оптического резонатора осуществляется перемещением поворотного зеркала 21 «грубо» - микровинтом (на чертеже микровинт не указан), либо «точно» - пьезокерамикой. В результате СВЧ модуляции в спектре излучения диодного лазера 20 появляются боковые гармоники, т.е. создается бихроматическое лазерное поле. Когда расстояние между этими первыми гармониками равно частоте сверхвысокочастотного (СВЧ) резонанса (частота расщепления основного состояния атома щелочного металла), возникает когерентная не поглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание ячейки растет. Этот эффект называют когерентным пленением населенностей (КПН-резонанс). Для получения спектральных составляющих в оптическом излучении, отстоящих друг от друга на 6,8 ГГц, что соответствует частоте часового перехода (сверхтонкий переход 5SF2-5SF1 основного состояния) изотопа рубидия-87, на диодный лазер 20 от СВЧ генератора с управляемой частотой 2, частота которого может управляться первым операционным усилителем 1, подается электрический сигнал с частотой 3,4 ГГц.. В этом случае частота часового перехода будет соответствовать разности частот между боковыми компонентами, отстоящими от несущей на 3,4 ГГц. Несущая частота диодного лазера 20 (длина волны генерации) предварительно устанавливается и контролируется с помощью измерителя длин волн (ИДВ) 5 и она должна быть равна средней величине между частотами на резонансных переходах 5PF2-5SF2 и 5PF2-5SF1 на λ=795 нм с погрешностью не менее 0,1 ГГц, что позволяет устанавливать боковые компоненты спектра на частотах 3,4 ГГц вблизи центров доплеровских уширенных оптических линий поглощения рубидия-87. Частотно-модулированное излучение диодного лазера 20, проходя оптический затвор 10, поступает на разделительное зеркало 11. Часть излучения лазера поступает на ячейку 12 с парами рубидия-87 и буферного газа и регистрируется первым фотодетектором 13 с первым избирательным усилителем 8, с выхода которого электрический сигнал поступает на первый синхронный детектор 4, на который в качестве опорного поступает напряжение от низкочастотного генератора 3. Напряжение от низкочастотного генератора 3 также поступает на СВЧ генератором с управляемой частотой 2, осуществляя модуляцию его частоты. С выхода синхронного детектора 4 напряжение, пропорциональное отстройке СВЧ частоты от центра КПН-резонанса поступает на первый операционный усилитель 1, который управляет частотой СВЧ генератора 2 таким образом, чтобы СВЧ частота модуляции излучения диодного лазера 20 была вблизи 3,4 ГГц и соответствовала максимуму КПН-резонанса. Увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ в оптическом и СВЧ диапазонах связано с параметрами дискриминаторов оптического и СВЧ диапазона, по которым осуществляется стабилизация частоты КСЧ. Для улучшения этих параметров другая часть излучения диодного лазера 20 после разделительного зеркала 11 поступает на рубидиевую-87 ячейку 16 без буферного газа. Эта ячейка предназначена для получения узкого нелинейного резонанса в центре доплеровской уширенной линии поглощения для каждой спектральной составляющей частотно-модулированного излучения лазера. Здесь используется эффект взаимодействия излучения диодного лазера 20 с атомами рубидия-87 ячейки 16 без буферного газа при наличии в ней бегущей (сильной) волны и встречной (слабой) волны диодного лазера 20 [B.C. Летохов, В.П. Чеботаев «Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения», М., Наука, 1990 г., С.24-50]. Если частота падающей (сильной) волны, поступающей от зеркала 15 на рубидиевую-87 без буферного газа ячейку 16, соответствует центру доплеровской уширенной линии поглощения т.е. световая волна взаимодействует с атомами, проекция скоростей которых вдоль световой волны равна нулю, встречная (слабая) волна, создаваемая зеркалом 17, естественно обладая той же частотой, что и падающая, взаимодействует с теми же атомами, поглощение волны которых уменьшено падающей (сильной) волной. В результате поглощение пробной (слабой) волны имеет резонансный минимум с шириной, равной однородной ширине и расположенной точно в центре доплеровской уширенной линии поглощения. Это излучение регистрируется вторым фотодетектором 22. Для привязки оптических компонент спектра к линиям поглощения и одновременно создания гребенки частот используется высокочастотная (ВЧ) модуляция излучения диодного лазера 20 с помощью высокочастотного генератора 26. Сигнал с выхода фотодетектора 22 поступает на второй избирательный усилитель 23, настроенный на частоту модуляции ВЧ генератора 26. Один выход ВЧ генератора 26 поступает на диодный лазер 20, осуществляя ВЧ модуляцию на спектральных компонентах излучения диодного лазера 20 в пределах их однородной ширины, а с другого выхода подается в качестве опорного напряжения на второй синхронный детектор 25. С выхода синхронного детектора 25 напряжение поступает на второй операционный усилитель 24 и далее на поворотное зеркало с пьезокерамическим преобразователем 24, перемещение которого меняет длину резонатора диодного лазера 20 (меняется межмодовая частота резонатора диодного лазера 20) и, следовательно, несущая частота диодного лазера 20. Это позволяет настраивать боковые компоненты частот модулированного излучения диодного лазера 20 на центры узких нелинейных резонансов, обеспечивая высокие параметры оптических и СВЧ дискриминаторов, приводящие к увеличению стабильности частоты на выходе КСЧ оптического и СВЧ диапазонов.
Таким образом, предлагаемый квантовый стандарт частот оптического и СВЧ диапазонов позволит увеличить стабильность частоты на выходе его в оптическом и СВЧ диапазонах.
Кроме того, в условиях отсутствия возбуждения газа (холодные атомы) и низкого рабочего давления в ячейке 14 без буферного газа положение спектральных линий поглощения может быть весьма стабильным, так как столкновительное уширение и сдвиг линии поглощения незначительны, что очень важно при создании стандартов частоты оптического и СВЧ диапазонов.