КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ

Предлагаемая полезная модель относится к квантовым стандартам частоты (КСЧ), устройствам для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, и может быть использовано как средство увеличения стабильности частоты.
21
2
1
21
2
1
Принцип действия КСЧ основывается на стабилизации частоты кварцевого генератора по атомной линии щелочного металла. При этом номинальное значение частоты и систематическое изменение частоты с течением времени полностью определяются частотой и стабильностью атомной линии. Наблюдение резонанса соответствующего линии расщепления основного состояния осуществляется в парах атомов металлов, содержащихся в специальной ячейке (далее ячейка). Сигнал резонанса обычно наблюдается, или по флюоресценции щелочных атомов в ячейке, или по пропусканию света определенной частоты через ячейку. Поле облучения ячейки создается частотно-модулированным излучением одного лазера (или при помощи излучения двух лазеров, чья разница частот модуляции соответствует резонансной линии расщепления атомов). В результате модуляции в спектре излучения лазера появляются боковые гармоники. Когда расстояние между этими первыми гармониками равно частоте сверхвысокочастотного (СВЧ) резонанса, возникает когерентная непоглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание ячейки растет. Этот эффект называют когерентным пленением населенностей (КПН), или лямбда-резонансом. Модулированное излучение лазера на частоте сверхтонкого резонанса атомов металла подается на ячейку, содержащую смесь паров щелочного металла и буферного газа. Например, данная модуляция лазера может быть получена при помощи модуляции управляемого сверхвысокочастотным генератором источника тока накачки, или новых типов лазеров, имеющих необходимый спектр модуляции излучения, или влиянием на лазерное излучение электрооптическими модуляторами, или другими элементами, способными изменять фазу оптического излучения. В ячейке, содержащей смесь паров щелочного металла и буферного газа, когда разница частот между боковыми полосами (ω=ω-ω) или между частотами излучений лазеров (ω=ω-ω) равна частоте СВЧ-резонанса, имеет место узкий провал поглощения модулированного излучения лазера. На выходе из ячейки можно наблюдать два типа сигнала: сигнал флюоресценции и непосредственно прошедшее ("на пропускание") через ячейку излучение лазера. При наблюдении КПН-резонанса отмечается уменьшение сигнала флюоресценции, в то время как КПН-резонанс "на пропускание" лазерного излучения детектируется по увеличению пропускания модулированного лазерного излучения. Этот сигнал попадает на фотодетектор и в дальнейшем наблюдается непосредственно по регистрирующим приборам, либо подвергается синхронному детектированию для того, чтобы выделить сигнал подстройки частоты СВЧ-генератора, используемого для модуляции лазера (или для поддержания разницы частот двух лазеров), для того, чтобы, посредством этого реализовать КСЧ.
Для того, чтобы уменьшить эффекты, связанные с движением атомов, например, таких как эффект Доплера, применяют метод лазерного охлаждения нейтральных атомов.
Суть эффекта Доплера для световых волн состоит в том, что спектр излучения атома, который движется с некоторой скоростью в лабораторной системе отсчета, имеет некоторый сдвиг на частоте относительно спектра покоящегося атома. Выделяют поперечный и продольный эффекты Доплера. Продольный эффект наблюдается при относительном сближении или удалении источника или приемника. Поперечный эффект наблюдается при движении источника в направлении, перпендикулярном линии, соединяющей источник с наблюдателем. Поперечный эффект значительно меньше продольного. Поэтому во многих применениях достаточно ограничиться устранением расширения спектральных линий вследствие лишь продольного эффекта Доплера.
-4
7
-3
21
Метод лазерного охлаждения нейтральных атомов заключается в захвате холодных атомов в ловушку и их удержании, тем самым, существенно увеличивая плотность атомов в определенной области. Охлаждение атомов производится с помощью сил резонансного светового давления излучения с отстройкой частоты лазера в красную сторону. На атом, движущийся со скоростью v, действует сила F=-av, которая приводит к уменьшению его скорости (а - коэффициент пропорциональности). Использование этой силы оказывается очень эффективным: уменьшение скорости до очень малой величины происходит за время порядка 10 с. Однако эта сила не зависит от координат и поэтому не может удерживать атомы в определенном объеме пространства. Удержание атомов достигается с помощью неоднородного, градиентного магнитного поля В, которое создается двумя соосными кольцами с током, соединенными по встречной схеме направления магнитного поля так называемой схеме "анти-Гельмгольца". Магнитное поле приводит к зеемановскому расщеплению частоты ω, а, следовательно, и к зависимости силы F от координат. Это позволяет создать дополнительное давление, удерживающее атомы в небольшой области пространства. Типичное значение числа удерживаемых атомов - 10 в течение ~ 10 мс при температуре 10К.
Известен КСЧ (Patent No: US 6,303,928 B1, Date of Patent: Oct. 16, 2001), содержащий лазер, оптический выход которого растроен и соединен с тремя входами магнитооптической ловушки. К ловушке также подсоединен блок создания градиентного магнитного поля в ячейке с катушками "анти-Гельмгольца". Выход молекулярного пучка магнитооптической ловушки соединен с оптическим отклоняющим устройством, которое одновременно является первым плечом СВЧ-резонатора. К оптическому входу данного плеча подключен оптический выход второго возбуждающего лазера. Посредством молекулярного пучка первое плечо СВЧ-резонатора соединено со вторым плечом СВЧ-резонатора, к оптическому входу которого подключен оптический выход третьего возбуждающего лазера. Второй оптический выход второго плеча СВЧ-резонатора подключен к оптическому входу фотодетектора. Электрический выход фотодетектора соединен с первым входом фазового детектора. Ко второму входу фазового детектора подсоединен первый выход модулятора. Второй выход модулятора подсоединен к СВЧ-резонатору. Выход фазового детектора подсоединен ко входу формирователя сигнала управления СВЧ-генератором. Выход формирователя сигнала управления СВЧ-генератором подсоединен ко входу СВЧ-генератора. Выход СВЧ-генератора соединен с источником тока накачки второго и третьего лазера.
Однако в указанном КСЧ используется метод основанный на применении СВЧ-резонатора П-образной формы, где когерентное взаимодействие пучка атомов с возбуждающим лазерным излучением относительно мало по времени, а также используется детектирование полезного сигнала по сигналу флюоресценции, что определяет малое отношение сигнал-шум, и влечет за собой меньшую точность определения формы детектируемого резонансного контура квантового стандарта частоты, тем самым, обеспечивая меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.
Кроме того, известен КСЧ (Patent No: US 6,320,472 B1, Date of Patent: Nov. 20, 2001), являющийся прототипом предлагаемой полезной модели, и содержащий 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 для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора. Второй вход первого синхронного детектора соединен с выходом первого модулятора. Выход первого синхронного детектора соединен с блоком формирования управляющего сигнала СВЧ-генератором. Также со входом блока формирователя соединен выход первого модулятора. Выход блока формирования управляющего сигнала СВЧ-генератора соединен со входом СВЧ-генератора. Выход СВЧ-генератора соединен с первым управляющим входом источника тока накачки 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 в пределах однородного контура резонансной линии. Второй вход второго синхронного детектора соединен с выходом второго модулятора. Также с выходом второго модулятора соединен блок формирования управляющего сигнала оптической частотой лазера для источника тока накачки лазера. Выход этого блока соединен со вторым управляющим входом источника тока накачки лазера. Выход источника тока накачки лазера, который обеспечивает модуляцию излучения лазера, а также управление его оптической частотой, соединен с электрическим входом лазера.
Однако в указанном устройстве используется магнитное поле без градиента в ячейке с буферным газом, находящейся при повышенной, относительно комнатной, температуре, а, следовательно, не принято мер по охлаждению атомов, то есть в присутствии эффекта Допплера. Использование буферного газа также оказывает негативное влияние на параметры КПН-резонанса, сдвигая и расширяя эталонный переход, а также перемешивая подуровни возбужденного состояния. Обнаружение КПН-резонанса ведется в присутствии расширения резонанса из-за эффекта Доплера, что в свою очередь обеспечивает меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, а значит меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.
Задачей предлагаемого полезной модели является увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ.
Поставленная задача достигается тем, что, в известный квантовый стандарт частоты, содержащий лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки, с ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации ячейки, где первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора и электрический выход первого фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход первого модулятора, выход которого соединен со входом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором, с которым соединен выход первого синхронного детектора, выход формирователя сигнала управления соединен со входом управляемого СВЧ-генератора, электрический выход второго фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход второго модулятора, второй выход которого соединен с первым входом формирователя сигнала управления оптической частотой лазера, выход второго синхронного детектора соединен со вторым входом формирователя сигнала управления оптической частотой лазера, выходы СВЧ-генератора и формирователя сигнала управления источника тока накачки лазера соединены со входами управляемого источника тока накачки, выход которого соединен с электрическим входом лазера, с лазером соединен блок температурного контроля лазера, введены управляемый источник тока накачки лазера, таймер переключения режимов источника тока накачки, встречно-направленные катушки блока создания магнитного поля в ячейке, кювета с парами атомов металла, зеркало с отверстием, при том, оптический выход лазера соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом кюветы с парами атомов металла, также к кювете подсоединены введенные встречно-направленные катушки блока создания градиентного магнитного поля в ячейке, оптический выход кюветы соединен через зеркало с отверстием с первым фотодетектором, первый, второй и третий входы введенного управляемого источника тока накачки лазера соединены с выходами управляемого СВЧ-генератора, формирователем сигнала управления оптической частотой лазера и таймером переключения режимов источника тока накачки, соответственно, выход же управляемого источника тока накачки лазера соединен с электрическим входом лазера.
На ФИГ.1 приведена блок-схема предлагаемого КСЧ, на ФИГ.2 приведена схема модернизированной ячейки КСЧ, на ФИГ.3 приведено схематичное изображение распределения градиентного магнитного поля, поляризации лазерного излучения и облака охлажденных атомов паров металла.
КСЧ (ФИГ.1) содержит: 1 - лазер, 2 - управляемый источник тока накачки лазера 1, 3 - модернизированную ячейку КСЧ, 4 - первый фотодетектор, 5 - второй фотодетектор, 6 - первый синхронный детектор, 7 - первый модулятор, 8 - второй синхронный детектор, 9 - второй модулятор, 10 - управляемый СВЧ-генератор, 11 - формирователь сигнала управления СВЧ-генератором 10, 12 - формирователь сигнала управления оптической частотой лазера 1, 13 - блок создания градиентного магнитного поля в ячейке 3, 14 - блок температурного контроля лазера 1, 15 - блок температурного контроля ячейки 3, 16 - таймер переключения режимов источника тока накачки 2.
КСЧ (ФИГ.2) содержит: 17 - четвертьволновую пластинку, 18 - встречно-направленные катушки блока создания магнитного поля в ячейке 3, 19 - кювету с парами атомов металла, 20 - зеркало с отверстием.
При этом на Фиг.1 оптический выход лазера 1 соединен с оптическим входом ячейки 3, с ячейкой 3 также соединены блок создания магнитного поля 13 в ячейке 3 и система температурного контроля 15, оптический выход ячейки 3 соединен с оптическим входом первого фотодетектора 4 и электрический выход первого фотодетектора 4 соединен со входом первого синхронного детектора 6, со вторым входом которого соединен выход первого модулятора 7, второй выход которого соединен со входом блока формирователя сигнала управления 11 СВЧ-генератором 10, со вторым входом формирователя сигнала управления 11 соединен выход первого синхронного детектора 6, выход формирователя сигнала управления 11 соединен со входом управляемого СВЧ-генератора 10. Выход, которого соединен с первым входом управляемого источника тока накачки 2 лазера 1. Второй оптический выход ячейки 3 соединен с оптическим входом второго фото детектора 5. Электрический выход второго фото детектора 5 соединен со входом второго синхронного детектора 8, со вторым входом которого соединен выход модулятора 9. Второй выход второго модулятора 9 соединен со входом формирователя сигнала управления 12 оптической частотой лазера 1. Выход блока 12 соединен со вторым входом управляемого источника тока накачки 2 лазера 1. С третьим входом управляемого источника тока накачки 2 соединен выход таймера переключения режимов источника тока накачки 2. Электрический выход управляемого источника тока накачки 2 соединен с электрическим входом лазера 1. С лазером 1 также соединен блок температурного контроля 14 лазера 1.
На Фиг.2., представляющей ячейку 3, последовательно оптически соединены четверть волновая пластинка 17, кювета 19 с парами атомов металла и зеркало 20 с отверстием. Также к кювете 19 подсоединены встречно-направленные катушки 18 блока создания магнитного поля в ячейке 3.
87
87
Блок лазера 1 может быть выполнен в виде инжекционного полупроводникового лазера ИЛПИ-102 с термохолодильником Пельтье, блок 2 может представлять собой аналого - или цифроуправляемый электронный источник тока накачки лазера 1, ячейка 3 может представлять собой герметично закрытую кварцевую полость с характерными размерами 1×1 см с подмагничивающими, соответсвующими включенными катушками, со смесью паров щелочного металла, например, Rb, 4 и 5 могут представлять собой высокочастотные фотодетекторы с чувствительностью, лежащей в диапазоне оптических частот лазера, блоки 6 и 8 могут представлять собой синхронные детекторы, выполненные на дискретных элементах или, например, на основе микросхемы К561КП1 и буферных усилителей К544УД2 и фильтров на их основе, блоки 7 и 9 могут представлять собой электрические кварцевые генераторы заданной частоты модуляции, блок 10 может быть выполнен на генераторе, управляемом напряжением (ГУН) HMC836LP6CE, блоки 11 и 12 могут быть выполнены каждый в виде повторителя на основе микросхемы К561КП1 и буферных усилителей К544УД2 или перемножителя К174ХА10 и дополнительных дискретных элементов, частотного детектора, аналого-цифрового преобразователя и цифрового индикатора для индикации стабилизированной частоты. Блок 13, например, может представлять собой источник тока с цепью обратной связи на основе датчика Холла SS495A, блоки 14 и 15 могут представлять собой источники постоянного тока, собранные на доступных дискретных элементах с цепью обратной связи на основе датчика температуры LM335M/NOPB и элементов Пельтье, 16 может представлять собой интегральный таймер КР1006ВИ1 или LM555 с соответствующей длительностям физических процессов в ячейке скважностью сигналов управления источником тока накачки 2, например, процесс охлаждения атомов длиться 1 с, а процесс детектирования КПН-резонанса и настройки КСЧ 10 мс, то q=1 с/10 мс=100. Четвертьволновая пластинка 17 может быть изготовлена из кристаллического кварца таким образом, чтобы ось кристалла лежала в плоскости пластинки. Катушки 18 могут быть реализованы путем соединения двух встречных катушек из изолированной медной полосы с сечением соединения лежащем в среднем сечении и перпендикулярном оптической оси кюветы 19. Кювета 19 может быть выполнена из кварцевого стекла с последующим заполением парами металла, например, Rb. Зеркало 20 с отверстием может быть выполнено из кварцевого стекла с напылением высокоотражающего покрытия на оптической частоте лазера 1, либо из высокоотражающего металла, например, алюминия. Диаметр отверстия d не должен сильно перекрывать апертуру фото детектора 5.
Устройство работает следующим образом, на представленной схеме Фиг.1 КСЧ на основе КПН-резонанса, таймер переключения режимов 16 источника тока накачки 2 определяет режим работы лазера 1. По сигналу таймера, в режиме 1 источник тока накачки 2 прекращает подачу СВЧ-составляющей тока накачки и обеспечивает немодулированный режим работы лазера 1 с оптической выходной мощностью достаточной для охлаждения атомов в ячейке 19 и смещением оптической частоты лазера 1 в красную сторону для компенсации эффекта Доплера. Как показано на ФИГ.3, излучение лазера проходит через четвертьволновую пластинку, приобретая, тем самым круговую поляризацию поля. Данное излучение в комбинации с градиентным магнитным полем, создаваемым блоком 13 и встречно-направленными катушками 18 обеспечивает силу F, которая выталкивает атомы в зону с меньшей результирующей магнитной индукцией. Образуя облако "Me" охлажденных атомов, проходящее через точку с нулевой результирующей магнитной индукцией и перпендикулярной оптической оси кюветы. Тоже самое происходит со стороны зеркала 20 с отверстием при действии отраженного светового пучка и градиентного магнитного поля.
По сигналу таймера, в режиме 2 источник тока накачки 2 возобновляет подачу СВЧ-составляющей тока накачки. Облако охлажденных атомов начинает размываться, но этот процесс длится на несколько порядков дольше, чем необходимо для детектирования КПН-резонанса. При расстройке частоты СВЧ-генератора 10 от значений частоты СВЧ-резонанса паров щелочного металла, а, следовательно, и частоты тока источника тока накачки 2 на выходе модернизированной ячейки 3, присутствует модулированный оптический сигнал флюоресценции или пропускания. Сигнал преобразуется первым фотодетектором 4 в электрический сигнал. Получаемый сигнал при помощи первого модулятора 7 с выхода первого синхронного детектора 6 через формирователь сигнала управления 11 используется как сигнал подстройки для стабилизации СВЧ-генератора 10 к сверхтонкой резонансной линии расщепления. Далее сигнал от СВЧ-генератора 10 подается на управляемый источник тока накачки 2 лазера 1. Сигнал флюоресценции из модернизированной ячейки 3 подается на второй фото детектор 5. В результате на выходе второго фото детектора 5 появляется модулированный сигнал, который содержит в себе информацию об отстройке моды оптического спектра лазера 1 относительно центра оптического резонанса, определяемого по максимуму спектра флюоресценции. Этот сигнал смещения, выделяется при помощи второго синхронного детектора 8 и второго модулятора 9. После второго синхронного детектора 8 сигнал, пропорциональный отстройке частоты от центра оптического резонанса, поступает на формирователь сигнала управления 12 оптической частотой лазера 1, который подстраивает значение сигнала формирования положения оптического спектра лазера 1 так, чтобы центр оптического спектра лазера 1 точно совпадал с точным оптическим резонансом.
Таким образом, посредством введения предварительного охлаждения атомов в ячейке устраняется расширение КПН-резонанса из-за, по крайней мере, продольного эффекта Доплера, увеличивается время когерентного взаимодействия атомов с детектирующим лазерным полем, тем самым увеличивая отношение сигнал-шум детектируемого резонансного контура а, следовательно, и увеличивая точность настройки КСЧ в оптический резонанс, и, тем самым, увеличивая стабильности частоты на выходе КСЧ.