КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ НА ГАЗОВОЙ ЯЧЕЙКЕ С ЛАЗЕРНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКОЙ
QUANTUM FREQUENCY STANDARD ON GAS CELL WITH LASER OPTICAL PUMPING

Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с непрерывной лазерной оптической накачкой.
Принцип работы квантового стандарта частоты на газовой ячейке основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, выполненному на основе газовой ячейки.
В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты на газовой ячейке представляет собой последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, блок квантового дискриминатора и блок автоматической подстройки частоты, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора. Блок квантового дискриминатора содержит размещенную в СВЧ-резонаторе газовую ячейку, наполненную рабочим веществом (например, парами рубидия-87, рубидия-85 или цезия-133) и буферным газом (например, аргоном и/или неоном, азотом и/или метаном и др.). Вход СВЧ-резонатора образует радиочастотный вход блока квантового дискриминатора, на который поступает сигнал радиочастотного возбуждения с соответствующего выхода блока формирования возбуждающего и опорного сигналов. Оптический вход газовой ячейки образует оптический вход блока квантового дискриминатора, на который поступает сигнал оптической накачки - сигнал с выхода источника света оптической накачки. В качестве выходного сигнала блока квантового дискриминатора обычно используется сигнал, формируемый фотодетектором, который фиксирует свет оптической накачки, прошедший через газовую ячейку.
гя
0
Известны квантовые стандарты частоты на газовой ячейке, в которых в качестве источника света оптической накачки используется безэлектродная спектральная лампа, см., например, патенты США: [1] - US 6300841 B1, H03L 7/26, 09.10.2001, Fig.2; [2] - US 6985043 B2, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.1, Fig.9. Безэлектродная спектральная лампа содержит то же рабочее вещество, что и газовая ячейка в блоке квантового дискриминатора, и формирует световое излучение на частоте, соответствующей резонансной частоте ν используемого поглощающего оптического атомного перехода между энергетическими уровнями атомов рабочего вещества газовой ячейки. Резонансная частота СВЧ-резонатора, в котором располагается газовая ячейка, соответствует резонансной частоте f используемого радиочастотного атомного перехода между энергетическими уровнями атомов рабочего вещества газовой ячейки, возбуждаемого при взаимодействии с сигналом радиочастотного возбуждения. Это обеспечивает реализацию принципа двойного радиооптического резонанса поглощения частотно модулированного сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе газовой ячейки, на котором построена работа рассматриваемых квантовых стандартов частоты на газовой ячейке.
1
1
2
0
1
2
0
1
1
2
0
1
0
В процессе работы квантовых стандартов частоты, представленных в [1] и [2], блок формирования возбуждающего и опорного сигналов формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f) модулированный по частоте (фазе) с частотой низкочастотной модуляции F (порядка ста герц) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f которого соответствует резонансной частоте f. Формирование сигнала радиочастотного возбуждения осуществляется с использованием опорных сигналов, формируемых синтезатором частот, входящим в состав блока формирования возбуждающего и опорного сигналов. Сигнал радиочастотного возбуждения поступает на радиочастотный вход блока квантового дискриминатора, т.е. на радиочастотный вход СВЧ-резонатора, в котором располагается газовая ячейка, рабочее вещество которой возбуждается светом оптической накачки. Резонанс поглощения света оптической накачки рабочим веществом газовой ячейки детектируется фотодетектором с получением на выходе гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой F модуляции сигнала радиочастотного возбуждения. Эти гармоники несут в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f сигнала радиочастотного возбуждения относительно резонансной частоты f. Первая из этих гармоник - полезный выходной сигнал блока квантового дискриминатора - поступает на сигнальный вход блока автоматической подстройки частоты, где обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой F, формируемого в блоке формирования возбуждающего и опорного сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f к резонансной частоте f. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты fвыходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной резонансной частотой f.
Недостатком квантовых стандартов частоты, использующих в качестве источника света оптической накачки безэлектродную спектральную лампу, является чрезмерно обогащенный спектр света оптической накачки нерезонансными линиями излучения этой лампы (нерезонансными спектральными линиями ее рабочего вещества и буферного газа), что увеличивает шумовую составляющую выходного сигнала блока квантового дискриминатора и, соответственно, увеличивает нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.
гя
o
гя
0
15
10
Для уменьшения шумовой составляющей выходного сигнала блока квантового дискриминатора, увеличения отношения сигнал/шум и, соответственно, уменьшения нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке в качестве источника света оптической накачки применяют лазерный модуль, выполненный на основе полупроводникового лазерного диода, излучение которого имеет более узкий спектр, чем спектр излучения безэлектродной спектральной лампы, см., например, патент США [3] - US 5656974, Н03В 17/00, H03L 7/26, 15.08.1995, а также работу [4] - 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. По данным работы [4] ширина спектральной линии излучения лазерного модуля имеет величину порядка 10 МГц, что значительно уже ширины спектральной линии поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки (порядка 1000 МГц в ячейке с парами рубидия), но намного больше ширины спектральной линии радиочастотного атомного перехода, возбуждаемого при взаимодействии рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения (менее 1 кГц), при этом резонансная частота ν поглощающего оптического атомного перехода значительно больше резонансной частоты f радиочастотного атомного перехода (ν≈10 Гц, f≈10 Гц).
Для стабилизации частоты излучения лазерного модуля в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой применяют соответствующие средства автоматической подстройки частоты.
лм
гя
Например, известен квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой, представленный в патенте США [5] - US 5442326, H03L 7/26, 15.08.1995, в котором стабилизация частоты излучения лазерного модуля ν осуществляется относительно резонансной частоты ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки. Особенностью квантового стандарта частоты [5] является то, что кольцо автоматической подстройки частоты кварцевого генератора и кольцо автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля работают по одному проходящему через газовую ячейку оптическому сигналу, детектируемому одним фотодетектором. При этом возможность разделения полезных сигналов, несущих информацию об отклонениях частот подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля от своих номиналов, обеспечивается за счет использования разных частот модуляции для сигнала радиочастотного возбуждения и излучения лазерного модуля, что позволяет выделять эти полезные сигналы из выходного сигнала фотодетектора путем последующего синхронного детектирования.
Недостатком квантового стандарта частоты [5] является широкополосность кольца автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля, определяемая шириной спектральной линии поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки (порядка 1000 МГц в ячейке с парами рубидия), что ухудшает точность стабилизации частоты излучения лазерного модуля и негативно сказывается на стабильности квантового стандарта частоты в целом.
0
Другим существенным недостатком квантового стандарта частоты [5] является повышенный уровень шума на выходе блока квантового дискриминатора, обусловленный световым сдвигом резонансной частоты f используемого радиочастотного атомного перехода под действием света оптической накачки, величина которого зависит от интенсивности света оптической накачки.
0
лм
гя
Известен метод уменьшения светового сдвига резонансной частоты f используемого радиочастотного атомного перехода, заключающийся в смещении частоты νизлучения лазерного модуля относительно резонансной частоты ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки на определенную величину Δν, определяемую по минимуму шума на выходе блока квантового дискриминатора (для рубидия-87 величина Δν составляет несколько десятков мегагерц [4]). Этот метод реализован, в частности, в квантовом стандарте частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой, представленном в патенте США [6] - US 5751193, H03L 7/26, 12.05.1998, Fig.5, принятом в качестве прототипа.
Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, первый блок квантового дискриминатора и первый блок автоматической подстройки частоты, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора.
Блок формирования возбуждающего и опорного сигналов содержит повышающий модулирующий преобразователь частоты, выполненный, например, на основе умножителя частоты, смесителя и частотного модулятора, а также синтезатор частот, связанный со смесителем и частотным модулятором. Сигнальным входом блока формирования возбуждающего и опорного сигналов является сигнальный вход повышающего модулирующего преобразователя частоты, радиочастотным выходом - выход повышающего модулирующего преобразователя частоты, а опорным выходом - соответствующий выход синтезатора частот.
Первый блок автоматической подстройки частоты содержит последовательно соединенные первый избирательный усилитель, первый синхронный детектор и первый интегрирующий усилитель. Сигнальным входом первого блока автоматической подстройки частоты является вход первого избирательного усилителя, опорным входом - опорный вход первого синхронного детектора, а выходом - выход первого интегрирующего усилителя.
Первый блок квантового дискриминатора содержит размещенную в СВЧ-резонаторе первую газовую ячейку, оптический выход которой оптически связан с входом первого фотодетектора. Радиочастотный вход СВЧ-резонатора образует радиочастотный вход первого блока квантового дискриминатора, соединенный с радиочастотным выходом блока формирования возбуждающего и опорного сигналов. Выход первого фотодетектора образует выход первого блока квантового дискриминатора, соединенный с сигнальным входом первого блока автоматической подстройки частоты. Оптический вход первой газовой ячейки образует оптический вход первого блока квантового дискриминатора, оптически связанный с первым выходом оптического разветвителя, вход которого оптически связан с выходом лазерного модуля.
Оптический разветвитель выполнен в виде системы из двух оптически связанных зеркал - полупрозрачного и отражающего, при этом первый выход оптического разветвителя образован прямым выходом полупрозрачного зеркала, а второй выход -отражающим зеркалом.
Управляющий вход лазерного модуля через второй блок автоматической подстройки частоты соединен с выходом второго блока квантового дискриминатора. Оптический вход второго блока автоматической подстройки частоты оптически связан с выходом акустооптического модулятора, оптический вход которого оптически связан с вторым выходом оптического разветвителя, а электрический вход соединен с выходом формирователя модулирующего сигнала.
Второй блок квантового дискриминатора выполнен на основе второй газовой ячейки, размещенной в том же СВЧ-резонаторе, что и первая газовая ячейка. Обе газовые ячейки наполнены одинаковым рабочим веществом (парами рубидия-87) и буферным газом и имеют одинаковые характеристики. Оптический вход второй газовой ячейки образует оптический вход второго блока квантового дискриминатора, оптически связанный с выходом акустооптического модулятора. Оптический выход второй газовой ячейки оптически связан с входом второго фотодетектора, выход которого образует выход второго блока квантового дискриминатора, соединенный с входом второго блока автоматической подстройки частоты.
Второй блок автоматической подстройки частоты содержит последовательно соединенные второй избирательный усилитель, второй синхронный детектор, второй интегрирующий усилитель и управляемый источник тока, а также опорный генератор, выход которого соединен с опорными входами управляемого источника тока и второго синхронного детектора. Вход второго избирательного усилителя образует вход второго блока автоматической подстройки частоты, а выход управляемого источника тока - выход второго блока автоматической подстройки частоты.
1
1
2
0
В процессе работы прототипа блок формирования возбуждающего и опорного сигналов формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f) модулированный по частоте (фазе) с частотой низкочастотной модуляции F (порядка ста герц) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f которого соответствует резонансной частоте f используемого радиочастотного атомного перехода между энергетическими уровнями атомов рабочего вещества первой газовой ячейки, возбуждаемого при взаимодействии с сигналом радиочастотного возбуждения. Формирование сигнала радиочастотного возбуждения осуществляется с использованием опорных сигналов (гетеродинного и модулирующего), формируемых синтезатором частот, входящим в состав блока формирования возбуждающего и опорного сигналов.
Сигнал радиочастотного возбуждения поступает на радиочастотный вход СВЧ-резонатора, вступая в резонансное взаимодействие с рабочим веществом первой газовой ячейки.
лм
гя
0
Рабочее вещество первой газовой ячейки находится в возбужденном состоянии под действием света оптической накачки, поступающего с выхода лазерного модуля через первый канал оптического разветвителя, т.е. с его первого выхода. При этом частота излучения лазерного модуля ν отличается от резонансной частоты ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества первой газовой ячейки на определенную величину Δν, выбираемую из условия минимизации светового сдвига резонансной частоты f используемого радиочастотного атомного перехода.
1
2
0
Поглощение света оптической накачки рабочим веществом первой газовой ячейки детектируется первым фотодетектором с получением на его выходе гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой F модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и несущих в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f сигнала радиочастотного возбуждения относительно резонансной частоты f.
1
1
2
0
1
0
лм
гя
0
Первая из этих гармоник используется в качестве полезного сигнала для работы кольца автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Этот сигнал поступает на сигнальный вход первого блока автоматической подстройки частоты, где обрабатывается в первом синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой F, который формируется в блоке формирования возбуждающего и опорного сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется в первом интегрирующем усилителе с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием этого управляющего напряжения частота f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f к резонансной частоте f. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной резонансной частотой f. При этом за счет наличия указанного смещения частоты ν излучения лазерного модуля относительно резонансной частоты ν обеспечивается минимизация светового сдвига резонансной частоты f.
лм
Стабилизация частоты ν излучения лазерного модуля обеспечивается за счет работы второго кольца автоматической подстройки частоты следующим образом.
лм
2
Лазерный модуль формирует модулированное по частоте световое излучение, параметры которого (несущая частота ν и частота модуляции F) определяются параметрами выходного сигнала второго блока автоматической подстройки частоты, а именно параметрами выходного тока управляемого источника тока. При этом постоянная составляющая выходного тока управляемого источника тока определяется управляющим сигналом, поступающим с выхода второго интегрирующего усилителя, а переменная составляющая - опорным сигналом, поступающим с выхода опорного генератора, входящего в состав второго блока автоматической подстройки частоты.
Световое излучение, формируемое лазерным модулем, поступает на вход оптического разветвителя, с первого выхода которого соответствующая часть светового излучения поступает, как рассмотрено выше, на оптический вход первого блока квантового дискриминатора.
3
3
2
1
3
лм
гя
лм
лм
гя
Со второго выхода оптического разветвителя другая часть светового излучения, формируемого лазерным модулем, поступает на оптический вход акустооптического модулятора, на электрический вход которого с выхода формирователя модулирующего сигнала поступает модулирующий сигнал с частотой F, где F>F>F, F=Δν=ν-ν. За счет действия акустооптического модулятора частотный спектр излучения лазерного модуля смещается на величину Δν, образуя, в частности, гармонику с частотой ν*=ν-Δν, соответствующую резонансной частоте ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовых ячеек обоих блоков квантовых дискриминаторов.
2
лм
гя
С выхода акустооптического модулятора преобразованное по частоте излучение лазерного модуля поступает на оптический вход второго блока квантового дискриминатора, т.е. на оптический вход второй газовой ячейки, где вступает в резонансное взаимодействие с ее рабочим веществом. Результат взаимодействия - резонанс поглощения излучения лазерного модуля рабочим веществом газовой ячейки - детектируется вторым фотодетектором с получением на его выходе гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой F модуляции излучения лазерного модуля и несущих в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении частоты ν* относительно резонансной частоты ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки. Первая из этих гармоник используется в качестве полезного сигнала для работы кольца автоматической подстройки частоты лазерного модуля.
2
лм
гя
лм
гя
лм
гя
0
Полезный сигнал, поступающий с выхода второго блока квантового дискриминатора на сигнальный вход второго блока автоматической подстройки частоты, обрабатывается во втором синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой F, формируемого опорным генератором, входящим в состав второго блока автоматической подстройки частоты. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего сигнала для управляемого источника тока, под действием которого постоянная составляющая выходного тока управляемого источника тока изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты ν* к резонансной частоте ν. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты ν излучения лазерного модуля в соответствии со стабильной резонансной частотой ν с одновременным сдвигом частоты ν относительно резонансной частоты ν на величину Δν, обеспечивающую уменьшение светового сдвига резонансной частоты f в газовой ячейке первого блока квантового дискриминатора.
0
При этом, однако, в прототипе сохраняется тот же, что и в рассмотренном выше квантовом стандарте частоты [5], недостаток, обусловленный широкополосностью кольца автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля, определяемой шириной спектральной линии поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки. Данный недостаток, отрицательно влияющий на стабильность частоты излучения лазерного модуля, усугубляется в прототипе загрязнением спектра излучения лазерного модуля побочными спектральными составляющими, обусловленными преобразованиями в акустооптическом модуляторе. Все это в совокупности отрицательно влияет на характеристики стабильности выходного сигнала прототипа, снижая эффект от уменьшения светового сдвига резонансной частоты f.
0
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой, в котором обеспечивается возможность компенсации светового сдвига резонансной частоты f используемого радиочастотного атомного перехода при одновременном увеличении стабильности частоты излучения лазерного модуля, осуществляющего лазерную оптическую накачку.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, первый блок квантового дискриминатора, выполненный с использованием газовой ячейки, размещенной в СВЧ-резонаторе, радиочастотный вход которого, образующий радиочастотный вход первого блока квантового дискриминатора, соединен с радиочастотным выходом блока формирования возбуждающих и опорных сигналов, и первый блок автоматической подстройки частоты, сигнальный вход которого подключен к выходу первого блока квантового дискриминатора, опорный вход подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора. При этом оптический вход газовой ячейки, образующий оптический вход первого блока квантового дискриминатора, оптически связан с первым выходом оптического разветвителя, вход которого оптически связан с выходом лазерного модуля, а управляющий вход лазерного модуля через второй блок автоматической подстройки частоты соединен с выходом второго блока квантового дискриминатора, оптический вход которого оптически связан с вторым выходом оптического разветвителя. В отличие от прототипа второй блок квантового дискриминатора выполнен в виде атомно-лучевой трубки, содержащей источник атомного пучка, окно оптического возбуждения и фотодетектор, служащий для детектирования флуоресцентного света, возникающего в результате взаимодействия атомного пучка со световым излучением, поступающим в атомно-лучевую трубку через окно оптического возбуждения, при этом выход фотодетектора образует выход второго блока квантового дискриминатора, соединенный с входом второго блока автоматической подстройки частоты, а окно оптического возбуждения образует оптический вход второго блока квантового дискриминатора, оптически связанный с вторым выходом оптического разветвителя с обеспечением возможности изменения угла взаимодействия светового излучения, поступающего в атомно-лучевую трубку через окно оптического возбуждения, с атомным пучком, испускаемым источником атомного пучка.
В предпочтительном варианте оптический разветвитель выполнен в виде волоконно-оптического разветвителя с входным волоконным световодом и двумя выходными волоконными световодами, где вход входного волоконного световода образует вход оптического разветвнтеля, а выходы первого и второго выходных волоконных световодов образуют соответственно первый и второй выходы оптического разветвителя, при этом выходная часть второго выходного волоконного световода располагается на поворотной платформе, ось поворота которой проходит через точку пересечения траектории атомного пучка, испускаемого источником атомного пучка, с траекторией взаимодействующего с ним светового излучения, поступающего в атомно-лучевую трубку через окно оптического возбуждения с выхода второго выходного волоконного световода, и ориентирована перпендикулярно плоскости, в которой располагаются указанные траектории.
Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются представленной на чертеже структурной схемой квантового стандарта частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой.
Заявляемый квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой (далее - квантовый стандарт частоты) содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, выход которого образует выход квантового стандарта частоты, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов 2, первый блок квантового дискриминатора 3 и первый блок автоматической подстройки частоты 4, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов 2, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора 1.
Блок формирования возбуждающего и опорного сигналов 2 в рассматриваемом примере содержит повышающий модулирующий преобразователь частоты 5 и синтезатор частот 6. Опорные входы повышающего модулирующего преобразователя частоты 5 соединены с соответствующими выходами синтезатора частоты 6, вход которого соединен с сигнальным входом повышающего модулирующего преобразователя частоты 5. Сигнальный вход и выход повышающего модулирующего преобразователя частоты 5 образуют соответственно сигнальный вход и радиочастотный выход блока формирования возбуждающего и опорного сигналов 2, а соответствующий выход синтезатора частот 6 образует опорный выход блока формирования возбуждающего и опорного сигналов 2. Повышающий модулирующий преобразователь частоты 5 может быть выполнен, например, в виде последовательно соединенных умножителя частоты, смесителя и частотного модулятора, где опорные входы смесителя и частотного модулятора образуют опорные входы повышающего модулирующего преобразователя частоты 5, вход умножителя частоты образует сигнальный вход повышающего модулирующего преобразователя частоты 5, а выход частотного модулятора - выход повышающего модулирующего преобразователя частоты 5.
Первый блок автоматической подстройки частоты 4 в рассматриваемом примере содержит последовательно соединенные первый избирательный усилитель 7, первый синхронный детектор 8 и первый интегрирующий усилитель 9. Вход избирательного усилителя 7, опорный вход синхронного детектора 8 и выход интегрирующего усилителя 9 образуют соответственно сигнальный вход, опорный вход и выход блока автоматической подстройки частоты 4.
гя
0
гя
0
Первый блок квантового дискриминатора 3 содержит размещенную в СВЧ-резонаторе 10 газовую ячейку 11, наполненную рабочим веществом (например, рубидий-87 или цезий-133) и буферным газом. Блок квантового дискриминатора 3 характеризуется резонансной частотой ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки 11, возбуждаемого при оптической накачке, и резонансной частотой f радиочастотного атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки 11, возбуждаемого при взаимодействии с сигналом радиочастотного возбуждения. При этом резонансная частота ν соответствует переходу между первым и третьим энергетическими уровнями атомов рабочего вещества газовой ячейки 11 в трехуровневой энергетической модели атомов, а резонансная частота f - переходу между первым и вторым энергетическими уровнями.
Оптический выход газовой ячейки 11 в рассматриваемом примере оптически связан с входом первого фотодетектора 12, выход которого образует выход блока квантового дискриминатора 3, соединенный с сигнальным входом блока автоматической подстройки частоты 4. Оптический вход газовой ячейки 11 образует оптический вход блока квантового дискриминатора 3, оптически связанный с первым выходом оптического разветвителя 13, вход которого оптически связан с выходом лазерного модуля 14. Радиочастотный вход СВЧ-резонатора 10, выполненный, например, в виде петли или щели связи, образует радиочастотный вход блока квантового дискриминатора 3, соединенный с радиочастотным выходом блока формирования возбуждающих и опорных сигналов 2.
Возможно и другое выполнение блока квантового дискриминатора 3, когда в качестве выхода используется радиочастотный выход СВЧ-резонатора 10, выполненный аналогично радиочастотному входу в виде петли или щели связи (см., например, квантовый стандарт частоты на газовой ячейке по п.1 формулы полезной модели [7] - RU 75807 U1, H03L 7/26, H01S 1/06, 20.08.2008). В этом случае блок автоматической подстройки частоты 4 дополнительно оснащается входным понижающим преобразователем частоты и амплитудным детектором (в рамках данной заявки данный вариант не рассматривается).
Управляющий вход лазерного модуля 14 через второй блок автоматической подстройки частоты 15 соединен с выходом второго блока квантового дискриминатора 16, оптический вход которого оптически связан с вторым выходом оптического разветвителя 13.
Второй блок автоматической подстройки частоты 15 в рассматриваемом примере содержит последовательно соединенные второй избирательный усилитель 17, второй синхронный детектор 18, второй интегрирующий усилитель 19 и управляемый источник тока 20, а также опорный генератор 21, выход которого соединен с опорными входами управляемого источника тока 20 и синхронного детектора 18. Входом блока автоматической подстройки частоты 15 является вход избирательного усилителя 17, а выходом - выход управляемого источника тока 20.
Второй блок квантового дискриминатора 16 выполнен в виде атомно-лучевой трубки 22 с окном оптического возбуждения 23, образующим оптический вход блока квантового дискриминатора 16, источником атомного пучка 24 и вторым фотодетектором 25, выход которого образует выход блока квантового дискриминатора 16. Конструктивно атомно-лучевая трубка 22 представляет собой модификацию традиционной атомно-лучевой трубки, описанной, например, в патенте РФ [8] - RU 2029419 C1, H01S 1/06, 20.02.1995, а также в патентах США: [9] - US 4354108, H01S 1/00, 12.10.1982; [10] - US 3397310, H01S 1/00, H05H 3/00, G04F 5/00, G04F 5/14, 13.08.1968, выполненную без СВЧ-резонатора и оснащенную указанными окном оптического возбуждения 23 и фотодетектором 25.
Фотодетектор 25 служит для детектирования флуоресцентного света, возникающего в результате взаимодействия атомного пучка, испускаемого источником атомного пучка 24, со световым излучением, поступающим в атомно-лучевую трубку 22 через окно оптического возбуждения 23 с второго выхода оптического разветвителя 13.
ап 0
гя
ап 0
гя
В качестве рабочего вещества атомного пучка в атомно-лучевой трубке 22 используется одноименное рабочее вещество, соответствующее рабочему веществу газовой ячейке 11. В этих условиях номинальное значение резонансной частоты поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества атомного пучка (ν), фиксируемое при девяностоградусном угле взаимодействия атомного пучка с возбуждающим его световым излучением, примерно равно резонансной частоте ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки 11, т.е. имеет место примерное равенство ν≈ν.
Оптический вход блока квантового дискриминатора 16 оптически связан с вторым выходом оптического разветвителя 13 с обеспечением возможности изменения угла φ взаимодействия светового излучения, поступающего в атомно-лучевую трубку 22 через окно оптического возбуждения 23 с второго выхода оптического разветвителя 13, с атомным пучком, испускаемым источником атомного пучка 24.
В рассматриваемом примере оптический разветвитель 13 выполнен в виде волоконно-оптического разветвителя, содержащего лучепреломляющий элемент 26 и связанные с ним входной волоконный световод 27, первый выходной волоконный световод 28 и второй выходной волоконный световод 29, где вход волоконного световода 27 образует вход оптического разветвителя 13, а выходы волоконных световодов 28 и 29 образуют соответственно первый и второй выходы оптического разветвителя 13. Конструктивно оптический разветвитель 13 может быть реализован по типу одного из известных волоконно-оптических разветвителей, представленных, например, в патентах США: [11] - US 4365864, G02B 5/14, G02B 5/16, G02B 5/172, 28.12.1982; [12] - US 4722582, G02B 6/26, G02B 6/42, 02.02.1988, а также в патенте РФ [13] - RU 2073260 C1, G02B 6/28, 10.02.1997.
Выходная часть второго выходного волоконного световода 29 располагается на поворотной платформе 30, ось 31 поворота которой проходит через точку пересечения траектории 32 атомного пучка, испускаемого источником атомного пучка 24, с траекторией 33 взаимодействующего с ним светового излучения, поступающего в атомно-лучевую трубку 22 через окно оптического возбуждения 23 с выхода второго выходного волоконного световода 29, при этом ось 31 ориентирована перпендикулярно плоскости, в которой располагаются траектории 32 и 33. Такое выполнение связи второго выхода оптического разветвителя 13 с оптическим входом блока квантового дискриминатора 16 обеспечивает возможность изменения угла φ взаимодействия светового излучения, поступающего в атомно-лучевую трубку 22 через окно оптического возбуждения 23 с второго выхода оптического разветвителя 13, с атомным пучком, испускаемым источником атомного пучка 24, при сохранении неизменным положения участка взаимодействия атомного пучка с возбуждающим его световым излучением.
Возможны и другие конструктивные реализации связи второго выхода оптического разветвителя 13 с оптическим входом блока квантового дискриминатора 16, обеспечивающие возможность изменения угла φ взаимодействия светового излучения, поступающего в атомно-лучевую трубку 22 через окно оптического возбуждения 23 с второго выхода оптического разветвителя 13, с атомным пучком, испускаемым источником атомного пучка 24. Например, изменение угла φ может осуществляться за счет поворота атомно-лучевой трубки 22 относительно второго выхода оптического разветвителя 13. В этом случае оптический разветвитель 13 может быть выполнен аналогично прототипу в виде системы зеркал (в рамках данной заявки данный вариант не рассматривается).
Работа заявляемого квантового стандарта частоты происходит следующим образом.
1
1
1
2
0
Блок формирования возбуждающего и опорного сигналов 2 формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (гармонического сигнала с частотой f) частотно-модулированный (с частотой низкочастотной модуляции F, где F ≈ 100 Гц) СВЧ-сигнал радиочастотного возбуждения, номинальное значение несущей частоты f которого соответствует резонансной частоте f используемого радиочастотного атомного перехода между энергетическими уровнями атомов рабочего вещества газовой ячейки 11, возбуждаемого при взаимодействии с сигналом радиочастотного возбуждения. Формирование сигнала радиочастотного возбуждения осуществляется с помощью умножителя частоты, смесителя и частотного модулятора, входящих в состав повышающего модулирующего преобразователя частоты 5, при этом используются соответствующие опорные сигналы (гетеродинный и модулирующий), формируемые синтезатором частот 6.
лм
лм
гя
0
Сигнал радиочастотного возбуждения поступает на радиочастотный вход блока квантового дискриминатора 3, т.е. на радиочастотный вход СВЧ-резонатора 10, вступая в резонансное взаимодействие с рабочим веществом газовой ячейки 11. При этом рабочее вещество газовой ячейки 11 находится в возбужденном состоянии под воздействием света оптической накачки - светового излучения частоты ν, формируемого лазерным модулем 14 и поступающим на оптический вход газовой ячейки 11 с первого выхода оптического разветвителя 13. Частота ν сдвинута относительно резонансной частоты ν используемого поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки 11 на величину, обеспечивающую минимизацию светового сдвига резонансной частоты f, вызываемого воздействием света оптической накачки.
лм
1
2
0
Резонанс поглощения света оптической накачки частоты ν рабочим веществом газовой ячейки 11 детектируется фотодетектором 12 с получением на его выходе гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой F модуляции сигнала радиочастотного возбуждения. Эти гармоники несут в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f сигнала радиочастотного возбуждения относительно резонансной частоты f. Первая из этих гармоник используется в качестве полезного сигнала для работы кольца автоматической подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1.
1
1
2
0
1
0
лм
гя
0
Выходной сигнал фотодетектора 12 (выходной сигнал блока квантового дискриминатора 3) поступает на сигнальный вход блока автоматической подстройки частоты 4, где усиливается в избирательном усилителе 7, настроенном на частоту полезного сигнала, и далее обрабатывается в синхронном детекторе 8 с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой F, формируемого синтезатором частот 6 и поступающего на опорный вход блока автоматической подстройки частоты 4. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется в интегрирующем усилителе 9 с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора 1. Под действием управляющего напряжения частота f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f к резонансной частоте f. Тем самым осуществляется подстройка и стабилизация частоты f выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной резонансной частотой f. При этом за счет указанного смещения частоты ν излучения лазерного модуля 14 относительно резонансной частоты ν обеспечивается минимизация светового сдвига резонансной частоты f.
лм
гя
Процесс подстройки частоты ν излучения лазерного модуля 14 с учетом необходимого смещения относительно резонансной частоты ν происходит следующим образом.
ап
ап 0
Создаваемое лазерным модулем 14 световое излучение, снимаемое с второго выхода оптического разветвителя 13 (т.е. с выхода волоконного световода 29, размещенного на поворотной платформе 30), поступает на оптический вход блока квантового дискриминатора 16, а именно в окно оптической накачки 23 атомно-лучевой трубки 22. В атомно-лучевой трубке 22 световое излучение вступает во взаимодействие с атомным пучком, испускаемым источником атомного пучка 24, при этом траектория 33 светового излучения и траектория 32 атомного пучка пересекаются под углом φ≠ 90°, определяемым угловым положением поворотной платформы 30. За счет этого угла (т.е. угла между направлением движения атомов атомного пучка и направлением светового излучения) возникает доплеровский сдвиг Δν резонансной частоты поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества атомного пучка ν относительно своего номинального значения ν, определяемый известным выражением
ап
ап 0
ап
0
Δν=ν-ν=ν·(u/c) Cosφ,
где: u - скорость движения атомов атомного пучка, с - скорость света в вакууме (см., например, книгу [14] - К.Одуан, Б.Гино. Измерение времени. Основы GPS / М., Техносфера, 2002, с.146-147, ф-ла 6.14, а также книгу [15] - Ключарев А.Н., Безуглов Н.Н. Процессы возбуждения и ионизации атомов при поглощении света (оптически возбужденные среды) / Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1983, с.34-39, 99-109, рис.2.16).
ап
ап 0
ап 0
гя
ап
гя
Таким образом, за счет наличия угла φ≠90° между направлением движения атомов атомного пучка и направлением светового излучения, задаваемым угловым положением поворотной платформы 30, устанавливается значение резонансной частоты поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества атомного пучка νсо сдвигом на величину Δν относительно номинального значения ν. Поскольку, как указано выше, ν≈ν, то примерно на эту же величину Δν значение резонансной частоты ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества атомного пучка сдвинуто относительно резонансной частоты ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки 11.
ап
Сдвинутая таким образом резонансная частота поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества атомного пучка V используется в качестве эталона для подстройки частоты излучения лазерного модуля 14. Ширина спектральной линии данного перехода значительно (от 10 до 100 раз) уже ширины линии аналогичного атомного перехода в газовой ячейке 11, что объясняется, в частности, отсутствием в атомно-лучевой трубке 22 буферного газа, а также отсутствием столкновений атомов атомного пучка со стенками трубки. Это делает кольцо автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля 14 более узкополосным, а подстраиваемую частоту - более стабильной по сравнению с прототипом.
лм
2
лм
2
лм
ап
Световое излучение, создаваемое лазерным модулем 14, представляет собой модулированный по частоте оптический сигнал, параметры которого (несущая частота ν, частота модуляции F и величина девиации частоты Δν) определяются параметрами модулированного по амплитуде тока, поступающего на управляющий вход лазерного модуля 14 с выхода управляемого источника тока 20. Резонанс взаимодействия этого светового излучения, поступающего в атомно-лучевую трубку 22 с второго выхода оптического разветвителя 13, с атомным пучком, испускаемым источником атомного пучка 24, контролируется по переизлученному атомами пучка флуоресцентному свету, детектируемому фотодетектотором 25 с получением на его выходе гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой модуляции F. Эти гармоники несут в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты ν светового излучения относительно резонансной частоты ν, и первая из них используется в качестве полезного сигнала для работы кольца автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля 14.
2
лм
лм
ап.
лм
ап
ап
0
ап 0
гя
Выходной сигнал фотодетектора 25 (выходной сигнал блока квантового дискриминатора 16) поступает на вход блока автоматической подстройки частоты 15, где усиливается в избирательном усилителе 17, настроенном на частоту этого полезного сигнала, и далее обрабатывается в синхронном детекторе 18 с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой F, формируемого опорным генератором 21. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется в интегрирующем усилителе 19 с получением управляющего напряжения для управляемого источника тока 20. Управляющее напряжение задает величину постоянной составляющей выходного тока управляемого источника тока 20, а частота и амплитуда опорного сигнала, формируемого опорным генератором 21, задают частоту и коэффициент амплитудной модуляции этого тока. Под действием выходного тока управляемого источника тока 20 несущая частота ν лазерного модуля 14 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение несущей частоты ν к резонансной частоте νТем самым осуществляется подстройка и стабилизация частоты ν излучения лазерного модуля 14 относительно стабильной резонансной частоты ν, сдвинутой, как указано выше, относительно номинального значения ν (ν≈ν,) на величину Δν.
ап
лм
гя
0
0
Таким образом, подстраиваемая под резонансную частоту ν частота ν излучения лазерного модуля 14 оказывается смещенной приблизительно на величину Δν относительно резонансной частоты ν поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки 11, уменьшая тем самым световой сдвиг резонансной частоты f в газовой ячейке 11. На практике минимизация светового сдвига резонансной частоты f, т.е. выбор оптимального смещения Δν, осуществляется путем экспериментального подбора определенного углового положения поворотной платформы 30, при котором имеет место минимум шума на выходе блока квантового дискриминатора 3.
На уменьшение шума на выходе блока квантового дискриминатора 3 также положительно влияет узкополосность кольца автоматической подстройки частоты излучения лазерного модуля 14, определяемая шириной спектральной линии поглощающего оптического атомного перехода рабочего вещества атомно-лучевой трубки 22.
Все эти факторы положительно влияют на стабильность выходного сигнала заявляемого квантового стандарта частоты, улучшая ее по сравнению с прототипом.
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой, в котором обеспечивается возможность компенсации светового сдвига резонансной частоты используемого радиочастотного атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки при одновременном увеличении стабильности частоты излучения лазерного модуля, осуществляющего лазерную оптическую накачку.
Источники информации
1. US 6300841 B1, H03L 7/26, опубл. 09.10.2001.
2. US 6985043 B2, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006.
3. US 5656974, H03B 17/00, H03L 7/26, опубл. 15.08.1995.
4. 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.
5. US 5442326, H03L 7/26, опубл. 15.08.1995.
6. US 5751193, H03L 7/26, опубл. 12.05.1998.
7. RU 75807 U1, H03L 7/26, H01S 1/06, опубл. 20.08.2008.
8. RU 2029419 С1, H01S 1/06, опубл. 20.02.1995.
9. US 4354108, H01S 1/00, опубл. 12.10.1982.
10. US 3397310, H01S 1/00, H05H 3/00, G04F 5/00, G04F 5/14, опубл. 13.08.1968.
11. US 4365864, G02B 5/14, G02B 5/16, G02B 5/172, опубл. 28.12.1982.
12. US 4722582, G02B 6/26, G02B 6/42, опубл. 02.02.1988.
13. RU 2073260 С1, G02B 6/28, опубл. 10.02.1997.
14. К.Одуан, Б.Гино. Измерение времени. Основы GPS / М., Техносфера, 2002, с.146-147.
15. Ключарев А.Н., Безуглов Н.Н. Процессы возбуждения и ионизации атомов при поглощении света (оптически возбужденные среды) / Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1983, с.34-39, 99-109.