КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ НА ГАЗОВОЙ ЯЧЕЙКЕ С ИМПУЛЬСНОЙ ЛАЗЕРНОЙ НАКАЧКОЙ Российский патент 2009 года по МПК H03L7/26 H01S1/06 

Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке, например в цезиевых или рубидиевых стандартах частоты с импульсной лазерной накачкой.

Принцип работы квантового стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, см., например, [1] - А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. // М.: Сов. радио, 1978, с.5; [2] - F. Emma, G. Busca, P. Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293. В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки (автоподстройки) частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также формирователь опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами формирователя сигнала радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, [3] - RU № 2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003. Формирователь сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора модулированный по частоте (фазе) СВЧ-сигнал, номинальное значение несущей частоты f_свч которого соответствует вершине контура спектральной линии квантового дискриминатора. В рассматриваемом случае квантового стандарта частоты на газовой ячейке указанная вершина контура спектральной линии квантового дискриминатора определяется резонансной частотой f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения. Частота f₀ стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты f_свч от эталонной частоты f₀. Формирователь управляющего напряжения на основе выходного сигнала квантового дискриминатора формирует сигнал рассогласования, а затем путем интегрирования формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, определяющая частоту выходного сигнала квантового стандарта частоты, изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно эталонной частоты f₀.

Известны квантовые стандарты частоты, в которых квантовый дискриминатор содержит расположенные на одной оптической оси источник света оптической накачки в виде безэлектродной спектральной лампы, СВЧ-резонатор с газовой ячейкой, наполненной рабочим веществом и буферным газом, и фотодетектор, см., например, рубидиевые квантовые стандарты частоты, представленные в патентах: [4] - US №6300841, H03L 7/26, 09.10.2001, Fig.2; [5] - US №6985043, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.2. Эти квантовые стандарты частоты работают на принципе двойного радиооптического резонанса поглощения частотно модулированного сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе (пары рубидия Rb⁸⁷) газовой ячейки СВЧ резонатора, настроенного на резонансную частоту f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения. Детектирование резонанса поглощения осуществляется фотодетектором по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с получением на выходе фотодетектора гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой f_нч модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и несущих в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f_свч сигнала радиочастотного возбуждения относительно частоты f₀. Первая из этих гармоник используется в качестве полезного выходного сигнала квантового дискриминатора. Этот сигнал поступает на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения, где обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой f_нч, формируемого формирователем опорных сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования поступает на вход интегратора, который формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f_свч к частоте f₀. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f₀ - резонансной частотой контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения.

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 квантового дискриминатора и, соответственно, увеличивает нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.

Принципиально устранение этого недостатка возможно при использовании в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке методов лазерной оптической накачки, см., например, работу [6] - 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. Связано это с тем, что лазерное излучение характеризуется одной спектральной составляющей, ширина W_л которой (порядка 10 МГц) значительно уже ширины W_опт контура спектральной линии поглощения света оптической накачки в газовой ячейке (А_св) (порядка 1000 МГц в ячейке с парами рубидия Rb⁸⁷) и больше ширины W_свч контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения (менее 1 кГц), при этом оптическая резонансная частота f_oпт (резонансная частота контура А_св спектральной линии поглощения света оптической накачки) значительно больше резонансной частоты f₀, определяемой резонансной частотой контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения (f_oпт≈10¹⁵ Гц, f₀≈10¹⁰ Гц). Все это дает потенциальную возможность для уменьшения шумовой составляющей выходного сигнала квантового дискриминатора (увеличения отношения полезного сигнала к шуму) и уменьшения вследствие этого нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты).

Известны квантовые стандарты частоты на газовой ячейке с непрерывной лазерной накачкой, см., например, патенты: [7] -US №5751193, H03L 7/26, 12.05.1998; [8] - US №5442326, H03L 7/26, 15.08.1995; [9] - US №5656974, H03L 7/26, Н03В 17/00, 12.08.1997; [10] - DE №4306754, H03L 7/26, H01S 1/06, 21.10.1993. Общим для всех этих устройств является наличие двух колец автоподстройки - кольца автоподстройки частоты кварцевого генератора и кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, причем оба этих кольца работают в непрерывном режиме. Основной технической задачей, решаемой в этих устройствах, является обеспечение работоспособности в условиях применения непрерывной лазерной накачки и наличия двух колец автоподстройки, работающих в непрерывном режиме. При этом, однако, в этих устройствах не удается получить характеристик стабильности частоты, приближающихся к характеристикам стабильности лучших образцов квантовых стандартов частоты на газовой ячейке, использующих лампу накачки, за исключением характеристик за очень короткое время. Связано это, в частности, с тем, что в этих устройствах квантовый переход, соответствующий резонансной частоте f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, осуществляется в условиях существенной связи между оптической и СВЧ-когерентностью, что приводит к существенной зависимости частоты f₀ от интенсивности лазерного излучения (существенному «световому сдвигу») и повышению уровня шума выходного сигнала квантового дискриминатора.

Об этих недостатках, органически присущих квантовым стандартам частоты на газовой ячейке с непрерывной лазерной накачкой, указывается в известной работе [11] - A. Godone, S. Micalizio, СЕ. Calosso and F. Levi. The pulsed rubidium clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. Vol.53, No.3, March 2006, pp. 525-529. В этой же работе описывается метод импульсной лазерной накачки и схема квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, обеспечивающие повышение характеристик стабильности квантового стандарта частоты за счет уменьшения «светового сдвига» (зависимости частоты f₀ от интенсивности лазерного излучения) и рамзеевского сужения контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения.

Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, описанный в работе [11], принят в качестве прототипа.

Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, выход которого является выходом квантового стандарта частоты.

Квантовый дискриминатор в прототипе состоит из расположенных последовательно на одной оптической оси лазерного модуля, полупрозрачного зеркала, оптического переключателя и СВЧ-резонатора с газовой ячейкой и СВЧ-циркулятором, однонаправленный вход и однонаправленный выход которого образуют соответственно СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора. В качестве рабочего вещества в газовой ячейке используется рубидий Rb⁸⁷. СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора образуют соответственно СВЧ-вход и СВЧ-выход квантового дискриминатора. Управляющий вход оптического переключателя образует первый управляющий вход квантового дискриминатора. Управляющий вход лазерного модуля образует второй управляющий вход квантового дискриминатора. Ответвляющий выход полупрозрачного зеркала образует оптический выход квантового дискриминатора.

СВЧ-вход квантового дискриминатора соединен с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а СВЧ-выход - с сигнальным входом формирователя управляющего напряжения. Оптический выход квантового дискриминатора соединен с входом устройства оптической дискриминации и детектирования, выход которого через формирователь управляющего тока соединен с вторым управляющим входом квантового дискриминатора. Первый управляющий вход квантового дискриминатора соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, второй и третий управляющие выходы которого соединены соответственно с управляющим входом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя управляющего напряжения, а опорные выходы соединены с соответствующими опорными входами формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения. Вход блока формирования опорных и управляющих сигналов по общепринятой практике подсоединяется к выходу подстраиваемого кварцевого генератора (выходу квантового стандарта частоты), что обеспечивает согласованность формируемых им опорных и управляющих сигналов, что в свою очередь обеспечивает согласованное разделение во времени процессов импульсной лазерной накачки, импульсного радиочастотного возбуждения рабочего вещества газовой ячейки СВЧ-резонатора и автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора при непрерывной работе кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля.

Импульсная лазерная накачка осуществляется последовательностью одиночных световых импульсов, формируемых оптическим переключателем с периодичностью Т_с из непрерывного лазерного излучения, создаваемого лазерным модулем. Импульсное радиочастотное возбуждение осуществляется последовательностью пачек из двух СВЧ-импульсов, формируемых формирователем сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с периодичностью Т_с после прохождения каждого импульса лазерной накачки. Несущая частота f_свч СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения модулирована низкочастотным сигналом с частотой f_нч; номинальное значение несущей частоты f_свч соответствует резонансной частоте f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, а текущее значение частоты f_свч определяется текущим значением частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора. Формирование СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения осуществляется в формирователе сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с помощью входящих в его состав входного блока и выходного электронного ключа, где входной блок представляет собой модулирующий преобразователь частоты, реализованный, например, на основе повышающего преобразователя частоты и модулятора, при этом сигнальный и опорные входы этого модулирующего преобразователя частоты образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а управляющий вход и выход электронного ключа образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.

Автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора осуществляется в соответствующих временных окнах по окончанию каждой пачки СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения по сигналу, поступающему на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения с СВЧ-выхода квантового дискриминатора. Формирователь управляющего напряжения содержит входной электронный ключ и выходной блок, состоящий из гетеродинного понижающего преобразователя частоты, амплитудного детектора, синхронного детектора и интегратора, где сигнальный и управляющий входы электронного ключа образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего напряжения, опорные входы гетеродинного понижающего преобразователя частоты и синхронного детектора образуют опорные входы формирователя управляющего напряжения, а выход интегратора образует выход формирователя управляющего напряжения.

Сигнал, поступающий на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения с СВЧ-выхода квантового дискриминатора, представляет собой отклик СВЧ-резонатора на СВЧ-импульсы радиочастотного возбуждения и несет в себе информацию об отклонении текущего значения несущей частоты f_свч от эталона - резонансной частоты f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения. В формирователе управляющего напряжения этот сигнал проходит через входной электронный ключ, периоды замкнутого состояния которого определяют временные окна для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, и поступает в выходной блок. В выходном блоке сигнал, прошедший через электронный ключ, преобразуется по частоте с помощью гетеродинного понижающего преобразователя частоты, затем детектируется с помощью амплитудного детектора с выделением гармоники с частотой f_нч, далее синхронно детектируется относительно опорного сигнала с частотой f_нч с выделением сигнала рассогласования, величина и знак которого характеризуют величину и знак отклонения частоты f_свч от частоты f₀, после чего полученный сигнал рассогласования интегрируется, образуя выходной сигнал формирователя управляющего напряжения. Необходимые для работы электронного ключа, гетеродинного понижающего преобразователя частоты и синхронного детектора управляющий и опорные сигналы поступают с соответствующих выходов блока формирования опорных и управляющих сигналов.

Сигнал с выхода формирователя управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора, изменяя частоту его выходного сигнала в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f_свч к частоте f₀. Тем самым осуществляется процесс подстройки и стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии с эталоном - стабильной частотой f₀.

При этом за счет разделения во времени СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения, импульсов лазерной накачки и промежутков времени (временных окон), используемых для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивается рамзеевское сужение контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения до значения, примерно равного W*_свч≈W_свч·t₁/T₁, где

W_свч - ширина контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с СВЧ-сигналом радиочастотного возбуждения при непрерывном режиме работы, t₁ - длительность СВЧ-импульса радиочастотного возбуждения, T₁ - временной разнос между фронтами СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения в пачке. В этих условиях квантовый переход, соответствующий резонансной частоте f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, осуществляется со значительно ослабленной (по сравнению с непрерывным режимом работы) связью между оптической и СВЧ-когерентностью, при этом уменьшается зависимость частоты f₀ от интенсивности лазерного излучения (уменьшается «световой сдвиг»), а также уровень шума выходного сигнала квантового дискриминатора. Все это положительно сказывается на работе кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивая возможность достижения более высоких характеристик стабильности частоты его выходного сигнала (выходного сигнала квантового стандарта частоты) по сравнению с квантовыми стандартами частоты, использующими как непрерывную лазерную накачку, так и непрерывную оптическую накачку с помощью безэлектродной спектральной лампы.

Долговременная стабильность квантового стандарта частоты обеспечивается при стабильной частоте излучения лазерного модуля. В прототипе это реализуется за счет непрерывно работающего кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, в состав которого помимо собственно лазерного модуля входят полупрозрачное зеркало, устройство оптической дискриминации и детектирования и формирователь управляющего тока, выход которого подключен к управляющему входу лазерного модуля. Работа кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля происходит по части излучения лазерного модуля, ответвляемой полупрозрачным зеркалом на вход устройства оптической дискриминации и детектирования, содержащего эталонную газовую ячейку с фотодетектором на выходе. Оптическая резонансная частота этой газовой ячейки, определяемая резонансной частотой контура спектральной линии поглощения лазерного излучения, является эталоном для оценки отклонения частоты излучения лазерного модуля от номинала, а выходной сигнал фотодетектора, фиксирующий оптический резонанс, несет в себе информацию об этом отклонении. Выходной сигнал фотодетектора обрабатывается в формирователе управляющего тока с получением выходного сигнала - управляющего тока, под воздействием которого частота излучения лазерного модуля приводится в соответствие с эталоном.

Однако наличие в прототипе непрерывно работающего кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, использующего к тому же в качестве эталона отдельную газовую ячейку, требующую термостабилизации, увеличивает энергопотребление, габариты и массу квантового стандарта частоты. Это является недостатком, препятствующим практическому применению такого квантового стандарта частоты, особенно в составе бортового оборудования.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, в котором оба кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля работают в импульсном режиме, используя при этом в качестве эталона газовую ячейку СВЧ-резонатора квантового дискриминатора. Такой квантовый стандарт частоты по сравнению с прототипом отличается меньшим уровнем энергопотребления и меньшими габаритами и массой, что с учетом обеспечиваемых характеристик стабильности (на уровне прототипа) делает его перспективным для практического применения, в том числе в составе бортового оборудования.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных и управляющих сигналов, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, а опорные выходы - с соответствующими опорными входами формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения. Квантовый дискриминатор содержит расположенные последовательно на одной оптической оси лазерный модуль, оптический переключатель и СВЧ-резонатор с газовой ячейкой, при этом СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора, образующие СВЧ-вход и СВЧ-выход квантового дискриминатора, соединены соответственно с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и сигнальным входом формирователя управляющего напряжения, управляющий вход оптического переключателя, образующий первый управляющий вход квантового дискриминатора, соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, управляющий вход лазерного модуля, образующий второй управляющий вход квантового дискриминатора, соединен с выходом формирователя управляющего тока, а второй и третий управляющие выходы блока формирования опорных и управляющих сигналов соединены соответственно с управляющим входом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя управляющего напряжения. В отличие от прототипа квантовый дискриминатор дополнительно содержит расположенный на одной оптической оси с СВЧ-резонатором фотодетектор, выход которого, образующий дополнительный выход квантового дискриминатора, соединен с сигнальным входом формирователя управляющего тока, выполненным в виде последовательно соединенных входного электронного ключа, сигнальный и управляющий входы которого образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего тока, блока синхронного детектирования и интегрирования, опорный вход которого образует опорный вход формирователя управляющего тока, и выходного сумматора, второй вход и выход которого образуют соответственно суммирующий вход и выход формирователя управляющего тока. При этом управляющий вход формирователя управляющего тока соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, опорный вход формирователя управляющего тока через формирователь опорного сигнала детектирования соединен с выходом делителя частоты, вход которого соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, а суммирующий вход формирователя управляющего тока через формирователь импульсов соединен с выходом делителя частоты.

В вариантах реализации, предпочтительных для практического осуществления, формирователь импульсов выполнен в виде формирователя импульсов типа «меандр», а делитель частоты выполнен в виде триггера.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1-3, где

на фиг.1 представлена структурная схема заявляемого квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой;

на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие импульсный характер работы;

на фиг.3 - график, поясняющий особенности формирования импульсов лазерной накачки.

Заявляемый квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой (далее квантовый стандарт частоты) содержит, см. фиг. 1, последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, формирователь 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор 3 и формирователь 4 управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, выход которого образует выход квантового стандарта частоты.

Квантовый дискриминатор 3 содержит расположенные последовательно на одной оптической оси лазерный модуль 5, оптический переключатель 6, СВЧ-резонатор 7 с газовой ячейкой 8 и фотодетектор 9. Лазерный модуль 5 может быть выполнен, например, в виде термостабилизированного модуля с лазерным диодом; оптический переключатель 6 может быть выполнен, например, в виде оптоэлектронного переключателя; в качестве рабочего вещества в газовой ячейке 8 может быть использован рубидий (например, Rb⁸⁷) или цезий (например, Cs¹³³). СВЧ-резонатор 7 имеет СВЧ-вход и СВЧ-выход, выполненные, например, в виде петель или щелей связи. СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора 7 образуют соответственно СВЧ-вход и СВЧ-выход квантового дискриминатора 3. Управляющий вход оптического переключателя 6 образует первый управляющий вход квантового дискриминатора 3. Управляющий вход лазерного модуля 5 образует второй управляющий вход квантового дискриминатора 3. Выход фотодетектора 9 образует дополнительный выход квантового дискриминатора 3.

СВЧ-вход и СВЧ-выход квантового дискриминатора 3 соединены соответственно с выходом формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и сигнальным входом формирователя 4 управляющего напряжения.

Первый управляющий вход квантового дискриминатора 3 соединен с первым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.

Второй управляющий вход квантового дискриминатора 3 соединен с выходом формирователя 11 управляющего тока, сигнальный вход которого соединен с дополнительным выходом квантового дискриминатора 3.

Второй и третий управляющие выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов соединены соответственно с управляющим входом формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя 4 управляющего напряжения, опорные входы которых соединены с соответствующими опорными выходами блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.

Вход блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1.

Формирователь 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения выполнен аналогично прототипу и содержит входной блок 12 и выходной электронный ключ 13. Входной блок 12 служит для модулирующего преобразования частоты, его сигнальный и опорные входы образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения. Выходной электронный ключ 13 служит для формирования СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения, его управляющий вход и выход образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.

Формирователь 4 управляющего напряжения выполнен аналогично прототипу и содержит входной электронный ключ 14 и выходной блок 15. Входной электронный ключ 14 служит для формирования временных окон, предназначенных для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1, его сигнальный и управляющий входы образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя 4 управляющего напряжения. Выходной блок 15 служит для гетеродинного понижающего преобразования частоты, амплитудного детектирования, синхронного детектирования и интегрирования, его опорные входы и выход образуют соответственно опорные входы и выход формирователя 4 управляющего напряжения.

Блок 10 формирования опорных и управляющих сигналов в рассматриваемом примере состоит из формирователя 16 опорных сигналов и формирователя 17 управляющих сигналов, где вход формирователя 16 опорных сигналов образует вход блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, опорные выходы формирователя 16 опорных сигналов образуют опорные выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, а управляющие выходы формирователя 17 управляющих сигналов образуют управляющие выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, при этом вход формирователя 17 управляющих сигналов подключен к синхронизирующему выходу формирователя 16 опорных сигналов. Формирователь 16 опорных сигналов может быть выполнен, например, на основе синтезатора частот, а формирователь 17 управляющих сигналов - на основе одновибраторов.

Формирователь 11 управляющего тока выполнен в виде последовательно соединенных входного электронного ключа 18, блока 19 синхронного детектирования и интегрирования и выходного сумматора 20, где сигнальный и управляющий входы электронного ключа 18 образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя 11 управляющего тока, опорный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования образует опорный вход формирователя 11 управляющего тока, а второй вход и выход выходного сумматора 20 образуют соответственно суммирующий вход и выход формирователя 11 управляющего тока.

Управляющий вход формирователя 11 управляющего тока соединен с первым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.

Опорный вход формирователя 11 управляющего тока через формирователь 21 опорного сигнала детектирования соединен с выходом делителя частоты 22, вход которого соединен с первым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.

Суммирующий вход формирователя 11 управляющего тока через формирователь импульсов 23 соединен с выходом делителя частоты 22.

Формирователь 21 опорного сигнала детектирования может быть выполнен, например, в виде полосового фильтра и фазосдвигающей цепи, обеспечивающих формирование гармонического сигнала с частотой, соответствующей частоте первой гармоники выходного сигнала делителя частоты 22, и фазой, соответствующей фазе импульсов, поступающих на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования.

Формирователь импульсов 23 может быть выполнен в виде формирователя импульсов типа «меандр», а делитель частоты 22 - в виде триггера, реализующего функцию делителя частоты «на два».

Работа заявляемого квантового стандарта частоты происходит следующим образом.

Как и в прототипе, процессы лазерной накачки и радиочастотного возбуждения рабочего вещества газовой ячейки 8 являются импульсными и разнесены во времени. При этом импульсная лазерная накачка осуществляется последовательностью одиночных световых импульсов длительностью t_p, формируемых с периодичностью Т_с из выходного сигнала лазерного модуля 5 с помощью оптического переключателя 6, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а), а импульсное радиочастотное возбуждение осуществляется последовательностью пачек из двух СВЧ-импульсов длительностью t₁ и временным разносом T₁ между фронтами этих импульсов в пачке, формируемых формирователем 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения после прохождения каждого импульса лазерной накачки с помощью выходного электронного ключа 13, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего со второго управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2б). Несущая частота f_свч СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения модулирована низкочастотным сигналом с частотой f_нч; номинальное значение несущей частоты f_свч соответствует резонансной частоте f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, а текущее значение частоты f_свч определяется текущим значением частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора. Формируются СВЧ-импульсы радиочастотного возбуждения из непрерывного модулированного СВЧ-сигнала, поступающего на сигнальный вход электронного ключа 13 с выхода входного блока 12, где он формируется из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 путем модулирования и некратного повышающего преобразования частоты. Необходимые для этого опорные сигналы поступают на опорные входы формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с соответствующих выходов блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.

По окончании каждой пачки СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения осуществляется автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1. Автоподстройка происходит во временных окнах длительностью t_d, когда отсутствуют лазерная накачка и радиочастотное возбуждение. Эти временные окна формируются с помощью входного электронного ключа 14 формирователя 4 управляющего напряжения, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего с третьего управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг. 2в). В периоды, когда электронный ключ 14 открыт, на сигнальный вход выходного блока 15 формирователя 4 управляющего напряжения поступает сигнал с СВЧ-выхода квантового дискриминатора 3. Этот сигнал представляет собой отклик СВЧ-резонатора 7 на произведенное перед этим радиочастотное возбуждение и несет в себе информацию об отклонении несущей частоты f_свч сигнала радиочастотного возбуждения относительно эталона - резонансной частоты f₀ контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения. В блоке 15 этот сигнал преобразуется по частоте с помощью гетеродинного понижающего преобразователя частоты, детектируется с помощью амплитудного детектора с выделением гармоники с частотой f_нч, далее синхронно детектируется относительно опорного сигнала с частотой f_нч, поступающего с соответствующего опорного выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, с выделением сигнала рассогласования, величина и знак которого характеризуют величину и знак отклонения частоты f_свч от частоты f₀, затем полученный сигнал рассогласования интегрируется, образуя выходной сигнал формирователя 4 управляющего напряжения.

Выходной сигнал формирователя 4 управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, изменяя частоту его выходного сигнала в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f_свч к частоте f₀. Тем самым осуществляется процесс автоподстройки и стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f₀.

При этом, как и в прототипе, за счет разделения во времени СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения, импульсов лазерной накачки и временных окон, отведенных для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивается рамзеевское сужение контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения (определяемое отношением t₁/T₁), что приводит к уменьшению связи между оптической и СВЧ-когерентностью и уменьшению зависимости частоты f₀ от интенсивности лазерного излучения (уменьшению «светового сдвига»). Все это положительно сказывается на работе кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1, обеспечивая возможность получения тех же характеристик стабильности квантового стандарта частоты, что и в прототипе.

В долговременном плане характеристики стабильности квантового стандарта частоты, обусловленные рамзеевским сужением контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения, обеспечиваются при условии стабильной частоты излучения лазерного модуля 5. В заявляемом квантовом стандарте частоты это осуществляется за счет автоподстройки частоты излучения лазерного модуля 5 с использованием в качестве эталона газовой ячейки 8, входящей в состав СВЧ-резонатора 7 квантового дискриминатора 3.

Автоподстройка частоты излучения лазерного модуля 5 происходит во временных окнах, формируемых вслед за временными окнами, отведенными для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1. Эти временные окна совпадают с импульсами лазерной накачки и имеют ту же длительность t_p. Формируются эти временные окна с помощью входного электронного ключа 18 формирователя 11 управляющего тока, переключаемого синхронно с оптическим переключателем 6 под воздействием управляющего сигнала, поступающего с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а). В периоды, когда электронный ключ 18 открыт, через него на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования поступает сигнал с дополнительного выхода квантового дискриминатора 3, т.е. с выхода фотодетектора 9. На основе этого сигнала с помощью блока 19 синхронного детектирования и интегрирования и сумматора 20 формируется управляющий ток (выходной сигнал формирователя 11 управляющего тока), который поступает на второй управляющий вход квантового дискриминатора 3, т.е. на управляющий вход лазерного модуля 5. Формируется управляющий ток путем сложения в сумматоре 20 токов, поступающих на его первый и второй входы соответственно с выхода блока 19 синхронного детектирования и интегрирования и выхода формирователя импульсов 23. Управляющий ток является пульсирующим, имеет постоянную составляющую, определяемую выходным током блока 19 синхронного детектирования и интегрирования, и переменную составляющую, определяемую величиной импульсов тока типа «меандр», формируемых формирователем импульсов 23 (фиг. 2г) на основе периодического импульсного сигнала, поступающего с выхода делителя частоты 22 (фиг.2д). В свою очередь выходной сигнал делителя частоты 22 формируется на основе управляющего сигнала, поступающего на его вход с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а), и имеет по сравнению с ним удвоенный период 2Т_с (фиг.2д). Этот же удвоенный период имеет и импульсный ток типа «меандр», формируемый формирователем импульсов 23 (фиг.2г).

Под действием управляющего тока, поступающего на управляющий вход лазерного модуля 5, частота его излучения приобретает пульсирующий вид, характеризуемый девиацией частоты относительно среднего значения f_св и периодом пульсаций 2Т_с. После прохождения такого пульсирующего лазерного излучения через оптический переключатель 6, переключаемый с периодом Т_с под действием управляющего сигнала, поступающего с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг. 2а), на его выходе образуются импульсы лазерной накачки длительностью t_p с поочередно изменяющейся девиацией частоты на величину , что проиллюстрировано на фиг.3. Средняя частота f_св импульсов лазерной накачки соответствует резонансной частоте f_опт контура А_св спектральной линии поглощения света лазерной накачки в газовой ячейке 8, а девиация частоты относительно среднего значения f_св соответствует полуширине W_опт контура А_св (фиг.3).

Прошедшие через газовую ячейку 8 импульсы лазерной накачки претерпевают амплитудные изменения, определяемые контуром А_св спектральной линии поглощения света лазерной накачки рабочим веществом в газовой ячейке 8 (фиг. 3), что отражается в уровнях выходного сигнала фотодетектора 9. При этом при совпадении среднего значения частоты лазерного излучения f_св с резонансной частотой f_oпт контура А_св импульсы выходного сигнала фотодетектора 9 будут равны по амплитуде, а при несовпадении (расстройке) будут иметь разные амплитуды, причем величина и знак разности амплитуд этих импульсов будут определяться величиной и знаком расстройки.

Информация об отклонении среднего значения частоты лазерного излучения f_св относительно резонансной частоты f_опт, содержащаяся в импульсах выходного сигнала фотодетектора 9, прошедших через электронный ключ 18 на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования, выделяется в нем в виде сигнала рассогласования с помощью синхронного детектирования. Синхронное детектирование ведется относительно опорного сигнала детектирования, поступающего на опорный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования с выхода формирователя 21 опорного сигнала детектирования. Опорный сигнал детектирования в рассматриваемом примере представляет собой гармонический сигнал, период которого соответствует периоду выходного сигнала делителя частоты 22 (т.е. периоду 2Т_с), а фаза соответствует фазе импульсов, поступающих на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования с выхода электронного ключа 18. Полученный сигнал рассогласования далее интегрируется, образуя выходной сигнал (выходной ток) блока 19 синхронного детектирования и интегрирования. Этот выходной сигнал поступает на первый вход сумматора 20, где он преобразуется рассмотренным выше образом в пульсирующий ток, являющийся выходным сигналом формирователя 11 управляющего тока.

Под действием выходного сигнала формирователя 11 управляющего тока частота излучения лазерного модуля 5 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя среднее значение f_св частоты излучения в соответствие с эталонной частотой f_опт Тем самым осуществляется процесс автоподстройки и стабилизации среднего значения частоты излучения лазерного модуля 5 с использованием в качестве эталона газовой ячейки 8, входящей в состав СВЧ-резонатора 7 квантового дискриминатора 3.

Временные параметры рассмотренных процессов лазерной накачки, радиочастотного возбуждения и автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 5 могут быть, например, следующими: Т_с = 12 мс, t₁=0,2 мс, T₁=4 мс, t_d=3,8 мс, t_p=4 мс. Значения постоянных времени колец автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 5 могут находиться в диапазоне 0,1÷1,0 с.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, в котором оба кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля работают в импульсном режиме, используя при этом в качестве эталона газовую ячейку СВЧ-резонатора квантового дискриминатора. Такой квантовый стандарт частоты характеризуется (по сравнению с прототипом) меньшим уровнем энергопотребления и меньшими габаритами и массой, что с учетом обеспечиваемых характеристик стабильности (как в прототипе) делает его перспективным для практического применения, в том числе в составе бортового оборудования.

Источники информации

1. А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. // М.: Сов. радио, 1978.

2. F. Emma, G. Busca, P. Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293.

3. RU №2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003.

4. US №6300841, H03L 7/26, опубл. 09.10.2001.

5. US №6985043, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006.

6. 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.

7. US №5751193, H03L 7/26, опубл. 12.05.1998.

8. US №5442326, H03L 7/26, опубл. 15.08.1995.

9. US №5656974, H03L 7/26, H03B 17/00, опубл. 12.08.1997.

10. DE №4306754, H03L 7/26, H01S 1/06, опубл. 21.10.1993.

11. A. Godone, S. Micalizio, C.E. Calosso and F. Levi. The pulsed rubidium clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. Vol.53, No.3, March 2006, pp.525-529.

Стандарт частоты предназначен для использования в составе бортового оборудования. Устройство содержит два кольца автоподстройки. Кольцо автоподстройки частоты излучения лазерного модуля содержит фотодетектор, подсоединенный к формирователю управляющего тока, выполненному в виде последовательно соединенных входного электронного ключа, блока синхронного детектирования и интегрирования и выходного сумматора. Также на блок синхронного детектирования и интегрирования и выходной сумматор поступают опорные и управляющие сигналы соответственно через формирователь опорного сигнала детектирования и формирователь импульсов, соединенные входами с делителем частоты. Кольцо автоподстройки кварцевого генератора содержит формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и формирователь управляющего напряжения, соединенные с квантовым дискриминатором, а также блок формирования опорных и управляющих сигналов, соединенный с выходом подстраиваемого кварцевого генератора. Оба кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля работают в импульсном режиме, используя при этом в качестве эталона газовую ячейку СВЧ-резонатора квантового дискриминатора. Тем самым достигается снижение габаритов и массы устройства, а также уровня электропотребления. При этом характеристики стабильности не изменяются. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, содержащий последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных и управляющих сигналов, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, а опорные выходы - с соответствующими опорными выходами формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения, причем квантовый дискриминатор содержит расположенные последовательно на одной оптической оси лазерный модуль, оптический переключатель и СВЧ-резонатор с газовой ячейкой, при этом СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора, образующие СВЧ-вход и СВЧ-выход квантового дискриминатора, соединены, соответственно, с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и сигнальным входом формирователя управляющего напряжения, управляющий вход оптического переключателя, образующий первый управляющий вход квантового дискриминатора, соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, управляющий вход лазерного модуля, образующий второй управляющий вход квантового дискриминатора, соединен с выходом формирователя управляющего тока, а второй и третий управляющие выходы блока формирования опорных и управляющих сигналов соединены, соответственно, с управляющим входом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя управляющего напряжения, отличающийся тем, что квантовый дискриминатор дополнительно содержит расположенный на одной оптической оси с СВЧ-резонатором фотодетектор, выход которого, образующий дополнительный выход квантового дискриминатора, соединен с сигнальным входом формирователя управляющего тока, выполненным в виде последовательно соединенных входного электронного ключа, сигнальный и управляющий входы которого образуют, соответственно, сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего тока, блока синхронного детектирования и интегрирования, опорный вход которого образует опорный вход формирователя управляющего тока, и выходного сумматора, второй вход и выход которого образуют, соответственно, суммирующий вход и выход формирователя управляющего тока, при этом управляющий вход формирователя управляющего тока соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, опорный вход формирователя управляющего тока через формирователь опорного сигнала детектирования соединен с выходом делителя частоты, вход которого соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, а суммирующий вход формирователя управляющего тока через формирователь импульсов соединен с выходом делителя частоты.

2. Квантовый стандарт частоты по п.1, отличающийся тем, что формирователь импульсов выполнен в виде формирователя импульсов типа «меандр», а делитель частоты выполнен в виде триггера.