КВАНТОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ Российский патент 2011 года по МПК H03L7/26 H01S3/137 H01S1/00 

Предлагаемое изобретение относится к квантовым стандартам частоты (КСЧ), устройствам для генерирования, усиления, модуляции, демодуляции или преобразования частоты, и может быть использовано как средство увеличения стабильности частоты.

Принцип действия КСЧ основывается на стабилизации частоты кварцевого генератора по атомной линии щелочного металла. При этом номинальное значение частоты и систематическое изменение частоты с течением времени полностью определяются частотой и стабильностью атомной линии. Наблюдение резонанса соответствующего линии расщепления основного состояния осуществляется в парах атомов металлов, содержащихся в специальной ячейке (далее ячейка). Сигнал резонанса обычно наблюдается или по флюоресценции щелочных атомов в ячейке, или по пропусканию света определенной частоты через ячейку. Поле облучения ячейки создается частотно-модулированным излучением одного лазера (или при помощи излучения двух лазеров, чья разница частот модуляции соответствует резонансной линии расщепления атомов). В результате модуляции в спектре излучения лазера появляются боковые гармоники. Когда расстояние между этими первыми гармониками равно частоте сверхвысокочастотного (СВЧ) резонанса, возникает когерентная непоглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание ячейки растет. Этот эффект называют когерентным пленением населенностей (КПН), или лямбда-резонансом. Модулированное излучение лазера на частоте сверхтонкого резонанса атомов металла подается на ячейку, содержащую смесь паров щелочного металла и буферного газа. Например, данная модуляция лазера может быть получена при помощи модуляции управляемого сверхвысокочастотным генератором источника тока или новых типов лазеров, имеющих необходимый спектр модуляции излучения, или влиянием на лазерное излучение электрооптическими модуляторами, или другими элементами, способными изменять фазу оптического излучения. В ячейке, содержащей смесь паров щелочного металла и буферного газа, когда разница частот между боковыми полосами (ω₂₁=ω₂-ω₁) или между частотами излучений лазеров (ω₂₁=ω₂-ω₁) равна частоте СВЧ-резонанса, имеет место узкий провал поглощения модулированного излучения лазера. При воздействии модулированного лазерного излучения происходит эффективный оптический сдвиг в картине резонанса. Лазерное излучение влияет на сдвиг частоты и ширину СВЧ-резонанса. Указанный оптический (полевой) сдвиг пропорционален интенсивности светового поля и существенным образом зависит от отстройки оптической частоты лазерного излучения в оптическом резонансе. На выходе из ячейки можно наблюдать два типа сигнала: сигнал флюоресценции и непосредственно прошедшее ("на пропускание") через ячейку излучение лазера. При наблюдении КПН-резонанса отмечается уменьшение сигнала флюоресценции, в то время как КПН-резонанс "на пропускание" лазерного излучения детектируется по увеличению пропускания модулированного лазерного излучения. Этот сигнал попадает на фотодетектор и в дальнейшем наблюдается непосредственно по регистрирующим приборам, либо подвергается синхронному детектированию для того, чтобы выделить сигнал подстройки частоты СВЧ-генератора, используемого для модуляции лазера (или для поддержания разницы частот двух лазеров), для того чтобы посредством этого реализовать КСЧ.

Известен КСЧ (Patent No: US 6,265,945, Date of Patent: Jul. 24, 2001), содержащий лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки. С ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации данной ячейки. Оптический выход лазера также соединен с оптическим входом первого, контролирующего интенсивность излучения лазера фотодетектора. Электрический выход этого фотодетектора соединен со входом первого блока аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со вторым блоком аналого-цифрового преобразования микроконтроллера. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом третьего фотодетектора, контролирующего интенсивность флюоресценции. Электрический выход данного фотодетектора соединен с третьим блоком аналого-цифрового преобразования микроконтроллера. Микроконтроллер обеспечивает цифровую обработку сигналов схемы и выработку сигналов управления, посредством трех цифроаналоговых преобразователей, для подсоединенных к его выходам трех блоков схемы, и управление блоком температурной стабилизации лазера. Два выхода соединены со входами СВЧ-генератора и предназначены для управления частотой и индексом модуляции выходного сигнала СВЧ-генератора. Третий цифроаналоговый выход микроконтроллера соединен с первым входом блока источника питания лазера для управления оптической частотой лазера, посредством обработки микроконтроллером сигнала с фотодетектора, контролирующего интенсивность флюоресценции. Выход СВЧ-генератора соединен со вторым входом блока источника питания лазера. Выход источника питания лазера соединен с электрическим входом лазера.

Однако в указанном КСЧ используется детектирование полезного сигнала по сигналу флюоресценции и, следовательно, подстройка оптической частоты лазера в оптический резонанс по однородному спектральному контуру группы атомов в ячейке, а также отсутствуют меры по устранению полевого сдвига, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.

Кроме того, известно КСЧ (Patent No: US 6,320,472 B1, Date of Patent: Nov.20, 2001), являющееся прототипом предлагаемого изобретения и содержащее лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки, содержащей смесь паров щелочного металла и буферного газа. С ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации данной ячейки. Первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора. Второй вход первого синхронного детектора соединен с выходом первого модулятора. Выход первого синхронного детектора соединен с блоком формирования управляющего сигнала СВЧ-генератором. Также со входом блока формирователя соединен выход первого модулятора. Выход блока формирования управляющего сигнала СВЧ-генератора соединен со входом СВЧ-генератора. Выход СВЧ-генератора соединен с первым управляющим входом источника питания лазера. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом второго фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала флюоресценции из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора. Второй синхронный детектор вырабатывает сигнал, пропорциональный сигналу поправки оптической частоты к линии оптического резонанса в схеме КПН в пределах однородного контура резонансной линии. Второй вход второго синхронного детектора соединен с выходом второго модулятора. Также с выходом второго модулятора соединен блок формирования управляющего сигнала оптической частотой лазера для источника питания лазера. Выход этого блока соединен со вторым управляющим входом источника питания лазера. Выход источника питания лазера, который обеспечивает модуляцию излучения лазера, а также управление его оптической частотой, соединен с электрическим входом лазера.

Однако в указанном устройстве используется стабилизация оптической частоты лазера, соответствующая частоте перехода с возбужденного уровня P на основной уровень S щелочного металла, модулированием на низкой частоте постоянной составляющей тока накачки i₀ лазера, соответствующей центру пика флюоресценции. В нем используется модуляция сигнала управления, обеспечиваемая вторым модулятором с частотой 7 Гц. Если составляющая тока источника накачки точно не соответствует i₀, то сигнал флюоресценции, преобразованный вторым фотодетектором, на выходе будет промодулирован прямоугольными импульсами. Если составляющая тока источника накачки точно соответствует i₀, то сигнал флюоресценции, преобразованный вторым фотодетектором, на выходе будет постоянный сигнал. Прямое обнаружение посредством синхронного детектора и формирователя сигнала управления источника тока обеспечивает сигнал, пропорциональный сигналу отстройки составляющей тока накачки от i₀, и этот сигнал может использоваться для стабилизации оптической частоты лазера к максимуму флюоресценции. В данной цепи обратной связи составляющая тока накачки лазера никогда не стабилизирована к i₀, и, соответственно, сигнал не находится в центре контура флюоресценции. Величина модуляции, однако, не сильно меняется для получения не слишком сильных отстроек оптической частоты лазера по сравнению с шириной оптического резонанса. То есть используется подстройка оптической частоты лазера по однородному спектральному контуру группы атомов в ячейке, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала, отсутствие компенсации или уменьшения полевого сдвига, и, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, а значит меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ.

Поставленная задача достигается тем, что в известном устройстве квантового стандарта частоты, содержащем лазер, оптический выход которого соединен с оптическим входом ячейки, с ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации ячейки, где первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора и электрический выход первого фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход первого модулятора, выход которого соединен со входом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором, с которым соединен выход первого синхронного детектора, выход формирователя сигнала управления соединен со входом управляемого СВЧ-генератора, электрический выход второго фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход второго модулятора, выход которого соединен со входом формирователя сигнала управления оптической частотой лазера, выходы СВЧ-генератора и формирователя сигнала управления источника тока соединены со входами управляемого источника тока, выход которого соединен с электрическим входом лазера, согласно изобретению в него введены источник опорного излучения, второй фотодетектор, второй синхронный детектор, второй модулятор, формирователь сигнала управления ВЧ-генератором, управляемый ВЧ-генератор и управляемый СВЧ-генератор, при том оптический выход источника опорного излучения и выход лазера прототипа соединены с оптическим входом второго введенного фотодетектора, электрический выход которого соединен со входом второго введенного синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход введенного второго модулятора, второй выход этого введенного второго модулятора соединен с первым входом второго введенного формирователя сигнала управления ВЧ-генератором, со вторым входом которого соединен выход введенного второго синхронного детектора, введенный формирователь сигнала управления ВЧ-генератором соединен с первым входом введенного ВЧ-генератора, выход введенного ВЧ-генератора соединен со вторым входом управляемого источника тока, с выходом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором соединен вход введенного СВЧ-генератора, с первым выходом введенного СВЧ-генератора соединен первый вход управляемого источника тока, второй выход введенного СВЧ-генератора соединен с введенным ВЧ-генератором.

На ФИГ.1 приведена блок-схема предлагаемого КСЧ,

на ФИГ.2 приведена диаграмма рабочих уровней щелочного металла КСЧ,

на ФИГ.3 приведена зависимость относительного оптического сдвига от соотношения смещения гармоники оптического спектра излучения лазера к межмодовому расстоянию этого спектра.

КСЧ (ФИГ.1) содержит: 1 - лазер, 2 - управляемый источник тока накачки лазера 1, 3 - источник опорного излучения, 4 - ячейка с парами щелочных металлов и буферным газом, 5 - фотодетектор, 6 - фотодетектор, 7 - синхронный детектор, 8 - модулятор, 9 - управляемый ВЧ-генератор, 10 - синхронный детектор, 11 - модулятор, 12 - управляемый СВЧ-генератор, 13 - формирователь сигнала управления СВЧ-генератором 12, 14 - формирователь сигнала управления ВЧ-генератором 9, 15 - блок создания магнитного поля в ячейке 4, 16 - система температурного контроля лазера, 17 - система температурного контроля ячейки 4.

При этом оптический выход лазера 1 соединен с оптическим входом ячейки 4, с ячейкой 4 также соединены блок создания магнитного поля 15 в ячейке 4 и система температурного контроля 17, оптический выход ячейки 4 соединен с оптическим входом фотодетектора 6 и электрический выход фотодетектора 6 соединен со входом синхронного детектора 10, со вторым входом которого соединен выход модулятора 11, второй выход которого соединен со входом блока формирователя сигнала управления 13 СВЧ-генератором 12, со вторым входом формирователя сигнала управления 13 соединен выход синхронного детектора 10, выход формирователя сигнала управления 13 соединен со входом управляемого СВЧ-генератора 12. Часть оптического излучения лазера 1 смешивается на оптическом входе фотодетектора 5 с оптическим излучением опорного источника 3. Электрический выход фотодетектора 5 соединен со входом синхронного детектора 7, со вторым входом которого соединен выход модулятора 8, второй выход которого соединен со входом формирователя сигнала управления 14 ВЧ-генератором 9, выход блока 14 соединен со входом управляемого ВЧ-генератора 9, выходы СВЧ-генератора 12 и блока 9 соединены со входами управляемого источника тока накачки 2, выход которого соединен с электрическим входом лазера 1.

Блок лазера 1 может быть выполнен в виде инжекционного полупроводникового лазера ИЛПИ-102 с термохолодильником Пельтье, блок 2 может представлять собой аналого- или цифроуправляемый электронный источник питания лазера 1, в качестве источника опорного излучения 3 могут использоваться существующие КСЧ с полевыми сдвигами или стабильные лазерные излучатели с частотой оптического излучения, равной частоте оптического КПН-резонанса, ячейка 4 может представлять собой герметично закрытую кварцевую полость с характерными размерами 1×1 см с подмагничивающим соленоидом со смесью паров щелочного металла, например, ⁸⁷Rb, и буферного газа, например, N₂, блоки 5 и 6 могут представлять собой высокочастотные фотодетекторы с чувствительностью, лежащей в диапазоне оптических частот лазера, блоки 7 и 10 могут представлять собой синхронные детекторы, выполненные на дискретных элементах или, например, на основе микросхемы К561КП1 и буферных усилителей К544УД2 и фильтров на их основе, блоки 8 и 11 могут представлять собой электрические кварцевые генераторы заданной частоты модуляции, блоки 13 и 14 могут быть выполнены каждый в виде повторителя на основе микросхемы К561КП1 и буферных усилителей К544УД2 или перемножителя К174ХА10 и дополнительных дискретных элементов, блок 12 может быть выполнен на генераторе, управляемом напряжением (ГУН) HMC836LP6CE, блок 9 может быть выполнен, например, на дискретных элементах в виде генератора управляемого напряжения, блок 15, например, может представлять собой источник тока с цепью обратной связи на основе датчика Холла SS495A, блоки 16 и 17 могут представлять собой источники постоянного тока, собранные на доступных дискретных элементах с цепью обратной связи на основе датчика температуры LM335M/NOPB.

Устройство работает следующим образом. На Фиг.1 КСЧ на основе КПН-резонанса используется лазер 1 со спектром оптического излучения в виде гребенки эквидистантных частот с центральной частотой f₀ и межмодовым расстоянием f_rep, определяемым частотой повторения импульсов лазера. Ширина линии оптического резонанса Г определяется параметрами и типом лазера. Для достижения обнаружения сдвига частоты необходимо ввести модуляцию положения мод оптического спектра, которая может быть реализована двумя способами:

1. За счет модуляции положения несущей частоты оптического спектра без изменения расстояния между составляющими спектра. Например, центральная частота оптического спектра модулируется частотой F, при этом расстояние между модами спектра должно удовлетворять F<<f_rep≈Г (порядка ширины Г).

2. За счет модуляции расстояния между равноотстоящими составляющими оптического спектра. Например, центральная частота f₀ оптического спектра не смещается, а расстояние между модами спектра колеблется в диапазоне f_rep≈Г.

В результате облучения ячейки 4 излучением лазера 1 со спектром оптического излучения в виде гребенки эквидистантных частот (с частотой повторения f_rep) картина КПН-резонанса приобретает вид, показанный на Фиг.2. Здесь ω₂₁ - частота резонанса сверхтонкой линии расщепления щелочного атома, которая получается умножением внутренней рабочей частоты КСЧ f₂₁ в некоторое число раз n. Поскольку лазерное излучение влияет на сдвиг частоты СВЧ-резонанса, появляется некоторое смещение в СВЧ-резонансе КПН, по которому ведется подстройка частоты КСЧ. В данном устройстве результирующий полевой сдвиг - сумма сдвигов различных пар мод, образующихся в результате создания определенного набора оптических частот, дающих эффективный вклад в КПН-резонанс. Их число можно оценить отношением , где Г - ширина линии оптического резонанса, f_rep - расстояние между модами оптического спектра частоты лазера. Так как величины оптических сдвигов Δ_n имеют различные знаки, усреднение по всему эффективному спектру мод, определяемое как , приведет к уменьшению светового сдвига. Для однородного спектра излучения лазера, перекрывающего обе электронные линии поглощения, можно записать , где k_n-k_n-q - разница параметров насыщения симметричных мод оптического спектра частоты лазера, δΩ - смещение оптического спектра лазера относительно центра оптического резонанса. Величина Δ зависит как от f_rep, так и от f₀. Поскольку и получаем, что . Зависимость нормированной зависимости полевого сдвига от смещения оптического спектра лазера δΩ к межмодовому расстоянию f_rep, , приведена на Фиг.3. Из данной зависимости видно, что при модуляции оптического спектра и дальнейшем синхронном детектировании и управлении необходимо ориентироваться на нулевые значения данной зависимости, что принципиально достигается при целочисленной пропорциональности частоты КСЧ f₂₁ частоте f_rep.

При расстройке частоты СВЧ-генератора 12 от значений частоты СВЧ-резонанса паров щелочного металла, а следовательно, и частоты тока источника накачки 2 на выходе ячейки 4, присутствует модулированный оптический сигнал флюоресценции или пропускания. Сигнал преобразуется фотодетектором 6 в электрический сигнал. Получаемый сигнал при помощи модулятора 11 с выхода синхронного детектора 10 через формирователь сигнала управления 13 используется как сигнал подстройки для стабилизации СВЧ-генератора 12 к сверхтонкой резонансной линии расщепления. Далее сигнал от СВЧ-генератора 12 подается на управляемый источник тока накачки 2 лазера 1 и также сигнал с частотой f₂₁ со второго выхода СВЧ-генератора 12 подается на управляемый ВЧ-генератор 9. Оптическое излучение лазера 1, в отличие от схемы прототипа, разделяется полупрозрачным зеркалом на две части. Одна из которых подается на ячейку с парами щелочного металла 4 и далее по замкнутому циклу обратной связи с СВЧ-генератором 12. А вторая часть оптического излучения лазера 1, в отличие от схемы прототипа, смешивается на фотодетекторе 5 с оптическим излучением опорного источника 3. В результате на выходе фотодетектора 5 выделяется модулированная компонента, которая содержит в себе информацию об отстройке δΩ моды оптического спектра лазера 1 относительно центра оптического резонанса источника опорного излучения 3, которая много меньше однородного спектрального контура КПН-резонанса, а также меньше, чем Г, в отличие от прототипа, в котором используется измерение смещения от центра оптического резонанса по сигналу флюоресценции на выходе из ячейки, который по ширине сравним с однородным спектральным контуром группы атомов. Сигнал смещения устройства, несущий информацию о δΩ, выделяется при помощи синхронного детектора 7 и модулятора 8. После синхронного детектора 7 сигнал, пропорциональный отстройке частоты δΩ, поступает на формирователь сигнала управления 14 ВЧ-генератором 9, который подстраивает значение сигнала формирования положения оптического спектра лазера 1 так, чтобы мода гребенки эквидистантных частот совпадала с точным оптическим резонансом, то есть суммарный полевой сдвиг Δ уменьшился, и далее формирователем сигнала управления 14 ВЧ-генератором 9 в сигнал вносится модулированная компонента при помощи модулятора 8 и подается на вход управляемого ВЧ-генератора 9, который обеспечивает на выходе необходимый для формирования положения оптического спектра сигнал для управляемого источника тока накачки 2 лазера 1.

Таким образом, посредством создания в оптическом спектре излучения лазера дополнительной модуляции оптической частоты, обеспечивается на порядок большее сужение контура настройки оптического резонанса КСЧ по сравнению с настройкой по однородному контуру Г группы атомов в ячейке, используемой в прототипе, также наблюдается взаимокомпенсация полевых сдвигов резонансов с противоположными знаками, что влечет за собой уменьшение суммарного полевого сдвига, увеличение точности настройки КСЧ в оптический резонанс, и, тем самым, увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ.

Квантовый стандарт частоты содержит лазер, связанный с ячейкой, с которой соединены блоки создания магнитного поля и термостабилизации. Выход ячейки соединен с первым фотодетектором, выход которого соединен с первым синхронным детектором, с которым также соединен выход первого модулятора, второй выход которого соединен с блоком формирователя сигнала управления СВЧ-генератором, с которым соединен выход первого синхронного детектора. Источник опорного излучения и лазер связаны со вторым фотодетектором, выход которого соединен со вторым синхронным детектором, с которым также соединен выход второго модулятора, второй выход которого соединен с введенным формирователем сигнала управления ВЧ-генератором. Выход ВЧ генератора и первый выход СВЧ генератора соединены с источником тока накачки, который соединен с электрическим входом лазера, при этом второй выход СВЧ генератора соединен с ВЧ-генератором. Технический результат заключается в увеличении стабильности частоты на выходе устройства. 3 ил.

Квантовый стандарт частоты, содержащий лазер, оптический выход которого соединен с оптическим входом ячейки, с ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации ячейки, где первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора и электрический выход первого фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход первого модулятора, выход которого соединен со входом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором, с которым соединен выход первого синхронного детектора, выход формирователя сигнала управления соединен со входом управляемого СВЧ-генератора, электрический выход второго фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход второго модулятора, выход которого соединен со входом формирователя сигнала управления оптической частотой лазера, выходы СВЧ-генератора и формирователя сигнала управления источника тока накачки лазера соединены со входами управляемого источника тока накачки, выход которого соединен с электрическим входом лазера, отличающийся тем, что в него введены источник опорного излучения, второй фотодетектор, второй синхронный детектор, второй модулятор, формирователь сигнала управления ВЧ-генератором, управляемый ВЧ-генератор и управляемый СВЧ-генератор, при этом оптический выход источника опорного излучения и выход лазера соединены с оптическим входом второго введенного фотодетектора, электрический выход которого соединен со входом второго введенного синхронного детектора, со вторым входом которого соединен выход введенного второго модулятора, второй выход этого введенного второго модулятора соединен с первым входом второго введенного формирователя сигнала управления ВЧ-генератором, со вторым входом которого соединен выход введенного второго синхронного детектора, введенный формирователь сигнала управления ВЧ-генератором соединен с первым входом введенного ВЧ-генератора, выход введенного ВЧ-генератора соединен со вторым входом управляемого источника тока, с выходом блока формирователя сигнала управления СВЧ-генератором соединен вход введенного СВЧ-генератора, с первым выходом введенного СВЧ-генератора соединен первый вход управляемого источника тока, второй выход введенного СВЧ-генератора соединен с введенным ВЧ-генератором.