АТОМНЫЙ ОСЦИЛЛЯТОР И СПОСОБ ОПРОСА РЕЗОНАНСА УДЕРЖАНИЯ ЗАСЕЛЕННОСТИ В КОГЕРЕНТНОМ СОСТОЯНИИ Российский патент 2017 года по МПК H03L7/26 H01S5/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к атомному осциллятору и к способу опроса резонанса удержания заселенности в когерентном состоянии (CPT).

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Традиционно атомные часы (или атомный осциллятор) известны как часы, которые обеспечивают очень точную синхронизацию. В последнее время активно проводятся научные исследования для того, чтобы миниатюризировать атомные часы. Атомные часы можно рассматривать как осциллятор, который использует частоту электронных переходов в микроволновой области электромагнитного спектра атомов, таких как атомы щелочного металла, в качестве частотного стандарта на основе количества энергии перехода электронов в атомах. В частности, в отсутствие внешних влияний очень точное значение синхронизации может быть получено из энергии перехода электронов в атомах щелочного металла. Стабильность частоты атомных часов этого типа на несколько порядков величины выше, чем стабильность частоты существующих кварцевых генераторов. См., например, японский патент №4801044; «The MAC - A Miniature Atomic Clock» авторов R. Lutwak, P. Vlitas, M. Varghese, M. Mescher, D. K. Serkland и G. M. Peake, тезисы докладов Joint Meeting of the IEEE International Frequency Control Symposium and the Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, Vancouver, BC, Canada, pp. 752-757 (2005); и статью «Investigations on Continuous and Pulsed Interrogation for a CPT Atomic Clock», N. Castagna, R. Boudot, S. Guerandel, E. De Clercq, N. Dimarcq, A. Clairon, IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 56, No. 2, Feb. 2009.

Существует несколько типов атомных часов. Например, обычный тип, использующий микроволновый резонатор, требует большого размера устройства и высокого энергопотребления. Однако атомные часы, использующие эффект CPT (удержание заселенности в когерентном состоянии), способны обеспечивать очень высокую стабильность частоты, которая на три порядка величины выше стабильности частоты существующего кварцевого генератора. Кроме того, атомные часы CPT в состоянии обеспечить маленький размер устройства и низкое потребление энергии. Прототип атомных часов CPT был произведен в 2007 г., и продукт атомных часов с размером микросхемы (CSAC) этого типа стал коммерчески доступным в 2011 от компании Symmetricom.

Хотя атомные часы CPT, описанные выше, имеют потребление энергии ниже, чем у обычных атомных часов, использующих микроволновый резонатор, потребление энергии вышеупомянутых атомных часов CPT составляло приблизительно 115 мВт. Если принять во внимание практическое применение атомных часов в работающих от батареек мобильных приложениях, то потребление энергии вышеупомянутыми атомными часами CPT все еще является слишком высоким. Соответственно, существует потребность в улучшенных атомных часах или осцилляторе с более низким потреблением энергии, меньше чем 30 мВт.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте настоящее изобретение предлагает атомный осциллятор и способ опроса резонанса CPT, которые выполнены с возможностью понижения потребления энергии.

В одном варианте осуществления настоящее изобретение предлагает атомный осциллятор, включающий в себя: ячейку со щелочным металлом, в которую заключены атомы щелочного металла; источник света, выполненный с возможностью облучать атомы в ячейке со щелочным металлом лазерными лучами; фотодетектор, выполненный с возможностью обнаружения количества света от лазерных лучей, проходящих через ячейку со щелочным металлом для попадания на фотодетектор; и контроллер, выполненный с возможностью генерировать боковые полосы, включающие в себя пару лазерных лучей с различными длинами волн, путем выполнения частотной модуляции несущей на источнике света, заставлять пару лазерных лучей с различными длинами волн входить в ячейку со щелочным металлом, и управлять частотой модуляции в соответствии с характеристиками оптического поглощения атомов посредством эффектов квантовой интерференции пары резонансных лазерных лучей, причем боковые полосы включают в себя боковые полосы второго порядка или более высокого порядка.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 представляет собой диаграмму для объяснения распределения лазерной интенсивности.

Фиг.2 представляет собой диаграмму, показывающую конфигурацию атомного осциллятора согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.3 представляет собой диаграмму для объяснения линии D₁ ¹³³Cs (атомов цезия 133).

Фиг.4 представляет собой диаграмму для объяснения боковых полос первого порядка, второго порядка и третьего порядка.

Фиг.5 представляет собой диаграмму, показывающую результаты наблюдений резонанса CPT в непрерывном режиме опроса.

Фиг.6 представляет собой диаграмму, показывающую результаты наблюдений резонанса CPT в прерывистом режиме опроса.

Фиг.7 представляет собой диаграмму для объяснения корреляции между радиочастотной мощностью и контрастом в непрерывном режиме опроса.

Фиг.8 представляет собой диаграмму для объяснения корреляции между радиочастотной мощностью и контрастом в прерывистом режиме опроса.

Фиг.9 представляет собой диаграмму для объяснения корреляции между интенсивностью лазерного излучения и сдвигом частоты в непрерывном режиме опроса.

Фиг.10 представляет собой диаграмму для объяснения корреляции между интенсивностью лазерного излучения и сдвигом частоты в прерывистом режиме опроса.

Фиг.11 представляет собой диаграмму для объяснения формы волны пульсирующих лазерных лучей в атомном осцилляторе согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Описание вариантов осуществления настоящего изобретения будет дано со ссылками на сопроводительные чертежи.

[Первый вариант осуществления]

В результате исследования вышеописанных атомных часов CPT согласно предшествующему уровню техники найдено, что больше чем половина питания атомных часов CPT потребляется микроволновыми цепями, включая микроволновый осциллятор и PLL (контур фазовой автоподстройки частоты). В частности, потребление энергии атомными часами CPT в диапазонах нескольких ГГц (гигагерц) вызвано главным образом потерями на переключение при управлении атомными часами CPT в радиочастотных диапазонах. Потери на переключение P представлены Формулой 1 ниже.

[Формула 1]

P=f_RFCV²

где f_RF обозначает частоту радиочастотного возбуждения, C обозначает паразитную емкость, и V обозначает амплитуду радиочастоты. Принимая во внимание Формулу 1, мыслимые подходы для уменьшения энергопотребления относящихся к микроволнам цепей могут включать в себя: понижение радиочастоты f_RF; понижение паразитной емкости C; и понижение амплитуды V радиочастоты.

Атомный осциллятор согласно данному варианту осуществления выполнен с возможностью уменьшения энергопотребления атомного осциллятора путем использования из вышеупомянутых подходов подхода понижения радиочастоты f_RF. В частности, атомный осциллятор согласно данному варианту осуществления выполнен с возможностью понижения радиочастоты f_RF в качестве главной гармоники путем использования гармоник более высокого порядка (боковых полос), таких как боковые полосы второго порядка или боковые полосы третьего порядка, так, чтобы потребление энергии могло быть уменьшено.

Обычно, если боковые полосы более высокого порядка используются в атомном осцилляторе, эффективность генерирования лазерного луча на длине волны, необходимой для опроса CPT, может упасть, и таким образом может упасть контраст при резонансе CPT. Для атомного осциллятора требуется высокая стабильность частоты. Особенно когда атомный осциллятор используется в качестве источника стандарта синхронизации для базовой станции различных устройств радиосвязи, краткосрочная стабильность частоты атомного осциллятора становится важной. В этой связи отклонение Аллана является мерой стабильности частоты, и краткосрочная стабильность частоты a_y(i) представлена Формулой 2 ниже.

[Формула 2]

где τ - время наблюдения, S/N - отношение сигнала S к шуму N, обозначающее отношение интенсивности на радиочастоте f_RF к шуму, и Q обозначает значение Q атомного резонанса.

Далее, Q представляется Формулой 3 ниже.

[Формула 3]

где FWHM (полная ширина на половине максимума) является шириной спектральной линии лазера, соответствующей половине максимальной интенсивности в распределении мощности лазерного излучения на радиочастоте f_RF, и в данном варианте осуществления FWHM может также упоминаться как контраст Ct. Фиг.1 показывает распределение лазерной интенсивности (лазерные спектры).

Принимая во внимание предшествующее описание, краткосрочная стабильность σ_y(x) частоты в Формуле 2 может также быть представлена Формулой 4 ниже.

[Формула 4]

Как очевидно из Формулы 4, краткосрочная стабильность σ_y(τ) частоты определяется в зависимости от значения Q атомного резонанса и контраста Ct (отношения сигнал/шум). А именно, краткосрочная стабильность σ_y(τ) частоты может быть сделана маленькой путем увеличения значения Q атомного резонанса или контраста Ct. После возникновения резонанса CPT большая амплитуда резонанса может быть получена путем увеличения интенсивности лазерного луча. Однако одновременно с этим будет увеличиваться ширина спектральной линии из-за эффекта расширения мощности. Таким образом, как правило, может быть найден компромисс эффективности между схемой увеличения значения Q и схемой увеличения контраста Ct (отношения сигнал/шум).

Атомный осциллятор согласно данному варианту осуществления использует прерывистый опрос лазерных лучей, что компенсирует падение контраста в боковых полосах более высокого порядка и уменьшает потребление энергии так, что стабильность атомного осциллятора увеличивается.

Затем атомы взаимодействующей среды, такие как атомы цезия, возбуждаются между двумя энергетическими уровнями, и этот режим возбуждения упоминается как «непрерывный режим опроса» (или «опрос Раби»), если взаимодействие является непрерывным, и как «прерывистый режим опроса» (или «опрос Рэмси»), если взаимодействие основано на двух коротких взаимодействиях, разделенных временем задержки. В этом отношении прерывистый режим опроса обеспечивает опрос Рэмси, посредством чего могут быть достигнуты сужение ширины резонансной линии и уменьшение светового сдвига. Существует несколько способов получения прерывистого лазерного луча. В способе прямой модуляции, в котором используется непосредственное управление возбуждающим током лазера, выходная длина волны лазерного луча значительно изменяется во время модуляции. Способ прямой модуляции не может использоваться для атомного осциллятора. В данном варианте осуществления модуляция для получения прерывистых лазерных лучей из испускаемых лазерных лучей лазерного источника выполняется с использованием акустооптического модулятора (AOM).

[Атомный осциллятор]

Далее со ссылкой на Фиг.2 будет описана конфигурация атомного осциллятора в соответствии с настоящим вариантом осуществления. Как показано на Фиг.2, атомный осциллятор данного варианта осуществления включает в себя лазерный источник 110, коллиматорную линзу 120, AOM (акустооптический модулятор) 130, поляризатор 131, ячейку 140 со щелочным металлом и фотодетектор (фотодиод) 150.

Лазерный источник 110 является лазером для возбуждения атомов в ячейке 140 со щелочным металлом. В данном варианте осуществления используется лазер поверхностного излучения с вертикальным объемным резонатором (VCSEL). Лазерный источник 110 в соответствии с настоящим вариантом осуществления может испускать лазерный луч с длиной волны 895 нм. Эта длина волны лазерного луча, испускаемого лазерным источником 110, почти эквивалентна линии D₁ ¹³³Cs (атомов цезия 133). Лазер VCSEL представляет собой микросхему, которая может испускать лазерный луч с низким потреблением энергии, и использование лазера VCSEL в качестве лазерного источника 110 выгодно позволяет дополнительно снизить потребление энергии атомным осциллятором.

Ячейка 140 со щелочным металлом обеспечивается в цилиндрической форме, которая имеет, например, диаметр 22,5 мм и длину оптического пути 20,0 мм. Эта ячейка 140 со щелочным металлом заполнена атомами щелочного металла Cs и газообразным азотом N₂ в качестве буферного газа. Атомы Cs и газообразный азот N₂ заключены в ячейку 140 со щелочным металлом. Давление во внутреннем пространстве ячейки 140 со щелочным металлом поддерживается на уровне 1,3 кПа.

В настоящем варианте осуществления лазерные лучи, испускаемые лазерным источником 110, проходят через коллиматорную линзу 120, AOM 130 и поляризатор 131 так, чтобы поляризованные лазерные лучи с диаметром пучка приблизительно 5 мм попадали в ячейку 140 со щелочным металлом. Входные лазерные лучи, падающие на ячейку 140 со щелочным металлом, проникают через ячейку 140 со щелочным металлом, и выходные лазерные лучи, выходящие из ячейки 140 со щелочным металлом, попадают в фотодетектор 150. Фотодетектор 150 изготовлен из фотодиода и предусматривается для того, чтобы обнаружить количество света и т.д. лазерных лучей, падающих на фотодетектор 150.

В настоящем варианте осуществления лазерные лучи, испускаемые из лазерного источника 110, прежде чем войти в ячейку 140 со щелочным металлом, модулируются в прерывистые лазерные лучи акустооптическим модулятором 130. AOM 130 выполнен с возможностью осуществления высокоскоростной модуляции, и прерывистые лазерные лучи в результате модуляции акустооптическим модулятором 130 могут иметь прямоугольную форму волны.

В настоящем варианте осуществления для того, чтобы стабилизировать длину волны лазерных лучей, испускаемых из лазерного источника 110, предусмотрен синхронный усилитель 161 для выполнения обнаружения синхронизации и вывода сигнала, указывающего на результат обнаружения синхронизации, к возбудителю 162 тока так, чтобы управление количеством тока, подаваемого возбудителем 162 тока для работы лазера VCSEL в качестве лазерного источника 110, осуществлялось согласно результату обнаружения синхронизации. Это управление синхронным усилителем 161 и возбудителем 162 тока выполнено с возможностью максимизировать характеристики оптического поглощения атомов щелочного металла в ячейке 140 со щелочным металлом. Температура лазера VCSEL в качестве лазерного источника 110 поддерживается постоянной. Для того чтобы реализовать такую работу синхронного усилителя 161 и возбудителя 162 тока, функциональный генератор 163 соединен с каждым из синхронного усилителя 161 и возбудителя 162 тока.

Для того чтобы наблюдать резонанс CPT, который показывает наименее возможные изменения к магнитному полю, ячейка 140 со щелочным металлом располагается так, чтобы статическое магнитное поле «B» величиной 32 мкT создавалось в ячейке 140 со щелочным металлом катушками Гельмгольца (не показаны), и резонанс CPT выборочно определяется путем вызывания Зеемановского расщепления. Зеемановское расщепление (или эффект Зеемана) является эффектом расщепления спектральной линии на несколько компонентов в присутствии статического магнитного поля. Для того чтобы устранить внешнее магнитное поле, создаваемое магнитным полем Земли и т.д., ячейка 140 со щелочным металлом и катушки Гельмгольца покрываются магнитными экранами и устанавливаются в температурном контейнере 141. Температура ячейки 140 со щелочным металлом поддерживается постоянной. В существующем варианте осуществления температура ячейки 140 со щелочным металлом поддерживается в диапазоне между 30 градусами С и 55 градусами С. Например, предпочтительно поддерживать температуру ячейки 140 со щелочным металлом равной 42,00 градуса C, при которой контраст резонанса CPT становится максимальным.

Поляризатор 131 предусматривается для того, чтобы формировать линейно поляризованные лазерные лучи в качестве лазерных лучей для опроса резонанса CPT для того, чтобы избежать отклонения Зеемановских подуровней. Как показано на Фиг.3, в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления наблюдается резонанс, в котором друг на друга накладываются два резонанса CPT: (F=3, m=-1), (F=4, m=1); и (F=3, m=1), (F=4 и m=-1).

Далее, в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления после того, как прерывистые лазерные лучи получены из лазерных лучей, испускаемых лазерным источником 110 с помощью акустооптического модулятора 130, первичные дифрагированные лучи света, соответствующие прерывистым лазерным лучам, посылаются на ячейку 140 со щелочным металлом. Возбудитель 165 акустооптического модулятора предусматривается для того, чтобы управлять работой акустооптического модулятора 130. Например, возбудитель 165 акустооптического модулятора конфигурируется так, чтобы номинальное значение длительности фронта прерывистых лазерных лучей составляло 65 нс, цикл их импульсов составлял 1,00 кГц, и скважность составляла 50%. В этом случае временной интервал между задним фронтом и передним фронтом каждого импульса прерывистых лазерных лучей составляет 500 мкс. Схема 171 выборки и запоминания предусматривается как детектор, который обнаруживает опрос Рэмси CPT (или резонанс CPT). Схема 171 выборки и запоминания получает или захватывает резонансную форму волны (сигнал) при синхронизации 10 мкс сразу после переднего фронта каждого импульса прерывистых лазерных лучей, и время захвата формы волны (сигнала) схемой 171 выборки и запоминания составляет 5,0 мкс. Выходной сигнал, указывающий на количество света, обнаруженное фотодетектором 150, подается на схему 171 выборки и запоминания и синхронный усилитель 172 и далее подается на блок 173 управления (который может быть сформирован персональным компьютером (PC)) через схему 171 выборки и запоминания и синхронный усилитель 172. Блок 173 управления выполнен с возможностью вывода управляющего сигнала на генератор 174 аналогового сигнала в ответ на выходной сигнал фотодетектора 150. Генератор 174 аналогового сигнала выполнен с возможностью вывода FM (частотно-модулированного) сигнала на синхронный усилитель 172 в ответ на управляющий сигнал от блока 173 управления. Цезиевый стандартный блок 175 предусматривается в качестве источника опорной частоты и соединен с генератором 174 аналогового сигнала. Для того чтобы реализовать описанную выше работу атомного осциллятора, генератор 166 импульса соединен со схемой 171 выборки и запоминания и возбудителем 165 акустооптического модулятора.

Для того чтобы наблюдать резонанс CPT в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, необходимо облучить атомы щелочного металла в ячейке 140 со щелочным металлом парой лазерных лучей, имеющих различные длины волн (или различные частоты).

Пара лазерных лучей, имеющих различные длины волн, была получена обычным образом, путем выполнения FM-модуляции несущей на лазерном источнике и использования получающихся боковых полос первого порядка, как показано на Фиг.4(a).

С другой стороны, атомный осциллятор в соответствии с настоящим вариантом осуществления выполнен с возможностью получать пару лазерных лучей, имеющих различные длины волн, путем выполнения FM-модуляции несущей на лазерном источнике 110 с использованием акустооптического модулятора 130, который производит боковые полосы второго порядка и боковые полосы третьего порядка, как показано на Фиг.4 (b) и (c). Таким образом, если боковые полосы второго порядка используются в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления, частота модуляции (радиочастотная) атомного осциллятора может быть уменьшена до половины частоты модуляции в обычном случае, в котором используются боковые полосы первого порядка. Если в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления используются боковые полосы третьего порядка, частота модуляции (радиочастотная) атомного осциллятора может быть уменьшена до одной трети частоты модуляции в обычном случае, в котором используются боковые полосы первого порядка.

В частности, как показано в Таблице 1 ниже, когда используются боковые полосы первого порядка в обычном случае, радиочастота составляет приблизительно 4,60 ГГц, а когда в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления используются боковые полосы второго порядка, радиочастота составляет приблизительно 2,30 ГГц. Далее, когда в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления используются боковые полосы третьего порядка, радиочастота составляет приблизительно 1,53 ГГц. Как очевидно из вышеприведенной Формулы 1, потери P на переключение пропорциональны величине радиочастоты f_RF, и если используются боковые полосы второго порядка или третьего порядка, радиочастота f_RF может быть понижена, и таким образом может быть уменьшено потребление энергии.

Таблица 1 Боковая полоса Радиочастота 1^st-1^st 4,60 ГГц F_hfs/2 2^nd-2^nd 2,30 ГГц F_hfs/4 3^rd-3^rd 1,53 ГГц F_hfs/6

Ниже описаны резонансные характеристики ширины спектральной линии в опросе CPT, когда используются боковые полосы второго порядка или третьего порядка. В следующем описании гармоники более высокого, такие как боковые полосы второго порядка или боковые полосы третьего порядка, могут упоминаться как боковые полосы более высокого порядка. Фиг.5 показывает результаты наблюдений за резонансом CPT в непрерывном режиме опроса. На Фиг.5 вертикальная ось означает уровень сигнала резонанса CPT, а горизонтальная ось означает величину частотной расстройки от центральной частоты. Уровень сигнала, показанный на Фиг.5, выражен уровнем нормализованного сигнала. Таблица 2 показывает результаты наблюдений контраста, FWHM и т.д., когда боковые полосы первого порядка, боковые полосы второго порядка и боковые полосы третьего порядка используются как в непрерывном режиме опроса (CW), так и в прерывистом (PL) режиме опроса.

Таблица 2 Боковая полоса Контраст(%) Радиочастота
(ГГц) Ширина пика на половине высоты Значение Q Показатель
качества (значение Q × контраст) Относительный показатель качества CW 1st 3,3 4,596 325 2,32 кГц 1,98×10⁶ 6,53×10⁶ 1,00 2nd 0,7 2,298 162 1,09 Гц 2,10×10⁶ 1,47×10⁶ 0,225 3rd 0,8 1,532 108 700 Гц 2,18×10⁶ 1,74×10⁶ 0,266 PL 1st 5,3 4,596 325 406 Гц 1,13×10⁷ 5,99×10⁷ 9,17 2nd 1,4 2,298 162 216 Гц 1,05×10⁷ 1,47×10⁷ 2,25 3rd 1,8 1,532 108 142 Гц 1,08×10⁷ 1,94×10⁷ 2,97

В результатах наблюдения, показанных в Таблице 2 выше, использовалось такое значение радиочастотной мощности, при котором контраст становится максимальным. Радиочастота, необходимая для опроса CPT, когда используются боковые полосы первого порядка, составляет 4,596325 ГГц, в то время как радиочастота, необходимая для опроса CPT, когда используются боковые полосы второго порядка, составляет 2,298162 ГГц. А именно, когда используются боковые полосы второго порядка, возможно наблюдать резонанс CPT с радиочастотой, которая уменьшена до половины от той радиочастоты, когда используются боковые полосы первого порядка. Аналогичным образом радиочастота, необходимая для опроса CPT, когда используются боковые полосы третьего порядка, составляет 1,532108 ГГц. Когда используются боковые полосы третьего порядка, возможно наблюдать резонанс CPT с радиочастотой, которая уменьшена до одной трети от той радиочастоты, когда используются боковые полосы первого порядка.

В резонансе CPT в непрерывном режиме опроса использование боковых полос более высокого порядка заставляет немного уменьшаться ширину линии FWHM и заставляет немного увеличиваться значение Q. Можно понять, что это явление происходит из-за эффекта расширения мощности лазера. Эффект расширения мощности представляет собой эффект, посредством которого ширина линии FWHM лазера расширяется пропорционально самой интенсивности лазера. Более высокая интенсивность лазера приводит к большей ширине линии. Использование боковых полос более высокого порядка заставляет уменьшаться интенсивность лазера на тех длинах волн, которые способствуют резонансу CPT, и заставляет уменьшаться интенсивность лазера. Следовательно, можно понять, что ширина линии FWHM становится узкой из-за уменьшения интенсивности лазера.

Далее, Фиг.6 показывает результаты наблюдений за резонансом Рэмси CPT в прерывистом режиме опроса. На Фиг.6 вертикальная ось означает уровень сигнала резонанса CPT, а горизонтальная ось означает величину частотной расстройки от центральной частоты. Уровень сигнала, показанный на Фиг.6, выражен уровнем нормализованного сигнала. В прерывистом режиме опроса значение Q при использовании боковых полос более высокого порядка остается почти неизменным. Можно понять, что эффект расширения мощности запрещен в прерывистом режиме опроса, и ширина линии FWHM не зависит от интенсивности лазера.

Фиг.7 и 8 показывают корреляцию между радиочастотной мощностью и контрастом. В частности, Фиг.7 показывает корреляцию между радиочастотной мощностью и контрастом в непрерывном режиме опроса, а Фиг.8 показывает корреляцию между радиочастотной мощностью и контрастом в прерывистом режиме опроса. Как показано на Фиг.7 и Фиг. 8, существует такое значение радиочастотной мощности, при котором контраст становится максимальным как в непрерывном режиме опроса, так и в прерывистом режиме опроса, соответственно. Максимум контраста в опросе CPT, использующем боковые полосы более высокого порядка, понижен по сравнению с опросом CPT, использующим боковые полосы первого порядка. Это происходит потому, что отношение компонентов длины волны, способствующих резонансу CPT, изменяется в зависимости от коэффициента модуляции. В непрерывном режиме опроса значение радиочастотной мощности при максимальном контрасте в случае боковой полосы первого порядка составляло приблизительно 0,32 мВт, а значение радиочастотной мощности при максимальном контрасте в случае боковой полосы второго порядка или в случае боковой полосы третьего порядка составляло приблизительно 0,50 мВт. Радиочастотная мощность, подаваемая к лазеру VCSEL, используемому в качестве лазерного источника 110, составляла 1 мВт или меньше, и потребление энергии микроволновыми цепями прототипа составляло 66 мВт. Следовательно, можно понять, что 98% или больше потребления энергии микроволновыми цепями вызвано потерями на переключение.

В атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления используется опрос CPT в боковых полосах более высокого порядка. В частности, в случае, в котором используются боковые полосы второго порядка, потребление энергии микроволновыми цепями составляло 28,5 (=57/2) мВт, потребление энергии атомного осциллятора составляло 79,5 (=51+28,5) мВт, и потребление энергии было уменьшено на 26,4%. В случае, в котором используются боковые полосы третьего порядка, потребление энергии микроволновыми цепями составляло 19 (=57/3) мВт, потребление энергии атомного осциллятора составляло 70 (=51+19) мВт, и потребление энергии было уменьшено на 35,2%. Следовательно, потребление энергии атомным осциллятором в соответствии с настоящим вариантом осуществления может быть заметно уменьшено.

В опросе CPT, использующем боковые полосы более высокого порядка в соответствии с настоящим вариантом осуществления (Фиг. 8), случай боковой полосы второго порядка и случай боковой полосы третьего порядка будут сравнены друг с другом. Контраст в случае боковой полосы третьего порядка выше, чем контраст в случае боковой полосы второго порядка. Разность между уровнями опроса CPT F'=3 и F'=4 составляет 1167 ГГц, и эти уровни опроса CPT находятся вблизи от радиочастоты в случае боковой полосы третьего порядка. Следовательно, из этого следует, что существует возможность того, чтобы опросы CPT на уровнях опроса CPT F'=3 и F'=4 происходили одновременно.

Краткосрочная стабильность частоты атомного осциллятора определяется в зависимости от произведения значения Q и контраста. Как показано в Таблице 2 выше, если произведение значения Q и контраста (показатель качества) в случае непрерывного режима опроса первого порядка считать опорным уровнем (=1,0), то произведение значения Q и контраста (показатель качества) в случае прерывистого режима опроса третьего порядка в 2,97 раза больше, чем опорный уровень. Следовательно, комбинация прерывистого режима опроса и использования боковых полос более высокого порядка позволяет понизить радиочастоту, потребление энергии может быть эффективно уменьшено, и краткосрочная стабильность частоты может быть увеличена.

Ниже описан световой сдвиг. Световой сдвиг представляет собой явление, в котором центральная частота резонанса CPT смещается в соответствии с количеством света лазерных лучей. Световой сдвиг является основным фактором, который ухудшает долговременную стабильность частоты атомного осциллятора CPT. Известно, что в случае непрерывного режима опроса резонансная частота CPT линейно смещается в зависимости от интенсивности лазерного излучения. Также сообщается, что величина светового сдвига изменяется в зависимости от боковых полос, ненужных для резонанса CPT.

Фиг.9 и Фиг.10 показывают корреляцию между интенсивностью света и сдвигом частоты в резонансе CPT. В частности, Фиг.9 показывает корреляцию между интенсивностью лазерного света и сдвигом частоты в непрерывном режиме опроса, а Фиг. 10 показывает корреляцию между интенсивностью лазерного света и сдвигом частоты в прерывистом режиме опроса. Таблица 3 ниже показывает значения величин светового сдвига (который эквивалентен градиенту сдвига частоты относительно интенсивности лазерного излучения), а также значения относительного светового сдвига (который получается путем деления величины светового сдвига на радиочастоту), когда боковые полосы первого порядка, боковые полосы второго порядка и боковые полосы третьего порядка используются в непрерывном режиме опроса (CW) и в прерывистом (PL) режиме опроса. Относительный световой сдвиг в Таблице 3 ниже эквивалентен каждому из градиентов графиков корреляции, изображенных на Фиг.9 и Фиг.10.

Таблица 3 Боковая полоса Световой сдвиг (мГц/(мкВт/см²)) Относительный световой сдвиг (10^-12/(мкВт/см²)) CW 1st 85,7 18,6 2nd 265 115 3rd 180 118 PL 1st 2,98 0,602 2nd 8,79 3,82 3rd 8,98 5,86

В непрерывном режиме опроса (CW) величины светового сдвига в случаях второго порядка и случаях третьего порядка были от 2 до 3 раз больше, чем величина светового сдвига в случае первого порядка, и величина светового сдвига в случае второго порядка была больше, чем величина светового сдвига в случае третьего порядка. Отсюда следует, что причиной этого явления является присутствие боковых полос, ненужных для резонанса CPT. Величины относительного светового сдвига в случаях второго порядка и третьего порядка были приблизительно в 6 раз больше, чем величины относительного светового сдвига в случае первого порядка.

С другой стороны, в прерывистом (PL) режиме опроса величина светового сдвига в CPT резонансе Рэмси была меньше, чем в случае непрерывного режима опроса. В частности, величина светового сдвига в прерывистом режиме опроса составляла от 1/20 до 1/30 величины светового сдвига в непрерывном режиме опроса, и величина светового сдвига может быть заметно уменьшена с помощью прерывистого режима опроса.

Кроме того, в прерывистом режиме опроса величины светового сдвига в случаях более высокого порядка были приблизительно в 3 раза больше, чем величина светового сдвига в случае первого порядка, а величина светового сдвига в случае второго порядка была почти той же самой, что и величина светового сдвига в случае третьего порядка. Величины относительного светового сдвига в случаях более высокого порядка были от 6 до 10 раз больше, чем величина относительного светового сдвига в случае первого порядка.

Как было описано выше, величина светового сдвига в случае прерывистого режима опроса, использующего боковые полосы более высокого порядка, может быть меньше, чем величина светового сдвига в случае непрерывного режима опроса, использующего боковые полосы первого порядка. В частности, относительный световой сдвиг в случае прерывистого режима опроса, использующего боковые полосы третьего порядка, может быть меньше чем 1/3 относительного светового сдвига в случае непрерывного режима опроса, использующего боковые полосы первого порядка.

Следовательно, в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления относительный световой сдвиг в случае прерывистого режима опроса, использующего боковые полосы третьего порядка, может быть меньше чем 1/3 относительного светового сдвига в случае непрерывного режима опроса, использующего боковые полосы первого порядка, и его значение Q может быть увеличено до 5 раз по сравнению со случаем непрерывного режима опроса, использующего боковые полосы первого порядка. Далее, потребление энергии радиочастотных цепей в случае прерывистого режима опроса, использующего боковые полосы третьего порядка, может быть уменьшено до одной трети энергопотребления в случае непрерывного режима опроса, использующего боковые полосы первого порядка, а краткосрочная стабильность частоты может быть увеличена до 2,97 раз по сравнению со случаем непрерывного режима опроса, использующего боковые полосы первого порядка.

В предшествующем варианте осуществления, например, контроллер может быть реализован акустооптическим модулятором 130, синхронным усилителем 161, возбудителем 162 тока, функциональным генератором 163, возбудителем 165 AOM, генератором 166 импульса, схемой 171 выборки и запоминания, синхронным усилителем 172, блоком 173 управления, генератором 174 аналогового сигнала и цезиевым стандартным блоком 175 в атомном осцилляторе, показанном на Фиг.2, так что контроллер выполнен с возможностью генерировать боковые полосы, включающие пару лазерных лучей с различными длинами волн, путем выполнения частотной модуляции несущей на лазерном источнике, выполненном с возможностью заставить пару лазерных лучей с различными длинами волн входить в ячейку со щелочным металлом, и выполненный с возможностью управления частотой модуляции в соответствии с характеристиками оптического поглощения атомов эффектами квантового взаимодействия пары резонансных лазерных лучей.

В предшествующем варианте осуществления был проиллюстрирован случай, в котором атомы щелочного металла в ячейке 140 со щелочным металлом сформированы атомами цезия. Альтернативно, атомы щелочного металла в ячейке 140 со щелочным металлом могут быть сформированы атомами рубидия вместо атомов цезия. Длина волны лазерного луча, испускаемого лазерным источником 110, может попадать в любой из диапазонов 893,6 нм-895,6 нм, 851,3 нм-853,3 нм, 794,0 нм-796,0 нм, и 779,2 нм-781,2 нм. Далее, атомы других щелочных металлов, отличающихся от описанных выше (атомов цезия и рубидия), такие как атомы натрия или атомы калия, могут использоваться вместо этого в качестве атомов щелочного металла в ячейке 140 со щелочным металлом.

В предшествующем варианте осуществления был проиллюстрирован случай, в котором используются пара боковых полос второго порядка или пара боковых полос третьего порядка. Альтернативно атомный осциллятор может быть выполнен с возможностью использовать пару боковых полос более высокого порядка, включая одну из боковых полос второго порядка на одной стороне и одну из боковых полос третьего порядка на другой стороне. Более того, атомный осциллятор может быть выполнен с возможностью использовать пару боковых полос, включая одну из боковых полос первого порядка на одной стороне и одну из боковых полос третьего порядка на другой стороне. Кроме того, атомный осциллятор может быть выполнен с возможностью использовать пару боковых полос, включая одну из боковых полос первого порядка на одной стороне и одну из боковых полос второго порядка на другой стороне. Кроме того, атомный осциллятор может быть выполнен с возможностью использовать главную лазерную гармонику в качестве несущей и боковые полосы третьего порядка в качестве пары боковых полос. В предшествующем описании предполагается, что пара боковых полос включает в себя лазерную волну со стороны нижней частоты в качестве одной из пары боковых полос и лазерную волну со стороны верхней частоты в качестве другой из пары боковых полос. Даже когда в качестве боковых полос используются боковые полосы четвертого порядка или более высокого порядка, могут быть получены те же самые полезные эффекты, что и в предшествующем описании.

[Второй вариант осуществления]

Ниже описан второй вариант осуществления настоящего изобретения. В атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления акустооптический модулятор 130 (Фиг.2) в атомном осцилляторе согласно первому варианту осуществления заменен жидкокристаллическим элементом. В настоящем варианте осуществления лазерные лучи, испускаемые из лазерного источника 110, прежде чем войти в ячейку 140 со щелочным металлом, модулируются в прерывистые лазерные лучи жидкокристаллическим элементом. Жидкокристаллический элемент меньше по размерам, чем акустооптический модулятор 130, потребление энергии жидкокристаллическим элементом меньше, чем энергопотребление акустооптического модулятора 130, и может быть достигнуто дополнительное уменьшение потребления энергии и миниатюризация атомного осциллятора. В атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления возбудитель 165 AOM (Фиг.2) в атомном осцилляторе согласно первому варианту осуществления заменен возбудителем жидкого кристалла, и возбудитель жидкого кристалла обеспечивается для управления работой жидкокристаллического элемента. При использовании жидкокристаллического элемента может быть легко произведен атомный осциллятор или часы c размером микросхемы (CSAC), использующий опрос CPT.

В настоящем варианте осуществления жидкокристаллический элемент сформирован из нематического жидкого кристалла прозрачного типа и двух поляризационных пластин. Прерывистые лазерные лучи производятся из лазерных лучей, испускаемых лазерным источником 110, путем вращения плоскости поляризации поляризационных пластин на 90 градусов друг относительно друга. Фиг.11 показывает форму волны прерывистых лазерных лучей, полученных с помощью жидкокристаллического элемента в атомном осцилляторе в соответствии с настоящим вариантом осуществления. В настоящем варианте осуществления выполняется управление включением/выключением жидкокристаллического элемента, и прерывистые лазерные лучи, получаемые с помощью жидкокристаллического элемента, могут иметь почти треугольную форму волны вместо прямоугольной формы волны. В частности, в форме волны прерывистых лазерных лучей, показанной на Фиг.11, частота переключения составляет 150 Гц, длительность переднего фронта составляет 2,65 мс, и длительность заднего фронта составляет 218 мкс. Атомный осциллятор в соответствии с настоящим вариантом осуществления может также обеспечить те же самые полезные эффекты, что и атомный осциллятор первого варианта осуществления.

В соответствии с настоящим изобретением возможно обеспечить атомный осциллятор и способ опроса резонанса CPT, которые выполнены с возможностью понижения энергопотребления.

Атомный осциллятор в соответствии с настоящим изобретением не ограничен вышеупомянутыми вариантами осуществления, и различные вариации и модификации могут быть сделаны без отступления от области охвата настоящего изобретения.

Настоящая заявка основывается на и испрашивает приоритет японской патентной заявки № 2012-190180, поданной 30 августа 2012 г., полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.

Атомный осциллятор включает в себя ячейку со щелочным металлом, в которую заключены атомы щелочного металла, источник света, который облучает атомы в ячейке со щелочным металлом лазерными лучами, фотодетектор, который обнаруживает количество света лазерных лучей, проходящих через ячейку со щелочным металлом и попадающих на фотодетектор, а также контроллер, который генерирует боковые полосы, включая пару лазерных лучей с различными длинами волн, путем выполнения частотной модуляции несущей на источнике света, заставляет пару лазерных лучей с различными длинами волн входить в ячейку со щелочным металлом, и управляет частотой модуляции в соответствии с характеристиками оптического поглощения атомов посредством эффектов квантового взаимодействия пары резонансных лазерных лучей, причем боковые полосы частот включают в себя боковые полосы второго порядка или более высокого порядка. Технический результат- снижение потребления энергии. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 3 табл., 11 ил.

1. Атомный осциллятор, содержащий:

ячейку со щелочным металлом, в которую заключены атомы щелочного металла;

источник света, выполненный с возможностью облучать атомы в ячейке со щелочным металлом лазерными лучами;

фотодетектор, выполненный с возможностью обнаружения количества света от лазерных лучей, проходящих через ячейку со щелочным металлом и входящих в фотодетектор; и

контроллер, выполненный с возможностью генерировать пару лазерных лучей с различными длинами волн, включающих в себя боковые полосы второго порядка или более высокого порядка, путем выполнения частотной модуляции несущей на источнике света, вынуждая пару лазерных лучей с различными длинами волн входить в ячейку со щелочным металлом, и управлять частотой модуляции в соответствии с характеристиками оптического поглощения атомов эффектами квантовой интерференции упомянутой пары резонансных лазерных лучей,

отличающийся тем, что

упомянутая пара лазерных лучей с различными длинами волн, оба представляют собой боковые полосы третьего порядка, и

лазерные лучи, входящие в ячейку со щелочным металлом, являются прерывистыми лазерными лучами.

2. Атомный осциллятор по п. 1, в котором прерывистые лазерные лучи имеют прямоугольную форму волны.

3. Атомный осциллятор по п. 1, в котором прерывистые лазерные лучи имеют треугольную форму волны.

4. Атомный осциллятор по п. 1, в котором контроллер выполнен с возможностью формирования прерывистых лазерных лучей путем модуляции лазерных лучей, испускаемых от источника света, с использованием жидкокристаллического элемента.

5. Атомный осциллятор по любому из пп. 1-4, в котором источник света сделан из поверхностно излучающего лазера.

6. Способ опроса резонанса СРТ атомным осциллятором,

включающим в себя ячейку со щелочным металлом, в которую заключены атомы щелочного металла, источник света, выполненный с возможностью облучать атомы в ячейке со щелочным металлом лазерными лучами, и фотодетектор, выполненный с возможностью обнаружения количества света лазерных лучей, проходящих через ячейку со щелочным металлом и попадающих на фотодетектор, причем способ опроса включает в себя:

генерирование пары лазерных лучей с различными длинами волн, включающих в себя боковые полосы второго порядка или более высокого порядка, путем выполнения частотной модуляции несущей на источнике света;

вынуждение пары лазерных лучей с различными длинами волн входить в ячейку со щелочным металлом; и

управление частотой модуляции в соответствии с характеристиками оптического поглощения атомов эффектами квантовой интерференции пары резонансных лазерных лучей,

причем упомянутая пара лазерных лучей с различными длинами волн, оба представляют собой боковые полосы третьего порядка, и

при этом лазерные лучи, входящие в ячейку со щелочным металлом, являются прерывистыми лазерными лучами.

7. Способ опроса по п. 6, в котором лазерные лучи, входящие в ячейку со щелочным металлом, являются прерывистыми лазерными лучами.

8. Способ опроса по п. 7, в котором прерывистые лазерные лучи имеют прямоугольную форму волны.

9. Способ опроса по п. 7, в котором прерывистые лазерные лучи имеют треугольную форму волны.

10. Способ опроса по п. 7, в котором генерирование включает в себя генерирование прерывистых лазерных лучей путем модуляции лазерных лучей, испускаемых от источника света, путем использования жидкокристаллического элемента.

11. Способ опроса по любому из пп. 6-10, в котором источник света сделан из поверхностно излучающего лазера.