МАЛОГАБАРИТНЫЕ АТОМНЫЕ ЧАСЫ С ДВУМЯ ЗОНАМИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК H03L7/26 

Изобретение относится к области навигационной аппаратуры, а конкретно, к малогабаритным атомным часам на основе эффекта когерентного пленения населенностей, которые предоставляют высокостабильный выходной сигнал с частотой 10 МГц.

Известны атомные часы на основе эффекта когерентного пленения населенностей, содержащие установленные последовательно диодный лазер с вертикальным резонатором и квантовый дискриминатор, а также СВЧ-генератор, предназначенный для модуляции тока инжекции диодного лазера (см., например, US 6265945 В1, МПК H03L 7/26, опубл. 24.07.2001 [1]).

Одним из недостатков известных атомных часов является зависимость их выходной частоты от мощности лазерного излучения и его спектрального распределения в силу светового сдвига частоты микроволнового перехода атомов щелочного металла.

Раскрытые в [1] атомные часы приняты в качестве ближайшего аналога заявленных атомных часов.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании атомных часов, в которых обеспечивалось бы подавление светового сдвига частоты микроволнового перехода используемых атомов щелочного металла.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении стабильности частоты атомных часов в результате того, что она в меньшей степени зависит от интенсивности и спектрального состава излучения диодного лазера с вертикальным резонатором.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания малогабаритных атомных часов на основе эффекта когерентного пленения населенностей, содержащих установленные последовательно диодный лазер с вертикальным резонатором и квантовый дискриминатор, а также кварцевый генератор и СВЧ-генератор, предназначенный для модуляции тока инжекции диодного лазера, в которых квантовый дискриминатор снабжен средством для разделения пучка лазерного излучения на два параллельных пучка различной мощности и двумя фотоприемниками, каждый из которых предназначен для регистрации соответствующего пучка лазерного излучения, при этом атомные часы выполнены с возможностью использования сигнала первого фотоприемника для стабилизации частоты кварцевого генератора, а сигнала второго фотоприемника - для управления мощностью СВЧ-модуляции таким образом, чтобы амплитуда сигнала второго фотоприемника была равна нулю, когда амплитуда сигнала первого фотоприемника равна нулю.

На фиг. 1 представлена блок-схема заявленных атомных часов.

На фиг. 2а и 2b показаны сигналы ошибки, полученные с двух фотоприемников, как функции расстройки частоты, отнесенной к ширине контура пропускания лазерного излучения.

Атомные часы на основе эффекта когерентного пленения населенностей, показанные на фиг. 1, содержат установленные последовательно диодный лазер с вертикальным резонатором 1 и квантовый дискриминатор 2, а также СВЧ-генератор 3, предназначенный для модуляции тока инжекции диодного лазера 1.

Квантовый дискриминатор 2 включает в себя ячейку 4, содержащую пары, по меньшей мере, одного щелочного металла (как правило, ⁸⁷Rb или ¹³³Cs) и буферный газ (например, смесь аргона и азота), средство 5 нагрева ячейки и поддержания ее температуры (например, бифилярная катушка и термистор) и средство 6 для создания однородного магнитного поля внутри ячейки 4 (например, соленоид), окруженные магнитными экранами 7. Магнитные экраны 7 позволяют снизить чувствительность частоты выходного сигнала атомных часов к изменениям внешнего магнитного поля. Квантовый дискриминатор также снабжен средством 8 для разделения пучка лазерного излучения на два параллельных пучка различной мощности и двумя фотоприемниками 9а и 9б, каждый из которых предназначен для регистрации соответствующего пучка лазерного излучения. В качестве средства 8 может быть использовано, например, частично прозрачное зеркало, установленное под углом 45 градусов к исходному пучку лазерного излучения.

Заявленные атомные часы используют следующим образом.

Через ячейку 4 проходит лазерное излучение диодного лазера 1 с вертикальным резонатором, частота которого модулируется на половине частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атомов используемого щелочного металла (например, ⁸⁷Rb, но возможно также использование любого иного подходящего щелочного металла или смеси щелочных металлов).

СВЧ-модуляция тока инжекции диодного лазера 1 с вертикальным резонатором на частоте Ω приводит к появлению в его спектре дополнительных компонент, отстоящих от центральной на величины, кратные Ω. Первые боковые полосы лазерного излучения настроены на оптические переходы D₁-линии ⁸⁷Rb. Компонента с меньшей частотой вызывает электродипольные переходы в возбужденное состояние с нижнего уровня с моментом F=2, с большей частотой - с нижнего уровня с моментом F=1.

В силу эффекта когерентного пленения населенностей пропускание излучения атомной средой достигает максимума, когда разность частот первых боковых компонент, равная 2Ω, совпадает с частотой ω_g между подуровнями основного состояния с проекцией момента F, равной нулю (далее - частота перехода «0-0»). Частоту модуляции Q. контролируют таким образом, чтобы пропускание излучения атомной средой было максимально. Для этого СВЧ-сигнал модулируют с частотой ω_m, которая составляет от нескольких сотен Гц до нескольких кГц. Это приводит к осцилляциям пропускания излучения атомной средой на частоте ω_m, амплитуда которых имеет различный знак для положительной и отрицательной разности 2Ω-ω_g. Это позволяет сформировать обратную связь для стабилизации выходной частоты часов, так как величина Ω связана с частотой кварцевого генератора 10.

Лазерное излучение разделяется на два параллельных пучка, причем в одном из них снижается его оптическая мощность. Каждый из пучков лазерного излучения после прохождения через ячейку 4 регистрируется отдельным фотоприемником (9а и 9б). Сигнал одного из них, как и в случае стандартного варианта малогабаритных атомных часов, используется для стабилизации частоты кварцевого генератора 10. Сигнал второго фотоприемника используется для управления мощностью СВЧ-модуляции. Она стабилизируется таким образом, чтобы амплитуда сигнала второго фотоприемника была равна нулю.

На фиг. 2а показаны зависимости амплитуд осцилляций сигналов фотоприемников на частоте ω_m от частоты СВЧ-модуляции в единицах ширины Г резонанса пропускания оптического излучения ячейкой 4 для случая, при котором световой сдвиг частоты перехода «0-0» не равен нулю. На фиг. 2b показан случай, когда световой сдвиг подавлен.

В заявленном изобретении использование сигнала дополнительного фотоприемника позволяет управлять мощностью СВЧ-модуляции таким образом, чтобы выходная частота атомных часов в меньшей степени зависела от интенсивности и спектрального состава лазерного излучения, чем в [1].

Изобретение относится к области навигационной аппаратуры, а конкретно к малогабаритным атомным часам на основе эффекта когерентного пленения населенностей, которые предоставляют высокостабильный выходной сигнал с частотой 10 МГц. Технический результат - повышение стабильности частоты атомных часов. Для этого предложены малогабаритные атомные часы на основе эффекта когерентного пленения населенностей, которые содержат установленные последовательно диодный лазер с вертикальным резонатором и квантовый дискриминатор, а также СВЧ-генератор, предназначенный для модуляции тока инжекции диодного лазера. Квантовый дискриминатор снабжен средством для разделения пучка лазерного излучения на два параллельных пучка различной мощности и двумя фотоприемниками, каждый из которых предназначен для регистрации соответствующего пучка лазерного излучения. 3 ил.

Малогабаритные атомные часы на основе эффекта когерентного пленения населенностей, содержащие установленные последовательно диодный лазер с вертикальным резонатором и квантовый дискриминатор, а также кварцевый генератор и СВЧ-генератор, предназначенный для модуляции тока инжекции диодного лазера, отличающиеся тем, что их квантовый дискриминатор снабжен средством для разделения пучка лазерного излучения на два параллельных пучка различной мощности и двумя фотоприемниками, каждый из которых предназначен для регистрации соответствующего пучка лазерного излучения, при этом атомные часы выполнены с возможностью использования сигнала первого фотоприемника для стабилизации частоты кварцевого генератора, а сигнала второго фотоприемника - для управления мощностью СВЧ-модуляции таким образом, чтобы амплитуда сигнала второго фотоприемника была равна нулю, когда амплитуда сигнала первого фотоприемника равна нулю.