Квантовый дискриминатор Советский патент 1990 года по МПК H01S1/06 

Изобретение относится к квантовой радиофизике и может быть использовано в квантовых стандартах частоты и времени., ,

Известен дискриминатор на парах рубидия, содержа;щий источник оптической накачки, ячейку-фильтр сверхтонной. составляющей спектра для создания неравновесного состояния атомов. За

.ячейкой-фильтром располагается ячейка поглощения, находящаяся в СВЧ-резонаторе, в котором создаются условия для взаимодействия поля резонатора и атомов, находящихся в неравновесном

состоянии .Лалее расположено устройство, регистрирующее изменение условий поглощения в ячейке поглощения фотодетектор. Такая констрзгкция обладает тем недостатком, что стабильность частоты и вместе с ним параметр ,,

чества дискриминатора существенно зависит от условий накачки-температуры :лампы, ячейки-фильтра, ячейки поглощения, фотоприемника, а также имеет

Р большие габариты и массу. Уменьшение

00 габаритов приводит к существенному

СП снижению параметра качества дискрими 9натора, особенно при совмещении ячейки-фильтра и ячейки поглощения.

з: Наиболее близким к предлагаемому йвляется квантовый дискриминатор на парах рубидия, включающий источник излучения, ячейку-фильтр и ячейку по. глощендм, расположённзпо в резонаторе, ;термостат и фотодетектор. ;

Устройство содержит источник на парах ,, термостатированный хфи температзфе Т , ячейку-фильтр с парами Rb gj, термостатированнзто при температуре Тг, ячейку поглощения с. парами Rbg7 , термостатированную при температуре Т- и помещенную в СВ -резонатор. Недостатком известной конструкции является невысокая стабильность часто ты, обусловленная засветкой Фоторетек тора droHoBbiM излучением атомов Rb| и буферных газов, которое может соста лять до 99,99% интенсивности светового излучения лампы накачки и фильтруемого ячейкой-фильтррм. Это также препятствует дальнейшей микроминиатюризации дискриминатора, снижает параметр качества и спектральные характеристики стандарта в целом. Целью изобретения является повьтение стабильности частоты при-, одновре, менном уменьшении габаритов устройств Это достигается тем, что в квантовом дискриминаторе на парах рубидия содержащем источник излучения, ячейку фильтр и ячейку поглощения, расположенную в резонаторе, термостат и Фото детектор, фотодетектор выполнен селек тивным на основе многослойного широко зонного полупроводника,с электродами, причем один из электродов выполнен в виде решетки с шириной элемента, по крайней мере, на порядок меньшей рабочей длины волны резонатора и электрически соединен с внутренней стенкой резонатора со стороны выхода оптического излучения. Ячейка-Фильтр может быть совмещена с ячейкой поглощения и содержать смесь изотопов Rbjg и Rbj7« С целью расширения зксплуатационного температурного диапазо на температура дискриминатора в целом или отдельных его элементов может быть повышена до 80-135 С. Фотодетектор выбран с максимумом фоточувствительности при рабочей температуре ячейки поглощения на длине волны 780795 им и полушириной спектральной характеристики не более 40 нм. На Фиг. 1 показана конструкция квантового дискриминатора; на фиг.2 спектральная характеристика системы оптической индикации дискриминатора; на фиг. 3 - примеры конкретного выпол нения фотодиода в резонаторе. Дискриминатор содержит лампу оптической накачки Т, за ней располагается ячейка-фильтр сверхтонкой составляющей спектра 2, ячейка поглощения 3 фотодетектор 4, термостат 5 и резона тор 6, на стенке, которого расположен селективный фотодетектор. Ячейкафильтр и ячейка поглощения помещены в магнитное поле для получения сверхтонкой структурыспектра ив термостат, стабилизирующий температуру частей дискриминатора, Спектральная характеристика системы оптической индикации дискриминатора включает линию перехода 5 S ,j 5 Pf/25 7 О ). линию перехода 52 S /2 y 3/}fS (А 780,0 нм) , линию фоновой засветки Хобычно Аг, Rb.j-Rb) 9, спектральн5то характеристику селективного фотодиода 10 Д- длину волны излучения, нм; S/S, относительную чувствительность фотодетектора; J/1 - ширину спектральной характеристики. На задней стенке резонатора помещен фотодетектор 4, который может быть, в частности, фотодиодом на основе твердого раствора в системе HaAs-AlAs и отделён от резонатора диэлектриком 11. Нижний электрод Фотодиода 12 имеет вывод к регистрирующей системе и включается в нее в Фотодиодном или фоторезистивном режиме. Сам фотодиод сформирован, например, на подложке из HaAs п-типа проводимости 13, на которой расположен 1-й слой твердого раствора п-тйпа. проводимости 14 состава Па , на котором - второй слой твердого состава р-типа проводимости 15, причем х-у для формирования спектральной характеристики заданной формы. Для эффективного разделения генерированных светом носителей металлургическая граница (р-п)-перехода должна отстоять от границы гетероперехода не более, чем на диффузионную длину неосновных носителей заряда. Для формирования узкой спектральной характеристики толщина верхнего слоя должна быть не меньше характеристической глубины проникновения излучения с длиной волны, соответствующей максимуму фоточувствительности минус А, в материал верхнего слоя. Верхний, электрод фотодиода 16 выполнен в виде решетки с шириной элемента не менее, чем на порядок, меньший рабочей волны резонатора, электрически соединен с ним и выполняет функцию его задней стенки. Ячейка поглощения может быть совмещена с .ячейкой-Фильтром и заполнена смесью изотопов Rb с и Rbj-,. Работа квантового дискриминатора основана на двойном радиооптическом резонансном поглощении света с плино волньгЛо, 794, 7 нм (5 -г. 5 Р// ) 780,0 нм (./. 52,. ) 0 переходов с т 0, слабо зависягаих от магнитного поля. Для получения неравновесного состояния атомов НЬ«используется накачка от лампы с пара ми Rb|7 (иногда их смесь с Rbjj-), .фильтр с парами Rbj. Состав слоев ; твердого раствора CaAlAs (х и у) выбирается с таким расчетом, чтобы .. свет с длиной волны Л - j- ностью поглощался в верхнем слое на расстоянии, большем диффузионной дли ны электронов от р-п-перехода ( /, длина волны максимальной чувствитель ности 780 нм Л а 795 нм), а свет с длиной волны А Л + -- проходил через (р-п)-переход и поглощался на расстоянии, большем диффузионной дли ны дырок от перехода. Таким образом вклад в фототок будут вносить носите генерированные светом с длиной волны . i А . Как показаДо - Т ли исследования, наиболее эффективна (фильтрация происходит при нм Использование селективного фотоде тектора на основе широкозонного полу проводника позволяет существенно повысить стабильность частоты, парамет качества дискриминатора и уменьшить габариты устройства за счет введения фотодетектора непосредственно в резонатор и совмещения ячейки-фильтра и ячейки поглощения. Термостатирование фотодетектора в данном случае необходимо для стабилизации его спектральной характеристики, температурный уход которой из-за малой ее ширины существенно влияет на параметры дис- . криминатора. Использование для Лотодетектора широкозонного полупроводникового материала, например OaAlAs, ; .позволяет расширить его температурный диапазон до 120-150 Г, повысить температуру элементов дискриминатора или Bcejo устройства в целом на 10-80 С выше общепринятой (до ) и применять один термостат на ячейку поглощения и фотоприемник, или на ячейку-фильтр, ячейку поглощения и фотоприемник, или на весь дискриминатор .в целом или на дискриминатор и кварцевый генератор, подстраиваемый по квантовому д скриминатору. I ., Использование для оптической инди-. кации приемника с узкой спектральной характеристикой позволяет повысить эффективность индикации поглощения полезной составляющей светового потока от источника излучения без з еньшения чувствительности, повысить стабильность частоты, .параметр качества дискриминатора за счет увеличения отношения сигнал-шум, уменьшить рабочий объем дискриминатора, увеличить рабочую ,температуру элементов дискриминат тора.

КВАНТОВЫЙ ДИСКРИЩНАТОР на парах рубидия, включающий источник излучения, ячейку-фильтр и ячейку поглощения, расположенную в резонаторе, термостат и фотодетектор, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности частоты при одновременном уменьшении габаритов, фотодетектор выполнен селективным на основе многослойного широкозонного полупроводника с электродами, ;причем один из электродов выполнен в виде решетки с шириной элемента, по крайней мере, на порядок меньшей; рабочей длины волны-резонатора и электрически соединен с внутренней стенкой резонатора со стороны выхода ;излучения..

fpual