Стабилизатор интенсивности светового потока Советский патент 1988 года по МПК G01J1/44 

оэ

:

Ю

Изобретение относится к оптике, . в частности к устройствам для стабилизации интенсивности световых потоков, и Может быть использовано для создания стабильного по интенсивности потока света в заданной области длин волн, применяемых при оптической ориентации ядер ртути, гелия, атомов щелочных металлов.

Цель изобретения - повышение стабильности интенсивности светового потока заданной длины волны путем стабилизации рабочего поля спинового генератора.

На фиг. 1 приведен спектр частот колебаний спинового генератора; на фиг. 2 - блок-схема стабилизатора интенсивности светового потока.

Если в спиновом генераторе замкнуть цепь обратной связи через электронную линию задержки, осуществляющую задержку сигнала на время Т , то в соответствии с условием баланса фаз

U

у н.

1

tgCtJ.r), (1)

где с) - частота генерации;

у - гиромагнитное отношение ра-

бочего вещества;

Hj, - рабочее статическое магнитное поле;

Та - поперечное время релаксации При достаточно большом ( Й -Т) возможен бигармоничный режим работы спинового генератора. В этом случае генерируются две частоты о), и . , удовлетворяющие уравнению (1).

На фиг. 1 изображены спектральные компоненты tJ и oJj такого колебания и контур спектральной линии ядерного магнитного резонанса рабочего веще- ства.

Воздействие флюктуации интенсив- кости света л I приводит к симметричному смещению спектральных компонент относительно центра линии на величину AW,T.e. к изменению разностной частоты (COj 1 )( dCJ) н величину 2AiJ. Суммарная частота при этом не меняется, так как

( W, -AW) + ( + AW) 0),+ Wt. Воздействие флюктуации статичес

кого магнитного поля ЛН приводит к асимметричному сдвигу спектральных компонент W, и cJe относительно цент10

25

)5

20

ЗО

. с

.Q

дс

55

ра линии на величины 2tJ, и ДсО соответственно и к изменению суммарной частоты генерации на величину д W + + Л W. При этом знак флюктуации поля совпадает со знаком ухода частоты.

Таким образом, разность частот генерации спиново го генератора (разностная частота), работающего в би- гармоничном режиме, можно использовать в качестве сигнала ошибки в системе стабилизации интенсивности светового потока, а сумму соответствующих частот (суммарная частота) - в качестве сигнала ошибки в системе стабилизации рабочего статического поля Нд.

Согласно фиг, 2 блок-схема стабилизатора содержит генератор 1 высокой частоты, спектральную лампу 2, полупрозрачное зеркало 3, поляроид 4, четвертьволновую пластину 5., оптически связанные с входом спинового генератора 6, состоящего из рабочего образца 7, помещенного в рабочее статическое магнитное поле Нд , фото- преобразователя 9, линии 10 задержки, усилителя 11, катущек 12 радиочастотного поля , нелинейный элемент 13, систему стабилизации рабочего поля Н, состоящую из синхронного детектора 14, опорного генератора 15 суммарной частоты, усилителя 16 постоянного тока и катушек 17 стабилизации рабочего поля, систему управления интенсивностью света, состоящую из синхронного детектора 18, опорного генератора 19 разностной частоты, .управляющего элемента 20, диафраг-. мы 21 .

С помощью генератора 1 в лампе 2 возбуждают разряд. Луч света от лам- : пы делится полупрозрачным зеркалом 3, проходит поляроид 4, четвертьволновую пластину 5 и, приобретая круговую поляризацию, попадает на рабочий образец 7, например, изотопы Hg или Cs спинового генератора 6. Вектор напряженности рабочего поля Н направлен под углом 45° к оси пучка света.

Промодулированный по интенсивности частотами прецессии ядер w, и OJ свет, прошедший образец 7, попадает на фот топреобразователь 9. Электрический сигнал - суперпозиция двух частот w и с выхода фотопреобразователя 9 через линию 10 задержки постугг пает на усилитель 11, с выхода которого подается на катушки 12

14I34A2 радиочастотного поля Н, ось которых перпендикулярна оси пучка света.

С выхода усилителя 11 сигнал поступает также на нелинейный элемент 13 (может служить диод, либр транзистор, включенные в нелинейном режиме). В выходном сигнале нелинейного элемента 13 присутствуют разностная (Wg-tJ) и суммарная (и + и) частоты. Синхронный детектор 14 сравнивает суммарную частоту с частотой опорного генератора 15 суммарной частоты и через усилитель 16 постоянного тока управляет током катушек 17 так, чтобы сравниваемые частоты совпадали. Этим достигается стабилизация поля Н.

Синхронньш детектор 18 сравнивает разностную частоту с частотой опорного генератора 19 разностной частоты и через управляющий элемент 20 меняет режим питания лампы 2 или диаметр диафрагмы 21 так, чтобы разностная частота совпадала с частотой опорного генератора разностной частоты. В результате спектральная компонента излучения спектральной лампы 2, производящая оптическую ориентацию атомов рабочего вещества стабилизируется по интенсивности и с полупрозрачного зеркала 3 можно получить стабильный по интенсивности неполяризо- ванньй свет 1, .

Сравним влияние нестабильности магнитного поля на стабильность интенсивности света в прототипе и в предлагаемом устройстве в случае, когда рабочим веществом является изотоп Cs с типовым временем релаксации Т 2мс,

В прототипе при изменении внешнего магнитного поля Н на величину дН и при коэффициенте экранирования от внешнего магнитного поля К рабочее поле изменится на величину ДН Кд дН. Это вызовет изменение интенсивности света прототипа на величину

улн„к,

:5.НК ;

К

-1

(2)

- гидромагнитное отношение для Cs ( у 350 кГц/Э);

- коэффициент передачи: интен- сивность - частота прототипа (характеризует величину ухода частоты генерации при

2

изменении интенсивности света на 1%). Подставляя в формулу (2) типовые

значения: Кз 1000; ,5 Гц/%, по-

лучим

ul,

(4

) ДН.

При изменении внешнего поля, например, на мЭ (это соответствует 2% от максимального земного поля)

15

Д1.

1,4%.

Для предлагаемого устройства с учетом коэффициента стабилизации рабочего поля формула (2) записывается в виде

- t

If К -К

-

ст

,

(3)

5

0

5

0

5

0

где К

ст

коэффициент стабилизации рабочего поля;

К . - коэффициент передачи: интенсивность - частота предлагаемого устройства (частота - в смысле разностной частоты 60 - ii ) . Подставляя в формулу (3) типовые

значения: Kg 1000; К 0,5 Гц/%;

Kj. 1000, получим

д1 (2-10 %/Гц) Y.H.

При дН 10 мЭ Л1 0,007%.

Таким образом, нестабильность магнитного поля, более чем в 100 раз слабее сказывается на нестабильности интенсивности света по сравнению с

AT прототипом ( т- 100) .:

. iJ-n Предла:;аемое устройство может быть

использовано в прецизионных квантовых магнитометрах, в прецизионных квантовых преобразователях ток - частота, а также в экспериментах по проверке гипотез фундаментальной физики, где нестабильность светового потока заданной спектральной компоненты существенно сказывается на точности измерений .

Формула изобретения

Стабилизатор интенсивности светового потока, содержащий последова- .

тельно расположенные на одной оптической оси спектральную лампу, связанную с генератором высокой частоты диафрагму, полупрозрачное зеркало, поляроид, четвертьволновую пластину, спиновый генератор с оптической накачкой, содержащий рабочий образец и последовательно соединенные и образующие обратную связь спинового генератора фотопреобраэователь, усилитель и катушки радиочастотного поля, а также синхронный детектор, информационный и синхронизируклций входы которого соединены соответственно с выходами усилителя и опорного генератора, а выход синхронного детектора через управляющий элемент соединен с диафрагмой и с управляющим входом генератора высокой частоты, отличающийся тем, что, с целью повышения стабильности интенсивности

светового потока заданной длины волны путем стабилизации рабочего магнитного поля в стабилизатор введены линия задержки, нелинейный элемент, второй синхронный детектор, второй опорный генератор, усилитель постоянного то- . .ка и катушки стабилизации рабочего поля, при этом вход линии задержки соединен с выходом фотопреобразователя, а ее выход - с входом усилителя, вход нелинейного элемента подключен к выходу спинового генератора, а выход нелинейного элемента соединен с .информационными - входами обоих синхронных детекторов, синхронизирующий вход второго синхронного детектора подключен к выходу второго опорного генератора, а выход второго синхрон-

ного детектора через усилитель постоянного тока соединен с катушками стабилизации рабочего поля.

Изобретение относится к оптике, в частности к устройствам для стабилизации интенсивности световых потоков . Цель - повышение стабильности интенсивности светового потока задан- . ной длинЬ волны. В устройство для стабилизации интенсивности светового потока, использующее в качестве светочувствительного элемента спиновый генератор, выход которого соединен с системой управления интенсивностью света, вводят линию задержки, нелинейный элемент и систему стабилизации магнитного рабочего поля спинового генератора, состоящую из синхронного детектора, опорного генератора, усилителя постоянного тока, катушек ста-, билизации рабочего поля, причем линию задержки вводят в разрыв цепи обратной связи спинового генератора, а нелинейный элемент - в разрыв цепи между выходом спинового генератора и системой управления интенсивностью света. 2 ил. (Л

J, /

X

X

COf-ud)

I Cjf -ACJi

f 4dJ2

Фиг.1