RU2817140C1 - Малогабаритные атомные часы с двумя зонами детектирования оптического излучения - Google Patents
Малогабаритные атомные часы с двумя зонами детектирования оптического излучения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2817140C1 RU2817140C1 RU2023105621A RU2023105621A RU2817140C1 RU 2817140 C1 RU2817140 C1 RU 2817140C1 RU 2023105621 A RU2023105621 A RU 2023105621A RU 2023105621 A RU2023105621 A RU 2023105621A RU 2817140 C1 RU2817140 C1 RU 2817140C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- atomic clock
- frequency
- small
- photodetector
- signal
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 18
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title description 4
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 150000001340 alkali metals Chemical group 0.000 description 6
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
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.
Description
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 ωg 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 ωm, которая составляет от нескольких сотен Гц до нескольких кГц. Это приводит к осцилляциям пропускания излучения атомной средой на частоте ωm, амплитуда которых имеет различный знак для положительной и отрицательной разности 2Ω-ωg. 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 ωm 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].
Claims (1)
- 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.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2817140C1 true RU2817140C1 (ru) | 2024-04-11 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5327105A (en) * | 1991-12-31 | 1994-07-05 | Westinghouse Electric Corp. | Gas cell for a miniaturized atomic frequency standard |
| US6265945B1 (en) * | 1999-10-25 | 2001-07-24 | Kernco, Inc. | Atomic frequency standard based upon coherent population trapping |
| RU2738464C1 (ru) * | 2020-06-16 | 2020-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») | Квантовый дискриминатор частоты |
| RU2747165C1 (ru) * | 2020-06-16 | 2021-04-28 | Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») | Квантовый стандарт частоты с лазерной оптической накачкой |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5327105A (en) * | 1991-12-31 | 1994-07-05 | Westinghouse Electric Corp. | Gas cell for a miniaturized atomic frequency standard |
| US6265945B1 (en) * | 1999-10-25 | 2001-07-24 | Kernco, Inc. | Atomic frequency standard based upon coherent population trapping |
| RU2738464C1 (ru) * | 2020-06-16 | 2020-12-14 | Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») | Квантовый дискриминатор частоты |
| RU2747165C1 (ru) * | 2020-06-16 | 2021-04-28 | Общество с ограниченной ответственностью «Атомикс» (ООО «Атомикс») | Квантовый стандарт частоты с лазерной оптической накачкой |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6201821B1 (en) | Coherent population trapping-based frequency standard having a reduced magnitude of total a.c. stark shift | |
| CN102064828B (zh) | 原子振荡器 | |
| CN102013891B (zh) | 量子干涉装置、原子振荡器以及磁传感器 | |
| EP0414194B1 (en) | Laser pumped atomic frequency standard with high frequency stability | |
| US6363091B1 (en) | Coherent population trapping-based method for generating a frequency standard having a reduced magnitude of total a.c. stark shift | |
| CN103166636B (zh) | 原子振荡器、量子干涉装置的控制方法及量子干涉装置 | |
| EP0411131B1 (en) | Wavelength stabilized source of light | |
| US8183942B2 (en) | Atomic clock operating with helium 3 | |
| JP5609130B2 (ja) | 原子発振器 | |
| US3165705A (en) | Gas cell frequency stabilization | |
| EP0526073B1 (en) | Atomic clock system with improved servo system | |
| US7098744B2 (en) | Method and apparatus for generating two frequencies having a frequency separation equal to the atomic frequency of an atomic species | |
| CN105991133A (zh) | 同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟及其实现方法 | |
| RU2817140C1 (ru) | Малогабаритные атомные часы с двумя зонами детектирования оптического излучения | |
| WO2014034955A1 (en) | Atomic oscillator and interrogation method of coherent population trapping resonance | |
| RU143081U1 (ru) | Квантовый стандарт частоты оптического и свч диапазонов | |
| Ignatovich et al. | Light shifts in the rubidium CPT atomic clock with laser current modulation at 3.4 and 6.8 GHz | |
| US6359917B1 (en) | Detection method and detector for generating a detection signal that quantifies a resonant interaction between a quantum absorber and incident electro-magnetic radiation | |
| US3388339A (en) | Atomic clocks with spin exchange collision | |
| RU2426226C1 (ru) | Квантовый стандарт частоты | |
| RU95907U1 (ru) | Квантовый стандарт частоты | |
| US12181842B2 (en) | Ramsey spectrometer, optical lattice clock, and Ramsey spectroscopic method | |
| JPH0748661B2 (ja) | ガスセル形原子発振器 | |
| EP2240833B1 (en) | Frequency standard based on coherent population trapping (cpt) | |
| Ignatovich et al. | Coherent Population Trapping Resonance Parameters and Field Shifts during the Detection of Signals from Different Cross-Sectional Areas of the Interaction of Laser Radiation with Atoms |