RU2312457C1 - Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom - Google Patents

Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom Download PDF

Info

Publication number
RU2312457C1
RU2312457C1 RU2006110578/09A RU2006110578A RU2312457C1 RU 2312457 C1 RU2312457 C1 RU 2312457C1 RU 2006110578/09 A RU2006110578/09 A RU 2006110578/09A RU 2006110578 A RU2006110578 A RU 2006110578A RU 2312457 C1 RU2312457 C1 RU 2312457C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonance
frequency
ultra
field
atom
Prior art date
Application number
RU2006110578/09A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Иванович Юдин (RU)
Валерий Иванович Юдин
Алексей Владимирович Тайченачев (RU)
Алексей Владимирович Тайченачев
Сергей Александрович Зибров (RU)
Сергей Александрович Зибров
Владимир Леонидович Величанский (RU)
Владимир Леонидович Величанский
Original Assignee
Институт лазерной физики СО РАН
Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт лазерной физики СО РАН, Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН filed Critical Институт лазерной физики СО РАН
Priority to RU2006110578/09A priority Critical patent/RU2312457C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2312457C1 publication Critical patent/RU2312457C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electric engineering, possible use, for example, in metrology for determining frequency and time, in particular during creation of atomic standards of frequency or in atomic clock.
SUBSTANCE: principally new method is claimed for generation of high contrast resonance on ultra-thin transitions of main state of atom of alkali metal in bichromatic field, where frequency components are identically linearly polarized. Full angular momentums of ultra-thin components in main state have values F=1 and 2, and excitation is performed through ultra-thin component with full angular momentum F'=1. Condition of spectral resolution of ultra-thin structure of excited state is required. Among alkali metals, aforementioned states in common conditions are only fulfilled for D1 - line of 87Rb. As opposed to standard 0-0 resonance, here passing resonance or coherent population capture resonance is formed at frequencies of atom transitions of 87Rb: F=2, m=1↔F=1, m=-1 and F=2, m=-1↔F=1,m=1, where F - quantum number of full angular momentum of atom, m - quantum number of projection of full angular atom onto direction of magnetic field.
EFFECT: increased support resonance contrast with simultaneous simplification of method and reduction of dimensions of device for realization of aforementioned method.
8 dwg

Description

Изобретение относится к метрологии частоты и времени и может найти применение в атомных стандартах частоты и часах.The invention relates to metrology of frequency and time and may find application in atomic frequency standards and clocks.

Известен традиционный способ формирования опорного резонанса для стабилизации генератора электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона в стандарте частоты на атомах рубидия (и других щелочных металлах) с помощью резонансной оптической накачки, которая изменяет населенности сверхтонких подуровней основного состояния - опустошает один из них и заселяет другой [1]. Воздействие СВЧ-полем с частотой, соответствующей разности энергии сверхтонких подуровней, возвращает часть атомов на опустошенный уровень и увеличивает поглощение оптического поля. Зависимость пропускания оптического поля ячейкой с ансамблем атомов от частоты СВЧ-поля и формирует опорный резонанс.There is a traditional method of forming a reference resonance for stabilizing the microwave electromagnetic oscillation generator in the frequency standard for rubidium atoms (and other alkali metals) using resonant optical pumping, which changes the populations of the hyperfine sublevels of the ground state - empties one of them and populates the other [1] . Exposure to a microwave field with a frequency corresponding to the energy difference of the hyperfine sublevels returns some of the atoms to the emptied level and increases the absorption of the optical field. The dependence of the transmission of the optical field by a cell with an ensemble of atoms on the frequency of the microwave field forms the reference resonance.

Источником оптического поля служит либо свет резонансной лампы [2], либо диодный лазер [3]. Для увеличения эффективности взаимодействия СВЧ-поля с атомами рубидия, ячейка помещается в СВЧ-резонатор.The source of the optical field is either the light of a resonant lamp [2] or a diode laser [3]. To increase the efficiency of the interaction of the microwave field with rubidium atoms, the cell is placed in the microwave cavity.

Недостатком этого способа являются большие габариты реализующего его устройства, определяемые тем, что характерный размер СВЧ-резонатора по порядку величины близок к длине волны СВЧ-поля (

Figure 00000002
4,4 см), что делает его трудноприменимым, например, в мобильных системах.The disadvantage of this method is the large dimensions of the device implementing it, determined by the fact that the characteristic size of the microwave cavity is close to the wavelength of the microwave field in order of magnitude (
Figure 00000002
4.4 cm), which makes it difficult to apply, for example, in mobile systems.

Известен другой способ [4], в котором прямое зондирование атомов СВЧ-полем заменено их взаимодействием с двухчастотным (бихромагическим) полем диодного лазера. Два сонаправленных лазерных поля с частотами ω1 и ω2, действующие в Λ-конфигурации на разрешенные электродипольные переходы F=1↔F'=1, 2 и F=2↔F'=1, 2 (фиг.1), создают долгоживущую непоглощающую суперпозицию состояний сверхтонких подуровней атомов 87Rb. Здесь F и F' - квантовые числа полного углового момента атома основного и возбужденного состояний, соответственно. При изменении разности частот двух компонент бихроматического поля Δω=ω12 вблизи частоты атомного перехода Ω0, наблюдается резонанс пропускания (резонанс когерентного пленения населенностей (КПН) или Λ-резонанс). Ширина резонанса в пределе малых интенсивностей оптических полей определяется временем жизни когерентности в основном состоянии. В данном способе информация о частоте стабилизируемого генератора электромагнитных колебаний заключена в частотном интервале между двумя компонентами бихроматического поля. При этом обе компоненты бихроматического поля имеют одинаковые циркулярные поляризации, а для стабилизации частоты используется резонанс, формируемый на частоте 0-0 перехода: F=1, m=0↔F=2, m=0, где m - квантовое число проекции полного углового момента атома на направление магнитного поля. Во всех известных вариантах стандартов частоты на атомах щелочных металлов используется 0-0 переход.Another method is known [4], in which the direct sounding of atoms by a microwave field is replaced by their interaction with a two-frequency (bichromagic) field of a diode laser. Two codirectional laser fields with frequencies ω 1 and ω 2 acting in the Λ configuration on the allowed electric dipole transitions F = 1↔F '= 1, 2 and F = 2↔F' = 1, 2 (Fig. 1) create a long-lived non-absorbing superposition of states of hyperfine sublevels of 87 Rb atoms. Here F and F 'are the quantum numbers of the total angular momentum of the atom of the ground and excited states, respectively. When the frequency difference of the two components of the bichromatic field Δω = ω 12 changes near the atomic transition frequency Ω 0 , a transmission resonance is observed (resonance of coherent population trapping (CPT) or Λ resonance). The width of the resonance in the limit of low intensities of the optical fields is determined by the lifetime of coherence in the ground state. In this method, information about the frequency of the stabilized generator of electromagnetic waves is enclosed in the frequency interval between the two components of the bichromatic field. In this case, both components of the bichromatic field have the same circular polarizations, and to stabilize the frequency, the resonance generated at the frequency of the 0-0 transition is used: F = 1, m = 0↔F = 2, m = 0, where m is the quantum number of the projection of the total angular atomic moment in the direction of the magnetic field. In all known versions of the frequency standards for alkali metal atoms, a 0-0 transition is used.

Основным недостатком этого способа является малый контраст опорного резонанса, обусловленный паразитными непоглощающими состояниями.The main disadvantage of this method is the low contrast of the reference resonance due to parasitic non-absorbing states.

Главным преимуществом этого способа является исключение из схемы прибора СВЧ-резонатора, что позволяет существенно уменьшить габариты атомных часов.The main advantage of this method is the exclusion of the microwave resonator from the circuit of the device, which can significantly reduce the size of the atomic clock.

Наиболее близким способом формирования резонанса к предлагаемому является способ, описанный в [5]. Способ основан на использовании атомных ячеек малого размера (меньше длины волны СВЧ-перехода) и конфигурации поля, образованной встречными бегущими бихроматическими волнами с ортогональными циркулярными поляризациями (σ+- конфигурация). В [5] описан способ формирования опорного резонанса в атомах цезия, однако, метод пригоден и для других щелочных металлов.The closest method of resonance formation to the proposed one is the method described in [5]. The method is based on the use of atomic cells of small size (less than the wavelength of the microwave transition) and the configuration of the field formed by oncoming traveling bichromatic waves with orthogonal circular polarizations (σ +- configuration). In [5], a method is described for forming a reference resonance in cesium atoms, however, the method is also suitable for other alkali metals.

В этом способе также используется КПН эффект и резонансное бихроматическое поле диодного лазера, пропускание которого, как функция разности частот двух компонент, поля формирует опорный резонанс. Компоненты бихроматического поля создаются прямой модуляцией тока накачки (и частоты) диодного лазера на частоте Ω, близкой к половине реперного СВЧ-перехода Ω0/2=4,6 ГГц либо непосредственно на частоте Ω0. В первом варианте боковые полосы в спектре излучения модулируемого лазера имеют частоты ω1л- Ω/2 и ω1Л+ Ω/2, где ωЛ - частота несущей, так что ω21= Ω

Figure 00000002
Ω0. Во втором варианте рабочими компонентами лазерного поля являются несущая ω1 и одна из боковых полос ω21+ Ω.This method also uses the CPT effect and the resonant bichromatic field of a diode laser, the transmission of which, as a function of the frequency difference of the two components, of the field forms a reference resonance. Components bichromatic fields are directly modulated pump current (and frequency) of the laser diode at a frequency Ω, close to half of the reference microwave transition Ω 0/2 = 4.6 GHz, either directly at the frequency Ω 0. In the first embodiment, the side bands in the emission spectrum of a modulated laser have frequencies ω 1 = ω L - Ω / 2 and ω 1 = ω L + Ω / 2, where ω L is the carrier frequency, so that ω 21 = Ω
Figure 00000002
Ω 0 . In the second embodiment, the working components of the laser field are the carrier ω 1 and one of the side bands ω 2 = ω 1 + Ω.

Каждый из сверхтонких подуровней с квантовым числом F в магнитном поле расщепляется на 2F+1 зеемановских подуровней, как показано на фиг.2. Зависимость частоты перехода F=1, m=0↔F=2, m=0 (0-0 перехода) квадратична по полю и в малых нолях незначительна, поэтому этот переход используют для формирования опорного резонанса в стандартах частоты. Для его выделения ячейка помещается в постоянное магнитное поле.Each of the hyperfine sublevels with a quantum number F in a magnetic field is split into 2F + 1 Zeeman sublevels, as shown in FIG. The dependence of the transition frequency F = 1, m = 0↔F = 2, m = 0 (0-0 transition) is quadratic in the field and insignificant at small zeros, therefore this transition is used to form a reference resonance in frequency standards. To isolate it, the cell is placed in a constant magnetic field.

Существенно, что простейший способ создания бихроматического поля - модуляция тока накачки диодного лазера - приводит к тому, что поляризации рабочих компонент спектра одинаковы и, как правило, линейны. По правилам отбора один из сверхтонких оптических π - переходов, необходимый для создания Λ-конфигурации, оказывается запрещенным. В конфигурации F=3, 4↔F=3 запрещен переход F=3, m=0↔F'=3, m'=0, а в конфигурации F=3, 4↔F'=4 запрещен переход F=4, m=0↔F'=4, m'=0. Λ-конфигурация, связывающая требуемые зеемановские подуровни m=0 и m'=0, реализуется с помощью σ-переходов, для чего линейные поляризации обеих компонент преобразуются в циркулярные одной четвертьволновой пластинкой. Циркулярно поляризованные волны (σ-σ поляризационная конфигурация) в постоянном магнитном поле формируют семь Λ-схем, каждой из которых соответствует своя резонансная частота. Для стабилизации частоты используется средний резонанс, соответствующий 0-0 переходу. Диктуемая правилами отбора необходимость использования циркулярной поляризации приводит к существенному недостатку этого способа - наличию дополнительного "ловушечного" непоглощающего состояния (оно отмечено звездочкой на фиг.2). Поглощение лазерного поля переводит атомы на подуровни m'=3, 4 возбужденного состояния, откуда они спонтанно переходят в ловушечное состояние (F=4, m=4). Часть атомов накапливается в этом состоянии независимо от выполнения условия КПН-резонанса, т.е. они не участвуют в формировании резонанса, что существенно ограничивает его контраст.It is essential that the simplest way to create a bichromatic field — modulation of the pump current of a diode laser — leads to the fact that the polarizations of the working components of the spectrum are the same and, as a rule, linear. According to the selection rules, one of the hyperfine optical π transitions necessary for creating the Λ configuration is forbidden. In the configuration F = 3, 4↔F = 3 the transition F = 3 is forbidden, m = 0↔F '= 3, m' = 0, and in the configuration F = 3, 4↔F '= 4 the transition F = 4 is forbidden m = 0 ↔ F '= 4, m' = 0. The Λ configuration connecting the required Zeeman sublevels m = 0 and m '= 0 is realized using σ transitions, for which the linear polarizations of both components are transformed into circular polarities by one quarter-wave plate. Circularly polarized waves (σ-σ polarization configuration) in a constant magnetic field form seven Λ-schemes, each of which has its own resonant frequency. To stabilize the frequency, an average resonance corresponding to a 0–0 transition is used. Dictated by the selection rules, the need to use circular polarization leads to a significant drawback of this method - the presence of an additional "trap" non-absorbing state (it is marked with an asterisk in figure 2). The absorption of the laser field transfers the atoms to the sublevels m '= 3, 4 of the excited state, from where they spontaneously pass into the trap state (F = 4, m = 4). Some atoms accumulate in this state regardless of the fulfillment of the CPT resonance condition, i.e. they do not participate in the formation of resonance, which significantly limits its contrast.

Это препятствие может быть преодолено при использовании маленьких ячеек и σ+- конфигурации двухчастотного поля, образованной встречными бегущими (по оси z) бихроматическими волнами с противоположными циркулярными поляризациями. В этом случае ловушечное состояние отсутствует.This obstacle can be overcome by using small cells and σ +, a two-frequency field configuration formed by oncoming traveling (along the z axis) bichromatic waves with opposite circular polarizations. In this case, there is no trap state.

При использовании встречных волн эффективность взаимодействия атома с полем испытывает пространственно периодическую модуляцию. Эта вариация обусловлена пространственным набегом разности фаз частотных компонент для встречных волн 2(k1-k2)z, где ki=2π/λi, - волновые вектора поля с частотами ωi, a z - координата точки наблюдения. Эффект пространственной модуляции с периодом π/(k1-k2), обусловлен разностью длин волн λ1 и λ2 различных частотных компонент. Так, например, для атомов 133Cs период π/(k1-k2)=1,6 см. В случае "большого" размера ячейки L≥π/(k1-k2), существенное увеличение амплитуды резонанса полного поглощения в σ+- поле не будет наблюдаться из-за пространственного усреднения. Однако для малых ячеек с характерным продольным размером L≤π/(k1-k2), фазовые соотношения между компонентами поля приблизительно постоянны во всем объеме. Поэтому при размещении такой ячейки в области, в которой z мало отличается от оптимального значения, наблюдается существенное увеличение амплитуды резонанса (для D1-линии). В этом случае непоглощающее состояние для суммарного поля существует только в резонансе, а нечувствительное к разностной частоте паразитное ловушечное состояние отсутствует, что и приводит к увеличению контраста. Отметим, что σ+- конфигурация встречных волн реализуется стандартным образом, изображенным на фиг.3. Если падающая волна имеет σ+ - поляризацию, то отраженная от зеркала волна после повторного прохода четвертьволновой пластины (λ/4) приобретает противоположную σ- - поляризацию. Минимальное расстояние от зеркала до ячейки, равно π/2(k1-k2). Например, для атомов 133Cs это расстояние составляет примерно 0,8 см.When using counterpropagating waves, the efficiency of the interaction of an atom with a field undergoes spatially periodic modulation. This variation is due to the spatial incursion of the phase difference of the frequency components for counterpropagating waves 2 (k 1 -k 2 ) z, where k i = 2π / λ i , are the wave field vectors with frequencies ω i , az is the coordinate of the observation point. The effect of spatial modulation with a period of π / (k 1 -k 2 ) is due to the difference in wavelengths λ 1 and λ 2 of different frequency components. So, for example, for 133 Cs atoms, the period π / (k 1 -k 2 ) = 1.6 cm. In the case of a "large" cell size L≥π / (k 1 -k 2 ), a significant increase in the amplitude of the total absorption resonance in σ +- the field will not be observed due to spatial averaging. However, for small cells with a characteristic longitudinal size L≤π / (k 1 -k 2 ), the phase relations between the field components are approximately constant throughout the volume. Therefore, when placing such a cell in a region in which z differs little from the optimal value, a significant increase in the resonance amplitude is observed (for the D 1 line ). In this case, the nonabsorbing state for the total field exists only in resonance, and the parasitic trap state insensitive to the difference frequency is absent, which leads to an increase in contrast. Note that the σ +- configuration of counterpropagating waves is implemented in the standard manner shown in Fig.3. If the incident wave is σ + - polarization, the wave is reflected from the mirror after a second pass the quarter-wave plate (λ / 4) takes the opposite σ - - polarization. The minimum distance from the mirror to the cell is π / 2 (k 1 -k 2 ). For example, for 133 Cs atoms, this distance is about 0.8 cm.

Достоинствами способа являются отсутствие ловушечных состояний, относительная компактность и возможность получения высокого контраста резонанса. Недостатками являются: наличие дополнительных элементов (зеркала и четвертьволновой пластинки), ограничение по минимальным габаритам L≥0,8 см, необходимость принятия специальных мер для исключения обратной связи. Практически наблюдался резонанс с невысоким значением контраста (<10%) [5].The advantages of the method are the absence of trap states, relative compactness and the possibility of obtaining high contrast resonance. The disadvantages are: the presence of additional elements (mirrors and quarter-wave plates), the restriction on the minimum dimensions L≥0.8 cm, the need for special measures to eliminate feedback. In practice, a resonance was observed with a low contrast value (<10%) [5].

Задачей, решаемой изобретением, является увеличение контраста опорного резонанса при одновременном упрощении способа и уменьшении габаритов реализующего его устройства, что очень важно, например, при создании мобильных атомных часов.The problem solved by the invention is to increase the contrast of the reference resonance while simplifying the method and reducing the size of the device that implements it, which is very important, for example, when creating a mobile atomic clock.

Для решения задачи предложен новый способ формирования высококонтрастного опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла в бихроматическом поле, в котором частотные компоненты одинаково линейно поляризованы (lin||lin). При этом полные угловые моменты сверхтонких компонент в основном состоянии имеют значения F=1 и 2, а возбуждение осуществляется через сверхтонкую компоненту с полным угловым моментом F'=1. Обязательным является условие спектрального разрешения сверхтонкой структуры возбужденного состояния. Для щелочных металлов в обычных условиях перечисленные требования, выполняются только для D1-линии 87Rb, у которой сверхтонкое расщепление в возбужденном состоянии (812 MHz) заметно превышает доплеровскую полуширину ~260 MHz. В отличие от стандартного 0-0 резонанса, здесь КПН резонанс формируется сразу двумя переходами между зеемановскими подуровнями, а именно переходами: (-1)-(+1) и (+1)-(-1) резонансы. При этом в точном резонансе непоглощающие суперпозиционные состояния существуют, в то время как паразитное ловушечное состояние отсутствует.To solve the problem, a new method is proposed for the formation of a high-contrast reference resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom in a bichromatic field in which the frequency components are equally linearly polarized (lin || lin). In this case, the total angular momenta of the hyperfine components in the ground state are F = 1 and 2, and the excitation is carried out through the hyperfine component with the total angular momentum F '= 1. An obligatory condition is the spectral resolution of the hyperfine structure of the excited state. For alkali metals, under the usual conditions, the above requirements are satisfied only for the D 1 line 87 Rb, in which the hyperfine splitting in the excited state (812 MHz) noticeably exceeds the Doppler half-width of ~ 260 MHz. Unlike the standard 0-0 resonance, here the CPT resonance is formed immediately by two transitions between the Zeeman sublevels, namely the transitions: (-1) - (+ 1) and (+1) - (- 1) resonances. Moreover, in exact resonance, nonabsorbing superpositional states exist, while a parasitic trap state is absent.

На фиг.4 приведена схема светоиндуцированных переходов, когда две компоненты лазерного поля настроены на спектрально разрешенные сверхтонкие переходы F=1↔F'=1 и F=2↔F'=1 (уровень F'=2 при этом не возбуждается). Видно, что в этой схеме реализуются две Λ-конфигурации, изображенные сплошными линиями: одна из них имеет в основании подуровни F=1, m=-1 и F=2, m=+1, другая - F=1, m=+1 и F=2, m=-1. Обе Λ-схемы имеют в вершине магнитный подуровень возбужденного состояния F'=1, m=0. Достоинством данного способа является то, что в случае точного резонанса есть два суперпозиционных непоглощающих состояния, а при отстройке от резонанса непоглощающих состояний нет, то есть паразитных ловушечных состояний нет в обоих случаях, что приводит к большой величине контраста.Figure 4 shows a diagram of light-induced transitions when two components of the laser field are tuned to spectrally resolved hyperfine transitions F = 1↔F '= 1 and F = 2↔F' = 1 (the level F '= 2 is not excited in this case). It can be seen that in this scheme two Λ configurations are shown, depicted by solid lines: one of them has at its base sublevels F = 1, m = -1 and F = 2, m = + 1, the other - F = 1, m = + 1 and F = 2, m = -1. Both Λ-schemes have a magnetic sublevel at the vertex of the excited state F '= 1, m = 0. The advantage of this method is that in the case of exact resonance there are two superpositional non-absorbing states, and when detuning from resonance there are no non-absorbing states, that is, there are no parasitic trap states in both cases, which leads to a large amount of contrast.

В ненулевом магнитном поле частоты двух Λ-резонансов, соответствующих переходам F=1, m=-1↔F=2, m=+1 и F=1, m=+1↔F=2, m=-1 не совпадают. При этом в отличие от частоты 0-0 перехода (не зависящей в линейном приближении от магнитного поля) зависимости резонансных частот двух названных переходов содержат не только квадратичные, но и линейные по магнитному полю члены. Коэффициенты линейных сдвигов для двух резонансов имеют разные знаки, но совпадают по абсолютной величине, равной 2,8 кГц/Гс. Существенно, что эти сдвиги в 250 раз меньше сдвигов самих магнитных подуровней, между которыми совершаются переходы. Это обусловлено тем, что в каждом из резонансов вовлеченные в переход зеемановские подуровни сдвигаются в одну сторону. Неполная компенсация сдвигов подуровней обусловлена вкладом ядерного магнетона в зеемановское расщепление. В слабых магнитных полях малость сдвигов двух резонансных частот и их разные знаки приводят только к незначительному уширению (но не сдвигу) линии, что особенно важно для метрологических применений. Квадратичный по магнитному нолю зеемановский сдвиг этого резонанса в 1,33 раза меньше, чем для 0-0 резонанса.In a nonzero magnetic field, the frequencies of the two Λ resonances corresponding to the transitions F = 1, m = -1↔F = 2, m = + 1 and F = 1, m = + 1↔F = 2, m = -1 do not coincide. In this case, in contrast to the frequency of the 0–0 transition (independent of the magnetic field in the linear approximation), the dependences of the resonance frequencies of the two transitions contain not only quadratic, but also terms linear in the magnetic field. The linear shift coefficients for the two resonances have different signs, but coincide in absolute value equal to 2.8 kHz / G. It is significant that these shifts are 250 times smaller than the shifts of the magnetic sublevels themselves, between which the transitions occur. This is due to the fact that in each resonance the Zeeman sublevels involved in the transition are shifted in one direction. Incomplete compensation of the sublevel shifts is due to the contribution of the nuclear magneton to the Zeeman splitting. In weak magnetic fields, the smallness of the shifts of two resonant frequencies and their different signs only lead to a slight broadening (but not a shift) of the line, which is especially important for metrological applications. The Zeeman shift of this resonance quadratic in magnetic zero is 1.33 times smaller than for the 0–0 resonance.

Если полная ширина резонанса в предложенном способе составляет δν, то для исключения влияния соседних резонансов достаточно приложить магнитное поле, обеспечивающее их расщепление на величину ≤5δν, то есть магнитное поле, равное

Figure 00000003
Figure 00000002
(5/700)δν (Гс), где
Figure 00000004
Figure 00000002
700 кГц/Гс - коэффициент линейного сдвига зеемановских уровней с магнитным полем. При этом уширение опорного резонанса не превысит величины 5,6 кГц/Гс (5δν/700)Гс, то есть составит менее 5% от его ширины в нулевом магнитном поле.If the total width of the resonance in the proposed method is δν, then to exclude the influence of neighboring resonances it is sufficient to apply a magnetic field that ensures their splitting by ≤5δν, that is, a magnetic field equal to
Figure 00000003
Figure 00000002
(5/700) δν (G), where
Figure 00000004
Figure 00000002
700 kHz / Gs is the linear shift coefficient of Zeeman levels with a magnetic field. In this case, the broadening of the reference resonance will not exceed 5.6 kHz / G (5δν / 700) G, that is, it will be less than 5% of its width in a zero magnetic field.

Примером осуществления способа может служить проделанный эксперимент. Схема экспериментальной установки изображена на фиг.5. Она состоит из лазерной системы (1, 2, 3, 4, 5), ячейки с парами 87Rb (6, 7, 8) и системы детектирования (9). Эксперимент проводился с пирексовой цилиндрической ячейкой (длиной 40 мм, диаметром 25 мм), содержащей 4 тора Ne и изотопически чистый 87Rb (6). Ячейка помещалась внутри соленоида (8), который позволял изменять продольное магнитное ноле. Для изоляции от внешнего лабораторного поля ячейка помещалась внутри трех цилиндрических магнитных экранов (9). Нагрев ячейки до 50°С осуществлялся бифилярной нихромовой нитью, намотанной вокруг внутреннего магнитного экрана. Бихроматическое резонансное поле создавалось модуляцией тока диодного лазера (3), чья частота оптически захватывалась частотой одномодового инжекционного лазера с внешним резонатором (1). Для этого излучение последнего направлялось через развязку (2) в активную область ведомого лазера (3). При этом модуляция не нарушает режим задающего лазера (1). Ток инжекции ведомого лазера (3) модулировался на частоте Ω0/2=3.417 ГГц с помощью генератора СВЧ-сигналов Agilent E8257D-502, который согласовывался с лазером посредством тройника Minicircuits ZFBT-6G. Такая методика обеспечивала генерацию резонансных оптических полей с высокой степенью корреляции фазовых шумов. В резонансных полях содержалось приблизительно 50% полной мощности излучения (2 мВт). При соотношении интенсивностей резонансных полей, равном 1,4, амплитуда КПН резонанса была максимальной. Остальная мощность приходилась па несущую и боковые частоты более высокого порядка. Диаметр лазерного пучка в ячейке был равен 4 мм. Возбуждение КПН резонанса осуществлялось с помощью линейно поляризованных модуляционных компонент первого порядка, которые настраивались на F=1↔F'=1 и F=2↔F'=1 переходы. Высокая степень линейности поляризации обеспечивалась кварцевым поляризатором (5). Четвертьволновая пластинка λ/4 (4) позволяла изменять поляризацию лазерного поля от линейной до циркулярной. Мощность прошедшего через ячейку поля регистрировалась фотодиодом (9).An example of the method can serve as an experiment. The experimental setup is shown in FIG. 5. It consists of a laser system (1, 2, 3, 4, 5), a cell with 87 Rb pairs (6, 7, 8), and a detection system (9). The experiment was carried out with a pyrex cylindrical cell (40 mm long, 25 mm in diameter) containing 4 Ne tori and 87 Rb isotopically pure (6). The cell was placed inside the solenoid (8), which allowed changing the longitudinal magnetic field. To isolate it from an external laboratory field, the cell was placed inside three cylindrical magnetic screens (9). The cell was heated to 50 ° C by a bifilar nichrome thread wound around an internal magnetic screen. A bichromatic resonance field was created by modulating the current of a diode laser (3), whose frequency was optically captured by the frequency of a single-mode injection laser with an external resonator (1). For this, the radiation of the latter was directed through isolation (2) into the active region of the driven laser (3). In this case, the modulation does not violate the mode of the master laser (1). Slave laser injection current (3) modulated at the frequency Ω 0 /2=3.417 GHz microwave generator via signals Agilent E8257D-502 which was consistent with the laser via tee Minicircuits ZFBT-6G. This technique ensured the generation of resonant optical fields with a high degree of phase noise correlation. Resonance fields contained approximately 50% of the total radiation power (2 mW). When the ratio of the intensities of the resonance fields equal to 1.4, the amplitude of the CPT resonance was maximum. The remaining power was attributed to the carrier and higher order side frequencies. The diameter of the laser beam in the cell was 4 mm. The CPT resonance was excited using linearly polarized modulation components of the first order, which were tuned to F = 1↔F '= 1 and F = 2↔F' = 1 transitions. A high degree of linearity of polarization was provided by a quartz polarizer (5). The quarter-wave plate λ / 4 (4) made it possible to change the polarization of the laser field from linear to circular. The power of the field transmitted through the cell was recorded by a photodiode (9).

На экспериментальной установке был проведен сравнительный анализ предлагаемой схемы с одинаковыми линейными поляризациями двух компонент бихроматического поля и схемы, описанной в [4]. Были получены зависимости амплитуды и контраста резонанса от значения полной мощности резонансных оптических полей. На фиг.6 показаны КПН резонансы в случае предлагаемой lin||lin схемы возбуждения (опорный резонанс расположен посередине). Зависимости амплитуды КПН резонанса и контраста для предлагаемой схемы возбуждения и для схемы, описанной в [4], показаны на фиг.7 и фиг.8 соответственно. Из этих зависимостей видно, что параметры опорного резонанса в случае lin||lin способа формирования резонанса существенно превосходят параметры резонанса в случае σ-σ схемы возбуждения [4] (в предлагаемой схеме контраст на порядок выше, а амплитуда больше в ~50 раз).A comparative analysis of the proposed scheme with the same linear polarizations of the two components of the bichromatic field and the scheme described in [4] was carried out at the experimental setup. The dependences of the amplitude and contrast of the resonance on the total power of the resonant optical fields were obtained. Figure 6 shows the CPT resonances in the case of the proposed lin || lin excitation circuit (the reference resonance is located in the middle). The dependences of the amplitude of the CPT resonance and contrast for the proposed excitation circuit and for the circuit described in [4] are shown in Fig. 7 and Fig. 8, respectively. It can be seen from these dependences that the parameters of the reference resonance in the case of the lin || lin of the resonance formation method significantly exceed the resonance parameters in the case of the σ-σ excitation scheme [4] (in the proposed scheme, the contrast is an order of magnitude higher, and the amplitude is ~ 50 times larger).

Таким образом, показано, что предлагаемая схема формирования КПН резонанса на D1-линии атомов 87Rb позволяет реализовать Λ-резонанс с улучшенными метрологическими параметрами, а именно высоким значением контраста и амплитуды резонанса. При этом обе компоненты лазерного поля имеют одинаковые линейные поляризации, что допускает применение простейшего метода их формирования - модуляцией тока инжекции диодного лазера. Эта схема является одной из наиболее перспективных для использования в атомных часах на 87Rb.Thus, it is shown that the proposed scheme for the formation of the CPT resonance on the D 1 line of 87 Rb atoms allows one to realize Λ resonance with improved metrological parameters, namely, a high value of contrast and resonance amplitude. In this case, both components of the laser field have the same linear polarizations, which allows the application of the simplest method of their formation - modulation of the injection current of the diode laser. This scheme is one of the most promising for use in atomic clocks at 87 Rb.

Предложенный метод формирования высококонтрастного Λ-резонанса может найти применение при создании атомных часов повышенной стабильности и малогабаритных атомных часов, которые могут заменить кварцевые генераторы.The proposed method for the formation of high-contrast Λ resonance can be used to create atomic clocks with increased stability and small-sized atomic clocks that can replace quartz oscillators.

К коммерческим применениям атомных часов [6] относятся навигация, синхронизация телекоммуникационных сетей и научное приборостроение. Для защиты каналов связи и возможности оперативного определения местоположения предполагается установка малогабаритных атомных часов в мобильных телефонах.Commercial applications of atomic clocks [6] include navigation, synchronization of telecommunication networks, and scientific instrumentation. To protect communication channels and the ability to quickly determine the location, it is planned to install small-sized atomic clocks in mobile phones.

Существуют также важные (и массовые) применения в таких областях военной техники, как быстрые приемники для системы глобального позиционирования, системы связи с защитой от перегрузок каналов, помехоустойчивые тактические системы связи с быстрым переключением несущей, новые технологии распознавания и слежения [7]. Важным преимуществом атомных часов по сравнению с кристаллическими генераторами является меньшая чувствительность к ускорению и соответственно более высокая надежность при эксплуатации на вибрирующих платформах. Для военных применений особенно важны малое энергопотребление и компактность.There are also important (and massive) applications in such areas of military technology as fast receivers for global positioning systems, communication systems with protection against channel overloads, noise-resistant tactical communication systems with fast carrier switching, and new recognition and tracking technologies [7]. An important advantage of atomic clocks in comparison with crystalline generators is a lower sensitivity to acceleration and, accordingly, higher reliability during operation on vibrating platforms. For military applications, low power consumption and compactness are especially important.

Источники информацииInformation sources

[1] M.Arditi, "A gas cell atomic clock as a high-stability frequency standard", IRE Trans. Mil. Electron. 4, 25-28, 1960.[1] M.Arditi, "A gas cell atomic clock as a high-stability frequency standard", IRE Trans. Mil. Electron 4, 25-28, 1960.

[2] M.E.Packard, B.E.Swartz, "The opticaly pumped rubidium vapour frequency standard", IRE Trans. Instrum. 11, 215-223, 1962.[2] M.E. Packard, B.E. Swartz, "The opticaly pumped rubidium vapor frequency standard", IRE Trans. Instrum. 11, 215-223, 1962.

[3] L.L.Lewis and M.Feldman, Proceedings of 35th Annual Symposium on Frequency Control (Washington DC: Electronic Industires Assosiation), 1981, 612.[3] LLLewis and M. Feldman, Proceedings of 35 th Annual Symposium on Frequency Control (Washington DC: Electronic Industires Assosiation), 1981, 612.

[4] S.Knappe, P.D.D.Schwindt, V.Shah, L.Hollberg, and J.Kitching, "A chip-scale atomic clock based on 87Rb with improved frequency stability", OPTICS EXPRESS, Volume 13, Number 4, 2004.[4] S.Knappe, PDDSchwindt, V.Shah, L.Hollberg, and J.Kitching, "A chip-scale atomic clock based on 87 Rb with improved frequency stability", OPTICS EXPRESS, Volume 13, Number 4, 2004.

[5] А.В.Тайченачев, В.И.Юдин, В.Л.Величанский, С.В.Каргапольцев, Р.Винандс, Дж.Китчинг, Л.Холлберг, "Высококонтрастные темные резонансы на D1-линии щелочных металлов в поле встречных волн", Письма в ЖЭТФ, том 80, выпуск 4, 2004.[5] A.V. Taichenachev, V.I. Yudin, V.L. Velichansky, S.V. Kargapoltsev, R.Vinands, J.Kitsching, L.Hollberg, "High-contrast dark resonances on the D 1 -line of alkali metals in the field of counterpropagating waves ", JETP Letters, Volume 80, Issue 4, 2004.

[6] J.A.Kusters, C.A.Adams, "Performance requirements of communication base station time standards", RF Design May, 1999, pp.28-38.[6] J. A. Kusters, C. A. Adams, "Performance requirements of communication base station time standards", RF Design May, 1999, pp. 28-38.

[7] Vig J. "Military applications of high-accuracy frequency standards and clocks", IEEE Trans. Ultrason. Ferrelectr. Freq. Control, 40, (1993), pp.522-7.[7] Vig J. "Military applications of high-accuracy frequency standards and clocks", IEEE Trans. Ultrason Ferrelectr. Freq. Control, 40, (1993), pp. 522-7.

Claims (1)

Способ формирования опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла для стабилизации частоты генератора электромагнитных колебаний, основанный на эффекте когерентного пленения населенностей в бихроматическом лазерном поле, отличающийся тем, что резонанс формируется на частотах переходов атомов 87Rb: F=2, m=1↔F=1, m=-1 и F=2, m=-1↔F=1, m=1, где F - квантовое число полного углового момента атома, m - квантовое число проекции полного углового момента атома на направление магнитного поля, а компоненты бихроматического лазерного поля имеют одинаковую линейную поляризацию.A method of forming a reference resonance at ultrathin transitions of the ground state of an alkali metal atom to stabilize the frequency of an electromagnetic oscillation generator, based on the effect of coherent population trapping in a bichromatic laser field, characterized in that the resonance is formed at the transition frequencies of 87 Rb atoms: F = 2, m = 1 ↔F = 1, m = -1 and F = 2, m = -1↔F = 1, m = 1, where F is the quantum number of the total angular momentum of the atom, m is the quantum number of the projection of the total angular momentum of the atom on the direction of the magnetic field , and the components are bichromatic th laser field have the same linear polarization.
RU2006110578/09A 2006-04-03 2006-04-03 Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom RU2312457C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006110578/09A RU2312457C1 (en) 2006-04-03 2006-04-03 Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006110578/09A RU2312457C1 (en) 2006-04-03 2006-04-03 Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2312457C1 true RU2312457C1 (en) 2007-12-10

Family

ID=38904004

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006110578/09A RU2312457C1 (en) 2006-04-03 2006-04-03 Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2312457C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2541051C1 (en) * 2013-09-30 2015-02-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Method for reference resonance formation at hyperfine transitions from normal state of alkali-metal atom

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
А.В.ТАЙЧЕНАЧЕВ и др. Высококонтрастные темные резонансы на D 1 -линии щелочных металлов в поле встречных волн, письма в ЖЭТФ, т. 80, выпуск 4, 2004. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2541051C1 (en) * 2013-09-30 2015-02-10 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" (ФГАОУ ВО "СПбПУ") Method for reference resonance formation at hyperfine transitions from normal state of alkali-metal atom

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7323941B1 (en) Method and system for operating a laser self-modulated at alkali-metal atom hyperfine frequency
US10340658B1 (en) Laser system for atomic clocks and sensors
JP5473469B2 (en) Low temperature atomic micro primary standard
CN102799101B (en) Physical system device for chip coherent population trapping (CPT) atomic clock
US6654394B1 (en) Laser frequency stabilizer using transient spectral hole burning
Schünemann et al. Magneto-optic trapping of lithium using semiconductor lasers
CN100589049C (en) Coherent maser radiation cold atomic clock
Lutwak et al. The chip-scale atomic clock-coherent population trapping vs. conventional interrogation
US20070076776A1 (en) Technique for optically pumping alkali-metal atoms using cpt resonances
US8009520B2 (en) Method and system for operating an atomic clock using a self-modulated laser with electrical modulation
Brazhnikov et al. Dual-frequency sub-Doppler spectroscopy: Extended theoretical model and microcell-based experiments
Schwindt et al. Miniature trapped-ion frequency standard with 171 Yb+
Zibrov et al. Three-photon-absorption resonance for all-optical atomic clocks
US7026594B2 (en) Method and device for producing radio frequency waves
WO2006073597A2 (en) Method and system for operating a laser self-modulated at alkali-metal atom hyperfine frequence
Arditi A caesium beam atomic clock with laser optical pumping, as a potential frequency standard
US7098744B2 (en) Method and apparatus for generating two frequencies having a frequency separation equal to the atomic frequency of an atomic species
RU2312457C1 (en) Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom
Jin et al. Microresonator-referenced soliton microcombs with zeptosecond-level timing noise
CN110750044A (en) Integrated CPT atomic clock physical system device
US5146185A (en) Compact optically pumped resonance system and apparatus
Akulshin et al. Nonlinear Doppler-free spectroscopy of the 61S0-63P1 intercombination transition in barium
Matsumoto et al. Magnetic-field-insensitive coherent-population-trapping resonances excited by bichromatic linearly polarized fields on the D 1 line of Cs 133
CN112242843A (en) Method and device for realizing high-contrast CPT (coherent population trapping) reverse phase detection
Kurosu et al. Diode laser spectrometer for high-resolution spectroscopy in the visible range

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20130404

NF4A Reinstatement of patent

Effective date: 20160510