BRPI0903888A2

BRPI0903888A2 - relógio anatÈmico, e método de formar um padrão de frequência de precisão

Info

Publication number: BRPI0903888A2
Application number: BRPI0903888-4A
Authority: BR
Inventors: Jennifer S Strabley; Daniel W Youngner; Lisa M Lust; Thomas Ohnstein; Bernard Fritz
Original assignee: Honeywell Int Inc
Priority date: 2008-08-11
Filing date: 2009-08-11
Publication date: 2011-02-01
Also published as: US20100033256A1; EP2154586A3; ATE556360T1; JP5473469B2; US7944317B2; EP2154586A2; JP2010062554A; EP2154586B1

Abstract

RELóGIO ATÈMICO, E MéTODO DE FORMAR UM PADRãO DE FREQUêNCIA DE PRECISãO. Um relógio atómico possuindo um pacote físico que inclui uma cavidade de câmara de vácuo que mantém átomos de Rb-87 sob condições de alto vácuo, uma bancada ótica possuindo uma fonte única de luz laser, um oscilador local, uma pluralidade de bobinas de campo magnético, uma antena, pelo menos um foto-detector e eletrónicas de controle integradas. A fonte única de luz laser tem um projeto de invólucro retro-refletido para criar três feixes óticos retro-refletidos que se cruzam em ângulos de 90<198> um relativamente ao outro na cavidade da câmara de vácuo. Esse projeto permite à fonte única de luz laser produzir os requeridos seis feixes de captura para capturar e resfriar os átomos de Rb-87. O projeto mencionado torna possível relógios atómicos possuindo reduzido tamanho e consumo de energia e capazes de manter um vácuo ultra alto sem bombeamento ativo.

Description

RELÓGIO ATÔMICO, E MÉTODO DE FORMAR UM PADRÃO DE FREQÜÊNCIADE PRECISÃO

Fundamentos da Invenção

Padrões primários de freqüência são relógios atômicosque não necessitam calibração e podem funcionar de formaautônoma por longos períodos de tempo com mínima perda dotempo. Um tal relógio atômico utiliza uma nuvem expansível deátomos de um metal alcalino, tal como o césio, resfriados alaser. Usualmente esses padrões primários de freqüência sãograndes e consomem uma grande quantidade de energia. Emboratenha sido feito algum progresso na redução do tamanho e doconsumo de energia dos padrões primários de freqüência,reduções adicionais nesse contexto, embora difíceis de seremconseguidas, são necessárias tanto para aplicações militarese civis.

Sumário da Invenção

Modalidades dos padrões primários de freqüênciadescritas adiante proporcionam um novo tipo de relógioatômico com performance capaz de servir como um padrãoprimário de freqüência (FPS). Algumas dessas modalidadestornam possível um pacote relógio total possuindo um volumeaté aproximadamente 5 cm3 e uma perda do temperatura de menosde 5 ns por dia.Uma modalidade do relógio atômico está baseada noRubídio-87 (Rb-87) de freqüência em estado hiperfinofundamental de 6,8 GHz que se divide em uma nuvem expansivelde átomos frios. 0 principio de operação está indicado noespirito do relógio fonte NIST-Fl (o padrão primário defreqüência dos EUA), mas não irá exigir montagem debalanceiro anteriormente necessária para manter a orientaçãodo eixo do relógio fonte NISF-Fl ao longo da direção dagravidade.

Em modalidades alternativas, do relógio atômico, oscomponentes principais do relógio atômico inclui um pacotefísico que inclui uma cavidade câmara de vácuo que os átomosde Rb-87 sob condições de alto vácuo, uma fonte única de luzlaser estabilizada tal como um Laser de Emissão porSuperfície de Cavidade Vertical (Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser - "VCSEL"), um oscilador local ("LO") , umapluralidade de bobinas de campo magnético, uma antena, pelomenos um foto-detector e eletrônica de controle integrada.

Em uma outra modalidade do relógio atômico, umarranjo Armadilha Ótica de Magneto - Magneto Optical Trap("M0T") de feixes laser é usado para capturar, confinar, eresfriar cerca de 10 milhões de átomos de Rb-87 a partir datemperatura ambiente a aproximadamente 20 μΚ, resultando numaredução de 10e7x na temperatura e 3000x em velocidade. Osespaçamentos do nível de energia no estado fundamentalinterno dos átomos é provado durante queda livre utilizandoespectroscopia tempo-domínio de Ramsey ou espectroscopia Rabiutilizando um campo de microondas sintonizado para a divisãodo nível de energia hiperfino no estado fundamental doálcali. A largura da linha do relógio é inversamenteproporcional ao tempo entre os pulsos de Ramsey ou ocomprimento do pulso de Rabi. Utilizando essa amostra deátomos frios, de lento movimento, os pulsos de Ramsey podemser separados no tempo (aproximadamente de 10 a 15 ms) e aslarguras das linhas do relógio são antecipadas em menos de 70Hz. O campo de microondas é originado por um oscilador local;o LO proporciona a estabilidade de curto prazo para orelógio. A freqüência do LO é atrelada à freqüência quemaximiza o número de átomos no estado hiperfino superior apóso segundo pulso de Ramsey. Os átomos determinam aestabilidade de longo prazo do relógio, tipicamente medidacom o desvio de Allan. Devido ao estreito comprimento dalinha e o grande número de átomos no MOT que proporcionaampla relação sinal-ruído, esse relógio pode ter um desvio deAllan (ay) de aproximadamente IOxlO"14 em um tempo deintegração de uma hora.

Em outras modalidades, do relógio atômico, técnicasde fabricação do Giroscópio Laser Anular - Ring LaserGyroscope ("RLG") são usados para construir um pacote físicoque é compatível com a alta performance e fabricação em altovolume. Modalidades do relógio atômico incluem VCSEL único emum projeto de invólucro retro-refletido para produzir osrequeridos seis feixes de captura exigidos para capturar eresfriar átomos. Essa forma de pacote físico acomoda esseprojeto e auto-alinha feixes óticos com espelhos dielétricosadaptados de alta qualidade ligados a frita ao lado externodo pacote físico. Fotodiodos de baixo ruído fazem a leiturado sinal do relógio. Isso elimina a necessidade quanto aespelhos montados em balanceiros e outras óticas e anecessidade quanto a alinhamentos manuais custosos ao mesmotempo em que proporciona uma câmara selada compatível com aperformance de alto vácuo. Em uma modalidade, o relógioatômico é um dispositivo de átomo frio portátil.

Em modalidades adicionais do relógio atômico, apenasum único VCSEL é usado para proporcionar todos os feixesóticos. A tecnologia VCSEL de cavidade externa é usada paracriar larguras de linha mais estreitas que as da VCSELtradicional. A tecnologia VCSEL é vantajosa devido à sua maisalta eficiente de energia (maior que aproximadamente 30%) emum pacote pequeno (da ordem de aproximadamente 0,2 cm3)comparado com outros lasers de semicondutores.

Em modalidades adicionais do relógio atômico, ooscilador local tem um projeto ressonador Sistema Micro-Eletromecânico ("MEMS") que consegue suficiente Q doressonador a 6,8 GHz para permitir uma largura de linha de 3dB de resposta do oscilador de resposta em "loop" fechado de0,1 Hz a uma freqüência de precisão de 6,834682 GHz, ao mesmotempo em que é termicamente imune e consome menos que 10 mWde potência. O fator de qualidade (também referido como ofator Q) de um ressonador é uma medida da força deamortecimento das oscilações do ressonador, ou quanto àlargura de linha relativa. Outra tecnologia LO podem serimplementadas, tal como um oscilador de Colpitts de baixapotência, com freqüência ajustada.

Vantagens de algumas modalidades do relógio atômicoincluem a estabilização de freqüência da freqüência laserVCSEL relativamente a uma operação não assistida de transiçãohiperfina atômica de longo prazo. Usando "loops" inteligentesde controle autônomo e técnicas de estabilização detemperatura de VCSEL de alta precisão e uma célula de vaporRb-87 miniatura micro-fabricada MEMS, a freqüência do VCSELirá permanecer atrelada a uma transição atômica sem aintervenção humana.

Uma outra vantagem de algumas modalidades do relógioatômico inclui redução de mais de dez vezes na potência óticaexigida comparada com o átomo frio do estado da arte.Mediante utilizar uma arquitetura de invólucro retro-refletido, é feito uso eficiente da potência ótica do VCSELque permite operação em baixa potência.

Em modalidades adicionais do relógio atômico descritoadiante, uma sub-montagem antena MEMS oticamente transparenteé usada para acoplar a radiação de 6,8 GHz nos átomos Rb-87,que testa o espaçamento do nível de energia durante aexpansão em queda livre dos átomos. Essa abordagem elimina anecessidade quanto a um VCSEL em separado para oticamenteexcitar uma ressonância de Captura da População Coerente(mCPT"), elimina os deslocamentos de Stark tempo-dependentesna freqüência do relógio, é facilmente miniaturizável(comparado a uma cavidade microondas), e pode sr posicionadopróximo aos átomos para permitir a redução de energia.

Em outras modalidades do relógio atômico, elementosdifrativos em nanoestrutura (tais como óticas difrativasMEMS) são usadas em sulcos de alinhamento montados comprecisão para substituir um quarto da placa de onda,permitindo tamanho pequeno e eliminando alinhamentos manuais.

Em ainda uma outra modalidade do relógio atômico, orelógio atômico compreende: um pacote físico que inclui umacavidade de câmara de vácuo que mantém os átomos do metalalcalino sob vácuo, um arranjo de trajetos de luz e espelhosque direciona um feixe de luz proveniente de uma única fonteluminosa laser através do pacote físico para criar trêsfeixes óticos retro-refletidos que atravessa em ângulos de90° um relativamente ao outro na cavidade da câmara de vácuoe um pelo menos uma porta foto-detectora; uma bancada demicro-ótica que compreende a fonte única de luz laser e umacélula de vapor contendo um metal alcalino para aestabilização da freqüência da luz proveniente da única fonteluminosa laser a uma freqüência correspondente a umapredeterminada transição atômica do metal alcalino, e umespelho de distribuição para particionar o feixe de luzproveniente da única fonte luminosa laser relativamente àcélula vapor e o pacote físico; uma pluralidade de bobinas decampo magnético para gerar campos magnéticos, especificamenteum campo em gradiente para a captura magneto-ótica e um campohomogêneo de polarização para a divisão dos estadosmagnéticos durante a queda livre; um oscilador local paragerar um sinal microondas correspondente à predeterminadatransição atômica do metal alcalino; uma antena para acoplaro sinal do microondas aos átomos de metal alcalino do pacotefísico; pelo menos um foto-detector para a detecção deemissões de luz fluorescente dos átomos de metal alcalino dopacote físico; e eletrônica de controle para proporcionarenergia ao relógio atômico, controlando a operação do relógioatômico e sinais de processamento provenientes do foto-detector.

Em outras modalidades do padrão primário defreqüência, um método de formar um padrão primário defreqüência é provido. 0 método compreende: resfriar ecarregar uma população de átomos de metal alcalino contidosem um vácuo passivo em uma armadilha ótica por magnetoutilizando um campo magnético e um feixe de luz provenientede uma única fonte de luz laser possuindo uma configuraçãoretro-refletida que cria três feixes óticos retro-refletidosque se cruzam em ângulos dé 90° relativamente um ao outro;extinguir a armadilha magnética e ótica e aplicar um pequenocampo magnético de polarização para permitir aos átomos dometal alcalino se movimentar desde um estado de maior energiaaté um estado de energia mais baixa; realizar espectroscopiaRamsey tempo-dominio (também referido aqui como interrogaçãode Ramsey) ou espectroscopia Rabi utilizando sinais demicroondas gerados por um oscilador local e acoplado aosátomos de metal alcalino por uma antena para testar a divisãode freqüência dos átomos de metal alcalino; medir as emissõesde luz fluorescente dos átomos de metal alcalino com umfotodetector para determinar a fração de átomos e metalalcalino no maior nivel de energia em estado natural; eestabilizar a freqüência do sinal de microondas gerado pelooscilador local relativamente à freqüência que maximiza onúmero de átomos de metal alcalino no maior estado de energiaapós a interrogação de Ramsey, correspondente a umafreqüência LO que se compatibiliza à ressonância atômica emestado natural.

Vantagens das modalidades do relógio atômicominiaturizado são discutidas aqui. Diferentemente dosrelógios de micro-feixes, modalidades do relógio atômicodescrito adiante são miniaturizados e ainda possuem umaestreita largura de linha do relógio. Uma vez que muitos doserros de mudança de freqüência do relógio sobem com a largurada linha, um relógio produzindo uma grande largura de linhairão ter também erros de mudança de freqüênciaproporcionalmente maiores. Também, não existem consumiveis,uma vez que uma pequena quantidade de Rb-87 é continuamentereciclada produzindo uma prolongada vida útil. Diferente dosrelógios de célula de vapor, as modalidades dos relógiosatômicos miniaturizados não utilizam gases de armazenamento,eliminando as mudanças de freqüência. Diferente dos relógiosde feixe ou relógios de célula de vapor que utilizam capturade população coerente, a medição da freqüência do relógio éimune a medições de Stark tempo-dependente, por exemplo,aquelas provocadas por envelhecimento VCSEL, eliminando dessemodo uma freqüência de relógio tempo-dependente.Breve Descrição dos Desenhos

A Figura 1 é um diagrama de bloco de uma modalidadede um relógio atômico;

A Figura 2 é um nivel de energia e diagrama defreqüência para Rb-87; e

A Figura 3 é uma vista esquemática de uma modalidadede um relógio atômico que utiliza uma Armadilha Ótica porMagneto;

A Figura 4 é um fluxograma que descreve umamodalidade de um método de formar uma padrão primário defreqüência.

Referências e designações numéricas iguais nosdiversos desenhos indicam elementos semelhantes.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas

Os princípios que embasam uma modalidade de umrelógio atômico serão agora descritos. Ao se fazer isso, seráfeita referência à Figura 1, um diagrama de bloco de umamodalidade de um relógio atômico 8, e a Figura 2, que é umnivel de energia e diagrama de freqüência para o metalalcalino Rb-87.

A modalidade descrita aqui em conjunto com as Figuras1 e 2 está baseada na divisão de freqüência de 6, 834682 GHzentre os estados hiperfinos naturais F=I e F=2 em Rb-87(Figura 2). Um oscilador local ("LO") 10, tal como umressonador de sistema micro-eletromecânico ("MEMS") ou umosciládor de Colpitts, é estabilizado relativamente aoressonador com a transição atômica de 6,8 GHz. Como mostradona Figura 1, um laser 20 gera um feixe laser 30 que é usadopara resfriar átomos de Rb-87 40. Pelo fato dos átomos de Rb-87 40 serem resfriados a laser (como descrito ;em maisdetalhes adiante), os átomos resfriados se movimentamlentamente tal que podem haver períodos prolongados deobservação produzindo estreitas larguras de linhas de relógiosem exigir um grande pacote físico. "Fótons de captura"próximo do ressonante são usados (Figura 2) para resfriar alaser um vapor de base de átomos de Rb-87 4 0 a umatemperatura de ~2 0μΚ, uma redução de 10e7x na temperatura de3000x em velocidade, e em seguida captura os átomos em umaArmadilha Ótica de Magneto ("MOT").

Na MOT, os campos magnéticos e óticos criamcomplicadas mudanças de Zeeman e Stark que modificam oespaçamento do nível de energia entre estados hiperfinosnaturais, uma condição não ideal de realizar provas de umafreqüência de relógio. Ao contrário, quando os campos MOT sãoextintos, as mudanças do nível de energia irão desaparecer eos átomos resfriados de Rb-87 40 não são mais capturados eestão livres para expandir, mas se expandem lentamente devidoàs suas baixas velocidades.Uma ressonância de relógio é formada mediantevarredura do oscilador local 10 sobre a ressonância de 6,8GHz e monitorar a fração de átomos em F=2 (por meio dadetecção fluorescente) em um foto-detector 50 tal como umfotodiodo. Modalidades alternativas do relógio atômicoincluem mais que um foto-detector 50. A freqüência domicroondas é aplicada aos átomos pro meio de uma antena 60,tal como uma antena de MEMS. Modalidades alternativas dorelógio atômico aplicam a freqüência de microondas aos átomosutilizando bobinas, uma cometa de microondas, um guia deondas integrado, ou semelhante. A fluorescência é uma medidado número de átomos em F=2 e é maximizada quando a freqüênciado LO está em ressonância com a freqüência hiperfii^a de 6,8GHz. 0 LO está atrelado ao máximo dè fluorescência 70 (Figura1). Eletrônicas de controle 80 controlam o funcionamento dorelógio.

Referindo agora à Figura 2, uma MOT requer duas·freqüências, a freqüência de captura e a freqüência derebombeio. A transição de captura é uma transição cíclica; osátomos de RB-87 dispersam muitos (tal como 50.000) fótons decaptura antes de vazar para dentro do nível F=I. O laser 20 éusado para repopular o nível F=2 ("rebombeio") e os átomos deRb-87 continuam a dispersão dos fótons de captura. Uma bombade íon como mostrada na modalidade da Figura 1 édesnecessária na Figura 2 devido ao uso de técnicas delimpeza ém vácuo ultra alto ("UHV") e de empacotamento usadaspara a fabricação do RLG e produção do tubo de UV.

Durante a lenta expansão dos átomos de Rb-87, atransição a 6,8 GHz é testada. Em relógios tradicionais, aespectroscopia de Ramsey é realizada no domínio espacialquando os átomos transitam através de dois campososcilatórios uniformes idênticos (formados por cavidadesmicroondas) separados por uma região de escoamento livre decampo, Lr. A largura da linha do relógio, I, é inversamenteproporcional a Lr. Em relógios micro-feixes é difícil retrairas cavidades microondas e ainda manter a uniformidade dentroda cavidade mantendo ao mesmo tempo a curta região deescoamento livre de campo. Em lugar de realizar aespectroscopia no domínio espacial, a espectroscopia dedomínio temporal é empregada. A espectroscopia de Ramsey dedomínio tempo em uma amostra de átomos'resfriados expansívelrediz o tamanho do relógio sem sacrificar a estabilidade eprecisão. Utilizando a antena 60 (Figura 1) conectada ao LOde 6,8 GHz 10 (Figura 1), dois pulsos são criados separadospor um tempo de escoamento livre de campo, tR, e pode superaros imprevistos da espectroscopia de domínio espacial quandoreduzido para micro-escala. O primeiro pulso irá ocorrer apósos campos serem extintos. 0 relógio atômico da presenteinvenção tem quase uma cem vezes largura de linha maisestreita que a de um relógio micro-feixe. Após o segundopulso de microondas, o número de átomos no estado F=2 será ummáximo quando a radiação do microondas está em ressonânciacom a transição F=I, mF=0 a F=2, mF=0. alternativamente, epara tempos de interrogação mais curtos, a espectroscopiaRabi pode ser usada. Um único pulso ressoante é usado paratransferir os átomos de F=I, mF=0 a F=2, mF=0. A largura dalinha do relógio avança inversamente com o tempo entre opulso de Ramsey ou a duração simples do pulso de Rabi. 0número de átomos em F=2 será medido pela detecção dafluorescência. A curva de fluorescência é marcada para cadaponto em que os átomos são capturados em uma MOT, liberados,e testados. Após serem testados os átomos retornam ao vaporde referência, que é a fonte de átomos para subseqüentesciclos da MOT. Devido ao Rb-87 ser reciclado, o relógioatômico 8 tem uma vida útil mais prolongada.

Diferente de um relógio de · feixe que operacontinuamente, a modalidade do relógio atômico mostrado naFigura 1 opera em modo pulsado com taxa de repetição deaproximadamente 1-10 Hz. a operação pulsada permiteperformance de baixa energia porque os recursos podem serdesligados quando não estão em uso. Dos componentes dorelógio atômico 8, o maior consumidor de energia é o laser 20(Figura 1) , descrito em mais detalhes adiante, que é usadopara gerar ambas as freqüências de captura e de rebombeio.

A performance será caracterizada mediante medir odesvio de Allan que pode ser avaliada por:

onde Δν = l/(tR) é o tempo de integração, V0 = 6,8GHz, e 0C é o tempo de ciclo total que inclui o tR e o tempomorto. S/N é a relação sinal-ruido por ciclo. A utilização dovalor de tR um pacote de 5 cm3 (=70 Hz) irá ter Na = 2,4 χ IO6átomos de Rb-87 após o segundo pulso de microondas.Considerando que o sistema de detecção é limitada por átomo-disparo-ruido, o S/N por ciclo é S/N = V[Na] = 1500.

Modalidades do relógio atômico podem ser operadassobre uma ampla faixa de temperatura sem menosprezar aperformance mediante alterar . a taxa de repetição: emambientes quentes os átomos de Rb-87 40 são carregados maisrapidamente na MOT mas possuem uma vida útil mais curtadevido às colisões de fundo. Para ambientes mais frios, osátomos de Rb-87 40 são carregados mais lentamente mas possuemuma vida útil mais prolongada. Quando operando em ambientesfrios, existirão menos ciclos/segundo mas cada ciclo irá teruma ressonância de relógio mais estreita comparada com aoperação na temperatura ambiente e vice versa para ambientesquentes.

A Figura 3 é uma vista esquemática de uma modalidadede um relógio atômico 100 que utiliza uma Armadilha Ótica deMagneto ("MOT"). 0 relógio atômico 100 inclui: (1) um pacotefísico 110 que compreende uma cavidade de câmara de vácuo 120que mantém os átomos de metal alcalino 130 tais como rubídioou césio (por exemplo, Rb-87) em um vácuo passivo (com ou semagentes absorvedores), um arranjo de trajetórias de luz 140 eespelhos 150 que direcionam um feixe de luz 160 a partir deuma fonte única de luz laser 170 através do pacote físico110, e pelo menos uma porta fotodetectora 180 (duas sãomostradas na modalidade ilustrada); (2) uma bancada micro-ótica 190 que inclui uma fonte única de luz laser 170, porexemplo, um laser de semicondutor tal como um Laser deEmissão por superfície de cavidade vertical (Vertical CavitySurface Emitting Laser - VCSEL), um laser de retroalimentaçãodistribuída ou um laser emissor de borda, uma célula vapor192 contendo um metal alcalino tal como rubídio ou césio (porexemplo, Rb-87) e um espelho 194 para distribuir o feixe deluz 160 para a célula vapor 192 e o pacote físico 110; (3)uma pluralidade de bobinas de campo magnético 200 (duas namodalidade ilustrada), tal como bobinas anti-Helmholtz, paragerar um gradiente de campo magnético; (4) o Oscilador Local("LO") 10 (ver Figura 1); (5) a antena 30 (ver Figura 1); (6)o foto-detector 20 (ver Figura 1) (um é usado para cada portafoto-detectora 180 na modalidade ilustrada); e (7) eletrônicade controle 210. 0 arranjo das trajetórias de luz 140 eespelhos 150 direciona o feixe de luz 160 a partir da fonteúnica de luz laser 170 através do pacote físico 110 paracriar três feixes óticos retro-refletidos que se cruzam emângulos de 90° um relativamente ao outro na cavidade dacâmara de vácuo 120. Os feixes óticos e um campo magnéticoproduzidos pelas bobinas de campo magnético 200 são usados emcombinação para frear, resfriar, e capturar os átomos dometal alcalino 130 (por exemplo, átomos de Rb-87) a partir dovapor de base e capturar os átomos de Rb-87 40 (cerca de 10milhões de átomos a uma temperatura de cerca de 20 μΚ aocentro da interseção dos feixes óticos) na MOT. A trajetóriado feixe de invólucro retro-refletido faz uso eficiente dafonte única de luz 170. os espelhos 150 (por exemplo,espelhos dielétricos) e óticas difrativas são usadas paradirecionar os feixes óticos e controlar a polarização dosfeixes óticos, respectivamente, ao mesmo tempo em queminimizando a luz dispersada e tamanho. A célula vapor 192contendo um metal alcalino é usada para estabilizar afreqüência do feixe de luz 160 proveniente da fonte única deluz laser 170 a uma predeterminada transição atômica do metalalcalino. 0 LO 10 é usado para gerar um sinal de microondascorrespondente à predeterminada transição atômica do metalalcalino. A antena 30 é usada para aplicar o sinal demicroondas proveniente do LO 10 aos átomos de metal alcalino130 do pacote físico 110. Foto-detectores 20 são.usados paradetectar a fluorescência dos átomos de metal alcalino 130(por exemplo, Rb-87).

Todas as freqüências óticas necessárias no relógioatômico representativo da presente invenção mostrado naFigura 3 serão originados pela fonte única de luz laser (porexemplo, um VCSEL). A freqüência de captura será a portadoraa 780 nm; a freqüência de rebombeio será uma banda lateral defreqüência a 6,8 GHz; e a detecção da fluorescência F=2 iráutilizar apenas a freqüência portadora. No caso de um VCSEL,a largura da linha do laser precisa ser menor queaproximadamente 6 MHz, a largura da linha natural do Rb, queé aproximadamente dez vezes mais estreita que um VCSELtípico. O VCSEL tem uma potência ótica, P, maior queaproximadamente 10 nW e uma largura de linha menor queaproximadamente 3 MHz que é capaz de ser modulado porfreqüência a 6,8 GHz. 0 VCSEL é estabilizado em freqüência auma linha atômica utilizando a célula vapor 192 contendo ometal alcalino (por exemplo, uma célula vapor externa Rb dotipo CSAC) na bancada micro-ótica 190. Para ótimaperformance, um vácuo de menos que cerca de 1 χ IO"7 até cercade 1 χ 10-8 torr é necessário.

As eletrônicas de controle 210, que são tipicamenteeletrônicas miniatura de baixo ruído, servem a três funçõesprimárias: dar seqüência ao resfriamento. Expansão livre, emedição de fases; atrelamento do LO 10 do relógio àressonância atômica dos átomos de Rb-87; e proporcionarprecisão no controle térmico e estabilização do comprimentode onda relativamente ao VCSEL. No geral, as eletrônicas decontrole 210 servem para prover energia ao relógio atômico100, controlar a operação do relógio atômico 100 e processarsinais provenientes do foto-detector 20. As eletrônicas decontrole 210 irão incluir circuitos de sinal analógico, de RFe digital d baixo nível para ótima performance. 0sequenciamento da MOT enseja (1) modulação da freqüência doVCSEL a 6,8 GHz proporcionando as necessárias freqüênciasóticas para resfriar e capturar os átomos de Rb-87, (2)desligamento do campo magnético gerado pelas bobinas de campomagnético 200 antes da expansão, e (3) redirecionamento damodulação de 6,8 GHz para a antena 30 para a interrogação deRamsey. O LO é atrelado à transição do relógio atômicomediante utilizar técnicas de foto-detecção de baixo ruídopara extrair o sinal de fluorescência que é alimentado; devolta a um interrogador cuja saída é provida a ummicrocontrolador, que mantém o LO atrelado no passo comrespeito à linha de ressonância. Finalmente, as eletrônicasprecisam manter o VCSEL numa temperatura de precisão a mK ouestabilidades inferiores. Modalidades do relógio atômicoconseguem baixa energia térmica e controle do comprimento deonda por meio da detecção de pico e pontes de anulaçãoresistiva. Modalidades do relógio atômico combinamimplementações ASIC/matriz com limitados componentesdiscretos para satisfazer os objetivos de tamanho,performance e de energia ditados pelo padrão primário.

A Figura 4 é um fluxograma que descreve umamodalidade de um método 400 de realização de um padrão defreqüência de precisão. 0 método 400 inicial com umresfriamento e carregamento de uma população de átomos demetal alcalino contidos dentro de um vácuo passivo em umaarmadilha ótica de magneto (410). A armadilha ótica demagneto (410) é formada usando um campo magnético e um feixede luz proveniente de uma fonte única de luz laser possuindouma configuração retro-refletida que cria três feixes óticosretro-ref letidos, que se cruzam e ângulos de 90° umrelativamente ao outro. O campo magnético e a armadilha óticade magneto é extinta (420), em seguida um pequeno campomagnético de polarização é aplicado para permitir aos átomosde metal alcalino se moverem de um estado de energia maisalta para um estado de energia mais baixa (430). 0 método 400adicionalmente compreende a realização da espectroscopia deRamsey tempo-dominio (440) utilizando sinais de microondasgerados por um oscilador local e acoplado aos átomos de metalalcalino por meio de uma antena para testar a divisão defreqüência dos átomos de metal alcalino. As emissões de luzfluorescente dos átomos de metal alcalino são medidas (450)com um foto-detector para determinar a fração dos átomos demetal alcalino no estado de energia mais alto. Finalmente, ométodo 400 inclui a estabilização da freqüência dos sinais demicroondas gerados pelo oscilador local para a freqüência quemaximiza o número de átomos de metal alcalino no estado deenergia mais alta (460).

Um número de modalidades do relógio atômico definidopelas reivindicações seguintes tem sido desenvolvido. Nãoobstante, será entendido que diversas modificações àsmodalidades descritas podem ser feitas sem se afastar doespirito e escopo da invenção reivindicada. Ascaracterísticas mostradas específicas de uma modalidade podemestar combinadas com, ou substituir, característicasapresentadas em outras modalidades. Consequentemente, outrasmodalidades se inserem no escopo das reivindicaçõesapresentadas a seguir.

Claims

1. RELÓGIO ATÔMICO, caracterizado por compreender:um pacote físico (110). que compreende uma cavidadede câmara de vácuo (120) que mantém os átomos de metalalcalino (130) em um vácuo passivo, u arranjo de trajetóriasde luz (140) e espelhos (150) que direciona um feixe de luz(160) proveniente de uma fonte única de luz laser (170)através do pacote físico para criar três feixes óticos retro-refletidos que se cruzam em ângulos de 90° um relativamenteao outro na cavidade da câmara de vácuo e pelo menos umaporta foto-detectora (180);uma bancada de micro-óticas (190) que compreende afonte única de luz laser, uma célula vapor (192) contendo ummetal alcalino para estabilizar o feixe de luz proveniente dafonte única de luz laser a uma freqüência correspondente auma predeterminada transição atômica do metal alcalino, e umespelho de distribuição (194) para distribuir o feixe de luzproveniente da fonte única de luz laser relativamente acélula vapor e o pacote físico;uma pluralidade de bobinas de campo magnético (200)para gerar um campo magnético, por meio do que o campomagnético e os feixes óticos retro-refletidos criam umaarmadilha ótica de magneto para os átomos de metal alcalinodo pacote físico;um oscilador local (10) para gerar um sinal demicroondas correspondente a predeterminada transição atômicado metal alcalino;uma antena (30) para acoplar o sinal microondas aosátomos de metal alcalino do pacote físico;pelo menos um foto-detector (20) para detectaremissões de luz fluorescente dos átomos de metal alcalino dopacote físico; eeletrônicas de controle (210) para proporcionarenergia para o relógio atômico, controlar a operação dorelógio atômico e processar sinais provenientes do foto-detector.

2. Relógio atômico, de acordo com a reivindicação 1,caracterizado por:o metal alcalino ser rubídio ou césio;a fonte única de luz laser ser um lasersemicondutor;as bobinas de campo magnético serem bobinas anti-Hemholtz;o foto-detector ser um fotodiodo; eo sinal de microondas possuir uma freqüência de 6,8GHz.

3. MÉTODO DE FORMAR UM PADRÃO DE FREQÜÊNCIA DEPRECISÃO, caracterizado por compreender:resfriar e carregar uma população de átomos demetal alcalino (130) contidos em um vácuo passivo em umaarmadilha ótica de magneto formada utilizando um campomagnético e um feixe de luz (160) proveniente de uma fonteúnica de luz laser (170) possuindo uma configuração retro-refletida que cria três feixes óticos retro-refletidos que secruzam em ângulos de 90° um relativamente ao outro (410);extinguir o campo magnético e a armadilha ótica demagneto (420) e aplicar um pequeno campo magnético depolarização para permitir aos átomos de metal alcalino a semoverem de um estado de energia mais alta para um estado deenergia mais baixa (430);realizar espectroscopia utilizando sinais demicroondas gerados por um oscilador local (10)e acoplado aosátomos de metal alcalino por meio de uma antena (60) paratestar a divisão de freqüência dos átomos de metal alcalino(440);medir as emissões de luz fluorescente dos átomos demetal alcalino com um foto-detector (50) para determinar afração dos átomos de metal alcalino no nivel mais alto deenergia em estado natural (450); eestabilizar a freqüência dos sinais de microondasgerados pelo oscilador local para a freqüência que maximiza onúmero de átomos de metal alcalino no estado de energia maisalta (460) .