DE1491537A1 - Atomic resonance device, in particular Maser oscillator - Google Patents

Atomic resonance device, in particular Maser oscillator

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DE1491537A1
DE1491537A1 DE19651491537 DE1491537A DE1491537A1 DE 1491537 A1 DE1491537 A1 DE 1491537A1 DE 19651491537 DE19651491537 DE 19651491537 DE 1491537 A DE1491537 A DE 1491537A DE 1491537 A1 DE1491537 A1 DE 1491537A1
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Paul Davidovits
Norman Knable
Robert Novick
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03LAUTOMATIC CONTROL, STARTING, SYNCHRONISATION, OR STABILISATION OF GENERATORS OF ELECTRONIC OSCILLATIONS OR PULSES
    • H03L7/00Automatic control of frequency or phase; Synchronisation
    • H03L7/26Automatic control of frequency or phase; Synchronisation using energy levels of molecules, atoms, or subatomic particles as a frequency reference
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S1/00Masers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the microwave range
    • H01S1/06Gaseous, i.e. beam masers

Description

Priorität: 5. Oktober 1964 - V. Ot. v. AmePriority: October 5, 1964 - V. Ot. v. Ame

No. 401,450 und 401,751No. 401,450 and 401,751

iiie ü.rfindung betrifft allgemein Atomresonanaeinriciitungen vom Gaszelientyp, und insbeoondere ."-.touresonanzvorrichtun^en mit einer verbesserten Puffergaszelle und Pui^plichtquelle, die eine grössere Verstärkung oder einen besseren Rauschubstand und eine geringere Lichtverschiebung zeigt, öolche verbesserten Gaszellen-Atomresonanzvorrichtunöen sind besonders brauchbar als Frequenznormal (Atomuliren) oder Magnetometer.iiie ü.rfindung relates generally Atomresonanaeinriciitungen from Gaszelientyp and insbeoondere. "-. touresonanzvorrichtun ^ s with an improved buffer gas cell and Pui ^ plichtquelle showing a greater gain or a better Rauschubstand and a lower light shift öolche improved gas cell Atomresonanzvorrichtun ö s are especially useful as a frequency standard (atomizing) or magnetometer.

BAD 0FUGP4ALBATHROOM 0FUGP4AL

909829/0644909829/0644

Es ist bereits versucht worden, kontinuierliche i-iaserscuwingungen von einem solchen Graszellen-^toiflresonajuzsyste-:.! unter Vc.r./tnduno von alkalimetall en als j^tonireuoni.nzLied.iuju zu erhalten, jieut Versuche waren jedoch nicht erfolgreich, v/eil axe parameter zur Bestimmung der Bedingungen für selbsterregte ochWin^ungen nicht ausreichend optimal gestaltet wurden, au /.ontinuitrlicue, selbsterregte iiikrowellensciiwin^ungen zu erhalten. Beispielsweise wir die Überbesetzung des den liikru^elxenübei'unfj bcötiiiuiiencten jinergieniveuus nicht ausreichena ^roso, an. mit i-iUcl^ic^.t auf doii verwirklichbaren Gütefaktor des mit dem Überganfc gekoppelten Hohlraums schwingungen aufrechtzuerhalten.Attempts have already been made to obtain continuous vibrations from such a grass cell- ^ toiflresonajuzsyste -:.! under Vc.r./tndun o of alkali metals as j ^ tonireuoni.nzLied.iuju, but jieut attempts were unsuccessful, v / eil ax parameters for determining the conditions for self-excited ochwin ^ ungen were not optimally designed, au /.continuitrlicue to obtain self-excited microwave waves. For example, the overstaffing of the den liikru ^ elxenübei'un fj bcötiiiuiiencten jinergieniveuus is not sufficient a ^ roso . to maintain vibrations with i-iUcl ^ ic ^ .t on doii realizable quality factor of the cavity coupled with the transition fc.

Bei einer bevorzugten Ausführunguforu der Erfindung v/urde fe^ tgestellt, dass die Überbesetzung der i\.tüin-^neroieniveaus, die für den Mikrov/ellenübergi.ng des ^coiuresoriciiizsysteiiis mass^ebend sind, erheblich durch die Verwendung bestiMCiter kritiscner Drucke eines Löschgasbestandteils ira Puff er gas der .utoinresonc.nzzelle erhöht werden kann. Dieser ^ritioche Jruck des Löscagases, beispielff.'/eise stickstoff, verhindert eine optische, durcri V/iederausstrahlung bewirkte j^ntleerun^ des überbesetzter. Unterniveaus mit höherer Energie des rirundzustanueo des /.toiaü, indem solche unerwünschte V/iederabstrahlung gelöscnt v/ird. Jas Löschgas verbessert damit erheblich die Verstärkung der ^toruresonarizeinheit und ermöglicht im Falle eines Masers Maserschwingung,en, oder einen verbesserten Rauöchabstand in einer nicht masernden Vorrichtung, beispielsweise einem optisch gepumpten und über-In a preferred embodiment of the invention it was found that the overstaffing of the internal o ieneveaus, which are decisive for the microvial transfer of the coiuresoriciiizsysteiiis, considerably through the use of certain critical prints an extinguishing gas component ira buffer gas of the .utoinresonc.nzzelle can be increased. This ritual pressure of the release gas, for example, iron nitrogen, prevents an optical re-radiation caused by the overcrowded person. Sub-levels with higher energy of the general state of the /.toiaü, in that such undesired down-radiation is eliminated. The quenching gas thus considerably improves the amplification of the toruresonarizeinheit and, in the case of a maser, enables maser oscillation, or an improved noise clearance in a non-graining device, for example an optically pumped and over-

909829/0644 BAD origin^.-909829/0644 BAD origin ^ .-

wachten Frequenznormal, wie es in der Uü-Patentaniueldungwoke frequency normal, as it is in the Uü patent application

J2J,374 vom 7. August 1Q61 beschrieben ist. ^(deutsche Patentanmeldung V 22 848)J2J, 374 of August 7, 1Q61. ^ (German patent application V 22 848)

Bei optisch gepumpten Atomresonanzeinrichtungen wurde bereits festgestellt, dass die Resonanzfrequenz der Atome auf Änderungen in der Intensität des Pumplichtes anspricht. Solche Änderungen in der Resonanzfrequenz des hochfrequenten (Mikrowellen-) Übergangs der Atome bei Intensitätsänderungen im pumplicht werden als "Lichtverschiebungen'1 bezeichnet. Es wurde beobachtet, dass die Lichtverschiebung eine Punktion der Frequenz des Pumplichts relativ zur optischen Pump-Übergangsfrequenz des Atoms war. Ls wurde festgestellt, dass durch Verschiebung der Frequenz der ma^netfeldnbhängijien Komponenten des auf die Atome gestrahlten Pumplichtes die Lichtverschiebung beseitigt werden konnte, vergl. ii. Ardjti, "Physical Review",, Vol. 124, Ko. 3, Noveuber 1, 1961, o. 300-809 (30ö). Die Pumplicht komponenten wurden in c.er Frequenz verschoben, indem das Magnetfeld über der Lampe oder dem Filter relativ cum Feld über den zu pumpenden Atomen verändert wurde. Üblicherweise liegen solche Lichtverschiebungs-Magnetfeldstärken, die über der Filterzelle oder der Lampe liegen müssen, in der Grössenordnung von 500 Gauss. Die zu pumpenden Atome können kaum gegen solche relativ starken Magnetfelder abgeschirmt werden, und eine Beseitigung von Lichtverschiebungen auf diese Weise soll deshalb möglichst vermieden werden.In the case of optically pumped atomic resonance devices, it has already been established that the resonance frequency of the atoms responds to changes in the intensity of the pumped light. Such changes in the resonance frequency of the high frequency (microwave) transition of the atoms with changes in intensity in the pump light are referred to as "light shifts" 1. It was observed that the light shift was a puncture of the frequency of the pump light relative to the optical pump transition frequency of the atom. Ls it was found that the shift in light could be eliminated by shifting the frequency of the magnetic field-dependent components of the pump light radiated onto the atoms, cf. ii. Ardjti, "Physical Review", Vol. 124, Ko. 3, Noveuber 1, 1961, o. 300-809 (30ö). The pumping light components were shifted in c.er frequency by changing the magnetic field above the lamp or the filter relatively to the field above the atoms to be pumped Filter cell or lamp must be in the order of magnitude of 500 Gauss. The atoms to be pumped can hardly be relative to such v strong magnetic fields are shielded, and an elimination of light shifts in this way should therefore be avoided as far as possible.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden unerwünschte Lichtverschiebungen in der Atomresonanzfrequenz derIn another embodiment of the invention, undesirable Light shifts in the atomic resonance frequency of the

909829/0644909829/0644

H91537H91537

beobachteten Atome durch Verwendung von zwei getrennten Lichtquellen annulliert, wobei die Spektralresonanzlinie der einen leicht über der optischen Pump-Übergangsfrequenz der zu pumpenden Atome liegt, und die Spektralresonanzlinie der anderen Pumplichtquelle leicht unterhalb der optischen Pump-Übergangsfrequenz der zu pumpenden Atome liegt, so dass die erwähnten positiven und negativen Lichtverschiebungen einander aufheben, wodurch sich insgesamt eine effektive Lichtverechiebung vom v/ert Null ergibt. Die Abstimmung der Spektrallinien des Pumplichtes wird durch geschickte Wahl des Trägergases in den Lampen oder Filtern, die Lampen-und/oder Filtertemperatur, die Isotopenzusammensetzung in den Lampen und/oder Filtern, die Lampen und/oder Filter-Form und die Art und Weise derLampenerregung erreicht. Der Zustand einer Lichtverschiebung Null wird leicht dadurch bestimmt, dass die Intensität beider Lichtquellen gleichzeitig geändert wird, ohne dass das Intensitätsverhältnis gestört wird. Eine solche Änderung darf keine Änderung in der hochfrequenten oder Mikrowellen-Resonanzfrequenz der gepumpten Atome bewirken, wenn die relativen Intensitäten und Frequenzen der Spektrallinien der Lichtquellen richtig ausgewählt sind.observed atoms by using two separate light sources canceled, the spectral resonance line of one being slightly above the optical pumping transition frequency of the one to be pumped Atoms, and the spectral resonance line of the other pump light source is slightly below the optical pump transition frequency of the atoms to be pumped lies, so that the positive and negative light shifts mentioned cancel each other out, whereby overall results in an effective light shift of v / ert zero. The tuning of the spectral lines of the pump light is done by Skilful choice of the carrier gas in the lamps or filters, the lamp and / or filter temperature, the isotopic composition in the lamps and / or filters, the lamp and / or filter shape and the way in which the lamp is energized. The state of a Zero light shift is easily determined by changing the intensity of both light sources simultaneously without that the intensity ratio is disturbed. Such a change must not include a change in the radio frequency or microwave resonance frequency of the pumped atoms cause when the relative intensities and frequencies of the spectral lines of the light sources are correctly selected.

Hauptziel der Erfindung ist es, eine verbesserte Gaszellen-Atomresonanzvorrichtung verfügbar zu machen, die einen verbesserten Rauschabstand und/oder geringere Lichtverschiebung aufweist und die besonders beispielsweise als Frequenznormal oder Magnetometer geeignet ist.The main object of the invention is to provide an improved gas cell atomic resonance device to make available that has an improved signal-to-noise ratio and / or lower light shift and which is particularly suitable, for example, as a frequency standard or magnetometer.

909829/06U -5-909829 / 06U -5-

Gemäss einem Merkmal der Erfindung ist ein Löschgasbestandteil im Puffergas der Gaszelle der Atomresonanzeinheit enthalten, und dieses Löschgas hat einen Druck in einem bestimmten optimalen kritischen Druckbereich, um die Verstärkung der Atomresonanzgesamtheit zu erhöhen, so dass Maserschwingungen erhalten werden können oder ein verbesserter Rauschabstand.According to one feature of the invention, an extinguishing gas component is contained in the buffer gas of the gas cell of the atomic resonance unit, and this quenching gas has a pressure in a certain optimal critical pressure range in order to amplify the atomic resonance ensemble to increase so that marsher vibrations can be obtained or an improved signal-to-noise ratio.

Insbesondere ist der Löschgasbestandteil des Puffergases Stickstoff, und liegt der kritische Druckbereich zwischen 5 und 20 Torr bei 200C.In particular, the extinguishing gas component of the buffer gas is nitrogen, and the critical pressure range is between 5 and 20 Torr at 20 ° C.

Erfindungsgemäss wird ferner ein Hohlraumresonator verfügbar gemacht, der gleichzeitig als Alkalimetallgas-Gefäss oder -Zelle dient, bei dem die dem Gas zugewandten Innenwände des Hohlraums aus Kupfer, Stahl, Aluminium oder Mica bestehen, so dass kein getrennter Gasbehälter mehr erforderlich ist und der Viandwerkstoff nicht mit dem Alkalimetalldampf der Atomresonanzeinheit bei den Betriebstemperaturen reagiert.According to the invention, a cavity resonator is also made available, which at the same time acts as an alkali metal gas vessel or cell serves, in which the gas-facing inner walls of the cavity are made of copper, steel, aluminum or mica, so that no separate gas container is more required and the Viandwerkstoff not with the alkali metal vapor of the atomic resonance unit reacts at operating temperatures.

Weiter wird erfindungsgemäss eine Atomresonanz-Gaszelle verfügbar gemacht, die einen Temperaturkoeffizienten des Puffergasee aufweist, der dem Temperaturkoeffizienten des Mikrowellenhohlraums, der das Gas umgibt und mit diesem in Wechselwirkung tritt, entgegengesetzt ist, so dass sich ein als Gaszelle dienender Hohlraum ergibt, dessen Mikrowellen-Atomresonanzfrequenz relativ unempfindlich gegen Temperaturänderungen in der Umgebung ist.Furthermore, an atomic resonance gas cell is available according to the invention made, which is a temperature coefficient of the buffer gas which corresponds to the temperature coefficient of the microwave cavity, which surrounds the gas and interacts with it, is opposite, so that a serving as a gas cell Cavity results, the microwave atomic resonance frequency of which is relatively insensitive to temperature changes in the environment.

!0S$39/Ö$44 8 ! 0S $ 39 / Ö $ 44 8

U91537U91537

Weiter werden erfindungsgemäss zwei Lichtquellen zum Pumpen der beobachteten Atome verwendet, von denen eine eine positive Lichtverschiebung und die andere eine negative Lichtverschiebung aufweist, wobei das Intensitätsverhältnis der Lichtquellen so bemessen ist, dass sich eine im wesentlichen vernachlässigbare Lichtverschiebung der gepumpten Atome ergibt.Next, according to the invention, two light sources are used Pumping of the observed atoms is used, one of which has a positive light shift and the other a negative light shift having, the intensity ratio of the Light sources is dimensioned so that there is an essentially negligible shift in light of the pumped atoms.

Insbesondere hat erfindungsgemäss die Lampe der einen Lichtquelle eine positive Lichtverschiebung und die andere Lampe derIn particular, according to the invention, the lamp has one light source a positive light shift and the other lamp of the

zweiten Lichtquelle eine negative Lichtverschiebung.second light source a negative light shift.

Zweckmässigerweise werden in einer weiteren Ausbildung der Erfindung zwei getrennt veränderliche Lichtdurchlassfilter vorgesehen, um die Intensität des von der jeweiligen Lampe zur zu pumpenden Atomansamulung geschickten Lichtes einzustellen.Expediently, in a further embodiment of the invention two separately variable light transmission filters are provided in order to increase the intensity of the respective lamp pumping atomic accumulation of sent light.

V/eitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es ' zeigen:Further features and advantages of the invention emerge from the following description in conjunction with the drawing; it ' demonstrate:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Atommaser mit Merkmalen der Erfindung;1 shows a schematic longitudinal section through an atomic fiber with features of the invention;

Pig. 2 ein Termschema von Rb (niehti maßstäblich);Pig. 2 a term scheme of Rb (not to scale);

R7R7

3 graphisch die Verstärkung für Rb in Abhängigkeit vom Puffergasdruck für verschiedene Puffergase;3 graphically shows the gain for Rb as a function of Buffer gas pressure for various buffer gases;

109829/0644 ^109829/0644 ^

H91537H91537

Pig, 4 die Verstärkung in Abhängigkeit vom Puffergaspartialdruck bei verschiedenen Mischungen von Stickstoff und anderen Puffergasen;Pig, 4 the gain as a function of the buffer gas partial pressure with various mixtures of nitrogen and other buffer gases;

Fig. 5 die Verstärkung und Bandbreite in Abhängigkeit von der Temperatur der Atomgaszelle;Fig. 5 shows the gain and bandwidth as a function of the Temperature of the atomic gas cell;

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen Hohlraumresonator und Gaszelle mit Merkmalen der Erfindung;6 shows a longitudinal section through a cavity resonator and gas cell with features of the invention;

Fig. 7 einen Querschnitt längs der Linie 7-7 in Fig. 6;Figure 7 is a cross section taken along line 7-7 in Figure 6;

Fig. 8 die Abhängigkeit der Frequenzabweichung von der Temperatur von Puffergaszelle und Hohlraumresonator;8 shows the dependence of the frequency deviation on the temperature of buffer gas cell and cavity resonator;

Fig. 9 eine Kombination von Termschema und Spektralresonanzkurve9 shows a combination of term scheme and spectral resonance curve

87 R*S87 R * S

für die optischen Pumpübergänge für Rb ' bzw. Rb ^;for the optical pumping junctions for Rb 'and Rb ^;

87 Fig.10 einen Teil eines Termschemae für Rb zur.Darstellung der Wirkung von optischer Pumpstrahlung auf die Mikrowellen-87 Fig. 10 part of a term schema for Rb for the representation of the Effect of optical pump radiation on the microwave

87
Übergangsfrequenz von Rb ; und
87
Crossover frequency of Rb; and

Fig.11 schematisch eine erfindungsgemässe Zelle mit optischem Pumpen aus zwei Quellen.11 schematically shows a cell according to the invention with an optical Pumping from two sources.

-8--8th-

909829/0644909829/0644

U91537U91537

In Fig. 1 ist ein Rubidium-Maser mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Insbesondere sind in einem Hohlraumresonator 1, der für Betrieb im Modus TEqqi bemessen ist, etwa 2 mg reines metallisches Rb unter Zimmertemperatur untergebracht. Der Hohlraum wird dann mit einem geeigneten Puffergas gefüllt, beispielsweise reinem Stickstoff unter einem Druck von vorzugsweise etwa 11 Torr bei Zimmertemperatur. Stickstoff als Puffergasbestandteil hat besondere Vorteile, die weiter unten näher erläutert werden. In Betrieb wird der Hohlraum auf etwa 600O erwärmt, bei dieser Tem-In Fig. 1, a rubidium burl is shown with features of the invention. In particular, a cavity resonator 1, which is dimensioned for operation in the TEqqi mode, accommodates about 2 mg of pure metallic Rb at room temperature. The cavity is then filled with a suitable buffer gas, for example pure nitrogen under a pressure of preferably about 11 torr at room temperature. Nitrogen as a component of the buffer gas has particular advantages, which are explained in more detail below. In operation, the cavity is heated to about 60 0 O, at this temperature

R7R7

peratur verdampft das metallische Rb und mischt sich mit dem Puffergas.temperature, the metallic Rb evaporates and mixes with the buffer gas.

Eine Wand des Hohlraums 1 ist perforiert, um Resonanzstrahlungslicht zum optischen Pumpen der Rubidium-Atome in ein höheres Energieniveau einzulassen. Der optische Pumpmechanismus wird später in Verbindung mit Fign. 2 und 3 erläutert. Die perforierte Wand 2 des Hohlraumresonators 1 hat eine geeignete Lichtdurchlässigkeit von beispielsweise 50^. Ein Glasfenster 3 ist dicht über die perforierte Wand 2 gesetzt, so dass der Hohlraumresonator 1 auch als Gaszelle dienen kann. Übliche unmagnetische Abschlusstechniken Glas - Metall werden dazu verwendet, das Fenster anzuschliessen.A wall of the cavity 1 is perforated to receive resonance radiation light for optically pumping the rubidium atoms into a higher energy level. The optical pumping mechanism will later in connection with FIGS. 2 and 3 explained. The perforated wall 2 of the cavity resonator 1 has a suitable light permeability for example 50 ^. A glass window 3 is tight placed over the perforated wall 2 so that the cavity resonator 1 can also serve as a gas cell. Usual non-magnetic Closing techniques Glass - metal are used to close the window.

87
Eine Rb -Lampe 4, beispielsweise eine Lampe vom Typ Varian
87
An Rb lamp 4, for example a Varian type lamp

X-49-609 wird so angeordnet, dass der Lichtstrahl durch die perforierte Wand 2 in den Hohlraum 1 eintritt. Ein RbÖ5-Filter 5X-49-609 is arranged so that the light beam enters the cavity 1 through the perforated wall 2. A Rb Ö5 filter 5

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'9~ H91537' 9 ~ H91537

R7 ist im Lichtweg zwischen dem Hohlraum 1 und der Rb -Lampe 4R7 is in the light path between cavity 1 and Rb lamp 4

R7R7

angeordnet, um gewisse unerwünschte Spektrallinien der Rb -arranged to avoid certain unwanted spectral lines of the Rb-

Ortlocation

Lampe auszufiltern, damit die Rb -Atome im Hohlraum 1 optisch gepumpt werden können. Das optische Pumpen leert das UnterniveauFilter out the lamp so that the Rb atoms in cavity 1 are optical can be pumped. The optical pumping empties the sub-level

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]?=1 des Grundzustandes der Rb -Atome, indem Übergänge des Atoms in höher erregte Energieniveaus bewirkt werden, von denen die Atome mit gleicher Wahrscheinlichkeit in die beiden Niveaus F= 1 und P=2 des Grundzustandes zurückkehren; aber weil das Niveau P=1 des Grundzustandes durch das optische !Pumpen dauernd geleert wird, ergibt sich eine Überbesetzung des Niveaus P=2 des Grundzu3tandes, und von diesem kann angeregte kohärente Strahlungsemission erhalten werden.
87
]? = 1 of the ground state of the Rb atoms, in that transitions of the atom into higher excited energy levels are effected, from which the atoms return with equal probability to the two levels F = 1 and P = 2 of the ground state; but because the level P = 1 of the ground state is constantly emptied by the optical pumping, there is an overcrowding of the level P = 2 of the ground state, and excited coherent radiation emission can be obtained from this.

Eine Anzahl Magnetabsohirmungen 6, beispielsweise geschlossene Zylinder aus MoIy Permalloy, umschliessen den Hohlraum 1, um die Grosse von extern erzeugten Magnetfeldern herabzusetzen. Zusätzlich ist innerhalb der Abschirmungen 6 ein Ofen 7 angeordnet, um die verschiedenen Elemente der Vorrichtung einschliesslich der Gaszelle auf einer bevorzugten Betriebstemperatur zu halten, beispielsweise 6O0C.A number of magnetic shieldings 6, for example closed cylinders made of MoIy Permalloy, enclose the cavity 1 in order to reduce the size of externally generated magnetic fields. In addition, a furnace 7 is disposed inside of the shields 6, to the various elements of the device to keep including the gas cell at a preferred operating temperature, for example, 6O 0 C.

Ein Mikrowellen-Ausgangeanschluss wird durch eine Hohlleitersektion 8 gebildet, die mit dem TE0n~Modus des Hohlraums 1 über eine Blende 9 gekoppelt ist. Ein Miea-Penster 11 ist gasdichtA microwave output connection is formed by a waveguide section 8, which is coupled to the TE 0n ~ mode of the cavity 1 via a diaphragm 9. A Miea-Penster 11 is gas-tight

über den Hohlleiter 8 am Ausgangsflansch 12 gesetzt. Drei senkangeordnete placed via the waveguide 8 on the output flange 12. Three lower ones

recht zueinander, d.h. längs den x-, y- und z-Achsen/und gleichsinnig hintereinander geschaltete Heimholtz-Spulenpaare 13 sind um den Hohlraum 1 herum angeordnet, und werden jeweils von einerright to each other, i.e. along the x, y and z axes / and in the same direction Heimholtz coil pairs 13 connected in series are arranged around the cavity 1, and are each of one

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-10--10-

■ ~10~ H91537■ ~ 10 ~ H91537

einzeln einstellbaren Gleichstromquelle 14 erregt. Me dpulenpaare 13 dienen dazu, das restliche statische Magnetfeld im Bereich der Gasatome innerhalb des Hohlraums 1 auf irgendeine gewünschte Richtung und Grosse zu bringen. Vorzugsweise werden die Spulen so eingestellt, dass sieh ein kleines, gleichförmiges magnetisches Polarisationsfeld H von beispielsweise 1 Milligauss ergibt, das axial zum Hohlraum 1 gerichtet ist.individually adjustable direct current source 14 energized. Coil pairs 13 serve, the remaining static magnetic field in the area of the gas atoms within the cavity 1 to any desired To bring direction and size. Preferably the coils are adjusted so that they see a small, uniform one magnetic polarization field H of, for example, 1 milligauss, which is directed axially to the cavity 1.

In Betrieb bilden die Lampe 4 und das Filter 5 eine Quelle für optische Strahlung, die dazu dient, das Hyp^rfeinstruktur-Unterniveau F=2 des Grundzustandes der Rb -Atome, die die Atomresonanzeinheit im Hohlraum 1 bilden, überzubesetzen. Der Hohlraumresonator 1 ist auf die Grundzustand-Hyperfeinstruktur-Ubergangsfrequenz (F=2, M=O-* F= 1 , M=O) von etwa 6 835 MIIz abgestimmt. Bei optimaler Einstellung der Spulen 13, der Pumplichtintensität, der Hohlraumabstimmung und der Temperaturen des Filters 5 und des Hohlraums 1 ist die Verstärkung der Atomresonanzeinheit grosser als 1, so dass statistische Mikrowellen-Übergänge vom Hyperfeinstruktur-Energieniveau F=2 zum Hyperfeinstruktur-Energieniveau F=1 den Hohlraumresonator in der V/eise erregen, dass die Felder im Hohlraum auf die Gasatome zurückwirken, so dass sich eine kohärente, selbstunterhaltende kontinuierliche atrahlungsemiS3ion bei der Hyperfeinstruktur-Resonanzfrequenz ergibt. Mn Teil des Mikrowellen-Resonanzsignals wird dann aus dem Hohlraum 1 über den Ausgangsanschluss ausgekoppelt und einem geeigneten Verbraucher zugeführt.In operation, the lamp 4 and the filter 5 form a source for optical radiation, which serves to reduce the sublevel of the hyp ^ rfine structure F = 2 of the ground state of the Rb atoms that make up the atomic resonance unit Form in cavity 1, overcrowded. The cavity resonator 1 is to the ground state hyperfine structure transition frequency (F = 2, M = O- * F = 1, M = O) matched by about 6 835 MIIz. With optimal setting of the coils 13, the pump light intensity, the cavity tuning and the temperatures of the Filter 5 and the cavity 1, the gain of the atomic resonance unit is greater than 1, so that statistical microwave transitions from the hyperfine structure energy level F = 2 to the hyperfine structure energy level F = 1 excite the cavity resonator in such a way that the fields in the cavity react back on the gas atoms, so that there is a coherent, self-sustaining continuous radiation emission at the hyperfine structure resonance frequency results. Mn part of the microwave resonance signal is then coupled out of the cavity 1 via the output connection and fed to a suitable consumer.

909829/0644 "11"909829/0644 " 11 "

- 11 - H91537- 11 - H91537

ills auf einem feldunabhängigen Übergang arbeitender Maser-Oszillator ergibt die Vorrichtung nach Fig. 1 ein extrem einfaches üekundärfrequeriznormal mit bisher unbekannter Kurzzeitstabilität von 1:10 . Darüber hinaus ergibt dieser Maser-Oszillator eineills Maser oscillator working on a field-independent transition the device according to FIG. 1 results in an extremely simple secondary frequency normal with previously unknown short-term stability from 1:10. In addition, this Maser oscillator makes a

12 Langzeitstabilität in der Grössenordnung von 1:1012 Long-term stability in the order of 1:10

Der Maser-Oszillator nach Fig, 1 kann in mehr als einem im wesentlichen feldunabhängigen Betriebsmodus betrieben werden. Bei einem bevorzugten Betriebsmodus wird eine angeregte Strahlungsemission von einem reinen Hyperfeinstruktur-Übergang erhalten, d.h., die Zeeiuan-Unterniveaus sind frequenzmässig vom gewünschten Übergang (F-2, w=0-♦ F= 1, m=0) getrennt, so dass im wesentlichen nur der erwünschte feldunabhängige Übergang beobachtet wird. Im allgemeinen wird diese Abtrennung der Zeeman-Unterniveaus erhalten, wenn die Ansammlung von Rb -Atomen in ein magnetisches Polarisationsfeld H von mehr als 100 Hikrogauss eingetaucht ist. Bei diesem Betriebsmodus tragen die feldabhängigen Hyperfeinst ruktur-Übergange aber nicht zu den feldunabhängigen Hyperfeinstruktur-Übergängen bei, und die Verstärkung der Gasatomansammlung (oder die Resonanzüberhöhung) ist kleiner als die, die erhalten wird, wenn das Feld H auf weniger als 100 Mikrogauss herabgesetzt wird. Andere Parameter, die die Maserbedingungen festlegen, müssen verbessert werden, um Maserschwingungen zu erhalten. Insbesondere muss die Temperatur der Atomansammlung optimal gewählt werden, um die Verstärkung zu verbessern, und der Gütefaktor des Hohlraums kann vergrössert werden, indem einThe maser oscillator according to FIG. 1 can be operated in more than one essentially field-independent operating mode. At a The preferred operating mode is excited radiation emission obtained from a pure hyperfine structure transition, i.e. the Zeeiuan sub-levels are frequency-wise from the desired transition (F-2, w = 0- ♦ F = 1, m = 0) separated, so that essentially only the desired field-independent transition is observed. In general, this separation of the Zeeman sub-levels is obtained, when the accumulation of Rb atoms in a magnetic polarization field H of more than 100 Hikrogauss is immersed. In this operating mode, however, the field-dependent hyperfine structure transitions do not contribute to the field-independent hyperfine structure transitions at, and the enhancement of gas atom accumulation (or the resonance exaggeration) is smaller than that obtained when the field H is less than 100 microgauss is reduced. Other parameters that determine the maser conditions need to be improved in order to increase the maser vibration obtain. In particular, it must be the temperature of the atomic cluster can be optimally chosen to improve the gain, and the quality factor of the cavity can be increased by adding a

909829/0644909829/0644

-12--12-

-12- U91537- 12 - U91537

Hohlraum mit grösserem Volumen verwendet wird, der in einem der höheren Rauchringmodi arbeitet, um damit die Maserbedingungen zu verbessern.Larger volume cavity is used, which is in one of the higher smoke ring modes works to improve the grain conditions.

Der zweite im wesentlichen feldunabhängige Betriebsmodus des Maser-Oszillators nach Fig. 1 ist einer, bei dem die Schirme 6 und die Spulen 13 dazu dienen, das Magnetfeld über der Ansammlung von Gasatomen im Hohlraum 1 auf weniger als 100 Mikrogauss herabzusetzen, so dass die Zeeman-Unterniveaus mit dem erwünschten Übergang (F=2, m=0 -? F= 1, m=0) kombinieren, wodurch die Verstärkung der Ansammlung erhöht wird. Diese Kombination der Zeeman-Unterniveaus ergibt zwar eine Neigung zur Erhöhung der Verstärkung der Gesamtheit, verbreitert jedoch die Resonanzlinie und bringt eine gewisse Abhängigkeit von Fluktuationen in der magnetischen Umgebung mit sich. Für Anwendungsfälle als Frequenznormal oder Atomuhr ist deshalb der zuerst erwähnte feldunabhängige Betriebsmodus vorzuziehen.The second, essentially field-independent operating mode of the maser oscillator according to FIG. 1 is one in which the screens 6 and the coils 13 serve to reduce the magnetic field above the accumulation of gas atoms in the cavity 1 to less than 100 microgauss, so that the Zeeman sub-levels with the desired Transition (F = 2, m = 0 -? F = 1, m = 0) combine, thus increasing the gain the accumulation is increased. This combination of the Zeeman sub-levels results in a tendency to increase the gain of the whole, however, broadens the resonance line and brings some dependence on fluctuations in the magnetic Environment with itself. For applications as a frequency standard or atomic clock, the first mentioned is therefore field-independent Operating mode preferable.

Der optische Pumpmechanismus, der vorzugsweise bei einem Maser nach Fig. 1 verwendet wird, soll nunmehr in Verbindung mit Fig. erläutert werden. Diese bevorzugte Pumptechnik wird als "Intensitäts"-Punipen bezeichnet und ist beschrieben in "The Review of Scientific Instruments", Vol. 35, No. 7, July 1964, S. 857 ff.The optical pumping mechanism, which is preferably used in a maser according to FIG. 1, will now be described in connection with FIG. explained. This preferred pumping technique is called "intensity" punipen and is described in "The Review of Scientific Instruments", Vol. 35, No. 7, July 1964, p. 857 ff.

Kurz gesagt besteht das Intensitäts-Pumpen darin, dass ein Rb Filter 5 zwischen der Rb -Lichtquelle 4 und der zu pumpendenIn short, intensity pumping consists of an Rb filter 5 between the Rb light source 4 and the one to be pumped

85
Ansammlung verwendet wird. Das Rb -Filter 5 enthält eine Mischung
85
Accumulation is used. The Rb filter 5 contains a mixture

909829/0644909829/0644

-13--13-

von Rb und Argongas unter 52 Torr bei 200C und filtert gewisse Resonanzlinien der Lampe 4 aus, um die gewünschte Überbesetzungof Rb and argon gas below 52 Torr at 20 0 C and filters out certain resonance lines of the lamp 4 in order to achieve the desired overpopulation

ortlocation

des Niveaus F=2 des S-Niveaus der Rb -Atome zu erzielen, die dann angeregt werden können, um ihre Energie kohärent an den Hohlraumresonator 1 in kontinuierlicher, sich selbsterhaltender Weise abzugeben.of the level F = 2 of the S level of the Rb atoms, the can then be excited to pass their energy coherently to the cavity resonator 1 in a continuous, self-sustaining manner Way to deliver.

Der Effekt des Löschgases auf die Verstärkung oder die Resonanz-The effect of the extinguishing gas on the amplification or the resonance

R7R7

überhöhung der Ansammlung von Rb -Atomen ist in Fign. 3 und deutlich erkennbar. Bs wurde festgestellt, dass, wenn stickstoff-Löschgas als Bestandteil des Puffergases für Rb in einem kritischen Bereich von 5-20 Torr bei Zimmertemperatur verwendet wird, die Verstärkung erheblich vergrössert wird, wobei der Spitzenwert für die Verstärkung der Ansammlung bei einem Partialdruck des Stickstoffs von etwa 11 Torr liegt (vergl. Pig. 3). Stickstoff zeigt eine wesentliche Verbesserung der Verstärkung im Vergleich mit anderen Puffergasen wie Neon, Helium, Argon oder Wasserstoff, deren Verstärkungscharakteristiken in fig. dargestellt sind.Exaggeration of the accumulation of Rb atoms is shown in FIGS. 3 and clearly. Bs was found that when using nitrogen extinguishing gas used as a component of the buffer gas for Rb in a critical range of 5-20 Torr at room temperature the gain is increased significantly, with the peak value for the gain in accumulation at a partial pressure of nitrogen of about 11 Torr (see Pig. 3). Nitrogen shows a substantial improvement in gain in comparison with other buffer gases such as neon, helium, argon or hydrogen, the amplification characteristics of which are shown in fig. are shown.

Es wurde zwar die maximale Verstärkung mit reinem Lösch-Puffergas erzielt, es ist jedoch nicht erforderlich, dass das ganze Puffergas vollständig aus Löschgas besteht. Es wurde weiter festgestellt, dass das Löschgas unter dem kritischen Partialdruck mit anderen Gasen wie Neon, Argon und Helium gemischtAlthough the maximum gain was achieved with pure extinguishing buffer gas, it is not necessary that all of the buffer gas consists entirely of extinguishing gas. It was further established that the extinguishing gas mixed with other gases such as neon, argon and helium under the critical partial pressure

87 werden kann. Die Verstärkungscharakteristik von Rb -Atomen in den Mischungen von Puffergasen, die das Löschgas enthalten, sind87 can be. The amplification characteristics of Rb atoms in the mixtures of buffer gases containing the extinguishing gas are

909829/0644 -U-909829/0644 -U-

-H--H-

in Pig. 4 dargestellt. Daraus ist zu erkennen, dass für Puffergasmischungen, die Löschgas als einen Bestandteil unter einem Partialdruek zwischen 5 und 20 Torr enthalten, sich eine wesentliche Verbesserung der Verstärkung der Atomansammlung ergibt.in Pig. 4 shown. From this it can be seen that for buffer gas mixtures, contain the extinguishing gas as a constituent under a partial pressure between 5 and 20 Torr Enhancement of the enhancement of the atomic aggregation results.

Der vollständige Mechanismus bei der Verstärkungsverbesserung auf Grund von Löschgas ist theoretisch nicht klar, folgende Überlegung dürfte jedoch den tatsächlichen Verhältnissen nahekommen: Eine Wiederabstrahlung von den erregten Niveaus 5P leert die Niveaus ]?=2 und setzt damit den Pumpwirkungsgrad deutlich herab. Eine Wiederabstrahlung kann durch Kollisionen zweiter Art mit Puffergasatomen verhindert werden. Bei diesen Kollisionen wird das Rubidium entregt, indem die Energie an das Lösch-Puffergasatom übertragen wird. Dieser Vorgang wird als "Löschen" bezeichnet und wird durch den Parameter L definiert:The complete mechanism of the gain improvement due to extinguishing gas is theoretically not clear, the following consideration should, however, come close to the actual conditions: a re-emission from the excited levels 5P empties the Levels]? = 2 and thus significantly reduces the pumping efficiency. A re-emission can be caused by collisions of the second kind with Buffer gas atoms are prevented. During these collisions, the rubidium is de-excited by transferring the energy to the quenching buffer gas atom is transmitted. This process is called "deletion" and is defined by the parameter L:

τ Intensität der Wiederabstrahlung mit Puffergas 1τ intensity of re-radiation with buffer gas 1

Intensität der Wiederabstrahlung ohne Puffergas 1 + γ ZIntensity of re-emission without buffer gas 1 + γ Z

/2L/ 2 L

Y = Lebensdauer der erregten Atome ZT = Rate der Löschkollisionen Y = lifetime of excited atoms Z T = rate of extinguishing collisions

JjYy

Die Theorie und der Mechanismus des Löschens (quenching) wird besprochen in A.G.G. Mitchell und M.W. Zeioansky, Resonance Radiation and Excited Atoms (Cambridge at the university Press, 1961), S. 192 und Peter Pringsheim, !Fluorescence and Phosphorescence (Interscience Publishers, Hew York, 1945). Ins einzelne gehende Berechnungen des Löschvorgangs sind in den meisten FällenThe theory and mechanism of quenching is discussed in A.G.G. Mitchell and M.W. Zeioansky, Resonance Radiation and Excited Atoms (Cambridge at the university Press, 1961), p. 192 and Peter Pringsheim,! Fluorescence and Phosphorescence (Interscience Publishers, Hew York, 1945). In most cases there are detailed calculations of the deletion process

90^829/064*90 ^ 829/064 *

-15--15-

-15- H91537-15- H91537

sehr kompliziert, und der Vorgang ist theoretisch noch nicht vollkommen klar. Es genügt jedoch festzustellen, dass es mit Pufferbsen wie Stickstoff möglich erscheint, ein fast völliges Löschen zu erhalten.very complicated and the process is not completely clear in theory. Suffice it to say, however, that it is with Buffer peas such as nitrogen appears to be an almost complete one Delete.

In Pig. 5 ist die Verstärkung und Bandbreite in Abhängigkeit von der Temperatur des Hohlraums 1 dargestellt; aus dieser Kurve ergibt sich, dass der Hohlraum vorzugsweise bei etwa 6O0G betrieben werden sollte. Diese Temperatur ergibt eine erhebliche Verstärkung bei relativ geringer Bandbreite des gewünschten Übergangs (F=2, Ui=O -* F= 1 , ia=0). Liese erwünschte Betriebstemperatur wird mit dem Ofen 7 aufrechterhalten.In Pig. 5 shows the gain and bandwidth as a function of the temperature of the cavity 1; from this curve shows that the cavity should preferably be operated at about 6O 0 G. This temperature results in a considerable gain with a relatively small bandwidth of the desired transition (F = 2, Ui = O - * F = 1, ia = 0). This desired operating temperature is maintained with the furnace 7.

In Pig. 6 ist eine andere Ausführungsform eines Maser-Hohlraumreconators mit Merkmalen der Erfindung dargestellt. Der Hohlraum ist kurz oben beschrieben, im einzelnen besteht er aus einem liohlzylindrischen Hauptgefäss 21, beispielsweise aus rostfreiem Stahl, der auf der Innenseite mit Kupfer plattiert ist, um eine gute Leitfähigkeit zu erhalten und damit einen hohen Gütefaktor. Dieser Hohlraum ist an einem Ende mit einer mit einem Plansch versehenen Deckplattenanordnung 22 verschlossen, die gasdicht ..n einen mit einem ähnlichen Plansch versehenen Teil des G-efässes 21 mit einer gasdichten Ringdichtung 23 angeschlossen ist. Die Abschlussplattenanordnung 22 weist eine nach innen hervorstehende Abschlussraenibran 24 auf, die als eine Endwand des Hohlraums 1 dient. Die Membran ist mittels einer Gewindespindelanordnung 25 verformbar, so dass der Hohlraum über einen ausreichenden Frequenzbereich, etwa + b MHz abgestimmt werden kann.In Pig. 6 is another embodiment of a maser cavity reconator illustrated with features of the invention. The cavity is briefly described above, in detail it consists of one Liohlzylindischen main vessel 21, for example made of stainless Steel that is plated with copper on the inside in order to obtain good conductivity and thus a high quality factor. This cavity is closed at one end with a cover plate arrangement 22 which is provided with a puddle and which is gas-tight ..n a part of the tank with a similar splash 21 is connected with a gas-tight ring seal 23. The end plate assembly 22 has an inwardly protruding one End wall 24, which acts as an end wall of the cavity 1 serves. The membrane is deformable by means of a threaded spindle arrangement 25, so that the cavity over a sufficient frequency range, about + b MHz can be tuned.

90-9829/0844-^: ^ original90-9829 / 0844- ^: ^ original

-16--16-

U31537U31537

Die andere Endwand des Hohlraums wird von einer perforierten Platte 26 gebildet, die mit einer Vielzahl von Bohrungen mit kleinem Durchmesser, beispielsweise 3 mm, versehen ist. Die Öffnungen sind so angeordnet, dass die Gesamtdurchlässigkeit der perforierten Wand 26 etwa 50$ beträgt. Die Dicke der Wand ist vorzugsweise grosser als der Durchmesser der Löcher, so dass wenig Hochfrequenzenergie durch die Löcher aus dem Hohlraum austreten kann. Das Hauptgefäss 21 ist an einem Ende gasdicht mit einem Grlasfenster 27 verschlossen, das über das offene Ende eines dünnwandigen Rohres 28 in ähnlicher Weise wie ein Housekeeper-Abschluss montiert ist. Die !fensteranordnung 27 ist mit zwei aneinander passenden Flanschen 29 und einer Dichtung 31 gasdicht am Hauptgefäss 21 befestigt.The other end wall of the cavity is formed by a perforated plate 26, which is provided with a plurality of bores small diameter, for example 3 mm, is provided. The openings are arranged so that the total permeability of perforated wall 26 is about $ 50. The thickness of the wall is preferably larger than the diameter of the holes so that little high frequency energy emerges from the cavity through the holes can. The main vessel 21 is sealed gas-tight at one end with a glass window 27, which over the open end a thin walled tube 28 is mounted in a manner similar to a housekeeper termination. The window arrangement 27 is with two matching flanges 29 and a seal 31 attached to the main vessel 21 in a gas-tight manner.

Ein hohlzylindrisches, evakuiertes Grlasgefäss 32 ist im Raum zwischen dem Fenster 27 und der perforierten Wand 26 angeordnet, um eine unerwünschte Absorption der optischen ResonanzstrahlungA hollow cylindrical, evacuated glass vessel 32 is in the room arranged between the window 27 and the perforated wall 26 to prevent undesirable absorption of the optical resonance radiation

87
von der Lampe 4 durch Rb -Gas zu verhindern, das sonst den Raum zwischen dem Fenster 27 und der perforierten Platte 26 füllen würde. Auf diese V/eise wird eine wirksame Ausnutzung der Resonanzstrahlung erzielt.
87
from the lamp 4 by Rb gas which would otherwise fill the space between the window 27 and the perforated plate 26. In this way, an effective utilization of the resonance radiation is achieved.

Der Hohlraum 21 besteht aus nicht reagierendem unmagnetischen Werkstoff, der mit dem Alkalimetalldampf nicht reagiert. Es wurde festgestellt, dass geeignete Hohlraumwerkstoffe unmagnetischer rostfreier Stahl, Aluminium, Kupfer und Mica sind.The cavity 21 consists of non-reactive, non-magnetic Material that does not react with the alkali metal vapor. It was found that suitable cavity materials are less magnetic stainless steel, aluminum, copper and mica are.

909829/0844 17 909829/0844 17

Es gibt viele andere unmagnetische Merkstoffe, die aber nicht geeignet sind, weil sie mit dem Rubidiumdampf im Betriebsbereich von 20-800O reagieren, dolche ungeeigneten Werkstoffe gibt es viele, es sollen lediglich erwähnt werden Teflon, Gold und verschiedene Epoxyleime.There are many other non-magnetic materials that are not suitable because they react with the rubidium vapor in the operating range of 20-80 0 O, there are many unsuitable materials, only Teflon, gold and various epoxy glue should be mentioned.

Der Hohlraumresonator 21 soll einen so grossen Gütefaktor wie möglich haben. Die das Mikrowellenfeld führenden Flächen des Hohlraums sollen deshalb eine hohe leitfähigkeit haben. Kupfer ist von den unmagnetiDchen, nicht reagierenden Werkstoffen am besten dazu geeignet, diese das Feld führende Innenfläche zu bilden. Dementsprechend sind die inneren, das PeId führenden Flächen des Hohlraums 21 mit Kupfer plattiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Hohlraums besteht das Gefäss 21 aus rostfreiem Stahl, um die nötige Festigkeit zu erzielen, und sind die Innenflächen mit Kupfer plattiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gütefaktor des Hohlraums auch dadurch verbessert, dass ein grosses Verhältnis Hohlraumvolumen zu Oberfläche benutzt wird. Das wird dadurch erreicht, dass der Hohlraum für Betrieb in einem hohen TEQ m~Modus ausgelegt wird, beispielsweise dem Modus TEQ 2 -] für den Übergang F=2, m=0 τ* F=1, m=0.The cavity resonator 21 should have as large a quality factor as possible. The surfaces of the cavity guiding the microwave field should therefore have a high conductivity. Of the non-magnetic, non-reactive materials, copper is best suited to form this inner surface that guides the field. Correspondingly, the inner surfaces of the cavity 21, which guide the face, are plated with copper. In a preferred embodiment of the cavity, the vessel 21 is made of stainless steel, in order to achieve the necessary strength, and the inner surfaces are plated with copper. In a preferred embodiment, the quality factor of the cavity is also improved in that a large ratio of cavity volume to surface is used. This is achieved in that the cavity for operation in a high TE Q m ~ mode is designed, for example, the mode TE Q 2 -] f or the transition F = 2, m = 0 τ * F = 1, m = 0th

In Fig. 8 ist die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz des Masers von der Temperatur dargestellt, und zwar einmal die Frequenzabweichung des Resonanzübergangs auf Grund des Puffergases, wie Stickstoff, und die Frequenzverschiebung des Hohlraums auf GrundFIG. 8 shows the dependence of the resonance frequency of the maser on the temperature, specifically the frequency deviation of the resonance transition due to the buffer gas, such as Nitrogen, and the frequency shift of the cavity due to it

909829/0644909829/0644

der Wärmedehnung des Hohlraumresonators. Bs wurde festgestellt, dass/zur Erzielung eines gegen Temperaturänderungen in der Umgebung unempfindlichen Gaszellen-Prequenznormales möglich ist, den Temperaturkoeffizienten des Resonanzhohlraums durch einen Temperaturkoeffizienten des Puffergases zu kompensieren. Insbesondere wenn das Puffergas Stickstoff ist und der Hohlraumresonator aus rostfreiem 3tahl besteht, können die l'emperaturkoeffizienten so festgelegt werden, dass sie in entgegengesetztem Sinne wirken, so dass sie bei geeigneter v/ahl einander kompensieren. Auf diese Weise bleibt die Maserfrequenz über einem relativ grossen Temperaturbereich konstant oder stabil.the thermal expansion of the cavity resonator. Bs was found that / to achieve an against temperature changes in the environment insensitive gas cell frequency normal is possible, to compensate the temperature coefficient of the resonance cavity by a temperature coefficient of the buffer gas. In particular If the buffer gas is nitrogen and the cavity resonator is made of stainless steel, the temperature coefficients be determined in such a way that they work in opposite directions, so that they compensate each other with a suitable ratio. In this way, the grain frequency remains constant or stable over a relatively large temperature range.

Genauer ist der Mechanismus dieser Temperaturkompensation wie folgt zu verstehen:The mechanism of this temperature compensation is to be understood more precisely as follows:

Der abgestimmte Hohlraum und die Atomansauimlung bilden ein gekoppeltes System. Wenn die Hohlraumresonanzfrequenz nicht mit der Atomübergangsfrequenz zusammenfällt, ist auch die zusammen- * gesetzte Schwingungsfrequenz nicht gleich der Atomresonanzfrequenz. Dieser Effekt wird beschrieben durch den AusdruckThe coordinated cavity and the accumulation of atoms form a coupled system. When the cavity resonance frequency does not coincide with the atomic transition frequency, the compiled * set vibration frequency is not equal to the atomic resonance frequency. This effect is described by the expression

worin "V = Schwingungsfrequenzwhere "V = oscillation frequency

\>0 = Atomübergangsfrequenz νΛ = Hohlraumresonanzfrequenz = Hohlraumgütefaktor
= Spektralliniengütefaktor
\> 0 = atomic transition frequency ν Λ = cavity resonance frequency = cavity quality factor
= Spectral line quality factor

-19--19-

909829/0644909829/0644

-19- U9153.7-19- U9153.7

Aus diesem Ausdruck ist erkennbar, dass, wenn die Atomübergange frequenz 'V nicht gleich der Hohlraumresonanzfrequenz %k ist, die Oszillatorfrequenz V nicht gleich der Atomübergangsfrequenz XZ0 ist, mit anderen Worten die Frequenz gezogen ist. From this expression it can be seen that when the atomic transition frequency 'V is not equal to the cavity resonance frequency% k, the oscillator frequency V is not equal to the atomic transition frequency XZ 0 , in other words the frequency is drawn.

Aus der obigen Gleichung ergibt sich das Ziehen durch den Hohlraum zuFrom the above equation, the pulling through the cavity results in

Sy ( ) Sy ( )

(SL1 (SL 1

ebenen Rb '-Ma
Daraus ergibt sich
planes Rb '-Ma
This results in

In dem oben beschriebenen Rb '-Maser ist Q0^IO und Q^a* 10 .In the Rb 'grain described above, Q is 0 ^ IO and Q ^ a * 10.

V ^/Hohlraum " 10
Wenn gewünscht wird (aaLj ^1 10*" ^, ergibt sich daraus, dass (-^)v-*y^J= A^c. kleiner sein muss als 68 Hz.
V ^ / cavity " 10
If (aaLj ^ 1 10 * "^ is desired , it follows that (- ^) v- * y ^ J = A ^ c. Must be less than 68 Hz.

Betrachten wir jetzt die Wirkung der Temperatur auf das Ziehen durch den HohlraumNow let's consider the effect of temperature on pulling through the cavity

ist die Änderung der ^.tomresorianzfrequenz mit der Temperatur,is the change in the magnetic resonance frequency with temperature,

die hauptsächlich durch das Puffergas verursacht wird.which is mainly caused by the buffer gas.

Eine Kompensation für PrequenzverSchiebungen, die sowohl durch das Puffergas als auch durch das Hohlraumziehen verursacht wer- äen, wird auf folgende «/eise erreicht:A compensation for frequency shifts, which are caused by both the buffer gas and the cavity pulling, is achieved in the following way:

Puffergas = + 6 Hs Pr0 °G Pro cm ki2 · Buffer gas = + 6 Hs P r0 ° G P ro cm ki 2

909829/0644909829/0644

-20--20-

~20~ U91537~ 20 ~ U91537

wird jetzt negativ gemacht und so gewählt, dass die folgende Beziehung erfüllt ist:is now made negative and chosen so that the following Relationship is fulfilled:

ST Ir #/ STIr # /

Damit kompensiert wenigstens in erster Näherung die Frequenzverschiebung auf Grund des Puffergases die FrequenzverSchiebung auf Grund des Hohlraums.In this way, at least as a first approximation, it compensates for the frequency shift the frequency shift due to the buffer gas due to the cavity.

Nach dieser Kompensation soll der Hohlraum auf die Mitte der * Spektrallinie abgestimmt werden. Die zusammengesetzte Resonanzfrequenz ändert sich mit Gütefaktor und Frequenzen wie folgt:After this compensation, the cavity should be adjusted to the center of the * spectral line. The composite resonance frequency changes with the figure of merit and frequencies as follows:

Daraus ergibt sich, dass die Änderungsrate der Schwingungsfrequenz mit der Linienbreite (Q) nur Null ist, wenn der Hohlraum abgestimmt istIt follows that the rate of change of the vibration frequency with the line width (Q) is only zero when the cavity is tuned

Im Falle des Kb -Masers kann die Linienbreite oder Verstärkung nicht leicht durch Veränderung des Rb-Druckes verändert werden; die Verstärkung und Q-, können jedoch leicht verändert werden, indem das Magnetfeld durch den Zustand Feld Null gebracht wird. Bei Feld Null ist die effektive Besetzung von Rb am höchsten, weil Atome in den Zuständen F=2, m^O und F=2, mf=+1 alle zur überschüssigen Besetzung beitragen, die für Maserwirkung verfügbar ist. Wenn die Felder gross genug sind, die verschiedenen Hyperfeinstruktur-Zeemankomponenten aufzulösen (einige 100 Mikrogauss), trägt nur die Besetzung des Zustandes F=2, mf=0 zur Maserwirkung bei. Die Atomverstärkung kann also leicht durchIn the case of the Kb mesh, the line width or gain cannot be easily changed by changing the Rb pressure; however, the gain and Q- can easily be changed by bringing the magnetic field through the field zero state. At field zero, the effective occupation of Rb is highest because atoms in the states F = 2, m ^ O and F = 2, m f = + 1 all contribute to the excess occupation that is available for grain effect. If the fields are large enough to resolve the various hyperfine structure Zeeman components (several 100 microgauss), only the occupation of the state F = 2, m f = 0 contributes to the grain effect. So atomic reinforcement can easily get through

909829/0644909829/0644

-21--21-

- 21 - U91537- 21 - U91537

Einstellung des Feldes von Null auf einige 100 Mikrogauss modifiziert werden. Der Hohlraum wird dann so abgestimmt, dass sioh die Maserfrequenz nicht ändert, wenn das Feld innerhalb dieses Bereiches nachgestellt wird.Setting of the field modified from zero to a few 100 microgauss will. The cavity is then tuned so that the maser frequency does not change when the field is within it Area is adjusted.

In Verbindung mit Fign. 2, 9-11 soll der Mechanismus der Liohtverschiebung beschrieben werden, woran sich eine Beschreibung der neuartigen Pumplichtquelle nach der Erfindung anschliesst, mit der Pumplichtverschiebungen eliminiert werden.In connection with FIGS. 2, 9-11 is said to be the mechanism of displacement of the light are described, followed by a description of the novel pump light source according to the invention, can be eliminated with the pump light shifts.

Für eine unkorrigierte Pumpquelle für einen Rubidium-Maser wurde festgestellt, dass sich die Frequenz des feldunabhängigen Mikrowellenübergangs (F=2, m=0-> F=1, m=0) um den hohen Wert von 40 Hz ändert, wenn die Pumplichtintensität von Null auf voll geändert wird. Diese Lichtverschiebung ergibt sich durch die geringfügig abseits liegende Resonanz der Pumplinie von der Lampe gegenüber der beobachteten Ansammlung von Gasatomen. Das Termschema vonFor an uncorrected pump source for a rubidium maser it was found that the frequency of the field-independent microwave transition (F = 2, m = 0-> F = 1, m = 0) around the high value of 40 Hz changes when the pumping light intensity is changed from zero to full. This shift in light results from the slight remote resonance of the pump line from the lamp compared to the observed accumulation of gas atoms. The term scheme of

R7
Rb ist in Fig. 2 dargestellt. Bei einer bevorzugten Methode des
R7
Rb is shown in FIG. In a preferred method of the

87 8787 87

optischen Pumpens wird die Rb -Resonanzstrahlung von einer Rb -optical pumping, the Rb resonance radiation is

QCQC

Lampe in einem Rb -Filter gefiltert, um gewisse unerwünschte Spektralresonanzlinien in der optischen Resonanzstrahlung der Lampe auszufiltern, so dass ein stärkeres optisches Pumpen vom Niveau F=1 erreicht wird als vom Niveau F=2. Das optische Pumpen The lamp is filtered in an Rb filter in order to filter out certain undesirable spectral resonance lines in the optical resonance radiation of the lamp, so that a stronger optical pumping is achieved from level F = 1 than from level F = 2. The optical pumping

R7R7

leert das Unterniveau F= 1 des Grundzustandes der Rb -Atome, indem Übergänge der Atome in höher erregte Energiezustände angeregt werden, beispielsweise erregte P-Niveaus, von denen aus die Atome mit gleicher Wahrscheinlichkeit in die Niveaus F=1 und F=2 desempties the sub-level F = 1 of the ground state of the Rb atoms by stimulating the transitions of the atoms into more highly excited energy states, e.g. excited P levels, from which the atoms are equally likely to move into the levels F = 1 and F = 2 des

909829/06A4909829 / 06A4

Grundzustandes zurückkehren, tfeil jedoch das Niveau F= 1 dee Grundzustandes dauernd durch das optische Pumpen geleert wird, ergibt sich eine Überbesetzung des Unterniveaus F=2 des Grundzuetandes, so dass ein Energie-Ungleichgewicht hervorgerufen wird, aus dem Mikrowellenübergänge zum Niveau F= 1 mit einer Übergangsfrequenz von etwa 6 835 MHz erreicht werden können.Return to the basic state, but share the level F = 1 dee Basic state is continuously emptied by optical pumping, there is an overstaffing of the sub-level F = 2 of the basic state, so that an energy imbalance is caused, from which microwave transitions to level F = 1 with a Crossover frequency of about 6,835 MHz can be achieved.

87
Beim optischen Pumpen für Rb -Atome sind zwei Primär-opektralresonanzlinien von Interesse, eine bei etwa 7 947 Λϋ und die andere bei etwa 7 800 AE. Diese optischen Übergänge entsprechen Übergängen zwischen dem Niveau 5 si/-j ^d den Niveaus 5 f-i/p
87
In optical pumping for Rb atoms, two primary opectral resonance lines are of interest, one at around 7,947 Λϋ and the other at around 7,800 AU. These optical transitions correspond to transitions between the level 5 s i / -j ^ d and the levels 5 fi / p

ρ
bzw. 5 1*^/2· ^u^ Grund der Aufspaltung des Grundzustanden,
ρ
or 5 1 * ^ / 2 ^ u ^ reason for the splitting of the ground state,

Niveau b, spalten die beiden primären optischen Kesonunzlinien von 7 947 AE bzw. 7 800 AS jeweils in zwei Linien auf, uie dient an den ursprünglichen Linien 7 947 AE und 7 800 ^l. liefen, gespaltenen Linien oder !Dubletten unterscheiden sich frequ^nzmässig etwa um die Mikrowellenfrequenz des Hyperfeins~trukturübergangs zwischen, den Unterniveaus des Grundzustandes oder 6- * Niveaus.Level b, split the two primary optical correspondence lines of 7,947 AU and 7,800 AS respectively into two lines, uie serves on the original lines 7,947 AU and 7,800 ^ 1. Running, split lines or doublets differ in frequency by about the microwave frequency of the hyperfine structure transition between the sub-levels of the ground state or 6- level levels.

H7H7

Pur die üesonanzlinie 7 800 Au von 2b sind die !Dubletten in Pig. 9 als Resonanzlinien a bzw. b dargestellt, wobei a die kleinere Frequenz des Dublets hat. Im Palle der Linie 7 800 AE von RB liegen die gespaltenen Linien des Dublets frequenzmässig enger zusammen, sie sind als Linien A bzw. B dargestellt. Die Linie b von Rb ' ist natürlich die Linie, die den zu pumpenden R7Purely the resonance line 7 800 Au of 2b are the! Doublets in Pig. 9 shown as resonance lines a and b, where a has the lower frequency of the doublet. In the Palle of the line 7 800 AE from RB the split lines of the doublet lie in terms of frequency closer together, they are shown as lines A and B, respectively. The line b of Rb 'is of course the line that the one to be pumped R7

Rb -Atomen zugeführt werden soll, weil diese Linie das Unter-Rb atoms should be added because this line is the sub-

909829/0644909829/0644

niveau F= 1 des Grundzustandes der Atome pumpt, wodurch sich eine Überbesetzung des Unterniveaus F=2 ergibt. Die relativen Lagen der Hyperfeinstrukturlinien von Rb87 und Rb 5 bei 7 800 AE sind in Fig. 9 dargestellt. Die Linien a und b liegen um 1 300 MHz
auseinander, der Abstand der anderen Linien' ist grosser als
2 5OU 1·ίΗζ. Durch Puffergasverbreiterung und Verschiebung in
lib -Filter, beispielsweise durch Erhöhung des Argongasdruckes auf 52 Torr, kann die Linie A so eingestellt werden, dass sie
die Linie a absorbiert, die Linie B absorbiert jedoch die Linie b nicht.
level F = 1 of the ground state of the atoms pumps, which results in an overcrowding of the sublevel F = 2. The relative positions of the hyperfine structure lines of Rb 87 and Rb 5 at 7,800 AU are shown in FIG. Lines a and b are around 1,300 MHz
apart, the distance between the other lines' is greater than
2 5OU 1 · ίΗζ. By widening the buffer gas and shifting it into
lib filter, for example by increasing the argon gas pressure to 52 Torr, line A can be set so that it
line a absorbs, but line B does not absorb line b.

Die opektralprofile von Lampe und Filter, die eben für die
Hubidiumlinie 7 800 A3 beschrieben worden sind, gelten auch für die Linie 7 947 A!J. "Qi e Linie 7 947 AE besteht sowohl für Rb
The opectral profiles of the lamp and filter, which are just for the
Hubidium line 7 800 A3 also apply to line 7 947 A! J. "Qi e line 7 947 AE exists for both Rb

-R-R

als f-uch Rb aus einer Dublette. Die niederfrequente Komponenteas f-uch Rb from a doublet. The low frequency component

■7
der Rb4" -Dublette wird von der niederfrequentexi Linie der Dublette deo Hb -Filters absorbiert, während die hochfrequente, er-
■ 7
the Rb 4 "doublet is absorbed by the low-frequency line of the doublet deo Hb filter, while the high-frequency,

o'7 H 7o'7 H 7

wünschte Rb -iJublettenkomponente von der Rb -Lampe durch das Rb -Filter hindurchläuft, so dasa die Rb -Atome gepumpt werden. fwanted Rb -iJublettencomponent from the Rb -lamp through the Rb filter passes through so that the Rb atoms are pumped. f

jjasf. Vorzficlien aer Lichtverschiebung hängt vom spektralen Profil des Jumplichtes in folgender /eise ab: Jenn das puniplicht auf
der niederfrequenten oeite des zu pumpenden Atomübergangs zentriert isu, (i.h. lri.'i nach Fig. 10, wird das Atomniveau F=1 nach niedrig,erer "Jjiergie hin verschoben, v/emi aas pumplicht auf die Iiochfreoue-iiLe beite des .-».tomresonfjizüberg&ngs (h^ in Fig. 10) i.r!itriert ist, wird ä&s ^.touniveau F= 1 ~u einem höheren i.
jjasf. Advantages of light shift depend on the spectral profile of the jump light in the following way: Jenn the punip light on
the low-frequency side of the atomic transition to be pumped is centered (ih lri.'i according to Fig. 10, the atomic level F = 1 is shifted to low, erer "Jiergie, v / emi aas pumplicht on the Iiochfreoue-IILe beite des .- ».Tomresonfjizüberg & ngs (h ^ in Fig. 10) is ir!

909829/064A BAD ORIGINAL909829 / 064A ORIGINAL BATHROOM

wert hin verschoben, wie in Fig. 10 durch-hv„ angedeutet ist. Niederfrequente Pumpstrahlung ergibt also eine positive Lichtverschiebung und höherfrequentes Pumplicht ergibt eine negative Lichtverschiebung.shifted towards the value, as indicated in FIG. 10 by -hv ". Low-frequency pump radiation therefore results in a positive light shift and higher-frequency pump light results in a negative one Light shift.

In Pig. 11 ist eine Vorrichtung für optisches Pumpen mit einer Lichtverschiebung Null dargestellt. In der Vorrichtung wird spektrale Strahlung von zwei quellen verwendet, und diese Strahlung ist so eingestellt, dass sich eine Lichtquelle mit positiver Lichtverschiebung und eine weitere Lichtquelle mit negativer Lichtverschiebung ergibt, und die Strahlungen von beiden Lichtquellen werden in die Atomansauimlung projiziert, um diese zu pumpen. Durch geschickte Auswahl des Trägergases in der Lampe und/oder im Filter, Temperatur von Lampe oder Filter, die spezielle Isotopenzusammensetzung der Atome in der Lampe oder im Filter oder der Form von Lampe oder Filter oder des Erregungsmodus der Lampe kann eine Lichtquelle mit positiver oder negativer Lichtvercchiebung erhalten werden. Es sind ferner Ein- ψ richtungen vorgesehen, mit denen die relativen Intensitäten der Spektrallinien von den beiden quellen verändert werden können, so dass das richtige Intensitätsverhältnis ausgewählt werden kann, mit dem sich eine Lichtverschiebung Null in der gepumpten Gaszelle ergibt.In Pig. Figure 11 shows an optical pumping device with zero light shift. The device uses spectral radiation from two sources, and this radiation is adjusted so that there is one light source with positive light shift and another light source with negative light shift, and the radiations from both light sources are projected into the atomic cluster in order to pump it . A light source with positive or negative Light shift can be obtained. There are further inputs ψ directions provided with which the relative intensities of the spectral lines can be changed from the two sources so that the right intensity ratio can be selected with which a light displacement of zero results in the pumped gas cell.

Die Parameter einer ersten Spektrallampe 22 sind so eingestellt, dass sich eine negative Lichtverschiebung ergibt. Eine geeignete Lampe 22 ist beispielsweise eine Spektrallampe Varian X-4^-609The parameters of a first spectral lamp 22 are set in such a way that a negative light shift results. A suitable one Lamp 22 is, for example, a Varian X-4 ^ -609 spectral lamp

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25~ U9153725 ~ U91537

für lib , deren Parameter für negative Lichtverschiebung eingestellt sind. Die spektrale Strahlung von der Lampe 42 wird infor lib, whose parameters are set for negative light shift are. The spectral radiation from the lamp 42 is shown in FIG

8787

den Hohlraumresonator 1 gerichtet, der die Rb -Atome enthält, um diese zu pumpen. Ein Filter 43 veränderlicher Durchlässigkeit ist im Lichtstrahl der Lampe 42 zwischen der Lampe und dem Hohlraum 1 angeordnet, um die Intensität der von der Lampe 42 zum Hohlraum gelangenden Strahlung variabel zu regeln. Ein geeignetes Filter 43 mit variabler Durchlässigkeit besteht beispielsweise aus zwei Polarisationsfiltern, einem elektro-optiscnen Kristall, oder einer Kerrzelle. Zwischen dem Filter 43 mit variabler Durchlässigkeit und dem Hohlraum 1 ist das erwähnte Hb -Filter angeordnet, mit dem unerwünschte Spektrallinien der Lampe 42 ausgefiltert werden, um eine stärkere Besetzung det, oberen Hyperfeinstrukturniveaus des Grundzustandes der zu pumpenden Rubidium-Atome hervorzurufen.directed the cavity resonator 1, which contains the Rb atoms, to pump them. A variable transmittance filter 43 is in the light beam of lamp 42 between the lamp and the cavity 1 arranged in order to variably regulate the intensity of the radiation coming from the lamp 42 to the cavity. A suitable one Filter 43 with variable transmittance consists, for example, of two polarization filters, an electro-optical crystal, or a Kerr cell. Between the filter 43 with variable permeability and the cavity 1 is the aforementioned Hb filter arranged, with the unwanted spectral lines of the lamp 42 are filtered out to a stronger occupation det, upper Hyperfine structure level of the basic state of the pumped To evoke rubidium atoms.

Eine zweite Lampe 45, ähnlich der Lampe 42, ist vorgesehen, deren Lichtstrahl im wesentlichen rechtwinklig zum Lichtstrahl von der ersten Lampe 42 gerichtet ist. Ein halbverspiegelter oder halb- durchlässiger Spiegel 46 ist am Schnittpunkt der beiden Lichtstrahlen angeordnet und 45° zum Strahl geneigt, um die optische Strahlung von der zweiten Lampe in den Hohlraum 1 zu reflektieren, um die Atompartikel darin zu pumpen, gleichzeitig aber Licht von der ersten Lampe zum Hohlraum durchzulassen. Die Parameter der Lampe 45 sind so eingestellt, dass sich eine positive Lichtverschiebung ergibt. Ein Filter 47 mit variabler Durchlässigkeit ist im Lichtstrahl der zweiten Lampe 45 zwischen der Lampe und demA second lamp 45, similar to lamp 42, is provided, the light beam of which is substantially perpendicular to the light beam from the first lamp 42 is directed. A semi-reflective or semi-transparent mirror 46 is at the point of intersection of the two light beams arranged and inclined 45 ° to the beam in order to reflect the optical radiation from the second lamp into the cavity 1, to pump the atomic particles in it, but at the same time to let light through from the first lamp to the cavity. The parameters of the Lamp 45 are set so that there is a positive shift in light. A filter 47 with variable permeability is in the light beam of the second lamp 45 between the lamp and the

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U91537U91537

Spiegel 46 angeordnet, um die Intensität der optischen Strahlung von der Lampe 45 zum Hohlraum 1 variabel regeln zu können. Das Filter 47 mit variabler Transmission ist ähnlich dem Filter 43 aufgebaut und arbeitet auf die gleiche V/ei^e.Mirror 46 arranged to increase the intensity of the optical radiation to be able to regulate variably from the lamp 45 to the cavity 1. That Filter 47 with variable transmission is constructed similarly to filter 43 and operates on the same level.

Ein zweites optisches Strahlungsfilter 48, beispielsweise eine Rb -Zelle ist im V/eg des Strahls von der zweiten Lam^e 45 zwischen dem Durchlässigkeitsfilter 47 und den Spiegel 46 angeordnet, um gewisse unerwünschte Spektrallinien der Lampe 45 auszufiltern, P so dass die vom Spiegel 46 in den Hohlraum 1 weitergeleitete optische Strahlung eine Überbesetzung des oberen Hyperfeinutrukturniveaus des Grundzustandes der Rb -Atome hervorruft.A second optical radiation filter 48, for example one Rb cell is in the V / eg of the ray from the second lam ^ e 45 between the transmission filter 47 and the mirror 46 are arranged in order to filter out certain undesired spectral lines of the lamp 45, P so that the optical radiation passed on by the mirror 46 into the cavity 1 overcrowds the upper hyperfine structure level of the ground state of the Rb atoms.

.Sin drittes Filter 49 mit veränderlicher Durchlässigkeit ibt im kombinierten Strahlweg für das Licht von beiden Lampen 42, 45 angeordnet, um die Gesamtintensität der einander überlagernden Lichtstrahlen zu regeln. Das Filter 49 mit veränderlicher Durchlässigkeit kann ähnlich den Filtern 43 bzw. 47 aufgebaut sein..Sin third filter 49 with variable permeability ibt im combined beam path for the light from both lamps 42, 45 arranged to the total intensity of the superimposed To regulate light beams. The filter 49 with variable permeability can be constructed similarly to the filters 43 and 47, respectively.

In Betrieb ist das Intensitätsverhältnis der spektralen otrahlung positiver und negativer Lichtverschiebung, die von den Lampen und 45 zum Hohlraum 1 geschickt wird, mit den Filtern 43, 47 mit variabler Durchlässigkeit so eingestellt, dass bei Veränderung des Filters 49 keine Lichtverschiebung beobachtet wird.In operation, the intensity ratio of the spectral radiation is positive and negative shift in light emitted by the lamps and 45 is sent to the cavity 1, with the filters 43, 47 with variable permeability adjusted so that when there is a change of the filter 49, no light shift is observed.

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" "27" U91537"" 27 "U91537

Für dieae Kompensationstechnik für Lichtverschiebung Null ist es notwendig, dass der Hohlraum 1 genau abgestimmt ist. Wenn diese Bedingung nicht erfüllt ist, ergibt sich eine Frequenzverschiebung, wenn die Gesamt-Lichtintensität verändert wird, selbst wenn die Lichtverschiebung Null ist. Die Gesamt-Resonanzfrequenz ändert sich mit dem Gütefaktor und den Frequenzen wie folgt:For the light shift compensation technique, it is zero necessary that the cavity 1 is precisely matched. If this condition is not met, there is a frequency shift, if the total light intensity is changed, even when the light shift is zero. The overall resonance frequency changes with the quality factor and the frequencies as follows:

mit \" = Jchwingungsfrequenz des als Gaszelle dienendenwith \ "= oscillation frequency of the gas cell serving

Hohlraums
i~, = £itomijche Mikrowellen- oder Hochfrequenz-Übergangsfrequenz
Cavity
i ~, = £ itomijche microwave or high frequency crossover frequency

l'c - Hohlraumresonanzfrequenz
•4 = liohlraumgütefaktor
l ' c - cavity resonance frequency
• 4 = cavity quality factor

■j-, = Gütefaktor der Atomlinie der Übergangsfre^uenz.■ j-, = quality factor of the atomic line of the transition frequency.

Dm'cus ergibt sich, dass die Änderungsrate der üchwingungsfrequcnz mit der Linienbreite (Q-,) nur dann Null ist, wenn der Hohlraum abgestimmt ist (fc=t'r).The result is that the rate of change of the oscillation frequency with the line width (Q-,) is only zero if the cavity is tuned (f c = t ' r ).

Im Falle des Rb -Masers lässt sich die Linienbreite oder Verstärkung nicht leicht durch Veränderung des Rb-Druckes ändern; die Verstärkung und Q^ sind jedoch leicht zu ändern, indem das Muf-netfeld durch den Zustand Feld Null geändert wird. Bei Feld Null ist die effektive Besetzung des Rb am stärksten, weil alle -.toiae in den Zuständen F=2, τψ=Ο und F=2, mf=+1 alle zur Überbesetzung beitragen, die für die Maserwirkung verfügbar ist. denn die Feldstärken gross genug sind, um die verschiedenen HyperIn the case of the Rb mesh, the line width or gain cannot be easily changed by changing the Rb pressure; however, the gain and Q ^ can easily be changed by changing the in-line field to the field zero state. At field zero the effective occupation of the Rb is strongest because all -.toiae in the states F = 2, τψ = Ο and F = 2, m f = + 1 all contribute to the overcrowding that is available for the grain effect. because the field strengths are large enough to handle the various Hyper

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feinstruktur-Zeeniankomponenten aufzulösen· (einige hundert Mikrogauss), trägt nur die Besetzung von F=2, m,.=0 zur Maserwirkung bei. Die Atomverstärkung kann also leicht durch Nachstellung des Feldes von Null auf einige hundert Mikrogauss modifiziert werden. Der Hohlraum wird dann so abgestimmt, dass üich die Maserfrequenz nicht ändert, wenn das Feld innerhalb dieses Bereiches verändert wird.to resolve fine-structure Zeenian components (several hundred microgauss), only the occupation of F = 2, m,. = 0 contributes to the grain effect at. The atomic gain can easily be modified by adjusting the field from zero to a few hundred microgauss. The cavity is then tuned to match the grain frequency does not change if the field is changed within this area.

Die in Fig. 11 dargestellte Anordnung ergibt ein Pumplicht mit ™ Lichtverschiebung Null. Die Alterung der Lampen 42 und 45 oder der Filter 44 und 48 kann jedoch eine Änderung im opektralprofil der Lichtquellen hervorrufen, wodurch sich wieder eine Lichtverüchiebung ergeben kann. Es sind deshalb Einrichtungen vorgesehen, um die Lichtverachiebung automatisch zu überwachen, so dass sich ein Fehler-Poickkopplungssignal ergibt, mit dem das Intensitätsverhaltnis der beiden Lichtstrahlen nachgeregelt wird, um den Zustand Lichtverschiebung Hull für die zusammengesetzte Lichtquelle 4 und 5 aufrechtzuerhalten.The arrangement shown in FIG. 11 results in a pump light with zero light shift. The aging of the lamps 42 and 45 or however, the filters 44 and 48 can produce a change in the opectral profile of the light sources, which again results in a shift in light can result. Devices are therefore provided to automatically monitor the displacement of light, see above that there is an error Poick coupling signal with which the The intensity ratio of the two light beams is readjusted, to get the state light shift Hull for the compound Light source 4 and 5 maintain.

Genauer besteht die automatische Lichtverschiebung-I-iegelungsschaltung aus einem Liciitdurchlassmodulator 52, der eine geeignete niederfrequente elektrische Spannung, beispielsweise von 400 Hz, an das beiden Strahlen gemeinsame veränderliche Filter 49, beispielsweise eine Kerrzelle, liefert. Die Niederfrequenz bewirkt damit eine Amplitudenmodulation der beiden zusammengefassten Pumplichtstrahlen. Wenn sich eine Lichtverschiebung in der Maserausgangsfrequenz ergibt, ist diese mit der Niederfrequenz .frequenzmoduliert. More precisely, the automatic light shift locking circuit consists of a light transmission modulator 52 which supplies a suitable low-frequency electrical voltage, for example of 400 Hz, to the variable filter 49 common to both beams, for example a Kerr cell. The low frequency thus effects an amplitude modulation of the two combined pump light beams. If there is a light shift in the grain output frequency, this is .frequency modulated with the low frequency.

909829/0644 _2g-909829/0644 _ 2 g-

Mn Frequenzuiodulationsdetektor 53 ist an den Ausgang des Masers an^euchloütieii, um die niederfrequente Modulation festzustellen und sie in ein niederfrequentes unplituderiuioduliertes oignal umzuwandeln. Das erhaltene niederfrequente oignal wird dann mit dom ui'sprünglichen Modulationssignal verglichen, das vorn Durchlasniaodulator 5^ abgeleitet wird, und zwar in einen phaseneiiipfindlichen Detektor 54, so dass sich ein Fehler-Gleichstrom ergibt, der d-'-m einen oder anderen der Filter mit variabler Durchlässigkeit, beispielsweise dem Filter 47, zugeführt wird, am das Intensitätsverhältnis des Lichtstrahls mit positiver Lichtverschiebung zum Lichtstrahl mit negativer Liclitverschiebung au regeln, um das Verhältnis für Li cJutver Schiebung Null richtig aufrechtzuerhalten.Mn frequency modulation detector 53 is at the output of the maser an ^ euchloütieii to determine the low frequency modulation and convert them into a low-frequency, unplitude-modulated signal to convert. The low-frequency signal obtained is then with dom ui's original modulation signal compared to that of the through-laser modulator 5 ^ is derived, namely in a phase-sensitive Detector 54, so that there is an error direct current, the d -'- m one or the other of the filters with variable Permeability, for example the filter 47, is supplied, on the intensity ratio of the light beam with positive Shift of light to the light beam with negative shift of light au regulate to correct the ratio for Li cJutver shift zero maintain.

Bei einer bevorzugten Ausführungsforia ist die optische Pumpvorrichtung gemäss Fig. 11 aufgebaut, d.h. beide Strahlen treten aus der gleichen Richtug ein und werden mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 46 einander überlagert, äs ist jedoch nicht erforderlich, dass die Lichtstrahlen einander überlagert werden und von der gleichen Richtung in den Hohlraum eintreten. Beispielsweise können sie von beiden Richtungen in den Hohlraum eingespeist werden, wenn dieser mit zwei perforierten Endwänden versehen ist.In a preferred Ausführungsforia the optical pumping device of FIG. Constituted 11, that is, both beams exit from the same Richtug and are superimposed by means of a semi-transparent mirror 46 side, however, AES is not necessary that the light beams are superimposed on one another and from the same direction enter the cavity. For example, they can be fed into the cavity from both directions if it is provided with two perforated end walls.

Die Erfindung ist in ihrer Anwendung auf einen optisch gepumpten kontinuierlich arbeitenden Maser-Oszillator beschrieben worden, der als Frequenznormal oder Magnetometer geeignet ist. Die Erfin- 'The invention has been described in its application to an optically pumped continuously operating Maser oscillator, which is suitable as a frequency standard or magnetometer. The inven- '

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dung ist jedoch genau so gut auf.optisch gepumpte und optisch überwachte Atomresonanzeinrichtungen anwendbar wie Frequenznormale und Magnetometer, wie sie in der älteren deutschen Anmeldung V 13 327 IX,'42h der Anmelderin beschrieben sind.However, manure is just as good on optically pumped and optically Monitored atomic resonance devices can be used such as frequency standards and magnetometers, as they are in the older German Application V 13 327 IX, '42h of the applicant are described.

Die bereits erwähnte Atomresonanzvorrichtung ist nicht allein auf Rb -Atome beschränkt. Gewisse andere Isotope von anderen Metallen, beispielsweise Thallium, Natrium, Kalium und Jäsi können verwendet werden. Jeder iilektronen-iieorientierungsübergang oder jede Resonanz in Atomen oder Molekülen, für den oder die das Netto-./inkelmoment f der Atome oder Moleküle eine ganze Zahl in Quanteneinheiten des Plank'schien .-/irkungsquan turns h ist, kann verwendet werden. Allgemein ist daran gedacht, dass jede Ansammlung von Molekülen oder Atomen mit den erwünschten Hesonanzeigenschaften verwendet werden kann. Der Ausdruck "ij.tom" soll deshalb in Verbindung mit der vorliegenden Beschreibung und den Ansprüchen sowohl für Atome als auch für Moleküle gelten.The atomic resonance device already mentioned is not limited to Rb atoms alone. Certain other isotopes from others Metals such as thallium, sodium, potassium and jäsi can be used. Every electron-electron orientation transition or any resonance in atoms or molecules for which the net./angular moment f of the atoms or molecules is a whole Number in quantum units of the Plank'schien .- / irkungsquan turn h, can be used. In general, it is thought that any collection of molecules or atoms with the desired Hesonance properties can be used. The term "ij.tom" is intended to therefore, in conjunction with the present description and claims, apply to both atoms and molecules.

PatentansprücheClaims

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BAD OPHGINALBAD OPHGINAL

Claims (1)

PATENTANWALTPATENT ADVOCATE IAQI DIPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT ' ** * 'IAQI DIPL.-ING. H. KLAUS BERNHARDT ' ** * ' 8000 MÖNCHEN 23 · MAINZERSTR.5 V1 P71 D8000 MÖNCHEN 23 MAINZERSTR. 5 V1 P71 D SiSi Patentansprüche :Patent claims: I1.) ^tcureüonanzvorrichtung, insbesondere Maser-Oszillator, bestehend aua einer Ansammlung von Atomen im gasförmigen Aggregat zustand in einem Behälter und einer Einrichtung, " mit der eine hochfrequente Resonanz der Atome hervorgerufen und festgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Behiilter ferner mit einem Puffergas (Neon, Argon) gefüllt ist, das für Gas-Gas-Kollisionen der Atome sorgt, so dass sich ein überwiegender Gas-Gas-Kollision-Einschränkungsmechanismus ergibt, mit dem die Diffusionszeit der Atome zu den ,Vänden des Behälters vergrössert wird, und das einen Löschgasbestandtoil (stickstoff) unter einem Partialdruck zwischen 5 und 20 Torr bei Zimmertemperatur enthält, durch das sich eine ä bessere Resonanz der Atome ergibt.I1.) ^ Tcureüonanzvorrichtung, in particular Maser oscillator, consisting of a collection of atoms in the gaseous aggregate state in a container and a device "with which a high-frequency resonance of the atoms is caused and determined, characterized in that the container also with a Buffer gas (neon, argon) is filled, which ensures gas-gas collisions of the atoms, so that a predominant gas-gas collision restriction mechanism results, with which the diffusion time of the atoms to the walls of the container is increased, and having a Löschgasbestandtoil (nitrogen) under a partial pressure of 5 to 20 Torr at room temperature, by the results in a better response of the ä atoms. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Löschgas stickstoff ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the extinguishing gas is nitrogen. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem auf die Resonanzfrequenz der Atome abgestimmten und die Atome umschliessenden Honlraumresonator, von dem erforderlichenfalls eine i/and ■3. Apparatus according to claim 1 or 2 with one on the resonance frequency of the atoms coordinated and enclosing the atoms Honlraumresonator, of which if necessary an i / and ■ 909829/0644909829/0644 - U91537- U91537 lichtdurchlässig 1st, so dass eine optische Pumpstrahlung eintreten kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Hohlraumresonators unmittelbar als gasdichter Behälter für die Atome dienen und aus unmagnetischem rostfreien Stahl, Aluminium, lüca oder Kupfer bestehen.is translucent, so that an optical pump radiation can occur, characterized in that the walls of the cavity resonator directly as a gas-tight container for the atoms serve and are made of non-magnetic stainless steel, aluminum, lüca or copper. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraumresonator (1) so gebaut, dimensioniert und angeordnet ist, dass sich seine Resonanzfrequenz bei Änderungen der Temperatur in einem Sinne ändert, und die .atomansammlung einen Temperaturkoeffizienten hat, derart, dass sich die Atomresonanzfrequenz bei Temperaturänderungen in entgegengesetztem Sinne zur Änderung der Hohlrauraresonatorresonanz ändert, so dass die Resonanzfrequenz der Gesamtheit Hohlraumresonator - Atomansammlung im wesentlichen unabhängig von Temperaturschwankungen ist *4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the cavity resonator (1) is so constructed, dimensioned and arranged is that its resonance frequency changes in one sense with changes in temperature, and the .atomic cluster has a temperature coefficient such that the atomic resonance frequency changes in opposite directions when the temperature changes Meaning to change the Hohlrauraresonatorresonanz changes so that the resonance frequency of the entirety of the cavity resonator - atomic collection is essentially independent of Temperature fluctuations is * 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn- ψ zeichnet, dass die Atomansammlung aus Atomen eines Alkalidampfes besteht.5. Device according to one of claims 1-4, characterized marked ψ is characterized in that the nuclear accumulation consisting of atoms of alkali vapor. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass6. Apparatus according to claim 5, characterized in that RV
die Atome Rb -Atome sind.
RV
the atoms are Rb atoms.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet,7. Apparatus according to claim 3 and 6, characterized in that dass die Quelle für die optische Pumpstrahlung aus einer Rb-that the source for the optical pump radiation from an Rb- 8585 Lampe und einem Rb -Filter besteht, mit dem gewisse unerwünschte Resonanz-Spektrallinien aus der Strahlung der Rb-Lampe ausgefiltert werden.Lamp and an Rb filter, with which certain unwanted resonance spectral lines from the radiation of the Rb lamp be filtered out. 909829/0644909829/0644 H91537H91537 ο. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Atomansamuilung in einem magnetischen Schirm (ό) angeordnet ist, der das magnetische Feld im Bereich der ntoae auf weniger als 100 Mii-.rogauss herabsetzt, so dass gewisse Zeeuan-Unterniveaus der Atomresonanzlinien mit den feldunabhängigen Linien kombinieren und sich eine bessere Verstärkung, und gewünuchteni'alls eine Maserschwingung der .ttoiue, ergibt.ο. Device according to claim 7, characterized in that the collection of atoms arranged in a magnetic screen (ό) is that of the magnetic field in the area of the ntoae to less than 100 Mii-.rogauss, so that certain Zeeuan sub-levels the atomic resonance lines combine with the field-independent lines and get a better gain, and wünuchteni'alls a maser oscillation of the .ttoiue results. 9e Vorrichtung nach Anspruch 6, 7 oder -3, dadurch gekennzeichnet, dass die Atomansaiiiinlung in einem Ofen (7) untergebracht ist, mit dem die Hb-Atome auf einer Temperatur zwiucnen 50 G und 700O gehalten werden, um eine bessere Resonanz zu erzielen.9e device according to claim 6, 7 or -3, characterized in that the atom collection is accommodated in a furnace (7) with which the Hb atoms are kept at a temperature between 50 G and 70 0 O in order to achieve a better resonance achieve. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pumplichtquellen (42, 45) vorgesehen sind, von denen die eine (42) ein solches spektrales Profil hat, dass sie die Atomansammlung mit einer Resonanzstraiilung bestrahlt, die eine negative LichtverSchiebung bei den gepumpten atomen hervorruft, und die andere (45) ein solches spektrales Profil hat, dass sie die Atouansamuilung mit einer Resonanzstrahlung bestrahlt, die eine positive Lichtverschiebung bei den gepumpten Atomen hervorruft, und dass das Intensitätsverhältnis der beiden Pumplichtquellen so bemessen ist, dass die hochfrequente Atomresonanzfreuuenz der i\tomans£iranlung im wesent lichen unabhängig von proportionalen Änderungen in der üesamtintensität des Puinplichtes wird.10. Device according to one of claims 3-9, characterized in that that two pump light sources (42, 45) are provided, one of which (42) has such a spectral profile, that it irradiates the accumulation of atoms with a resonance distribution, a negative shift in light in the pumped atoms, and the other (45) has such a spectral profile that it causes the Atouansamuilung with a resonance radiation irradiated, which causes a positive light shift in the pumped atoms, and that the intensity ratio of the two pump light sources is dimensioned so that the high-frequency atomic resonance frequency of the i \ tomans £ iranung essentially independent of proportional changes in the overall intensity of the Puinplichtes. A ORIGINAL 909829/0644 ~A4~A ORIGINAL 909829/0644 ~ A4 ~ 3H3H 11. Vorrichtung nacn Anspruch 10, dr.durch gekennzeichiu I, dass eine Einrichtung (49) zur variablen liti.elunü ο er ü-eaamtintensitiit des Pumplichtes vorgesehen ist, io dass Liehtverschiebun^en festgestellt v/erden können.11. The device according to claim 10, dr.durch gekennzeichiu I that a device (49) for the variable liti.elunü ο er ü-eaamtintensitiit of the pump light is provided, io that Liehtverschiebun ^ en can be determined. 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine einrichtung (47) zur variablen iie^elung des Intensitätsverhältnisses der beiden PumplicLtcr· vorgesehen ist, so dciss die G-esaint-LichtverochifcLung Vc.riu'uel ^ere^elt '.ve rden kann.12. Apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that that a device (47) for the variable iie ^ elation of the intensity ratio of the two PumplicLtcr · is provided, This is how the G-esaint-LichtverochifcLung Vc.riu'uel ^ ere ^ elt '.ve rden can. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (49) zur variablen Itegelung der Gesamtintensität des Pumplichtes von einem Lurchlassmodulctor (52) gesteuert wird, der mit Jetektcren (53» 54) verbunden ist, die bei auftretenden Lichtverochiebunten ein fehlersignal liefern, dpß die iinrichtungen (47) zur ^cegelung des Intensität sverhältni:;ses in Richtung einer miniiaiilen Lichtver-13. Apparatus according to claim 11 and 12, characterized in that that the device (49) for variable regulation of the total intensity of the pumping light from a Lurchlassmodulctor (52) is controlled, which is connected to Jetektcren (53 »54), which, when the light adjustment occurs, an error signal is generated supply, the devices (47) for controlling the intensity s relation:; ses in the direction of a miniiaiile light loss P Schiebung steuert.P shift controls. 14. Vorrichtung nac:x Anspruch 11, λΖ oaer 13, de.'lurch gekennzeichnet, üc.3 eine Puraplichtquelle (42) iLre Pumpstruhlung durch den lichtdurchlässigen Teil (2) des iioiilraumreson£.tors (1) schickt, ein halbtransparenter Spiegel (46) im .,'eg der Pumpstrahlung schräg zu ciieseLi angeordnet Ϊ3ΐ, die z'..'eite Pumplicht'.luelle (45) auf ien hai "bt ranspar en & en spiegel (4-6) gerichtet ist, so dass dieser in 1-iichtung auf den Hohlr-i.um-14. Device according to: x claim 11, λΖ oaer 13, de.'lurch characterized, üc.3 a Puraplichtquelle (42) iLre Pumpstruhlung through the translucent part (2) of the iioiilraumreson £ .tors (1) sends a semitransparent mirror ( 46) in the in 1 direction to the hollow BAD OFUGINAL 909829/0644BAD OFUGINAL 909829/0644 -A5--A5- resonator (1) reflektiert, und dass die Einrichtung (49) zur -iet.elung der Gestaut intensität des Pumplichtes zwischen dem halbtransparenten Spiegel (46) und dein Hohlraumresonator (1) arik-iordnet ist.resonator (1) reflected, and that the device (49) for -iet.elung the accumulated intensity of the pump light between the semitransparent mirror (46) and your cavity resonator (1) is arik-iordered. 909829/0644909829/0644
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