RU140876U1

RU140876U1 - QUANTUM DISCRIMINATOR

Info

Publication number: RU140876U1
Application number: RU2013159175/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Васильевич Семёнов; Сергей Викторович Ермак
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-05-20

Abstract

Квантовый дискриминатор, содержащий магнитную систему, схему обработки и оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник лазерной накачки, камеру поглощения с парами щелочного металла, размещенную в магнитной системе, и приемный фотодетектор, подключенный к схеме обработки, отличающийся тем, что введен преобразователь частоты, соединенный со схемой обработки, между источником лазерной накачки и камерой поглощения установлен оптический разделитель света с образованием двух дополнительных источников накачки, ориентированных на камеру поглощения во взаимно перпендикулярных направлениях, после камеры поглощения установлены два дополнительных приемных фотодетектора, подключенных к схеме обработки и расположенных напротив соответствующих дополнительных источников накачки так, что образуются два дополнительных оптических тракта, причем все оптические тракты взаимно перпендикулярны и имеют общую камеру поглощения, вокруг камеры поглощения установлены три рупорные антенны, подключенные к схеме обработки.A quantum discriminator comprising a magnetic system, a processing circuit, and an optical path including a laser pump source located on the same axis, an absorption chamber with alkali metal vapors located in the magnetic system, and a receiving photodetector connected to the processing circuit, characterized in that a frequency converter is introduced connected to the processing circuit, an optical light separator is installed between the laser pump source and the absorption chamber with the formation of two additional pump sources, a reference point Situated on the absorption chamber in mutually perpendicular directions, two additional receiving photodetectors are installed after the absorption chamber, connected to the processing circuit and located opposite the corresponding additional pump sources so that two additional optical paths are formed, all optical paths being mutually perpendicular and have a common absorption chamber, Three horn antennas connected to the processing circuit are installed around the absorption chamber.

Description

Полезная модель относится к технике квантовых устройств и может быть использована в квантовых стандартах частоты с оптической накачкой. Подобные устройства широко применяются в дальней космической связи, службе точного времени, а также при уточнении фундаментальных констант и проверке положений теории относительности.The utility model relates to the technique of quantum devices and can be used in quantum optical frequency standards with optical pumping. Such devices are widely used in long-distance space communications, the service of exact time, as well as in clarifying the fundamental constants and checking the provisions of the theory of relativity.

К аналогам полезной модели относятся рубидиевые квантовые дискриминаторы с изотопической фильтрацией света накачки, составляющие основу пассивных стандартов частоты на парах щелочных металлов в камере поглощения. Подобные устройства содержат в своем составе два основных элемента - оптическую систему и схему обработки. Оптическая система включает расположенные на одной оси источник накачки, ячейку фильтр, камеру поглощения, помещенную в объемный резонатор, и приемный фотодетектор. Схема обработки состоит из усилителя низкой частоты, фазового детектора, звукового генератора, кварцевого генератора и умножителя частоты. Принцип работы аналогов основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей квантовому переходу в сверхтонкой структуре основного состояния атомов рубидия, см., например, [Григорьянц В.В., Жаботинский М.Е., Золин В.Ф. Квантовые стандарты частоты. - М: Наука, 1967, 288 с], [Пихтелев А.И., Ульянов А.А., Фатеев Б.П. и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. - М: Сов. радио, 1978, 304 с], [Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения. Пер. с англ. - М.: ФИЗМАТЛИТ. 2009. - 512 с]. Недостатком аналогов является зависимость их резонансной частоты от рабочего магнитного поля, вариации которого по величине и направлению приводят к уменьшению их относительной стабильности частоты.Analogs of the utility model include rubidium quantum discriminators with isotopic filtering of pumping light, which form the basis of passive frequency standards for alkali metal vapors in the absorption chamber. Such devices contain two main elements - an optical system and a processing circuit. The optical system includes a pump source located on the same axis, a filter cell, an absorption chamber placed in a volume resonator, and a receiving photodetector. The processing circuit consists of a low frequency amplifier, phase detector, sound generator, crystal oscillator and frequency multiplier. The principle of operation of analogues is based on stabilization of the frequency of the tunable quartz oscillator relative to the frequency of the spectral line corresponding to the quantum transition in the hyperfine structure of the ground state of rubidium atoms, see, for example, [Grigoryants VV, Zhabotinsky ME, Zolin V.F. Quantum frequency standards. - M: Nauka, 1967, 288 s], [Pikhtelev A.I., Ulyanov A.A., Fateev B.P. et al. Frequency and time standards based on quantum generators and discriminators. - M: Owls. Radio, 1978, 304 p.], [Ryle F. Frequency Standards. Principles and applications. Per. from English - M .: FIZMATLIT. 2009. - 512 s]. The disadvantage of analogues is the dependence of their resonant frequency on the working magnetic field, variations of which in magnitude and direction lead to a decrease in their relative frequency stability.

Ближайшим аналогом заявляемой полезной модели является квантовый дискриминатор с лазерной оптической накачкой паров щелочного металла [Казаков Г.А., Матисов Б.Г., Литвинов А.Н. Радиооптический резонанс при лазерном возбуждении в парах ⁸⁷Rb. НТВ СПбГПУ Физ. мат науки 4, 2006, с. 70-74].The closest analogue of the claimed utility model is a quantum discriminator with laser optical pumping of alkali metal vapor [Kazakov GA, Matisov BG, Litvinov AN Radio-optical resonance upon laser excitation in ⁸⁷ Rb vapors. NTV SPbSPU Phys. Mat Science 4, 2006, p. 70-74].

Квантовый дискриминатор-прототип содержит магнитную систему, схему обработки и оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник лазерной накачки, камеру поглощения с парами щелочного металла, размещенную в магнитной системе, и приемный фото детектор, подключенный к схеме обработки. В схему обработки входят избирательный усилитель, фазовый детектор, звуковой генератор, умножитель частоты и кварцевый генератор, частота которого управляется сигналом приемного фотодетектора. Камера поглощения размещена в объемном резонаторе, который создает СВЧ поле в зоне размещения камеры поглощения и тем самым вызывает изменение степени прозрачности камеры поглощения, фиксируемое приемным фотодетектором в виде сигнала радио оптического резонанса. Этот сигнал в схеме обработке используется для автоподстройки частоты кварцевого генератора схемы обработки до значений, соответствующих частоте магнитодипольного 0-0 перехода в атомах рабочего вещества, находящихся в камере поглощения.The quantum discriminator prototype contains a magnetic system, a processing circuit, and an optical path, including a laser pumping source located on the same axis, an absorption chamber with alkali metal vapors placed in the magnetic system, and a receiving photo detector connected to the processing circuit. The processing circuit includes a selective amplifier, a phase detector, a sound generator, a frequency multiplier and a crystal oscillator, the frequency of which is controlled by the signal of the receiving photodetector. The absorption chamber is placed in a volume resonator, which creates a microwave field in the area of the absorption chamber and thereby causes a change in the degree of transparency of the absorption chamber, recorded by the receiving photodetector in the form of a radio optical resonance signal. This signal in the processing circuit is used to automatically adjust the frequency of the crystal oscillator of the processing circuit to values corresponding to the frequency of the magnetic dipole 0-0 transition in the atoms of the working substance in the absorption chamber.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является ориентационная погрешность измерений резонансной частоты, вызванная ее ориентационной зависимостью от угла между направлением вектора напряженности магнитного поля и лучом света накачки. Изменение этого угла может быть обусловлено различными причинами, например, изменением ориентации датчика в пространстве, наличием внешних магнитных наводок и т.п.A disadvantage of the known device adopted as a prototype is the orientation error of the resonance frequency measurements caused by its orientation dependence on the angle between the direction of the magnetic field vector and the pump light beam. A change in this angle may be due to various reasons, for example, a change in the orientation of the sensor in space, the presence of external magnetic pickups, etc.

Задачей полезной модели является разработка квантового дискриминатора с уменьшенной ориентационной погрешностью определения резонансной частоты, связанной с ее зависимостью от угла между направлением магнитного поля и лучом света накачки.The objective of the utility model is to develop a quantum discriminator with a reduced orientational error in determining the resonant frequency associated with its dependence on the angle between the direction of the magnetic field and the pump light beam.

Поставленная задача достигается тем, что в квантовом дискриминаторе, содержащем магнитную систему, схему обработки и оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник лазерной накачки, камеру поглощения с парами щелочного металла, размещенную в магнитной системе, и приемный фотодетектор, подключенный к схеме обработки, введен преобразователь частоты, соединенный со схемой обработки, между источником лазерной накачки и камерой поглощения установлен оптический разделитель света с образованием двух дополнительных источников накачки, ориентированных на камеру поглощения во взаимно перпендикулярных направлениях, после камеры поглощения установлены два дополнительных приемных фотодетектора, подключенные к схеме обработки и расположенные напротив соответствующих дополнительных источников накачки так, что образуются два дополнительных оптических тракта, причем все оптические тракты взаимно перпендикулярны и имеют общую камеру поглощения, вокруг камеры поглощения установлены три рупорные антенны, подключенные к схеме обработки.The problem is achieved in that in a quantum discriminator containing a magnetic system, a processing circuit and an optical path, including a laser pump source located on the same axis, an absorption chamber with alkali metal vapors located in the magnetic system, and a receiving photodetector connected to the processing circuit, introduced a frequency converter connected to the processing circuit, an optical light separator is installed between the laser pump source and the absorption chamber with the formation of two additional sources pump signals oriented to the absorption chamber in mutually perpendicular directions, after the absorption chamber two additional receiving photodetectors are installed, connected to the processing circuit and located opposite the respective additional pump sources so that two additional optical paths are formed, and all optical paths are mutually perpendicular and have a common the absorption chamber, around the absorption chamber there are three horn antennas connected to the processing circuit.

В заявляемом устройстве, благодаря введению преобразователя частоты, трех рупорных антенн, образованию трех идентичных источников накачки и трех взаимно перпендикулярных оптических трактов с общей камерой поглощения, суммарный ориентационный сдвиг резонансной частоты квантового дискриминатора, может быть сведен до сколь угодно малых значений (в принципе до нуля) за счет взаимной компенсации светового сдвига, наблюдаемого при индуцировании радиооптического резонанса в различных оптических трактах квантового дискриминатора. Уровень такой компенсации определяется степенью идентичности приемных фотодетекторов квантового дискриминатора.In the inventive device, due to the introduction of a frequency converter, three horn antennas, the formation of three identical pump sources and three mutually perpendicular optical paths with a common absorption chamber, the total orientational shift of the resonant frequency of the quantum discriminator can be reduced to arbitrarily small values (in principle, to zero ) due to the mutual compensation of the light shift observed during the induction of radio-optical resonance in various optical paths of the quantum discriminator. The level of such compensation is determined by the degree of identity of the receiving photodetectors of the quantum discriminator.

Сущность полезной модели поясняется графическим материалом (фиг), на которой изображена схема оптической части квантового дискриминатора на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой щелочных атомов, где 1 - магнитная система, 2 - схема обработки, 3 - источник лазерной накачки, 4 - камера поглощения, 5 - приемный фотодетектор, 6 - преобразователь частоты, 7 - оптический разделитель света накачки, 8 и 9 - дополнительные приемные фотодетекторы, 10, 11 и 12 - рупорные антенны.The essence of the utility model is illustrated by graphic material (Fig), which shows a diagram of the optical part of a quantum discriminator on a gas cell with laser optical pumping of alkali atoms, where 1 is the magnetic system, 2 is the processing circuit, 3 is the laser pump source, 4 is the absorption chamber, 5 - receiving photodetector, 6 - frequency converter, 7 - optical pump light separator, 8 and 9 - additional receiving photodetectors, 10, 11 and 12 - horn antennas.

Квантовый дискриминатор (фиг.) содержит магнитную систему 1, схему обработки 2 и оптический тракт, включающий расположенные на одной оси источник лазерной накачки 3, камеру поглощения 4 с парами щелочного металла, размещенную в магнитной системе 1, и приемный фото детектор 5, подключенный к схеме обработки 2, преобразователь частоты 6, соединенный со схемой обработки 2. Между источником 3 лазерной накачки и камерой поглощения 4 установлен оптический разделитель света 7 с образованием двух дополнительных источников накачки, ориентированных на камеру поглощения 4 во взаимно перпендикулярных направлениях. После камеры поглощения 4 установлены два дополнительных приемных фотодетектора 8 и 9, подключенные к схеме обработки 2 и расположенные напротив соответствующих дополнительных источников накачки так, что образуются два дополнительных оптических тракта. Все оптические тракты взаимно перпендикулярны и имеют общую камеру поглощения 4. Вокруг камеры поглощения 4 установлены три рупорные антенны 10, 11 и 12, подключенные к схеме обработки 2The quantum discriminator (Fig.) Contains a magnetic system 1, a processing circuit 2, and an optical path, including a laser pump source 3 located on the same axis, an absorption chamber 4 with alkali metal vapors located in magnetic system 1, and a receiving photo detector 5 connected to a processing circuit 2, a frequency converter 6 connected to a processing circuit 2. An optical light separator 7 is installed between the laser pump source 3 and the absorption chamber 4 to form two additional pump sources oriented to absorption measure 4 in mutually perpendicular directions. After the absorption chamber 4, two additional receiving photodetectors 8 and 9 are installed, connected to the processing circuit 2 and located opposite the respective additional pump sources so that two additional optical paths are formed. All optical paths are mutually perpendicular and have a common absorption chamber 4. Around the absorption chamber 4 there are three horn antennas 10, 11 and 12 connected to the processing circuit 2

Схема обработки может быть выполнена аналогично схеме, описанной в работе [Пихтелев А.И., Ульянов А.А., Фатеев Б.П. и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. - М: Сов. радио, 1978, 304 с]. Схема обработки должна пропускать сигнал с выхода каждого приемного фотодетектора только на определенной звуковой частоте. Тогда на выходе схемы обработки формируются три независимых СВЧ сигнала, питающие рупорные антенны соответствующих оптических трактов, несмотря на то, что приемные фотодетекторы воспринимают сигнал радиооптического резонанса одновременно на трех звуковых частотах.The processing scheme can be performed similarly to the scheme described in [Pikhtelev A.I., Ulyanov A.A., Fateev B.P. et al. Frequency and time standards based on quantum generators and discriminators. - M: Owls. Radio, 1978, 304 p.]. The processing circuit should pass the signal from the output of each receiving photodetector only at a certain sound frequency. Then, at the output of the processing circuit, three independent microwave signals are generated that feed the horn antennas of the corresponding optical paths, despite the fact that the receiving photodetectors receive a radio-optical resonance signal simultaneously at three sound frequencies.

В качестве оптического разделителя могут быть использованы волоконные световоды, либо система зеркал и светоделительных призм.Fiber optic fibers or a system of mirrors and beam splitting prisms can be used as an optical splitter.

В качестве преобразователя частоты может быть использован СВЧ частотомер, например, Pendulum CNT-85R, соединенный с микроконтроллером, например, RS-232, который определяет средневзвешенную частоту СВЧ поля рупорных антенн, не зависящую от ориентации квантового дискриминатора в магнитном пространстве.As a frequency converter, a microwave frequency meter, for example, Pendulum CNT-85R, connected to a microcontroller, for example, RS-232, which determines the weighted average frequency of the microwave field of the horn antennas, which does not depend on the orientation of the quantum discriminator in magnetic space, can be used.

Магнитная система может быть выполнена в виде катушек Гельмгольца, создающих рабочее магнитное поле, вектор напряженности которого ориентирован в сферической системе координат, осями которой являются оси оптических трактов. Положение вектора напряженности рабочего поля в сферической системе координат определено полярным углом θ и азимутальным углом φ.The magnetic system can be made in the form of Helmholtz coils, creating a working magnetic field, the intensity vector of which is oriented in a spherical coordinate system, the axes of which are the axes of the optical paths. The position of the working field intensity vector in the spherical coordinate system is determined by the polar angle θ and the azimuthal angle φ.

Квантовый дискриминатор работает следующим образом.The quantum discriminator works as follows.

Свет накачки от лазерного источника 3 с помощью оптического разделителя 7 разделяется на три пучка, распространяющихся в трех взаимноперпендикулярных направлениях и поступает на камеру поглощения 4 с парами щелочного металла, обеспечивая неравновесное распределение населенностей магнитных подуровней основного состояния атомов. Приемные фотодетекторы 5, 8 и 9 регистрируют степень прозрачности камеры поглощения 4 по сигналам радиооптического резонанса, индуцируемых в атомной среде действием СВЧ полей рупорных антенн 10, 11 и 12. Степень прозрачности камеры поглощения 4 модулируется одновременно тремя звуковыми частотами, на которые настроена схема обработки 2. Величина сигнала радиооптического резонанса, регистрируемого приемными фотодетекторами 5, 8 и 9 достигает максимального значения при совпадении частоты СВЧ поля в рупорных антеннах 10, 11 и 12 с резонансной частотой магнитодипольного перехода, определяемой энергетическим зазором атомных подуровней, который, в свою очередь, зависит от рабочего магнитного поля, создаваемого магнитной системой 1. Звуковые частоты модуляции частоты СВЧ поля рупорных антенн 10, 11 и 12 имеют различные значения, при этом на выходе приемных СВЧ фотодетекторов 5, 8 и 9 формируются сигналы переменного напряжения на всех трех частотах модуляции, которые, поступая в схему обработки 2, преобразуются в частотно модулированные СВЧ сигналы, питающие рупорные антенны 10, 11 и 12, СВЧ поле которых, в свою очередь, индуцирует магнитодипольные переходы в камере поглощения 4, изменяя ее степень прозрачности на звуковых частотах модуляции. Преобразователь частоты 6 определяет средневзвешенное значение частот СВЧ поля в рупорных антеннах 10, 11 и 12, величина которого не зависит от угла между направлением оптических трактов и вектором напряженности рабочего магнитного поля. Действительно, в соответствии с фиг. ориентационная зависимость частот сигналов радиооптического резонанса, фиксируемых приемными фотодетекторами 9, 5 и 8, будет иметь следующий вид:The pump light from the laser source 3 with the help of an optical splitter 7 is divided into three beams propagating in three mutually perpendicular directions and enters the absorption chamber 4 with alkali metal vapors, providing a nonequilibrium distribution of the populations of the magnetic sublevels of the ground state of atoms. Receiving photodetectors 5, 8 and 9 record the degree of transparency of absorption chamber 4 by radio-optical resonance signals induced in the atomic medium by the action of microwave fields of horn antennas 10, 11 and 12. The degree of transparency of absorption chamber 4 is modulated simultaneously by three sound frequencies for which processing circuit 2 is tuned The magnitude of the radio-optical resonance signal recorded by the receiving photodetectors 5, 8 and 9 reaches its maximum value when the frequency of the microwave field in the horn antennas 10, 11 and 12 coincides with the resonant frequency of the magnetic dipole transition, determined by the energy gap of the atomic sublevels, which, in turn, depends on the working magnetic field created by the magnetic system 1. The sound frequency modulation frequencies of the microwave field of the horn antennas 10, 11 and 12 have different values, while the output of the receiving microwave photodetectors 5, 8 and 9, alternating voltage signals are generated at all three modulation frequencies, which, entering the processing circuit 2, are converted into frequency-modulated microwave signals supplying the horn antennas 10, 11 and 12, the microwave field to which, in turn, induces magnetic dipole transitions in the absorption chamber 4, changing its degree of transparency at the modulation sound frequencies. The frequency converter 6 determines the weighted average frequency of the microwave field in the horn antennas 10, 11 and 12, the value of which does not depend on the angle between the direction of the optical paths and the vector of the working magnetic field strength. Indeed, in accordance with FIG. the orientation dependence of the frequencies of the radio-optical resonance signals detected by the receiving photodetectors 9, 5 and 8 will have the following form:

где ν₁, ν₂ и ν₃ - СВЧ частота поля соответствующих рупорных антенн 10, 11 и 12;where ν ₁ , ν ₂ and ν ₃ - microwave frequency field of the corresponding horn antennas 10, 11 and 12;

ν₀ - средневзвешенная частота СВЧ частот ν₁, ν₂ и ν₃;ν ₀ is the weighted average frequency of the microwave frequencies ν ₁ , ν ₂ and ν ₃ ;

α₁, α₂ и α₃ - максимальные приращения частоты СВЧ поля в соответствующих рупорных антеннах 10, 11, 12, связанные со световым сдвигом (в герцах), величина которого определяется интенсивностью и спектральным составом источника накачки;α ₁ , α ₂ and α ₃ are the maximum increments of the microwave frequency in the corresponding horn antennas 10, 11, 12, associated with the light shift (in hertz), the value of which is determined by the intensity and spectral composition of the pump source;

θ и φ - полярный и азимутальный углы, определяющие направление вектора напряженности магнитного поля в сферической системе координат, определяемой расположением оптических трактов дискриминатора.θ and φ are the polar and azimuthal angles that determine the direction of the magnetic field vector in a spherical coordinate system, determined by the location of the optical paths of the discriminator.

В идеальном случае равенства интенсивностей света накачки в оптических трактах квантового дискриминатора максимальные приращения частоты СВЧ поля в соответствующих рупорных антеннах 10, 11, 12, связанные со световым сдвигом, идентичны, что обеспечивает независимость суммы СВЧ частот рупорных антенн от углов θ и φ. На практике вследствие различия параметров элементов оптических трактов (например, приемных фотодетекторов) подобной идентичности не удается реализовать, поэтому степень компенсации ориентационной зависимости квантового дискриминатора при определении средневзвешенной СВЧ частоты рупорных антенн напрямую зависит от степени этого различия. Из литературных данных следует, что величина максимального приращения частоты СВЧ поля для лазерных источников накачки достигает значений порядка 100 Гц. Этим значениям соответствует относительная ориентационная погрешность принятого за прототип рубидиевого квантового дискриминатора при изменении угла θ на один градус 4·10^-14. В заявленном устройстве относительное расхождение максимальных приращений частоты СВЧ поля несложно обеспечить на уровне одного процента, что соответствует уменьшению относительной ориентационной погрешности дискриминатора до величины 4·10^-16, то есть на два порядка меньшего значения в сравнении с аналогами.In the ideal case of equality of pump light intensities in the optical paths of the quantum discriminator, the maximum microwave frequency frequency increments in the corresponding horn antennas 10, 11, 12 associated with the light shift are identical, which ensures that the sum of the microwave frequencies of the horn antennas is independent of the angles θ and φ. In practice, due to the difference in the parameters of the elements of the optical paths (for example, receiving photodetectors), such an identity cannot be realized, therefore, the degree of compensation of the orientation dependence of the quantum discriminator in determining the weighted average microwave frequency of the horn antennas directly depends on the degree of this difference. It follows from the literature that the maximum increment of the microwave field frequency for laser pump sources reaches values of the order of 100 Hz. These values correspond to the relative orientation error of the rubidium quantum discriminator adopted as the prototype when the angle θ is changed by one degree 4 · 10 ^-14 . In the claimed device, the relative discrepancy of the maximum increments in the frequency of the microwave field is not difficult to ensure at the level of one percent, which corresponds to a decrease in the relative orientation error of the discriminator to a value of 4 · 10 ^-16 , that is, two orders of magnitude smaller in comparison with analogues.

Claims

A quantum discriminator comprising a magnetic system, a processing circuit, and an optical path including a laser pump source located on the same axis, an absorption chamber with alkali metal vapors located in the magnetic system, and a receiving photodetector connected to the processing circuit, characterized in that a frequency converter is introduced connected to the processing circuit, an optical light separator is installed between the laser pump source and the absorption chamber with the formation of two additional pump sources, a reference point Situated on the absorption chamber in mutually perpendicular directions, two additional receiving photodetectors are installed after the absorption chamber, connected to the processing circuit and located opposite the corresponding additional pump sources so that two additional optical paths are formed, all optical paths being mutually perpendicular and have a common absorption chamber, Three horn antennas connected to the processing circuit are installed around the absorption chamber.