RU143081U1 - Квантовый стандарт частоты оптического и свч диапазонов - Google Patents

Abstract

Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов, содержащий диодный лазер, длина волны генерации которого предварительно устанавливается измерителем длин волн на резонансную D1 линию изотопа рубидия-87, выход которого после оптического затвора поступает на разделительное зеркало, первый оптический выход которого соединен со входом оптического модулятора мощности, выход которого имеет оптическую связь со входом рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом, с которой соединены первые блоки создания в ней магнитного поля и ее термостабилизации, а оптический выход рубидиевой-87 ячейки с буферным газом соединен с оптическим входом первого фотодетектора, выход которого соединен с первым входом третьей автоподстройки частоты, в состав которой входят первый избирательный усилитель, вход которого совмещен с первым входом третьей автоподстройки частоты, частота первого избирательного усилителя настроена на частоту первого низкочастотного генератора, первый синхронный детектор, первый вход которого совмещен с выходом первого избирательного усилителя, а второй вход совмещен со вторым входом третьей автоподстройки частоты, выход первого синхронного детектора имеет кабельную связь со входом первого операционного усилителя, выход которого совмещен с выходом третьей автоподстройки частоты, первый выход первого низкочастотного генератора совмещен со вторым входом третьей автоподстройки частоты, а второй выход первого низкочастотного генератора имеет кабельную связь с первым входом СВЧ генератора, выход третьей автоподстройки частоты имеет кабельную связь со вторым входом СВЧ генератора, первый выход кот�

Description

Предлагаемая полезная модель относится к разделу «Прикладная квантовая метрология», а именно, к устройствам для генерирования стабильных частот оптического и СВЧ диапазонов и предназначена для точного измерения частоты и времени.

Атомные стандарты частоты и времени, работающие по принципу двойного радиооптического резонанса в парах атомов щелочных металлов (чаще всего на цезии и рубидии), совершенствуются уже почти 50 лет. Вместо традиционно используемых ранее источников оптической накачки в виде безэлектродной спектральной лампы на парах, например, рубидия, в настоящее время большое практическое применение в качестве оптической накачки в квантовых стандартах частоты (КСЧ) нашли одночастотные перестраиваемые полупроводниковые лазеры (диодные лазеры). Применение их обусловлено целым рядом причин, среди которых главными являются их миниатюрность, простота управления излучением, высокая эффективность преобразования энергии накачки в когерентное излучение. Кроме того, при использовании диодного лазера в качестве источника накачки, в КСЧ исключается необходимость в СВЧ резонаторе, а вследствие этого отсутствует непосредственное воздействие СВЧ поля на ячейку с парами щелочного металла. Это новшество позволило использовать компактные диодные лазеры в качестве источника накачки, что, в совокупности, привело к снижению на порядок энергопотребление, вес, габариты и стоимость стандарта. В этом случае для облучения ячейки с парами щелочных металлов необходимо создать бихроматическое лазерное поле с разностью частот, равной частоте сверхтонкого перехода основного состояния атомов этого металла. Такое лазерное поле может быть создано, например, частотной модуляцией излучения одного диодного лазера или при помощи излучения двух диодных лазеров, разница частот которых соответствует резонансной линии расщепления основного состояния атомов. Отметим, что при использовании двух диодных лазеров для получения бихроматического излучения частоты генерации этих диодных лазеров должны быть между собой коррелированны, в противном случае резонанс может быть «размытым». Использование в ячейке поглощения буферного газа наряду с парами щелочных атомов позволяет увеличить время взаимодействия атомов с оптическим полем и при изменении разностной частоты двух оптических полей бихроматического лазерного излучения регистрировать резонансы с ширинами менее 50 Гц.

Известен КСЧ оптического и СВЧ диапазонов (Patent No: US 6,265,945, Date of Patent: Jul. 24, 2001), содержащий диодный лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки. С ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации данной ячейки. Оптический выход диодного лазера также соединен с оптическим входом первого, контролирующего интенсивность излучения диодного лазера фотодетектора. Электрический выход этого фотодетектора соединен со входом первого блока аналого-цифрового преобразователя микроконтроллера. Первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со вторым блоком аналого-цифрового преобразования микроконтроллера. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом третьего фотодетектора, контролирующего интенсивность флюоресценции. Электрический выход данного фотодетектора соединен с третьим блоком аналого-цифрового преобразования микроконтроллера. Микроконтроллер обеспечивает цифровую обработку сигналов схемы и выработку сигналов управления, посредством трех цифроаналоговых преобразователей, для подсоединенных к его выходам трех блоков схемы, и управление блоком температурной стабилизации диодного лазера. Два выхода соединены со входами СВЧ генератора и предназначены для управления частотой и индексом модуляции выходного сигнала СВЧ генератора. Третий цифроаналоговый выход микроконтроллера соединен с первым входом блока источника питания диодного лазера для управления оптической частотой диодного лазера, посредством обработки микроконтроллером сигнала с фотодетектора, контролирующего интенсивность флюоресценции. Выход СВЧ генератора соединен со вторым входом блока источника питания диодного лазера. Выход источника питания соединен с электрическим входом диодного лазера.

Однако, в указанном КСЧ используется детектирование полезного сигнала по сигналу флюоресценции и, следовательно, подстройка оптической частоты диодного лазера в оптический резонанс по однородному спектральному контуру группы атомов в ячейке. Также отсутствуют меры по устранению полевого сдвига, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала и, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.

Кроме того, известен КСЧ оптического и СВЧ диапазонов (Patent No: US 6,320,472 B1, Date of Patent: Nov.20, 2001), являющийся прототипом предлагаемого изобретения и содержащий диодный лазер, оптический выход которого соединен через четвертьволновую пластинку с оптическим входом ячейки, содержащей смесь паров рубидия-87 и буферного газа. С ячейкой также соединены блоки создания магнитного поля в ячейке и термостабилизации данной ячейки. Первый оптический выход ячейки соединен с оптическим входом первого фотодетектора, связанного с первым избирательным усилителем для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход первого избирательного усилителя соединен со входом первого синхронного детектора. Второй вход первого синхронного детектора соединен с первым выходом модулятора {первый низкочастотный генератор). Выход первого синхронного детектора соединен с блоком формирования управляющего сигнала СВЧ генератором (первый операционный усилитель). Второй выход модулятора (первый низкочастотный генератор) совмещен с первым входом СВЧ генератора. Выход блока формирования управляющего сигнала СВЧ генератора (первый операционный усилитель) соединен со вторым входом СВЧ генератора. Первый выход СВЧ генератора соединен с диодным лазером. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом второго фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала флюоресценции из ячейки. Электрический выход второго фотодетектора соединен со входом второго синхронного детектора. Второй синхронный детектор вырабатывает сигнал, пропорциональный сигналу поправки оптической частоты к линии оптического резонанса в схеме КПН (когерентного пленения населенности) в пределах однородного контура резонансной линии. Второй вход второго синхронного детектора соединен с выходом второго модулятора. Также с выходом второго модулятора соединен блок формирования управляющего сигнала оптической частотой диодного лазера для его источника питания. Выход этого блока соединен со вторым управляющим входом источника питания диодного лазера. Выход источника питания, который обеспечивает модуляцию излучения диодного лазера, а также управление его оптической частотой, соединен с электрическим входом диодного лазера.

Однако в указанном устройстве стабилизация оптической частоты диодного лазера, соответствующей частоте перехода с возбужденного уровня P на основной уровень S щелочного металла, осуществляется модулированием на низкой частоте постоянной составляющей тока накачки i₀ диодного лазера, соответствующей центру пика флюоресценции. В нем используется модуляция сигнала управления, обеспечиваемая вторым модулятором с частотой 7 Гц. Если составляющая тока источника накачки точно не соответствует i₀, то сигнал флюоресценции, преобразованный вторым фотодетектором, на выходе будет промодулирован прямоугольными импульсами. Если составляющая тока источника накачки точно соответствует i₀, то сигнал флюоресценции, преобразованный вторым фотодетектором, на выходе будет постоянным. Прямое обнаружение посредством синхронного детектора и формирователя сигнала управления источника тока обеспечивает сигнал, пропорциональный сигналу отстройки составляющей тока накачки от i₀, и этот сигнал может использоваться для стабилизации оптической частоты диодного лазера к максимуму флюоресценции. В данной цепи обратной связи составляющая тока накачки лазера никогда не стабилизирована к i₀, и, соответственно, сигнал не находится в центре контура флюоресценции. Величина модуляции, однако, не сильно меняется для получения не слишком сильных отстроек оптической частоты диодного лазера по сравнению с шириной оптического резонанса. То есть используется подстройка оптической частоты диодного лазера по однородному спектральному контуру группы атомов в ячейке, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала, отсутствие компенсации или уменьшения полевого сдвига, и, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, а значит меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.

Задачей предлагаемой заявки на полезную модель является увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ в оптическом и СВЧ диапазонах.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в КСЧ оптического и СВЧ диапазонов, содержащий диодный лазер, длина волны генерации которого предварительно устанавливается с помощью измерителя длин волн на резонансную линию D1 изотопа рубидия-87, выход диодного лазера после оптического затвора имеет оптическую связь с разделительным зеркалом. Первый оптический выход диодного лазера соединен со входом оптического модулятора мощности, выход которого имеет оптическую связь со входом ячейки, заполненной смесью рубидия-87 и буферного газа. С ячейкой также соединены первые блоки создания в ней магнитного поля и ее термостабилизации. Оптический выход рубидиевой-87 ячейки с буферным газом, соединен с оптическим входом первого фотодетектора. Электрический выход первого фотодетектора соединен с первым входом третьей автоподстройки частоты (АПЧ-3), в состав которой входят первый избирательный усилитель, настроенный на частоту первого низкочастотного (НЧ) генератора, вход первого избирательного усилителя совмещен с первым входом АПЧ-3, первый синхронный детектор, первый вход которого совмещен с выходом первого избирательного усилителя, а второй вход совмещен со вторым входом АПЧ-3. Выход первого синхронного детектора имеет кабельную связь со входом первого операционного усилителя, выход которого совмещен с выходом АПЧ-3. Первый выход первого НЧ генератора совмещен со вторым входом АПЧ-3, а второй выход первого НЧ генератора имеет кабельную связь с первым входом СВЧ генератора. Выход АПЧ-3 имеет кабельную связь со вторым входом СВЧ генератора. Первый выход СВЧ генератора имеет кабельную связь с диодным лазером. Второй выход СВЧ генератора имеет кабельную связь с частотным детектором, выход которого имеет кабельную связь с первым входом первой автоподстройкой частоты (АПЧ-1), в состав которой входят третий избирательный усилитель, настроенный на частоту второго низкочастотного (НЧ) генератора, вход третьего избирательного усилителя совмещен с первым входом АПЧ-1, третий синхронный детектор, первый вход которого совмещен с выходом третьего избирательного усилителя, а второй вход совмещен со вторым входом АПЧ-1, выход третьего синхронного детектора имеет кабельную связь со входом третьего операционного усилителя, выход которого совмещен с выходом АПЧ-1. Первый выход второго НЧ генератора совмещен со вторым входом АПЧ-1, а второй выход второго НЧ генератора имеет кабельную связь с оптическим модулятором мощности. Выход АПЧ-1 имеет кабельную связь с третьим входом АПЧ-2. Второй оптический выход диодного лазера после разделительного и поворотного зеркал соединен с оптическим входом ячейки, заполненной рубидием-87 без буферного газа, с которой соединены вторые блоки создания в ней магнитного поля и ее термостабилизации. Выход рубидиевой-87 ячейки без буферного газа имеет оптическую связь со входом второго фотодетектора, электрический выход которого соединен с первым входом второй автоподстройки частоты (АПЧ-2), в состав которого входят второй избирательный усилитель, вход которого совмещен с первым входом АПЧ-2 и настроен на частоту высокочастотного (ВЧ) генератора, второй синхронный детектор, первый вход которого совмещен с выходом второго избирательного усилителя, а второй вход - со вторым входом АПЧ-2. Выход второго синхронного детектора имеет кабельную связь со входом второго операционного усилителя, вход которого также совмещен с третьим входом АПЧ-2. Выход второго операционного усилителя совмещен с выходом АПЧ-2. Первый выход ВЧ генератора совмещен со вторым входом АПЧ-2, а второй выход ВЧ генератора совмещен со входом диодного лазера. Выход АПЧ-2 имеет кабельную связь с оптическим резонатором диодного лазера.

На чертеже приведена структурная схема предложенного квантового стандарта частоты оптического и СВЧ диапазонов.

Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов содержит: 1 - частотный детектор; 2 - СВЧ генератор; 3 - первый низкочастотный (НЧ) генератор; 4 - третья авто подстройка частоты (АПЧ-3), в состав которой входят первый избирательный усилитель, первый синхронный детектор, первый операционный усилитель; 5 - первая автоподстройка частоты (АПЧ-1) в состав которой входят третий избирательный усилитель, третий синхронный детектор, трерий операционный усилитель; 6 - измеритель длин волн (ИДВ); 7 - первый блок создания магнитного поля в рубидиевой-87 ячейке; 8 первый блок термостабилизации рубидиевой-87 ячейки; 9 - дифракционная решетка с пьезокерамикой; 10 - оптический затвор; 11 - разделительное зеркало; 12 - оптический модулятор мощности: 13 - рубидиевая-87 ячейка с буферным газом; 14 - фотодетектор; 15 - второй низкочастотный (НЧ) генератор; 16 - второй блок создания магнитного поля в рубидиевой-87 ячейке; 17 - второй блок термостабилизации рубидиевой-87 ячейки; 18 - диодный лазер; 19 - поворотное зеркало с пьезокерамикой; 20 - фотодетектор; 21 - поворотное зеркало; 22 - рубидиевая-87 ячейка без буферного газа; 23 - плотное поворотное зеркало; 24 - высокочастотный (ВЧ) генератор; 25 - вторая автоподстройка частоты (АПЧ-2) в состав которой входят второй избирательный усилитель, второй синхронный детектор, второй операционный усилитель.

Частотный детектор 1 имеет кабельную связь с СВЧ генератором 2 и с первой автоподстройкой частоты 5 (АПЧ-1); СВЧ генератор 2 имеет кабельную связь с частотным детектором 1, с третьей автоподстройкой частоты 4 (АПЧ-3), с первым низкочастотным (НЧ) генератором 3 и с диодным лазером 18; первый низкочастотный (НЧ) генератор 3 имеет кабельную связь с СВЧ генератором 2 и с третьей автоподстройкой частоты 4 (АПЧ-3); третья автоподстройка частоты 4 (АПЧ-3) имеет кабельную связь с СВЧ генератором 2, с первым низкочастотным (НЧ) генератором 3 и с фотодетектором 14; первая автоподстройка частоты 5 (АПЧ-1) имеет кабельную связь с частотным детектором 1, со вторым низкочастотным (НЧ) генератором 15 и со второй автоподстройкой частоты 25 (АПЧ-2); измеритель длин волн 6 (ИДВ) имеет оптическую и кабельную связь с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9; первый блок 7 создания магнитного поля ячейке с рубидием-87 13 имеет кабельную связь с ячейкой с рубидием-87 и буферным газом 13; первый блок 8 термостабилизации ячейке с рубидием-87 13 имеет кабельную связь с ячейкой с рубидием-87 и буферным газом 13; дифракционная решетка с пьезокерамикой 9 имеет оптическую связь с измерителем длин волн 6 (ИДВ), с оптическим затвором 10 и с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 19, а кабельную связь с измерителем длин волн 6 (ИДВ); оптический затвор 10 имеет оптическую связь с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9 и с разделительным зеркалом 11; разделительное зеркало 11 имеет оптическую связь с поворотным зеркалом 21, с оптическим затвором 10 и с оптическим модулятором мощности 12; оптический модулятор мощности 12 имеет оптическую связь с разделительным зеркалом 11 и с ячейкой с рубидием-87 и буферным газом 13, а кабельную связь со вторым низкочастотным (НЧ) генератором 15; ячейка с рубидием-87 и буферным газом 13 имеет оптическую связь с оптическим модулятором мощности 12 и с фотодетектором 14, а кабельную связь с первым блоком 7 создания магнитного поля в ячейке с рубидием-87 13 и с первым блоком 8 термостабилизации ячейки с рубидием-87 13; фотодетектор 14 имеет оптическую связь с ячейкой с рубидием-87 и буферным газом 13, а кабельную связь с третьей автоподстройкой частоты 4 (АПЧ-3); второй низкочастотный (НЧ) генератор 15 имеет кабельную связь с оптическим модулятором мощности 12 и с первой автоподстройкой частоты 5 (АПЧ-1); второй блок 16 создания магнитного поля в ячейке с рубидием-87 22 имеет кабельную связь с ячейкой с рубидием-87 без буферного газа 22; второй блок 17 термостабилизации ячейки с рубидием-87 22 имеет кабельную связь с ячейкой с рубидием-87 без буферного газа 22; диодный лазер 18 имеет кабельную связь с СВЧ генератором 2, и с высокочастотным (ВЧ) генератором 24, а оптическую связь с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 19; поворотное зеркало с пьезокерамикой 19 имеет кабельную связь со второй автоподстройкой частоты 25 (АПЧ-2), а оптическую связь с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9 и с диодным лазером 18; фотодетектор 20 имеет кабельную связь со второй а вто подстрой кой частоты 25 (АПЧ-2), а оптическую связь с поворотным зеркалом 21; поворотное зеркало 21 имеет оптическую связь с ячейкой с рубидием-87 без буферного газа 22, с разделительным зеркалом 9 и с фотодетектором 20; ячейка с рубидием-87 без буферного газа 22 имеет оптическую связь с поворотным зеркалом 21 и с плотным поворотным зеркалом 23, а кабельную связь со вторым блоком 16 создания магнитного поля в ячейке с рубидием-87 22, со вторым блоком 17 термостабилизации ячейки с рубидием-87 22; плотное поворотное зеркало 23 имеет оптическую связь с ячейкой с рубидием-87 без буферного газа 22; высокочастотный (ВЧ) генератор 24 имеет кабельную связь с диодным лазером 18 и со второй автоподстройкой частоты 25 (АПЧ-2); вторая автоподстройка частоты 25 (АПЧ-2) имеет кабельную связь с высокочастотным (ВЧ) генератором 24, с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 19, с фотодетектором 20 и с первой автоподстройкой частоты 5 (АПЧ-1).

Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов работает следующим образом.

Принцип построения КСЧ основан на стабилизации частот излучения диодного лазера по атомной линии щелочного металла. Дискриминаторами частот являются: для СВЧ стандарта - резонанс когерентного пленения населенностей (КПН-резонанс), а для оптического - узкий нелинейный резонанс в центре доплеровской уширенной линии поглощения. В качестве щелочного металла используется изотоп рубидия-87 со своей спектральной линией D1, на основе которой создаются резонансы для частот оптического и СВЧ диапазонов с использованием сверхтонкого перехода 5S_1/2F2-5S_1/2F1 основного состояния этой линии (λ≈795 нм). Рубидиевые-87 ячейки 13 и 22 соединены с блоками создания магнитного поля в них и блоками их термостабилизации. Источником накачки рубидиевых ячеек 13 и 22 является бихроматическое излучение диодного лазера 18 на λ≈795 нм, работающего с внешним резонатором. В качестве внешнего зеркала оптического резонатора диодного лазера 18 используется дифракционная решетка 9, укрепленная на пьезокерамическом преобразователе и установленная по автоколлимационной схеме Литтрова, обеспечивающая обратную связь в оптическом резонаторе диодного лазера. Пьезокерамический преобразователь необходим для точной установки угла отражения дифракционной решетки с целью получения генерации на нужной длине волны. Бихроматическое лазерное излучение получается модуляцией тока инжекции диодного лазера 18 при помощи СВЧ генератора 2. Взаимодействующие с рубидиевой-87 ячейкой световые волны поглощения должны иметь разность оптических частот равной частоте сверхтонкого перехода 5S_1/2F2-5S_1/2F1 основного состояния D1 линии рубидия-87 (λ=795 нм). В этом случае в рубидиевой-87 ячейке возникает когерентная не поглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание ее растет. Этот эффект называют когерентным пленением населенностей (КПН-резонанс), или лямбда-резонансом.

Явление КПН-резонанса в ячейке поглощения возникает, начиная с определенной интенсивности двух взаимодействующих световых волн с разностью оптических частот равной частоте сверхтонкого перехода 5S_1/2F2-5S_1/2F1 (6,835 ГГц) основного состояния D1 линии рубидия-87 на λ=795 нм. Чем больше интенсивность этих световых волн при обязательном выполнении частотного условия, тем выше контрастность провала в спектре флуоресценции. Однако отметим, что при высокой интенсивности световых волн и когда верхние уровни резонансных D1 линий рубидия-87 на λ=795 нм не совпадают с центром ширины линии оптического резонанса, наблюдается полевой сдвиг частоты центра КПН-резонанса (оптический эффект Штарка), который влияет на стабильность и воспроизводимость частоты стандарта. При оптимальном значении рабочего давления в ячейке с парами рубидия-87 и буферного газа (10÷15) торр ширина линии оптического резонанса может составлять (500÷700) МГц, что делает возможным использования многочастотных лазеров в качестве оптической накачки, о чем будет сказано ниже. Очевидно, для уменьшения полевого сдвига необходимо использовать, во-первых, низкую интенсивность лазерного излучения (2÷5) мВт и, во-вторых, привязку оптических частот к центру линий поглощения. Все это определяет необходимость использования трехконтурной системы стабилизации частоты: первый контур стабилизирует оптические частоты генерации диодного лазера по центру однородной ширины линий поглощения, второй контур стабилизации осуществляет привязку разностной частоты оптических полей к частоте часового перехода (центр КПН-резонанса), третье кольцо стабилизации осуществляет точную привязку частоты СВЧ генератора к центру КПН-резонанса, используя оптический эффект Штарка. Поле облучения рубидиевых-87 ячеек 13 и 22 создается бихроматическим лазерным излучением, получаемым модуляцией тока инжекции диодного лазера 18 при помощи СВЧ генератора с управляемой частотой 2. Эффективная СВЧ модуляция излучения диодного лазера 18 достигается при согласовании межмодовой частоты лазера с частотой модуляции [см.журнал "Квантовая электроника", 26, №2, (1999), С.109-113]. Для этого необходимая длина оптического резонатора достигается перемещением поворотного зеркала 19 «грубо» - микровинтом (на чертеже микровинт не указан), либо «точно» - пьезокерамикой. При СВЧ модуляции тока инжекции в спектре излучения лазера появляются боковые гармоники, т.е. создается бихроматическое лазерное поле. Когда расстояние между этими первыми гармониками равно частоте сверхвысокочастотного (СВЧ) резонанса (частота расщепления основного состояния атома щелочного металла), возникает когерентная непоглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание ячейки растет. Этот эффект, как отмечалось выше, называют когерентным пленением населенностей (КПН-резонанс). Для получения спектральных составляющих в оптическом излучении, отстоящих друг от друга на 6,8 ГГц, что соответствует частоте часового перехода (сверхтонкий переход 5S_1/2F2-5S_1/2F1 основного состояния) изотопа рубидия-87, на диодный лазер 18 от СВЧ генератора 2 подается электрический сигнал с частотой 3,4 ГГц. В этом случае частота часового перехода будет соответствовать разности частот между боковыми компонентами, отстоящими от несущей на 3,4 ГГц. Несущая частота диодного лазера 18 (длина волны генерации) предварительно устанавливается и контролируется с помощью измерителя длин волн 6 (ИДВ) и она должна быть равна средней величине между оптическими частотами на резонансных переходах 5P_1/2F2-5S_1/2F2 и 5P_1/2F2-5S_1/2F1 на λ=795 нм с погрешностью не менее 0,1 ГГц, что позволяет устанавливать боковые компоненты спектра на частотах 3,4 ГГц вблизи центров доплеровских уширенных оптических линий поглощения рубидия. Частотно-модулированное излучение диодного лазера 18, проходя оптический затвор 10, поступает на разделительное зеркало 11. Часть излучения лазера поступает на оптический модулятор мощности 12, с выхода которого излучение поступает на ячейку 13 с парами рубидия-87 и буферного газа и регистрируется фотодетектором 14, с выхода которого электрический сигнал поступает на третью автоподстройку частоты 4 (АПЧ-3). В состав АПЧ-3 входят первый избирательный усилитель, настроенный на частоту первого низкочастотного генератора 3, вход которого совмещен с первым входом АПЧ-3, первый синхронный детектор, первый вход которого совмещен с выходом первого избирательного усилителя, а второй вход совмещен со вторым входом АПЧ-3, выход первого синхронного детектора имеет кабельную связь со входом первого операционного усилителя, выход которого совмещен с выходом АПЧ-3. Первый выход первого низкочастотного (НЧ) генератора 3 совмещен со вторым входом АПЧ-3, а второй выход первого НЧ генератора 3 имеет кабельную связь с первым входом СВЧ генератора 2. Выход АПЧ-3 имеет кабельную связь со вторым входом СВЧ генератора 2. Первый выход СВЧ генератора имеет кабельную связь с диодным лазером 18. В режиме стабилизации модуляционным методом на центр КПН-резонанса сигнал с выхода АПЧ-3 управляет частотой СВЧ генератора 2 таким образом, чтобы СВЧ частота модуляции излучения диодного лазера 18, близкая к значению 3,4 ГГц, соответствовала максимуму КПН-резонанса. Удвоенная модулирующая частота СВЧ генератора 2 соответствует в первом приближении частоте сверхтонкого перехода основного состояния D1 линии рубидия-87. Таким образом, осуществляется стабилизация частоты СВЧ генератора 2 при помощи АПЧ-3 путем привязки разностной частоты бихроматического лазерного излучения к частоте часового перехода рубидия-87. Другая часть излучения диодного лазера 18 через разделительное и поворотное зеркала 11 и 21 поступает на ячейку 22, заполненная рубидием-87 без буферного газа. Эта ячейка предназначена для получения узкого нелинейного резонанса в центре доплеровской уширенной линии поглощения для каждой спектральной составляющей частотно-модулированного излучения диодного лазера 18 и стабилизации их по полученным узким резонансам. Здесь используется эффект взаимодействия излучения диодного лазера с атомами ячейки 22 при наличии в ней бегущей (сильной) волны и встречной (слабой) волны диодного лазера 18 [B.C. Летохов, В.П. Чеботаев «Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения», М., Наука, 1990 г., С.25-50]. Если частота падающей (сильной) волны, поступающей от зеркала 21 на ячейку 22, соответствует центру доплеровской уширенной линии поглощения, т.е. световая волна взаимодействует с атомами, проекция скоростей которых вдоль световой волны равна нулю, встречная (слабая) волна, создаваемая плотным зеркалом 23, естественно обладая той же частотой, что и падающая, взаимодействует с теми же атомами, поглощение волны которых уменьшено падающей (сильной) волной. В результате поглощение пробной (слабой) волны имеет резонансный минимум с шириной, равной однородной ширине и расположенной точно в центре доплеровской уширенной линии поглощения. Это излучение регистрируется фотодетектором 20. Для привязки оптических компонент спектра к линиям поглощения и одновременно создания гребенки частот используется высокочастотная модуляция излучения лазера 18 с помощью высокочастотного (ВЧ) генератора 24. При таком спектре излучения диодного лазера, вклад в КПН-резонанс одновременно могут вносить несколько пар генерируемых частот, находящихся в пределах однородной ширины спектральных компонент. В общем случае, частотные сдвиги резонанса, вызванные несколькими парами генерируемых частот, могут иметь различные знаки относительно центра оптического резонанса. Благодаря этому усреднение частотного сдвига резонанса по всему эффективному спектру излучения приводит к уменьшению результирующего светового сдвига, что является положительным фактором при использовании излучения многочастотного лазера для получения КПН-резонанса в рубидиевой ячейке. Сигнал с выхода фотодетектора 20 поступает на вход второй автоподстройки частоты 25 (АПЧ-2), состоящий из второго избирательного усилителя, настроенного на частоту ВЧ генератора 24, второго синхронного детектора и второго операционного усилителя, выход которого совпадает с выходом АПЧ-2. На АПЧ-2 так же поступает напряжение от высокочастотного (ВЧ) генератора 24 в качестве опорного напряжения для второго синхронного детектора. С другого выхода ВЧ генератора 24 напряжение поступает на диодный лазер 18, осуществляя ВЧ модуляцию на спектральных компонентах излучения диодного лазера 18 в пределах их однородной ширины. Электрический сигнал с выхода АПЧ-2 поступает на поворотное зеркало с пьезокерамическим преобразователем 19, перемещение которого меняет длину оптического резонатора диодного лазера 18, т.е. меняется межмодовая частота резонатора диодного лазера и, следовательно, его несущая частота. Это позволяет настраивать боковые компоненты частот модулированного излучения диодного лазера 18 при помощи АПЧ-2 на центры узких нелинейных резонансов.

Лазерное излучение влияет на сдвиг переходов резонансных линий - так называемый полевой сдвиг. Сдвиг вызван оптическим эффектом Штарка, который пропорционален интенсивности лазерного излучения. По этой причине появляется смещение частоты в КПН-резонансе, по которому ведется подстройка и стабилизация частоты СВЧ генератора 2, модулирующего частоту излучения диодного лазера 18. Это смещение наблюдается на переходах спектральных линий, имеющих отстройку частоты относительно центра оптического резонанса. В общем случае зависимость сдвига частоты СВЧ-резонанса от интенсивности бихроматического лазерного поля имеет нелинейный характер. Для регистрации этого сдвига частоты лазерное излучение, поступающее на вход ячейки 13, заполненной смесью рубидия-87 и буферного газа, модулируется по интенсивности оптическим модулятором мощности 12 при помощи второго низкочастотного (НЧ) генератора 15. Если резонансные частоты диодного лазера 18 имеют отстройку относительно центра оптического резонанса, то при изменении интенсивности лазерного излучения с частотой второго НЧ генератора 15, поступающей на вход рубидиевой-87 ячейки с буферным газом 13, происходит смещение максимума КПН-резонанса на частоте второго НЧ генератора 15. В этом случае частота СВЧ генератора 2, стабилизированная по КПН-резонансу, так же меняется с частотой модуляции интенсивности диодного лазера 18 с амплитудой, пропорциональной величине отстройки резонансных частот диодного лазера 18 относительно центра оптического резонанса. Напряжение со второго выхода СВЧ генератора поступает на вход частотного детектора 1 (ЧД), на котором выделяется электрический сигнал на частоте второго НЧ генератора 15 с амплитудой, пропорциональной величине изменения частоты СВЧ генератора 2. Этот сигнал поступает на вход первой автоподстройки частоты 5 (АПЧ-1), состоящий из третьего избирательного усилителя, настроенного на частоту второго НЧ генератора 15, из третьего синхронного детектора и третьего операционного усилителя. На АПЧ-1 в качестве опорного напряжения для третьего синхронного детектора поступает напряжение от второго НЧ генератора 15. Выход АПЧ-1 соединен со входом второй автоподстройки частоты 25 (АПЧ-2), в которой выходной сигнал третьего операционного усилителя АПЧ-1 коммутируется со входом второго операционного усилителя АПЧ-2. Результирующее напряжение с выхода второго операционного усилителя (выход АПЧ-2) поступает на поворотное зеркало с пьезокерамическим преобразователем 19, перемещение которого меняет длину оптического резонатора диодного лазера 18, обеспечивая точную настройку боковых компонент частот модулированного излучения диодного лазера 18 на центры узких нелинейных резонансов. Такая настройка на центры узких нелинейных резонансов спектральных компонент излучения диодного лазера 18 обеспечивает высокие параметры оптических и СВЧ дискриминаторов, приводящие к увеличению стабильности частот на выходе КСЧ оптического и СВЧ диапазонов.

Таким образом, предлагаемый КСЧ оптического и СВЧ диапазонов позволяет увеличить стабильность частоты на его выходе в оптическом и СВЧ диапазонах.

Claims (1)

1. Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов, содержащий диодный лазер, длина волны генерации которого предварительно устанавливается измерителем длин волн на резонансную D1 линию изотопа рубидия-87, выход которого после оптического затвора поступает на разделительное зеркало, первый оптический выход которого соединен со входом оптического модулятора мощности, выход которого имеет оптическую связь со входом рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом, с которой соединены первые блоки создания в ней магнитного поля и ее термостабилизации, а оптический выход рубидиевой-87 ячейки с буферным газом соединен с оптическим входом первого фотодетектора, выход которого соединен с первым входом третьей автоподстройки частоты, в состав которой входят первый избирательный усилитель, вход которого совмещен с первым входом третьей автоподстройки частоты, частота первого избирательного усилителя настроена на частоту первого низкочастотного генератора, первый синхронный детектор, первый вход которого совмещен с выходом первого избирательного усилителя, а второй вход совмещен со вторым входом третьей автоподстройки частоты, выход первого синхронного детектора имеет кабельную связь со входом первого операционного усилителя, выход которого совмещен с выходом третьей автоподстройки частоты, первый выход первого низкочастотного генератора совмещен со вторым входом третьей автоподстройки частоты, а второй выход первого низкочастотного генератора имеет кабельную связь с первым входом СВЧ генератора, выход третьей автоподстройки частоты имеет кабельную связь со вторым входом СВЧ генератора, первый выход которого имеет кабельную связь с диодным лазером, отличающийся тем, что в него введены дополнительно высокочастотный генератор, оптический модулятор мощности, второй низкочастотный генератор, второй фотодетектор, первая автоподстройка частоты, вторая автоподстройка частоты, частотный детектор, вход которого имеет кабельную связь со вторым выходом СВЧ генератора, а выход частотного детектора связан с первым входом первой автоподстройки частоты, в состав которой входят третий избирательный усилитель, настроенный на частоту второго низкочастотного генератора, вход третьего избирательного усилителя совмещен с первым входом первой автоподстройки частоты, третий синхронный детектор, первый вход которого совмещен с выходом третьего избирательного усилителя, а второй вход совмещен со вторым входом первой автоподстройки частоты, выход третьего синхронного детектора имеет кабельную связь со входом третьего операционного усилителя, выход которого совмещен с выходом первой автоподстройки частоты, первый выход второго низкочастотного генератора совмещен со вторым входом первой автоподстройки частоты, а второй выход второго низкочастотного генератора имеет кабельную связь с оптическим модулятором мощности, рубидиевая-87 ячейка без буферного газа, с которой соединены вторые блоки создания в ней магнитного поля и ее термостабилизации, при этом второй оптический выход диодного лазера после разделительного и поворотного зеркал соединен с оптическим входом рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа, выход которой имеет оптическую связь со входом второго фотодетектора, электрический выход которого соединен с первым входом второй автоподстройки частоты, в состав которой входят второй избирательный усилитель, частота которого настроена на частоту высокочастотного генератора, вход второго избирательного усилителя совмещен с первым входом второй автоподстройки частоты, второй синхронный детектор, первый вход которого совмещен с выходом второго избирательного усилителя, а второй вход совмещен со вторым входом второй автоподстройки частоты, который имеет кабельную связь с первым выходом высокочастотного генератора, а его второй выход имеет кабельную связь с диодным лазером, выход второго синхронного детектора имеет кабельную связь со входом второго операционного усилителя, вход которого также совмещен с третьим входом второй автоподстройки частоты, который имеет кабельную связь с выходом первой автоподстройки частоты, выход второго операционного усилителя совмещен с выходом второй автоподстройки частоты, имеющий кабельную связь с оптическим резонатором диодного лазера.