RU143824U1

RU143824U1 - QUANTUM STANDARD OF FREQUENCY OF THE OPTICAL AND MICROWAVE RANGE

Info

Publication number: RU143824U1
Application number: RU2013135788/08U
Authority: RU
Inventors: Камил Абдуллович Бикмухаметов; Николай Николаевич Головин; Александр Капитонович Дмитриев
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2014-07-27

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 поступает на поворотные зеркала, первый оптический выход диодного лазера соединен с оптическим входом рубидиевой-87 ячейки с буферным газом, с которой соединены первые блоки создания магнитного поля в ней и ее термостабилизации, причем оптический выход рубидиевой-87 ячейки с буферным газом соединен с оптическим входом первого фотодетектора и электрический выход первого фотодетектора соединен со входом первого избирательного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора, со вторым входом которого соединен первый выход низкочастотного генератора, второй выход низкочастотного генератора соединен со входом СВЧ генератора с управляемой частотой, выход первого синхронного детектора соединен со входом первого операционного усилителя, выход которого имеет кабельную связь со входом управляемого СВЧ генератора, имеющего кабельную связь со входом диодного лазера, отличающийся тем, что в него дополнительно введены второй фотодетектор, второй избирательный усилитель, второй синхронный детектор, высокочастотный генератор, второй операционный усилитель, рубидиевая-87 ячейка без буферного газа, с которой соединены вторые блоки создания магнитного поля в ней и ее термостабилизации, при этом второй оптический выход диодного лазера после поворотных зеркал соединен с оптическим входом рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа, выход которой имеет оптическую A quantum frequency standard for the optical and microwave ranges, containing a diode laser, the generation wavelength of which is pre-set by the wavelength meter to the resonance D1 line of the rubidium-87 isotope, the output of which is fed to rotary mirrors, the first optical output of the diode laser is connected to the optical input of the rubidium-87 cell with a buffer gas, to which the first blocks of creating a magnetic field in it and its thermal stabilization are connected, and the optical output of a rubidium-87 cell with a buffer gas is connected to the optical input ohm of the first photodetector and the electrical output of the first photodetector is connected to the input of the first selective amplifier, the output of which is connected to the first input of the first synchronous detector, with the second input of which the first output of the low-frequency generator is connected, the second output of the low-frequency generator is connected to the input of the microwave generator with a controlled frequency, the output of the first the synchronous detector is connected to the input of the first operational amplifier, the output of which has a cable connection with the input of a controlled microwave generator, I have cable communication with the input of the diode laser, characterized in that it additionally includes a second photodetector, a second selective amplifier, a second synchronous detector, a high-frequency generator, a second operational amplifier, a rubidium-87 cell without buffer gas, to which the second blocks for creating a magnetic field are connected in it and its thermal stabilization, while the second optical output of the diode laser after the rotary mirrors is connected to the optical input of a rubidium-87 cell without a buffer gas, the output of which has an optical

Description

Предлагаемая заявка на полезную модель относится к разделу «Прикладная квантовая метрология», а именно, к устройствам для генерирования стабильных частот оптического и СВЧ диапазонов и предназначено для точного измерения частоты и времени.The proposed application for a utility model relates to the "Applied Quantum Metrology" section, namely, to devices for generating stable frequencies in the optical and microwave ranges and is intended for accurate measurement of frequency and time.

Разработка квантовых стандартов частоты (КСЧ) является важнейшим направлением в измерительной технике, так как они нашли широкое применение во многих областях. Среди КСЧ на парах атомов щелочных металлов наиболее массовыми являются рубидиевые стандарты частоты (РСЧ) [см. Григорьянц В.В., Жаботинский М.Е., Золин В.Ф., Квантовые стандарты частоты, с.171-194, М., 1968.], в которых на протяжении многих лет в качестве источника оптической накачки рубидиевой ячейки используется без электродная спектральная лампа с парами ⁸⁷Rb. Оптическое излучение этого источника взаимодействует с линиями D₁ и D₂ рубидия-87, меняя населенность уровней сверхтонкой структуры основного состояния. Если в дополнение к свету накачки подействовать одновременно на атомы рубидия резонансным на частоте часового перехода СВЧ электромагнитным излучением, то оно будет стремиться выровнять населенности, что приведет к увеличению поглощения света накачки и уменьшению его интенсивности на выходе рубидиевой ячейки. На основе этого двойного радиооптического резонанса создается квантовый дискриминатор, являющийся основой квантовых стандартов частоты в том числе и рубидиевых. В квантовом стандарте частоты на парах щелочных металлов зондирующее СВЧ поле, создающее частотный репер (квантовый дискриминатор), непосредственно взаимодействует с рабочими атомами в ячейке, находящаяся в специальном СВЧ резонаторе, используя для этого двойной радиооптический резонанс. Размеры стандарта частоты определяются габаритами СВЧ резонатора, которые в свою очередь зависят от оптической длины волны перехода между сверхтонкими подуровнями основного состояния в Rb или Cs, длины волн которых соответственно 4,4 см, 3,2 см. При высоких эксплуатационных качествах эти квантовые приборы, обладая сравнительно высокими метрологическими характеристиками в радиодиапазоне, в то же время за последние десятилетия темпы роста этих характеристик значительно замедлились и развитие рубидиевых стандартов частоты шло в основном по пути снижения их габаритов, массы и потребляемой мощности. Эти тенденции обусловлены прежде всего тем, что традиционный принцип в КСЧ с оптической накачкой, использующий излучение спектральной лампы на парах рубидия, в значительной мере исчерпал себя. В то же время существует устойчивая потребность в повышении метрологических характеристик РСЧ.The development of quantum frequency standards (CSC) is an important area in the measurement technique, as they are widely used in many fields. Among the RNFs on pairs of alkali metal atoms, the most common are the rubidium frequency standards (RMS) [see Grigoryants VV, Zhabotinsky ME, Zolin VF, Quantum frequency standards, pp. 171-194, M., 1968.], in which for many years it has been used as a source of optical pumping of a rubidium cell without electrode spectral lamp with pairs of ⁸⁷ Rb. The optical radiation of this source interacts with the lines D ₁ and D _{2 of} rubidium-87, changing the population of the levels of the hyperfine structure of the ground state. If, in addition to the pumping light, it acts simultaneously on the rubidium atoms by electromagnetic radiation that is resonant at the clock transition frequency of the microwave, it will tend to equalize the population, which will lead to an increase in the absorption of the pumping light and a decrease in its intensity at the output of the rubidium cell. Based on this double radio-optical resonance, a quantum discriminator is created, which is the basis of quantum frequency standards, including rubidium ones. In the quantum standard of frequencies for alkali metal vapors, the probing microwave field that creates the frequency reference (quantum discriminator) interacts directly with the working atoms in the cell located in a special microwave cavity using double radio-optical resonance. The dimensions of the frequency standard are determined by the dimensions of the microwave cavity, which in turn depend on the optical wavelength of the transition between the hyperfine sublevels of the ground state in Rb or Cs, the wavelengths of which are 4.4 cm, 3.2 cm, respectively. With high performance, these quantum devices having relatively high metrological characteristics in the radio range, at the same time, over the past decades, the growth rates of these characteristics have slowed significantly and the development of rubidium frequency standards has been mainly ways to reduce their size, weight and power consumption. These tendencies are due primarily to the fact that the traditional principle in optical-pumping RNFs using radiation from a spectral lamp based on rubidium vapor has largely exhausted itself. At the same time, there is a steady need to improve the metrological characteristics of DMCs.

Решение данной задачи лежит на пути использования новых физических принципов в КСЧ, одним из которых является использование лазерного излучения в качестве оптической накачки [см. С. Affolderbach, F. Droz, G. Mileti. Experimental demonstration of a compact and high-performance laser-pumped rubidium gas cell atomic frequency standard. // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol.55, No.2, 2006, pp.429-435].The solution to this problem lies in the way of using new physical principles in RNF, one of which is the use of laser radiation as an optical pump [see C. Affolderbach, F. Droz, G. Mileti. Experimental demonstration of a compact and high-performance laser-pumped rubidium gas cell atomic frequency standard. // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol.55, No.2, 2006, pp.429-435].

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.Known KSCh optical and microwave ranges (Patent No: US 6,265,945, Date of Patent: Jul. 24, 2001), containing a diode laser, the optical output of which is connected through a quarter-wave plate to the optical input of the cell. Blocks for creating a magnetic field in the cell and thermal stabilization of the cell are also connected to the cell. The optical output of the diode laser is also connected to the optical input of the first, which controls the radiation intensity of the photodetector diode laser. The electrical output of this photodetector is connected to the input of the first block of the analog-to-digital converter of the microcontroller. The first optical output of the cell is connected to the optical input of the photodetector to record the intensity of the modulated signal from the cell. The electrical output of this photodetector is connected to the second block of analog-to-digital conversion of the microcontroller. The second optical output of the cell is connected to the optical input of the third photodetector, which controls the fluorescence intensity. The electrical output of this photodetector is connected to the third block of analog-to-digital conversion of the microcontroller. The microcontroller provides digital processing of the circuit signals and the generation of control signals, through three digital-to-analog converters, for the three circuit blocks connected to its outputs, and control of the temperature stabilization unit of the diode laser. Two outputs are connected to the inputs of the microwave generator and are designed to control the frequency and modulation index of the output signal of the microwave generator. The third digital-analog output of the microcontroller is connected to the first input of the diode laser power supply unit to control the optical frequency of the diode laser by processing the signal from the photodetector by the microcontroller, which controls the fluorescence intensity. The output of the microwave generator is connected to the second input of the power supply unit of the diode laser. The output of the power source is connected to the electrical input of the diode laser.

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, а также отсутствуют меры по устранению полевого сдвига, что влечет за собой относительно большую погрешность настройки оптического сигнала, как следствие, меньшую точность настройки в резонанс оптического перехода квантового стандарта частоты, меньшую стабильность частоты на выходе КСЧ.However, the indicated RNF uses the detection of the useful signal from the fluorescence signal and, therefore, the adjustment of the optical frequency of the diode laser into optical resonance along the homogeneous spectral profile of a group of atoms in the cell, and there are no measures to eliminate the field shift, which entails a relatively large error in tuning the optical signal, as a result, lower tuning accuracy in resonance of the optical transition of the quantum frequency standard, lower frequency stability at the output of the RNF.

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 щелочного металла 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 (первый фотодетектор и первый избирательный усилитель) для регистрации интенсивности модулированного сигнала из ячейки. Электрический выход данного фотодетектора соединен со входом первого синхронного детектора (первый синхронный детектор). Второй вход первого синхронного детектора (первый синхронный детектор) соединен с выходом первого модулятора (низкочастотный генератор). Выход первого синхронного детектора (синхронный детектор) соединен с блоком формирования управляющего сигнала СВЧ генератором (первый операционный усилитель). Также со входом блока формирователя (первый операционный усилитель) соединен выход первого модулятора (низкочастотный генератор). Выход блока формирования управляющего сигнала СВЧ генератора (первый операционный усилитель) соединен со входом СВЧ генератора. Выход СВЧ генератора соединен с электрическим входом диодного лазера. Второй оптический выход ячейки соединен с оптическим входом второго фотодетектора для регистрации интенсивности модулированного сигнала флюоресценции из ячейки. Электрический выход данного 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 контур 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.In addition, the optical frequency band and microwave ranges are known (Patent No: US 6,320,472 B1, Date of Patent: Nov.20, 2001), which is a prototype of the present invention and contains a diode laser, the optical output of which is connected through a quarter-wave plate to the optical input of the cell containing a mixture of alkali metal vapors and buffer gas. Blocks for creating a magnetic field in the cell and thermal stabilization of the cell are also connected to the cell. The first optical output of the cell is connected to the optical input of the first photodetector (first photodetector and first selective amplifier) to record the intensity of the modulated signal from the cell. The electrical output of this photodetector is connected to the input of the first synchronous detector (first synchronous detector). The second input of the first synchronous detector (first synchronous detector) is connected to the output of the first modulator (low-frequency generator). The output of the first synchronous detector (synchronous detector) is connected to the control signal generating unit by a microwave generator (first operational amplifier). Also, the output of the first modulator (low-frequency generator) is connected to the input of the shaper unit (first operational amplifier). The output of the control signal generating unit of the microwave generator (first operational amplifier) is connected to the input of the microwave generator. The output of the microwave generator is connected to the electrical input of the diode laser. The second optical output of the cell is connected to the optical input of the second photodetector to record the intensity of the modulated fluorescence signal from the cell. The electrical output of this photodetector is connected to the input of the second synchronous detector. The second synchronous detector generates a signal proportional to the signal of the correction of the optical frequency to the line of optical resonance in the scheme of CPT (coherent population trapping) within a uniform contour of the resonance line. The second input of the second synchronous detector is connected to the output of the second modulator. Also, with the output of the second modulator, a control signal generating unit is connected to the optical frequency of the diode laser for its power source. The output of this unit is connected to the second control input of the diode laser power supply. The output of the power source, which provides modulation of the radiation of the diode laser, as well as the control of its optical frequency, is connected to the electrical input of the diode laser.

Однако в указанном устройстве используется стабилизация оптической частоты диодного лазера, соответствующая частоте перехода с возбужденного уровня P на основной уровень S щелочного металла, 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 постоянный сигнал. 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 io, 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.However, this device uses stabilization of the optical frequency of the diode laser, which corresponds to the frequency of the transition from the excited level P to the basic level S of the alkali metal, by modulating at a low frequency the constant component of the pump current i _{0 of the} diode laser corresponding to the center of the fluorescence peak. It uses the modulation of the control signal provided by the second modulator with a frequency of 7 Hz. If the current component of the pump source does not exactly match i ₀ , then the fluorescence signal converted by the second photodetector will be modulated at the output by rectangular pulses. If the current component of the pump source exactly matches i ₀ , then the fluorescence signal converted by the second photodetector will output a constant signal. Direct detection by means of a synchronous detector and driver of the current source control signal provides a signal proportional to the detuning signal of the component of the pump current from i ₀ , and this signal can be used to stabilize the optical frequency of the diode laser to maximum fluorescence. In this feedback loop, the component of the laser pump current is never stabilized to io, and, accordingly, the signal is not in the center of the fluorescence circuit. The modulation value, however, does not change much to obtain not too strong detunings of the optical frequency of the diode laser compared to the width of the optical resonance. That is, tuning of the optical frequency of the diode laser is used along the homogeneous spectral contour of a group of atoms in the cell, which entails a relatively large error in tuning the optical signal, no compensation or reduction in the field shift, and, as a consequence, lower accuracy in tuning the resonance of the optical transition of the quantum frequency standard , which means lower frequency stability at the output of the RNF.

Задачей предлагаемой заявки на полезную модель является увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ в оптическом и СВЧ диапазонах.The objective of the proposed application for a utility model is to increase the stability of the frequency at the output of the RNF in the optical and microwave ranges.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в КСЧ 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 поступает на поворотные зеркала. Первый оптический выход диодного лазера соединен с оптическим входом рубидиевой-87 ячейки с буферным газом, с которой соединены первые блоки создания магнитного поля в ней и ее термостабилизации. Оптический выход рубидиевой-87 ячейки с буферным газом соединен с оптическим входом первого фотодетектора. Электрический выход первого фотодетектора соединен со входом первого избирательного усилителя, выход которого соединен с первым входом первого синхронного детектора. Со вторым входом первого синхронного детектора соединен первый выход низкочастотного генератора. Второй выход низкочастотного генератора соединен со входом СВЧ генератора с управляемой частотой. Выход первого синхронного детектора соединен со входом первого операционного усилителя, выход которого имеет кабельную связь со входом управляемого СВЧ генератора, имеющий кабельную связь со входом диодного лазера. Второй оптический выход диодного лазера после поворотных зеркал соединен с оптическим входом рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа, с которой соединены вторые блоки создания магнитного поля в ней и ее термостабилизации. Выход рубидиевой-87 ячейки без буферного газа имеет оптическую связь со входом второго фотодетектора, электрический выход которого соединен со входом второго избирательного усилителя, настроенный на частоту высокочастотного (ВЧ) генератора. Первый выход ВЧ генератора имеет кабельную связь с первым входом второго синхронного детектора, а со второго выхода ВЧ генератора электрический сигнал поступает на вход диодного лазера. Второй вход второго синхронного детектора имеет кабельную связь с выходом второго избирательного усилителя. Выход второго синхронного детектора соединен со входом второго операционного усилителя, который имеет кабельную связь с оптическим резонатором диодного лазера.The solution of this problem is achieved by the fact that in the optical frequency band and microwave ranges, containing a diode laser, the wavelength of which is pre-set by the wavelength meter on the resonant D1 line of the rubidium-87 isotope, the output of which is fed to rotary mirrors. The first optical output of the diode laser is connected to the optical input of a rubidium-87 cell with a buffer gas, to which the first blocks for creating a magnetic field in it and its thermal stabilization are connected. The optical output of a rubidium-87 cell with buffer gas is connected to the optical input of the first photodetector. The electrical output of the first photodetector is connected to the input of the first selective amplifier, the output of which is connected to the first input of the first synchronous detector. The second output of the low-frequency generator is connected to the second input of the first synchronous detector. The second output of the low-frequency generator is connected to the input of the microwave generator with a controlled frequency. The output of the first synchronous detector is connected to the input of the first operational amplifier, the output of which has a cable connection with the input of a controlled microwave generator having cable connection with the input of a diode laser. The second optical output of the diode laser after the rotary mirrors is connected to the optical input of a rubidium-87 cell without buffer gas, to which the second blocks for creating a magnetic field in it and its thermal stabilization are connected. The output of the rubidium-87 cell without buffer gas has an optical connection with the input of the second photodetector, the electrical output of which is connected to the input of the second selective amplifier tuned to the frequency of the high-frequency (HF) generator. The first output of the RF generator has a cable connection with the first input of the second synchronous detector, and from the second output of the RF generator, an electric signal is fed to the input of the diode laser. The second input of the second synchronous detector has a cable connection with the output of the second selective amplifier. The output of the second synchronous detector is connected to the input of the second operational amplifier, which has a cable connection with the optical resonator of the diode laser.

На чертеже приведена структурная схема предложенного квантового стандарта частоты оптического и СВЧ диапазонов.The drawing shows a structural diagram of the proposed quantum standard frequency of the optical and microwave ranges.

Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов содержит: 1 - первый операционный усилитель; 2 - СВЧ генератор с управляемой частотой; 3 - низкочастотный генератор; 4 - первый синхронный детектор; 5 - измеритель длин волн (ИДВ); 6 - первый блок создания магнитного поля в ячейке 12; 7 - первый блок термостабилизации ячейки 12; 8 - первый избирательный усилитель; 9 - дифракционная решетка с пьезокерамикой; 10 - оптический затвор; 11 - поворотное зеркало; 12 - рубидиевая-87 ячейка с буферным газом; 13 - первый фотодетектор; 14 - поворотное зеркало; 15 - поворотное зеркало; 16 - рубидиевая-87 ячейка без буферного газа; 17 - поворотное плотное зеркало; 18 - второй блок создания магнитного поля в ячейке 16; 19 - второй блок термостабилизации ячейки 16; 20 - диодный лазер; 21 - поворотное зеркало с пьезокерамикой; 22 - второй фотодетектор; 23 - второй избирательный усилитель; 24 - второй операционный усилитель; 25 - второй синхронный детектор; 26 - высокочастотный генератор.The quantum frequency standard of the optical and microwave ranges contains: 1 - the first operational amplifier; 2 - microwave frequency controlled oscillator; 3 - low-frequency generator; 4 - the first synchronous detector; 5 - wavelength meter (IDV); 6 - the first block of creating a magnetic field in cell 12; 7 - the first block of thermal stabilization of the cell 12; 8 - the first selective amplifier; 9 - diffraction grating with piezoceramics; 10 - optical shutter; 11 - a rotary mirror; 12 - rubidium-87 cell with buffer gas; 13 - the first photodetector; 14 - a rotary mirror; 15 - a rotary mirror; 16 - rubidium-87 cell without buffer gas; 17 - swivel dense mirror; 18 - the second block of creating a magnetic field in the cell 16; 19 - the second block of thermal stabilization of the cell 16; 20 - diode laser; 21 - a rotary mirror with piezoceramics; 22 - second photodetector; 23 - second selective amplifier; 24 - the second operational amplifier; 25 - second synchronous detector; 26 - high-frequency generator.

Операционный усилитель 1 имеет кабельную связь с СВЧ генератором с управляемой частотой 2 и с первым синхронным детектором 4; СВЧ генератор 2 с управляемой частотой имеет кабельную связь с первым операционным усилителем 1, с низкочастотным генератором 3 и с диодным лазером 20; низкочастотный генератор 3 имеет кабельную связь с СВЧ генератором с управляемой частотой 2 и с первым синхронным детектором 4; первый синхронный детектор 4 имеет кабельную связь с первым операционным усилителем 1, с низкочастотным генератором 3 и с первым избирательным усилителем 8; измеритель длин волн (ИДВ) 5 по оптическому и кабельному каналам связан с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9; первый блок создания магнитного поля 6 имеет кабельную связь с рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом; первый блок термостабилизации 7 имеет кабельную связь с рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом; первый избирательный усилитель 8 имеет кабельную связь с первым синхронным детектором 4 и с первым фотодетектором 13; дифракционная решетка с пьезокерамикой 9 имеет оптическую и кабельную связь с измерителем длин волн (ИДВ) 5, а так же имеет оптическую связь с оптическим затвором 10 и с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 21; оптический затвор 10 имеет оптическую связь с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9 и с поворотным зеркалом 11; поворотное зеркало 11 имеют оптическую связь с оптическим затвором 10, с поворотным зеркалом 15 и с рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом 12; рубидиевая-87 ячейка с буферным газом 12 имеет оптическую связь с поворотным зеркалом 11 и с первым фотодетектором 13, а кабельную связь с первым блоком создания магнитного поля бис первым блоком термостабилизации 7; первый фотодетектор 13 по оптическому каналу связан с рубидиевой-87 ячейкой с буферным газом 12, а по кабельному каналу связан с первым избирательным усилителем 8; поворотное зеркало 14 имеет оптическую связь с поворотным зеркалом 15 и со вторым фотодетектором 22; поворотное зеркало 15 имеет оптическую связь с поворотным зеркалом 14, с поворотным зеркалом 11 и с рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа 16; рубидиевая-87 ячейка без буферного газа 16 имеет оптическую связь с поворотным плотным зеркалом 17 и с поворотным зеркалом 15, а кабельную связь со вторым блоком создания магнитного поля 6 и со вторым блоком термостабилизации 7; поворотное плотное зеркало 17 имеет оптическую связь с рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа 16; второй блок создания магнитного поля 18 имеет кабельную связь с рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа 16; второй блок термостабилизации 19 имеет кабельную связь с рубидиевой-87 ячейкой без буферного газа 16; диодный лазер 20 имеет кабельную связь с СВЧ генератором с управляемой частотой 2, с высокочастотным генератором 26, а по оптическую каналу имеет связь с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 21; поворотное зеркало с пьезокерамикой 21 по оптическому каналу связан с дифракционной решеткой с пьезокерамикой 9 и с диодным лазером 20, а по кабельному каналу связан со вторым операционным усилителем 24; второй фотодетектор 22 по оптическому каналу связан с поворотным зеркалом 14, а по кабельному каналу связан со вторым избирательным усилителем 23; второй избирательный усилитель 23 по кабельному каналу связан со вторым фотодетектором 22 и со вторым синхронным детектором 25; второй операционный усилитель 24 по кабельному каналу связан с поворотным зеркалом с пьезокерамикой 21 и со вторым синхронным детектором 25; второй синхронный детектор 25 по кабельному каналу связан со вторым операционным усилителем 24, со вторым избирательным усилителем 23 и с высокочастотным генератором 26; высокочастотный генератор 26 по кабельному каналу связан с диодным лазером 20 и со вторым синхронным детектором 25.The operational amplifier 1 has a cable connection with a microwave generator with a controlled frequency of 2 and with the first synchronous detector 4; The controlled frequency microwave generator 2 has a cable connection with the first operational amplifier 1, with a low-frequency generator 3 and with a diode laser 20; low-frequency generator 3 has a cable connection with a microwave generator with a controlled frequency of 2 and with the first synchronous detector 4; the first synchronous detector 4 has a cable connection with the first operational amplifier 1, with a low-frequency generator 3 and with the first selective amplifier 8; a wavelength meter (IDV) 5 through the optical and cable channels is connected to a diffraction grating with piezoceramics 9; the first unit for creating a magnetic field 6 has a cable connection with a rubidium-87 cell with a buffer gas; the first block of thermal stabilization 7 has a cable connection with a rubidium-87 cell with buffer gas; the first selective amplifier 8 is in cable communication with the first synchronous detector 4 and with the first photodetector 13; a diffraction grating with piezoceramics 9 has an optical and cable connection with a wavelength meter (IDV) 5, and also has an optical connection with an optical shutter 10 and with a rotary mirror with piezoceramics 21; the optical shutter 10 is in optical communication with a diffraction grating with piezoceramics 9 and with a rotary mirror 11; the rotary mirror 11 are in optical communication with the optical shutter 10, with the rotary mirror 15 and with a rubidium-87 cell with buffer gas 12; the rubidium-87 cell with buffer gas 12 is in optical communication with the rotary mirror 11 and with the first photodetector 13, and cable communication with the first magnetic field generating unit bis the first thermal stabilization unit 7; the first photodetector 13 is connected through an optical channel to a rubidium-87 cell with buffer gas 12, and through a cable channel connected to a first selective amplifier 8; the rotary mirror 14 is in optical communication with the rotary mirror 15 and with the second photodetector 22; the rotary mirror 15 is in optical communication with the rotary mirror 14, with the rotary mirror 11 and with the rubidium-87 cell without buffer gas 16; a rubidium-87 cell without buffer gas 16 is in optical communication with a rotary tight mirror 17 and with a rotary mirror 15, and cable communication with a second magnetic field generating unit 6 and with a second thermal stabilization unit 7; a rotary tight mirror 17 is optically coupled to a rubidium-87 cell without buffer gas 16; the second unit for creating a magnetic field 18 has a cable connection with a rubidium-87 cell without buffer gas 16; the second thermal stabilization unit 19 has a cable connection with a rubidium-87 cell without buffer gas 16; the diode laser 20 has a cable connection with a microwave generator with a controlled frequency of 2, with a high-frequency generator 26, and through an optical channel it is connected with a rotary mirror with piezoceramics 21; a rotary mirror with piezoceramics 21 is connected through an optical channel to a diffraction grating with piezoceramics 9 and a diode laser 20, and through a cable channel is connected to a second operational amplifier 24; the second photodetector 22 is connected through an optical channel to a rotary mirror 14, and through a cable channel connected to a second selective amplifier 23; a second selective amplifier 23 is connected via a cable channel to a second photodetector 22 and to a second synchronous detector 25; the second operational amplifier 24 is connected via a cable channel to a rotary mirror with piezoceramics 21 and to a second synchronous detector 25; the second synchronous detector 25 is connected via a cable channel to a second operational amplifier 24, to a second selective amplifier 23, and to a high-frequency generator 26; a high-frequency generator 26 is connected via a cable channel to a diode laser 20 and to a second synchronous detector 25.

Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов работает следующим образом.The quantum standard of the frequency of the optical and microwave ranges works as follows.

Квантовый стандарт частоты оптического и СВЧ диапазонов построен на частотах излучения диодного лазера, стабилизированные 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 5 S_1/2F2-5S_1/2F1 основного состояния этой линии (λ≈795 нм). Источником накачки рубидиевых-87 ячеек 12 и 16 является диодный лазер 20 на λ≈795 нм, работающий с внешним резонатором. В качестве внешнего зеркала оптического резонатора используется дифракционная решетка 9, укрепленная на пьезокерамическом преобразователе и установленная по автоколлимационной схеме, обеспечивающая обратную связь в оптическом резонаторе диодного лазера. Пьезокерамический преобразователь необходим для точной установки угла отражения дифракционной решетки для получения генерации на нужной длине волны, контролируемый измерителем длин волн (ИДВ) 5. К рубидиевым-87 ячейкам 12 и 16 соединены блоки создания магнитного поля и термостабилизации. Поле облучения ячеек 12 и 16 создается частотно-модулированным излучением диодного лазера 20, осуществляемом СВЧ генератором с управляемой частотой 2. Эффективная СВЧ модуляция излучения диодного лазера достигается при согласовании межмодовой частоты диодного лазера с частотой модуляции [см.журнал "Квантовая электроника", 26, №2, (1999), с.109-113]. Для этого изменение длины оптического резонатора осуществляется перемещением поворотного зеркала 21 «грубо» - микровинтом (на чертеже микровинт не указан), либо «точно» - пьезокерамикой. В результате СВЧ модуляции в спектре излучения диодного лазера 20 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 не поглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание ячейки растет. Этот эффект 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 20 от СВЧ генератора с управляемой частотой 2, частота которого может управляться первым операционным усилителем 1, 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 20 (длина волны генерации) предварительно устанавливается и контролируется с помощью измерителя длин волн (ИДВ) 5 и она должна быть равна средней величине между 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-87. Частотно-модулированное излучение диодного лазера 20, проходя оптический затвор 10, поступает на разделительное зеркало 11. Часть излучения лазера поступает на ячейку 12 с парами рубидия-87 и буферного газа и регистрируется первым фотодетектором 13 с первым избирательным усилителем 8, с выхода которого электрический сигнал поступает на первый синхронный детектор 4, на который в качестве опорного поступает напряжение от низкочастотного генератора 3. Напряжение от низкочастотного генератора 3 также поступает на СВЧ генератором с управляемой частотой 2, осуществляя модуляцию его частоты. С выхода синхронного детектора 4 напряжение, пропорциональное отстройке СВЧ частоты от центра КПН-резонанса поступает на первый операционный усилитель 1, который управляет частотой СВЧ генератора 2 таким образом, чтобы СВЧ частота модуляции излучения диодного лазера 20 была вблизи 3,4 ГГц и соответствовала максимуму КПН-резонанса. Увеличение стабильности частоты на выходе КСЧ в оптическом и СВЧ диапазонах связано с параметрами дискриминаторов оптического и СВЧ диапазона, по которым осуществляется стабилизация частоты КСЧ. Для улучшения этих параметров другая часть излучения диодного лазера 20 после разделительного зеркала 11 поступает на рубидиевую-87 ячейку 16 без буферного газа. Эта ячейка предназначена для получения узкого нелинейного резонанса в центре доплеровской уширенной линии поглощения для каждой спектральной составляющей частотно-модулированного излучения лазера. Здесь используется эффект взаимодействия излучения диодного лазера 20 с атомами рубидия-87 ячейки 16 без буферного газа при наличии в ней бегущей (сильной) волны и встречной (слабой) волны диодного лазера 20 [B.C. Летохов, В.П. Чеботаев «Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения», М., Наука, 1990 г., С.24-50]. Если частота падающей (сильной) волны, поступающей от зеркала 15 на рубидиевую-87 без буферного газа ячейку 16, 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 зеркалом 17, 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 вторым фотодетектором 22. Для привязки оптических компонент спектра к линиям поглощения и одновременно создания гребенки частот используется высокочастотная (ВЧ) модуляция излучения диодного лазера 20 с помощью высокочастотного генератора 26. Сигнал с выхода фотодетектора 22 поступает на второй избирательный усилитель 23, настроенный на частоту модуляции ВЧ генератора 26. Один выход ВЧ генератора 26 поступает на диодный лазер 20, осуществляя ВЧ модуляцию на спектральных компонентах излучения диодного лазера 20 в пределах их однородной ширины, а с другого выхода подается в качестве опорного напряжения на второй синхронный детектор 25. С выхода синхронного детектора 25 напряжение поступает на второй операционный усилитель 24 и далее на поворотное зеркало с пьезокерамическим преобразователем 24, перемещение которого меняет длину резонатора диодного лазера 20 (меняется межмодовая частота резонатора диодного лазера 20) и, следовательно, несущая частота диодного лазера 20. Это позволяет настраивать боковые компоненты частот модулированного излучения диодного лазера 20 на центры узких нелинейных резонансов, обеспечивая высокие параметры оптических и СВЧ дискриминаторов, приводящие к увеличению стабильности частоты на выходе КСЧ оптического и СВЧ диапазонов.The quantum standard of the frequency of the optical and microwave ranges is based on the radiation frequencies of a diode laser, stabilized along the atomic line of an alkali metal. Frequency discriminators are: for the microwave standard, the resonance of coherent population trapping (CPT resonance), and for the optical, narrow nonlinear resonance at the center of the Doppler broadened absorption line. The rubidium-87 isotope with its spectral line D1 is used as an alkali metal, on the basis of which resonances are created for the frequencies of the optical and microwave ranges using the hyperfine transition 5 S _1/2 F2-5S _1/2 F1 of the ground state of this line (λ≈795 nm). The source of pumping of rubidium-87 cells 12 and 16 is a diode laser 20 at λ≈795 nm, operating with an external resonator. As an external mirror of the optical resonator, a diffraction grating 9 is used, mounted on a piezoceramic transducer and installed according to an autocollimation scheme, providing feedback in the optical resonator of a diode laser. A piezoceramic transducer is required to accurately set the angle of reflection of the diffraction grating to obtain lasing at the desired wavelength, controlled by a wavelength meter (IDW) 5. Blocks for creating a magnetic field and thermal stabilization are connected to rubidium-87 cells 12 and 16. The irradiation field of cells 12 and 16 is created by the frequency-modulated radiation of the diode laser 20, carried out by a microwave generator with a controlled frequency 2. Effective microwave modulation of the radiation of the diode laser is achieved by matching the intermode frequency of the diode laser with the modulation frequency [see. Quantum Electronics, 26, No. 2, (1999), pp. 109-113]. To do this, changing the length of the optical resonator is carried out by moving the rotary mirror 21 “roughly” - with a microscrew (the microscrew is not indicated in the drawing), or “exactly” - with piezoceramics. As a result of microwave modulation, side harmonics appear in the radiation spectrum of the diode laser 20, i.e. a bichromatic laser field is created. When the distance between these first harmonics is equal to the frequency of the microwave (microwave) resonance (the frequency of splitting of the ground state of an alkali metal atom), a coherent nonabsorbing superposition of atomic states occurs and the cell transmission increases. This effect is called coherent population trapping (CPT resonance). To obtain spectral components in optical radiation that are 6.8 GHz apart, which corresponds to the clock transition frequency (hyperfine transition 5S _1/2 F2-5S _1/2 F1 of the ground state) of the rubidium-87 isotope, to a diode laser 20 from A microwave oscillator with a controlled frequency 2, the frequency of which can be controlled by the first operational amplifier 1, is supplied with an electric signal with a frequency of 3.4 GHz .. In this case, the clock transition frequency will correspond to the frequency difference between the side components that are 3.4 GHz away from the carrier. The carrier frequency of the diode laser 20 (lasing wavelength) is pre-set and monitored using a wavelength meter (IDV) 5 and it should be equal to the average value between the frequencies at the resonant transitions 5P _1/2 F2-5S _1/2 F2 and 5P _{1 / 2} F2-5S _1/2 F1 at λ = 795 nm with an error of at least 0.1 GHz, which makes it possible to install the lateral components of the spectrum at 3.4 GHz near the centers of the Doppler broadened optical absorption lines of rubidium-87. The frequency-modulated radiation of the diode laser 20, passing through the optical shutter 10, enters the dividing mirror 11. Part of the laser radiation enters the cell 12 with pairs of rubidium-87 and buffer gas and is recorded by the first photodetector 13 with the first selective amplifier 8, from the output of which an electric signal arrives at the first synchronous detector 4, which receives the voltage from the low-frequency generator 3 as a reference. The voltage from the low-frequency generator 3 also goes to the microwave generator with a controlled frequency totoy 2, carrying its frequency modulation. From the output of the synchronous detector 4, a voltage proportional to the detuning of the microwave frequency from the center of the CPT resonance is supplied to the first operational amplifier 1, which controls the frequency of the microwave generator 2 so that the microwave frequency of the radiation modulation of the diode laser 20 is near 3.4 GHz and corresponds to the maximum of the CPT resonance. An increase in the stability of the frequency at the output of the RNF in the optical and microwave ranges is associated with the parameters of discriminators of the optical and microwave range, which stabilize the frequency of the RNG. To improve these parameters, another part of the radiation of the diode laser 20 after the separation mirror 11 enters the rubidium-87 cell 16 without buffer gas. This cell is designed to obtain a narrow nonlinear resonance at the center of the Doppler broadened absorption line for each spectral component of the frequency-modulated laser radiation. Here we use the effect of the interaction of radiation from a diode laser 20 with rubidium-87 atoms of a cell 16 without a buffer gas in the presence of a traveling (strong) wave and a counter (weak) wave of a diode laser 20 [BC Letokhov, V.P. Chebotaev "Nonlinear laser spectroscopy of superhigh resolution", M., Nauka, 1990, S.24-50]. If the frequency of the incident (strong) wave from the mirror 15 to the rubidium-87 cell without buffer gas 16 corresponds to the center of the Doppler broadened absorption line i.e. the light wave interacts with atoms whose projection of velocities along the light wave is zero, the counter (weak) wave created by the mirror 17, naturally having the same frequency as the incident one, interacts with the same atoms, the absorption of which is reduced by the incident (strong) wave . As a result, the absorption of the probe (weak) wave has a resonant minimum with a width equal to a uniform width and located exactly in the center of the Doppler broadened absorption line. This radiation is detected by the second photodetector 22. To bind the optical components of the spectrum to the absorption lines and at the same time create a frequency comb, high-frequency (HF) modulation of the radiation of the diode laser 20 is used using the high-frequency generator 26. The signal from the output of the photodetector 22 is fed to a second selective amplifier 23, tuned to modulation frequency of the RF generator 26. One output of the RF generator 26 is supplied to the diode laser 20, performing RF modulation on the spectral components of the radiation of the diode laser 20 in p Within their uniform width, and from the other output, voltage is supplied to the second synchronous detector 25 as a reference voltage. From the output of the synchronous detector 25, the voltage is supplied to the second operational amplifier 24 and then to the rotary mirror with a piezoceramic transducer 24, the movement of which changes the length of the resonator of the diode laser 20 (the intermode frequency of the resonator of the diode laser 20 changes) and, therefore, the carrier frequency of the diode laser 20. This allows you to adjust the side components of the frequencies of the modulated radiation of the diode nd laser on centers 20 narrow nonlinear resonances, providing high optical parameters and microwave discriminator, resulting in increased frequency stability of the output KSCH optical and SHF range.

Таким образом, предлагаемый квантовый стандарт частот оптического и СВЧ диапазонов позволит увеличить стабильность частоты на выходе его в оптическом и СВЧ диапазонах.Thus, the proposed quantum standard for the frequencies of the optical and microwave ranges will increase the stability of the frequency at its output in the optical and microwave ranges.

Кроме того, в условиях отсутствия возбуждения газа (холодные атомы) и низкого рабочего давления в ячейке 14 без буферного газа положение спектральных линий поглощения может быть весьма стабильным, так как столкновительное уширение и сдвиг линии поглощения незначительны, что очень важно при создании стандартов частоты оптического и СВЧ диапазонов.In addition, in the absence of gas excitation (cold atoms) and low working pressure in cell 14 without a buffer gas, the position of the absorption spectral lines can be very stable, since collisional broadening and shift of the absorption line are insignificant, which is very important when creating standards for the frequency of the optical and Microwave bands.

Claims

A quantum frequency standard for the optical and microwave ranges, containing a diode laser, the generation wavelength of which is pre-set by the wavelength meter to the resonance D1 line of the rubidium-87 isotope, the output of which is fed to rotary mirrors, the first optical output of the diode laser is connected to the optical input of the rubidium-87 cell with a buffer gas, to which the first blocks of creating a magnetic field in it and its thermal stabilization are connected, and the optical output of a rubidium-87 cell with a buffer gas is connected to the optical input ohm of the first photodetector and the electrical output of the first photodetector is connected to the input of the first selective amplifier, the output of which is connected to the first input of the first synchronous detector, with the second input of which the first output of the low-frequency generator is connected, the second output of the low-frequency generator is connected to the input of the microwave generator with a controlled frequency, the output of the first the synchronous detector is connected to the input of the first operational amplifier, the output of which has a cable connection with the input of a controlled microwave generator, I have cable communication with the input of the diode laser, characterized in that it additionally includes a second photodetector, a second selective amplifier, a second synchronous detector, a high-frequency generator, a second operational amplifier, a rubidium-87 cell without buffer gas, to which the second blocks for creating a magnetic field are connected in it and its thermal stabilization, while the second optical output of the diode laser after the rotary mirrors is connected to the optical input of a rubidium-87 cell without a buffer gas, the output of which has an optical communication with the input of the second photodetector, the electrical output of which is connected to the input of the second selective amplifier tuned to the frequency of the high-frequency generator, the first output of which is cabled to the first input of the second synchronous detector, and the second output of the high-frequency generator has cable communication with the input of the diode laser, the second input the second synchronous detector has a cable connection with the output of the second selective amplifier, and the output of the second synchronous detector is connected to the input of the second opera ion amplifier whose output has a cable connection to the optical resonator of the diode laser.