RU2369958C1 - Quantum frequency standard on gas cell with pulsed laser pumping - Google Patents
Quantum frequency standard on gas cell with pulsed laser pumping Download PDFInfo
- Publication number
- RU2369958C1 RU2369958C1 RU2008113512/28A RU2008113512A RU2369958C1 RU 2369958 C1 RU2369958 C1 RU 2369958C1 RU 2008113512/28 A RU2008113512/28 A RU 2008113512/28A RU 2008113512 A RU2008113512 A RU 2008113512A RU 2369958 C1 RU2369958 C1 RU 2369958C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- control
- output
- input
- frequency
- signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Stabilization Of Oscillater, Synchronisation, Frequency Synthesizers (AREA)
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке, например, в цезиевых или рубидиевых стандартах частоты с импульсной лазерной накачкой.The claimed invention relates to techniques for frequency stabilization and can be used in quantum frequency standards for a gas cell, for example, in cesium or rubidium frequency standards with pulsed laser pumping.
Принцип работы квантового стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, см., например, [1] - А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М., Сов. радио, 1978, с.5; [2] - F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293. В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки (автоподстройки) частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, а также формирователь опорных сигналов, связанный своими выходами с соответствующими входами формирователя сигнала радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения, а входом - с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, [3] - RU №2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, 27.12.2003. Формирователь сигнала радиочастотного возбуждения формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора модулированный по частоте (фазе) СВЧ сигнал, номинальное значение несущей частоты fсвч которого соответствует вершине контура спектральной линии квантового дискриминатора. В рассматриваемом случае квантового стандарта частоты на газовой ячейке указанная вершина контура спектральной линии квантового дискриминатора определяется резонансной частотой f0 контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения. Частота f0 стабильна и поэтому используется в качестве эталона для подстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Квантовый дискриминатор формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об отклонении текущего значения частоты fсвч от эталонной частоты f0. Формирователь управляющего напряжения на основе выходного сигнала квантового дискриминатора формирует сигнал рассогласования, а затем путем интегрирования формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, определяющая частоту выходного сигнала квантового стандарта частоты, изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, осуществляя тем самым стабилизацию частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) относительно эталонной частоты f0.The principle of operation of the quantum frequency standard is based on the stabilization of the frequency of the tuned crystal oscillator relative to the frequency of the spectral line corresponding to a certain quantum transition realized in a quantum discriminator, see, for example, [1] - A.I. Pikhtelev, A.A. Ulyanov, B. P. Fateev et al. Standards of frequency and time based on quantum generators and discriminators // M., Sov. radio, 1978, p. 5; [2] - F. Emma, G. Busca, P. Rochat. Atomic Clocks for Space Applications // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp. 2285-2293. In a generalized form, the structural diagram of the quantum frequency standard contains a tunable crystal oscillator, a radio frequency excitation signal generator, a quantum discriminator and a control voltage driver, the output of which is connected to the control input of the adjustable crystal oscillator, as well as a reference driver, sequentially connected into a closed ring of automatic frequency tuning (automatic tuning) signals associated with their outputs with the corresponding inputs of the signal generator frequency excitation and driver voltage control, and the input with the output of the tunable crystal oscillator, see, for example, [3] - RU No. 2220499,
Известны квантовые стандарты частоты, в которых квантовый дискриминатор содержит расположенные на одной оптической оси источник света оптической накачки в виде безэлектродной спектральной лампы, СВЧ резонатор с газовой ячейкой, наполненной рабочим веществом и буферным газом, и фотодетектор, см., например, рубидиевые квантовые стандарты частоты, представленные в патентах: [4] - US №6300841, H03L 7/26, 09.10.2001, Fig.2; [5] - US №6985043, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.2. Эти квантовые стандарты частоты работают на принципе двойного радиооптического резонанса поглощения частотно модулированного сигнала радиочастотного возбуждения в рабочем веществе (пары рубидия Rb87) газовой ячейки СВЧ резонатора, настроенного на резонансную частоту f0 контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения. Детектирование резонанса поглощения осуществляется фотодетектором по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку, с получением на выходе фотодетектора гармоник низкочастотного сигнала, определяемых частотой fнч модуляции сигнала радиочастотного возбуждения и несущих в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты fсвч сигнала радиочастотного возбуждения относительно частоты f0. Первая из этих гармоник используется в качестве полезного выходного сигнала квантового дискриминатора. Этот сигнал поступает на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения, где обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой fнч, формируемого формирователем опорных сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования поступает на вход интегратора, который формирует управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты fсвч к частоте f0. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f0 - резонансной частотой контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения.Quantum frequency standards are known in which the quantum discriminator comprises an optical pump light source located on the same optical axis as an electrodeless spectral lamp, a microwave cavity with a gas cell filled with a working substance and a buffer gas, and a photodetector, see, for example, rubidium quantum frequency standards presented in the patents: [4] - US No. 6300841,
Недостатком квантовых стандартов частоты, использующих в качестве источника света оптической накачки безэлектродную спектральную лампу, является чрезмерно обогащенный спектр света оптической накачки нерезонансными линиями излучения этой лампы (нерезонансными спектральными линиями ее рабочего вещества и буферного газа), что увеличивает шумовую составляющую выходного сигнала квантового дискриминатора и соответственно увеличивает нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.A drawback of quantum frequency standards that use an electrodeless spectral lamp as an optical pumping light source is the excessively enriched spectrum of optical pumping light with non-resonant emission lines of this lamp (non-resonant spectral lines of its working substance and buffer gas), which increases the noise component of the output signal of the quantum discriminator and, accordingly, increases the frequency instability of the output signal of the tunable crystal oscillator.
Принципиально устранение этого недостатка возможно при использовании в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке методов лазерной оптической накачки, см., например, работу [6] - 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. Связано это с тем, что лазерное излучение характеризуется одной спектральной составляющей, ширина Wл которой (порядка 10 МГц) значительно уже ширины Wопт контура спектральной линии поглощения света оптической накачки (Асв) в газовой ячейке (порядка 1000 МГц в ячейке с парами рубидия Rb87) и больше ширины Wсвч контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения (менее 1 кГц), при этом оптическая резонансная частота fопт (резонансная частота контура Асв спектральной линии поглощения света оптической накачки) значительно больше резонансной частоты f0, определяемой резонансной частотой контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения (fопт≈1015 Гц, f0≈1010 Гц). Все это дает потенциальную возможность для уменьшения шумовой составляющей выходного сигнала квантового дискриминатора (увеличения отношения полезного сигнала к шуму) и уменьшения вследствие этого нестабильности частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты).Fundamentally, this drawback can be eliminated by using laser optical pumping methods in quantum standards of a gas cell frequency, see, for example, [6] - 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. This is due to the fact that the laser radiation is characterized by a spectral component, the width W L of which (about 10 MHz) is considerably narrower than the width W opt of the spectral absorption line of the optical pump light (A communications) in the gas cell (about 1000 MHz in a cell with rubidium vapor 87 Rb) and the width W of microwave interaction of the spectral line of the working medium gas cell with excitation radio-frequency signal (less than 1 kHz), wherein the optical resonance frequency f opt (a resonant frequency circuit communication line spectral absorbed optical pumping light) is much higher than the resonance frequency f 0 determined by the resonant frequency of the contour of the spectral line of interaction of the working substance of the gas cell with the radio frequency excitation signal (f opt ≈10 15 Hz, f 0 ≈10 10 Hz). All this gives the potential opportunity to reduce the noise component of the output of the quantum discriminator (increase the ratio of the useful signal to noise) and to reduce the instability of the frequency of the output signal of the tunable crystal oscillator (output signal of the quantum frequency standard) as a result.
Известны квантовые стандарты частоты на газовой ячейке с непрерывной лазерной накачкой, см., например, патенты: [7] - US №5751193, H03L 7/26, 12.05.1998; [8] - US №5442326, H03L 7/26, 15.08.1995; [9] - US №5656974, H03L 7/26, H03B 17/00, 12.08.1997; [10] - DE №4306754, H03L 7/26, H01S 1/06, 21.10.1993. Общим для всех этих устройств является наличие двух колец автоподстройки - кольца автоподстройки частоты кварцевого генератора и кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, причем оба этих кольца работают в непрерывном режиме. Основной технической задачей, решаемой в этих устройствах, является обеспечение работоспособности в условиях применения непрерывной лазерной накачки и наличия двух колец автоподстройки, работающих в непрерывном режиме. При этом, однако, в этих устройствах не удается получить характеристик стабильности частоты, приближающихся к характеристикам стабильности лучших образцов квантовых стандартов частоты на газовой ячейке, использующих лампу накачки, за исключением характеристик за очень короткое время. Связано это, в частности, с тем, что в этих устройствах квантовый переход, соответствующий резонансной частоте f0 контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, осуществляется в условиях существенной связи между оптической и СВЧ когерентностью, что приводит к существенной зависимости частоты f0 от интенсивности лазерного излучения (существенному «световому сдвигу») и повышению уровня шума выходного сигнала квантового дискриминатора.Known quantum frequency standards for a gas cell with continuous laser pumping, see, for example, patents: [7] - US No. 5751193,
Об этих недостатках, органически присущих квантовым стандартам частоты на газовой ячейке с непрерывной лазерной накачкой, указывается в известной работе [11] - A.Godone, S.Micalizio, C.E.Calosso, and F.Levi. The pulsed rubidium clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Vol.53, No.3, March 2006, pp.525-529. В этой же работе описывается метод импульсной лазерной накачки и схема квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, обеспечивающие повышение характеристик стабильности квантового стандарта частоты за счет уменьшения «светового сдвига» (зависимости частоты f0 от интенсивности лазерного излучения) и рамзеевского сужения контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения.These shortcomings, organically inherent in quantum standards of frequency on a gas cell with continuous laser pumping, are indicated in the well-known work [11] - A. Godon, S.Micalizio, CECalosso, and F.Levi. The pulsed rubidium clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Vol. 53, No.3, March 2006, pp. 525-529. In the same work, a pulsed laser pumping method and a scheme of a quantum frequency standard on a gas cell with a pulsed laser pump are described, which increase the stability characteristics of the quantum frequency standard by reducing the “light shift” (the dependence of the frequency f 0 on the laser radiation intensity) and Ramse contour narrowing spectral line of interaction of the working substance of a gas cell with a radio frequency excitation signal.
Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, описанный в работе [11], принят в качестве прототипа.The quantum frequency standard on a gas cell with pulsed laser pumping, described in [11], is adopted as a prototype.
Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, принятый в качестве прототипа, содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, выход которого является выходом квантового стандарта частоты.The quantum frequency standard on a gas cell with pulsed laser pumping, adopted as a prototype, contains a tunable quartz oscillator, a pulse shaper of a pulse radio-frequency excitation, a quantum discriminator and a driver of the control voltage, the output of which is connected to the control input of the tunable quartz a generator whose output is the output of a quantum frequency standard.
Квантовый дискриминатор в прототипе состоит из расположенных последовательно на одной оптической оси лазерного модуля, полупрозрачного зеркала, оптического переключателя и СВЧ резонатора с газовой ячейкой, использующей в качестве рабочего вещества рубидий Rb87. СВЧ резонатор имеет радиочастотные вход и выход, образованные однонаправленным входом и однонаправленным выходом взаимодействующего с СВЧ резонатором СВЧ циркулятора. Радиочастотные вход и выход СВЧ резонатора образуют соответственно радиочастотные вход и выход квантового дискриминатора. Управляющий вход оптического переключателя образует первый управляющий вход квантового дискриминатора. Управляющий вход лазерного модуля образует второй управляющий вход квантового дискриминатора. Ответвляющий выход полупрозрачного зеркала образует оптический выход квантового дискриминатора.The quantum discriminator in the prototype consists of a laser module, a translucent mirror, an optical switch, and a microwave cavity with a gas cell arranged in series on the optical axis of the laser module, using rubidium Rb 87 as a working substance. The microwave cavity has a radio frequency input and output formed by a unidirectional input and a unidirectional output interacting with the microwave cavity of the microwave circulator. The radio-frequency input and output of the microwave cavity respectively form the radio-frequency input and output of the quantum discriminator. The control input of the optical switch forms the first control input of the quantum discriminator. The control input of the laser module forms the second control input of the quantum discriminator. The branching output of a translucent mirror forms the optical output of a quantum discriminator.
Радиочастотный вход квантового дискриминатора соединен с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а радиочастотный выход - с сигнальным входом формирователя управляющего напряжения. Оптический выход квантового дискриминатора соединен с входом устройства оптической дискриминации и детектирования, выход которого через формирователь управляющего тока соединен со вторым управляющим входом квантового дискриминатора. Первый управляющий вход квантового дискриминатора соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, второй и третий управляющие выходы которого соединены соответственно с управляющим входом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя управляющего напряжения, а опорные выходы соединены с соответствующими опорными входами формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения. Вход блока формирования опорных и управляющих сигналов по общепринятой практике подсоединяется к выходу подстраиваемого кварцевого генератора (выходу квантового стандарта частоты), что обеспечивает согласованность формируемых им опорных и управляющих сигналов, что, в свою очередь, обеспечивает согласованное разделение во времени процессов импульсной лазерной накачки, импульсного радиочастотного возбуждения рабочего вещества газовой ячейки СВЧ резонатора и автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора в определенных временных окнах при непрерывной работе кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля.The radio frequency input of the quantum discriminator is connected to the output of the pulse shaper of the RF excitation signal, and the radio frequency output is connected to the signal input of the control voltage shaper. The optical output of the quantum discriminator is connected to the input of the optical discrimination and detection device, the output of which through the driver of the control current is connected to the second control input of the quantum discriminator. The first control input of the quantum discriminator is connected to the first control output of the reference and control signal generation unit, the second and third control outputs of which are connected respectively to the control input of the pulse-frequency excitation signal driver and the control input of the control voltage driver, and the reference outputs are connected to the corresponding reference inputs of the signal conditioner pulsed radio frequency excitation and driver voltage control. The input of the block for the formation of reference and control signals, according to generally accepted practice, is connected to the output of a tunable crystal oscillator (output of a quantum frequency standard), which ensures the consistency of the reference and control signals generated by it, which, in turn, ensures a coordinated time separation of pulsed laser pumping and pulsed processes the radio frequency excitation of the working substance of the gas cell of the microwave cavity and the self-tuning frequency of the tunable crystal oscillator in s time windows in continuous operation ring-locked laser emission module.
Импульсная лазерная накачка осуществляется последовательностью одиночных световых импульсов, формируемых оптическим переключателем с периодичностью Тс из непрерывного лазерного излучения, создаваемого лазерным модулем. Импульсное радиочастотное возбуждение осуществляется последовательностью пачек из двух СВЧ импульсов, формируемых формирователем сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с периодичностью Тс после прохождения каждого импульса лазерной накачки. Несущая частота fсвч СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения модулирована низкочастотным сигналом с частотой fнч; номинальное значение несущей частоты fсвч соответствует резонансной частоте f0 контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, а текущее значение частоты fсвч определяется текущим значением частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора. Формирование СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения осуществляется в формирователе сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с помощью входного модулирующего преобразователя частоты и выходного электронного ключа, где модулирующий преобразователь частоты может быть реализован, например, на основе повышающего преобразователя частоты и модулятора, при этом сигнальный и опорные входы модулирующего преобразователя частоты образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а управляющий вход и выход электронного ключа образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.Pulse laser pumping is carried out by a sequence of single light pulses generated by an optical switch with a periodicity of T s from continuous laser radiation generated by the laser module. Pulse RF excitation is carried out by a sequence of packs of two microwave pulses generated by a pulse shaper of a pulse RF excitation signal with a frequency of T s after passing through each laser pump pulse. The carrier frequency f microwave microwave pulses of radio frequency excitation is modulated by a low-frequency signal with a frequency f low ; the nominal value of the carrier frequency f microwave corresponds to the resonant frequency f 0 of the contour of the spectral line of interaction of the working substance of the gas cell with the RF excitation signal, and the current value of the microwave frequency f is determined by the current value of the frequency of the output signal of the tuned crystal oscillator. The generation of microwave pulses of radio-frequency excitation is carried out in a signal generator of a pulsed radio-frequency excitation using an input modulating frequency converter and an output electronic key, where the modulating frequency converter can be implemented, for example, on the basis of an upconverter and a modulator, while the signal and reference inputs of the modulating frequency converter form respectively the signal and reference inputs of the pulse shaper of the pulse radio frequency of excitation, and controlling input and output of electronic key respectively form a control input and an output driver signal rf excitation pulse.
Автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора осуществляется в соответствующих временных окнах по окончанию каждой пачки СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения по сигналам, поступающим на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения с радиочастотного выхода квантового дискриминатора. Формирователь управляющего напряжения в прототипе состоит из входного электронного ключа, гетеродинного понижающего преобразователя частоты, амплитудного детектора и выходного блока синхронного детектирования и интегрирования, где сигнальный и управляющий входы электронного ключа образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего напряжения, опорные входы гетеродинного понижающего преобразователя частоты и блока синхронного детектирования и интегрирования образуют опорные входы формирователя управляющего напряжения, а выход блока синхронного детектирования и интегрирования образует выход формирователя управляющего напряжения.Auto-tuning of the frequency of the tunable crystal oscillator is carried out in the corresponding time windows at the end of each packet of microwave pulses of radio-frequency excitation by the signals supplied to the signal input of the control voltage driver from the radio-frequency output of the quantum discriminator. The control voltage generator in the prototype consists of an input electronic key, a local oscillator step-down frequency converter, an amplitude detector and an output unit of synchronous detection and integration, where the signal and control inputs of the electronic key form the signal and control inputs of the control voltage generator, the reference inputs of the local oscillator step-down frequency converter, and block synchronous detection and integration form the reference inputs of the shaper at ravlyaetsya voltage, and the output of synchronous detection and integration unit forms a control voltage generator output.
Сигналы, поступающие на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения с радиочастотного выхода квантового дискриминатора, представляют собой отклик СВЧ резонатора на СВЧ импульсы радиочастотного возбуждения и несут в себе информацию об отклонении текущего значения несущей частоты fсвч от эталона - резонансной частоты f0 контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения. Эти сигналы проходят через входной электронный ключ, периоды замкнутого состояния которого определяют временные окна, в которые происходит автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора. Далее сигналы преобразуются по частоте с помощью гетеродинного понижающего преобразователя частоты и детектируются с помощью амплитудного детектора с выделением гармоники с частотой fнч. После этого сигналы поступают на сигнальный вход блока синхронного детектирования и интегрирования, где синхронно детектируются относительно опорного сигнала с частотой fнч с выделением сигнала рассогласования, величина и знак которого характеризуют величину и знак отклонения частоты fсвч от частоты f0, а затем полученный сигнал рассогласования интегрируется, образуя управляющее напряжение для подстраиваемого кварцевого генератора. Формирование временных окон осуществляется под воздействием управляющего сигнала, а гетеродинирование и синхронное детектирование - под воздействием опорных сигналов, поступающих на управляющий и опорные входы формирователя управляющего напряжения с соответствующих выходов блока формирования опорных и управляющих сигналов.The signals supplied to the signal input of the control voltage generator from the radio-frequency output of the quantum discriminator represent the response of the microwave cavity to the microwave pulses of radio-frequency excitation and carry information about the deviation of the current value of the carrier frequency f microwave from the reference - resonant frequency f 0 of the spectral line of the working line gas cell substances with a radio frequency excitation signal. These signals pass through the input electronic key, the periods of the closed state of which determine the time windows in which the frequency is tuned by the tuned crystal oscillator. Next, the signals are converted in frequency using a local oscillator down-converter and detected using an amplitude detector with the release of harmonics with a frequency f low . After that, the signals are fed to the signal input of the synchronous detection and integration unit, where they are synchronously detected relative to the reference signal with a frequency of f low with a mismatch signal whose magnitude and sign characterize the magnitude and sign of the deviation of the microwave frequency f from the frequency f 0 , and then the received mismatch signal integrates, forming a control voltage for the tunable crystal oscillator. The formation of time windows is carried out under the influence of the control signal, and heterodyning and synchronous detection are influenced by the reference signals supplied to the control and reference inputs of the driver of the control voltage from the corresponding outputs of the block for the formation of reference and control signals.
Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора с выхода формирователя управляющего напряжения, частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты fсвч к частоте f0. Тем самым осуществляется процесс подстройки и стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f0.Under the influence of the control voltage supplied to the control input of the tunable crystal oscillator from the output of the driver of the control voltage, the frequency of the output signal of the tunable crystal oscillator changes in the direction of decreasing the error signal, bringing the current value of the frequency f microwave to the frequency f 0 . Thus, the process of tuning and stabilizing the frequency of the output signal of the tunable crystal oscillator (the output signal of the quantum frequency standard) is carried out in accordance with a stable frequency f 0 .
При этом за счет разделения во времени СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения, импульсов лазерной накачки и промежутков времени (временных окон), отведенных для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивается рамзеевское сужение контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки квантового дискриминатора с сигналом радиочастотного возбуждения до значения, примерно равного W*свч≈Wсвч·t1/T1, гдеIn this case, due to the separation in time of microwave pulses of radio frequency excitation, laser pump pulses and time intervals (time windows) allocated for automatic tuning of the frequency of the tunable quartz oscillator, the Ramsey contraction of the spectral line profile of the working substance of the gas cell of the quantum discriminator with the radio frequency excitation signal is ensured to the value approximately equal to W * microwave ≈W microwave · t 1 / T 1 , where
Wсвч - ширина контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с СВЧ сигналом радиочастотного возбуждения при непрерывном режиме работы, t1 - длительность СВЧ импульса радиочастотного возбуждения, T1 - временной разнос между фронтами СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения в пачке. В этих условиях квантовый переход, соответствующий резонансной частоте f0 контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, осуществляется со значительно ослабленной (по сравнению с непрерывным режимом работы) связью между оптической и СВЧ когерентностью, при этом уменьшается зависимость частоты f0 от интенсивности лазерного излучения (уменьшается «световой сдвиг»), а также уровень шума выходного сигнала квантового дискриминатора. Все это положительно сказывается на работе кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, обеспечивая возможность достижения более высоких характеристик стабильности частоты его выходного сигнала (выходного сигнала квантового стандарта частоты) по сравнению с квантовыми стандартами частоты, использующими как непрерывную лазерную накачку, так и непрерывную оптическую накачку с помощью безэлектродной спектральной лампы.W microwave - the width of the contour of the spectral line of interaction of the working substance of the gas cell with the microwave signal of radio frequency excitation during continuous operation, t 1 - the duration of the microwave pulse of the radio frequency excitation, T 1 - time spacing between the fronts of the microwave pulses of the radio frequency excitation in the packet. Under these conditions, the quantum transition corresponding to the resonant frequency f 0 of the spectral line contour of the interaction of the working substance of the gas cell with the RF excitation signal is carried out with a significantly weakened (compared with the continuous mode of operation) coupling between optical and microwave coherence, while the dependence of the frequency f 0 on the intensity of laser radiation (“light shift” decreases), as well as the noise level of the output signal of the quantum discriminator. All this has a positive effect on the operation of the frequency auto-tuning ring of the tunable crystal oscillator, providing the possibility of achieving higher stability characteristics of the frequency of its output signal (output signal of the quantum frequency standard) compared to quantum frequency standards using both continuous laser pumping and continuous optical pumping with using an electrodeless spectral lamp.
Долговременная стабильность квантового стандарта частоты обеспечивается при стабильной частоте излучения лазерного модуля. В прототипе это реализуется за счет непрерывно работающего кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, в состав которого помимо собственно лазерного модуля входят полупрозрачное зеркало, устройство оптической дискриминации и детектирования и формирователь управляющего тока, выход которого подключен к управляющему входу лазерного модуля. Работа кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля происходит по части излучения лазерного модуля, ответвляемой полупрозрачным зеркалом на вход устройства оптической дискриминации и детектирования, которое содержит эталонную газовую ячейку с фотодетектором на выходе. Оптическая резонансная частота этой газовой ячейки, определяемая резонансной частотой контура спектральной линии поглощения лазерного излучения, является эталоном для оценки отклонения частоты излучения лазерного модуля от номинала, а выходной сигнал фотодетектора, фиксирующий оптический резонанс, несет в себе информацию об этом отклонении. Выходной сигнал фотодетектора обрабатывается в формирователе управляющего тока с получением выходного сигнала - управляющего тока, под воздействием которого частота излучения лазерного модуля приводится в соответствие с эталоном.The long-term stability of the quantum frequency standard is ensured with a stable radiation frequency of the laser module. In the prototype, this is realized due to the continuously working ring of the laser module radiation frequency, which in addition to the laser module itself includes a translucent mirror, an optical discrimination and detection device, and a control current driver whose output is connected to the control input of the laser module. The operation of the auto-tuning ring of the laser module radiation frequency occurs on the part of the laser module radiation, branched by a translucent mirror to the input of the optical discrimination and detection device, which contains a reference gas cell with an output photodetector. The optical resonant frequency of this gas cell, determined by the resonant frequency of the contour of the spectral line of absorption of laser radiation, is a standard for assessing the deviation of the frequency of the laser module from the nominal value, and the output signal of the photodetector, fixing the optical resonance, carries information about this deviation. The output signal of the photodetector is processed in the driver of the control current to obtain the output signal - the control current, under the influence of which the frequency of the laser module is brought into line with the standard.
Однако наличие в прототипе непрерывно работающего кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля, использующего к тому же в качестве эталона отдельную газовую ячейку, требующую термостабилизации, увеличивает энергопотребление, габариты и массу квантового стандарта частоты. Это является недостатком, препятствующим практическому применению такого квантового стандарта частоты, особенно в составе бортового оборудования.However, the presence of a continuously working auto-tuning ring of the laser module radiation in the prototype, which also uses as a reference a separate gas cell that requires thermal stabilization, increases the energy consumption, dimensions and mass of the quantum frequency standard. This is a disadvantage that impedes the practical application of such a quantum frequency standard, especially as a part of on-board equipment.
Кроме этого использование в прототипе для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора СВЧ сигнала, снимаемого с радиочастотного выхода СВЧ резонатора, накладывает повышенные требования к его добротности, что ведет к усложнению конструкции СВЧ резонатора и увеличению его массогабаритных характеристик.In addition, the use in the prototype for auto-tuning the frequency of the tunable crystal oscillator of a microwave signal taken from the radio frequency output of the microwave cavity imposes increased requirements on its quality factor, which leads to a complication of the design of the microwave cavity and an increase in its overall dimensions.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, в котором оба кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля работают в импульсном режиме по сигналу, снимаемому с фотодетектора квантового дискриминатора. Такой квантовый стандарт частоты, по сравнению с прототипом, отличается сниженными требованиями к добротности СВЧ резонатора, меньшими габаритами и массой, меньшим уровнем энергопотребления, что с учетом обеспечиваемых характеристик стабильности (на уровне прототипа) делает его перспективным для практического применения, в том числе в составе бортового оборудования.The technical result to which the claimed invention is directed is to create a quantum frequency standard on a gas cell with pulsed laser pumping, in which both auto-tuning rings of the tunable crystal oscillator and the laser module operate in a pulsed mode by a signal taken from a quantum discriminator photodetector. Such a quantum frequency standard, in comparison with the prototype, is characterized by reduced requirements for the quality factor of the microwave resonator, smaller dimensions and mass, lower energy consumption, which, taking into account the provided stability characteristics (at the prototype level), makes it promising for practical use, including in the composition onboard equipment.
Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой содержит последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор и формирователь управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора, а также блок формирования опорных и управляющих сигналов, вход которого соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора, а опорные выходы - с соответствующими опорными входами формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и формирователя управляющего напряжения. Квантовый дискриминатор содержит расположенные последовательно на одной оптической оси лазерный модуль, оптический переключатель и СВЧ резонатор с газовой ячейкой. Радиочастотный вход СВЧ резонатора, образующий радиочастотный вход квантового дискриминатора, соединен с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, управляющий вход оптического переключателя, образующий первый управляющий вход квантового дискриминатора, соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, управляющий вход лазерного модуля, образующий второй управляющий вход квантового дискриминатора, соединен с выходом формирователя управляющего тока, а второй и третий управляющие выходы блока формирования опорных и управляющих сигналов соединены соответственно с управляющим входом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя управляющего напряжения. При этом формирователь сигнала импульсного радиочастотного возбуждения содержит входной модулирующий преобразователь частоты, сигнальный и опорные входы которого образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, и выходной электронный ключ, управляющий вход и выход которого образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а формирователь управляющего напряжения содержит входной электронный ключ, сигнальный и управляющий входы которого образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего напряжения, и выходной блок синхронного детектирования и интегрирования, опорный вход и выход которого образуют соответственно опорный вход и выход формирователя управляющего напряжения. В отличие от прототипа квантовый дискриминатор дополнительно содержит расположенный на одной оптической оси с СВЧ резонатором фотодетектор, выход которого, образующий выход квантового дискриминатора, соединен с сигнальным входом формирователя управляющего напряжения, а также с сигнальным входом формирователя управляющего тока, выполненным в виде последовательно соединенных входного электронного ключа, сигнальный и управляющий входы которого образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего тока, блока синхронного детектирования и интегрирования, опорный вход которого образует опорный вход формирователя управляющего тока, и выходного сумматора, второй вход и выход которого образуют соответственно суммирующий вход и выход формирователя управляющего тока. При этом управляющий вход формирователя управляющего тока соединен с четвертым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, опорный вход формирователя управляющего тока через формирователь опорного сигнала детектирования соединен с выходом делителя частоты, вход которого соединен с первым управляющим выходом блока формирования опорных и управляющих сигналов, а суммирующий вход формирователя управляющего тока через формирователь импульсов соединен с выходом делителя частоты.The essence of the claimed invention is as follows. The quantum frequency standard on a gas cell with pulsed laser pumping comprises a tunable quartz oscillator, a pulse shaper of a pulse radio frequency excitation, a quantum discriminator and a driver of the control voltage, the output of which is connected to the control input of the tunable crystal oscillator, as well as a forming unit reference and control signals, the input of which is connected to the output of the tunable quartz generator, and outputs the support - with the corresponding reference signal input of the radio frequency excitation pulse and the control voltage generator. A quantum discriminator comprises a laser module arranged in series on the same optical axis, an optical switch, and a microwave cavity with a gas cell. The RF input of the microwave resonator forming the RF input of the quantum discriminator is connected to the output of the pulse generator of the RF excitation signal, the control input of the optical switch forming the first control input of the quantum discriminator is connected to the first control output of the reference and control signal generation unit, the control input of the laser module, forming the second control input of the quantum discriminator is connected to the output of the driver of the control current, and the second and tr At the same time, the control outputs of the block for the formation of the reference and control signals are connected respectively to the control input of the signal shaper of the pulse RF excitation and the control input of the driver of the control voltage. In this case, the signal generator of the pulsed radio frequency excitation contains an input modulating frequency converter, the signal and reference inputs of which form the signal and reference inputs of the signal generator of the pulse radio frequency excitation, and the output electronic key, the control input and output of which respectively form the control input and output of the signal generator of the pulse radio frequency excitation, and the driver of the control voltage contains an input electronic key, a signal flax and control inputs of which respectively form a signal and the control input of the control voltage output unit and the synchronous detection and integration, a reference input and an output which form, respectively, a reference input and an output control voltage generator. In contrast to the prototype, the quantum discriminator further comprises a photo detector located on the same optical axis as the microwave resonator, the output of which, forming the output of the quantum discriminator, is connected to the signal input of the control voltage driver, as well as to the signal input of the control current driver, made in the form of a series-connected input electronic key, the signal and control inputs of which form respectively the signal and control inputs of the driver of the control current, Lok synchronous detection and integration, the reference input of which forms the reference input of the control current, and the output of the adder, a second input and an output which form, respectively, a summing input and an output driver control current. In this case, the control input of the control current driver is connected to the fourth control output of the reference and control signal generation unit, the reference input of the control current driver through the driver of the detection detection signal is connected to the output of the frequency divider, the input of which is connected to the first control output of the reference and control signal generation unit, and the summing input of the driver of the control current through the driver is connected to the output of the frequency divider.
В вариантах реализации, предпочтительных для практического осуществления, формирователь импульсов выполнен в виде формирователя импульсов типа «меандр», а делитель частоты выполнен в виде триггера.In embodiments preferred for practical implementation, the pulse shaper is made in the form of a pulse shaper of the meander type, and the frequency divider is made in the form of a trigger.
Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1-3, где:The invention and the possibility of its implementation are illustrated by illustrative materials presented in figures 1-3, where:
на фиг.1 представлена структурная схема заявляемого квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой;figure 1 presents the structural diagram of the inventive quantum frequency standard on a gas cell with pulsed laser pumping;
на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие импульсный характер работы;figure 2 - timing diagrams explaining the pulsed nature of the work;
на фиг.3 - график, поясняющий особенности формирования импульсов лазерной накачки.figure 3 is a graph explaining the features of the formation of laser pump pulses.
Заявляемый квантовый стандарт частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой (далее - квантовый стандарт частоты) содержит, см. фиг.1, последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор 1, формирователь 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, квантовый дискриминатор 3 и формирователь 4 управляющего напряжения, выход которого соединен с управляющим входом подстраиваемого кварцевого генератора 1, выход которого образует выход квантового стандарта частоты.The inventive quantum frequency standard on a gas cell with pulsed laser pumping (hereinafter referred to as the quantum frequency standard) contains, see Fig. 1, a
Квантовый дискриминатор 3 содержит расположенные последовательно на одной оптической оси лазерный модуль 5, оптический переключатель 6, СВЧ резонатор 7 с газовой ячейкой 8 и фотодетектор 9. Лазерный модуль 5 может быть выполнен, например, в виде термостабилизированного модуля с лазерным диодом; оптический переключатель 6 может быть выполнен, например, в виде оптоэлектронного переключателя; в качестве рабочего вещества в газовой ячейке 8 может быть использован рубидий (например Rb87) или цезий (например Cs133). СВЧ резонатор 7 имеет радиочастотный вход, реализованный, например, в виде петли или щели связи. Радиочастотный вход СВЧ резонатора 7 образует радиочастотный вход квантового дискриминатора 3. Управляющий вход оптического переключателя 6 образует первый управляющий вход квантового дискриминатора 3. Управляющий вход лазерного модуля 5 образует второй управляющий вход квантового дискриминатора 3. Выход фотодетектора 9 образует выход квантового дискриминатора 3.The
Радиочастотный вход квантового дискриминатора 3 соединен с выходом формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.The radio frequency input of the
Первый управляющий вход квантового дискриминатора 3 соединен с первым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.The first control input of the
Второй управляющий вход квантового дискриминатора 3 соединен с выходом формирователя 11 управляющего тока.The second control input of the
Выход квантового дискриминатора 3 соединен с сигнальным входом формирователя 4 управляющего напряжения, а также с сигнальным входом формирователя 11 управляющего тока.The output of the
Второй и третий управляющие выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов соединены соответственно с управляющим входом формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и управляющим входом формирователя 4 управляющего напряжения, опорные входы которых соединены с соответствующими опорными выходами блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.The second and third control outputs of the reference and control
Вход блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов соединен с выходом подстраиваемого кварцевого генератора 1.The
Формирователь 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения содержит последовательно соединенные входной модулирующий преобразователь частоты 12, сигнальный и опорные входы которого образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, и выходной электронный ключ 13, управляющий вход и выход которого образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.The pulse-frequency
Формирователь 4 управляющего напряжения содержит последовательно соединенные входной электронный ключ 14, сигнальный и управляющий входы которого образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя 4 управляющего напряжения, и выходной блок 15 синхронного детектирования и интегрирования, опорный вход и выход которого образуют соответственно опорный вход и выход формирователя 4 управляющего напряжения.
Блок 10 формирования опорных и управляющих сигналов в рассматриваемом примере состоит из формирователя 16 опорных сигналов и формирователя 17 управляющих сигналов, где вход формирователя 16 опорных сигналов образует вход блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, опорные выходы формирователя 16 опорных сигналов образуют опорные выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, а управляющие выходы формирователя 17 управляющих сигналов образуют управляющие выходы блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, при этом вход формирователя 17 управляющих сигналов подключен к синхронизирующему выходу формирователя 16 опорных сигналов. Формирователь 16 опорных сигналов может быть выполнен, например, на основе синтезатора частот, а формирователь 17 управляющих сигналов - на основе одновибраторов.The
Формирователь 11 управляющего тока выполнен в виде последовательно соединенных входного электронного ключа 18, блока 19 синхронного детектирования и интегрирования и выходного сумматора 20, где сигнальный и управляющий входы электронного ключа 18 образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя 11 управляющего тока, опорный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования образует опорный вход формирователя 11 управляющего тока, а второй вход и выход сумматора 20 образуют соответственно суммирующий вход и выход формирователя 11 управляющего тока.The driver of the control current 11 is made in the form of series-connected input
Управляющий вход формирователя 11 управляющего тока соединен с четвертым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.The control input of the
Опорный вход формирователя 11 управляющего тока через формирователь 21 опорного сигнала детектирования соединен с выходом делителя частоты 22, вход которого соединен с первым управляющим выходом блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.The reference input of the driver of the control current 11 through the
Суммирующий вход формирователя 11 управляющего тока через формирователь импульсов 23 соединен с выходом делителя частоты 22.The summing input of the
Формирователь 21 опорного сигнала детектирования может быть выполнен, например, в виде полосового фильтра и фазосдвигающей цепи, обеспечивающих формирование гармонического сигнала с частотой, соответствующей частоте первой гармоники выходного сигнала делителя частоты 22, и фазой, соответствующей фазе импульсов, поступающих на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования.The
Формирователь импульсов 23 может быть выполнен в виде формирователя импульсов типа «меандр», а делитель частоты 22 - в виде триггера, реализующего функцию делителя частоты «на два».The
Работа заявляемого квантового стандарта частоты происходит следующим образом.The operation of the claimed quantum frequency standard is as follows.
Как и в прототипе, процессы лазерной накачки и радиочастотного возбуждения рабочего вещества газовой ячейки 8 являются импульсными и разнесены во времени. При этом импульсная лазерная накачка осуществляется последовательностью одиночных световых импульсов, формируемых с периодичностью Тс из выходного сигнала лазерного модуля 5 с помощью оптического переключателя 6, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а), а импульсное радиочастотное возбуждение осуществляется последовательностью пачек из двух СВЧ импульсов длительностью t1 и временным разносом T1 между фронтами этих импульсов в пачке, формируемых формирователем 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения после прохождения каждого импульса лазерной накачки с помощью выходного электронного ключа 13, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего со второго управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2б). Несущая частота fсвч СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения модулирована низкочастотным сигналом с частотой fнч; номинальное значение несущей частоты fсвч соответствует резонансной частоте f0 контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки с сигналом радиочастотного возбуждения, а текущее значение частоты fсвч определяется текущим значением частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора. Формируются СВЧ импульсы радиочастотного возбуждения из непрерывного модулированного СВЧ сигнала, поступающего на сигнальный вход электронного ключа 13 с выхода модулирующего преобразователя частоты 12, где этот сигнал формируется из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 путем модулирования и некратного повышающего преобразования частоты. Необходимые для этого опорные сигналы поступают на опорные входы формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения с соответствующих выходов блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов.As in the prototype, the processes of laser pumping and radio frequency excitation of the working substance of the
По окончании каждой пачки СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения осуществляется автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1. Временные окна, в течение которых происходят процессы автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1, совпадают с начальной частью импульсов лазерной накачки и имеют длительность td. Эти временные окна формируются с помощью входного электронного ключа 14 формирователя 4 управляющего напряжения, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего с третьего управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2в). В промежутки времени, когда электронный ключ 14 открыт, на сигнальный вход блока 15 синхронного детектирования и интегрирования поступает сигнал с выхода квантового дискриминатора 3, т.е. с выхода фотодетектора 9. Этот сигнал определяется реакцией рабочего вещества газовой ячейки 8 на произведенное перед этим радиочастотное возбуждение и содержит в числе прочих составляющих гармоники низкочастотного сигнала, определяемые частотой fнч модуляции сигнала радиочастотного возбуждения, несущие в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты fсвч сигнала радиочастотного возбуждения относительно эталона - резонансной частоты f0 контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения. Первая из этих гармоник используется в качестве полезного сигнала для автоподстройки подстраиваемого кварцевого генератора 1. В блоке 15 синхронного детектирования и интегрирования этот полезный сигнал синхронно детектируется относительно опорного сигнала с частотой fнч, поступающего с соответствующего опорного выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов, с выделением сигнала рассогласования, величина и знак которого характеризуют величину и знак отклонения частоты fсвч от частоты f0. Затем полученный сигнал рассогласования интегрируется, образуя выходной сигнал формирователя 4 управляющего напряжения.At the end of each pack of microwave pulses of radio frequency excitation, the frequency of the
Под действием управляющего напряжения, поступающего на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1 с выхода формирователя 4 управляющего напряжения, частота выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты fсвч к частоте f0. Тем самым осуществляется процесс подстройки и стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f0.Under the action of the control voltage supplied to the control input of the
При этом, как и в прототипе, за счет разделения во времени СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения и импульсов лазерной накачки, а также формирования временных окон для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 в соответствующие промежутки времени после СВЧ импульсов радиочастотного возбуждения обеспечивается рамзеевское сужение контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения (определяемое отношением t1/T1), что приводит к уменьшению связи между оптической и СВЧ когерентностью и уменьшению зависимости частоты f0 от интенсивности лазерного излучения (уменьшению «светового сдвига»), что положительно сказывается на характеристиках стабильности квантового стандарта частоты.Moreover, as in the prototype, due to the separation in time of microwave pulses of radio frequency excitation and laser pump pulses, as well as the formation of time windows for automatic tuning of the frequency of the
В долговременном плане характеристики стабильности квантового стандарта частоты, обусловленные рамзеевским сужением контура спектральной линии взаимодействия рабочего вещества газовой ячейки 8 с сигналом радиочастотного возбуждения, обеспечиваются при условии стабильной частоты излучения лазерного модуля 5. В заявляемом квантовом стандарте частоты это осуществляется за счет автоподстройки частоты излучения лазерного модуля 5 с использованием в качестве эталона газовой ячейки 8, входящей в состав квантового дискриминатора 3.In the long run, the stability characteristics of the quantum frequency standard, due to the Ramsey narrowing of the spectral line profile of the interaction of the working substance of the
Автоподстройка частоты излучения лазерного модуля 5 происходит в соответствующих временных окнах, формируемых вслед за временными окнами, отведенными для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1. Эти временные окна совпадают с конечной частью импульсов лазерной накачки и имеют длительность tp. Формируются эти временные окна с помощью входного электронного ключа 18 формирователя 11 управляющего тока, переключаемого под воздействием управляющего сигнала, поступающего с четвертого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2г). В промежутки времени, когда электронный ключ 18 открыт, через него на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования поступает сигнал с выхода квантового дискриминатора 3, т.е. с выхода фотодетектора 9.Auto-tuning of the radiation frequency of the
На основе выходного сигнала квантового дискриминатора 3 формирователь 11 управляющего тока формирует управляющий ток, который поступает на второй управляющий вход квантового дискриминатора 3, т.е. на управляющий вход лазерного модуля 5. Формируется управляющий ток путем сложения в сумматоре 20 токов, поступающих на его первый и второй входы соответственно с выхода блока 19 синхронного детектирования и интегрирования и выхода формирователя импульсов 23. Управляющий ток является пульсирующим, имеет постоянную составляющую, определяемую выходным током блока 19 синхронного детектирования и интегрирования, и переменную составляющую, определяемую величиной импульсов тока типа «меандр», формируемых формирователем импульсов 23 (фиг.2д) на основе периодического импульсного сигнала, поступающего с выхода делителя частоты 22 (фиг.2е). В свою очередь, выходной сигнал делителя частоты 22 формируется из управляющего сигнала, поступающего на его вход с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а), и имеет по сравнению с ним удвоенный период 2Тс (фиг.2е). Этот же удвоенный период имеет и импульсный ток типа «меандр», формируемый формирователем импульсов 23 (фиг.2д).Based on the output signal of the
Под действием управляющего тока, поступающего на управляющий вход лазерного модуля 5, частота его излучения приобретает пульсирующий вид, характеризуемый девиацией частоты ±Δfсв относительно среднего значения fсв и периодом пульсаций 2Тс. После прохождения такого пульсирующего лазерного излучения через оптический переключатель 6, переключаемый с периодом Тс под действием управляющего сигнала, поступающего с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а), на его выходе образуются импульсы лазерной накачки с поочередно изменяющейся девиацией частоты на величину ±Δfсв, что проиллюстрировано на фиг.3. Длительность импульсов лазерной накачки соответствует суммарной длительности временных окон (td+tp), в течение которых осуществляются автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и автоподстройка частоты излучения лазерного модуля 5; средняя частота fсв импульсов лазерной накачки соответствует резонансной частоте fопт контура Асв спектральной линии поглощения света лазерной накачки в газовой ячейке 8; девиация частоты Δfсв относительно среднего значения fсв соответствует полуширине Wопт контура Асв (фиг.3).Under the action of the control current supplied to the control input of the
Прошедшие через газовую ячейку 8 импульсы лазерной накачки претерпевают амплитудные изменения, определяемые контуром Асв спектральной линии поглощения света лазерной накачки рабочим веществом в газовой ячейке 8 (фиг.3), что отражается в уровнях выходного сигнала фотодетектора 9. При этом при совпадении среднего значения частоты лазерного излучения fсв с резонансной частотой fопт контура Асв импульсы выходного сигнала фотодетектора 9 будут равны по амплитуде, а при несовпадении (расстройке) - будут иметь разные амплитуды, причем величина и знак разности амплитуд этих импульсов будут определяться величиной и знаком расстройки.Passed through the
Импульсы выходного сигнала фотодетектора 9 длительностью td+tp проходят на выход квантового дискриминатора 3, а с него поступают на сигнальный вход формирователя 11 управляющего тока, т.е. на сигнальный вход электронного ключа 18. Электронный ключ 18 пропускает на свой выход часть каждого из этих импульсов, соответствующую формируемому им временному окну длительностью tp (фиг.2г), образуя тем самым входной сигнал для блока 19 синхронного детектирования и интегрирования. В разнице амплитуд импульсов, составляющих этот сигнал, содержится, как указано выше, информация об отклонении среднего значения частоты лазерного излучения fсв относительно резонансной частоты fопт, которая в виде сигнала рассогласования выделяется при синхронном детектировании в блоке 19 синхронного детектирования и интегрирования. Синхронное детектирование ведется относительно опорного сигнала детектирования, поступающего на опорный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования с выхода формирователя 21 опорного сигнала детектирования. Опорный сигнал детектирования в рассматриваемом примере представляет собой гармонический сигнал, период которого соответствует периоду 2Тc выходного сигнала делителя частоты 22, а фаза соответствует фазе импульсов, поступающих на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования с выхода электронного ключа 18. Полученный сигнал рассогласования далее интегрируется, образуя выходной сигнал (выходной ток) блока 19 синхронного детектирования и интегрирования. Этот выходной сигнал поступает на первый вход сумматора 20, где он преобразуется рассмотренным выше образом в пульсирующий ток, являющийся выходным сигналом формирователя 11 управляющего тока.The pulses of the output signal of the
Под действием выходного сигнала формирователя 11 управляющего тока частота излучения лазерного модуля 5 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя среднее значение fсв частоты излучения в соответствие с эталонной частотой fопт. Тем самым осуществляется процесс подстройки и стабилизации среднего значения частоты излучения лазерного модуля 5 с использованием в качестве эталона газовой ячейки 8, входящей в состав квантового дискриминатора 3.Under the action of the output signal of the
Временные параметры рассмотренных процессов лазерной накачки, радиочастотного возбуждения и автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 5 могут быть, например, следующими: Тc=12 мс, t1=0,2 мс, T1=4 мс, td=3,8 мс, tp=4 мс. Значения постоянных времени колец автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1 и частоты излучения лазерного модуля 5 могут быть в диапазоне 0,1÷1,0 с.The temporal parameters of the considered processes of laser pumping, radio frequency excitation, and self-tuning of the frequency of the
Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты на газовой ячейке с импульсной лазерной накачкой, в котором оба кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора и лазерного модуля работают в импульсном режиме по сигналу, снимаемому с фотодетектора квантового дискриминатора. Такой квантовый стандарт частоты характеризуется (по сравнению с прототипом) сниженными требованиями к добротности СВЧ резонатора, меньшими габаритами и массой, меньшим уровнем энергопотребления, что с учетом обеспечиваемых характеристик стабильности (на уровне прототипа) делает его перспективным для практического применения, в том числе в составе бортового оборудования.The above shows that the claimed invention is feasible and ensures the achievement of a technical result consisting in the creation of a quantum frequency standard on a gas cell with pulsed laser pumping, in which both auto-tuning rings of the tunable crystal oscillator and the laser module operate in a pulsed mode according to the signal taken from the quantum photodetector discriminator. Such a quantum frequency standard is characterized (in comparison with the prototype) with reduced requirements for the quality factor of the microwave resonator, smaller dimensions and mass, lower energy consumption, which, taking into account the provided stability characteristics (at the prototype level), makes it promising for practical use, including in the composition onboard equipment.
Источники информацииInformation sources
1. А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. // М., Сов. радио, 1978.1. A.I. Pikhtelev, A. A. Ulyanov, B. P. Fateev et al. Frequency and time standards based on quantum generators and discriminators. // M., Sov. radio, 1978.
2. F.Emma, G.Busca, P.Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp.2285-2293.2. F. Emma, G. Busca, P. Rochat. Atomic Clocks for Space Applications. // ION GPS-99 Proceedings, 1999, pp. 2285-2293.
3. RU №2220499, H03L 7/16, H01S 3/10, опубл. 27.12.2003.3. RU No. 2220499,
4. US №6300841, H03L 7/26, опубл. 09.10.2001.4. US No. 6300841,
5. US №6985043, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006.5. US No. 6985043,
6. 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.429-435.6. C. Affolderbach, F. Droz, G. Milleti. 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.
7. US №5751193, H03L 7/26, опубл. 12.05.1998.7. US No. 5751193,
8. US №5442326, H03L 7/26, опубл. 15.08.1995.8. US No. 5442326,
9. US №5656974, H03L 7/26, H03B 17/00, опубл. 12.08.1997.9. US No. 5656974,
10. DE №4306754, H03L 7/26, H01S 1/06, опубл. 21.10.1993.10. DE No. 4306754,
11. A.Godone, S.Micalizio, C.E.Calosso, and F.Levi. The pulsed rubidium clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Vol.53, No.3, March 2006, pp.525-529.11. A. Godon, S. Micalizio, C. E. Calosso, and F. Levi. The pulsed rubidium clock. // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control. Vol. 53, No.3, March 2006, pp. 525-529.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008113512/28A RU2369958C1 (en) | 2008-04-07 | 2008-04-07 | Quantum frequency standard on gas cell with pulsed laser pumping |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008113512/28A RU2369958C1 (en) | 2008-04-07 | 2008-04-07 | Quantum frequency standard on gas cell with pulsed laser pumping |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2369958C1 true RU2369958C1 (en) | 2009-10-10 |
Family
ID=41261055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008113512/28A RU2369958C1 (en) | 2008-04-07 | 2008-04-07 | Quantum frequency standard on gas cell with pulsed laser pumping |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2369958C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516535C1 (en) * | 2013-02-28 | 2014-05-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Laser optical pumping device for quantum discriminator |
-
2008
- 2008-04-07 RU RU2008113512/28A patent/RU2369958C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2516535C1 (en) * | 2013-02-28 | 2014-05-20 | Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени" | Laser optical pumping device for quantum discriminator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Laplane et al. | Multimode and long-lived quantum correlations between photons and spins in a crystal | |
| EP0414194B1 (en) | Laser pumped atomic frequency standard with high frequency stability | |
| JP5589166B2 (en) | Atomic oscillator | |
| US6333942B1 (en) | Atomic frequency standard laser pulse oscillator | |
| US9246302B2 (en) | Precision photonic oscillator and method for generating an ultra-stable frequency reference using a two-photon rubidium transition | |
| US20090289728A1 (en) | Atomic frequency standard based on phase detection | |
| EP0411131A1 (en) | Wavelength stabilized source of light | |
| US20210297085A1 (en) | Resonance Generation Method And Atomic Oscillator | |
| US20110309887A1 (en) | Atomic oscillator | |
| RU2408978C1 (en) | Quantum frequency standard on gas cell with laser optical pumping | |
| RU2369958C1 (en) | Quantum frequency standard on gas cell with pulsed laser pumping | |
| RU143081U1 (en) | QUANTUM STANDARD OF FREQUENCY OF THE OPTICAL AND MICROWAVE RANGE | |
| RU2369959C1 (en) | Quantum standard of frequency on gas cell with pulse laser pumping | |
| JP2009194418A (en) | Atomic oscillator | |
| RU75807U1 (en) | QUANTUM FREQUENCY STANDARD ON THE GAS CELL (OPTIONS) | |
| RU95907U1 (en) | QUANTUM FREQUENCY STANDARD | |
| Levi et al. | Analysis of the light shift effect in the/sup 87/Rb frequency standard | |
| RU2378756C1 (en) | Quantum frequency standard | |
| RU2312457C1 (en) | Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom | |
| RU2395900C1 (en) | Atomic beam frequency standard | |
| RU2817140C1 (en) | Small-sized atomic clock with two optical radiation detection zones | |
| CN116937294B (en) | Microwave generating device and generating method | |
| RU2714101C1 (en) | Frequency standard | |
| US11336377B1 (en) | Millimeter-wave frequency synthesizer based on microcomb photomixing, and associated methods | |
| JPH07114365B2 (en) | Laser-excited cesium atomic oscillator using optical frequency shifter |