RU2369959C1 - Quantum standard of frequency on gas cell with pulse laser pumping - Google Patents
Quantum standard of frequency on gas cell with pulse laser pumping Download PDFInfo
- Publication number
- RU2369959C1 RU2369959C1 RU2008113526/28A RU2008113526A RU2369959C1 RU 2369959 C1 RU2369959 C1 RU 2369959C1 RU 2008113526/28 A RU2008113526/28 A RU 2008113526/28A RU 2008113526 A RU2008113526 A RU 2008113526A RU 2369959 C1 RU2369959 C1 RU 2369959C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- control
- frequency
- output
- input
- 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 stabilizing frequency and can be used in quantum frequency standards for a gas cell, for example, 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 tunable 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 excitation frequency 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 photo detector, see, for example, rubidium quantum standards frequencies 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 using an electrodeless spectral lamp as an optical pumping light source is the overly 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, it 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 в газовой ячейке (Асв) (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 foпт (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 (foпт≈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).The fundamental elimination of this drawback is possible when laser optical pumping methods are used 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 spectral absorption line shape beam of optical pumping in the gas cell (A communications) (around 1000 MHz in the 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 I optical pump beam) is significantly higher than the resonance frequency f 0 determined by the resonant frequency of the spectral lines of the interaction of the working medium gas cell with excitation radio-frequency 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, Н03В 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, СЕ. 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 frequency standards on a gas cell with continuous laser pumping, are indicated in the well-known work [11] - A. Godone, S. Micalizio, CE. 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. 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 и СВЧ-циркулятором, однонаправленный вход и однонаправленный выход которого образуют соответственно СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора. В качестве рабочего вещества в газовой ячейке используется рубидий Rb87. СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора образуют соответственно СВЧ-вход и СВЧ-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 resonator with a gas cell and a microwave circulator arranged in series on the same optical axis, the unidirectional input and unidirectional output of which form the microwave input and microwave output of the microwave resonator . Rubidium Rb 87 is used as a working substance in a gas cell. The microwave input and the microwave output of the microwave resonator form the microwave input and the microwave output of the quantum discriminator, respectively. 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.
СВЧ-вход квантового дискриминатора соединен с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения, а СВЧ-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 с 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 при непрерывной работе кольца автоподстройки частоты излучения лазерного модуля.The microwave input of the quantum discriminator is connected to the output of the pulse shaper of the RF excitation signal, and the microwave 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 standard 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 provides a coordinated time separation of the processes of pulsed laser pumping and pulsed radio frequency excitation of the working substance of the gas cell of the microwave resonator and automatic tuning of the frequency of the tunable crystal oscillator with continuous oh the 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 входящих в его состав входного блока и выходного электронного ключа, где входной блок представляет собой модулирующий преобразователь частоты, реализованный, например, на основе повышающего преобразователя частоты и модулятора, при этом сигнальный и опорные входы этого 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 the driver of a pulse RF excitation signal with a frequency of T s after passing through each laser pump pulse. The carrier frequency f of the microwave microwave pulses of the 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 the signal generator of the pulse radio frequency excitation using the input unit and the output electronic key included in it, where the input unit is a modulating frequency converter, implemented, for example, on the basis of an upconverter and a modulator, while the signal and the reference inputs of this modulating frequency converter form respectively the signal and reference inputs of the signal conditioner radio frequency excitation, and the control input and output of the electronic key form respectively the control input and output of the pulse shaper of the radio frequency excitation.
Автоподстройка частоты подстраиваемого кварцевого генератора осуществляется в соответствующих временных окнах по окончанию каждой пачки СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения по сигналу, поступающему на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения с СВЧ-выхода квантового дискриминатора. Формирователь управляющего напряжения содержит входной электронный ключ и выходной блок, состоящий из гетеродинного понижающего преобразователя частоты, амплитудного детектора, синхронного детектора и интегратора, где сигнальный и управляющий входы электронного ключа образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя управляющего напряжения, опорные входы гетеродинного понижающего преобразователя частоты и синхронного детектора образуют опорные входы формирователя управляющего напряжения, а выход интегратора 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 a signal supplied to the signal input of the control voltage driver from the microwave output of the quantum discriminator. The control voltage generator comprises an input electronic switch and an output unit consisting of a local oscillating step-down frequency converter, an amplitude detector, a synchronous detector and an integrator, where the signal and control inputs of the electronic switch form the signal and control inputs of the control voltage generator, the reference inputs of the local oscillator lowering frequency converter, and synchronous detector form the reference inputs of the driver of the control voltage, and the output of the integrator forms an output control voltage generator.
Сигнал, поступающий на сигнальный вход формирователя управляющего напряжения с СВЧ-выхода квантового дискриминатора, представляет собой отклик СВЧ-резонатора на СВЧ-импульсы радиочастотного возбуждения и несет 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. В формирователе управляющего напряжения этот сигнал проходит через входной электронный ключ, периоды замкнутого состояния которого определяют временные окна для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, и поступает в выходной блок. В выходном блоке сигнал, прошедший через электронный ключ, преобразуется по частоте с помощью гетеродинного понижающего преобразователя частоты, затем детектируется с помощью амплитудного детектора с выделением гармоники с частотой fнч, далее синхронно детектируется относительно опорного сигнала с частотой fнч с выделением сигнала рассогласования, величина и знак которого характеризуют величину и знак отклонения частоты fсвч от частоты f0, после чего полученный сигнал рассогласования интегрируется, образуя выходной сигнал формирователя управляющего напряжения. Необходимые для работы электронного ключа, гетеродинного понижающего преобразователя частоты и синхронного детектора управляющий и опорные сигналы поступают с соответствующих выходов блока формирования опорных и управляющих сигналов.The signal supplied to the signal input of the driver of the control voltage from the microwave output of the quantum discriminator is the response of the microwave resonator to microwave pulses of radio frequency excitation and carries information about the deviation of the current value of the carrier frequency f microwave from the reference - the resonant frequency f 0 of the spectral circuit lines of interaction of the working substance of the gas cell with a radio frequency excitation signal. In the driver of the control voltage, this signal passes through the input electronic key, the periods of the closed state of which determine the time windows for automatic tuning of the frequency of the tuned crystal oscillator, and enters the output unit. In the output unit, the signal transmitted through the electronic switch is frequency-converted using a local oscillating down-converter, then it is detected using an amplitude detector with the release of harmonics with a frequency of f low , then it is synchronously detected relative to a reference signal with a frequency of f low and a mismatch signal is extracted , the value and the sign of which characterize the magnitude and sign of the frequency deviation f microwave frequency f 0, and the resulting error signal is integrated to form the output signal is generated STUDIO control voltage. The control and reference signals necessary for the operation of the electronic switch, the local oscillating down-converter, and the synchronous detector are received from the corresponding outputs of the reference and control signal generation unit.
Сигнал с выхода формирователя управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора, изменяя частоту его выходного сигнала 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 с эталоном - стабильной частотой f0.The signal from the output of the driver of the control voltage is supplied to the control input of the tunable crystal oscillator, changing the frequency of its output signal 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 adjusting 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 the standard - a stable frequency f 0 .
При этом за счет разделения во времени СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения, импульсов лазерной накачки и промежутков времени (временных окон), используемых 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) used to automatically adjust the frequency of the tuned crystal 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 values 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 is the width of the spectral line of the interaction of the working substance of the gas cell with the microwave signal of radio frequency excitation during continuous operation, t 1 is the duration of the microwave pulse of the radio frequency excitation, T 1 is the 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 to the continuous mode of operation) coupling between optical and microwave coherence, while the dependence of the frequency f 0 from 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, содержащего 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.Long-term stability of the quantum frequency standard is ensured at a stable 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 coupled 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.
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, используя при этом в качестве эталона газовую ячейку СВЧ-резонатора квантового дискриминатора. Такой квантовый стандарт частоты по сравнению с прототипом отличается меньшим уровнем энергопотребления и меньшими габаритами и массой, 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-frequency rings of the tunable crystal oscillator and laser module operate in a pulsed mode, using a microwave cell as a reference resonator quantum discriminator. Such a quantum frequency standard, in comparison with the prototype, is characterized by a lower level of energy consumption and smaller dimensions and mass, which, taking into account the provided stability characteristics (at the prototype level), makes it promising for practical use, including as part of on-board 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, при этом СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора, образующие СВЧ-вход и СВЧ-выход квантового дискриминатора, соединены соответственно с выходом формирователя сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и сигнальным входом формирователя управляющего напряжения, 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. В отличие от прототипа квантовый дискриминатор дополнительно содержит расположенный на одной оптической оси с СВЧ-резонатором фотодетектор, выход которого, образующий дополнительный выход квантового дискриминатора, соединен 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 первым 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 microwave input and microwave output of the microwave resonator forming the microwave input and microwave output of the quantum discriminator, respectively connected to the output the pulse shaper of the pulse RF excitation and the signal input of the driver of the control voltage, the control input of the optical switch forming the first control input of the quantum discriminator, soy dinene with 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 control current driver, and the second and third control outputs of the reference and control signal generation unit are connected respectively to the control input of the signal conditioner pulse radio frequency excitation and the control input of the control voltage driver. 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 additional output of the quantum discriminator, is connected 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, the synchronous detection and integration unit, PORN input of which it 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 first 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, гдеThe invention and the possibility of its implementation are illustrated by the illustrative materials presented in FIG. 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 cell frequency standard on a pulsed laser pumped gas cell (hereinafter, the quantum frequency standard) contains, see FIG. 1, a tunable quartz oscillator 1, a pulse-frequency
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 СВЧ-вход и СВЧ-выход, выполненные, например, в виде петель или щелей связи. СВЧ-вход и СВЧ-выход СВЧ-резонатора 7 образуют соответственно СВЧ-вход и СВЧ-выход 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 дополнительный выход квантового дискриминатора 3.The
СВЧ-вход и СВЧ-выход квантового дискриминатора 3 соединены соответственно с выходом формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения и сигнальным входом формирователя 4 управляющего напряжения.The microwave input and microwave output 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, сигнальный вход которого соединен с дополнительным выходом квантового дискриминатора 3.The second control input 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 выполнен аналогично прототипу и содержит входной блок 12 и выходной электронный ключ 13. Входной блок 12 служит для модулирующего преобразования частоты, его сигнальный и опорные входы образуют соответственно сигнальный и опорные входы формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения. Выходной электронный ключ 13 служит для формирования СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения, его управляющий вход и выход образуют соответственно управляющий вход и выход формирователя 2 сигнала импульсного радиочастотного возбуждения.The
Формирователь 4 управляющего напряжения выполнен аналогично прототипу и содержит входной электронный ключ 14 и выходной блок 15. Входной электронный ключ 14 служит для формирования временных окон, предназначенных для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1, его сигнальный и управляющий входы образуют соответственно сигнальный и управляющий входы формирователя 4 управляющего напряжения. Выходной блок 15 служит для гетеродинного понижающего преобразования частоты, амплитудного детектирования, синхронного детектирования и интегрирования, его опорные входы и выход образуют соответственно опорные входы 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 выходного 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 первым 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 длительностью tp, 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 входного блока 12, где он 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. Автоподстройка происходит во временных окнах длительностью td, когда отсутствуют лазерная накачка и радиочастотное возбуждение. 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 периоды, когда электронный ключ 14 открыт, на сигнальный вход выходного блока 15 формирователя 4 управляющего напряжения поступает сигнал с СВЧ-выхода квантового дискриминатора 3. Этот сигнал представляет собой отклик СВЧ-резонатора 7 на произведенное перед этим радиочастотное возбуждение и несет в себе 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. В блоке 15 этот сигнал преобразуется по частоте с помощью гетеродинного понижающего преобразователя частоты, детектируется с помощью амплитудного детектора с выделением гармоники с частотой fнч, далее 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 is tuned to adjust the crystal oscillator 1. Auto-tuning occurs in time windows of duration t d when there is no laser pumping and radio frequency excitation. These time windows are formed using the input
Выходной сигнал формирователя 4 управляющего напряжения поступает на управляющий вход подстраиваемого кварцевого генератора 1, изменяя частоту его выходного сигнала в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты fсвч к частоте f0. Тем самым осуществляется процесс автоподстройки и стабилизации частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора 1 (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии со стабильной частотой f0.The output signal of the
При этом, как и в прототипе, за счет разделения во времени СВЧ-импульсов радиочастотного возбуждения, импульсов лазерной накачки и временных окон, отведенных для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора, 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»). Все это положительно сказывается на работе кольца автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1, обеспечивая возможность получения тех же характеристик стабильности квантового стандарта частоты, что и в прототипе.In this case, as in the prototype, due to the time separation of microwave pulses of radio frequency excitation, laser pump pulses and time windows reserved for auto-tuning the frequency of the tunable quartz oscillator, Ramsey contraction of the spectral line profile of the working substance 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 СВЧ-резонатора 7 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 во временных окнах, формируемых вслед за временными окнами, отведенными для автоподстройки частоты подстраиваемого кварцевого генератора 1. Эти временные окна совпадают с импульсами лазерной накачки и имеют ту же длительность tp. Формируются эти временные окна с помощью входного электронного ключа 18 формирователя 11 управляющего тока, переключаемого синхронно с оптическим переключателем 6 под воздействием управляющего сигнала, поступающего с первого управляющего выхода блока 10 формирования опорных и управляющих сигналов (фиг.2а). В периоды, когда электронный ключ 18 открыт, через него на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования поступает сигнал с дополнительного выхода квантового дискриминатора 3, т.е. с выхода фотодетектора 9. На основе этого сигнала с помощью блока 19 синхронного детектирования и интегрирования и сумматора 20 формируется управляющий ток (выходной сигнал формирователя 11 управляющего тока), 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. 2г) на основе периодического импульсного сигнала, поступающего с выхода делителя частоты 22 (фиг.2д). В свою очередь выходной сигнал делителя частоты 22 формируется на основе 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.2д). Этот же удвоенный период имеет и импульсный ток типа «меандр», формируемый формирователем импульсов 23 (фиг.2г).Auto-tuning of the radiation frequency of the
Под действием управляющего тока, поступающего на управляющий вход лазерного модуля 5, частота его излучения приобретает пульсирующий вид, характеризуемый девиацией частоты 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 длительностью tp с поочередно изменяющейся девиацией частоты на величину , что проиллюстрировано на фиг.3. Средняя частота fсв импульсов лазерной накачки соответствует резонансной частоте fопт контура Асв спектральной линии поглощения света лазерной накачки в газовой ячейке 8, а девиация частоты 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 foпт 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
Информация об отклонении среднего значения частоты лазерного излучения fсв относительно резонансной частоты fопт, содержащаяся в импульсах выходного сигнала фотодетектора 9, прошедших через электронный ключ 18 на сигнальный вход блока 19 синхронного детектирования и интегрирования, выделяется в нем в виде сигнала рассогласования с помощью синхронного детектирования. 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 выходного сигнала делителя частоты 22 (т.е. периоду 2Тс), 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.Information about the deviation of the average value of the laser radiation frequency f s relative to the resonant frequency f opt contained in the pulses of the output signal of the photodetector 9, passed through an electronic key 18 to the signal input of the synchronous detection and
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 автоподстройки и стабилизации среднего значения частоты излучения лазерного модуля 5 с использованием в качестве эталона газовой ячейки 8, входящей в состав СВЧ-резонатора 7 квантового дискриминатора 3.Under the action of the output signal of the driver of the control current 11, the radiation frequency 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: Тс = 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 находиться 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 tunable crystal oscillator 1 and the radiation 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, используя при этом в качестве эталона газовую ячейку СВЧ-резонатора квантового дискриминатора. Такой квантовый стандарт частоты характеризуется (по сравнению с прототипом) меньшим уровнем энергопотребления и меньшими габаритами и массой, что с учетом обеспечиваемых характеристик стабильности (как в прототипе) 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, using as a reference gas cell of a microwave resonator of a quantum discriminator. Such a quantum frequency standard is characterized (in comparison with the prototype) with a lower level of energy consumption and smaller dimensions and mass, which, taking into account the provided stability characteristics (as in the prototype), makes it promising for practical use, including as part of on-board 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. Standards of frequency and time 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, H01S 1/06, publ. 01/10/2006.
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. 429-435.6. 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.
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. 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.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008113526/28A RU2369959C1 (en) | 2008-04-07 | 2008-04-07 | Quantum standard of frequency on gas cell with pulse laser pumping |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2008113526/28A RU2369959C1 (en) | 2008-04-07 | 2008-04-07 | Quantum standard of frequency on gas cell with pulse laser pumping |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2369959C1 true RU2369959C1 (en) | 2009-10-10 |
Family
ID=41261056
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2008113526/28A RU2369959C1 (en) | 2008-04-07 | 2008-04-07 | Quantum standard of frequency on gas cell with pulse laser pumping |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2369959C1 (en) |
-
2008
- 2008-04-07 RU RU2008113526/28A patent/RU2369959C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6333942B1 (en) | Atomic frequency standard laser pulse oscillator | |
US8314661B2 (en) | Atomic oscillator | |
CN103684450A (en) | Method for outputting standard frequency of coherent population beat-frequency atomic clock | |
EP0411131A1 (en) | Wavelength stabilized source of light | |
RU2408978C1 (en) | Quantum frequency standard on gas cell with laser optical pumping | |
US7026594B2 (en) | Method and device for producing radio frequency waves | |
WO2014034955A1 (en) | Atomic oscillator and interrogation method of coherent population trapping resonance | |
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 | |
RU2369958C1 (en) | Quantum frequency standard on gas cell with pulsed laser pumping | |
JP2009194418A (en) | Atomic oscillator | |
RU75807U1 (en) | QUANTUM FREQUENCY STANDARD ON THE GAS CELL (OPTIONS) | |
RU2426226C1 (en) | Quantum frequency standard | |
RU2378756C1 (en) | Quantum frequency standard | |
Levi et al. | Analysis of the light shift effect in the/sup 87/Rb frequency standard | |
RU95907U1 (en) | QUANTUM FREQUENCY STANDARD | |
US10333537B2 (en) | Atomic oscillator and a method of generating atomic oscillation | |
CN116937294B (en) | Microwave generating device and generating method | |
RU2395900C1 (en) | Atomic beam frequency standard | |
RU2312457C1 (en) | Method for forming support resonance on ultra-thin transitions of main state of alkali metal atom | |
RU2714101C1 (en) | Frequency standard | |
RU111728U1 (en) | LIGHT SHIFT COMPENSATION DEVICE IN FREQUENCY STANDARDS BASED ON ATOMIC TRANSITIONS | |
RU143824U1 (en) | QUANTUM STANDARD OF FREQUENCY OF THE OPTICAL AND MICROWAVE RANGE | |
JPH0216784A (en) | Photofrequency standard device | |
RU75808U1 (en) | QUANTUM FREQUENCY STANDARD (OPTIONS) |