RU2516535C1

RU2516535C1 - Laser optical pumping device for quantum discriminator

Info

Publication number: RU2516535C1
Application number: RU2013109049/08A
Authority: RU
Inventors: Владимир Игоревич Петров; Вадим Степанович Жолнеров
Original assignee: Открытое акционерное общество "Российский институт радионавигации и времени"
Priority date: 2013-02-28
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2014-05-20

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: device comprises optically linked laser emitter, optical frequency correction module with a Y-shaped optical splitter at the output and a quantum discriminator, the output of which is connected through a photodetector to the signal input of a feedback unit, the output of which is connected to the control input of the optical frequency correction module, and the feedback unit comprises a synchronous detector, an integrator, a frequency grid synthesiser, a controlled buffer amplifier, a modulation signal generator, a level setter and a differential amplifier.

EFFECT: improved noise properties owing to use of a low-noise circuit for stabilising optical pumping light frequency.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в устройствах лазерной оптической накачки квантовых дискриминаторов, применяемых в квантовых стандартах частоты.The invention relates to quantum electronics and can be used in laser optical pumping devices of quantum discriminators used in quantum frequency standards.

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.5-9,75-108. Квантовый дискриминатор представляет собой квантовое устройство, отвечающее резонансным откликом на сигнал подводимого радиочастотного возбуждения, что позволяет осуществлять сравнение частоты подводимого сигнала радиочастотного возбуждения с собственной резонансной частотой квантового дискриминатора - частотой спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу атомов используемого рабочего вещества. В квантовых стандартах частоты указанный сигнал радиочастотного возбуждения формируется в соответствии с частотой выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора с определенным пересчетным коэффициентом, а результат сравнения частоты подводимого сигнала радиочастотного возбуждения с частотой спектральной линии квантового дискриминатора - сигнал рассогласования - используется для формирования управляющего сигнала для подстраиваемого кварцевого генератора. Необходимым условием работы квантового дискриминатора и формирования в нем эффективной резонансной характеристики является наличие инверсной разности населенностей между энергетическими уровнями атомов на частоте используемого квантового перехода, что создается путем оптической накачки - воздействием света определенного спектра на рабочее вещество квантового дискриминатора.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. 5-9.75-108. A quantum discriminator is a quantum device that responds with a resonant response to the input radio frequency excitation signal, which allows you to compare the frequency of the input radio frequency excitation signal with the natural resonant frequency of the quantum discriminator - the frequency of the spectral line corresponding to a certain quantum transition of atoms of the working substance used. In quantum frequency standards, the specified RF excitation signal is generated in accordance with the frequency of the output signal of the tunable crystal oscillator with a specific conversion factor, and the result of comparing the frequency of the input RF signal with the frequency of the spectral line of the quantum discriminator — the error signal — is used to generate a control signal for the tunable crystal oscillator . A necessary condition for the operation of a quantum discriminator and the formation of an effective resonant characteristic in it is the presence of an inverse population difference between the energy levels of atoms at the frequency of the used quantum transition, which is created by optical pumping - by the action of light of a certain spectrum on the working substance of the quantum discriminator.

Известны квантовые стандарты частоты, в которых оптическая накачка рабочего вещества квантового дискриминатора осуществляется с помощью безэлектродной спектральной лампы, см., например, патенты: [2] - US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, 28.04.1987; [3] - US 5491451, H03L 7/26, 13.02.1996; [4] - US 6985043, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.9. Недостатком такой оптической накачки является чрезмерно широкий спектр оптического излучения, обогащенный нерезонансными спектральными линиями рабочего вещества и буферного газа безэлектродной спектральной лампы, что размывает резонансную характеристику квантового дискриминатора, увеличивает шумовую составляющую его выходного сигнала и, соответственно, нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, являющегося выходным сигналом квантового стандарта частоты.There are known quantum frequency standards in which the optical pumping of the working substance of a quantum discriminator is carried out using an electrodeless spectral lamp, see, for example, patents: [2] - US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, 28.04 .1987; [3] - US 5491451, H03L 7/26, 02/13/1996; [4] - US 6985043, H01S 1/06, 01/10/2006, Fig. 9. The disadvantage of this optical pumping is an excessively wide spectrum of optical radiation, enriched with non-resonant spectral lines of the working substance and buffer gas of an electrodeless spectral lamp, which erodes the resonant characteristic of the quantum discriminator, increases the noise component of its output signal and, accordingly, the frequency instability of the output signal of the tunable crystal oscillator, which is output signal of a quantum frequency standard.

Стремление сузить спектр оптического излучения, предназначенного для оптической накачки квантового дискриминатора, привело к предложению использовать для этих целей лазерное излучение, например излучение полупроводникового лазера (лазерного диода), который, при условии стабилизации частоты его излучения, облучает квантовый переход рабочего вещества квантового дискриминатора когерентным светом строго определенной длины волны, соответствующей частоте спектральной линии рабочего вещества квантового дискриминатора. При этом имеет место отсутствие нерезонансных линий излучения и чрезмерной засветки рабочего вещества, присущих традиционным квантовым стандартам частоты с оптической накачкой при помощи спектральной лампы [2]÷[4], что призвано снизить шумовую составляющую выходного сигнала квантового дискриминатора и, соответственно, нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.The desire to narrow the spectrum of optical radiation intended for optical pumping of a quantum discriminator has led to the proposal to use laser radiation for this purpose, for example, radiation from a semiconductor laser (laser diode), which, provided that its frequency is stabilized, irradiates the quantum transition of the working substance of the quantum discriminator with coherent light strictly defined wavelength corresponding to the frequency of the spectral line of the working substance of the quantum discriminator. In this case, there is a lack of non-resonant emission lines and excessive illumination of the working substance inherent in traditional quantum frequency standards with optical pumping using a spectral lamp [2] ÷ [4], which is designed to reduce the noise component of the output signal of the quantum discriminator and, accordingly, the instability of the frequency of the output signal tunable crystal oscillator.

Эффект от использования лазерной оптической накачки квантового дискриминатора обеспечивается только в условиях высокой стабильности частоты оптического излучения, поступающего на оптический вход квантового дискриминатора, что представляет собой серьезную техническую проблему. Дело в том, что частота излучения полупроводникового лазера (лазерного диода) чрезвычайно сильно зависит от температуры. Так, типовое значение температурного коэффициента перестройки частоты лазерного диода, пригодного для целей лазерной оптической накачки, составляет 25 ГГц/°C. В случае реализации квантового дискриминатора на газовой ячейке, например рубидиевой ячейки с шириной оптической линии 700 МГц (типовое значение), для сканирования всей оптической линии достаточно изменения температуры на 2,8·10^-2 °C. В случае же использования для целей квантового дискриминирования атомно-лучевой трубки, имеющей ширину оптической линии всего 10 МГц, для полного сканирования оптической линии достаточно изменения температуры на 4·10^-4 °C. Поддержание стабильной температуры с точностью, достаточной для удержания частоты лазерного диода вблизи вершины соответствующей оптической линии квантового дискриминатора, невозможно обычными средствами температурной стабилизации на основе термоконтроллеров, что вынуждает оснащать устройства лазерной оптической накачки дополнительными средствами стабилизации частоты оптического излучения.The effect of using laser optical pumping of a quantum discriminator is provided only under conditions of high stability of the frequency of the optical radiation supplied to the optical input of the quantum discriminator, which is a serious technical problem. The fact is that the radiation frequency of a semiconductor laser (laser diode) is extremely dependent on temperature. So, the typical value of the temperature coefficient of the tuning frequency of the laser diode, suitable for laser optical pumping, is 25 GHz / ° C. In the case of the implementation of a quantum discriminator on a gas cell, for example a rubidium cell with an optical line width of 700 MHz (typical value), a temperature change of 2.8 · 10 ^-2 ° C is sufficient to scan the entire optical line. In the case of using for the purposes of quantum discrimination an atomic ray tube having an optical line width of only 10 MHz, a temperature change of 4 · 10 ^-4 ° C is sufficient for a full scan of the optical line. Maintaining a stable temperature with an accuracy sufficient to keep the frequency of the laser diode near the top of the corresponding optical line of the quantum discriminator is not possible by conventional temperature stabilization methods based on thermal controllers, which makes it necessary to equip laser optical pumping devices with additional means of stabilizing the frequency of optical radiation.

Известно устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, в котором источник излучения оптической накачки представляет собой комбинацию лазерного диода и пьезоэлектрических преобразователей, выполненных на общей подложке, что обеспечивает возможность изменения частоты и амплитуды излучения оптической накачки под действием управляющих сигналов, формируемых цепью обратной связи, см. патенты [5] - US 4935935, H01S 3/19, H01L 23/42, 19.06.1990 и [6] - US 5442326, H03L 7/26, 15.08.1995. Однако такое устройство сложно в изготовлении, имеет увеличенные габариты, что ограничивает область его возможного применения.A device for laser optical pumping of a quantum discriminator is known, in which the optical pump radiation source is a combination of a laser diode and piezoelectric transducers made on a common substrate, which makes it possible to change the frequency and amplitude of the optical pump radiation under the action of control signals generated by the feedback circuit, see patents [5] - US 4935935, H01S 3/19, H01L 23/42, 06/19/1990 and [6] - US 5442326, H03L 7/26, 08/15/1995. However, such a device is difficult to manufacture, has increased dimensions, which limits the scope of its possible application.

Известны устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, в которых источник излучения оптической накачки содержит лазерный диод, управление частотой излучения которого осуществляется путем изменения тока инжекции, см., например, патенты: [7] - US 5148437, H01S 3/13, 15.09.1992, Fig.1A, 1B, 2; [8] - RU 2369958, H03L 7/26, H01S 1/06, 10.10.2009; [9] - RU 2369959, H03L 7/26, H01S 1/06, 10.10.2009; [10] - RU 2395900, H03L 7/26, 27.07.2010; [11] - RU 2395901, H03L7/26, 27.07.2010. Такие устройства проще в реализации и имеют меньшие габариты по сравнению с устройствами, описанными в [5] и [6], что расширяет область их возможного использования.Known devices for laser optical pumping of a quantum discriminator, in which the optical pump radiation source contains a laser diode, the radiation frequency of which is controlled by changing the injection current, see, for example, patents: [7] - US 5148437, H01S 3/13, 09/15/1992 Fig. 1A, 1B, 2; [8] - RU 2369958, H03L 7/26, H01S 1/06, 10/10/2009; [9] - RU 2369959, H03L 7/26, H01S 1/06, 10/10/2009; [10] - RU 2395900, H03L 7/26, 07.27.2010; [11] - RU 2395901, H03L7 / 26, 07.27.2010. Such devices are easier to implement and have smaller dimensions compared to the devices described in [5] and [6], which expands the scope of their possible use.

Однако применение таких устройств в квантовых стандартах частоты не позволяет достичь потенциально возможных значений нестабильности частоты выходного сигнала из-за невозможности в полной мере застабилизировать параметры излучения оптической накачки. Дело в том, что изменение тока инжекции лазерного диода влияет не только на параметры светового излучения, но, в существенно большей степени, на тепловое излучение (на световое излучение приходится всего лишь порядка 10% излучаемой мощности, а на тепловое - оставшиеся 90%). При использовании стандартных лазерных излучателей на основе лазерных диодов (например типа ИЛПН-245), работающих при токе инжекции порядка 50 мА и имеющих падение напряжения на p-n переходе порядка 2,1 B, общая выделяемая мощность лазерного диода составляет порядка 105 мВт, при этом на световое излучение приходится 10 мВт, а на тепловое 95 мВт. При собственных габаритах лазерного диода менее 1 мм³ и массе менее 0,5 г этой мощности достаточно для того, чтобы при отсутствии эффективного теплоотвода разрушить кристалл лазерного диода. Поэтому в практических реализациях для обеспечения работоспособности и предотвращения выхода на критические тепловые режимы лазерные излучатели устанавливаются на теплоотводящее основание и оснащаются устройствами термостатирования (термоконтроллерами), обычно на основе элементов Пельтье. При этом, однако, сохраняется зависимость изменения тепловыделения лазерного диода от тока инжекции, приводящая к тому, что любое изменение тока инжекции вызывает изменение тепловыделения лазерного диода и, соответственно, тепловое расширение его кристалла, что приводит к геометрическим изменениям его внутреннего резонатора и, как следствие, изменению частоты излучения. При этом интенсивность излучения также подвержена пропорциональным изменениям, что проявляется как паразитная амплитудная модуляция света. О вредном влиянии паразитной амплитудной модуляции света на стабильность частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты на газовой ячейке указывается, в частности, в [1, с.95]. Отмечается, что частота спектральной линии зависит от интенсивности света накачки и этот сдвиг частоты может быть в пределах нескольких единиц на 10^-10 при изменении интенсивности света накачки на 1%. Поэтому нестабильность частоты 10^-12 можно получить при нестабильности света накачки порядка 10^-4, что достижимо только при стабилизации света накачки с помощью соответствующей обратной связи. Это подтверждается исследованиями реальных схем квантовых стандартов частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой, использующих автоподстройку частоты лазерного диода путем изменения тока инжекции, в которых имеет место изменение интенсивности света оптической накачки на уровне 3·10^-4, что дает сдвиг частоты подстраиваемого кварцевого генератора стандарта частоты на уровне 3·10^-12÷6·10^-12.However, the use of such devices in quantum frequency standards does not allow to reach the potentially possible instability of the frequency of the output signal due to the inability to fully stabilize the optical pump radiation parameters. The fact is that a change in the injection current of a laser diode affects not only the parameters of light radiation, but, to a much greater extent, thermal radiation (light radiation accounts for only about 10% of the radiated power, and thermal radiation accounts for the remaining 90%). When using standard laser emitters based on laser diodes (for example, ILPN-245 type) operating at an injection current of about 50 mA and having a voltage drop at the pn junction of about 2.1 V, the total emitted power of the laser diode is about 105 mW, while light radiation accounts for 10 mW, and thermal radiation accounts for 95 mW. With its own dimensions of the laser diode less than 1 mm ³ and a mass of less than 0.5 g, this power is enough to destroy the laser diode crystal in the absence of an effective heat sink. Therefore, in practical implementations, to ensure operability and to prevent critical thermal conditions from reaching, the laser emitters are installed on a heat sink and are equipped with thermostatic control devices (thermocontrollers), usually based on Peltier elements. In this case, however, the dependence of the change in heat dissipation of the laser diode on the injection current is preserved, which leads to the fact that any change in the injection current causes a change in the heat release of the laser diode and, accordingly, thermal expansion of its crystal, which leads to geometric changes in its internal resonator and, as a result , changing the frequency of radiation. In this case, the radiation intensity is also subject to proportional changes, which manifests itself as parasitic amplitude modulation of light. The harmful effect of spurious amplitude light modulation on the frequency stability of the output signal of a quantum frequency standard on a gas cell is indicated, in particular, in [1, p. 95]. It is noted that the frequency of the spectral line depends on the intensity of the pump light, and this frequency shift can be within a few units by 10 ^-10 when the pump light intensity changes by 1%. Therefore, a frequency instability of 10 ⁻¹² can be obtained with instability of the pump light of the order of 10 ⁻⁴ , which is achievable only when the pump light is stabilized using the corresponding feedback. This is confirmed by studies of real schemes of quantum frequency standards on a gas cell with laser optical pumping, using auto-tuning of the frequency of the laser diode by changing the injection current, in which there is a change in the optical pumping light intensity at a level of 3 · 10 ^-4 , which gives a frequency shift of the tunable crystal oscillator frequency standard at the level of 3 · 10 ^-12 ÷ 6 · 10 ^-12 .

Таким образом, совокупность указанных негативных факторов определяет предел возможности стабилизации частоты излучения лазерного диода при использовании метода регулирования частоты излучения посредством изменения тока инжекции, что лишает возможности приблизиться к теоретической стабильности частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты 1·10^-14.Thus, the totality of these negative factors determines the limit of the possibility of stabilizing the radiation frequency of the laser diode when using the method of controlling the radiation frequency by changing the injection current, which makes it impossible to approach the theoretical frequency stability of the output signal of a quantum standard of frequency 1 · 10 ^-14 .

В качестве прототипа выбрано известное из патента [12] - US 5656974, H03B 17/00, H03L 7/26, 12.08.1997 устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора квантового стандарта частоты, представленное обобщенной функциональной схемой, в которой реализован принцип стабилизации частоты излучения лазерного диода посредством управления током инжекции и температурой.As a prototype, a laser optical pumping device of a quantum discriminator of a quantum frequency standard, represented by a generalized functional scheme in which the principle of stabilization of the frequency of laser radiation is implemented, is known from patent [12] - US 5656974, H03B 17/00, H03L 7/26, 08/12/1997 diode by controlling the injection current and temperature.

Устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, принятое в качестве прототипа, содержит лазерный излучатель, выход которого оптически связан с помощью оптоволокна с входом оптической накачки квантового дискриминатора, выход которого через фотодетектор связан с сигнальным входом блока обратной связи, выход которого связан с управляющим входом лазерного излучателя.The quantum discriminator laser optical pump device, adopted as a prototype, comprises a laser emitter, the output of which is optically coupled with an optical fiber to the quantum discriminator optical pump input, the output of which through the photodetector is connected to the signal input of the feedback unit, the output of which is connected to the control input of the laser emitter .

Квантовый дискриминатор в примере выполнения, представленном в [12], выполнен на газовой ячейке. Также возможно выполнение квантового дискриминатора на основе атомно-лучевой трубки.The quantum discriminator in the exemplary embodiment presented in [12] is made on a gas cell. It is also possible to perform a quantum discriminator based on an atomic beam tube.

Лазерный излучатель содержит лазерный диод с фокусирующим устройством, обеспечивающим ввод светового излучения в оптоволокно, а также блок термостатирования на основе элементов Пельтье. Управляющие входы лазерного диода и блока термостатирования образуют управляющий вход лазерного излучателя, связанный с выходом блока обратной связи.The laser emitter contains a laser diode with a focusing device that provides input of light into the optical fiber, as well as a temperature control unit based on Peltier elements. The control inputs of the laser diode and thermostatic control unit form the control input of the laser emitter associated with the output of the feedback unit.

Лазерный излучатель формирует оптическое излучение для оптической накачки квантового дискриминатора.A laser emitter generates optical radiation for optical pumping of a quantum discriminator.

Блок обратной связи формирует ток инжекции лазерного диода и ток питания для элементов Пельтье блока термостатирования, обеспечивая за счет этого стабилизацию частоты формируемого лазерным диодом оптического излучения. При этом при формировании указанных сигналов обратной связи используются резонансные свойства квантового дискриминатора, позволяющие выявлять отклонения частоты оптического излучения, поступающего на вход оптической накачки квантового дискриминатора, от оптической резонансной частоты квантового дискриминатора.The feedback unit generates the injection current of the laser diode and the supply current for the Peltier elements of the temperature control unit, thereby stabilizing the frequency of the optical radiation generated by the laser diode. In this case, in the formation of these feedback signals, the resonant properties of the quantum discriminator are used, which make it possible to detect deviations of the frequency of the optical radiation entering the optical pump of the quantum discriminator from the optical resonant frequency of the quantum discriminator.

В условиях стабилизации частоты излучения оптической накачки квантовый дискриминатор реализует функцию высокостабильного высокодобротного резонансного элемента, обеспечивающего функционирование цепи автоподстройки частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты).Under conditions of stabilization of the optical pump radiation frequency, the quantum discriminator implements the function of a highly stable high-Q resonant element, which ensures the functioning of the self-tuning frequency circuit of the output signal of the tunable crystal oscillator (output signal of the quantum frequency standard).

Однако, как показала практика, рассмотренная схема стабилизации частоты лазерного диода, основанная на изменении его тока инжекции, даже с учетом терморегулирования не позволяет получить параметры стабильности квантового стандарта частоты, приближающиеся к желаемым значениям порядка 1·10^-14. Как уже указывалось, это связано с имеющей место зависимостью изменений параметров тепловыделения лазерного диода (сильнейший дестабилизирующий фактор) от изменений тока инжекции. Иными словами, схема автоподстройки частоты излучения лазерного диода, основанная на изменении тока инжекции, в определенной мере сама является источником нестабильности из-за своего влияния на параметры тепловыделения лазерного диода, что негативно сказывается на шумовой составляющей выходного сигнала квантового дискриминатора и, как следствие, на стабильности квантового стандарта частоты.However, as practice has shown, the considered stabilization scheme of the frequency of the laser diode, based on a change in its injection current, even taking into account thermal regulation, does not allow one to obtain stability parameters of the quantum frequency standard, approaching the desired values of the order of 1 · 10 ^-14 . As already indicated, this is due to the dependence of changes in the heat release parameters of the laser diode (the strongest destabilizing factor) on changes in the injection current. In other words, the auto-tuning circuit of the laser diode radiation frequency, based on a change in the injection current, to a certain extent is itself a source of instability due to its influence on the heat generation parameters of the laser diode, which negatively affects the noise component of the output signal of the quantum discriminator and, as a result, stability of the quantum frequency standard.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, характеризующегося улучшенными шумовыми свойствами, обеспечиваемыми за счет применения малошумящей схемы стабилизации частоты света оптической накачки на основе оптического преобразования частоты взамен традиционной схемы, основанной на управлении током инжекции лазерного диода.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to provide a laser optical pumping device of a quantum discriminator, characterized by improved noise properties provided by the use of a low-noise optical pump frequency stabilization circuit based on optical frequency conversion instead of the traditional scheme based on control of the laser injection current diode.

Сущность изобретения заключается в следующем. Устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора содержит оптически связанные лазерный излучатель и квантовый дискриминатор, выход которого через фотодетектор связан с сигнальным входом блока обратной связи. В отличие от прототипа оптическая связь лазерного излучателя с квантовым дискриминатором осуществлена через оптический модуль коррекции частоты, управляющий вход которого связан с выходом блока обратной связи, а выход через Y-образный оптический разветвитель связан с входом оптической накачки квантового дискриминатора и входом дополнительного фотодетектора, выход которого связан с дополнительным входом блока обратной связи. При этом блок обратной связи содержит последовательно соединенные синхронный детектор, сигнальный вход которого образует сигнальный вход блока обратной связи, интегратор, синтезатор сетки частот и управляемый буферный усилитель, выход которого образует выход блока обратной связи, а также генератор сигнала модуляции, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора и модулирующим входом синтезатора сетки частот, и последовательно соединенные задатчик уровня и дифференциальный усилитель, выход которого соединен с управляющим входом управляемого буферного усилителя, а сигнальный вход образует дополнительный вход блока обратной связи.The invention consists in the following. The laser optical pumping device of the quantum discriminator comprises an optically coupled laser emitter and a quantum discriminator, the output of which is connected through a photodetector to the signal input of the feedback unit. In contrast to the prototype, the laser emitter is coupled with a quantum discriminator through an optical frequency correction module, the control input of which is connected to the output of the feedback unit, and the output through the Y-shaped optical splitter is connected to the optical pump input of the quantum discriminator and the input of an additional photodetector, the output of which connected to the additional input of the feedback block. Moreover, the feedback unit contains a synchronous detector connected in series, the signal input of which forms the signal input of the feedback unit, an integrator, a frequency synthesizer and a controlled buffer amplifier, the output of which forms the output of the feedback unit, as well as a modulation signal generator, the output of which is connected to the reference the input of the synchronous detector and the modulating input of the frequency grid synthesizer, and the level adjuster and differential amplifier connected in series to the control yayuschim control input of the buffer amplifier and the input signal forms a further input feedback unit.

В предпочтительных вариантах реализации оптический модуль коррекции частоты выполнен в виде акустооптического модулятора и состыкованного с ним фокусирующего конуса, при этом оптический и управляющий входы акустооптического модулятора образуют, соответственно, оптический и управляющий входы оптического модуля коррекции частоты, а выход фокусирующего конуса - выход оптического модуля коррекции частоты.In preferred embodiments, the optical frequency correction module is made in the form of an acousto-optical modulator and a focusing cone docked with it, while the optical and control inputs of the acousto-optical modulator form, respectively, the optical and control inputs of the optical frequency correction module, and the output of the focusing cone is the output of the optical correction module frequency.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются представленной на фигуре структурной схемой заявляемого устройства.The invention and the possibility of its implementation are illustrated in the figure by the structural diagram of the claimed device.

Заявляемое устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора в рассматриваемом примере содержит оптически связанные лазерный излучатель 1, оптический модуль 2 коррекции частоты и квантовый дискриминатор 3, выход которого через фотодетектор 4 связан с сигнальным входом блока 5 обратной связи, выход которого связан с управляющим входом оптического модуля 2 коррекции частоты.The inventive device for laser optical pumping of a quantum discriminator in this example contains an optically coupled laser emitter 1, an optical frequency correction module 2 and a quantum discriminator 3, the output of which is connected through a photodetector 4 to the signal input of the feedback unit 5, the output of which is connected to the control input of the optical module 2 frequency correction.

Квантовый дискриминатор 3 может быть выполнен на газовой ячейке, например как в патентах [7]÷[9], или на атомно-лучевой трубке, например как в патентах [10], [11].Quantum discriminator 3 can be performed on a gas cell, for example, as in patents [7] ÷ [9], or on an atomic ray tube, for example, as in patents [10], [11].

Оптический модуль 2 коррекции частоты выполнен в виде акустооптического модулятора 6 и состыкованного с ним фокусирующего конуса 7. Оптический и управляющий входы акустооптического модулятора 6 образуют, соответственно, оптический и управляющий входы оптического модуля 2 коррекции частоты, а выход фокусирующего конуса 7 - выход оптического модуля 2 коррекции частоты.The optical frequency correction module 2 is made in the form of an acousto-optical modulator 6 and a focusing cone 7 connected to it. The optical and control inputs of the acousto-optical modulator 6 form, respectively, the optical and control inputs of the frequency correction optical module 2, and the output of the focusing cone 7 is the output of the optical module 2 frequency correction.

Лазерный излучатель 1 состоит из лазерного диода 8, источника 9 постоянного тока, формирующего ток инжекции лазерного диода 8, и термоконтроллера 10, обеспечивающего постоянный температурный режим лазерного диода 8. В состав лазерного излучателя 1 также обычно входят установленные на его выходе оптический изолятор и фокусирующие линзы (на структурной схеме не показаны).The laser emitter 1 consists of a laser diode 8, a direct current source 9, which generates the injection current of the laser diode 8, and a thermocontroller 10, which ensures a constant temperature regime of the laser diode 8. The laser emitter 1 also usually includes an optical insulator and focusing lenses installed at its output (not shown in the block diagram).

Выход лазерного излучателя 1 оптически связан с помощью отрезка оптоволокна 11 с оптическим входом оптического модуля 2 коррекции частоты, то есть с оптическим входом акустооптического модулятора 6.The output of the laser emitter 1 is optically coupled using a piece of optical fiber 11 with the optical input of the optical frequency correction module 2, that is, with the optical input of the acousto-optical modulator 6.

Выход оптического модуля 2 коррекции частоты, образованный выходом фокусирующего конуса 7, оптически связан с входом оптической накачки квантового дискриминатора 3 и входом дополнительного фотодетектора 12 с помощью Y-образного оптического разветвителя 13 и, при необходимости, соответствующих отрезков оптоволокна.The output of the frequency correction optical module 2, formed by the output of the focusing cone 7, is optically coupled to the optical pump input of the quantum discriminator 3 and the input of an additional photodetector 12 using a Y-shaped optical splitter 13 and, if necessary, corresponding segments of the optical fiber.

Выход дополнительного фотодетектора 12 связан с дополнительным входом блока 5 обратной связи.The output of the additional photodetector 12 is connected to the additional input of the feedback unit 5.

Фотодетекторы 4 и 12 содержат в своем составе фотодиод и фотоусилитель (на структурной схеме не показаны).Photodetectors 4 and 12 contain a photodiode and a photo amplifier (not shown in the structural diagram).

Блок 5 обратной связи содержит последовательно соединенные синхронный детектор 14, интегратор 15, синтезатор 16 сетки частот и управляемый буферный усилитель 17, а также генератор 18 сигнала модуляции, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора 14 и модулирующим входом синтезатора 16 сетки частот. Кроме этого блок 5 обратной связи содержит последовательно соединенные задатчик 19 уровня и дифференциальный усилитель 20, выход которого соединен с управляющим входом управляемого буферного усилителя 17. Сигнальный вход синхронного детектора 14, образующий сигнальный вход блока 5 обратной связи, связан с выходом фотодетектора 4. Сигнальный вход дифференциального усилителя 20, образующий дополнительный вход блока 5 обратной связи, связан с выходом дополнительного фотодетектора 12. Выход управляемого буферного усилителя 17, образующий выход блока 5 обратной связи, связан с управляющим входом оптического модуля 2 коррекции частоты, то есть с управляющим входом акустооптического модулятора 6.The feedback unit 5 comprises a synchronous detector 14, an integrator 15, a frequency grid synthesizer 16 and a controllable buffer amplifier 17, as well as a modulation signal generator 18, the output of which is connected to the reference input of the synchronous detector 14 and the modulating input of the frequency grid synthesizer 16 in series. In addition, the feedback unit 5 contains serially connected level adjuster 19 and a differential amplifier 20, the output of which is connected to the control input of the controlled buffer amplifier 17. The signal input of the synchronous detector 14, which forms the signal input of the feedback unit 5, is connected to the output of the photodetector 4. Signal input the differential amplifier 20, forming an additional input of the feedback unit 5, is connected with the output of the additional photodetector 12. The output of the controlled buffer amplifier 17, forming the output b 5 eye feedback control input is connected with the optical module 2 frequency correction, i.e. the control input of the acoustooptic modulator 6.

В обобщенном виде работа заявляемого устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора происходит следующим образом.In a generalized form, the operation of the inventive device for laser optical pumping of a quantum discriminator occurs as follows.

Лазерный излучатель 1 формирует посредством лазерного диода 8 оптическое излучение, частота которого отличается в меньшую сторону от оптической резонансной частоты квантового дискриминатора 3 на величину, равную сдвигу частоты, осуществляемому в акустооптическом модуляторе 6. Параметры оптического излучения, формируемого лазерным диодом 8, стабильны за счет использования высокоточного стабилизированного источника 9 постоянного тока и термоконтроллера 10.The laser emitter 1 generates optical radiation by means of a laser diode 8, the frequency of which is smaller than the optical resonance frequency of the quantum discriminator 3 by an amount equal to the frequency shift carried out in the acousto-optic modulator 6. The parameters of the optical radiation generated by the laser diode 8 are stable due to the use of high-precision stabilized DC source 9 and temperature controller 10.

Излучение лазерного излучателя 1 через оптоволокно 11 поступает на акустооптический модулятор 6, где подвергается управляемому сдвигу частоты на величину, определяемую значением несущей частоты модулированного СВЧ сигнала, поступающего на его управляющий вход через управляемый буферный усилитель 17 с выхода синтезатора 16 сетки частот.The radiation of the laser emitter 1 through the optical fiber 11 goes to the acousto-optical modulator 6, where it undergoes a controlled frequency shift by an amount determined by the carrier frequency of the modulated microwave signal supplied to its control input through a controlled buffer amplifier 17 from the output of the frequency grid synthesizer 16.

Преобразованное акустооптическим модулятором 6 излучение, сфокусированное с помощью фокусирующего конуса 7, поступает через Y-образный оптический разветвитель 13 на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3 и вход фотодетектора 12.The radiation converted by the acousto-optic modulator 6, focused using the focusing cone 7, enters through the Y-shaped optical splitter 13 to the optical pump input of the quantum discriminator 3 and the photodetector input 12.

Поступающее на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3 оптическое излучение - свет оптической накачки - вызывает свечение (флюоресценцию) рабочего вещества квантового дискриминатора 3, которое регистрируется фотодетектором 4.The optical radiation arriving at the optical pumping input of the quantum discriminator 3 — optical pumping light — causes luminescence (fluorescence) of the working substance of the quantum discriminator 3, which is detected by the photodetector 4.

Выходной сигнал фотодетектора 4, несущий в себе информацию о величине и знаке отклонения частоты света оптической накачки от оптической резонансной частоты квантового дискриминатора 3 (частоты оптической линии рабочего вещества), поступает на сигнальный вход синхронного детектора 14, на опорный вход которого поступает опорный сигнал от генератора 18 модуляции. На выходе синхронного детектора 14 образуется сигнал рассогласования, который интегрируется интегратором 15. Выходной сигнал интегратора 15 поступает на сигнальный вход синтезатора 16 сетки частот, на вход модуляции которого поступает модулирующий сигнал с выхода генератора 18 модуляции. Выходной сигнал интегратора 15 управляет синтезатором 16 сетки частот, изменяя несущую частоту его выходного сигнала в сторону уменьшения сигнала рассогласования. Выходной сигнал синтезатора 16 сетки частот через управляемый буферный усилитель 17 поступает на управляющий вход акустооптического модулятора 6, создавая в нем акустическую волну, частота которой прибавляется к частоте светового излучения, поступающего от лазерного излучателя 1, осуществляя тем самым подстройку частоты света оптической накачки в соответствии с оптической резонансной частотой квантового дискриминатора 3. Таким образом, реализуется замкнутое кольцо автоподстройки частоты света оптической накачки, удерживающее эту частоту на вершине оптической линии рабочего вещества.The output signal of the photodetector 4, which carries information about the magnitude and sign of the deviation of the optical pumping light frequency from the optical resonant frequency of the quantum discriminator 3 (frequency of the optical line of the working substance), is fed to the signal input of the synchronous detector 14, to the reference input of which the reference signal from the generator 18 modulations. At the output of the synchronous detector 14, a mismatch signal is generated, which is integrated by the integrator 15. The output signal of the integrator 15 is fed to the signal input of the frequency synthesizer 16, the modulation input of which receives a modulating signal from the output of the modulation generator 18. The output signal of the integrator 15 controls the synthesizer 16 of the frequency grid, changing the carrier frequency of its output signal in the direction of decreasing the error signal. The output signal of the synthesizer 16 of the frequency grid through a controlled buffer amplifier 17 is fed to the control input of the acousto-optical modulator 6, creating an acoustic wave in it, the frequency of which is added to the frequency of the light coming from the laser emitter 1, thereby adjusting the frequency of the optical pump light in accordance with optical resonant frequency of the quantum discriminator 3. Thus, a closed ring of self-tuning of the optical frequency of the optical pump light is realized, which holds this part otu on top of the optical line of the working substance.

Кроме рассмотренного кольца автоподстройки частоты света оптической накачки в заявляемом устройстве для компенсации затухания света на границах рабочего диапазона частот акустооптического модулятора 6 применяется кольцо автоподстройки уровня света. Для этого используется часть светового излучения, ответвляемого с помощью Y-образного оптического разветвителя 13 на вход фотодетектора 12, который формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об уровне света на выходе акустооптического модулятора 6. Выходной сигнал фотодетектора 12 поступает на сигнальный (инвертирующий) вход дифференциального усилителя 20, где сравнивается с опорным сигналом, поступающим с выхода задатчика 19 уровня. Выходной сигнал дифференциального усилителя 20, характеризующий отклонение величины выходного сигнала фотодетектора 12 от опорного значения, поступает на управляющий вход управляемого буферного усилителя 17, управляя его усилением с целью поддержания постоянного уровня света во всем рабочем диапазоне частот акустооптического модулятора 6. Эффект управления уровнем света в акустооптическом модуляторе 6 основывается на зависимости мощности отклоненного луча от амплитуды акустической волны, создаваемой под действием выходного сигнала управляемого буферного усилителя 17. Таким образом, осуществляется автоподстройка уровня оптического излучения (уровня света оптической накачки), поступающего на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3.In addition to the considered auto-tuning ring of the optical pumping light frequency, the inventive device for compensating for the attenuation of light at the boundaries of the operating frequency range of the acousto-optic modulator 6 also uses a self-tuning ring of light level. To do this, use part of the light radiation branched out using a Y-shaped optical splitter 13 to the input of the photodetector 12, which generates a signal at its output that carries information about the light level at the output of the acousto-optic modulator 6. The output signal of the photodetector 12 is fed to a signal (inverting) input differential amplifier 20, where it is compared with the reference signal coming from the output of the level setter 19. The output signal of the differential amplifier 20, characterizing the deviation of the output signal of the photodetector 12 from the reference value, is fed to the control input of the controlled buffer amplifier 17, controlling its amplification in order to maintain a constant light level in the entire operating frequency range of the acousto-optic modulator 6. The effect of controlling the level of light in acousto-optic modulator 6 is based on the dependence of the power of the deflected beam on the amplitude of the acoustic wave generated by the output signal adjustable buffer amplifier 17. Thus, the automatic adjustment of the level of optical radiation (light level of optical pumping) supplied to the optical pumping input of quantum discriminator 3.

В результате стабилизации частоты и уровня оптического излучения, поступающего на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3, обеспечивается оптимальный режим работы квантового дискриминатора 3, при котором достигается минимизация шумовой составляющей его выходного сигнала, что позволяет в случае использования его в квантовом стандарте частоты приблизить стабильность выходного сигнала квантового стандарта частоты к желаемому уровню 1·10^-14.As a result of stabilization of the frequency and level of optical radiation entering the optical pump input of the quantum discriminator 3, the optimal mode of operation of the quantum discriminator 3 is ensured, at which the noise component of the output signal is minimized, which makes it possible to approximate the output signal stability in the quantum frequency standard quantum standard frequency to the desired level of 1 · 10 ^-14 .

Рассмотрим особенности практической реализации и функционирования заявляемого устройства в случае выполнения квантового дискриминатора 3 на газовой ячейке с рабочим веществом ⁸⁷Rb.Consider the features of the practical implementation and operation of the inventive device in the case of a quantum discriminator 3 on a gas cell with a working substance of ⁸⁷ Rb.

Лазерный диод 8 лазерного излучателя 1 излучает когерентный свет фиксированной длины волны, в рассматриваемом случае D₂ линии ⁸⁷Rb (780+1,8·10^-3) нм, что в пересчете на частоту составляет 384614,484615385 ГГц. Поддержание номинала данной выходной частоты обеспечивается высокоточным источником 9 постоянного тока и термоконтроллером 10.The laser diode 8 of the laser emitter 1 emits a coherent light of a fixed wavelength, in this case, D ₂ lines ⁸⁷ Rb (780 + 1.8 · 10 ^-3 ) nm, which in terms of frequency is 384614.484615385 GHz. Maintaining the value of this output frequency is provided by a high-precision DC source 9 and a temperature controller 10.

Требования к точности источника 9 постоянного тока и термоконтроллера 10 следующие.Requirements for the accuracy of the DC source 9 and the temperature controller 10 are as follows.

Источник 9 постоянного тока и термоконтроллер 10 должны обеспечить флуктуации выходной частоты (ΔF) лазерного диода 8 на уровне не более ±0,05 ГГц. В случае применения лазерного диода 8 типа «VCSEL» (поверхностно-излучающий лазерный диод с вертикальным резонатором), типовое значение рабочего тока I₀ которого составляет 1 мА, а коэффициент перестройки частоты от тока имеет значение K₁=500 МГц/мкА, может быть использован источник 9 постоянного тока с относительной нестабильностью выходного тока ΔI=5·10^-6, вызывающей отклонение частоты на величину:The direct current source 9 and the temperature controller 10 should provide fluctuations in the output frequency (ΔF) of the laser diode 8 at a level of not more than ± 0.05 GHz. In the case of using a VCSEL type laser diode 8 (surface-emitting laser diode with a vertical resonator), the typical value of the operating current I _{0 of} which is 1 mA, and the frequency tuning factor from the current has a value of K ₁ = 500 MHz / μA, it can be used a source of DC 9 with relative instability of the output current ΔI = 5 · 10 ^-6 , causing a frequency deviation of:

ΔF₁=I₀·ΔI·K₁=10^-3·5·10^-6·5·10⁵=2,5-10^-3 МГц.ΔF ₁ = I ₀ · ΔI · K ₁ = 10 ^-3 · 5 · 10 ^-6 · 5 · 10 ⁵ = 2.5-10 ^-3 MHz.

В этом случае допустимое отклонение частоты от флуктуации температуры составляет:In this case, the permissible deviation of the frequency from the temperature fluctuation is:

ΔF_T=ΔF-ΔF₁=2·50-2,5·10^-3=99,9975 МГц.ΔF _T = ΔF-ΔF ₁ = 2 · 50-2.5 · 10 ^-3 = 99.9975 MHz.

При коэффициенте перестройки частоты лазерного диода 8 от температуры K_T=25 ГГц/°C относительная нестабильность температуры допускается в пределах:When the coefficient of tuning the frequency of the laser diode 8 from the temperature K _T = 25 GHz / ° C, relative temperature instability is allowed within:

ΔТ=ΔF_T/K_T=9,99975·10^-2/25=3,999·10^-3 °C.ΔT = ΔF _T / K _T = 9.99975 · 10 ^-2 / 25 = 3.999 · 10 ^-3 ° C.

Отсюда вытекают требования к точности термоконтроллера 10, например ΔТ=0,002°C, что вполне реализуемо.This implies requirements for the accuracy of the thermocontroller 10, for example, ΔТ = 0.002 ° C, which is quite feasible.

Когерентный свет, испускаемый лазерным диодом 8, с длиной волны (780+1,8·10^-3) нм проходит через соответствующий оптический изолятор и фокусирующие линзы, входящие в состав лазерного излучателя 1, и далее по оптоволокну 11 попадает на акустооптический модулятор 6 СВЧ диапазона.Coherent light emitted by a laser diode 8 with a wavelength of (780 + 1.8 · 10 ^-3 ) nm passes through the corresponding optical insulator and focusing lenses included in the laser emitter 1, and then passes through the optical fiber 11 to the microwave acousto-optical modulator 6 range.

Вследствие того, что источник 9 постоянного тока и термоконтроллер 10 обеспечивают точность поддержания номинала частоты излучения на уровне ±50 МГц (суммарный диапазон отклонений 100 МГц), то акустооптический модулятор 6, как регулирующий элемент, должен обеспечивать отстройку частоты и диапазон перестройки больше допустимых флюктуаций, например 900±100 МГц. Для решения этой задачи может использоваться, например, акустооптический модулятор, аналогичный представленному в патенте [13] - RU 2448353, G02F 1/11, 20.04.2012, но в традиционном режиме падающей волны, без предлагаемого в патенте [13] отражения акустической волны от противоположной стенки звуковода, что привело бы к потере эффекта смещения частоты света.Due to the fact that the DC source 9 and the thermocontroller 10 ensure the accuracy of maintaining the nominal frequency of radiation at ± 50 MHz (total deviation range 100 MHz), the acousto-optic modulator 6, as a regulating element, must provide a frequency detuning and a tuning range greater than the allowable fluctuations, e.g. 900 ± 100 MHz. To solve this problem, for example, an acousto-optical modulator can be used, similar to that presented in the patent [13] - RU 2448353, G02F 1/11, 04/20/2012, but in the traditional incident wave mode, without the reflection of the acoustic wave proposed in the patent [13] from opposite the wall of the sound guide, which would lead to the loss of the effect of shifting the frequency of light.

В акустооптическом модуляторе 6 возбуждается акустическая волна частотой 900 МГц. Вследствие эффекта Доплера и режима дифракции Брэгга на выходе акустооптического модулятора 6 имеет место единственный максимум с выходной частотой:In the acousto-optical modulator 6, an acoustic wave with a frequency of 900 MHz is excited. Due to the Doppler effect and the Bragg diffraction regime at the output of the acousto-optic modulator 6, there is a single maximum with an output frequency:

F=F_св+F_зв=384614484,615385+900=384615384,615385 МГц,F = F _sv + F _sv = 384614484.615385 + 900 = 384615384.615385 MHz,

что соответствует длине волны 780 нм, требующейся для настройки на оптическую спектральную линию квантового дискриминатора 3.which corresponds to a wavelength of 780 nm required for tuning to the optical spectral line of quantum discriminator 3.

Частота управляющего СВЧ сигнала для акустооптического модулятора 6 генерируется в синтезаторе 16 сетки частот, имеющем диапазон перестройки ±100 МГц относительно номинальной частоты 900 МГц. Шаг перестройки синтезатора 16 сетки частот определяет точность поддержания частоты всем устройством автоподстройки. Минимально возможная ширина оптической линии квантового дискриминатора 3 (в случае реализации его на атомно-лучевой трубке - рубидиевой или цезиевой) составляет 10 МГц. Исходя из этого можно считать, что десять точек частоты на 1 МГц перестройки синтезатора 16 сетки частот будет достаточно для удержания когерентного света на вершине линии излучения. Следовательно, необходимо иметь 200·10=2000 фиксированных частот в составе сетки частот синтезатора 16. При этом шаг перестройки составит 100 кГц.The frequency of the control microwave signal for the acousto-optic modulator 6 is generated in the synthesizer 16 of the frequency grid having a tuning range of ± 100 MHz relative to the nominal frequency of 900 MHz. The tuning step of the synthesizer 16 of the frequency grid determines the accuracy of maintaining the frequency of the entire device auto-tuning. The minimum possible width of the optical line of quantum discriminator 3 (in the case of its implementation on an atomic beam tube - rubidium or cesium) is 10 MHz. Based on this, it can be assumed that ten frequency points per 1 MHz of tuning of the synthesizer 16 of the frequency grid will be sufficient to hold coherent light at the top of the emission line. Therefore, it is necessary to have 200 × 10 = 2000 fixed frequencies in the frequency grid of synthesizer 16. In this case, the tuning step will be 100 kHz.

В рассматриваемом случае выполнения квантового дискриминатора 3 на рубидиевой газовой ячейке, ширина спектральной линии которой составляет 700±100 МГц, реализуемый синтезатором 16 сетки частот диапазон перестройки частоты ±100 МГц позволяет осуществлять регулирование на уровне 1/20 амплитуды линии излучения, что при обычной величине выходного сигнала фотодетектора 4 на уровне 30 мВ составляет величину порядка 1,5 мВ. Экспериментально определенное напряжение шума на выходе фотодетектора 4 составляет 10 мкВ, что дает основание считать, что при работе с такой газовой ячейкой достаточно 2·1,5·10^-3/10^-5=300 значений частоты синтезатора 16 сетки частот с шагом перестройки 670 кГц.In the case under consideration, the implementation of quantum discriminator 3 on a rubidium gas cell, the spectral line width of which is 700 ± 100 MHz, the frequency tuning range implemented by the frequency synthesizer 16 of the frequency grid ± 100 MHz allows regulation at a level of 1/20 of the emission line amplitude, which is typical for the output the photodetector 4 signal at the level of 30 mV is about 1.5 mV. The experimentally determined noise voltage at the output of photodetector 4 is 10 μV, which suggests that when working with such a gas cell, 2 · 1.5 · 10 ^-3 / 10 ^-5 = 300 frequencies of the synthesizer 16 of the frequency grid with a tuning step of 670 are enough kHz

Для поддержания постоянного уровня света на выходе акустооптического модулятора 6 вне зависимости от положения текущего значения частоты на его амплитудно-частотной характеристике используется вторая цепь автоподстройки - цепь автоподстройки уровня света. Для ее работы часть светового излучения с помощью Y-образного оптического разветвителя 13 отводится на дополнительный фотодетектор 12, выходное напряжение которого сравнивается в дифференциальном усилителе 20 с напряжением задатчика 19 уровня, а получаемый в результате этого сравнения выходной сигнал (сигнал ошибки) управляет усилением управляемого буферного усилителя 17 с целью коррекции пропускающей способности акустооптического модулятора 6 за счет регулировки мощности возбуждаемой в нем акустической волны.To maintain a constant light level at the output of the acousto-optic modulator 6, regardless of the position of the current frequency value on its amplitude-frequency characteristic, a second auto-tuning circuit is used - an auto-tuning circuit for the light level. For its operation, part of the light radiation using a Y-shaped optical splitter 13 is allocated to an additional photodetector 12, the output voltage of which is compared in the differential amplifier 20 with the voltage of the level adjuster 19, and the resulting output signal (error signal) resulting from this comparison controls the amplification of the controlled buffer amplifier 17 to correct the transmittance of the acousto-optic modulator 6 by adjusting the power of the acoustic wave excited in it.

Так как при изменении частоты света изменяется угол выхода луча из акустооптического модулятора 6, то для придания этому лучу определенного направления акустооптический модулятор 6 дополняется фокусирующим конусом 7. С выхода фокусирующего конуса 7 стабилизированный по частоте и уровню свет через Y-образный оптический разветвитель 13 поступает на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3. Указанные элементы, реализующие оптическую связь акустооптического модулятора 6 с квантовым дискриминатором 3, установлены таким образом, что в газовую ячейку квантового дискриминатора 3 попадает только один отклоненный в акустооптическом модуляторе 6 луч. Под действием этого луча происходит оптическая накачка рабочего вещества квантового дискриминатора 3, сопровождаемая его свечением (флюоресценцией), которое регистрируется фотодетектором 4.Since when the frequency of light changes, the angle of exit of the beam from the acousto-optic modulator 6 changes, then to give this beam a certain direction, the acousto-optic modulator 6 is supplemented with a focusing cone 7. From the output of the focusing cone 7, light stabilized in frequency and level through the Y-shaped optical splitter 13 enters optical pump input of the quantum discriminator 3. These elements realizing the optical coupling of the acousto-optical modulator 6 with the quantum discriminator 3 are set so that o only one beam deflected in the acousto-optic modulator 6 enters the gas cell of the quantum discriminator 3. Under the influence of this beam, the working substance of the quantum discriminator 3 is optically pumped, accompanied by its luminescence (fluorescence), which is detected by the photodetector 4.

Поскольку фотодетектор 4 регистрирует не затухание проходящего света оптической накачки, как в прототипе [12], а флюоресценцию рабочего вещества при возбуждении оптической линии излучения, то это значительно снижает уровень постоянной засветки при регистрации данной линии, повышая тем самым контраст сигнала по отношению к ненулевой подставке, обусловленной незначительным переотражением облучающего света.Since the photodetector 4 registers not the attenuation of the transmitted optical pumping light, as in the prototype [12], but the fluorescence of the working substance upon excitation of the optical emission line, this significantly reduces the level of constant illumination during registration of this line, thereby increasing the signal contrast with respect to a nonzero base due to slight re-reflection of the irradiating light.

Выходной сигнал фотодетектора 4 несет в себе информацию об отклонении частоты света оптической накачки от оптической резонансной частоты квантового дискриминатора 3 (частоты оптической линии рабочего вещества). Величина и знак этого отклонения выявляются при синхронном детектировании в синхронном детекторе 14, результат которого используется для управления синтезатором 16 сетки частот, который с указанным выше шагом перестройки осуществляет (через управляемый буферный усилитель 17) управление акустооптическим модулятором 6, замыкая цепь обратной связи по частоте. Необходимый при этом сигнал модуляции формируется генератором 18 сигнала модуляции, частота которого ограничена скоростью перестройки синтезатора 16 сетки частот.The output signal of the photodetector 4 carries information about the deviation of the optical pumping light frequency from the optical resonant frequency of the quantum discriminator 3 (the frequency of the optical line of the working substance). The magnitude and sign of this deviation are detected during synchronous detection in the synchronous detector 14, the result of which is used to control the frequency grid synthesizer 16, which, with the above tuning step, controls (through the controlled buffer amplifier 17) the acousto-optic modulator 6, closing the frequency feedback loop. The modulation signal necessary for this is generated by the modulation signal generator 18, the frequency of which is limited by the tuning speed of the frequency grid synthesizer 16.

Таким образом, заявляемое устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора обеспечивает неизменность светового потока, облучающего оптический квантовый переход квантового дискриминатора, причем этот световой поток свободен от паразитной амплитудной модуляции и не зависит от тепловых флуктуаций.Thus, the inventive device for laser optical pumping of a quantum discriminator ensures the invariance of the light flux irradiating the optical quantum transition of the quantum discriminator, and this light flux is free from spurious amplitude modulation and is independent of thermal fluctuations.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора с улучшенными шумовыми свойствами, что обеспечивается за счет применения малошумящей схемы стабилизации частоты света оптической накачки на основе оптического преобразования частоты взамен традиционной схемы, основанной на управлении током инжекции лазерного диода.The above shows that the claimed invention is feasible and ensures the achievement of a technical result consisting in the creation of a laser optical pumping device of a quantum discriminator with improved noise properties, which is achieved through the use of a low-noise optical frequency pump stabilization circuit based on optical frequency conversion instead of the traditional scheme based on control the injection current of the laser diode.

Такое устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора с оптическим преобразованием частоты может быть использовано в квантовых стандартах частоты с лазерной накачкой, в том числе бортового применения, обеспечивая приближение стабильности его выходного сигнала к желаемому уровню 1·10^-14.Such a device for laser optical pumping of a quantum discriminator with optical frequency conversion can be used in quantum standards of frequency with laser pumping, including on-board applications, providing approximation of the stability of its output signal to the desired level of 1 · 10 ^-14 .

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, с.5-9, 75-108.1. 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. 5-9, 75-108.

2. US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, опубл. 28.04.1987.2. US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, publ. 04/28/1987.

3. US 5491451, H03L 7/26, опубл. 13.02.1996.3. US 5491451, H03L 7/26, publ. 02/13/1996.

4. US 6985043, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006 (Fig.9).4. US 6985043, H01S 1/06, publ. 01/10/2006 (Fig. 9).

5. US 4935935, H01S 3/19, H01L 23/42, опубл. 19.06.1990.5. US 4935935, H01S 3/19, H01L 23/42, publ. 06/19/1990.

6. US 5442326, H03L 7/26, опубл. 15.08.1995.6. US 5442326, H03L 7/26, publ. 08/15/1995.

7. US 5148437, H01S 3/13, опубл. 15.09.1992 (Fig.1A, 1B, 2).7. US 5148437, H01S 3/13, publ. 09/15/1992 (Fig. 1A, 1B, 2).

8. RU 2369958, H03L 7/26, H01S 1/06, опубл. 10.10.2009.8. RU 2369958, H03L 7/26, H01S 1/06, publ. 10/10/2009.

9. RU 2369959, H03L 7/26, H01S 1/06, опубл. 10.10.2009.9. RU 2369959, H03L 7/26, H01S 1/06, publ. 10/10/2009.

10. RU 2395900, H03L 7/26, опубл. 27.07.2010.10. RU 2395900, H03L 7/26, publ. 07/27/2010.

11. RU 2395901, H03L 7/26, опубл. 27.07.2010.11. RU 2395901, H03L 7/26, publ. 07/27/2010.

12. US 5656974, H03B 17/00, H03L 7/26, опубл. 12.08.1997.12. US 5656974, H03B 17/00, H03L 7/26, publ. 08/12/1997.

13. RU 2448353, G02F 1/11, опубл. 20.04.2012.13. RU 2448353, G02F 1/11, publ. 04/20/2012.

Claims

1. A laser optical pumping device of a quantum discriminator, comprising an optically coupled laser emitter and a quantum discriminator, the output of which through a photodetector is connected to the signal input of the feedback unit, characterized in that the optical coupling of the laser emitter with a quantum discriminator is made through an optical frequency correction module, a control input which is connected to the output of the feedback unit, and the output through the Y-shaped optical splitter is connected to the input of the optical pump of the quantum criminator and the input of the additional photodetector, the output of which is connected to the additional input of the feedback block, the feedback block contains a synchronous detector connected in series, the signal input of which forms the signal input of the feedback block, an integrator, a frequency synthesizer and a controlled buffer amplifier, the output of which forms feedback block output, as well as a modulation signal generator, the output of which is connected to the reference input of the synchronous detector and the modulating input of the synthesizer with frequency grids, and series-connected level meter and differential amplifier, the output of which is connected to the control input of the controlled buffer amplifier, and the signal input forms an additional input of the feedback block.

2. The device according to claim 1, characterized in that the optical frequency correction module is made in the form of an acousto-optical modulator and a focusing cone docked with it, while the optical and control inputs of the acousto-optical modulator form, respectively, the optical and control inputs of the optical frequency correction module, and focusing cone output - output of the optical frequency correction module.