Квантовый дискриминатор на газовой ячейке

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в квантовых стандартах частоты. Квантовый дискриминатор содержит магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат с окном оптической накачки, СВЧ резонатор с газовой ячейкой, возбудителем СВЧ поля и фотодетектором. СВЧ резонатор содержит токопроводящий корпус с основной полостью для размещения газовой ячейки, закрытый с торцов передней и задней токопроводящими крышками с отверстиями для прохождения света оптической накачки через газовую ячейку в фотодетектор. В корпусе СВЧ резонатора по обеим сторонам основной полости симметрично ее продольной оси располагаются две продольные дополнительные полости. Дополнительные полости связаны с основной полостью соответствующими продольными каналами доступа в виде прорезей, расположенных симметрично относительно продольной оси основной полости, а также поперечными каналами доступа, образованными соответствующими углублениями в корпусе и/или передней и задней крышках. Дополнительные полости заполнены от 20% до 100% своего объема диэлектрическими вставками. Возбудитель СВЧ поля размещен на крышке СВЧ резонатора и выполнен в виде петли связи с внутренним участком, расположенным в соответствующем поперечном канале доступа, и наружным участком, расположенным на внешней стороне крышки. Технический результат заключается в обеспечении возможности уменьшения габаритов СВЧ резонатора при сохранении его резонансных свойств. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в малогабаритных квантовых стандартах частоты на газовой ячейке.

Принцип работы квантового стандарта частоты на газовой ячейке основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, выполненном на основе газовой ячейки. В обобщенном виде структурная схема квантового стандарта частоты на газовой ячейке представляет собой последовательно соединенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты подстраиваемый кварцевый генератор, блок формирования возбуждающего и опорного сигналов, квантовый дискриминатор на газовой ячейке, оптически связанный с источником света оптической накачки, и блок автоматической подстройки частоты, опорный вход которого подключен к опорному выходу блока формирования возбуждающего и опорного сигналов, а выход подключен к управляющему входу подстраиваемого кварцевого генератора, см., например, патенты США: [1] - US 5751193, H03L 7/26, 12.05.1998, Fig.1; [2] - US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, 28.04.1987.

Квантовый дискриминатор на газовой ячейке содержит объемный СВЧ резонатор, внутри которого соосно располагается оптически прозрачная газовая ячейка, наполненная рабочим веществом, например парами рубидия ⁸⁷Rb, и буферным газом. В СВЧ резонаторе имеется входное окно - окно оптической накачки, а также выходное окно для фотодетектора. Окно оптической накачки образует оптический вход квантового дискриминатора, оптически связанный с источником света оптической накачки. Выход фотодетектора образует выход квантового дискриминатора, соединенный с сигнальным входом блока автоматической подстройки частоты. Квантовый дискриминатор также содержит средства для создания постоянного магнитного поля в СВЧ резонаторе, средства термостабилизации и средство для возбуждения СВЧ поля в СВЧ резонаторе - возбудитель СВЧ поля. Вход возбудителя СВЧ поля образует СВЧ вход квантового дискриминатора, связанный с сигнальным выходом блока формирования возбуждающего и опорного сигналов.

В процессе работы квантового стандарта частоты источник света оптической накачки формирует световое излучение на частоте, соответствующей резонансной частоте используемого поглощающего оптического атомного перехода между энергетическими уровнями атомов рабочего вещества газовой ячейки. За счет воздействия этого оптического излучения происходит оптическая накачка рабочего вещества газовой ячейки и создается инверсная разность населенностей между энергетическими уровнями используемого радиочастотного атомного перехода. Резонансная частота СВЧ резонатора, в котором располагается газовая ячейка, соответствует резонансной частоте f₀ используемого радиочастотного атомного перехода, возбуждаемого при взаимодействии с входным СВЧ сигналом. В совокупности это создает эффект двойного радиооптического резонанса в рабочем веществе газовой ячейки, который индицируется по свету оптической накачки, прошедшему через газовую ячейку в фотодетектор. Для индикации этого резонанса блок формирования возбуждающего и опорного сигналов формирует из выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (гармонического сигнала с частотой f₁) модулированный по частоте с частотой низкочастотной модуляции f_нч СВЧ сигнал с несущей частотой f₂, номинальное значение которой соответствует резонансной частоте f₀. Этот СВЧ сигнал поступает на СВЧ вход квантового дискриминатора, т.е. на вход возбудителя СВЧ поля в СВЧ резонаторе. Входной СВЧ сигнал резонансно взаимодействует с рабочим веществом газовой ячейки, находящейся в СВЧ резонаторе, разрушая инверсную разность населенностей, создаваемую под воздействием света оптической накачки, что проявляется в изменении интенсивности света оптической накачки, проходящего через газовую ячейку в фотодетектор (эффект двойного радиооптического резонанса). На выходе фотодетектора при этом образуются гармоники низкочастотного сигнала, определяемые частотой f_нч модуляции СВЧ сигнала и несущие в своих амплитудах и фазах информацию об отклонении несущей частоты f₂ СВЧ сигнала относительно резонансной частоты f₀. Первая из этих гармоник - полезный выходной сигнал блока квантового дискриминатора - поступает на сигнальный вход блока автоматической подстройки частоты, где обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой f_нч, формируемого в блоке формирования возбуждающего и опорного сигналов. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего напряжения для подстраиваемого кварцевого генератора. Под действием управляющего напряжения частота f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты f₂ к резонансной частоте f₀. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты f₁ выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты) в соответствии с резонансной частотой f₀.

Точностные характеристики квантового стандарта частоты в существенной мере зависят от характеристик квантового дискриминатора, в частности, от степени однородности распределения электрических и магнитных компонентов СВЧ поля внутри резонатора и в газовой ячейке, от которых зависит эффективность взаимодействия входного СВЧ сигнала с атомами рабочего вещества газовой ячейки и добротность резонансной характеристики квантового дискриминатора.

Так, квантовый дискриминатор на газовой ячейке, представленный в патенте [2], содержит цилиндрический СВЧ резонатор с цилиндрической газовой ячейкой, расположенной соосно в полости СВЧ резонатора с зазором между своей боковой поверхностью и внутренней поверхностью СВЧ резонатора, с окном оптической накачки, расположенным со стороны первого торца газовой ячейки, возбудителем СВЧ поля и фотодетектором, расположенными со стороны второго торца газовой ячейки, и обмоткой возбуждения, размещенной на боковой поверхности газовой ячейки. Этот квантовый дискриминатор характеризуется неравномерным распределением магнитных компонентов СВЧ поля, которые параллельны магнитным силовым линиям постоянного магнитного поля в области оптической оси газовой ячейки. Эта неравномерность обуславливает сравнительно невысокую эффективность квантового дискриминатора, что является его основным недостатком. Другим недостатком являются значительные габариты СВЧ резонатора, определяющие габариты квантового дискриминатора в целом.

Известен квантовый дискриминатор на газовой ячейке, представленный в патенте США: [3] - US 3798565, H03B 3/12, 19.03.1974. Этот квантовый дискриминатор содержит цилиндрический СВЧ резонатор с цилиндрической газовой ячейкой, расположенной соосно в полости СВЧ резонатора с зазором между своей наружной поверхностью и внутренней поверхностью СВЧ резонатора, с окном оптической накачки и возбудителем СВЧ поля, расположенными со стороны первого торца газовой ячейки, и фотодетектором, расположенным со стороны второго торца газовой ячейки. На внешней стороне СВЧ резонатора размещены два магнитных кольца, создающих постоянное магнитное поле. СВЧ резонатор также имеет подстроечные винты, предназначенные для настройки резонансной частоты. Подстроечные винты введены в полость СВЧ резонатора со стороны его внешней поверхности перпендикулярно продольной оси и располагаются в соответствующих углублениях, выполненных в газовой ячейке. Этот квантовый дискриминатор имеет большую эффективность по сравнению с квантовым дискриминатором, представленным в [2], при этом, однако, сохраняются большие габариты квантового дискриминатора, определяемые габаритами его СВЧ резонатора.

В определенной мере проблему уменьшения габаритов квантового дискриминатора на газовой ячейке при сохранении эффективности удалось решить в патенте РФ: [4] - RU 2080716 C1, H01S 1/06, 27.05.1997, выбранном в качестве прототипа.

Квантовый дискриминатор, выбранный в качестве прототипа, содержит магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат с окном оптической накачки, внутри которого на одной оптической оси с окном оптической накачки располагается СВЧ резонатор с газовой ячейкой, фотодетектором и возбудителем СВЧ поля. Окно оптической накачки образует оптический вход квантового дискриминатора, предназначенный для поступления света оптической накачки, вход возбудителя СВЧ поля образует СВЧ вход квантового дискриминатора, предназначенный для входного СВЧ сигнала, а выход фотодетектора образует выход квантового дискриминатора.

СВЧ резонатор состоит из токопроводящего корпуса и двух токопроводящих торцевых крышек - передней и задней, закрепленных на корпусе с обеспечением электрического контакта между ними и корпусом. Внутри СВЧ резонатора имеется цилиндрическая полость, в которой располагается газовая ячейка цилиндрической формы, наполненная парами щелочного металла - рубидия ⁸⁷Rb. В крышках имеются окна, расположенные на оптической оси, предназначенные для прохождения света оптической накачки с оптического входа квантового дискриминатора через газовую ячейку в фотодетектор.

Газовая ячейка располагается внутри диэлектрической втулки, выполненной из полистирола. Газовая ячейка вместе с диэлектрической втулкой вплотную примыкают к задней крышке, в окне которой размещен фотодетектор. Задняя крышка является несущим элементом для возбудителя СВЧ поля, выполненного в виде петли связи, располагающейся в торцевой выемке диэлектрической втулки.

Работа квантового дискриминатора, выбранного в качестве прототипа, происходит следующим образом. Свет оптической накачки, распространяемый вдоль оптической оси квантового дискриминатора, проходит через газовую ячейку и поступает в фотодетектор. В результате поглощения света оптической накачки парами рубидия в газовой ячейке увеличивается населенность верхнего уровня (F=2) основного состояния атомов рубидия за счет нижнего (F=1) уровня, где F - квантовое число полного момента атома. Одновременное с этим воздействие на атомы рубидия СВЧ поля, создаваемого возбудителем СВЧ поля, приводит к увеличению числа атомов на нижнем уровне. Вероятность перехода атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (т.е. с верхнего уровня на нижний) под действием СВЧ поля зависит от расстройки между частотой входного СВЧ сигнала, возбуждающего СВЧ поле, и частотой рабочего атомного перехода. При совпадении этих частот вероятность перехода максимальна, следовательно, максимально и поглощение света, прошедшего в фотодетектор через газовую ячейку. По изменению интенсивности света, попадающего в фотодетектор, контролируется частота СВЧ сигнала. При этом ток фотодетектора является функцией расстройки частоты входного СВЧ сигнала и частоты рабочего атомного перехода.

В квантовом дискриминаторе, выбранном в качестве прототипа, магнитные компоненты СВЧ поля однородны, параллельны магнитным силовым линиям постоянного магнитного поля и сконцентрированы в области оптической оси, что обеспечивает эффективное взаимодействие входного СВЧ сигнала с атомами рабочего вещества в газовой ячейке.

При этом за счет применения диэлектрической втулки удалось уменьшить размеры газовой ячейки до следующих значений: наружная длина газовой ячейки находится в пределах (0,53÷0,72)λ, наружный диаметр газовой ячейки находится в пределах (0,68÷0,8)λ, где λ - длина волны атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки в вакууме. Учитывая, что для рубидия ⁸⁷Rb значение длины волны составляет значение λ≈43,8 мм, наружная длина газовой ячейки лежит в пределах 23,2÷31,5 мм, а ее наружный диаметр - в пределах 29,8÷35 мм. При этом длина цилиндрической полости СВЧ резонатора не превышает значения L=(1+0,07)λ, т.е. 46,9 мм. В результате достигаемое уменьшение объема СВЧ резонатора в квантовом дискриминаторе, выбранном в качестве прототипа, по сравнению с аналогами [2] и [3] составляет, как указано в [4], не менее трех раз.

Дальнейшее уменьшение размеров газовой ячейки, обеспечиваемое в рассматриваемой конструкции за счет утолщения диэлектрической втулки, практически невозможно в связи с усилением влияния следующего негативного фактора: по мере удаления стенки колбы газовой ячейки от токопроводящей поверхности полости СВЧ резонатора начинает существенно уменьшаться добротность его резонансной характеристики, что исследовано, в частности, в работе [5] - B.C.Жолнеров, О.П.Харчев. О влиянии стеклянного баллона, помещенного в резонатор, на его добротность / Вопросы радиоэлектроники, серия общетехническая, выпуск 10, 1976, с.93-97.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового дискриминатора на газовой ячейке с уменьшенными габаритами СВЧ резонатора при сохранении его резонансных свойств.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый дискриминатор на газовой ячейке содержит магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат с расположенным на оптической оси квантового дискриминатора окном оптической накачки, а также размещенный внутри термостата СВЧ резонатор с газовой ячейкой, возбудителем СВЧ поля и фотодетектором. Окно оптической накачки, вход возбудителя СВЧ поля и выход фотодетектора образуют, соответственно, оптический вход, СВЧ вход и выход квантового дискриминатора. СВЧ резонатор содержит токопроводящий корпус с основной полостью для газовой ячейки, закрытый с торцов передней и задней токопроводящими крышками с обеспечением электрического контакта между корпусом и крышками, при этом продольная ось основной полости совпадает с оптической осью, а в крышках имеются расположенные на оптической оси отверстия, предназначенные для прохождения света оптической накачки с оптического входа через газовую ячейку в фотодетектор. В отличие от прототипа в корпусе СВЧ резонатора по обеим сторонам основной полости симметрично ее продольной оси располагаются две продольные дополнительные полости, связанные с основной полостью соответствующими продольными каналами доступа в виде прорезей, расположенных симметрично относительно продольной оси основной полости, а также поперечными каналами доступа, образованными соответствующими углублениями в передней и задней крышках. Дополнительные полости заполнены от 20% до 100% своего объема диэлектрическими вставками с диэлектрической проницаемостью на резонансной частоте СВЧ резонатора, по крайней мере в два раза большей диэлектрической проницаемости вакуума, и с тангенсом угла диэлектрических потерь, меньшим тангенса угла диэлектрических потерь материала баллона газовой ячейки. Возбудитель СВЧ поля, размещенный на одной из крышек СВЧ резонатора, выполнен в виде петли связи с внутренним участком, расположенным в соответствующем поперечном канале доступа, и наружным участком, расположенным на внешней стороне крышки.

В предпочтительном варианте выполнения основная полость корпуса СВЧ резонатора имеют квадратный профиль поперечного сечения, а дополнительные - прямоугольный, газовая ячейка выполнена шарообразной, диэлектрические вставки выполнены в виде прямоугольных стержней из фторопласта с диэлектрической проницаемостью в диапазоне от 2,0 до 2,4 и тангенсом угла диэлектрических потерь около 2÷10^-4, в продольные каналы доступа с внешней стороны СВЧ резонатора ортогонально его продольной оси введены подстроечные винты, возбудитель СВЧ поля размещен на передней крышки СВЧ резонатора, при этом внутренний и наружный участки петли связи возбудителя СВЧ поля имеют длины, примерно равные λ/4, где λ - длина волны атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки в вакууме, а начало внутреннего участка петли связи, образующее вход возбудителя СВЧ поля, связано через один или несколько последовательно соединенных умножительных диодов, расположенных на внешней стороне крышки, с подводящим коаксиальным кабелем.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются иллюстративными материалами, представленными на фиг.1-4, где:

на фиг.1 представлен схематический чертеж квантового дискриминатора на газовой ячейке (продольный разрез в вертикальной плоскости), поясняющий состав и взаимное расположение его основных элементов;

на фиг.2 - схематические чертежи, поясняющие конструктивные особенности СВЧ резонатора и ориентацию в нем электрического (сплошные стрелки) и магнитного (пунктирные стрелки) полей, где: фиг.2а - вид СВЧ резонатора со стороны окна оптической накачки, при этом возбудитель СВЧ поля условно не показан, фиг.2б - продольный разрез СВЧ резонатора в горизонтальной плоскости, при этом возбудитель СВЧ поля и фотодетектор условно не показаны;

на фиг.3 - схематический чертеж СВЧ резонатора в поперечном разрезе, поясняющий расположение подстроечных винтов и диэлектрических вставок;

на фиг.4 - схематические чертежи, поясняющие особенности выполнения и размещения возбудителя СВЧ поля, где: фиг.4а - вид СВЧ резонатора со стороны окна оптической накачки, фиг.4б - вид СВЧ резонатор сбоку, фиг.4в - вид СВЧ резонатора в частичном разрезе.

Заявляемый квантовый дискриминатор на газовой ячейке (далее - квантовый дискриминатор) содержит, см. фиг.1-4, магнитный экран 1, катушку для создания постоянного магнитного поля с двумя обмотками 2 и 3, а также термостат с теплоизоляцией 4, нагревателем 5 и датчиком температуры 6. Внутри термостата располагается СВЧ резонатор 7 с газовой ячейкой 8, возбудителем СВЧ поля 9 и фотодетектором 10. В теплоизоляции 4 термостата имеется окно оптической накачки 11, расположенное на оптической оси 12, образующее оптический вход квантового дискриминатора. Вход возбудителя СВЧ поля 9 образует СВЧ вход квантового дискриминатора, а выход фотодетектора 10 образует выход квантового дискриминатора.

СВЧ резонатор 7 содержит токопроводящий корпус 13 с основной полостью 14 для газовой ячейки 8, закрытый с торцов передней 15 и задней 16 токопроводящими крышками, закрепленными на корпусе 13 с обеспечением электрического контакта с ним. Основная полость 14 в рассматриваемом примере имеет квадратный профиль поперечного сечения, размеры которого определяются размерами газовой ячейки 8. Продольная ось основной полости 14 совпадает с оптической осью 12. В крышках 15 и 16 имеются соответствующие отверстия 17 и 18, расположенные на оптической оси 12, предназначенные для прохождения света оптической накачки с оптического входа квантового дискриминатора через газовую ячейку 8 в фотодетектор 10.

Газовая ячейка 8 в рассматриваемом примере имеет шарообразную форму с наружным диаметром 12-20 мм и размещена в основной полости 14 вплотную к ее внутренним стенкам. Газовая ячейка 8 выполнена из щелочеустойчивого стекла, например, молибденового стекла марки С52-1, характеризующегося диэлектрической проницаемостью ε≈5,5 и тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ≈90·10^-4. Газовая ячейка 8 наполнена парами рабочего вещества, в рассматриваемом примере - парами щелочного металла рубидия ⁸⁷Rb.

В корпусе 13 СВЧ резонатора 7 по обеим сторонам основной полости 14 симметрично ее продольной оси располагаются две продольные дополнительные полости - левая дополнительная полость 19 и правая дополнительная полость 20 (фиг.2а), продольные оси которых параллельны продольной оси полости 14. В рассматриваемом примере дополнительные полости 19 и 20 имеют прямоугольный профиль поперечного сечения. Дополнительные полости 19 и 20 связаны с основной полостью 14 верхним 21 и нижним 22 продольными каналами доступа (фиг.2а), выполненными в виде прорезей, расположенных симметрично относительно продольной оси основной полости 14, а также поперечными каналами доступа 23 и 24 (фиг.1, 2б), образованными соответствующими углублениями в корпусе 13 и/или крышках 15 и 16, в рассматриваемом примере - в корпусе 13 и крышках 15 и 16. При этом канал доступа 21 связывает левую дополнительную полость 19 с верхней частью основной полости 14, канал доступа 22 связывает правую дополнительную полость 20 с нижней частью основной полости 14, канал доступа 23 связывает дополнительные полости 19 и 20 с основной полостью 14 со стороны передней крышки 15, а канал доступа 24 связывает дополнительные полости 19 и 20 с основной полостью 14 со стороны задней крышки 16 (фиг.2а, 2б).

В дополнительных полостях 19 и 20 располагаются, соответственно, диэлектрические вставки 25 и 26, заполняющие собой от 20% до 100% объема своих полостей (фиг.2а, 3). Диэлектрическая проницаемость вставок 25 и 26 на резонансной частоте СВЧ резонатора 7 по крайней мере в два раза больше диэлектрической проницаемости вакуума, а тангенс угла диэлектрических потерь меньше тангенса угла диэлектрических потерь щелочеустойчивого материала баллона газовой ячейки 8.

В рассматриваемом примере диэлектрические вставки 25 и 26 выполнены в виде прямоугольных стержней из фторопласта с диэлектрической проницаемостью в диапазоне ε=2,0÷2,4 и значением тангенса угла диэлектрических потерь примерно tgδ≈2·10^-4.

В продольные каналы доступа 21 и 22 введены подстроечные винты 27 и 28 (фиг.3). Подстроечные винты 27, 28 введены с внешней стороны СВЧ резонатора 7 ортогонально его продольной оси в местах пучности напряжения и служат для настройки резонансной частоты.

Возбудитель СВЧ поля 9 выполнен в виде петли связи, установленной на одной из крышек СВЧ резонатора 7 - в рассматриваемом примере на передней крышке 15 (фиг.1, 4а, 4б, 4в). Петля связи имеет внутренний участок 9_А, расположенный в поперечном канале доступа 23, и наружный участок 9_Б, расположенный на внешней стороне крышки 15. Общая длина петли связи составляет величину, примерно равную λ/2, где λ - длина волны атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки в вакууме, при этом ее внутренний участок 9_А и наружный участки 9_Б имеют длины, примерно равные λ/4, что при длине волны λ≈43,8 мм составляет примерно 11 мм. Такое конструктивное решение позволяет использовать возбудитель СВЧ поля 9, выполненный в виде петли связи, в СВЧ резонаторе 7 с уменьшенными до 12÷20 мм поперечными размерами основной полости 14.

Конструктивно петля связи реализована в виде электрического проводника. Этот проводник на всем своем протяжении не имеет электрического контакта с крышкой 15 за исключением свободного конца 9 В, закрепленного на внешней стороне крышки 15 с обеспечением электрического контакта с ней (фиг.4в). Другой конец этого проводника, образующий вход возбудителя СВЧ поля 9, соединен через по меньшей мере один умножительный диод 29 с центральной жилой подводящего коаксиального кабеля 30. По кабелю 30 поступает высокочастотный сигнал, преобразуемый далее с помощью умножительного диода 29 (или группы последовательно соединенных умножительных диодов) во входной СВЧ сигнал с частотой, соответствующей частоте f₀ рабочего атомного перехода (для рубидия ⁸⁷Rb - порядка 6834,6… МГц). Такое решение позволяет снизить частоту сигнала, передаваемого по кабелю 30, упростить входной высокочастотный тракт и снизить возникающие в нем потери.

Работа квантового дискриминатора осуществляется следующим образом. На оптический вход квантового дискриминатора, образованный окном оптической накачки 11, поступает световое излучение от источника света оптической накачки, например от рубидиевой безэлектродной спектральной лампы или полупроводникового лазера. Свет оптической накачки, распространяемый вдоль оптической оси 12, проходит через газовую ячейку 8 и поступает в фотодетектор 10. В результате поглощения света оптической накачки парами рабочего вещества (⁸⁷Rb) в газовой ячейке 8 увеличивается населенность верхнего уровня (F=2) основного состояния атомов рубидия за счет нижнего (F=1) уровня. Одновременное воздействие на атомы рубидия СВЧ поля, создаваемого в СВЧ резонаторе 7 под воздействием входного СВЧ сигнала с частотой, соответствующей частоте f₀ рабочего атомного перехода, приводит к увеличению числа атомов на нижнем уровне. Вероятность перехода атомов из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией (т.е. с верхнего уровня на нижний) под действием СВЧ поля зависит от расстройки между частотой входного СВЧ сигнала и частотой рабочего атомного перехода. При совпадении этих частот вероятность перехода максимальна, следовательно, максимально и поглощение света, прошедшего в фотодетектор 10 через газовую ячейку 8. По изменению интенсивности света, прошедшего в фотодетектор 10, производится индикация двойного радиооптического резонанса в рабочем веществе газовой ячейки 8 и по нему контролируется частота входного СВЧ сигнала. При этом ток фотодетектора 10 является функцией расстройки частот входного СВЧ сигнала и рабочего атомного перехода.

В процессе работы квантового дискриминатора стабильная температура СВЧ резонатора 7 и находящейся в нем газовой ячейки 8 поддерживается выше температуры окружающей среды за счет нагревателя 5 и контролируется датчиком температуры 6. Магнитный экран 1 защищает газовую ячейку 8 от внешних магнитных полей. Обмотки 2 и 3 формируют постоянное магнитное поле, силовые линии которого параллельны оптической оси 12 и соответствуют направлению магнитных «Н» составляющих СВЧ поля в основной полости 14 СВЧ резонатора 7.

Распределение магнитных «Н» составляющих СВЧ поля, формируемого под воздействием входного СВЧ сигнала, сосредоточено в области оптической оси 12 (фиг.2б), аналогично распределению поля в цилиндрическом резонаторе прототипа, что обеспечивает эффективное взаимодействие входного СВЧ сигнала с атомами рабочего вещества в газовой ячейке 8.

Распределение электрического «Е» поля в СВЧ резонаторе 7 сосредоточено, преимущественно, в продольных каналах доступа 21 и 22, что схематически отражено на фиг.2а. При этом электрическое поле несколько захватывает и ближайшие части баллона газовой ячейки 8, негативно влияя на параметры резонансной характеристики СВЧ резонатора 7 (уменьшается добротность, смещается резонансная частота).

Для ослабления негативного эффекта взаимодействия электрического поля с баллоном газовой ячейки 8 в заявляемом квантовом дискриминаторе реализованы меры по уменьшению напряженности электрического поля в зоне расположения газовой ячейки 8. Обеспечивается это за счет размещения в дополнительных полостях 19 и 20 диэлектрических вставок 25 и 26, заполняющих собой от 20% до 100% объема этих полостей. Как было указано выше, диэлектрическая проницаемость диэлектрических вставок 25 и 26 на резонансной частоте СВЧ резонатора 7 по меньшей мере в два раза больше диэлектрической проницаемости вакуума, а тангенс угла диэлектрических потерь меньше тангенса угла диэлектрических потерь материала баллона газовой ячейки 8. За счет этого пучности электрических «Е» силовых линий смещаются по направлению к диэлектрическим вставкам 25 и 26, что приводит к ослаблению напряженности электрического поля в зоне расположения газовой ячейки 8 и уменьшению влияния баллона газовой ячейки 8 на параметры СВЧ резонатора 7.

Это позволяет вплотную приблизить стенки основной полости 14 к баллону газовой ячейки 8 при одновременном уменьшении размеров газовой ячейки 8 до 12÷20 мм в диаметре без ухудшения добротности резонансной характеристики СВЧ резонатора 7 и смещения резонансной частоты.

Таким образом, в заявляемом квантовом дискриминаторе на газовой ячейке удается уменьшить габариты СВЧ резонатора 7 за счет уменьшения размеров основной полости 14, в которой располагается газовая ячейка 8, при сохранении высокой эффективности взаимодействия входного СВЧ сигнала с атомами рабочего вещества в газовой ячейке и без ухудшения резонансных свойств СВЧ резонатора 7. Приблизительно, выигрыш в габаритах СВЧ резонатора 7, определяющих габариты квантового дискриминатора в целом, можно оценить в полтора - два раза по отношению к прототипу.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового дискриминатора на газовой ячейке с уменьшенными габаритами СВЧ резонатора при сохранении его резонансных свойств.

Источники информации

1. US 5751193, H03L 7/26, опубл. 12.05.1998.

2. US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, опубл. 28.04.1987.

3. US 3798565, H03B 3/12, опубл. 19.03.1974.

4. RU 2080716 C1, H01S 1/06, опубл. 27.05.1997.

5. B.C.Жолнеров, О.П.Харчев. О влиянии стеклянного баллона, помещенного в резонатор, на его добротность / Вопросы радиоэлектроники, серия общетехническая, выпуск 10,1976, с.93-97.

1. Квантовый дискриминатор на газовой ячейке, содержащий магнитный экран, катушку для создания постоянного магнитного поля, термостат с расположенным на оптической оси квантового дискриминатора окном оптической накачки, а также размещенный внутри термостата СВЧ резонатор с газовой ячейкой, возбудителем СВЧ поля и фотодетектором, причем окно оптической накачки, вход возбудителя СВЧ поля и выход фотодетектора образуют, соответственно, оптический вход, СВЧ вход и выход квантового дискриминатора, СВЧ резонатор содержит токопроводящий корпус с основной полостью для газовой ячейки, закрытый с торцов передней и задней токопроводящими крышками с обеспечением электрического контакта между корпусом и крышками, при этом продольная ось основной полости совпадает с оптической осью, а в крышках имеются расположенные на оптической оси отверстия, предназначенные для прохождения света оптической накачки с оптического входа через газовую ячейку в фотодетектор, отличающийся тем, что в корпусе СВЧ резонатора по обеим сторонам основной полости симметрично ее продольной оси располагаются две продольные дополнительные полости, связанные с основной полостью соответствующими продольными каналами доступа в виде прорезей, расположенных симметрично относительно продольной оси основной полости, а также поперечными каналами доступа, образованными соответствующими углублениями в корпусе и/или передней и задней крышках, при этом дополнительные полости заполнены от 20% до 100% своего объема диэлектрическими вставками с диэлектрической проницаемостью на резонансной частоте СВЧ резонатора по крайней мере в два раза большей диэлектрической проницаемости вакуума и с тангенсом угла диэлектрических потерь меньшим тангенса угла диэлектрических потерь материала баллона газовой ячейки, а возбудитель СВЧ поля, размещенный на одной из крышек СВЧ резонатора, выполнен в виде петли связи с внутренним участком, расположенным в соответствующем поперечном канале доступа, и наружным участком, расположенным на внешней стороне крышки.

2. Квантовый дискриминатор по п.1, отличающийся тем, что основная полость корпуса СВЧ резонатора имеют квадратный профиль поперечного сечения, а дополнительные - прямоугольный.

3. Квантовый дискриминатор по п.1, отличающийся тем, что газовая ячейка выполнена шарообразной.

4. Квантовый дискриминатор по п.1, отличающийся тем, что диэлектрические вставки выполнены в виде прямоугольных стержней из фторопласта с диэлектрической проницаемостью в диапазоне от 2,0 до 2,4 и тангенсом угла диэлектрических потерь около 2·10^-4.

5. Квантовый дискриминатор по п.1, отличающийся тем, что в продольные каналы доступа с внешней стороны СВЧ резонатора ортогонально его продольной оси введены подстроечные винты.

6. Квантовый дискриминатор по п.1, отличающийся тем, что возбудитель СВЧ поля размещен на передней крышке СВЧ резонатора.

7. Квантовый дискриминатор по любому из пп.1 и 6, отличающийся тем, что внутренний и наружный участки петли связи возбудителя СВЧ поля имеют длины, примерно равные λ/4, где λ - длина волны атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки в вакууме.

8. Квантовый дискриминатор по любому из пп.1 и 6, отличающийся тем, что начало внутреннего участка петли связи, образующее вход возбудителя СВЧ поля, связано через один или несколько последовательно соединенных умножительных диодов, расположенных на внешней стороне крышки, с подводящим коаксиальным кабелем.