Квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть применено в квантовых стандартах частоты. Устройство содержит последовательно включенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты управляемый генератор, фазовый модулятор, управляемый лазерный источник света, управляемый оптический аттенюатор, квантовый поглотитель, фотоприемник и блок подстройки частоты, выход которого подключен к входу управляемого генератора, а также первый низкочастотный генератор, выход которого подключен к модулирующему входу фазового модулятора и опорному входу блока подстройки частоты. Второй вход управляемого лазерного источника света через блок подстройки несущей подключен к выходу фотоприемника, а третий вход подключен к выходу второго низкочастотного генератора, соединенному с опорным входом блока подстройки несущей. Управляющий вход управляемого оптического аттенюатора через блок подстройки интенсивности света подключен к выходу фотоприемника. Блок подстройки интенсивности света содержит последовательно соединенные устройство сдвига уровня, вход которого образует вход блока подстройки интенсивности света, фильтр нижних частот, устройство сравнения, опорный вход которого подключен к выходу задатчика уровня, и усилитель постоянного тока, выход которого образует выход блока подстройки интенсивности света. Технический результат заключается в обеспечении увеличения ресурса работы при сохранении высокой стабильности частоты выходного сигнала. 4 ил.

 

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть применено в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке, использующих эффект когерентного пленения населенности.

Когерентное пленение населенности является квантовым интерференционным эффектом, возникающим в многоуровневых атомных системах под действием многочастотного электромагнитного поля, в частности в трехуровневой Λ-системе с частотами оптических переходов ν13 и ν23, облучаемой двухчастотным световым полем с частотами ν1 и ν2 (см. фиг.1). При выполнении определенных частотных соотношений между этими двумя оптическими электромагнитными волнами, а именно: ν12=f00, где f00 - частота зеемановского перехода основного состояния рабочего вещества газовой ячейки (далее - частота рабочего атомного перехода), в этой атомной системе возникает суперпозиционное состояние, не взаимодействующее с возбуждающим полем, в результате чего атомы перестают поглощать свет. Это проявляется как узкий всплеск в контуре линии поглощения на частоте f00, представляющий собой резонанс пропускания (резонанс когерентного пленения населенности) относительно разности частот ν1 и ν2 двухчастотного светового поля (см. фиг.2). Данный эффект исследован и подробно описан, например, в работах: [1] - Б.Д. Агапьев, М.Б. Горный, Б.Г. Матисов, Ю.В. Рождественский. Когерентное пленение населенностей в квантовых системах // Успехи физических наук, 1993, том. 163, №9, с.1 - 36; [2] - J. Vanier, Martin W. Levine, Daniel Janssen, and Michael J. Delaney. On the Intensity Optical Population Trapping Techniques in the Implementation of Atomic Frequency Standards // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2003, Vol.52, No. 3, p.822 - 831.

Эффект резонанса когерентного пленения населенности используется для формирования опорного резонанса для стабилизации частоты управляемого генератора электромагнитных колебаний в квантовых стандартах частоты рассматриваемого типа - квантовых стандартах частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности. В этих квантовых стандартах частоты роль квантового дискриминатора выполняет квантовый поглотитель на основе газовой ячейки, в котором под действием двухчастотного светового поля или его эквивалента создается резонанс когерентного пленения населенности. Такой квантовый дискриминатор не требует СВЧ-резонатора для размещения газовой ячейки, как в традиционных пассивных квантовых стандартах частоты, что в ряде случаев важно при решении задач минимизации габаритов квантового стандарта частоты.

Известен квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности, представленный в патенте [3] - US 6320472 B1 H01S 1/06, Н03В 17/00, 20.11.2001, в котором для формирования двухчастотного светового поля используются два лазера. Недостатком такого квантового стандарта частоты является сложность реализации схемы управления частотами лазеров с получением необходимой разности частот.

Более простыми с точки зрения практической реализации являются стандарты частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности, в которых эквивалент двухчастотного светового поля создается путем модулирования несущей частоты лазерного излучения с получением в нем двух преобладающих спектральных составляющих с необходимой разностью частот. Примеры таких стандартов частоты представлены в патентах и патентных заявках: [4] - US 6222424 B1 H03L 7/26, 24.04.2001; [5] - S 6359917 B1 H03S 3/13, 19.03.2002; [6] - US 2002/0175767 A1 H03L 7/26, 28.11.2002; [7] - US 2009/0289728 A1 H03L 7/26, 26.11.2009.

Этот же принцип создания эквивалента двухчастотного светового поля за счет модулирования несущей частоты лазерного излучения применен в квантовом стандарте частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности, представленном в патенте [8] - US 6201821 B1 H01S 3/13, 13.03.2001, Fig.3, выбранном в качестве прототипа.

Квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности, выбранный в качестве прототипа, содержит последовательно включенные в оптический канал управляемый лазерный источник света, квантовый поглотитель и фотоприемник, выход которого через блок подстройки частоты подключен к входу управляемого генератора, выход которого через фазовый модулятор подключен к первому входу управляемого лазерного источника света, замыкая тем самым кольцо автоподстройки частоты управляемого генератора. Выход управляемого генератора является выходом квантового стандарта частоты. Модулирующий вход фазового модулятора и опорный вход блока подстройки частоты подключены к выходу первого низкочастотного генератора.

Второй вход управляемого лазерного источника света через блок подстройки несущей подключен к выходу фотоприемника, замыкая кольцо автоподстройки частоты несущей излучаемого света. Третий вход управляемого лазерного источника света и опорный вход блока подстройки несущей подключены к выходу второго низкочастотного генератора.

Квантовый поглотитель представляет собой газовую ячейку с парами рубидия 87Rb, размещенную в термостате. Квантовый поглотитель выполняет функцию высокостабильного высокодобротного квантового дискриминатора, осуществляющего формирование опорного резонанса на частоте f00 рабочего атомного перехода рабочего вещества газовой ячейки. Этот резонанс используется при стабилизации частоты F0 выходного сигнала управляемого генератора, а также при стабилизации несущей частоты νн излучения лазерного источника света.

Управляемый лазерный источник света содержит, например, как показано в [8, Fig.4A], лазерный диод, входы управления током которого образуют первый, второй и третий входы управляемого лазерного источника света.

Работа кольца автоподстройки частоты управляемого генератора обеспечивает стабилизацию частоты F0 выходного сигнала управляемого генератора с поддержанием равенства F0=f00/2. Кольцо автоподстройки реализует стандартную функцию фазовой автоподстройки частоты управляемого генератора с использованием резонансного контура, формируемого в квантовом поглотителе, и низкочастотной модуляции с частотой F1 первого низкочастотного генератора.

Работа кольца автоподстройки частоты несущей излучаемого лазерным источником света поддерживает на постоянном уровне несущую частоту νн излучения лазерного источника света. Кольцо автоподстройки реализует стандартную функцию фазовой автоподстройки частоты с использованием резонансного контура, формируемого квантовым поглотителем, и низкочастотной модуляции с частотой F2 второго низкочастотного генератора.

При этом частоты F0, F1 и F2 удовлетворяют неравенству: F0>>F2>F1.

Низкочастотная модуляция тока лазерного диода, входящего в состав лазерного источника света, осуществляемая на частотах F1 и F2, характеризуется относительно малыми индексами модуляции по сравнению с высокочастотной модуляцией тока лазерного диода, осуществляемой с частотой F0 выходного сигнала управляемого генератора. Индекс высокочастотной модуляции выбирается таким, чтобы в спектре излучаемого лазерным источником света преобладали две спектральные составляющие с частотами ν1 и ν2, где ν1н+F0, ν2н+F0 (см. фиг.3), что обеспечивает получение эффекта когерентного пленения населенности в рабочем веществе газовой ячейки квантового поглотителя.

Эффект когерентного пленения населенности проявляется в резонансной зависимости интенсивности света (I), прошедшего через квантовый поглотитель в фотоприемник, от разности частот ν1 и ν2 (см. фиг.2). Резонанс наблюдается на частоте f00, то есть при разности частот ν12=f00 (см. фиг.3), что имеет место при выполнении равенства F0=f00/2.

Резонансная зависимость интенсивности света, прошедшего через квантовый поглотитель в фотоприемник, характеризуется собственно резонансной частью с размахом I1 и пьедесталом I0 (фиг.2). Отношение Q=I1/I0 называют резонансным контрастом. Чем выше резонансный контраст, тем лучше соотношение «полезный сигнал - шум» на выходе фотоприемника, тем выше стабильность частоты выходного сигнала квантового дискриминатора. Однако величина резонансного контраста невелика и, как показано в работе [2, р. 827, table 1], может находиться в пределах от 0,34% до 3,64%.

Стабилизация частоты выходного сигнала управляемого генератора происходит следующим образом. В соответствии с резонансной характеристикой квантового поглотителя, изменение разности частот ν12, обусловленное изменением частоты выходного сигнала управляемого генератора относительно своего номинального значения F0=f00/2, приводит к изменению параметров света, поступающего с выхода квантового поглотителя на вход фотоприемника, в результате чего изменяются параметры спектральных составляющих выходного сигнала фотоприемника. Спектральная составляющая с частотой F1 (частотой модуляции, формируемой первым низкочастотным генератором) является сигналом ошибки, несущим информацию о величине и знаке отклонения частоты F0 от номинального значения f00/2. С выхода фотоприемника сигнал ошибки поступает на сигнальный вход блока подстройки частоты, где фильтруется и обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой F1, формируемого первым низкочастотным генератором. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего напряжения для управляемого генератора. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала управляемого генератора изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты F0 к номинальному значению F0=f00/2. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала управляемого генератора с использованием резонанса когерентного пленения населенности в качестве опорного резонанса.

Недостатком квантового стандарта частоты, выбранного в качестве прототипа, является сильное влияние естественной деградации лазерного диода управляемого лазерного источника света на ресурс квантового стандарта частоты и стабильность частоты его выходного сигнала.

Естественная деградация лазерного диода проявляется, в частности, в уменьшении интенсивности излучаемого им света, что исследовано, например, в работе [9] - В. Шпенст. Методы оценки надежности и долговечности мощных лазерных диодов // Компоненты и технологии, 2012, №6, с.187 - 190. Процесс уменьшения интенсивности излучаемого света негативно сказывается на эффекте когерентного пленения населенности. Дело в том, что интенсивность света должна лежать в определенном диапазоне, нижнее значение которого задается пороговым значением, при котором возникает эффект когерентного пленения населенности, а верхнее - ограничено чрезмерным уширением резонансного контура. Кроме этого, внутри данного диапазона существует оптимальный участок, где имеет место максимальный резонансный контраст. Таким образом, как указано в работе [10] - Г.А. Вишнякова, А.Ю. Самокотин, А.В. Акимов и др. Резонанс когерентного пленения населенности в N-системе и исследование возможности квантовой фильтрации // Науковий вiсник Ужгородського унiверситету, серiя Фiзика, 2011, випуск 30, с.287 - 294, выбор интенсивности света является компромиссом между желаниями иметь максимум интенсивности света и получить максимальный резонансный контраст. Уход интенсивности света от оптимальных значений в сторону нижнего порога, происходящий из-за естественной деградации лазерного диода, приводит к снижению характеристик стабильности и уменьшению ресурса работы квантового стандарта частоты.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание квантового стандарта частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности, в котором, по сравнению с прототипом, обеспечивается увеличение ресурса работы при сохранении высокой стабильности частоты выходного сигнала.

Достижение этого результата положительно влияет на эксплуатационные и метрологические характеристики квантового стандарта частоты - надежность и долговечность, воспроизводимость и стабильность частоты, обуславливая перспективы практического использования такого квантового стандарта частоты.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем. Квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности содержит последовательно включенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты управляемый генератор, фазовый модулятор, управляемый лазерный источник света, квантовый поглотитель, фотоприемник и блок подстройки частоты, выход которого подключен к входу управляемого генератора, а также первый низкочастотный генератор, выход которого подключен к модулирующему входу фазового модулятора и опорному входу блока подстройки частоты, при этом второй вход управляемого лазерного источника света через блок подстройки несущей подключен к выходу фотоприемника, а третий его вход подключен к выходу второго низкочастотного генератора, соединенному также с опорным входом блока подстройки несущей. В отличие от прототипа, оптическая связь выхода управляемого лазерного источника света с входом квантового поглотителя осуществлена через управляемый оптический аттенюатор, управляющий вход которого через блок подстройки интенсивности света подключен к выходу фотоприемника, при этом блок подстройки интенсивности света содержит последовательно соединенные устройство сдвига уровня, вход которого образует вход блока подстройки интенсивности света, фильтр нижних частот, устройство сравнения, опорный вход которого подключен к выходу задатчика уровня, и усилитель постоянного тока, выход которого образует выход блока подстройки интенсивности света.

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

на фиг.1 представлена энергетическая диаграмма атомов рабочего вещества газовой ячейки квантового поглотителя при облучении двухчастотным световым полем;

на фиг.2 - зависимость интенсивности света, проходящего через квантовый поглотитель, от разности частот двухчастотного оптического поля, иллюстрирующая резонансный эффект когерентного пленения населенности;

на фиг.3 - центральная часть спектра излучения лазерного источника света, иллюстрирующая наличие двух преобладающих спектральных составляющих, необходимых для получения эффекта когерентного пленения населенности;

на фиг.4 - структурная схема заявляемого квантового стандарта частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности.

Заявляемый квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности (далее - квантовый стандарт частоты) в рассматриваемом примере (фиг.4) содержит последовательно включенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты управляемый генератор 1, выход которого образует выход квантового стандарта частоты, фазовый модулятор 2, управляемый лазерный источник света 3, управляемый оптический аттенюатор 4, квантовый поглотитель 5, фотоприемник 6 и блок 7 подстройки частоты, выход которого подключен к входу управляемого генератора 1, а также первый низкочастотный генератор 8, выход которого подключен к модулирующему входу фазового модулятора 2 и опорному входу блока 7 подстройки частоты.

Второй вход управляемого лазерного источника света 3 через блок 9 подстройки несущей подключен к выходу фотоприемника 6, замыкая кольцо автоподстройки частоты несущей светового излучения, формируемого управляемым лазерным источником света 3. Опорный вход блока 9 подстройки несущей подключен к выходу второго низкочастотного генератора 10, соединенному также с третьим входом управляемого лазерного источника света 3.

Управляющий вход управляемого оптического аттенюатора 4 через блок 11 подстройки интенсивности света подключен к выходу фотоприемника 6, замыкая кольцо автоподстройки интенсивности света, поступающего на оптический вход квантового поглотителя 5.

Блок 11 подстройки интенсивности света содержит последовательно соединенные устройство 12 сдвига уровня, фильтр 13 нижних частот, устройство 14 сравнения и усилитель 15 постоянного тока, а также задатчик 16 уровня, выход которого подключен к опорному входу устройства 14 сравнения. Вход устройства 12 сдвига уровня образует вход блока 11 подстройки интенсивности света, а выход усилитель 15 постоянного тока образует его выход.

В варианте выполнения, имеющем практическое значение, управляемый лазерный источник света 3 содержит лазерный диод, устройство управления током диода и устройство терморегулирования, где управляющие входы устройства управления током диода образуют первый и третий входы управляемого лазерного источника света 3, а управляющий вход устройства терморегулирования - второй вход управляемого лазерного источника света 3. Кроме этого в состав управляемого лазерного источника света 3 могут входить необходимые для фокусирования и передачи света оптические элементы: линзы, поляризаторы, волноводные пластинки, волоконно-оптический волновод и т.д.

Альтернативным вариантом выполнения лазерного источника света 3 является вариант, аналогичный прототипу, где все три входа лазерного источника света 3 являются входами управления током диода.

Управляемый оптический аттенюатор 4 может быть выполнен, например, аналогично управляемому током оптическому аттенюатору, представленному в патенте [11] - RU 2205436 С2, G02B 5/30, G02F 1/09, Н04В 10/02, 27.05.2003. Также он может быть выполнен аналогично управляемому аттенюатору, примененному в патенте [12] - RU 2454759 С1, Н01Р 1/18, 27.06.2012, реализованному по схеме электрооптического модулятора на ячейке Поккельса. Возможны и другие реализации в зависимости от конструктивных требований, предъявляемых к квантовому стандарту частоты.

Квантовый поглотитель 5 представляет собой газовую ячейку, например, с парами рубидия 87Rb, размещенную в термостате.

Работа заявляемого квантового стандарта частоты происходит следующим образом.

Управляемый генератор 1 формирует выходной сигнал с частотой F0, номинальное значение которой равно f00/2. Этот сигнал поступает на вход фазового модулятора 2, где модулируется по фазе с частотой F1 под действием выходного сигнала низкочастотного генератора 8. С выхода фазового модулятора 2 модулированный сигнал поступает на первый вход лазерного источника света 3, на третий вход которого поступает модулирующий сигнал с частотой F2, формируемый низкочастотным генератором 10. Частоты F0, F1 и F2 удовлетворяют неравенству: F0>>F2>F1.

Сигналы, поступающие на первый и третий входы лазерного источника света 3, модулируют ток его лазерного диода, формируя сложное модулированное по частоте световое излучение с несущей частотой νн. При этом низкочастотная модуляция тока лазерного диода, осуществляемая на частотах F1 и F2, характеризуется относительно малыми индексами модуляции по сравнению с высокочастотной модуляцией с частотой F0. Индекс высокочастотной модуляции выбирается таким, чтобы в спектре излучаемого лазерным источником света 3 преобладали две спектральные составляющие с частотами ν1 и ν2, где ν1н+F0, ν2н+F0 (фиг.3), обеспечивающими получение эффекта когерентного пленения населенности в рабочем веществе газовой ячейке квантового поглотителя 5.

Световое излучение с выхода лазерного источника света 3 проходит через управляемый оптический аттенюатор 4 и поступает на вход квантового поглотителя 5, то есть на оптический вход входящей в его состав газовой ячейки.

Под действием входного света в рабочем веществе газовой ячейки квантового поглотителя 5 возникает эффект когерентного пленения населенности, эквивалентный эффекту, получаемому при воздействии двухчастотного светового поля. Эффект проявляется в резонансе прохождения света на частоте f0012=2F0 (фиг.3) и фиксируется фотоприемником 6.

Сигнал, снимаемый с выхода фотоприемника 6, имеет постоянную составляющую и переменные составляющие с гармониками, кратными частотам F1 и F2.

Составляющая выходного сигнала фотоприемника 6 с гармониками, кратными частоте F2, несет в себе информацию об отклонении несущей частоты светового излучения управляемого лазерного модуля 3 от номинального значения νн, являясь сигналом ошибки для кольца автоподстройки этой частоты. Этот сигнал с выхода фотоприемника 6 поступает на сигнальный вход блока 9 подстройки несущей, где фильтруется и обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой F2, формируемого низкочастотным генератором 10. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего напряжения для управляемого лазерного источника света 3. Это управляющее напряжение поступает на второй вход лазерного источника света 3 - в рассматриваемом примере на управляющий вход устройства терморегулирования, изменяя температурные условия работы лазерного диода и, тем самым, частоту несущей формируемого им светового излучения, приводя текущее значение этой частоты к номинальному значению νн.

Составляющая выходного сигнала фотоприемника 6 с гармониками, кратными частоте F1, несет в себе информацию об отклонении частоты выходного сигнала управляемого генератора 1 от номинального значения F0=f00/2, являясь сигналом ошибки для кольца автоподстройки частоты управляемого генератора 1. Этот сигнал с выхода фотоприемника 6 поступает на сигнальный вход блока 7 подстройки частоты, где фильтруется и обрабатывается в синхронном детекторе с получением сигнала рассогласования. Синхронное детектирование осуществляется относительно опорного сигнала с частотой F1, формируемого низкочастотным генератором 8. Полученный в результате синхронного детектирования сигнал рассогласования далее интегрируется с получением управляющего напряжения для управляемого генератора 1. Под действием управляющего напряжения частота выходного сигнала управляемого генератора 1 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, приводя текущее значение частоты F0 к номинальному значению F0=f00/2. Тем самым осуществляется процесс стабилизации частоты выходного сигнала управляемого генератора 1 с использованием резонанса когерентного пленения населенности в качестве опорного резонанса.

Для поддержания высокой стабильности частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты при одновременном увеличении ресурса его работы интенсивность светового излучения, формируемого лазерным источником света 3, должна как можно дольше находиться в зоне оптимальных значений, при которых выполняется выбранный компромисс между интенсивностью света и резонансным контрастом эффекта когерентного пленения населенности Q=I1/I0 (фиг.2).

Это достигается за счет кольца автоподстройки интенсивности света, осуществляющего подстройку интенсивности света, поступающего на вход квантового поглотителя 5, путем воздействия на управляемый оптический аттенюатор 4, включенный в оптический тракт между выходом управляемого лазерного источника света 3 и входом квантового поглотителя 5. Вначале коэффициент передачи управляемого оптического аттенюатора 4 устанавливается в области минимальных значений, при которых обеспечивается нахождение интенсивности света в зоне оптимальных значений. Затем, по мере деградации лазерного диода управляемого лазерного источника света 3 и уменьшения интенсивности формируемого им светового излучения коэффициент передачи управляемого оптического аттенюатора 4 повышается вплоть до своего предельного значения, поддерживая интенсивность света на входе квантового поглотителя 5 в оптимальной зоне.

Кольцо автоподстройки интенсивности света работает по постоянной составляющей выходного сигнала фотоприемника 6, пропорциональной пьедесталу I0 резонансной зависимости эффекта когерентного пленения населенности (фиг.2). При уменьшении интенсивности света, поступающего на вход квантового поглотителя 5, уменьшается пьедестал I0 и полезная часть I1 резонансной зависимости эффекта когерентного пленения населенности, что отражается в уменьшении постоянной составляющей выходного сигнала фотоприемника 6. Выходной сигнал фотоприемника 6 поступает на вход блока 11 подстройки интенсивности света, где подвергается начальной обработке в устройстве 12 сдвига уровня. Обработка заключается в приведении уровня постоянной составляющей обрабатываемого сигнала в соответствие с динамическим диапазоном остальных элементов блока 11 путем сдвига входного сигнала на определенную величину, например на величину порядка обратной величины резонансного контраста эффекта когерентного пленения населенности I0/I1. При практической реализации устройство 12 сдвига уровня может быть реализовано на основе операционного усилителя со смещенным уровнем нуля или, например, по типу устройства, представленного в патенте [13] - RU 2219651 С2, H03F 3/70, 20.12.2003. Далее сигнал проходит через фильтр 13 нижних частот, где отфильтровывается от спектральных составляющих, присутствующих в выходном сигнале фотоприемника 6, в том числе от гармоник, кратных модуляционным частотам F1 и F2. После этого отфильтрованный от гармоник сигнал поступает на сигнальный вход устройства 14 сравнения, где сравнивается с опорным сигналом постоянного уровня, поступающим с выхода задатчика 16 уровня. Величина опорного сигнала выбрана из условия нахождения интенсивности света, поступающего на вход квантового поглотителя 5, в зоне оптимальных значений. Результат сравнения представляет собой сигнал рассогласования. Сигнал рассогласования с выхода устройства 14 сравнения поступает на вход усилителя 15 постоянного тока, который формирует управляющий сигнал для управляемого оптического аттенюатора 4. Под действием управляющего сигнала коэффициент передачи оптического аттенюатора 4 изменяется в сторону уменьшения сигнала рассогласования, поддерживая тем самым интенсивность света, поступающего на вход квантового поглотителя 5, в зоне оптимальных значений. Таким образом осуществляется коррекция естественного снижения интенсивности света на выходе лазерного источника света 3, возникающего из-за естественной деградации лазерного диода.

Кроме этого, кольцо автоподстройки интенсивности света как кольцо с отрицательной обратной связью ослабляет и другие низкочастотные флуктуации интенсивности света лазерного источника света 3, не связанные с естественной деградацией лазерного диода, уменьшая вклад этих флуктуаций в нестабильность частоты квантового стандарта частоты.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании квантового стандарта частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности, в котором обеспечивается увеличение ресурса работы при сохранении высокой стабильности частоты выходного сигнала. Это положительно влияет на эксплуатационные и метрологические характеристики - надежность и долговечность, стабильность и воспроизводимость частоты, обуславливая перспективы практического применения заявляемого квантового стандарта частоты.

Источники информации

1. Б.Д. Агапьев, М.Б. Горный, Б.Г. Матисов, Ю.В. Рождественский. Когерентное пленение населенностей в квантовых системах // Успехи физических наук, 1993, том. 163, №9, с.1-36.

2. J. Vanier, Martin W. Levine, Daniel Janssen, and Michael J. Delaney. On the Intensity Optical Population Trapping Techniques in the Implementation of Atomic Frequency Standards // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2003, Vol. 52, No. 3, p.822-831.

3. US 6320472 B1, H01S 1/06, H03B 17/00, опубл. 20.11.2001.

4. US 6222424 B1, H03L 7/26, опубл. 24.04.2001.

5. US 6359917 B1, H03S 3/13, опубл. 19.03.2002.

6. US 2002/0175767 A1, H03L 7/26, опубл. 28.11.2002.

7. US 2009/0289728 A1, H03L 7/26, опубл. 26.11.2009.

8. US 6201821 B1, H01S 3/13, опубл. 13.03.2001.

9. В. Шпенст. Методы оценки надежности и долговечности мощных лазерных диодов // Компоненты и технологии, 2012, №6, с.187 - 190.

10. Г.А. Вишнякова, А.Ю. Самокотин, А.В. Акимов и др. Резонанс когерентного пленения населенности в N-системе и исследование возможности квантовой фильтрации // Науковий вiсник Ужгородського унiверситету, серiя Фiзика, 2011, випуск 30, с.287 - 294.

11. RU 2205436 C2, G02B 5/30, G02F 1/09, H04B 10/02, опубл. 27.05.2003.

12. RU 2454759 C1, H01P 1/18, опубл. 27.06.2012.

13. RU 2219651 C2, H03F 3/70, опубл. 20.12.2003.

Квантовый стандарт частоты на основе эффекта когерентного пленения населенности, содержащий последовательно включенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты управляемый генератор, фазовый модулятор, управляемый лазерный источник света, квантовый поглотитель, фотоприемник и блок подстройки частоты, выход которого подключен к входу управляемого генератора, а также первый низкочастотный генератор, выход которого подключен к модулирующему входу фазового модулятора и опорному входу блока подстройки частоты, при этом второй вход управляемого лазерного источника света через блок подстройки несущей подключен к выходу фотоприемника, а третий его вход подключен к выходу второго низкочастотного генератора, соединенному также с опорным входом блока подстройки несущей, отличающийся тем, что оптическая связь выхода управляемого лазерного источника света с входом квантового поглотителя осуществлена через управляемый оптический аттенюатор, управляющий вход которого через блок подстройки интенсивности света подключен к выходу фотоприемника, при этом блок подстройки интенсивности света содержит последовательно соединенные устройство сдвига уровня, вход которого образует вход блока подстройки интенсивности света, фильтр нижних частот, устройство сравнения, опорный вход которого подключен к выходу задатчика уровня, и усилитель постоянного тока, выход которого образует выход блока подстройки интенсивности света.



 

Похожие патенты:

Устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора относится к области квантовой электроники и может быть использовано в квантовых стандартах частоты.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в квантовых стандартах частоты. .

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в квантовых стандартах частоты на газовой ячейке с источником света оптической накачки в виде безэлектродной спектральной лампы.

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты. .

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты. .

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть использовано в атомно-лучевых стандартах частоты. .

Изобретение относится к технике квантовых стандартов частоты на основе цезиевых атомно-лучевых трубок. .

Изобретение относится к области радиоспектроскопии и может быть использовано в системах обработки импульсных сигналов. .

Изобретение относится к атомным стандартам частоты. .

Изобретение относится к устройствам для модуляции электромагнитного излучения. .

Изобретение относится к области технической квантовой физики и может быть использовано при оценке точностных параметров квантовых генераторов, прежде всего спиновых атомных стандартов частоты, квантовых магнитометров, а также для измерения разности магнитных полей (и градиента) в геофизике.

Изобретение относится к области технической квантовой физики и может быть использовано при построении квантовых стандартов частоты на пучках атомов, прежде всего, водорода и щелочных металлов цезия, рубидия.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в метрологии для определения частоты и времени, а также найти применение в атомных стандартах частоты и атомных часах. Предложенный способ формирования опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла, основанный на использовании эффекта когерентного пленения населенностей в бихроматическом лазерном поле, предусматривает выбор режима возбуждения лазером, имеющим ширину спектра ГL излучения, исходя из условия, при котором ГL ≤ γ, где γ - величина спонтанного распада возбужденного состояния. Предложенный способ при формировании опорного резонанса позволяет использовать ячейки без антирелаксационного покрытия и без буферного газа, что обеспечивает удешевление способа формирования опорного резонанса на сверхтонких переходах основного состояния атома щелочного металла. 2 ил.

Изобретение относится к технике стабилизации частоты и может быть применено в квантовых стандартах частоты. Устройство содержит последовательно включенные в замкнутое кольцо автоматической подстройки частоты управляемый генератор, фазовый модулятор, управляемый лазерный источник света, управляемый оптический аттенюатор, квантовый поглотитель, фотоприемник и блок подстройки частоты, выход которого подключен к входу управляемого генератора, а также первый низкочастотный генератор, выход которого подключен к модулирующему входу фазового модулятора и опорному входу блока подстройки частоты. Второй вход управляемого лазерного источника света через блок подстройки несущей подключен к выходу фотоприемника, а третий вход подключен к выходу второго низкочастотного генератора, соединенному с опорным входом блока подстройки несущей. Управляющий вход управляемого оптического аттенюатора через блок подстройки интенсивности света подключен к выходу фотоприемника. Блок подстройки интенсивности света содержит последовательно соединенные устройство сдвига уровня, вход которого образует вход блока подстройки интенсивности света, фильтр нижних частот, устройство сравнения, опорный вход которого подключен к выходу задатчика уровня, и усилитель постоянного тока, выход которого образует выход блока подстройки интенсивности света. Технический результат заключается в обеспечении увеличения ресурса работы при сохранении высокой стабильности частоты выходного сигнала. 4 ил.

Наверх