RU2817140C1

RU2817140C1 - Small-sized atomic clock with two optical radiation detection zones

Info

Publication number: RU2817140C1
Application number: RU2023105621A
Authority: RU
Inventors: Евгений Александрович Цыганков; Владимир Леонидович Величанский; Виталий Валентинович Васильев; Сергей Александрович Зибров; Дмитрий Сергеевич Чучелов; Мария Игоревна Васьковская
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2024-04-11

Abstract

FIELD: navigation equipment.

SUBSTANCE: invention relates to a small-sized atomic clock based on the effect of coherent population trapping, which provides a highly stable output signal with frequency of 10 MHz. For this purpose, proposed is a small-sized atomic clock based on the effect of coherent population trapping, which contain a diode laser with a vertical resonator and a quantum discriminator installed in series, as well as a microwave generator designed to modulate the injection current of the diode laser. Quantum discriminator is equipped with means for laser radiation beam splitting into two parallel beams of different power and two photodetectors, each of which is designed to detect a corresponding laser beam.

EFFECT: high frequency stability of atomic clocks.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области навигационной аппаратуры, а конкретно, к малогабаритным атомным часам на основе эффекта когерентного пленения населенностей, которые предоставляют высокостабильный выходной сигнал с частотой 10 МГц.The invention relates to the field of navigation equipment, and specifically to small-sized atomic clocks based on the effect of coherent population capture, which provide a highly stable output signal with a frequency of 10 MHz.

Известны атомные часы на основе эффекта когерентного пленения населенностей, содержащие установленные последовательно диодный лазер с вертикальным резонатором и квантовый дискриминатор, а также СВЧ-генератор, предназначенный для модуляции тока инжекции диодного лазера (см., например, US 6265945 В1, МПК H03L 7/26, опубл. 24.07.2001 [1]).An atomic clock is known based on the effect of coherent population capture, containing a diode laser with a vertical resonator and a quantum discriminator installed in series, as well as a microwave generator designed to modulate the injection current of the diode laser (see, for example, US 6265945 B1, IPC H03L 7/26 , published July 24, 2001 [1]).

Одним из недостатков известных атомных часов является зависимость их выходной частоты от мощности лазерного излучения и его спектрального распределения в силу светового сдвига частоты микроволнового перехода атомов щелочного металла.One of the disadvantages of the known atomic clocks is the dependence of their output frequency on the power of laser radiation and its spectral distribution due to the light shift in the frequency of the microwave transition of alkali metal atoms.

Раскрытые в [1] атомные часы приняты в качестве ближайшего аналога заявленных атомных часов.The atomic clocks disclosed in [1] are accepted as the closest analogue of the declared atomic clocks.

Техническая проблема, решаемая заявленным изобретением, состоит в создании атомных часов, в которых обеспечивалось бы подавление светового сдвига частоты микроволнового перехода используемых атомов щелочного металла.The technical problem solved by the claimed invention is to create an atomic clock that would suppress the light frequency shift of the microwave transition of the alkali metal atoms used.

При этом достигается технический результат, заключающийся в повышении стабильности частоты атомных часов в результате того, что она в меньшей степени зависит от интенсивности и спектрального состава излучения диодного лазера с вертикальным резонатором.In this case, a technical result is achieved, which consists in increasing the stability of the atomic clock frequency as a result of the fact that it depends to a lesser extent on the intensity and spectral composition of the radiation of a diode laser with a vertical resonator.

Техническая проблема решается, а указанный технический результат достигается в результате создания малогабаритных атомных часов на основе эффекта когерентного пленения населенностей, содержащих установленные последовательно диодный лазер с вертикальным резонатором и квантовый дискриминатор, а также кварцевый генератор и СВЧ-генератор, предназначенный для модуляции тока инжекции диодного лазера, в которых квантовый дискриминатор снабжен средством для разделения пучка лазерного излучения на два параллельных пучка различной мощности и двумя фотоприемниками, каждый из которых предназначен для регистрации соответствующего пучка лазерного излучения, при этом атомные часы выполнены с возможностью использования сигнала первого фотоприемника для стабилизации частоты кварцевого генератора, а сигнала второго фотоприемника - для управления мощностью СВЧ-модуляции таким образом, чтобы амплитуда сигнала второго фотоприемника была равна нулю, когда амплитуда сигнала первого фотоприемника равна нулю.The technical problem is solved, and the specified technical result is achieved as a result of the creation of small-sized atomic clocks based on the effect of coherent population capture, containing a diode laser with a vertical cavity and a quantum discriminator installed in series, as well as a quartz oscillator and a microwave generator designed to modulate the injection current of the diode laser , in which the quantum discriminator is equipped with a means for dividing a beam of laser radiation into two parallel beams of different powers and two photodetectors, each of which is designed to register a corresponding beam of laser radiation, while the atomic clock is configured to use the signal of the first photodetector to stabilize the frequency of the quartz oscillator, and the second photodetector signal to control the microwave modulation power so that the amplitude of the second photodetector signal is zero when the amplitude of the first photodetector signal is zero.

На фиг. 1 представлена блок-схема заявленных атомных часов.In fig. Figure 1 shows a block diagram of the proposed atomic clock.

На фиг. 2а и 2b показаны сигналы ошибки, полученные с двух фотоприемников, как функции расстройки частоты, отнесенной к ширине контура пропускания лазерного излучения.In fig. 2a and 2b show the error signals obtained from the two photodetectors as a function of the frequency detuning relative to the laser transmission path width.

Атомные часы на основе эффекта когерентного пленения населенностей, показанные на фиг. 1, содержат установленные последовательно диодный лазер с вертикальным резонатором 1 и квантовый дискриминатор 2, а также СВЧ-генератор 3, предназначенный для модуляции тока инжекции диодного лазера 1.Atomic clocks based on the coherent population trapping effect shown in FIG. 1, contain a diode laser with a vertical resonator 1 and a quantum discriminator 2 installed in series, as well as a microwave generator 3 designed to modulate the injection current of the diode laser 1.

Квантовый дискриминатор 2 включает в себя ячейку 4, содержащую пары, по меньшей мере, одного щелочного металла (как правило, ⁸⁷Rb или ¹³³Cs) и буферный газ (например, смесь аргона и азота), средство 5 нагрева ячейки и поддержания ее температуры (например, бифилярная катушка и термистор) и средство 6 для создания однородного магнитного поля внутри ячейки 4 (например, соленоид), окруженные магнитными экранами 7. Магнитные экраны 7 позволяют снизить чувствительность частоты выходного сигнала атомных часов к изменениям внешнего магнитного поля. Квантовый дискриминатор также снабжен средством 8 для разделения пучка лазерного излучения на два параллельных пучка различной мощности и двумя фотоприемниками 9а и 9б, каждый из которых предназначен для регистрации соответствующего пучка лазерного излучения. В качестве средства 8 может быть использовано, например, частично прозрачное зеркало, установленное под углом 45 градусов к исходному пучку лазерного излучения.Quantum discriminator 2 includes a cell 4 containing vapors of at least one alkali metal (usually ⁸⁷ Rb or ¹³³ Cs) and a buffer gas (for example, a mixture of argon and nitrogen), means 5 for heating the cell and maintaining its temperature ( for example, a bifilar coil and a thermistor) and means 6 for creating a uniform magnetic field inside cell 4 (for example, a solenoid), surrounded by magnetic screens 7. Magnetic screens 7 reduce the sensitivity of the frequency of the atomic clock output signal to changes in the external magnetic field. The quantum discriminator is also equipped with a means 8 for dividing the laser beam into two parallel beams of different powers and two photodetectors 9a and 9b, each of which is designed to register the corresponding beam of laser radiation. The means 8 can be used, for example, a partially transparent mirror installed at an angle of 45 degrees to the original beam of laser radiation.

Заявленные атомные часы используют следующим образом.The claimed atomic clocks are used as follows.

Через ячейку 4 проходит лазерное излучение диодного лазера 1 с вертикальным резонатором, частота которого модулируется на половине частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атомов используемого щелочного металла (например, ⁸⁷Rb, но возможно также использование любого иного подходящего щелочного металла или смеси щелочных металлов).Laser radiation from a diode laser 1 with a vertical resonator passes through cell 4, the frequency of which is modulated at half the hyperfine splitting frequency of the ground state of the atoms of the alkali metal used (for example, ⁸⁷ Rb, but it is also possible to use any other suitable alkali metal or mixture of alkali metals).

СВЧ-модуляция тока инжекции диодного лазера 1 с вертикальным резонатором на частоте Ω приводит к появлению в его спектре дополнительных компонент, отстоящих от центральной на величины, кратные Ω. Первые боковые полосы лазерного излучения настроены на оптические переходы D₁-линии ⁸⁷Rb. Компонента с меньшей частотой вызывает электродипольные переходы в возбужденное состояние с нижнего уровня с моментом F=2, с большей частотой - с нижнего уровня с моментом F=1.Microwave modulation of the injection current of diode laser 1 with a vertical resonator at a frequency Ω leads to the appearance in its spectrum of additional components spaced from the central one by values that are multiples of Ω. The first side bands of laser radiation are tuned to optical transitions of the D ₁ line of ⁸⁷ Rb. A component with a lower frequency causes electric dipole transitions to an excited state from a lower level with a moment F=2, with a higher frequency - from a lower level with a moment F=1.

В силу эффекта когерентного пленения населенностей пропускание излучения атомной средой достигает максимума, когда разность частот первых боковых компонент, равная 2Ω, совпадает с частотой ω_g между подуровнями основного состояния с проекцией момента F, равной нулю (далее - частота перехода «0-0»). Частоту модуляции Q. контролируют таким образом, чтобы пропускание излучения атомной средой было максимально. Для этого СВЧ-сигнал модулируют с частотой ω_m, которая составляет от нескольких сотен Гц до нескольких кГц. Это приводит к осцилляциям пропускания излучения атомной средой на частоте ω_m, амплитуда которых имеет различный знак для положительной и отрицательной разности 2Ω-ω_g. Это позволяет сформировать обратную связь для стабилизации выходной частоты часов, так как величина Ω связана с частотой кварцевого генератора 10.Due to the effect of coherent population capture, the transmission of radiation by the atomic medium reaches a maximum when the frequency difference of the first side components, equal to 2Ω, coincides with the frequency ω _g between the sublevels of the ground state with the projection of the moment F equal to zero (hereinafter referred to as the “0-0” transition frequency) . The modulation frequency Q is controlled in such a way that the transmission of radiation by the atomic medium is maximized. To do this, the microwave signal is modulated with a frequency ω _m , which ranges from several hundred Hz to several kHz. This leads to oscillations in the transmission of radiation by the atomic medium at a frequency ω _m , the amplitude of which has a different sign for the positive and negative difference 2Ω-ω _g . This allows you to generate feedback to stabilize the output frequency of the clock, since the value of Ω is related to the frequency of the crystal oscillator 10.

Лазерное излучение разделяется на два параллельных пучка, причем в одном из них снижается его оптическая мощность. Каждый из пучков лазерного излучения после прохождения через ячейку 4 регистрируется отдельным фотоприемником (9а и 9б). Сигнал одного из них, как и в случае стандартного варианта малогабаритных атомных часов, используется для стабилизации частоты кварцевого генератора 10. Сигнал второго фотоприемника используется для управления мощностью СВЧ-модуляции. Она стабилизируется таким образом, чтобы амплитуда сигнала второго фотоприемника была равна нулю.Laser radiation is divided into two parallel beams, and in one of them its optical power is reduced. Each of the laser beams, after passing through cell 4, is recorded by a separate photodetector (9a and 9b). The signal of one of them, as in the case of the standard version of small-sized atomic clocks, is used to stabilize the frequency of the quartz oscillator 10. The signal of the second photodetector is used to control the power of microwave modulation. It is stabilized in such a way that the signal amplitude of the second photodetector is equal to zero.

На фиг. 2а показаны зависимости амплитуд осцилляций сигналов фотоприемников на частоте ω_m от частоты СВЧ-модуляции в единицах ширины Г резонанса пропускания оптического излучения ячейкой 4 для случая, при котором световой сдвиг частоты перехода «0-0» не равен нулю. На фиг. 2b показан случай, когда световой сдвиг подавлен.In fig. Figure 2a shows the dependences of the amplitudes of oscillations of photodetector signals at a frequency ω _m on the microwave modulation frequency in units of the width Γ of the resonance of optical radiation transmission by cell 4 for the case in which the light shift of the “0-0” transition frequency is not equal to zero. In fig. 2b shows the case where the light shift is suppressed.

В заявленном изобретении использование сигнала дополнительного фотоприемника позволяет управлять мощностью СВЧ-модуляции таким образом, чтобы выходная частота атомных часов в меньшей степени зависела от интенсивности и спектрального состава лазерного излучения, чем в [1].In the claimed invention, the use of a signal from an additional photodetector makes it possible to control the microwave modulation power in such a way that the output frequency of the atomic clock is less dependent on the intensity and spectral composition of laser radiation than in [1].

Claims

Small-sized atomic clock based on the effect of coherent population capture, containing a diode laser with a vertical resonator and a quantum discriminator installed in series, as well as a quartz oscillator and a microwave generator designed to modulate the injection current of the diode laser, characterized in that their quantum discriminator is equipped with a means for separating beam of laser radiation into two parallel beams of different powers and two photodetectors, each of which is designed to register a corresponding beam of laser radiation, while the atomic clock is configured to use the signal of the first photodetector to stabilize the frequency of the quartz oscillator, and the signal of the second photodetector to control the microwave power -modulation in such a way that the amplitude of the signal of the second photodetector is equal to zero when the amplitude of the signal of the first photodetector is zero.