А. В. СИВАК, В. В. ВАСИЛЬЕВ1, В. Л. ВЕЛИЧАНСКИЙ, С. А. ЗИБРОВ1
Московский инженерно-физический институт (государственный университет),
1Лаборатория стандартов частоты ОКБ ФИАН, Троицк, Моск. обл.
разработка малогабаритного квантового дискриминатора для атомных часов
Изготовлен действующий вариант малогабаритного квантового дискриминатора для атомных часов.
В лаборатории Стандартов частоты ОКРФ ФИАН ведется работа по созданию малогабаритных атомных часов, которые могут найти применение в навигации, в синхронизации высокоскоростных коммуникационных сетей, в военных разработках для кодирования сигналов, для ускорения обработки сигналов GPS или ГЛОНАСС и многих других областях, где сейчас используются самые прецизионные кварцевые генераторы.
Принцип работы дискриминатора заключается в следующем. Диодный лазер настроен на частоту перехода из основного - в первое возбужденное состояние атомов цезия или рубидия. При частотной модуляции тока накачки диодного лазера в спектре излучения, кроме несущей частоты появляются боковые полосы. Когда интервал между ближайшими боковыми полосами становится равным частоте сверхтонкого перехода основного состояния атомов (9,2 ГГц для 133Cs), возникает когерентная непоглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание среды растет. Это эффект когерентного пленения населённостей (КПН) или Л-резонанс. Зависимость пропускания ячейки с парами щелочных металлов от разности частот двух компонент излучения используется для обратной связи и стабилизации частоты СВЧ генератора, который и модулирует ток лазера.
Стабильность работы атомных часов определяется характеристиками Л-резонанса (ширина, контраст), шумами излучения, возмущающими факторами внешней среды. Характеристики Л-резонанса зависят от геометрии и концентрации атомного ансамбля, от способа подавления релаксации, определяющей ширину резонанса, и спектра оптического поля.
Ключевой момент проекта создания малогабаритных атомных часов – это уменьшение размеров всех составляющих и сборки в целом. Для разрабатываемых атомных часов стабильность определяется контрастом Л-резонанса, его шириной, уровнем фоном и шумами электронных цепей управления.
Целью работы было: проектировка дискриминатора с использованием нового типа атомных ячеек, изготовление и сборка элементов, проверка его характеристик, получение максимального контраста и минимальной ширины Л-резонанса при оптимальной температуре ячеек, мощности и уровне модуляции тока лазера. Используются стеклянные ячейки с 133Cs Ш3 мм без антирелаксационного покрытия на стенках, с различными давлениями буферных газов (20, 40, 60, 80 торр). Поглощение на D1-линии цезия (894,5 нм) в у-у схеме на компонентах с проекцией полного момента F=3 – F'=3;4 составляло 50% при температуре ячеек 860С.
Одно из основных преимуществ D1-линии 133Cs перед D2-линией (852 нм) в том, что в малогабаритной ячейке с оптической толщиной среды около 3 мм отношение контраста Л-резонанса к его ширине более чем в три раза больше в случае детектирования его на D1-линии, при мощностях лазера 1-50 мкВт [1]. Для атомного стандарта частоты необходима стабилизация по переходам между нечувствительными (в линейном приближении) к магнитному полю уровнями, т. е. между зеемановскими подуровнями F=3;4 mF=0. Ширина резонансов в ячейках составляет менее 10 кГц, что позволит создать стандарт с долговременной стабильностью частоты 10-11 при контрасте до 5%.
Диодный лазер с СВЧ-разъёмом и элементом Пельтье, объектив, соленоид, ячейка с цезием, нейтральный фильтр, пластинка л/4 на D1-линию цезия, теплоизолятор, нагревательный элемент для нагрева сферической ячейки, термодатчики, фотодиод, многослойный магнитный экран, размещены в едином цилиндрическом корпусе, продольный размер которого составляет 4 см, диаметр 14 мм. Объём 6 см3.
Существует также возможность наблюдать Л-резонанс не по сигналу прошедшего через ячейку света, а по сигналу флуоресценции атомов. В этом случае при диаметре лазерного пучка меньшем диаметра ячейки можно наблюдать атомы, взаимодействующие с оптическим полем и расположенные дальше от стенок ячейки, на которых происходит разрушение состояния когерентной суперпозиции. Таким образом, ожидается, что в схеме регистрации флуоресценции атомов относительно повысится контраст Л-резонанса.
Список литературы
1. The chip-scale clock – recent development progress / R. Lutwak, D. Emmons, T. English et al // 35th Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Meeting: 2007. pp. 467-478.
