CC BY
47
РАЗРАБОТКА КВАНТОВОГО ДИСКРИМИНАТОРА ДЛЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ АТОМНЫХ ЧАСОВ
А. В. Сивак, С. А. Зибров
В Лаборатории стандартов частоты, ОКРФ ФИАН ведется работа по созданию малогабаритного атомного стандарта частоты, и времени. Результаты данной работы, позволяют достичь ширины, метрологического резонанса когерентного пленения, населённостей (КПН) более узкой, чем в разрабатываемых зарубежных аналогах малогабаритных атомных часов, что прямым образом повлияет на стабильность стандарта. Исследованы, влияние комбинации буферного газа и антирелаксационного покрытия, на амплитуду и ширину резона,н-сов КИИ; изучены характеристики диодных лазеров с коротким, резонатором, (ДИЛКОР), специально разработанных совместно с ФГУИ НИИ "Полюс". Разработан и собран прототип малогабаритного физического дискриминатора для, атомных часов. Тем,новая, ширина полученного в дискриминаторе метрологического резонанса составляет менее 1 кГц, что теоретически предполагает создание малогабаритных атомных часов со стабильностью (параметром Аллана) не хуже, чем 3 • 10"12 за 1
Ключевые слова: стандарты частоты, атомные часы.
В Лаборатории стандартов частоты ОКРФ ФИАН ведется работа по созданию малогабаритных атомных часов [1]. которые могут найти применение в навигации, в синхронизации высокоскоростных коммуникационных сетей, в системах передачи и приёма радиочастотных сигналов с двусторонней широкополосной связью для защиты передаваемой информации, для ускорения обработки сигналов GPS или ГЛОНАСС, для повышения помехоустойчивости телекоммуникационного оборудования и во многих других
Лаборатория стандартов частоты ОКРФ ФИАН, г. Троицк Московской обл.; e-mail: sanyoker@mail.ru; szibrov@yandex.ru
областях, где сейчас используются самые прецизионные кварцевые генераторы.
Главный недостаток кварцевых генераторов сравнительно низкая долговременная стабильность 10_7 — 10_9 за сутки). Они заметно уступают по этому параметру атомным стандартам частоты и времени (10_11), имеют сравнительно большие размеры (> 50 см3) и энергопотребление (~ 3 Вт).
Атомные стандарты частоты и времени, работающие по принципу двойного радиооптического резонанса в атомах щелочных металлов (чаще всего в цезии и рубидии) совершенствуются уже почти 50 лет. Уменьшение габаритов таких часов принципиально ограничено тем. что характерный размер СВЧ-резонатора. в котором находится ансамбль атомов, сопоставим с длиной волны СВЧ-поля. К примеру, длина волны для перехода между сверхтонкими подуровнями основного состояния в Cs составляет 3.2 см.
Объем типичных современных стандартов частоты и времени5 работающих по такому
3
более $3000.
Сравнительно недавно стал активно разрабатываться альтернативный способ ЗОНД И-рования СВЧ-перехода в основном состоянии атомов. Он основан на использовании би-хроматического лазерного поля и эффекте когерентного пленения населенностей (КПН) подуровней основного состояния атомов щелочного металла. Эффект КПН позволяет значительно сократить объём прибора, поскольку отпадает необходимость в СВЧ-резонаторе и существует возможность использовать компактные полупроводниковые лазеры как источники излучения; на порядок снизить энергопотребление, вес и стоимость. Такие разработки ведутся во многих странах (Израиль. Франция. Китай. Россия и др.) и особенно активно в США: в Национальном институте стандартов и технологии и на фирмах Agilent Technologies. Honeywell. Ivernco. Symmetricom. Teledyne.
"Сердцем" стандарта частоты и времени нового типа является малогабаритный квантовый дискриминатор в нем реализуется физический принцип работы. Дискриминатор представляет собой сборку всех необходимых оптических элементов и сопутствующих комплектующих, которые будут указаны ниже. В стандарт, кроме дискриминатора, должны входить контур обратной связи вместе со стабилизируемым СВЧ-генератором.
В США по заказу Агентства передовых оборонных исследований (DARPA) и при его
финансовой поддержке разработаны лабораторные макеты атомных часов с уникаль-
3
стаоильность за час порядка 10 11 [2]. Первые лучшие промышленные образцы мало-
габаритных атомных часов имеют объём 50 см3, энергопотребление от 5 Вт (фирма Эутте^кют).
Несмотря на быстрый прогресс в этой области в США, разработка малогабаритных атомных часов актуальна и продолжается и в России.
Принцип работы малогабаритных атомных часов 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 (9.192 ГГц для 133Сй, 6.834 ГГц для 87Шэ) (рис. 2), возникает когерентная непоглощающая суперпозиция атомных состояний и пропускание среды растет. Это эффект когерентного пленения населённостей (КПН). Зависимость пропускания ячейки с парами щелочных металлов от разности частот двух компонент излучения формирует узкий метрологический резонанс КПН (или Л-резонанс) и используется для обратной связи и стабилизации частоты СВЧ-генератора, который и модулирует ток лазера. Далее, с помощью синтезатора, частота генератора переводится в удобный для потребителя мегагерцовый диапазон (рис. 1).
Рис. 1: Блок-схема разрабатываемого стандарта частоты. Л
Одной из главных, отвечающих за стабильность частоты, характеристик является ширина метрологического Л-резонанса (чем уже резонанс и меньше шумы измерения, тем стабильнее стандарт). Стабильность работы атомных часов также определяется шумами излучения, уровнем фона и шумами электронных цепей управления. Характе-Л
от способа подавления релаксации когерентности между подуровнями основного состояния атомов, определяющей ширину резонанса, и спектра оптического поля.
1. Для увеличения времени жизни атомов в когерентной непоглощающей суперпозиции в ячейку с парами атомов щелочных металлов добавляют буферный газ и/или наносят антирелаксационное покрытие на внутренние стенки ячейки. В рамках работы были исследованы характеристики А-резонанса в ячейках с внутренним объемом ^ 15-1200 мм3, различной формы, с антирелаксационным покрытием, буферным газом и комбинацией буферного газа и покрытия, с различным соотношением давления буферных газов (N6, Аг) и с различным общим давлением буферных газов [3]. Ячейки содержали изотоп 87КЬ или природную смесь изотопов 87КЬ (21%) и 85Шэ (79%).
На рис. 3 приведены сравнительные характеристики метрологического А-резонанса в ячейках с различным наполнением.
Рис. 3: Зависимость контраста и ширины от мощности падающего излучения. Круги (БГ+АРП) соответствуют ячейке с комбинацией буферного газа (Ъ mopp Ne) и антирелаксационного покрытия, квадраты (АРП) - ячейке с антирелаксационным покрытием, треугольники (ВГ) - ячейке с буферным газом (Ъ mopp Ne).
Ожидалось, что комбинация антирелаксационного покрытия и буферного газа в большей степени уменьшит ширину резонанса КПН по сравнению со случаем использования только буферного газа, но значительного улучшения характеристик резонанса не выявлено.
Произведено сравнение двух схем возбуждения А-резонансов (lin У lin - обе компоненты оптического поля одинаково линейно поляризованы; и а-а - обе компоненты одинаково циркулярно поляризованы) в малых ячейках с рубидием при относительно небольшой интенсивности. lin|||lin схема позволяет получать при повышенной мощно-
А
сравнению с а-а схемой при сохранении ширины резонанса.
Рис. 4: Зависимость контраста (а), ширины (б) и отношения контраста к ширине (в) от мощности излучения, падающего на ячейку. Ячейка с рубидием в виде диска диаметром 10 мм и толщиной 3 мм, буферным газом Ne 5 mopp. Квадраты (lin) соответствуют измерениям в lin\\lin схеме, круги (сire) - а-а схеме.
По результатам работ принято решение использовать сферическую ячейку диаметром 3 мм с щелочным металлом цезием (133Cs) со смесью буферных газов (аргон и неон в определенной пропорции для компенсации температурного сдвига частоты метрологического резонанса). Такая ячейка перспективна для создания прототипа квантового дискриминатора для малогабаритных атомных часов в случае использования специально разработанных компактных диодных лазеров с коротким резонатором (ДИЛКОР) отечественного производства на D1 линию цезия (895.4 им). Ширина А-резонанса в ячейке с суммарным давлением буферных газов 20 торр составляет менее 2 кГц при контрасте 2% (рис. 4, 5).
В случае использования рубидия и лазеров с вертикальным резонатором, излучаю-
D1
которые в России пока не производятся, перспективна lin У lin схема, однако она не работает в ячейках с большим давлением буферного газа (более 15 торр) из-за столк-новительного уширения подуровней возбужденного состояния рубидия на величину их расщепления, что разрушает когерентность переходов в А-схеме. Поэтому оптимальные
Рис. 5: Зависимость контраста (а), ширины (б) и отношения контраст/ширина (в) от мощности излучения, падающего на рубидиевую ячейку (диаметром 13 мм) с покрытием. Температура 62° С. Диаметр пучка равен размеру ячейки. Квадраты (lin) соответствуют измерениям в Ип\\Ип схеме, круги (сire) - а-а схеме.
параметры ячейки с изотопом 87Шэ: цилиндрическая геометрия, с характерным диаметром 3 мм и длиной 4-5 мм; давление смеси буферных газов аргона и неона 10-15 торр и парциальными давлениями соответственно 2/1.
2. Только диодные лазеры способны обеспечить требуемые компактность и малое энергопотребление. При этом динамические характеристики лазера должны обеспечивать высокую эффективность СВЧ-модуляции без возбуждения лишних мод. В экспериментах использовались специально разработанные совместно с ФГУП НИИ "Полюс" диодные лазеры с коротким резонатором порядка 100 мкм (ДИЛКОР) (длина волны излучения 894-897 нм) [4], а также лазеры, излучающие с поверхности (УСЭЕЬ). В отличие от лазеров с вертикальным резонатором (УСЭЕЬ), где перестроечная характеристика не имеет разрывов, для ДИЛКОР это явление (рис. 6) не позволяет всем образцам с равной вероятностью настраиваться на линию поглощения цезия (894.7 нм) и таким
образом, исключает возможность использования некоторых образцов для целей создания стандарта частоты на основе А-резонанса. Полезный выход из 40 изготовленных образцов составил ^30%.
Диапазон значений порогового тока составляет 4.6-5.3 мА, рабочий ток до 10 мА, мощность излучения до 2 мВт. Усреднённые коэффициенты, описывающие перестроечные характеристики:
- скорость перестройки моды по току: (Кт)ау = 0.02 нм/мА; (9 ГГц/мА);
- скорость перестройки моды по температуре: (Кт)ау = 0.07 нм/°С; (27 ГГц/°С);
- скорость перестройки огибающей спектра: (К)ау = 0.3 нм/°С; (110 ГГц/°С).
Рис. 6: Температурная перестроечная характеристика одного из образцов ДИЛКОР при максимальном рабочем токе накачки 10 мА.
Особенностью большинства образцов ДИЛКОР был чрезмерный фазовый шум, который приводит к амплитудному шуму на экстремуме линии поглощения - там же, где и наблюдается А-резонанс. Из-за этого шума (достигающего иногда для некоторых лазеров до 5% амплитуды фонового сигнала пропускания на центре линии поглощения) отношение сигнала к шуму при регистрации А-резонанса (контраст резонанса до 3%) может быть менее единицы, следовательно, для использования таких лазеров в стандарте частоты необходимо дополнительно изучить эти шумы и причины их возникновения.
Из ДИЛКОР, попадающих в линию поглощения цезия, не выявлено работающих в строго одночастотном режиме. У лучших образцов доля мощности излучения, сосредоточенная в рабочей моде, составляет 91%.
Перспективными лазерами как с точки зрения устойчивости режимов генерации в режиме СВЧ-модуттяции. шумовых характеристик, так и возможностью получения исключительного одномодового режима генерации, являются УСЭЕЬ (характерная длина резонатора порядка десяти микрон). Пороговый ток таких лазеров около 0.5 мА. мощность при максимальном рабочем токе 2 мА около 450 мкВт. В использованных УСБЕЬ отсутствует чрезмерный фазовый тпум. какой возникал у ДИЛКОР. и отношение сигнала к шуму при регистрации Л-резонанса превышает 5.
3. К настоящему времени разработаны и собраны прототипы малогабаритных квантовых дискриминаторов: с ячейкой с 133 Се и давлением буферных газов 20 торр и ДИЛКОР [5], а также с ячейкой с 87Шэ и давлением смеси буферных газов 170 торр и УСЭЕЬ. Дискриминатор представляет собой сборку элементов в цилиндрическом корпусе размером, не превышающим размер батарейки формата АА. Диодный лазер с СВЧ-разъёмом и элементом Пельтье. коллимируютций объектив, соленоид (соленоид создает магнитное поле, направленное вдоль распространения лазерного луча, которое приводит к расщеплению зеемановских подуровней и даёт возможность наблюдать
Л
линейном приближении), сферическая ячейка диаметром 3 мм, нейтральный фильтр, пластинка А/4, теплоизолятор, нагревательный элемент для нагрева сферической ячейки. термодатчики, фотодиод, многослойный магнитный экран (для изоляции ячейки от внешнего магнитного поля), размещены в цилиндрическом корпусе длиной около 4 см. диаметр около 13 мм. Объём 5 см3. Ширина (менее 2 кГц) и контраст (2% в а-а схеме)
Л
ние атомных часов со стабильностью (параметром Аллана) не хуже, чем 3 • 10_12 при времени интегрирования 1 час в приближении учета только дробового тттума излучения лазера. В настоящее время командой проекта ведётся дальнейшая модернизация и миниатюризация прототипа дискриминатора, а также проектирование электронной системы стабилизации часов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. В. Васильев. Я. О. Дудин. С. А. Зибров и др.. "Эффект когерентного пленения населенностей и его применения в метрологии" в: Научная, сессия, МИФИ-2008.
Сборник научны,а; трудов (МИФИ. Москва. 2008), с. 48.
[2] J. F. DeXatale, R. L. Borwick, С. Tsai. et al.. "Compact. Low-Power Chip-Scale Atomic
Clock" in: Proc. IEEE ION/PLANS 2008 (Monterey С A USA, 2008).
[3] О. Н. Козлова. С. А. Зибров. В. Л. Величанский. "Резонансные ячейки с парами атомов 87Rb для малогабаритных атомных часов" в: Научная сессия МИФИ-2008.
Сборник научных трудов (МИФИ. Москва. 2008), с. 212.
[4] С. В. Каргапольцев. В. Л. Величанский. В. В. Васильев и ;> ip., Квантовая электроника 39(6), 487 (2009).
[5] А. В. Сивак. В. Л. Величанский. В. В. Васильев. С. А. Зибров. "Разработка малогабаритного квантового дискриминатора для атомных часов" в: Сборник трудов III Международной научно-практической конференции "Информационные технологии в образовании, науке и производстве" (Серпухов. 2009 г.; Комитет по образованию. г. Серпухов. 2009), часть 2. секция 5, с. 191.
По материалам 3 Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 24 апреля 2011 г.
