устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора

Формула изобретения

1. Устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, содержащее оптически связанные лазерный излучатель и квантовый дискриминатор, выход которого через фотодетектор связан с сигнальным входом блока обратной связи, отличающееся тем, что оптическая связь лазерного излучателя с квантовым дискриминатором осуществлена через оптический модуль коррекции частоты, управляющий вход которого связан с выходом блока обратной связи, а выход через Y-образный оптический разветвитель связан с входом оптической накачки квантового дискриминатора и входом дополнительного фотодетектора, выход которого связан с дополнительным входом блока обратной связи, при этом блок обратной связи содержит последовательно соединенные синхронный детектор, сигнальный вход которого образует сигнальный вход блока обратной связи, интегратор, синтезатор сетки частот и управляемый буферный усилитель, выход которого образует выход блока обратной связи, а также генератор сигнала модуляции, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора и модулирующим входом синтезатора сетки частот, и последовательно соединенные задатчик уровня и дифференциальный усилитель, выход которого соединен с управляющим входом управляемого буферного усилителя, а сигнальный вход образует дополнительный вход блока обратной связи.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический модуль коррекции частоты выполнен в виде акустооптического модулятора и состыкованного с ним фокусирующего конуса, при этом оптический и управляющий входы акустооптического модулятора образуют, соответственно, оптический и управляющий входы оптического модуля коррекции частоты, а выход фокусирующего конуса - выход оптического модуля коррекции частоты.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано в устройствах лазерной оптической накачки квантовых дискриминаторов, применяемых в квантовых стандартах частоты.

Принцип работы квантового стандарта частоты основан на стабилизации частоты подстраиваемого кварцевого генератора относительно частоты спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу, реализуемому в квантовом дискриминаторе, см., например, [1] - А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М.: Сов. радио, 1978, с.5-9,75-108. Квантовый дискриминатор представляет собой квантовое устройство, отвечающее резонансным откликом на сигнал подводимого радиочастотного возбуждения, что позволяет осуществлять сравнение частоты подводимого сигнала радиочастотного возбуждения с собственной резонансной частотой квантового дискриминатора - частотой спектральной линии, соответствующей определенному квантовому переходу атомов используемого рабочего вещества. В квантовых стандартах частоты указанный сигнал радиочастотного возбуждения формируется в соответствии с частотой выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора с определенным пересчетным коэффициентом, а результат сравнения частоты подводимого сигнала радиочастотного возбуждения с частотой спектральной линии квантового дискриминатора - сигнал рассогласования - используется для формирования управляющего сигнала для подстраиваемого кварцевого генератора. Необходимым условием работы квантового дискриминатора и формирования в нем эффективной резонансной характеристики является наличие инверсной разности населенностей между энергетическими уровнями атомов на частоте используемого квантового перехода, что создается путем оптической накачки - воздействием света определенного спектра на рабочее вещество квантового дискриминатора.

Известны квантовые стандарты частоты, в которых оптическая накачка рабочего вещества квантового дискриминатора осуществляется с помощью безэлектродной спектральной лампы, см., например, патенты: [2] - US 4661782, H03L 7/26, H01P 7/06, H01S 1/06, 28.04.1987; [3] - US 5491451, H03L 7/26, 13.02.1996; [4] - US 6985043, H01S 1/06, 10.01.2006, Fig.9. Недостатком такой оптической накачки является чрезмерно широкий спектр оптического излучения, обогащенный нерезонансными спектральными линиями рабочего вещества и буферного газа безэлектродной спектральной лампы, что размывает резонансную характеристику квантового дискриминатора, увеличивает шумовую составляющую его выходного сигнала и, соответственно, нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора, являющегося выходным сигналом квантового стандарта частоты.

Стремление сузить спектр оптического излучения, предназначенного для оптической накачки квантового дискриминатора, привело к предложению использовать для этих целей лазерное излучение, например излучение полупроводникового лазера (лазерного диода), который, при условии стабилизации частоты его излучения, облучает квантовый переход рабочего вещества квантового дискриминатора когерентным светом строго определенной длины волны, соответствующей частоте спектральной линии рабочего вещества квантового дискриминатора. При этом имеет место отсутствие нерезонансных линий излучения и чрезмерной засветки рабочего вещества, присущих традиционным квантовым стандартам частоты с оптической накачкой при помощи спектральной лампы [2]÷[4], что призвано снизить шумовую составляющую выходного сигнала квантового дискриминатора и, соответственно, нестабильность частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора.

Эффект от использования лазерной оптической накачки квантового дискриминатора обеспечивается только в условиях высокой стабильности частоты оптического излучения, поступающего на оптический вход квантового дискриминатора, что представляет собой серьезную техническую проблему. Дело в том, что частота излучения полупроводникового лазера (лазерного диода) чрезвычайно сильно зависит от температуры. Так, типовое значение температурного коэффициента перестройки частоты лазерного диода, пригодного для целей лазерной оптической накачки, составляет 25 ГГц/°C. В случае реализации квантового дискриминатора на газовой ячейке, например рубидиевой ячейки с шириной оптической линии 700 МГц (типовое значение), для сканирования всей оптической линии достаточно изменения температуры на 2,8·10 ^-2 °C. В случае же использования для целей квантового дискриминирования атомно-лучевой трубки, имеющей ширину оптической линии всего 10 МГц, для полного сканирования оптической линии достаточно изменения температуры на 4·10^-4 °C. Поддержание стабильной температуры с точностью, достаточной для удержания частоты лазерного диода вблизи вершины соответствующей оптической линии квантового дискриминатора, невозможно обычными средствами температурной стабилизации на основе термоконтроллеров, что вынуждает оснащать устройства лазерной оптической накачки дополнительными средствами стабилизации частоты оптического излучения.

Известно устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, в котором источник излучения оптической накачки представляет собой комбинацию лазерного диода и пьезоэлектрических преобразователей, выполненных на общей подложке, что обеспечивает возможность изменения частоты и амплитуды излучения оптической накачки под действием управляющих сигналов, формируемых цепью обратной связи, см. патенты [5] - US 4935935, H01S 3/19, H01L 23/42, 19.06.1990 и [6] - US 5442326, H03L 7/26, 15.08.1995. Однако такое устройство сложно в изготовлении, имеет увеличенные габариты, что ограничивает область его возможного применения.

Известны устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, в которых источник излучения оптической накачки содержит лазерный диод, управление частотой излучения которого осуществляется путем изменения тока инжекции, см., например, патенты: [7] - US 5148437, H01S 3/13, 15.09.1992, Fig.1A, 1B, 2; [8] - RU 2369958, H03L 7/26, H01S 1/06, 10.10.2009; [9] - RU 2369959, H03L 7/26, H01S 1/06, 10.10.2009; [10] - RU 2395900, H03L 7/26, 27.07.2010; [11] - RU 2395901, H03L7/26, 27.07.2010. Такие устройства проще в реализации и имеют меньшие габариты по сравнению с устройствами, описанными в [5] и [6], что расширяет область их возможного использования.

Однако применение таких устройств в квантовых стандартах частоты не позволяет достичь потенциально возможных значений нестабильности частоты выходного сигнала из-за невозможности в полной мере застабилизировать параметры излучения оптической накачки. Дело в том, что изменение тока инжекции лазерного диода влияет не только на параметры светового излучения, но, в существенно большей степени, на тепловое излучение (на световое излучение приходится всего лишь порядка 10% излучаемой мощности, а на тепловое - оставшиеся 90%). При использовании стандартных лазерных излучателей на основе лазерных диодов (например типа ИЛПН-245), работающих при токе инжекции порядка 50 мА и имеющих падение напряжения на p-n переходе порядка 2,1 B, общая выделяемая мощность лазерного диода составляет порядка 105 мВт, при этом на световое излучение приходится 10 мВт, а на тепловое 95 мВт. При собственных габаритах лазерного диода менее 1 мм ³ и массе менее 0,5 г этой мощности достаточно для того, чтобы при отсутствии эффективного теплоотвода разрушить кристалл лазерного диода. Поэтому в практических реализациях для обеспечения работоспособности и предотвращения выхода на критические тепловые режимы лазерные излучатели устанавливаются на теплоотводящее основание и оснащаются устройствами термостатирования (термоконтроллерами), обычно на основе элементов Пельтье. При этом, однако, сохраняется зависимость изменения тепловыделения лазерного диода от тока инжекции, приводящая к тому, что любое изменение тока инжекции вызывает изменение тепловыделения лазерного диода и, соответственно, тепловое расширение его кристалла, что приводит к геометрическим изменениям его внутреннего резонатора и, как следствие, изменению частоты излучения. При этом интенсивность излучения также подвержена пропорциональным изменениям, что проявляется как паразитная амплитудная модуляция света. О вредном влиянии паразитной амплитудной модуляции света на стабильность частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты на газовой ячейке указывается, в частности, в [1, с.95]. Отмечается, что частота спектральной линии зависит от интенсивности света накачки и этот сдвиг частоты может быть в пределах нескольких единиц на 10^-10 при изменении интенсивности света накачки на 1%. Поэтому нестабильность частоты 10^-12 можно получить при нестабильности света накачки порядка 10 ^-4, что достижимо только при стабилизации света накачки с помощью соответствующей обратной связи. Это подтверждается исследованиями реальных схем квантовых стандартов частоты на газовой ячейке с лазерной оптической накачкой, использующих автоподстройку частоты лазерного диода путем изменения тока инжекции, в которых имеет место изменение интенсивности света оптической накачки на уровне 3·10^-4, что дает сдвиг частоты подстраиваемого кварцевого генератора стандарта частоты на уровне 3·10 ^-12÷6·10^-12.

Таким образом, совокупность указанных негативных факторов определяет предел возможности стабилизации частоты излучения лазерного диода при использовании метода регулирования частоты излучения посредством изменения тока инжекции, что лишает возможности приблизиться к теоретической стабильности частоты выходного сигнала квантового стандарта частоты 1·10^-14.

В качестве прототипа выбрано известное из патента [12] - US 5656974, H03B 17/00, H03L 7/26, 12.08.1997 устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора квантового стандарта частоты, представленное обобщенной функциональной схемой, в которой реализован принцип стабилизации частоты излучения лазерного диода посредством управления током инжекции и температурой.

Устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, принятое в качестве прототипа, содержит лазерный излучатель, выход которого оптически связан с помощью оптоволокна с входом оптической накачки квантового дискриминатора, выход которого через фотодетектор связан с сигнальным входом блока обратной связи, выход которого связан с управляющим входом лазерного излучателя.

Квантовый дискриминатор в примере выполнения, представленном в [12], выполнен на газовой ячейке. Также возможно выполнение квантового дискриминатора на основе атомно-лучевой трубки.

Лазерный излучатель содержит лазерный диод с фокусирующим устройством, обеспечивающим ввод светового излучения в оптоволокно, а также блок термостатирования на основе элементов Пельтье. Управляющие входы лазерного диода и блока термостатирования образуют управляющий вход лазерного излучателя, связанный с выходом блока обратной связи.

Лазерный излучатель формирует оптическое излучение для оптической накачки квантового дискриминатора.

Блок обратной связи формирует ток инжекции лазерного диода и ток питания для элементов Пельтье блока термостатирования, обеспечивая за счет этого стабилизацию частоты формируемого лазерным диодом оптического излучения. При этом при формировании указанных сигналов обратной связи используются резонансные свойства квантового дискриминатора, позволяющие выявлять отклонения частоты оптического излучения, поступающего на вход оптической накачки квантового дискриминатора, от оптической резонансной частоты квантового дискриминатора.

В условиях стабилизации частоты излучения оптической накачки квантовый дискриминатор реализует функцию высокостабильного высокодобротного резонансного элемента, обеспечивающего функционирование цепи автоподстройки частоты выходного сигнала подстраиваемого кварцевого генератора (выходного сигнала квантового стандарта частоты).

Однако, как показала практика, рассмотренная схема стабилизации частоты лазерного диода, основанная на изменении его тока инжекции, даже с учетом терморегулирования не позволяет получить параметры стабильности квантового стандарта частоты, приближающиеся к желаемым значениям порядка 1·10^-14 . Как уже указывалось, это связано с имеющей место зависимостью изменений параметров тепловыделения лазерного диода (сильнейший дестабилизирующий фактор) от изменений тока инжекции. Иными словами, схема автоподстройки частоты излучения лазерного диода, основанная на изменении тока инжекции, в определенной мере сама является источником нестабильности из-за своего влияния на параметры тепловыделения лазерного диода, что негативно сказывается на шумовой составляющей выходного сигнала квантового дискриминатора и, как следствие, на стабильности квантового стандарта частоты.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является создание устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора, характеризующегося улучшенными шумовыми свойствами, обеспечиваемыми за счет применения малошумящей схемы стабилизации частоты света оптической накачки на основе оптического преобразования частоты взамен традиционной схемы, основанной на управлении током инжекции лазерного диода.

Сущность изобретения заключается в следующем. Устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора содержит оптически связанные лазерный излучатель и квантовый дискриминатор, выход которого через фотодетектор связан с сигнальным входом блока обратной связи. В отличие от прототипа оптическая связь лазерного излучателя с квантовым дискриминатором осуществлена через оптический модуль коррекции частоты, управляющий вход которого связан с выходом блока обратной связи, а выход через Y-образный оптический разветвитель связан с входом оптической накачки квантового дискриминатора и входом дополнительного фотодетектора, выход которого связан с дополнительным входом блока обратной связи. При этом блок обратной связи содержит последовательно соединенные синхронный детектор, сигнальный вход которого образует сигнальный вход блока обратной связи, интегратор, синтезатор сетки частот и управляемый буферный усилитель, выход которого образует выход блока обратной связи, а также генератор сигнала модуляции, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора и модулирующим входом синтезатора сетки частот, и последовательно соединенные задатчик уровня и дифференциальный усилитель, выход которого соединен с управляющим входом управляемого буферного усилителя, а сигнальный вход образует дополнительный вход блока обратной связи.

В предпочтительных вариантах реализации оптический модуль коррекции частоты выполнен в виде акустооптического модулятора и состыкованного с ним фокусирующего конуса, при этом оптический и управляющий входы акустооптического модулятора образуют, соответственно, оптический и управляющий входы оптического модуля коррекции частоты, а выход фокусирующего конуса - выход оптического модуля коррекции частоты.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются представленной на фигуре структурной схемой заявляемого устройства.

Заявляемое устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора в рассматриваемом примере содержит оптически связанные лазерный излучатель 1, оптический модуль 2 коррекции частоты и квантовый дискриминатор 3, выход которого через фотодетектор 4 связан с сигнальным входом блока 5 обратной связи, выход которого связан с управляющим входом оптического модуля 2 коррекции частоты.

Квантовый дискриминатор 3 может быть выполнен на газовой ячейке, например как в патентах [7]÷[9], или на атомно-лучевой трубке, например как в патентах [10], [11].

Оптический модуль 2 коррекции частоты выполнен в виде акустооптического модулятора 6 и состыкованного с ним фокусирующего конуса 7. Оптический и управляющий входы акустооптического модулятора 6 образуют, соответственно, оптический и управляющий входы оптического модуля 2 коррекции частоты, а выход фокусирующего конуса 7 - выход оптического модуля 2 коррекции частоты.

Лазерный излучатель 1 состоит из лазерного диода 8, источника 9 постоянного тока, формирующего ток инжекции лазерного диода 8, и термоконтроллера 10, обеспечивающего постоянный температурный режим лазерного диода 8. В состав лазерного излучателя 1 также обычно входят установленные на его выходе оптический изолятор и фокусирующие линзы (на структурной схеме не показаны).

Выход лазерного излучателя 1 оптически связан с помощью отрезка оптоволокна 11 с оптическим входом оптического модуля 2 коррекции частоты, то есть с оптическим входом акустооптического модулятора 6.

Выход оптического модуля 2 коррекции частоты, образованный выходом фокусирующего конуса 7, оптически связан с входом оптической накачки квантового дискриминатора 3 и входом дополнительного фотодетектора 12 с помощью Y-образного оптического разветвителя 13 и, при необходимости, соответствующих отрезков оптоволокна.

Выход дополнительного фотодетектора 12 связан с дополнительным входом блока 5 обратной связи.

Фотодетекторы 4 и 12 содержат в своем составе фотодиод и фотоусилитель (на структурной схеме не показаны).

Блок 5 обратной связи содержит последовательно соединенные синхронный детектор 14, интегратор 15, синтезатор 16 сетки частот и управляемый буферный усилитель 17, а также генератор 18 сигнала модуляции, выход которого соединен с опорным входом синхронного детектора 14 и модулирующим входом синтезатора 16 сетки частот. Кроме этого блок 5 обратной связи содержит последовательно соединенные задатчик 19 уровня и дифференциальный усилитель 20, выход которого соединен с управляющим входом управляемого буферного усилителя 17. Сигнальный вход синхронного детектора 14, образующий сигнальный вход блока 5 обратной связи, связан с выходом фотодетектора 4. Сигнальный вход дифференциального усилителя 20, образующий дополнительный вход блока 5 обратной связи, связан с выходом дополнительного фотодетектора 12. Выход управляемого буферного усилителя 17, образующий выход блока 5 обратной связи, связан с управляющим входом оптического модуля 2 коррекции частоты, то есть с управляющим входом акустооптического модулятора 6.

В обобщенном виде работа заявляемого устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора происходит следующим образом.

Лазерный излучатель 1 формирует посредством лазерного диода 8 оптическое излучение, частота которого отличается в меньшую сторону от оптической резонансной частоты квантового дискриминатора 3 на величину, равную сдвигу частоты, осуществляемому в акустооптическом модуляторе 6. Параметры оптического излучения, формируемого лазерным диодом 8, стабильны за счет использования высокоточного стабилизированного источника 9 постоянного тока и термоконтроллера 10.

Излучение лазерного излучателя 1 через оптоволокно 11 поступает на акустооптический модулятор 6, где подвергается управляемому сдвигу частоты на величину, определяемую значением несущей частоты модулированного СВЧ сигнала, поступающего на его управляющий вход через управляемый буферный усилитель 17 с выхода синтезатора 16 сетки частот.

Преобразованное акустооптическим модулятором 6 излучение, сфокусированное с помощью фокусирующего конуса 7, поступает через Y-образный оптический разветвитель 13 на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3 и вход фотодетектора 12.

Поступающее на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3 оптическое излучение - свет оптической накачки - вызывает свечение (флюоресценцию) рабочего вещества квантового дискриминатора 3, которое регистрируется фотодетектором 4.

Выходной сигнал фотодетектора 4, несущий в себе информацию о величине и знаке отклонения частоты света оптической накачки от оптической резонансной частоты квантового дискриминатора 3 (частоты оптической линии рабочего вещества), поступает на сигнальный вход синхронного детектора 14, на опорный вход которого поступает опорный сигнал от генератора 18 модуляции. На выходе синхронного детектора 14 образуется сигнал рассогласования, который интегрируется интегратором 15. Выходной сигнал интегратора 15 поступает на сигнальный вход синтезатора 16 сетки частот, на вход модуляции которого поступает модулирующий сигнал с выхода генератора 18 модуляции. Выходной сигнал интегратора 15 управляет синтезатором 16 сетки частот, изменяя несущую частоту его выходного сигнала в сторону уменьшения сигнала рассогласования. Выходной сигнал синтезатора 16 сетки частот через управляемый буферный усилитель 17 поступает на управляющий вход акустооптического модулятора 6, создавая в нем акустическую волну, частота которой прибавляется к частоте светового излучения, поступающего от лазерного излучателя 1, осуществляя тем самым подстройку частоты света оптической накачки в соответствии с оптической резонансной частотой квантового дискриминатора 3. Таким образом, реализуется замкнутое кольцо автоподстройки частоты света оптической накачки, удерживающее эту частоту на вершине оптической линии рабочего вещества.

Кроме рассмотренного кольца автоподстройки частоты света оптической накачки в заявляемом устройстве для компенсации затухания света на границах рабочего диапазона частот акустооптического модулятора 6 применяется кольцо автоподстройки уровня света. Для этого используется часть светового излучения, ответвляемого с помощью Y-образного оптического разветвителя 13 на вход фотодетектора 12, который формирует на своем выходе сигнал, несущий информацию об уровне света на выходе акустооптического модулятора 6. Выходной сигнал фотодетектора 12 поступает на сигнальный (инвертирующий) вход дифференциального усилителя 20, где сравнивается с опорным сигналом, поступающим с выхода задатчика 19 уровня. Выходной сигнал дифференциального усилителя 20, характеризующий отклонение величины выходного сигнала фотодетектора 12 от опорного значения, поступает на управляющий вход управляемого буферного усилителя 17, управляя его усилением с целью поддержания постоянного уровня света во всем рабочем диапазоне частот акустооптического модулятора 6. Эффект управления уровнем света в акустооптическом модуляторе 6 основывается на зависимости мощности отклоненного луча от амплитуды акустической волны, создаваемой под действием выходного сигнала управляемого буферного усилителя 17. Таким образом, осуществляется автоподстройка уровня оптического излучения (уровня света оптической накачки), поступающего на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3.

В результате стабилизации частоты и уровня оптического излучения, поступающего на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3, обеспечивается оптимальный режим работы квантового дискриминатора 3, при котором достигается минимизация шумовой составляющей его выходного сигнала, что позволяет в случае использования его в квантовом стандарте частоты приблизить стабильность выходного сигнала квантового стандарта частоты к желаемому уровню 1·10^-14.

Рассмотрим особенности практической реализации и функционирования заявляемого устройства в случае выполнения квантового дискриминатора 3 на газовой ячейке с рабочим веществом ⁸⁷Rb.

Лазерный диод 8 лазерного излучателя 1 излучает когерентный свет фиксированной длины волны, в рассматриваемом случае D₂ линии ⁸⁷Rb (780+1,8·10^-3) нм, что в пересчете на частоту составляет 384614,484615385 ГГц. Поддержание номинала данной выходной частоты обеспечивается высокоточным источником 9 постоянного тока и термоконтроллером 10.

Требования к точности источника 9 постоянного тока и термоконтроллера 10 следующие.

Источник 9 постоянного тока и термоконтроллер 10 должны обеспечить флуктуации выходной частоты ( F) лазерного диода 8 на уровне не более ±0,05 ГГц. В случае применения лазерного диода 8 типа «VCSEL» (поверхностно-излучающий лазерный диод с вертикальным резонатором), типовое значение рабочего тока I₀ которого составляет 1 мА, а коэффициент перестройки частоты от тока имеет значение K₁=500 МГц/мкА, может быть использован источник 9 постоянного тока с относительной нестабильностью выходного тока I=5·10^-6, вызывающей отклонение частоты на величину:

F₁=I₀· I·K₁=10^-3·5·10 ^-6·5·10⁵=2,5-10^-3 МГц.

В этом случае допустимое отклонение частоты от флуктуации температуры составляет:

F_T= F- F₁=2·50-2,5·10^-3=99,9975 МГц.

При коэффициенте перестройки частоты лазерного диода 8 от температуры K_T=25 ГГц/°C относительная нестабильность температуры допускается в пределах:

Т= F_T/K_T=9,99975·10^-2 /25=3,999·10^-3 °C.

Отсюда вытекают требования к точности термоконтроллера 10, например Т=0,002°C, что вполне реализуемо.

Когерентный свет, испускаемый лазерным диодом 8, с длиной волны (780+1,8·10 ^-3) нм проходит через соответствующий оптический изолятор и фокусирующие линзы, входящие в состав лазерного излучателя 1, и далее по оптоволокну 11 попадает на акустооптический модулятор 6 СВЧ диапазона.

Вследствие того, что источник 9 постоянного тока и термоконтроллер 10 обеспечивают точность поддержания номинала частоты излучения на уровне ±50 МГц (суммарный диапазон отклонений 100 МГц), то акустооптический модулятор 6, как регулирующий элемент, должен обеспечивать отстройку частоты и диапазон перестройки больше допустимых флюктуаций, например 900±100 МГц. Для решения этой задачи может использоваться, например, акустооптический модулятор, аналогичный представленному в патенте [13] - RU 2448353, G02F 1/11, 20.04.2012, но в традиционном режиме падающей волны, без предлагаемого в патенте [13] отражения акустической волны от противоположной стенки звуковода, что привело бы к потере эффекта смещения частоты света.

В акустооптическом модуляторе 6 возбуждается акустическая волна частотой 900 МГц. Вследствие эффекта Доплера и режима дифракции Брэгга на выходе акустооптического модулятора 6 имеет место единственный максимум с выходной частотой:

F=F_св +F_зв=384614484,615385+900=384615384,615385 МГц,

что соответствует длине волны 780 нм, требующейся для настройки на оптическую спектральную линию квантового дискриминатора 3.

Частота управляющего СВЧ сигнала для акустооптического модулятора 6 генерируется в синтезаторе 16 сетки частот, имеющем диапазон перестройки ±100 МГц относительно номинальной частоты 900 МГц. Шаг перестройки синтезатора 16 сетки частот определяет точность поддержания частоты всем устройством автоподстройки. Минимально возможная ширина оптической линии квантового дискриминатора 3 (в случае реализации его на атомно-лучевой трубке - рубидиевой или цезиевой) составляет 10 МГц. Исходя из этого можно считать, что десять точек частоты на 1 МГц перестройки синтезатора 16 сетки частот будет достаточно для удержания когерентного света на вершине линии излучения. Следовательно, необходимо иметь 200·10=2000 фиксированных частот в составе сетки частот синтезатора 16. При этом шаг перестройки составит 100 кГц.

В рассматриваемом случае выполнения квантового дискриминатора 3 на рубидиевой газовой ячейке, ширина спектральной линии которой составляет 700±100 МГц, реализуемый синтезатором 16 сетки частот диапазон перестройки частоты ±100 МГц позволяет осуществлять регулирование на уровне 1/20 амплитуды линии излучения, что при обычной величине выходного сигнала фотодетектора 4 на уровне 30 мВ составляет величину порядка 1,5 мВ. Экспериментально определенное напряжение шума на выходе фотодетектора 4 составляет 10 мкВ, что дает основание считать, что при работе с такой газовой ячейкой достаточно 2·1,5·10 ^-3/10^-5=300 значений частоты синтезатора 16 сетки частот с шагом перестройки 670 кГц.

Для поддержания постоянного уровня света на выходе акустооптического модулятора 6 вне зависимости от положения текущего значения частоты на его амплитудно-частотной характеристике используется вторая цепь автоподстройки - цепь автоподстройки уровня света. Для ее работы часть светового излучения с помощью Y-образного оптического разветвителя 13 отводится на дополнительный фотодетектор 12, выходное напряжение которого сравнивается в дифференциальном усилителе 20 с напряжением задатчика 19 уровня, а получаемый в результате этого сравнения выходной сигнал (сигнал ошибки) управляет усилением управляемого буферного усилителя 17 с целью коррекции пропускающей способности акустооптического модулятора 6 за счет регулировки мощности возбуждаемой в нем акустической волны.

Так как при изменении частоты света изменяется угол выхода луча из акустооптического модулятора 6, то для придания этому лучу определенного направления акустооптический модулятор 6 дополняется фокусирующим конусом 7. С выхода фокусирующего конуса 7 стабилизированный по частоте и уровню свет через Y-образный оптический разветвитель 13 поступает на вход оптической накачки квантового дискриминатора 3. Указанные элементы, реализующие оптическую связь акустооптического модулятора 6 с квантовым дискриминатором 3, установлены таким образом, что в газовую ячейку квантового дискриминатора 3 попадает только один отклоненный в акустооптическом модуляторе 6 луч. Под действием этого луча происходит оптическая накачка рабочего вещества квантового дискриминатора 3, сопровождаемая его свечением (флюоресценцией), которое регистрируется фотодетектором 4.

Поскольку фотодетектор 4 регистрирует не затухание проходящего света оптической накачки, как в прототипе [12], а флюоресценцию рабочего вещества при возбуждении оптической линии излучения, то это значительно снижает уровень постоянной засветки при регистрации данной линии, повышая тем самым контраст сигнала по отношению к ненулевой подставке, обусловленной незначительным переотражением облучающего света.

Выходной сигнал фотодетектора 4 несет в себе информацию об отклонении частоты света оптической накачки от оптической резонансной частоты квантового дискриминатора 3 (частоты оптической линии рабочего вещества). Величина и знак этого отклонения выявляются при синхронном детектировании в синхронном детекторе 14, результат которого используется для управления синтезатором 16 сетки частот, который с указанным выше шагом перестройки осуществляет (через управляемый буферный усилитель 17) управление акустооптическим модулятором 6, замыкая цепь обратной связи по частоте. Необходимый при этом сигнал модуляции формируется генератором 18 сигнала модуляции, частота которого ограничена скоростью перестройки синтезатора 16 сетки частот.

Таким образом, заявляемое устройство лазерной оптической накачки квантового дискриминатора обеспечивает неизменность светового потока, облучающего оптический квантовый переход квантового дискриминатора, причем этот световой поток свободен от паразитной амплитудной модуляции и не зависит от тепловых флуктуаций.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора с улучшенными шумовыми свойствами, что обеспечивается за счет применения малошумящей схемы стабилизации частоты света оптической накачки на основе оптического преобразования частоты взамен традиционной схемы, основанной на управлении током инжекции лазерного диода.

Такое устройства лазерной оптической накачки квантового дискриминатора с оптическим преобразованием частоты может быть использовано в квантовых стандартах частоты с лазерной накачкой, в том числе бортового применения, обеспечивая приближение стабильности его выходного сигнала к желаемому уровню 1·10^-14.

Источники информации

1. А.И. Пихтелев, А.А. Ульянов, Б.П. Фатеев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов // М.: Сов. радио, 1978, с.5-9, 75-108.

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

3. US 5491451, H03L 7/26, опубл. 13.02.1996.

4. US 6985043, H01S 1/06, опубл. 10.01.2006 (Fig.9).

5. US 4935935, H01S 3/19, H01L 23/42, опубл. 19.06.1990.

6. US 5442326, H03L 7/26, опубл. 15.08.1995.

7. US 5148437, H01S 3/13, опубл. 15.09.1992 (Fig.1A, 1B, 2).

8. RU 2369958, H03L 7/26, H01S 1/06, опубл. 10.10.2009.

9. RU 2369959, H03L 7/26, H01S 1/06, опубл. 10.10.2009.

10. RU 2395900, H03L 7/26, опубл. 27.07.2010.

11. RU 2395901, H03L 7/26, опубл. 27.07.2010.

12. US 5656974, H03B 17/00, H03L 7/26, опубл. 12.08.1997.

13. RU 2448353, G02F 1/11, опубл. 20.04.2012.