АТОМНЫЙ ПУЧКОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ С УДАРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ЭТАЛОННОГО О-О-ПЕРЕХОДА

АТОМНЫЙ ПУЧКОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ С УДАРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ЭТАЛОННОГО О-О-ПЕРЕХОДА


RU (11) 2062537 (13) C1

(51) 6 H01S1/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 5043305/25 
(22) Дата подачи заявки: 1992.05.25 
(45) Опубликовано: 1996.06.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Патент США N 4354108, кл. Н 01 S l/00, 1982. 2. Беседина А.Н. и др. Создание и исследование квантового дискриминатора частоты на пучке атомов Rb87 с накачкой и детектированием инжекционными лазерами.- Квантовая электроника, 1991,18,3,387. 3. Пестов Е.Н. Индуцирование коллективной фазовой когерентности в квантовых системах без резонансного фазирующего поля.- Письма в ЖЭТФ, 1992, 1.55, с. 19. 4.Рябинин Ю.Л. и др. Измерительная техника, 1984, N 10, c. 50. 
(71) Заявитель(и): Пестов Евгений Николаевич; Беседина Алла Николаевна 
(72) Автор(ы): Пестов Евгений Николаевич; Беседина Алла Николаевна 
(73) Патентообладатель(и): Пестов Евгений Николаевич; Беседина Алла Николаевна 

(54) АТОМНЫЙ ПУЧКОВЫЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ С УДАРНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ЭТАЛОННОГО О-О-ПЕРЕХОДА 

Использование: в технической квантовой физике при построении квантовых стандартов частоты на пучках атомов, прежде всего, водорода и щелочных металлов - цезия и рубидия. Сущность изобретения: для получения стандарта частоты с предельной стабильностью и воспроизводимостью эталонной частоты <<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>0,0> сверхтонкого O-O перехода, с уменьшенным расходом рабочего вещества и увеличенным ресурсом работы воздействуют на пучок движущихся атомов в зоне возбуждения дополнительным третьим полем , представляющим собой дельта-образные магнитные видеоимпульсы длительностью sd меньше четверти периода эталонного O-O перехода (sd меньше 1/4 To,o), подаваемым с помощью введенных индукторов и управляемого источника дельта-импульсов тока. Схема стандарта частоты дает возможность однородного и масштабного непрерывающегося фазирования одновременно целого столба "атомов" перед областями резонатора (в частности, Рамзея) в зоне возбуждения, что увеличивает амплитуду сигнала и более чем на порядок сужает резонансную линию. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



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.

Известен квантовый стандарт частоты на пучке атомов цезия (132Cs). Атомно-лучевая трубка стандарта частоты содержит следующие основные узлы: источник пучка атомов, три последовательно расположенные зоны вдоль криволинейной траектории пучка. В первой зоне зоне инверсии населенностей - происходит отсортировывание атомов с определенной проекцией магнитного момента mF, среди которых имеются рабочие атомы с mF 0. Это осуществляется с помощью сложной системы магнитов с сильным градиентом постоянного магнитного поля. Во второй зоне зоне возбуждения сигнала - происходит индуцирование квантовых O-O эталонных переходов в пучке атомов переменным полем резонатора Рамзея, которое фазирует атомы и возбуждает таким образом магнитный O-O резонанс. В третьей зоне зоне детектирования сигнала приняты меры для регистрации магнитного O-O резонанса [1]

Недостатком устройства является то, что при наличии сложной системы магнитов и возникающей при этом сложной траектории пучка число рабочих атомов в пучке с mF 0 оказывается очень малым и составляет <0,01% от общего количества. Это ведет к потенциально малой величине сигнала. Кроме того, увеличение температуры источника пучка в стандарте вплоть до 140oC для увеличения сигнала не решает этой проблемы, а лишь приводит к большому расходу рабочего вещества и снижению ресурса работы стандарта частоты.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является атомный стандарт частоты на пучке атомов рубидия 87Rb с лазерной накачкой и лазерным детектированием сигнала O-O перехода [2]

Он содержит источник пучка атомов щелочного металла, пучок атомов с тремя последовательно расположенными зонами зоной инверсии населенностей атомов, зоной возбуждения эталонного O-O перехода, зоной детектирования сигнала этого перехода, первый источник резонансного света, связанный облучением с зоной инверсии, СВЧ резонатор с первой и второй областями осциллирующего магнитного поля установленный в зоне возбуждения, магнитную систему, которая охватывает зону возбуждения с СВЧ резонатором и обеспечивает в пучке рабочее постоянное магнитное поле удовлетворяющее условию 2,c o,o (где o,o ширина резонанса O-O перехода, гиромагнитная константа атомов), второй источник резонансного света, связанный облучением с зоной детектирования, фотоприемник, блок АПЧ, вход которого подключен к фотоприемнику, управляемый СВЧ генератор, вход которого соединен с выходом блока АПЧ, а выход с СВЧ резонатором.

Основные недостатки этого устройства обусловлены резонатором, осуществляющим полем во-первых, режим вынужденных колебаний на частоте o,o, и, во-вторых, локальное в пространстве и неодновременное во времени фазирование атомов.

Это приводит к следующему:

1) невоспроизводимости абсолютного значения частоты o,o, связанной с тем, что квантовые O-O переходы происходят в присутствии осциллирующего поля 

2) возникновению нескольких разновидностей сдвигов резонансной частоты o,o;

3) значительному уширению o,o резонанса, см. фиг. 1, а.

Происхождение сдвигов и уширений связано с наличием:

а) различных скоростей атомов в пучке (в результате атомы за разное время проходят области резонатора, что приводит к разбросу фаз атомов, который непосредственно характеризует уширение);

б) разных траекторий атомов при пролете областей резонатора (вследствие чего атомы разных траекторий попадают в поле разной амплитуды и направления);

в) влияния пространственно искаженной картины поля вблизи входного и выходного отверстий резонатора. (Этот фактор вызывает не только уширение, но и сдвиг частоты центра линии резонанса).

Вследствие упомянутых причин (1-3) на практике ширина o,o эталонного резонанса достигает значений 700 Гц. Заметим, что без этого уширение o,o составляет <1 Гц.

Известно, что значительное уширение o,o резонансной линии и сдвиги частоты o,o в режиме вынужденных колебаний уменьшают стабильность и воспроизводимость абсолютного значения выходной частоты o,o. Это препятствует повышению точности стандарта.

4) Имеет место влияние на эталонную частоту o,o соседних резонансов на частотах 1,1 и -1,-1. Для исключения этого влияния постоянное магнитное поле в области резонатора накладывают величиной H2,co,o. На практике разность частот устанавливают равной 50000 Гц. Однако это разведение частот приводит к тому, что значительная доля атомов остается на соседних подуровнях с mF 1 и поэтому не дает вклада в амплитуду сигнала O-O резонанса, что изначально ограничивает отношение сигнал/шум (S/N) и стабильность стандарта.

Кроме того, необходимость увеличения постоянного поля приводит к появлению дополнительного, магнитного сдвига частоты. Таким образом, перечисленные недостатки лежат в основе пониженной стабильности эталонной частоты o,o, пониженной воспроизводимости ее абсолютного значения o,o и пониженной точности стандарта частоты.

Технической задачей изобретения является достижение предельной стабильности и воспроизводимости абсолютного значения частоты эталонного O-O перехода, повышение точности, а также снижение расхода рабочего вещества и увеличение ресурса работы устройства.

Поставленная задача достигается тем, что в атомном пучковом стандарте частоты с ударным возбуждением сигнала эталонного O-O перехода, содержащем источник пучка атомов щелочного металла, пучок атомов с тремя последовательно расположенными зонами зоной инверсии населенностей атомов, зоной возбуждения эталонного O-O перехода, зоной детектирования сигнала этого перехода, первый источник резонансного света, связанный облучением с зоной инверсии, СВЧ резонатор с первой и второй областями осциллирующего магнитного поля установленный в зоне возбуждения, магнитную систему, которая охватывает зону возбуждения с СВЧ резонатором и обеспечивает в пучке рабочее постоянное магнитное поле удовлетворяющее условию H2,co,o (где o,o ширина резонанса O-O перехода, гиромагнитная константа атомов), второй источник резонансного света, связанный облучением с зоной детектирования, фотоприемник, блок АПЧ, вход которого подключен к фотоприемнику, управляемый СВЧ генератор, вход которого соединен с выходом блока АПЧ, а выход с СВЧ резонатором, в него дополнительно введены индукторы, вырабатывающие d-образные видеоимпульсы магнитного поля длительностью td( меньше четверти периода To,o эталонного O-O перехода () при этом индукторы установлены между зоной инверсии и первой областью СВЧ резонанса, и в зоне возбуждения между первой и второй областями осциллирующего поля резонатора, дополнительно введен управляемый источник -образных видеоимпульсов тока i, выход которого подключен к индукторам, первый вход I источника соединен с выходом управляемого СВЧ генератора, а его второй вход II соединен с выходом блока АПЧ, причем магнитная система выполнена с условием g2,c<<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/916.gif" ALIGN=ABSMIDDLE> (где Dwd ширина резонанса 0-0 перехода при действии поля 

Сопоставительный анализ заявляемого решения по сравнению с прототипом показывает, что предлагаемый стандарт частоты отличается от известных наличием в нем новых элементов и связей в него дополнительно введены индукторы, вырабатывающие d)-образные видеоимпульсы магнитного поля длительностью td меньше четверти периода To,o эталонного 0-0 перехода при этом индукторы установлены между зоной инверсии и первой областью СВЧ резонатора и в зоне возбуждения между первой и второй областями осциллирующего поля резонатора, дополнительно введен управляемый источник -образных видеоимпульсов тока i, выход которого подключен к индукторам, первый вход I источника соединен с выходом управляемого СВЧ генератора, а его второй вход II соединен с выходом блока АПЧ, причем магнитная система выполнена с условием g2,c<<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/916.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>.

Эти перечисленные признаки позволяют сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "новизна".

Принципиально новым в предлагаемом атомном пучковом стандарте частоты авторы считают получение в нем ранее неизвестного свойства режима свободных колебаний атомов на частоте, обозначенной <<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>o,o>, отличающегося наивысшей стабильностью. Этот режим осуществляется дополнительным третьим полем при этом достигаются и одновременность фазирования всех атомов, и однородность фазирования их по всему "столбу" в зоне возбуждения. В результате устраняются сдвиги частоты dw0,0, значительно уменьшается (более чем на порядок) ширина резонанса до значения o 10 Гц, поскольку рабочие атомы влетают в первую и вторую области СВЧ резонанса, находясь уже в состоянии полной сфазированности.

Это позволяет достичь предельной стабильности и воспроизводимости абсолютного значения эталонной частоты o,o, повысить точность, а также снизить расход рабочего вещества и увеличить ресурс работы устройства.

Предложенное техническое решение по совокупности признаков ограничительной и отличительной частей не было обнаружено при сравнении с другими техническими решениями в данной области технической квантовой физики. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1, б показан узкий контур 0-0 резонанса с шириной , полученный от действия на атомы магнитного d-видеоимпульса в частности по оси X.

На фиг. 2 представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Атомный пучковый стандарт частоты с ударным возбуждением эталонного 0-0 перехода содержит: 1 источник пучка атомов щелочного металла, например рубидия 87Rb; 2 пучок атомов; 3 зону инверсии населенностей длиной A в этом пучке; 4 первый источник резонансного света; зону возбуждения 0-0 перехода протяженностью B, заключающую в себе: магнитную систему 5, обеспечивающую рабочее постоянное магнитное поле в частности по оси X; индукторы 6, установленные на участке 7 пучка до первой области 8 резонатора 9 и вырабатывающие магнитные -видеоимпульсы аналогичные индукторы 10, установленные на участке 11 пучка атомов между первой 8 и второй 12 областями осциллирующего поля резонатора, в частности по оси X; 13 управляемый источник -образных видеоимпульсов тока i, первый вход I которого соединен с выходом управляемого СВЧ генератора 14, а его второй вход II соединен с выходом блока 15 АПЧ (автоматической подстройки частоты); 16 второй источник резонансного света, связанный облучением с зоной детектирования 17, имеющей длину C; фотоприемник 18, подключенный ко входу блока АПЧ.

Устройство работает следующим образом, фиг. 2.

Источник 1, выполненный в виде нагреваемого объема с коллиматором, формирует параллельный пучок 2 атомов 87Rb с прямолинейной траекторией по оси X, диаметром 0,5-1 см и угловой расходимостью в пределах 1o. Вдоль пучка 2 можно выделить три последовательно расположенные зоны различной длины A, B, C. В каждой зоне выполняется определенная операция. В зоне инверсии населенностей 3 длиной A (1 см) производят перенаселенность атомами 87Rb одного из его рабочих подуровней, например 2, mF 0>. Это осуществляется резонансным светом от первого источника 4, в качестве которого служит лазерный источник, см. [2]

Далее пучок 2 атомов в состоянии инверсии населенностей влетает в зону возбуждения эталонного O-O перехода. Она охвачена магнитной системой 5, выполненной в виде магнитного экрана с соосным соленоидом внутри.

В предлагаемом атомном пучковом стандарте значение постоянного поля задано условием H2,c<<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/916.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>. Это означает, что частоты соседних переходов w1,1 и -1,-1 настолько приближены к центральной частоте 0,0, что все они становятся неразличимыми в пределах ширины резонанса .

Индуцирование коллективных квантовых переходов происходит на частоте <<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>0,0> свободных колебаний. Для этого в зоне возбуждения на пучок атомов воздействуют третьим полем магнитным -видеоимпульсом длительностью td меньше четверти периода To,o эталонного O-O перехода, т.е. Поле в данном случае индуцирует ударное возбуждение синхронных квантовых переходов в коллективе атомов, см. [3]

Этот процесс воздействия осуществляется с помощью дополнительно введенных индукторов 6 и 10, которые вырабатывают одиночные d-видеоимпульсы поля Индукторы установлены на участках 7 и 11, соответственно, между зоной инверсии 3 и первой областью 8 резонатора 9, а также между первой 8 и второй 12 областями осциллирующего поля СВЧ резонатора 9. Длина пролета каждой области (1-2 см) 8 и 12 с полем мала по сравнению с общей длиной B зоны возбуждения.

Видеоимпульсы в индукторах 6 и 10 возникают в результате подачи d -видеоимпульсов тока i с выхода дополнительно введенного управляемого источника тока 13. Эти индукторы выполняются в виде одновитковых колец, соединенных параллельно. Они имеют наименьшую индуктивность и позволяют получать магнитные видеоимпульсы поля очень малой длительности t T0,0.

После действия в момент времени t1 первого одиночного магнитного -видеоимпульса поля, который обозначим все атомы в зоне возбуждения на длине B оказываются мгновенно сфазированными. Другими словами, возникает "столб" диной B мгновенно сфазированных атомов, причем в когерентность (т. е. в синфазность) вовлекаются все атомы "столба" (см. фиг. 2, заштрихованная часть пучка 2).

В результате индуцируется своеобразный летящий резонансный контур с узкой шириной Dwd (см. фиг.1, б) и излучающий свободные колебания атомов на частоте резонанса <<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>0,0>. Образующаяся ширина контура существенно меньше ширины Dw0,0, наблюдаемой при обычном возбуждении когерентности резонатором 9 (см. фиг. 1, а).

Сужение ширины контура до значения 0,0 связано с мгновенной привязкой фаз атомов к видеоимпульсу за ультракороткое время td [3] что обеспечивает малый разброс фаз, а следовательно, и малую ширину Dw.

Мгновенно возникающий таким образом "столб" сфазированных атомов влетает в области 8 и 12 с осциллирующим резонансным полем Оно задается резонатором 9, подключенным к выходу СВЧ генератора 14, управляемого блоком 15 АПЧ. Осциллирующее поле подается с малой амплитудой, поскольку оно в предлагаемом устройстве выполняет лишь роль слабого зондирующего O-O резонанс поля. Это зондирующее поле осуществляет периодическое (с низкой частотой ) прохождение резонанса и имеет вид



здесь k индекс частотной девиации.

Тогда в зоне детектирования 16, просвечиваемой резонансным светом от второго источника 17, на фотоприемнике 18 появится (на низкой частоте ) сигнал вида Asint. Он поступает на вход блока 15 для подстройки СВЧ генератора 14 на центральную частоту которая и используется как выходная частота стандарта.

Очередной одиночный магнитный -видеоимпульс, который обозначим воздействует на пучок в момент времени t2, причем после того, как основная часть движущегося сфазированного "столба" атомов пролетит области 8 и 12 с осциллирующим полем и выйдет за пределы зоны возбуждения. При средней скорости "столба" атомов равной Vcp и длине B зоны возбуждения минимальное время tmint2 t1 между соседними одиночными -импульсами равно



Значение tmin легко выполнимо. При реально используемых величинах: B40 см, Vcp200 м/с значение tmin составит 1 мс.

Кроме того, подача очередного -видеоимпульса осуществляется синхронно с фазой сигнала эталонной частоты Для этого вход I управляемого источника -видеоимпульсов тока 13 соединен с выходом управляемого СВЧ генератора 14, а второй вход II источника 13 соединен с выходом блока 15 АПЧ.

Таким образом, возникает непрерывающийся и масштабный процесс фазирования атомов пучка на длине B.

В настоящее время в связи с получением видеоимульсов длительностью t 10-10 10-11 с [4] имеется техническая готовность создания стандартов частоты на пучках атомов 85Rb, 87Rb и 133Cs, имеющих высокие эталонные частоты квантовых O-O переходов, соответственно: 3065 МГц, 6834 МГц и 9192 МГц.

Реализация предлагаемого устройства позволяет: создать атомный пучковый стандарт частоты с ударным возбуждением эталонного O-O перехода, в котором осуществляется режим свободных колебаний атомов на частоте <<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>0,0>. В стандарте достигаются и одновременность, и однородность фазирования всех атомов пучка в зоне возбуждения.

В результате: уменьшается ширина резонансной линии до величины 10 Гц и менее; устраняются сдвиги частоты, связанные с различием скоростей атомов и их траекторий; исключается влияние соседних резонансов на частоту <<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>0,0>; исключается магнитный сдвиг частоты <<IMG SRC="http://www.fips.ru/chr/969.gif" ALIGN=ABSMIDDLE>0,0>.

Эти факторы приводят к достижению предельной стабильности и воспроизводимости абсолютного значения частоты эталонного O-O перехода, а также к повышению точности стандарта частоты.

Вследствие того, что в O-O резонанс вовлекается максимальное число атомов, вылетающих из источника пучка, в стандарте частоты реализуется максимальный коэффициент использования пучка по параметру когерентности (сфазированности). Это обстоятельство дает возможность без потери точности снизить температуру источника пучка на 50-60oC, что ведет к снижению расхода рабочего вещества и увеличению ресурса работы предлагаемого устройства. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Атомный пучковый стандарт частоты с ударным возбуждением эталонного О - О-перехода, содержащий источник пучка атомов щелочного металла, вдоль направления распространения которого расположены три зоны: зона инверсии населенностей атомов протяженностью А, зона возбуждения эталонного О - О-перехода атомов протяженностью B, зона детектирования сигнала от этого перехода атомов протяженностью С, первый источник резонансного света, связанный облучением атомов пучка с зоной инверсии, установленный в зоне возбуждения СВЧ-резонатор, например, U-образного типа со сквозными отверстиями для прохождения пучка атомов, которые по ходу пучка определяют первую и вторую области взаимодействия осциллирующего магнитного поля с атомами пучка, магнитную систему, которая охватывает зону возбуждения и обеспечивает в пучке постоянное магнитное поле , второй источник резонансного света, связанный облучением атомов с зоной детектирования сигнала, фотоприемник, блок АПЧ, вход которого подключен к фотоприемнику, управляемый СВЧ-генератор, вход которого соединен с выходом блока АПЧ, а выход с СВЧ-резонатором, отличающийся тем, что в него дополнительно введены индукторы, вырабатывающие - образные видеоимпульсы магнитного поля длительностью td меньше четверти периода T0-0 эталонного О-О- перехода при этом индукторы установлены после зоны инверсии и до СВЧ-резонатора и между первой и второй областями взаимодействия магнитного поля дополнительно введен управляемый источник - образных видеоимпульсов тока i, выход которого подключен к индукторам, первый вход I источника соединен с выходом управляемого СВЧ-генератора, а его второй вход II соединен с выходом блока АПЧ, причем магнитная система выполнена с условием 

где - ширина резонанса О О-перехода при действии поля


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru