Реализация импульсных Rb-часов с оптической накачкой и стабильностью частоты ниже $$10^{

Том 13 научных докладов, номер статьи: 12974 (2023) Цитировать эту статью

366 Доступов

Подробности о метриках

Мы представляем характеристики стабильности частоты Rb-часов с паровой ячейкой, основанных на методе импульсной оптической накачки (POP). Часы были разработаны в рамках сотрудничества INRIM и Leonardo SpA с целью реализации стандарта частоты POP, пригодного для применения в космосе. Представленные здесь результаты были получены с помощью инженерного физического пакета, специально разработанного для космических приложений, в сочетании с оптикой и электроникой лабораторного уровня. Измеренная стабильность частоты, выраженная через отклонение Аллана, составляет \(1,2\times 10^{-13}\) за 1 с и достигает значения \(6\times 10^{-16}\) для времени интегрирования 40000 с. (дрифт удален). Насколько нам известно, это рекордный результат для стандарта частоты на паровой ячейке. В статье показано, что для получения такого результата необходима тщательная стабилизация микроволновых и лазерных импульсов.

Благодаря своей надежности, компактности и хорошим характеристикам часы с паровыми ячейками в настоящее время используются в самых разных научных и технологических приложениях, требующих точного хронометража, а также уменьшения размера, веса и энергопотребления (SWaP). Достаточно упомянуть, что глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), телекоммуникации и временные метки финансовых транзакций полагаются на сигналы точного времени и частоты, обеспечиваемые атомными стандартами частоты, которые очень часто представляют собой часы на основе Rb-клеток1.

Обычно используемые Rb-часы представляют собой устройства с ламповой накачкой: лампа используется в качестве оптического источника для подготовки атомного состояния посредством процесса оптической накачки2. Однако с момента их появления в атомной физике в 80-х годах диодные лазеры успешно использовались в эталонах ячеек с целью улучшения процесса оптической накачки. Кроме того, из-за большого количества доступных длин волн диодные лазеры позволяют использовать другие атомы, например Cs, и подходят для реализации новых схем возбуждения, таких как когерентный захват населенности (КПН) (см., например,3,4,5,6 ,7).

В настоящее время исследования часов на паровых ячейках с лазерной накачкой являются важной и активной областью, которая охватывает примерно две тенденции: с одной стороны, крайнюю миниатюризацию с целью создания часов размером с чип. С другой стороны, разработка прототипов с высокой стабильностью с целью конкурировать с часами H-мазера с точки зрения стабильности частоты, но добиться более низкого SwaP.

В первом случае были продемонстрированы часы с паровой ячейкой размером всего 1 \(\hbox {см}^3\) с использованием ячейки миллиметрового масштаба8. Если, с одной стороны, этот процесс миниатюризации демонстрирует множество преимуществ (например, энергопотребление в несколько десятков мВт, снижение массы и производственных затрат), с другой стороны, краткосрочная стабильность обязательно ограничивается единицами \(10^{ -10}\) за 1 с по размеру микроячейки, а затем по числу взаимодействующих атомов щелочного металла. Было показано, что миниатюрные атомные часы успешно работают в качестве базы времени для будущих приемников ГНСС9 и для сейсмических измерений, связанных с обнаружением землетрясений, акустическим зондированием и разведкой нефти на дне океана10. Кроме того, миниатюрные атомные часы разрабатываются с учетом будущего применения в мобильных и маломощных приборах или портативных устройствах11.

Второе направление исследований касается разработки часов на основе лазерных паровых ячеек с высочайшими характеристиками стабильности. В связи с этим было разработано и изучено несколько методов, в большинстве случаев использующих расположение ячеек в сантиметровом масштабе. Эти методы включают метод непрерывной волны с двойным резонансом12, импульсную оптическую накачку (POP)13,14,15 и CPT либо в непрерывном6,16, либо в импульсном режиме17,18. Среди них схема POP гарантирует значительно улучшенные характеристики как по сравнению с нынешними традиционными Rb-часами, так и с конкурирующими новыми исследовательскими идеями. После плодотворных работ, основанных на мазере POP Rb19, вскоре было признано, что оптическое обнаружение заселенности основного состояния позволяет достичь наилучших результатов по стабильности частоты. В частности, несколько исследовательских групп измерили отклонения Аллана в диапазоне от \(1\times 10^{-13}\) до \(3 \times 10^{-13}\) за 1 с времени интегрирования. Кроме того, в некоторых случаях среднесрочные показатели достигали нижней области \(10^{-15}\) за \(10^4\) с времени усреднения13,14,16,20,21.