Realisierung einer gepulsten optisch gepumpten Rb-Uhr mit einer Frequenzstabilität unter $$10^{

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 12974 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Wir präsentieren die Frequenzstabilitätsleistungen einer Dampfzellen-Rb-Uhr basierend auf der Technik des gepulsten optischen Pumpens (POP). Die Uhr wurde im Rahmen einer Zusammenarbeit zwischen INRIM und Leonardo SpA entwickelt, mit dem Ziel, einen weltraumtauglichen POP-Frequenzstandard zu realisieren. Die hier berichteten Ergebnisse wurden mit einem speziell für Weltraumanwendungen entwickelten physikalischen Paket in Verbindung mit Optik und Elektronik in Laborqualität erzielt. Die gemessene Frequenzstabilität, ausgedrückt als Allan-Abweichung, beträgt $1,2\times 10^{-13}$ bei 1 s und erreicht den Wert $6\times 10^{-16}$ für Integrationszeiten von 40000 s (Drift entfernt). Dies ist unseres Wissens nach ein Rekordergebnis für ein Dampfzellen-Frequenznormal. In der Arbeit zeigen wir, dass zur Erzielung dieses Ergebnisses eine sorgfältige Stabilisierung von Mikrowellen- und Laserpulsen erforderlich ist.

Aufgrund ihrer Zuverlässigkeit, Kompaktheit und guten Leistung werden Dampfzellenuhren heutzutage in einer Vielzahl von wissenschaftlichen und technologischen Anwendungen eingesetzt, die eine präzise Zeitmessung sowie reduzierte Größe, Gewicht und Stromverbrauch (SWaP) erfordern. Es genügt zu erwähnen, dass globale Navigationssatellitensysteme (GNSS), Telekommunikation und Zeitstempel von Finanztransaktionen alle auf präzise Zeit- und Frequenzsignale angewiesen sind, die von Atomfrequenzstandards bereitgestellt werden, bei denen es sich sehr oft um Rb-Zellenuhren handelt1.

Häufig verwendete Rb-Uhren sind lampengepumpte Geräte: Eine Lampe wird als optische Quelle für die Vorbereitung des atomaren Zustands durch den Prozess des optischen Pumpens verwendet2. Seit ihrer Einführung in die Atomphysik in den 80er Jahren werden Diodenlaser jedoch erfolgreich in Zellstandards mit dem Ziel eingesetzt, den optischen Pumpprozess zu verbessern. Darüber hinaus ermöglichen Diodenlaser aufgrund der großen Anzahl verfügbarer Wellenlängen die Verwendung anderer Atome wie Cs und eignen sich für die Implementierung neuer Anregungsschemata wie Coherent Population Trapping (CPT) (siehe beispielsweise 3,4,5,6). ,7).

Derzeit ist die Forschung an lasergepumpten Dampfzellenuhren ein wichtiges und aktives Feld, das grob zwei Trends umfasst: auf der einen Seite die extreme Miniaturisierung mit dem Ziel, Uhren im Chip-Maßstab zu realisieren. Zum anderen die Entwicklung hochstabiler Prototypen, mit dem Ziel, hinsichtlich der Frequenzstabilität mit H-Maser-Uhren zu konkurrieren, aber einen geringeren SwaP zu erreichen.

Im ersten Fall wurden Dampfzellenuhren von nur 1 $\hbox {cm}^3$ unter Verwendung einer Zelle im mm-Maßstab demonstriert8. Wenn dieser Miniaturisierungsprozess einerseits viele Vorteile aufweist (z. B. Stromverbrauch von einigen zehn mW, reduzierte Masse und Produktionskosten), ist andererseits die Kurzzeitstabilität zwangsläufig auf Einheiten von $10^{ -10}$ bei 1 s durch die Größe der mikrogefertigten Zelle und dann durch die Anzahl der wechselwirkenden Alkalimetallatome. Es hat sich gezeigt, dass miniaturisierte Atomuhren erfolgreich als Zeitbasis für zukünftige GNSS-Empfänger9 und für seismische Messungen im Zusammenhang mit der Erdbebenerkennung, der akustischen Erfassung und der Ölexploration auf dem Meeresboden funktionieren10. Darüber hinaus werden miniaturisierte Atomuhren im Hinblick auf zukünftige Anwendungen in mobilen und stromsparenden Instrumenten oder Handgeräten entwickelt11.

Die zweite Forschungslinie betrifft die Entwicklung laserbasierter Dampfzellenuhren mit höchster Stabilitätsleistung. In diesem Zusammenhang wurden mehrere Techniken entwickelt und untersucht, wobei in den meisten Fällen eine Zellanordnung im cm-Maßstab verwendet wurde. Zu diesen Techniken gehören der Doppelresonanz-Dauerstrichansatz12, gepulstes optisches Pumpen (POP)13,14,15 und CPT, entweder im kontinuierlichen6,16 oder im gepulsten Modus17,18. Unter anderem garantiert das POP-System stark verbesserte Leistungen sowohl im Vergleich zu aktuellen traditionellen Rb-Uhren als auch gegenüber konkurrierenden neuen Forschungsideen. Nach den bahnbrechenden Arbeiten auf Basis des POP-Rb-Masers19 wurde schnell erkannt, dass die optische Detektion der Grundzustandspopulation es ermöglicht, die besten Ergebnisse zur Frequenzstabilität zu erzielen. Konkret haben mehrere Forschungsgruppen Allan-Abweichungen im Bereich von $1\times 10^{-13}$ bis $3 \times 10^{-13}$ für eine Integrationszeit von 1 Sekunde gemessen. Außerdem erreichten die mittel- bis langfristigen Leistungen in einigen Fällen den niedrigen $10^{-15}$-Bereich für $10^4$ s Mittelungszeit13,14,16,20,21.

In diesem Artikel berichten wir über die Implementierung und Charakterisierung eines Rb-POP-Takts, der ein noch besseres Ergebnis bei der Frequenzstabilität aufweist. Insbesondere wurde eine Allan-Abweichung von $1,2\times 10^{-13} \tau ^{-1/2}$, was $\tau$ der Integrationszeit entspricht, gemessen. Der Bereich des weißen Frequenzrauschens erstreckt sich bis zu $4\times 10^4$ s (Drift entfernt), wodurch der Wert $6\times 10^{-16}$ erreicht werden kann, ein Rekordergebnis für ein Dampf- Zellstandard. Der Uhrenprototyp umfasst ein technisches Physikpaket und einen Laborprototyp für die elektronischen und optischen Systeme. Das Rb POP-Physikpaket (PP) wurde im Rahmen des ESA-Vertrags „GSTP6.2 Rb POP“ für Weltraumanwendungen entwickelt und in den INRIM-Einrichtungen aus physikalischer und messtechnischer Sicht, einschließlich Thermo-Vakuum und Magnetik, charakterisiert -Empfindlichkeitstests22. Im Vergleich zum vorherigen INRIM-Laborprototyp14 wurde das PP so konstruiert, dass es das thermische Verhalten, die Abschirmung und die mechanische Robustheit verbessert, um den Platzanforderungen standzuhalten, ohne Einbußen bei der Stabilitätsleistung hinnehmen zu müssen. Bei der Konstruktion wurde besonderer Wert auf die Zuverlässigkeit und Wiederholbarkeit der Montage- und Abstimmungsprozesse im Hinblick auf eine zukünftige Serienproduktion gelegt. Das PP hat eine Masse von 3 kg und einen Stromverbrauch von weniger als 10 W.

Die Arbeit ist wie folgt organisiert. Im Abschnitt „Das POP-Schema“ erläutern wir der Vollständigkeit halber den gepulsten Ansatz und seine Vorteile bei der Realisierung einer Zelluhr. In „Experimentelle Implementierung“ beschreiben wir den Uhrenprototyp und seine Funktionsweise. Besonderes Augenmerk wird auf die Erzeugung und Steuerung der Laserpulse gelegt. Der Abschnitt „Ergebnisse“ ist den Charakterisierungsmessungen des POP-Rb-Takts gewidmet, einschließlich der Ergebnisse der Frequenzstabilität. Abschließend fassen wir in den Schlussfolgerungen unsere Ergebnisse zusammen und skizzieren einige Zukunftsperspektiven.

Das gepulste Schema ermöglicht die zeitliche Trennung der drei Phasen (Zustandsvorbereitung, Taktinteraktion und Erkennung), die normalerweise den Betrieb eines Atomfrequenznormals charakterisieren. Bei herkömmlichen Rb-Uhren finden Vorbereitung, Abfrage und Detektion gleichzeitig statt: Das Licht bereitet die Rb-Atome in einer von zwei Taktstufen vor und gleichzeitig wird ein Mikrowellenfeld in Resonanz mit der Grundzustands-Hyperfeinfrequenz auf die Atomprobe angewendet, um dies zu erreichen Erregen Sie den Taktübergang. Dasselbe Licht, das zum Pumpen der Rb-Atome verwendet wird, wird auch für die Detektionsstufe verwendet, indem der durch den Mikrowellenübergang induzierte Überschuss an Transparenz gemessen wird. Dieses als Dauerstrich-Doppelresonanz bekannte Abfrageschema ist recht effizient und wird in den meisten kommerziellen Rb-Uhren, die auf heißen Dämpfen basieren, häufig verwendet.

Das gleichzeitige Vorhandensein von Licht und Mikrowelle erzeugt jedoch ein Übersprechen zwischen optischen und Mikrowellenübergängen, was zu einer starken Lichtverschiebung führt, die die Taktfrequenz stört und schließlich die Stabilität des Referenzsignals beeinträchtigt23. Insbesondere die mittel- und langfristige Leistung wird durch die Lichtverschiebung eingeschränkt, unabhängig davon, ob die Uhr den Laser oder die Lampe zum optischen Pumpen verwendet.

(a) Schema des grundlegenden POP-Taktzyklus. $P_L$: Laserleistung. $P_{\mu W}$: Mikrowellenleistung. $\nu _0$: Mikrowellenfrequenz. Das optische Pumpen und Detektieren erfolgt mit Laserpulsen (oberes Diagramm). Nach der Pumpphase wird der Laser ausgeschaltet und die Taktabfrage mit einer Zeitbereichs-Ramsey-Sequenz durchgeführt (mittlerer Plot). Die Sequenz wird zweimal wiederholt und moduliert die Mikrowellenfrequenz $\nu _0$ mit einer Modulationstiefe $\nu _m=80\,\hbox {Hz}$, d. h. der halben Breite des Ramsey-Streifens (unteres Diagramm). . Das gesamte Schema dauert typischerweise $8,8\,\hbox {ms}$. (b) Erweiterte Sequenz mit einer zusätzlichen Modulation der Mikrowellenleistung (um $\pm 8\%$), um eine aktive Stabilisierung der Mikrowellenfeldamplitude am Atomsignal durchzuführen (siehe Methoden).

Der Ansatz des gepulsten optischen Pumpens erwies sich als sehr effektiv zur Reduzierung der Lichtverschiebung. Nachdem die Atome in einer Taktstufe durch einen optischen Pumpimpuls vorbereitet wurden, vollziehen sie den Übergang im Dunkeln, angeregt durch ein paar Mikrowellenimpulse, gemäß dem Ramsey-Schema. Im Gegensatz zum Doppelresonanz-Dauerstrich-Ansatz wird die Übertragung der Laserinstabilitäten auf die Atome minimiert und die Lichtverschiebung um mindestens zwei Größenordnungen reduziert, was sich positiv auf die mittel- und langfristige Taktstabilität auswirkt.

Ohne auf alle Details einzugehen, möchten wir hier daran erinnern, dass eine vollständige Eliminierung der Lichtverschiebung aus zwei Hauptgründen nicht möglich ist: Erstens ist es mit herkömmlichen optoelektronischen Geräten nicht möglich, das Laserlicht vollständig auszulöschen, und zweitens ist die Laserabsorption in Die Zelle verursacht eine Inhomogenität in der Zustandsvorbereitung, die zu einer von der Zellposition abhängigen Verschiebung führt24.

Trotz dieses sogenannten Pseudo-Lichtverschiebungseffekts weist die POP-Technik einige praktische Merkmale auf, die typisch für ein Springbrunnen-ähnliches Experiment mit kalten Atomen sind. Das Verhalten der Atome kann durch ein Zwei-Ebenen-System gut angenähert werden, und die Betriebsphasen der Uhr sind zeitlich gut getrennt, da die Ramsey-Zeit nicht mehr durch die Schwerkraft begrenzt ist, wie in einem Brunnen, sondern durch die Entspannungsphänomene, die innerhalb der Zelle stattfinden . Dazu gehören vor allem die Kollisionen mit anderen Rb-Atomen (Spin-Austausch), mit den Zellwänden und mit Puffergasatomen/-molekülen, die üblicherweise der Zelle hinzugefügt werden, um die Atome einzuschließen und die Kohärenzzeit zu erhöhen2.

Die Vorteile des POP-Systems aus messtechnischer Sicht beschränken sich nicht nur auf die mittel- bis langfristige Perspektive. Tatsächlich kann die Laserintensität während des optischen Pumpimpulses optimiert werden, um die höchste Besetzungsinversion zu erreichen, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis und damit die Kurzzeitstabilität verbessert werden. Darüber hinaus ist der zentrale Ramsey-Streifen, der das Taktreferenzsignal darstellt, aufgrund seiner Linienbreite (Vollbreite bei halbem Maximum, $\Delta \nu _{1/2}$) nahezu unempfindlich gegenüber optischen/Mikrowellen-Leistungsverbreiterungseffekten. gut angenähert durch den Ausdruck $\Delta \nu _{1/2}=\frac{1}{2T}$, wobei T die Ramsey-Zeit ist.

Eine typische POP-Taktsequenz ist in Abb. 1a dargestellt. Die Sequenz beginnt mit einem starken resonanten Laserpuls, der ein Bevölkerungsungleichgewicht in den beiden Taktebenen erzeugt und die verbleibende atomare Kohärenz aus dem vorherigen Zyklus nahezu auslöscht. Anschließend wird die Ramsey-Spektroskopie im Mikrowellenbereich durchgeführt. Abschließend wird die Grundzustandspopulation mit einem schwachen Laserpuls (mit der gleichen Frequenz wie der Pumppuls) untersucht. Die Grundsequenz wird zweimal wiederholt, während die Mikrowellenfrequenz um den zentralen Ramsey-Streifen ($\nu _m \simeq \Delta \nu _{1/2} / 2$) moduliert wird. In Abb. 1b wird ein fortschrittliches Abfrageschema verwendet, um nicht nur die lokale Oszillatorfrequenz, sondern auch die Mikrowellenfeldamplitude zu stabilisieren (weitere Einzelheiten finden Sie unter Methoden).

Funktionsblockschema der im Text beschriebenen POP-Uhr. Für die Frequenzcharakterisierung wurde das technische Physikpaket in einer Vakuumkammer gelagert, um eine repräsentative Umgebung für Tests am Boden bereitzustellen. SAS: Aufbau der Sättigungsabsorptionsspektroskopie. FPGA: Field-Programmable Gate Array. DAC: Digital-Analog-Wandler. ADC: Analog-Digital-Wandler. DDS: Direkter digitaler Synthesizer. AOM: Akusto-optischer Modulator. OCXO: Ofengesteuerter Quarzoszillator.

Der Versuchsaufbau ist in Abb. 2 dargestellt. Mehrere relevante Funktionen werden von einem speziellen digitalen elektronischen System ausgeführt, das die Synthesekette ausgehend von einem 100-MHz-Quarzoszillator, die Signalerfassung und die Signalverarbeitung zur Disziplinierung des Quarzes an die atomare Referenz implementiert . Der Taktabfragezyklus von Abb. 1 wird durch die Implementierung einer Reihe programmierbarer Schritte erreicht, die sich auf unbestimmte Zeit wiederholen25.

Das in dieser Arbeit getestete Engineering Model (EM) ist ein Physics Package (PP), das hinsichtlich Größe, Form und Funktionalität vollständig repräsentativ für das Flugmodell ist. Das PP ist mit nicht geprüften Komponenten ausgestattet, die mit den Fluggegenstücken identisch sind, und wird nach weltraumtauglichen Verfahren zusammengebaut. Die Umwelttests am PP EM umfassten Thermo-Vakuum-Zyklen, sinusförmige und zufällige Vibrationen sowie mechanische Stöße. Sie wurden gemäß den Richtlinien für die Qualifizierung einer vollständigen Galileo-Uhreneinheit durchgeführt.

Das PP besteht aus einer Schichtstruktur ähnlich der in 14 beschriebenen. Der Kern des PP ist die Zelle, die die Rb-Atome und eine temperaturkompensierte Mischung aus Puffergasen enthält. Die Zelle ist in einem Mikrowellenhohlraum untergebracht, der mit einem Signal gespeist wird, das mit dem Grundzustands-Hyperfeinübergang von $^{87}\hbox {Rb}$ (6,834 GHz) resonant ist. Ein Magnet (zur Erzeugung des Quantisierungsmagnetfelds), thermische und magnetische Abschirmungen vervollständigen das PP. Die wichtigsten physikalischen Parameter wie Zelllänge, Puffergasgehalt, Betriebstemperatur und Hohlraumqualitätsfaktor sind denen in14 sehr ähnlich.

Derzeit wurden zwei von Leonardo SpA hergestellte Rb POP PP EM-Geräte nach einem formellen ESA-Prüfungsprozess gründlich analysiert und genehmigt und haben die Umwelt- (thermische und mechanische Belastungen) und Leistungstestphasen erfolgreich bestanden. Darüber hinaus läuft seit mehr als drei Jahren ein Langzeittest an einem PP EM in INRIM-Einrichtungen, der die hervorragende Stabilität seiner kritischen Parameter bestätigt.

Das Optikpaket besteht aus einem Distributed-Feedback-Laser (DFB), dessen Frequenz über die übliche Technik der gesättigten Absorptionsspektroskopie (SAS) am Rb $|$ auf die $\hbox {D}_2$-Linie (780 nm) stabilisiert wird. mathrm {F=1}\rangle \rightarrow |\mathrm {F'=1,2}\rangle\) Crossover-Übergang mit $-160\,\hbox {MHz}$ Offset, um das Puffergas zu kompensieren Schicht. Ein fasergekoppelter akusto-optischer Modulator (AOM) fungiert sowohl als Schalter als auch als Aktuator zur Stabilisierung der Laserimpulsamplitude gemäß der POP-Zeitsequenz. Die Pumpphase dauert typischerweise $0,4\,\hbox {ms}$ für eine Pumpintensität von $14\,\hbox {mW}/\hbox {cm}^{2}$. Die Detektionsimpulsintensität beträgt stattdessen etwa $0,9\,\hbox {mW}/\hbox {cm}^{2}$. Vor dem Eintritt in das PP wird der Laserstrahl durch einige Freiraumoptiken geformt (siehe Abb. 6a): Nach der Kollimation wird die lineare Polarisation mit einer Halbwellenlängenplatte eingestellt und mit einem Glan-Thompson-Polarisator gereinigt. Anschließend wird der Strahl auf einen $1/e^2$ Strahldurchmesser von $6,6\,\hbox {mm}$ aufgeweitet. Ein nicht polarisierender Strahlteiler wird direkt vor dem Strahlaufweiter eingefügt, um die Laserintensität auf einer Fotodiode abzutasten. Die Amplitude der Laserpulse wird auf diesem Fotodiodensignal mit 40 kHz Bandbreite aktiv stabilisiert, um das relative Intensitätsrauschen (RIN) zu verbessern; Gleichzeitig sorgt die Stabilisierungstechnik für eine Kontrolle der Laserpulsfläche. Weitere Einzelheiten finden Sie unter Methoden.

Abbildung 2 zeigt ein Funktionsblockschema der gesamten Uhr, während Abb. 6a ein Schema des optischen Steckbretts zeigt, einschließlich des Lasers, des AOM, des Strahlabgabesystems und des Impulserzeugungsaufbaus. Das technische PP wurde in einer Vakuumkammer gelagert, um eine repräsentative Testumgebung zu schaffen. Das mit dem System erzielte typische Taktsignal ist in Abb. 3 dargestellt. Bemerkenswert ist, dass das Taktsignal ähnliche oder sogar bessere Eigenschaften aufweist als das, das in den Laborprototypen mit der besten Leistung erhalten wurde13,14.

Typische experimentelle Ramsey-Streifen, gemessen mit dem Engineered-Physics-Paket. Beim Scannen der Lokaloszillatorfrequenz erfolgt keine Mittelung (dh jeder Datenpunkt ist das Ergebnis eines Taktzyklus).

Die in diesem Abschnitt vorgestellten Stabilitätsergebnisse beziehen sich auf die letzte umfangreiche Messkampagne, die an einem technischen Modell des Physikpakets durchgeführt wurde. Nach einer frühen Entwicklung der Taktfrequenz aufgrund des „Einbrennens“ der Zelle war das Taktfrequenzverhalten ziemlich vorhersehbar und zeigt eine konstante lineare Drift von $\simeq 4\times 10^{-14}/\hbox {d }$, auch nach ein paar programmierten Perioden von „kalt“ ($23~^{\circ }\hbox {C}$) und „heiß“ ($65~^{\circ }\hbox {C). }$) Lagerung, bei der die Temperaturregler nicht aktiv waren und das Paket der Thermalisierung mit der Umgebung überlassen wurde.

Taktstabilität gemessen im Vergleich zu einem aktiven Wasserstoffmaser (Messbandbreite 5 Hz). Hellblaue offene Kreise: überlappende Allan-Abweichung (OADEV) der gesamten Messung. Blau: Dieselben Daten ohne lineare Drift ($+3,9 \times 10^{-14}/\hbox {d}$). Rot: ausgewählte Teilmenge (200.000 s lang). Schwarz: Modell des als Referenz verwendeten aktiven Wasserstoffmasers. Der Einschub zeigt die Zeitreihen derselben Datensätze mit entsprechenden Farben. In diesem Fall werden die Daten zur besseren Visualisierung mit einem Fenster von 100 s gemittelt.

Abbildung 4 zeigt das Ergebnis einer 22-tägigen ununterbrochenen Messung der Rb-Uhr unter Verwendung eines aktiven Wasserstoffmasers als Referenz. Die typische Stabilität beträgt $1,2 \times 10^{-13}$ $\tau ^{-1/2}$ bis zu 1000 s, danach beobachten wir ein Flackergeräusch in der Mitte $1\times 10^{-15}$-Bereich bis zu Mittelungszeiten von wenigen Tagen. Die geringe Menge an überschüssigem Rauschen ist kurzfristig auf Störimpulse zurückzuführen, die teilweise vom Taktsignal und teilweise von der Verteilungsleitung des Wasserstoff-Maser-Signals herrühren, und nimmt als Funktion der Mittelungszeit schneller ab als weißes Rauschen. (\tau\). Durch die Auswahl einer 200.000 s langen Teilmenge der Daten, in der die Umgebungsparameter stabiler waren, sehen wir das Potenzial des Systems, nach nur \ (1\times 10^{4}\,\hbox {s}\) der Mittelungszeit.

Um das Potenzial der POP-Uhrenarchitektur für satellitengestützte Navigationssysteme26 zu unterstreichen, haben wir die dynamische Allan-Varianz für dieselben Daten mit einem Fenster von 4 Tagen berechnet, um die Stabilität bei 1 Tag, dem typischen Intervall zwischen benachbarten, abzuschätzen Uhrensynchronisationen in modernen GNSS-Systemen26. Eine globale Drift von $+3,9\times 10^{-14}/\hbox {d}$ wird vor dem Slicing aus der gesamten Messung entfernt. In Abb. 5a ist die dynamische Allan-Varianz als eine Reihe überlappender Kurven dargestellt. Die Farbe gibt die Position des Fensters an (beginnend mit Hellgelb am Anfang der Messung und Dunkelblau am Ende). In Abb. 5b ist die Verteilung der nach 24 Stunden berechneten ADEV-Werte dargestellt. Für die Dauer der Messung liegt die 1-Tages-Frequenzstabilität mit höchster Wahrscheinlichkeit bei etwa $6\times 10^{-15}$ und selten über $7\times 10^{-15}$. Dieses Maß an Frequenzstabilität entspricht einer Zeitmessung von besser als $0,5\,\hbox {ns}$ nach einem Tag ohne Synchronisierung und insbesondere ohne die Notwendigkeit, das Uhrendriftmodell zu aktualisieren, da es sich um eine lineare Drift handelt ist über die Zeit stabil. Dies liegt deutlich innerhalb des gewünschten Leistungsniveaus einer GNSS-Borduhr und bringt den User-Range-Error-Beitrag der Uhr auf ein vernachlässigbares Niveau (unter $20\,\hbox {cm}$ für 1 Tag Haltezeit)26.

Analyse der Stabilität bei 1-tägiger Mittelungszeit für die gleichen Frequenzdaten wie in Abb. 4. (a) Dynamische Allan-Abweichung (DAVAR)27: Allan-Abweichung, berechnet über gleitende Zeitfenster. Jedes Fenster ist 4 Tage lang und wird vom vorherigen um 0,5 Tage verschoben. Die Farbe gibt die Position des Fensters an (beginnend mit Hellgelb am Anfang der Messung und Dunkelblau am Ende). (b) Verteilung der Stabilität bei 1-tägiger Mittelungszeit.

Wir haben die Ergebnisse der Frequenzstabilität präsentiert, die mit einem Prototyp einer im gepulsten Modus arbeitenden Rb-Dampfzellenuhr erzielt wurden. Die Uhr besteht aus einem für den Weltraumbetrieb entwickelten Physikpaket, das mit Laborelektronik und Optik verbunden ist. Die gemessene Allan-Abweichung beträgt $1,2\times 10^{-13} \tau ^{-1/2}$ und erreicht das Rekordergebnis von $6\times 10^{-16}$ für eine Integrationszeit von 40000 s (Drift entfernt). Eine vollständig entwickelte Rb-POP-Uhr zielt auf ein weißes Frequenzrauschregime für eine Mittelungszeit in der Größenordnung von einem Tag ab, wie es das ultimative Stabilitätsziel für GNSS26 erfordert.

Obwohl die Übertragung von Laser- und Mikrowelleninstabilitäten auf die Atome im Vergleich zu anderen Techniken erheblich reduziert ist, muss die Kontrolle der Feldschwankungen auch beim gepulsten Ansatz gewährleistet werden. Die hier berichteten Stabilitätsleistungen wurden durch den Einsatz spezifischer Techniken zur Reduzierung der Taktfrequenzempfindlichkeit gegenüber Laser- und Mikrowellenleistungsinstabilitäten erzielt (Einzelheiten siehe Methoden).

Die laufenden Aktivitäten konzentrieren sich auf die Entwicklung vollständig integrierter und qualifizierter optischer und elektronischer Pakete, die mit dem bereits vorhandenen PP zusammengebaut werden. Die hier präsentierten Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt in der Dampfzellenuhrtechnologie dar. In Bezug auf SWaP wird erwartet, dass der endgültige Prototyp ein Volumen von 17 Litern, ein Gewicht von 10 kg und einen Stromverbrauch von 60 W hat. Diese Merkmale würden zusammen mit den oben genannten Stabilitätsleistungen die Rb POP-Uhr sehr attraktiv machen bis hin zu seinem möglichen Einsatz im GNSS oder in anderen Weltraumanwendungen.

Die während der Rabi-Impulse an das Physikpaket gelieferte Mikrowellenleistung liegt in der Größenordnung von $-20$ dBm. Die Empfindlichkeit der Teiltaktfrequenz y gegenüber diesem Parameter beträgt $\Delta y/(\Delta P_{\mu W}/P_{\mu W}) = -7\times 10^{-14}/\%\ ). Um daher eine Bruchteilstabilität von \(1\times 10^{-15}$ zu erreichen, muss die von der Synthesekette gelieferte Mikrowellenleistung besser als 0,014 % sein. Dieses Niveau über lange Mittelungszeiten zu erreichen, ist sowohl bei freilaufenden Systemen als auch bei herkömmlichen aktiven Stabilisierungssystemen keine triviale Aufgabe. Um dieses Problem anzugehen, haben wir den in28 beschriebenen Stabilisierungsalgorithmus implementiert.

Die Amplitude der Rabi-Impulse wird taktsynchron um den Sollwert moduliert, der die Atomabsorption maximiert (also um die ersten Rabi-Schwingungsmaxima). Die doppelte Modulation (Mikrowellenfrequenz und -amplitude) erfolgt durch Verdoppelung des üblichen Taktmusters. Durch die Verarbeitung des Taktsignals wird ein unabhängiges Fehlersignal abgerufen und die Korrektur wird auf den AM-Modulationseingang der Synthesekette angewendet. Die Modulationstiefe ist eher gering und liegt in der Größenordnung von 8 %. Eine solch kleine Modulation ist dank der rauscharmen Eigenschaften des Atomsignals und der geringen Bandbreite, die für die Schleife erforderlich ist, möglich (Leistungsschwankungen sind temperaturbedingt und beginnen typischerweise nach Hunderten von Sekunden). Aufgrund der geringen Modulationstiefe und der Symmetrie der Ramsey-Streifen wird die Haupttaktschleife nicht gestört und die Kurzzeitstabilität wird nicht beeinträchtigt.

Dieses Schema wurde validiert, um eine Bruchteilstabilität von $1\times 10^{-5}$ in der abgegebenen Mikrowellenleistung bei einer Mittelungszeit von einem Tag zu erreichen, und ist intrinsisch robust, da die Informationen direkt von denselben Atomen abgerufen werden, die dazu beitragen Frequenzreferenzsignal. Da das Mikrowellenfeld tatsächlich innerhalb des Mikrowellenhohlraums erfasst wird, kann die Steuerung auch Schwankungen der Mikrowellenfeldleistung aufgrund zeitlich variierender Kopplungseffizienz oder Alterung des Hohlraums ausgleichen. Bemerkenswert ist, dass dieses Schema nur sehr wenig zusätzliche Hardware erfordert und keine Totzeit in den Taktbetrieb einführt.

Obwohl die Auswirkungen um Größenordnungen geringer sind als bei CPT- oder CW-Dampfzellenuhren, ist die Laserleistung dennoch ein wesentlicher Einflussparameter, der die Langzeitlebensdauer der POP-Uhr beeinflusst29. Im vorherigen Hochleistungsprototyp14 war die Leistungsstabilität unseres Freiraum-Lasersystems kein so kritischer Faktor, da die Temperaturempfindlichkeit des Physikpakets die Haupteinschränkung für die mittelfristige Stabilität darstellte. Beim aktuellen System, das einige Faserpfade umfasst und langfristig noch bessere Leistungen anstrebt, war eine aktive Stabilisierung der Laserpulsleistung notwendig.

(a) Schema des optischen Steckbretts, einschließlich der Laserquelle, des Strahlabgabesystems und des Laserpuls-Stabilisierungsaufbaus (eine detaillierte Erklärung finden Sie im Text). DFB: Laser mit verteilter Rückkopplung, AOM: Akusto-optischer Modulator, VVA: Spannungsvariabler Abschwächer, PI: Proportional-Integral, SAS: Aufbau der Sättigungsabsorptionsspektroskopie. (b) Relatives Intensitätsrauschen (RIN) des Lasers, gemessen im CW mit Steuerung im offenen und geschlossenen Regelkreis.

Um die in Abb. 4 beschriebene Stabilität zu erreichen, haben wir eine gemischte analoge/digitale Steuerung implementiert, um die Impulse zu erzeugen und zu stabilisieren. Die Laserleistung wird unmittelbar vor dem Physikpaket geprüft, indem $\simeq 30\%$ des Lichts mit einem nicht polarisierenden Strahlteiler ausgewählt und mit einer Si-Fotodiode erfasst wird (siehe Abb. 6a). Das erkannte Signal wird aufbereitet und mit einer numerisch gesteuerten Spannungsreferenz verglichen. Ein analoger Proportional-Integral-Regler (PI) wirkt auf einen variablen Spannungsdämpfer (VVA), der die an den Single-Pass-AOM gesendete HF-Leistung moduliert, die Amplitude des Lasers steuert und die Impulse erzeugt.

Die Spannungsreferenz (Vref) besteht aus drei programmierbaren Spannungspegeln (entsprechend den Taktphasen „Pumpen“, „Erkennung“ und „Dunkel“). Die Umschaltung zwischen den drei Zuständen erfolgt mit einem schnellen Analogschalter (Analog Devices ADG412), der vom gleichen Mustergenerator der Taktelektronik angesteuert wird. Das Muster steuert auch einen weiteren Schalter, der zwischen drei verschiedenen Verstärkungen für die analoge Steuerung umschaltet. Auf diese Weise kann die Verstärkung während der drei Taktphasen unabhängig voneinander optimiert werden. In dieser Konfiguration ist der Controller für die Erzeugung der Laserimpulse verantwortlich (indem er der Spannungsreferenz folgt) und reduziert den Laser-RIN. Das vom Laser erreichbare Intensitätsrauschen wird durch das Spannungsrauschen multipliziert mit der VVA+AOM-Transcharakteristik bestimmt. Stattdessen stabilisiert sich die Langzeitstabilität der Pulsamplitude (bestenfalls) auf dem Niveau der Spannungsreferenz. Wie in Abb. 6b zu sehen ist, lag die RIN-Reduktion im $\hbox {kHz}$-Bereich zwischen 10 dB und 20 dB, wodurch ein weißer Rauschuntergrund von $-135$ dB 1/Hz ab $100) erreicht wurde \,\hbox {Hz}$ bis zu $50\,\hbox {kHz}$ (Fourierfrequenz). Die langfristige Bruchteilleistungsstabilität der Laserpulsleistung $\Delta P_L/P_L$ lag sowohl für die Detektion als auch für die Messung in der Größenordnung von $2\times 10^{-4}$ (nach 1 Tag). Pumpimpulse.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Camparo, J. Die Rubidium-Atomuhr und Grundlagenforschung. Physik. Heute 60, 33–39. https://doi.org/10.1063/1.2812121 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Vanier, J. & Audoin, C. Die Quantenphysik atomarer Frequenzstandards (Adam Hilger, Bristol, 1989).

Buchen Sie Google Scholar

Yun, P., Guérandel, S. & de Clercq, E. Kohärentes Populationsfang mit Polarisationsmodulation. J. Appl. Physik. 119, 244502. https://doi.org/10.1063/1.4954690 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Abdel Hafiz, M. & Boudot, R. Eine kohärente Population, die die Atomuhr von Cs-Dampfzellen einfängt, basierend auf optischem Push-Pull-Pumpen. J. Appl. Physik. 118, 124903. https://doi.org/10.1063/1.4931768 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Godone, A., Levi, F., Micalizio, S. & Calosso, C. Kohärenter Populationseinfang-Maser: Rauschspektrum und Frequenzstabilität. Physik. Rev. A 70, 012508. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.70.012508 (2004).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Yun, P. et al. Hochleistungsfähige kohärente Population-Trapping-Uhr mit Polarisationsmodulation. Physik. Rev. Appl. 7, 014018. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.7.014018 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Knappe, S., Wynands, R., Kitching, J., Robinson, HG & Hollberg, L. Charakterisierung kohärenter Populationseinfangresonanzen als atomare Frequenzreferenzen. J. Opt. Soc. Bin. B 18, 1545–1553. https://doi.org/10.1364/JOSAB.18.001545 (2001).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Kitching, J. Atomgeräte im Chip-Maßstab. Appl. Physik. Rev. 5, 031302. https://doi.org/10.1063/1.5026238 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ramlall, R., Streter, J. & Schnecker, JF Drei Satellitennavigation in einer städtischen Schlucht mit einer Atomuhr im Chip-Maßstab. In Proceedings of the 24th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2011) 2937–2945 (2011).

Gardner, AT & Collins, JA Ein zweiter Blick auf Atomuhren im Chip-Maßstab für langfristige Präzisionszeitmessung, 4 Jahre auf diesem Gebiet. In Proceeding of Oceans 2012 1–8 (2012).

Tamagnin, M. Atomuhren im Chip-Maßstab. Physik, Technologien und Anwendungen. Im JRC Technical Report der Europäischen Kommission 1–91 (2021).

Almat, N. et al. Charakterisierung frequenzverdoppelter 1,5-$\mu \text{ m }$-Laser für Hochleistungs-Rb-Uhren. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 65, 919–926 (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Almat, N. et al. Langzeitstabilitätsanalyse auf dem Niveau $<10^{-14}$ für eine hochkompakte POP-Rb-Zellen-Atomuhr. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 67, 207–216 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Micalizio, S., Calosso, CE, Godone, A. & Levi, F. Metrologische Charakterisierung der gepulsten Rb-Uhr mit optischer Detektion. Metrologia 49, 425–436. https://doi.org/10.1088/0026-1394/49/4/425 (2012).

Artikel ADS Google Scholar

Dong, G. et al. Aktuelle Verbesserungen an der gepulsten optisch gepumpten Rubidiumuhr am SIOM. Kinn. Opt. Lette. 15, 040201 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Yun, P. et al. Hochleistungsfähige kohärente Populations-Einfang-Atomuhr mit verteiltem Bragg-Reflektorlaser mit direkter Modulation. Metrologia 58, 045001. https://doi.org/10.1088/1681-7575/abffde (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Abdel Hafiz, M. et al. Eine leistungsstarke Raman-Ramsey-Cs-Dampfzellen-Atomuhr. J. Appl. Physik. 121, 104903. https://doi.org/10.1063/1.4977955 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Micalizio, S. & Godone, A. Raman-Ramsey-Resonanzen in Atomdampfzellen: Rabi-Ziehen und optische Dichteeffekte. Physik. Rev. A 99, 043425. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.99.043425 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Godone, A., Micalizio, S., Calosso, C. & Levi, F. Die gepulste Rubidium-Uhr. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 53, 525–529. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2006.1610560 (2006).

Artikel PubMed Google Scholar

Shen, Q., Lin, H., Deng, J. & Wang, Y. Gepulste optisch gepumpte Atomuhr mit einer mittel- bis langfristigen Frequenzstabilität von $10^{-15}$. Rev. Sci. Instrument. 91, 045114. https://doi.org/10.1063/5.0006187 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Hao, Q. et al. Auf Mikrowellenpuls-Kohärenztechnik basierende Uhr mit einem neuartigen Magnetron-Hohlraum. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 67, 873–878. https://doi.org/10.1109/tuffc.2019.2955574 (2020).

Artikel PubMed Google Scholar

Micalizio, S., Levi, F., Calosso, CE, Gozzelino, M. & Godone, A. Ein Rb-Atomfrequenzstandard mit gepulstem Laser für GNSS-Anwendungen. GPS-Lösung. 25, 94. https://doi.org/10.1007/s10291-021-01136-9 (2021).

Artikel Google Scholar

Bandi, T. et al. Kompaktes Hochleistungs-Dauerstrich-Doppelresonanz-Rubidium-Standard mit $1,4 \times 10^{-13} \tau ^{-1/2}$ Stabilität. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 61, 1769–1778. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2013.005955 (2014).

Artikel PubMed Google Scholar

Englisch, TC, Jechart, E. & Kwon, TM Beseitigung der Lichtverschiebung in Frequenzstandards von Rubidium-Gaszellen durch gepulstes optisches Pumpen, Goddard Space Flight Center Greenbelt, Maryland, 28.–30. November. In Proceedings of the Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting 147–168 (1978).

Calosso, CE et al. Verallgemeinerte Elektronik für kompakte Atomuhren. Im Jahr 2017 Gemeinsame Konferenz des European Frequency and Time Forum und des IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS) 322–323 (2017).

Jaduszliwer, B. & Camparo, J. Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft von Atomuhren für GNSS. GPS-Lösung. 25, 1–13. https://doi.org/10.1007/s10291-020-01059-x (2021).

Artikel Google Scholar

Galleani, L. & Tavella, P. Verfolgung von Nichtstationaritäten in Taktgeräuschen mithilfe der dynamischen Allan-Varianz. In Proceedings of the 2005 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, 2005 392–396 (2005).

Gozzelino, M., Micalizio, S., Levi, F., Godone, A. & Calosso, CE Reduzierung der hohlraumziehenden Verschiebung in Ramsey-betriebenen Kompaktuhren. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 65, 1294–1301. https://doi.org/10.1109/tuffc.2018.2828987 (2018).

Artikel PubMed Google Scholar

Micalizio, S., Godone, A., Levi, F. & Calosso, C. Mittel- und langfristige Frequenzstabilität gepulster Dampfzellenuhren. IEEE Trans. Ultraschall. Ferroelektr. Freq. Kontrolle 57, 1524–1534. https://doi.org/10.1109/tuffc.2010.1583 (2010).

Artikel PubMed Google Scholar

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Diese Arbeit wurde teilweise im Rahmen des GSTP-Vertrags (Element 2) von der Europäischen Weltraumorganisation finanziert. Die Autoren danken Elio Bertacco für seine unschätzbare Hilfe, insbesondere bei der Gestaltung und Optimierung der elektronischen Steuerungen.

Abteilung für Quantenmetrologie und Nanotechnologien, Nationales Institut für Metrologische Forschung, INRIM, Strada delle Cacce 91, 10135, Turin, Italien

Michele Gozzelino, Salvatore Micalizio, Claudio E. Calosso und Filippo Levi

Raumfahrttechnik und Atomuhren, Leonardo Electronics Società per Azioni, Viale Europa snc, 20014, Nerviano, MI, Italien

Jacopo Belfi

Raumfahrttechnik und Weltraumlasersysteme, Leonardo Electronics Società per Azioni, Via dell'Industria 4, 00071, Pomezia, Rom, Italien

Adalberto Sapia

Optronik und Raumfahrtausrüstung LOB, Leonardo Electronics Società per Azioni, Viale Europa snc, 20014, Nerviano, MI, Italien

Marina Gioia

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M. Gozzelino, SM, FL und CEC führten die Messungen durch und analysierten die Ergebnisse. CEC und M. Gozzelino haben die Laser- und Mikrowellenstabilisierungsschleifen entworfen und optimiert. SM und M. Gozzelino. hat das Manuskript geschrieben. M.Gioia, JB, AS koordinierte das Leonardo-Projekt. JB, AS koordinierte und trug zum Design des Physikpakets bei. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft und dazu beigetragen.

Korrespondenz mit Salvatore Micalizio.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Gozzelino, M., Micalizio, S., Calosso, CE et al. Realisierung einer gepulsten optisch gepumpten Rb-Uhr mit einer Frequenzstabilität unter $10^{-15}$. Sci Rep 13, 12974 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39942-5

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Eingegangen: 21. März 2023

Angenommen: 02. August 2023

Veröffentlicht: 10. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39942-5

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