izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2021-1-27-31izmertech-1721Research ArticleИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫTIME AND FREQUENCY MEASUREMENTSАлгоритмы управления в квантовых стандартах частоты на основе эффекта когерентного пленения населённостейControl algorithms in quantum frequency standards based on the effect of coherent population trappingПарёхинД. А.ParyohinD. A.

Данил Александрович Парёхин

г. п. Меделеево, Московская обл

 

Danil A. Paryohin

Mendeleevo, Moscow region

paryohin@vniiftri.ruВсероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измеренийРоссияRussian Metrological Institute of Technical Physics and Radio EngineeringRussian Federation202113062023012731Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1721

Рассмотрена задача разработки алгоритмов управления в квантовых стандартах частоты на основе эффекта когерентного пленения населённостей. Разработка таких алгоритмов позволит создавать стандарты частоты с метрологическими характеристиками, не уступающими характеристикам рубидиевых стандартов частоты, с уменьшенным энергопотреблением и габаритными размерами. Представлен метод исследования зависимости действительного значения и нестабильности частоты квантовых стандартов частоты на основе эффекта когерентного пленения населённостей от режимов работы отдельных частей стандартов. В качестве критерия для оптимизации тока инжекции лазера, выходной мощности сверхвысокочастотного генератора и температуры ячейки выбрана минимизация влияния на сдвиг действительного значения частоты стандарта. Проведён сравнительный анализ методов изменения интенсивности излучения поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором и разработаны алгоритмы управления, учитывающие особенности данных методов. На основе данных алгоритмов разработаны программное обеспечение и методы настройки в квантовых стандартах частоты на основе эффекта когерентного пленения населённостей. Для опытного образца стандарта приведены результаты измерения нестабильности частоты. Показано, что алгоритмы управления и методы настройки могут качественно изменить метрологические характеристики квантовых стандартов частоты на основе эффекта когерентного пленения населённостей.

The problem of developing control algorithms in quantum frequency standards based on the effect of coherent population trapping is considered. The development of such algorithms will make it possible to create frequency standards with metrological characteristics that are not inferior to the characteristics of rubidium frequency standards, with reduced power consumption and overall dimensions. A method for studying the dependence of the actual value and frequency instability of quantum frequency standards based on the effect of coherent population trapping on the operating modes of individual parts of the standards is presented. As a criterion for optimizing the laser injection current, the output power of the microwave generator, and the cell temperature, we chose to minimize the effect on the shift of the actual frequency of the standard. A comparative analysis of methods for changing the radiation intensity of a surface-emitting laser with a vertical resonator has been carried out and control algorithms have been developed that take into account the features of these methods. Based on these algorithms, software and tuning methods have been developed in quantum frequency standards based on the effect of coherent population trapping. For the prototype standard, the results of measuring the frequency instability are shown. It is shown that control algorithms and tuning methods can qualitatively change the metrological characteristics of quantum frequency standards based on the effect of coherent population trapping.

квантовый стандарт частотыкогерентное пленение населённостейсистема управленияповерхностно-излучающий лазер с вертикальным резонаторомquantum frequency standardcoherent population trappingcontrol systemvertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL)ReferencesSvenja Knappe, Robert Wynands, John Kitching, Hugh G. Robinson, and Leo Hollberg, Journal of the Optical Society of America B, 2001, vol. 18, no. 11, pp. 1545–1553. https://doi.org/10.1364/JOSAB.18.001545Svenja Knappe, Robert Wynands, John Kitching, Hugh G. Robinson, and Leo Hollberg, Journal of the Optical Society of America B, 2001, vol. 18, no. 11, pp. 1545–1553. https://doi.org/10.1364/JOSAB.18.001545Arimondo E., Progress in Optic, 1996, vol. 35, pp. 257–354. https://doi.org/10.1016/S0079-6638(08)70531-6Arimondo E., Progress in Optic, 1996, vol. 35, pp. 257–354. https://doi.org/10.1016/S0079-6638(08)70531-6Stähler M., Wynands R., Knappe S., Kitching J., Hollberg L., Taichenachev A., Yudin V., Optics Letters, 2002, vol. 27, pp. 1472–1474. https://doi.org/10.1364/OL.27.001472Stähler M., Wynands R., Knappe S., Kitching J., Hollberg L., Taichenachev A., Yudin V., Optics Letters, 2002, vol. 27, pp. 1472–1474. https://doi.org/10.1364/OL.27.001472Aff olderbach C., Droz F., Mileti G., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2006, vol. 55, no. 2, pp. 429–435. https://doi.org/10.1109/TIM.2006.870331Aff olderbach C., Droz F., Mileti G., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2006, vol. 55, no. 2, pp. 429–435. https://doi.org/10.1109/TIM.2006.870331Kozlova O., Danet J., Guérandel S., E. de Clercq, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014, vol. 63, no. 7, pp. 1863–1870. https://doi.org/10.1109/TIM.2014.2298672Kozlova O., Danet J., Guérandel S., E. de Clercq, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2014, vol. 63, no. 7, pp. 1863–1870. https://doi.org/10.1109/TIM.2014.2298672Vanier J., Kunski R., Cyr N., Savard J., Tetu M., Journal of Applied Physics, 1982, vol. 53, no. 8, pp. 5387–5391. https://doi.org/10.1063/1.331467Vanier J., Kunski R., Cyr N., Savard J., Tetu M., Journal of Applied Physics, 1982, vol. 53, no. 8, pp. 5387–5391. https://doi.org/10.1063/1.331467Krzewick W., Mitchell J., Bollettiero J., Cash P., Wellwood K., Kosvin I., Zanca L., Proceedings of the 2020 International Technical Meeting of The Institute of Navigation, San Diego, California, January 2020, pp. 1070–1083. https://doi.org/10.33012/2020.17198Krzewick W., Mitchell J., Bollettiero J., Cash P., Wellwood K., Kosvin I., Zanca L., Proceedings of the 2020 International Technical Meeting of The Institute of Navigation, San Diego, California, January 2020, pp. 1070–1083. https://doi.org/10.33012/2020.17198Lutwak R., Vlitas P., Varghese M., Mescher M., Serkland D. K., Peake G. M., Proceedings of the 2005 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, 2005., Vancouver, BC, 2005, p. 6. https://doi.org/10.1109/FREQ.2005.1574029Lutwak R., Vlitas P., Varghese M., Mescher M., Serkland D. K., Peake G. M., Proceedings of the 2005 IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition, 2005., Vancouver, BC, 2005, p. 6. https://doi.org/10.1109/FREQ.2005.1574029Knappe S., Gerginov V., Schwindt P. D. D., Shah V., Robinson H. G., Hollberg L., and Kitching J., Optics Letters, 2005, vol. 30, no. 18, pp. 2351–2353. https://doi.org/10.1364/OL.30.002351Knappe S., Gerginov V., Schwindt P. D. D., Shah V., Robinson H. G., Hollberg L., and Kitching J., Optics Letters, 2005, vol. 30, no. 18, pp. 2351–2353. https://doi.org/10.1364/OL.30.002351Zhao J., Liu R., Meng H., Hu E., He C., Wang Z., Progress towards chip-scale atomic clock in Peking University, 2017 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS), 2017, Besancon, pp. 611–613. https://doi.org/10.1109/FCS.2017.8088973Zhao J., Liu R., Meng H., Hu E., He C., Wang Z., Progress towards chip-scale atomic clock in Peking University, 2017 Joint Conference of the European Frequency and Time Forum and IEEE International Frequency Control Symposium (EFTF/IFCS), 2017, Besancon, pp. 611–613. https://doi.org/10.1109/FCS.2017.8088973

The authors declare that there are no conflicts of interest present.