$$10^{ 未満の周波数安定性を備えたパルス光ポンピング Rb クロックの実現

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12974 (2023) この記事を引用

366 アクセス

メトリクスの詳細

パルス光ポンピング (POP) 技術に基づいた蒸気セル Rb クロックの周波数安定性性能を示します。 このクロックは、INRIM と Leonardo SpA のコラボレーションの枠組みで開発され、宇宙認定の POP 周波数標準の実現を目指しています。 ここで報告された結果は、特に宇宙用途向けに設計され、実験室グレードの光学および電子機器と接続された工学的物理パッケージを使用して得られたものです。 アラン偏差で表される測定周波数安定性は、1 秒で \(1.2\times 10^{-13}\) であり、積分時間 40000 s では \(6\times 10^{-16}\) の値に達します。 (ドリフトは除去されました)。 私たちの知る限り、これは蒸気セル周波数標準の記録的な結果です。 この論文では、この結果を得るには、マイクロ波とレーザーのパルスを注意深く安定させる必要があることを示しています。

蒸気電池時計は、その信頼性、コンパクトさ、優れた性能により、現在、サイズ、重量、消費電力 (SWaP) の削減とともに、正確な計時を必要とするさまざまな科学技術用途に採用されています。 全地球測位衛星システム (GNSS)、電気通信、金融取引のタイムスタンプはすべて、原子周波数標準によって提供される正確な時間と周波数の信号に依存しており、その信号は多くの場合 Rb セル クロックです1。

一般的に使用される Rb クロックはランプ励起デバイスです。光励起プロセスを通じて原子状態を準備するための光源としてランプが使用されます 2。 しかし、1980 年代に原子物理学にダイオード レーザーが導入されて以来、ダイオード レーザーは光ポンピング プロセスを改善することを目的としてセル標準に活用されてきました。 さらに、利用可能な波長が多数あるため、ダイオード レーザーは Cs などの他の原子の使用を可能にし、コヒーレント ポピュレーション トラッピング (CPT) などの新しい励起スキームの実装に適しています (例 3、4、5、6 を参照)。 、7）。

現在、レーザー励起蒸気セルクロックの研究は、チップスケールクロックの実現を目指した極度の小型化という大きく2つの傾向を含む重要かつ活発な分野となっている。 一方、周波数安定性の点で H メーザー クロックと競合しながら、より低い SwaP を達成することを目的とした、高安定性プロトタイプの開発。

最初のケースでは、ミリメートルスケールのセルを使用した 1 \(\hbox {cm}^3\) ほどの小さな蒸気セル時計が実証されています8。 一方で、この小型化プロセスが多くの利点 (例: 数十 mW の消費電力、質量と生産コストの削減) を示すとしても、他方では、短期的な安定性は必然的に \(10^{ -10}\) は、1 秒で微細加工セルのサイズによって、次に相互作用するアルカリ金属原子の数によって決まります。 小型原子時計は、将来の GNSS 受信機 9 や、地震検出、音響感知、海底の石油探査に関連する地震測定の時間基準としてうまく機能することが示されています 10。 また、小型原子時計は、モバイルおよび低電力計装またはハンドヘルド機器での将来のアプリケーションを考慮して開発されています11。

2 番目の研究ラインは、最高の安定性を備えたレーザーベースの蒸気セル時計の開発に関するものです。 この点に関して、いくつかの技術が考案され研究されており、ほとんどの場合、cmスケールのセル配置が採用されています。 これらの技術には、二重共振連続波アプローチ 12、パルス光ポンピング (POP) 13、14、15、および連続 6、16 またはパルス方式 17、18 の CPT が含まれます。 その中でも、POP スキームは、現在の伝統的な Rb クロックと競合する新しい研究アイデアの両方に関して、大幅に向上したパフォーマンスを保証します。 POP Rb メーザー 19 に基づいた独創的な研究の後、基底状態集団の光学的検出により最良の周波数安定性の結果を達成できることがすぐに認識されました。 具体的には、いくつかの研究グループが、積分時間 1 秒あたり \(1\times 10^{-13}\) から \(3 \times 10^{-13}\) の範囲のアラン偏差を測定しました。 また、場合によっては、中長期的なパフォーマンスが平均化時間 \(10^4\) 秒で \(10^{-15}\) の低い領域に達した13、14、16、20、21。