КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-12-00417

НазваниеРазработка и исследование новых методов повышения стабильности стандартов частоты микроволнового диапазона и чувствительности квантовых магнитометров.

РуководительВеличанский Владимир Леонидович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2022 г. - 2023 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-304 - Спектроскопия

Ключевые словаАтомные часы, когерентное пленение населенностей, метод Рэмси, лазерная спектроскопия высокого разрешения, резонансные ячейки, поверхностно-излучающие лазеры с вертикальным резонатором, квантовые магнитометры, спин-обменное взаимодействие, вытянутое состояние, двойной радиооптический резонанс, оптическая накачка

Код ГРНТИ29.00.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Цель проекта — продолжение исследования взаимодействия атомов щелочных металлов с резонансным лазерным излучением и радиочастотным или микроволновым полями. По этой теме выполнено большое число работ, но до сих пор обнаруживаются новые особенности этих резонансных взаимодействий и новые варианты их важных применений. В основном состоянии атомов щелочных металлов есть СВЧ переходы между сверхтонкими подуровнями и РЧ переходы между зеемановскими подуровнями, зависимость частоты которых от величины магнитного поля используется в магнитометрии. Частота одного из СВЧ переходов между подуровнями с нулевой проекцией полного момента атома в линейном приближении не зависит от магнитного поля и служит репером в стандартах частоты. Один из методов зондирования СВЧ переходов в атомах щелочных металлов — сканирование разности частот компонент бихроматического излучения и регистрация резонансов когерентного пленения населенностей (КПН). На основе этого эффекта разрабатываются стандарты частоты наземного и космического базирования, создаются малогабаритные атомные часы. Бихроматическое излучение создается в них за счёт модуляции тока накачки лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL). В ходе выполнения прошлых этапов проекта была выявлена фундаментальная роль асимметрии резонанса КПН, в общем случае приводящая к дрейфу его частоты при изменении мощности и/или спектральных характеристик (например, в процессе старения лазера). В следующие годы проекта будет проведен детальный анализ влияния различных факторов на асимметрию резонанса. Будет проведен поиск возможностей контроля степени асимметрии и ее подавления. На прошлых этапах проекта было показано, что долговременная стабильность частоты макета КПН-стандарта, работающего в импульсном (Рэмси) режиме, в первую очередь ухудшается из-за дрейфа мощности лазерного излучения. Была выявлена высокая чувствительность лазерной системы макета к акустическим колебаниям. В ходе проекта планируется разработать новую конструкцию диодного лазера с внешним резонатором (ДЛВР), которая позволит уменьшить чувствительность макета к указанным факторам и приведёт к повышению долговременной стабильности частоты макета импульсного КПН-стандарта. В работе будет проведено исследование влияния эффектов тушения флуоресценции и деполяризации возбужденного состояния атомов 87Rb на контраст резонанса КПН. Будет определено, какой тип буферного газа является более предпочтительным для применения в атомных часах. Насколько нам известно подобное исследование не представлено в литературе и будет оригинальным результатом группы. На прошлых этапах проекта исследовался уединенный магнитный резонанс в атомах 87Rb. Предполагалось, что использование лазерного излучения линейной поляризации и одиночного перехода между крайними магнитными подуровнями основного состояния Fg=1 позволит получить симметричный резонанс с формой простого Лоренциана. Детальное исследование предложенной схемы показало, что магнитный резонанс имеет подструктуру, вызванную квадратичным эффектом Зеемана. Её наличие может приводить к снижению амплитуды резонанса и его асимметрии. В следующие годы проекта будет проведён анализ влияния асимметрии на частоту резонанса, сравнение техник с использованием гармонического РЧ поля и гребёнки частот. Будет проведён поиск возможностей усовершенствования последнего метода спектроскопии с целью увеличения потенциальной чувствительности и точности магнитометра на базе уединенного резонанса. Для малогабаритных микроволновых стандартов частоты на основе эффекта КПН необходимо формирование такого модуляционного спектра диодных лазеров с вертикальным резонатором, который обеспечит подавление светового сдвига частоты метрологического перехода. Он достигается в режиме глубокой модуляции тока (более пяти спектральных компонент). В такой ситуации имеет место асимметрия спектра: мощности равноудаленных от несущей компонент не равны, что приводит к несимметричной форме резонанса КПН. Будет проведено систематическое исследование характеристик лазера в режиме глубокой модуляции тока, влияния степени подавления ортогональной поляризационной моды на шумовые характеристики. Будет проведен поиск возможностей подавления несущей частоты лазера, ухудшающей контраст резонанса КПН. Диодные лазеры находят широкое применение в метрологии частоты и времени, в магнитометрии, в оптических лазерных платформах для квантовых вычислений. Все перечисленные применения требуют дальнейшего улучшения характеристик лазеров и углубленного понимания физических эффектов, происходящих при зондировании метрологических переходов атомов оптическими, СВЧ и РЧ полями.

Ожидаемые результаты
Будет проведен анализ влияния различных факторов на асимметрию КПН-резонанса, а также поиск возможностей контроля степени асимметрии и ее подавления. Подавление степени асимметрии приведет к снижению влияния флуктуаций интенсивности на стабильность частоты разрабатываемых КПН-стандартов частоты. Будет проведено исследование влияния деполяризации возбужденного состояния (и его тушения в случае азота) за счет столкновений с атомами инертных газов и азота на контраст КПН-резонанса и отношение контраста к ширине. Предполагается, что использование смеси инертных буферных газов (аргон и неон), вместо традиционной (аргон и азот), позволит повысить отношение контраста к ширине КПН-резонанса при сохранении низкой чувствительности частоты резонанса к температурным флуктуациям. Будет разработана новая конструкция диодного лазера с внешним резонатором (ДЛВР) с интерференционным фильтром, более устойчивая к акустическим колебаниям. Использование ДЛВР в таком исполнении позволит снизить чувствительность макета импульсного КПН-стандарта частоты к указанным факторам, что может повысить кратковременную стабильность стандарта. Кроме того, ожидается, что разработанный лазер по своим характеристикам не будет уступать зарубежным аналогам и будет применяться в других задачах прецизионной лазерной спектроскопии. Ожидается, что проведенные исследования уединенного магнитного резонанса в атомах 87Rb (отработка техники его спектроскопии с помощью РЧ гребенки) позволят увеличить предельную чувствительность и точность магнитометра. Будет проведено исследование возможности изготовления стеклянных атомных ячеек с просветляющими покрытиями рабочих поверхностей методом лазерной сварки. Ожидается, что правильный выбор режима работы CO2 лазера, а также параметров нагрева и охлаждения заготовок, позволят изготавливать малогабаритные ячейки с двусторонним просветлением без возникновения чрезмерных термомеханических напряжений, искажения геометрии ячейки и ухудшения свойств нанесенных просветляющих покрытий. Изготовленные таким образом ячейки позволят существенно снизить влияние паразитных отражений, что особенно важно при регистрации магнитного резонанса в многопроходной схеме.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В малогабаритных атомных часах на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КПН) используется излучение СВЧ-модулированных диодных лазеров с вертикальным резонатором. Как правило, спектр лазера в режиме СВЧ-модуляции тока является асимметричным – равноудалённые от несущей частоты компоненты спектра имеют различные мощности. Эта особенность спектра оказывает негативное влияние на стабильность атомных часов, поскольку разница в мощностях первых боковых компонент снижает контраст КПН-резонанса. Кроме того, несущая компонента создает наибольший вклад в световой сдвиг частоты КПН-резонанса и ее наличие в спектре усложняет подавление суммарного светового сдвига. В ходе проекта предложен и успешно испытан метод управления спектром диодного лазера, позволяющий получить равные по мощности первые боковые полосы и подавить несущую частоту. Метод заключается в одновременной модуляции тока накачки лазера на одинарной и на удвоенной частотах и применим в достаточно широких диапазонах относительного фазового сдвига между гармониками и отношения их токов. Метод может быть применен в малогабаритных атомных часах. Результаты исследования опубликованы в работе: A.P. Bogatov et al. Control of the VCSEL spectrum by dual microwave frequency modulation // Opt. Lett. – 2022. – Т. 47. – № 24. – С. 6425–6427. Изготовлен лазер новой конструкции с интерференционным фильтром. Результаты сравнения шумов указанного лазера и лазера с дифракционной решеткой показали, что в акустическом диапазоне частот новый лазер обладает значительно большей вибрационной устойчивостью и не имеет ярко выраженных механических резонансов. Напротив, лазер старой конструкции с дифракционной решеткой характеризуется набором резонансных частот в диапазоне 700 Гц – 2 кГц, на которых отклик на внешнее возмущение на два порядка больше, чем у лазера с интерференционным фильтром. Лазер с новой конструкцией может найти свое применение в различных направлениях прецизионной спектроскопии, в которых требуется повышенная виброустойчивость. Проведено экспериментальное исследование контраста КПН-резонанса и его отношения к ширине для ячеек с атомами 87Rb, наполненных азотом, аргоном и неоном различного давления (30, 60 и 90 Торр). Исследование показало, что с ростом мощности излучения возрастает отличие между контрастом в инертных газах и азоте. Для максимально доступной мощности излучения получено, что неон обеспечивает контраст в 2, 2.6 и 5.5 раз больше при давлениях 30, 60 и 90 Торр, соответственно. Для каждой ячейки в эксперименте была найдена зависимость максимального отношения контраст/ширина от температуры. Получено, что в ячейках с 60 и 90 Торр буферного газа значение отношения больше в аргоне и неоне по сравнению с азотом, а при 30 Торр азот имеет небольшое преимущество над инертными газами. Кроме того, максимальное отношение контраст/ширина достигается в неоне при меньшей температуре, чем в аргоне и азоте. Таким образом, использование смеси аргона с неоном является предпочтительным для создания атомных ячеек для стандарта частоты на основе эффекта КПН.

 

Публикации

1. Богатов А.П., Васильев В.В., Васьковская М.И., Величанский В.Л., Дракин А.Е., Зибров С.А., Сабакарь К.М., Цыганков Е.А., Чучелов Д.С. Оптический метод определения амплитуды СВЧ модуляции тока диодных лазеров с вертикальным резонатором Квантовая электроника, Т.52, №10, 895–898 (год публикации - 2022)

2. Богатов А.П., Дракин А.Е., Васьковская М.И., Чучелов Д.С., Сабакарь К.М., Цыганков Е.А., Васильев В.В., Величанский В.Л., Зибров С.А. Control of the VCSEL spectrum by dual microwave frequency modulation Optics Letters, Т.47, №24, 6425-6427 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1364/OL.476838

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Изготовлен второй экземпляр ДЛВР с интерференционным фильтром обновленной конструкции. По результатам исследований виброустойчивости лазеров такой конструкции была опубликована работа в журнале Краткие сообщения по физике ФИАН. После модификации экспериментальной установки для регистрации КПН-резонанса в импульсном режиме, были достигнуты следующие значения девиации Аллана частоты КПН-резонанса: 1 с — 7,1*10^(-12), 10 c — 2,2*10^(-12), 100 c — 7,3*10^(-13), 1000 c — 3,2*10^(-13), 3600 c — 3,3*10^(-13). Продолжено исследование сфазированной двухчастотной модуляции тока инжекции диодного лазера с вертикальным резонатором, J(t) = J0 + J1·cos(Ωt) + J2·cos(2Ωt + φ). На образцах лазеров разных производителей показано, что подбор отношения амплитуд токов J2/J1 и фазы φ позволяет выровнять мощности первых боковых компонент спектра излучения и снизить мощность несущей до уровня шума регистрации. Измерения показали, что указанный спектр устойчив в довольно широком интервале параметров. Результат согласуется с подходом для вычисления спектров, основанном на уравнениях макроскопической динамики, и учитывающим взаимодействие полей в активной области лазера, разработанным А. П. Богатовым. Устойчивость спектра позволила зарегистрировать резонанс когерентного пленения населённостей. Получено, что введение в ток сигнала на удвоенной частоте позволяет вдвое увеличить амплитуду и контраст резонанса. По результатам готовится публикация. Разработана технология изготовления атомных ячеек с просветляющими покрытиями оптических рабочих поверхностей методом лазерной сварки и герметизации. Коэффициент нерезонансных потерь излучения при прохождении через изготовленную ячейку (диаметр 20 мм, длина 10 мм) не превышает 3% по всей площади оптического окошка, за исключением области вблизи сварочного шва, ширина которой не более 1 мм. Продолжено исследование эффекта КПН в стеклянных кюветах с атомами 87Rb и различными буферными газами, азотом и неоном при давлении 90 Торр. Применена схема импульсной оптической накачки и детектирования резонанса (метод Рэмси разнесённых во времени полей). Использовалось излучение циркулярной поляризации диодного лазера с вертикальным резонатором в режиме СВЧ-модуляции тока. Первые боковые полосы настраивались на сверхтонкие оптические переходы D1-линии. Как и в случае непрерывного действующего излучения, в импульсном режиме неон обеспечил выигрыш в отношении контраст/ширина резонанса в несколько раз. Измерение стабильности частоты (девиация Аллана) показало преимущество неона по сравнению с азотом в 2 раза на временах усреднения до 1000 с. По результатам данной работы опубликована статья в журнале Physical Review Applied, статья в журнале JETP Letters принята к публикации. Проведено измерение зависимости сдвига частоты двухквантового магнитного резонанса на переходе Fg=1 → Fe=1 атомов 87Rb от степени эллиптичности лазерного излучения накачки при зондировании гармоническим радиочастотным полем и гребенкой частот, полученной в результате импульсной модуляции гармонического РЧ-поля. Коэффициент эллиптичности задавался поворотом четвертьволновой пластинки. Сравнение методов зондирования было произведено в условиях равенства амплитуд магнитных резонансов, которое обеспечивалось подстройкой мощности РЧ-поля. Использование гребенки частот позволило уменьшить сдвиг частоты, возникающий вследствие эллиптичности излучения, приблизительно на порядок. По результатам этой работы опубликована статья в журнале JOSA B.

 

Публикации

1. Васильев В.В., Чучелов Д.С., Зибров С.А., Васьковская М.И., Цыганков Е.А. , Сабакарь К.М., Величанский В.Л. Прямое сравнение акустической стабильности перестраиваемых лазеров с разными типами внешнего резонатора Краткие сообщения по физике ФИАН, №10, 2023 (год публикации - 2023)

2. Сабакарь К.М., Васьковская М.И., Чучелов Д.С., Цыганков Е.А., Васильев В.В., Зибров С.А., Величанский В.Л. Effect of Depolarizing and Quenching Collisions on the Contrast of Coherent Population Trapping Resonance PHYSICAL REVIEW APPLIED, №20, том 3, стр.034015 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.20.034015

3. Цыганков Е.А., Васьковская М.И., Чучелов Д.С., Сабакарь К.М., Васильев В.В., Зибров С.А. Two-quantum magnetic resonance driven by a periodic RF pulse train Journal of the Optical Society of America B, Vol. 40, Issue 11, pp. 2962-2967 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1364/JOSAB.501179

4. Чучелов Д.С., Васьковская М.И., Цыганков Е.А., Зибров С.А., Сабакарь К. М., Васильев В.В., Величанский В.Л. Контраст Рэмси-КПН резонансов в тушащих и деполяризующих газах Письма в ЖЭТФ, - (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы при производстве усовершенствованных малогабаритных стандартов частоты на эффекте когерентного пленения населенностей (например, во ВНИИФТРИ).