Многочастотная лазерная спектроскопия атомов щелочных металлов и её приложения к новому поколению миниатюрных атомных часов микроволнового и оптического диапазонов

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 проекта 22-12-00279

НазваниеМногочастотная лазерная спектроскопия атомов щелочных металлов и её приложения к новому поколению миниатюрных атомных часов микроволнового и оптического диапазонов

Руководитель Скворцов Михаил Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Субдоплеровская спектроскопия атомов, когерентное пленение населённостей, многочастотное поле, цезий, диодные лазеры, буферный газ, девиация Аллана

Код ГРНТИ29.33.49

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время наблюдается стремительное развитие квантовой метрологии (атомные стандарты частоты и времени, сенсоры физических полей), которое обусловлено не только развитием лазерной техники и успешной миниатюризацией различных элементов квантовых устройств, но и развитием методов прецизионной лазерной спектроскопии атомов. Так, прогресс в создании лазеров с вертикальным резонатором (англ. VCSEL) и микроячеек с парами щелочных атомов привел в начале 2000-х гг к появлению первых образцов миниатюрных квантовых стандартов частоты микроволнового диапазона и атомных часов на их основе, которые по долговременной стабильности на несколько порядков опередили передовые миниатюрные кварцевые стандарты. Такие атомные часы пользуются большим спросом для развития многих технологий, связанных с широкополосными и защищёнными коммуникациями, спутниковой и бесспутниковой (инерциальной) навигацией, различными видами мониторинга с использованием спутников и многое другое. Физический блок таких атомных часов был изготовлен и в нашем Институте лазерной физики СО РАН, продемонстрировавший рекордную стабильность частоты. В новом проекте мы уделим внимание развитию методов возбуждения реперных резонансов и подходов к минимизации их сдвигов, которые позволят осуществить дальнейший прогресс в области миниатюрных атомных часов микроволнового диапазона. В частности, все наиболее компактные версии современных микроволновых атомных часов используют резонансы когерентного пленения населённостей (КПН) для стабилизации по ним частоты СВЧ генератора, из которой затем на выходе часов формируется сигнал радиодиапазона (единицы и десятки МГц). При этом определяющую роль играют такие параметры нелинейного резонанса, как контраст, ширина, асимметрия его формы и сдвиг. В настоящем проекте мы детально рассмотрим один из перспективных, но слабо исследованных методов возбуждения резонансов КПН, основанный на использовании СВЧ модуляции тока диодного лазера на полной частоте сверхтонкого расщепления основного состояния (~ 6.8 ГГц для 87Rb) вместо половинной частоты (3.4 ГГц), как во всех существующих атомных часах на основе КПН-резонансов. Отдельное внимание будет уделено теоретическому расчёту и экспериментальному поиску параметров модуляции и поляризации лазерного излучения, для которых отсутствует полевой сдвиг реперного резонанса. Помимо этого, мы рассмотрим новый метод компенсации светового сдвига резонанса, использующий многосекторный фотоприёмник. В недавнем исследовании [D. Brazhnikov et al., Optics Express 27, 36034 (2019)] нами был предложен новый метод формировании реперного резонанса, который в предварительных измерениях стабильности микроволновой частоты генератора продемонстрировал достаточно малую девиацию Аллана, равную примерно 5*10^-12 за 1 с усреднения. При этом использовалась компактная газовая ячейка с парами атомов цезия (L = 5 мм). Ключевая особенность предложенной схемы возбуждения резонансов состоит в инверсии знака резонанса: при сканировании рамановской отстройки в поле встречных бихроматических пучков вместо широко используемого резонанса КПН (с увеличением пропускания ячейки) наблюдался резонанс электромагнитно-индуцированной абсорбции (ЭИА), приводящий к резкому уменьшению пропускания светового пучка газовой ячейкой. Эта была первая научная работа, в которой для стабилизации микроволновой частоты использовались резонансы ЭИА-типа. Предложенная схема имеет большие перспективы для создания компактного стандарта частоты микроволнового диапазона. Между тем, на данный момент не развита теория наблюдаемого эффекта ЭИА в использованной схеме (особенно в части аналитических результатов), а также не проведены экспериментальные исследования различных физических эффектов, приводящих к асимметрии и сдвигу резонанса, что важно для приложения к атомным часам. Также не были предложены и изучены способы максимизации отношения контраст/ширина, определяющего кратковременную стабильность частоты. Все эти пробелы будут устранены в ходе реализации предлагаемого проекта – это позволит создать миниатюрные атомные часы нового поколения. До недавнего времени миниатюризированные стандарты частоты существовали лишь для микроволнового диапазона. Одна из ключевых причин связана с тем, что не были разработаны спектроскопические методы, которые могли бы демонстрировать высококачественные нелинейные резонансы в оптической области спектра применительно к газовым микроячейкам (V ~ 10 мм^3). В частности, наиболее развитые компактные стандарты частоты на основе твердотельного лазера Nd:YAG и газовой ячейки с молекулярным йодом (NIST в США, SYRTE во Франции, ИЛФ СО РАН в России и в других центрах) демонстрируют требуемую стабильность частоты лишь с ячейками длиной от 10 до 40 см, для которых, к тому же, часто используются многопроходные конфигурации для улучшения отношения сигнал/шум. Лишь с 2017 г стали появляться научные публикации, в которых были предложены спектроскопические методы и подходы, демонстрирующие высокие результаты с использованием микроячеек. В частности, направление, связанное с двухфотонной спектроскопией рубидия активно развивается в NIST (США), в том время как альтернативный подход на основе двухчастотной спектроскопии цезия был предложен членами нашего коллектива в тесном сотрудничестве с коллегами из FEMTO-ST (г. Безансон, Франция) [D. Brazhnikov et al., Phys. Rev. A 99, 062508 (2019)]. При этом, в отличие от метода коллег из NIST, предложенный нами метод позволяет достичь высокой стабильности оптической частоты, равной примерно 1*10^-12 за 1 с усреднения [A. Gusching et al., J. Opt. Soc. Am. B 38, 3254 (2021)] при использовании микроячейки и обычного (коммерчески доступного) диодного DFB лазера. В настоящем проекте мы продолжим развитие направления, связанного с субдоплеровской спектроскопией атомов цезия в двухчастотном лазерном поле, а также обобщим этот метод на многочастотное излучение. Для этого будет построена теория наблюдаемых резонансов с полным учётом реальной структуры энергетических уровней в атомах и различных процессов релаксации, уделяя особое внимание получению аналитических результатов с привлечением формализма поляризационных моментов атомной матрицы плотности. Экспериментально будут изучены новые способы возбуждения и регистрации нелинейных резонансов, в частности, по углу вращения линейной поляризации – спектроскопической техники, повсеместно используемой в современной атомной магнитометрии, но редко используемой для стандартов частоты. Мы ожидаем, что комбинация многочастотного излучения и поляриметрической техники регистрации может быть -использована для дальнейшей миниатюризации оптического стандарта частоты. При использовании микрорезонаторов, такие стандарты, без сомнений, составят конкуренцию атомным часам микроволнового диапазона. В целом, предлагаемый нами проект лежит в русле многих других проектов, успешно выполненных членами нашего коллектива в области лазерной спектроскопии и квантовой метрологии. Наша команда состоит как из молодых учёных (теоретиков и экспериментаторов), уже отметившихся активным участием в других проектах, так и из состоявшихся и известных в своей области исследователей. Всё это говорит о наличие достаточного опыта и позволяет надеяться на положительный результат выполнения проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бражников Д.В., Вишняков В.И., Игнатович С.М., Скворцов М.Н. Electromagnetically Induced Absorption Resonances in Alkali-Metal Vapor Cells for Applications in Quantum Metrology Book of Abstracts of International Conference "Laser Physics 2022", Book of Abstracts of International Conference "Laser Physics 2022", 14-16 September 2022, Armenia, page 18. (год публикации - 2022)

2. Михайлов А.М., Бражников Д.В., Скворцов М.Н. Высококонтрастные нелинейные резонансы в атомах цезия в поле встречных бихроматических волн Сборник трудов Всероссийской научной конференции с международным участием «Енисейская фотоника – 2022», 19-24 сентября 2022, г. Красноярск, Том 1, стр. 231-232 (год публикации - 2022)

3. Бражников Д.В., Вишняков В.И., Игнатович С.М., Гончаров А.Н., Скворцов М.Н. Исследование резонансов электромагнитно-индуцированной абсорбции в парах цезия для целей квантовой метрологии Сборник тезисов 8-ой Научной конференции "Электронная компонентная база и электронные модули" в рамках Российского форума "Микроэлектроника 2022", стр. 527-528 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Юдин В.И., Басалаев М.Ю., Тайченачев А.В., Прудников О.Н., Раднатаров Д.А., Кобцев С.М., Игнатович С.М., Скворцов М.Н. Frequency shift caused by the line-shape asymmetry of the resonance of coherent population trapping Physical Review A, vol. 108, 013103 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevA.108.013103

2. Игнатович С.М., Скворцов М.Н., Месензова И.С., Квашнин Н.Л., Вишняков В.И., Бражников Д.В., Тарасенко Д.Е., Багаев С.Н. Исследования параметров резонанса когерентного пленения населенностей и полевых сдвигов при регистрации сигнала из разных областей поперечного сечения взаимодействия лазерного излучения с атомами Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики, том 164, вып. 2, с. 214 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063776123080137

3. Бражников Д.В., Игнатович С.М., Месензова И.С., Михайлов А.М., Скворцов М.Н. New approaches to the development of compact high-stability microwave and optical frequency standards Book of Abstracts of the International Conference “Laser Physics 2023”, 12-15 September 2023, Ashtarak, Armenia., с. 17 (год публикации - 2023)

4. Михайлов А.М., Бражников Д.В. Высококонтрастные субдоплеровские резонансы в парах атомов цезия в поле встречных бихроматических лазерных пучков Сборник трудов Всероссийской научной конференции с международным участием “Невская фотоника-2023”, 9-13 октября 2023, г. Санкт-Петербург., с. 146 (год публикации - 2023)

5. Бражников Д.В., Игнатович С.М., Вишняков В.И., Скворцов М.Н. New approaches to light shift suppression in microwave atomic clocks based on cw coherent-population-trapping resonances Abstracts of the 31st Annual International Laser Physics Workshop (LPHYS’23), 3-7 July 2023. Online Meeting., Seminar S1.4 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На финальном этапе проекта осуществлялись теоретические и экспериментальные исследования по двум основным направлениям: (1) Субдоплеровская спектроскопия атомов цезия в двухчастотном поле встречных пучков; (2) Спектроскопия резонансов КПН в атомах щелочных металлов. Первое направление имеет хорошие перспективы для создания миниатюрных атомных часов оптического диапазона, которые могут прийти на смену миниатюрным атомным часам на основе КПН. В отчётном периоде, в частности, нами была исследована схема возбуждения реперных резонансов без использования электрооптического модулятора для получения нужного спектрального состава излучения, а с помощью прямой СВЧ-модуляции тока накачки диодного DBR-лазера. Именно использование ЭОМ ранее было препятствие к миниатюризации квантового стандарта частоты (КСЧ) на основе рассмотренного метода. Нами были исследованы параметры резонансов и создан экспериментальный стенд для измерения девиации Аллана для оптической частоты лазерной системы. Предварительное измерение относительной стабильности частоты даёт значение около 1×10^-11 за 1 с. В ходе исследований было показано, что это значение может быть в дальнейшем улучшено за счёт снижения уровня шумов технического характера. Долговременная же стабильность частоты также может быть улучшена за счёт минимизации влияния температурных флуктуаций на электронику лазерной системы (СВЧ-генератор и тракт согласования). Во втором блоке исследований были проведены различные научные работы. В частности, исследованы параметры резонансов КПН в парах 87Rb при возбуждении частотно-модулированным полем циркулярно поляризованной волны, но не на половинной частоте сверхтонкого расщепления, как в традиционном подходе для атомных часов, а на других кратных частотах. Например, было установлено, что модуляция излучения на частотах fm = f0/n, где f0 = 6.8 ГГц, а n = 4 или 6 имеет хорошие перспективы для создания КПН-часов нового поколения с улучшенной долговременной стабильностью. Помимо этих исследований, мы закончили работы, начатые ещё на предыдущем этапе по использованию многосекционного фотоприёмника для регистрации резонансов КПН из разных мест поперечного сечения лазерного пучка. Такой подход позволяет не только быстро находить оптимальный режим возбуждения резонансов КПН (оптимальную оптическую и СВЧ мощность, однофотонную отстройку), но и позволяет задействовать комбинированный способ формирования сигнала ошибки для стабилизации микроволновой частоты, что также должно улучшить долговременную стабильность атомных часов. Информация о настоящем проекте представлена в разделе “Funding” на персональной интернет-странице руководителя в научной сети ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6016-9033.

Публикации

1. Бражников Д.В., Игнатович С.М., Скворцов М.Н. Light shift mitigation in microcell-based coherent-population-trapping atomic clocks in the field of two circularly polarized light beams Physical Review Applied, Том 21, стр. 054046 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevApplied.21.054046

2. Вишняков В.И., Бражников Д.В., Скворцов М.Н. Исследование светового сдвига резонансов КПН в парах цезия при использовании двойной АМ-ЧМ модуляции лазерного излучения Сборник тезисов 17-й Всероссийской научной конференции с международным участием "Физика ультрахолодных атомов", 18-20 декабря 2023, г. Новосибирск, Стр. 8 (год публикации - 2023)

3. Вишняков В.И., Бражников Д.В., Скворцов М.Н. Компенсация светового сдвига резонансов когерентного пленения населённостей в парах цезия при использовании двойной АМ-ЧМ модуляции лазерного излучения Программа и тезисы докладов 2-й Международной конференции "Лазеры, полупроводниковые излучатели и системы на их основе" (LSES), 20-24 мая 2024, г. Минск, Беларусь., Стр. 50 (год публикации - 2024)

4. Юдин В.И., Прудников О.Н., Тайченачев А.В., Басалаев М.Ю., Пальчиков В.Г., Багаев С.Н. Теория композитных рамсеевских последовательностей радиочастотных импульсов вне рамок резонансного приближения Письма в ЖЭТФ, Том 120, вып. 1, с. 26 – 31 (год публикации - 2024)
10.1134/S0021364024602033

5. Бражников Д.В., Михайлов А.М., Игнатович С.М., Месензова И.С., Вишняков В.И., Скворцов М.Н. На пути создания нового поколения миниатюрных квантовых стандартов частоты микроволнового и оптического диапазонов Сборник тезисов 10-й Научной конференции «ЭКБ и микроэлектронные модули» в рамках Российского форума «Микроэлектроника 2024», г. Сочи, 23-28 сентября 2024. , Стр. 69-70 (год публикации - 2024)

6. Вишняков В.И., Бражников Д.В., Скворцов М.Н. Компенсация светового сдвига резонансов когерентного пленения населенностей в парах цезия при использовании двойной частотной и амплитудной модуляции лазерного излучения Журнал экспериментальной и теоретической физики, Том 166, вып. 4 (10), стр. 548–555 (год публикации - 2024)
10.31857/S0044451024100110

7. Месензова И.С., Игнатович С.М., Бражников Д.В., Скворцов М.Н., Квашнин Н.Л. Multi-Frequency Laser Spectroscopy of Sub-Doppler Resonances in Miniature Cs Vapour Cells IEEE Xplore, Page 309 in Proceedings of the International Conference Laser Optics (ICLO-2024), Saint Petersburg, Russia (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10624214

8. Игнатович С.М., Месензова И.С., Скворцов М.Н., Квашнин Н.Л., Вишняков В.И. Iodine Optical Frequency Standard with Hybrid Frequency Stabilization System on a High-Finesse Cavity IEEE Xplore, Page 25 in Proceedings of the International Conference Laser Optics (ICLO-2024), Saint Petersburg, Russia (год публикации - 2024)
10.1109/ICLO59702.2024.10623952