$$10^{ 미만의 주파수 안정성을 갖는 펄스형 광학 펌핑 Rb 클록 구현

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 12974(2023) 이 기사 인용

366 액세스

측정항목 세부정보

펄스 광 펌핑(POP) 기술을 기반으로 하는 증기 셀 Rb 클록의 주파수 안정성 성능을 제시합니다. 이 시계는 우주에 적합한 POP 주파수 표준을 실현하는 것을 목표로 INRIM과 Leonardo SpA 간의 협력 프레임에서 개발되었습니다. 여기에 보고된 결과는 우주 응용 분야, 실험실 수준의 광학 및 전자 장치 결합을 위해 특별히 설계된 공학적 물리학 패키지를 사용하여 얻은 것입니다. Allan 편차로 표현된 측정된 주파수 안정성은 1초에서 \(1.2\times 10^{-13}\)이고 40000초의 통합 시간에 대해 \(6\times 10^{-16}\) 값을 달성합니다. (드리프트가 제거됨). 이는 우리가 아는 한 증기 전지 주파수 표준에 대한 기록적인 결과입니다. 논문에서 우리는 이 결과를 얻으려면 마이크로파와 레이저 펄스의 세심한 안정화가 필요하다는 것을 보여줍니다.

신뢰성, 소형화 및 우수한 성능으로 인해 증기 전지 시계는 현재 크기, 무게 및 전력 소비(SWaP) 감소와 함께 정확한 시간 유지가 필요한 다양한 과학 및 기술 응용 분야에 사용됩니다. GNSS(Global Navigation Satellite System), 통신 및 금융 거래의 타임스탬프는 모두 Rb 셀 시계인 원자 주파수 표준에서 제공하는 정확한 시간 및 주파수 신호에 의존한다는 점을 언급하는 것으로 충분합니다1.

일반적으로 사용되는 Rb 시계는 램프 펌핑 장치입니다. 램프는 광학 펌핑 과정을 통해 원자 상태 준비를 위한 광원으로 사용됩니다. 그러나 80년대 원자물리학에 도입된 이후 다이오드 레이저는 광학 펌핑 프로세스를 개선하려는 목표로 셀 표준에서 성공적으로 활용되었습니다. 또한 사용 가능한 파장이 많기 때문에 다이오드 레이저는 Cs와 같은 다른 원자를 사용할 수 있으며 CPT(일관된 집단 트래핑)와 같은 새로운 여기 방식을 구현하는 데 적합합니다(예를 들어3,4,5,6 참조). ,7).

현재 레이저 펌핑 증기 전지 시계에 대한 연구는 대략 두 가지 추세, 즉 칩 규모 시계 실현을 목표로 하는 극도의 소형화를 수용하는 중요하고 활동적인 분야입니다. 한편, 주파수 안정성 측면에서 H-maser 클럭과 경쟁하면서도 더 낮은 SwaP를 달성하는 것을 목표로 안정성이 높은 프로토타입을 개발합니다.

첫 번째 경우에는 mm 규모의 셀을 사용하여 1\(\hbox {cm}^3\) 만큼 작은 증기 셀 시계가 시연되었습니다8. 한편으로 이러한 소형화 프로세스가 많은 이점(예: 수십 mW의 전력 소비, 대량 및 생산 비용 감소)을 보여주는 반면, 단기 안정성은 필연적으로 \(10^{ -10}\) 1초에서 미세 가공된 셀의 크기만큼, 그리고 상호 작용하는 알칼리 금속 원자의 수만큼. 소형화된 원자시계는 미래의 GNSS 수신기9와 지진 감지, 음향 감지, 해저 석유 탐사10와 관련된 지진 측정을 위한 시간 기반으로 성공적으로 작동하는 것으로 나타났습니다. 또한, 소형화된 원자 시계는 모바일 및 저전력 계측 또는 휴대용 장치11의 미래 응용을 고려하여 개발되었습니다.

두 번째 연구 라인은 최고의 안정성 성능을 갖춘 레이저 기반 증기 전지 시계 개발에 관한 것입니다. 이와 관련하여 대부분의 경우 cm 규모의 셀 배열을 채택하는 여러 기술이 고안되고 연구되었습니다. 이러한 기술에는 연속6,16 또는 펄스 방식17,18에서 이중 공진 연속파 접근법12, 펄스 광 펌핑(POP)13,14,15 및 CPT가 포함됩니다. 그중 POP 방식은 현재의 전통적인 Rb 클록과 경쟁하는 새로운 연구 아이디어 모두에 대해 매우 향상된 성능을 보장합니다. POP Rb 메이저를 기반으로 한 중요한 작업 이후, 바닥 상태 모집단의 광학적 감지를 통해 최상의 주파수 안정성 결과를 얻을 수 있다는 것이 곧 인식되었습니다. 특히 여러 연구 그룹에서는 1초의 통합 시간 동안 \(1\times 10^{-13}\)에서 \(3 \times 10^{-13}\) 범위의 Allan 편차를 측정했습니다. 또한 어떤 경우에는 중장기 성과가 평균 시간 \(10^4\)초 동안 낮은 \(10^{-15}\) 영역에 도달했습니다13,14,16,20,21.