Realización de un reloj Rb pulsado bombeado ópticamente con una estabilidad de frecuencia inferior a $$10^{

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 12974 (2023) Citar este artículo

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Presentamos los rendimientos de estabilidad de frecuencia de un reloj Rb de celda de vapor basado en la técnica de bombeo óptico pulsado (POP). El reloj ha sido desarrollado en el marco de una colaboración entre INRIM y Leonardo SpA, con el objetivo de realizar un estándar de frecuencia POP calificado para el espacio. Los resultados aquí reportados se obtuvieron con un paquete de física de ingeniería, diseñado específicamente para aplicaciones espaciales, junto con óptica y electrónica de laboratorio. La estabilidad de frecuencia medida expresada en términos de desviación de Allan es \(1,2\times 10^{-13}\) en 1 s y alcanza el valor de \(6\times 10^{-16}\) para tiempos de integración de 40000 s (deriva eliminada). Hasta donde sabemos, este es un resultado récord para un estándar de frecuencia de celda de vapor. En el artículo, mostramos que para obtener este resultado, se requiere una cuidadosa estabilización de los pulsos de microondas y láser.

Debido a su confiabilidad, compacidad y buen rendimiento, los relojes de celda de vapor se emplean hoy en día en una gran variedad de aplicaciones científicas y tecnológicas que requieren un cronometraje preciso, junto con un tamaño, peso y consumo de energía (SWaP) reducidos. Basta mencionar que los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS), las telecomunicaciones y el sellado de tiempo de las transacciones financieras dependen de señales horarias y de frecuencia precisas proporcionadas por estándares de frecuencia atómica que muy a menudo son relojes de células Rb1.

Los relojes Rb comúnmente utilizados son dispositivos bombeados por lámpara: una lámpara se utiliza como fuente óptica para la preparación del estado atómico mediante el proceso de bombeo óptico2. Sin embargo, desde su introducción en la física atómica en los años 80, los láseres de diodo se han explotado con éxito en estándares celulares con el objetivo de mejorar el proceso de bombeo óptico. Además, debido a la gran cantidad de longitudes de onda disponibles, los láseres de diodo permiten el uso de otros átomos, como Cs, y son adecuados para implementar nuevos esquemas de excitación, como la captura coherente de población (CPT) (ver por ejemplo3,4,5,6 ,7).

Actualmente, la investigación sobre relojes de células de vapor bombeados por láser es un campo importante y activo que abarca aproximadamente dos tendencias: por un lado, la miniaturización extrema, cuyo objetivo es realizar relojes a escala de chip. Por otro lado, el desarrollo de prototipos de alta estabilidad, con el objetivo de competir con los relojes H-maser en términos de estabilidad de frecuencia, pero logrando un SwaP más bajo.

En el primer caso, se han demostrado relojes de celda de vapor tan pequeños como 1 \(\hbox {cm}^3\) usando una celda de escala mm8. Si, por un lado, este proceso de miniaturización presenta muchas ventajas (por ejemplo, consumo de energía de unas pocas decenas de mW, reducción de masa y costes de producción), por otro lado, la estabilidad a corto plazo se limita necesariamente a unidades de \(10^{ -10}\) en 1 s por el tamaño de la celda microfabricada y luego por el número de átomos de metales alcalinos que interactúan. Se ha demostrado que los relojes atómicos miniaturizados funcionan con éxito como base de tiempo para futuros receptores GNSS9 y para mediciones sísmicas relacionadas con la detección de terremotos, la detección acústica y la exploración petrolera en el fondo del océano10. Además, se están desarrollando relojes atómicos miniaturizados con vistas a futuras aplicaciones en instrumentación móvil y de baja potencia o dispositivos portátiles11.

La segunda línea de investigación se refiere al desarrollo de relojes de células de vapor basados ​​en láser con las mayores prestaciones de estabilidad. En este sentido, se han ideado y estudiado varias técnicas, adoptando en la mayoría de los casos una disposición celular a escala de cm. Estas técnicas incluyen el enfoque de onda continua de doble resonancia12, el bombeo óptico pulsado (POP)13,14,15 y el CPT, ya sea en régimen continuo6,16 o en régimen pulsado17,18. Entre ellos, el esquema POP garantiza rendimientos muy mejorados tanto con respecto a los relojes Rb tradicionales actuales como a nuevas ideas de investigación competitivas. Después de los trabajos fundamentales basados ​​en el máser POP Rb19, pronto se reconoció que la detección óptica de la población del estado fundamental permite lograr los mejores resultados de estabilidad de frecuencia. Específicamente, varios grupos de investigación midieron las desviaciones de Allan en el rango de \(1\times 10^{-13}\) a \(3 \times 10^{-13}\) durante 1 segundo de tiempo de integración. Además, en algunos casos, el desempeño a mediano y largo plazo alcanzó la región baja \(10^{-15}\) durante \(10^4\) s de tiempo promedio13,14,16,20,21.

En este artículo, informamos sobre la implementación y caracterización de un reloj Rb POP que muestra un resultado de estabilidad de frecuencia aún mejor. En particular, se ha medido una desviación de Allan de \(1.2\times 10^{-13} \tau ^{-1/2}\), siendo \(\tau\) el tiempo de integración. La región de ruido de frecuencia blanca se extiende hasta \(4\times 10^4\) s (sin deriva), lo que permite alcanzar el valor \(6\times 10^{-16}\), un resultado récord para un vapor- estándar celular. El prototipo del reloj incluye un paquete de ingeniería física y un prototipo de laboratorio para los sistemas electrónico y óptico. El paquete de física (PP) Rb POP ha sido diseñado para aplicaciones espaciales en el marco del contrato de la ESA 'GSTP6.2 Rb POP' y ha sido caracterizado en las instalaciones del INRIM desde el punto de vista físico y metrológico, incluyendo termo-vacío y magnético. -pruebas de sensibilidad22. En comparación con el prototipo anterior de laboratorio INRIM14, el PP ha sido diseñado mejorando el comportamiento térmico, el blindaje y la robustez mecánica para soportar los requisitos de espacio, sin perder prestaciones de estabilidad. En el diseño se ha dedicado especial esfuerzo a la fiabilidad y repetibilidad de los procesos de montaje y puesta a punto de cara a una futura producción en serie. El PP tiene una masa de 3 kg y un consumo de energía inferior a 10 W.

El trabajo está organizado de la siguiente manera. En la sección "El esquema POP", para completar, presentamos el enfoque pulsado y sus ventajas en la realización de un reloj celular. En “Implementación Experimental” describimos el prototipo del reloj y su funcionamiento. Se dará especial énfasis a la generación y control de los pulsos láser. La sección "Resultados" está dedicada a las medidas de caracterización del reloj POP Rb, incluidos los resultados de estabilidad de frecuencia. Finalmente, en las conclusiones resumimos nuestros resultados y esbozamos algunas perspectivas futuras.

El esquema pulsado permite la separación en el tiempo de las tres fases (preparación de estado, interacción de reloj y detección) que suelen caracterizar el funcionamiento de un patrón de frecuencia atómica. En los relojes de Rb tradicionales, la preparación, la interrogación y la detección tienen lugar al mismo tiempo: la luz prepara los átomos de Rb en ​​uno de los dos niveles de reloj y simultáneamente se aplica a la muestra atómica un campo de microondas resonante con la frecuencia hiperfina del estado fundamental para excitar la transición del reloj. La misma luz utilizada para bombear los átomos de Rb también se utiliza para la etapa de detección, midiendo el exceso de transparencia inducido por la transición de microondas. Este esquema de interrogación, conocido como doble resonancia de onda continua, es bastante eficiente y se usa ampliamente en la mayoría de los relojes Rb comerciales basados ​​en vapores calientes.

Sin embargo, la presencia simultánea de luz y microondas genera una interferencia entre las transiciones ópticas y de microondas, lo que resulta en un fuerte cambio de luz que perturba la frecuencia del reloj y eventualmente afecta la estabilidad de la señal de referencia23. En concreto, el rendimiento a medio y largo plazo está limitado por el cambio de luz, independientemente de si el reloj utiliza el láser o la lámpara para el bombeo óptico.

(a) Esquema del ciclo de reloj POP básico. \(P_L\): potencia del láser. \(P_{\mu W}\): potencia de microondas. \(\nu _0\): frecuencia de microondas. El bombeo y la detección ópticos se realizan con pulsos láser (gráfico superior). Después de la fase de bombeo, el láser se apaga y la interrogación del reloj se realiza con una secuencia de Ramsey en el dominio del tiempo (gráfico central). La secuencia se repite dos veces, modulando la frecuencia de microondas \(\nu _0\) con una profundidad de modulación \(\nu _m=80\,\hbox {Hz}\), es decir, la mitad del ancho de la franja de Ramsey (gráfico inferior) . Todo el esquema dura típicamente \(8.8\,\hbox {ms}\). (b) Secuencia extendida con una modulación adicional de la potencia de microondas (por \(\pm 8\%\)) para realizar una estabilización activa de la amplitud del campo de microondas en la señal atómica (ver Métodos).

El método de bombeo óptico pulsado demostró ser muy eficaz para reducir el desplazamiento de la luz. Después de ser preparados en un nivel de reloj mediante un impulso de bombeo óptico, los átomos realizan la transición en la oscuridad estimulados por un par de impulsos de microondas, según el esquema de Ramsey. A diferencia del enfoque de onda continua de doble resonancia, la transferencia de las inestabilidades del láser a los átomos se minimiza y el desplazamiento de la luz se reduce en al menos dos órdenes de magnitud, lo que beneficia la estabilidad del reloj a medio y largo plazo.

Sin entrar en todos los detalles, recordamos aquí que una eliminación completa del desplazamiento de la luz no es posible por dos razones principales: primero, no es posible apagar completamente la luz láser con dispositivos optoelectrónicos estándar y segundo, la absorción del láser en la célula provoca una falta de homogeneidad en la preparación del estado que resulta en un cambio dependiente de la posición de la célula24.

A pesar de este llamado efecto de cambio de pseudoluz, la técnica POP muestra algunas características convenientes típicas de un experimento similar a una fuente de átomos fríos. El comportamiento de los átomos puede aproximarse bien mediante un sistema de dos niveles, y las fases de funcionamiento del reloj están bien separadas en el tiempo, estando el tiempo de Ramsey ya no limitado por la gravedad, como en una fuente, sino por los fenómenos de relajación que tienen lugar en el interior de la célula. . Estos incluyen principalmente las colisiones con otros átomos de Rb (intercambio de espín), con las paredes celulares y con átomos/moléculas de gas tampón que normalmente se añaden a la célula para confinar los átomos y aumentar el tiempo de coherencia2.

Las ventajas del esquema POP desde el punto de vista metrológico no se limitan al mediano-largo plazo. De hecho, durante el pulso de bombeo óptico, la intensidad del láser se puede optimizar para lograr la mayor inversión de población, mejorando la relación señal-ruido y, en consecuencia, la estabilidad a corto plazo. Además, la franja central de Ramsey que representa la señal de referencia del reloj es casi insensible a cualquier efecto de ampliación de la potencia óptica/de microondas, siendo su ancho de línea (ancho completo a la mitad del máximo, \(\Delta \nu _{1/2}\)) bien aproximado por la expresión \(\Delta \nu _{1/2}=\frac{1}{2T}\), donde T es el tiempo de Ramsey.

En la figura 1a se muestra una secuencia de reloj POP típica. La secuencia comienza con un fuerte pulso láser resonante que crea un desequilibrio poblacional en los dos niveles del reloj y casi extingue la coherencia atómica residual del ciclo anterior. Luego, se realiza la espectroscopia de Ramsey en el dominio de microondas. Finalmente, la población del estado fundamental es sondeada por un pulso láser débil (a la misma frecuencia que el pulso de la bomba). La secuencia básica se repite dos veces a medida que la frecuencia de microondas se modula alrededor de la franja central de Ramsey (\(\nu _m \simeq \Delta \nu _{1/2} / 2\)). En la Fig. 1b se emplea un esquema de interrogación avanzado para estabilizar no solo la frecuencia del oscilador local, sino también la amplitud del campo de microondas (consulte Métodos para obtener más detalles).

Esquema de bloques funcionales del reloj POP descrito en el texto. Para la caracterización de la frecuencia, el paquete de física diseñado se almacenó dentro de una cámara de vacío para proporcionar un entorno representativo para las pruebas en tierra. SAS: Configuración de espectroscopía de absorción de saturación. FPGA: Matriz de puertas programables en campo. DAC: Convertidor digital a analógico. ADC: Convertidor analógico a digital. DDS: Sintetizador Digital Directo. AOM: Modulador acústico-óptico. OCXO: Oscilador de Cristal controlado por Horno.

La configuración experimental se muestra en la Fig. 2. Varias funciones relevantes son realizadas por un sistema electrónico digital dedicado que implementa la cadena de síntesis a partir de un oscilador de cuarzo de 100 MHz, la adquisición de señales y el procesamiento de señales para disciplinar el cuarzo a la referencia atómica. . El ciclo de interrogación del reloj de la Fig. 1 se logra implementando una serie de pasos programables que se repiten indefinidamente25.

El Modelo de Ingeniería (EM) probado en este trabajo es un Paquete de Física (PP) totalmente representativo en términos de tamaño, forma y funcionalidad del modelo de vuelo. El PP está equipado con componentes no blindados, idénticos a los de vuelo, y se ensambla siguiendo procesos calificados para el espacio. Las pruebas ambientales realizadas en el PP EM incluyeron ciclos de vacío térmico, vibraciones sinusoidales y aleatorias y choques mecánicos. Se han realizado siguiendo las directrices para la cualificación de una unidad de reloj Galileo completa.

El PP está compuesto por una estructura en capas similar a la descrita en14. El núcleo del PP es la celda que contiene los átomos de Rb y una mezcla de gases tampón con temperatura compensada. La celda está alojada en una cavidad de microondas que se alimenta con una señal resonante con la transición hiperfina del estado fundamental de \(^{87}\hbox {Rb}\) (6,834 GHz). Un solenoide (para generar el campo magnético de cuantificación), escudos térmicos y magnéticos completan el PP. Los principales parámetros físicos, como la longitud de la celda, el contenido de gas tampón, la temperatura operativa y el factor de calidad de la cavidad, son muy similares a los reportados en14.

Actualmente, dos unidades Rb POP PP EM fabricadas por Leonardo SpA han sido analizadas y aprobadas exhaustivamente siguiendo un proceso de revisión formal de la ESA y han superado con éxito las fases de prueba ambiental (cargas térmicas y mecánicas) y de rendimiento. Además, desde hace más de 3 años se está realizando una prueba de larga duración en un PP EM en las instalaciones del INRIM, lo que confirma una excelente estabilidad de sus parámetros críticos.

El paquete óptico está compuesto por un láser de retroalimentación distribuida (DFB) cuya frecuencia se estabiliza en la línea \(\hbox {D}_2\) (780 nm) mediante la técnica común de espectroscopía de absorción saturada (SAS) en el Rb \(|\ mathrm {F=1}\rangle \rightarrow |\mathrm {F'=1,2}\rangle\) transición cruzada con \(-160\,\hbox {MHz}\) compensación, para compensar el gas amortiguador cambio. Un modulador acústico-óptico (AOM) acoplado a fibra actúa como interruptor y como actuador para estabilizar la amplitud de los pulsos láser, de acuerdo con la secuencia de sincronización POP. La fase de bombeo suele durar \(0,4\,\hbox {ms}\) para una intensidad de bombeo de \(14\,\hbox {mW}/\hbox {cm}^{2}\). En cambio, la intensidad del pulso de detección es de alrededor de \(0,9\,\hbox {mW}/\hbox {cm}^{2}\). Antes de entrar en el PP, el rayo láser se forma mediante unas ópticas de espacio libre (ver Fig. 6a): después de la colimación, la polarización lineal se ajusta con una placa de media longitud de onda y se limpia con un polarizador Glan-Thompson. Luego, la viga se expande a un diámetro de \(1/e^2\) de \(6.6\,\hbox {mm}\). Se inserta un divisor de haz no polarizado justo antes del expansor de haz para muestrear la intensidad del láser en un fotodiodo. La amplitud de los pulsos láser se estabiliza activamente en esta señal de fotodiodo con un ancho de banda de 40 kHz para mejorar el ruido de intensidad relativa (RIN); al mismo tiempo, la técnica de estabilización proporciona un control del área de los pulsos del láser. Se pueden encontrar más detalles en Métodos.

La Figura 2 muestra un esquema de bloques funcional de todo el reloj, mientras que la Fig. 6a presenta un esquema de la placa óptica, incluido el láser, el AOM, el sistema de entrega de haz y la configuración de generación de pulsos. El PP diseñado se almacenó dentro de una cámara de vacío para proporcionar un entorno representativo para las pruebas. La señal de reloj típica lograda con el sistema se muestra en la Fig. 3. En particular, la señal de reloj tiene características similares o incluso mejores a la obtenida en los prototipos de laboratorio de mejor rendimiento13,14.

Franjas de Ramsey experimentales típicas medidas con el paquete de física de ingeniería. No se realiza ningún promedio al escanear la frecuencia del oscilador local (es decir, cada punto de datos es el resultado de un ciclo de reloj).

Los resultados de estabilidad presentados en esta sección se refieren a la última campaña de medición exhaustiva realizada en un modelo de ingeniería de paquete de física. Después de una evolución temprana de la frecuencia del reloj debido al 'quemado' de la celda, el comportamiento de la frecuencia del reloj fue bastante predecible y muestra una deriva lineal constante de \(\simeq 4\times 10^{-14}/\hbox {d }\), incluso después de algunos períodos programados de “frío” (\(23~^{\circ }\hbox {C}\)) y “caliente” (\(65~^{\circ }\hbox {C }\)) almacenamiento, donde los controladores de temperatura no estaban activos y el paquete se dejaba termalizar con el ambiente.

Estabilidad del reloj medida frente a un máser de hidrógeno activo (ancho de banda de medición 5 Hz). Círculos abiertos de color azul claro: desviación de Allan superpuesta (OADEV) de toda la medida. Azul: los mismos datos sin deriva lineal (\(+3.9 \times 10^{-14}/\hbox {d}\)). Rojo: subconjunto seleccionado (200 000 s de duración). Negro: modelo del máser de hidrógeno activo utilizado como referencia. El recuadro muestra la serie temporal de los mismos conjuntos de datos con los colores correspondientes. En este caso, los datos se promedian con una ventana de 100 s para una mejor visualización.

La Figura 4 muestra el resultado de una medición ininterrumpida durante 22 días del reloj Rb utilizando un máser de hidrógeno activo como referencia. La estabilidad típica es \(1.2 \times 10^{-13}\) \(\tau ^{-1/2}\) hasta 1000 s, después de eso observamos un ruido de parpadeo en el medio \(1\times 10^{-15}\) región hasta tiempos promedio de unos pocos días. La pequeña cantidad de exceso de ruido a corto plazo se debe a estímulos, que surgen en parte de la señal del reloj y en parte de la línea de distribución de la señal del máser de hidrógeno, y se promedia más rápido que el ruido blanco en función del tiempo promedio. (\tau\). Al seleccionar un subconjunto de datos de 200 000 s, donde los parámetros ambientales eran más estables, vemos el potencial del sistema para alcanzar una región de estabilidad por debajo de \(1 \times 10^{-15}\) después de solo \ (1\times 10^{4}\,\hbox {s}\) de tiempo promedio.

Para subrayar el potencial de la arquitectura de reloj POP para sistemas de navegación por satélite26, calculamos la varianza dinámica de Allan para los mismos datos con una ventana de 4 días, con el fin de estimar la estabilidad en 1 día, que es el intervalo típico entre satélites adyacentes. Sincronizaciones de reloj en sistemas GNSS modernos26. Se elimina una deriva global de \(+3,9\times 10^{-14}/\hbox {d}\) de toda la medida antes de cortar. En la Fig. 5a, la varianza dinámica de Allan se representa como una serie de curvas superpuestas. El color indica la posición de la ventana (comenzando con amarillo claro al principio de la medición y azul oscuro al final). En la Fig. 5b se muestra la distribución de los valores ADEV calculados a las 24 h. Durante la duración de la medición, la estabilidad de la frecuencia de 1 día es de alrededor de \(6\times 10^{-15}\) con la mayor probabilidad y rara vez por encima de \(7\times 10^{-15}\). Este nivel de estabilidad de frecuencia corresponde a un cronometraje mejor que \(0.5\,\hbox {ns}\) después de 1 día sin sincronización y, en particular, sin necesidad de actualizar el modelo de deriva del reloj, ya que la deriva lineal es estable en el tiempo. Esto está dentro del nivel deseado de rendimiento para un reloj GNSS a bordo, lo que lleva la contribución del error de rango de usuario del reloj a un nivel insignificante (por debajo de \(20\,\hbox {cm}\) durante 1 día de tiempo de espera)26.

Análisis de la estabilidad en un tiempo promedio de 1 día para los mismos datos de frecuencia de la Fig. 4. (a) Desviación dinámica de Allan (DAVAR)27: desviación de Allan calculada sobre ventanas de tiempo móviles. Cada ventana tiene una duración de 4 días y se traduce de la anterior en 0,5 días. El color indica la posición de la ventana (comenzando con amarillo claro al principio de la medición y azul oscuro al final). (b) Distribución de la estabilidad en el tiempo promedio de 1 día.

Hemos presentado los resultados de estabilidad de frecuencia obtenidos con un prototipo de reloj de celda de vapor de Rb funcionando en régimen pulsado. El reloj se compone de un paquete de física diseñado para operaciones espaciales, junto con electrónica y óptica de laboratorio. La desviación de Allan medida es \(1.2\times 10^{-13} \tau ^{-1/2}\), alcanzando el resultado récord de \(6\times 10^{-16}\) para un tiempo de integración de 40000 s (deriva eliminada). Un reloj Rb POP completo diseñado apunta a un régimen de ruido de frecuencia blanca durante un tiempo promedio del orden de 1 día, como lo requiere el objetivo final de estabilidad para GNSS26.

Aunque la transferencia de inestabilidades de láser y microondas a los átomos se reduce considerablemente en comparación con otras técnicas, el control de las fluctuaciones de los campos debe abordarse también en el enfoque pulsado. Los rendimientos de estabilidad aquí reportados se obtuvieron adoptando técnicas específicas para reducir la sensibilidad de la frecuencia del reloj a las inestabilidades de energía del láser y de las microondas (consulte Métodos para obtener más detalles).

Las actividades en curso se centran en el desarrollo de paquetes ópticos y electrónicos totalmente integrados y cualificados que se ensamblarán con el PP ya existente. Los resultados presentados aquí representan un avance significativo en la tecnología de relojes de celdas de vapor. En términos de SWaP, se espera que el prototipo final tenga un volumen de 17 litros, un peso de 10 kg y un consumo de energía de 60 W. Estas características, junto con las prestaciones de estabilidad mencionadas anteriormente, harían que el reloj Rb POP sea muy atractivo. a su posible despliegue en GNSS o en cualquier otra aplicación espacial.

La potencia de microondas entregada al paquete de física durante los pulsos de Rabi es del orden de \(-20\) dBm. La sensibilidad de la frecuencia de reloj fraccionaria y a este parámetro es \(\Delta y/(\Delta P_{\mu W}/P_{\mu W}) = -7\times 10^{-14}/\%\ ). Por lo tanto, para lograr \(1\times 10^{-15}\) estabilidad fraccionaria, la potencia de microondas entregada por la cadena de síntesis debe ser superior al 0,014%. Alcanzar este nivel durante largos tiempos de promediación no es una tarea trivial tanto con el sistema en funcionamiento libre como con los sistemas tradicionales de estabilización activa. Para abordar este problema, implementamos el algoritmo de estabilización descrito en 28.

La amplitud de los pulsos de Rabi se modula sincrónicamente con el ciclo del reloj alrededor del punto de ajuste que maximiza la absorción atómica (es decir, alrededor del primer máximo de oscilación de Rabi). La doble modulación (frecuencia y amplitud de microondas) se realiza duplicando el patrón de reloj habitual. Se recupera una señal de error independiente procesando la señal de reloj y la corrección se aplica a la entrada de modulación AM de la cadena de síntesis. La profundidad de modulación es bastante pequeña, del orden del 8%. Una modulación tan pequeña es posible gracias a las propiedades de bajo ruido de la señal atómica y al pequeño ancho de banda requerido para el bucle (las fluctuaciones de potencia están relacionadas con la temperatura y normalmente comienzan a aparecer a los cientos de segundos). Debido a la pequeña profundidad de modulación y a la simetría de las franjas de Ramsey, el bucle de reloj principal no se perturba y la estabilidad a corto plazo no se ve afectada.

Este esquema ha sido validado para alcanzar \(1\times 10^{-5}\) estabilidad fraccionaria en la potencia de microondas entregada en un tiempo promedio de 1 día y es intrínsecamente robusto, ya que la información se recupera directamente de los mismos átomos que contribuyen a la señal de referencia de frecuencia. De hecho, dado que el campo de microondas se detecta dentro de la cavidad de microondas, el control también puede compensar las variaciones de la potencia del campo de microondas debido a la eficiencia del acoplamiento que varía con el tiempo o al envejecimiento de la cavidad. En particular, este esquema requiere muy poco hardware adicional y no introduce tiempos muertos en el funcionamiento del reloj.

Aunque los órdenes de magnitud tienen menos impacto que con los relojes de celda de vapor CPT o CW, la potencia del láser sigue siendo un parámetro de influencia significativo que afecta el largo plazo del reloj POP29. En el prototipo anterior de alto rendimiento14, la estabilidad de potencia de nuestro sistema láser de espacio libre no era un factor tan crítico, ya que la sensibilidad a la temperatura del paquete físico era la principal limitación para la estabilidad a medio plazo. Con el sistema actual, que incluye algunas rutas de fibra y apunta a rendimientos aún mejores a largo plazo, era necesaria una estabilización activa de la potencia de los pulsos láser.

(a) Esquema de la placa óptica, incluida la fuente láser, el sistema de emisión del haz y la configuración de estabilización de pulsos láser (consulte el texto para obtener una explicación detallada). DFB: Láser de retroalimentación distribuida, AOM: Modulador acústico-óptico, VVA: Atenuador de voltaje variable, PI: Proporcional-integral, SAS: Configuración de espectroscopia de absorción de saturación. (b) Ruido de intensidad relativa (RIN) del láser medido en CW con el control en circuito abierto y cerrado.

Para lograr la estabilidad informada en la Fig. 4, implementamos un control mixto analógico/digital para generar y estabilizar los pulsos. La potencia del láser se prueba justo antes del paquete de física seleccionando \(\simeq 30\%\) de la luz con un divisor de haz no polarizado y adquiriéndola con un fotodiodo de Si (ver Fig. 6a). La señal detectada se acondiciona y se compara con una referencia de voltaje controlada numéricamente. Un controlador analógico proporcional-integral (PI) actúa sobre un atenuador de voltaje variable (VVA) que modula la potencia de RF enviada al AOM de paso único, controlando la amplitud del láser y generando los pulsos.

La referencia de voltaje (Vref) se compone de tres niveles de voltaje programables (correspondientes a las fases de reloj de “Bombeo”, “Detección” y “Oscuridad”). La conmutación entre los tres estados se realiza con un interruptor analógico rápido (Analog Devices ADG412), impulsado por el mismo generador de patrones de la electrónica del reloj. El patrón también activa otro interruptor que conmuta entre tres ganancias diferentes para el control analógico. De esta manera, la ganancia durante las tres fases del reloj se puede optimizar de forma independiente. En esta configuración, el controlador es responsable de generar los pulsos láser (siguiendo la referencia de voltaje) y reduce el RIN del láser. La intensidad del ruido que puede lograr el láser está determinada por el ruido de voltaje multiplicado por la característica trans VVA+AOM. La estabilidad a largo plazo de la amplitud del impulso se estabiliza (en el mejor de los casos) al nivel de la tensión de referencia. Como se ve en la Fig. 6b, la reducción de RIN estuvo entre 10 dB y 20 dB en el rango \(\hbox {kHz}\), logrando un piso de ruido blanco de \(-135\) dB 1/Hz desde \(100 \,\hbox {Hz}\) hasta \(50\,\hbox {kHz}\) (frecuencia de Fourier). La estabilidad de potencia fraccionaria a largo plazo de la potencia de los pulsos láser \(\Delta P_L/P_L\) fue del orden de \(2\times 10^{-4}\) (en 1 día) tanto para la detección como para la pulsos de bombeo.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo ha sido financiado parcialmente bajo el contrato GSTP (Elemento 2) de la Agencia Espacial Europea. Los autores desean agradecer a Elio Bertacco por su invaluable ayuda, especialmente en el diseño y optimización de los controles electrónicos.

División de Metrología Cuántica y Nanotecnologías, Instituto Nacional de Investigaciones Metrológicas, INRIM, Strada delle Cacce 91, 10135, Turín, Italia

Michele Gozzelino, Salvatore Micalizio, Claudio E. Calosso y Filippo Levi

Ingeniería espacial y relojes atómicos, Leonardo Electronics Società per Azioni, Viale Europa snc, 20014, Nerviano, MI, Italia

Jacopo Belfi

Ingeniería espacial y sistemas láser espaciales, Leonardo Electronics Società per Azioni, Via dell'Industria 4, 00071, Pomezia, Roma, Italia

Adalberto Sapia

Optrónica y equipos espaciales LOB, Leonardo Electronics Società per Azioni, Viale Europa snc, 20014, Nerviano, MI, Italia

Marina Gioia

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M.Gozzelino, SM, FL y CEC realizaron las mediciones y analizaron los resultados. CEC y M.Gozzelino diseñaron y optimizaron los bucles de estabilización por láser y microondas. SM y M. Gozzelino. escribió el manuscrito. M.Gioia, JB, AS coordinó el proyecto Leonardo. JB, AS coordinó y contribuyó al diseño del paquete de física. Todos los autores revisaron y contribuyeron al manuscrito.

Correspondencia a Salvatore Micalizio.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Gozzelino, M., Micalizio, S., Calosso, CE et al. Realización de un reloj Rb pulsado bombeado ópticamente con una estabilidad de frecuencia inferior a \(10^{-15}\). Informe científico 13, 12974 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39942-5

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Recibido: 21 de marzo de 2023

Aceptado: 02 de agosto de 2023

Publicado: 10 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39942-5

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