Квантовый дискриминатор

(51 СПИ САНИ К АВТОРСКОМУ ОБРЕТЕН ТЕЛЬСТВ излупоглре,ы РИИИНАТОР наий источник ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОЧКРЫТИЯРИ. ГКНТ СССР(56) Пихтелев А.И, и др, Стандартчастоты и времени на основе квангенераторов и дискриминаторов. ИСов,радио, 1978, с. 100,Патент СПА3243721, кл. 331 опублик. 1966.(54)(57) КВАНТОВЬУ 79 С парах рубидия, включаю Изобретение относится к квантовой радиофизике и может бытьиспользовано в квантовых стандартах частогы и времени.Известен дискриминатор на парах рубидия, содержащий источник оптической накачки, ячейку-Фильтр сверхтонной составляющей спектра для создания неравновесного состояния атомов. За .ячейкой-фильтром располагается ячейка поглощения, находящаяся в СВЧ-резонаторе,. в котором создаются условия для взаимодействия поля резонатора и атомов, находящихся в неравновесном состоянии.,Оалее расположено устройство, регистрирующее изменение усло.- вий поглощения в ячецке поглощения- фотодетектор. Такая конструкция обладает тем недостатком, что стабильность частоты и вместе с ним параметр качения, ячейку-фильтр и ячейку ощения, расположенную в резонато термостат и Фотодетектор, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения стабильности частоты при одновременном уменьшении габаритов, фотодетектор выполнен селективным на основе многослойного широкозон. ного полупроводника с электродами, ,причем один из электродов выполнен в виде решетки с шириной элемента, по крайней мере, на порядок меньшей, ,рабочей длины волны резонатора и электрически соединен с внутренней стенкой резонатора со стороны выходаизлучения. 1 чества дискриминатора существенно зависит от условий накачки-температуры лампц, ячейки-Фильтра, ячейки поглощения, Фотоприемника, а также имеет большие габариты и массу, Уменьшение габаритов приводит к существенному снижению параметра качества дискриминатора, особенно при совмещении ячейки-Фильтра и ячейки поглощенияНаиболее близким к предлагаемому является квантовый дискриминатор на . парах рубидия, включающий источникФ.излучения ячейку-Фильтр и ячейку поглощения, расположенную в резонаторе, ЗРИ термостат и Фотодетектор.иваУстройство сорержит источник на парах РЬ, термостатированный при температуре Т ячейку-Фильтр .с парами ЕЬ , термостатированную при температуре Т, ячейку поглощения с.парамиГЬ , термостатированную при температуре Т и помещенную в СВЧ-резонатор. Недостатком известной конструкции является невысокая стабильность часто ты, обусловленная засветкой Фотодетектора фоновым излучением атомов КЬ., и буферных газов, которое может состав" лять до 99,993 интенсивности светово", го излученйя лампы накачки и фильтру емого ячейкой-фильтром, Это также препятствует дальнейшей микроминиатюризации дискриминатора, снижает параметр качества и спектральные характеристики стандарта в целом. 15Целью изобретения является повышение стабильности частоты при".одновременном уменьшении габаритов устройстваЭто достигается тем, что в квантовом дискриминаторе на парах рубидия,20 содержащем источник излучения, ячейку- фильтри ячейку поглощения, расположенную в резонаторе, термостат и фотодетектор, Фотодетектор выполнен селективным на основе многослойного широкозонного полупроводника,с электродами, причем один из электродов выполнен в виде решетки с шириной элемента, по крайней мере, на порядок меньшей рабочей длины волны резонатора и электрически соединен с внутренней стенкой резонатора со стороны выхода оптического излучения. Ячейка-Фильтр может быть совмещена с ячейкой поглощения и содержать смесь изотопов КЬ и КЬ . С целью расширения эксплуатационного температурного диапазона температура дискриминатора в целом или отдельных его элементов может быть повышена до 80-135 Г Фотодетектор выбран с.максимумом фоточувсевительности при рабочей температуре ячейки поглощения на длине волны 780- 795 нм и полушириной спектральной характеристики не более 40 нм.На Фиг. 1 показана конструкция квантового дискриминатора; на фиг.2 - спектральная характеристика системы оптической индикации дискриминатора; на фиг. 3 - примеры конкретного выполнения дютодиода в резонаторе. .50дискриминатор содержит лампу оптической накачки 1, за ней располагается ячейка-Фильтр сверхтонкой составляющей спектра 2, ячейка поглощения 3, Фотодетектор 4, термостат 5 и резона тор 6, на стенке. которого расположен селективный фотодетектор. Ячейка- фильтр и ячейка поглощения помещены в магнитное поле для полуумения сверх- тонкой структуры спектра и в термостат, стабилизирующий температуру частей дискриминатора.Спектральная характеристика системы оптической индикации дискриминатора включает линию перехода 58 с"с+ 5 Ру 7 О 794 7, нм). линйю перехода 5 Б ф 5 Рзр 8 (Д 780,0 нм), линию Фоновой засветки обычно Аг, РЬРЬ ) 9, спектральную характеристику селективного Фотодиода 10 Я - длину волны излучения, нм; 8/Я- относительную чувствительность фотодетектора; д 4 - ширину спектральной характеристики.На задней стенке резонатора помещен фотодетектор 4, который может быть, в частности, фотодиодом на основе твердого раствора в системе ГаАз-А 1 Аз и отделен от резонатора диэлектриком 11. Нижний электрод Фото- диода 12 имеет вывод к регистрирующей системе и включается в нее в фотодиодном или Фоторезистивном режиме. Сам фотодиод сформирован, например, на подложке из ГаАз и-типа проводимости 13, на которой расположен 1-й слой твердого раствора п-типа, проводимости 14 состава Га .АЗуЛз, на котором - второй слой твердого состава ГаИАз р-типа проводимости 15, прйчем х-у для формирования спектральной характеристики заданной Формы. Дпя эффективного разделения генерированных светом носителей металлургическая граница (р-п)-перехода должна отстоять от границы гетероперехода не более, чем на диффузионную длину не- основных. носителей заряда.Дпя формирования узкой спектральной характеристики толщина верхнего слоя должна быть не меньше характеристической глубины проникновения излучения с длиной волны, соответствующей. максимуму фоточувствительности минус , в материал верхнего слоя. Верхний, электрод фотодиода 16 выполнен в виде решетки с шириной элемента не менее, чем на порядок, меньший рабочей Длины волны резонатора, электрически соединен с ним и выполняет функцию его задней стенки. Ячейка поглощения может быть совмещена с ячейкой-Фильтром и заполнена смесью изотопов КЬи КЬ.Работа квантового дискриминатора основана на двойном радиооптическом25306 6зонатор и совмещения ячейки-Фильтраи ячейки поглощения. Термостатирование Фотодетектора в данном случае необходимо рля стабилизации его спектральной характеристики, .температурныйухор которой из-за малой ее ширинысущественно влияет на параметры дис- .криминатора. Использование для Фотодетектора широкозонного полупроводникового материала, например ГаА 1 Аз,позволяет расширить его температурныйфдиапазон до 120-150 С, повысить температуру элементов дискриминатора илифвсего устройства в целом,на 10-80 Свыше общепринятой (до 135 С) и применять один термостат на ячейку поглощения и фотоприемник, или на ячейку-фильтр, ячейку поглощения и Фото приемник, или на весь дискриминатор.в целом или на дискриминатор и кварцевый генератор, подстраиваемый по квантовому рискриминатору.1 ностью поглощался в верхнем слое на расстоянии, большем риффузионной длины электронов от р-и-перекора ( д длина волны максимальной чувствительности 780 нм 4 Я 795 нм), а свет с рлиной волны Л уЛ + - проходилФф 2через (р-и)-переход и поглощался на расстоянии, большем диффузионной длины дырок от перехода. Таким образом вклад в Фототок будут вносить носители генерированные светом с длиной волны- 4 Л с Л + - , Как покаэаЛдЛф 2 оли исследования, наиболее эффективная фильтрация происходит при дЯ 40 нм.Использование селективного Фотодетектора на основе широкозонного полупроводника позволяет существенно повысить стабильность частоты, параметр качества дискриминатора и уменьшить габариты устройства за счет введенияФ Фотодетектора непосредственно в ре 5 10 резонансном поглощении света с плиной волныЛр,=794, 7 им (5 Яд с 52 Ря) переходов с ю О, слабо зависящих от магнитного поля. Для получения неравновесного состояния атомов ВЪ. используется накачка от лампы с пара-. ми КЬ 4 (иногда их смесь с КЬуу), ,Фильтр с парами КЬ , Состав слоев , тверрого раствора ГаА 1 Аз (х и у) выбирается с таким расчетом, чтобы свет с рлиной волны Я Я -- полдЛ0,25 Использование для оптической инди-,кации приемника с узкой спектральной характеристикой позволяет повысить эффективность индикации поглощения полезной составляющей светового потока от источника излучения без уменьшения чувствительности, повысить стабильность частоты, параметр качестварискриминатора за счет увеличения отношения сигнал-шум, уменьшить рабочийобъем рискриминатора, увеличить рабочую,температуру элементов дискриминат тора.1025306 О 12 КрйсщрцрусщецсистемеФига Корректор Э, Лончакова едактор С, Тито ед Л. Олий Поцписн иэводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор Гагарина, 101 Заказ 3084 ТирВНИИПИ Государственного комит113035, Москв У 8 Фиг,аж 384 по иэобрете Ж, Раушск ниям и открытиям при ГКНТ СЧСР наб., д. 4/5