ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

       

квантовые стандарты частоты, в к-рых частотным репером служит сверхузкая спектр. линия излучения лазера. В О. с. ч. используются газовые лазеры в сочетании с устройством для сравнения с частотой эталона или стандарта частоты радиодиапазона. О. с. ч. способны фиксировать определ. значение частоты w с погрешностью Dw/w=10-15, в 102 раз меньше погрешности, достижимой в эталонах частоты СВЧ диапазона (см. КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ).

Первые О. с. ч. были лазерами, стабилизированными по «провалу Лэмба», образующемуся в спектр. линии активного газа (предсказан У. Ю. Лэмбом в 1932, обнаружен А. Джаваном и У. Р. Беннетом в 1933, США). Долговременная погрешность частоты таких О. с. ч. не спускалась ниже 10-8 из-за относительно большой плотности и темп-ры генерирующего газа. Возможность наблюдения сверхузких линий в спектрах поглощения позволила за период с 1967 по 1973 снизить погрешность до 10-14. Для получения сверхузких линий применяются ячейки, наполненные газом, находящимся при низких давлении и темп-ре. Такая ячейка помещается внутрь оптического резонатора лазера. Под влиянием стоячей волны лазера в центре его спектр. линии (форма и ширина к-рой определяются доплеровским уширением, (см. ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ)) возникает пик, ширина к-рого зависит только от однородной ширины спектральной линии газа, находящегося в поглощающей ячейке (относит. ширина пика =10-14).

Ещё более узкие (=10-15) спектр. линии можно получить методом «пленения» ч-ц, ограничивая их движение областями с размерами, меньшими, чем длина световой волны К. Для этого разреженный газ помещают в поле интенсивной трёхмерной стоячей световой волны.

Для сравнения частоты с частотой, фиксируемой О. с. ч., необходимы сложные устройства, содержащие «умножители» и «синтезаторы» частоты, перекрывающие область частот от СВЧ до частоты О. с. ч. Такие устройства позволяют измерять частоту вплоть до коротковолновой границы ИК диапазона. В будущем О. с. ч., по-видимому, станут основой эталонов частоты и откроют путь к созданию единого эталона частоты (времени) и длины.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

- лазеры со стабильной во времени частотой излучения (10^-14 - 10^-15),её воспроизводимостью (10^-13 - 10^-14). О. с. ч. применяютсяв физ. исследованиях и находят практич. приложение в метрологии, локации, <геофизике, связи, навигации и машиностроении. Деление частоты О. с. ч. <до радиодиапазона сделало возможным создание шкалы времени, основаннойна использовании периода оптич. колебаний.
О. с. ч. обладают преимуществами по сравнениюс квантовыми стандартами частоты СВЧ-диапазона: эксперименты, связанныес измерением частоты при использовании лазеров, требуют меньшего времени, <т. к. абс. частота в 10⁴ - 10⁵ раз превышает нелазерныестандарты частоты. Абс. интенсивность и ширина резонансов, являющихся реперамичастоты, в оптич. диапазоне в 10⁵ - 10⁶ раз больше, <чем в СВЧ-диапазоне, при одной и той же относит. ширине. Это позволяетсоздавать О. с. ч. с более высокой кратковрем. стабильностью частоты. Приделении частоты О. с. ч. до радиодиапазона относит. ширина линии излученияпрактически не меняется (если используется СВЧ стандарт, флуктуац. спектрего сигнала существенно расширяется при умножении частоты в 10⁵- 10⁶ раз). Роль квадратичного Доплера эффекта, ограничивающегодолговрем. стабильность и воспроизводимость частоты, одинакова.

Принцип стабилизации. Стабилизациячастоты лазера, как и стандартов радио диапазона, основана на использованииспектральных линий атомного или молекулярного газа (оптич. реперы), к центрук-рых "привязывается" частота v с помощью электронной системы автоматич. <подстройки частоты. Т. к. линии усиления лазеров обычно значительно превосходятширину полосы пропускания оптического резонатора, то нестабильность(v) частоты v генерации в большинстве случаев определяется изменением оптич. <длины резонатора Осн. источниками нестабильности l являются тепловой дрейф, механич. <и акустич. возмущения элементов конструкции резонатора, флуктуации показателяпреломления газоразрядной плазмы. С помощью оптич. репера система автоподстройкивырабатывает сигнал, пропорц. величине и знаку расстройки между частотой v и частотой v₀ центра спектральнойлинии, с помощью к-рого частота лазера настраивается на центр линии (= v - v₀ = 0). Относит. точность настройки обратно пропорц. <произведению добротности спектральной линии ( - ширина линии)на отношение сигнал/шум при её индикации.
Для получения узкой линии излучения ивысокой кратковрем. стабильности частоты (стабильность за времена с) необходимо использовать реперы достаточно высокой интенсивности с шириной значительно превосходящей характерный диапазон частотных возмущений Для газовых лазеров характерная ширина спектра акустич. возмущений ~ 10³ - 10⁴ Гц, поэтому требуемая ширина резонанса Гц (относит, ширина 10^-9 - 10^-10). Это позволяетиспользовать системы автоматич. подстройки частоты с широкой полосой (10⁴ Гц) для эфф. подавления быстрых флуктуации длины резонатора.
Для достижения высокой долговрем. стабильностии воспроизводимости частоты необходимы оптич. линии высокой добротности, <т. к. при этом уменьшается влияние разл. факторов на сдвиги частоты централинии.

Оптические реперы. Используемыев СВЧ-диапазоне методы получения узких спектральных линий оказались неприменимыми в оптич. области спектра (доплеровское уширение мало в СВЧ-диапазоне).Для О. с. ч. важны методы, к-рые позволяют получать резонансы в центреспектральной линии. Это даёт возможность непосредственно связать частотуизлучения с частотой квантового перехода. Перспективны три метода: методнасыщенного поглощения, двухфотонного резонанса и метод разнесённых оптич. <полей. Осн. результаты по стабилизации частоты лазеров получены с помощьюметода насыщенного поглощения, к-рый основан на нелинейном взаимодействиивстречных световых волн с газом. Нелинейно поглощающая ячейка с газом низкогодавления может находиться внутри резонатора лазера (активный репер) и внеего (пассивный репер). Из-за эффекта насыщения (выравнивание населённостейуровней частиц газа в сильном поле) в центре доплеровски-уширенной линиипоглощения возникает провал с однородной шириной, к-рая может быть в 10⁵- 10⁶ раз меньше доплеровской ширины. В случае внутренней поглощающейячейки уменьшение поглощения в центре линии приводит к появлению узкогопика на контуре зависимости мощности от частоты генерации. Ширина нелинейногорезонанса в молекулярном газе низкого давления определяется прежде всегостолкновениями и эффектами, обусловленными конечным временем пролёта частицычерез световой пучок. Уменьшение ширины резонанса сопровождается резким падением его интенсивности (пропорц. кубу давления).
Наиб. узкие резонансы насыщенного поглощенияс относит, шириной 10^-11 получены в СН ₄ на компонентах и . колебательно-вращат. линии Р(7) полосы v₃ (см. Молекулярные спектры), к-рые близки к центру линии усилениягелий-неонового лазера на =3,39 мкм. Для точного совмещения линий усиления и поглощения используют ²²Neи увеличивают давление Не в активной среде лазера либо помещают активнуюсреду в магн. поле (для Е -компоненты).
Схема О. с. ч., использующего сверхузкийрезонанс (с относит. шириной 10^-11 - 10^-12 )в качестве репера, состоит из вспомогательного стабильного по частоте лазера2 с узкой линией излучения, перестраиваемого лазера 2 и системы полученияузкого резонанса (рис. 1). Узкая линия излучения перестраиваемого лазера, <к-рый используется для получения сверхузкого резонанса, обеспечиваетсяпосредством фазовой синхронизации этого лазера со стабильным.

Рис. 1. Схема оптического стандарта частоты:ЧФАП - частотно-фазовая автоподстройка; СУР - система получения сверхузкогорезонанса; АПЧ - система автоматической подстройки частоты; ЗГ - звуковойгенератор; РГ - радиогенератор; Д - фото детектор.

Долговрем. стабильность перестраиваемоголазера достигается плавной настройкой его частоты на максимум сверхузкогорезонанса с помощью экстремальной системы автоподстройки. При этом возможноодновременно получать высокие значения кратковрем. и долговрем. стабильностейи воспроизводимости частоты.
Стабильность частоты. Наиб. высокая стабильностьчастоты получена в ИК-диапазоне с Не - Ne-лазером (= 3,39 мкм) с внутр. ячейкой поглощения. Т. к. абс. частота его известнас высокой точностью (10^-11), то этот лазер может быть использованкак самостоят. вторичный эталон частоты для измерения абс. частот в оптич. <и ИК-дпапазонах. Ширина линии излучения такого лазера составляет 0,07 Гц(рис. 2). Стабильность частоты за времена усреднения =1 - 100 с равна 4 х 10^-15 (рис. 3).
Долговрем. стабильность и воспроизводимостьчастоты Не - Ne-лазеров с телескопич. расширением пучка, стабилизированныхпо резонансам в СН ₄ на линиях поглощения F²₂ и Е (см. выше) с добротностью ~10¹¹, достигают ~10^-14.Принципиальным фактором, ограничивающим воспроизводимость и точность частоты, <является квадратичный эффект Доплера.

Рис. 2. Спектр биений частот двух независимостабилизированных лазеров Не - Ne/CH₄.

Практич. интерес представляют О. с. ч. <на основе СО ₂ -лазера с внеш. поглощающей ячейкой, заполненнойпарами ¹⁹² ОsО ₄. Спектральная линия поглощения колебательно-вращат. <перехода Р(40) полосы v₃ молекулы ¹⁹² ОsО ₄ совпадает с линией Р(14) перехода 001 - 10° СО ₂ -лазера( = 10,6 мкм)и не имеет сверхтонкой структуры. Квадратичный эффект Доплера из-за большоймассы этой молекулы мал. Стандарт CО ₂/¹⁹²OsO₄ имеет стабильность 10^-13 за время 10 с и воспроизводимостьчастоты 10^-12. Для стабилизации частоты СО ₂ -лазераприменяется также т. н. метод насыщенной флуоресценции, достоинством к-рогоявляется возможность стабилизации на всех линиях генерации СО ₂ -лазера. <Достигается стабильность частоты 10^-12 за время =50 с.
В видимой области спектра используютсяНе - Ne-лазеры (=0,633 мкм, 0,612 мкм), стабилизированные по резонансам насыщенного поглощенияпаров ¹²⁷I₂ и ¹²⁹I₂ на компонентахсверхтонкой структуры электронных переходов, к-рые используются в качествеоптич. стандарта длины волны для метрологич. измерений (см. Метр )испектроскопич. исследований. Наиб. высокие значения стабильности частотыО. с. ч. Не - Ne/¹²⁷I₂ и Не - Ne/¹²⁹I₂ составляют 1,9 х 10^-13 (=270 с) и 2 х 10^-13 (=100 с). Воспроизводимость частоты этих лазеров достигает 8 х 10^-12 и 6 х 10^-13.

Рис. 3. Зависимость стабильности частотыот времени усреднения

Стабилизация частоты мощных ионных лазеровпредставляет интерес для развития техники перестраиваемых лазеров накрасителях и лазеров на центрах окраски. В качестве оптич. репераиспользуются узкие резонансы насыщенной флуоресценции в ¹²⁷I₂ шириной ~100 кГц. Достигнуты стабильность 5 х 10^-14 при = 100 с и воспроизводимость частоты 1,5 х 10^-12.

Оптические часы. О. с. ч., снабжённыйсистемой деления его частоты в радиодиапазон, представляет собой устройство, <позволяющее определять единицу шкалы времени - секунду - по числу периодоввысокостабильных оптич. колебаний. Схема оптич. часов включает эталонныйвысокостабильный стандарт Не - Ne/CH₄, цепочку подобранных исинхронизованных по фазе лазеров ИК-, субмиллиметрового диапазонов и генераторовСВЧ-диапазона, обеспечивающих деление оптпч. частоты в радиодпапазон свыходом на стандартные частоты 1 и 5 МГц. Последоват. фазовый захват частотыодного генератора к другому (см. Захватывание частоты )позволяетпередавать высокую стабильность частоты О. с. ч. в радиодиапазон без потерь. <В качестве быстродействующих нелинейных элементов для преобразования частотлазеров и генерации гармоник высокого порядка применяются точечные диодытипа металл - окисел - металл (МОМ-диод) с постоянной времени ~10^-14 с. Пока система деления частоты Не - Ne/CH₄ стандарта являетсягромоздкой. Необходимо её упрощение, чтобы О. с. ч. стали конкурентоспособнымисо стандартами радиодиапазона.

Абсолютное измерение частот. Дляизмерения частот оптич. диапазона необходимо осуществлять умножение известнойчастоты стандарта радиодиапазона в 10⁴ - 10⁵ разили деление измеряемой частоты лазера в такое же число раз. Длит. времяабс. измерения частот лазеров проводились поэтапно. Сначала определялисьчастоты лазеров дальнего ИК-диапазона сравнением умноженного сигнала отСВЧ-стандарта с частотой лазера. Затем известная частота лазера снова умножаласьи сравнивалась с частотой нового лазера. Схема синтеза частоты на каждомэтапе измерения выражается ф-лой где v_i - синтезируемая частота, v_i_₁- известная частота, f _пр - измеряемая промежуточная частота. <При известном коэф. умножения частоты ( п )определяется абс. значение v_i.Создание оптич. шкалы времени открыло возможность измерения абс. частотлазеров с предельной точностью 10^-13 - 10^-14.
Наиб. точно измерена частота лазера Не- Ne/CH₄ (=3,39мкм). Этот лазер имеет высокую воспроизводимость частоты и занимает удобноепромежуточное положение между субмиллиметровой и ИК-областью, с одной стороны, <и ближней ИК-областью и видимой - с другой. Ср. значение частоты [вычисленноеД. Найтом (D. Knight)] v_CH4 = 88376181602,30,8 кГц.
Улучшение характеристик О. с. ч. связанос дальнейшим развитием метода насыщенного поглощения, а также методов, <основанных на применении разнесённых оптпч. полей, двухфотонных резонансови резо-нансов поглощения захваченными в ловушки частицами. В сочетаниис охлаждением частиц они формируют резонансы с добротностью ~10¹⁴ и позволяют получить стабильность и воспроизводимость частоты на уровне 10¹⁶ (см. Нелинейная спектроскопия).

Лит.: Басов Н. Г., Летохов В. С.,Оптические стандарты частоты, "УФН", 1968, т. 96, с. 585; Jennings D. A.,Petersen F. R., Evenson К. М., Direct frequency measurement of the 260THz (1.15mм)²⁰NeLaser and beyond, в кн.: Laser spectroscopy. IV. Proc. 4 th-Intern. Conf.,Rottach-Egern, Fed. Rep. of Germany, June 11 - 15 1979, ed. by H. Walther,K. W. Kothe, В. - [a. o.], 1979, p. 39; Proceedings of Third Symposiumon Freq. Standarts and Metrology, Aussois, France, 12 - 15 Oct. 1981, "J.Phys.", 1981, v. 42, Colloq. С 8, № 12; Багаeв С. Н., Чеботаев В. П., Лазерныестандарты частоты, "УФН", 1986, т. 148, с. 143; Knight D. J. E., A tabulationof absolute laser - frequence measurements, "Metrologia", 1986, v 22, p.251.

В. П. Чеботаев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.