ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ


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. . 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(15020-92.jpgv) частоты v генерации в большинстве случаев определяется изменением оптич. <длины резонатора 15020-93.jpgОсн. 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 15020-94.jpgмежду частотой v и частотой v0 центра спектральнойлинии, с помощью к-рого частота лазера настраивается на центр линии (15020-95.jpg= v - v0 = 0). Относит. точность настройки обратно пропорц. <произведению добротности спектральной линии 15020-96.jpg(15020-97.jpg - ширина линии)на отношение сигнал/шум при её индикации.
Для получения узкой линии излучения ивысокой кратковрем. стабильности частоты (стабильность за времена 15020-98.jpgс) необходимо использовать реперы достаточно высокой интенсивности с шириной 15020-99.jpgзначительно превосходящей характерный диапазон частотных возмущений 15020-100.jpgДля газовых лазеров характерная ширина спектра акустич. возмущений 15020-101.jpg~ 103 - 104 Гц, поэтому требуемая ширина резонанса 15020-102.jpgГц (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 15020-103.jpgсопровождается резким падением его интенсивности 15020-104.jpg (пропорц. кубу давления).
Наиб. узкие резонансы насыщенного поглощенияс относит, шириной 15020-105.jpg10-11 получены в СН 4 на компонентах 15020-106.jpgи . колебательно-вращат. линии Р(7) полосы v3 (см. Молекулярные спектры), к-рые близки к центру линии усилениягелий-неонового лазера на 15020-107.jpg=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.
15020-108.jpg

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 (15020-109.jpg= 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 15020-110.jpg=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.

15020-111.jpg

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(15020-112.jpg = 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 15020-113.jpg=50 с.
В видимой области спектра используютсяНе - Ne-лазеры (15020-114.jpg=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 (15020-115.jpg=270 с) и 2 х 10-13 (15020-116.jpg=100 с). Воспроизводимость частоты этих лазеров достигает 8 х 10-12 и 6 х 10-13.

15020-117.jpg

Рис. 3. Зависимость стабильности частотыот времени усреднения 15020-118.jpg

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 15020-119.jpg= 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 15020-120.jpgгде vi - синтезируемая частота, vi_1- известная частота, f пр - измеряемая промежуточная частота. <При известном коэф. умножения частоты ( п )определяется абс. значение vi.Создание оптич. шкалы времени открыло возможность измерения абс. частотлазеров с предельной точностью 10-13 - 10-14.
Наиб. точно измерена частота лазера Не- Ne/CH4 (15020-121.jpg=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)] vCH4 = 88376181602,315020-122.jpg0,8 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 15020-123.jpg1016 (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. . 1988.


.

Смотреть что такое "ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ" в других словарях:

  • ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ — квантовые стандарты частоты, в которых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени …   Большой Энциклопедический словарь

  • оптические стандарты частоты — квантовые стандарты частоты, в которых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени. * * * ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ, квантовые стандарты… …   Энциклопедический словарь

  • Оптические стандарты частоты —         квантовые стандарты частоты оптического диапазона. О. с. ч. по сравнению с квантовыми стандартами частоты (См. Квантовые стандарты частоты) радиодиапазона имеют важные преимущества: более высокую стабильность частоты Оптические стандарты… …   Большая советская энциклопедия

  • ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ — квантовые стандарты частоты, в к рых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени …   Естествознание. Энциклопедический словарь

  • КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ — устройства для точного измерения частоты колебаний или для генерирования колебаний с весьма стабильной частотой, в к рых используются квант. переходы (атомов, молекул, ионов) из одного энергетич. состояния в другое. Рис. 1. Схема атомно лучевой… …   Физическая энциклопедия

  • ЛАЗЕРНЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ — см. Оптические стандарты частоты. Физическая энциклопедия. В 5 ти томах. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988 …   Физическая энциклопедия

  • Стандарт частоты — высокостабильный по частоте источник электромагнитных сигналов (радиодиапазона или оптических). Стандарты частоты используются в качестве вторичных или рабочих эталонов в метрологических измерениях, а также при производстве высокоточных средств… …   Википедия

  • ЛАЗЕР — (оптический квантовый генератор), устройство, генерирующее когерентные эл. магн. волны за счёт вынужденного испускания или вынужденного рассеяния света активной средой, находящейся в оптич. резонаторе. Слово «Л.» аббревиатура слов англ. выражения …   Физическая энциклопедия

  • газовый лазер — лазер, в котором активной средой являются газы, пары или их смеси (СО2, Ar, смесь He+Ne и др.). Используют как репер частоты (см Оптические стандарты частоты), в лазерной спектроскопии, голографии, лазерной технологии, в медицине и др. * * *… …   Энциклопедический словарь

  • Лазер —         источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении (См. Вынужденное излучение) атомов и молекул. Слово «лазер» составлено из начальных букв (аббревиатура) слов… …   Большая советская энциклопедия

Книги

  • Квантовые стандарты частоты, В. В. Григорьянц, М. Е. Жаботинский, В. Ф. Золин. Монография содержит краткое изложение основ радиоспектроскопии и систематическое рассмотрение теории и техники квантовых стандартов частоты. Описаны все существующие типы квантовых стандартов… Подробнее  Купить за 190 руб


We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.