Оптичні стандарти частоти - фізична енциклопедія

ОПТИЧНІ СТАНДАРТИ частоти - лазери зі стабільною в часі частотою випромінювання (10 -14 - 10 -15), її відтворюваністю (10 -13 - 10 -14). О. с. ч. застосовуються в фіз. дослідженнях і знаходять практич. додаток в метрології, локації, геофізики, зв'язку, навігації та машинобудуванні. Розподіл частоти О. с. ч. до радіодіапазону уможливило створення шкали часу, заснованої на використанні періоду оптич. коливань.
О. с. ч. мають переваги в порівнянні з квантовими стандартами частоти НВЧ-діапазону: експерименти, пов'язані з вимірюванням частоти при використанні лазерів, вимагають меншого часу, т. к. абс. частота в 10 4 - 10 5 разів перевищує нелазерні стандарти частоти. Абс. інтенсивність і ширина резонансів. є реперами частоти в оптич. діапазоні в 10 5 - 10 6 разів більше, ніж в СВЧ-діапазоні, при одній і тій же відносить. ширині. Це дозволяє створювати О. с. ч. з вищою кратковрем. стабільністю частоти. При розподілі частоти О. с. ч. до радіодіапазону відносить. ширина лінії випромінення мало змінюється (якщо використовується СВЧ стандарт, флуктуації. спектр його сигналу істотно розширюється при збільшенні частоти в 10 5 - 10 6 разів). Роль квадратичного Доплера ефекту, який би долговрем. стабільність і відтворюваність частоти, однакова.

Принцип стабілізації. Стабілізація частоти лазера, як і стандартів радіо діапазону, заснована на використанні спектральних ліній атомного або молекулярного газу (оптич. Репери), до центру яких брало "прив'язується" частота v за допомогою електронної системи автоматичним. підстроювання частоти. Т. к. Лінії посилення лазерів зазвичай значно перевершують ширину смуги пропускання оптичного резонатора. то нестабільність (v) частоти v генерації в більшості випадків визначається зміною оптич. довжини резонатора Осн. джерелами нестабільності l є теплової дрейф, механічні. і акустич. обурення елементів конструкції резонатора, флуктуації показника заломлення газорозрядної плазми. За допомогою оптич. репера система автопідстроювання виробляє сигнал, пропорц. величиною і знаку розладу між частотою v і частотою v0 центру спектральної лінії, за допомогою к-якого частота лазера налаштовується на центр лінії (= v - v0 = 0). Відносить. точність настройки назад пропорц. твору добротності спектральної лінії (- ширина лінії) на ставлення сигнал / шум при її індикації.
Для отримання вузької лінії випромінювання і високої кратковрем. стабільність частоти (стабільність за часів с) необхідно використовувати репери досить високої інтенсивності з шириною значно перевершує характерний діапазон частотних збурень Для газових лазерів характерна ширина спектра акустич. збурень

10 3 - 10 4 Гц, тому необхідна ширина резонансу Гц (відносить, ширина 10 -9 - 10 -10). Це дозволяє використовувати системи автоматичним. підстроювання частоти з широкою смугою (10 4 Гц) для еф. придушення швидких флуктуації довжини резонатора.
Для досягнення високої долговрем. стабільності і відтворюваності частоти необхідні оптич. лінії високої добротності. т. к. при цьому зменшується вплив разл. факторів на зрушення частоти центру лінії.

Оптичні репери. Використовувані в СВЧ-діапазоні методи отримання вузьких спектральних ліній виявилися не придатними в оптич. області спектра (доплеровское розширення мало в СВЧ-діапазоні). Для О. с. ч. важливі методи, к-які дозволяють отримувати резонанси в центрі спектральної лінії. Це дає можливість безпосередньо зв'язати частоту випромінювання з частотою квантового переходу. Перспективні три методи: метод насиченого поглинання, двухфотонного резонансу і метод рознесених оптич. полів. Осн. результати щодо стабілізації частоти лазерів отримані за допомогою методу насиченого поглинання, к-рий заснований на нелінійній взаємодії зустрічних світлових хвиль з газом. Нелінійно поглинає осередок з газом низького тиску може знаходитися всередині резонатора лазера (активний репер) і поза ним (пасивний репер). Через ефект насичення (вирівнювання населенностей рівнів частинок газу в сильному полі) в центрі доплеровські-уширенной лінії поглинання виникає провал з однорідною шириною, к-раю може бути в 10 5 - 10 6 разів менше доплеровской ширини. У разі внутрішньої поглинає осередку зменшення поглинання в центрі лінії призводить до появи вузького піку на контурі залежності потужності від частоти генерації. Ширина нелінійного резонансу в молекулярному газі низького тиску визначається перш за все зіткненнями і ефектами, зумовленими кінцевим часом прольоту частинки через світловий пучок. Зменшення ширини резонансу супроводжується різким падінням його інтенсивності (пропорц. Кубу тиску).
Наїб. вузькі резонанси насиченого поглинання з відносить, шіріной10 -11 отримані в СН4 на компонентахі Е колебательно-вращат. лінії Р (7) смуги v3 (див. Молекулярні спектри), к-які близькі до центру лінії посилення гелій-неонового лазера на = 3,39 мкм. Для точного суміщення ліній посилення і поглинання використовують 22 Ne і збільшують тиск Не в активному середовищі лазера або поміщають активну середу в магн. поле (для Е -компоненти).
Схема О. с. ч. використовує надвузьких резонанс (з відносить. шириною 10 -11 - 10 - 12) в якості репера, складається з допоміжного стабільного за частотою лазера 2 з вузькою лінією випромінювання, перебудованого лазера 2 і системи отримання вузького резонансу (рис. 1). Вузька лінія випромінювання перебудованого лазера, к-рий використовується для отримання надвузьких резонансу, забезпечується за допомогою фазової синхронізації цього лазера зі стабільним.

Мал. 1. Схема оптичного стандарту частоти: ЧФАП - частотно-фазова автопідстроювання; СУР - система отримання надвузьких резонансу; АПЧ - система автоматичного підстроювання частоти; ЗГ - звуковий генератор; РГ - радіогенератор; Д - фото детектор.

Долговрем. стабільність перебудованого лазера досягається плавною налаштуванням його частоти на максимум надвузьких резонансу за допомогою екстремальної системи автопідстроювання. При цьому можливо одночасно отримувати високі значення кратковрем. і долговрем. Стабільність і відтворюваності частоти.
Стабільність частоти. Наїб. висока стабільність частоти отримана у ІК-діапазоні з Нє - Ne-лазером (= 3,39 мкм) з внутр. осередком поглинання. Т. к. Абс. частота його відома з високою точністю (10 -11), то цей лазер може бути використаний як самостійно. вторинний еталон частоти для вимірювання абс. частот в оптич. і ІК-дпапазонах. Ширина лінії випромінювання такого лазера становить 0,07 Гц (рис. 2). Стабільність частоти за часи усереднення = 1 - 100 с дорівнює 4 х 10 -15 (рис. 3).
Долговрем. стабільність і відтворюваність частоти Ні - Ne-лазерів з телескопич. розширенням пучка, стабілізованих по резонансам в СН4 на лініях поглинання F 2 + 2 і Е (див. вище) з добротністю

10 11. досягають

10 -14. Важливим чинником, що обмежує відтворюваність і точність частоти є квадратичний ефект Доплера.

Мал. 2. Спектр биття частот двох незалежно стабілізованих лазерів Чи не - Ne / CH4.

Практичний. цікаві О. с. ч. на основі СО2-лазера з зовн. поглинає осередком, заповненої парами 192 ОsО4. Спектральна лінія поглинання колебательно-вращат. переходу Р (40) смуги v3 молекули 192 ОsО4 збігається з лінією Р (14) переходу 001 - 10 ° СО 2-лазера (= 10,6 мкм) і не має надтонкої структури. Квадратичний ефект Доплера через велику масу цієї молекули малий. Стандарт CО2 / 192 OsO4 має стабільність 10 -13 за час 10 с і відтворюваність частоти 10 -12. Для стабілізації частоти СО2-лазера застосовується також т. Н. метод насиченою флуоресценції, гідністю догрого є можливість стабілізації на всіх лініях генерації СО2-лазера. Досягається стабільність частоти 10 -12 за час = 50 с.
У видимій області спектра використовуються Нє - Ne-лазери (= 0,633 мкм, 0,612 мкм), стабілізовані по резонансам насиченого поглинання парів 127 I2 і 129 I2 на компонентах надтонкою структури електронних переходів, к-які використовуються в якості оптич. стандарту довжини хвилі для метрологіч. вимірювань (див. Метр) і спектроскопіч. досліджень. Наїб. високі значення стабільності частоти О. с. ч. Чи не - Ne / 127 I2 і Нє - Ne / 129 I2 складають 1,9 х 10 -13 (= 270 с) і 2 х 10 -13 (= 100 с). Відтворюваність частоти цих лазерів досягає 8 х 10 -12 і 6 х 10 -13.

Мал. 3. Залежність стабільності частоти від часу усереднення

Стабілізація частоти потужних іонних лазерів становить інтерес для розвитку техніки перебудовуються лазерів на барвниках і лазерів на центрах забарвлення. Як оптич. репера використовуються вузькі резонанси насиченою флуоресценції в 127 I2 шириною

100 кГц. Досягнуто стабільність 5 г 10 -14 при = 100 с і відтворюваність частоти 1,5 х 10 -12.

Оптичні годинник. О. с. ч. забезпечений системою розподілу його частоти в радіодіапазон являє собою пристрій, що дозволяє визначати одиницю шкали часу - секунду - по числу періодів високостабільних оптич. коливань. Схема оптич. годин включає еталонний високостабільний стандарт Чи не - Ne / CH4. ланцюжок підібраних і синхронізованих по фазі лазерів ІЧ, субміліметрового діапазонів і генераторів СВЧ-діапазону, що забезпечують поділ оптпч. частоти в радіодпапазон з виходом на стандартні частоти 1 і 5 МГц. Последоват. фазовий захоплення частоти одного генератора до іншого (див. Загарбання частоти) дозволяє передавати високу стабільність частоти О. с. ч. в радіодіапазон без втрат. Як швидкодіючих нелінійних елементів для перетворення частот лазерів і генерації гармонік високого порядку застосовуються точкові діоди типу метал - окисел - метал (МОМ-діод) з постійною часу

10 -14 с. Поки система розподілу частоти Ні - Ne / CH4 стандарту є громіздкою. Необхідно її спрощення, щоби О. с. ч. стали конкурентоспроможними до стандартів радіодіапазоні.

Абсолютна вимір частот. Для вимірювання частот оптич. діапазону необхідно здійснювати множення відомої частоти стандарту радіодіапазону в 10 4 - 10 5 разів або поділ вимірюваної частоти лазера у таке ж число раз. Довгих. час абс. вимірювання частот лазерів проводилися поетапно. Спочатку визначалися частоти лазерів далекого ІК-діапазону порівнянням помноженого сигналу від СВЧ-стандарту з частотою лазера. Потім відома частота лазера знову множилася і порівнювалася з частотою нового лазера. Схема синтезу частоти на кожному етапі вимірювання виражається ф-лій де vi - синтезируемая частота, vi _1 - відома частота, fпр - вимірювана проміжна частота. При відомому коеф. множення частоти (п) визначається абс. значення vi. Створення оптич. шкали часу відкрило можливість вимірювання абс. частот лазерів з граничною точністю 10 -13 - 10 -14.
Наїб. точно виміряна частота лазера Чи не - Ne / CH4 (= 3,39 напівтемних). Цей лазер має високу відтворюваність частоти і займає зручне проміжне положення між субміліметрової та ІК-областю, з одного боку, і ближній ІЧ-областю і видимої - з іншої. Пор. значення частоти [обчислене Д. Найтом (D. Knight)] vCH4 = +88376181602,3 0,8 кГц.
Поліпшення характеристик О. с. ч. пов'язано з дальшим розвитком метода насиченого поглинання, а також методів, заснованих на застосуванні рознесених оптпч. полів, двухфотонная резонансів і резонансів поглинання захопленими в пастки частинками. У поєднанні з охолодженням частинок вони формують резонанси з добротністю

10 14 і дозволяють отримати стабільності і відтворюваність частоти на уровне10 16 (см. Нелінійна спектроскопія).