оптические стандарты частоты

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ - лазеры со стабильной во времени частотой излучения (10^-14 - 10^-15), её воспроизводимостью (10^-13 - 10^-14). О. с. ч. применяются в 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, основанной на использовании периода оптич. колебаний.
О. с. ч. обладают преимуществами по сравнению с квантовыми стандартами частоты СВЧ-диапазона: эксперименты, связанные с измерением частоты при использовании лазеров, требуют меньшего времени, т. к. абс. частота в 10⁴ - 10⁵ раз превышает нелазерные стандарты частоты. Абс. интенсивность и ширина резонансов, являющихся реперами частоты, в оптич. диапазоне в 10⁵ - 10⁶ раз больше, чем в СВЧ-диапазоне, при одной и той же относит. ширине. Это позволяет создавать О. с. ч. с более высокой кратковрем. стабильностью частоты. При делении частоты О. с. ч. до радиодиапазона относит. ширина линии излучения практически не меняется (если используется СВЧ стандарт, флуктуац. спектр его сигнала существенно расширяется при умножении частоты в 10⁵ - 10⁶ раз). Роль квадратичного Доплера эффекта ,ограничивающего долговрем. стабильность и воспроизводимость частоты, одинакова.

Принцип стабилизации. Стабилизация частоты лазера, как и стандартов радио диапазона, основана на использовании спектральных линий атомного или молекулярного газа (оптич. реперы), к центру к-рых "привязывается" частота v с помощью электронной системы автоматич. подстройки частоты. Т. к. линии усиления лазеров обычно значительно превосходят ширину 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 показателя преломления газоразрядной плазмы. С помощью оптич. репера система автоподстройки вырабатывает сигнал, пропорц. величине и знаку расстройки между частотой v и частотой v₀ центра спектральной линии, 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 и высокой 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 позволяет использовать системы автоматич. подстройки частоты с широкой полосой (10⁴ Гц) для эфф. подавления быстрых флуктуации длины резонатора.
Для достижения высокой долговрем. стабильности и воспроизводимости частоты необходимы оптич. линии высокой добротности, т. к. при этом уменьшается влияние разл. факторов на сдвиги частоты центра линии.

Оптические реперы. Используемые в СВЧ-диапазоне методы получения узких спектральных линий оказались не применимыми в оптич. области спектра (доплеровское уширение мало в СВЧ-диапазоне). Для О. с. ч. важны методы, к-рые позволяют получать резонансы в центре спектральной линии. Это даёт возможность непосредственно связать частоту излучения с частотой квантового перехода. Перспективны три метода: метод насыщенного поглощения, двухфотонного резонанса и метод разнесённых оптич. полей. Осн. результаты по стабилизации частоты лазеров получены с помощью метода насыщенного поглощения, к-рый основан на нелинейном взаимодействии встречных световых волн с газом. Нелинейно поглощающая ячейка с газом низкого давления может находиться внутри резонатора лазера (активный репер) и вне его (пассивный репер). Из-за эффекта насыщения (выравнивание населённостей уровней частиц газа в сильном поле) в центре доплеровски-уширенной линии поглощения возникает провал с однородной шириной, к-рая может быть в 10⁵ - 10⁶ раз меньше доплеровской ширины. В случае внутренней поглощающей ячейки уменьшение поглощения в центре линии приводит к появлению узкого пика на контуре зависимости мощности от частоты генерации. Ширина нелинейного резонанса в молекулярном газе низкого давления определяется прежде всего столкновениями и эффектами, обусловленными конечным временем пролёта частицы через световой пучок. Уменьшение ширины резонанса сопровождается резким падением его интенсивности (пропорц. кубу давления).
Наиб. узкие резонансы насыщенного поглощения с относит, шириной10^-11 получены в СН₄ на компонентахи Е колебательно-вращат. линии Р (7) полосы v₃ (см. Молекулярные спектры ),к-рые близки к центру линии усиления гелий-неонового лазера на= 3,39 мкм. Для точного совмещения линий усиления и поглощения используют ²²Ne и увеличивают давление Не в активной среде лазера либо помещают активную среду в магн. поле (для Е-компоненты).
Схема О. с. ч., использующего сверхузкий резонанс (с относит. шириной 10^-11 - 10^-12) в качестве репера, состоит из вспомогательного стабильного по частоте лазера 2 с узкой линией излучения, перестраиваемого лазера 2 и системы получения узкого резонанса (рис. 1). Узкая линия излучения перестраиваемого лазера, к-рый используется для получения сверхузкого резонанса, обеспечивается посредством фазовой синхронизации этого лазера со стабильным.

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

Долговрем. стабильность перестраиваемого лазера достигается плавной настройкой его частоты на максимум сверхузкого резонанса с помощью экстремальной системы автоподстройки. При этом возможно одновременно получать высокие значения кратковрем. и долговрем. стабильностей и воспроизводимости частоты.
Стабильность частоты. Наиб. высокая стабильность частоты получена в ИК-диапазоне с Не - Ne-лазером ( = 3,39 мкм) с внутр. ячейкой поглощения. Т. к. абс. частота его известна с высокой точностью (10^-11), то этот лазер может быть использован как 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 воспроизводимость частоты Не - Ne-лазеров с телескопич. расширением пучка, стабилизированных по резонансам в СН₄ на линиях поглощения F²₂и 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 независимо стабилизированных лазеров Не - Ne/CH₄.

Практич. интерес представляют О. с. ч. на основе СО₂-лазера с внеш. поглощающей ячейкой, заполненной парами ¹⁹²ОsО₄. Спектральная линия поглощения колебательно-вращат. перехода Р(40) полосы v₃ молекулы ¹⁹²ОsО₄ совпадает с линией Р (14) перехода 001 - 10° СО₂-лазера ( = 10,6 мкм) и не имеет сверхтонкой структуры. Квадратичный эффект Доплера из-за большой массы этой молекулы мал. Стандарт CО₂/¹⁹²OsO₄ имеет стабильность 10^-13 за время 10 с и воспроизводимость частоты 10^-12. Для стабилизации частоты СО₂-лазера применяется также т. н. метод насыщенной флуоресценции, достоинством к-рого является возможность стабилизации на всех линиях генерации СО₂-лазера. Достигается стабильность частоты 10^-12 за время= 50 с.
В видимой области спектра используются Не - Ne-лазеры (= 0,633 мкм, 0,612 мкм), стабилизированные по резонансам насыщенного поглощения паров ¹²⁷I₂ и ¹²⁹I₂ на компонентах сверхтонкой структуры электронных переходов, к-рые используются в качестве оптич. стандарта длины волны для метрологич. измерений (см. Метр)и спектроскопич. исследований. Наиб. высокие значения стабильности частоты О. 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 частоты от времени усреднения

Стабилизация частоты мощных ионных лазеров представляет интерес для развития техники перестраиваемых лазеров на красителях и лазеров на центрах окраски. В качестве оптич. репера используются 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., снабжённый системой деления его частоты в радиодиапазон, представляет собой устройство, позволяющее определять единицу шкалы времени - секунду - по числу периодов высокостабильных оптич. колебаний. Схема оптич. часов включает эталонный высокостабильный стандарт Не - Ne/CH₄, цепочку подобранных и синхронизованных по фазе лазеров ИК-, субмиллиметрового диапазонов и генераторов СВЧ-диапазона, обеспечивающих деление оптпч. частоты в радиодпапазон с выходом на стандартные частоты 1 и 5 МГц. Последоват. фазовый захват частоты одного генератора к другому (см. Захватывание частоты)позволяет передавать высокую стабильность частоты О. с. ч. в радиодиапазон без потерь. В качестве быстродействующих нелинейных элементов для преобразования частот лазеров и генерации гармоник высокого порядка применяются точечные диоды типа металл - окисел - металл (МОМ-диод) с постоянной времени ~10^-14 с. Пока система деления частоты Не - Ne/CH₄ стандарта является громоздкой. Необходимо её упрощение, чтобы О. с. ч. стали конкурентоспособными со стандартами радиодиапазона.

Абсолютное измерение частот. Для измерения частот оптич. диапазона необходимо осуществлять умножение известной частоты стандарта радиодиапазона в 10⁴ - 10⁵ раз или деление измеряемой частоты лазера в такое же число раз. Длит. время абс. измерения частот лазеров проводились поэтапно. Сначала определялись частоты лазеров дальнего ИК-диапазона сравнением умноженного сигнала от СВЧ-стандарта с частотой лазера. Затем известная частота лазера снова умножалась и сравнивалась с частотой нового лазера. Схема синтеза частоты на каждом этапе 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. частот лазеров с предельной точностью 10^-13 - 10^-14.
Наиб. точно измерена частота лазера Не - Ne/CH₄ (=3,39 мкм). Этот лазер имеет высокую воспроизводимость частоты и занимает удобное промежуточное положение между субмиллиметровой и ИК-областью, с одной стороны, и ближней ИК-областью и видимой - с другой. Ср. значение частоты [вычисленное Д. Найтом (D. Knight)] v_CH4 = 88376181602,3 0,8 кГц.
Улучшение характеристик О. с. ч. связано с дальнейшим развитием метода насыщенного поглощения, а также методов, основанных на применении разнесённых оптпч. полей, двухфотонных резонансов и резо-нансов поглощения захваченными в ловушки частицами. В сочетании с охлаждением частиц они формируют резонансы с добротностью ~10¹⁴ и позволяют получить стабильность и воспроизводимость частоты на уровне10¹⁶ (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 260 THz (1.15mм) ²⁰Ne Laser 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 Symposium on Freq. Standarts and Metrology, Aussois, France, 12 - 15 Oct. 1981, "J. Phys.", 1981, v. 42, Colloq. С 8, № 12; Багаев С. Н., Чеботаев В. П., Лазерные стандарты частоты, "УФН", 1986, т. 148, с. 143; Knight D. J. E., A tabulation of absolute laser - frequence measurements, "Metrologia", 1986, v 22, p. 251.

В. П. Чеботаев.