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 частоты10^–13, а в перспективе Оптические стандарты частоты10^–15 – 10^–16 (в диапазоне СВЧ — 10^–12); возможность создания в одном приборе эталонов частоты (т. е. времени) и длины (интерферометрические измерения длины волны).

Основным элементом О. с. ч. является Газовый лазер(2 нарис. 1), работающий в спец. режиме, который позволяет выделять из относительно широкой спектральной линии (см. Ширина спектральных линии (См. Ширина спектральных линий)) чрезвычайно узкие пики, фиксирующие положение вершины спектральной линии ν₀ (центральной частоты перехода). Спектральные линии газа в оптическом диапазоне из-за Доплера эффекта имеют тонкую структуру. Они состоят из смещённых линий однородной ширины, излучаемых отдельными атомами (рис. 2). В слабых световых полях эта структура не проявляется. В мощных же полях происходит избирательное поглощение энергии частицами, обладающими определённой скоростью, в результате чего в контуре спектральной линии «выжигаются» узкие провалы (минимумы мощности излучения) с шириной Г, равной однородной ширине линии (рис. 3). Т. к. в резонаторе лазера распространяются 2 волны, бегущие навстречу друг другу, то каждая из них резонансно поглощается «своей» группой атомов, отличающихся.знаком проекции скорости на ось резонатора: ±k, где k=с (ν— ν₀)/ν₀. Поэтому в спектральной линии выжигаются 2 провала. Только если генерация лазера возбуждается на частоте резонатора, соответствующей вершине спектральной линии ν₀, обе бегущие волны поглощаются одними и теми же частицами и 2 провала сливаются в 1 (рис. 4).

Этот эффект, обнаруженный в 1962—63 американскими учёными У. Ю. Лэмбом и У. Р. Беннеттом, дал возможность принять в качестве репера частоты частоту генерации лазера, «привязанную» к частоте ν₀ квантового перехода не по доплеровской ширине (2 нарис. 2), а по однородной ширине Г линии, что даёт точность Оптические стандарты частоты10^–10 – 10^–11. Однако эта точность не была бы достигнута, если бы не был ослаблен эффект смещения (сдвиг) спектральной линии, обусловленный соударениями частиц газа между собой, что возможно при уменьшении давления. Для этого в резонатор лазера вводится ячейка с поглощающим газом (3 нарис. 1). Если при изменении частоты генерации в центре спектральной линии излучения появляется минимум мощности (рис. 4), то в центре линии поглощения этот же эффект приводит к максимуму мощности той же однородной ширины Г (рис. 5, а). Благодаря низкому давлению в поглощающей ячейке (10^–3 мм рт.ст., или 0,13 н/м²)эта частота стабильна. Осуществленный О. с. ч. с гелий-неоновой усиливающей и метановой поглощающей ячейками (λ= 3,39 мкм) имеет γ= 300–500 кгци относительную стабильность частоты Оптические стандарты частоты10^–13, что означает поддержание частоты Оптические стандарты частоты10¹⁴ гцс точностью до 10 гц.

Дальнейший прогресс в развитии О. с. ч. связан с возможностью выделения ещё более узких линий, фиксирующих частоту квантовых переходов на несколько порядков уже однородной ширины Г спектральной линии. Это осуществляется в лазере с кольцевым резонатором, работающем как в одноволновом, так и в двухволновом режимах (рис. 6). При этом мощность излучения лазера из-за эффектов спектрального «выгорания» линии, пространственного выгорания среды и фазового взаимодействия на частотах, близких к центральной частоте перехода, перераспределяется между волнами разных типов. Это приводит к возникновению узких резонансных пиков, которые могут быть на несколько порядков более узкими и более резкими, чем в случае пиков мощности линейного лазера. Воспроизводимость частоты кольцевых лазеров с метановой поглощающей ячейкой такая же, как и в случае линейных лазеров. Существуют и др. методы стабилизации частоты лазеров.

Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Басов Н. Г., Беленов Э. М., Сверхузкие спектральные линии и квантовые стандарты частоты, «Природа», 1972, № 12.

Э. М. Беленов.

Рис. 1. Схема оптического стандарта частоты с гелий-неоновым лазером и поглощающей ячейкой: 1 — зеркала оптического резонатора; 2 — ячейка лазера с активным газом; 3 — ячейка с поглощающим газом; 4 — приёмник излучения; 5 — система обратной связи.

Рис. 2. Структура спектральной линии газа в оптическом диапазоне: 1 — линии однородной ширины Г, излучаемые отдельными атомами и смещённые из-за эффекта Доплера; 2 — контур спектральной линии газа; 3 — резонансная кривая резонатора; ν⁰ — собственная частота резонатора; ν⁰ — частота, соответствующая вершине спектральной линии.

Рис. 3. «Выжигание провалов» в контуре спектральной линии.

Рис. 4. Слияние двух провалов в один.

Рис. 5. а. Появление минимума мощности в центре линии излучения сопровождается появлением максимума мощности в центре линии поглощения. б. Осциллограмма интенсивности бегущих волн гелий-неонового лазера с поглощающей метановой ячейкой в зависимости от частоты генерации; на центральной частоте спектральной линии метана у обеих волн возникают пики мощности.

Рис. 6. Схема оптического стандарта частоты, основанного на лазере с кольцевым резонатором.

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

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.

опти́ческие станда́рты частоты́

квантовые стандарты частоты, в которых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени.

* * *

ОПТИ́ЧЕСКИЕ СТАНДА́РТЫ ЧАСТОТЫ́, квантовые стандарты частоты(см. КВАНТОВЫЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ), в которых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени.

квантовые стандарты частоты, в к-рых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени.