5. Стандарты частоты с оптической накачкой

Они появились в результате развития эффективного метода радиоспектроскопии, наз. методом двойного резо- нанса. Этот метод, разработанный А. Кастлером и И. Бросселом в 1949 г., основан на одновременном использовании двух квантовых переходов между энергетич. состояниями атома. Существенно, что частоты переходов сильно различаются — частота одного из

них лежит в онтич. области, а частота другого — в радиодиапазоне.

а~ в ш НИИ,о -

с частотой

ел

о

N

И:

$2

е.

Рис. 16, Р а спр сд ел ен и е числа частиц N по уров-ним энергии (длина гори-

v

""'"в Тавновесном состой ----- при действии ин­тенсивного света накачки

&г — €₂

/г

В методе двойного резонанса используются 3 уровня энергии и 2 перехода, связанные между собой таким образом, что воздействие внешнего электромагнитного излучения на один из них изменяет разность населенное/гей между уровнями другого (рис. 16). Воздей­ствуя на частицы, имеющие энергетич. уровни, изображенные на рис. 10 а. достаточно интенсивным светом, частота к-рого соответ­ствует переходу б'., —► Оц< можно привести систему в такое состоя­ние, при к-ром число частиц с энергиями #₂ и выравнивается (рис. 16, б). Такое состояние наз. насыщением. Процесс перевода частиц с нижнею уровня на верхний иод действием света получил название оптической накачки. В результате оптич. накачки число актов поглощения и актов вынужденного испускания станет оди­наковым, а значит поглощение света через пек-рое время прибли­зится к нулю. Вещество перестает поглощать свет, т. к. оно стано­вится прозрачным (см. Насыщения эффект).

Если теперь подействовать на систему радиоволнами, частота

к-рых v = (#₂ — fii)/h, то,

поглощая

радиоволны,

частицы будут

переходить с нижнего уровня 0 _х на уровень е₂ и населенность уров

ш Ш.

">'ft-::v ■'■"?;.V.

1_

ня ©₂ увеличится. Благодаря этому вновь возникнет разность наел леиностен уровней $* и #_ч, что приведет к увеличению поглощения света, т. е. уменьшению прозрачности.

Т. о., поглощение радиоволн влияет на оптич. прозрачность вещества. Следовательно, по изменению прозрачности можно судить об интенсивности поглощения радиоволн. При этом важно, что по­глощение света, т. е. прозрачность, оказывается пропорциональной числу частиц, переходящих под действием радиоволн из состояния 01 в состояние #₂. Если плавно менять частоту v радиоволн, то это число резко возрастет в момент резонанса, когда выполняется усло­вие hv - ё\- ё\. При этом кривая, изображающая зависимость оптич. прозрачности от частоты радиоволн, соответствует форме исследуемой спектральной линии.

Наблюдение спектральной линии, расположенной в радиодиа­пазоне, по изменению поглощения света обеспечивает высокую чувствительность прибора. Ведь обнаружение факта поглощения фотона радиоволн осуществляется посредством индикации погло­щения оптич. фотона^ гораздо большей энергии. Чувствительность метода тем больше, чем больше отношение энергий фотонов обоих диапазонов, т. е. чем больше отношение частот. Поэтому в более низкочастотном диапазоне радиоволн чувствительность метода

больше.

Применение указанного метода позволило создать леек, типов К. с. ч. с оптич. накачкой, отличающихся от др. К. с. ч. малыми габаритами и весом, небольшим энергопотреблением, хорошей виб­роустойчивостью и простотой эксплуатации. Первыми были разра­ботаны стандарты с оптич. накачкой и оптич. индикацией радио­частотной линии, работающие на парах Rb, Cs и Na. Елавными частями такого прибора являются: колба с парами рабочего веще­ства 4, источник света 1, источник радиоволн 7, приемник света 5, веномога те л ь н ы е радиосхемы и источники питания (рис. 17).

Источник света должен давать столь интенсивное и мояохрома-тич. излучение, чтобы оно обеспечивало переход атомов с уровня

<rf₂ на уровень &.₆ (рис. 16) и не вызывало переходов атомов с уровня (о_г на е5%. Обычно применяются лампы, в к-рых светятся пары того

же элемента, спектральные линии применяются для получе-

ния сигнала стабильной частоты. В лампе создаются условия, при к-рых ее свечение сосредоточено в узких спектральных линиях. Эти линии совпадают со спектральными линиями поглощения вещества, находящегося в колбе. Свет от лампы 1 проходит через специальный узкополосный фильтр, подавляющий линию, соответствующую

переходу ё\ - и пропускающий линию, соответствующую пе­риоду ё°₂ - ё°₃- Свет, прошедший через фильтр 3, частично погло­щается парами" находящимися в рабочей колбе 4, к-рую наз. также поглощающей ячейкой. Для возбуждения переходов между уровнями $_х и 0₂^СЛУ^ЖИТ генератор СВЧ 7. Прошедший свет

попадает на устройство, регистрирующее свет, на

мент 5.

Условия наблюдения спектральных линий в системах с оптич. накачкой в нек-рой степени похожи на условия в водородном гене­раторе. И в том, и в др, случае атомы обладают магнитным моментом и наблюдаемая спектральная линия является результатом перехода между магнитными подуровнями, т. е. переориентации магнитных моментов атомов. И в том, и в др. случае рабочее вещество состоит

из атомов, хаотически движущихся внутри колбы. Однако в случае

щелочных атомов применение защитных покрытий для подавления эффекта Доплера связано с большими трудностями из-за того, что электронные оболочки этих атомов сложнее, чем электронная оболочка атома водорода.

Однако и здесь удается в существенной мере подавить влияние эффекта Доплера. Для этого в колбу, наряду с атомами щелочного элемента, помещается небольшое количество инертного газа. Ока­зывается, что щелочные атомы менее чувствительны к столкнове­ниям с атомами инертных газов, чем к столкновениям со стенками колбы. Их нечувствительность к столкновениям с атомами инерт­ных газов объясняется тем, что магнитные поля, образуемые запол­ненными электронными оболочками атомов инертных газов, чрез­вычайно слабы. Магнитные моменты всех электронов скомпенсиро­ваны, а магнитный момент ядра и диамагнитный эффект электрон­ной оболочки (см. Диамагнетизм) очень малы. Такое слабое поле не может существенно влиять на энергию магнитных подуровней атомов щелочного металла, между к-рыми происходит переход.

Давление инертного газа выбирают таким, чтобы на один

атом щелочного элемента приходилось около миллиона атомов инертного газа (примерно 0,1 мм рт. ст.). В этих условиях атомы щелочного элемента не могут свободно летать по всей колбе. Они постоянно наталкиваются на атомы инертного газа, направление их движения хаотически меняется так, что они как бы мечутся из стороны в сторону, но лишь медленно изменяют свое положение в сосуде. Процесс подавления эффекта Доплера при этом происхо­дит так же, как в водородном генераторе. Аналогична и форма обра­зующейся спектральной линии. Ширина спектральной линии, по­лучаемой при введении инертного газа в поглощающую ячейку, при оптимальных условиях составляет всего неск. дес. гц.

Однако идеализированная картина, рассмотренная выше, не вполне соответствует действительности. Столкновения атомов ще­лочных элементов с атомами инертных газов, приводящие к подав­

лению доплеровского уши рения спектральных линии, не проходят совершенно бесследно. Они все же, хотя и не очень сильно, возму­щают магнитные уровни атомов и немного смещают положение вершины суженной спектральной линии по сравнению с вершиной исходной линии. Это приводит к систематич. погрешности в значе­нии частоты, определяемой этой линией. К счастью, сдвиг, вызывае­мый легкими инертными газами (напр., Не и Ne) и тяжелыми (напр., Кг и Хе), имеет противоположный знак. Поэтому, применяя смеси этих газов, можно сделать результирующий сдвиг близким к нулю. При этом, однако, необходимо с большой точностью поддерживать

темп-ру поглощающей ячейки.

Исследования показали, что частота, фиксируемая рассматри­ваемым устройством, зависит от изменений спектрального состава и от интенсивности света накачки. Это вызывает необходимость ав-томатич. регулирования режима работы спектральной лампы. Влияние внешних магнитных полей также обусловливает смещение вершины линии. Исследование этого вопроса привело к созданию квантовых магнитометров, позволяющих измерять слабые магнит­ные поля с большой точностью. В стандартах же частоты для защиты от внешних магнитных полей поглощающая ячейка и спектральная лампа помещаются в общий магнитный экран.

Стандарты частоты с оптич. накачкой и оптич. индикацией, так же как и атомнолучевые стандарты частоты, являются пассивными стандартами, в к-рых наблюдаемая спектральная линия служит для управления частотой кварцевого генератора. В 1965 г. при помощи оптич. накачки удалось создать и активный стандарт частоты — квантовый генератор. Если источник света дает излучение, частота к-рого соответствует переходу из состояния S°i в состояние ё°з (а не из состояния (о₂, как в пассивном стандарте, рис. 16), то при достаточной интенсивности света можно настолько опустошить состояние что его населенность станет меньше населенности состояния #₂. Так, при помощи оптич. накачки достигается инверсия юаселенности уровней, к-рая в описанных выше квантовых генера­торах получалась пространственной сортировкой молекулярных

или атомных пучков. О получении инверсии населенности методом накачки см. также ст. Квантовый усилитель, Квантовая электро­ника, Лазер.

Мощность квантового генератора, в к-ром работают пары Rb, значительно превосходит мощность молекулярного генератора на аммиаке и тем более мощность водородного генератора. Это обес­печивает рекордную монохроматичность его колебаний, что яв­ляется основным преимуществом нового прибора. По точности, однако, он близок к пассивному стандарту частоты с оптич. на­качкой, т. е. не может соперничать с др. К. с. ч.