5.3 Квантовые стандарты частоты в оптическом диапазоне

В настоящее время единицы частоты (1 Гц) и времени (1 с), используемые в измерительной технике, навигации и метрологической службе, определены через период колебаний излучения при квантовых переходах в СВЧ диапазоне атомов водорода в водородном мазере (см., Раздел 2.1) и цезия в цезиевой АЛТ, а единица длины (1 м) может быть определена через длину волны квантового перехода He-Ne лазера (описанного в [3]).

Эти величины воспроизводятся с помощью квантовых эталонов (стандартов) частоты (КСЧ)–устройств для получения электромагнитных колебаний со стабильной во времени частотой. Среднеквадратичное относительное отклонение частоты (относительная нестабильность) и относительная погрешность воспроизведения действительного значения частоты (воспроизводимость) у КСЧ достигает 10^-14.

Создание КСЧ оптического диапазона сводится к стабилизации частоты генерации лазеров, что решает и задачи создания оптического стандарта единицы длины, а также построенного на его основе стандарта единицы массы.

Методы стабилизации частоты лазера направлены на уменьшение ширины линии излучения лазера и уменьшение спектрального дрейфа линии излучения за продолжительное время. В пассивных методах стабилизация осуществляется стабилизацией расстояния между зеркалами ООР (см., [2]), сводящей к минимуму тепловые, механические, акустические и др. возмущения. В системах активной стабилизации частоты одночастотного лазера используется тот или иной частотный репер: провал Лэмба (см., [2]) либо обращённый провал Лэмба (рисунок 11), к которому с помощью электронной системы АПЧ ”привязывается” мода резонатора и частота генерации лазера.

Действительно, поскольку ширина лэмбовского провала (~2Δν_одн) обычно много меньше доплеровской ширины контура усиления перехода (см., [2] и рисунок 11,а), положение «дна» лэмбовского провала ν₀ (и λ₀) определяется только квантовым переходом и фиксируется с очень высокой степенью точности. Если одно из зеркал резонатора укреплено на пьезоэлектрическом преобразователе таким образом, что длина резонатора может монотонно изменяться при приложении к преобразователю электрического напряжения, то с помощью соответствующего электронного устройства обратной связи частоту настройки резонатора лазера можно стабилизировать и поддерживать равной частоте ν₀ (и λ₀). В He-Ne-лазере применение такого метода позволило получить стабильность и воспроизводимость частоты генерации порядка 10^–9.

Еще большую точность обеспечивает метод стабилизации, основанный на так называемом “обращённом провале Лэмба”. Он состоит в том, что внутрь резо-

Рисунок 11 – Кривые насыщенного усиления в лазерах: провал Лэмба (а), обращенный провал Лэмба с поглощающей ячейкой II в резонаторе (б). α^I – усиление в усиливающей ячейке I, κ^II – поглощение в ячейке II, α^I–II – суммарное действиедвух ячеек.

натора лазера помещают поглощающую ячейку II со стабильной по частоте линией поглощения (рисунок 11,б). При этом в этой ячейке при насыщении (т. е. во время генерации лазера) происходит выравнивание населённостей верхнего и нижнего уровней поглощающего перехода, и на центральной частоте этого поглощающего перехода должен иметь место провал в контуре поглощения κ(ν), или “пичок” (локальный максимум) в зависимости [– κ(ν)], с шириной этого пичка на полувысоте, равной Δν_одн в ячейке II. Этот пичок и называется обращённым провалом Лэмба. Подстраивая частоту выходного излучения с помощью дискриминатора и АПЧ таким образом, чтобы она совпадала с частотой ν₀ этого максимума, добиваются более высоких значений стабильности и воспроизводимости частоты лазера (10^–12…10^–13), чем в случае с провалом Лэмба. Желательно, чтобы поглощающая ячейка была бы “бестоковой” и с низким давлением газа, что обеспечивает минимальную ширину контура поглощения. В He-Ne лазере в случае генерации с длиной волны λ3,39 мкм в качестве газа-поглотителя используют метан СН₄, а в случае λ632,8 нм–пары йода [8] с поглощающим электронным переходом в молекулярном спектре (₁₂₉I)₂. Как указано в [3], по линиям поглощения молекулярного йода могут быть застабилизированы и некоторые лазеры, излучающие в сине-зелёной области спектра.

Оптический стандарт единицы длины строится на двух главных элементах: стабилизированном одночастотном лазере (длина волны λ_опорн ) и многолучевом интерферометре, например,–интерферометре Фабри-Перо. При этом определяется расстояние между зеркалами интерферометра Н, и порядок интерференции m из условия максимального пропускания интерферометра:

, или . (9)

Из (9) видно, что изменение порядка интерференции на единицу, например, от m до (m+1), соответствует изменению nН на ½·λ_опорн=½·λ_опорн. Таким способом любой отрезок длины может быть измерен в длинах волн эталонного излучения λ_опорн.