Зайцев С.В.

СТАНОВЛЕНИЕ ОПТИЧЕСКОГО СТАНДАРТА ЧАСТОТЫ
КАК ЭТАЛОНА ВРЕМЯ ЧАСТОТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
С.В. Зайцев
ООО «ВИС-Плюс», Тольятти, Россия
ESTABLISHMENT OF THE OPTICAL STANDARD OF
REQUENCY AS STANDARD TIME FREQUENCY OF
MEASUREMENTS
S.V. Zaicev
OOO«VIS-Plus», Togliatty, Russia
С развитием квантовой радиофизики достигнут значительный прогресс в
точности измерения одной из наиболее фундаментальных физических
величин - временного интервала. Точность измерения времени возросла от
10-8 до 10-12. Этот успех был достигнут благодаря использованию атомных
резонансов для стабилизации частоты когерентных электромагнитных
колебаний кварцевых генераторов (квантовые стандарты частоты). Созданы
и находят применение как активные стандарты частоты, в которых
микроволновое
когерентное
излучение
генерируется
за
счет
индуцированного испускания молекул или атомов, так и пассивные
стандарты частоты, в которых частота микроволновых генераторов
стабилизируется по линии поглощения атомов. Наибольшее развитие
получили: квантовый генератор на пучке атомов водорода (стабильность
порядка 10-12), генератор на пучке молекул аммиака (стабильность порядка
10-11), генератор, стабилизируемый рубидиевой газовой ячейкой
(стабильность порядка 10-11), и генератор, стабилизируемый по линии
поглощения пучка атомов цезия в резонаторе (стабильность порядка 10-11).
Некоторые стандарты имеют высокую относительную стабильность частоты,
когда положение частоты генерации относительно вершины спектральной
линии неизвестно, но сохраняется постоянным с высокой точностью для
данного образца стандарта (например, рубидиевый стандарт). Однако
существуют стандарты с высокой абсолютной стабильностью частоты, когда
частота генерации совпадает или может настраиваться на «вершину»
спектральной линии с высокой точностью (например, цезиевый и
водородный стандарты).
С появлением методов генерации когерентного излучения в видимом и
инфракрасном диапазонах появилась принципиальная возможность
разработки оптических стандартов частоты в диапазоне 1013 – 1015 Гц.
Очевидно, даже получение стабильности частоты, уже достигнутой в
микроволновом диапазоне, для генераторов оптического диапазона
существенно расширит область их физических применений. Существенной
особенностью стандартов частоты оптического диапазона является
значительное уменьшение времени измерения частоты с заданной точностью,
поскольку точность измерения частоты за конечный промежуток времени
обратно пропорциональна частоте. Поэтому при частоте колебаний 1014Гц
измерение с точностью 10-14 может быть выполнено за время порядка
секунды, а на частоте водородного мазера (ν = 1420, 405 МГц) для этого
потребовалось бы время порядка суток.
Оптические
стандарты частоты (ОСЧ) обладают
важными
преимуществами перед стабильными по частоте генераторами микроволнового диапазона:
1.
С помощью оптического стандарта частота измеряется с высокой
точностью за интервалы времени, в 104—105 раз меньшие, чем при
использовании генераторов микроволнового диапазона. Это особенно важно
для экспериментов, где требуется измерить физические величины (например,
малые смещения) с точностью 10-14 – 10-15.
2.
Абсолютная интенсивность резонансов, которые являются
реперами для стабилизации частоты, в 105 - 106 раз больше в оптическом
диапазоне, чем в микроволновом, при одной и той же их относительной
ширине.
3.
При делении частоты оптического стандарта относительный
спектр сигнала практически не меняется. В случае, когда используется
стандарт радиодиапазона, флуктуационный спектр его сигнала существенно
расширяется при умножении частоты в 105 - 107 раз.
Исследования ОСЧ можно разделить на несколько этапов.
Первый этап (50-е годы прошлого века) связан с достижениями
микроволновой квантовой электроники в области создания квантовых
стандартов частоты. В эти годы была введена атомная шкала времени.
Период колебаний цезиевого стандарта (частота которого привязана к центру
перехода сверхтонкой структуры атома цезия), равный 1/9 192 631 770.0 с
был принят в качестве эталона времени.
Следующий этап (60-е гг.) включает в себя первые работы по
использованию лазеров. В них была продемонстрирована высокая
монохроматичность излучения лазеров. В это время стабилизация частоты
осуществлялась главным образом по максимуму доплеровского контура
линии усиления и лэмбовскому провалу в спектре излучения. Достигнутая
относительная стабильность частоты лежала в пределах 10-8 - 10-9.
Прогресс в области создания лазеров с высокой стабильностью частоты
излучения произошел в 70-е гг. Он связан с применением метода насыщенного поглощения, позволившего получить в зависимости мощности излучения
лазера от частоты интенсивные резонансы с относительной шириной до 10 -10
– 10-11. Были созданы лазеры с относительными стабильностью и
воспроизводимостью частоты ~ 10-13.
В 80-е и 90-е гг. происходило дальнейшее развитие метода
насыщенного поглощения и разработка новых методов получения
узких нелинейных резонансов (шириной 10 - 100 Гц) за счет
увеличения времени взаимодействия частиц с полем: методов
разнесенных оптических полей, двухфотонного поглощения без
доплеровского уширения, резонансов поглощения атомов и ионов,
захваченных в ловушки. Использование этих методов привело к
повышению стабильности и воспроизводимости частоты лазеров
соответственно до ~ 10-15 и ~10-14.
Выполнены абсолютные измерения частот излучения лазеров
путем деления (в 104 - 105 раз) оптической частоты до радиодиапазона
с последующим сравнением ее с эталонной частотой микроволнового
стандарта. Были измерены частоты линий 337 мкм и 311 мкм C2N2-газового
лазера непрерывного действия путем смешения этих линий с 12-й и 13-й
гармониками клистрона, имевшего частоту 75 ГГц. Точность измерения
составляла несколько частей от 107. Найденные частоты генерации равны:
ν1 = 890,7595 ГГц, ν2 = 964,3123 ГГц.
Измерение частот линий 190 мкм и 194 мкм D2O- и C2N2 – лазеров
осуществлялось путем смешения с 22-й и 23-й гармониками 10 ГГц
клистрона. Найденные частоты генерации равны:
ν1= 1578,279 ГГц и ν2 = 1539,756 ГГц.
Ошибка измерения составляла 1,5 МГц и определялась стабильностью
центра лазерных линий. Эти эксперименты являются первым этапом на пути
дальнейшего измерения частот субмиллиметрового, инфракрасного и
оптического диапазонов. Продвинуться в измерении частоты дальше в
коротковолновую область можно путем преобразования частоты колебаний
субмиллиметрового диапазона до частот оптического диапазона
(последовательное когерентное умножение частоты) или путем
преобразования частоты световых колебаний до субмиллиметрового
диапазона (последовательное когерентное деление частоты).
При анализе 880 лазерных переходов было подобрано всего 11 пар длин
волн λ1 и λ2, совпадающих с точностью до ± 1 Å. Найденные пары переходов
приведены в таблице 1. Вероятность совпадения оказалась равной примерно
10-2. Следовательно, вероятность подобрать цепочку из 5 последовательных
пар составляет 10-10
Таблица 1.
Пары лазерных переходов на кратных частотах
(точность совпадения волн Δλ=±Å)
Основная частота
газ
Å
Вторая гармоника
газ
Å
Ксенон
Хлор
»
Йод
Окись углерода
То же
Азот
»
Неон
Криптон
Йод
4954,10
6094,74
6094,74
6127,0
6611,5
6613,5
8886,5
10449,3
11180,6
21165,0
32360,0
Ксенон
Аргон
Кислород
»
Ксенон
»
Криптон
Ртуть
Окись углерода
Ртуть
Аргон
2477,18
3047,0
3047,15
3063,46
3305,92
3306,4
4443,28
5225,0
5590,6
10583,0
16180,0
Проще выполнить условие совпадения кратных частот в
полупроводниковых активных средах. Ширины линий усиления
полупроводников весьма велики (порядка kТ), а положение линии усиления
перестраивается
в
широких
пределах
с
помощью
тройных
полупроводниковых соединений, давления и магнитного поля. Для
иллюстрации
на
рис.1
показаны
области
частот
генерации
полупроводниковых инжекционных лазеров по данным на конец 1967 г [4].
Как видно, полупроводники перекрывают почти весь оптический диапазон от
инфракрасной области до видимой.
Процесс деления частоты происходит практически без потери
точности. Это позволило создать оптические часы - прибор, в котором
в качестве шкалы времени используется период оптических
колебаний высокостабильного лазера.
Принципиальная схема современного ОСЧ, использующего сверхузкий
резонанс в качестве частотного репера, показана на рис.2[2]. Он включает
стабильный по частоте лазер 1 с узкой линией излучения, перестраиваемый
лазер 2 и систему получения сверхузкого резонанса (СУР). Частота лазера 2 с
помощью системы фазовой автоподстройки (ФАП) синхронизуется с
частотой стабильного лазера 1 со сдвигом по частоте, определяемым
частотой ωРГ радиогенератора. Ширина линии излучения перестраиваемого
лазера в этом случае становится равной ширине линии излучения лазера 1.
Излучение лазера 2 используется для получения сверхузких резонансов.
0,5 0,6
0,8 1,0 мкм
2
3
4
5
6
8
0,8 1,0мкм
2
3
4
5
6
8 10мкм
10мкм
20
30
40
50
20
30
40
50
GaAs1-xPx
AsGa1-xInx
InAsx-1Px
InAs
CdxHg1-xTe
Pb1-xSnxTe
PbSe
Pb1-xSnxSe
0,5 0,6
Рис.1. Области перестройки частоты генерации различных
полупроводниковых инжекционных лазеров
Плавная настройка частоты на максимум такого резонанса
осуществляется с помощью экстремальной системы автоматической
подстройки частоты. Для получения сигнала ошибки в системе АПЧ частота
радио генератора, а, следовательно, и частота лазера 2 модулируется с
помощью генератора пробного сигнала (ЗГ). При отклонении частоты от
центра резонанса с выхода АПЧ на радиогенератор поступает сигнал
ошибки, который перестраивает частоту радиогенератора (и частоту лазера 2)
так, чтобы частота лазера совпала с максимумом резонанса.
Рис. 2 Принципиальная схема оптического стандарта частоты.
АПЧ - экстремальная система автоподстройки частоты;
Д - фотодетектор; ЗГ - звуковой генератор; РГ - радиогенератор;
СУР - система получения сверхузкого резонанса;
ЧФАП - электронная система частотно-фазовой синхронизации
Важным достоинством такой системы ОСЧ является возможность
получение высокие значения кратко- и долговременной стабильности и
воспроизводимости частоты.
Для создания ОСЧ - лазера с высокостабильной частотой - необходим
репер, к которому привязывается частота лазера. Наиболее пригодны для
этой цели спектральные линии атомного или молекулярного газа. Главной
причиной, препятствующей достижению высокой стабильности частоты,
является уширение этих линий, связанное с движением атомов.
Даже самые узкие линии усиления газовых лазеров значительно
превосходят ширину полосы пропускания резонатора, поэтому частота
генерации в подавляющем большинстве случаев определяется частотой
самого резонатора. Проблема стабилизации частоты лазера прямо связана с
необходимостью стабилизации длины самого резонатора. Наибольший вклад
в нестабильность оптической длины резонатора дают внешние тепловые,
механические и акустические возмущения элементов конструкции лазера, а
также флуктуации коэффициента преломления газоразрядной плазмы.
Изменение частоты генерации δω связано простым соотношением с
флуктуацией длины резонатора L:
,
(1)
где ω – частота генерации лазера, δL – изменение длины резонатора.
Частота лазера настраивается по центру спектральной линии с помощью
электронной системы автоматической подстройки частоты (АПЧ).
Относительная точность настройки при регистрации сигнала первой
гармоники в мощности излучения лазера определяется соотношением
(2)
где Q = ω / γ — добротность резонанса, γ — полуширина резонанса, К =
,
Δ – амплитуда девиации частоты генерации пробным сигналом модуля
ции,
ΔI – интенсивность резонанса, η - чувствительность фотодетектора в
В/Вт, Uсш – спектральная плотность шума на выходе фотодетектора,
Δω– полоса системы стабилизации.
В оптическом диапазоне принципиально достижима более высокая
точность измерения частоты при заданном времени наблюдения, чем в
радиодиапазоне. Однако из-за отсутствия прямых методов измерения
оптических частот реализовать это преимущество непосредственно также
невозможно. Действительно, пусть оптическая частота ω измеряется путем
сравнения с n-ой. (n 1) гармоникой радиочастотного колебания Ω:
(3)
где Ω' — измеряемая разность оптической частоты и n-ой гармоники. Если
точности измерения радиочастот Ω и Ω' равны ΔΩ и ΔΩ' соответственно, то
относительная точность измерения оптической частоты:
(4)
Таким образом, относительная точность измерения оптической частоты
не превышает точности измерения радиочастоты ΔΩ/Ω. Для достижения
точностей порядка 10-14 потребуются чрезвычайно большие времена
измерения.
Принципиально нет каких-либо ограничений, препятствующих
созданию высокостабильных стандартов частоты в диапазонах частот от
субмиллиметрового до видимого.
Во-первых, возможности метода насыщенного поглощения еще
полностью не исчерпаны, и мы еще далеки от предельных значений
стабильности частоты, которые он позволяет реализовать. Во-вторых,
ожидаемый прогресс связан с использованием новых методов стабилизации
частоты лазеров, основанных на применении разнесенных оптических полей,
двухфотонных резонансов, захваченных в ловушки частиц.
В техническом отношении важным остается стабилизация частоты
перестраиваемых лазеров. Упрощение схемы синтеза частот позволит
создать оптические стандарты времени, которые на практике смогут
конкурировать с лучшими микроволновыми стандартами времени и частоты.
Точность измерений частоты в оптическом диапазоне должна стать 10 -16-1017
, а сама техника измерений – простой и широко распространенной.
Список литература:
1. Е.В. Бакланов, П.В. Покасов Оптические стандарты частоты и
фемтосекундные лазеры. «Квантовая электроника», 33, №5 - 2003. с.383400.
2. С.Н. Багаев, В.П. Чеботаев Лазерные стандарты частоты. УФН
т.148 вып.1, 1986. с.143-178.
3. К. Одуан, Б. Гино Измерение времени. Основы GPS., Москва:
Техносфера - 2002. 400с.
4. Н.Г. Басов, В.С. Летохов Оптические стандарты частоты. УФН
т.96 вып.4 1968 с. 585-631.
Резюме
Развитие эталонов время частотных измерений привело к созданию
оптических стандартов частоты. В оптическом диапазоне достижима более
высокая точность измерения, чем в радиодиапазоне. Разработка более
простых схем позволит создать новую измерительную технику широкого
применения.
Summary
Development of the standards the time frequency of measurements has resulted in
creation of the optical standards of frequency. In an optical range higher accuracy
of measurement is achievable, than in a radiorange. The development of more
simple circuits will allow to create new measuring engineering of wide application.