Большая Советская энциклопедия - 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 на рис. 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 на рис. 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 на рис. 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 кгц и относительную стабильность частоты Оптические стандарты частоты10^–13, что означает поддержание частоты Оптические стандарты частоты10¹⁴ гц с 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.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия

1969—1978