ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ квантовые
стандарты частоты оптического диапазона. О. с. ч. по сравнению с квантовыми
стандартами частоты радиодиапазона имеют важные преимущества: более
высокую стабильность частоты 10^-13, а в перспективе 10^-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, к-рый позволяет выделять
из относительно широкой спектральной линии (см. Ширина спектральных
линий) чрезвычайно узкие пики, фиксирующие положение вершины спектральной
линии vгаза в оптич. 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(v-v.
Поэтому в спектральной линии выжигаются 2 провала. Только если генерация
лазера возбуждается на частоте резонатора, соответствующей вершине спектральной
линии vи 2 провала сливаются в 1 (рис. 4).

Этот эффект, обнаруженный в 1962-63 амер.
учёными У. Ю. Лэмбом и У. Р. Беннеттом, дал возможность принять в качестве
репера частоты частоту генерации лазера, "привязанную" к частоте vквантового перехода не по доплеровской ширине (2 на рис. 2), а по
однородной ширине Г линии, что даёт точность 10^-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 и/м²) эта частота стабильна. Осуществлённый О. с. ч. с
гелий-неоновой усиливающей и метановой поглощающей ячейками (X = 3,39 мкм)
имеет
у
= 300-500 кгц и относительную стабильность частоты 10^-13,
что означает поддержание частоты 10¹⁴ 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 неск. 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, к-рые могут быть на неск. 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.
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; v° - собственная частота
резонатора; vлинии.
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. 6. 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.

Лит.: Квантовая электроника. Маленькая
энциклопедия, М., 1969; Басов Н. Г., Беленое Э. М., Сверхузкне спектральные
линии и квантовые стандарты частоты, "Природа", 1972, № 12. Э. М. Беленое.