Синтез и изменение частот лазеров субмиллиметрового и ИК диапазонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Аннотация.».

Защищаемые положения

Введение

Глава I. Методы и средства синтеза и измерения частот в ЙК и дальней инфракрасной областях спектра.II

§ 1.1, Синтез измерения частот субмиллиметрового и ИК диапазонов

§ 1.2. Субмиллиметровые лазеры с оптической накачкой.

§ 1.3, Схемы синтеза частоты Не-/Уе/СН^-лазера на основе СММ-лазеров с оптической накачкой и методика ее измерения

Глава 2. Разработка и исследование волноводных одночастотных НС00Н ( Л = 418 мкм) и СН3ОН ( Л я 70,5 мкм)-лазеров с низким уровнем амплитудных и частотных флуктуаций излучения.

§ 2.1. С02~лазеры для оптической накачки

§ 2.2. Оптимизация параметров волноводных субмиллиметровых лазеров на А = 418 и 70,5 мкм

§ 2.3. Исследование флуктуаций излучения СН^ОН и

НСООН-лазеров

Глава 3. Синтез частот НСООН, СН3ОН, /УН3 и

13С1б02-лазеров.

§ 3.1. Нелинейные элементы.

§ 3.2. Синтез и измерение частоты НСООН-лазера •

§ 3,3. Синтез частоты излучения 4,25 ТГц

СНдОН-лазера.

§ 3.4. Генерация 7-ой гармоники частоты излучения СНдОН-лазера и ее смешение с частотой изотото тс. пического С 02~лазера

§ 3.5. Синтез и измерение частоты 3,17 ТГц А/Ндлазера с оптической накачкой

Глава 4. Абсолютное измерение частоты Не-Уе/СН^-лазеров ( Л = 3,39 мкм), стабилизированных по Р ¡^ и Е линиям поглощения в метане.

§ 4.1. Экспериментальная установка.

§ 4.2. Частотно-фазовая синхронизация частот излучения субмиллиметровых и С02~лазеров по частоте высокостабильного Не- ^е/СН^лазера.

§ 4.3. Измерение частоты Не- Л/е/СН4 (Я Е)лазеров

§ 4.4. Сравнение частотных характеристик яь -стандарта частоты и НСООН-лазера, синхронизованного по частоте Не-Д/е/СН^ (Р лазера.

§ 4.5. Измерение частоты СНдОН-лазера ( Л = 70,5 мкм) сравнением с частотой Не-Уе/СН^ лазера.

Примечание.

Абсолютные частотные измерения в оптическом диапазоне спектра важны в различных областях науки и техники - спектроскопии, метрологии, оптической связи, космической навигации и т.д. Пскольку частота измеряется наиболее точно, измерение оптических частот позволяет уточнить значение фундаментальных физических констант. К измерению лазерных частот можно свести и измерение других величин, тем самым повысив их точность. Переход в оптический диапазон сокращает время, необходимое для измерения частоты с высокой точностью. Так при частоте Ю^^ц относительная погрешность ^ может быть достигнута за

I с. На частоте цезиевого эталона для этого требуется уже ~ 10^ с. Развитие физических методов получения узких оптических резонансов и создание на их основе высокостабильных лазеров - оптических стандартов частоты /1,2/ - поставило измерение оптических частот на качественно новый уровень. Главным становится вопрос о проведении частотных измерений с точностью, определяемой характеристиками оптических стандартов, что требует разработки новых методов и средств синтеза и измерения оптических частот. При этом они должны носить многофункциональный характер: переносить частотные характеристики оптического стандарта в другие диапазоны, вплоть до радиодиапазонов; измерять значения абсолютных частот путем сравнения с частотой СВЧ-стандарта; позволять применять высокостабильные лазеры с известной частотой для измерения частот других лазеров и т.п.

Создание высокостабильных лазеров и разработка средств синтеза и измерения их частот - взаимосвязанные проблемы. Перенос частотных характеристик высокостабильных лазеров в другие спектральные диапазоны на основе синтеза и фазовой синхронизации частот, решает задачу построения реперов, воспроизводящих значение частоты в требуемом диапазоне с высокой точностью, что,в свою очередь, стимулирует проведение здесь точных частотных измерений. Это весьма актуально для лазеров субмиллиметрового диапазона, поскольку стабильность их частоты на несколько порядков ниже достигнутой в ИК и видимой областях спектра.

Создание в нашем институте гелий-неонового лазера с длиной волны излучения Л » 3,39 мкм, длительная стабильность и воспроизводимость частоты излучения которого не ниже, а кратковременная на несколько порядков выше, чем у мазеров /3/, позволило решать перечисленные выше задачи применительно к данному оптическому стандарту частоты. Практическая реализация синтеза и измерения его частоты осуществляется путем построения цепочки генераторов СВЧ, субмиллиметрового, инфракрасного диапазонов в которой гармоники частот низкочастотных генераторов точно или с небольшим дефицитом совпадают с частотой более высокочастотного. Традиционные средства синтеза, в частности субмиллиметровые электроразрядные лазеры, а также методика, основанная на умножении частоты СВЧ-стандарта в ИК диапазон не позволяют достичь точности существующих радиостандартов частоты ( ^ Ю*3) /4,5,6/. Использование для повышения точности другой методики /7/, основанной на переносе частотных характеристик высокостабильного Не- Ь/е/СН^-лазера в субмиллиметровый диапазон, с привлечением новых средств синтеза, предопределило основные цели данной работы:

I. Разработка и исследование одночастотных мощных, с низким уровнем амплитудных и частотных флуктуаций излучения НСООН ( Л в 418 мкм) и СНдОН ( Лв70,5 мкм) волноводных лазеров с оптической накачкой для синтеза и измерения частот в субмиллиметровой и ИК областях спектра.

2. Синтез лазерных частот субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов в схеме измерения абсолютной частоты излучения высокостабильного Не- Л/е/СН^-лазера ( А = 3,39 мкм).

3. Фазовая синхронизация частот оптически накачиваемых субмиллиметровых лазеров с частотой СС^-лазера, синхронизованной по частоте Не-^е/СН^-лазера.

4. Измерение абсолютных частот Не- ^е/СН^-лазеров, стабилизированных по Р и Е линиям поглощения в метане.

Осуществление синтеза частот в звеньях измерительной цепочки позволяет производить абсолютное измерение частоты лазеров СММ диапазона, а перенос частотных характеристик высокостабильного Не- Уе/СН^-лазера в эту спектральную область -создать здесь источники электромагнитных колебаний с высокой стабильностью и воспроизводимостью частоты.

В первой главе диссертации содержится материал обзорного и методического характера. Представлены результаты по синтезу и измерению частот в субмиллиметровой и инфракрасной области, рассмотрены конкретные схемы синтеза и измерения частоты Не- Л/е/СН^-лазера с использованием электроразрядных субмиллиметровых лазеров. Сделан вывод о причинах, ограничивающих точность измерений. Здесь же представлен обзор по газовым субмиллиметровым лазерам с оптической накачкой и делается вывод о существовании реальных предпосылок к использованию волноводных СММ-лазеров этого типа в схемах синтеза частот ИК диапазона. Рассматривается методика измерения частоты Не- Л^е/СН^-лазера, основанная на ее делении в СММ спектральную область, требования к спектральным и энергетическим характеристикам лазеров составляющих цепочку синтеза частот, выбор конкретных линий генерации в оптически накачиваемых субмиллиметровых лазерах и схем синтеза измерения частоты Не- Ме/СН^-лазера на их основе.

Вторая глава посещена разработке и исследованию волноводных одночастотных НСООН ( Л = 418 мкм) и СН3ОН ( Л =70,5 мкм)-лазеров с оптической накачкой. Основное внимание уделено получению мощной генерации с высокой спектральной чистотой линии излучения. Подробно описана конструкция субмиллиметровых лазеров й (^-лазеров для оптической накачки. Исследуются энергетические характеристики, амплитудные и частотные флуктуации НСООН и СНдОН-лазеров, приводится измерение стабильности частоты излучения СММ-лазеров.

В третьей главе дается подробное описание экспериментов по синтезу частот НСООН, СН3ОН, Л/Н^ и С^О^ -лазеров. Исследуются характеристики нелинейных элементов, используемых для генерации гармоник, смешения СВЧ, оптических частот, зависимость получаемых сигналов биений от параметров лазеров, СВЧ-генераторов. Синтез частот создал предпосылки для фазовой синхронизации частот лазеров по частоте высокостабильного Не- /V е/СН^-лазера. В этой же главе приводятся результаты измерения частоты ( А = 418 мкм) и ^Н^ ( Л = 81,5 мкм) -лазеров с оптической накачкой.

В четвертой главе представлены результаты абсолютного измерения частоты высокостабильных Не- А7е/СН^

2) лазеров, стабилизированных по Р £ и ® линиям поглощения в метане. Подробно рассмотрена общая схема экспериментальной установки, системы частотно-фазовой синхронизации лазеров, описана методика проведения экспериментов. Приводятся результаты сравнения частотных характеристик НСООН-лазера, синхронизованного по частоте Не-Л^е/СН^-лазера, и рубидиевого стандарта, измерена частота СНдОН ( Д = 70,5 мкм)-лазера путем сравнения с частотой Не-л/е/СН4 (Г^)-лазера.

Автор искренне благодарен научному руководителю член-корреспонденту АН СССР В.П.Чеботаеву за постоянное внимание, стимулировавшее выполнение данной работы, доктору физико-математических наук С.Н.Багаеву и кандидатам физико-математических наук В.М.Клементьеву и Ю.А.Матюгину за полезные обсуждения и советы, Б.А.Тимченко и коллегам из лаборатории "Электронных лазерных систем" за сотрудничество.

Основные результаты диссертации можно сформулировать следующим образом:

1. Разработаны, исследованы и применены в схеме синтеза и измерения абсолютной частоты высокостабильного Не- Уе/СН^ А = 3,39 мкм)-лазера мощные одночастотные волноводные НСООН А = 418 мкм) и СНдОН ( Л - 70,5 мкм)-лазеры с оптической наТР качкой, кратковременная стабильность которых равна 7-10 , а амплитудные флуктуации составляют ~ 0,5 %.

2. Синтезированы и измерены частоты НСООН ( Л = 418 мкм) и СНдОН ( 1 = 70,5 мкм)-лазеров. Методом сравнения с разностной частотой двух С02~лазеров впервые.измерена частота излучения /V Нд-лазера ( Л = 81,5 мкм) с оптической накачкой.

3. Осуществлена стабилизация частот излучения НСООН ( Л = = 418 мкм) и СНдОН ( Л = 70,5 мкм)-лазеров, на основе применения метода фазовой синхронизации по частоте высокостабильного Не- Уе/СН4.

4. Проведено прямое сравнение частотных характеристик стабилизированного по частоте НСООН-лазера и рубидиевого стандарта частоты.

5. Измеренные абсолютные частоты Не- УКе/СН^-лазеров, стабилизированных по Р ^ и Е линиям поглощения в метане имеют следующие значения: 88376181 602,9 ± 1,2 кГц; сн*Ге) в 88373149031,2 ± 1,2 кГц

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Chebotayev V.P., Letokhov V.S. nonlinear Laser Spectrosco-. py (Springer, Berlin, Heidelberg, 1.ew York 1977).

2. Chebotayev V.P. Use of narrow resonances to stabilize gas laser frequencies. In: Proc. of 2nd Frequency Standards and Metrology Symp., Copper Mountain, USA, July 1976,p. 385.

3. Chebotayev V.P. Infrared and optical frequency standards. Report at the XIX General URSI Assembly, August 1978, Helsinki, Finland.4* Домнин Ю.С., Кошеляевский М.Б., Татаренков B.M., Шумяц-кий П.С. Измерение частоты Не-УУе/СН^ лазера. Письма в

4. ЖЭТФ, 1981, т. 34, с. 175-177.

5. Evenson К.М., Wells J.S., Petersen F.R., Danielson B.L.,

6. Day G.W. Accurate frequencies of molecular transitions used in laser stabilization: The 3.39 urn transition in CH^ and the 9.33- and 10.18 urn transitions in COg. Appl.Phys. Letts., 1973, v. 22, p. 192-195.

7. Hocker L.O. et al. Absolute frequency measurements andspectroscopy of gas laser transitions in the far infrared. Appl.Phys.Lett., 1967, v. 10, p. 147.

8. Домнин Ю.С., Татаренков B.M., Шумяцкий П.С. Фазовая синхронизация flgO лазера по стандарту частоты.- Квантовая электроника, I960, т. 7, № I. с. 200.

9. Hocker L.O., Javan A. Absolute frequency measurements on the new CW HOT submillimeter laser lines. Phys.Lett., 1967, v. 25A, IT 11, p. 489-490.

10. Frenkel L., Sullivan T., Pollack M.A., Bridges T.J. Absolute frequency measurements of the 118.6-um water-vapour laser transitions. Appl.Phys.Lett., 1967, v. 11, p. 344-345.

11. Evenson K.M., Wells J.S., Matarrese L.M., Elwell L.B. Absolute frequency measurements of the 28- and 78-um.CW water vapour laser lines. Appl.Phys.Lett., 1970, v. 16, p. 159-161.

12. Blaney T.G., Bradley C.C., Edwards G.J., Knight D.J.E. Absolute frequency measurements of a Lamb-dip stabilized water vapour laser oscillating at 10.7 THz (28 um). -Phys.Lett., 1973, v. 43A, p. 471-472.

13. Hocker L.O., Small J.G., Javan A. Extension of absolute frequency measurements to the 84 um range. Phys.Lett., 1969, v. 29A, p. 321-322.

14. Домнин Ю.С., Кошеляевский M.Б., Татаренков В.M., Шумец-кий П.С. Абсолютные измерения частот лазеров ИК диапазона. Письма в ЖЭТФ, 1979, т. 30, с. 273.

15. Knight D.J.E., Edwards G.L., Pears P.R., Gross N.G. Measurement of the frequency of the 3.39 um methane stabilized laser to -3 parts in 1011. IEEE Trans., 1980, v. IM-29, p. 257.

16. Jennings D.A., Petersen F.R., Evenson K.M. Direct frequency measurment of the 260 THz (1.15 um) lie laser: and beyond. In: Laser Spectroscopy IV (Springer, New York 1979) p. 39-48.

17. Eng R.S., Kildal H., Mikkelsen J.C., Spears D.L. Deter12 iC 1 1 fimination of absolute frequencies of CO and JC 0 laser lines. Appl.Phys.Lett., 1974, v. 24, p. 231-233.

18. Jennings P.A., Petersen F.R., Evenson K.M. Extension of absolute frequency measuremenrs to 148 THz: Frequencies of the 2.0 and 3.5 um Xe laser. Appl.Phys.Lett., 1975, v. 26, p. 510-511.

19. Sakuma E., Evenson K.M. Characteristics of tungsten-nickel point contact diodes used as laser harmonic-generator mixers. IEEE J.Quant.Electr., 1974, v. QE-10, p. 599-603.

20. Fettennan H.R., Clifton B.J., Tannenwald P.E., Parker C.D. Submillimeter detection and mixing using Schottky diodes. Appl.Phys.Lett., 1974, v. 14, p. 70-72.

21. McDonald D.G. Four-hundredth-order harmonic mixing of microwave and infrared laser radiation using a Josephson junction and a maser. Appl.Phys.Lett., 1972, v. 20,p. 296-299.

22. Jimenez J.J., Petersen F.R. Recent progress in laser frequency synthesis. Infrared Phys., 1977, v. 17» p. 541-546.

23. Домнин Ю.С., Малимон A.H., Татаренков B.M., Шумяцкий П.С. Радиооптический частотный мост государственного эталонавремени и частоты.- Труды ВНИИФТРИ 1984 г., в. 3., с. 26-29.

24. Clairon A., Dahmani В., Rutman J. Absolute frequency measurements of the He-He laser at 88 THz (3.39 um). IEEE

25. Trans., 1980, v. IM-29, p. 268. \

26. Laboratoire Primaire du Temps et des Frequences (Prance), Rapport d'activité, 1981, p. 24.

27. Chang T.Y., Bridges T.J. Laser action at 452, 496, and 541 um in optically pumped CH^F. Opt.Commun., 1970, v. 1,p. 423-426.

28. Дюбко С.Ф., Свич В.А., Фесенко JI.Д. Газовыё лазеры субмиллиметрового диапазона с оптической накачкой излучением COg -лазера.- Письма ЖЭТФ, 1972, т.16, в.II, с. 592-594.

29. Дюбко С.Ф. Субмиллиметровые молекулярные лазеры с оптической накачкой.^ Дис. на соиск. ученой степени докт.физ.-мат.наук, Харьков, 1980.

30. Kramer G., Weiss С.О. Frequncies of some optically pumped submillimeter laser lines. Appl.Phys., 1976, v. 10,p. 187-188.

31. Witford B.G., Siemesen K.J., Riccius H.D., Baird К.М. Hew frequency measurements and techniques in the 30-THz region. IEEE Trans.Instrum.Meas., 1974, v. IM-23,p. 535-539.

32. Petersen F.R., McDomald D.G., Cupp J.D., Danielson B.L.

33. Accurate rotational constants, frequencies, and wavelengths 12 16from С O2 laser stabilized by saturated absorption. -In: Laser Spectroscopy, ed. R.G.Brewer and A.Mooradian, Plenum Press, New York, USA, 1974.

34. Freed A., Javan A. Standing-wave saturation resonances in the С(>2 10.6 um transitions observed in a low-pressurero om-temp era t гхге absober gas. Appl.Phys.Lett., 1970, v. 17, p. 53-56.

35. Birnbaum G. Microwave linewidths of symmetric-top molecules. J.Chem.Phys., 1967, v. 46, p. 2455.

36. Puller D.W.E,, Hines J., Compton B. Short-term frequency stability of HCN-maser. Electron.Lett., 1969, v. 5,p. 448-449.

37. Chang T.Y. Optical pumping in gases. In: Nonlinear Infrared Generation, ed. by Y.R.Shen. Topics in Applied Physics, v. 16 (Springer, Berlin, Heidelberg 1977) p. 280.

38. Gallagher J.J., Blue M.D., Bean В., Perkowitz T. Tabulation of optically pumped far infrared laser lines and applications to atmospheric transmission. Infrared Phys., 1976, v. 17, p. 43-55.

39. Rosenbluh M., Temkin R.J., Button J.K. Submillimeter laser wavelength tables. Appl.Opt., 1976, v. 15, p. 2635-2644.

40. Knight D.J.E. Ordered list of optically pumped laser lines. NPL Report, 1978, n. Qu 45.

41. Yamanaka M. Optically pumped gas lasers A wavelength table of laser lines. - Rev.Laser Eng., 1976, v. 3,p. 57-98.

42. Weiss C.O. Pump saturation in molecular far-infrared lasers. IEEE J.Quant.E^ectr., 1976, v. QE-12, p. 580-584.

43. Фесенко Л.Д., Дюбко С.Ф. Оптимизация параметров субмиллиметрового лазера с оптической накачкой,- Квантовая электроника., 1976, т. 3., № 7, с. 1549 1557.

44. Hodges D.T., Foote F.B., Reel R.D. High-power operation and scaling behaviour of cw optically pumped FIR waveguide lasers. IEEE J.Quant.Electr., 1977, v. QE-13, N 6, p. 491-494.

45. Никитин M.B. Субмиллиметровый СНдШ-лазер на /\ = 70,5 мкм с оптической накачкой.- В кн.: Повышение точности квантовых стандартов частоты. Тез.докл. Всесоюзн. симпоз., Москва, I960, с. 56 57.

46. Никитин М.В. Субмиллиметровый лазер с оптической накачкой.-В кн.: Физическая гидродинамика и теплообмен, Новосибирск, ИТФ, 1978, с. 132 135.

47. Danielweiz E.J., Reel R.D., Hodges D.T. Hew far infrared cw optically pumped CIS-Cg^Fg laser. IEEE J.Quant. Electr., 1980, v. QE-16, U 4, p. 402-405.

48. Tanaba A., Tanimoto A., Murata N., Yamanaka M., Yoshinaga H. CW efficient optically pumped far infrared waveguide ITH^ laser. Opt.Commun., 1977, v. 22, p. 17-21.

49. Danielwicz E.J., Galantovicz T.A., Foote F.B., Reel R.D., Hodges D.T. High performance at new FIR wavelengths from optically pumped CH2F2. Opt.Lett., 1979, v. 4, N 9,p. 280-282.

50. Henningsen J.0. Assignment of fir laser lines in optically pimped CH^OH. 2nd Intern.Conf. and Winter School on Submillimeter Waves and Their Application, San Juan, Puerto Rico, 1976. Hew York, F.Y., 1976, p. 34-35.

51. Баскаков О.И., Дюбко С.Ф., Москиенко M.B., Фесенко Л.Д. Идентификация рабочих переходов лазера на парах муравьиной кислоты,- Квантовая электроника, 1977, т. 4, № 4. с#800 -809.

52. Yamanaka M. Optically pumped wavelength lasers. -J.Opt.Soc.Am., 1977, v. 67, p. 952-958.

53. Hodges D.T., Hartwick T.S. Waveguide laser for the far infrared (FIR) pumped by a CO2 laser. Appl.Phys.Lett., 1973, v. 23, p. 252.

54. Дюбко С.Ф. Субмиллиметровые молекулярные лазеры с оптической накачкой. Автореферат дис. на соискание учен, степени докт. физ.-мат.наук., Харьков, I960, с. 48.

55. Wanieh R.W. Far infrared lasers Two decades of progress. - Laser Focus, 1983, N 2, p. 79-85.

56. Захарьяш В.Ф., Клементьев B.M., Матюгин Ю.А., Никитин М.В.,

57. Тимченко Б.А., Чеботаев В.П. Частотно-фазовая привязка часто тстоты СНдОН- лазера = 70,5 мкм к С лазеру.- Квантовая электроника, 1980, т. 7, № 6, с. 1365-1966.

58. Клементьев В.М., Матюгин Ю.А., Никитин М.В. Мощный субмиллиметровый оптически накачиваемый лазер на парах СНдОН.- Тез. докл. на П Всесоюзном симпозиуме по ММ и СММ волнам. Харьков, 1978, с. 54.

59. ТО. В.А.Молодкин, Г.И.Кузнецова. Дисперсионные характеристики и затухание собственных волн в трубчатых диэлектрических волновых.- Тр.учебн.институтов связи, 1971, № 56, с. 183-186.

60. Marcatili E.A.J., Schmeltzer R.A. Hollow metallic and dielectric waveguides for long distance optical transmission and lasers. Bell Syst.Tech.J., 1964, v. 43, p. 1783-1809.

61. Abrams R.L. Coupling lasers in hollow wavguide laser resonators. IEEE J.Quant.Electr., 1972, v. QE-8, p. 838-843.

62. Багаев G.H., Борисов Б.Д., Гольдорт В.Г., Дычков А.С., Захарьяш В.Ф., Клементьев В.М., Никитин М.В., Тимченко Б.А., Чеботаев В.П., Юмин В.В. Оптический стандарт времени (Препринт 78-82, 1982, Новосибирск, Институт теплофизики СО АН СССР.).

63. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны.- М. Сов.радио, 1971.

64. Багаев С.Н., Гольдорт В.Г., Дычков А.С., Клементьев В.М., Матюгин Ю.А., Никитин М.В., Печерский Ю.Я., Чеботаев В.П. Единый эталон времени и длины. Квантовая электроника, 1982, т. 9, № 3, с. 453 - 462.76.

65. Гольдорт В.Г. Широкополосные активные системы стабилизации частоты непрерывных газовых лазеров.- Дис. на соискание учен.степени канд.техн.наук. Новосибирск, 1979.

66. Гольдорт В.Г., Захарьяш В.Ф., Курневич Б.А. Широкополосный блок частотной привязки лазеров.- ПТЭ, 1978, № I.

67. S5* Багаев С.Н., Дмитриев А.К., Дычков A.C., Чеботаев В.П.

68. Исследования сдвигов нелинейного резонанса в метане на длине волны 3,39 мкм.~ ЖЭТФ, 1980, т. 79, с. 1160.

69. Bagayev S.U., Chebotayev V.P., Dychkov A.S., Maltsev S.V, Supernarrow resonances in metane on E-line at the P(7) transition of the ^ and their application in optical frequency standards. J. de Phys., 1981, v. 43,p. C-8-21 C-8-28.