Резонансы насыщенной дисперсии метана с относительной шириной 10-9-10-12 для задач стандартов частоты и задающий радио генератор на их основе

Шелковников, Александр Сергеевич

Резонансы насыщенной дисперсии метана с относительной шириной 10-9-10-12 для задач стандартов частоты и задающий радио генератор на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Шелковников, Александр Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Резонансы насыщенной дисперсии метана с относительной шириной 10-9-10-12 для задач стандартов частоты и задающий радио генератор на их основе»

Автореферат диссертации на тему "Резонансы насыщенной дисперсии метана с относительной шириной 10-9-10-12 для задач стандартов частоты и задающий радио генератор на их основе"

На правах рукописи

005059456

ШЕЛКОВНИКОВ Александр Сергеевич

РЕЗОНАНСЫ НАСЫЩЕННОЙ ДИСПЕРСИИ МЕТАНА С ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ШИРИНОЙ 10"9-10 12 ДЛЯ ЗАДАЧ СТАНДАРТОВ ЧАСТОТЫ И ЗАДАЮЩИЙ РАДИО ГЕНЕРАТОР НА ИХ ОСНОВЕ

Специальность 01.04.21 - «Лазерная физика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

і б т2013

Москва 2013

005059456

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Губин Михаил Александрович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор

Дмитриев Александр Капитонович, Новосибирский государственный технический университет

доктор физико-математических наук, профессор Киреев Сергей Васильевич, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Ведущая организация: ФГУП «Всероссийский научно-

исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»

Защита состоится 1 'А июня 2013 г. в 12 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 002.023.03 при Физическом институте им. П.Н. Лебедева Российской академии наук по адресу: 119991 Москва, Ленинский проспект, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева Российской академии наук.

Автореферат разослан « о? »_I 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.023.03 доктор физико-математических наук, профессор

А.С. Шиканов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Разработка высокоточных квантовых стандартов частоты (КСЧ) и частотно-временные измерения на их основе - одно из фундаментальных направлений квантовой радиофизики, начавшейся с создания КСЧ на основе мазеров, сначала на инверсионном переходе молекул аммиака, а затем на переходе между уровнями сверхтонкой структуры атомов водорода [1,2,3].

Помимо исключительной важности исследований по повышению стабильности и точности частотной и временной шкал для фундаментальной науки (прецизионная спектроскопия, фундаментальные физические эксперименты, астрофизика и радиоастрометрия, использующие интерферометры со сверхдлинной базой, и др.), существенно расширилась практическая сфера применений результатов таких исследований. Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС / GPS имеют своей целью создание глобального «координатно-временного поля», доступного в любой точке Земли и в ближайшем (до 2000 км) космосе, позволяющего производить высокоточные измерения координат и времени для задач навигации, управления, синхронизации приема-передачи информации между удаленными объектами, и т.д. Центральными элементами, определяющими точность синхронизации всех наземных и бортовых элементов этих систем, являются КСЧ, как активного типа на основе Н-мазеров, так и пассивного на основе цезиевых и рубидиевых реперов, пассивных Н-мазеров [4].

Прогресс этих навигационных систем, в частности при определении координат в реальном масштабе времени с точностью 10 см и менее, в определяющей степени зависит от улучшения стабильности и точности КСЧ. Для следующего поколения спутниковых навигационных систем стоит задача создания КСЧ с точностью ~ 10"17 и суточной стабильностью до 1-Ю"16. Возможность столь радикального повышения точности и стабильности связана с использованием реперных переходов в оптическом диапазоне спектра и созданием лазерных стандартов частоты на основе холодных атомов и ионов в световых и электромагнитных ловушках [5].

средств измерения оптических частот и переноса стабильности и точности лазерных стандартов в привычный для потребителя радиодиапазон.

Ситуация революционным образом изменилась в начале 2000-х годов благодаря достижениям физики сверхбыстрых (фемтосекундных) процессов в лазерных генераторах и созданию генератора суперконтинуума, перекрывающего октаву в оптическом диапазоне спектра [7]. Развитие фемтосекундных технологий решило одну из труднейших проблем ОСЧ и создало эффективный способ измерения оптических частот, позволяющий использовать точностной потенциал оптических переходов, «синхронизовать» и объединить различные лазерные и радио стандарты, отстоящие по частоте на десятки и сотни терагерц, в единую систему с помощью компактных лазерных устройств.

Одно из преимуществ такого объединения - передача метрологических параметров одного устройства другому, что позволяет потребителю приблизиться к «идеальному» стандарту, выбирая нужное сочетание свойств этого стандарта (относительная стабильность частоты, ширина спектра, точность).

Поскольку в одном устройстве крайне сложно достигнуть и предельной стабильности на малых временах, и предельной точности частоты (требования на параметры квантового дискриминатора при этом противоречат друг другу), стандарты развиваются по трем основным направлениям: (1) - задающие генераторы (узкий спектр излучения, высокая кратковременная стабильность частоты, например - кварцевые генераторы); (2) - хранители частоты (высокая долговременная стабильность, например — Н-мазер); (3) — реперы (предельная точность воспроизведения частоты невозмущенного перехода, и соответственно, размера секунды, например - Сэ репер частоты).

Что касается развития реперов, то в достижении предельной точности и воспроизводимости частоты неоспоримыми преимуществами обладают СВЧ и оптические реперы, использующие спектральные линии глубоко охлажденных атомов/ионов, захваченных в ловушках или совершающих движение в геометрии «фонтана». Собственная неопределенность значения частоты современных ОСЧ на одиночных холодных ионах и А1+, дополненных фемтосекундными делителями частоты (часто эти устройства называются «оптическими часами»), в настоящее время снижена до величины 10~17. Недостатком ОСЧ на одиночных частицах является малое отношение сигнал / шум и необходимость длительного усреднения сигнала. В значительной

степени эта проблема решена в ОСЧ, использующих холодные атомы, захваченные в оптической решетке.

Указанные варианты оптических стандартов, претендующих на высшую точность и воспроизводимость частоты, в настоящее время представляют собой сложные стационарные установки, и для их работы необходимы задающие генераторы с чрезвычайно узким (доли Гц) спектром и высокой (~ 10~15 за 1 с) кратковременной стабильностью частоты. Лучшие кварцевые генераторы имеют совершенно недостаточную (~ 10"13 за 1 с) стабильность частоты, и поэтому, активно развиваются задающие генераторы на основе криогенных СВЧ резонаторов, а также на основе стабилизированных по частоте лазеров с делением их частоты и переносом стабильности оптической частоты в микроволновый диапазон.

Следующий важный для практики вопрос - тиражирование шкал времени и частоты в сотнях лабораторий с помощью менее сложных и дорогих чем реперы - хранителей частоты, периодически калибруемых по реперам сигналами, передаваемыми из национальных метрологических центров через космические ретрансляторы или по линиям волоконно-оптической связи.

Недостатком активных Н-мазеров, являющихся лучшими хранителями частоты, является наличие дрейфа на временах усреднении больше суток (т> 105 с), высокие требования на условия эксплуатации, недостаточно высокая кратковременная стабильность частоты (1013, при т= 1 с), значительные массо-габаритные параметры (75-200 кг), высокая стоимость.

В настоящей работе исследуются возможности создания высокостабильного задающего генератора, хранителя и переносчика частоты оптического диапазона на основе Не-Ые лазеров, стабилизированных по спектральным линиям молекулы метана.

Большая доля изложенного в диссертации материала (главы 1,2,3) относится к «дофемтосекундной эпохе», когда отсутствовали удобные средства связи оптического и радио диапазонов. Роль созданных метановых задающих генераторов и переносчиков оптической частоты была важна, но позволяла решать сравнительно узкий круг научных и метрологических задач (это относится ко всем ранее разрабатывавшимся оптическим стандартам частоты).

С появлением в 1999-2000 гг. фемтосекундных делителей оптической частоты результаты выполненных исследований стали доступны и для радиодиапазона спектра, что резко расширило сферу возможных применений метановых стандартов частоты.

Поэтому заключительная часть диссертационной работы (глава 4) посвящена переносу стабильности метановых стандартов в радиодиапазон спектра с помощью компактного оптоволоконного фемтосекундного делителя оптической частоты.

Цели диссертационной работы:

1. Оценка возможности создания стандартов частоты с повторяемостью и воспроизводимостью ~ 10"14 -1015 на основе резонансов насыщенной дисперсии с относительными ширинами ~ 10"12 на F2(2) линии метана в условиях полного разрешения дублета отдачи.

2. Создание компактного транспортируемого IIe-Ne/CH4 ОСЧ, стабилизированного по резонансу насыщенной дисперсии в условиях полного разрешения магнитной сверхтонкой структуры (с относительной шириной ЗхЮ"11).

3. Калибровка шкал оптических частот различных лабораторий с точностью 10"13 - 10"14 транспортируемым He-Ne/CH4 ОСЧ с целью получения новой спектральной и метрологической информации.

4. Создание на основе He-Ne/Ct^ лазера и волоконного фемтосекундного делителя оптической частоты лабораторного макета радио генератора с кратковременной стабильностью частоты на 1-2 порядка выше, чем у лучших кварцевых генераторов.

Все исследования в работе выполнены с газовыми He-Ne лазерами с длиной волны X = 3,39 мкм, различной конструкции и назначения, стабилизированными по внутридоплеровским резонансам метана на переходе F2(2) линии Р(7) полосы v3.

Данный выбор связан со случайным совпадением линии усиления He-Ne лазера и указанной линии метана, что стимулировало исследования и разработки по He-Ne/CHt системе с внешней и внутренней метановой поглощающей ячейкой, начатые пионерскими работами B.C. Летохова, Дж. Холла и В.П. Чеботаева в конце 60-х годов [8,9 и ссылки в них]. Большой теоретический и экспериментальный вклад в изучение фундаментальных механизмов, определяющих свойства нелинейных резонансов в данной системе, был внесен работами сотрудников ИЛФСОРАН (г.Новосибирск) [10,11 и ссылки в них]. Исследования, выполненные в различных лабораториях, выявили также целый ряд тонких спектроскопических и методических особенностей, влияющих на

предельные параметры по стабильности, повторяемости, воспроизводимости и точности не только данной системы, но и других ОСЧ с поглощающими ячейками на 12, С2Н2, 5Р6, 0в04, ЯЬ с использованием газовых, твердотельных и полупроводниковых лазеров. Среди различных пар «лазер - поглотитель» наиболее высокая стабильность частоты в сочетании с небольшими габаритами продемонстрирована двумя системами: Ш:УАО/12 и Не-№/СН4. В частности, новейшие исследования показывают, что потенциальная стабильность лазеров, привязанных к внутридоплеровским резонансам молекулярного йода и метана, составляет 10"15 - 10"16 при времени усреднения 1-Ю4 с [12,13].

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе решены следующие задачи:

¡.Разработан и создан малогабаритный стационарный лазерный спектрометр, позволяющий исследовать резонансы насыщенной дисперсии Р2(2) линии метана со спектральным разрешением 10" - 10"12.

2. Проведены спектроскопические исследования сверхузких резонансов насыщенной дисперсии линии метана в условиях полного разрешения дублета отдачи, измерены сдвига частоты стабилизированного лазера от давления и насыщающей мощности в области ширин реперных резонансов 400-900 Гц.

3. Созданы компактные транспортируемые Не-№/СН4 переносчики частоты, стабилизированные по резонансам насыщенной дисперсии метана с относительной шириной ЗхЮ"11. Выполнены абсолютные измерения их частоты относительно цезиевого репера, доказавшие, что повторяемость частоты созданных образцов достигает 3 х 10"14.

4. Разработана модель сдвигов частоты Не-Ые/СН4 лазера от внутренних паразитных обратных отражений. Определен диапазон сдвигов частоты лазера от перестройки телескопического резонатора по области устойчивости.

5. На основе Не-Ые/СН4 лазера и волоконного фемтосекундного лазера создан лабораторный макет задающего радио генератора, превосходящий по кратковременной стабильности лучшие кварцевые генераторы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Доказана возможность регистрации резонансов насыщенной дисперсии с разрешением 4*] О"12 в малогабаритном спектрометре на основе двухмодового лазера.

2. Получены зависимости сдвигов частоты лазера, стабилизированного по резонансам насыщенной дисперсии, от давления метана и насыщающей мощности в условиях полного разрешения дублета отдачи.

3. Продемонстрирована возможность создания компактных транспортируемых Не-Ые/СН4 переносчиков оптической частоты, хранящих значение частоты с погрешностью 3* 10"14 на интервалах времени до 3 лет.

4. Описаны и оценены сдвиги частоты Не-№/СН4 лазера от внутренних паразитных обратных отражений.

5. Измерена зависимость сдвига частоты Не-№/СН4 лазера от перестройки телескопического резонатора по области устойчивости.

6. Доказана возможность создания на основе Не-Ке/СН4 лазера и волоконного фемтосекундного лазера радио генератора, превосходящего по кратковременной стабильности лучшие кварцевые генераторы.

Научная и практическая ценность:

1. Созданный малогабаритный стационарный лазерный спектрометр позволяет проводить спектроскопические исследования сверхузких резонансов насыщенной дисперсии Р2(2' линии метана в условиях полного разрешения дублета отдачи и оценивать возможности дальнейшего развития стандартов частоты на основе методов спектроскопии насыщения с газовыми ячейками.

2. Разработанный компактный транспортируемый переносчик оптической частоты, способен синхронизовывать удаленные шкалы оптических частот с точностью ЗхЮ"14 без использования систем спутниковой и волоконно-оптической связи.

3. Абсолютное значение частоты созданных переносчиков использовано для калибровки шкал оптических частот в нескольких ведущих лабораториях мира.

4. Результаты исследований сдвигов частоты Не-Ые/СН4 лазера от внутренних паразитных обратных отражений и перестройки по области устойчивости телескопического резонатора позволяют сформулировать отдельные требования для разработки метановых ОСЧ нового поколения с прогнозируемой стабильностью Ю"15 - 10"16 .

5. Лабораторный макет радио генератора на основе Пе-Ые/СП4 лазера и фемтосекундного оптоволоконного лазера продемонстрировал возможность создания компактных радио генераторов нового типа с высокой кратковременной стабильностью частоты и низким уровнем фазовых шумов.

Результаты работы в настоящее время используются для выполнения НИР и ОКР по созданию КСЧ на оптических принципах в ФИАН, ИЛФ СО РАН, ФГУП «ВНИИФТРИ».

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Созданный малогабаритный стационарный лазерный спектрометр позволяет регистрировать и исследовать резонансы насыщенной дисперсии на Р2<2) линии метана со спектральным разрешением 10"11 - 10"12.

2. Сдвиги частоты лазера, стабилизированного по резонансу насыщенной дисперсии метана в условиях полного разрешения дублета отдачи, от давления метана и насыщающей мощности, не превышают величины 5* 1(У15 при условии поддержания величины обоих параметров с точностью 5%.

3. Повторяемость частоты созданного транспортируемого Не-Ые/СНд оптического стандарта составляет ЗхЮ"14 на интервале времени до 3 лет.

4. Величина измеренного сдвига частоты Не-Ые/СН) лазера от внутренних паразитных обратных отражений соответствует расчетному значению, полученному на основе теории, включающей в уравнение для поля граничные условия с потерями на всех элементах резонатора.

5. Перестройка телескопического резонатора по области устойчивости при наличии поперечной неоднородности усиливающей среды и больших дифракционных потерь приводит к сдвигам частоты транспортируемого Не-Ке/СН4 ОСЧ, достигающим величины ~ 4х10"12.

6. Созданный лабораторный макет радиогенератора на основе Не-Ые/СН4 лазера и оптоволоконного фемтосекундного лазера превосходит по стабильности частоты водородный мазер пассивного типа на временах усреднения т < 30 с.

Авторский вклад.

Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны автором лично или при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке, проведении и обработке результатов всех экспериментов.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, определяется: комплексным подходом, заключающимся в проведении исследований параметров резонансов в широком

диапазоне спектрального разрешения (10 9 - 10"12); подтверждением основных экспериментальных зависимостей результатами расчетов; корреляцией с данными, полученными иными экспериментальными методами; прямыми сличениями со стандартами частоты ведущих зарубежных лабораторий.

Апробация результатов.

Основные результаты, изложенные в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и отчетных совещаниях:

1. International Symposium "Modern problems of laser physics", Novosibirsk, Russia, August 28 - September 2, 1995.

2. Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 96), Braunschweig, Germany, 17-20 June, 1996.

3. 9th International Conference on Laser Physics, St.Petersburg, Russia, June 22-26, 1998.

4. 16th International Conference on Coherent and Nonlinear Optics, Moscow, Russia, June 29-July 3, 1998.

5. Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 98), Washington DC, USA, July 6-10,1998.

6. International Quantum Electronics Conference, Conference of Lasers, Applications, and Technologies (IQEC/LAT), Moscow, Russia, June 22-27, 2002.

7. XXIII Съезд по спектроскопии, г.Звенигород, Московская обл., 17-21 октября 2005 г.

8. European Frequency and Time Forum (EFTF 08), Toulouse, France, 21-25 April, 2008.

9. European Frequency and Time Forum (EFTF 09), Besancon, France, 23-28 April, 2009.

10. Отчетные совещания по Программе Президиума РАН «Экстремальные световые поля и их приложения»: 3-4 декабря 2009, 16-17 декабря 2010г., 26-27 декабрь 2011 г.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, включая 7 статей в реферируемых журналах, включенных в перечень ВАК РФ: «Квантовая электроника», "Laser Physics", "IEEE J. Quantum Electron.", "IEEE Trans. Instr. Meas.", "Applied Physics В" и 5 статей в трудах ведущих международных

конференций. По материалам работы получены 3 патента на изобретение. Полный список публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения и изложена на 163 страницах машинописного текста, включая 57 рисунков, 3 таблицы и список литературы, содержащий 121 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность и важность работы, определены цели и задачи диссертации, отмечена научная новизна и значимость результатов, полученных в диссертации, их практическая ценность, сформулированы защищаемые положения.

Глава 1 посвящена созданию малогабаритного стационарного лазерного спектрометра и исследованию внутридоплеровских резонансов насыщенной дисперсии F2(2) линии метана в условиях полного разрешения дублета отдачи (рис. 1).

1,5 1,0

(Ц

Ё 0,5

1= ГО

| 0,0 о

-0,5

-4-3-2-10 1 2 3 4 Частота (кГц)

Рис. 1. Запись дублета отдачи в стационарном Не-Ые/СН, лазере с диаметром луча в поглощающей ячейке - 170 мм (первая гармоника резонанса насыщенной дисперсии, нижняя спектрограмма). Для сравнения (верхняя спектрограмма) одновременно записана вершина центральной компоненты магнитной сверхтонкой структуры линии в транспортируемом Не^е/СНд лазере с диаметром луча в ячейке - 30 мм.

1 =6750 Гц

У"-''

J *

у = 765 Гц I

/ "і / \

Дано описание спектрометра в целом, особенностей оптической схемы и конструкции Не-Не/СН4 лазера с внутрирезонаторным 60-кратным телескопическим расширителем пучка, схемы регистрации сигнала. Минимальная достигнутая относительная ширина резонансов насыщенной дисперсии составила 4х10"12 .Приведены результаты измерения параметров резонансов и сдвигов частоты лазера (рис. 2,3) от давления метана и насыщающей мощности в диапазоне ширин реперных резонансов 400-900 Гц.

Давление метана (мкТорр)

Рис. 2. Зависимость сдвига центра линии в условиях дублетного расщепления от давления метана.

40 60 80 100 Мощность (мВ)

120 140

Рис. 3. Зависимость сдвига центра линии в условиях дублетного расщепления от мощности лазера.

Приведены данные по измерению с погрешностью 3 Гц частотных расщеплений между компонентами магнитной сверхтонкой структуры (МСТС) Р2(2) линии метана.

В Главе 2 приведен материал по разработке транспортируемого оптического стандарта частоты на основе Не-Не/СН4 лазера (ТОСЧ-60), стабилизированного по центральной компоненте разрешенной МСТС Р2(2) линии метана (относительная ширина резонансов насыщенной дисперсии - ЗхЮ"11). Созданные образцы ТОСЧ-бО испытывались и калибровались на традиционном радиооптическом частотном мосту Физико-технического института Германии (РТВ, г. Брауншвейг) относительно цезиевого репера. Были определены основные характеристики ТОСЧ-бО: стабильность и повторяемость частоты (рис. 4,5).

со х го с

Є <

З-

ГО ^

ш ф

сС о; пз

с;

<и

о о

X I-

1Е-15

1 10 100 1000 10000 Время усреднения (с)

Рис. 4. Относительная девиация Аллана ТОСЧ-бО, измеренная на радиооптическом мосту (РТВ, г.Брауншвейг, Германия) относительно активного водородного мазера (Ч1-75А).

Таблица 2. Результаты всех измерений ТОСЧ-ЫРЬ, не подвергавшегося модификации за весь период измерений.

Б = 88 376 181 600 ООО + Д (Гц)

Дата Частота (А, Гц) Стандартное

(3 последние отклонение (Гц)

цифры)

Ноябрь 1997 126 6

Ноябрь 1998 136 11

Декабрь 2000 130 8

В результате многократных абсолютных частотных измерений был определен наиболее важный параметр для переносчика - повторяемость частоты на длительных интервалах. Из полученных данных следует, что для ТОСЧ-ИРЬ на интервале 3 года разброс частоты составил 10 Гц (МО'13), а для ТОСЧ-ВІРМ

- 3 Гц на интервале 5 месяцев.

Созданные образцы ТОСЧ-бО, откалиброванные относительно первичного Се репера Германии, далее использовались для калибровки шкалы оптических частот в совместных спектроскопических и метрологических экспериментах с зарубежными лабораториями.

С их участием было выполнено:

- Измерение частоты Е - линии метана (РТВ, г. Брауншвейг, Германия).

- Измерение частоты 18-28 перехода водорода (Макс-Планк-Институт Квантовой оптики, г. Гаршинг, Германия). Применение ТОСЧ-бО позволило значительно повысить точность определения частоты перехода без создания полномасштабного радиооптического моста.

- Сравнение погрешностей радиооптических цепей РТВ и ЬРТР (г.Париж, Франция).

В ходе абсолютных частотных измерений было установлено, что, несмотря на высокую повторяемость частоты созданных образцов ТОСЧ-бО, разброс их средних значений доходил до 200 Гц. Исследованию возможных причин таких отличий посвящена Глава 3.

Глава 3. Несмотря на простоту схемы лазеров с поглощающими ячейками, в них существует целый ряд трудно разделимых «физических» (связанных с фундаментальными свойствами квантового перехода) и

«методических» (связанных с особенностями выбранного метода выделения резонанса) факторов, приводящих к искажениям формы и сдвигам вершины реперного резонанса. Изучению причин, ограничивающих долговременную стабильность, повторяемость и воспроизводимость частоты лазеров, стабилизированных по нелинейным внутридоплеровским резонансам, посвящено большое количество работ [10,14-26].

В диссертационной работе рассмотрены два вида частотных сдвигов, имеющих место в лазерах, стабилизированных по резонансам, выделяемым методами внутридоплеровской спектроскопии насыщения. Первый обусловлен наличием паразитных обратных отражений, второй - изменением пространственного распределения шля в лазерах с внутрирезонаторными телескопами при перестройке резонатора по области устойчивости.

Найдены два механизма сдвигов из-за обратных отражений:

(1) возникающая при детектировании производных резонансов частотнозависимая «паразитная» амплитудная модуляция излучения лазера;

(2) изменение пьедестала под резонансом в двухмодовом режиме. Эксперимент количественно подтвердил теоретические оценки сдвигов из-за обратных отражений.

Установлено, что сдвиги частоты от изменения конфигурации поля моды, задаваемой настройкой телескопов в транспортируемых Не-№/СН4 ОСЧ с высоким спектральным разрешением в «пролетной» области параметров и при больших диффракционных потерях могут достигать величины 5-Ю"12. Это объясняет разброс частот отдельных образцов транспортируемого оптического стандарта частоты, описанного в Главе 2.

Глава 4 посвящена созданию компактного задающего радиогенератора на основе Не-Ые/С Н4 лазера и фемтосекундного делителя оптической частоты.

Проблема задающих генераторов с предельно низким уровнем частотных и фазовых шумов является одной их центральных для успешной реализации КСЧ наивысшей точности. В отличие от применения сверхдобротных СВЧ и оптических резонаторов, в диссертационной работе исследуется другой подход к созданию задающих генераторов с высокой кратковременной стабильностью частоты. В качестве репера используются нелинейные резонансы на переходах молекулы метана.

В настоящей работе в качестве источника стабильной частоты применен Не-№/СН4 лазер, стабилизированный по резонансу насыщенной дисперсии Р2(2)

линии метана с относительной шириной 10"9 и обладающий кратковременной стабильностью частоты 1-Ю"14 (при времени усреднения 1 с). В качестве делителя оптической частоты использовался специально разработанный фемтосекундный оптоволоконный Ег3+ лазер1 (центральная длина волны 1550 нм, v = 212TTu), частота следования импульсов которого с помощью созданного нелинейно-оптического интерфейса, стабилизировалась по частоте He-Ne/Cft, ОСЧ.

Спектр излучения импульсных фемтосекундных лазеров с пассивной синхронизацией мод представляет собой широкую гребёнку эквидистантных спектральных компонент, отстоящих друг от друга на частоту повторения импульсов. Центр гребенки определяется несущей частотой фемтосекундного лазера, частота повторения fKp - временем обхода импульсом резонатора, а полная ширина гребенки - длительностью отдельного импульса.

Частота п-оп линии оптической гребёнки v„ с точностью до 10~19 определяется простым соотношением:

V„ = nfrep +fo,

где целое число п ~ 103 - 106, af0 - сдвиг гребенки как целого относительно нуля, причём 0 <f0< fKp . Важно, что частоты frep и f0 лежат в радиодиапазоне и могут быть измерены методами радиоэлектроники с точностью, определяемой существующими микроволновыми стандартами частоты, а целочисленное значение п определяется из более грубых интерферометрических измерений длины волны с помощью «Х-метра». Таким образом устанавливается связь оптической частоты v„ с легко измеряемыми микроволновыми частотами.

В зависимости от взаимного расположения частоты ОСЧ и спектра гребенки возможны различные схемы измерения оптической частоты или переноса стабильности оптического стандарта в радиодиапазон.

В первых работах использовались фемтосекундные титан-сапфировые (Ti:Sa) лазеры (к = 800 им, v = 375 ТГц), нелинейные оптические волокна с поперечной структурой типа фотонных кристаллов и схема регистрации прямых радиочастотных биений измеряемой оптической частоты с одной из компонент гребенки. В этом случае требуются точные значения обоих параметров f„.p и f0. Для измерения /о использовались фемтосекундные лазеры со спектром суперконтинуума шириной в октаву и схема измерений на основе "f-2J" интерферометра [27].

1 лазер производства ООО «Авеста», модернизированный совместно с А.В.Таусеневым

Схема деления существенно упрощается, если частота используемого ОСЧ меньше ширины спектра гребёнки, при этом частота стандарта может лежать вне спектра фемтосекундного лазера. Упрощение схемы связано с исключением из процесса измерения частоты /0 путем генерации разностных частот между компонентами спектра фемтосекундного лазера в нелинейном кристалле (рис. 6).

Рис.6. Общая схема метанового задающего радио генератора на основе генерации спектра разностных частот. ФД - фотодетектор, ФАП - система фазовой автоподстройки частоты, ^ер - частота повторения фемтосекундных импульсов.

Оптическая схема установки для получения гребенки разностных частот в области длин волн 3,39 мкм приведена на рис. 7.

Рис. 7. Оптическая схема установки для генерации разностной частоты. ППНЛ - кристалл периодически поляризованного ниобата лития.

і Компоненты гребенки разностных частот в области 3,39 мкм смешивалась

I с излучением метанового стандарта частоты на фотодетекторе. Полученный сигнал биений приведен нарис. 8.

-20 -30 -40

I -50 I -50

о -70 -80 -90 -100

Рис. 8. Радиочастотный спектр биений излучения Не-іїе гетеродинного лазера и ближайшей компоненты гребенки разностных частот.

Данный сигнал, отношение С/Ш в котором составляло 25-К30 дБ в полосе 100 кГц, подавался на систему частотно-фазовой автоподстройки для управления длиной резонатора фемтосекундного лазера, т.е. стабилизации частоты повторения импульсов /гер. Таким образом, стабильность оптической частоты метанового стандарта переносится на частоту повторения фемтосекундных импульсов, что и требуется для реализации метанового задающего генератора.

Сигнал метанового задающего радио генератора, представленный стабилизированной частотой /гер ~ 62 МГц, детектировался непосредственно с волоконного выхода фемтосекундного Ег3+ генератора. Его стабильность определялась сравнением с водородным мазером «41-1006».

Остаточные флуктуации сигнала, зарегистрированные частотомером при времени усреднения 1 с, показаны на рис. 9. Соответствующая стандартная девиация сигнала составляет 0,059 мГц (при частоте несущей ~ 62 МГц).

Ширина полосы пропускания ЮОкГц

Частота (МГц)

Из приведенных данных видно, что измеренная относительная стабильность частоты изменяется от 1><10"12 при т = 1 с до 6,5*] О"14 при т = 200 с. На временах усреднения т<50с она полностью определяется стабильностью используемого в измерениях Н-мазера «41-1006». На больших временах усреднения превалируют дрейфы частоты использовавшегося в эксперименте Не-Ые/СН4 ОСЧ. Вклад синтезатора частоты и частотомера в измеренную стабильность проверялся и был малым. При экстраполяции зависимости собственной стабильности Не-№/СН4 ОСЧ (кривая ( ) на рис. 10) в область времен усреднения т > 200 с видна тенденция к ее совпадению с сигналом задающего генератора (кривая (®)) в этой же области. Это позволяет предположить, что разработанный фемтосекундный волоконный делитель оптической частоты не ухудшает собственной стабильности ОСЧ и для более коротких времен усреднения, оставляя ее на уровне ~ 1 • Ю"14 при т ~ 1 с.

Для объективной оценки кратковременной стабильности метанового задающего генератора при т < 30 с необходим второй экземпляр генератора, либо более стабильный, чем Н-мазер источник.

В Приложении выполнен расчет параметров гауссова пучка в резонаторе с телескопическим расширителем и приведены удобные для расчетов формулы.

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

1. На основе высокочувствительного двухмодового метода нелинейной лазерной спектроскопии разработан и создан уникальный малогабаритный стационарный лазерный спектрометр, позволяющий исследовать резонансы насыщенной дисперсии Р2<2) линии метана со спектральным разрешением

ю-11 - ю-12.

2. Проведены спектроскопические исследования сверхузких резонансов насыщенной дисперсии Р2(2) линии метана в условиях полного разрешения дублета отдачи, измерены сдвиги частоты стабилизированного лазера от давления и насыщающей мощности в области ширин реперных резонансов 400-900 Гц.

3. На базе выполненных исследований созданы компактные транспортируемые Не-Ые/СН4 переносчики частоты, стабилизированные по резонансам насыщенной дисперсии метана с относительной шириной ЗхЮ"11. Выполнены абсолютные измерения их частоты относительно цезиевого репера, доказавшие, что повторяемость частоты созданных образцов достигает 3><10"14.

4. Разработана модель сдвигов частоты He-Ne/CFLi лазера от паразитных обратных отражений. Определен диапазон сдвигов частоты лазера от перестройки телескопического резонатора по области устойчивости в условиях разрешенной магнитной сверхтонкой структуры. Сформулированы требования на ряд параметров лазера (уровень дифракционных потерь, величина обратных отражений, величина поперечной неоднородности активной среды и др.), выполнение которых открывает возможность создания стандартов частоты нового поколения с прогнозируемой стабильностью 10~15 -10"16.

5. На основе метода генерации разностных частот в нелинейном кристалле разработана эффективная схема связи спектров He-Ne/CFLt и фемтосекундного волоконного эрбиевого лазеров, позволившая осуществить фазовую стабилизацию частоты повторения импульсов фемтосекундного лазера по реперной линии метана. В результате, впервые создан уникальный компактный радио генератор, превосходящий по кратковременной стабильности частоты лучшие кварцевые генераторы.

Список основных публикаций автора по теме диссертации.

1. Alekseev V.A., GubinM.A., KrylovaD.D., Tyurikov D.A., Shelkovnikov A.S. "Methane frequency standard (A. = 3.39 цт) with the bandwidth of the reference line of 800 Hz", Laser Physics, 4, p.356-363 (1994).

2. Gubin M.A., Tyurikov D.A., Shelkovnikov A.S., Koval'chuk E.V., Kramer G., Lipphardt B. "Transportable He-Ne/CFLt optical frequency standard and absolute measurements of its frequency", IEEE J. Quantum Electron., 31, 2177-2182 (1995).

3. Tyurikov D.A., Gubin M.A., Shelkovnikov A.S., Koval'chuk E.V. "Accuracy of the computer-controlled laser frequency standards based on resolved hyperfine structure of a methane line", IEEE Trans. Instr. Meas., 44,166-169 (1995).

4. Gubin M.A., Tyurikov D.A., Kireev A.N., Kovalchuk E.V., Shelkovnikov A.S., Depatie D. "New approaches towards high precise, compact methane optical frequency standard (X = 3.3 цт)", Proceedings of the Fifth Symposium on Frequency Standards and Metrology, Woods Hole, Massachusetts USA, October 15-19, 1995, p.305-309.

5. Gubin M., Shelkovnikov A., Kovalchuk E., Krylova D., Petrukhin E., Tyurikov D. "Present performance of the transportable He-Ne/CH4 optical frequency standards", Proceedings of the 13th European Frequency and Time Forum, Besancon, France, April 13-16,1999, pp.710-713.

6. AcefO., ClaironA., RoveraD., DucosF., HilicoL., Kramer G., LipphardtB., Shelkovnikov A., Kovalchuk E., Petrukhin E., Tyurikov D., Petrovskiy M., Gubin M., Felder R., Gill P., Lea S. "Absolute frequency measurements with a set of transportable methane optical frequency standards", Proceedings of the 13th European Frequency and Time Forum, Besancon, France, April 13-16, 1999, pp.742-745.

7. Gubin M., Petrukhin E., KrylovaD., Kovalchuk E., Tyurikov D., Shelkovnikov A., "Physical and technological aspects of compact He-Ne/CH., optical frequency standards of a highest performance", Proceedings of SPIE Symposium 2001: Laser Frequency Stabilization, Standards, Measurements, and Applications, John L. Hall, Jun Ye Editors, 4269,272-276 (2001).

8. Gubin M., Kovalchuk E., Petukhin E., Shelkovnikov A., Tyurikov D., et al "Absolute frequency measurements with a set of transportable He-Ne/CH4 OFS and prospects for future design and applications", in Proceedings of the 6th International Symposium on Frequency Standards and Metrology, 9-14 September 2001, St.Andrews, Scotland, World Scientific Publishing Ltd, editor P.Gill, pp.453-460.

9. Крылова Д.Д., Шелковников А.С., Петрухин Е.А., Губин М.А. «Влияние обратных отражений внутри резонатора на точность и стабильность оптических стандартов частоты», Квантовая Электроника, 34, 554-558 (2004).

10. Gubin М.А., KireevA.N., Tausenev A.V., Konyashchenko A.V., KryukovP.G., Tyurikov D.A., Shelkovikov A.S. "Femtosecond Er3+ fiber laser for application in an optical clock", Laser Physics, 17, 1286-1291 (2007).

11. Губин M.А., КиреевА.Н., Конященко A.B., Крюков П.Г., Таусенев A.B., Тюриков Д.А., Шелковников А.С. «Реализация компактных метановых оптических часов», Квантовая электроника, 38, 613-614 (2008).

12. Губин М.А., Киреев А.Н., Конященко А.В., Крылова Д.Д., Крюков П.Г., Таусенев А.В., Тюриков Д.А., Шелковников А.С. «Создание компактного задающего генератора и оптических часов на основе ИК перехода метана и фемтосекундного лазера», с.400-415, т.З «Оптическая спектроскопия и стандарты частоты» под ред. Е.А. Виноградова и Л.Н. Синицы, Томск: изд. Института оптики атмосферы СО РАН, 2009.

13. Gubin М.А., KireevA.N., Konyashchenko А. V., KryukovP.G., Shelkovnikov A.S., Tausenev A.V., Tyurikov D.A. "Femtosecond fiber laser based methane optical clock", Applied Physics B, 95, p.661-666 (2009).

14. Петрухин Е.А., Губин М.А., Крылова Д.Д., Шелковников А.С., «Способ стабилизации частоты двухмодового He-Ne/CH4 лазера». Патент РФ на изобретение №2316863, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. Зарегистрировано в Государственном реестре 10.02.2008 г., приоритет от

30.06.2006 г.

15. Губин М.А., Крылова Д.Д., ТюриковД.А., Шелковников А.С., «Способ стабилизации частоты лазера и устройство для его осуществления». Патент РФ на изобретение Д1' 2318278, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. Зарегистрировано в Государственном реестре 27.02.2008 г., приоритет от 18.09.2006 г.

16. Губин М.А., Трушковский Э.В., Тюриков Д.А., Шелковников А.С., «Стабилизированный двухмодовый He-Ne/CH4 лазер». Патент РФ на изобретение №2343611, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН. Зарегистрировано в Государственном реестре 10.01.2009 г., приоритет от

05.09.2007 г.

Список цитируемой литературы.

1. Басов Н.Г., Прохоров A.M. «Применение молекулярных пучков для радиоспектроскопического изучения вращательных спектров молекул», ЖЭТФ, 27, 431-438 (1954); «Молекулярный генератор и усилитель», УФН, 57,458-501 (1955).

2. Gordon J.P., Zeiger H.J., Townes С.Н. "Molecular microwave oscillator and new hyperfine structure in the microwave spectrum of NH3", Phys. Rev., 95, 282-284 (1954).

3. Goldenberg H.M., Kleppner D., Ramsey N.F. "Atomic hydrogen maser", Phys.Rev.Lett., 5, 361-365 (1960).

4. ОдуанК., ГиноБ. «Измерение времени. Основы GPS», пер с франц., М. Техносфера, 2002. - 400 с.

5. Риле Ф., «Стандарты частоты. Принципы и приложения», пер с англ., М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 512 с.

6. Басов Н.Г., Летохов B.C. «Оптические стандарты частоты», УФН, 96, 585631 (1968).

7. Hall J.L. "Nobel lecture: Defining and measuring optical frequencies", Rev. Mod. Phys., 78, 1279-1295 (2006); HanschT.W. "Nobel lecture: Passion for precision", Rev. Mod. Phys., 78, 1297-1309 (2006). Перевод в УФН, 176, 13531367, 1368-1380 (2006).

8. Летохов B.C., Чеботаев В.П. «Нелинейная лазерная спектроскопия сверхвысокого разрешения». М.: Наука, 1990. 512 с.

9. Hall J.L. «Frequency-stabilized lasers: from the beginning toward the future», Laser Physics, 4, 306-318 (1994).

10. Bagayev S.N., Chebotayev V.P., TitovE.A "Saturated absorption lineshape under transit-time conditions", Laser Physics, 4,224-292 (1994).

11. Дмитриев A.K. «Нелинейная лазерная спектроскопия, свободная от квадратичного эффекта доплера». Дисс. д.ф.-м.н., Новосибирск, Институт лазерной физики, 1995. - 98 с.

12. Kovalchuk E.V., DôringshoffK., MôhleK., Nagel M., ReggentinM., Peters A. "Towards a New Generation of Ultra-Stable Molecular Optical Frequency Standards," in Proceedings of the International Quantum Electronics Conference and Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim 2011, 28 August -1 September 2011, Sydney, Australia, paper 11001, pp.2100-2102.

13. Губин M.A., Киреев A.H., Козловский В.И., Коростелин Ю.В., ПневА.Б., Подмарьков Ю.П., Тюриков Д.А., Фролов М.П., Шелестов Д.А., Шелковников А.С. «Перестраиваемый двухмодовый Cr2+:ZnSe-na3ep со спектральной плотностью частотных шумов 0,03 Гц/Гц'/г», Квантовая электроника, 42, 509-513 (2012).

14. Borde С.J., Hall J.L., KunaszC.V., Hummer D.G. "Saturated absorption line shape: calculation of the transit-time broadening by a perturbation approach", Phys.Rev.A, 14,236-263 (1976).

15. Татаренков В.M. «Квантовые стандарты частоты инфракрасного диапазона и их применение в метрологии». Дисс. д.т.н., М: ВНИИФТРИ, 1982. - 246 с.

16. Alekseev V.A., Gubin М.А., Protsenko E.D. "High-precision optical frequency standards", Laser Physics, 1, 221-260 (1991).

17. Титов A.H. «О предельной точности метода насыщенного поглощения», Квантовая электроника, 8,2040-2042 (1981).

18. CérezP, FelderR "Gas-lens effect and cavity design of some frequency-stabilized He-Ne lasers", Applied Optics, 22,1251-1256 (1983).

19. Никульчин A.B., Ковальчук E.B. «Резонансное влияние характеристик активной среды на форму частотных резонансов в двухмодовом He-Ne/CHU лазере», Квантовая электроника, 16, 1799-1805 (1989).

20. Алексеев В.А., Крылова Д.Д. «Влияние неоднородности коэффициента усиления на сдвиг частоты лазерного стандарта», Квантовая электроника, 17, 869-872 (1990). Алексеев В.А., Крылова Д.Д. «Моды резонатора с

поперечной неоднородностью активной среды и их применение в нелинейной лазерной спектроскопии», М.: Препринт ФИАН №12, 1990г. -28с.

21. Крылова Д.Д., Шелковников A.C., Петрухин Е.А., ГубинМ.А. «Влияние обратных отражений внутри резонатора на точность и стабильность оптических стандартов частоты», Квантовая электроника, 34, 554-558 (2004).

22. Титов А.Н., Малышев Ю.М., Расторгуев Ю.Г. «Сдвиги частоты из-за линейного и квадратичного эффекта Допплера в лазерах с насыщенным поглощением», Исследования в области измерений времени и частоты. - М. изд. ВНИИФТРИ, 1987, с.40.

23. Титов Е.А. «Эффекты неортогональности поперечных мод из-за насыщенного поглощения в лазере с нелинейной поглощающей ячейкой», Оптика и спектроскопия, 67, 1183-1187 (1989).

24. Качалова Н.М., Романенко В.И., Яценко Л.П. «Влияние эффектов пространственной неоднородности на асимметрию и сдвиги частотных резонансов в двухмодовых лазерах», Квантовая электроника, 17, 428-434 (1990).

25. Базаров E.H., Герасимов Г.А., ГубинВ.П., Старостин Н.И., Фомин В.В. «Асимметрия резонанса и сдвиги частоты стабилизированного C02/0s04-лазера в условиях самофокусировки излучения в нелинейно-поглощающей среде», Квантовая электроника, 12, 1567-1573 (1985).

26. Acef О. "Metrological properties of C02/0s04 optical frequency standard", Opt. Commun., 134,479-486 (1997).

27. Jones D.J., Diddams S.A., RankaJ.K., StentzA., Windeier R.S., HallJ.L., Cundiff S.T. "Carrier-envelope phase control of femtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis", Science, 288, 635-639 (2000).

Подписано в печать 29.04.2013 г. Формат 60x84/16. Заказ №21. Тираж 100 экз. П.л 1.75. Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Шелковников, Александр Сергеевич, Москва

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н. ЛЕБЕДЕВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201358064

РЕЗОНАНСЫ НАСЫЩЕННОЙ ДИСПЕРСИИ МЕТАНА С ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ШИРИНОЙ 10'9-10'12 ДЛЯ ЗАДАЧ СТАНДАРТОВ ЧАСТОТЫ И ЗАДАЮЩИЙ РАДИО ГЕНЕРАТОР НА ИХ ОСНОВЕ.

01.04.21. Лазерная физика

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель доктор физ.-мат. наук Губин Михаил Александрович

Москва-2012 г.

I 1

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................ 5

ГЛАВА 1. ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЧАСТОТНЫХ РЕЗОНАНСОВ В МЕТАНЕ С ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ШИРИНОЙ 4x10"12..................... 20

1.1. Форма резонансов насыщенной дисперсии с учетом пролетных эффектов................................................. 24

1.2. Искажение формы линии и сдвиги частоты из-за методических факторов............................................. 25

1.3. Общая схема спектрометра......................................... 26

1.4. Опорный и гетеродинный лазеры................................. 29

1.5. Особенности оптической схемы Не-Не/СГЦ лазера с внутренним телескопическим расширителем пучка.......... 36

1.6. Оценка сдвигов нелинейных резонансов из-за наличия пучка с большой кривизной волнового фронта................ 40

1.7. Конструкция лазера с внутренним телескопическим расширителем пучка................................................. 46

1.8. Регистрация сигнала................................................. 49

1.9. Программное обеспечение.......................................... 55

1.10. Частотные измерения при разрешенном дублете отдачи.... 56

1.11. Определение частоты невозмущенного перехода Р2(2)

линии метана.......................................................... 64

1.12. Измерение частотного расщепления МСТС.................... 65

Основные результаты Главы 1.............................................. 67

ГЛАВА 2. ТРАНСПОРТИРУЕМЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ НЕ-ЫЕ/СН4

СТАНДАРТ С ПОВТОРЯЕМОСТЬЮ ЧАСТОТЫ 3• 10"14. 68

2.1. Особенности оптической схемы и конструкции ТОСЧ-бО. 69

2.2. Общая схема ТОСЧ-бО............................................................................................72

2.3. Двухмодовый режим генерации......................................................................75

2.4. Компьютерная стабилизация частоты ТОСЧ-бО..............................77

2.5. Метрологические испытания ТОСЧ-бО....................................................80

2.5.1. Стабильность частоты..............................................................................80

2.5.2. Результаты абсолютных частотных измерений..................81

2.6. Спектроскопические и метрологические применения ТОСЧ-бО..............................................................................................................................85

2.6.1. Измерение частоты 18- 28 перехода водорода..................85

2.6.2. Измерение частоты Е - линии метана........................................85

2.6.3. Сравнение радиооптических цепей РТВ и ЬРТБ..............86

Основные результаты Главы 2............................................................................................87

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СДВИГОВ ЧАСТОТЫ Не-Ке/СН4

ЛАЗЕРОВ..............................................................................................................................88

3.1. Влияние обратных отражений внутри резонатора на долговременную стабильность оптических стандартов частоты....................................................................................................................................89

3.1.1. Поле в резонаторе с дополнительной отражающей пластинкой..........................................................................................................92

3.1.2. Сдвиг из-за частотной модуляции резонатора....................94

3.1.3. Сдвиги в двухмодовом режиме........................................................95

3.1.4. Экспериментальное измерение сдвигов....................................99

3.2. Зависимость сдвигов частоты лазера от конфигурации поля моды, задаваемой настройкой внутрирезонаторного телескопа..................................................................................102

3.2.1. Экспериментальные исследования сдвигов частоты

в ТОСЧ-бО от положения окуляра................................................103

3.2.2. Обсуждение результатов эксперимента....................................108

Основные результаты Главы 3............................................................................................114

ГЛАВА 4. КОМПАКТНЫЙ ЗАДАЮЩИЙ РАДИО ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ ИК ПЕРЕХОДА МЕТАНА И ВОЛОКОННОГО

ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРА............................................................115

4.1. Фемтосекундные лазеры в метрологии оптических частот. Схема метанового радио генератора............................................................117

4.2. Результаты эксперимента с титан-сапфировым фемтосекундным делителем частоты........................................................122

4.3. Параметры He-Ne/CH4 стандарта частоты............................................124

4.4. Волоконная фемтосекундная лазерная система..............................125

4.5. Стабилизации частоты повторения фемтосекундных импульсов по радиочастотному синтезатору......................................127

4.6. Генерация спектра разностных частот......................................................130

4.7. Компактный метановый задающий генератор....................................132

Основные результаты Главы 4............................................................................................136

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................................137

ПЕРСПЕКТИВЫ............................................................................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ. Расчет параметров гауссова пучка в резонаторе с

телескопическим расширителем....................................................142

ЛИТЕРАТУРА................................................................................................................................................150

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность темы диссертационной работы.

Реализация возможности длительного удержания атомов в

долгоживущем возбужденном состоянии в СВЧ резонаторе высокой

добротности сразу позволила создать водородный мазер (Н-мазер,

vH= 1,420 ГГц) со стабильностью частоты выходного радиосигнала на два

порядка лучшей по сравнению с кварцевыми генераторами. В настоящее

время стабильность частоты Н-мазеров достигла 10~15 при времени

усреднения т = 1 сутки, и мазеры, используемые в качестве «хранителей

частоты» и непрерывно идущих часов, стали основным инструментом

высокоточных частотно-временных и координатных измерений [4]. Помимо

исключительной важности исследований по повышению стабильности и

точности частотной и временной шкал для фундаментальной науки

(прецизионная спектроскопия, фундаментальные физические эксперименты,

астрофизика и радиоастрометрия, использующие интерферометры со

сверхдлинной базой, и др.), существенно расширилась практическая сфера

применений результатов таких исследований. Системы спутниковой

навигации ГЛОНАСС / GPS имеют своей целью создание глобального

«координатно-временного поля», доступного в любой точке Земли и в

ближайшем (до 2000 км) космосе, позволяющего производить высокоточные

измерения координат и времени для задач навигации, управления,

синхронизации приема-передачи информации между удаленными объектами,

и т.д. Центральными элементами, определяющими точность синхронизации

всех наземных и бортовых элементов этих систем, являются КСЧ, как

активного типа на основе Н-мазеров, так и пассивного на основе цезиевых и рубидиевых реперов, пассивных Н-мазеров. Прогресс этих навигационных систем, в частности при определении координат в реальном масштабе времени с точностью 10 см и менее, в определяющей степени зависит от улучшения стабильности и точности КСЧ. Для следующего поколения спутниковых навигационных систем стоит задача создания КСЧ с точностью

17 16

~ 10" и суточной стабильностью до 1-10" . Возможность столь радикального повышения точности и стабильности связана с использованием реперных переходов в оптическом диапазоне спектра и созданием лазерных стандартов частоты на основе холодных атомов и ионов в световых и электромагнитных ловушках [5].

Общие принципы и преимущества применения лазеров в стандартах частоты были перечислены еще в первом отечественном обзоре, посвященном оптическим стандартам частоты (ОСЧ) [6]. Однако несколько десятилетий ОСЧ развивались «в отрыве от практики», поскольку не существовало удобных средств измерения оптических частот и переноса стабильности и точности лазерных стандартов в привычный для потребителя радиодиапазон.

Одно из преимуществ такого объединения — передача метрологических

параметров одного устройства другому, что позволяет потребителю

приблизиться к «идеальному» стандарту, выбирая нужное сочетание свойств этого стандарта (относительная стабильность частоты, ширина спектра, точность).

Поскольку в одном устройстве крайне сложно достигнуть и предельной стабильности на малых временах, и предельной точности частоты (требования на параметры квантового дискриминатора при этом противоречат друг другу), стандарты развиваются по трем основным направлениям: (1) - задающие генераторы (узкий спектр излучения, высокая кратковременная стабильность частоты, например - кварцевые генераторы); (2) - хранители частоты (высокая долговременная стабильность, например — Н-мазер); (3) - реперы (предельная точность воспроизведения частоты невозмущенного перехода, и соответственно, размера секунды, например — Сб репер частоты).

Что касается развития реперов, то в достижении предельной точности и воспроизводимости частоты неоспоримыми преимуществами обладают СВЧ и оптические реперы, использующие спектральные линии глубоко охлажденных атомов/ионов, захваченных в ловушках или совершающих движение в геометрии «фонтана» [8,9]. Собственная неопределенность значения частоты современных ОСЧ на одиночных холодных ионах и А1+, дополненных фемтосекундными делителями частоты (часто эти устройства называются «оптическими часами»), в настоящее время снижена

1*7

до величины 10" [10,11]. Недостатком ОСЧ на одиночных частицах является

малое отношение сигнал / шум и необходимость длительного усреднения

сигнала. В значительной степени эта проблема решена в ОСЧ, использующих

холодные атомы, захваченные в оптических решетках. Так, в ОСЧ на атомах

8г и УЬ число атомов, дающих вклад в сигнал реперной спектральной линии,

достигает 105-106 [12,13]. Указанные варианты оптических стандартов,

претендующие на высшую точность и воспроизводимость частоты, в

настоящее время представляют собой сложные стационарные установки, и

для их работы необходимы задающие генераторы с чрезвычайно узким (доли

Гц) спектром и высокой 10"15 за 1 с) кратковременной стабильностью частоты [14,15]. Создание таких оптических задающих генераторов стало реальностью с развитием техники стабилизации частоты лазеров по высокодобротным интерферометрам Фабри-Перо [16,17,18].

Для работы первичных стандартов частоты, использующих часовые переходы в микроволновом диапазоне, также требуются задающие генераторы с предельной кратковременной стабильностью. Лучшие кварцевые генераторы имеют совершенно недостаточную (~ 10"13 за 1с) стабильность частоты, и поэтому, активно развиваются задающие генераторы на основе криогенных СВЧ резонаторов [19], а также на основе оптических задающих генераторов с делением их частоты и переносом их стабильности в микроволновый диапазон [20,21].

1 Ч

высокая кратковременная стабильность частоты (10" , при т=1с), значительные массо-габаритные параметры (75-200 кг), высокая стоимость.

В настоящей работе исследуются возможности создания высокостабильного задающего генератора, хранителя и переносчика частоты оптического диапазона на основе Не-№ лазеров, стабилизированных по спектральным линиям молекулы метана.

Большая доля изложенного в диссертации материала (главы 1,2,3)

относится к «дофемтосекундной эпохе», когда отсутствовали удобные

средства связи оптического и радиодиапазонов. Роль созданных метановых

задающих генераторов и переносчиков оптической частоты была важна, но позволяла решать сравнительно узкий круг научных и метрологических задач (это относится ко всем ранее разрабатывавшимся оптическим стандартам частоты).

Цели диссертационной работы:

1. Оценка возможности создания стандартов частоты с повторяемостью и воспроизводимостью ~10"14-10"15 на основе резонансов насыщенной дисперсии с относительными ширинами ~ 10~12 на Р2(2) линии метана в условиях полного разрешения дублета отдачи.

2. Создание компактного транспортируемого Не-№/СН4 ОСЧ, стабилизированного по резонансу насыщенной дисперсии в условиях полного разрешения магнитной сверхтонкой структуры (с относительной шириной ЗхЮ"11).

3. Калибровка шкал оптических частот различных лабораторий с точностью 10~13 - 10"14 транспортируемым Не-Ме/СН4 ОСЧ с целыо получения новой спектральной и метрологической информации.

4. Создание на основе Не-Ме/СН4 лазера и волоконного фемтосекундного делителя оптической частоты лабораторного макета радио генератора с кратковременной стабильностью частоты на 1-2 порядка выше, чем у лучших кварцевых генераторов.

Данный выбор связан со случайным совпадением линии усиления He-Ne лазера и указанной линии метана, что стимулировало исследования и разработки по He-Ne/CHi системе с внешней и внутренней метановой поглощающей ячейкой, начатые пионерскими работами B.C. Летохова, Дж. Холла и В.П. Чеботаева в конце 60-х годов [22,23, ссылки в них]. Дальнейшие исследования выявили целый ряд тонких спектроскопических и методических особенностей, влияющих на предельные параметры по стабильности, повторяемости, воспроизводимости и точности не только данной системы, но и других ОСЧ с поглощающими ячейками на 12 [24,25,26], С2Н2 [27], SF6 [28], 0s04 [29,30,31], Rb [32] с использованием газовых, твердотельных и полупроводниковых лазеров. Среди различных пар «лазер - поглотитель» наиболее высокая стабильность частоты в сочетании с небольшими габаритами продемонстрирована двумя системами: Nd:YAG/I2 и He-Ne/CHj. В частности, новейшие исследования показывают, что потенциальная стабильность лазеров, привязанных к внутридоплеровским резонансам молекулярного йода и метана, составляет 10"15 - 10~16 при времени усреднения 1-104 с [33,34].

Для достижения поставленных целей в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Разработан и создан малогабаритный стационарный лазерный спектрометр, позволяющий исследовать резонансы насыщенной дисперсии

11 jo

F2 линии метана со спектральным разрешением 10" - 10' .

2. Проведены спектроскопические исследования сверхузких резонансов

насыщенной дисперсии F2(2) линии метана в условиях полного разрешения

дублета отдачи, измерены сдвиги частоты стабилизированного лазера от

давления и насыщающей мощности в области ширин реперных резонансов 400-900 Гц.

3. Созданы компактные транспортируемые Не-Ие/СН) переносчики частоты, стабилизированные по резонансам насыщенной дисперсии метана с относительной шириной ЗхЮ"11. Выполнены абсолютные измерения их частоты относительно цезиевого репера, доказавшие, что повторяемость частоты созданных образцов достигает 3 х 10"14.

4. Разработана модель сдвигов частоты Не-Ке/СН4 лазера от внутренних паразитных обратных отражений. Определен диапазон сдвигов частоты лазера от перестройки телескопического рез