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 v0 (центральной частоты перехода). Спектральные линии газа 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-v0)/v0. Поэтому в спектральной линии выжигаются 2 провала. Только если генерация лазера возбуждается на частоте резонатора, соответствующей вершине спектральной линии v0, обе бегущие волны поглощаются одними и теми же частицами и 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 v0 квантового 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; v0 - 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. 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.




Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

ОПТИЧЕСКИЙ ГИРОСКОП →← ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

Смотреть что такое ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ в других словарях:

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

        квантовые стандарты частоты оптического диапазона. О. с. ч. по сравнению с квантовыми стандартами частоты (См. Квантовые стандарты частоты) рад... смотреть

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

квантовые стандарты частоты, в к-рых частотным репером служит сверхузкая спектр. линия излучения лазера. В О. с. ч. используются газовые лазеры... смотреть

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ, квантовые стандарты частоты, в которых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени.<br><br><br>... смотреть

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ - квантовые стандарты частоты, в которых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени.<br>... смотреть

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ , квантовые стандарты частоты, в которых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени.... смотреть

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ, квантовые стандарты частоты, в которых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и времени.... смотреть

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

квантовые стандарты частоты, в к-рых используется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открывают путь к созданию единого эталона длины и вре... смотреть

ОПТИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ ЧАСТОТЫ

- квантовые стандарты частоты, в которыхиспользуется сверхузкая спектральная линия излучения лазера. Открываютпуть к созданию единого эталона длины и времени.... смотреть

T: 187