CC BY
11УДК 621.374,621.376,621.373.8
М. А. Губин, А. Н. Киреев, А. Б. Пнев, Д. А. Тюриков, Д. А. Шелестов, А. С. Шелковников, В. А. Лазарев
ОПТИЧЕСКИЙ СТАНДАРТ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ Cr2+: ZnSe-ЛАЗЕРА
Рассмотрены исследования оптических стандартов частоты (ОСЧ) на основе резонансов насыщенного поглощения и дисперсии, выделяемых методами нелинейной лазерной спектроскопии в газовых ячейках низкого давления. Оценены возможности создания ОСЧ на основе Cr2+: ZnSe-лазера и метановой поглощающей ячейки (Cr2+: ZnSe /CH4, X = 2,36 мкм), обладающего долговременной стабильностью 1-10~15...1-10~16.
E-mail: apniov@gmail.com
Ключевые слова: ОСЧ; Cr2+: ZnSe-лазер; метановая ячейка; компактный транспортируемый ОСЧ; точность, стабильность, воспроизводимость ОСЧ; хранители частоты; методы спектроскопии насыщения.
Введение. Развитие ряда областей науки и техники определяется возможностью проведения высокоточных измерений времени и частоты. В течение ХХ в. точность измерения временных интервалов повысилась от 10-7 (маятниковые часы) до 1015 для часов, основанных на сверхтонком квантовом переходе атома Cs, период колебаний которого определяет длительность секунды в системе СИ. Основой такого повышения послужило прежде всего повышение частоты колебаний «маятника» от единиц до 1010 Гц (частота эталонного перехода в Cs vCs = 9,1 ГГц). Следующий шаг в повышении точности эталона времени связан с освоением оптического диапазона и стабилизацией частоты излучения лазеров по спектральным линиям атомов и молекул в диапазоне частот 1014.. ,1015 Гц, что обещает повышение точности еще на 2—3 порядка по сравнению с Cs-эталоном. Использование стабилизированного оптического излучения для измерения временных интервалов стало возможным после появления удобных средств калибровки оптических частот по частоте Cs-эталона. Такие средства калибровки — «делители оптической частоты» в 104—106 раз, связавшие оптический и СВЧ-диапазоны, основаны на свойствах спектра излучения лазеров, генерирующих непрерывную последовательность фемтосе-кундных импульсов [1, 2]. В настоящее время точность сравнения радио- и оптических частот (неточность передачи потребителю) может достигать ~10-19 [3], поэтому главным источником погрешности являются оптические стандарты частоты (ОСЧ), стабилизированные по атомным или молекулярным переходам.
Определяющим фактором повышения точности, воспроизводимости и стабильности частоты является выбор реперного квантового перехода и метода регистрации спектрального резонанса и точности его определения. Требуется высокое отношение сигнал/шум (С/Ш) выделяемой реперной линии, а также устранение влияния физических и технических источников возмущений, приводящих к сдвигам стабилизированной частоты относительно частоты идеального («невозмущенного») квантового перехода.
В стандартах частоты реперная линия регистрируется по поглощению или фазовой задержке излучения внешнего генератора при взаимодействии с атомами или молекулами. Факторами, ограничивающими стабильность частоты, являются относительная ширина реперной линии, к центру которой осуществляется привязка частоты генератора, и отношение сигнал/шум, с которым эта линия выделена.
Предельная стабильность частоты, выраженная в виде среднего квадратического относительного двухвыборочного отклонения (параметр Аллана) [4], определяется соотношением
где у — ширина реперной линии; V, V— среднее и текущее значение несущей частоты; т — время усреднения; Ш/С — отношение шум/сигнал.
В достижении предельной точности и воспроизводимости частоты неоспоримыми преимуществами обладают квантовые стандарты частоты (СВЧ и оптические), использующие реперные линии «холодных» атомов/ионов, захваченных в ловушках или совершающих движение в виде «фонтана» [4]. Собственная неопределенность частоты современных ОСЧ на одиночных «холодных» ионах Н£+ и А1+, дополненных фемтосекундными делителями частоты (часто эти устройства называются «оптическими часами»), снижена в настоя-
-17
щее время до 10"1' [5]. Недостатком ОСЧ на одиночных частицах является малое отношение С/Ш и необходимость длительного усреднения сигнала. В значительной степени эта проблема решена в ОСЧ, использующих «холодные» атомы, захваченные в световых ловушках. Так, в ОСЧ на атомах Бг и УЬ число атомов, влияющих на сигнал реперной спектральной линии, достигает 105...106 [6]. Все указанные типы эталонов, обеспечивающие высокую точность и воспроизводимость частоты, представляют собой сложные стационарные установки.
о" (2, т)_ 1
V V
2
2
На практике помимо эталонов данного типа требуются также компактные, относительно недорогие хранители частоты, пусть и уступающие указанным выше ОСЧ по точности и воспроизводимости, но имеющие необходимую стабильность частоты на времени усреднения 1.105 с (в зависимости от области применения) и периодически калибруемые по эталонам. Наиболее стабильными и широко применяемыми на практике хранителями частоты в настоящее время являются водородные мазеры (частота излучения vН = 1,4 ГГц). Лучшие активные Н-мазеры при суточном усреднении имеют долговременную стабильность частоты 1 • 10-15 [7, 8 ]. Недостатком их является наличие дрейфа на времени усреднения т > 105 с, высокие требования к условиям эксплуатации, недостаточно высокая кратковременная стабильность частоты (Ы0, т = 1 с), значительные массогабарит-ные параметры (75.200 кг), высокая стоимость.
В данной работе проведена оценка возможности создания хранителя частоты на основе ОСЧ с газовой ячейкой низкого давления, не уступающего по долговременной стабильности активным Н-мазерам, но на два порядка превышающего кратковременную стабильность частоты, компактного и допускающего практическую реализацию.
В настоящее время в качестве хранителя частоты на основе ОСЧ могут быть использованы Не-Ые- и Сг2+: 2п8е-лазеры, прогнозируемые показатели нестабильности которых достигают 1 • 10-16 за 1 с усреднения. В данной работе исследовали Сг2+: 2пБе-лазер.
При разработке хранителя частоты сложилась следующая методология. Среди уже изученных квантовых переходов в различных атомах и молекулах подбирают такие, ширина которых минимальна. Затем из этого набора атомов и молекул выделяют ряд веществ, при использовании которых не предъявляют высокие требования к условиям эксплуатации. В состав ОСЧ помимо вещества с требуемым квантовым переходом — репером частоты — входит лазер, длина волны которого совпадает с подходящим квантовым переходом вещества репера. Если в начале исследований выбор поглощающих переходов был ограничен из-за отсутствия «малошумящих» перестраиваемых лазеров, то в настоящее время это ограничение в значительной степени снято и при необходимости можно получить узкие резонансы насыщенного поглощения или дисперсии насыщения практически во всем видимом и ИК-диапазонах спектра. Для метрологических применений среди различных пар лазер — поглотитель наиболее разработаны вторичные ОСЧ на линиях газообразных 12, СН4, С2Н2, 8Б6, 0б04 с использованием газовых, твердотельных и полупроводниковых лазеров.
В работе [9] описан эксперимент с применением Сг2+: 2пБе-лазе-ра, активной средой которого являлся монокристалл, выращенный на
монокристаллической затравке физическим транспортом из паровой фазы с одновременным легированием в процессе роста (см. рисунок). При этом была использована оптическая накачка волоконным тулли-евым лазером мощностью 2,8 Вт. Активный элемент толщиной 2,2 мм с поперечным размером 1,5*8 мм позволил получить на длине волны 2,36 мкм вблизи исследуемой линии поглощения метана излучение с выходной мощностью 61 мВт. Минимальный уровень шумов, достигнутый в этом эксперименте, составил 0,03 Гц/Гц12. Расчеты, проведенные на основе полученных экспериментальных данных, показали, что такая комбинация Сг2+; 2п8е-лазера и СЩ-репера может обеспечить относительную девиацию Аллана [4] на уровне 2-10-16 за время усреднения 1 с.
Схема экспериментальной установки:
ЭФП — эталон Фабри — Перо; ИФП — интерферометр Фабри — Перо; ДП — делитель пучка
Проведенное исследование позволяет сделать вывод, что на основе Сг2+; 2п8е-лазера с СН4-ячейкой возможно построение транспортируемого хранителя частоты с максимально достижимой ключевой характеристикой ОСЧ — относительной нестабильностью на уровне 240-16.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ
в рамках государственного контракта № 16.513.11.3115 от 13 октября 2011 г.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hall J. L. Nobel lecture: Defining and measuring optical frequencies // Rev. Mod. Phys. - 2006. - Vol.78. - No. 4. - P. 1279-1295; Hansch T.W. Nobel lecture: Passion for precision // Rev. Mod. Phys. - 2006. - Vol. 78. -No. 4. - P. 1297-1309: пер. УФН. T. 176. № 12 (2005). - C. 1354-1380.
2. Крюков П. Г. Фемтосекундные импульсы. - М.: Физматлит, 2008. -С.205.
3. Stenger J., Schnatz H., Tamm Ch., Telle H. R. Ultra-precise measurement of optical frequency ratios // Phys.Rev.Lett. 88:071601-1-4, 2001.
4. Риле Ф. Стандарты частоты. Принципы и приложения : Пер. с англ. -М.: Физматлит, 2009. - 512 с.
5. Chou C. W., Hume D. B., Koelemeij J. C. J. et al. Frequency Comparison of Two High-Accuracy Al+ Optical Clocks // Phys. Rev. Lett. - 2010. -Vol. 104. - P. 070802.
6. Lodewyck J., Westergaard P. G., Lorini L. et al. Trapping induced frequency shifts by comparison of two Sr optical lattice clocks at the 10-17 level // Proceedings 2011 Joint Conference of the IEEE International Frequency Control Symposium & European Frequency and Time Forum. May 15. 2011. San Francisco. California. USA.
7. http://www.vremya-ch.com
8. http://www.kvarz.com/general/1-75.html
9. Перестраивамый двухмодовый Cr2+: ZnSe-лазер со спектральной плотностью частотных шумов 0,03 Гц/Гц12 / М.А. Губин, А.Н. Киреев, В.И. Козловский и др. // Квантовая электроника. - 2012. - № 6. - С. 509.
Статья поступила в редакцию 26.09.2012
