Методы и средства измерений оптических частот и их применение в эталонах времени, частоты и длины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.15, доктор технических наук в форме науч. докл. Домнин, Юрий Сергеевич

• Домнин, Юрий Сергеевич
• доктор технических наук в форме науч. докл.
• 1999

Оглавление диссертации доктор технических наук в форме науч. докл. Домнин, Юрий Сергеевич

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность работы

1.2 Цель работы

1.3 Состояние вопроса и основные направления исследований

1.4 Новизна полученных результатов

1.5 Внедрение результатов

1.6 Апробация работы Ю

1.7 Публикации

1.8 К защите выносятся следующие положения

1.9 Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию

1.10 О соотношении докторской и кандидатской диссертаций

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1 Основные проблемы в измерениях частот лазеров

2.2 Лазерная умножительная цепь для прецизионных частотных измерений

2.3 Умножительно-смесительные диоды

2.4 Лазерные стандарты частоты

2.5 Синхронизация и измерения частот лазеров

2.6 Метрологические исследования РОЧМ

2.7 Аттестация радиооптического частотного моста

2.8 Линейные измерения и единый эталон временичастоты-длины

2.9 Сличения с помощью перевозимого лазера

2.10 Анализ результатов сличений и рекомендации

2.11 О возможности вариаций фундаментальных констант

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЫ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и средства измерений оптических частот и их применение в эталонах времени, частоты и длины»

В настоящее время лазерные источники излучения имеют широкое применение в различных областях науки и техники. Одно из важнейших свойств некоторых лазеров - высокая когерентность излучения - обусловило их широкое применение в различных направлениях метрологии. Одновременно сами лазеры являются предметом метрологических исследований, в частности, исследований в области времени, частоты и длины. Появление лазеров и их непрерывное развитие привело к расширению частотного диапазона источников электромагнитного излучения в десятки и сотни тысяч раз. Применение лазеров в связи, спектроскопии, в оптических стандартах частоты, в линейных измерениях и в других областях науки и техники привело к необходимости метрологического обеспечения частотных измерений во вновь освоенных диапазонах. В задачах спектроскопии сверхвысокого разрешения, в разработках оптических стандартов частоты, в ряде фундаментальных физических исследований требуются предельно точные знания частот лазеров и возможность измерений частот на уровне точности, сопоставимом с точностью первичного эталона. В технике связи, в линейных измерениях и при решении других задач требуется как можно более широкий диапазон частотных измерений. Именно вопросы освоения абсолютных частотных измерений и применения лазерных стандартов частоты в метрологии представлены в диссертационной работе.

Работы по расширению диапазона частотных измерений и расширению диапазона действия первичного эталона частоты до 1014 Гц выявили необходимость проведения исследований промежуточных лазеров в умножительной лазерной цепи, разработки и создания нелинейных элементов и способов борьбы с шумами умножительной цепи. Сложность абсолютных измерений частот лазеров вьдаала необходимость создания промежуточных лазерных стандартов часто ты, которые существенно упрощают измерения в частотном диапазоне действия этих стандартов. Эти промежуточные стандарты формируют сеть реперных частот, более или менее равномерно заполняющих частотный диапазон вплоть до 10м Гц.

Вопросы достоверности частотных измерений достаточно уверенно решаются путем сличений. Однако, в настоящее время не существуют перевозимые умножительные лазерные цепи и отсутствуют методы передачи лазерных частот на дальние расстояния. Создание и исследование перевозимых малогабаритных стандартов частоты и использование их в качестве хранителей частоты позволяют проводить исследования и сличения как самих оптических стандартов, так и умножительных лазерных цепей. Перевозимые лазеры позволяют производить калибровку частоты лазеров, используемых для воспроизведения единицы длины - метра. Таким образом осуществляется связь между ГПЭ частоты и ГПЭ длины, частота лазеров в ГПЭ длины определяется через частоту перехода в сверхтонкой структуре атома цезия и таким образом формируется ГПЭ времени, частоты и длины

Одна из основных концепций современной метрологии требует создания "неуничтожимых" эталонов, основанных на квантовых явлениях и их взаимосвязи через фундаментальные физические константы. Освоение частотных измерений и создание "сетки" промежуточных стандартов позволило укрепить эталонную базу путем воспроизведения единицы частоты с помощью стандартов различной физической природы. Одновременно долговременные исследования поведения стандартов частоты различной физической природы во времени позволяют проводить исследования по подтверждению постоянства самих физических констант во времени. Этот вопрос важен не только для метрологии, но и для современной концепции построения физической картины Вселенной.

Согласно современным идеям стандарты частоты на основе атомных или ионных ловушек с лазерным охлаждением и использованием оптических двухфотонных переходов могут иметь погрешность воспроизведения частоты на уровне 1017 - 10'18. Освоение методов и средств измерения частот лазеров принципиально решает задачу внедрения таких стандартов частоты в практику.

1.2 Цель работы

1. Освоение техники абсолютных частотных измерений лазеров и внедрение этих измерений в метрологическую практику.

2. Исследования возможности измерения частот лазеров с точностью, сопоставимой с точностью воспроизведения размера единицы частоты государственным эталоном времени и частоты.

3. Создание и исследование радиооптического частотного моста с целью метрологического обеспечения частотных измерений и расширения области действия эталона частоты до 10м Гц.

4. Проведение метрологических исследований средств абсолютных измерений частот лазеров.

1.3 Состояние вопроса и основные направления исследований

После появления первых работ по лазерам появились многочисленные работы по их возможным применениям. Произошло осознание того факта, что оптическое излучение, генерируемое лазером, проявляет свойства, характерные для электромагнитных излучений. Были проведены эксперименты по наблюдению биений частот двух лазеров и появилась идея о возможности генерации гармоник и смешения частот лазеров с целью измерения их частот аналогично тому, как эти измерения осуществляются в СВЧ диапазоне. Впервые частота лазера была измерена Джаваном и др. в 1967 г. [1]. В этом эксперименте впервые было произведено умножение частоты СВЧ диапазона до частоты субмиллиметрового лазера и осуществлено смешение частот и выделение разностной частоты с помощью точечного кремниевого диода, применяемого в СВЧ технике. После этих экспериментов укоренилось название "абсолютные измерения частот лазеров" (в отличие от относительных частотных измерений, когда смешиваются на фотодиоде частоты двух одинаковых лазеров, выделяется частота биений и отсутствует процесс нелинейного преобразования лазерных частот).

Принципиальная возможность абсолютных измерений частот лазеров открыла перспективы исследований в следующих направлениях:

1. Исследования по освоению частотного диапазона измерений от СВЧ до оптических частот.

2. Исследования по одновременному измерению частот и длин волн лазеров и определению скорости света.

3. Повышение точности абсолютных частотных измерений до уровня, существенно превосходящего уровень интерференционных линейных измерений.

4. Метрологические исследования правильности и достоверности результатов абсолютных частотных измерений.

По первым двум направлениям были начаты работы в ЫВв (США) [2], в ЫР1 (Англия) [3] и ВНИИФТРИ (СССР) [4]. Несколько позже исследования по освоению абсолютных частотных измерений стартовали в Институте Теплофизики СО АН СССР [5], ЫЯС (Канада) [6], затем в Ш1М (Япония) [7], ЬРТР (Франция) [8] и РТВ (Германия) ¡9].

Наряду с вопросами освоения частотных измерений, вопросы повышения их точности, правильности и достоверности составляли основную цель исследований и работы в этом направлении были выполнены в первую очередь во ВНИИФТРИ.

Одним из возможных способов повышения точности абсолютных измерений является способ синхронного измерения частот всех лазеров, участвующих в процессе измерения. Такой способ применялся в [10]. Аналогичные работы проводились в Институте Теплофизики СО АН СССР [11].

Во ВНИИФТРИ с самого начала работа проводилась в направлении полной фазовой синхронизации умножительной лазерной цепи. При этом в первую очередь была решена одна из основных проблем в вопросах повышения точности абсолютных частотных измерений - проблема квадратичного возрастания шумов при умножении опорных частот. Эта проблема налагает практические ограничения на предельные коэффициенты умножения частот опорных сигналов. Опорные сигналы лучших типовых стандартов частоты (5 или 10 МГц) могут быть умножены до частот не более 100 - 300 ГГц. Эффективным способом преодоления этой проблемы явился способ фазовой синхронизации субмиллиметрового лазера, предложенный в работе автора [12]. На первых этапах была разработана умножительная лазерная цепь с промежуточными лазерными стандартами частоты. В качестве таких промежуточных стандартов рассматривались СОг лазеры, стабилизированные по линии флюоресценции в С02 газе низкого давления, а также по нелинейному поглощению в ОвОА [13,14]. Затем были обнаружены ошибки, присущие методам измерения с помощью анализаторов спектра. Измерения частот биений лазеров с помощью частотомеров не представлялись возможными напрямую из-за недостаточного отношения сигнал/шум в измеряемом сигнале. Для преодоления этого препятствия была разработана система фазовой автоподстройки следящего генератора к измеряемому сигналу и последующее измерение частоты следящего генератора с помощью частотомера.

Начиная с момента решения проблем частичной синхронизации лазерной цепи выяснилось, что ограничивающим фактором в повышении точности является разный уровень стабильности частот оптических стандартов. Наиболее высокую стабильность и воспроизводимость частоты имеет Не-№/СН., лазер. Следовательно, дальнейшее повышение точности измерений может быть достигнуто путем применения фазовой синхронизации умножительной цепи либо по этому лазеру, либо по первичному эталону, либо по комбинации этих стандартов частоты.

С 1985 г. во ВНИИФТРИ проводились измерения частоты Не-№/СН4 лазера с помощью полностью синхронизированной лазерной цепи, которые еще раз подтвердили несходимость результатов измерений ВНИИФТРИ с результатами, полученными во всех других лабораториях, но по-прежнему подтверждающие предыдущие результаты ВНИИФТРИ.

Для решения вопроса о правильности измерений во ВНИИФТРИ был разработан малогабаритный перевозимый Не-Ме/СН4 лазер, обладающий стабильностью и воспроизводимостью частоты на уровне Ю',2/год. К этому времени был существенно повышен уровень воспроизводимости и точности абсолютных измерений частоты СОг/ОэО^ лазера.

В 1985 г. были проведены первые сличения перевозимого лазера М101 с лазерами МБМВ и была достигнута договоренность о проведении совместного с LPTF эксперимента по абсолютному измерению частоты лазера М101, опираясь на известное значение частоты CO2/OSO4 лазера. В дальнейшем проводились абсолютные измерения частоты на умножительных цепях в Канаде и Германии при участии МБМВ, имеющего также перевозимые лазеры. Были проведены также сличения с лазерами NRLM и многократные сличения с более точными двухмодовыми лазерами с разрешенной сверхтонкой структурой, разработанными в ФИ АН СССР. Сличения в РТВ также проводились с пучковым лазером с разрешенной сверхтонкой структурой.

Параллельно с работами по повышению точности измерений проводились систематические измерения с целью определения постоянства фундаментальных констант.

В результате выполненных исследований и разработок осуществлено решение научно-технической проблемы высокоточных измерений частот оптической области спектра до id' Гц, имеющей важное народно-хозяйственное значение. Созданные аппаратурные средства этих измерений - радиооптический частотный мост (РОЧМ) и транспортируемые лазерные стандарты частоты введены в состав государственного первичного эталона времени и частоты, расширив его частотный диапазон более чем в Иi раз и обеспечив метрологически новую область частотных измерений. РОЧМ и лазерные стандарты составлили основу впервые созданного единого эталона времени частоты и длины, реализующего размер единицы длины - метра строго в соогвегср-вии с новым его определением через скорость и' время распространения света или через скорость света и измеренную частоту излучения лазера

1.4 Новизна полученных результатов

1. Разработаны принципы и экспериментально реализована полностью синхронизированная лазерная умножительная цепь, позволяющая производить абсолютные частотные измерения с относительной погрешностью менее 10 "1г.

2. Впервые получены наиболее точные значения частоты Не-Ые/Сн4 лазеров, стабилизированных по переходу на Е-комлоненте метана, а также по переходу на компоненте как с неразрешенной, так и с разрешенной сверхтонкой структурой.

3. Разработаны перевозимые Не-Ые/СН* лазеры, обладающие долговременной стабильностью ~3*10"13 и воспроизводимостью от включения к включению порядка 10 "12/год

4. Осуществлены международныеО сличения с помощью перевозимого лазера, позволившие произвести оценку метрологических характеристик умножительных лазерных цепей ряда зарубежных лабораторий и ВНИИФТРИ.

5. Показано несоответствие фактически измеренных частот и длин волн рекомендованным частотам и длинам волн лазеров, используемых в установках для воспроизведения единицы длины. в. При выработке новых рекомендаций по воспроизведению единицы длины для коррекции обнаруженных расхождений использованы результаты измерений, половина которых была получена либо с помощью перевозимого лазера ВНИИФТРИ , либо с помощью лазерной умножиТельной цепи ВНИИФТРИ.

7. Проведены экспериментальные оценки стабильности комбинации фундаментальных физических констант, показывающие, что вариации отсутствуют в пределах 10 "12/год.

5 Внедрение результатов работы

1. Освоение измерений частот лазеров расширило частотный диапазон действия государственного первичного эталона времени и частоты до 10" Гц.

2. Аттестован и введен в метрологическую практику единый эталон времени, частоты и длины. Благодаря этому устранен разрыв в измерениях больших и малых длин и точность измерения больших длин может быть сопоставима с точностью эталона.

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

3. Разработанные перевозимые лазеры используются для калибровки лазеров, используемых в государственном эталоне длины. Эти лазеры позволили осуществить сличения лазерной умножительной цепи ВНИИФТРИ с аналогичными по назначению, но различными по структуре цепями LPTF (Франция), NRC (Канада), РТВ (Германия), а также с лазерами NRLM (Япония) и МБМВ (Международное Бюро Мер и Весов, Севр, Франция).

4 Перевозимый лазер типа М101 используется в МБМВ для воспроизведения длины волны 3.39 мкм, лазеры типа М110 и аппаратура сличений используются как основное оборудование лаборатории лазерных измерений в Пхеньяне (Северная Корея).

5. Результаты абсолютных частотных измерений во ВНИИФТРИ и результаты международных сличений с участием ВНИИФТРИ дали львиную долю вкладов в определение длин волн и частот лазеров, одобренных генеральной конференцией по метру для воспроизведения единицы длины.

6. На основании десятилетних наблюдений за абсолютным значением частоты He-Ne/CH*- лазёра показано, что с разрешающей способностью до 10"12/год среднее значение комбинации фундаментальных констант a 2g,(m,/mp)"2 остается постоянным во времени.

1.6 Апробация работы

1. Материалы диссертации докладывались на шести Международных и на 'одиннадцати Всесоюзных и Российских конференциях и симпозиумах

2. Материалы по абсолютным частотным измерениям и стабилизации частот лазеров использовались в качестве лекционного материала в работе Международной Школы по Физике им. Энрико Ферми по теме "Метрология на границах Физики". По материалам работы были прочитаны лекции в РТВ (Германия) и в NRLM (Япония).

3. Результаты определений частот и длин волн лазеров докладывались и обсуждались на рабочей группе по метру CCDM 1992.

4. Радиооптический частотный мост входят в состав эталона времени и частоты и расширяет частотный диапазон его действия до 10 14 Герц.

5. Совместно с РОЧМ аттестован и утвержден единый эталон времени, частоты и длины.

6. Перевозимый лазер систематически используется для сличений длин волн лазеров, используемых в эталоне длины.

1.7 Публикации

Основное содержание диссертации изложено в 53 публикациях и докладах, получено авторское свидетельство на изобретение.

1.8 К защите выносятся следующие положения

1. Разработанные методы и средства позволяют производить частотные измерения с относительной погрешностью не хуже 10"12 в диапазоне частот до 1014 Гц.

2. Фазовая синхронизация всех генераторов радиооптического частотного моста обеспечивает необходимую точность измерений.

3. Абсолютные измерения частот лазеров позволяют осуществить связь между двумя основными эталонами: - эталоном времени и эталоном длины таким образом, что фактически оба эталона могут воспроизводиться на одном и том же физическом явлении, т.е. на воспроизведении частоты квантового перехода в сверхтонкой структуре атома Се.

4. Перевозимые стабилизированные лазеры являются единственно возможным в настоящее время инструментом сличения лазерных умножительных цепей и позволяют определить достоверность результатов определения частот лазеров в различных лабораториях.

5. Впервые достигнута наиболее высокая точность измерений частоты Не-№/СН/| лазера и указано на несоответствие рекомендованных ССОМ значений частот и длин волн лазеров фактически измеренным частотам и длинам волн.

6. Около половины результатов измерения частоты и длины волны Не-№/СН4 лазера на ССОМ 1992 были получены либо во ВНИИФТРИ, либо с использованием лазерной умножительной цепи ВНИИФТРИ.

7. Экспериментально доказано постоянство комбинации фундаментальных констант агд,(т^тр)"г во времени с разрешающей способностью до 10 "/год

1.9 Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию

Основные научные принципы работы принадлежат автору. Автором разработаны и реализованы основные звенья в цепи синхронизации лазеров. Экспериментальные исследования по измерению частот лазеров выполнялись совместно с сотрудниками лаборатории. Системы автоматической настройки частоты были разработаны на основе работ Татаренкова В.М., Титова А.Н. и Кошеляевского Б.Н. с тесным участием Копылова Л.Н. Автор готовил аппаратуру и участвовал во всех международных сличениях лазеров ВНИИФТРИ. Автор тесно сотрудничал с д.т.н. Татаренковым В.М. в вопросах международных сличений, обсуждении результатов и выработке рекомендаций, включая участие обоих в рабочей группе ССОМ 1992.

1.10 О соотношении докторской и кандидатской диссертаций

Работа по кандидатской диссертации на тему "Исследования по синтезу лазерных частот в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах" выполнена во ВНИИФТРИ в 1977 г. и диссертация защищена в 1979 г. в Специализированном Совете ФИ АН СССР им, П.Н, Лебедева. Докторская диссертация является продолжением исследования проблемы и в ней, в частоности, развивается и внедряется в практику одно из важнейших положений кандидатской диссертации - разработка и исследование систем фазовой синхронизации лазеров. Основные ссылки в докторской диссертационной работе относятся к периоду после написания и защиты кандидатской диссертации.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1 Основные проблемы в измерениях частот лазеров

Задачи измерения частот лазеров возникли одновременно с возникновением лазеров. На первом этапе замечательные результаты давали интерференционные измерения, т.е. измерения длин волн, т.к. лазеры обладают исключительной пространственной и временной когерентностью. Благодаря этим свойствам лазеры прехеде всего нашли применение в интерференционных измерениях. Однако, несмотря на высокую точность измерения длин волн, точность определения частот лазеров оставалась невысокой из-за неопределенности значения скорости света, которая к тому времени была известна с седьмым знаком [15]. Наблюдение первых биений частот лазеров стимулировало мысль о возможности перенога классического метода измерений частот путем генерации гармоник и смешении частот. К этому же времени относится и революционный переход от классических стандартов частоты к квантовым, которые сразу же перевели частоту и время из рядовых в наиболее точно измеряемые физические величины.

Первой проблемой, которую необходимо было решить для реализации частотных измерений, являлась проблема поиска и создания нелинейных элементов, которые могли бы воспринимать СВЧ и лазерное излучение и осуществлять генерацию гармоник и смешение частот. Впервые такой элемент был предложен и экспериментально осуществлен в работе [1] и представлял собой классический СВЧ кремниевый диод. С его помощью успешно были осуществлены измерения частот субмиллиметровых лазеров. Дальнейшее расширение частотного диапазона связано с введением в практику МОМ - диода, впервые предложенного Ивенсоном и др. [16]. Его приемные свойства изложены в работе [17], а принцип его работы предложен в работе [18}. Оба этих элемента, а также сверхпроводящий переход Джозефсона в настоящее время являются основными нелинейными элементами, используемыми в субмиллимётровом и инфракрасном диапазонах.

Вторая проблема - создание лазерной цепи, в которой можно было бы последовательно умножать частоты лазеров таким образом, чтобы их гармоники были бы близки к частотам более высокочастотных лазеров. При этом лазеры умножительной цепи должны быть достаточно мощными и обладать узким спектром излучения. Основой лазерной цепи послужила цепь, элементы которой в о значительной мере экспериментально исследованы и обоснованы автором в кандидатской диссертации [19].

Решение первых двух проблем позволило почти на три порядка повысить точность определения скорости света [20,21,22]. Дальнейшее повышение точности определения величины скорости света ограничивалось точностью измерения длин волн. В 1983 г. генеральная конференция по мерам и весам (ГШВ) приняла новое определение эталона длины, в котором скорость света фиксировалась постоянной и равной 299 799 458 м/с, частота V и длина волны излучения X связывались известным выражением Ху=с и не могли воспроизводиться независимым путем. Т.е. если известна частота излучения, то известна и его длина волны и, соответственно, верно обратное. V

Третья проблема возникла при первых же попытках точного измерения лазерных частот. Эта проблема связана с синхронизацией работы всех элементов умножительной цепи и осложняется тем фактом, что при умножении частоты в N раз мощность шумов на умноженной частоте возрастает в С42 раз даже при применении идеальных "нешумящих" умножителей частоты. Это обусловлено тем фактом, что при умножении частоты в N раз во столько же раз умножается фаза излучения, а мощность шумов при малых флкжтуациях фазы представляет собой квадрат флюктуации фазы. Это явление приводит к появлению шумового предела для коэффициентов умножения частоты. Этот предел зависит от Исходных свойств умножаемого опорного сигнала. Сигналы лучших типовых стандартов частоты 5 или 10 МГц могут быть умножены до 100-300 ГГц, т.е. не достигается частота даже самого низкочастотного лазера («1000 ГГц). В основном было предложено два варианта решения этой проблемы. Первое - это использование современных технологий для создания специальных малошумящих генераторов для умножения частот [23}, второе - применение специальной системы фазовой автоподстройки, предложенной автором в кандидатской диссертации. Решение этой проблемы открыло следующий этап частотных измерений, основной целью которого являлись достоверные прецизионные измерения частот оптических стандартов.

2:2 Лазерная умножительная цепь для прецизионных частотных измерений

Основой лазерной умножительной цепи для прецизионных частотных мерений служила цепь, первоначально предложенная в [24]. В этой схеме (рис.2.1) опорная частота 5 МГц от цезиевого или водородного стандарта частоты умножается и усиливается с помощью промышленных радиоэлементов и генераторов до частоты клистронного генератора миллиметрового диапазона 74 ГГц. Далее частота этого генератора на экспериментальном диоде Ш-в! умножается в 12 раз и смешивается с частотой НСМ лазера 891 ГГц. При умножении частоты ПСЫ лазера в 4 раза и добавлении «вастоты 5,9 ГГц осуществляется переход к частоте 020 лазера. Затем частота этого лазера умножается в 8 раз, добавляется излучение клистрона 7,5 ГГц и реализуется частота СОг лазера. Далее через цепь промежуточных преобразований осуществляется синтез и измерение частоты Не-Не/СНц лазера.

В нашей первой работе по прецизионным измерениям в состав умножительной цепи был включен промежуточный лазерный стандарт частоты, а именно СОг-лазера, стабилизированный по флюоресценции в С02 газе [13] . Это позволило разбить процесс измерений на два этапа: 1 - измерение абсолютного значения частоты С02 стабилизированного лазера и ее хранение, 2 - измерение частоты Не-Ые/СН4 лазера по отношению к С02 лазеру - хранителю частоты [25] Следующим этапом стала замена С02 /С02 лазера на более точный стандарт частоты - ССЬ/ОвСи лазер, Впервые была измерена частота этого лазера с наивысшей точностью, которая практически до сих пор используется для спектроскопических измерений в инфракрасном диапазоне в качестве наиболее точной реперной линии [26]. После выполнения этих измерений стала ясной необходимость перехода на другой способ регистрации и измерения частоты сигнала биений. До этих пор практически все измерения частот биений лазеров выполнялись с помощью анализаторов спектров. Такой способ измерений был обусловлен спецификой измеряемого сигнала, а именно: - широким спектром и малым отношением сигнал/шум, не позволяющим применять цифровые методы измерений с помощью частотомеров. Автором был промоделирован сигнал биений для выполнения измерений с помощью анализатора спектра и частотомера и показано [27], что измерения с помощью анализатора спектра сигналов с широким спектром излучения могут практически достоверно говорить о точности измерений, составляющей примерно 10% от относительной ширины линии измеряемого сигнала. В нашем случае , для С02 лазера лучшие результаты по ширине линии составляли 20 - 30 кГц, и, как следствие, ограничивали точность измерений частоты Не-Ые/СН4лазера на уровне (1 - 3 )х10'10.

Еще одна проблема с которой мы столкнулись с момента выполнения работы по измерению частоты С02/0504 лазера - это проблема его недостаточной стабильности. Этот стандарт частоты используется в качестве промежуточного хранителя для того, чтобы измерить частоту более стабильного стандарта частоты на базе Не-№/СН4 лазера. Для решения обеих проблем в 1981 г. были проведены уникальные измерения, в которых удалось впервые создать полностью синхронизированную цепь, позволяющую синтезировать частоту Не-№/СН4 лазера, а также впервые, опробовать и сравнить отсчеты частоты биений как с ■ помощью анализатора спектра, так и с помощью частотомера. Для выполнения этого эксперимента умножительная цепь была реализована и синхронизирована согласно рис.2.2 В этом варианте умножительной цепи НСЫ и 020 лазеры были синхронизированы по фазе с водородным стандартом частоты, а С02 лазер на линии ЩЗО) был Синхронизирован по фазе с Не-№/СН4 лазером. Затем на точечном диоде металл-окисел-металл смешивались излучения 020 лазера, НСЫ лазера, С02 лазера на линии Я(30) и СВЧ генератора на частоте 47,29 ГГц. В этом случае на диоде происходила генерация и смешение 8-й гармоники 020 лазера, 1-й гармоники

НСМ и СОг лазера, а также второй гармоники СВЧ генератора. Частота полученного таким способом сигнала биений измерялась разными Способами. В ¿том эксперименте впервые была достигнута не только наивысшая точность измерения частоты Не-Ые/СЩ лазера (а = 1,6х10"11), но и подтверждены наши предыдущие результаты определения его частоты, значительно отличающиеся от результатов, полученных в других лабораториях [10,28]. .

Се 5 МГц 120 х 68 9,2 х 9 74,2

МГц П'ц 1Гц

Не-Ые

СИ, О

48,7 ГГц ч, С02 г Я(30)

47,3

ГГц

Измерения

5,9

ГГц

Рис.2.2

Предыдущий опыт достаточно полновесно подтвердил правильность идеологии группы о необходимости использования полностью синхронизированной лазерной цепи для повышения точности и достоверности результатов измерений частот лазеров. В конечном счете в более полном виде была принята устоявшаяся схема измерений частоты, показанная на рис.2.3. В этой схеме отражены все основные особенности умножительной цепи.

Первая и одна из основных особенностей заключается в способе синхронизации субмиллиметровых лазеров по эталонному сигналу. Ее основная идея изложена в кандидатской диссертации и заключается в том, что по НСЫ лазеру синхронизируются клистроны, которые затем сравниваются по фазе с гармоникой эталонного сигнала и сигнал ошибки подается в цепь управления частотой лазера, замыкая кольцо его фазовой синхронизации. При этом осуществляется узкополосная система фазовой автоподстройки, позволяющая реализовать очень высокие коэффициенты умножения частоты опорного сигнала [19]. Далее в сантиметровом диапазоне может использоваться генератор Гана, стабилизированный по охлаждаемому жидким азотом сапфировому резонатору [29]. Это позволяет получить а сантиметровом диапазоне спектрально чистый сигнал, сопоставимый по характеристикам с сигналами лучших кварцевых генераторов (КГ) на частоте 5 МГц. Таким образом могут реализоваться примерно те же коэффициенты умножения что и для КГ, но исходная частота при этом в 2000 раз выше и, следовательно, во столько же раз выше конечная частота.

Рис.2.3.

Вторая особенность заключается в том, что все СВЧ генераторы синхронизируются по сигналам биений лазеров, а отклонение их частоты от частоты эталона используется для ФАП лазеров.

Третья особенность состоит в том, что для реализации ФАП любого лазера используется деление частоты сигнала в 1-2 тысячи раз, что позволяет осуществить медленные" ФАП и достичь необходимый компромисс с быстродействием исполнительных элементов лазеров. Для подстройки частоты ИК лазеров используются пьезокерамические преобразователи.

В субмиллиметровом диапазоне отсутствуют исполнительные элементы с достаточным быстродействием и невосприимчивостью к вибрациям. Это в частности обусловлено тем фактом, что зеркала этих лазеров имеют диаметр порядка 100 мм и более (толщина зеркал соответственно не менее 10 мм) и следствием их большой массы является их большая инерционность. Автором изобретено быстродействующее и жесткое управляющее зеркало с большим динамическим диапазоном на основе электростатического привода [30]. Динамический диапазон зеркала достигает 100 мкм и благодаря этому лазеры длиной до 8 м могут часами работать в режиме ФАП без ручной подстройки и при значительных дрейфах температуры в помещении [31 ].

Четвертая особенность - умножительная цепь связывает эталон со стандартами частоты в диапазоне длин волн 10 и 3 мкм. Она позволяет измерять их частоты независимо, последовательно или одновременно, что оказывается очень важным для анализа точности и правильности результатов и метрологической достоверности.

2.3 Умножительно-смесительные диоды

Как уже указывалось, прогресс в измерениях частот лазеров связан с применением различного рода точечных диодов - вольфрам-кремний, вольфрам-никель или Nb-Nb в сверхпроводящем диоде Джозефсона, Наибольшим быстродействием отличаются диоды металл-окисел-металл (MOM - диоды). Наиболее часто применяется диод W-Ni, представляющий точечный контакт между электрохимически заточенным вольфрамовым острием и полированной поверхностью никеля. Предполагается, что на поверхности контактирующих металлов существует окисная изолирующая пленка, не допускающая прямой проводящий контакт. Вольфрамовая проволока действует как антенна, Были проведены теоретические и экспериментальные исследования, направленные на поиск механизма действия таких диодов [18] и был предложен механизм работы диода, основанный на явлении автоэлектронной эмиссии. Известно, что автоэлектронная эмиссия (АЭ) возникает при напряженности поля » 10' В/см [32] По оценкам, хорошая работа диода возможна при толщине окисной пленки »10 А° Следовательно, для того чтобы имело место АЭ, необходимо, чтобы на диодном переходе индуцировалось напряжение оптической частоты »1 В. Обычно на диод фокусируется излучение мощностью порядка 0.1 Вт в пятно размером кХ2, где X -длина волны лазерного излучения. При этом напряжение на переходе может достигать величины ЕХ/2. Поток энергии через площадку кХ2 равен Р-еВ2лХ2, откуда следует, что напряжение на переходе может быть больше вольта: \/&ЕХ/2--(Р/4ея:)1,2=(0.1х377/4я:)1'2«1.7 В. В экспериментах по приему излучения НСЫ лазера с помощью диода \Л/-81 максимальная величина детектированного сигнала достигает «1 В. Это подтверждает, что индуцируемое на переходе напряжение оптической частоты превышает 1 В и могут создаваться благоприятные условия для автоэлектронной эмиссии.

Ток АЭ подчиняется закону 1=АЕ2ехр(-В/|Е|) [32]. Здесь А - константа, зависящая от свойств поверхности металла, работы выхода и энергии Ферми в металле, а В - константа, определяемая работой выхода в данном металле. По такой формуле проводились расчеты вольт-амперной характеристики диода, а также расчитывались численным путем амплитуды гармоник как функции внешнего смещения. При экспериментальной проверке вольт-амперной характеристики были определены А и В, выраженные через Е и расчетные данные полностью совпадали с экспериментальными.

Функциональная зависимость амплитуды гармоник от смещения для М-ной гармоники выражается в следующем виде:

1ы(ЕО)=Ы|Е°|)с1м1(ЕО)/ОЕЭМ где М|Ео|) - медленно убывающая функция с максимумом в окрестности нулевого смещения.

Последующие эксперименты по наблюдению гармоник , порождаемых диодом, были выполнены в радиодиапазоне, сантиметровом диапазоне и в оптическом диапазоне. Было полностью' подтверждено качественное согласование поведения гармоник как функции постоянного внешнего смещения, что является достаточно убедительным доводом в пользу выдвинутой теоретической модели.

2А Лазерные стандарты частоты

В лаборатории были разработаны следующие лазерные стандарты частоты, так или иначе задействованые в абсолютных измерениях частот:

1. Стандарты частоты в диапазоне 30 ГГц на'основе С02 лазеров. Это С02 лазер, стабилизированный по флюоресценции С02 газе низкого давления [13], и С02 лазер, стабилизированный по нелинейному поглощению в 0э04 [14]. Оба эти лазера использовались как промежуточные стандарты частоты.

2. Стандарты частоты в диапазоне 88 ТГц на основе Не-Ые/СН4 лазеров, стабилизированных по Я22 линии метана с неразрешенной сверхтонкой структурой. Это главным образом перевозимые стандарты [33], частота которых с наивысшей точностью измерялась на лазерной умножительной цепи. Затем они использовались как для сличений с аналогичными лазерами других лабораторий [34,35], так и для определения их абсолютных частот на других умножительных цепях [36,37,38].

3. Стационарные стандарты частоты в диапазоне 88 ТГц - Не-№/СН4 лазеры, стабилизированные по одиночной Е линии метана. Эти лазеры обладают наивысшей стабильностью и воспроизводимостью частоты и могут использоваться в качестве хранителей частоты.

4. Портативные стандарты частоты видимого диапазона 473 ТГц. Это Не-Ые^2 лазеры, используемые наиболее широко в установках по воспроизведению единицы длины - метра. Такого же типа лазеры использовались для определения скорости света в наших первых работах [22]

2.4. 1 Стандарты частоты диапазона 30 ТГц

Стандарты частоты в диапазоне 30 ТГц представляют несомненный интерес не только в проблеме абсолютных частотных измерений, но также и в спектроскопии ИК диапазона. Лазер на С02 газе имеет более ста линий генерации в диапазоне длин волн 9-11 мкм. Использование С02 газа в качестве поглотителя позволяет стабилизировать лазер на любой линии колебательно-вращательного перехода молекулы С02. Для молекулы С02 все лазерные переходы и спонтанный переход на длине волны 4,3 мкм имеют общий верхний уровень и поэтому при сканировании частоты лазера в сигнале флюоресценции можно наблюдать провал, обусловленный насыщением соответствующего поглощающего перехода В работе [39] предложено использовать это явление для стабилизации частоты лазера.

Были успешно решены основные конструктивные трудности создания стабилизированного таким способом лазера ["13}. Была сконструирована поглощающая ячейка с сопутствующей оптикой, позволяющая собирать спонтанное излучение и регистрировать его с помощью типового промышленного приемника на основе ИБЬ. Были получены резонансы шириной менее 1 МГц и отношением сигнал/шум порядка 30 в полосе 1 Гц. Это позволило стабилизировать лазер и получить стабильность порядка 7x10"11 при временах усреднения 100 с и более.

Стабилизация С02 лазера по флюоресценции в С02 газе является универсальным способом, применимым к любому С02 лазеру. Однако недостаток этого способа заключается в малой потенциально достижимой точности из-за недостаточно высокого отношения сигнал/шум. Поэтому для целей более точных измерений был разработан СО? лазер на линии Р(14), стабилизированный по нелинейному поглощению в 0в04 и удачно вписывающийся в умножительную цепь [14]. Благодаря большой массе молекулы, отсутствию сверхтонкой структуры у молекул с четными изотопами осмия и сравнительно большому поглощению при комнатной температуре получаемые методом насыщенного поглощения резонансы слабо возмущены такими принципиальными факторами, как квадратичный эффект доплера и отдача, и обладают достаточной интенсивностью для высокоточной стабилизации частоты.

Были также разработаны лазеры, стабилизированные ло резонансам насыщенного поглощения во внешней двухпроходной поглощающей ячейке с парами 1920з04. Стандарт состоит из следующих основных узлов: С02 лазер, телескопическая система, поглощающая ячейка и электронная система АПЧ.

Лазер работал в одномодовом режиме и имел выходную мощность 0,5 Вт на линии Р(14). Ширина спектра излучения лазера около 10 кГц обусловлена неотфильтрованными сетевыми составляющими в разрядном токе.

Поле в поглощающей ячейке формировалось с помощью телескопической системы, преобразующей пучок диаметром 3 мм в гауссов Пучок диаметром 1 и 2 см в поглощающей ячейке. Между телескопом и лазером устанавливался набор ослабителей из СаР2 для согласования выходной мощности с насыщением поглощающей среды. Общее ослабление достигает 30 дБ на проход и ослабители выполняют также и роль оптической развязки.

Поглощающая ячейка из нержавеющей стали после обеэгаживания имела остаточное натекание не более 0,01 Па/час, что позволяет работать несколько часов без замены газа при типичных рабочих давлениях 0,3-0,6 Па. Для детектирования резонанса использовалось охлаждаемое жидким азотом фотосопротивление НдСс1Те с размерами площадки 0,3x0,3 мм. Для устранения наклона, обусловленного линией генерации лазера, используется дифференциальный прием.

Системы стабилизации имеют статическую и цифровую астатическую петли регулирования и, по оценкам, вносимые ими систематические погрешности не могут превышать 3x10"13. Ширина резонансов составляет 25 и 40 кГц, а отношение сигнал/шум в полосе 100 Гц составляет 40 дБ.

По результатам исследований и абсолютных частотных измерений следует, что в ЙК области спектра был создан С02/0з04 стандарт частоты со следующими метрологическими характеристиками: стабильность частоты 3x10"13, воспроизводимость частоты 3x10-12 и погрешность абсолютной частоты 3x10'12.

Основная часть работ по созданию этой экспериментальной установки выполнена Н.Б.Кошеляевским и С.Н.Овчинниковым. Автор принял непосредственное участие в разработке способов управления частотой лазера с целью получения немодулированного по частоте излучения с помощью системы фазовой автоподстройки.

2.4.2ПеревозимыеНе^е/СН4 стандарты частоты

Перевозимые лазеры являются неотъемлемой частью единого эталона времени, частоты и длины, так как они обеспечивают хранение частоты на длительных интервалах времени и передают значение частоты при помощи интерферометра-компаратора лазерам видимого диапазона, которые входят в состав аппаратурного комплекса для воспроизведения единицы длины. Наиболее важные свойства таких лазеров - высокая долговременная стабильность частоты и удобство измерения абсолютной частоты этих лазеров с высокой точностью.

А Перевозимый Не-Ые/СН4 лазер [33] конструктивно состоит из трех блоков: лазерной головки, блока автоматической подстройки частоты стандарта (АПЧ), фазовой автоподстройки гетеродина (ФАПЧ) и высоковольтного блока питания.

Особенностью лазерной головки является расположение в однсЭй инваровой раме двух лазерных резонаторов: лазера - стандарта частоты и лазера-гетеродина. Такое решение обусловлено как тем, что для сличения частот таких лазеров обязательно требуется лазер-гетеродин, так и тем, что для абсолютных частотных измерений желательно использовать немодулированное лазерное излучение, что также реализуется с помощью гетеродина. Разрядные трубки лазеров имеют большой балластный объем, окна Брюстера выполнены из лейкосапфира и приклеены стеклоцементом. Трубки прогреваются и обезгаживаются при температуре 400°С, что обеспечивает им большой срок службы. Метановая ячейка выполнена полностью из плавленного кварца с впаянными кварцевыми окнами. Она заполнена метаном при давлении 0,5 Па. Благодаря конструкции, исключающей клеевые соединения и большому балластному объему, метановая ячейка также обладает большим сроком службы.

Система АПЧ представляет собой традиционную экстремальную модуляционную систему [40], имеющую две петли - более широкополосную статическую и узкополосную, но с большим динамическим диапазоном -астатическую. Астатическая система представляет собой цифровой интегратор с высоковольтным выходным усилителем [41].

Стабилизация частоты лазерного гетеродина осуществляется системой фазовой автоподстройки частоты с делением. Система ФАПЧ Обеспечивает получение мощного высокостабильного немодулированного излучения, отстроенного от пика поглощения в метане на 5 МГц [42]. Промежуточная частота 5 МГц между стандартом частоты и гетеродином делится в 1000 раз. При этом частотная модуляция стандарта частоты с индексом модуляции 10 - 20 преобразуется в частотную модуляцию с индексом 0,01 - 0,02. В этом случае модуляционные компоненты становятся примерно на 40 дБ ниже уровня несущей, расстояние между ними составляет 10,4 кГц и, при полосе ФАПЧ в несколько сотен герц, модуляционные компоненты не возмущают работу ФАПЧ. Одновременно примерно в 30 раз ослабляются требования к быстродействию исполнительных механизмов ФАПЧ, что позволяет реализовать устойчивую систему фазовой автоподстройки с частотой Среза порядка 300 Гц при использовании пьезокерамических преобразователей, имеющих первые резонансные частоты в районе 10-12 кГц.

Исследования перевозимого лазера дали достаточно надежную информацию о его характеристиках. Пороговый ток гетеродина составляет 5 мА, рабочий ток - 10 мА. Пороговый ток стандарта частоты 1,7 мА, рабочий ток в два раза выше. Контрастность пика при рабочем токе около 7%. Оценочная полуширина пика на полувысоте 100 кГц. Типичная нестабильность частоты перевозимого лазера а рабочих условиях (в месте расположения РОЧМ) составляет (1-2)х10"13 при времени усреднения 10с и времени измерения несколько часов. Основная расстройка частоты обусловлена ее зависимостью от мощности генерации. Крутизна перестройки стандарта частоты от тока составляет 150 Гц/мА. При уменьшении мощности частота понижается. Точность установки и воспроизведения тока разряда составляет 0,1 мА.

Б .Перевозимый лазер, стабилизированный по индуцированному оптогальваническому эффекту (ИОГЭ). Оптогальванический эффект -изменение тока разряда под действием излучения - получил широкое распространение как чувствительный метод детектирования атомарных и молекулярных переходов в газовых разрядах [43]. Удобство и простота техники оптогальванического детектирования позволили осуществить оптогальваническую стабилизацию частоты газоразрядных лазеров. Однако во всех экспериментальных работах с помощью оптогальванического эффекта детектировался квантовый переход в газовом разряде, а стабилизация частоты осуществлялась на низком уровне точности из-за большой ширины резонансов, наблюдаемых в разряде.

Автором была выдвинута идея о возможности наблюдения "наведеннного", т.е. индуцированного оптогальванического эффекта и возможности использования его для высокоточной стабилизации частоты лазера [44]. Суть идеи состоит в следующем. Поскольку оптогальванический эффект заключается в изменении сопротивления разряда под действием излучения, то в активной газовой среде лазера изменение мощности излучения также сопровождается изменением сопротивления разряда Если внутри резонатора газового лазера поместить нелинейную поглощающую среду, то в лазере возникнет пик в зависимости мощности от частоты, а в лазерном разряде должен возникнуть пик в зависимости тока разряда от частоты.

Для экспериментальной проверки была собрана установка, в которой можно было производить сравнительные эксперименты по наблюдению разонансов в Не-Ые/СНл лазере с помощью фотоприемника и с помощью индуцированного оптогальванического эффекта (ИОГЭ), а также изменять параметры активной среды лазера. Исследовались смеси Не-Ме20, Не-№е22, Не-(Ые20+№22) в различных пропорциях. Общее давление выбиралось таким образом, чтобы пик поглощения в метане был близок к максимуму генерации лазера.

Было экспериментально подтверждено наличие пиков в токе разряда индуцированных поглощением в метановой ячейке. После оптимизации электрической цепи тока разряда с целью устранения фона и пульсаций в высоковольтном блоке питания и выборе пределов тока разряда, при которых не возникают избыточные шумы разряда, были проведены исследования по оптимизации параметров ИОГЭ резонансов. Сравнения проводились на одном и том же лазере при одних и тех же параметрах путем одновременного наблюдения резонансов с помощью ИОГЭ и фотоприемника. Определен оптимальный состав смеси для наблюдения ИОГЭ и проведены сравнения ширины пиков, их контрастности и отношения сигнал/шум. Сравнение отношения сигнал/шум для двух способов детектирования показало небольшое («6 дБ) преимущество фотоприемника (охлаждаемый жидким азотом фотодетектор на 1пБЬ - самый чувствительный фотоприемник в этом диапазоне), которое может повлиять на кратковременную стабильность. Следует отметить различный характер шумов в двух способах наблюдения: в одном случае это шумы плазмы в разряде, в другом -токовые шумы фотоприемника.

Эксперименты по оптимизации сигнала ИОГЭ путем выбора параметров разрядной цепи не дали сколь нибудь заметного преимущества в контрастности сигнала или в отношении сигнал/шум. Единственный заметный эффект связан с изменением амплитуды сигнала без изменения отношения сигнал/шум, но более практичным является получение устойчивого разряда, а не большого сигнала.

Исследования быстродействия ИОГЭ в случае Не-№/СН4 лазера не выявили каких-либо отклонений до частот »100 кГц. На более высоких частотах исследования не проводились иэ>-эа=отеут£теия бьют^действутцда синх^^ньм детекторов.

Предполагалось, что сигнал ИОГЭ может быть более отчетливым при применении его в Не-№/и2 лазере, работающем на длине волны X = 0,63 мкм, так как энергия фотона здесь в 5 раз выше, чем в случае Не-Ые/СН^ лазера. Эксперименты по наблюдению третьей производной от пика поглощения в йоде подтвердили наличие сигнала ИОГЭ в токе разряда Не-^е/^ лазера, однако в данном случае отношение сигнал/шум при регистрации ИОГЭ значительно уступало отношению сигнал/шум, полученному при регистрации интенсивности излучения с помощью фотодиода ФД-256. Оказалось, что так как плотность тока в лазерной трубке на Х=0,63 мкм примерно в 20 раз выше, чем в трубке на ^=3,39 мкм, то шумы разряда в этом случае имеют значительно больший уровень. ( При превышении порога в 0,1 от плотности тока разряда красной трубки шумы в инфракрасной трубке также резко возрастают). Для трубки на Х=3,39 мкм существует оптимальный ток разряда, при котором сигнал ИОГЭ максимален; обычно для лазера с поглощающей ячейкой оптимальный ток соответствует 1,5-2 порога перевозбуждения лазера, т.е. как раз тому уровню перевозбуждения, при котором работают стабилизированные лазеры. Таким образом удачное сочетание характеристик ИОГЭ с рабочими параметрами. Не-Ые/СН4 лазера позволяет успешно применять ИОГЭ дпя стабилизации частоты лазера.

При применении той же системы АПЧ, что и в обычном Не-№/СН4 лазере стабильность частоты при оптимальных временах усреднения составляет »3x10'13.

2.4.3 Не-Ые/СН, лазер, стабилизированный по Ё-компонен^е метана

Вышеописанные Не-Ые/СЬЦ лазеры стабилизированы по Г2 компоненте метана, которая обладает сверхтонкой структурой, состоящей из трех компонент, разделенных частотными интервалами порядка 10 кГц. Эти компоненты имеют различную интенсивность, пропорциональную статистическим весам и суммарный пик поглощения имеет ассиметрию, которая вызывает неконтролируемые сдвиги частоты, зависящие от мощности излучения и от индекса модуляции в системе АПЧ.

Одним из способов повышения стабильности лазеров является стабилизация их по пику поглощения в переходе, не имеющем сверхтонкой структуры. В Не-Ые/СН4 лазере таким переходом является переход на Е-компоненте метана. лежащей примерно на 3 ГГц ниже по частоте, чем обычно используемая 2Р2 компонента. Основная работа по созданию такого лазера была выполнена сотрудниками лаборатории под руководством Титова А.Н. [45].

Для использования этого лазера в умножительной цепи автор предложил способ фазовой синхронизации лазерного гетеродина, работающего в области поглощения компоненты метана по лазеру, стабилизированному по поглощению на Е компоненте метана. Так как разность частот этих лазеров составляет 3 ГГц, то возникает проблема выделения этой разностной частоты. Приемники инфракрасного излучения не обладают необходимым быстродействием (максимальное быстродействие составляет »100 МГц, а для работы точечных МОМ диодов не хватает мощности лазеров.

Для выделения разностной частоты было предложено использовать инфракрасные детекторы со смещением от СВЧ генератора вместо смещения от источника постоянного тока. Идея эксперимента следующая: На фотоприемник попадает пространственно модулированное излучение с частотой модуляции, равной разностной частоте лазеров. Т.к. частота биений велика, то сигнал лежит далеко за пределами частотной полосы фотодетектора. Например, типичный отклик фотодетектора с быстродействием 100 МГц на лазерное излучение составляет 1 мВ/мВт. Т.к. разностная частота равна 3 ГГц, то мощность сигнала на этой частоте падает примерно на 30 дБ и напряжение сигнала составит максимума мкВ, даже если мы сфокусируем все лазерное излучение на приемную площадку. (Типичная мощность лазеров составляет сотни мкВт). Дальнейшие потери внесут подводящие провода к фотокристаллу, имеющие относительно большую индуктивности хотя бы из-за того что для уменьшения теплопроводности (т.к. фотокристалл работает при температуре жидкого азота) эти провода выполняются из тонких и длинных проводников. Если же к кристаллу подвести СВЧ напряжение то мы получим супергетеродинный вариант приема. Если мощность СВЧ излучения составляет » 50 мВт то на сопротивлении фотокристалла должно выделиться напряжение » 1 В. Результирующее напряжение на низкой частоте, равной разности между частотой биений лазеров и частотой СВЧ смещения должно составлять (1 мкВ х 1 В)1'2 = 1 мВ. Такой сигнал на частоте порядка 30 МГц уже довольно просто использовать для фазовой автоподстройки лазеров.

Вышеуказанные сообважения были подтверждены экспериментально на двух различных типах приемников с различным быстродействием (фоторезисторы на основе тройного соединения НдСс1Те с быстродействием ж 300 МГц и фотовольтаические детекторы 1пЗЬ с быстродействием «10 МГц). В обоих случаях были получены сигналы промежуточной частоты, совпадающие по порядку величины. Это объясняется тем, что произведение вольтваттной чувствительности на полосу пропускания фотодетектора в обоих случаях примерно одно и то же. Благодаря этим экспериментам удалось осуществить ФАП Не-Ме лазера по стандарту частоты на Е компоненте метана и измерить абсолютное значение частоты Е-компоненты [46].

2.4.4Не-МеД, лазер

Для использования в качестве эталона длины были разработаны Не-Ые лазеры на длине волны 633 нм, стабилизированные по поглощению в йоде. При разработке лазеров учитывались рекомендации консультативного комитета по метру от 1992 г., а при их изготовлении применялись йодные ячейки, разработанные и изготовленные в МБМВ. Воспроизводимость лазеров оценивается, величиной ЗхЮ"11. При одинаковой геометрии интерферометров разность частот лазероЕ) по знаку совпадает с разностью частот ячеек, определенных в МБМВ, а по величине («10'') она заметно меньше. Наиболее высокая стабильность лазеров (3x10") достигалась при временах усреднения 3 ООО -10 ООО сек.

Гелий - неоновый лазер на длине волны 0,63 мкм, стабилизированный по поглощению в йоде является одним из наиболее распространенных реперных источников излучения с хорошо известной частотой и длиной волны. Его частота с высокой точностью была измерена в 1РТР [47]. Результаты измерений вместе с данными по измерениям абсолютной частоты Не-Ме/СН« лазера указывали и* необходимость коррекции рекомендованных частот и длин волн лазеров и были использованы для внесения соответствующих поправок. Согласно результатам ряда международных сличений [48] при соблюдении определенных рекомендаций его частота может воспроизводиться с. погрешностью 3x10'".

Были созданы той лазера [49], из которых два имели очень близки;: параметры оптической части. Лазеры могли быть стабилизированы по компонентам d, e, f, g, h, i, j, к пиков поглощения в J127 на линии R9 полосы 11-5. Конструктивно каждый лазер состоял из трех блоков: лазерная головка, высоковольтный блок питания разрядной трубки и блок автоматической подстройки частоты лазера и стабилизации температуры отростка йодной ячейки.

Лазерная головка представляет собой интерферометр Фабри-Перо с размещенными здесь же приемными и исполнительными элементами электроники (термостат, фотодиод, предварительный усилитель, пьезокерамические элементы).

Интерферометры лазеров имеют следующие параметры: расстояние между зеркалами 1=380 мм, со стороны йодной ячейки располагается выходное зеркало Rc.il с радиусом кривизны 2 м для осуществления внешних сличений, со стороны разрядной трубки расположено выходное зеркало Rtut«s с радиусом кривизны 1 м для стабилизации частоты лазера. Пропускание зеркал Rcsii составляет 1,8 и 2,4%, пропускание R^ 0,9 и 1,2% соответственно.

Во всех лазерах использовались йодные ячейки изготовленные и испытанные в МБМВ, причем одна из ячеек была изготовлена до 1985 г.

Для двух лазеров были изготовлены разрядные трубки длиной 280 мм и с внутренним диаметром капилляра 1,4 мм. Длина разрядного промежутка составляла 220 мм. Выходная мощность лазера составляла около 130 мкВт. Для первоначальной установки мощности и достижения одномодового режима генерации использовался осевой разворот разрядной трубки относительно поглощающей ячейки, что позволяло регулировать потери в резонаторе за счет отражения на брюстеровских окнах.

Основное внимание уделялось разработке конструкции термостата. Для уменьшения градиентов температуры отросток йодной ячейки располагался в медной прямоугольной гильзе, к боковым сторонам которой были прикреплены два элемента Пельтье,Температура внутри термостата устанавливалась с точностью до 0,03 К по аттестованному датчику и вариации температуры не превышали 0,01 К. Для расширения экспериментальных возможностей предусмотрена стабилизация температуры отростка при 12 °С, 15 °С и 18 °С,

В качестве АПЧ использовалась та же система, что и для лазера М101 [33]. Она дополнена возможностью стабилизации частоты по третьей производной и встроена дополнительная система термостабилизации температуры отростка.

Исследования лазеров проводились по стандартной методике с поддержанием рекомендованных консультативным комитетом (за исключением температуры з помещении) параметров, а именно: температура отростка 15+0,03 сС (рекомендовано 15+0,2 °С), мощность внутри резонатора 9 и 6 мВт ( рекомендовано 10+5 мВт), модуляция 6,0±0,2 МГц (рекомендовано 6,0 ± 0,3 МГц). Согласно рекомендациям, зависимость частоты лазера от мощности внутри резонатора не .должна превышать 1,4 кГц/мВт. Эта зависимость устанавливается в процессе исследований.

Для проведения исследований была подготовлена автоматизированная система счета и обработки данных, В течение года проводились сличения двух лазеров с различными временами усреднения. На рис.2.4 представлены результаты исследований стабильности лазеров, показывающие, что наиболее высокая стабильность достигается при временах усреднения в интервале 3000 -10000 с. Это же подтверждает и фрагмент фактических (необработанных) результатов непрерыных сличений лазеров на интервале более 10 часов, показанный на рис.2.5. На фрагменте представлено более 400 отсчетов частоты с временем усреднения 100 с. Измерения проводились в помещении, не оборудованном кондиционерами или системой поддержания температуры. Тем не менее результаты измерений показывают крайне незначительный дрейф частот, обусловленный воздействием изменения температуры не только на ячейку, но и не электронику. Оцениваемая погрешность воспроизведения частоты лазеров составляет 4x10"12 и 8x10"12 и подтверждается результатами сличений с лазерами харьковского НПО Метрология [50]. Сличения проводились в рамках выполнения программ КООМЕТ.

-f fheixhçv ïtpfiluty

1*e"u ме-1э i ДО 1ПО mm lu ti««» (ai ишво iebùoù

Рис.2.4.

Экспериментальные данные по стабильности частоты He-Ne/J127 лазеров. По вертикали - вариация Аллана а(х), по горизонтали - время усреднения т.

6562' 26560 2*538

26556

2655* f "i "

I '

•<: "а * i»» ^ !•» g i ] ■ Г'», Л

• *

•

5552

I о uL jи

-/а

180

270

Э».

450

Рис.2.5.

Результаты непрерывных сличений Не-Ые^127 лазеров на интервале более 12 часов при времени усреднения 100 с. Одно деление по вертикали соответсвует относительной стабильности 1x10"12.

2.5 Синхронизация и измерения частот лазеров

Первые относительно точные измерения частот лазеров относятся к 1979 г. Для измерений частот лазеров впервые была создана лазерная умножительная цепь, синхронизированная по фазе с эталоном частоты. Стабилизация частоты субмиллиметровых лазеров осуществлялась узкополосной системой фазовой синхронизации 020 лазера по эталону частоты. Впервые идея такой системы была выдвинута и реализована в работе [19] применительно к НСЫ лазеру. При этом для эталонного сигнала эта система служила узкополосным следящим фильтром, подавляющим белые фазовые шумы эталона.

Возможность создания узкополосной системы ФАП лазера можно объяснить следующим образом: Согласно экспериментальным данным кратковременная стабильность субмиплиметрового лазера составляет около 10"а за секунду. Частота лазера 1012 Гц. Т.е. скорость изменения частоты составляет 5га/5( «10 0С0 Гц./сек и для достижения фазового синхронизма достаточно иметь полосу ФАП порядка юп » •\/10бвуЯ» 300 Гц. Если бы гипотетически лазер был синхронизирован по эталонному сигналу, то были бы исключены низкочастотные собственные шумы лазера и в полосе частот до 300 Гц лазеру передались бы шумы эталона. В реальности между эталоном и лазером используются промежуточные клистронные генераторы, имеющие кратковременную стабильность на много порядков хуже лазера и требующие заведомо широкополосную систему ФАП. Если их синхронизировать по эталонному сигналу и с их помощью получить гармонику эталонного сигналв в частотном диапазоне лазера, то мощность шумов эталона передается в лазерный диапазон в широкой полосе и умножется на №. При этом N составляет для субмиллиметрового лазера величину не менее 105. При таких параметрах плотность мощности шумов становится сопоставимой с плотностью мощности сигнала и становится невозможным выделение сигнала из шумов. Идед состоит в том, что клистроны синхронизируются с помощью широкополосной системы ФАП по лазеру и наследуют в широкой полосе низкий уровень лазерных шумов. Теперь клистронные генераторы мы можем сравнивать с гармоникой эталонного сигнала и полученный сигнал ошибки направлять на управление частотой лазера. Благодаря дополнительному делению частоты становится возможным реализация ФАП лазера полосой отработки в несколько герц и сама система ФАЛ выполняет роль узкополосного следящего филь тра дляумноженного эталонного сигнала.

На частоте 0г0 лазера необходимая полоса такого фильтра составляла «10 Гц. Медленный температурный дрейф частоты лазера практически полностью отрабатывался такой системой и не влиял на точность измерений при времени усреднения больше 10 с. Практически, система была реализована следующим образом. По 020 лазеру последовательно синхронизовался НСЫ лазер, клистрон 74 ГГц и клистрон 8,2 ГГц Эталонный сигнал на частоте 8,2 ГГц сравнивался по фазе с излучением клистрона и сигнал ошибки подавался на управление частотой 020 лазера. В замкнутой системе все перечисленные генераторы приобретали строго определенное значение частот, в частности, частота НСМ лазера равна 890 760 Мгц и 020-лазера - 3 557 147,5 Мгц с точностью эталона частоты. С помощью излучений НСМ и 020 лазеров и их гармоник впервые стало возможным измерение с точностью «1013 частот лазеров субмиллиметрового и дальнего инфракрасного диапазона, включая область генерации С02 лазеров. Используя восьмую гармонику 020 лазера мы могли бы определить частоту С02/0з04 лазера с такой же точностью.

С02/0504 лазер с внешней поглощающей ячейкой настраивался на самый интенсивный молекулярный резонанс 0в04, попадающий в область генерации лазера на линии Р(14) [51]. По оценкам стабильность лазера составляла 3x10"11 в течение суток. Измерения частоты СОо/ОзС^ лазера проводились в течение двух недель при возможно более постоянных параметрах лазера и системы стабилизации. Наибольшие затруднения были связаны с контролем сдвигов частоты, обусловленных сравнительно большим уровнем паразитной амплитудной модуляции. Поэтому в начале каждой серии измерений тщательно компенсировался этот сдвиг, а в конце - регистрировался возникающий разбаланс для внесения поправок.

В результате получено следующее значение частоты С02/0в04 лазера

23 4&5 876 9285 г 1 кГц [26].

Погрешность измерений практически полностью определялась нестабильностью лазера. Полученное значение частоты лазера до сих пор используется в качестве реперной точки в спектроскопических измерениях в диапазоне длин волн ~ 10 мкм.

Следующим этапом этой серии измерений было определение частоты Не-№/СН4 лазера по известной частоте СОг/ОэСЬ лазера. При этом использовалась синхронизированная по этому лазеру инфракрасная часть умножительной цепи, включающая в себя НСЫ и С02 Лазеры И СВЧ генераторы. С помощью анализатора спектра измерялась частота биений между 3-й гармоникой С02 лазера, клистрона на 48 ГТц и мощного Не-Ме лазера. В результате обработки нескольких серий измерений было получено следующее значение частоты Не-Ме/СН,4 лазера:

V- 88 376 181 586 ±10 кГц.

В последующем была обнаружена дополнительная систематическая ошибка »10,4 кГц, обусловленная применением анализатора спектра для измерения частоты сигнала биений [27]. Скорректированное значение частоты мы оценили величиной 88 376 181 596 ±10 кГц. Это значение частоты было наименьшим из измеренных в других работах, но перекрывающееся с ними в пределах погрешности измерений.

В 1981 г. было выполнено впервые наиболее точное измерение частоты Не-Ые/СН4 лазера при помощи полностью синхронизированной лазерной цепи, из которой был исключен промежуточный Стандарт частоты на основе СОг/ОвО^ лазера. В этой схеме измерялся сигнал биений между 8-й гармоникой 020 лазера, НСК1 лазером и С02 лазером на линии К(30) и 2-й гармоникой клистрона на частоте 47 290 Мгц. Все источники был синхронизированы либо по стандарту частоты, либо по измеряемому лазеру [27]. Из-за высокого порядка смешения измеряемый сигнал был очень слаб. Измерения проводились либо с помощью анализатора спектра, либо с помощью частотомера. Для определения поправки к анализатору был имитирован сигнал биений путем модуляции частоты радиогенератора низкочастотным гауссовским шумом. Далее имитированный сигнал преобразовывался с помощью гетеродина, частота которого в одном случае была выше, а в другом - ниже частоты сигнала. Анализатором измерялась частота сигнала. При этом сумма показаний анализатора должна была быть равной разности частот гетеродинов, откуда и определялась поправка на анализатор.

Непосредственное измерение частоты сигнала с помощью частотомера было затруднено из-за малого отношения сигнал/шум (10-12 дБ в полосе 10Ö кГц). Для измерений был впервые применен следящий генератор. По сигналу биений осуществлялась его фазовая азтоподстройка. Был достигнут удовлетворительный режим синхронизации следящего генератора при частоте среза 27 кГц, отношении сигнал/шум на входе 10 дБ в полосе 100 кГц и при ширине спектра сигнала биений не более 80 кГц. В течение трех месяцев (февраль - май 1981 г.) были выполнены 6 серий измерений. Пять серий были выполнены анализатором (одна серия с предварительным амплитудным ограничителем измеряемого сигнала). Самая большая серия измерений (322 отсчета) была проведена частотомером.

Так как каждая серия измерений имела свои преимущества и недостатки, мы включили в окончательную обработку все шесть серий измерений и получили следующее значение частоты He-Ne/CH4 лазера -88 376 181 599,9 ±1,2 кГц.

Погрешность измерений 1,2 кГц в основном обусловлена неопределенностью поправок на анализатор. Случайная погрешность отсчетов частоты составляла 0,48 кГц или к 5x10'" в относительном выражении.

В интервалах между различными сериями измерений было осуществлено сличение частоты участвующего в измерениях портативного He-Ne/CH4 лазера со стационарным лазером. В результате выяснилось, что частота портативного лазера ниже частоты стационарного на 3,5 ± 0,7 кГц. Таким образом с учетом всех поп-правок частота стационарного лазера оказалась равной 88 376 181 603,4 ± 1,4 кГц. Это значение частоты согласовалось с нашими предыдущими измерениями и с данными [28] (.618 ± 13,3 кГц), но не согласовалась с более точными измерениями [10] (.616 ± 3 кГц), выполненными примерно в тоже время.

Так как в 1979 г. были проведены сличения частоты стационарной установки ВНИИФТРИ с лазером МБМВ BICH 4,6 [52] ( увюн*» - vvwrnw ~ - 1,26 к 0/66 кГц), то таким образом мы также определили и абсолютное значение частоты лазера В'СН' 4,6, а именно vbch4.fi = 88 376 181 602.1 ± 1,5 кГц.

Эти эксперименты впервые отчетливо показали, что измерения ВНИИФТРИ дают значительно более низкое значение частоты, чем результаты других измерений. Таким образом возник вопрос о достоверности измерений.

В 1982 и 1983 гг. были проведены повторные измерения частот лазеров Не-Ые/СН4 и С02/0504, которые также подтвердили результаты наших предыдущих измерений. Стабильность частоты С02/0б04 лазера ограничивала точность измерений его частоты на уровне 3x10"12, а высокий порядок смешения при измерениях частоты Не-Ме/СН4 не позволял получить достаточное отношение сигнал/шум для более точных измерений. Наиболее точные результаты измерений выглядели следующим образом:

Усоггал«= 28 464 676 938,5 ± 1 кГц 88 376 181 603,4 ± 1.4 кГц = 88 373 149 033.0 ± 1.7 кГц ^'в1сн«.е = <88 376 181 602.1 ± 1.5 кГц.

Одной из причин, ограничивающих точность измерений на этом этапе, могло быть явление проскальзывания фазы в узкополосных кольцах фазовой автоподстройки лазеров. Для увеличения полосы ФАП субмиллиметровых лазеров были исследованы возможности применения промежуточных генераторов с высокодобротными резонаторами в цепи умножения частоты эталона до сантиметрового диапазона. Был разработан генератор на частоту 1 ГГц с объемным резонатором, имеющим добротность порядка 50 000. [53]. К этому же времени появились генераторы с высокодобротными сапфировыми резонаторами в диапазоне длин волн 3 см [54]. Согласно предварительным результатам, более перспективным было применение именно генераторов с сапфировым резонатором в цепи умножения сигнала эталонной частоты [29]^ В 1985 г. была закончена модернизация лазерной умножительной цепи с вьючением в нее генератора с охлаждаемым жидким азотом сапфировым резонатором. Частота эталона 5 МГц умножалась до частоты 8 250 Мгц и по ней осуществлялась узкополосная фазовая автоподстройка СВЧ генератора на диоде Гана. В генераторе использовался сапфировый резонатор с возбуждением мод типа шепчущей галереи. Его добротность при температуре жидкого азота достигала 107. Таким образом был реализован генератор с такой же добротностью резонатора, как у лучших кварцевых генераторов на частоте 5 Мгц. Частоту таких генераторов можно было умножать до 1-3x1011 Гц. Так как исходная частота СВЧ генератора в 2000 раз выше, то, следовательно, его частоту можно было умножать до »2x1014 Гц, что в любом случае выше частоты исследуемого Не-Ые/СН4 лазера. По существу с этого времени стало возможным осуществление фазовой автоподстройки лазеров путем их последовательной синхронизации по более низкочастотному источнику.

В декабре 1985 г. были выполнены измерения частот лазеров на новом уровне точности [55]. В измерениях 1985 г. использовался вновь разработанный перевозимый Ие-№/СН4 лазер с улучшенными частотными характеристиками. Воспроизводимость его частоты на интервале в один год оценивается величиной 1х10.12. В процессе измерений контролировалась разность частот старого и нового лазеров. В течение двух недель было выполнено три серии измерений Каждая серия содержала около 500 отсчетов с временем усреднения 10 с. Во всех сериях измерений дисперсия составляла »100 Гц. Частота нового лазера оказалась равной

УМ101 = 88 370 181 602.15 ± 0,06 кГц.

Частоты стационарных лазеров на Р22 и Е компонентах соответственно равны

Унв-ме1снл га = 88 376181 595,7 ± 0,5 кГц

Чне-шсм Е = 88 373 149 029,0 ± 0,07 кГц

Результаты измерений не совпали с лучшими результатами 1981 г. Возможное несовпадение может быть объяснено как наличием систематической ошибки в результатах 1981 г., так и недостаточной их воспроизводимостью на таких длительных интервалах (более четырех лет). Но наиболее значительным результатом было то, что частота нашего лазера, имеющая по результатам А. оо международных сличений самое высокое значение, была значительно ниже, чем частота лазеров этого типа, измеренная в других лабораториях.

630-<

625 -620 ■ 615 ■ 610605600

74 75 76 77 78 79 80 81

82 83

Рис.2.6

По оси х отложено время измерения абсолютной частоты Не-№/СН< лазера в лабораториях США, Англии, СССР и Франции. По оси у - последние значащие цифры частоты в кГц и ориентироаочные погрешности измерений. Заштрихованная область после 83 г. соответствует рекомендованному значению частоты и его погрешности.

Рекомендованное консультативным комитетом по метру значение частоты такого лазера выпадало далеко за пределы погрешностей, определенных в 1983 г. На рис.2.6 показаны результаты определения частоты лазера в различных лабораториях и принятая рекомендация относительно значения частоты Не-Ые/СН., лазера. Возник вопрос о правильности и достоверности измерений частот и, если наши результаты верны, в необходимости корректировки рекомендованного ССОМ значения частоты лазера. Причем корректировка относилась бы не только к значению частоты этого лазера, но и ко всем другим рекомендованным значениям частот лазеров видимого диапазона, т.к. их частоты и длины волн были определены через значение частоты Не-Ые/СН4 лазера.

2.6 Метрологические исследования РОЧМ

Правильность результатов является одним из важнейших вопросов в прецизионных измерениях частот лазеров. Начиная с 1980 г. этот вопрос не уходил от пристального внимания. Первые серьезные расхождения в определении частоты Не-Ые/СН4 лазера появились в 1979-1980 гг.[10]. После этого времени появилось много результатов измерений в разных исследовательских группах и эти результаты значительно расходились между собой.

Так как умножительная цепь расщеплена на две независимые части, то можно провести исследования каждой части на предмет выявления систематических ошибок.

В соответствии со структурой ФАПЧ НСМ лазера миллиметровый клистрон отслеживает частоту этого лазера, а сантиметровый клистрон следит за частотой миллиметрового. Поэтому, если с помощью промышленного частотомера измерять частоту сантиметрового клистрона, то Можно определить и частоту НСЫ лазера, Это очень полезное свойство системы ФАПЧ НСЫ лазера, позволяющее контролировать его частоту во время абсолютных частотных измерений. Конечно, можно оспаривать стопроцентную правильность такого контроля. Можно выдвинуть такой аргумент, что есть проскальзывания фазы и миллиметровый клистрон не точно отслеживает частоту лазера а замкнутая петля связи тем не менее производит сигнал ошибки так, чтобы частота сантиметрового клистрона была равна частоте опорного сигнала. Для исключения этой возможности (в какой-то мере) был создан другой независимый, стабилизированный по эталону миллиметровый клистрон. Таким образом можно было производить сравнение частот в двух диапазонах одновременно.

Так как предварительные исследования Не выявили проскальзывания фазы в какой-либо части ФАПЧ лазера, были проведены дополнительные исследования воздействия температуры на элементы цепи. Наиболее существенно воздействие температуры должно сказаться на первых каскадах умножителя эталонного сигнала, т.к. в последующем вариации фазы в этих каскадах умножаются в миллионы раз. Для , проверки этой версии умножитель 5МГц - 250 МГц размещался в коробке с нагревателем и контролем температуры. Для достижения необходимой разрешающей способности был изготовлен преобразователь с целью измерения периода сигнала.

Основные испытания были проведены для быстрого и контролируемого во времени изменения температуры и получены следующие результаты. Наибольшему Воздействию при нагревании и охлаждении умножителя подвергается кратковременная стабильность лазера. В зависимости от дрейфа температуры она может быть а '10-100 раз хуже, чем в лабораторных условиях. Отмечается также отклонение частоты от номинала при дрейфе температуры умножителя. Наибольшее отклонение частоты от номинала составляло 5x10"13 при дрейфе температуры умножителя 0,2К/мин. В лабораторных условиях (без принудительного нагрева или охлаждения) отклонение частоты не превышало 3x10'1'1. Эти результаты были получены при длительных исследованиях с заменой элементов цепи и изменениями параметров системы ФАПЧ.

При условии, что частота НСЫ лазера .фиксирована и что 020 лазер синхронизирован по НСЫ лазеру, промежуточная частота сигнала биений между этими лазерами также должна быть фиксированной. Следовательно, измерение промежуточной частоты 5,9 ГГц может дать оценку стабильности частоты 020 лазера и точности его синхронизации. Это именно оценки, основанные на косвенных . измерениях, так как невозможно измерить непосредственно частоту лазера. Тем не менее исследования показали, что ошибки в системе ФАПЧ не должны приводить к отклонениям частоты этого лазера более чем на 5x10'13.

Вторая часть умножительной цепи, включающая в себя С02 Я(30) лазер, синхронизированный по Не^е/СН4 лазеру и С02 Р( 14) лазер - по С02 Я(30) лазеру соответственно, была исследована таким же путем, как и система ФАПЧ й20 лазера.

Так как в умножительной. цепи присутствует промежуточный . С02/0$04 стандарт частоты, это дает возможность провести довольно уверенную экспертизу правильности измерений пй крайней мере с точностью воспроизведения частоты этим стандартом. Идея испытания состоит в следующем. Частота Не-№/СН4 лазера измеряется на полностью синхронизированном РОЧМе без промежуточных эталонов и остановок. Независимо измеряется частота С02/0з04 лазера с помощью только низкочастотной части РОЧМа. Сравниваются частоты двух стандартов с помощью высокочастотной части РОЧМа. В 1985 -1986 гг. были проведены ■испытания по такой схема.

С помощью полностью синхронизированного РОЧМ в декабре 1985 г. были измерены частоты двух перевозимых Не-Ые/СН, стандартов частоты П1 и М101. Значения частот стандартов согласно этим измерениям следующие:

88 376 599 980 ±60 Гц Ум,т= 88 376 602 150 ± 60 Гц

Погрешность этих измерений в относительном выражении равная «7x10"'3, была в основном обусловлена воспроизводимостью частоты перевозимых лазеров.

В феврале 1986 г. частота С02/0з04 лазера была измерена относительно эталона и относительно Не-Ые/СН4 стандарта П1. Частота П1 считалась известной из предыдущих измерений.

При измерении относительно цезиевбго эталона измерялась частота биений между С02 (Р14) лаз!*оом, стабилизированным по 0в04 стандарту, и 8-й гармоникой синхронизированного по эталону 020 лазера.

При измерении относительно Л1 измерялась частота биений между С02/0804 стандартом и С02 Р(14) лазером, синхронизированным по Не-Ые/СН4 стандарту.

В течение нескольких дней в феврале 1986 г. было выполнено шесть серий измерений относительно цезиевого эталона и получено более двухсот отсчетов со временем усреднения .10 с. Среденеквадратичное отклонение внутри серий составляло от 15 до 30 Гц. Однако разброс между сериями оказался заметно большим и обусловлен в основном воспроизводимостью лазерного стандарта. Из совокупности измерений получено следующее значение частоты Усогкжм =

28 464 938 787 ±95 Гц

Через несколько дней было выполнено измерение относительно лазерного стандарта П1 со следующим результатом: vcoж»64 = 28 464 938 790 + 97 Гц

Погрешность этих измерений в относительном выражении равная 3x10"'3 характеризует воспроизводимость СОг/ОэО« стандарта. Интересно отметить, что средние значения частоты этого стандарта, полученные при измерениях относительно цезиевого эталона и относительно стандарта П1, расходятся всего лишь на 1x10"'3.

Таким образом все внутренние испытания подтверждали правильность результатов наших измерений частот лазеров. Расходимость результатов с работами других авторов могла быть объяснена неточностью воспроизведения частоты СН4 перехода. Окончательное решение вопроса требовало проведения международных сличений либо Не-Ые/СН4 лазеров, либо умножительных цепей, либо и того и другого.

2.7 Аттестация радиооптического частотного моста

Создание единой системы эталонов физических величин на основе использования квантовых физических эффектов является фундаментальной метрологической проблемой. Важный этап этой проблемы - аттестация и введение в состав государственного первичного эталона времени и частоты (ГЭВЧ) радиооптического частотного моста РОЧМ-Ю1, который обеспечивает абсолютное измерение частоты в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах. Созданный и аттестованный во ВНИИФТРИ в 1983 г. РОЧМ-Ю1 позволял проводить абсолютные измерения частот до 3x1013 Гц с относительной погрешностью меньше 1х10"'г и до частоты 9x1013 Гц с относительной погрешностью меньше 2x10"11.

При работе РОЧМ-Ю1 в режиме синхронизации СВЧ генераторы и лазеры выдают ряд сигналов опорных генераторов с частотами 8,2; 74; 890; 3 557; 28 465; 29 342 и 88 376 ГГц. Измерение неизвестной частоты поверяемого лазера состоит в том, что его частота сравнивается на нелинейном элементе с частотой, синтезируемой из опорных частот и их гармоник. Для генерации гармоник, сложения и вычитания частот используются быстродействующие нелинейные МОП и МОМ-диоды лабораторного изготовления. Выделив на нелинейном элементе разностный сигнал и измерив его частоту, можно получить значение частоты поверяемого лазера.

В отдельных случаях для синтеза частоты, близкой к частоте поверяемого лазера, могут использоваться дополнительные СВЧ генераторы, синхронизированные по водородным хранителям частоты. Если частота поверяемого лазера близка к опорной, то в качестве смесителя можно использовать фотоприемники соответствующего диапазона.

Введению РОЧМ-1СИ в состав ГЭВЧ предшествовали его метрологические исследования. Наиболее важное из них - определение среднеквадратичного отклонения частот НСЫ и 020 лазеров [56]. На основании метрологических исследований точности воспроизведения частот НС!М и 020 лазерами в 1983 г. был аттестован РОЧМ-Ю1 со следующими параметрами: в диапазоне до 3x1013 Гц обеспечивается измерение частот с относительной погрешностью менее 1x10"12 и в диапазоне до 9x10"13 с относительной погрешностью 2x10'" [31].

Введение в эксплуатацию РОЧМ в составе ГЭВЧ СССР вызвало необходимость уточнения значения частот оптических стандартов, так как в состав эталона входил Не^е/СН4 лазер, частота котрого значительно отличалась от рекомендованного ГКМВ значения. В то же время независимые измерения в ИФЛ в 1981 и 1983 гг. совпадали с измерениями ВНИИФТРИ. и, таким образом, результаты, полученные в СССР, имели значительное расхождение с общепринятыми.

2.8 Линейные измерения и единый эталон времени-частоты-длины

Создание в ряде развитых стран, включая СССР, лазерных умножительных цепей и высокостабильных по частоте лазеров позволило в начале 80-х годов перейти к пересмотру основ линейных измерений. Семнадцатая Генеральная конференция мер и весов (октябрь 1983 г.) в своей резолюции А приняла следующее новое определение метра: "Метр - это длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды", - и отменила определение метра 1960 г., основанное на переходе между уровнями 2рю и 5с15 атома криптона-86. Принятие нового определения метра обосновано следующими обстоятельствами:

- определение 1960 г. не позволяет воспроизводить метр с достаточной точностью (погрешность воспроизведения длины волны криптоновой лампы в лучших эталонах составляла =« 4 * 10"9 и не могла быть существенно снижена);

- стабилизированные по частоте лазеры имеют значительно большую воспроизводимость и более удобны для использования, чем излучение лампы с криптоном-86; разработанные и освоенные методы абсолютных измерений частот оптического диапазона позволили определить частоты многих лазеров со значительно меньшей относительной погрешностью, чем погрешность излучения пампы с криптоном-88, или даже чем погрешность интерференционных сличений длин волн;

- для измерения длин в астрономии и геодезии новое определение открывает возможности резкого повышения точности.

В принятой на той же конференции Рекомендации I (С 1-1983) Международный комитет мер и весов рекомендует, чтобы метр воспроизводился одним из следующих эквивалентных способов: с помощью длины пути I, проходимого в вакууме плоской электромагнитной волной за промежуток времени I ; эта длина получается из измерения промежутка времени I и соотношения , где с=299792458 м/с - скорость света в вакууме; с помощью длины волны в вакууме X; плоской электромагнитной волны с частотой у,эта длина волны получается из измерения частоты и соотношенияХ=с/у.

Новое определение метра принципиально отличается от определения 1960 г.: если ранее метр не был непосредственно связан со временем (с секундой, размер которой принят по соглашению), то новый метр опирается на эталон времени и скорость света.

Измерения больших расстояний локационным путем по времени задержки светового импульса с принятием нового определения метра теперь проводятся в строгом соответствии с этим определением: !=с*Д(. Максимально достижимая точность измерения таким способом ограничивается неточностью эталона времени (~1*10"14).

С введением нового определения метра кардинальные изменения претерпевают измерения длин волн. В соответствии с соотношением Х=с/у длины волн устанавливаются из измерений частоты у и имеют погрешность последних. В принципе, минимальная погрешность, которая может быть достигнута, составляет 0"'4, т.е. погрешность эталона частоты-времени.

Освоение измерений частот оптического диапазона и принятие нового определения метра, в Основу которого положены фиксированные значения скорости света, привели к прямой связи единиц времени (частоты) и длины, Тем самым решена принципиальная сторона вопроса о так называемом едином эталоне времени, частоты и длины, и открылась возможность его практической реализации [57] . Создание единого эталона особенно актуально для таких областей науки и техники, как спектроскопия и спектральные приборы, лазерная техника, навигация, астрономия, геодезия, геодинамика и другие, для которых метрологическое обеспечение может быть построено при наличии такого эталона наиболее логично и рационально.

В 1985 г. единый эталон времени, частоты и длины в нашей стране был создан и Постановлением Госстандарта СССР N 62 от 26 декабря 1985 года был впервые утвержден. Основными узлами этого комплексного эталона являются: государственный первичный эталон времени и частоты, дополненный радиооптическим частотным мостом и He-Ne/CH, лазерами (ВНИИФТРИ); интерферометр сравнения длин волн He-Ne/CH* и He-Ne/fe лазеров, He-Ne/I2 лазеры на Х=0.63 мкм и интерферометр, непосредственно формирующий метр (ВНИИМ). Передача абсолютного значения частоты йодным лазерам ВНИИМ передается с помощью транспортируемого He-Ne/CH» лазера и специального интерферометра сравнения длин волн.

Создание единого эталона позволило реализовать метр в соответствии с его новым определением. Примерно на порядок была повышена точность измерений длин и длин волн; еще более значителен прогресс точности в дальнометрии - на лучших установках он достигает двух - трёх порядков.

2.9 Сличения с помощью перевозимого лазера

В 1985 г. была завершена разработка перевозимого He-Ne/CH., лазера с улучшенными характеристиками и начата работа по сличениям с лазерами аналогичного типа и определению их абсолютных частот.

Летом 1985 г. были выполнены сличения перевозимого лазера ВНИИФТРИ П2 с лазерами МБМВ BICH 4.3 и BICH 4.6: Эти сличения подтвердили надежность и достоверность результатов, полученных при использовании П2 в качестве хранителя частоты. Круговые сличения показали, что лазер П2 сохранил спою частоту в пределах 1x10"12.

В конце 1985 г. с помощью РОЧМ-Ю1 была измерена абсолютная частота лазера М101 с погрешностью менее 1х10"'2. Значение частоты лазера на момент измерений было равно vmioi= 88 376 181 602 150 ± 60 Гц эЗатем с помощью этого лазера во ВНИИФТРИ были выполнены сличения с Не-Ne/CH4 лазером, стабилизированным по E-компоненте метана. В течение двух недель сличений отклонения результатов составляли 10'13 при времени усреднения 10 с. Было определено, что частота E-компоненты метана равна: vE= 88 373 149 029 ООО ± 70 Гц

В этом же году были выполнены сличения с двухмодовым He-Ne/CH4 лазером, стабилизированным по центральной компоненте разрешенной сверхтонкой структуры линии метана 2F2. Этот лазер был разработан в ФИАНе [58].Абсолютная частота этого лазера оказалась равной

88 376 181 599 980 x100 Гц. По возвращении во ВНИИФТРИ не было обнаружено изменение частоты лазера М101.

В 1986 г. были выполнены сличения He- Ne/CH4 лазеров МБМВ, ВНИИФТРИ и C02/0s04 лазера LPTF (Франция). Были подтверждены результаты предыдущих сличений с МБМВ с погрешностью, определяемой лазерами МБМВ. Одновременно проводились абсолютные измерения частот лазеров ВНИИФТРИ и МБМВ на французской частотно-измеритльной установке. Измерения проводились по отношению к частоте C02/0s04 лазера, входящего в состав частотно-измерительной установки LPTF. Абсолютное значение частоты этого лазера было определено ранее с погрешностью 70 Гц. Согласно результатам, полученным на французской установке частота лазера М101 равна 88 376 181 -602 036 Гц. Погрешность измерения составляет 250 Гц и обусловлена, главным образом, погрешностью определения частоты C02/0s04 лазера. Эти результаты находятся в отличном согласии с результатами, полученными на РОЧМ-Ю1, и свидетельствуют о том, что в пределах указанной погрешности в частотно-измерительных установках СССР и Франции отсутствовали систематические ошибки.

Осенью 1986 г. частота лазера М101 была измерена с наивысшей точностью на РОЧМ ВНИИФТРИ. В структурную схему РОЧМ впервые был введен генератор Гана, стабилизированный охлаждаемым до 77 К сапфиромым резонатором, что позволило осуществить последовательное прямое умножение частоты эталонного сигнала вплоть до частоты С02(Р14) лазера »3x1013 Гц.

В 1988 г. были проведены абсолютные измерения частоты лазера М101 на РОЧМ 101 и на умножительной цепи NRC (Канада), а в 1989 на РОЧМ 101 и на •/множительной цепи РТВ (Германия). Результаты абсолютных измерений частоты лазера М101 на разных умножительных цепях совпадали в пределах погрешностей.

В тот же период проводились сличения частоты лазера М101 с частотами лазеров, представленных ФИАН, МБМВ, РТВ и NRLM (Япония) для определения их абсолютной частоты. Практически во всех международных сличениях лазера М101 участвовали также лазеры МБМВ.

Лазеры, представленные ФИАН и РТВ, стабилизировались по центральной компоненте сверхтонкой магнитной структуры линии метана 2F2, Их частота отличается от частоты лазеров с неразрешенной сверхтонкой структурой и в рекомендациях CCDM83 она не была представлена.

В таблице 1. приведены абсолютные значения частот лазеров, полученные путем сличений с лазером М101. Частота лазера М101 в этой таблице определялась только из измерений на РОЧМ 101.

Таблица 1 vch4 = 88 376 181 ООО + d (кГц) г°я М101 В.З VB Р1 PL NRLM ДМЛ Е-комп лазер •

6 О d а d а d а d а d а d О <3 С d а

1985 601,9 0,13 601,4 0,6 - 600 0,13 - - - .599,9 0,14 - - 29.0 0.1

1986 601,9 0.04 600,7 0,14 - - 599,9 0,04 598,5 0,3 - - 599,9 0,1 - -

198В 601,5 0,13 600,7 0.19 600,7 0,14 600,5 0,15 = 596,5 0,5 - 2S.6 0.1

1939 602.6 0.15 601,7 0,2 602,1 0,16 - - - - 600,2 0,15 ■ 600,2 0,15 29,52 0,0В

1990 600,9 0.4 596 ,044

1091 ^602 0,13

1992 601,6 0.13 602.2 0,15

В таблице приняты следующие обозначения: d - последние значащие цифры значения частоты в кГц, о - среднеквадратичное отклонение в кГц, В.З ■■ лазер МБМВ, VB - лазер МБМВ-ВНИИФТРИ (разрядная трубка и поглощающая ячейка изготовлены во ВНИИФТРИ, интерферометр и электроника в МБМВ), Р1, PL -лазеры ВНИИФТРИ, NRLM - лазер японской национальной исследовательской лаборатории метрологии, ДМЛ - двухмодовый лазер ФИ АН СССР с разрешенной сверхтонкой структурой, пучковый СН< лазер - лазер РТВ (Германия) с разрешенной сверхтонкой структурой, Е-комп- лазер ВНИИФТРИ, стабилизированный по Е-компоненте метана (его частота на 3 ГГц ниже и составляет 88 373. 149 ООО + d кГц). Частота лазера NRLM в 1988 г. определялась через цепь: РОЧМ => М101 => BICH 4.3 => NRLM 88.

2.10 Анализ результатов сличений и рекомендации CCDM92

Обобщение результатов абсолютных измерений частоты лазера М101 и усреднение по всем годам измерений дали следующее среднее значение частоты лазера М101

Vm,, =88376181601.77± 0,52 кГц

Анализ результатов сличений и измерений представленных в таблице 1 показывает, что среднее значение частоты лазера М101 ниже значений рекомендованного CCDM83 на 6,3 кГц (7X1Û"11 в относительном выражении). Частоты всех остальных лазеров ниже частоты лазера MÎOl Результаты определения частоты лазера с разрешенной сверхтонкой структурой совпадают в пределах »10',г и еще раз подтверждают правильность абсолютных частотных измерений на РОЧМ 101. Практически совпадающие значения частот этих лазё- pol получены на установке РТВ. Среднее значение частоты ДМЛ за 89-92 it. пЬ результатам ВНИИФТРИ равно .600.1t кГц, по результатам 89 г. РТВ - .6Ô0,1â' кГц. Значение частоты лазера РТВ по результатам ВНИИФТРИ равно .600,18 кГц, по результатам РТВ - .600,16 кГц. Таким образом результаты абсолютных измерений частот более воспроизводимых лазеров совпадают в пределах «Зх10'13.

Среднее значение частоты He-Ne/CH4 лазера, полученное путем сличений лазера М101 с лазерами Р1 и PL (ВНИИФТРИ), В.З и VB (BIPM), лазера NRLM, DML -ФИАН, и CH4-beam РТВ равно уш =83376137 599,3+ 2.2 кГц -разрешенная сверхтонкая структура v =38376181600.04± 0.1SкГц - неразрешенная серхтонкая структура Полученные данные дали значительный вклад в более точное определение абсолютной частоты He-Ne/CH4 лазеров

Ниже предоставлены две таблицы из журнала Metrología, vot.30, Number 5, Mise en Prat/queoi the Definition of the Métre (1992) В этих таблицах представлены результаты определения частоты He-Ne/CH4 лазера в различных национальных лабораториях и среднее невзвешенное значение его частоты.

1.1,1 Hyperfme s fracture resolved

Absoíute frequency determinations, ¿H4 = (88 376181 000 + % kHz

Year Laser \ ■ \ Frequency chain CCQM document x/kHz

1991 Lebedev Phys Inst. PTB 92-8a 600,29

1935-1986 Lebedev Phys Inst VN/fFTRf 92-9a 599,9

1989-1992 Lebedev Phys Inst VWFTfV 92-9a 600,11

1989 . PTB VNIIFTRl 92-9a 600,18

1992 PTB PTB 92-14a 600,16

1988-1991 Inst. LaserPhys. (IPL) Novosibirsk (PL 92-23a 600,44

Unweiqhted megn fCHf = 88 376181 600,180 kHz

В этой таблице представлены результаты измерения абсолютной частоты лазеров, стабилизированных по центральной компоненте линии Р22 метана с разрешенной сверхтонкой структурой.

Частоты лазеров, разработанных в ФИАНе и в РТВ сличались с лазером М101, абсолютное значение частоты которого в свою очередь измерялось на радиооптическом частотном мосту РОЧМ-Ю1 (ВНИИФТРИ).

T. 1.2. Hyperfine structure unresolved

Absolute frequency determinations, = (88 376 181 000 + $ kHz

Y'p-ci*"' Institute D^vics »khz

1983 lnst.LaserPhys.( Stationary CCDM/92-23a 602,9

Novosibirsk) device also 1.1.2-1,2,3

1985 NRC (Ottawa) Portable laser 2 CCDM/92-4a also 1.1.2-4 601,48

Mean value NRC (Ottawa) Portable laser 3 CCDM/92-4a 599,33

1986/89/90/91 also 1.1.2-4

Mean value NRLM Portable laser 1 1.1.2-4 596,82

1988/90 (Tsukuba)

Mean value PTB CH< beam 1.1.2-5,6 601,52

1987/89 (Braunschweig)

Mean value over VNIIFTRI Portable laser CCDM/92-9a 601,77

7 years (Moscow) M101 also 1.1.2-4

Mean value VNIIFTRI Portable laser CCDM/92-9a 600,12

1985/86/88 (Moscow) P1 also 1.1.2-4

1986 VNIIFTRI (Moscow) Portable laser PL CGDM/92-9a 598,5

Mean value over BIPM (Sevres) Portable laser 1,1/2-4 600,96

7 years 8.3

Mean value BtPM (Sevres) Portable laser 1/1/2-4 601,33

1988/89/91 VB

1991 BIPM (Sevres) VNIB1 CCDM/92-20a also 1.1.2-4 600,3

Unweighted mean ^=88 376 181 600.46 kHz

В 1992 г. Консультативный комитет по определению метра СС01И92 рекомендовал скорректировать частоты лазеров Не-Ме/СНа до следующих величин:

88 376 181 600,18 ±0,27 кГц - разрешенная сверхтонкая структура V = 88 376 181 600,5 ± 2 кГц - неразрешенная серхтонкая структура

Рекомендованные значения практически полностью совпадают с результатами, полученными во ВНИИФТРИ. При выработке рекомендаций учитывались результаты абсолютных измерений и сличений в разных странах и около половины результатов было получено с участием лазера М101 или умножительной лазерной цепи ВНИИФТРИ. Ни один результат не подтвердил значение частоты, рекомендованной в 1983 г. Вес всех результатов примерно одинаков и нельзя утверждать, что есть затягивание результатов из-за участия лазера М101. На рис.2,7 представлены результаты международных сличений с участием лазера М101.

2.11 О возможности вариаций фундаментальных констант

Впервые гипотеза о возможной вариации некоторых фундаментальных физических констант (ФФК) во времени была высказана Дираком [59]. Он обратил внимание на то, что из некоторых ФФК можно образовать безразмерные комбинации, которые по порядку величины составляют И О39 - Ю40, т.е. представляют собой большие числа. Родилась гипотеза больших чисел (ГБЧ), согласно которой эти большие числа не случайно имеют одинаковый порядок величины и между ними может существовать связь. Например, отношение кулоновской силы к гравитационной во взаимодейстии между протоном и электроном составляет ¿ус/чул, «2x1039 . Возраст Вселенной может быть выражен в единицах времени сформированных из атомных констант, например Тт^/У -5x1039. Так как это комбинация ФФК зависит от времени, то и другие комбинации ФФК согласно ГБЧ могут зависеть от времени и, следовательно, сами ФФК могут меняться с возрастом Вселенной.

Проверка ГБЧ проводится путем астрофизических наблюдений или анализа радиоактивного распада и оценки количественного содержания некоторых элементов в земной коре. Эти наблюдения и анализ вообще говоря опираются на ту или иную модель происхождения Вселенной. С развитием лазерной техники и освоения прецизионных абсолютных измерений частот лазеров стала возможной реализация идеи о сравнения частот квантовых

613.0

Рис. 2.7. Значения частот Не-№/СН стандартов в 1981-1995 гг., разработанных в лабораториях: (1-4) - ВНИИФТРИ; 5 - ИЛФ (Новосибирск, независимые измерения); 6 - 1РТР (Франция); 7 - М5МВ (Севр); 8 - РТВ (Германия); 9 - ЫЯС (Канада); 10 - ЫР1М (Япония). Штрихованные области соответствуют рекомендуемому в 1983 г. значению частоты этих лазеров 88 376 181 608,0 ± 3,9 кГц, и скорректированному в 1992 г. значению 88 376 181 600,5 ±2 кГц. переходов различной физической природы и оценке величины возможных вариаций некоторых комбинаций ФФК [60,61 ].

Известно (60], что частота перехода между атомными подуровнями сверхгонкой структуры, обусловленной магнитным моментом ядра, выражается через следующий набор констант: уст£г- сдр2Я^т/гПр) где дг гиромагнитное отношении протона, а - постоянная, тонкой структуры, & -постоянная Ридберга, т, и тр - соответственно масса электрона и протона, с-скорость света. Частота колебательного перехода многоатомной молекулы пропорциональна следующей величине [62]: где М- приведенная масса атомов, образующих данную связь, к- квазиупругая постоянная, к можно выразить через известные константы: /оёяЕ^п/тр где х -амплитуда нормального колебания {х»а0 - боровский радиус), Ег- электронная энергия (В результате - отношение частоты перехода в сверхтонкой структуре атома Сз к частоте колебательно- вращательного перехода в молекуле метана СН4 пропорционально следующему выражению:

УсА'снРдР-^т/т,,

Первые измерения возможных вариаций ФФК мы начали в 1979 г. В это время мы измерили отношение частот уС5/ус*о4 с погрешностью «3x10"11 [25]. Однако дальнейшие исследования показали, что оптический стандарт частоты на основе С02/0з04 не обладает адекватной воспроизводимостью и начиная с 1981 г. мы проводили исследования с использованием Не-Ые/СН4 лазеров. С 1985 г. начались исследования с помощью Не-Ые/СН4 лазера нового поколения -перевозимого стандарта М101. Проводились систематические исследования воспроизводимости частоты этого лазера. Так как нас интересовало возможное изменение его частоты, то для исключения или уменьшения технических уходов частоты лазера М101 мы на протяжение всего периода исследований стремились поддерживать неизменными его рабочие параметры. На рис. 2.8 представлены

Рис. 2М. Результаты измерений частоты (88 376 Ш 000,00 + 5 ¡кГц) лазерного стандарта М101 в 1985-Т995"гг. Значение частоты получено с помощью умножительной цепи: 1 - ВНИИФТРИ; 2 - РТВ (Германия); 3 - ЫНС (Канада); 4 - 1РТР (Франция). Прерывистые линии соответствуют стандартному отклонению 5 = ± 0,5 кГц от среднего значения 88 376 185 601,7 кГц частоты лазера МЮ1 по результатам измерений на цепи ВНИИФТРИ за десять лет. результаты абсолютных измерений частоты лазера М101, проведенные в разные годы на умножительной цели ВНИИФТРИ РОЧМ 101. Каждая точка представляет усредненные результаты измерений, продолжавшихся в течение нескольких недель. Здесь же приведены три результата измерений частоты М101 на умножительных цепях метрологических центров разных стран: лаборатории стандартов времени и частоты Франции (LPTF 1986 г.), национального исследовательского центра Канады (NRC 1988 г.) и Физико-Технического института Германии (РТВ 1989 г.). Для повышения достоверности сличений умножительных цепей различных лабораторий в 1986, 1988 и 1989 гг. частота лазера М101 измерялась на РОЧМ 101 до и после измерения на цепи другого метрологического центра. Весь цикл международного сличения проходил в течение месяца. Результаты попарных сличений показывают хорошее совпадение - результатов. Они же показывают, что погрешность измерений частоты на различных установках и воспроизводимость частоты лазера Ml 01 дают совместную погрешность не хуже 3x10"12.

Анализ результатов десятилетних измерений показывает отсутствие систематического дрейфа частоты лазера М101 в пределах 10"12/год. \ . ■

Соответственно можно сделать вывод о том, что вышеприведенная безразмерная комбинация ФФК не меняется монотонно со скоростью большей чем 10"12/год. [63]

Это опровергает первоначальный вывод, сделанный на основе измерений 1981 и 1985 гг. [55], который опирался на результаты измерений частот лазеров первого поколения. Эти лазеры не имели соответствующей долговременной воспроизводимости Частоты по технологическим и техническим причинам. Об этом же свидетельствуют и результаты абсолютных измерений вновь появившихся лазеров с разрешенной сверхтонкой структурой, воспроизводящих свою частоту на интервалах в несколько лет по крайней мере с погрешностью 3x10"12.

Установленный нами верхний предел возможного измерения ФФК по поряд- ку величины уступает таким оценкам других комбинаций ФФК, полученных на осно- ве современных космологических представлений и наблюдений. Последние такие оценки получены [64] на основе измерений спектров квазаров с большим красным смещением, выполненных в Гавайском университете.

Сообщается, что скорость изменения не превышает «-1СГ13/год, скорость изменения а не превышает - 4,6x10"14/, год, а скорость изменения дрг(т/т^\\ъ превышает -4,2х10"'5/год. Хотя эти оценки точнее наших экспериментальных данных на порядок, тем не менее важность наших данных достаточно весома хотя бы потому, что в настоящее время сличения частот стандартов различной физической природы является единственным способом экспериментального исследования вариаций ФФК во времени. 8 астрофизических наблюдениях фактор времени использован в полном объеме, в то время как в нашем эксперименте следует ожидать заметного улучшения точности как за счет времени, так и за счет исследования более совершенных оптических стандартов частоты - например лазеров с разрешенной сверхтонкой структурой. Одновременно следует подчеркнуть как немаловажный фактор то обстоятельство, что лазер М101 в течение 10 лет воспроизводит свою частоту в пределах 1x10". Этот фактор служит поддержкой существующей тенденции о создании эталонов физических единиц на основе квантовых явлений и их взаимосвязи через фундаментальные физические константы.

3. основные результаты выполненной работы

1. Решены вопросы создания лазеров с параметрами, позволяющими использовать их при умножении и смешении частот, разработаны точечные умножительно-смесительные диоды имеющие быстродействие до 10'14 е., проведены исследования шумовых свойств, предложен и реализован метод снижения шумов с помощью специальной системы фазовой автоподстройки лазеров и изобретен способ быстрого управления частотой субмиллиметрового лазера.

2. Проведены исследования и освоена техника измерения частот лазеров с погрешностью, сопоставимой с погрешностью воспроизведения размера единицы частоты государственным эталоном времени и частоты.

3. Разработан и создан радиооптический частотный мост РОЧМ - 101, позволивший связать стандарты частоты оптического и радиодиапазонов.

4. Радиеоптический частотный мост расширил частотный диапазон действия государственного первичного эталона в тысячи раз.

5. Проведены метрологические исследования РОЧМ, позволившие подтвердить достоверность и правильность измерений в указанном частотном диапазоне (до ~1014 Гц) и осуществлена метрологическая аттестация РОЧМ-Ю1.

6. Впервые в мире создан единый эталон времени, частоты и длины. Создание единого эталона позволило реализовать единицу длины - метр - в соответствии с его новым определением и повышением точности на два-три порядка. Измерение сверхбольших расстояний может в принципе выполняться с такой же точностью, какую имеет цезиевый стандарт частоты

7. Разработаны перевозимые стандарты частоты, позволяющие с указанной погрешностью осуществлять сличения оптических, стандартов частоты и радиооптических частотных мостов, разработанных в других организациях и странах

8. Проведены абсолютные частотные измерения и осуществлены сличения различных лазерных умножительных цепей и стандартов частоты на базе Не

СН4 лазера с целью определения точного значения частот и длин волн лазеров, используемых для воспроизведения единицы длины - метра.

9. Результаты измерений частот лазеров на РОЧМ - 101 и материалы международных измерений и сличений с помощью разработаного перевозимого лазера М101 в значительной мере позволили произвести уточнения частот и длин волн лазеров, используемых для воспроизведения единицы длины - метра.

10. Проведены исследования постоянства отношения частот для стандартов частоты оптического и СВЧ диапазонов во времени с целью определения постоянства комбинации фундаментальных констант агд|(тр/тв)1'2, где а -постоянная тонкой структуры, д| - гиромагнитное отношение протона, тр и т„ -масса протона и электрона соответственно. Экспериментально доказана неизменность вышеуказанной комбинации с разрешающей способностью до 10"12/год.

ЛИТЕРАТУРА!

1. Носкег L.O., Javan A., Ramachandra R.D., Frenkel L., and Sullivan Т., "Absolute frequency measurement and spectroscopy of gas laser transitions in the far infrared", Appl. Phys. Lett., v.10, pp. 147-149, 1967.

2. K.M.Evenson, J.S.Wells, F.R.Peterson, B.L.Danielson, and G.W.day, "Accurate frequencies of molecular transitions used in laser stabilisation: the 3 39 цт transition in CH4 and the 9.33- and 10.18 цт transitions in C02", Appl. Phys. Lett., vl. 22, pp.192-195, 1973

3. T.G.Blaney, C.C.Bradley, G.J.Edwards, D.J E.Knight, P.T.Woods and B.W. JolifFe, "Absolute frequency measurementof the R(12) transition of C02 at 9.3 цт", Nature, v. 244, p.504, Aug.24, 1973

4. Ю.С.Домнин, П.С.Шумяцкий, С.Д.Щипакин, "О работе точечного смесительного диода W-Si в субмиллиметровом диапазоне", Исследования в области измерений времени и частоты, Труды ВНИИФТРИ, вып. 19(49), 72, Москва, 1975

5. В.М.Клементьев, Ю.А.Матюгин, В.П.Чеботаев, "Смешение частот 88,37 Тгц (1=3,39 мкм), 125,13 Тгц (V=2,39 мкм) и 260,1 Тгц (А,=1,15 мкм) в газе и получение непрерывного когерентного излучения с суммарной частотой 473,6 Тгц (Х=0,63 мкм)", Письма в ЖЭТФ, т.24, выпМ, с.8-12, 1976

6. B.G.Whitford, et al., IEEE Trans, Insiram. Meas., v.IM-23, no. 3, p. 27, Jan. 1974

7. E.Sakuma, and K M. Evenson, Ball. N.R.L.M. № 28, p.28, Apr. 1974

8. A.Clairon, A.Van Leberghe, C.Salomon, M.Ouhayoun, and Ch.J.Bordfi, "Towards a new absolute frequency reference grid in the 28 Thz range", Opt. Commun., v. 35, no. 3 pp.368-372, Dec., 1980

9 C O. Weiss and A.Godone, "Harmonic mixing and detection with Schottky diodes up to the 5 THz range", IEEE J. Quantum. Electron., v. QE-20, pp.97-99, 1984

10. D. J.E.Knight, G.J Edwards, P.R.Pearce, and N.R.Cross, "Measurement of the frequency of the

3.39 цт methane-stabilized laser to ± 3 parts in 10 IEEE Instrum. and Meas., v 1M-29, pp.257-259, Dec. 1980

11. В.М.Клементьев, Ю.А.Матюгин, В.П.Чеботаев, "Измерение частот оптического диапазона. Состояние и перспективы", Квантовая электроника, т.5, № 8, с. 16711681, 1978

2. Domnin Yu.S., Tatarenkov V.M., and Shumyatsky P.S., "Phase-locked HCN-laser for precision frequency measurements", 3rd International Conference on Submillimeter waves and their applications, Univers. of Surrey, England, 29 March -1 April, p. 159, 1978

13 Ю.С.Домнин, Л.М Кардашова, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, "Стабилизация частоты С02 лазера по флуоресценции СО2 газа", Измерительная техника, № 10, стр. 18-19, 1979.

14. Ю.С.Домнин, Н.Б.Кошеляевский, А.Н.Малимон, В.М.Татаренков, П.С.Ш

Стандарт частоты ИК диапазона на четырехокиси осмия", Квантовая электроника, т. 14, № 6, с. 1260-1263 1987.

15. K.D.Froome, "A new determination of the free-space velocity of electromagnetic waves",

Proc. Roy. Soc., Ser A, v. 247, pp 109-122, 1958

16. K.M.Evenson, J.S.Wells, L.M.Matarrese, and L.B.Elwell, "Absolute frequency measurements on the 28 and 78 цт cw vater vapour laser lines", Appl. Phys. Lett, v. 16, pp. 159-162, 1970

17. MataiTese L.M., and Evenson K.M., Appl. Phys. Lett, v.17, No 1, p.8, 1970

18. Домнин Ю.С., Татаренков B.M. " Механизм работы смесительно-умножительного

MOM-диода", ЖТФ, т L, стр. 195-197, 1980

19. Домнин Ю.С. "Исследования по синтезу лазерных частот в субмиллимегровом и инфракрасном диапазонах", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва, 1977

20. K.M.Evenson, G.W.Day, J.S.Wells, and L.O.Mullen, "Extension of absolute frequency measurements to the cw He-Ne laser at 88 Thz (3.39 (лт) " Appl.Phys. Lett., v.20, pp. 133-134, Feb. 1, 1972

21. T.G.Blaney, C.C.Bradly, G.J.Edwards, B.W.Joliffe, D.J E.Knight, and P.T.Woods,

Measurement of the frequency of the methane-stabilized laser at 3.39 цт and the R(32) transition of CO?at 10.17 цт", Nature, v. 254, p. 584, Apr. 17, 1975

22. Ц.И.Глозман, Ю.Г.Захаренко, Г.И.Лейбенгардт, Ю.С.Домнин, С.Н.Овчинников,

В.М.Татаренков, "Измерение отношения длин волн He-Ne/CHi и He-Ne/J2 лазеров для ГПЭ длины", Квантовая метрология и фундаментальные константы" Тезисы докладов, Лениград, 1985

23. Wails F.I., de Marchi A.D., ШЕЕ Trans. IM-24, 15, 1975.

24 Ю.С.Домнин, В.М.Татаренков, "Синтез частоты He-Ne лазера (А, = 3,39 мкм)",

Квантовая электроника, т.4, №5, с.1103-1105.,1977

25 Ю.С.Домнин, Н.Б.Кошеляевский, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, "Абсолютные измерения частот лазеров ИК диапазона", Письма в ЖЭТФ, т 30, вып. 5, стр. 273-275, 1979

26. Ю.С.Домнин, Н.Б.Кошеляевский, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, О.Н.Компанец,

А.Р.Кукуджанов, В.С.Летохов, Е.Л.Михайлов, "CO2/OSO4 лазер; абсолютное измерение частоты световых колебаний, возможные эксперименты", Письма в ЖЭТФ, т.ЗО, вып.5, 1979

27. Ю.С.Домнин , Н.Б.Кошеляевский, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, "Измерения частоты He-Ne/CH4 лазера", Письма в ЖЭТФ, т.34, вып.4., стр. 175- 178, 1981.

28. A.Clairon, B.Dahmani, J.Rutman, J. ШЕЕ Trans, on Instrum. and Meas., IM-29, 268,

1980.

29.Ю.С.Домнин, А.Н.Малимон, С.Н.Слюсарев, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, "Применение СВЧ генератора на охлаждаемом диэлектрическом резонаторе в цепи синтеза частот субмиллиметрового диапазона", Тезисы докладов,Всесоюзное совещание "Малошумящие генераторы СВЧ. Состояние разработок и.переспективы применения в метрологии", Тезисы докладов, с.24-25, Иркутск, 17-19 сентября 1991

30 Ю.С.Домнин, "Устройство для управления длиной резонатора", Авторское свидетельство № 79 750S, от 15 сентября, 1980

31. Ю.С.Домнин, А.Н Малимон, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, "Метрология лазерных частот в СССР", ТИИЭР, т 74, №1, с. 202-206, январь 1986

32. Сливков И.Н., Михайлов В.И., Сидоров Н И., Настюха А И., Электрический пробой и разряд в вакууме, Атомиздат, Москва, 1966.

33. Ю.С.Домнин, Л.Н.Копылов, Н.Б.Кошеляевский, С.Н.Овчинников, В.М Татаренков,

Перевозимые лазеры в составе единого эталона времени, частоты и длины", Измерительная техника, №6, стр.7-8, 1986.

34. R. Felder, J.-M Chartier, Yu.S.Domnin, A.S.Oboukhov, and V.M Tatarenkov, "Recent

Experiments Leading to the Characterization of the Performance of Portable (He- Ne)/CH.) Lasers", Part I: Results of the 1985 International Comparison BIPM-VNIIFTRI, Metrología, v.25, pp. 1-8, 1988.

35. Akimoto, R.Felder, V.M.Tatarenkov, Y.S.Domnin, and Y.T.Bukharov " He-Ne Lasers"

CPEM92 Digest, 113-114, Paris, 1992.

36. A.Clairon, B.Dahmani, O.Acef, M.Granveuox, Yu.S.Domnin, S.B.Pouchkine, M.Tatarerikov and R.Felder "Recent Experiments Leading to the Characterization of the Performance of Portable (He-NeyCH, Lasers", Part II: Results of the 1986 LPTF Absolute Frequency Measurements, Metrología, v.25, pp.9-16, 1988.

37. Felder R., Robertsson L., "Results of the 1988 NRC absolute and relative frequency measurements carried out on portable (Ne-Ne)/CH4 lasers", Rapport BIPM- 89/4

38. Comité Consultatif pour la Definition du Metre, 8th session, CCDM/92-14d.

39. Freed C„ Jayan A., "Appl. Phys. Lett ", v.17, N2, 1970.

40. Расгригин Л.А., Системы экстремального управления, - М., Наука, 19

41. Ю.С.Домнин, С.Н.Слюсарев, "Цифровой интегратор в системе АПЧ лазера", Тезисы докладов YI Всесоюзной н.т. конференции "Метрология в радиоэлектронике", Москва, 1984

42. Ю.СДомним, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, "ФАПЧ лазера к частоте лазерного репера ИК диапазона", Лазерныем методы и средства измерений, Труды ВНИИФТРИ, с. 63-65, Москва, 1980

43. Очкин В Н., Преображенский Н.Г., Соболев Н.Н., Шапаре Н Я, УФН, т.148, стр.

473, 1988.

44. Ю.С.Домнин, "Индуцированный оптогальванический эффект и его применение в Не

Ne/CHi лазере", Квантовая электроника, т.21, №6, стр. 597-599, 1994

45. Ю.М.Малышев, Ю Г.Расторгуев, А.Н.Титов, "Лазерный репер частоты на Екомпоненте метана с телескопическим резонатором", Исследования в области измерений времени и частоты, Сборник научя. трудов НПО ВНИИФТРИ, М.1989

46. Ю.С.Домнин. Ю.М.Малышев, Ю.Г.Расторгуев, А.Н.Титов, "Лазерный спектроскоп на

E-компоненте метана с фазовой автоподстройкой", Тезисы докладов YI Всесоюзной н.т. конференции "Метрология в радиоэлектронике", Москва, 1984

Ю.С.Домнин, Ю М.Малышев, Ю.Г.Расторг-уев, А Н.Титов, "Система синхронизации на E-компоненте метана с отстройкой по частоте на 3 ГГц",Тезисы докладов YI1 Весоюзной н.т. конференции "Метрология в радиоэлектронике", с.247, М. 1988.

47. F.Nez, M.D.Plimmer, S.Bourzeik, L.Julien, F.Biraben, B.Cagnac, R.Felder, P.Juncar,

Millerioux, "Towards a Frequency Measurement of the Rydberg Constant Using the 2S-8S and 2S-8D Transitions of Hydrogen", CPEM 1992, France

48.Chartier J.-M., et al.'Tnternational comparison of iodine-stabijized helium-neon Iasers at X=633 nm, ¡nvolving seven laboratories", Metrología, 28, 19-25, 1991.

49. Ю.С.Домнин, "Не-ЫеЛ2 лазеры ВНИИФТРИ", Труды 5-гоРоссийского симпозиума

Метрология Времени и Пространства", с. 425-427, 11-13 Октября, Менделеево, Россия, 1994

50. Ю.П.Мачехин, В А.Одиней, В.А.Смолуховский, Ю.С.Домнин, В.П.Тенишев, Сличения

He-Ne/Jj-лазеров, проведенные по прошрамме КООМЕТ 94.UA-a/92 в 1996 г.", Измерительная техника, №11, с.71-72, ¡997.

51. О.Н.Компанец, А.Р.Кукуджанов, Е.А.Михайлов, Квантовая электроника, т.4б с.

2016,1977

52. N.B.Koshelyaevskii, A Oboukhov, V.M.Tatarenkov, A.N.Titov, J.-M.Chartier, and R.Felder, "

International Comparisons of Methane-Stabilized He-Ne Lasers", Metrología, 17, p. 3-6,

1981.

53. Ю.С.Домнин, А.Н.Малимон, "Транзисторный СВЧ генератор с объемным резонатором д.;я синтеза частот ИК диапазона", Тезисы докладов YI Всесоюзной н.т. конференции "Метрология в радиоэлектронике" Москва, 1984

54. Х.С.Багдасаров, В.Б.Брагинский, П.И.Зубиетов, Письма в ЖЭТФ, т.З, вып.19, с.991, 977

55. Ю.С.Домнин, А.Н.Малимон, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, "К вопросу о постоянстве фундаментальных констант", Письма в ЖЭТФ, т.43, вып.4, с. 167-169,

1986 1

56. Ю.С.Домнин, А.Н.Малимон, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий, "Характеристики высокостабильного D20 лазера" V Всесоюзная научно-техническая конференция "Метрология в радиоэлектронике" Тезисы докладов, с. 51-52, Москва, 1981.

57. Ю.С.Домнин, А.Н.Малимон, В.М.Татаренков, П.С.Шумяцкий "Радиооптический частотный мост единого эталона времени, частоты и длины", Измерительная техника, №6, с.5, 1986.

58. N.G.Basov, M.A.Gubin, V.V.Nikitin, A.V.Nikulchin, D.ATyrikov, V.N.Petrovskiy, and

E.D.Protseriko, Proc. of the 2-nd Inter. Conf. on Precisión Mesurements and Fundamental Const., 11, Gaithburg, June 2-12, USA, 1981

59. P.A.M.Dirac, Proc. Roy.Soc., London, A165, 199, 1938

60. R H.Dicke, Science, 129, 621, 1959

61. Н Г.Басов, В.С.Леггохов, УФН, 96, 585, 1968

62. И.И.Собельман, Введение в теорию атомных спектров, ФМЛ, 261, 1962

63. Ю.С.Домнин, Л.Н.Копылов, А.Н.Малимон, В.П.Тенишев, П С.Шумяцкий,

Абсолютные измерения частоты Не-№/СН4-стандарта на протяжении десяти лет", Квантовая электроника, 23, №12, 1111-1114, 1996

64. Новости в сети Internet, УФН, 165, 974, 1995

Приложение

Утверждаю'

На " вления

Ме стандарта России

В.М. Лахов ¿74- 1999 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы Домнина Ю С. "Методы и средства измерений оптических частот и их применение в эталонах времени, частоты и длины", представленной на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.11. 15 "Метрология и метрологическое обеспечение".

Диссертационная работа явилась итогом выполнения в ГП "ВНИИФТРИ" в период с !971 по 1997 г.г. ряда научно-исследовательских работ в соответствии с планами госбюджетных НИР, в том числе по постановлениям Правительства и иных директивных органов, а также работ по выполнению контрактов с международным бюро мер и весов (МБМВ) и с межуднародмой организацией помощи развивающимся странам (ЮНИДО).

Основная задача этих работ -освоение измерений и разработка методов и средств точных измерений частот оптического диапазона для решения ряда крупных метрологических задач в области измерения времени, частоты и длины.

В результаты выполненных исследований и разработок решена проблема абсолютных измерений частоты в субмиллиметровом и инфракрасном диапазонах. Во ВНИИФТРИ созданы аппаратура и методы измерения частот лазерных источников излучения с наивысшей точностью.

Создан комплекс средств измерений, включающий в себя радиооптический частотный мост (РОЧМ) и перевозимые лазеры, с помощью которого решены следующие метрологические задачи:

1. Частотная область действия первичного эталона времени и частоты расширена в 103 раз и достигает частоты 1014 Гц, благодаря тому, что в аппаратурный комплекс эталона включен РОЧМ.

2. Разработаны методы и средства метрологической аттестации РОЧМ и перевозимых лазеров и подтверждена правильность и достоверность измерений в частолтном диапазоне до 1014 Гц с относительной неопределенностью до 10"12.

3. Впервые в мировой практике создан, исследован и введен в эксплуатацию единый эталон времени, частоты и длины и обеспечена реализация единицы длины - метра в соответствии с его новым определением. В результате введения нового эталона ликвидирован разрыв в измерениях больших и малых длин, точность измерений повысилась в десятки раз, а точность измерения больших и сверхбольших расстояний увеличилась в сотни и в перспективе в тысячи раз.

4. Результаты работы дали значительный вклад в международную метрологическую деятельность по определение частот и длин волн лазеров, рекомендованных Генеральной Конференцией по Мерам и Весам (1983,1993 гг.) для применения в эталонах длины в качестве опорных источников.

Зам. Генерального директора ВНИИФТРИ Д.Р.Васильев

Главный метролог ГП "ВНИИФТРИ"

А.С.Дойников

Директор ИМВП ГП "ВНИИФТРИ"

V М

В.М.Татаренков

Подписано к печати 19.04.99 г. Объем 2,5 уч.-иЗД.л. Тираж 90 экз. Полиграфучасток ГП "ВНИИФТРИ", Зак. №2 к