Что значит "оптические стандарты частоты"

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

квантовые стандарты частоты оптического диапазона. О. с. ч. по сравнению с квантовыми стандартами частоты радиодиапазона имеют важные преимущества: более высокую стабильность частоты ~10√13, а в перспективе ~10√15 √ 10√16 (в диапазоне СВЧ ≈ 10√12); возможность создания в одном приборе эталонов частоты (т. е. времени) и длины (интерферометрические измерения длины волны). Основным элементом О. с. ч. является газовый лазер (2 на рис. 1), работающий в спец. режиме, который позволяет выделять из относительно широкой спектральной линии (см. Ширина спектральных линии ) чрезвычайно узкие пики, фиксирующие положение вершины спектральной линии n0 (центральной частоты перехода). Спектральные линии газа в оптическом диапазоне из-за Доплера эффекта имеют тонкую структуру. Они состоят из смещённых линий однородной ширины, излучаемых отдельными атомами (рис. 2). В слабых световых полях эта структура не проявляется. В мощных же полях происходит избирательное поглощение энергии частицами, обладающими определённой скоростью, в результате чего в контуре спектральной линии «выжигаются» узкие провалы (минимумы мощности излучения) с шириной Г, равной однородной ширине линии (рис. 3). Т. к. в резонаторе лазера распространяются 2 волны, бегущие навстречу друг другу, то каждая из них резонансно поглощается «своей» группой атомов, отличающихся.знаком проекции скорости на ось резонатора: ╠k, где k = с (n≈ n0)/n0. Поэтому в спектральной линии выжигаются 2 провала. Только если генерация лазера возбуждается на частоте резонатора, соответствующей вершине спектральной линии n0, обе бегущие волны поглощаются одними и теми же частицами и 2 провала сливаются в 1 (рис. 4). Этот эффект, обнаруженный в 1962≈63 американскими учёными У. Ю. Лэмбом и У. Р. Беннеттом, дал возможность принять в качестве репера частоты частоту генерации лазера, «привязанную» к частоте n0 квантового перехода не по доплеровской ширине (2 на рис. 2), а по однородной ширине Г линии, что даёт точность ~10√10 √ 10√1

1. Однако эта точность не была бы достигнута, если бы не был ослаблен эффект смещения (сдвиг) спектральной линии, обусловленный соударениями частиц газа между собой, что возможно при уменьшении давления. Для этого в резонатор лазера вводится ячейка с поглощающим газом (3 на рис. 1). Если при изменении частоты генерации в центре спектральной линии излучения появляется минимум мощности (рис. 4), то в центре линии поглощения этот же эффект приводит к максимуму мощности той же однородной ширины Г (рис. 5, а). Благодаря низкому давлению в поглощающей ячейке (10√3мм рт. ст., или 0,13 н/м2) эта частота стабильна. Осуществленный О. с. ч. с гелий-неоновой усиливающей и метановой поглощающей ячейками (l = 3,39 мкм) имеет g = 300√500 кгц и относительную стабильность частоты ~10√13, что означает поддержание частоты ~1014гц с точностью до 10 гц.

   Дальнейший прогресс в развитии О. с. ч. связан с возможностью выделения ещё более узких линий, фиксирующих частоту квантовых переходов на несколько порядков уже однородной ширины Г спектральной линии. Это осуществляется в лазере с кольцевым резонатором, работающем как в одноволновом, так и в двухволновом режимах (рис. 6). При этом мощность излучения лазера из-за эффектов спектрального «выгорания» линии, пространственного выгорания среды и фазового взаимодействия на частотах, близких к центральной частоте перехода, перераспределяется между волнами разных типов. Это приводит к возникновению узких резонансных пиков, которые могут быть на несколько порядков более узкими и более резкими, чем в случае пиков мощности линейного лазера. Воспроизводимость частоты кольцевых лазеров с метановой поглощающей ячейкой такая же, как и в случае линейных лазеров. Существуют и др. методы стабилизации частоты лазеров.

   Лит.: Квантовая электроника. Маленькая энциклопедия, М., 1969; Басов Н. Г., Беленов Э. М., Сверхузкие спектральные линии и квантовые стандарты частоты, «Природа», 1972, ╧ 1

2. Э. М. Беленов.