ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1 Принципы создания лазеров с высокой стабильностью частоты излучения.
§1.1 Параметры стабильности частоты.
§ 1.2 Измерение оптических частот и стабильности лазеров.
§ 1.3 Принципы стабилизации частоты лазеров.
Глава 2. Перестраиваемые одночастотные Nd:YAG и Yb: YAG лазеры бегущей волны с диодной накачкой и внутрирезонаторным удвоением частоты.
§ 2.1 Перестраиваемые одночастотные Nd:YAG лазеры на длинах волн 946 и 1064 нм.
§ 2.2 Перестраиваемый одночастотный Yb:YAG лазер на длине волны 1031 нм.
Глава З.Исследование изотропии скорости света.
§ 3.1 Принцип эксперимента Майкельсона - Морли.
§ 3.2 Экспериментальная установка на основе вращающихся криогенных интерферометров Фабри - Перо.
§ 3.3 Высокостабильные Nd:YAG лазеры для исследования изотропии скорости света.
§ 3.4 Результаты исследования постоянства скорости света.
Глава 4. Спектроскопия сверхузких оптических переходов в одиночных ионах и поиск новых реперов для оптических стандартов частоты.
§ 4.1 Спектроскопия часового октупольного перехода
2
4
18
18
21
24
34
34
63
68
68
74
78
88
91
171 +
в ионе ' УЬ с помощью высокостабильного лазера на длине волны 934 нм.
§ 4.2 Высокостабильный Мб:УАС лазер для спектроскопии одиночного иона индия.
§ 4.3 Исследование возможности возбуждения ядерного перехода в ионе 229ТЬ+ для использования в качестве частотного репера в оптических стандартах частоты нового поколения.
Глава 5. М:УАС лазер е вну грирезонаторным удвоением частоты, стабилизированный по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде.
§5.1 Схема оптического стандарта частоты с люминесцентной поглощающей ячейкой на основе резонансов сверхтонкой структуры в молекулярном йоде. § 5.2 Стабильность Ыс1:УАО/12 стандарта частоты с люминесцентной поглощающей ячейкой.
Заключение
Литература
Введение
Одной из основных проблем квантовой электроники является разработка и создание высокостабильных лазеров и оптических стандартов частоты, широко применяемых в спектроскопии сверхвысокого разрешения, прецизионных физических экспериментах, метрологии, связи, космических исследованиях и других областях [1,2].
В 50-е годы XX века были разработаны стандарты частоты микроволнового диапазона. Период колебаний цезиевого стандарта {1/9192631770.0 с*),, частота которого привязана к центру перехода сверхтонкой структуры атома цезия, был принят в качестве эталона времени
[3]. Также были созданы водородные мазеры, обладающие более высокой кратковременной стабильностью, чем цезиевые эталоны, но несколько худшей долговременной стабильностью и воспроизводимостью частоты [4]. В настоящий момент времени стандарты частоты, основанные на микроволновом переходе на частоте 9.2 ГГц между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния l33Cs, демонстрируют нестабильность частоты сту(т) = 1.6x10'14 т'1/2 и относительную неопределенность 7х10'16 [6], что стало возможным с использованием методов лазерного охлаждения атомов [6-8]. Данные характеристики были достигнуты с помощью фонтана атомов Cs [9,10] (схема фонтана является развитием метода разнесенных полей Рамси [11]) с дополнительным высокостабильным криогенным кварцевым генератором (не имеющим большого распространения из-за сложности устройства) [5J. Современные активные водородные мазеры, выпускаемые промышленно, имеют нестабильность на уровне &v(t) &2х10~ы т1/2 для времен наблюдения начиная с 10 с и более [12-14].
Для достижения более высокой стабильности и воспроизводимости стандартов наиболее выигрышным вариантом является переход из микроволнового в оптический диапазон, где частоты переходов
4
приблизительно в 105 раз выше чем в микроволновом и добротность резонансов может быть существенно выше.
Первый этап создания источников стабильного излучения на базе лазеров (60-е годы XX века) охватывает работы но стабилизации частоты газовых лазеров по максимуму доплеровского контура линии усиления и лэмбовского провала в мощности излучения лазера. Достигнутая относительная нестабильность частоты лазеров лежала в пределах 10'* - 10'°. В современной литературе термин нестабильность частоты Ау/у0 (где У0 -частота лазера, А у - ширина линии излучения) часто заменяют термином стабильность частоты, который на самом деле является обратной величиной (см., например, [1]). В данной работе также иногда будет использована эта замена. Резкий скачок стабильности частоты лазеров произошел в 70-е годы и был связан с применением метода насыщенного поглощения, позволившего получить нелинейные резонансы в газах низкого давления с относительной шириной до К)'10 - 10'п. Были созданы лазеры с относительной
нестабильностью и воспроизводимостью частоты на уровне Ю'13. 80-е и начало 90-х годов характеризуются дальнейшим развитием метода насыщенного поглощения, метода разнесенных оптических полей и двухфотонного поглощения без доплеровского уширения. Совершенствование данных методов привело к повышению стабильности и воспроизводимости частоты лазеров, соответственно до уровня 10'14. Были выполнены абсолютные измерения частот излучения лазеров путем деления оптической частоты до радиодиапазона с последующим сравнением с эталонной частотой микроволнового стандарта [1]. Во второй половине 90-х годов XX века и начале XXI века началась реализация новых методов в создании стандартов частоты и высокостабильных лазеров на базе запрещенных переходов нейтральных атомов и ионов, захваченных в ловушках и локализованных в режиме Лэмба - Дике с помощью методов лазерного охлаждения. Данный прогресс оказался возможным, в частности, и из-за развития технологий, позволивших создать высокодобротные
интерферометры с остротой выше чем 10' и высоким коэффициентом
пропускания, что, в свою очередь, привело к созданию лазеров с
относительной шириной линии излучения на уровне 10’!\
стабилизированных по резонансам отражения интерферометров Фабри -Перо [15,16]. Создание -данных лазеров позволило проводить
спектроскопические исследования сверхузких переходов в ионах и атомах, обладающих относительными ширинами на уровне 10~13 - 10'ы а также создать оптические стандарты частоты с долговременной нестабильностью порядка 1015 - Ю16 и ниже [17,18]. Лазеры с узкой линией излучения нашли применение и в таких фундаментальных исследованиях, как, например, исследования гравитационных волн [19,20], проверка постоянства мировых констант и изотропии скорости света [21,22].
Концепции оптических стандартов частоты в настоящее время основаны на методах свободных от влияния эффекта Доплера, таких как метод насыщенного поглощения на переходах в молекулах, одиночных ионов в радиочастотной ловушке, и нейтральных атомов в оптической решетке [23].
Наиболее простыми (из перечисленных выше концепций) являются оптические стандарты частоты, основанные на методах спектроскопии насыщенного поглощения [1,2]. Для уменьшения влияния квадратичного эффекта Доплера в данных стандартах применяется метод селекции холодных частиц [1,24]. Характерными представителями стандартов частоты, основанных на методе насыщенного поглощения, являются транспортируемые системы на базе Не-Ые лазеров, стабилизированных по резонансам насыщенного поглощения в метане на длине волны 3.39 мкм [25,26] и стандарты на базе Ш:УАО лазеров, стабилизированных по резонансам насыщенного поглощения в молекуле ^ на длине волны 532 нм [27,28]. Данные системы демонстрируют нестабильность частоты на уровне 10'14 и воспроизводимость на уровне 10'13. Несмотря на относительно средние (по сегодняшним меркам) характеристики, данные системы обладают малыми размерами и простотой реализации [27, 28] и часто используются в
высокоточных экспериментах. Для двухфотонных переходов также применяется метод нелинейной спектроскопии без доплеровского уширения [29,1,30].
С развитием методов лазерного охлаждения и локализации частиц [6-8] возникли новые возможности создания стандартов частоты, свободных от эффектов пролета и Доплера. Для создания первых стандартов частоты на основе • нейтральных атомов широкое распространение получили магнитооптические ловушки [31,32]. К недостатку магнитооптических ловушек можно отнести наличие больших возмущений атомных уровней в магнитном поле. Для предотвращения данного эффекта атомы освобождаются из магнитооптической ловушки перед осуществлением зондирования часового перехода. Так, например, в стандарте частоты на базе Са в магнитооптической ловушке накапливалось 10 охлажденных атомов (охлаждение на переходе ^ 'Р1у длина волны 423 нм) за времена порядка 5 мс [33], после этого охлаждение выключалось и производилось детектирование часового перехода с помощью метода оптических резонансов Рамси [34-38]. В настоящее время для создания стандартов частоты на базе нейтральных атомов дополнительно используется удержание атомов в оптических решетках [39,40]. Оптические решетки формируются стоячими волнами при перекрытии встречно направленных лазерных пучков. Наиболее активное развитие получили системы на базе Бг, Са и УЬ [41-43]. Основным преимуществом нейтральных атомов, локализованных в оптических решетках, является возможность достижения высокого отношения сигнал / шум из-за большого количества локализованных частиц и, как следствие, получение высоких значений стабильности за короткие времена [41]. К недостаткам системы можно отнести сложную практическую реализацию систем по отношению к стандартам частоты на базе одиночных ионов.
Стандарты частоты на базе одиночных ионов, локализированных в радиочастотных ловушках Пауля [44], в настоящее время демонстрируют
наилучшие характеристики стабильности частоты за большие времена наблюдения [18]. Данные системы могут быть реализованы на базе одиночного иона, локализованного в радиочастотной ловушке в режиме Лэмба - Дике [45] (движение атома в ловушке меньше чем А/(2л), Я - длина волны лазерного излучения, взаимодействующего с атомом) с помощью метода доплеровского охлаждения или охлаждения на боковой компоненте (sideband cooling). Однако необходимость периодического чередования циклов охлаждения и зондирования часового перехода приводит к регистрации Фурье - ограниченных резонансов [46], что не дает использовать преимущества переходов, обладающим более узкой естественной шириной. Типичными представителями стандартов частоты данного типа являются системы на базе одиночных ионов 199Hg+ [47], ,|51п~ [48] и 171 Yb+ [49]. Регистрация резонансов в системах на базе одиночных ионов происходит методом детектирования квантовых скачков [50,51]. Для достижения приемлемого соотношения сигнал / шум характерные времена накопления резонансов находятся в пределах 100 с. В системе на базе одиночного иона 2 А1* в связи с трудностями прямого охлаждения часового иона (длина волны перехода, пригодного для охлаждения -167 им соответствует вакуумному ультрафиолету), применяется симпатический механизм охлаждения с помощью иона 9Ве+ [52]. В дальнейшем планируется замена бериллия на ионы Mg* или Са+ с близкой к алюминию массой. Сравнение данной системы со стандартом частоты на базе одиночного иона ртути продемонстрировало параметр Алана на уровне 10'16 и 7-10'17 за времена наблюдения 1000 с и 2000 с соответственно [18]. К достоинствам данных стандартов частоты можно отнести простую реализацию локализации иона в ловушке в режиме Лэмба-Дике и длительное время удержания иона в ловушке без перезагрузки. Так, например, один и тот же ион Yb+ удерживался в ловушке в течение многих месяцев [53].
Повышение стабильности частоты оптических стандартов тесно связано с улучшением характеристик зондирующих лазеров. Узкая линия излучения
и высокая кратковременная стабильность лазеров позволяют регистрировать все более узкие резонансы, что ведет к повышению воспроизводимости, точности и стабильности создаваемых систем на базе нейтральных атомов и одиночных ионов.
Как отмечалось выше, лазеры с узкой линией излучения нашли применение не только в стандартах частоты и спектроскопии сверхвысокого разрешения, но и в таких фундаментальных физических исследованиях, как детектирование гравитационных волн, исследования постоянства мировых констант, постоянства скорости света и др.
Одним из путей детектирования гравитационных волн являются интерфсромстрические исследования для измерения наведенного гравитационной волной возмущения между разнесенными на большие расстояния тестовыми массами (зеркалами интерферометров) (см., например, [54]) или измерение колебаний гравитационной антенны с помощью лазерных методов. Для детектирования сверхмалых перемещений линия излучения лазера обужается по дополнительному интерферометру и привязывается к одному из плеч основного высокодобротного интерферометра для достижения требуемой чувствительности (<10'!h м/Гц! 2) в области частот 100 - 1000 Гц [55].
Исследование изотропии скорости света (эксперимент Майкельсона -Морли) также связано со стабилизацией частоты лазерного излучения но интерферометрам Фабри-Перо [56]. Для исследования изотропии скорости света в настоящее время используются, например, два ортогональных вращающихся интерферометра Фабри-Перо с высокой добротностью (что заменяет большую длину плеч интерферометра Майкельсона) [21,22]. Излучение лазеров привязывается к частоте каждого из интерферометров. Поскольку лабораторная система отсчета движется вместе с Землей и солнечной системой, вращение интерферометров позволяет изменять направление распространения света в интерферометрах относительно вектора скорости лаборатории. В случае анизотропии скорости света в
сигнале биений между двумя лазерами на удвоенной частоте вращения должна появиться модуляционная составляющая. Повышение стабильности лазеров приводит к увеличению чувствительности эксперимента. Серьезной проблемой данного эксперимента является минимизация систематических сдвигов частоты биений, связанных с вращением интерферометров.
К другим фундаментальным экспериментам, осуществляемым с помощью высокостабильных лазеров, относятся работы по исследованию постоянства константы тонкой структуры а = е2/(4лс0р1с) (см., например, [57-59]). В экспериментах проводится сравнение частот между атомными стандартами частоты в течение длительного времени. В случае измерения абсолютной частоты стандарта оптического диапазона (относительно микроволнового цезиевого первичного эталона) определение возможной вариации постоянной тонкой структуры зависит дополнительно от сильного взаимодействия [60,61] (изменения постоянной Ридберга) и ограничивается неопределенностью цезиевого эталона времени. С помощью абсолютных измерений УЬ‘ и 1^' стандартов оптического диапазона получены значения пределов возможного изменения постоянных Ридберга и тонкой структуры для 51пКу/д1 и 51па/& на уровне 1(Т15 за год. Наибольший интерес для определения возможных вариаций постоянной тонкой структуры представляет прямое сравнение стандартов частоты оптического диапазона. В этом случае измеряется непосредственно возможное изменение постоянной тонкой структуры с существенным повышением точности. Авторами работы [62] было достигнуто значение, более чем на порядок превышающее точность, полученную при абсолютных измерениях.
Актуальность данной работы обусловлена широким спектром исследований на основе высокостабильных лазеров. Решение задач по созданию лазеров с предельно высокими характеристиками стабильности частоты излучения позволяет продвинуться вперед в точности фундаментальных физических экспериментов и в создании оптических
10
стандартов частоты с более высокими характеристиками стабильности и воспроизводимости.
Цели диссертационной работы.
Создание семейства одночастотных перестраиваемых ЫскУАО и УЬ:УАС лазеров на длинах волн 946 им, 1064 нм и 1031 нм, ориентированных на дальнейшее использование в качестве источников излучения с высокой стабильностью частоты и спектрометров сверхвысокого разрешения.
Исследование изотропии скорости света с помощью высокостабильных лазеров, стабилизированных по криогенным вращающимся интерферометрам Фабри-Перо с высокой добротностью.
Разработка зондирующих лазеров с линией излучения шириной порядка 1 Гц для спектроскопии часовых переходов в одиночных ионах УЬ+ и 1п+ и создания оптических стандартов частоты на базе одиночных ионов. Регистрация сверхузких оптических резонансов с относительной шириной на уровне у/й) ~ 10'14 с помощью данных лазеров.
Поиск возможных схем возбуждения ядерного перехода в ионе ТН' для создания оптических стандартов частоты нового поколения.
Создание транспортируемого стандарта частоты на длине волны 1064/532 нм, стабилизированного по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде с возможностью захвата за резонансы сверхтонкой структуры линий 12 в диапазоне перестройки ЫФУАв лазера для стабилизации дрейфов высокодобротных эталонов Фабри - Перо и оптических синтезаторов частот.
Научная новизна.
Созданы одночастотные перестраиваемые квазитрехуровневые КФУЛв и УЬ:УЛС лазеры бегущей волны на длине волны 946 нм и 1031 нм с
11
внутрирезонаторным удвоением частоты для спектроскопии охлажденною одиночного иона индия в радиочастотной ловушке и оптических стандартов частоты на базе молекулярного йода. Лазер для спектроскопии иона индия продемонстрировал ширину линии порядка 2 Гц при стабилизации частоты излучения по высокодобротному эталону- Фабри - Перо.
Приведенные в работе результаты эксперимента Майкельсона - Морли по измерению анизотропии скорости света оказались в пя!ь раз более точными, чем результаты аналогичных исследований, проведенных в других лабораториях мира. В эксперименте было продемонстрировано постоянство скорости света до уровня дс/с=6.4х10'16.
Разработана схема стабилизации частоты лазера но сигналу отражения криогенного высокодобротного интерферометра Фабри - Перо, расположенного на вращающейся платформе при температуре 3.5 К и продемонстрирована возможность достижения стабильности частоты лазеров на уровне 10'14 за характерные времена 100 - 1000 с.
С помощью зондирующего лазера с ультравысокой стабильностью впервые зарегистрированы оптические резонансы с шириной менее 10 Гц (относительная ширина 10'ы) в одиночном ионе УЬ+, захваченном в радиочастотную ловушку.
Выбрана возможная схема двухступенчатого возбуждения ядерного перехода в ионе 229ТИ+ с помощью обратного электронного мостика (передачи энергии возбуждения электронной оболочки ядру). Исследованы каналы распада промежуточного уровня с энергией 24874 см’1 выбранной схемы двухступенчатого возбуждения, скорости релаксации заселенности метастабильных уровней из-за столкновений с буферным газом и возможность применения перекачивающих лазеров. Разработана модель расчета заселенности уровня 24 8745/2 в ТЬ+ с учетом скорости столкновительной релаксации метастабильных уровней и применения перекачивающего лазера на длине волны 428 нм.
12
Практическая значимость работы.
Создано семейство перестраиваемых одночастотных Nd:YAG и Yb:YAG лазеров бегущей волны, обладающее шириной линии излучения в свободном состоянии порядка 10 кГц за характерные времена 10'2 - 10'1 с, разработанное для решения практических задач спектроскопии сверхвысокого разрешения и источников зондирующего излучения в оптических стандартах частоты. Данные лазеры нашли применение в экспериментах по созданию оптических стандартов частоты на базе иона индия и молекулярного йода, эксперименте Майкельсоиа-Морли, эксперименте по исследованию гравитационных волн.
Рассмотрены методики оптимизации длины кристалла К ГР в Nd:YAG лазере, совмещающего функции перестройки частоты излучения и внутрирезонаторной генерации второй гармоники, для обеспечения максимального диапазона перестройки. Приводятся оценки потерь, вносимых в резонатор лазера двулучепреломляющим кристаллом.
Разработаны схемы автоматической подстройки для стабилизации частоты излучения лазеров по резонансам высокодобротных интерферометров Фабри - Перо.
Проведены измерения дрейфов частоты криогенных интерферометров Фабри - Перо, выполненных из сапфира, интерферометров на основе стекол ULE и AZ с ультранизким температурным коэффициентом расширения, сравнение уровня тепловых шумов интерферометра с кварцевыми и ULE зеркачами, что представляет практический интерес при разработке зондирующих лазеров с ультравысокой стабильностью частоты излучения.
Созданы зондирующие лазеры для исследования сверхузких переходов в одиночных ионах 171 Yb' и 1151п+, захваченных в радиочастотную ловушку. Параметр Аллана зондирующего лазера для спектроскопии иттербия находится в пределах < 3x10'15 за времена наблюдения 0.1 - 100 с, что соответствует лазеру с шириной линии излучения менее 1 Гц за характерные
13
времена порядка 1 с. Лазер для спектроскопии иона индия продемонстрировал ширину линии излучения на уровне 2 Гц.
Создан транспортируемый стандарт на базе Nd:YAG лазера бегущей волы, стабилизированный по резонансам люминесценции в молекулярном йоде. Была достигнута стабильность системы на уровне лучших результатов для аналогичных систем, применяемых в РТВ (Брауншвайг, Германия) и JILA (Боулдер, США). Высокие характеристики системы были использованы для стабилизации частоты оптических синтезаторов частот на основе фемтосекундных лазеров и исследования сдвигов высокодобротных интерферометров Фабри-Перо в ИЛФ СО РАН, метрологических институтах ISI (Брно, Чехия) и BBV (Вена, Австрия).
Защищаемые положения.
Автор выносит на защиту:
1. Семейство перестраиваемых NdrYAG и YbrYAG лазеров бегущей волны с квазитрехуровневой схемой генерации на длинах волн 946 нм и 1031 нм с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники является новым классом источников высокостабильного излучения для прецизионной спектроскопии и метрологии. Функции двулучспреломляющего фильтра, обеспечивающего перестройку частоты лазера, и внутрирезонаторной генерации второй гармоники в пределах диапазона перестройки могут быть объединены в одном нелинейном кристалле.
2. Измеренное значение изотропии скорости света соответствует уровню 5с/с-6.4х10'1 . Значение получено с помощью лазерной системы, стабилизированной по вращающимся криогенным ортогональным интерферометрам Фабри - Перо, с нестабильностью частоты биений 2x10 14 -7-10 '3 в процессе вращения установки за характерные времена наблюдения 10- 1000 с.
14
3. Впервые зарегистрированы сверхузкие оптические резонансы с относительной шириной 10'ы при вероятности возбуждения квантовых скачков более 60 % на 2Б//2 —* 2Р7/2 октупольном переходе в холодном одиночном ионе |71УЬ', захваченном в радиочастотную ловушку, что позволило уточнить значение абсолютной частоты данного перехода. Возможность регистрации сверхузких резонансов определяется ультравысокими характеристиками стабильности зондирующего лазера, обладающего шириной линии излучения <1 Гц и нестабильностью частоты <3х за времена наблюдения 0.1 - 100 с.
4. Энергетический уровень 248735/2 см'1 может быть использован в качестве промежуточного для двухступенчатого возбуждения ядерного перехода между основным состоянием (спин ядра 5/2) и изомером, обладающим спином ядра 3/2, в 229ТЬ~ с помощью лазеров через обратный электронный мостик (передачу энергии возбуждения от электронной оболочки ядру), что подтверждается проведенными экспериментами. Для возбуждения первой ступени возможно применение диодного лазера на длине волны 402 нм, второй - излучения третьей гармоники перестраиваемого импульсного наносекундного или непрерывного Тп8а лазера.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.
Во введении представлен обзор по проблеме создания эталонов частоты и стабильных оптических систем, рассмотрены актуальные эксперименты с высокостабильными лазерами и современные тенденции в создании оптических стандартов частоты.
В Главе 1 приведены параметры оценки стабильности лазеров, рассматриваются принципы стабилизации частоты излучения: получения узкой линии излучения с помощью высокодобротных интерферометров Фабри - Перо и достижения высокой долговременной стабильности с использованием резонансов в атомах и ионах.
Во второй главе приводится описание созданного семейства перестраиваемых твердотельных лазеров бегущей волны, используемых в дальнейших экспериментах. Рассмотрены их конструктивные особенности, приведены расчеты параметров лазеров и экспериментальные характеристики.
Третья глава посвящена исследованиям изотропии скорости света (эксперимент Майкельсона - Морли). Рассмотрена конструкция экспериментальной установки на основе вращающихся криогенных интерферометров Фабри-Перо и приведены результаты измерений стабильности частоты лазеров и исследования постоянства скорости света.
В четвертой главе описаны высокостабильные лазеры для спектроскопии часовых переходов в одиночных ионах 171 Yb" и 1151п+. Достигнутая стабильность частоты зондирующих лазеров позволила зарегистрировать сверхузкие переходы с относительной шириной 10'14. В последнем параграфе данной главы приводятся исследования, связанные с поиском ядерного перехода в 229Th+ для разработки нового поколения оптических стандартов частоты. Рассматривается возможная схема возбуждения данного перехода.
Пятая глава посвящена транспортируемому стандарту частоты на базе Nd.YAG лазера с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники. Стабилизация лазера осуществляется но сигналу люминесценции резонансов сверхтонкой структуры в молекулярном йоде. Приведены результаты измерения стабильности частоты лабораторного прототипа и транспортируемой систем.
Материалы, представленные в диссертации апробированы на
следующих международных конференциях: Modern Problems of Laser Physics MPLP 2004, August 22-27, 2004, Novosibirsk, Russia; International Conference on Space Optics, 2004, 30 March - 2 April, Toulouse, France; Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике и Международная
16
I
конференция по лазерам, их приложениям и технологиям ICONO/LAT 2005, May 11-15, 2005, St. Pcterburg, Russia; International Conference on Optics, Lasers and Spectroscopy ICOLS 2005, June 19-24 2005, Aviemore, Scotland; ТЕО-Сибирь-2006", Новосибирск, Россия, 26-28 апреля 2006; 7th Symposium on Frequency Standards and Metrology, 5-10 Oct. 2008, Asilomar, CA, USA; European Frequency and Time Forum EFTF-IEEE IFCS 2009, 20-24 Apr. 2009, Bcsanson, France; Russian - French - German Laser Symposium RFGLS 2009, 17-22 May 2009, Nizhny Novgorod, Russia; International Conference on Optics, Lasers and Spectroscopy ICOLS 2009, 7-13 June 2009, Kussharo, Hokkaido, Japan; Modern problems of laser metrology, 19-21 October 2009, Lerici, Italy; Conference on Precision Electromagnetic Measurements CPEM 2010, 13-18 June .2010, Daejeon, Korea; Optical clocks: a new frontier in high accuracy metrology”, 1-3 December 2010, Torino, Italy; European Frequency and Time Forum EFTF-IEEE IFCS 2011, 1-5 May, 2011, San Francisco, CA, USA; Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants 2011, 18-21 July, 2011, Bad Honnef, Germany.
Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем участии в постановке эксперимента, создании экспериментальной установки и обработке данных. В. заключении работы приводится список благодарностей всем участникам проектов с указанием их вклада в проведенные исследования. Диссертация выполнена в рамках плановых научно-исследовательских работ Института лазерной физики СО РАН, совместных российско-германских проектов фондов РФФИ и ИНТАС, соглашений о сотрудничестве между ИЛФ СО РАН и Институтом квантовой оптики MPQ (Гархинг, Германия), Университетом им. Генриха Гейне (Дюссельдорф, Германия), Физико-техническим государственным институтом РТВ (Брауншвайг, Германия).
17
Глава 1. Принципы создания лазеров с высокой стабильностью частоты излучения.
§1.1 Параметры стабильности частоты.
Для описания характеристик стандартов частоты и высокостабильных лазеров обычно применяются три параметра: нестабильность (обратная величина - стабильность), воспроизводимость и точность частоты.
Нестабильность характеризует степень отклонения частоты от номинального значения за время измерения. Минимальная нестабильность всегда ограничена наличием шума в системе регистрации. Информация о нестабильности стандарта частоты может быть получена только из ряда измерений и описывает статистическую неопределенность частоты, усредненную по определенному количеству измерений. Наиболее часто встречающимся отображением нестабильности стандартов частоты является дисперсия Аллана сгу(т). Однако на практике чаще пользуются параметром (или отклонением, девиацией) Аллана сту(т). Для набора значений частоты N при продолжительности каждого измерения т параметр Аллана может быть записан в виде [63,64]:
сг (г) =
1
•V-!
1/2
(1.1)
где у„ - /7-ое значение частоты, измеренное за время усреднения г, деленное на номинальную частоту.
Тип шума Характер функции
(Ту(г)
Белый фазовый Iі 1/т
Фазовый фликер-шум / 1/т
Белый частотный шум СО/75/ 1/т1'2
Частотный фликер-шум Ґ соті
Случайный дрейф частоты Г г1'1
Таб. 1.1. Зависимость нормализованной спектральной плотности Зуф от частоты (Зу(/)=8^/)/Уо2, где Зуф [Гц/Гц] - спектральная плотность частотных
18
- Київ+380960830922