автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.08, диссертация на тему:Лазерная накачка и оптическое детектирование в парах рубидия и цезия для создания квантовых дискриминаторов и стандартов частоты на их основе

На правах рукописи

Пузанов Сергей Леонидович

г-

Лазерная накачка к оптическое детектирование в парах рубидия и цезия для создания квантовых дискриминаторов и стандартов частоты на их основе

Специальность-05 ] 1 08 - Радиоизмерительные приборы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород-2007

Работа выполнена в Нижегородском научно-исследовательском приборостроительном институте «Кварц»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Пихтелев Александр Иванович

Официальные оппоненты доктор технических наук, старший научный сотрудник

Демидов Николай Александрович кандидат физико-математических наук, доцент Маругин Алексей Валентинович

Ведущая организация «Российский институт радионавигации

и времени» г С.- Петербург

Защита состоится 22 мая 2007 г в 14 часов на заседании диссертационного совета Д409 002 01 Нижегородского цаучно - исследовательского приборостроительного института «Кварц» по адресу 603950, Нижний Новгород, пр Гагарина, 176, ННИПИ «Кварц»

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ННИПИ «Кварц»

Автореферат разослан «_» апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, „

доктор технических наук, старший научный сотрудник изоп"^ ъе^ Логачев В.А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Развитие разнообразных отраслей науки и техники (радиоизмерительная техника, связь, навигация, метрология и тп), а также многие современные исследования в области атомной физики требуют применения точных физических измерений Среди разнообразных видов измерений измерение частоты-наиболее точный и быстро развивающийся В связи с этим все шире проявляется тенденция сведения измерений самых разнообразных физических величин к измерению частоты

Точность любого измерения ограничена точностью используемого эталона Поэтому наиболее строгие требования предъявляются к первичному эталону частоты Вместе с тем во многих практических случаях необходимая точность стала столь высокой, что требования к вторичным эталонам, стандартам и опорным генераторам не отличаются от требований, предъявляемым к эталону

Разработка квантовых стандартов частоты (КСЧ) радиодиапазона является важнейшим направлением в радиоизмерительной технике, поскольку они нашли широкое применение во многих областях Среди КСЧ радиодиапазона (водородных, цезиевых и рубидиевых) наиболее массовыми стаж рубидиевые стандарты частоты (РСЧ) с оптической накачкой Многие коллективы отечественных ученых в ИРЭ РАН (Жаботинский ME, Базаров Е H и другие), ННИПИ «Кварц» (Пихтелев А И, Ульянов А А, Зуев Э В и другие), РИРВ (Якобсон НН, Жолнеров B.C., Харчев ОП и другие), НИИМП (В H Ионов) заложили научные основы данной отрасли приборостроения и работали над ее развитием В настоящее время в России серийным выпуском приборов с оптической накачкой занимаются два предприятия- ННИПИ «Кварц» (Н Новгород) и РИРВ (С -Петербург), в то время как за рубежом их выпуском занимаются более десятка фирм (Frequency Electronics, Stanford Research Systems, Symmetncom, Temex, Accu Beat и другие), доводя суммарный выпуск данной продукции до нескольких десятков тысяч в год В этих приборах практически реализована и нашла развитие так называемая традиционная схема построения КСЧ на атомах рубидия [JI1, JI2], в которой в качестве источника оптической накачки используется спектральная лампа с парами Rb87, а для фильтрации ее оптического излучения применена ячейка-фильтр с изотопом Rb85 При высоких эксплуатационных качествах они обладают сравнительно высокими метрологическими характеристиками и одновременно являются достаточно простыми по устройству, надежными и технологичными, малыми по габаритам и дешевыми по цене

История разработок и исследования этого класса КСЧ - рубидиевых стандартов

частоты - насчитывает свыше 45 лет За этот период основные метрологические характеристики были улучшены примерно на 2-3 порядка В то же время за последние десятилетия темпы роста этих характеристик значительно замедлились и развитие РСЧ шло в основном по пути снижения их габаритов, массы и потребляемой мощности Эти тенденции обусловлены прежде всего тем, что традиционный принцип в РСЧ с оптической накачкой, использующий излучение спектральной лампы на парах рубидия, в значительной мере исчерпал себя и прогресс в характеристиках идет по пути поиска и нахождения инженерных, конструктивных и технологических решений В то же время существует устойчивая потребность в повышении метрологических характеристик РСЧ, и, прежде всего, для службы времени, системы глобального позиционирования объектов с космическим базированием и связи [Л 3]

Очевидно, что решение данной задачи лежит на пути использования новых физических принципов в КСЧ, одним из которых является оптическая накачка с помощью полупроводниковых лазеров (ГШ) в парах щелочных металлов (рубидия и цезия). В связи с этим исследование лазерной накачки в парах ЯЬ и Се для создания квантовых дискриминаторов и КСЧ на их основе является важной и актуальной задачей Применение ПЛ обусловлено целым рядом причин, среди которых главными являются их миниатюрность, простота управления излучением, высокая эффективность преобразования энергии накачки в когерентное излучение Первые сообщения о возможности использования лазерной накачки в парах щелочных металлов появились в нашей стране в самом начале 70-х годов, об эффектах лазерной накачки в парах Из87 [Л 4] и парах Се133 [Л.5]. Эти публикации послужили началом для использования лазерной накачки в КСЧ [Л 6, Л 7] Задача по практическому применению лазерной накачки для создания квантовых дискриминаторов (КД) на парах щелочных металлов и стандартов частоты на их основе была поставлена и нашла практическое развитие в работах ведущих специалистов ННИПИ «Кварц» в начале 80-х годов Приблизительно в это же время аналогичные исследования стали проводиться и в других странах [Л8-Л10], что подтверждает перспективность развития данного направления В настоящее время интенсивно развивающейся областью на границе фундаментальных и прикладных исследований, что связано с развитием технологии производства ПЛ (в частности, появления УСвЕЬ - лазеров), стало создание КСЧ на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КПН), принцип действия которого во многом схож с действием традиционного КСЧ с лазерной накачкой. Главным достоинством данного метода является отсутствие непосредственного воздействия СВЧ поля на ячейку поглощения, что позволяет отказаться от СВЧ - резонатора и тем самым резко снизить размеры квантового дискриминатора (до 1 см) Количество публикаций, посвященных исследованию данного метода и принципам построения КСЧ на его основе, стало

доминирующим среди сообщений по КСЧ

Помимо применения ПЛ в качестве источника оптической накачки для атомов щелочного металлов в КСЧ они имеют широкую область практического применения, в частности для целого ряда областей квантовой электроники - перестраиваемых лазеров с узким спектром излучения, прецизионной (и по разрешению и по чувствительности) лазерной спектроскопии, включая методы глубокого охлаждения, удержания и манипулирования атомами и ионами, а также для создания стандартов частоты оптического диапазона Их применение для этих целей напрямую зависит от того, насколько успешно можно управлять спектральными характеристиками ПЛ В связи с этим большой интерес представляют ПЛ с внешним резонатором Такие лазеры позволяют получать монохроматическое излучение на частотах многих важных атомных резонансов В настоящее время разработано несколько конструкций ПЛ с внешним резонатором, предназначенных для решения разнообразных задач [Л 11] Тем не менее большая потребность научных и учебных лабораторий в надежных и доступных источниках когерентного излучения делает актуальным дальнейшее совершенствование таких лазеров

Целью диссертации является проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований лазерной накачки в ячейках с парами рубидия и цезия с использованием ПЛ для создания КД и стандартов частоты на их основе, обеспечения научно - технического задела для КСЧ перспективных поколений на новых технологиях, а также практическая реализация этих исследований - создание экспериментальных образцов КСЧ

Научная новизна В результате выполнения работы

1 Разработаны и изучены методы управления спектральными характеристиками ПЛ с помощью внешних оптических элементов (электрооптических селекторов на основе кристаллов метониабата лития, дифракционных решеток и оптических резонаторов) и перестройки их частоты током и температурой, что послужило основой для обоснования возможности управления спектральными характеристиками ПЛ, определения необходимых условий для данного управления и получения конкретных данных по спектральным характеристикам диапазону перестройки по частоте и модуляции, коэффициенту подавления соседних мод, диапазону одномодовой генерации, ширине линии излучения и ее сужению

2 Разработаны и изучены методы пассивной стабилизации частоты ПЛ по току и температуре Разработаны и исследованы конкретные схемы стабилизации частоты по току и температуре, с использованием которых снижена нестабильность частоты лазера до

уровня 10"6—108 за различные времена

3 Предложена, практически реализована и экспериментально исследована модель ПЛ с необходимой перестройкой и стабилизацией частоты для применения в качестве источника лазерной накачки в ячейках с парами рубидия и цезия При этом полученные результаты послужили основой для создания экспериментального образца оптического квантового генератора с диапазоном перестройки его длины волны до 10 нм и относительной нестабильностью частоты отЮ"6 до 10'8 за различные времена

4 Проведены систематизация и научное обобщение спектральных данных по атомам

87 85 133

щелочных металлов и Сб , необходимых для стабилизации частоты ПЛ

Изучены и проанализированы различные физические факторы, определяющие спектральные характеристики оптических линий поглощения в атомах щелочных металлов, в частности физических процессов, влияющих на форму и ширину спектральных линий, их сдвиги по частоте

5 Разработана теоретическая модель, описывающая кинетику и распределение населенностей атомов рубидия при облучении их резонансным лазерным излучением С использованием данной модели исследовано поглощение лазерного излучения в ячейке с парами рубидия в зависимости от различных параметров (плотности атомов, длины ячейки, интенсивности излучения и его ширины линии) Теоретически и экспериментально исследован метод стабилизации частоты ПЛ по спектральным линиям поглощения в атомах рубидия и цезия Определены физические факторы, влияющие на стабильность и точность привязки частоты излучения лазера, стабилизированного по ячейке поглощения, содержащей пары рубидия и цезия Экспериментально снижен уровень нестабильности частоты до Ю'10 Вместе с тем теоретически показана возможность снижения нестабильности частоты лазера до значения 10"!2

6 Предложен и практически реализован атомно-флуоресцентный метод определения концентрации пара щелочного металла с использованием ПЛ При этом проведенная экспериментальная проверка на примере атомов цезия подтвердила значительное преимущество данного метода по сравнению с традиционными

7 Предложена и апробирована методика расчета сигнала и ширины линии двойного радиооптического резонанса в парах щелочных металлов для целей квантовой стабилизации частоты в приближении 3-ех и многоуровневой квантовых систем, получившая хорошее согласие с экспериментом

8 Методами численного моделирования и экспериментально исследованы зависимости световых сдвигов частоты 0-0 перехода в атомах рубидия и цезия в условиях лазерной накачки. Проведена оптимизация параметров лазерной накачки (частоты, интенсивности и ширины линии лазерного излучения) по критерию минимизации вариаций

частоты 0-0 перехода

9 Предложены и практически реализованы принципы построения КД на ячейках с парами рубидия и цезия

10 Предложена методика расчета и проведен расчет и оптимизация параметров КД по критерию максимального значения параметра КД Определены оптимальные характеристики излучения лазера и СВЧ сигнала Результаты расчета подтверждены экспериментом и получено хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными данными

11 Изучены предельные возможности КСЧ с лазерной накачкой (для случая рубидиевого стандарта частоты) по критерию минимума вариации частоты 0-0 перехода при изменении параметров рубидиевого дискриминатора Показана возможность снижения нестабильности частоты РСЧ до значения 10'14, что примерно на два порядка ниже по сравнению с традиционными РСЧ, использующими для оптической накачки спектральные лампы

Методы исследования включают в себя методы математического и физического моделирования, натурные эксперименты и синтез оптимальных решений, методы полупроводниковой схемотехники, теоретической физики и теории систем автоматического регулирования

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается

1 Использованием при описании эффектов взаимодействия лазерного излучения с квантовыми системами теоретически обоснованных методов

2 Сравнением численных результатов, полученных различными методами

3. Проверкой теоретически полученных результатов с результатами экспериментов

Практическая ценность работы заключается в решении вопросов, направленных на создание КСЧ нового поколения, способных улучшить как свои метрологические, так и массогабаритные характеристики за счет применения в них источника оптической накачки паров Сб и Ш) на основе ПЛ При этом результаты, полученные при разработке данного источника, были использованы для разработки оптического квантового генератора, которые могут быть также использованы не только в КСЧ, но и во многих других областях когерентной связи, спектроскопии, метрологии и т п

Реализация и внедрение результатов Результаты исследований, проведенных в диссертации, были реализованы при создании экспериментальных образцов квантовых дискриминаторов на цезии и рубидии и КСЧ на их основе при использовании разработанных источников оптической накачки на полупроводниковых лазерах Практические рекомендации, сделанные в диссертации, явились основой прикладных научно-исследовательских работ, проводимых в ННИПИ «Кварц»

Апробация работы Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на

1 V Всесоюзной научно-технической конференции «Метрология в радиоэлектронике», Москва, 1981г

2 Всесоюзной научно-технической конференции « Применение время - частотных средств и методов измерений в народном хозяйстве», Москва,1983г

3 IV Всесоюзной школе-совещании «Стабилизация частоты и прецизионная радиотехника», Москва, 1983г

4 Всесоюзной конференции «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985 г

5 Всесоюзном семинаре по оптической ориентации атомов и молекул (ВСООАМ), Ленинград, 1986 г

6 Всесоюзном семинаре по диодно-лазерной спектроскопии ФИАН, Москва,1990 г

7 Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-временное обеспечение КВО-2005», С -Петербург,2005г

8 Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (МЖ*2006), Воронеж, 2006г

9 Международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2006», Н Новгород, 2006г

10 Всероссийской конференции «РСДБ-2012 для астрометрии, геодинамики и астрофизики», С -Петербург, 2006г.

Публикации По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе 8 статей, 6 из которых опубликованы в центральных рецензируемых научно - технических журналах

Положения, выносимые на защиту 1 Результаты обобщения и систематизации данных по работам, посвященным лазерной накачке в парах щелочных металлов и ее использованию для построения КД и стандартов частоты на их основе, и основным тенденциям развития ПЛ как современной элементной базы для перспективного поколения КСЧ на новых технологиях

2 Методы и результаты управления спектральными характеристиками ПЛ, в том

числе

— перестройка частоты с помощью внешних оптических элементов, изменением тока и температуры,

— пассивная стабилизация частоты по току и температуре

3 Результаты анализа конструктивных особенностей и электрических схем построения оптического квантового генератора на основе ПЛ и его основных характеристик

4 Результаты исследования оптических спектральных линий поглощения в атомах рубидия и стабилизация частоты ПЛ по ячейке с парами рубидия

5 Результаты анализа конструктивных особенностей ПЛ, стабилизированного по ячейке с парами рубидия, и данные по стабильности частоты

6 Результаты изучения методов спектроскопии и физических процессов в парах рубидия и цезия с использованием ПЛ

7 Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик КД с лазерной накачкой на парах рубидия и цезия и стандартов частоты на их основе

8 Результаты изучения и анализа предельных возможностей КСЧ с лазерной накачкой по метрологическим характеристикам (для случая рубидиевых стандартов частоты с лазерной накачкой)

9 Принципы и схемы построения КСЧ на ячейках с парами рубидия и цезия с лазерной накачкой, их практическая реализация.

Объем и структура диссертации Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 228 страниц основного текста, включая библиографию из 135 наименований, 57 рисунков и 6 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении проводится анализ современного состояния вопроса, ставится цель диссертационной работы, описывается ее актуальность, формулируются задачи исследований, определяется новизна полученных результатов и их практическая ценность, формулируются основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации

В первой главе диссертации проводится краткий обзор и анализ работ по лазерной накачке и ее использованию для построения новых поколений КД и стандартов частоты на их основе Проводится сравнение схем построения КД с традиционной накачкой

спектральной лампой и КД с лазерной накачкой, на основании которого делается вывод о преимуществе схемы построения КД с лазерной накачкой Обоснованы требования на лазерные источники накачки для КД на атомах рубидия и цезия Проведены систематизация и обобщение данных по динамике и тенденциям развития ПЛ, сделан анализ их современного уровня Проведенный анализ показал, что для практической реализации потенциальных возможностей ПЛ требуется решение ряда задач физического и технического характера, среди которых управление спектральными характеристиками излучения ПЛ находится на первом месте

В заключении первой главы делается постановка и обоснование основных направлений и решаемых задач в диссертации

Во второй главе диссертации исследуются методы управления спектральными характеристиками ПЛ, позволяющие использовать ПЛ в качестве источников оптической накачки атомов рабочего вещества в КД

Для получения узкой линии генерации ПЛ и перестройки ее в широком диапазоне разработан и создан приборный вариант лазерного излучателя с применением электрооптического элемента (кристалла ниобата лития ШЬОз) во внешнем резонаторе лазера, в котором внешняя обратная связь создается диэлектрическим зеркалом с коэффициентом отражения 0,9 Диапазон одномодовой перестройки длины волны излучения разработанного излучателя составил ~ 4 нм Ширина линии генерации была не более 0,01 нм Мощность излучения в селектируемую моду при этом составила 0,1-0,5 мВт Предложенная схема внешнего резонатора позволила уверенно выделять выбранную моду Интенсивность селектируемой моды в 5-10 раз превосходила интенсивность соседних мод На основании полученных характеристик делается вывод о возможности применения данного прибора в области спектроскопии, метрологии, волоконной оптической связи и т п

В главе рассматриваются методы пассивной стабилизации частоты ПЛ по току и температуре Разработаны конкретные схемы стабилизации частоты по току и температуре, с использованием которых достигнута нестабильность частоты лазера на уровне 10'6-10'8 за различные времена усреднения

Исследованы флуктуации полупроводниковых лазеров При этом указывается, что в области низких частот (от 0 и примерно до 20 кГц) спектр шума как интенсивности, так и частоты излучения имеет фликкерный характер (со спектром ~ 1/1), который, как и у многих полупроводниковых приборов, обусловлен флуктуациями подвижных носителей, а также флуктуациями напряжения питания лазера и его рабочей температуры Показано также, что при мощности излучения порядка 1 МВт и выше, шумы интенсивности ПЛ в интервале частот (0,01-1)МГц значительно меньше, чем у газового и твердотельного лазеров и безэлектродной спектральной лампы Это является одним из преимуществ ПЛ при

использовании его как источника оптической накачки в КСЧ

Рассмотрены принципы построения оптического квантового генератора на основе ПЛ и приведены конструктивные особенности созданного опытного образца оптического квантового генератора (с перестройкой частоты до 10 нм и относительной нестабильностью частоты от 10'6 до 108 за различные времена усреднения)

Приведенные в данной главе исследования и полученные при этом результаты позволили дать конкретные практические рекомендации по созданию оптического квантового генератора с заданными спектральными характеристиками, которые могут быть использованы не только в КСЧ, но также во многих других областях когерентной связи, спектроскопии, метрологии и др

В третьей главе диссертации проводится систематизация и обобщение

85 87 133

спектральных данных по атомам Ш), ШГ и Се , используемых для стабилизации частоты в оптическом и радиочастотном диапазонах

Проводится анализ физических факторов, определяющих спектральные характеристики линий поглощения в атомах щелочных металлов, в частности физических процессов, влияющих на форму и ширину спектральных линий, их сдвигов по частоте

Проводится исследование кинетики и распределения населенностей атомов щелочных металлов в ячейке при облучении их резонансным лазерным излучением

Рассматривается метод флуоресценции в ячейке с парами щелочного металла Показано, что поскольку при регистрации сигнала поглощения шум определяется величиной флуктуаций 310 несущей сигнала 10, то при регистрации сигнала по флуоресценции можно получить улучшение отношение сигнал/шум, поскольку в данном случае шум ограничен эквивалентной шумовой мощностью детектора Проведенные экспериментальные исследования подтверждают сделанные расчеты

Проводится анализ работы системы автоматической подстройки частоты излучения ПЛ по ячейке поглощения с помощью регулировки тока лазера по сигналу обратной связи В предположении, что поглощение в среде мало, что характерно для интенсивностей ПЛ, используемых в стандарте частоты с лазерной накачкой, и лоренцевским приближением формы линии поглощения получено выражение для сигнала ошибки, содержащее информацию о расстройке частоты излучения ПЛ от центра линии поглощения и сопутствующей амплитудной модуляции

В результате решения уравнения, описывающего поведение системы автоподстройки частоты ПЛ, получено выражение для остаточной расстройки частоты излучения ПЛ, которая зависит в общем случае от начальной расстройки и параметров амплитудной модуляции

Рассматривается влияние флуктуаций излучения ПЛ на точность привязки к центру

линии поглощения в зависимости от параметров системы АПЧ (частоты модуляции, коэффициента регулирования и постоянной времени автоподстройки) Показано, что в общем случае амплитудно-фазовых флуктуаций излучения ПЛ в сигнал ошибки вносят вклад все шумовые компоненты, частоты которых удовлетворяют условию ю=±пй (где П-частота модуляции) Вклад этих компонент затухает по мере увеличения п Анализ полученного выражения показал, что составляющая спектра частотных флуктуаций ПЛ на частоте ю=0 описывает медленные флуктуации ПЛ, и соответствующая составляющая сигнала на частоте (2 является динамическим сигналом ошибки, те несет полезную информацию Напротив, вклад в сигнал ошибки, обусловленный частотными флуктуациями на частоте ш=±2£2, является чисто шумовым и ограничивает возможности системы АПЧ

Для амплитудных флуктуаций ПЛ максимальный вклад в сигнал ошибки вносит компонента на частоте модуляции (ш=±й)

Четвертая глава диссертации посвящена изучению методов спектроскопии и физических процессов в парах рубидия и цезия с использованием ПЛ Определяются требования к параметрам источника оптического излучения на основе ПЛ для получения заданного разрешения по частоте, и в связи с этим накладываются условия на точность управления и поддержания температуры и тока ПЛ Для определения суммарной ошибки по разрешению разработанного источника оптической накачки проводятся спектроскопические исследования Б2- линии поглощения Се133 На основании полученных результатов делаются оценки, которые показывают, что полученное разрешение данного источника оптической накачки паров щелочных металлов (~150 МГц) лучше разрешения стандартного интерферометра Фабри- Перо и монохроматоров с дифракционными решетками

В качестве применения источника оптической накачки на основе ПЛ рассматривается атомно-флуоресцентный метод определения концентрации паров щелочных металлов на примере атомов цезия Для определения количественной связи между сигналами флуоресценции и концентрации атомов составляется система балансных уравнений, соответствующая трехуровневому приближению квантовой структуры атомов С8133 На основании решения данной системы уравнений рассчитывается зависимость

133

концентрации атомов Сб от температуры и чувствительность метода от интенсивности излучения ПЛ

Правильность расчета была проверена с помощью проведенных экспериментальных исследований. Описывается оптическая схема экспериментальной установки и обсуждаются полученные на ней результаты эксперимента Отмечается хорошее совпадение расчетных и экспериментальных результатов и обсуждаются достоинства применения лазерного источника в атомно-флуоресцентном методе (повышение чувствительности и точности при одновременном сокращении времени эксперимента)

Описывается постановка и решение задачи двойного радиооптического резонанса для многоуровневой и, как частный, случай, трехуровневой модели квантовой системы (атомов щелочных металлов при общих предположениях об интенсивности действующих когерентных полях) данная задача представляет интерес при исследовании характеристик квантовых стандартов частоты

При этом при последовательном использовании метода матрицы плотности для 3~-уровневой системы получены корректные выражения для интенсивностей сигнала и ширины линии радиочастотного перехода при двойном радиооптическом резонансе

Достоверность полученных результатов проверена на экспериментальном образце Рассматриваются вопросы сдвигов частоты эталонного перехода под действием оптического излучения (световые сдвиги частоты)

В предположении лоренцевской формы линии оптической накачки (которое справедливо при использовании ПЛ в качестве источников оптической накачки) получено выражение для сдвига уровней энергии, которое может быть применено для любой двухуровневой системы Для получения окончательного выражения для световых сдвигов подуровней сверхтонкого расщепления учтено движение атомов Расчеты дисперсионных кривых сдвигов частоты эталонного перехода проводится для наиболее интересных случаев накачки.

1 для накачки с узким спектром, когда ширина линии излучения много меньше естественной ширины оптической линии поглощения,

2 для накачки со спектральной шириной, сравнимой с доплеровским уширением в

ячейке,

3 для накачки с широким спектром, когда ширина линии излучения много больше доплеровского уширения в ячейке

При этом показано, что ширина спектра излучения лазера существенно влияет на характеристики дисперсионной кривой световых сдвигов в частности обнаружено, что с увеличением ширины его спектра частота света накачки, при которой световой сдвиг равен нулю, уменьшается Из дисперсионных зависимостей, полученных для различных ширин спектра излучения лазера, следует, что максимум и минимум световых сдвигов с ростом ширины сдвигается в сторону больших расстроек частоты лазерного излучения, одновременно уменьшаясь по величине Таким образом показано, что световые сдвиги зависят не только от интенсивности и частоты света накачки, но и от ширины возбуждающего спектра

На экспериментальном образце КД с цезиевой и рубидиевой ячейками проведены эксперименты, в которых получены зависимости световых сдвигов эталонной частоты от расстройки по частоте лазерного излучения для различных спектров оптической накачки

Сравнение результатов эксперимента и теоретического расчета дисперсионных кривых светового сдвига частоты показало, что они хорошо качественно согласуются Полученные результаты позволяют определить требования на частоту, ширину линии, мощность оптического излучения для достижения нулевых сдвигов частоты эталонного перехода в КД с лазерной накачкой

В пятой главе диссертации рассматриваются вопросы построения и исследуются амплитудно-частотные характеристики КД и КСЧ на ячейках с парами щелочных металлов

133 87

(Се и ЯЬ ) с лазерной накачкой

Исследованы характеристики КД с лазерной накачкой (величина сигнала, ширина линии, параметр качества) При этом проведено сравнение расчетных зависимостей с данными, полученными экспериментальным путем Оптимизация физических процессов в КД проводилась по наиболее полной характеристике КД- параметру качества, определяемому величиной отношения сигнала атомного резонанса к ширине линии эталонного перехода и шуму в полосе 0,25 Гц

Проведен расчет зависимости параметра качества от интенсивности света накачки в предположении, что шум определяется дробовыми шумами фотодетектора

Показано, что максимальный параметр качества при этом в КД на парах ЯЬ примерно в два раза выше, чем на парах Се Объясняется это тем, что число зеемановских подуровней в Сэ в два раза превышает соответствующее число для ЛЬ, и разность населенностей уровней эталонного перехода, создаваемая оптической накачкой и определяющая сигнал, примерно в два раза меньше для Се

Экспериментальное подтверждение полученных результатов было проведено на экспериментальном образце КД на парах Ш)87 Полученный параметр качества исследуемого дискриминатора был в 3-4 раза выше, чем у аналогичного дискриминатора на парах ЛЬ87 с накачкой с помощью спектральной лампы Приводится методика расчета основных характеристик КД и предполагаемое предельное значение параметра качества

Исследованы предельные возможности КСЧ с лазерной накачкой (для случая РСЧ) При этом для шума, регистрируемого фотопреобразователем, учитывался вклад не только дробового шума, но и вклад флуктуаций излучения ПЛ При расчете кратковременной нестабильности частоты учитывались также и так называемые «наведенные» светом накачки через световой сдвиг частотные флуктуации атомного перехода, которые обычно не учитываются при рассмотрении кратковременной нестабильности частоты. Как показано в диссертационной работе, они носят принципиальный характер и их учет необходим при больших значениях параметра качества

Для получения предельного значения долговременной нестабильности частоты определены условия на параметры накачки атомов рубидия (мощность оптического и

радиочастотного полей, концентрация атомов ЛЬ 87 и давление буферного газа), изменение значения которых вызывает изменение значения поглощения света, и как следствие этого изменение величины светового сдвига Показано, что при выполнении данных условий нестабильность частоты в КСЧ может быть снижена до значения (3-10) 10"14, что на 1-2 порядка лучше, чем для РСЧ с ламповой накачкой

В заключении диссертации перечислены основные результаты, полученные в процессе ее выполнения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1 Реализован метод управления спектральными характеристиками ПЛ (изменение спектрального состава и ширины линии излучения, перестройка частоты и модуляция излучения) с использованием внешних оптических элементов электрооптического селектора на основе кристаллов метониабата лития, дифракционных решеток и оптических резонаторов

2 Исследованы флуктуации излучения (амплитудные и частотные) и ширина спектральной линии излучения ПЛ

3 Проведены исследования методов пассивной стабилизации частоты ПЛ по току и температуре, и рассмотрены способы достижения с использованием этих методов относительной нестабильности частоты излучения лазера на уровне за различные времена

4 Предложены рекомендации по созданию оптического квантового генератора на основе ПЛ Описаны его конструктивные особенности

5 Исследован метод стабилизации частоты ПЛ по спектральным линиям поглощения в атомах рубидия и цезия Установлены физические факторы, определяющие спектральные характеристики линий поглощения в атомах щелочных металлов

6 Проведен анализ работы системы автоматической подстройки частоты излучения ПЛ по ячейке поглощения Показано, что предельная нестабильность стандарта частоты с лазерной накачкой в реальных схемах дополнительно ограничена амплитудной модуляцией и фазовыми флуктуациями излучения лазера, и проведена оптимизация параметров таких схем по критерию предельной нестабильности частоты

7 Показано, что на основе ПЛ, излучающих в диапазоне 780-900 нм, могут быть созданы достаточно простые источники оптической накачки для спектроскопии высокого разрешения Предложен атомно-флуоресцентный метод определения концентрации пара щелочного металла с использованием лазерного источника, и на примере атомов цезия проведены экспериментальные исследования, подтвердившие преимущества

данного метода по сравнению с традиционными

8 Проведены теоретические и экспериментальные исследования метода двойного радиооптического резонанса в парах щелочных металлов (для целей КСЧ и магнитометров) В приближении 3-ех уровневой и многоуровневой квантовой системы получены выражения для сигнала и ширины линии радиочастотного перехода, получившие хорошее согласие с экспериментом

9 Теоретически и экспериментально исследованы световые сдвиги частоты

|И о п

эталонного перехода в атомах Се и ЛЬ в условиях лазерной накачки Получена связь параметров лазерного излучения (частоты, интенсивности и ширины линии излучения) с характеристикой дисперсионной кривой световых сдвигов

10 На основании исследования метода лазерной накачки созданы экспериментальные образцы КД на ячейках с парами ЯЬ87 и Се133, проведены исследования амплитудно-частотных характеристик данных дискриминаторов и оптимизировано значение параметра качества

11 Созданы экспериментальные образцы КСЧ с лазерной накачкой на ячейках с парами С*133 и Ш)87 и изучены зависимости их метрологических характеристик от различных параметров Рассмотрены вопросы оптимизации этих характеристик и исследованы предельные возможности КСЧ с лазерной накачкой

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

1 ЛАБудкин, АИПихтелев, С Л Пузанов, Б П Фатеев «Исследование методов лазерной накачки в КСЧ» //Тезисы V Всесоюзной науч-техн конф «Метрология в радиоэлектронике», М ,1981г

2 Л А Будкин, А И Пихтелев, С Л Пузанов «Исследование принципов построения и характеристик стандартов частоты на цезии с лазерной накачкой» /Яезисы Всесоюзной науч -техн конф « Применение время-частотных средств и методов измерений в народном хозяйстве», М,1983т

3 ЛАБудкин, АИПихтелев, С Л Пузанов «Разработка и исследование основных характеристик КСЧ с лазерной накачкой» //Тезисы докладов IV Всесоюзной школы-совещания «Стабилизация частоты и прецизионная радиотехника», М ,1983г

4 Л А Будкин, А И Пихтелев, С Л Пузанов, А П Шеронов, Б П Фатеев «Квантовый стандарт частоты на цезии с лазерной накачкой» /Яехника средств связи, вып 1(47), 1983, С 69-72

5 Л А Будкин, А И Пихтелев, С Л Пузанов «Двойной радиооптический резонанс в

парах щелочных металлов» II Изв ВУЗов, «Радиофизика», т XXVI, №5, 1983, С 559-565

6 Л А Будкин, О Г Охотников,, Г Т Пак, А И Пихтелев, С Л Пузанов «Источник оптической накачки для спектроскопии высокого разрешения на основе полупроводникового лазера» // Журнал прикладной спектроскопии, тХЬ, вып 1, 1984, С165-167

7 Л А Будкин, А И Пихтелев, С Л Пузанов, Б П Фатеев «Квантовый дискриминатор с лазерной накачкой» // Радиотехника и электроника, т XXIX, №6,1984, С 1140-1144

8 Л А Будкин, М И Пененков, А И Пихтелев, С Л Пузанов «Исследование световых сдвигов частоты квантового дискриминатора с лазерной накачкой» // Изв ВУЗов «Радиофизика», t.XXVII, №6,1984,С 705-708

9 Л А Будкин, О Г Охотников, ГТПак, А И Пихтелев, С Л Пузанов «Атомно-флуоресцентный метод определения концентрации пара щелочного металла с использованием лазерного источника» // Журнал прикладной спектроскопии, т XL, вып 4, 1984, С 533-535

10 MP Ермаков, А И Пихтелев, С Л Пузанов, С И Селиванов, АПШеронов «Конструирование высокостабильных и малогабаритных рубидиевых дискриминаторов с оптической накачкой» II Тезисы докладов Всесоюзной конф «Вопросы стабилизации частоты», Горький,1985, С 17-18

11 Л А Будкин, В Л Величанский, ААЛяляскин, В В Никитин, МН Пененков, А И Пихтелев, С Л Пузанов «Оптимизация параметров квантового дискриминатора с лазерной накачкой на парах щелочных металлов» // Тезисы докладов Всесоюзной конф. «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985, С 21-22.

12 Л А Будкин, ААЛяляскин, МН Пененков, А И Пихтелев, С Л Пузанов, С И Селиванов «Исследование сдвигов эталонной частоты в квантовом дискриминаторе с лазерной накачкой» // Тезисы докладов Всесоюзной конф «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985, С 22

13 Л А Будкин, ААЛяляскин, А И Пихтелев, С Л Пузанов «Возможность снижения рабочего давления буферного газа до 001 тор и ниже в дискриминаторе с лазерной накачкой» //Тезисы докладов Всесоюзной конф «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985, С 23

14 Л.А.Будкин, МИЛененков, А.И Пихтелев, С.Л Пузанов «О сужение линии эталонного перехода в атомах цезия» // Тезисы докладов Всесоюзной конф «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985, С 24-25

15 Л А Будкин, ААЛяляскин, ГТПак, А И Пихтелев, С Л Пузанов «Источник оптической накачки на основе полупроводникового лазера для квантового стандарта частоты» // Тезисы докладов Всесоюзной конф «Вопросы стабилизации частоты», Горький,

1985,С 41

16 ЛАБудкин, А А Ляляскин, АИПихтелев, С Л Пузанов, С И Селиванов, А П Шеронов. «О нестабильности частоты квантового стандарта на парах атомов щелочных металлов с лазерным возбуждением» // Тезисы докладов Всесоюзной конф «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985, С 40-41

17 ЛАБудкин, А А Ляляскин, АИПихтелев, С Л Пузанов, С И Селиванов, А П Шеронов «Конструирование квантового дискриминатора с лазерной накачкой» // Тезисы докладов Всесоюзной конф «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985, С 2021

18 А А Ляляскин, МИПененков, С Л Пузанов «Световые сдвиги частоты зависимость от ширины линии лазера» // Депонир рукопись в ВИМИ, серРТ, №21, 1985, №Д06336

19 ЛАБудкин, А А Ляляскин, С Л Пузанов «Блок управления температурой полупроводникового лазера» // Депонир рукопись в ВИМИ, сер РТ, вып 19,1986, №Д06911

20 ЛАБудкин, А А Ляляскин, МИПененков, АИПихтелев, С Л Пузанов, С И Селиванов «Световые сдвиги в Rb87 при лазерной накачке» //Изв ВУЗов «Радиофизика», T.XXIX, №8,1986, С 969-971

21 ЛАБудкин, А А Ляляскин, МИПененков, С Л Пузанов «Аномальное поведение линии двойного радиоптического резонанса в газовой среде с различными параметрами релаксации» // Тезисы докладов Всесоюзного семинара по оптической ориентации атомов и молекул(ВСООАМ), Л, 1986

22 Л А Будкин, А А Ляляскин, С Л Пузанов «Конструирование квантового дискриминатора с лазерной накачкой» // Депонир рукопись в ВИМИ, сер РТ, вып 09,1987, Щ07152

23 ЛАБудкин, МИПененков, С Л Пузанов «Сужение линии эталонного перехода в атомах цезия» // Депонир рукопись в ВИМИ, сер ЭО, вып 05,1987, №Д07153

24 ЛАБудкин, А А Ляляскин, АИПихтелев, С Л Пузанов «Нестабильности частоты квантового стандарта на парах атомов щелочных металлов с лазерным возбуждением» // Техника средств связи, сер РИТ, вып 2,1987, С 41-43

25 ЛАБудкин, МИПененков, С Л Пузанов «О возможности повышения точностных характеристик рубидиевого стандарта частоты с лазерным возбуждением» // Тезисы докладов Всесоюзного семинара по диодно-лазерной спектроскопии ФИАН, МД990

26 Гриценко ВИ, С Л Пузанов, С И Селиванов «Современное состояние и основные направления развития рубидиевых стандартов частоты ННИПИ «Кварц» // Тезисы докладов Всероссийской конференции «Фундаментальное и прикладное координатно-

временное обеспечение» (КВО-2005), С -Петербург, 2005

27 Л А Будкин, А И Пихтелев, С JI Пузанов // Оптический квантовый генератор на основе полупроводникового лазера» // Тезисы докладов XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2006), г Воронеж, 2006, Том 3, С 2062-2068

28 В И Гриценко, С JI Пузанов, С И Селиванов «Современное состояние и основные направления разработок рубидиевых стандартов частоты» // Тезисы докладов XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2006), г Воронеж, 2006, Том 2, С 1139-1144

29 В И Гриценко, А И Пихтелев, С JI Пузанов, С И Селиванов «Промышленные рубидиевые стандарты частоты» // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2006», г Н -Новгород, 2006, С 37-39

30 JIA Будкин, А И Пихтелев, С JI Пузанов «О результатах и принципах построения квантовых стандартов частоты на парах рубидия и цезия с лазерной накачкой» // Тезисы докладов Всероссийской конференции РСДБ-2012, С -Петербург,2006, С 125-127

ЛИТЕРАТУРА

Л1 В В Григорьянц, М Е Жаботинский, В Ф Золин «Квантовые стандарты частоты», М, «Наука», 1967,288С

Л2 А И Пихтелев, А А Ульянов, Б П Фатеев, ГППашев, В А Логачев, Ю В Тимофеев, Э В Зуев, Г Ф Надточий, В Н Зайцев «Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов», М, «Сов радио», 1978,304С

ЛЗ К Одуан, Б Гино «Измерение времени Основы GPS», М, «Техносфера», 2002,400С

Л4. Будкин Л А, Мишаков Г А Пихтелев А И «О когерентной оптической накачке в парах Rb87» /Яезисы докладов Сибирского симпозиума по лазерной спектроскопии Красноярск, 1973, С 47-48

Л5 Быковский Ю А, Величанский В Л, Егоров В К «Оптическая накачка паров Cs133 излучением инжекционного лазера» //Письма в ЖЭТФ, 1973, №6, С 392-394

Л6 Будкин Л А, Болдин В Г, Пихтелев А И «Атомно-лучевая трубка с лазерной накачкой и индикацией» // Изв ВУЗов, Радиофизика, 1978, т 21, №5, С 673-681

Л7 Беседина А Н, Жолнеров В С «Оптимизация схем лазерной накачки для рубидиевого атомно - лучевого дискриминатора» // Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума «Проблемы радиоизмерительной техники», Н Новгород, 1989, С 26-27

Л8 М Arditi, J L Picque Opt Commun 15, P 317,1975 Л9 J L Picque «Hyperfine optical pumping of a cesium atomic beam, and applications» //Metrología,vol 13, P 115-119,1977

Л10 L Lewis, MFeidman «Optical pumping by lasers in atomic frequency standards» // in Proc 35th Anna- Freq Control Symp, USAERADCOM, 1981, P 612-624

Л11 Королев BH, Маругин AB, Харчев А В «Сужение ширины линии инжекционных излучателей внешним резонатором» //«Техника средств связи», сер РИТ, 1990, №5, с 30-37

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Краткий обзор и анализ работ по тематике диссертации.

1.1. Вводные замечания. Постановка задач.

1.2. Традиционная схема построения квантового дискриминатора на ячейке с парами ЯЬ и оптической накачкой на основе спектральной лампы.

1.3. Схемы построения квантового дискриминатора на ячейке с парами щелочных металлов с использованием лазерной накачки. Их преимущества и определение требований на лазерный источник накачки.

1.4. Обзор и анализ работ по лазерной накачке и ее использованию для построения квантового дискриминатора и стандартов частоты на их основе.

1.5. Основные тенденции развития полупроводниковых лазеров и систематизация литературных данных по современной элементной базе.

1.6. Обобщение данных по основным направлениям исследований и решаемым задачам в диссертации.

ГЛАВА II. Методы управления спектральными характеристиками полупроводниковых лазеров.

2.1. Вводные замечания. Постановка задач.

-32.2. Исследование методов управления спектральными характеристиками полупроводниковых лазеров с использованием внешних оптических элементов.

2.3. Перестройка частоты излучения полупроводникового лазера током и температурой. Пассивная стабилизация частоты излучения полупроводникового лазера.

2.4. Исследование флуктуаций интенсивности и частоты излучения полупроводникового лазера.

2.5. Конструктивные особенности построения оптического квантового генератора на основе полупроводниковых лазеров и его основные характеристики.

Диссертация посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию методов лазерной накачки в атомах щелочных металлов рубидия и цезия с использованием полупроводниковых лазеров с целью создания квантовых дискриминаторов и квантовых стандартов частоты на их основе.

Актуальность темы. Развитие разнообразных отраслей науки и техники (радиоизмерительная техника, связь, навигация, метрология и т.п.), а также многие современные исследования в области атомной физики требуют применения точных физических измерений. Среди разнообразных видов измерений измерение частоты- наиболее точный и быстро развивающийся. В связи с этим все шире проявляется тенденция сведения измерений самых разнообразных физических величин к измерению частоты.

Точность любого измерения ограничена точностью используемого эталона. Естественно, что наиболее строгие требования предъявляются к первичному эталону частоты. За последние 50 лет суммарная относительная погрешность первичных государственных эталонов на основе цезиевых реперов частоты уменьшилась с ±МО"10 до ±1,5-10"15. Никакой другой вид измерений не имеет такого значительного прироста. Вместе с тем во многих практических случаях необходимая точность стала столь высокой, что требования к вторичным эталонам, стандартам и опорным генераторам не отличаются от требований, предъявляемым к эталону.

Разработка квантовых стандартов частоты (КСЧ) радиодиапазона [1,2] является важнейшим направлением в радиоизмерительной технике, так как они нашли широкое применение во многих областях. Среди КСЧ радиодиапазона (водородных, цезиевых и рубидиевых) наиболее массовыми стали рубидиевые стандарты частоты (РСЧ) с оптической накачкой. Многие коллективы отечественных ученых в Институте радиоэлектроники Российской академии наук (ИРЭ РАН) (Жаботинский M.E.-, Базаров E.H. и др.), Нижегородском научно-исследовательском приборостроительном институте (ННИПИ) «Кварц» (Пихтелев А.И., Ульянов A.A., Зуев Э.В. и др.), Российском институте радионавигации и времени (РИРВ) (Якобсон H.H., Жолнеров B.C., Харчев О.П. и др), Научно-исследовательском институте микроприборов (НИИМП) (В.Н.Ионов) заложили научные основы данной отрасли приборостроения и работали над ее развитием . В настоящее время в России серийным выпуском приборов с оптической накачкой занимаются два предприятия- ННИПИ «Кварц» (Н.Новгород) и РИРВ (С.Петербург), в то время как за рубежом их выпуском занимаются более десятка фирм (Frequency Electronics, Stanford Research Systems, Symmetricom, Temex, Accu Beat и другие), доводя суммарный выпуск данной продукции до нескольких десятков тысяч в год . В этих приборах практически реализована и нашла развитие так называемая традиционная схема построения КСЧ на атомах рубидия [1,2,3], в которой в качестве источника оптической накачки используется спектральная 7 лампа с парами Rb , а для фильтрации ее оптического излучения применена ячейка-фильтр с изотопом Rb85. При высоких эксплуатационных качествах они обладают сравнительно высокими метрологическими характеристиками и одновременно являются достаточно простыми по устройству, надежными и технологичными, малыми по габаритам и дешевыми по цене.

История разработок и исследования этого класса КСЧ - рубидиевых стандартов частоты - насчитывает свыше 45 лет. За этот период основные метрологические характеристики были улучшены примерно на 2-3 порядка. В то же время за последние десятилетия темпы роста этих характеристик значительно замедлились и развитие РСЧ шло в основном по пути снижения их габаритов, массы и потребляемой мощности. Эти тенденции обусловлены прежде всего тем, что традиционный принцип в РСЧ с оптической накачкой, использующий излучение спектральной лампы на парах рубидия, в значительной мере исчерпал себя и прогресс в характеристиках идет по пути поиска и нахождения инженерных, конструктивных и технологических решений. В то же время существует устойчивая потребность в повышении метрологических характеристик РСЧ, и, прежде всего, для службы времени, системы глобального позиционирования объектов с космическим базированием и связи [132, 134-135].

Очевидно, что решение данной задачи лежит на пути использования новых физических принципов в КСЧ, одним из которых является оптическая накачка с помощью полупроводниковых лазеров (ПЛ) в парах щелочных металлов (рубидия и цезия). В связи с этим исследование лазерной накачки в парах Rb и Cs для создания квантовых дискриминаторов и КСЧ на их основе является важной и актуальной задачей. Применение ПЛ обусловлено целым рядом причин, среди которых главными являются их миниатюрность, простота управления излучением, высокая эффективность преобразования энергии накачки в когерентное излучение. Первые сообщения о возможности использования лазерной накачки в парах щелочных металлов появились в нашей стране в самом начале 70-х годов: об

Я7 1 ^^ эффектах лазерной накачки в парах Rb [4] и парах Cs [5]. Эти публикации послужили началом для использования лазерной накачки в КСЧ [6,7]. Задача по практическому применению лазерной накачки для создания квантовых дискриминаторов (КД) на парах щелочных металлов и стандартов частоты на их основе была поставлена и нашла практическое развитие в работах ведущих специалистов ННИПИ «Кварц» в начале 80-х годов [8,9]. Приблизительно в это же время аналогичные исследования стали проводиться и в других странах [10-12], что подтверждает перспективность развития данного направления. В настоящее время интенсивно развивающейся областью на границе фундаментальных и прикладных исследований, что связано с развитием технологии производства ПЛ (в частности, появления VCSEL - лазеров), стало создание КСЧ на основе эффекта когерентного пленения населенностей (КПН), принцип действия которого во многом схож с действием традиционного КСЧ с лазерной накачкой. Главным достоинством данного метода является отсутствие непосредственного воздействия СВЧ поля на ячейку поглощения, что позволяет отказаться от СВЧ - резонатора и тем самым резко снизить размеры квантового дискриминатора (до 1 см3). Количество публикаций, посвященных исследованию данного метода и принципам построения КСЧ на его основе, стало доминирующим среди сообщений по КСЧ.

Помимо применения ПЛ в качестве источника оптической накачки для атомов щелочного металлов в КСЧ они имеют широкую область практического применения, в частности для целого ряда областей квантовой электроники -перестраиваемых лазеров с узким спектром излучения, прецизионной (и по разрешению и по чувствительности) лазерной спектроскопии, включая методы глубокого охлаждения, удержания и манипулирования атомами и ионами, а также для создания стандартов частоты оптического диапазона. Их применение для этих целей напрямую зависит от того, насколько успешно можно управлять спектральными характеристиками ПЛ. В связи с этим большой интерес представляют ПЛ с внешним резонатором. Такие лазеры позволяют получать монохроматическое излучение на частотах многих важных атомных резонансов. В настоящее время разработано несколько конструкций ПЛ с внешним резонатором, предназначенных для решения разнообразных задач [13]. Тем не менее большая потребность научных и учебных лабораторий в надежных и доступных источниках когерентного излучения делает актуальным дальнейшее совершенствование таких лазеров.

Целыо диссертации является проведение комплексных теоретических и экспериментальных исследований лазерной накачки в ячейках с парами рубидия и цезия с использованием ПЛ для создания КД и стандартов частоты на их основе, обеспечения научно - технического задела для КСЧ перспективных поколений на новых технологиях, а также практическая реализация этих исследований -создание опытных образцов КСЧ и опорных генераторов.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты обобщения и систематизации данных по работам, посвященным лазерной накачке в парах щелочных металлов и ее использованию для построения КД и стандартов частоты на их основе, и основным тенденциям развития ПЛ как современной элементной базы для перспективного поколения КСЧ на новых технологиях.

2. Методы и результаты управления спектральными характеристиками ПЛ, в том числе: перестройка частоты с помощью внешних оптических элементов, изменением тока и температуры; пассивная стабилизация частоты по току и температуре.

3. Результаты анализа конструктивных особенностей и электрических схем построения оптического квантового генератора на основе ПЛ и его основных характеристик.

4. Результаты исследования оптических спектральных линий поглощения в атомах рубидия и стабилизация частоты ПЛ по ячейке с парами рубидия.

5. Результаты анализа конструктивных особенностей ПЛ, стабилизированного по ячейке с парами рубидия, и данные по стабильности частоты.

6. Результаты изучения методов спектроскопии и физических процессов в парах рубидия и цезия с использованием ПЛ.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик КД с лазерной накачкой на парах рубидия и цезия и стандартов частоты на их основе.

8. Результаты изучения и анализа предельных возможностей КСЧ с лазерной накачкой по метрологическим характеристикам (для случая рубидиевых стандартов частоты с лазерной накачкой).

9. Принципы и схемы построения КСЧ на ячейках с парами рубидия и цезия с лазерной накачкой, их практическая реализация.

Научная новизна. В результате выполнения работы:

1. Разработаны и изучены методы управления спектральными характеристиками ' ПЛ с помощью внешних оптических элементов (электрооптических селекторов на основе кристаллов метониабата лития, дифракционных решеток и оптических резонаторов) и перестройки их частоты током и температурой, что послужило основой для обоснования возможности управления спектральными характеристиками ПЛ, определения необходимых условий для данного управления и получения конкретных данных по спектральным характеристикам: диапазону перестройки по частоте и модуляции, коэффициенту подавления соседних мод, диапазону одиомодовой генерации, ширине линии излучения и ее сужению.

2. Разработаны и изучены методы пассивной стабилизации частоты ПЛ по току и температуре. Разработаны и исследованы конкретные схемы стабилизации частоты по току и температуре, с использованием которых снижена

6 8 нестабильность частоты лазера до уровня 10" -НО" за различные времена.

- 123. Предложена, практически реализована и экспериментально исследована модель ПЛ с необходимой перестройкой и стабилизацией частоты для применения в качестве источника лазерной накачки в ячейках с парами рубидия и цезия. При этом полученные результаты послужили основой для создания опытного образца оптического квантового генератора с диапазоном перестройки его длины волны до 10 нм и относительной нестабильностью частоты отЮ"6 до 10"8 за различные времена.

4. Проведены систематизация и научное обобщение спектральных

87 85 133 данных по атомам щелочных металлов ЯЬ , ЯЬ и Се , необходимых для стабилизации частоты ПЛ. Изучены и проанализированы различные физические факторы, определяющие спектральные характеристики оптических линий поглощения в атомах щелочных металлов, в частности физических процессов, влияющих на форму и ширину спектральных линий, их сдвиги по частоте.

5. Разработана теоретическая модель, описывающая кинетику и распределение населенностей атомов рубидия при облучении их резонансным лазерным излучением. С использованием данной модели исследовано поглощение лазерного излучения в ячейке с парами рубидия в зависимости от различных параметров (плотности атомов, длины ячейки, интенсивности излучения и его ширины линии) и найдены неизвестные ранее закономерности в характере этого поглощения.

6. Теоретически и экспериментально исследован метод стабилизации частоты ПЛ по спектральным линиям поглощения в атомах рубидия и цезия. Определены физические факторы, влияющие на стабильность и точность привязки частоты излучения лазера, стабилизированного по ячейке поглощения, содержащей пары рубидия и цезия. Экспериментально снижен уровень нестабильности частоты до Ю"10. Однако теоретически показана возможность снижения нестабильности

12 частоты лазера до значения 10' .

7. Предложен и практически реализован атомно флуоресцентный метод определения концентрации пара щелочного металла с использованием ПЛ. При этом проведенная экспериментальная проверка на примере атомов цезия подтвердила значительное преимущество данного метода по сравнению с традиционными.

-138. Предложена и апробирована методика расчета сигнала и ширины линии двойного радиооптического резонанса в парах щелочных металлов для целей квантовой стабилизации частоты в приближении 3-ех и многоуровневой квантовых систем, получившая хорошее согласие с экспериментом.

9. Методами численного моделирования и экспериментально исследованы зависимости световых сдвигов частоты 0-0 перехода в атомах рубидия и цезия в условиях лазерной накачки. Проведена оптимизация параметров лазерной накачки (частоты, интенсивности и ширины линии лазерного излучения) по критерию минимизации вариаций частоты 0-0 перехода.

10. Предложены и практически реализованы принципы построения КД на ячейках с парами рубидия и цезия.

11. Предложена методика расчета и проведен расчет и оптимизация параметров КД по критерию максимального значения параметра КД. Определены оптимальные характеристики излучения лазера и СВЧ сигнала. Результаты расчета подтверждены экспериментом и получено хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными данными.

12. Изучены предельные возможности КСЧ с лазерной накачкой (для случая рубидиевого стандарта частоты) по критерию минимума вариации частоты 0-0 перехода при изменении параметров рубидиевого дискриминатора. Показана возможность снижения нестабильности частоты РСЧ до значения 10"14, что примерно на два порядка ниже по сравнению с традиционными РСЧ, использующих для оптической накачки спекгральные лампы.

Методы исследования включают в себя методы математического и физического моделирования, натурные эксперименты и синтез оптимальных решений, методы полупроводниковой схемотехники, теоретической физики и теории систем автоматического регулирования.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:

1. Использованием при описании эффектов взаимодействия лазерного излучения с квантовыми системами теоретически обоснованных методов.

2. Сравнением численных результатов, полученных различными методами.

- 143. Проверкой теоретически полученных результатов с результатами экспериментов.

Практическая ценность работы заключается в решении вопросов, направленных на создание КСЧ нового поколения, способных улучшить как свои метрологические, так и массогабаритные характеристики за счет применения в них источника оптической накачки паров Cs и Rb на основе ПЛ. При этом результаты, полученные при разработке данного источника, были использованы для разработки оптического квантового генератора, которые могут быть использованы не только в КСЧ, но также и во многих других областях: когерентной связи, спектроскопии, метрологии и т.п.

Реализация и внедрение результатов. Результаты исследований, проведенных в диссертации, были реализованы при создании экспериментальных образцов квантовых дискриминаторов на цезии и рубидии и КСЧ на их основе при использовании разработанных источников оптической накачки па полупроводниковых лазерах. Практические рекомендации, сделанные в диссертации, явились основой прикладных научно-исследовательских работ, проводимых в ННИПИ «Кварц».

Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 228 страницы основного текста, включая библиографию из 135 наименований, 57 рисунков и 6 таблиц.

5.6. Выводы и рекомендации.

В процессе проведения теоретических и экспериментальных исследований, представленных в данной главе диссертации, получены следующие основные результаты:

1. Исследован метод лазерной накачки и на его основе созданы квантовые дискриминаторы на ячейках с парами Се133 и ЯЬ87; проведены исследования сигнала и параметра качества дискриминатора; получено хорошее качественное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей величины параметра качества от интенсивности света накачки; показано, что величина параметра качества КД с лазерной накачкой может быть увеличена не менее чем на порядок по сравнению с традиционным.

2. Впервые созданы КСЧ с лазерной накачкой на ячейках с парами рубидия и цезия и приводятся зависимости их характеристик от различных параметров; рассматриваются вопросы оптимизации этих характеристик.

3. Исследованы предельные возможности КСЧ с лазерной накачкой (для случая РСЧ); показана возможность снижения нестабильности частоты КСЧ до уровня 10"14, что выше примерно на два порядка по сравнению с традиционными КСЧ на ячейках с парами рубидия, использующих для оптической накачки спектральные лампы.

-2144. Показано, что важными проблемами на пути реализации предельных характеристик КСЧ с лазерной накачкой являются, во-первых, стабилизация частоты лазера и, во-вторых, снижение уровня амплитудных шумов лазерного излучения.

-215-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Исследованы методы управления спектральными характеристиками полупроводникового лазера для целей КСЧ (изменение спектрального состава и ширины линии излучения, перестройка частоты и модуляция излучения) с использованием внешних оптических элементов: электрооптического селектора на основе кристаллов метониабата лития, дифракционных решеток и оптических резонаторов.

2. Исследованы флуктуации излучения (амплитудные и частотные) и ширина спектральной линии излучения полупроводникового лазера.

3. Проведены исследования методов пассивной стабилизации частоты полупроводникового лазера по току и температуре, и рассмотрены способы достижения с использованием этих методов относительной нестабильности частоты излучения лазера на уровне 10'б-Ч0*8 за различные времена.

4. Предложены рекомендации по созданию оптического квантового генератора на основе полупроводникового лазера. Описаны его конструктивные особенности.

5. Исследован метод стабилизации частоты полупроводникового лазера по спектральным линиям поглощения в атомах рубидия и цезия. Определены физические факторы, определяющие спектральные характеристики линий поглощения в атомах щелочных металлов.

6. Проведен анализ работы системы автоматической подстройки частоты излучения полупроводникового лазера по ячейке поглощения. Показано, что предельная нестабильность стандарта частоты с лазерной накачкой в реальных схемах дополнительно ограничена амплитудной модуляцией и фазовыми флуктуациями излучения лазера, и проведена оптимизация параметров таких схем по критерию предельной нестабильности частоты.

7. Показано, что на основе полупроводникового лазера, излучающих в диапазоне 78(Н900 нм, могут быть созданы достаточно простые источники оптической накачки для спектроскопии высокого разрешения. Предложен атомнофлуоресцентный метод определения концентрации пара щелочного металла с использованием лазерного источника, и на примере атомов цезия проведены экспериментальные исследования, подтвердившие преимущества данного метода по сравнению с традиционными.

8. Проведены теоретические и экспериментальные исследования метода двойного радиооптического резонанса в парах щелочных металлов (для целей квантовых стандартов частоты и магнитометров). В приближении 3-ех уровневой и многоуровневой квантовой системы получены выражения для сигнала и ширины линии радиочастотного перехода, получившие хорошее согласие с экспериментом.

9. Теоретически и экспериментально исследованы световые сдвиги частоты

0*7 эталонного перехода в атомах Се и ЯЬ в условиях лазерной накачки. Получена связь параметров лазерного излучения (частоты, интенсивности и ширины линии излучения) с характеристикой дисперсионной кривой световых сдвигов.

10. На основании исследования метода лазерной накачки созданы

О-7 1 11 квантовые дискриминаторы на ячейках с парами ЯЬ и Се , проведены исследования амплитудно-частотных характеристик данных дискриминаторов и оптимизировано значение параметра качества.

11. Созданы экспериментальные образцы КСЧ с лазерной накачкой на ячейках с парами Се133 и ЯЬ87 и изучены зависимости их метрологических характеристик от различных параметров. Рассмотрены вопросы оптимизации этих характеристик и исследованы предельные возможности КСЧ с лазерной накачкой.

В заключение считаю своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю Пихтелеву А.И. за руководство и помощь в работе над диссертацией и Будкину Л.А. за постоянное внимание, помощь и поддержку на всех этапах работы.

1. В.В.Григорьянц, М.Е.Жаботинский, В.Ф.Золин. «Квантовые стандарты частоты», М., «Наука», 1967, 288с.

2. А.И.Пихтелев, А.А.Ульянов, Б.П.Фатеев, Г.П.Пашев, В.А.Логачев, Ю.В.Тимофеев, Э.В.Зуев, Г.Ф.Надточий, В.Н.Зайцев. «Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов», М., «Сов.радио», 1978, 304с.

3. Пихтелев А.И. «Разработка, исследование и расчет квантовыхonдискриминаторов и генераторов на парах Rb и промышленных приборов на их основе», Дис. докт. Техн.наук. Горький, 1973г., 310 с.

4. Будкин Л.А., Мишаков Г.А. Пихтелев А.И. «О когерентной1. Й7оптической накачке в парах Rb » // Тезисы докладов Сибирского симпозиума по лазерной спектроскопии. Красноярск, 1973, с.47-48.

5. Быковский Ю.А., Величанский В.Л., Егоров В.К. и др. «Оптическая накачка паров Cs133 излучением инжекционного лазера» // Письма в ЖЭТФ, 1973, №6, с.392-394.

6. Будкин Л.А., Болдин В.Г., Пихтелев А.И. «Атомно-лучевая трубка с лазерной накачкой и индикацией» // Изв.ВУЗов, Радиофизика, 1978, т.21, №5, с.673-681.

7. Беседина А.Н., Жолнеров B.C. «Оптимизация схем лазерной накачки для рубидиевого атомно лучевого дискриминатора» // Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума «Проблемы радиоизмерительной техники», Н.Новгород, 1989г., с.26-27.

8. Л.А.Будкин, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов, Б.П.Фатеев. «Исследование методов лазерной накачки в КСЧ» // Тезисы V Всесоюзной науч.-техн. конф. «Метрология в радиоэлектронике», Москва, 1981г.

9. M.Arditi, J.L.Picque.// Opt.Commun.15, 1975, р.317.-21811. J.L.Picque. «Hyperfíne optical pumping of a cesium atomic beam, and applications» // Metrología, 1977, vol.13, pp.l 15-119.

10. L. Lewis and M. Feidman. «Optical pumping by lasers in atomic frequency standards» // Proc. 35th Anna- Freq. Control Symp. USAERADCOM, May 1981, pp. 612-624.

11. Королев B.H., Маругин A.B., Харчев A.B. «Сужение ширины линии инжекционных излучателей внешним резонатором» // Техника средств связи, сер.РИТ, 1990, №5, с.30-37.

12. Л.А.Будкин, А.И.Пихтелев, С. Л.Пузанов и др. «Разработка и исследование основных характеристик КСЧ с лазерной накачкой» // Тезисы докладов IV Всесоюзной школы-совещания «Стабилизация частоты и прецизионная радиотехника», Москва, 1983г.

13. Л.А.Будкин, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов, А.П.Шеронов, Б.П.Фатеев. «Квантовый стандарт частоты на цезии с лазерной накачкой» // Техника средств связи, 1983, вып. 1(47), с.69-72.

14. Л.А.Будкин, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов. «Двойной радиооптический резонанс в парах щелочных металлов» // Изв.ВУЗов «Радиофизика», 1983, t.XXVI, №5, с.559-565.

15. Л.А.Будкин, О.Г.Охотников, Г.Т.Пак, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов и др. «Источник оптической накачки для спектроскопиии высокого разрешения на основе полупроводникового лазера» // Журнал прикладной спектроскопии, 1984, т.ХЬ, вып.1, с. 165-167.

16. Л.А.Будкин, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов, Б.П.Фатеев. «Квантовый дискриминатор с лазерной накачкой» // Радиотехника и электроника, 1984, t.XXIX, №6, с.1140-1144.

17. Л.А.Будкин, М.И.Пененков, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов. «Исследование световых сдвигов частоты квантового дискриминатора с лазерной накачкой» //Изв.ВУЗов «Радиофизика», 1984, t.XXVII, №6, с.705-708.

18. Л.А.Будкин, О.Г.Охотников, Г.Т.Пак, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов. «Атомно-флуоресцентный метод определения концентрации пара щелочного металла с использованием лазерного источника» // Журнал прикладной спектроскопии, 1984, т.ХЬ, вып.4, с.533-535.

19. Л.А.Будкин, М.И.Пененков, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов. «О сужение линии эталонного перехода в атомах цезия» // Тезисы докладов Всесоюзной конф. «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985, с.24-25.

20. Л.А.Будкин, А.А.Ляляскин, Г.Т.Пак, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов. «Источник оптической накачки на основе полупроводникового лазера для квантового стандарта частоты» // Тезисы докладов Всесоюзной конф. «Вопросы стабилизации частоты», Горький, 1985, с.41.

21. Л.А.Будкин, А.А.Ляляскин, С.Л.Пузанов. «Блок управления температурой полупроводникового лазера» // Депонир. рукопись в ВИМИ, 1986, сер.РТ, вып. 19, №Д06911.

22. Л.А.Будкин, А.А.Ляляскин, М.И.Пененков, А.И.Пихтелев,о 7

23. С.Л.Пузанов, С.И.Селиванов. «Световые сдвиги в Шэ при лазерной накачке» // Изв.ВУЗов «Радиофизика», 1986, т.ХХ1Х , №8, с.969-971.

24. Л.А.Будкин, А.А.Ляляскин, С.Л.Пузанов. «Конструирование квантового дискриминатора с лазерной накачкой» // Депонир. рукопись в ВИМИ, 1987, сер.РТ, вып.09, №Д07152.

25. Л.А.Будкин, М.И.Пененков, С.Л.Пузанов. «Сужение линии эталонного перехода в атомах цезия» // Депонир. рукопись в ВИМИ, 1987, сер.ЭО, вып.05, №Д07153.

26. Л.А.Будкин, АЛ.Ляляскин, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов. «Нестабильности частоты квантового стандарта на парах атомов щелочных металлов с лазерным возбуждением» // Техника средств связи, 1987, сер.РИТ, вып.2, с.41-43.

27. Л.А.Будкин, М.И.Пененков, С.Л.Пузанов и др. «О возможности повышения точностных характеристик рубидиевого стандарта частоты с лазерным возбуждением» // Тезисы докладов Всесоюзного семинара по диодно-лазерной спектроскопии ФИАН, Москва, 1990.

28. Гриценко В.И., Пузанов С.Л., Селиванов С.И. «Рубидиевые стандарты частоты» //Тезисы докладов XII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (RLNC*2006), Воронеж, 2006, Т.2, с. 148.

29. В.И.Гриценко, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов, С.И.Селиванов. «Промышленные рубидиевые стандарты частоты» // Тезисы докладов международной научно-технической конференции «Информационные системы и технологии ИСТ-2006», Н.-Новгород, 2006, с.37-39.

30. Л.А.Будкин, А.И.Пихтелев, С.Л.Пузанов. «О результатах и принципах построения квантовых стандартов частоты на парах рубидия и цезия с лазерной накачкой» // Тезисы докладов Всероссийской конференции РСДБ-2012, С.Петербург, 2006, с. 125-127.

31. Kastler A. «Quelques suggestion consernant la production optique et la detection d'une inégalité de population des niveaux de quantification spatiale des atomes» // J.Phys.et le Radium, 1950, v.l 1, no.6, p.255-265.

32. Brossel J., Kastler. «A. La detection de la resonance magnetique des niveaux excites: Г effect de depolarisation des radiations (de resonance optique et de fluorescence)» // C.R.Ac.Sc., 1949, v.229, no.23, p.1213-1215.

33. Фриш С.Э. «Оптические спектры атомов», M., «Физматгиз», 1963.

34. Е.Б.Александров, А.Б.Мамырин, Н.Н.Якобсон. «Предельная чувствительность СТС магнитометра» // ЖТФ,1981, т.51, вып.З, с.607-612.

35. Е.Б.Александров, Н.Н.Якобсон, А.К.Вершовский. «Оптимизация параметра качества 0-0 резонанса в парах рубидия при оптической накачке»// ЖТФД986, т.56, вып.5, с.970-973.

36. J.C.Camparo, R.F.Frueholz, C.H.Volk "Inhomogeneous light shift in alkali-metal atoms" // Physical Review A, 1983, v.27, №4, p.1914-1924.

37. M.Hashimoto, M.Ohtsu. "Experiments on a semiconductor laser pumped rubidium atomic clock" // IEEE J. Quantum Electron., 1987, vol.QE-23, pp. 446-451.

38. M.Hashimoto, M. Ohtsu, H. Furuta. "Ultra-sensitive frequency discrimination in a diode laser pumped Rb87 atomic clock" // Proc. 41st Ann. Frequency Control Svmp., Philadelphia, PA, pp. 25-35, May 1987.

39. Королев B.H. «Исследование и разработка систем когерентного излучения на основе инжекционных лазеров для анализа веществ методами аналитической спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне». Дис. канд. физ.-мат. наук, Н.Новгород, 1998,184с.

40. Будкин JI.A., Ляляскин А.А., Пихтелев А.И., В.Б.Цареградский, А.В.Харчев. «О шумах интенсивности полуроводникового лазера» // Техника средств связи, 1985, вып.1, 28-32с.

41. Королев В.Н., Маругин А.В., Харчев А.В. «Амплитудные шумы инжекционных излучателей с внешним резонатором» // Техника средств связи, 1990, вып.2, 16-24с.

42. Маругин А.В., Харчев А.В. «Влияние нестабильности питания на радиочастотные шумовые спектры излучения лазерных диодов»// «Радиотехника», 1988, №12, 69-71с.

43. Харчев О.П. «Нестабильность частоты пассивного стандарта частоты на газовой ячейке, обусловленная флуктуациями света оптической накачки» // Радиотехника и электроника, 2004, т.49, №7, 1995, с.893-896.

44. J.C.Camparo, R.F.Frueholz. "Fundamental stability limits for the diode-laser-pumped rubidium atomic frequency standard" // J. Appl. Phys., 1986, v.59, №10, p.3313-3317.

45. J. Kitching, S. Knappe, L. Liew, J. Moreland, H. G. Robinson, P. D. D. Schwindt, V. Shah, V. Gerginov, and L. Hollberg. "Chip-scale atomic clocks at NIST"// presented at Proc. Nat. Conf. Stand. Lab. Int. (NCSLI), Washington, DC, 2005.

46. P. D. D. Schwindt, L. Hollberg, and J. Kitching. "Self-oscillating Rb magnetometer using non-linear magneto-optic rotation" // Rev. Sci. Instrum., 2005, 76, 126103.

47. Ржанов А. «Полупроводниковые лазеры» Н Радио, 1997, №1,с.6-8.

48. Елисеев П.Г. «Введение в физику инжекционных лазеров», М., «Наука», Главная редакция физико-математической литературы, 1983,294с.

49. Звелто О. «Принципы лазеров», М., «Мир», 1990, 560с.

50. Богданкевич О. В., Дарзнек С. А., Елисеев П. Г. «Полупроводниковые лазеры», М., «Наука», 1976,416 с.

51. О.Е.Наний. «Оптические передатчики» // Lightwave RE, 2003, №2, с.4851.

52. Бахарт Х.Ю. и др. «Инжекционный лазер с внешним дисперсионным резонатором как источник непрерывного излучения» // ЖПС, 1977, т.26, вып.6, с.968.

53. Olesson A., Tang C.L. «Electrooptically Tuned External-Cavity CW Semiconductor Laser and FM Optical Communication» // IEEE J.Quantum Electr., 1979, v.QE-15, №10, p.1685.

54. Дворянинов B.H., Савикин А.П., Цареградский В.Б. «Селекторы частоты лазерного излучения на основе электрооптических модуляторов MJI-3, MJI-4, МЛ-5» // ПТЭ, 1985, №6, с.155.

55. Гавриленко Н.Н., Колбасников А.Н., Курносов В.Д. и др. «Исследование характеристик одночастотного полупроводникового лазера с внешним резонатором» // «Квантовая электроника», 1990, т. 17, №1,40-42с.

56. Беленов Э.М., Величанский B.JL, Зибров A.C., В.В.Никитин, ВЛ.Саутенков, А.В.Усков. «Методы сужения линии генерации инжекционного лазера» // «Квантовая электроника», 1983, т. 10, №6, с. 1232-1243.

57. Е.В.Андреева, Л.Н.Магдич, Д.С.Мамедов, АЛ.Руенков, М.В.Шраменко, С.Д.Якубович. «Перестраиваемый полупроводниковый лазер с акустооптическим фильтром во внешнем оптоволоконном резонаторе» // Квантовая электроника, 2006, т.36, №4, с.324-328.

58. О.И.Пермякова, А.ВЛковлев, П.Л.Чаповский. «Стабилизированный по частоте полупроводниковый лазер с внешним резонатором». // Квантовая электроника, 2005, т.35, №5, с.449-453.

59. О.Е.Наний. «Оптические передатчики с перестраиваемой длиной волны излучения для DWDM сетей связи» // Lightwave RE, 2006, №1, 4.1, с.51-56, №3,4.2, с.53-56.

60. Д.В.Высоцкий, А.П.Напартович. «Теория полупроводникового лазера с вертикальным резонатором и внешним зеркалом» // Квантовая электроника, 2005, т.35, №8, с.705-710.

61. Моршнев С.И., Францессон A.B. «Когерентная высокооптическая связь» // Квантовая электроника, 1985, т. 12, №9, с. 1966.80. www.ntt.com

62. Tang C.L., Kreismanis V., Ballantino J.M. «Wide-band electrooptic tuning of semiconductor lasers» // Appl.Phys.Lett., 1977, v.30, p. 113.

63. Кузьминов Ю.С. «Электрооптический и нелинейнооптический кристалл ниобата лития», М., «Наука», 1987,264 с.

64. Такума X. «Физика полупроводниковых лазеров», М., «Мир»,1989,310с.

65. Ito М., Kimura Т. // IEEE J. Quantum Electron., 1980, QE-16, p.910.

66. Королев В.Н., Маругин A.B., Харчев A.B. «Амплитудные шумы инжекционных излучателей с внешним резонатором» // Техника средств связи, 1990, вып.2, сер.РТ, с. 16-24.

67. Маругин A.B., Харчев A.B. «Влияние нестабильности питания на радиочастотные шумовые спектры излучения лазерных диодов» // Радиотехника, 1988, №12, с.69-71.

68. Бессонов Ю.Л., Корнилова Н.Б. // Квантовая электроника, 1985, Т, 12,11.

69. Будкин Л.А. «Исследование физических процессов и методов лазерной накачки в квантовых стандартах частоты на атомах щелочных металлов», Дис. канд. физ.- мат.наук. Горький, 1984г., 174с.

70. Dandridge A. Taylor Н. F. // IEEE Trans, 1982, v. МТТ-30, № 10.

71. Y. Yamamoto, T.Mukai, and S.Saito. // Electron. Lett, 1981,17, p.327.

72. Welford D, Mooradian A. // Appl. Phys. Lett, 1982,40, p.560.

73. М.Букенгем. «Шумы в электронных приборах и системах», М, «Мир», 1986, 398 с.

74. Карлов Н.В. «Лекции по квантовой электронике», М, «Наука»,1983,320 с.

75. Бирибаум Д. «Оптические квантовые генераторы», М, «Сов. Радио», 1967, 360с.

76. Стейнфелд Дж. «Лазерная и когерентная спектроскопия», М, «Мир», 1982,629с.

77. Оменетто Н. «Аналитическая лазерная спектроскопия», М, «Мир», 1982,606с.

78. Петрунькин В.Ю, Пахомов Л.Н. «Приборы квантовой электроники», Л, «Изд-во Ленингр. ун-та», 1983, 129с.

79. Радцит A.A., Смирнов Б.М. «Параметры атомов и атомных ионов», Справочник. М, «Энергоатомиздат», 1986, 344с.

80. К.Виман, Л.Холлберг. «Применение инжекционных лазеров в атомной физике» // Приборы для научных исследований, 1991, №1, с.3-25.

81. Ярив А. «Введение в теорию и приложения квантовой механики», М, «Мир», 1984, 360с.-226101. Кривицкий Б.Х. «Автоматические системы радиотехнических устройств», М., «JI. Госэнергоиздат», 1962,664с.

82. Бессекерский В.А., Елисеев A.A., Небылов A.B. и др. «Радиоавтоматика», М., «Высш. шк.», 1985,271 с.

83. Гоноровский И.С. «Радиотехнические цепи и сигналы», М., «Радио и связь», 1986, 512с.

84. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев A.B. «Основы теории и элементы систем автоматического регулирования», М., «Машиностроение», 1985, 536с.

85. Корюкин И.В., Миронов Ю.М. «Ширина линии излучения одномодового инжекционного лазера с оптоэлектрической обратной связью» // Квантовая электроника, 1990, 17, №1, 53-55с.

86. Кулагин Е. В., Бремена Н. М., Пихтелев А, И., Сапожников Ю. М. // ЖПС, 1980, т. 33, № 1, с. 152-156.107. «Лазерная спектроскопия атомов и молекул» /Под ред. Г. Вальтера. М., «Мир», 1979, 430 с.

87. Несмеянов А. Н. «Давление пара химических элементов», М., «Изд-во АН СССР», 1961,393 с.

88. Померанцев Н. М., Рыжков В. М., Скроцкий Г. В. «Физические основы квантовой магнитометрии», М., «Наука», 1972.

89. Скроцкий Г. В., Изюмов Г. Г. «Оптическая ориентация атомов и ее применение» // УФН, 1961,73, вып. 3, с. 423.

90. Фаин В. М., Ханин Я. И. «Квантовая радиофизика», М., «Сов. Радио»,1965.

91. Летохов В. С., Чеботарев В. П. «Принципы нелинейной лазерной спектроскопии», М., «Наука», 1975, 280 с.

92. Arditi М., Pucque J. «Atomic Masses and Measurements Constant», 1976, 5, p.396.

93. Гайтлер В. «Квантовая теория излучения», М., «ИЛ», 1956.

94. Barrat J.P., Cohen-Tannoudij С. //J. Phys. Radium, 1961, 22,№6, р.329.

95. Saito S., Jamamoto J. //Electron. Lett., 1981,17, p. 325.

96. Собельман И. И. «Введение в теорию атомных спектров», М., «Наука», 1977.

97. Ландау Л. Д., Лифшиц И. Е. «Квантовая механика», М., «Физматгиз»,1963.

98. Шабанова Л. Н., ХлюсталовА. Н. // Опт. и спектр., 1984, 56, вып. 2,с.205.

99. Takakura Т., Iga К., Тако Т. // Jap. J. Of Applied Physics, 1980, v.19, N.12, p.L725-L727.

100. Гауэр Дж. «Оптические системы связи», М., «Радио и связь», 1989,504с.

101. Будкин Л.А., Зверков М.В., Пененков М.Н. и др. // Тез.докл.Всес.н-т. конф. «Метрологическое обеспечение измерений частотных и спектральных характеристик излучения лазеров», 1990, Харьков.

102. Fang R.Z., Rlieenen A.D., Ziel А. // J.Appl.Phys.,1990,V.68, №8, р.4087.

103. Fruehold R.P., Camparo J.C. // Proc. 39th Ann. Freq. Symp. 1985, p.29.

104. Robertson N.A., Hoggan S., Mangan J.B., Hough J. «Intensity stabilisation of an argon laser using an electro-optic modulator-performance and limitations» // Appl. Phys.,1986, B39, №3, p.149-153.

105. Ярив А. «Квантоваяэлектроника», M., «Сов. радио», 1980,488c.

106. Chen C.Z., Phelps A.V. // Phys. Rev., 1968, V. 173, № 1, p. 62.

107. Будкин Л.А., Величанский В.Л., Зибров А. С., Ляляскин А.А., Пененков М.И., Пихтелев А.И. «Двойной радиооптический резонанс в парах щелочных металлов при лазерном возбуждении» // Квантовая электроника, т. 17, №3,1990, ст.364-370.

108. Стенхольм С. «Основы лазерной спектроскопии», М., «Мир», 1987,312с.

109. К.Одуан, Б.Гино. «Измерение времени. Основы GPS», М., «Техносфера», 2002, 400с.133. Web -сайт www.ntt.com.

110. A.Besedina, O.Berezovskaya, A.Gevorkyan, G.Mileti, V.Zholnerov. "Short and medium term frequency stability of a laser pumped rubidium gas-cell frequency standard for satellite navigation" // Proceedings of the 20th EFTF, 2006, p.261-269.