автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Методы и средства измерений оптических частот и их применение в эталонах времени, частоты и длины

У/; 9У- / "ьвб^гт/ь/

Государственное предприятие

всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (гп вниифтри)

' ...... . V , ■ • НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

.....

1 ....... ДОМНШЮРИЙСЁРГЕЕВИУ ° Г

Г ' ■степень ДС^

уо^ч

а

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

с

ОНТИЧЁСКИХ ЧАСТОТ Й ИХ ПРИМЁНЕНИЕ В ЭТАЛОНАХ ВРЕМЕНИ, ЧАСТОТЫ И ДЛИНЫ

Специальность: 05.11.15 Метрология и метрологическое

обеспечение

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва. 1999

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ библиотека

Официальные оппоненты: ^ ^ у- Q

" Г (

О 7К То

Доктор технических наук, профессор ^ А.Ф.Коткж

Доктор физико-математических наук, профессор Е.Д.Проценко

Доктор физико-математических наук, ст.н.сотр. В.Г.Пальчиков

Ведущая организация - Физический Институт им. П.Н.Лебедева РАН

" 3 "__1999 г. в ча

Защита диссертации состоится '

на заседании диссертационного совета Д 041.02.01 в ГП "ВНИИФТРИ", 141570, Московская область, Солнечногорский район, пос. Менделеево. Тел.: (095) 535-9385, 535-9301.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГП "ВНИИФТРИ".

о/ и Автореферат разослан "____ ' 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

СОДЕРЖАНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность работы 3

1.2 Цель работы 5

1.3 Состояние вопроса и основные направления

исследований 5

1.4 Новизна полученных результатов 8

1.5 Внедрение результатов 9

1.6 Апробация работы Ю

1.7 Публикации 11

1.8 К защите выносятся следующие положения 11

1.9 Личное участие автора в работах, включенных в

диссертацию 12

1.10 О соотношении докторской и кандидатской диссертаций 12

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1 Основные проблемы в измерениях частот лазеров 13

2.2 Лазерная умножительная цепь для прецизионных частотных измерений 14

2.3 Умножительно-смесительные диоды 19

2.4 Лазерные стандарты частоты 21

2.5 Синхронизация и измерения частот лазеров 33

2.6 Метрологические исследования РОЧМ 40

2.7 Аттестация радиооптического частотного моста 43

2.8 Линейные измерения и единый эталон времени-

частоты-длины 44

2.9 Сличения с помощью перевозимого лазера 46

2.10 Анализ результатов сличений и рекомендации

ССРМ92 49

2.11 О возможности вариаций фундаментальных

констант 52

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЫ 57

59

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1 Актуальность проблемы

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

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

формируют сеть реперных частот, более или менее равномерно заполняющих частотный диапазон вплоть до 10м Гц.

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

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

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

1.2 Цель работы

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

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

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

4. Проведение метрологических исследований средств абсолютных измерений

частот лазеров.

1.3 Состояние вопроса и основные направления исследований

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

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

1. Исследования по освоению частотного диапазона измерений от СВЧ до

оптических частот.

2. Исследования по одновременному измерению частот и длин волн лазеров и

определению скорости света.

3. Повышение точности абсолютных частотных измерений до уровня,

существенно превосходящего уровень интерференционных линейных

измерений.

4. Метрологические исследования правильности и достоверности результатов

абсолютных частотных измерений.

По первым двум направлениям были начаты работы в ЫВв (США) [2], в ЫР1_ (Англия) [3] и ВНИИФТРИ (СССР) [4]. Несколько позже исследования по освоению абсолютных частотных измерений стартовали в Институте Теплофизики СО АН СССР [5], ЫЯС (Канада) [6], затем в Ш1_М (Япония) [7], ЬРТР (Франция) [8] и РТВ (Германия) ¡9].

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

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

Во ВНИИФТРИ с самого начала работа проводилась в направлении полной фазовой синхронизации умножительной лазерной цепи. При этом в первую очередь была решена одна из основных проблем в вопросах повышения точности абсолютных частотных измерений - проблема квадратичного возрастания шумов при умножении опорных частот. Эта проблема налагает практические ограничения на предельные коэффициенты умножения частот опорных сигналов. Опорные сигналы лучших типовых стандартов частоты (5 или 10 МГц) могут быть умножены до частот не более 100 - 300 ГГц. Эффективным способом преодоления этой проблемы явился способ фазовой синхронизации

субмиллиметрового лазера, предложенный в работе автора [12]. На первых этапах была разработана умножительная лазерная цепь с промежуточными лазерными стандартами частоты. В качестве таких промежуточных стандартов рассматривались СОг лазеры, стабилизированные по линии флюоресценции в С02 газе низкого давления, а также по нелинейному поглощению в ОвОА [13,14]. Затем были обнаружены ошибки, присущие методам измерения с помощью анализаторов спектра. Измерения частот биений лазеров с помощью частотомеров не представлялись возможными напрямую из-за недостаточного отношения сигнал/шум в измеряемом сигнале. Для преодоления этого препятствия была разработана система фазовой автоподстройки следящего генератора к измеряемому сигналу и последующее измерение частоты следящего генератора с помощью частотомера.

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

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

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

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

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

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

1.4 Новизна полученных результатов

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

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

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

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

5. Показано несоответствие фактически измеренных частот и длин волн рекомендованным частотам и длинам волн лазеров, используемых в установках для воспроизведения единицы длины.

в. При выработке новых рекомендаций по воспроизведению единицы длины для коррекции обнаруженных расхождений использованы результаты измерений, половина которых была получена либо с помощью перевозимого лазера ВНИИФТРИ , либо с помощью лазерной умножиТельной цепи ВНИИФТРИ.

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

|.5 Внедрение результатов работы

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

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

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

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

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

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

6. На основании десятилетних наблюдений за абсолютным зн�