Введение в технику физического эксперимента. Метрическая система мер. Измерение длины, времени и частоты, страница 12

Позднее был найден другой путь передачи единицы частоты в видимый диапазон, минующий 3,39 мкм (рис. 13 б). Частота клистрона измеряется частотомером, калибруемым, как в первом варианте, по цезиевому или рубидиевому стандарту частоты. Восемнадцатая гармоника клистрона смешивается с излучением CH₂F-лазера (215 мкм, 1,4 ТГц). Умножение и смешивание частот происходит на точечном ниобий-ниобиевом диоде. Измерение разностной частоты позволяет точно определить частоту излучения CH₂F-лазера. На втором этапе излучение CH₃OH-лазера (70,5 мкм, 4,25 ТГц) смешивается с суммой третьей гармоники излучения CH₂F₂-лазера и частоты клистрона 30,2 ГГц. Смесителем и умножителем является МОМ-диод. По разностной частоте определяется частота излучения CH₃OH-лазера. На третьем этапе частота излучения CO₂-лазера (9,22 мкм, 32,5 ТГц) смешивается с частотой CH₂F-лазера, восьмой гармоникой частоты излучения CH₃OH-лазера и частотой клистрона 99,7 ГГц (или седьмой гармоникой CH₃OH-лазера и частотой клистрона 39,4 ГГц). Умножение и смешивание частот происходит на МОМ-диоде. По разностной частоте измеряется частота излучения CO₂-лазера. На четвертом этапе частота лазера на F-центрах окраски аддитивно окрашенного монокристалла КС (2,3 мкм, 130 ТГц) смешивается с частотой, полученной суммированием четвертой гармоники CO₂-лазера и частоты клистрона 15 ГГц. Умножителем и смесителем служит МОМ-диод, частоту излучения лазера на F-центрах определяют по частоте биений. На пятом этапе частота излучения He-Ne-лазера (1,15 мкм, 260 ТГц) смешивается с удвоенной частотой лазера на F-центрах. Удвоение частоты происходит на кристалле ниобата лития, смесителем служит фотодиод на арсениде галлия, измеряется частота He‑Ne‑лазера. На последнем этапе удвоенная частота He-Ne-лазера смешивается с частотой лазера на красителях, стабилизированного по поглощению в йоде (0,576 мкм, 520 ТГц). Данный вариант РОЧМ позволяет измерить частоту в видимом диапазоне (520 ТГц) с относительной погрешностью 1×10^-10.

Непосредственное измерение частоты оптических переходов в атоме с помощью эталона времени являлось ещё одним способом определения скорости света, основанном на одновременном определении частоты света f и длины волны света l, связанных соотношением c = f × l. По сравнению с предыдущими методами это улучшило точность измерения скорости света на два порядка. Причём точность измерения ограничивалась точностью криптонового эталона метра (который оказался хуже лазерного). Вследствие асимметрии контура линии криптона эталонный метр имел неопределённость. Это и привело к принятию единого эталона времени – частоты.

Достигнутые в настоящее время значения стабильности и воспроизводимости частот излучения лазеров и мазеров одного порядка, а потенциальные возможности лазеров – выше. Это дало основание автору работ [11, 12] считать, что первичным эталоном единицы частоты со временем станет стабилизированный лазер и передача значения единицы частоты будет осуществляться в обратном направлении – из оптического диапазона в микроволновый.

В связи с созданием лазеров, у которых излучение состоит из периодически повторяющихся очень коротких импульсов фемтосекундной длительности, появилась возможность упростить процедуру сличения частот в оптическом и радиодиапазонах. Период повторения импульсов этого лазера T лежит в радиодиапазоне и связан с оптической длиной L×n резонатора:  , где n – показатель преломления среды в резонаторе, c - скорость света в вакууме. Период может быть синхронизован с известным квантовым стандартом частоты (например, цезиевым). Спектр гармоник такого сигнала простирается на чрезвычайно большое число порядков и создаёт равномерную «гребёнку» калиброванных частот [13].

Список литературы

1. Маликов С. Ф., Тюрин Н. И. Введение в метрологию. М: Издательство комитета стандартов, мер и измерительных приборов при Совете министров СССР, 1964. 248 с.

2. Тюрин Н. И. В поисках точности. М.: Государственное издательство физ.-мат. литературы, 1960. 246 с.

3. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1983. 928 с.

4. Привалов В. Е. Газоразрядные лазеры в измерительных комплексах. Л.: Судостроение, 1989. 264 с.

5. Багаев С. Н., Дычков А. С., Чеботаев В. П. Применение узких оптических резонансов для измерения малых смещений // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 33. С. 85 – 89.

6. Jennings D. Extention of absolute frequency measurement to the visible // NBS Spec. Publ. 1980, № 572. P. 13 – 18; Optics Letters. 1983. P. 136 – 139.

7. Летохов В. С., Чеботаев В. П. Принципы нелинейной лазерной спектроскопии. М.: Наука, 1975. 279 с.

8. Коробов В. К., Ильин В. Г., Пушкин С. Б. Новый государственный эталон времени и частоты и пути реализации его точности // Измерит. техника. 1976. № 10. С. 40 – 43.

9. Домнин Ю. С, Кошляевский Н. Б., Татаренков В. М. и др. Измерение частоты He-Ne/CH₄ лазера // Письма в ЖЭТФ. 1981. Т. 34. С. 175 – 178.

10. Капралов В. П., Малышев Г. М., Павлов П. А. Измерение отношения длин волн лазеров, стабилизированных по насыщенному поглощению в иоде и в метане // Оптика и спектроскопия. 1981. Т. 50. С. 67 – 73.

11. Чеботаев В. П. Единый эталон длины и времени // Квантовая электроника 1982. Т. 9. С. 453 – 470.

12. Чеботаев В. П. ИК и оптические стандарты частоты / Препринт 42 – 79, Институт теплофизики СО АН СССР. Новосибирск, 1979.

13. Багаев С. Н., Захарьяш В. Ф., Клементьев В. М., Пивцов В. С., Чепуров С. В. Стабилизация частоты следования фемтосекундных импульсов Al₂O₃:Ti-лазера // Квантовая электроника. 1997. 24. № 4. С. 327 – 328.