XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Рассмотрены новые достижения в области синтеза оптических частот и в создании на этой основе нового поколения оптических часов. Применение в системах синтеза фемтосекундных лазеров с синхронизацией мод и волоконных расширителей спектра излучения позволяет синтезировать любые частоты (от радио- до УФ диапазона) и кардинально упрощать структуру оптических часов. Приведены схемы фемтосекундных оптических часов, описаны особенности применения в них оптических волокон с перетяжкой.

Ключевые слова: фемтосекундный лазер, синтез частот, оптические волокна, нелинейная оптика, суперконтинуум.

ВВЕДЕНИЕ

Одним из фундаментальных достижений лазерной физики явилось создание оптических квантовых стандартов частоты, превосходящих по частотным характеристикам квантовые стандарты СВЧ диапазона. Следует отметить важные результаты, полученные при разработке оптических стандартов частоты (ОСЧ) на основе ставших традиционными методов насыщенного поглощениями двухфотонного поглощения без доплеровского уширения. В последнее время впечатляющие результаты достигнуты в создании новых оптических реперов с использованием лазерного охлаждения и пленения частиц. Прежде всего это реперы на основе нейтральных атомов кальция, серебра, стронция и др. в магнитной ловушке. Получили также распространение реперы на основе ионов в радиочастотных квадрупольных ловушках и ловушках Пеннинга. К ним относятся реперы на ионах ртути, индия, иттербия, стронция, бария и кальция. В ловушках обоих типов достигаются температуры на уровне нескольких милликельвинов, что обеспечивает практическое отсутствие доплеровского уширения. Упомянутые выше реперы служат основой для новых стандартов частоты с уникальными частотными характеристиками.

Разработка оптических стандартов с долговременной стабильностью частоты не хуже, чем у СВЧ стандартов, а по кратковременной стабильности существенно их превышающих, сделала возможным решение целого ряда проблем, в том числе проблемы создания стандартов частоты и времени оптических часов (ОЧ), в которых в качестве шкалы времени используется период высокостабильных оптических колебаний. В результате единица шкалы времени секунда определяется непосредственно по числу периодов оптических колебаний.

После создания радиооптического моста и первых ОЧ произошли радикальные изменения. Благодаря успехам, достигнутым в разработке малогабаритных стандартов частоты и новых систем передачи частотных характеристик стандартов в радиодиапазон с помощью фемтосекундных лазеров, появилась возможность создания малогабаритных ОЧ, заменяющих громоздкие и сложнейшие системы. Фемтосекундные оптические часы (ФОЧ) позволяют осуществлять синтез и измерение частот от радио- до УФ диапазона с точностью, определяемой частотными характеристиками оптического стандарта.

В настоящей работе описываются результаты экспериментальных и теоретических исследований по созданию ФОЧ и синтезаторов, проведенных в Институте лазерной физики СО РАН.

ПРИНЦИП ПОСТРОЕНИЕ ОЧ

При построении ОЧ главным наряду с созданием оптического стандарта является передача его частотных характеристик в радио и другие диапазоны без потери точности. Принцип построения ОЧ в простейшем виде показан ниже.

Оптические часы состоят из шести основных блоков: ОСЧ, системы передачи частотных характеристик (СПЧХ) в радиодиапазон, низкочастотного синтезатора частоты (НСЧ) для выработки сигналов на стандартных и опорных частотах, блока быстродействующих фазовых автоподстроек (ФАП) для синхронизации частот лазеров, используемых в СПЧХ, и нелинейных элементов. В первых ОЧ передача частотных характеристик ОСЧ в радиодиапазон достигалась путем деления частоты оптического Hе - Nе/СН4 - стандарта до радиодиапазона через систему более низкочастотных лазеров, связанных между собой с помощью гармоник и синхронизованных по фазе с частотой стандарта. Цепочку устройств, составляющих СПЧХ в оптических часах, можно представить в виде:

Формула синтеза частоты ОЧ для одного звена СПЧХ имеет вид

В качестве быстродействующих нелинейных элементов для преобразования частот лазеров и генерации гармоник высокого порядка применялись точечные диоды типа металл - изолятор - металл и диоды Шоттки. Созданные радио оптические мосты и ОЧ позволили осуществить абсолютные измерения частоты He-Ne/CH4 - лазера с точностью ~ 0.05 кГц. Однако эти устройства не нашли широкого распространения из-за их сложности и ненадежности.

Поиск новых путей синтеза частот привел, как известно, к использованию для этих целей фемтосекундных лазеров, что стало возможным благодаря особенности их спектра генерации - наличию гребенки большого числа эквидистантных мод. Эквидистантность мод задается самим процессом синхронизации мод с точностью не хуже. Первые же результаты исследований по стабилизации межмодовой частоты Не - Ne/Ne-лазера с само-синхронизацией мод по частоте Н-стандарта показали, что частотные характеристики стандарта передаются с высокой степенью точности на весь спектр мод. Дальнейшие исследования были распространены на твердотельные лазеры, в которых оказалось возможным стабилизировать тысячи самосинхронизованных мод с той же высокой точностью. Впервые межмодовая частота Ti: сапфирового лазера применялась для синтеза частот в работе. Нами также проводились работы по созданию ФОЧ. Как и в первых часах, в ФОЧ в качестве ОСЧ использовался Не - Ne СН4-лазер, а для переноса его частотных характеристик в радиодиапазон - Ti: сапфировый лазер с самосинхронизацией мод, обладающий наиболее широкой линией усиления (более 100 ТГц). В этом случае процесс синтеза частот принципиально иной, чем в работах. Частотные характеристики стандарта передаются с помощью фазовой привязки на гигантский интервал частот, содержащий большое число межмодовых эквидистантных интервалов.

УСТРОЙСТВО ФОЧ

На рис. 3 представлена блок-схема ФОЧ, основанная на описанном выше принципе. Оптический стандарт частоты (He-Ne/CH4-лазер) обладает следующими основными характеристиками: долговременной стабильностью ~ 1015 за 100 с, кратковременной стабильностью 3 х 1014 за 1 с, выходной мощностью ~ 1 мВт. Мощность излучения этого лазера недостаточна для реализации фазовой привязки разностной частоты vj — V2 = N&v гребенки мод Ti: сапфирового лазера к частоте ОСЧ. Для увеличения мощности используется дополнительный He-Ne-лазер с мощностью излучения 15 мВт, частота которого привязана по фазе к частоте Не-Не/СН4-стандарта. Параметры применявшеюся в экспериментах фемтосекундного Ti: сапфирового лазера были следующими: выходная мощность ~ 500 мВт, длительность импульса 40 фс, ширина спектра ~ 20 нм (~ 10 ТГц), частота повторения импульсов (межмодовый интервал) 100 МГц.

Особое место в исследованиях заняла проблема получения достаточно широкого спектра мод для синтеза частоты оптического стандарта. Эта проблема была решена с помощью оптического волокна с перетяжкой или дырчатого волокна, что позволило уширить спектр мод на октаву. Оптические волокна с перетяжкой были изготовлены в Университете г. Бат (Великобритания) и Новосибирском государственном университете из стандартного телекоммуникационного волокна Corning SMF-28 с диаметром сердцевины ~ 9 мкм. Длина волны отсечки волокна составляла 1.25 мкм. Уширенный волокном спектр излучения должен охватывать диапазон 1.064 - 0.81 мкм. Ширина спектра, намного превышающая этот диапазон, нежелательна, потому что тогда мощность спектральных компонент уменьшается. Поэтому мы использовали волокно с диаметром перетяжки 2.5 мкм. Дырчатые волокна были изготовлены в Университете г. Бат. В уширенном спектре мощность каждой моды равнялась ~ 10-7 Вт. Практически невозможно использовать такие мощности для суммирования или вычитания частот. Проблема усиления мощности мод с частотами г; и V2 была решена путем фазовой привязки частоты Nd: YAG-лазера (2 = 1.064 мкм, выходная мощность Р ~ 100 мВт) и диодного лазера (2 = 0.81 мкм, Р ~ 10 мВт) к частотам соответствующих мод Ti: сапфирового лазера. Одночастотные перестраиваемые Nd: YAG- и диодный лазеры были созданы в Институте лазерной физики СО РАН. Диапазон перестройки Nd: YAG-лазера с диодной накачкой составлял до 300 ГГц, а диодного лазера - до 150 ГГц (30 нм).

Частоты Nd: YAG- и Не - Ne-лазеров суммировались в нелинейном кристалле AgGaS2- Получена мощность излучения на суммарной частоте ~ 1 мкВт. Сигнал биении между суммарной частотой и частотой диодного лазера подавался на блок ФАП, а сигнал ошибки с этого блока - на пьезокерамику Ti: сапфирового лазера для управления межмодовым интервалом. В результате межмодовый интервал Ti: сапфирового лазера был стабилизирован по частоте Не-№/СН4-стандарта. Таким образом, характеристики частоты Не Ne/CH4-стапдарта передавались из оптической области в радиодиапазон одним каскадом. Следует отметить, что используемая схема является автономной, т. е. не требует подачи опорных частот извне.

Поскольку межмодовая частота находится в радио-диапазоне, она может быть измерена с точностью 104- 1015 относительно другого радиочастотного стандарта (например, Н-мазера). Заметим, что в схеме, описанной выше, стабилизирован только межмодовый интервал фемтосекундного лазера. Когда часы используются для абсолютных измерений частоты, абсолютная частота компонент спектра излучения фемтосекундного лазера должна быть также стабилизирована с помощью фазовой автоподстройки по ОСЧ.

Таким образом, созданы ОЧ нового поколения, т.е. ФОЧ. В отличие от подобных систем предыдущею поколения с многокаскадным делением частоты, которые представляли собой сложные стационарные установки, новая система может быть разработана как транспортируемый вариант.

Система ОЧ исследовалась поэтапно. Принципиально важными были исследования возможности стабилизации всей системы мод (гребенки) по межмодовой частоте. С этой целью была осуществлена фазовая привязка межмодовой частоты (100 МГц) к частоте водородного стандарта. Эксперименты показали, что частотные характеристики Н-стандарта с высокой степенью точности передаются на всю гребенку частот и, следовательно, Ti: сапфировый лазер в этом случае генерирует высокостабильные фемтосекундные импульсы.

На следующем этапе были проведены успешные исследования возможности фазовой привязки частот полупроводниковых лазеров к частотам мод с целью усиления мощности последних. Кроме того, был разработан измерительно-вычислительный комплекс, предназначенный для контроля состояния ФАП и проведения абсолютных частотных измерений, в том числе частоты оптического стандарта.

Значительные усилия были направлены на разработку физических основ уширения спектра мод в оптоволоконных системах, большое внимание уделялось исследованию природы нелинейности волокон, определяющей эффект уширения спектра, и характеристик прошедшего через волокно излучения. Важнейшим является вопрос о том, сохраняется ли стабильность межмодовой частоты после прохождения высокостабильного фемтосекундного импульса через оптоволоконную систему. Другой интересующий нас вопрос: каковы амплитудно-частотные характеристики выходного излучения, или, иначе говоря, каковы закономерности распределения интенсивности спектра между компонентами преобразованного излучения?

Был разработан и создан прецизионный измерительный блок для экспериментальных исследований влияния волокна с перетяжкой на стабильность межмодовой частоты при прохождении через него непрерывной последовательности фемтосекундных импульсов Ti: сапфирового лазера и проведены эти исследования [20]. Методика эксперимента по исследованию стабильности межмодовой частоты состояла в следующем. Проводились тща¬тельные измерения стабильности (относительно Н-стандарта) межмодовой частоты (~ 100 МГц) на входе волокна и затем на его выходе. Установлено, что при времени усреднения 1 с волокно ухудшает стабильность в два раза, а при усреднении в течение 1000 с стабильность практически не ухудшается. Можно предполагать, что процессы преобразования излучения в длинноволновую и коротковолновую области различаются. Для исследования такой возможности спектр выходного излучения делится на две области с помощью фильтров и затем осуществляются измерения.

ОПТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ ДАЮТ НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) представили новый экземпляр одноионных часов квантовой логики. Группы, которые показали самую низкую систематическую частотную неопределенность и самую высокую точность из всех когда-либо показанных часов.

Производительность новых часов все еще падает примерно на порядок ниже, чем у лучших оптических решетчатых часов. Однако исследователи считают, что несравненная точность новых часов открывает возможности для улучшения измерений и испытаний фундаментальной физики.

ПРОБЛЕМЫ С AL+

Часы с одним ионом используют радиочастотные электрические поля для улавливания иона с лазерным охлаждением, а затем исследуют электронные переходы иона с помощью ультратонкого узкополосного лазера. Немецко-американский физик (и будущий нобелевский лауреат) Ганс Дехмельт впервые предположил примерно три с половиной десятилетия назад что такие захваченные осциллирующие ионы могут образовать несравненный стандарт частоты.

Дехмелт также обнулил один ион, Al+, как особенно сильный кандидат для таких ионных часов, в силу очень малой ширины линии в его определенном высокочастотном оптическом переходе и его устойчивости к источникам шума, таким как излучение черного тела. Но Al+ также оказывается трудно охлаждать и исследовать с помощью лазеров, так как оптический переход для обеих функций в ионе лежит в вакууме УФ, что является тяжёлым подъемом для сегодняшней лазерной техники.

ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ЗВЕНО

В 2005 году команда NIST во главе с будущим нобелевским лауреатом и почетным членом OSA Дэвидом Уайнлендом нашла способ преодолеть эти недостатки и получить доступ к системе с захваченными ионами Al + - используя другой ион, Be +, в качестве промежуточного звена.

В схеме, известной как квантовая логическая спектроскопия, Партнерский Ион-называемый логическим Ионом, охлаждается лазером. Затем этот Ион охлаждает близлежащие 27 Al + в радиочастотной ионной ловушке через кулоновские взаимодействия. Те же самые взаимодействия могут быть использованы для захвата внутреннего состояния 27 Al + иона, который может быть считан с логического Иона на доступных лазерных частотах и интерпретирован вероятностно с использованием протоколов квантовой логики.

УПРАВЛЕНИЕ СНИЖЕНИЕМ ТЕМПЛОВОГО И ЛОВУШЕЧНОГО ШУМА

Команда NIST, стоящая за новой работой, в которую входит Вайнленд и которую возглавляет Дэвид Лейбрандт, теперь поставила квантовые логические часы на первое место в гонке точности оптических часов. Исследователи сделали это с помощью новой конструкции ловушки, которая позволила им минимизировать тепловой шум двух захваченных ионов, а также набрать обратно необходимые напряжения и радиочастотные поля, которые добавили микромодуляции, которые могли бы увеличить сигнал от Al + Иона.

Результирующее измерение неопределенности, означает, по словам пресс-релиза NIST, что часы “не выиграют и не потеряют ни одной секунды за 33 миллиарда лет”, что более чем в два раза превышает возраст известной вселенной. Часы также обладают стабильностью (в основном это мера того, сколько времени требуется для измерения часов), которая соответствует лучшим часам с захваченными ионами, о которых сообщалось на сегодняшний день, хотя она примерно в десять раз менее стабильна, чем лучшие часы с оптической решеткой, некоторые из которых также были разработаны в NIST.

ПРОРЫВНЫЕ ЧАСЫ

Однако NIST изо всех сил старается подчеркнуть, что, несмотря на появление конкуренции, все эти типы сверхточных часов имеют свое место, и все они способствуют достижениям в тончайших измерениях гравитации земной поверхности, в навигации и в тестах фундаментальной физики-а также открывают возможный путь для переопределения Си—секунды .

Тем не менее, новые квантовые логические часы NIST явно сдвинули, по крайней мере, психологический ориентир точности для будущих часов. И команда, стоящая за прорывными часами, видит потенциал для повышения своей точности еще дальше, за счет " улучшений в конструкции ловушек, неопределенности в статической дифференциальной поляризуемости и фоновом давлении газа.”

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотрены новые достижения в области синтеза оптических частот и в создании на этой основе нового поколения ОЧ. Применение в системах синтеза фемтосекундных лазеров с синхронизацией мод и расширителей спектра мод в виде волокна с перетяжкой или дырчатого волокна позволяет синтезировать любые частоты (от радио- до УФ диапазона) и кардинально упрощать структуру ФОЧ. В перспективе, как показывают исследования, точность абсолютных измерений частот с помощью ФОЧ может быть доведена до ~10 ~19 и будет определяться степенью стабильности оптического стандарта, используемого в ФОЧ. Важной особенностью ФОЧ является высокая стабильность оптических и межмодовых частот излучения после расширителя спектра. По-видимому, в дальнейшем на основе ФОЧ будут созданы уникальные синтезаторы частоты, позволяющие проводить высокоточные частотные измерения в самых различных диапазонах.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Бакланов Е.В., Покасов П.В. Квантовая электроника, 33, 383 (2003).

Prichard D.E., Raab E.L., Bagnato V., Wieman C.T., Watts R.N. Phys. Rev. Lett., 57, 310 (1986).

Гольдорт В.Г., Захарьяш В.Ф., Клементьев B.M., Никитин М.В., Тимченко Б.А., Чеботаев В.П. Письма в ЖТФ, 8, 157 (1982).

Udem Th., Reichert J., Holzwarth R., Hansch T.W. Opt. Lett., 24, 991 (1999).

Захарьяш В.Ф., Клементьев B.M., Пыльцьш О.И., Чеботаев В.П. Квантовая электроника, 19, 604 (1992).

Багаев С.Н., Захарьяш В.Ф., Клементьев В.М., Пивцов В.С., Чепуров С.В. Квантовая электроника, 24, 327 (1997).

Udem Т., Reihert J., Holzwarth R., Hansch T.W. Phys. Rev. Lett., 82, 3568 (1999).

Bagaev S.N., Chepurov S.V., Klementyev V.M., Kuznetsov S.A., Pivtsov V.S., Pokasov V.V., Zakhariasch V.F. Appl. Phys. B, 70, 375 (2000).

Birks N.A., Wadsworth W.J., Russell P.St.J. Opt. Lett., 25, 1415 (2000).

Дианов E.M., Крюков П.Г. Квантовая электроника, 31, 877 (2001).

Кобцев С.М., Кукарин С.В., Фатеев Н.В. Квантовая электрони¬ка, 32, 11 (2002).

Knight J.C., Birks Т.А., Russell P.St.J., Atkin D.M. Opt. Lett., 21, 1547(1996).

Желтиков A.M. УФН, 170, 1203 (2000).

Багаев C.H., Захарьяш В.Ф., Клементьев B.M., Колкер Д.Б., Кузнецов С.А., Матюгин Ю.А., Пивцов В.С., Скворцов М.Н., Чепуров С.В. Квантовая электроника, 31, 383 (2001).

Багаев С.Н., Денисов В.И., Захарьяш В.Ф., Клементьев В.М., Корель И.И., Кузнецов С.А., Пивцов В.С., Чепуров С.В. Кван¬товая электроника, 33, 883 (2003).

Bagaev S.N., Dmitriev А.К., Pokasov P.V. Laser Phys., 7,989 (1997).

Okhapkin M.V., Skvortsov M.N., Belkin A.M., Kvashnin N.L., Bagayev S.N. Opt. Commun., 203, 359 (2002).

Ma L.-Sh., Bi Z., Bartels A., Robertson L., Zucco M., Windeler R.S., Wilpers G., Oates Ch., HollbergL., Diddams S.A. Science, 303, 1843 (2004).

https://www.osa-opn.org/home/news/

Код для цитирования: Скопировать