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

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 частотынаиболее 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 предприятияННИПИ «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 электроникиперестраиваемых 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 исследованийсоздание 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 температурыпассивная 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 дискриминатораполучено хорошее качественное совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей величины параметра качества от интенсивности света накачкипоказано, 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 параметроврассматриваются 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.