Точные измерения различных величин являются предметом изуче-ния метрологии. Любой процесс измерения сводится к сравнению изме-ряемой величины с образцовыми мерами, лучшая из которых принима-ется за эталон. Долгое время эталоном длины являлся платиново-ири-диевый стержень, составляющий одну сорокамиллионную часть зем-ного меридиана, проходящего через Париж. Однако развитие техники
и все более возрастающая точность проводимых измерений привели к необходимости изменения эталона единицы длины. В настоящее время в качестве эталона длины принята длина волны оптической спектраль-ной линии 2p10 – 5d5 атомов изотопа криптона Kr86 (λ = 605,7802105 нм). Международный метр содержит 1650763,73λ этого перехода с точно-стью воспроизведения, равной 3·10‒9.
Эталоном времени на первых этапах развития метрологии являлось суточное вращение Земли, определяемое с помощью астрономических наблюдений. Создание маятниковых, а затем кварцевых часов со време-нем показало, что суточное вращение – весьма несовершенный эталон времени. В середине XX в. точность современных часов превзошла точ-ность любых астрономических наблюдений времени и была необходи-ма разработка более современного эталона времени. Учитывая то, что период колебательного процесса и частота колебания связаны жесткой зависимостью T ν = l, создание эталона времени аналогично созданию эталона частоты и наоборот. В макросистемах, включая и кварцевые часы, существенную роль в долговременной стабильности частоты ко-лебаний играет эффект старения, приводящий в результате накопления незаметных необратимых превращений к изменениям величины перио-да колебания и частоты, влияющим на точность эталона. Эффект старе-ния отсутствует в микросистемах, где преобразование энергии проис-ходит на энергетических уровнях, определяемых внутренней энергией атома или молекулы данного вещества. При этом любые изменения по-ложения частиц приводят к резкому изменению свойств микросисте-мы и сразу же фиксируются. Возникновение этих изменений возможно при достаточно сильных внешних возмущениях, и поэтому при соот-ветствующей изоляции микросистемы от внешних источников любо-го вида энергии оно позволяет создать стабильные эталоны частоты и времени. В настоящее время в качестве международного эталона физи-ческого измерения времени признан цезиевый атомно-лучевой пассив-ный стандарт частоты, основанный на переходе между уровнями ато-ма цезия Cs133 в отсутствие внешних полей с частотой 9192631770 Гц (λ ≈ 3,3 см), с точностью воспроизведения (1–2)·10‒13. Другим стандар-том частоты является водородный мазер (λ ≈ 21,2 см) с номинальным зна-чением частоты 1420405751,786 Гц с воспроизводимостью (1–2)·10‒12, сохраняющейся значительное время (дрейф за год не превышает 10‒13, а за сутки – менее 10‒14).
В основе всех названных эталонов длины и времени (частоты) ле-жит закон сохранения энергии, который связывает энергию фотона с изменением внутренней энергии атома h ν = WB – WH. Очевидно, что при постоянной величине h (постоянная Планка) стабильность и точность определения частоты ν зависят только от энергетического спектра атома или молекулы, который характерен для заданных условий существова-
ния этих атомов и молекул. Повышение точности требует устранения как влияния внешних полей, так и уменьшения внутренних взаимодей-ствий в излучающем веществе. Поэтому в квантовых эталонах длины и частоты используют разреженные газы с охлаждением до определенной температуры, поддерживаемой термостатом. В результате этого удает-ся снизить уширение уровней, между которыми происходят квантовые переходы, и тем самым повысить точность измерения частоты.
Однако даже при идеальной изоляции атомов и молекул ширина спектральной линии излучения не может быть бесконечно узкой в силу наличия соотношения неопределенностей между энергией и време-нем ∆ W ∆ t ≥ h, согласно которому энергия W не может быть определена сколь угодно точно при конечном времени измерения ∆ t. Отсюда следу-ет, что ∆ν = 1/∆ t, и погрешность измерения частоты отсутствует только при бесконечно длительном измерении.
Существенным является то, что в большинстве случаев необходи-мо получение высокой относительной стабильности частоты, опреде-ляемой значением ∆ν/ν. Его проще достичь на высоких номинальных частотах (видимый, ультрафиолетовый или рентгеновский диапазоны излучения электромагнитных колебаний) при достаточных длительно-стях наблюдений. Поэтому задача создания эталона времени (частоты), учитывая наличие соотношения λν = с (где с – скорость света), является
и задачей создания эталона длины и может быть реализована путем ис-пользования источника когерентного излучения с узкой спектральной линией, частота которого стабилизируется относительно пика узкой ре-перной линии. Таким источником может быть газовый лазер со стаби-лизацией частоты излучения.
В частотно-стабилизированном лазере, типовая схема которого приведена на рис. 4.14, основными элементами являются:
частотный дискриминатор, который преобразует отклонение часто-ты лазера в изменяющийся во времени сигнал ошибки;
система обратной связи, выделяющая и усиливающая этот сигнал; управляющий элемент, подстраивающий частоту лазера в направ-
лении уменьшения сигнала ошибки.
В основе действия управляющего элемента лежит изменение дли-ны резонатора с помощью пьезоэлектрического эффекта, магнито-стрикции, электромагнитного или электромеханического привода. В качестве оптического дискриминатора используются ячейки на основе
1 4 2
5
Рис. 4.14. Обобщенная схема стабилизации частоты лазера:
1 –управляющий элемент; 2 –оптический дискриминатор; 3 –фотоприемник; 4 –газовый лазер; 5 – система обратной связи
атомных или молекулярных нелинейных резонансов, среди которых на-сыщение поглощения или насыщение флуоресценции возбужденных частиц, двухфотонное поглощение в поле стоячей световой волны, ме-тод атомного пучка. Для устранения влияния на работу лазера его же излучения применяют оптические развязки, реализуемые с помощью пространственного разделения пучков или на основе невзаимных эле-ментов на различных физических эффектах. На рис. 4.15 представлены наиболее типичные схемы стабилизации частоты лазеров с использо-ванием узких нелинейных резонансов для получения реперных линий. Одна из возможных схем стабилизированного лазера может иметь вид, показанный ни рис. 4.15, б.
Газовые лазеры со стабилизацией частоты, построенные по выше-приведенным схемам, могут работать с различными активными смеся-ми. Наиболее распространенным является гелий-неоновый лазер, рабо-тающий на λ = 0,63 мкм, с йодной ячейкой. При стабильности частоты 2·10‒12 при времени усреднения около 10 с зафиксированная воспроиз-водимость частоты составила 5·10‒11.
Более высокие показатели стабильности можно получить на гелий-неоновом лазере с генерацией в области 3,39 мкм с использованием ме-тановой поглощающей ячейки. В этом случае девиация частоты ∆ν/ν составляет 5·10‒15 при измерениях в течение двух часов с усреднением около 100 с, а воспроизводимость – 3,5·10‒14. Близкие по стабильно-сти и воспроизводимости результаты получены на аргоновом лазере с
λ = 514,5 нм с поглощающей йодной ячейкой.
| f ск | f ск | |||||
| 2f ск | ||||||
| f ск | f ск | f ск | ||||
| t | t | t | ||||
| a | ||||||
| Элемент | Зр. Активный эл. | Дискримин. | Зр. | |||
| управления | Выходное | |||||
| излучение | ||||||
| f ск | Звуковой генератор | |||||
| Фотоприемник | ||||||
| f ск | ||||||
| Усилитель | ||||||
| Усилитель | Синхронный | |||||
| постоянного тока | детектор |
б
Рис. 4.15. К определению направления смещения частоты (а), структурная схема эталона частоты (б)
Достаточно обнадеживающие результаты получают при использо-вании непрерывных жидкостных лазеров на красителях с использова-нием нелинейного резонансного поглощения в йодной ячейке. В мень-шей степени (только в длинноволновой области спектра) используются для эталонирования частоты лазера на углекислом газе, имеющие от-носительно невысокую (10‒10–10‒12) стабильность частоты излучения.
Рассмотрим работу оптического дискриминатора. За счет совмест-ного действия усиления активной среды и поглощения среды дискри-минатора в центре линии усиления образуется резкий провал. Частота излучения лазера настраивается на центр этого провала, поэтому незна-чительные изменения (уходы) частоты будут приводить к резкому уве-
личению сигнала с фотоприемника. Для определения направления сме-щения частоты она сканируется относительно ν0 (см. рис. 4.15, а). По вертикальной оси t показано сканирующее напряжение, а по горизон-тальной – вид сигнала на выходе приемника. Как видно из рис. 4.15, а,
в случае совпадения частоты излучения лазера с ν0 сигнал с приемни-ка имеет удвоенную частоту по сравнению с частотой сканирования, в других случаях частоты совпадают, но фазы сигнала различны, что и дает возможность определить направление смещения.
Измеренная с помощью стабилизированных по частоте лазеров ско-рость света в вакууме имеет значение 299792456,2 м/с с относительной погрешностью ±3,5·10‒9, что удовлетворяет условиям и значению, ре-комендованному Консультативным комитетом по определению метра.