ОПТИ́ЧЕСКИЕ СТАНДА́РТЫ ЧАСТОТЫ́

ОПТИ́ЧЕСКИЕ СТАНДА́РТЫ ЧАСТОТЫ́, ге­не­ра­то­ры элек­тро­маг­нит­ных ко­ле­ба­ний в оп­тич. диа­па­зо­не длин волн (0,2–10 мкм) с вы­со­кой ста­биль­но­стью и вос­про­из­во­ди­мо­стью час­то­ты. Ос­но­вой О. с. ч. яв­ля­ет­ся ла­зер, ста­би­ли­зи­ро­ван­ный по час­то­те от­но­си­тель­но спек­траль­но уз­ко­го атом­но­го пе­ре­хо­да. От­но­сит. не­ста­биль­ность (от­кло­не­ние час­то­ты во вре­ме­ни, нор­ми­ро­ван­ное на не­су­щую час­то­ту и за­ви­ся­щее от вре­ме­ни на­ко­п­ле­ния сиг­на­ла) и вос­про­из­во­ди­мость час­то­ты (нор­ми­ро­ван­ный раз­брос час­тот иден­тич­но из­го­тов­лен­ных стан­дар­тов) со­вре­мен­ных О. с. ч. ле­жат в диа­па­зо­не 10 –14 –10 –15 за 1 с, на дли­тель­ных ин­тер­ва­лах вре­ме­ни мо­гут до­сти­гать зна­че­ний <10^–17. Ис­точ­ни­ка­ми не­ста­биль­но­сти яв­ля­ют­ся те­п­ло­вые, ме­ха­нич., аку­стич. и кван­то­вые флук­туа­ции. Ста­биль­ность дос­ти­га­ет­ся за счёт вы­со­кой доб­рот­но­сти пе­ре­хо­да $Q=\nu/\delta \nu$, где $\nu$ – час­то­та пе­ре­хо­да, ле­жа­щая в диа­па­зо­не (0,03–1,5)·10¹⁵ Гц, $\delta \nu$  – спек­траль­ная ши­ри­на пе­ре­хо­да. Для О. с. ч. $Q$ до­сти­га­ет 10¹⁵. Не­су­щая час­то­та О. с. ч. бо­лее чем на 3 по­ряд­ка вы­ше не­су­щей час­то­ты мик­ро­вол­но­вых стан­дар­тов (це­зие­во­го эта­ло­на час­то­ты и во­до­род­но­го ге­не­ра­то­ра), что обес­пе­чи­ва­ет бо­лее вы­со­кую ста­биль­ность при близ­ком па­ра­мет­ре $\delta \nu$, а так­же сни­жа­ет ин­тер­вал вре­ме­ни ус­ред­не­ния. Соз­да­ние О. с. ч. на­ча­лось в 1965 с раз­ви­ти­ем ла­зер­ной тех­ни­ки. О. с. ч. ус­лов­но де­лят­ся на груп­пы со ста­би­ли­за­ци­ей по га­зо­вым ячей­кам, по хо­лод­ным ней­траль­ным ато­мам и по хо­лод­ным ио­нам.

Оптические стандарты частоты со стабилизацией по газовым ячейкам

К ним от­но­сят­ся О. с. ч. на ге­лий-не­оно­вом ла­зе­ре (ста­биль­ные на спек­траль­ных ли­ни­ях с дли­на­ми волн 0,543; 0,612; 0,633; 1,153; 3,39 мкм), СO₂-ла­зе­ре (9,6 мкм), на 2-й гар­мо­ни­ке Nd:YAG-ла­зе­ра (0,532 мкм), О. с. ч. на двух­фо­тон­ном пе­ре­хо­де в Rb (0,778 мкм) и др. Крат­ко­временная ста­биль­ность дос­ти­га­ет­ся за счёт уз­кой спек­траль­ной ли­нии ла­зер­но­го из­лу­че­ния, дол­го­вре­мен­ная – за счёт ав­то­ма­тич. под­строй­ки час­то­ты ла­зе­ра к спек­траль­ной ли­нии по­гло­ще­ния мо­ле­кул I₂, CH₄, OsO₄ и др. в спец. га­зо­вой ячей­ке. Вос­про­из­во­ди­мость час­то­ты 10^–12–10^–13, от­но­сит. не­ста­биль­ность 10^–14–10^–15.

Оптические стандарты частоты со стабилизацией по холодным нейтральным атомам

В ос­но­ве этих О. с. ч. ле­жит пе­ре­страи­вае­мый ла­зер (по­лу­про­вод­ни­ко­вый, на кра­си­те­ле, твер­до­тель­ный, во­ло­кон­ный), на­стро­ен­ный на ре­зо­нанс с за­пре­щён­ным пе­ре­хо­дом в атом­ном ан­самб­ле. Ла­зер до­пол­ни­тель­но ста­би­ли­зи­ру­ет­ся по пи­ку про­пус­ка­ния внеш­не­го ульт­ра­ста­биль­но­го ре­зо­на­то­ра Фаб­ри – Пе­ро, ко­то­рый вы­пол­ня­ет­ся из ма­те­риа­ла с ко­эф. те­п­ло­во­го рас­ши­ре­ния < 10^–9 К^–1 и име­ет зер­ка­ла с вы­со­ким ко­эф. от­ра­же­ния. С по­мо­щью об­рат­ной свя­зи спек­траль­ная ши­ри­на из­лу­че­ния ла­зе­ра су­жа­ет­ся до суб­гер­це­во­го зна­чения, что со­от­вет­ст­ву­ет от­но­сит. не­ста­биль­но­сти 10^–15 на ин­тер­ва­лах вре­ме­ни 1–100 с. Дос­ти­га­ет­ся фун­дам. пре­дел не­ста­биль­но­сти, оп­ре­де­ляе­мый те­п­ло­вы­ми шу­ма­ми ре­зо­на­то­ра.

Из­лу­че­ние ла­зе­ра ре­зо­нанс­но воз­бу­ж­да­ет ан­самбль ато­мов при низ­кой темп-ре, ко­то­рая обес­пе­чи­ва­ет­ся крио­ста­том (О. с. ч. на H) или ла­зер­ным ох­ла­ж­де­ни­ем ато­мов. При этом вы­би­ра­ют спек­траль­но уз­кий атом­ный пе­ре­ход, наи­ме­нее под­вер­жен­ный влия­нию штар­ков­ско­го, зее­ма­нов­ско­го и столк­но­ви­тель­но­го сдви­гов (т. н. мет­ро­ло­гич. пе­ре­ход), по ко­то­ро­му ста­би­ли­зи­ру­ет­ся час­то­та ла­зе­ра. Из­вест­ны О. с. ч. на ато­мах Ca (0,657 мкм), Mg (0,457 мкм), Ag (0,661 мкм) и др. Наи­луч­ши­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми об­ла­да­ют О. с. ч. на ла­зер­но-ох­ла­ж­дён­ных ато­мах Sr (0,698 мкм) и Yb (0,578 мкм) в оп­тич. ре­шёт­ках, пред­став­ляю­щих со­бой пуч­но­сти и ми­ни­му­мы стоя­чей оп­тич. вол­ны. Оп­тич. ре­шёт­ка фор­ми­ру­ет­ся на об­ла­ке хо­лод­ных ато­мов ла­зе­ром со спе­ци­аль­но по­до­б­ран­ной дли­ной вол­ны. Ато­мы по­ля­ри­зу­ют­ся в пе­ре­мен­ном элек­тро­маг­нит­ном по­ле и за­тя­ги­ва­ют­ся в ячей­ки ре­шёт­ки. В ре­шёт­ку за­гру­жа­ют 10⁴–10⁶ ато­мов, ох­ла­ж­дён­ных до темп-ры < 100 мкК, что обес­пе­чи­ва­ет без­до­п­ле­ров­ский ре­жим Лэм­ба – Ди­ке и сни­жа­ет меж­атом­ные взаи­мо­дей­ст­вия. Вос­про­из­во­ди­мость час­то­ты О. с. ч. на Sr в оп­тич. ре­шёт­ке до­сти­га­ет 10^–16. Этот стан­дарт ре­ко­мен­до­ван Ме­ж­ду­нар. бю­ро мер и ве­сов в ка­че­ст­ве кан­ди­да­та на пе­ре­оп­ре­де­ле­ние се­кун­ды в СИ.

Осо­бое ме­сто за­ни­ма­ет О. с. ч. на хо­лод­ных ато­мах во­до­ро­да (двух­фо­тон­ный пе­ре­ход 1S–2S, 0,243 мкм, вос­про­из­во­ди­мость час­то­ты 10^–15). По­сколь­ку энер­ге­тич. уров­ни в во­до­ро­де вы­чис­ля­ют­ся с вы­со­кой точ­но­стью ме­то­да­ми кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки, этот О. с. ч. ис­поль­зу­ет­ся для оп­ре­де­ле­ния по­сто­ян­ной Рид­бер­га и со­гла­со­ва­ния фун­дам. фи­зич. кон­стант.

Оптические стандарты частоты со стабилизацией по холодным ионам

Та­кие О. с. ч. пред­став­ля­ют со­бой пе­ре­страи­вае­мый ста­би­ли­зи­ро­ван­ный ла­зер, на­стро­ен­ный на ре­зо­нанс с пе­ре­хо­дом в оди­ноч­ном ох­ла­ж­дён­ном с по­мо­щью ла­зе­ра ио­не, за­хва­чен­ном в ра­дио­час­тот­ную ло­вуш­ку Пау­ля. За­хват осу­ще­ст­в­ля­ет­ся в ми­ни­мум по­тен­циа­ла, соз­да­вае­мый ком­би­на­ци­ей по­сто­ян­но­го и пе­ре­мен­но­го элек­трич. по­лей. Пре­иму­ще­ст­во это­го О. с. ч. – поч­ти пол­ная изо­ля­ция ио­на от ок­ру­же­ния, что обес­пе­чи­ва­ет ста­биль­ность, не­дос­та­ток – низ­кая ста­ти­сти­ка, сни­жаю­щая крат­ко­вре­мен­ную ста­биль­ность. Мет­ро­ло­гич. пе­ре­ход ре­ги­ст­ри­ру­ет­ся ме­то­дом кван­то­вых скач­ков по силь­но­му сиг­на­лу лю­ми­нес­цен­ции на ох­ла­ж­даю­щем пе­ре­хо­де. При воз­бу­ж­де­нии дол­го­жи­ву­ще­го верх­не­го уров­ня мет­ро­ло­гич. пе­ре­хо­да сиг­нал лю­ми­нес­цен­ции про­па­да­ет, что яв­ля­ет­ся ин­ди­ка­то­ром ак­та по­гло­ще­ния. Из­вест­ны О. с. ч. на оди­ноч­ных ио­нах Sr⁺, Ca⁺, Yb⁺, Hg⁺, Al⁺ и др. Наи­луч­ши­ми ха­рак­те­ри­сти­ка­ми сре­ди всех из­вест­ных О. с. ч. об­ла­да­ют стан­дар­ты на ио­нах Hg⁺ (0,282 мкм, от­но­сит. не­ста­биль­ность 10^–17), Al⁺ (0,264 нм, <10^–17), бо­лее чем на по­ря­док пре­вос­хо­дя­щие пер­вич­ный це­зие­вый стан­дарт час­то­ты СИ. В О. с. ч. на Al⁺ ис­поль­зу­ет­ся ме­тод кван­то­вой ло­ги­ки для счи­ты­ва­ния воз­бу­ж­де­ния мет­ро­ло­гич. пе­ре­хо­да на вспо­мо­га­тель­ный ион (Be⁺, Mg⁺). Пер­спек­тив­ным на­прав­ле­ни­ем яв­ля­ет­ся соз­да­ние О. с. ч. на ядер­ных пе­ре­хо­дах ме­ж­ду изо­ме­ра­ми ²²⁹Th (ожи­дае­мая дли­на вол­ны 0,15 нм), од­на­ко этот оп­тич. пе­ре­ход по­ка не за­ре­ги­ст­ри­ро­ван.

Применение

До 2000 О. с. ч. в осн. ис­поль­зо­ва­лись для прак­тич. реа­ли­за­ции мет­ра; ряд О. с. ч. ре­ко­мен­до­ван Ме­ж­ду­нар. к-том мер и ве­сов. В 2001 соз­дан фем­то­се­кунд­ный син­те­за­тор оп­тич. час­тот (Дж. Холл, Т. Хенш). С его по­яв­ле­ни­ем от­кры­лась воз­мож­ность пря­мо­го фа­зо­во-ко­ге­рент­но­го пре­об­ра­зо­ва­ния оп­тич. час­тот в мик­ро­вол­но­вый диа­па­зон без по­терь точ­но­сти и ста­биль­но­сти, что урав­ня­ло оп­тич. и мик­ро­вол­но­вые стан­дар­ты час­то­ты с точ­ки зре­ния воз­мож­но­стей их прак­тич. ис­поль­зо­ва­ния (мет­ро­ло­гия; на­ви­га­ция, вклю­чая спут­ни­ко­вую; пе­ре­да­ча дан­ных; гео­де­зия). О. с. ч. ис­поль­зу­ют­ся так­же для про­вер­ки фун­дам. тео­рий кван­то­вой элек­тро­ди­на­ми­ки, от­но­си­тель­но­сти тео­рии и оп­ре­де­ле­ния фун­дам. фи­зич. кон­стант.