Цезиевый атомно-лучевой квантовый стандарт частоты

 

Предпосылками для создания мазеров послужили работы по радоспектроскопии. В 1940 гг. началось быстрое развитие исследований по резонансному поглощению электромагнитных волн радиодиапазона молекулами и атомами, распространяющимися виде пучка в вакуумной камере (I. Rabi 1937). В 1944 г. Е.К. Завойский открыл электронный парамагнитный резонанс – резонансное поглощение электромагнитных волн радиодиапазона (10⁹ – 10¹² Гц) парамагнетиками. 

Для исследования спектров поглощения вещества в радиодиапазоне используют радиоспектрометр. Он содержит перестраиваемый по частоте генератор радиоволн СВЧ диапазона (обычно это клистрон), систему волноводов и резонаторов и устройство, регистрирующее интенсивность радиоизлучения. Исследуемое вещество помещают в резонатор или пропускают в виде атомного пучка через резонатор и измеряют спектр его поглощения в радиодиапазоне.

 Радиоспектроскопические исследования показали, что атомные пучки некоторых химических элементов и молекул обладают чрезвычайно узкими стабильными и воспроизводимыми спектральными линиями поглощения, которые можно использовать в качестве эталонов частоты или использовать в качестве реперных линий в спектральном анализе.

       В 1964 г. Международный комитет по вопросам мер и весов принял в качестве эталона частоты переход между линиями сверхтонкой структуры (F = 4, m_f = 0 и F = 3, m_f = 0) основного состояния (²S_1/2) атомов ¹³³Cs. Эта частотаравна 9192631770 Гц. Она может быть измерена непосредственно с помощью электронно-счетного частотомера и использована для калибровки вторичных эталонов времени – кварцевых часов.

 Соответствующая шкала времени названа атомной, а единица времени в ней - секунда принята равной 9192631770 периодов резонансного колебания специально выбранного квантового перехода в цезии 133. Таким образом, квантовый стандарт частоты на цезиевой атомно-лучевой трубке признан первичным эталоном, по отношению к которому стандарты других типов являются вторичными. Относительная долговременная нестабильность частоты цезиевого стандарта частоты составляет порядка 10^-11 и поэтому приведенное выше значение секунды в периодах колебаний атомов цезия (десять знаков) является точным.

 Монохроматическая спектральная линия поглощения атомов цезия используется как репер для автоподстройки частоты вспомогательного кварцевого генератора. В качестве такого репера используется поглощающая ячейка, содержащая разреженный газ – пары атомов цезия.

 

                      СВЧ–резонатор                            Детектор

	Кварцевый генератор		Интегратор

Пучок атомов ¹³³Cs

 

 

               1                              1   

Умножитель частоты и модулятор

Печь                                    СВЧ–излучение

 

                                                                               Электромагнитные колебания

                                                                                эталонной частоты

 

 

Рис. 1. Упрощенная схема устройства атомно-лучевого стандарта частоты на цезии -133. 1 – отклоняющие магниты. На рисунке не указана вакуумная камера, в которой распространяется пучок атомов цезия и расположены отклоняющие магниты и СВЧ резонатор.

 

Атомы цезия нагревают в печи и медленно испаряют. Испаренные атомы проходят через коллимирующие отверстия и вылетают в вакуум в виде мало расходящегося пучка. Сортирующий магнит отклоняет каждый атом в пучке. Степень отклонения зависит от энергетического состояния атома, каждое из которых характеризуется определенным магнитным моментом. Конструкция устройства обеспечивает выделение атомов в состоянии с F = 4, m_f = 0. Эти атомы попадают в микроволновый объемный резонатор, где подвергаются воздействию СВЧ-излучения с частотой 9 192 631 770 Гц. Эта резонансная частота переводит часть атомов в состояние с F = 3, m_f = 0. Затем пучок атомов проходит второй сортирующий магнит, идентичный первому. Он направляет атомы, поглотившие квант микроволнового излучения, на детектор. Невозбужденные атомы на детектор не попадают. В детекторе атомы попадают на раскаленную проволочку ионизатора. Ионизированные атомы цезия затем фильтруются масс-спектрографом и преобразуются в ток детектора.

Таким образом, выходной сигнал детектора несет информацию о совпадении частоты микроволнового излучения кварцевого генератора с резонансной частотой поглощения атомов цезия. Этот сигнал усиливается и подается через цепь обратной связи на кварцевый генератор, частота электромагнитных колебаний которого управляется этим напряжением. СВЧ излучение по волноводу подается на вход поглощающей ячейки. Таким образом, частота кварцевого генератора автоматически непрерывно настраивается на максимум поглощения атомов цезия. Работа устройства вполне аналогича системе автоматической настройки радиоприемника на частоту выбранной радиостанции.  

На выходе детектора амплитуда сигнала зависит от частотной расстройки между частотой атомного перехода и кварцевого генератора. С помощью схемы электронной обратной связи частота кварцевого генератора настраивается на максимум спектральной линии поглощения атомного перехода. Таким образом, частота колебаний выходного электрического напряжения кварцевого генератора может быть точно привязана к линии поглощения эталонного вещества - цезия -133.

        До введения этого эталона секунда определялась по астрономическим измерениям скорости вращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца (секунда равнялась 1/86400 средних солнечных суток). Если перекрестье телескопа навести на звезду, находящуюся вблизи плоскости эклиптики, то вследствие вращения Земли она будет непрерывно смещаться со скоростью 15 градусов в час. За секунду смещение составит 0,25 угловой минуты. Чтобы звезда все время оставалась в перекрестье телескопа, ось телескопа необходимо непрерывно поворачивать с помощью регулируемого часового механизма. Критерием регулировки служит положение звезды относительно перекрестья телескопа. Таким образом, ход часового механизма, поворачивающего телескоп, можно точно привязать к скорости вращения Земли и тем самым прокалибровать часовой механизм в секундах.

После создания точных приборов измерения времени были обнаружены колебания скорости вращения Земли вокруг своей оси и продолжительности средних солнечных суток, геофизические причины которых точно не установлены. Возникающая по этой причине относительная неопределенность астрономического определения секунды составляет 10^-7. Таким образом, астрономические измерения времени уже не соответствуют требованиям современной науки и техники.

Мазеры

Первыми устройствами, генерирующими излучение по лазерному принципу (за счет вынужденного излучения в резонаторе), были мазеры. Мазеры на аммиаке (NH₃), генерировали излучение с длиной волны 1,24 см. Первые мазеры были созданы независимо двумя группами ученых в СССР и США в 1954 г. Название МАЗЕР (сокращение английского выражения Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Первоначально в СССР мазеры называли молекулярными генераторами. Приоритет в создании мазеров признан за Ч. Таунсом (СЩА), Н. Г. Басовым и А.М. Прохоровым (СССР) [1,2]. За работы по созданию мазеров эти ученые в 1964 г. получили Нобелевскую премию по физике, когда стало ясно, что лазеры создают революционный переворот в науке и технике.

Мазеры - генераторы излучения на пучках молекул или атомов излучают высокостабильные электромагнитные колебания СВЧ или инфракрасного диапазонов спектра. Высокая стабильность частоты мазера обусловлена тем, что она определяется квантовыми переходами между уровнями сверхтонкой структуры спектральных линий. Переходы между энергетическими уровнями некоторых атомов и молекул происходят на практически монохроматических частотах радиодиапазона. Значения этих частот стабильны и на них не оказывают существенного влияния внешние возмущающие факторы (температура, давление, внешние электрические и магнитные поля). В мазерах в качестве активной среды используются - пучки молекул аммиака, водорода и ряда других веществ.

 

 

а б

 

Рис.2а. Механическая модель молекулы аммиака. б. Зависимость потенциальной энергии молекулы аммиака от расстояния атома азота до плоскости атомов водорода. Нижний энергетический уровень расщеплен. Переходы между линиями сверхтонкой структуры этих подуровней используется в мазере. Потенциальный барьер внутри кривой потенциальной энергии на рис.2б связан с существованием двух зеркально симметричных форм молекулы NH₃.(см. рис.2а).

Рис. 3. Сверхтонкая структура спектральной линии аммиака J = 3, K = 3 связанная с наличием квадрупольных и магнитных моментов ядра ¹⁴N.

 

 

Рис. 4 а) Квадрупольный конденсатор. В поперечном сечении внутри конденсатора электрическое поле имеет вид: . Параметры отклоняющей системы мазера на аммиаке: r₀ = 3 мм, l₂ = 100 мм, E = 150 кВ/см. б) Траектория молекулы аммиака, находящейся в возбужденном состоянии, в поле сортирующего конденсатора 2, 1 – источник пучка, 3 – резонатор. Элементы устройства, показанные на рисунке, находятся в вакуумной камере, откачанной до давления 10^-5.. 10^-6 мм рт. ст.

 

 Спектральные линии сверхтонкой структуры основного состояния аммиака чрезвычайно узкие, это связано с тем, что возбужденное состояние молекулы, находящейся на энергетических уровнях этой структуры, оказывается долгоживущим (порядка секунды). Поэтому в течение процесса пространственной сортировке молекул заметной спонтанной дезактивации возбужденного состояния молекул аммиака не происходит.

 Сортирующий конденсатор фокусирует молекулы, находящиеся в возбужденном состоянии, на отверстие в резонаторе. Молекулы, находящиеся в основном состоянии отклоняются от оси системы и не попадают в резонатор. Таким образом, молекулы, попадающие в резонатор, образуют среду с инверсно заселенным энергетическим уровнем.

При достижении некоторой концентрации молекул в резонаторе, когда усиление электромагнитной волны сравнивается с потерями резонатора, достигается порог генерации. При этом наступает самовозбуждение мазера и мощность излучения резко возрастает по сравнению с уровнем излучения, обусловленным спонтанными распадами возбужденных молекул в резонаторе. Одновременно наблюдается сильное сужение спектральной линии излучения молекул аммиака.

 Источник молекул способен создавать пучки, содержащие до 10¹⁸ молекул в секунду. Этого числа молекул достаточно для самовозбуждения генератора. При этом мощность молекулярного генератора может достигать 10^-9 Вт. Мазер на аммиаке может генерировать на ряде линий сверхтонкой структуры в области длин волн 1,24 …1,25 см за счет перестройки резонансной частоты резонатора.

     Последующие исследования показали, что мазер на водороде обладает несколько лучшими, по сравнению с мазером на аммиаке, характеристиками для использования в качестве стандарта частоты.

В качестве рабочего перехода в водородном мазере используют переход между состояниями F = 1, m_f = 0 и F = 0, m_f = 0 в сверхтонкой структуре основного состояния атомов водорода. В сильных магнитных полях характер смещения этих уровней аналогичен поведению инверсионных уровней аммиака в электрическом поле. Это позволяет осуществлять пространственную сортировку атомов водорода в неоднородных магнитных полях, создаваемых с помощью многополюсных аксиальных магнитов.

 

                 Сортирующее магнитное

                                     поле

                                                                                               накопительная 

Источник Н                                                                  колба с

                                                                                                   тефлоновым                                              

                                                                                              покрытием                                                                                                                                

  

                                                                                              Выходной радио-сигнал

                                                                                                            

            

                                                                                             резонатор

                                 магнитный

                                   экран

 

Рис.6. Упрощенная схема водородного мазера. Элементы устройства, показанные на рисунке, находятся в вакуумной камере.

 

Атомы водорода впускают в вакуумную камеру через отверстие. Для получения атомного пучка молекулы водорода разлагают на атомы с помощью электрического разряда. Для устранения примесей на выходе источника ставят мембрану из палладия. Как известно водород легко проникает через такую перегородку, а атомы других элементов не проходят. Пучок атомарного водорода затем пропускают через неоднородное магнитное поле. Возбужденные и невозбужденные атомы водорода по-разному отклоняются этим полем. Таким образом, из пучка выделяют только молекулы, находящиеся в возбужденном состоянии, которые направляют в кварцевую накопительную колбу.

 Стенки колбы имеют тефлоновое покрытие, чтобы свести к минимуму дезактивирующее взаимодействие атомов со стенками колбы. Такое покрытие допускает более 10⁵ столкновений атомов водорода со стенками сосуда без изменения его энергетического состояния. Атомы водорода, влетающие в резонатор в виде направленного пучка, рассеиваются на стенках колбы и начинают двигаться во всех направлениях. Однако это не приводит к вредному расширению спектральной линии за счет эффекта Доплера, так как линейные размеры накопительной ячейки меньше длины волны мазера.

 Кварцевая колба удерживает атомы в микроволновом резонаторе, настроенном на частоту используемого атомного перехода. За счет вынужденных переходов молекулы водорода в резонаторе возбуждают электромагнитные колебания резонатора. При достаточной концентрации возбужденных атомов, попадающих в резонатор, наступает самовозбуждение и возникает генерация незатухающих электромагнитных колебаний. Практически с помощью регулирующего устройства, изменяющего его объем, резонатор настраивают на максимум генерируемой мощности. Часть электромагнитной энергии выводится из резонатора с помощью волновода. Номинальная частота водородного генератора равна 1 420 405 751,786 ± 0,0046 Гц. Водородный генератор обеспечивает воспроизводимость частоты с относительной погрешностью 10^-13.

На основе мазеров были созданы квантовые стандарты частоты и генераторы секундных временных интервалов, стабильность частоты которых на два - три порядка выше, чем у кварцевых генераторов и несколько превосходит характеристики пассивного цезиевого стандарта частоты. Так, нестабильность водородного стандарта частоты в течение суток не превышает ±7×10^-14.

 

Создание лазера

 

После большого первоначального успеха – создания мазера на аммиаке самой актуальной проблемой в оптике стало создание лазера – прибора, генерирующего излучение за счет вынужденных переходов в видимом или хотя бы в ближнем ИК диапазоне. Эта проблема интенсивно обсуждалась учеными, в особенности теми из них, кто внес решающий вклад в создание мазеров. Наиболее перспективным направлением считался поиск соответствующей газовой среды. А. Шавлов (Arthur Shawlow) и Ч. Таунс (Charles Townes), которые опубликовали первые детальные предложения по созданию лазера [*], не рассматривали рубин в качестве перспективного лазерного материала. Они полагал, что рубин не способен эффективно генерировать непрерывное излучение. Это справедливое мнение было общепринятым.

 К 1960 г.В. Беннет (William Bennett) А. Джаван (Ali Javan), работающие в мощной исследовательской лаборатории фирмы Bell Laboratories обнаружили и измерили усиление ИК света в смеси гелия и неона, возбуждаемой электрическим разрядом.

Теодор Майман (Theodore Maiman), работал инженером в лаборатории фирмы Хьюджес (Hughes Research Laboratories), обладающей гораздо меньшими возможностями по сравнению с фирмой Bell, выиграл гонку по созданию лазера. Это произошло благодаря тому, что Майман не поддался авторитетным, но оказавшимися не совсем корректными, мнениям выдающихся ученых. В качестве активной среды он выбрал рубин, надеясь получить лазерное излучение не в непрерывном, а в импульсном режиме. При этом он получил существенные преимущества по сравнению с Беннетом и Джаваном.

Для создания резонатора лазера на рубине не были необходимы высококачественные многослойные диэлектрические зеркала, можно было обойтись дешевыми серебряными, нанесенными непосредственно на кристалл. Излучение рубина и его спектр, находятся в видимом диапазоне. Его можно наблюдать глазом и регистрировать на обычной фотопластинке, не используя электронно-оптических преобразователей, необходимых в ИК диапазоне.

Поскольку Майман был первым, он твердо не знал, по каким признакам можно судить о получении лазерной генерации. Кристалл рубина, который он использовал в первом опыте, не отличался высоким качеством. К тому же, как потом выяснилось, торцы лазерного стержня были не совсем параллельными, поэтому и резонатор, образованный зеркалами, нанесенными на торцы кристалла, не отличался высоким совершенством.

 

Рис. 7. Схема первого лазера Маймана. Спиральная импульсная лампа подключалась к конденсатору, который заряжался до определенного напряжения. Для запуска импульсной лампы и получения мощной световой вспышки накачки на лампу подавался высоковольтный поджигающий электрический импульс.

 

Майман со своим помощником (Irnee D`Haenence) наблюдали на экране (листе бумаги) люминесценцию рубина, возбуждаемую импульсной лампой. Одновременно с помощью ФЭУ и осциллографа они регистрировали изменение мощности люминесценции во времени. При сравнительно малых уровнях рабочего напряжения на конденсаторе (500… 900 В) мощность люминесценции была пропорциональна электрической энергии импульсного разряда лампы, а время затухания люминесценции равнялось 3 мсек. Наконец, когда напряжение на конденсаторе было повышено до 950 В, во время вспышки на экране на фоне широкого люминесцентного фона исследователи увидели яркое пятно неправильной формы – луч лазера.

 Несимметричная форма сечения луча лазера была следствием низкого качества кристалла и резонатора. При этом на экране осциллографа на фоне трека люминесценции наблюдался импульс с длительностью существенно меньшей 3 мсек. Это было то, что надо! Лазер родился! Это произошло 16 мая 1960 г.

На другой день, заведующий лабораторией (Lyons), гордый достижением своих сотрудников, рекомендовал сразу же послать сообщение в печать. Однако Майман хотел получить более убедительные и детальные доказательства. Он немедленно заказал три новых кристалла рубина, для получения которых потребовалось несколько недель. Для исследования спектра излучения лазера в соседней лаборатории был одолжен высокоразрешающий спектрограф. Последующие эксперименты подтвердили первоначальный результат. После преодоления порога генерации ширина спектра излучения резко уменьшалась, спектральная плотность излучения лазера многократно увеличивалась по сравнению с люминесценцией, а интенсивность R₁ –линии рубина становится во много раз больше, чем интенсивность R₂ – линии рубина. Это окончательно убедило Маймана, что он действительно наблюдает лазерную генерацию [3,4].

 Несколько месяцев спустя Джаваном и Беннетом [5] был запущен первый гелий-неоновый лазер, работающий в непрерывном режиме в ИК-диапазоне.

Через несколько лет после создания рубинового лазера сотрудник того же исследовательского центра, где работал Майман, Роберт Хеллвартс предложил метод модуляции добротности резонатора лазера, который позволяет в тысячу раз повысить импульсную мощность излучения при соответствующем сокращении длительности импульса. В указанном режиме рубиновый лазер способен излучать световую мощность порядка пятидесяти МегаВатт (энергия импульса ~ 1 Дж, длительность ~ 20 наносекунд).

Создание лазера на рубине привело к революции в физике лазеров. Более того, физика лазеров фактически только и начала интенсивно развиваться после создания рубинового лазера. Лазер на кристаллической активной среде излучает световую мощность примерно на 10 порядков более высокую, чем разреженные газовые среды, используемые в мазерах и газовых лазерах.

Создание лазера на твердом теле сразу же открыло принципиально новые возможности для применений. Главной областью использования лазеров стали военные применения: светолокация и наведение управляемых снарядов, ракет и бомб на цель. Огромная, по сравнению с тепловыми источниками света, спектральная плотность мощности импульсного лазера позволяет зарегистрировать сигнал, отраженный целью, расположенной на расстоянии в десятки километров, даже в яркий солнечный день. На лазерные исследования стали выделять огромные финансовые средства, соизмеримые с суммами, потраченными на разработку ядерного оружия. Под влиянием научно-фантастических романов генералам уже грезились лазеры, генерирующие «лучи смерти», которые можно будет использовать для уничтожения ракет, танков, самолетов…

После открытия Маймана в течение нескольких лет количество активных сред, на которых было получено лазерное излучение, стало лавинообразно нарастать, достигнув многих тысяч. Эффективно работающих активных сред, пригодных для практического использования, однако, до сих пор не так много, всего около десятка.

         

Принцип работы лазера

 

     Проще всего устройство и принцип работы лазера можно понять на основе простейшей модели такого устройства, показанной на рис. 8.

 

Рис.8. Схема, поясняющая работу лазера.

 

Обычно лазер содержит три основных элемента:

- активную, усиливающую свет среду;

- резонатор, образующий положительную обратную связь для излучения и повышающий плотность излучения, взаимодействующего с активной средой. В простейшем случае резонатор образуют два параллельных зеркала с коэффициентами отражения R₁ и R₂;

- систему накачки, с помощью которой возбуждают активную среду, до уровня, при котором в ней возникает усиление света.

 На рис. 8 указана оптическая накачка активной среды от внешнего источника света, например, импульсной лампы-вспышки. В газовых лазерах используют другой принцип накачки – столкновения атомов в плазме электрического разряда. В полупроводниковых лазерах накачку осуществляют путем инжекции носителей тока - пропускания электрического тока в прямом направлении через p-n – переход.

Затравочное излучение, всегда присутствующее в активной среде в виде ее люминесценции, распространяется, в частности, и вдоль оптической оси резонатора. Это излучение многократно усиливается активной средой, так как оно непрерывно циркулирует внутри резонатора вдоль его оптической оси, отражаясь от его зеркал. Одно из зеркал, R₁ обычно полностью отражает излучение, а другое R₂ – частично пропускает свет.

     Излучение, идущее под углами к оптической оси резонатора, выходит из активной среды без заметного усиления. Поэтому лазер рассмотренной конструкции генерирует мало расходящийся световой луч, распространяющийся вдоль оптической оси резонатора и выходящий через частично пропускающее зеркало. 

     Лазер, показанный на рис.8, преобразует широкополосное ненаправленное тепловое излучение лампы накачки в почти монохроматический мало расходящийся пучок света. Принципиальная особенность лазера заключается в том, что генерация света возникает на одной из резонансных частот резонатора. Поэтому лазер, работающий в непрерывном режиме, может генерировать чрезвычайно узкополосное, практически монохроматическое излучение. Таким образом, спектральная яркость света в луче лазера, которая обратно пропорциональна ширине спектра (а Δν ≈ 0), оказывается чрезвычайно высокой. В идеальном лазере, генерирующем монохроматическое излучение, спектральная яркость излучения бесконечно велика. И практически спектральная яркость луча даже маломощного, например, гелий-неонового лазера в миллионы раз больше, чем у любых тел, испускающих тепловое излучение (включая Солнце).

     Следует отметить, что с развитием физики лазеров выяснилось, что возможно создание лазерных устройств, в которых некоторые основные элементы лазера, перечисленные выше, отсутствуют. Так, в случае среды, обладающей высоким усилением, генерация может возникать и при отсутствии лазерного резонатора, в виде сверхизлучения.

     В лазерах на свободных электронах отсутствует сама активная среда. Свет возникает при торможении пучка электронов, распространяющихся под углом к вектору напряженности магнитного поля. В этом случае активной средой является не вещество, а поток свободных электронов в вакууме.

В многоуровневых средах лазерная генерация по-видимому может происходить и при отсутствии инверсной населенности уровней и усиления, за счет интерференции квантовых состояний многоуровневой активной среды.

В наиболее распространенных, полупроводниковых лазерах резонатор образует полосковый волновод, в плоскости которого находится усиливающий слой, с зеркально отражающими, торцами. Поперечные размеры полоскового волновода составляют доли микрометра, поэтому выходящий из него световой пучок сильно расходящийся. Накачку осуществляют путем пропускания тока в прямом направлении через p - n – переход лазерного диода. С помощь простой линзы излучение полупроводникового лазера можно преобразовать в узконаправленный луч, если лазер поместить в фокусе линзы.