Оптическое гетеродинирование

Сигнал фотоприемника представляет собой колебания фототока, который пропорционален интенсивности падающего на него излучения, т.е. фототок пропорционален квадрату напряженности электрического поля световой волны. Таким образом, фотоприемник осуществляет нелинейное по полю преобразование оптического излучения в электрический сигнал. Это означает, что при попадании на фотоприемник излучения с несколькими монохроматическими частотами его сигнал, будет содержать гармоники этих частот, а также разностные и суммарные частоты исходных колебаний.

Пусть на фотоприемник падают две плоские монохроматические волны с разными частотами, одна из которых эталонная. Тогда выходной ток фотоприемника окажется промодулированным, в частности, и с частотой, равной разности исходных частот. Если эта разностная частота находится в радиодиапазоне, то ее можно с высокой точностью измерить с помощью электронного частотомера. Такой экспериментальный прием, аналогичный гетеродинированию, используемому в радиотехнике, назвали оптическим гетеродинированием.

Оптическое гетеродинирование оказалось исключительно эффективным методом измерения частот лазерного излучения. Используя сравнительно инерционные устройства можно сравнивать частоты близких оптических колебаний. При наличии эталонных частот оптическое гетеродинирование позволит измерить с огромной точностью характерные частоты колебаний атомов и молекул. Набор эталонных частот, перекрывающих практически весь оптический диапазон с интервалом, равном частоте межмодовых биений (~ 80 МГц), как показали недавние исследования [4] можно получить от титан-сапфирового лазера, работающего в режиме синхронизации мод.

Эффективность оптического гетеродинирования сильно зависит от когерентности эталонного и исследуемого сигналов, а также от степени совмещения их плоских волновых фронтов. Поэтому сам метод стал доступен именно для лазерного излучения. Возможность реализации оптического гетеродинирования для лазеров, работающих в квазинепрерывном режиме, в том числе генерирующих предельно короткие импульсы, является еще одним свидетелством детерминированного характера лазерного излучения.

Регистрация сигнала биений от двух независимых лазеров, а также межмодовых биений может осуществляться с таким высоким спектральным разрешением, которое недостижимо средствами оптического спектрального анализа или оптической интерферометрии. При этом даже для стандартных газовых лазеров безо всякой стабилизации частоты спектральная ширина полос биений на десять и более порядков меньше оптической частоты лазерного излучения. Это означает, что когерентные цуги волн, излучаемые самыми обычными не стабилизированными лазерами, содержат не менее 10¹⁰ периодов оптических колебаний. Ни о какой «шумовой природе» лазерного излучения при этом, естественно, не может быть и речи.

Оптическое гетеродинирование используют для непосредственного измерения частот лазеров, стабилизированных по насыщенному поглощению эталонных веществ. Здесь используют тот факт, что частоты гармоник в точности кратны частоте излучения основной частоты и, следовательно, стабильны и могут быть измерены с той же точностью, что и основная частота.

Первые прямые измерения частоты видимого диапазона были осуществлены в 1979 г. [5]. В этой работе были измерены частоты гелий-неонового лазера, работающего в красной области спектра, стабилизированные по линиям поглощения молекул иода-127. Так, частота соответствующая линии g поглощения молекул иода, равна 473612340492 кГц.

Измерения оптических частот проводят путем точного измерения частот лазеров, частоты которых последовательно повышаются от дальнего инфракрасного до видимого диапазона. Например, для измерения частоты гелий-неонового лазера был использован радиооптический мост, включающий в себя шесть последовательных измерений частоты (рис.).

 В качестве элементов моста, в которых образуются частоты биений стабилизированных лазеров и клистронов, использовались полупроводниковые диоды и диоды типа металл-окисел-металл (МОМ-диоды).

В гелий-неоновом лазере на 0,63 мкм с иодной ячейкой для получения узких резоненсов выходной мощности используются совпадение с линией усиления неона ряда линий поглощения в электронно-колебательном спектре паров молекулярного иода. При давлении 0,1 мм рт.ст. контраст пиков мощности составляет 0,1%,ширина – 5 Мгц.

Типичные размеры лазера: длина резонатора лазера 30 см, длина иодной ячейки 3 см, диаметр луча 1 мм. Достигнута стабильность частоты 10^-12 при времени усреднения 10 сек. Измеренная воспроизводимость частоты – 5 10^-11.

В 1973 г. гелий- неоновый (³Не – ²⁰Ne)лазер, стабилизированный по i – компоненте иода–127 со значением длины волны в вакууме 632991,399 (0,0025) пм рекомендован консультативным комитетом по определению метра в качестве первичного стандарта в прецизионных интерферометрических измерениях.

В гелий-неоновом лазере на 3,39 мкм с метановой ячейкой в качестве репера для стабилизации частоты используется пик выходной мощности при насыщении поглощения компонента F₂(2) колебательно-вращательного перехода полосы n₃ метана. При давлении СН₄ 10^{-3 мм рт.ст. пик выходной мощности составлял несколько милливатт и имеет ширину 30 …50 кГц. В настоящее время гелий-неоновый лазер с метановой ячейкой позволяет получить наиболее высокие значения воспроизводимости и долговременной стабильности частоты (~ 5 ·10-15}).