«Наука в Сибири» № 28-29 (2364-2365) 19 июля 2002 г. "ОСВОБОДИТЬСЯ" ОТ ЭФФЕКТА ДОПЛЕРА По ночам окна специального павильона Института лазерной физики СО РАН прямо полыхают ярко-красным заревом. Для тех, кто не знает, — это работает гелий-неоновый лазер. Ничего не поделаешь — условия экспериментов на лазерных системах требуют непрерывности. К тому же, ночью значительно меньше сейсмических и акустических шумов. Подготовила Г.Шпак. — Ночные смены — привычное дело для физиков, — говорит Алексей ЛУГОВОЙ, молодой ученый, лауреат премии имени академика В.А.Чеботаева. В разговоре выяснилось, что еще в 1997 году на страницах "НВС" рассказывалось о группе разработчиков транспортируемого стандарта частоты. Эта научно-исследовательская группа была сформирована в 1991 году директором института академиком С.Багаевым. Поставленная задача, которую требовалось решить в определенные сроки, была связана с исследованиями в области нелинейной лазерной спектроскопии молекулярных газов и разработкой транспортируемых оптических стандартов частоты. Стационарная лазерная система — это внушительное сооружение (иначе не назовешь). Ее обычно показывают всем гостям института. А малый стандарт умещается на обычном "физическом" столе... Задача была двойная в том смысле, что именно в 1991 году институт заключил свой первый международный контракт по квантовой оптике с Институтом Макса Планка (Gaching, Германия). По условиям контракта предстояло за один год создать транспортируемый лазерный стандарт частоты на длине волны 3,39 микрометра. Руководитель группы, доктор физико-математических наук Александр Капитонович Дмитриев отчитался в срок о проделанной работе: по своим характеристикам стабильности и точности воспроизведения частоты новый прибор не имел аналогов в мире. За последнее десятилетие научно-исследовательская группа получила ряд принципиально новых физических результатов — прикладного и фундаментального характера. Обычно в качестве "доходчивого" популярного примера использования малого стандарта называют Институт Макса Планка, где эта лазерная система работает в качестве частотного репера (удалось на порядок уточнить величину постоянной Ридберга). А в Институте лазерной физики, на его специальном полигоне "Кайтанак" (Горный Алтай), намерены активно проводить эксперименты по проверке общей теории относительности. Одновременно разработчики занимаются модификацией стандарта, улучшением его метрологических параметров. ...В девяносто седьмом году физики готовились к запуску второго лазерного спектрометра с разрешением 1013. Один из эпизодов экспериментов был запечатлен на снимке: кандидат физико-математических наук Павел Покасов, лауреат премии имени академика В.П.Чеботаева 1993 года, и магистрант выпускного курса НГУ (кафедра "Квантовая оптика") Алексей Луговой, который стажировался тогда в этой научной группе. На снимке изображен и будущий уникальный лазерный спектрометр с шестизеркальным телескопическим резонатором, обеспечивающим положительную обратную связь в лазерах... Название цикла работ А.Лугового "Транспортируемый лазерный He-Ne/CH4 стандарт частоты с телескопическим резонатором" — указывает на актуальное направление спектроскопии — оптической спектроскопии, свободной от эффекта Доплера (к тому же этот эффект можно не только "слышать", но и "видеть", хотя бы в ванне или в пруду"). Какая идея, ее разработка принадлежит нашему лауреату? Тем более, что название конкурсной работы носит обобщенный характер. Алексей Луговой и предложил обобщенный взгляд на работу научной группы, не выделяя собственные результаты. — Основная часть наших знаний о строении вещества на атомно-молекулярном уровне получена из данных оптической спектроскопии. По мере углубления знаний о структуре атомов и молекул стал ощутимым предел возможностей оптической спектроскопии, обусловленный уширением спектральных линий испускания и поглощения вещества. При измерении спектральных линий атомов и молекул в газе не удается достигнуть конечной цели — получения спектральных линий с шириной, определяемой свойствами квантовых переходов изолированной частицы. Причина кроется, во-первых, в неоднородном уширении спектральных линий из-за эффекта Доплера для движущихся с тепловыми скоростями частиц и, во-вторых, — влияют эффекты, приводящие к однородному уширению спектральных линий. Основные из них — естественное уширение из-за спонтанного затухания возбужденного состояния; столкновительное из-за столкновений частиц между собой и со стенками сосуда; пролетное уширение из-за конечного времени взаимодействия частиц со световым полем, уширение световым полем из-за высокой скорости переходов между уровнями в интенсивной световой волне, а также так называемое геометрическое уширение, связанное с кривизной светового поля. Влияние эффекта Доплера первого порядка может быть устранено при использовании ряда оптических методов, а именно — спектроскопии насыщенного поглощения, двухфотонной спектроскопии, метода разнесенных оптических полей и использовании частиц, захваченных в ловушках. У каждого из этих методов есть свои достоинства и недостатки, но метод насыщения поглощения выделяется своими возможностями. Его перспективность стала наиболее очевидной при наблюдении резонансов на колебательно-вращательных переходах молекул и, в частности, на линии метана, совпадающей с линией излучения He-Ne лазера. Для получения нелинейных оптических резонансов шириной ~ 100 Гц необходимо использовать молекулярный газ низкого давления ~ 10-5Торр. С учетом того, что время жизни на колебательно-вращательных переходах молекул велико, можно сказать, что время когерентного взаимодействия молекул с полем будет определяться, в основном, временем пролета молекул через световой пучок. Простым и эффективным способом увеличения времени взаимодействия частиц с полем является использование телескопических расширителей светового пучка (ТРСП). Применение ТРСП позволяет, наряду с увеличением времени взаимодействия молекул с полем и, следовательно, уменьшением пролетной ширины резонанса, уменьшить дифракционную расходимость поля в резонаторе и увеличить абсолютную интенсивность резонанса в 100—1000 раз за счет увеличения объема поглощающего вещества. Большое сечение светового пучка в поглощающей ячейке позволяет регистрировать оптические резонансы с относительной шириной меньше 10-12, которые используются при создании оптических стандартов частоты. Одним из недостатков лазеров с внутрирезонаторным ТРСП для создания стандартов частоты является возрастание шумов в мощности излучения: влияют угловые вибрации зеркал при увеличении сечения светового пучка в поглощающей ячейке. Угловой дрейф зеркал резонатора приводит к увеличению дифракционных потерь и связанному с этим падению мощности излучения и амплитуды резонанса и, как следствие, сдвигам частоты и ухудшению стабильности и воспроизводимости лазерного стандарта частоты. Еще в моей дипломной работе была предложена оригинальная схема телескопического резонатора, позволяющая значительно снизить влияние угловых перемещений зеркал на мощность излучения лазера. Уже первые сравнительные исследования однопроходной и двухпроходной схем показали перспективность двухпроходной схемы телескопического резонатора. С учетом полученных результатов был разработан и изготовлен макет транспортируемого стандарта частоты на основе лазера с телескопическим резонатором, конструкция которого позволяла использовать как однопроходную, так и предложенную двухпроходную схему. Проведены исследования возможности получения узких интенсивных резонансов с высоким отношением сигнал/шум, которые в дальнейшем предполагалось использовать для стабилизации частоты. При измерениях метрологических параметров какого-либо стандарта необходимо иметь репер с характеристиками не хуже, чем у обмеряемого стандарта. В наших экспериментах в качестве репера использовался He-Ne/CH4 лазер с телескопическим резонатором (длина поглощающей ячейки 8.5 м, диаметр пучка 0.28 м), стабилизированный по компоненту дублета отдачи одной из линий метана. В свою очередь параметры репера были определены ранее. Для этого введен в эксплуатацию второй аналогичный спектрометр сверхвысокого разрешения и проведены измерения сдвигов нелинейных оптических резонансов на компонентах дублета отдачи от различных параметров (давление поглощающего газа, сечение светового пучка и интенсивность поля в поглощающей ячейке, девиация пробного сигнала и другие). Параметры одной из систем поддерживались постоянными, в то время как параметры второй изменялись и определялся сдвиг компонентов дублета отдачи во второй системе. Применение такой схемы измерений позволило достичь относительной точности на уровне 10-14. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с теоретическими расчетами. На основании проделанной работы было показано, что воспроизводимость (от включения к включению) частоты лазера, стабилизированного по высокочастотному компоненту дублета отдачи 7-6 перехода, порядка 10-14. Созданное программное обеспечение помогло определить параметры наблюдаемых резонансов путем подгонки по методу наименьших квадратов имеющейся теоретической модели, учитывающей пролетные эффекты, квадратичный эффект Доплера, эффект отдачи и сверхтонкое расщепление линии метана. Такая схема эксперимента и программное обеспечение позволили оценить воспроизводимость транспортируемого стандарта, а также измерять положение стандарта относительно частоты невозмущенного перехода линии метана. Благодаря телескопическому резонатору с оригинальной двухпроходной схемой удалось значительно поднять отношение сигнал/шум наблюдаемых резонансов по сравнению с двухзеркальной системой старого стандарта частоты (1991 г.) и стабильность частоты нового стандарта. На основании проведенных исследований было показано, что воспроизводимость (от включения к включению) транспортируемого стандарта частоты с телескопическим резонатором при оптимальных параметрах порядка 5 Гц, что составляет в относительных величинах 6х10-14. Для примера: точность обычных кварцевых часов составляет 10-6. В настоящее время я занимаюсь исследованием возможности дальнейшего улучшения стабильности и воспроизводимости созданного стандарта частоты. стр.