Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Методы и средства синтеза и измерения частот в ЙК и дальней инфракрасной областях спектра II
I.I. Синтез измерения частот субмиллиметрового и ИК диапазонов 12
1.2. Субмиллиметровые лазеры с оптической накачкой 20
1.3. Схемы синтеза частоты лазера на основе СММ-лазеров с оптической накачкой и
методика ее измерения 32
Глава 2. Разработка и исследование волноводных одно-частотных НС00Н ( Л = 418 мкм) и СН3ОН ( Л = 70,5 мкм)-лазеров с низким уровнем амплитудных и частотных флуктуации
излучения 41
2.1. С02~лазеры для оптической накачки 41
2.2. Оптимизация параметров волноводных субмиллиметровых лазеров на Л = 418 и 70,5 мкм 46 2.3. Исследование флуктуации излучения СНоОН и НСООН-лазеров 62
Глава 3. Синтез частот НС00Н, CHgOH, /УН3 и лазеров 72
3.1. Нелинейные элементы 72
3.2. Синтез и измерение частоты НСООН-лазера 83
3.3. Синтез частоты излучения 4,25 ТГц nСН3ОН-лазера 88
3.4. Генерация 7-ой гармоники частоты излучения CHgOH-лазера и ее смешение с частотой изотопического С 0-лазера 97
3.5. Синтез и измерение частоты 3,17 ТГц Л/Нд-лазера с оптической накачкой 100
Глава 4. Абсолютное измерение частоты Не-Уе/СНи-лазеров ( Л = 3,39 мкм), стабилизированных по F ^2) и Е линиям поглощения в метане. 107
4.1. Экспериментальная установка 107
4.2. Частотно-фазовая синхронизация частот излучения субмиллиметровых и СОр-лазеров по
частоте высокостабильного Не-^е/СН^-лазера 115
4.3. Измерение частоты Не-Ме/СН4 (F^2\ Е)- лазеров 129
4.4. Сравнение частотных характеристик Rb стандарта частоты и НСООН-лазера, синхро
низованного по частоте Не-Д/е/СН^ (^ ? )-лазера 134
4.5. Измерение частоты CHgOH-лазера ( Л = 70,5 мкм) сравнением с частотой Не-Уе/СН^
лазера 138
Примечание 140
Заключение 141
Литература *42
- Синтез измерения частот субмиллиметрового и ИК диапазонов
- С02~лазеры для оптической накачки
- Нелинейные элементы
- Экспериментальная установка
Введение к работе
Абсолютные частотные измерения в оптическом диапазоне спектра важны в различных областях науки и техники - спектроскопии, метрологии, оптической связи, космической навигации и т.д. Пскольку частота измеряется наиболее точно, измерение оптических частот позволяет уточнить значение фундаментальных физических констант. К измерению лазерных частот можно свести и измерение других величин, тем самым повысив их точность. Переход в оптический диапазон сокращает время, необходимое для измерения частоты с высокой точностью. Так при частоте 10 %*ц относительная погрешность ^ КГ1 может быть достигнута за I с. На частоте цезиевого эталона для этого требуется уже ^ 10 с. Развитие физических методов получения узких оптических резонансов и создание на их основе высокостабильных лазеров - оптических стандартов частоты /1,2/ - поставило измерение оптических частот на качественно новый уровень. Главным становится вопрос о проведении частотных измерений с точностью, определяемой характеристиками оптических стандартов, что требует разработки новых методов и средств синтеза и измерения оптических частот. При этом они должны носить многофункциональный характер: переносить частотные характеристики оптического стандарта в другие диапазоны, вплоть до радиодиапазонов; измерять значения абсолютных частот путем сравнения с частотой СВЧ-стандарта; позволять применять высокостабильные лазеры с известной частотой для измерения частот других лазеров и т.п.
Создание высокостабильных лазеров и разработка средств синтеза и измерения их частот - взаимосвязанные проблемы. Перенос частотных характеристик высокостабильных лазеров в другие спектральные диапазоны на основе синтеза и фазовой синхро- низации частот, решает задачу построения реперов, воспроизводящих значение частоты в требуемом диапазоне с высокой точностью, что,в свою очередь, стимулирует проведение здесь точных частотных измерений. Это весьма актуально для лазеров субмиллиметрового диапазона, поскольку стабильность их частоты на несколько порядков ниже достигнутой в ИК и видимой областях спектра.
Создание в нашем институте гелий-неонового лазера с длиной волны излучения Л я 3,39 мкм, длительная стабильность и воспроизводимость частоты излучения которого не ниже, а кратковременная на несколько порядков выше, чем у мазеров /3/, позволило решать перечисленные выше задачи применительно к данному оптическому стандарту частоты. Практическая реализация синтеза и измерения его частоты осуществляется путем построения цепочки генераторов СВЧ, субмиллиметрового, инфракрасного диапазонов в которой гармоники частот низкочастотных генераторов точно или с небольшим дефицитом совпадают с частотой более высокочастотного. Традиционные средства синтеза, в частности субмиллиметровые электроразрядные лазеры, а также методика, основанная на умножении частоты СВЧ-стандарта в ИК диапазон не позволяют достичь точности существующих радиостандартов частоты ( ^ 10**) /4,5,6/. Использование для повышения точности другой методики /7/, основанной на переносе частотных характеристик высокостабильного Не- Л^е/СН^-лазера в субмиллиметровый диапазон, с привлечением новых средств синтеза, предопределило основные цели данной работы:
I. Разработка и исследование одночастотных мощных, с низким уровнем амплитудных и частотных флуктуации излучения НСООН ( Л аз 418 мкм) и СН3ОН ( Лв70,5 мкм) водно водных лазеров с оптической накачкой для синтеза и измерения частот в субмиллиметровой и ИК областях спектра.
Синтез лазерных частот субмиллиметрового и инфракрасного диапазонов в схеме измерения абсолютной частоты излучения высокостабильного Не- А^е/СН^-лазера ( А я 3,39 мкм).
Фазовая синхронизация частот оптически накачиваемых еубмиллиметровых лазеров с частотой СС^-лазера, синхронизованной по частоте Не-^е/СН^-лазера.
Измерение абсолютных частот Не- /^е/СН^-лазеров, стабилизированных по F (ZZ) и Е линиям поглощения в метане.
Осуществление синтеза частот в звеньях измерительной цепочки позволяет производить абсолютное измерение частоты лазеров СММ диапазона, а перенос частотных характеристик высокостабильного Не- Д^е/СН^-лазера в эту спектральную область -создать здесь источники электромагнитных колебаний с высокой стабильностью и воспроизводимостью частоты.
В первой главе диссертации содержится материал обзорного и методического характера. Представлены результаты по синтезу и измерению частот в субмиллиметровой и инфракрасной области, рассмотрены конкретные схемы синтеза и измерения частоты Не- Л/е/СН^-лазера с использованием электроразрядных субмиллиметровых лазеров. Сделан вывод о причинах, ограничивающих точность измерений. Здесь же представлен обзор по газовым субмиллиметровым лазерам с оптической накачкой и делается вывод о существовании реальных предпосылок к использованию волноводных СММ-лазеров этого типа в схемах синтеза частот ИК диапазона. Рассматривается методика измерения частоты Не- Л^е/СН^-лазера, основанная на ее делении в СММ спектральную область, требования к спектральным и энергетическим характеристикам лазеров составляющих цепочку синтеза частот, выбор конкретных линий генерации в оптически накачиваемых субмиллиметровых лазерах и схем синтеза измерения частоты Не- Ме/СН^-лазера на их основе.
Вторая глава посвящена разработке и исследованию волноводных одночастотных НСООН ( Л = 418 мкм) и СН^ОН ( Л =70,5 мкм)-лазеров с оптической накачкой. Основное внимание уделено получению мощной генерации с высокой спектральной чистотой линии излучения. Подробно описана конструкция субмиллиметровых лазеров й (^-лазеров для оптической накачки. Исследуются энергетические характеристики, амплитудные и частотные флуктуации НСООН и CHgOH-лазеров, приводится измерение стабильности частоты излучения СММ-лазеров.
В третьей главе дается подробное описание экспериментов по синтезу частот НСООН, CH^OH, /VHg и С1 Op -лазеров. Исследуются характеристики нелинейных элементов, используемых для генерации гармоник, смешения СВЧ, оптических частот, зависимость получаемых сигналов биений от параметров лазеров, СВЧ-генераторов. Синтез частот создал предпосылки для фазовой синхронизации частот лазеров по частоте высокостабильного Не- Ме/СН^-лазера. В этой же главе приводятся результаты измерения частоты ( Л = 418 мкм) и ^ ( Л = 81,5 мкм)-лазеров с оптической накачкой.
В четвертой главе представлены результаты абсолютного измерения частоты высокостабильных Не-Л/е/СНи лазеров, стабилизированных по F j?' и Е линиям поглощения в метане. Подробно рассмотрена общая схема экспериментальной установки, системы частотно-фазовой синхронизации лазеров, описана методика проведения экспериментов. Приводятся результаты сравнения частотных характеристик НСООН-лазера, синхронизованного по частоте Не-Л^е/СН^-лазера, и рубидиевого стандарта, измерена частота СНдОН ( Д = 70,5 мкм)-лазера путем сравнения с частотой Не-л/е/СН4 (Fg М-лазера.
Автор искренне благодарен научному руководителю член-корреспонденту АН СССР В.П.Чеботаеву за постоянное внимание, стимулировавшее выполнение данной работы, доктору физико-математических наук С.Н.Багаеву и кандидатам физико-математических наук В.М.Клементьеву и Ю.А.Матюгину за полезные обсуждения и советы, Б.А.Тимченко и коллегам из лаборатории "Электронных лазерных систем" за сотрудничество.
Синтез измерения частот субмиллиметрового и ИК диапазонов
В настоящее время измерены частоты большого числа лазеров -от субмиллиметрового до ближнего ИК диапазонов. Эти результаты для электроразрядных лазеров собраны в таблице 1.1.1. Приведенные значения частот соответствуют реперу, по которому осуществлялась стабилизация частоты, Так, для лазеров НСМ и Хе - это вершина линии усиления, для лазеров ttgO и СО - центр лэмбовс-кого провала, для С0 и He-/Ve - центр линии поглощения.
Общая схема синтеза большинства приведенных частот может быть выражена соотношением где VI - синтезируемая частота, vj - известная частота более низкочастотного генератора, т - номер гармоники этой частоты, УСВЧ - частота клистронного генератора и а - номер ее гармоники.
Обычно использовалась частота клистронного генератора в диапазоне 20 + 70 ГГц, которая измерялась электронно-счетным частотомером. Эту частоту можно было плавно менять, подбирая такой, чтобы разностная частота биений между измеряемой и синтезируемой частотами лежала в области нескольких десятков мегагерц, В большинстве измерений преобразование частоты осуществлялось с помощью диода на основе точечного контакта металл-полупроводник (МП-диода) до частот порядка 3 ТГц и металл-окисел-металл (МОМ-диода) для более высоких частот / 21 /. Особенностью диода является то, что он выполняет несколько функций: является умножителем, смесителем и детектором одновременно. С помощью МП-диода получают более высокие гармоники / 24 /. Особенно высокие порядки преобразования получены в настоящее время при использовании диодов Шотткии Джозефсоновс-ких переходов. Так, например, при измерении частоты линии 118,8 мкм СНдОНплазера в качестве опорной частоты использовалась 33-я гармоника клистронного генератора, генерируемая с помощью диода Шотки / 22 /, а при измерении линии 84 мкм 0-лазера - 401-я гармоника, полученная с помощью контакта Джозеф-сона / 23 /. В таблице І.Г.2приведены характеристики наиболее используемых нелинейных элементов /24 /.
class2 Разработка и исследование волноводных одно-частотных НС00Н ( Л = 418 мкм) и СН3ОН ( Л = 70,5 мкм)-лазеров с низким уровнем амплитудных и частотных флуктуации
излучения class2
С02~лазеры для оптической накачки
С0-лазеры;используемые для оптической накачки, были сконструированы в нашей лаборатории. Основные требования предъявляемые к ним были следующие: большая мощность выходного излучения ( 35-45 Вт) на требуемых линиях накачки (Р (34) и Я (22)) полосы 9 мкм и высокая амплитудная и частотная стабильность. Схема С0-лазера для оптической накачки CHgOH-лазера приведена на рис. 2.I.I. Резонатор образован дифракционной решеткой.
Не Мг СОг РИС. 2,1.1. СС -лазер для оптической накачки. 100 шт/мм, Я = 96 %, работающей в автоколймационном режиме и сферическим 7n.Se. зеркалом радиусом A3 = 15м,с пропусканием Т — 40 %. Для исключения потерь на брюстеровских окнах, решетка и зеркало помещались внутри вакуумированного объема и поляризация задавалась дифракционной решеткой. Юстировка лазера осуществлялась с помощью двух массивных сферических головок, притертые сферы которых обеспечивали надежное вакуумирование внутреннего объема лазера. Котировочная головка с зеркалом диэлектрически изолирована от оконечного металлического фланца. Разрядная кварцевая трубка диаметром 10 мм и электроды в ней, выполненные в виде цилиндров, помещались внутри водяной рубашки длина активной части равна 1,5 м. Арматуру составляли четыре инваровых стержня диаметром 40 мм и б фланцев. Конструкция юстировочных головок, жесткость и массивность арматуры способствовали улучшению частотных характеристик лазера.
Поскольку, как правило, частота центра линии поглощения активного вещества субмиллиметровых лазеров не совпадает с центром линии генерации (Х -лазеров, а может быть смещена на десятки мегагерц, нами использовался магнитострикционный эффект для перестройки частоты СОр-лазера по линии генерации. Для этого на стержни наматывались медные катушки, через которые от специального блока управления магнитострикцией пропускался ток величиной до 5 ампер. Частотный интервал перестройки при этом составлял 80 МГц, Выбор диаметра трубки и геометрии зеркал резонатора обеспечивали одночастотный режим работы лазера. Для уменьшения влияния флуктуации тока разряда на амплитуду выходного излучения, нами использовался специальный блок стабилизации тока разряда и величина паразитной модуляции не превышала 0,05 %. Оптимальное значение тока разряда составляло 24 - 27мА. При оптимальном соотношении смеси газов СОр : Л :Не = = 1,7 : 2 : 9 Торр максимальная выходная мощность на линии накачки 9Р (34) равна 37 Вт. Лазер работал в режиме прокачки газовой смеси. Конструкция второго СО -лазера, предназначавшегося для оптической накачки паров муравьиной кислоты, полностью аналогична описанной. Для увеличения мощности была лишь увеличена до 2 м : активная длина и, соответственно, пропускание выходного зеркала (Т г 46 %). На линии накачки 9 Я (22) максимальная мощность выходного излучения равнялась 45 Вт.
Нелинейные элементы
Основным нелинейным элементом, применявшимся нами для получения гармоник частот излучения лазеров и сложения частот, был точечный МОМ-диод Лишь в случае синтеза частоты 716 ГГц субмиллиметрового НСООН-члазера использовался точечный диод металл-полупроводник (МП-диод) МОМ-диод в настоящее время является самым быстродействующим и эффективным для синтеза и измерения частот субмиллиметрового и ИК диапазонов /14, 15, 21 Д Устройство используемого нами МОМ-диода приведено на рис.3 1 1 В корпус диода вмонтированы подвижный полированный никелевый электрод с механизмом для его перемещения с целью образования контакта и коаксиальный разъем с припаянной к его центральному проводу проволочкой-иглой. Игла изготовлялась из вольфрамовой проволочки толщиной 50 мкм для МП-диода и 25; 8 мкм в МОМ-диодах методом химического травления Для этого кончик проволочки, напаянной на медный электрод, погружался в 2 раствор Л ОН и через него пропускался импульсный ток с частотой повторения I кГц и регулируемой амплитудой. На рис 3 1 2а приведен снимок приготовленной таким образом иглы, сделанной с помощью электронного микроскопа Здесь же (рис 3 1 26) приведен снимок нерабочей иглы Рабочая игла имеет радиус закругления не более 0,5мкм, длину заостренной части 0,5 мм, гладкую поверхность Нерабочая игла отличается шероховатой поверхностью, отсутствием закругленности острия Такая игла при образовании контакта за счет значительного удельного давления легко разрушается Детекторная головка крепилась на подвижном столике, позволяющим плавно перемещать ее по трем взаимно перпендикулярным направлениям Меняя давление иглы на поверхность катода при помощи механизма подачи, нетрудно получить то или иное сопротивление контакта К , которое определяли, измеряя напряжение на контакте при пропускании через него тока от специального блока питания Поскольку ток не превышал I мкА, то он не влиял на параметры контакта.
Экспериментальная установка
Экспериментальная установка (рис. 4.I.I) представляет сложный комплекс, включающий в себя лазеры, СВЧ генераторы, системы автоматической частотно-фазовой подстройки частоты, нелинейные элементы, измерительно-вычислительную систему и т.д. Все лазеры (за исключением высокостабильного He-ZVe/CH ), нелинейные элементы, генераторы, оптическая система размещены на массивной металлической плите размером 7x2 метра и весом более пятнадцати тонн. Плита опирается на массивный бетонный фундамент, развязанный от открытого грунта песчанной подушкой. Все это сделано для ослабления механических возмущений и, как показали эксперименты, вполне себя оправдало. Электронная аппаратура размещена на специальных стойках, примыкающих к плите, вакуумные посты размещены в непосредственной близости от лазеров. Снимок общего вида
Высокостабильный Не-А/е/СН (Р о )-лазер (Д-Р на длине волны А » 3,39 мкм с внутренней метановой ячейкой поглощения подробно описан в / 2 / Длина поглощающей ячейки составляла 3 м. Резонатор лазера длиной 5 м образован плоским зеркалом со сферическим радиусом кривизны 50 м. Диаметр светового луча составлял примерно I см. При давлении метана в поглощающей ячейке 0,1 Па были получены резонансы мощности излучения шириной 30 -- 50 кГц и интенсивностью около I мВт. Лазер работал в одночае-тотном режиме генерации. Мощность излучения составляла 1-2 мВт. Стабилизация частоты Не- Мз -лазера осуществлялась по резонансу мощности с помощью быстродействующих электронных систем автоматической подстройки частоты. В области малых времен усреднения t « (I - 100 мс) стабильность частоты лазера равна 10" -10 . При Z « I - 100 с относительное значение параметра Аллана практически не меняется и составляет примерно 4-IGP .
Одночастотный Не- УИе-дазер (До) с мощностью излучения 60 мВт был предназначен для получения сигнала цромчастоты на выходе МОМ-диода с амплитудой, достаточной для управления и измерений. Лазер имел длину резонатора 6 м. Одночастотный режим достигался выбором геометрии зеркал резонатора и повышением давле -ния в разрядной трубке до 2,5 - 3 торр в плоско-сферическом резонаторе с радиусом зеркала 20 м.
