Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Охапкин Максим Викторович
Высокостабильные лазеры и их применение в оптических стандартах частоты и прецизионных физических экспериментах
01.04.21 - лазерная физика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Новосибирск 2011
Работа выполнена в Институте лазерной физики СО РАН.
Научный консультант: академик РАН С.Н. Багаев
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук С.А. Бабин доктор физико-математических наук, профессор Е.В. Бакланов доктор физико-математических наук И.И. Рябцев
Ведущая организация: Новосибирский государственный университет
Защита состоится У___Ф___________ 2012 в У_______Ф час. на заседании диссертационного совета Д 003.024.01 в Институте лазерной физики СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. Ак. Лаврентьева 13/
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института лазерной физики СО РАН.
Автореферат разослан У___Ф ____________ 2012г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук Н.Г. Никулин
Актуальность темы.
Одной из основных проблем квантовой электроники является разработка и создание лазеров с ультравысокой стабильностью частоты излучения, широко применяемых в прецизионных физических экспериментах, метрологии, связи, космических исследованиях и других областях [1].
Развитие технологий, позволивших создать высокодобротные интерферометры с остротой (отношением области свободной дисперсии к ширине пика пропускания резонатора) 105, привело к появлению лазеров с относительной шириной линии излучения уже чем 10-14, стабилизированных по резонансам отражения интерферометров Фабри - Перо [2,3]. С помощью данных лазеров осуществляются спектроскопические исследования сверхузких резонансов в ультрахолодных атомах и одиночных ионах, обладающих относительными ширинами на уровне 10-14, и создаются оптические стандарты частоты с долговременной нестабильностью порядка 10-15 - 10-16 и выше. В настоящее время ведется интенсивное развитие стандартов частоты на базе запрещенных переходов одиночных ионов, захваченных в радиочастотных ловушках Пауля и локализованных в режиме Лэмба - Дике с помощью методов лазерного охлаждения. Данные системы демонстрируют характеристики, существенно превышающие стабильность цезиевого эталона частоты и водородного мазера и рассматриваются как возможная замена эталонов времени микроволнового диапазона. Типичными представителями стандартов частоты данного типа являются системы на базе 199 115 171 одиночных ионов Hg+ [4], In+ [5], Yb [6] и Al+ [7], которые демонстрируют нестабильность 10-16 и выше за времена наблюдения свыше 1000 с при кратковременной нестабильности на уровне 10-15.
азеры с узкой линией излучения также нашли применение и в таких фундаментальных исследованиях, как, например, исследования гравитационных волн, проверка постоянства мировых констант и изотропии скорости света.
Исследование изотропии скорости света (эксперимент Майкельсона - Морли) так же связано со стабилизацией частоты лазерного излучения по интерферометрам Фабри-Перо. Для проверки изотропии скорости света в настоящее время используются, например, два ортогональных вращающихся интерферометра Фабри-Перо с высокой добротностью (что заменяет большую длину плеч интерферометра Майкельсона) [8]. Излучение лазеров привязывается к частоте каждого из интерферометров. Поскольку лабораторная система отсчета движется вместе с Землей, вращение интерферометров позволяет изменять направление распространения света в интерферометрах относительно вектора скорости лаборатории. В случае анизотропии скорости света в сигнале биений между двумя лазерами на удвоенной частоте вращения должна появиться модуляционная составляющая. Повышение стабильности лазеров приводит к увеличению чувствительности эксперимента. Основной проблемой данного эксперимента является минимизация систематических сдвигов частоты биений, связанных с вращением интерферометров.
К другим фундаментальным экспериментам, осуществляемым с помощью высокостабильных лазеров, относятся работы по исследованию постоянства константы тонкой структуры = e2/(40c) (см., например, [9]).
В экспериментах проводится сравнение частот между атомными стандартами частоты в течение длительного времени. В случае измерения абсолютной частоты стандарта оптического диапазона (относительно микроволнового цезиевого первичного эталона) определение возможной вариации постоянной тонкой структуры зависит дополнительно от сильного взаимодействия (изменения постоянной Ридберга) и ограничивается неопределенностью цезиевого эталона времени. С помощью абсолютных измерений Yb+ и Hg+ стандартов оптического диапазона получены значения пределов возможного изменения постоянных Ридберга и тонкой структуры для lnRy/t и ln/t на уровне 10-15 за год. Наибольший интерес для определения возможных вариации константы тонкой структуры представляет прямое сравнение стандартов частоты оптического диапазона. В этом случае измеряется непосредственно возможное изменение постоянной тонкой структуры с существенным повышением точности. Авторами работы [10] было достигнуто значение, ограничивающее порог возможной вариации с точностью на порядок выше, чем при абсолютных измерениях.
Большой интерес представляет поиск новых частотных реперов для создания ультрастабильных лазерных систем. Ядерный переход между основным состоянием и изомерным состоянием в 229Th, лежащий в диапазоне вакуумного ультрафиолета, является кандидатом на использование в качестве частотного репера в оптических стандартах частоты нового поколения на базе одиночных ионов [11]. Особенностью данного перехода является очень высокая чувствительность к возможной вариаций мировых констант [12]. Детектирование данного перехода с помощью лазерных методов для приложений спектроскопии и метрологии является одним из интереснейших направлений лазерной физики.
Актуальность данной работы обусловлена широким спектром фундаментальных физических экспериментов, повышение точности которых неразрывно связано с улучшением стабильности частоты и достижением предельно узкой ширины линии излучения лазеров.
Цели диссертационной работы.
1. Создание семейства одночастотных перестраиваемых Nd:YAG и Yb:YAG лазеров на длинах волн 946 нм, 1064 нм и 1031 нм, ориентированных на дальнейшее использование в качестве источников излучения с высокой стабильностью частоты и спектрометров сверхвысокого разрешения.
2. Исследование изотропии скорости света с помощью высокостабильных лазеров, стабилизированных по криогенным вращающимся интерферометрам Фабри-Перо с высокой добротностью.
3. Разработка зондирующих лазеров с линией излучения шириной порядка 1 Гц для спектроскопии часовых переходов в одиночных ионах Yb+ и In+ и создания оптических стандартов частоты на базе одиночных ионов.
Регистрация сверхузких оптических резонансов с относительной шириной на уровне / 10-14 с помощью данных лазеров.
4. Поиск возможных схем возбуждения ядерного перехода в Th+ для создания оптических стандартов частоты нового поколения.
5. Создание транспортируемого стандарта частоты на длине волны 1064/532 нм, стабилизированного по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде с возможностью захвата за резонансы сверхтонкой структуры линий I2 в диапазоне перестройки Nd:YAG лазера для стабилизации дрейфов высокодобротных эталонов Фабри - Перо и оптических синтезаторов частот.
Научная новизна.
1. Созданы одночастотные перестраиваемые квазитрехуровневые Nd:YAG и Yb:YAG лазеры бегущей волны на длине волны 946 нм и 1031 нм с внутрирезонаторным удвоением частоты для спектроскопии охлажденного одиночного иона индия в радиочастотной ловушке и оптических стандартов частоты на базе молекулярного йода. Лазер для спектроскопии иона индия продемонстрировал ширину линии порядка 2 Гц при стабилизации частоты излучения по высокодобротному эталону Фабри - Перо.
2. Приведенные в работе результаты эксперимента Майкельсона - Морли по измерению анизотропии скорости света оказались в пять раз более точными, чем результаты аналогичных исследований, проведенных в других лабораториях мира. В эксперименте было продемонстрировано постоянство скорости света до уровня с/с=6.410-16.
3. Разработана схема стабилизации частоты лазера по сигналу отражения криогенного высокодобротного интерферометра Фабри - Перо, расположенного на вращающейся платформе при температуре 3.5 К и продемонстрирована возможность достижения стабильности частоты лазеров на уровне 10-14 за характерные времена 100 - 1000 с.
4. С помощью зондирующего лазера с ультравысокой стабильностью впервые зарегистрированы оптические резонансы с шириной менее 10 Гц (относительная ширина 10-14) в одиночном ионе Yb+, захваченном в радиочастотную ловушку.
5. Выбрана возможная схема двухступенчатого возбуждения ядерного 2перехода в ионе Th+ с помощью обратного электронного мостика (передачи энергии возбуждения электронной оболочки ядру). Исследованы каналы распада промежуточного уровня с энергией 24874 см-1 выбранной схемы двухступенчатого возбуждения, скорости релаксации заселенности метастабильных уровней из-за столкновений с буферным газом и возможность применения перекачивающих лазеров. Разработана модель расчета заселенности уровня 248745/2 в Th+ с учетом скорости столкновительной релаксации метастабильных уровней и применения перекачивающего лазера на длине волны 428 нм.
Практическая ценность работы.
1. Создано семейство перестраиваемых одночастотных Nd:YAG и Yb:YAG лазеров бегущей волны, обладающее шириной линии излучения в свободном состоянии порядка 10 кГц за характерные времена 10-2 - 10-1 с, разработанное для решения практических задач спектроскопии сверхвысокого разрешения и источников зондирующего излучения в оптических стандартах частоты. Данные лазеры нашли применение в экспериментах по созданию оптических стандартов частоты на базе иона индия и молекулярного йода, эксперименте Майкельсона-Морли, эксперименте по исследованию гравитационных волн.
2. Рассмотрены методики оптимизации длины кристалла КТР в Nd:YAG лазере, совмещающего функции перестройки частоты излучения и внутрирезонаторной генерации второй гармоники, для обеспечения максимального диапазона перестройки. Приводятся оценки потерь, вносимых в резонатор лазера двулучепреломляющим кристаллом.
3. Разработаны схемы автоматической подстройки для стабилизации частоты излучения лазеров по резонансам высокодобротных интерферометров Фабри - Перо.
4. Проведены измерения дрейфов частоты криогенных интерферометров Фабри - Перо, выполненных из сапфира, интерферометров на основе стекол ULE и AZ с ультранизким температурным коэффициентом расширения, сравнение уровня тепловых шумов интерферометра с кварцевыми и ULE зеркалами, что представляет практический интерес при разработке зондирующих лазеров с ультравысокой стабильностью частоты излучения.
5. Созданы зондирующие лазеры для исследования сверхузких переходов в одиночных ионах 171Yb+ и 115In+, захваченных в радиочастотную ловушку.
Параметр Аллана зондирующего лазера для спектроскопии иттербия находится в пределах 310-15 за времена наблюдения 0.1 - 100 с, что соответствует лазеру с шириной линии излучения менее 1 Гц за характерные времена порядка 1 с. Лазер для спектроскопии иона индия продемонстрировал ширину линии излучения на уровне 2 Гц.
6. Создан транспортируемый стандарт на базе Nd:YAG лазера бегущей волы, стабилизированный по резонансам люминесценции в молекулярном йоде. Была достигнута стабильность системы на уровне лучших результатов для аналогичных систем, применяемых в РТВ (Брауншвайг, Германия) и JILA (Боулдер, США). Высокие характеристики системы были использованы для стабилизации частоты оптических синтезаторов частот на основе фемтосекундных лазеров и исследования сдвигов высокодобротных интерферометров Фабри-Перо в ИЛФ СО РАН, метрологических институтах ISI (Брно, Чехия) и BEV (Вена, Австрия).
Защищаемые положения.
Автор выносит на защиту:
1. Семейство перестраиваемых Nd:YAG и Yb:YAG лазеров бегущей волны с квазитрехуровневой схемой генерации на длинах волн 946 нм и 1031 нм с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники является новым классом источников высокостабильного излучения для прецизионной спектроскопии и метрологии. Функции двулучепреломляющего фильтра, обеспечивающего перестройку частоты лазера, и внутрирезонаторной генерации второй гармоники в пределах диапазона перестройки объединены в одном элементе - нелинейном кристалле.
2. Измеренное значение изотропии скорости света соответствует уровню с/с=6.410-16. Значение можно измерить с помощью лазерной системы, стабилизированной по вращающимся криогенным ортогональным интерферометрам Фабри - Перо, с нестабильностью частоты биений 210-14 - 710-15 в процессе вращения установки за характерные времена наблюдения 10 - 1000 с.
3. Регистрация сверхузких оптических резонансов с относительной шириной 10-14 при вероятности возбуждения квантовых скачков более 60 % 2 2 1на S1/2 F7/2 октупольном переходе в холодном одиночном ионе Yb+, захваченном в радиочастотную ловушку, позволяет уточнить значение абсолютной частоты данного перехода. Возможность регистрации сверхузких резонансов определяется ультравысокими характеристиками стабильности зондирующего лазера, обладающего шириной линии излучения <1 Гц и нестабильностью частоты 3 10-15 за времена наблюдения 0.1 - 100 с.
4. Энергетический уровень 248745/2 см-1 может быть использован в качестве промежуточного для двухступенчатого возбуждения ядерного перехода между основным состоянием (спин ядра 5/2) и изомером, 2обладающим спином ядра 3/2, в Th+ с помощью лазеров через обратный электронный мостик (передачу энергии возбуждения от электронной оболочки ядру), что подтверждается проведенными экспериментами. Для возбуждения первой ступени возможно применение диодного лазера на длине волны 402 нм, второй - излучения третьей гармоники перестраиваемого импульсного наносекундного или непрерывного Ti:Sa лазера.
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитируемой литературы. Материал диссертации изложен на 200 страницах текста, включая 81 рисунок, 7 таблиц. Список литературы содержит 2наименований.
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 24 печатных работах, список которых [A1 - А24] приведен в конце автореферата.
Апробация работы.
Материалы, представленные в диссертации апробированы на следующих международных конференциях:
Modern Problems of Laser Physics MPLP 2004, August 22-27, 2004, Novosibirsk, Russia; International Conference on Space Optics, 2004, 30 March - 2 April, Toulouse, France; Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике и Международная конференция по лазерам, их приложениям и технологиям ICONO/LAT 2005, May 11-15, 2005, St. Peterburg, Russia;
International Conference on Optics, Lasers and Spectroscopy ICOLS 2005, June 19-24 2005, Aviemore, Scotland; "ГЕО-Сибирь-2006", Новосибирск, Россия, 26-28 апреля 2006; 7th Symposium on Frequency Standards and Metrology, 5-Oct. 2008, Asilomar, CA, USA; European Frequency and Time Forum EFTFIEEE IFCS 2009, 20-24 Apr. 2009, Besanson, France; Russian - French - German Laser Symposium RFGLS 2009, 17-22 May 2009, Nizhny Novgorod, Russia;
International Conference on Optics, Lasers and Spectroscopy ICOLS 2009, 7-June 2009, Kussharo, Hokkaido, Japan; Modern problems of laser metrology, 1921 October 2009, Lerici, Italy; Conference on Precision Electromagnetic Measurements CPEM 2010, 13-18 June 2010, Daejeon, Korea; Optical clocks: a new frontier in high accuracy metrologyФ, 1-3 December 2010, Torino, Italy;
European Frequency and Time Forum EFTF-IEEE IFCS 2011, 1-5 May, 2011, San Francisco, CA, USA; Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants 2011, 1821 July, 2011, Bad Honnef, Germany.
Содержание работы.
Во введении представлен обзор по проблеме создания стандартов частоты и стабильных оптических систем, рассмотрены актуальные эксперименты с высокостабильными лазерами и современные тенденции в создании оптических стандартов частоты. Сформулированы цели работы и защищаемые положения, ее научная новизна и практическая ценность.
В первой главе, имеющей обзорный характер, приведены параметры оценки стабильности частоты излучения лазеров, рассмотрено влияние различных типов частотных и фазовых шумов на параметр Аллана, характеризующий стабильность частоты. Обсуждаются принципы получения узкой линии излучения лазеров с помощью высокодобротных интерферометров Фабри-Перо, достижения высокой долговременной стабильности частоты с использованием резонансов в атомах и ионах.
Приводятся современные методы измерения оптических частот и параметра Аллана стандартов частоты оптического диапазона.
Во второй главе приводится описание созданного семейства перестраиваемых твердотельных лазеров бегущей волны, используемых в экспериментах, описанных в последующих главах. Рассмотрены их конструктивные особенности. Реализация оптического диода на основе двухзеркальной непланарной геометрии резонатора и эффекта Фарадея в усиливающей среде позволила минимизировать количество внутрирезонаторных элементов. Путем оптимизации свойств поляризатора оптического диода получена разница потерь 0.5% для волн, распространяющихся внутри резонатора в противоположных направлениях, достаточная для обеспечения однонаправленного режима генерации.
Для обеспечения диапазона перестройки лазеров в широких пределах представлены расчеты по оптимизации длины двулучепреломляющего фильтра и оценка потерь, вносимых нелинейным кристаллом из-за расходимости пучка внутри резонатора лазера. Комбинирование функций внутрирезонаторной генерации второй гармоники и двулучепреломляющего фильтра в одном нелинейном кристалле позволило уменьшить число внутрирезонаторных элементов и исключить необходимость дополнительной генерации удвоенной частоты излучения во внешнем резонаторе.
Особое внимание уделено созданию квазитрехуровневых Nd:YAG и Yb:YAG лазеров на длинах волн 946 нм и 1031 нм соответственно, требующих оптимизации размеров усилительных сред, приводятся расчеты выходных параметров лазеров. Поскольку квазитрехуровневые лазеры обладают дополнительными потерями на длине волны генерации, связанными с заселенностью нижнего лазерного уровня, в конструкции данных лазеров были использованы композитные кристаллы, состоящие из легированной и нелегированной частей. Приведены исследования амплитудных релаксационных шумов и ширины линии излучения в свободном состоянии.
На базе разработанного семейства Nd:YAG лазеров на длинах волн 1064/532 нм и 946 нм были созданы источники с узкой линией излучения шириной порядка 1 Гц и высокой долговременной стабильностью частоты, используемые в дальнейших экспериментах, приведенных в диссертации а также транспортируемый стандарт частоты на основе резонансов в молекулярном йоде.
Третья глава посвящена эксперименту Майкельсона - Морли по исследованию изотропии скорости света. Изотропия скорости света проверялась путем исследования частоты биений между двумя лазерами, стабилизированными по ортогональным вращающимся интерферометрам Фабри-Перо, движущимся в солнечной системе координат относительно системы координат, для которой космический микроволновый фон является изотропным (Рис. 1). В случае, если имеет место анизотропия скорости света, выражение для модуляции частоты биений между двумя лазерами может быть представлено в виде [13]:
(1( t ) - ( t )) = 2B( t )sin( 2( t )) + 2C( t )cos( 2( t )), (1) 1 V 2B( t ) = ( - + )( )( cos T + cos 2 T + 2 3 4 2 c, sin T + sin 2 T ) 3 4 1 V 2C( t ) = ( - + )( )( + cos T + cos 2 T + 2 0 1 2 2 c, + sin T + sin 2 T ) 1 2 где (t) - угол между осью одного из резонаторов и направлением на юг; - частота вращения Земли вокруг своей оси; константы j и j зависят от широты лаборатории и углов склонения и восхождения Солнца относительно микроволнового фона; T - время с момента начала эксперимента плюс смещение, связанное с положением оси y лабораторной системы координат относительно оси Y солнечной системы координат. В случае, если время проведения эксперимента много меньше одного года, в уравнениях для модуляции частоты биений (1) отсутствует частота вращения Земли по орбите вокруг Солнца ; Если принцип инвариантности Лоренца сохраняется, тогда = 1/2, = 0.
Использование ортогональных резонаторов, размещенных на вращающейся платформе, обладает существенным преимуществом по отношению к стационарной системе при проведении эксперимента Майкельсона-Морли. В этом случае снижаются требования к долговременной стабильности системы (в случае стационарной установки система должна обладать высокими требованиями стабильности частоты за времена порядка 12 ч, т.к. в этом случае вращение резонаторов происходит за счет вращения Земли вокруг своей оси). Поскольку за каждый период вращения определяются параметры B(ti) и C(ti), большое количество экспериментальных точек позволяет существенно улучшить статистику результатов.
Рис. 1. Схема эксперимента Майкельсона - Морли с ортогональными высокодобротными резонаторами Фабри-Перо.
Экспериментальная установка, приведенная в данной главе, представляла собой два ортогональных высокодобротных интерферометра Фабри-Перо, выполненных из сапфира, расположенных в вакуумной камере при криогенной температуре. Температура платформы с интерферометрами на уровне 3.5 K достигалась с помощью импульсного двухступенчатого гелиевого охладителя. Сапфир обладает малым коэффициентом температурного расширения при температурах порядка 4 К, что делает данный материал удобным при создании интерферометров с высокой долговременной стабильностью частоты. Вся система была размещена на вращающейся платформе. Большое внимание при создании установки было уделено минимизации систематических сдвигов частоты, связанных с вращением. В процессе вращения анализировалась частота биений между двумя Nd:YAG лазерами на длине волны 1064 нм, захваченными по частоте за резонансы отражения интерферометров (Рис. 1). Достигнутая нестабильность частоты лазеров в процессе вращения интерферометров находилась на уровне 10-14 за время одного периода поворота платформы (100 - 300 с).
Частота биений в процессе каждого периода поворота платформы на угол = [0 0; 90 0; 0 0] аппроксимировалась по методу наименьших квадратов с помощью функции ait+2B(ti)sin2(t)+2C(ti)cos2(t), где ai характеризует линейный дрейф частоты. Измеренные значения {2B(ti)}, {2C(ti)} и их гистограммы, полученные в процессе 432 вращений, представлены на Рис. 2.
Средние значения данных величин в процессе эксперимента составили 2B = 2.8 Гц, 2С = -3.3 Гц [8].
На основании данных величин было получено значение коэффициента нарушения изотропии скорости света (--1/2) = (+0.53.7)10-10. Данное значение оказалось в несколько раз точнее результатов других работ и соответствует изотропии скорости света до уровня с/с = 6.410-16.
количество измерений t, (дни с 01.01.2004) количество измерений t, (дни с 01.01.2004) Рис.2. Значения амплитуд анизотропии 2B(ti), 2C(ti) для отдельных периодов вращения установки и их гистограммы.
Четвертая глава посвящена разработке и применению зондирующих лазеров для спектроскопии часовых переходов и создания оптических 171 1стандартов частоты на основе холодных одиночных ионов Yb+ и In+, а также поиску перехода между основным и изомерным состояниями в 229Th, представляющего интерес в качестве возможного частотного репера для оптических стандартов частоты нового поколения.
1Ион Yb+ характеризуется наличием нескольких переходов в оптическом диапазонах, пригодных в качестве реперов для стандартов частоты. Наиболее интересным для метрологических приложений является 2 октупольный переход S1/2(F=0) F7/2(F=3) на длине волны 467 нм (642 ТГц), который обладает естественной шириной в нГц диапазоне. Ион индия имеет привлекательный часовой переход 5s2 1S0 5s5p 3P0 на длине волны 235.6 нм, обладающий натуральной шириной линии 0.8 Гц [5]. Данный переход характеризуется отсутствием квадрупольного сдвига за счет нулевых электронных угловых моментов в обоих состояниях, малыми величинами штарковского сдвига второго порядка и зеемановского сдвига.
С, Гц В, Гц 0,0,0,0,-60 -40 -20 0 20 40 отстройка частоты лазера, Гц Рис. 3. Типичная запись резонанса октупольного перехода в Yb+ (период возбуждения квантового скачка - 90 мс, 20 циклов на точку).
2 Для спектроскопии S1/2(F=0) F7/2(F=3) перехода в иттербии был разработан часовой лазер на длине волны 934 нм с удвоением частоты во внешнем резонаторе, стабилизированный с помощью метода ПаундаДривера-Холла по высокодобротному эталону Фабри-Перо (тело эталона и зеркала выполнены из материала ULE) с остротой около 100000. Достигнутая нестабильность частоты на уровне 210-15 за характерные времена наблюдения порядка 1 - 10 с обеспечивала высокую разрешающую способность зондирования и позволила зарегистрировать наиболее узкие резонансы в иттербии шириной порядка 10 Гц с высокой вероятностью возбуждения квантовых скачков (Рис. 3). Были проведены измерения абсолютной частоты октупольного перехода, сделана расчетная оценка и экспериментальное исследование величины полевого сдвига. Значение абсолютной частоты перехода, измеренное в эксперименте, составило 642121496772640 8 Гц.
Поскольку разрешающая способность зондирующего лазера была ограничена тепловыми шумами зеркал высокодобротного эталона ФабриПеро, был создан новый интерферометр с кварцевыми зеркалами, обладающими более низким уровнем теплового шума (острота 500000 и пропускание 35%). Предварительные экспериментальные оценки показали вероятность возбуждения выигрыш в стабильности частоты зондирующего лазера приблизительно в 3 - 4 раза, близкий к расчетному значению.
Для спектроскопии часового перехода 5s2 1S0 5s5p 3P0 на длине волны 235.6 нм в In+ использовалась четвертая гармоника частоты Nd:YAG лазера на длине волны 946 нм. Частота лазера стабилизировалась по резонансам интерферометра Фабри - Перо с остротой 125000 в отраженном свете.
Достигнутая ширина линии излучения лазера на уровне 2 Гц за характерные времена порядка 1 с позволила провести предварительные 1 спектроскопические исследования резонансов S0 P0 перехода. В настоящее время данная работа получила дальнейшее развитие и ведется разработка зондирующего лазера с улучшенной стабильностью. Планируется создание стандарта частоты на базе мультиионной ловушки с симпатическим охлаждением иона индия с помощью иона иттербия.
Как отмечалось выше, торий-229, обладающий изомерным состоянием в области вакуумного ультрафиолета в диапазоне длин волн 150-170 нм (энергия изомера соответствует величине 7.60.5 эВ по результатам работы [14], последнее уточнение 7.80.5 эВ), является одним из наиболее интересных кандидатов на использование в качестве частотного репера для оптических стандартов частоты нового поколения [11]. Однако, большая погрешность экспериментов, проведенных методом - спектроскопии [14], не позволяет начать разработку оптического стандарта частоты без предварительного уточнения энергии изомерного состояния и возбуждения перехода между основным состоянием и изомером в 229Th методами лазерной спектроскопии.
В последнем параграфе данной главы приводятся результаты исследований перспективной схемы двухступенчатого возбуждения ядерного 2перехода через промежуточный уровень 248745/2 см-1 в ионе Th+ с помощью электронного мостика (Рис. 4) [15], описана конструкция радиочастотной ловушки, разработанной для осуществления эксперимента, рассматривается эффективность релаксации заселенности метастабильных уровней путем столкновений с буферным газом и применение перекачивающих лазеров. Одним из наиболее высоко расположенных табулированных уровней, который может быть возбужден с помощью электрического дипольного перехода с уровня 24874 см-1 является уровень 499607/2 см-1. В качестве демонстрации возможности выбранной двухступенчатой схемы приводятся экспериментальные результаты возбуждения уровня 49960 см-1, соответствующего энергии 6.2 эВ.
Рис. 4. Диаграмма Фейнмана для возбуждения изомерного состояния в 229Th через электронный мостик (передача энергии возбуждения ядру через двухступенчатое возбуждение электронной оболочки).
В пятой главе рассмотрен транспортируемый стандарт частоты на базе Nd:YAG лазера с внутрирезонаторной генерацией второй гармоники (длины волн излучения 1064/532 нм), стабилизированный по резонансам сверхтонкой структуры в молекулярном йоде. Данная система разрабатывалась для компенсации линейных дрейфов частоты интерферометров Фабри - Перо в экспериментах с одиночными ионами In+, приведенных в четвертой главе. Высокие характеристики стандарта нашли также применение при создании оптических синтезаторов частот.
Стабилизация частоты излучения лазера осуществляется по нулю третьей гармоники сигнала люминесценции резонансов сверхтонкой структуры линии R56 32-0 (или другой аналогичной линии в пределах диапазона перестройки лазера) в молекулярном йоде. Приведены результаты измерения стабильности частоты лабораторного прототипа и транспортируемой системы. Исследованы сдвиги нелинейных резонансов и приводится оценка воспроизводимости. Стабильность транспортируемой системы была измерена в биениях относительно второй аналогичной установки в ИЛФ СО РАН и с помощью оптического синтезатора на основе фемтосекундного Ti:Sa лазера (в Университете Paris Nord, Франция).
Измеренная нестабильность частоты составила величину 110-14 - 210-14 при временах усреднения порядка 100 - 1000 с (нестабильность лабораторного варианта соответствовала 610-15 за 1000 с). Аналогичные серии измерений проводились в ICI (Брно, Чехия) с установкой, разработанной для метрологического института Чехии и показали значение 110-14 за время усреднения 1000 с.
В заключении представлены основные результаты данной работы.
Основные результаты работы.
1. Создано семейство твердотельных лазеров, ориентированных для задач спектроскопии сверхвысокого разрешения и метрологии, решены вопросы совмещения функций внутрирезонаторной генерации второй гармоники частоты излучения и перестройки частоты лазера в одном нелинейном кристалле. Предложены методики оптимизации диапазона перестройки и оценки потерь, вносимых двулучепреломляющим фильтром в резонатор лазера. Данные методики нашли применение при создании квазитрехуровневых лазеров на базе ионов Nd3+, Yb3+ в YAG матрице, обладающих реабсорбционными потерями. На базе разработанных лазеров были созданы источники высокостабильного излучения, используемые в экспериментах, представленных в диссертации.
2. Впервые был проведен эксперимент Майкельсона - Морли с активным вращением криогенных интерферометров. Была зарегистрирована относительная нестабильность частоты биений менее чем 10-14 для лазеров, стабилизированных по вращающимся интерферометрам.
3. Продемонстрирована возможность создания интерферометров ФабриПеро с крайне малым линейным дрейфом частоты, выполненных из сапфира.
При охлаждении данного интерферометра до температуры 3.5 К с помощью импульсного двухступенчатого коммерческого охладителя был зарегистрирован крайне малый линейный дрейф частоты на уровне 0.8 мГц/с, что на один - два порядка ниже типичных значений дрейфа частоты ULE интерферометров. Сверхмалый линейный дрейф частоты позволяет создавать лазеры, стабилизированные по резонансам данных интерферометров, с высокой долговременной стабильностью частоты за большие характерные времена.
4. Определено значение коэффициента нарушения изотропии скорости света на уровне (--1/2) = (+0.530.7)10-10 [8]. Исходя из данного результата экспериментально доказанная граница изотропии скорости света составила с/с = 6.410-16.
5. Созданы зондирующие лазеры для детектирования резонансов в одиночных ионах, захваченных в радиочастотную ловушку.
Продемонстрировано значение нестабильности частоты на уровне 210-15 за характерные времена 1 - 10 с. Показано, что ширина линии излучения за данные времена находится в пределах 1 Гц. С помощью зондирующего 2 лазера для спектроскопии октупольного перехода S1/2 F7/2 в ионе иттербия впервые зарегистрированы Фурье - ограниченные резонансы шириной менее 10 Гц. Проведены исследования высокодобротного интерферометра Фабри-Перо из нового стекла AZ (Япония) с кварцевыми зеркалами. Показано, что предельная нестабильность частоты лазера, стабилизированного по резонансу данного интерферометра в несколько раз меньше, чем для аналогичного интерферометра с ULE зеркалами.
6. Проведены расчеты динамических скалярной и тензорной поляризуемостей F7/2 уровня Yb+. Показано, что оценки динамической поляризуемости данного уровня, проведенные в NPL (Англия), оказались заниженными. Для = 600 ( - угол между направлением внешнего электрического поля и осью квантования ионной ловушки, определяемой приложенным статическим магнитным полем) получено расчетное значение полевого сдвига 60.7 мкГцВт-1 при измеренном значении 68 мкГцВт-1м-2, что превышает измеренное в NPL. Возможность скорректировать данные, измеренные в NPL, появилась в результате лучшей стабильности частоты зондирующего лазера, используемого в эксперименте, позволившего регистрировать резонансы шириной порядка 10 Гц при менее жесткой фокусировке излучения лазера на одиночный ион (для выполнения условия - импульса). Проведенные предварительные измерения абсолютной частоты октупольного перехода в Yb+. Полученное значение 642121496772640 8 Гц находится в соответствии с результатом, полученным в NPL, равным 642121496772657 12 Гц с учетом погрешностей экспериментов.
7. Выбрана схема возбуждения сверхузкого резонанса на ядерном 2переходе между основным состоянием и изомером в Th+.
Экспериментально проверена возможность двухступенчатого возбуждения с уровня 248745/2 в Th+.
8. Для стабилизации частоты оптических синтезаторов и компенсации дрейфов частоты эталонов Фабри - Перо разработан транспортируемый стандарт частоты на основе Nd:YAG лазера на длине волны 1064 нм с внутрирезонаторным удвоением частоты, стабилизированного по резонансу сверхтонкой структуры линии R56 32-0 в молекулярном йоде. Данная система обладает стабильностью частоты на уровне лучших аналогичных систем, разработанных в PTB (Германия) и JILA (США) при более простой технической реализации на базе люминесцентного метода регистрации резонансов. Были проведены независимые исследования стабильности частоты в метрологическом центре Чехии и в Университете Северного Парижа, показавшие высокие характеристики стандарта и подтвердившие величину нестабильности на уровне 10-14 за характерные времена порядка 1000 с. Система разрабатывалась для компенсации линейных дрейфов частоты ситаллового интерферометра в эксперименте по спектроскопии одиночного иона индия, захваченного в радиочастотную ловушку (MPQ, Германия). В настоящий момент системы используются для стабилизации частоты оптических синтезаторов на базе фемтосекундных лазеров в ISI (Чехия), BEV (Австрия) и ИЛФ СО РАН.
итература 1. Е.В. Бакланов, П.В. Покасов. Оптические стандарты частоты и фемтосекундные лазеры // Квант. Электрон., 2003 т. 33, No. 5, с. 383-400.
2. R.W.P. Drever, J.L. Hall, F.V. Kowalski, J. Hough, G.M. Ford, A.J. Munley, H. Ward. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator // Appl. Phys. B, 1983, 31, pp. 97-105.
3. Ch. Salomon, D. Hils, J.L. Hall. Laser stabilization at the millihertz level // J. Opt. Soc. Am. B, 1988, v. 5, pp. 1576-1587.
4. S.A. Diddams, Th. Udem, J.C. Bergquist, E.A. Curtis, R.E. Drullinger, L.
Hollberg, W.M. Itano, W.D. Lee, C.W. Oates, K.R. Vogel, D.J. Wineland. An 1Optical Clock Based on a Single Trapped Hg+ Ion // Science, 2001, 293, pp.
825-828.
5. M. Eichenseer, A.Yu. Nevsky, Ch. Schwedes, J. von Zanthier, H. Walther.
Towards an indium single-ion optical frequency standard // J. Phys. B: At. Mol.
Opt. Phys., 2003, v. 36, No. 3, pp. 553-559.
6. Chr. Tamm, B. Lipphardt, H. Schnatz, R. Wynands, S. Weyers, T.
1Schneider, E. Peik. Yb+ Single-Ion Optical Frequency Standard at 688 THz // IEEE Trans. Instr. Meas., 2007, v. 56, No. 2, pp. 601-603.
7. T. Rosenband, D.B. Hume, P.O. Schmidt, C.W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W.H. Oskay, R.E. Drullinger, T.M. Fortier, J.E. Stalnaker, S.A. Diddams, W.C.
Swann, N.R. Newbury, W.M. Itano, D.J. Wineland, J.C. Bergquist. Frequency Ratio of Al+ and Hg+ Single-Ion Optical Clocks; Metrology at the 17th Decimal Place // Science, 2008, 319, pp. 1808-1811.
8. P. Antonini, M. Okhapkin, E Goklu, S. Schiller. Test of constancy of speed of light with rotating cryogenic optical resonators // Phys. Rev. A, 2005, 71, 050101(R).
9. Н.Н. Колачевский. Лабораторные методы поиска дрейфа постоянной тонкой структуры // УФН, обзор, 2004, т. 174, No. 11, с. 1171-1190.
10. L. Lorini, N. Ashby, A. Brusch, S. Diddams, R. Drullinger, E. Eason, T.
Fortier, P. Hastings, T. Heavner, D. Hume, W. Itano, S. Jefferts, N. Newbury, T.
Parker, T. Rosenband, J. Stalnaker, W. Swann, D. Wineland, J. Bergquist. Recent atomic clock comparisons at NIST // Eur. Phys. J. Special Topics, 2008, 163, pp.
19-35.
11. E. Peik, Chr. Tamm. Nuclear laser spectroscopy of the 3.5 eV transition in Th-229 // Europhys. Lett., 2003, 61(2) pp 181-186.
12. V.V. Flambaum. Enhanced Effect of Temporal Variation of the Fine Structure Constant and the Strong Interaction in 229Th // Phys. Rev. Lett., 2006, 97, 092502.
13. R. Mansouri, R.U. Sexl. A test theory of special relativity // Gen. Rel. Grav., 1977, v. 8, pp. 497-513.
14. B.R. Beck, J.A. Becker, P. Beiersdorfer, G.V. Brown, K.J. Moody, J.B.
Wilhelmy, F.S. Porter, C.A. Kilbourne, R.L. Kelley. Energy Splitting of the Ground-State Doublet in the Nucleus 229Th // Phys. Rev. Lett., 2007, 98, 142501.
215. E.V. Tkalya. Prospects of the optical transition in the Th nucleus // Uspekhi Fisicheskikh Nauk, 2003, 46(3), pp. 315-324.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
А1. M. V. Okhapkin, M. N. Skvortsov, A. M. Belkin and S. N. Bagayev.
Tunable single-frequency diode-pumped Nd:YAG ring laser at 946 nm // Opt.
Comm., 2001, 194, pp. 207-211.
А2. M.V. Okhapkin, M.N. Skvortsov, A.M. Belkin, N.L. Kvashnin, S.N.
Bagayev. Tunable single-frequency diode-pumped Nd:YAG ring laser at 1064/5 nm for optical frequency standard applications // Opt. Comm., 2002, 203, pp. 359 - 362.
А3. М.Н Скворцов, М.В. Охапкин, А.Ю. Невский, С.Н. Багаев. Оптический стандарт частоты на основе Nd:YAG лазера, стабилизированного по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде с использованием второй гармоники излучения. // Квант. электрон. т. 34, № 12, с. 1101-1106.
А4. M.V. Okhapkin, M.N. Skvortsov, N.L. Kvashnin and S.N. Bagayev. Singlefrequency intracavity doubled Yb:YAG ring laser // Opt. Comm., 2005, 256, pp.
347-351.
А5. М.В. Охапкин, М.Н. Скворцов, С.Н. Багаев. Перестраиваемые одночастотные Nd:YAG - и Yb:YAG - лазеры бегущей волны с диодной накачкой и внутрирезонаторным удвоением частоты // Автометрия, 2007, т.
43, №5, с. 81-92.
А6. J. von Zanthier, M. Eichenseer, A.Yu. Nevsky, M. Okhapkin, Ch. Schwedes and H. Walther. A Single Indium Ion Optical Frequency Standard // Laser Phys., 2005, 15, pp. 1021-10А7. P. Antonini, M. Okhapkin, E. Goklu, S. Schiller. Test of constancy of speed ol light with rotating cryogenic optical resonators // Phys. Rev. A, 2005, 71, 050101.
А8. S. Schiller, P. Antonini, M. Okhapkin. A precision test of the isotropy of the speed of light using rotating cryogenic optical cavities // Special Relativity, Lect.
Notes Phys., 2006, v. 702, pp. 401-415.
А9. М.В. Охапкин, П. Антонини, С. Шиллер. Высокостабильные Nd:YAG - лазеры в эксперименте Майкельсона - Морли // Автометрия, 2008, т. 44, №1,с. 12-21.
А10. Ch. Eisele, M. Okhapkin, A. Yu. Nevsky, S. Schiller. A crossed optical cavities apparatus for a precision test of the isotropy of light propagation // Opt.
Comm., 2008, 281, pp. 1189-1196.
А11. Ю.А. Матюгин, М.В. Охапкин, М.Н. Скворцов, С.М. Игнатович, С.Н. Багаев. Использование метода трехуровневой лазерной спектроскопии для исследования сверхтонкой структуры эмиссионных линий молекулы I2. // Квант. электрон., 2008, т. 38, № 8, с. 755-763.
А12. I. Sherstov, M. Okhapkin, B. Lipphardt, Chr. Tamm, E. Peik. Diode2 laser system for high-resolution spectroscopy of the S1/2 F7/2 octupole transition in 171Yb+ // Phys. Rev. A, 2010, 81, 021805.
А13. V.I. Yudin, A.V. Taichenachev, M.V. Okhapkin, S.N. Bagayev, Chr. Tamm, E. Peik, N. Huntemann, T.E. Mehlstaubler, F. Riehle. Atomic Clocks with Suppressed Blackbody Radiation Shift // Phys. Rev. Lett., 2011, 107, 030801.
А14. S. Bagayev, A. Dmitriyev, S. Chepurov, A. Duchkov, M. Klementyev, D.
Kolker, S. Kuznetsov, Yu. Matyugin, M. Okhapkin, V. Pivtsov, V. Zakharyash, T.
Birks, W. Wadsworth, P. Russell, A. Zheltikov, V. Beloglazov. Femtosecond optical clock // Proc. SPIE, 2002, v. 4750, pp. 138-140.
А15. S. N. Bagayev, S. V. Chepurov, V. I. Denisov, A. K. Dmitriyev, A. S.
Dychkov, V. M. Klementyev, D. B. Kolker, I. Korel, S. A. Kuznetsov, Yu. A.
Matyugin, M. V. Okhapkin, V. S. Pivtsov, M. N. Skvortsov, V. F. Zakharyash, T.
A. Birks, W. J. Wadsworth, P. S. Russell. Femtosecond optical clock with the use of a frequency comb // Proc. SPIE, 2002, v. 4900, pp. 125-131.
А16. S. Schiller, P. Antonini, M.Okhapkin, I.Ernsting, A. Wicht, C. Lammerzahl, I. Ciufolini, H. Dittus, L. Iorio, H. Muller, A. Peters, E. Samain, S. Scheithauer.
The relativity mission optis: Developement of optical techniques // Proceedings of International Conference on Space Optics, 2004, 30 March - 2 April, Toulouse, France, 2004, p.826.
А17. J. von Zanthier, M. Eichenseer, A.Yu. Nevsky, M. Okhapkin, Ch. Schwedes and H. Walther. Single Indium Ion Optical Frequency Standard // Proc. MPLP2004, Novosibirsk, ed. S.N. Bagayev, P.V. Pokasov, 2005, pp. 151-158.
А18. S.V. Chepurov, S.A. Kuznetsov, M.V. Okhapkin, M.N. Skvortsov. A frequency-stabilized infrared comb for precision frequency measurements in the region 1 - 2 m // Proc. Laser and Fiber- Optical Networks Modeling LFNM 2005, pp. 282-285.
А19. Стусь Ю.Ф., Калиш Е.Н., Охапкин М.В., Скворцов М.Н. Применение Nd-YAG/I2-лазера в качестве оптического стандарта длины в баллистическом гравиметре // Труды Международного научного конгресса "ГЕО-Сибирь2006." Новосибирск, Россия, 26-28 апреля 2006, "Специализированное приборостроение, метрология, теп-лофизика, микротехника". Новосибирск, изд-во СГГА, 2006, т. 4 c. 48-52.
А20. C. Tamm, B. Lipphardt, T. Mehlstaubler, M. Okhapkin, I. Sherstov, B.
Stein, E. Peik. 171Yb+ single-ion optical frequency standards // Proceedings of 7th Symposium Frequency Standards and Metrology, 5-11 October 2008, Asilomar, CA, USA, ed. L. Maleki, World Scientific Publishing, 2009, pp. 235-240.
А21. E. Peik, K. Zimmermann, M. Okhapkin, Chr. Tamm. Prospects for a nuclear optical frequency standard based on thorium-229 // Proceedings of 7th Symposium Frequency Standards and Metrology, 5-11 October 2008, Asilomar, CA, USA, ed.
L. Maleki, World Scientific Publishing, 2009, pp. 532-538.
А22. N. Huntemann, B. Lipphardt, M. Okhapkin, I. Sherstov, Chr. Tamm, E.
Peik. Ytterbium Single-Ion Optical Frequency Standards at PTB. // Workshop УOptical clocks: a new frontier in high accuracy metrology.Ф 1-3 December 2010, Technical Digest, Torino, Italy, 2010, p. 3.
А23. M. Okhapkin, O.A. Herrera Sancho, Chr. Tamm, K. Zimmermann, E. Peik.
Laser spectroscopy of trapped thorium ions: Towards a nuclear optical clock // Workshop УOptical clocks: a new frontier in high accuracy metrology.Ф Technical Digest, 1-3 December 2010, Torino, Italy, 2010, p. 18.
А24 . A. Herrera Sancho, M. Okhapkin, Chr. Tamm, E. Peik. УExperiments 2with trapped thorium ions: towards a nuclear optical clock with Th.Ф Astrophysics, Clocks and Fundamental Constants 2011, Technical Digest, 18-July, 2011, Bad Honnef, Germany.