Высокостабильные лазеры и их применение в оптических стандартах частоты и прецизионных физических экспериментах Охапкин, Максим Викторович

Введение к работе

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 Ю¹⁴, 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 10¹⁴, и создаются оптические стандарты частоты с долговременной нестабильностью порядка 10¹⁵ - 10¹⁶ 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 одиночных ионов ¹⁹⁹Hg+ [4], ¹¹⁵In+ [5], ¹⁷¹Yb [6] и ²⁷Al+ [7], которые демонстрируют нестабильность ~10 ¹⁶ и выше за времена наблюдения свыше 1000 с при кратковременной нестабильности на уровне 10¹⁵.

Лазеры 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 a = e²/(4pohc) (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 dlnRy/dt и dlna/dt на уровне 10¹⁵ 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 a 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.

1. Исследование изотропии скорости света с помощью высокостабильных лазеров, стабилизированных по криогенным вращающимся интерферометрам Фабри-Перо с высокой добротностью.

2. 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 g/w» 10¹⁴ с помощью данных лазеров.

3. Поиск возможных схем возбуждения ядерного перехода в Th+ для создания оптических стандартов частоты нового поколения.

4. 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.

4. 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 дс/с=в.4хЮ¹⁶.

   3. Разработана схема стабилизации частоты лазера по сигналу отражения криогенного высокодобротного интерферометра Фабри - Перо, расположенного на вращающейся платформе при температуре 3.5К 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 перехода в ионе ²²⁹Th+ с помощью обратного электронного мостика (передачи энергии возбуждения электронной оболочки ядру). Исследованы каналы распада промежуточного уровня с энергией 24874 см^- 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.

   4. 5. 1. 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.

         2. Разработаны схемы автоматической подстройки для стабилизации частоты излучения лазеров по резонансам высокодобротных интерферометров Фабри - Перо.

         3. 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.

         4. 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 < 3хШ¹⁵ 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.

         5. 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:

         4. 5. 5. 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 дс/с=6.4х10¹⁶. Значение можно измерить с помощью лазерной системы, стабилизированной по вращающимся криогенным ортогональным интерферометрам Фабри - Перо, с нестабильностью частоты биений 2х10¹⁴ - 7-10¹⁵ в процессе вращения установки за характерные времена наблюдения 10-1000 с.

                  3. Регистрация сверхузких оптических резонансов с относительной шириной 10¹⁴ при вероятности возбуждения квантовых скачков более 60 %

                  2с 2г-. 17Кп +

                  на S₁Z₂ ^ F₇₂ 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 <3х 10^-15 за времена наблюдения 0.1 - 100 с.

                  4. Энергетический уровень 24874₅/₂ см¹ может быть использован в качестве промежуточного для двухступенчатого возбуждения ядерного перехода между основным состоянием (спин ядра 5/2) и изомером, обладающим спином ядра 3/2, в ²²⁹Th+ 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.

                  Похожие диссертации на Высокостабильные лазеры и их применение в оптических стандартах частоты и прецизионных физических экспериментах

                  

                  Эффекты продольной когерентности оптических полей с широкими спектрами пространственных и временных частот в интерференционном экспериментеЛычагов Владислав Валерьевич

                  Генерация сверхкоротких импульсов в лазере с керровской нелинейностью в резонаторе и применение этого лазера в нелинейной спектроскопии гладких и профилированных поверхностейАнгелуц, Андрей Александрович

                  Нелинейная динамика генерации многомодовых лазеров в применении к внутрирезонаторной лазерной спектроскопииВиноградов, Сергей Евгеньевич

                  Управнение характеристиками излучения и применение XеCl-лазеров и ВКР-преобразователейНеделько, Михаил Иванович

                  

                  Полупроводниковый кольцевой лазер и его применение в качестве датчика вращенияАкпаров, Владимир Валерьевич

                  

                  Волоконные брэгговские решётки для применений в перестраиваемых волоконных лазерахВласов Александр Анатольевич

                  

                  Двухволновые твердотельные лазеры микросекундной длительности для применения в хирургииКочиев, Давид Георгиевич

                  

                  Оптимизация и применения двухкаскадных ВКР-лазеров на основе фосфоросиликатных световодовЕгорова Ольга Николаевна

                  Одночастотный ТЕА СО2 лазер с инжекцией внешнего сигнала, применение в ветровых доплеровских лидарахПутивский, Юрий Яковлевич

                  Импульсные открытые разряды и их применение для создания активных сред лазеровГриднев, Александр Глебович