Применение лазеров как стандартов длины волны

Разработка лазеров открыла новые возможности для реали­зации стандартов длины. При этом обеспечиваются два преиму­щества:

1. Длина когерентности для излучения лазера намного больше (-104 м), чем для света криптоновой (⁸⁶Кг) лампы (-0,8 м). Поэтому становятся возможными промеры длины объектов, превышающих 1м.

2. Большая интенсивность лазера как источника света делает возможным фотоэлектрический счет интерференцион­ных полос. Однако для того, чтобы лазер мог быть исполь­зован в качестве стандарта длины волны, необходимо пред­варительно добиться высокой стабильности длины волны излучения (Dl»10-10l).

Мы будем рассматривать здесь в основном гелий-неоновый лазер. Он может работать на трех длинах волн: 632,8 нм (3s2 ® 2р4 ) красная линия в видимой части спектра, 1153 нм (2s2®2p4) и 3390 нм (3s2®3p4). Обозначение термов здесь опять дается по Пашену 3s2 обозначает Ss-электрон, 2р4—Зр-электрон, добавленный к оболочке Ne⁺. Схема термов гелий-неоново­го лазера приведена на рис. 18. Красной линии, которую мы будем здесь обсуждать, сейчас приписывается длина волны в вакууме А,=632,9914 нм. В лазерной технике расчеты проводятся на языке как длины волны, так и частоты, поскольку там приме­няются экспериментальные методы техники СВЧ. Поэтому мы будем здесь пользоваться наряду с длиной волны также частотой.

 

 

Это поставит перед нами некоторые фундаментальные вопросы, которые мы рассмотрим.

Частота излучения лазера в красной линии неона равна n=5×1014 Гц—500 ТГц (v = c/l). Частота колебаний определяется резонатором со встроенной газоразрядной трубкой Таким образом, порядок так называемой моды колебаний очень высок. Однако частота резонатора, вообще гово­ря, никогда в точности не совпадает с частотой перехода для Ne. Это в конце концов и необязательно, так как испускаемое излучение находится в интенсивном взаимодействии с газом лазера, для которого имеет место значительное доплеровское расширение линии).

Таким образом, доплеровское уширение в газе велико по сравне­нию с разностями частот собственных колебаний резонатора. Поэтому лазер может излучать в целом ряде мод в рамках доплеровской ширины линии, и эти колебательные частоты намного уже, чем доплеровская ширина.

Такое изменение частоты для лазера обычно. Чтобы получить источник света, существенно лучший, чем криптоновая лампа, необходимо добиться намного большей стабильности частоты из­лучения лазера.

Такая стабилизация достигается, если есть возможность про­изводить сравнение излучения лазера с другой очень узкой ли­нией излучения. Для этого удобны молекулярные линии погло­щения. Линии неона с длиной волны 632,8 нм достаточно точно соответствует, например, линия поглощения молекулы /а. Метод этой очень тонкой стабилизации можно понять, исходя из следующих представлений. Пусть на первом этапе лазер излучает лишь в одной моде, лежащей где-то внутри доплеровского распре­деления неона в лампе. Путем настройки лазера, состоящей в правильной установке длины резонатора, можно установить ре­зонансную частоту в центре доплеровского распределения. За­тем в этом положении достигают насыщения излучения, называе­мого лэмбовским провалом (который также можно использовать для стабилизации, хотя лучше взять молекулярную линию). Вто­рой этап состоит в том, что между газоразрядной трубкой лазера и зеркальными отражателями резонатора располагают газопоглотительный элемент, заполненный парами иода. Поглощение «приходящей» волны выравнивает числа заполнения двух инте­ресующих нас уровней (основного и возбужденного состояний молекулы), вследствие чего «уходящая» волна оказывается уже не ослабленной, напротив, в результате создания индуцирован­ного излучения достигается весьма интенсивное испускание ли­нии молекулы /2. В излучении лазера присутствует, таким обра­зом, широкий фон с лэмбовским провалом, а на нем предельно узкая линия молекулы /2, извлеченная из спектра с помощью хитроумной комбинации вспомогательных электронных средств. Используя колебания максимальной интенсивности этой Линии, вновь так подгоняют (с помощью пьезоэлектрических элементов) длину резонатора, чтобы была достигнута наибольшая интенсив­ность). С помощью такого стабилизированного лазерного источ­ника излучения К. Э. Джиллилэнд, Г. Д. Кук, К. Д. Миленц и Р. Б. Стивене сконструировали интерферометр.

Поэтому можно думать, что в будущем стандарты длины волны будут основываться на стабилизированных лазерах, если только развитие техники вообще не пойдет по иному направле­нию, о чем будет сказано в следующем разделе. Предварительно следует лишь заметить, что в методе стабилизированного лазера в качестве стандарта выбирается, собственно говоря, линия излу­чения молекулы, а гелий-неоновый лазер обеспечивает только большую интенсивность излучения. Эти частоты были, таким образом, с очень большой степенью точности измерены в оптическом диапазоне, что представляет собой за­метный успех в развитии техники измерений. С другой стороны, удалось также, пользуясь в качестве стандарта длины волны криптоновой лампой, измерить длины волн этих линий лазеров и получить соответственно 632,99147 нм+Л -К)-5 нм и 3,392231376 мкм (при ДАЛ=±3,5 -К)-0). Произведение длины волны на час­тоту должно давать величину скорости света. При этом получа­ется

с = 299792,462±0,018 км/с или соответственно с=299791,4562±0,0011 км/с.

Лучшее из известных прежде значений [25, 26] равнялось с=299791,50±0,1 км/с,

и мы видим, что его погрешность на два порядка величины пре­вышает погрешность при оптических измерениях скорости света. Анализ погрешностей при этом показывает, что главный их ис­точник — это невозможность улучшения реализации линии крип­тона. Поэтому было предложено вообще отказаться от стандарта длины и определить вместо этого скорость света как мировую постоянную (c=299792,458 км/с)1). Тогда отсюда сле­дует определение длины, если измеряется частота, и при этом стандарт длины волны подвержен меньшей погрешности, соот­ветствующей измерению частоты.