Основы квантовой электроники (стр. 28 )

Голографический метод требует использования лазерного излучения с высокими когерентными свойствами. Необходимо, чтобы выполнялось условие

, (6.1)

где τ – время когерентности, L – максимальное для конкретной схемы разность путей двух световых лучей, проходящих от источника лазера до голограммы. Время когерентности лазерного излучения может достигать 10–3с. В этом случае длина когерентности доходит до 105 м, что на семь порядков превышает длину когерентности обычных источников света (доли см). Наиболее широко в голографии используются газоразрядные лазеры с излучением в видимом диапазоне длин волн и узкой линией (He-Ne, Ar+ и др., см., раздел 4).

Если опорный и предметный пучки падают на светочувствительный слой с разных сторон, то период минимален и близок к λ/2, а интерференционная картина располагается в толще слоя (“отражательная”голограмма Денисюка).

Методы голографии позволяют получать объёмные изображения предметов (в т. ч. и цветные изображения), что используется в демонстрационных целях, при создании объёмных изображений произведений искусства, голографических портретов (изобразительная голография). Трёхмерные свойства голографических изображений используются для исследования движущихся частиц (например, капель дождя или тумана), треков ядерных частиц и др. Объёмность изображения делает перспективным создание голографического кино и телевидения. Широкое применение получили методы голографической интерферометрии для изучения неоднородностей материалов (внутренние трещины, пустоты и др.), в т. ч. для исследования механических деформаций. Методы голографии также используются для хранения и обработки информации.

6.3. Квантовые эталоны и стандарты частоты в СВЧ и оптическом диапазонах

В настоящее время единицы частоты (1 Гц) и времени (1 с), используемые в измерительной технике, навигации и метрологической службе, определены через период колебаний излучения атомов водорода и цезия при квантовых переходах в СВЧ диапазоне, а единица длины (1 м) определена через длину волны квантового перехода He-Ne лазера (описанного в разделе 4.3).

Эти величины воспроизводятся с помощью квантовых эталонов (стандартов) частоты (КСЧ)–устройств для получения электромагнитных колебаний со стабильной во времени частотой. Среднеквадратичное относительное отклонение частоты (относительная нестабильность) и относительная погрешность воспроизведения действительного значения частоты (воспроизводимость) у КСЧ достигает 10-14.

6.3.1. КСЧ СВЧ-диапазона. КСЧ (реперы частоты) подразделяются на активные и пассивные. Активный репер является квантовым генератором (мазером). Рассмотрим принцип действия мазера на переходах сверхтонкой структуры (СТС) атома водорода.

Водородный мазер–квантовый генератор эталонных высокостабильных электромагнитных колебаний, работа которого основана на вынужденном испускании фотонов атомами водорода на квантовом переходе между магнитными подуровнями СТС основного электронного состояния 1s атома водорода (для электрона: n=1, l=0, ml=0, s=½, I=½; для ядра J=½). Используется квантовый переход между верхним подуровнем «2» (|F|=|I|+|J|=1, mF=0) и нижним «1» (|F|=|I|–|J|=0, mF=0), где F–полный момент атома, а mF–проекция этого момента. Частота ν0 этого перехода в слабом магнитном поле Н:

ν0 = (1420 405 751,786 + 428,1∙10–3 H2) Гц, λ0≈21 см. (6.2)

Задача создания инверсной заселённости в СВЧ-диапазоне усложняется тем, что указанные подуровни заселены в состоянии термодинамического равновесия по закону Больцмана. Для разности населённостей уровней ΔN = N1–N2 нетрудно получить:

ΔN=(N1–N2) ≈ (N1+N2)∙(E2–E1) / 2kT, (6.3)

где E2–E1=hν0<<kT, при нормальных условиях ΔN ≈ 10–3·(N2+N1). Как следует из (1.12), на переходах в СВЧ диапазоне релаксация состояния «2» в состояние «1» происходит главным образом межатомными столкновениями (см., раздел 1.5). Поэтому единственным способом создания инверсной населённости между состояниями «2» и «1» является сортировка частиц по состояниям, которая выполняется в неоднородном магнитном поле, и в результате атомы в состоянии «1» уходят в область сильного поля, а атомы в состоянии «2»–слабого. Чтобы после сортировки атомы в состоянии «2» не релаксировали в состояние «1» путём столкновений, сортировка осуществляется для бесстолкновительного, “монокинетического” пучка атомов водорода. По этой причине водородный мазер и сходные с ним приборы называются “пучковыми”.

Выделенные (селектированные) атомы водорода в состоянии «2», группирующиеся в области слабого поля Н≈0, и образуют ансамбль частиц с инверсией населённостей. Далее эти атомы попадают в объёмный резонатор, настроенный на частоту ν0. Начало процессу генерации даёт или флуктуационное электромагнитное поле, или спонтанное испускание фотона с ν0 одним из атомов. В резонаторе при каждом акте вынужденного перехода «2»→«1» излучается электромагнитная энергия, равная hν0. Если количество атомов в состоянии «2», вводимых в единицу времени в резонатор, достаточно для того, чтобы выделяемая ими электромагнитная энергия компенсировала потери энергии в нём, то наступает самовозбуждение, аналогичное показанному на рис.2.4. Амплитуду установивших колебаний определяет эффект насыщения.

Внутри вакуумноплотной оболочки водородного мазера, где давление остаточных газов очень мало, на одной оси находятся: источник пучка атомарного водорода, сортирующая магнитная система и СВЧ-резонатор. Магнитная сортирующая система обычно представляет собой магнит с чётным числом полюсов (2, 4 или 6), атомы в состоянии «2»(1,0) фокусируются на её оси, а атомы в состоянии «1»(0,0) отклоняются.

В пассивном КСЧ (репере) на атомах цезия–цезиевой атомно-лучевой трубке (АЛТ)–спектральная линия квантового перехода используется для автоподстройки по ней частоты вспомогательного высокостабильного клистронного СВЧ-генератора. В этом случае квантовый репер работает как дискриминатор частоты, определяющий величину и знак отклонения частоты вспомогательного генератора от её номинального значения, а система АПЧ путём подстройки частоты вспомогательного генератора устраняет это отклонение.

В цезиевой АЛТ используется квантовый переход между магнитными подуровнями СТС основного электронного состояния атома цезия 137Cs, а именно: между верхним уровнем «2» (F=4, mF=0) и нижним–«1» (F=3, mF=0) с частотой

ν0=9 192 631 777,0… Гц, λ0≈3,25 см.

Схема цезиевой АЛТ показана на рис. 6.2. В левом конце трубки, давление остаточных газов в которой очень мало, расположен источник атомов цезия–испаритель с металлом (температура около 100ºС), пары из которого выходят через систему параллельных капилляров. Атомы, вылетая из источника, формируются в слаборасходящийся монокинетический пучок с “плоским” профилем. В противоположном конце трубки расположен детектор атомов Cs с поверхностной ионизацией.

По пути от источника к детектору пучок атомов пересекает два постоянных неоднородных магнитных поля Н1 и Н2. Поле Н1 магнита 2 (рис. 6.2, в) “сортирует” атомы по траекториям. Функция поля Н2 магнита 4 состоит в выделении и фокусировке атомов, совершившие квантовый переход в резонаторе 3.

Рис. 6.2. Цезиевая атомно-лучевая трубка: схема трубки (а), упрощённая диаграмма уровней СТС атома Cs (б); профиль полюсных наконечников магнитов (в). 1 – источник пучка атомов Cs, 2 и 4 –отклоняющие магниты, 3 – объёмный резонатор, 5–6 – детектор атомов цезия с поверхностной ионизацией (5 – раскаленная проволочка, 6 – коллектор положительных ионов), 7 – генератор, 8 – линия магнитного поля, 9 – профиль пучка атомов Cs (оболочка трубки не показана).

Чтобы понять принцип работы цезиевой АЛТ рассмотрим две ситуации:

1) частота генератора отличается от частоты квантового перехода. Атом в состоянии «2» из пучка I пролетев через объёмный резонатор и не испытав квантового перехода, уводится полем Н2 от оси и не попадает на детектор. То же самое происходит и с атомами в состоянии «1» из пучка II. Ток детектора равен нулю.

2) частота генератора совпадает с частотой квантового перехода. Атом в состоянии «2» из пучка I пролетев через резонатор, испытывает индуцированный излучением генератора квантовый переход «2»→«1». Перейдя в состояние «1», он взаимодействует с полем Н2, отклоняется в направлении к оси трубки и фокусируется в детекторе. Атом в состоянии «1» из пучка II пролетая через резонатор поглощает квант излучения генератора и испытывает квантовый переход «1»→«2». Находясь в состоянии «2», атом взаимодействует с полем Н2, также отклоняется в направлении к оси трубки и также фокусируется в детекторе. Детектор регистрирует ток.

Точность определения ν0 обусловлена пролётным уширением (см., раздел 1.7).

Международным комитетом по мерам и весам цезиевая АЛТ признана первичным стандартом частоты, по отношению к которому стандарты других типов являются вторичными. Цезиевый КСЧ обычно дополняют синтезаторами частоты–устройствами, вырабатывающими определённый набор частот ниже ν0, вплоть до 1 Гц (для атомных часов), стабильность которых равна стабильности стандарта (погрешность ~10‑14). Достоинство цезиевой АЛТ состоит в доступности и точности: даже малогабаритные цезиевые АЛТ работают с относительной погрешностью 10‑12–10‑13.