Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск Принципиальная схема

СВЕРХТОЧНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЧАСЫ
НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ:
ПРОРЫВ В БУДУЩЕЕ
С.Н.Багаев
Институт лазерной физики
Новосибирск, Россия
ВВЕДЕНИЕ
За всю историю человечества, часы как инструмент
управления временем всегда играли важную роль в изучении
Природы.
Сегодня новое поколение часов – оптические часы с
высокой
точностью
10-17-10-19
–
создаются
в
ведущих
лабораториях мира.
Это открывает уникальные возможности для появления
сверхточных квантовых инструментов, которые будут играть
выдающуюся роль в области науки и высоких технологий
будущего.
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Сверхточные оптические часы с относительной
погрешностью на уровне 10-17-10-19 станут реальными
квантовыми инструментами для:
– развитие наших знаний в области фундаментальных физических
принципов природы (принципиальные эксперименты в физике);
– сверхточных измерений в атомной, молекулярной и оптической
физике;
–
реализации сверхточного контроля
аппаратов в дальнем космосе;
полетов
космических
– создания нового поколения систем спутниковой навигации (GPS,
ГЛОНАСС-М и др.), позволяющих реализовать субсантиметровую
точность мониторинга объектов и управления ими на Земле и в
космосе;
–
повышения
точности
астрономических
наблюдений
(в
радиотелескопах, оптических каналах связи со спутниками и т.п.);
–
сверхточной синхронизации национальных шкал времени и
передачи времени между разными странами (континентами).
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Важнейшие задачи, которые необходимо решить:
– выполнить фундаментальные исследования, которые дадут
возможность получить наивысшую точность и стабильность (до
уровня 10-18 -10-19) оптических часов;
– разработать и создать возимые (транпортируемые) оптические
часы с погрешностью до 10-17 - 10-18;
– разработать научно-технологические основы космических
оптических часов с погрешностью до 1 ×10-17 и меньше;
– продемонстрировать работу возимых часов в принципиальных
физических
экспериментах
по
проверке
общей
теории
относительности и релятивистскую геодезию с высочайшей
точностью.
В этой связи необходимо: усилить координацию между основными
научно-исследовательскими и метрологическими центрами России.
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Что такое оптические часы?
Оптический стандарт частоты и времени
(оптические часы) – это система, которая
позволяет
определять
единицу
времени
(секунду) через период высокостабильных
оптических колебаний.
Оптические часы включают:
- высокостабильный по частоте лазер
(оптический стандарт частоты),
- систему деления частоты из оптического в
радиодиапазон.
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Этапы развития оптических часов
1981
–
Первые в мире оптические часы
(Институт лазерной физики, Новосибирск,
точность измерений частоты и времени:
10-11 – 10-12)
1996
–
Транспортируемые оптические часы
(Институт лазерной физики, Новосибирск,
точность измерений частоты и времени:
10-13 – 10-14)
2000-2001
–
по настоящее
время
Фемтосекундные оптические часы
(точность измерений частоты и времени:
10-16 и выше)
С.Н.Багаев и др., Appl. Phys. B., v.70, p.375, 2000.
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Принципиальная схема
фемтосекундных оптических часов
Фемтосекундный синтезатор
Блок
управления
ФАПЧ
Оптический
стандарт
частоты
Блок
сравнения
Фемтосекундный
лазер
Выход
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Радиочастотный
синтезатор
Точность абсолютных измерений частоты
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Схема универсальных фемтосекундных
оптических часов ИЛФ СО РАН
фемтосекундный
синтезатор
/ = 10-15 - 10-16
600 ТГц
He-Ne/CH4
оптический
стандарт
частоты
Nd:YAG/I2
оптический
стандарт
частоты
/ = 10-14
блок
сравнения
Mg
оптический
стандарт
частоты
уширитель
спектра
оптические
частоты
блок
управления
фемтосекундный
Ti:Sa лазер
радиочастоты
500 МГц – 10 ГГц
/ = 10-16 - 10-17
Вносимая синтезатором
нестабильность – 6·10-19 за 400 с
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Фемтосекундные оптические часы
S.N Bagayev et al., Appl. Phys. B, 2000, v.70, p.375-378,
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Новое поколение квантовых
оптических часов
Сегодня мы решаем задачу создания
нового поколения оптических часов на
ультра холодных атомах и ионах (T < ~ 1 mК)
не только наземного, но и космического
базирования с высочайшей точностью на
уровне 10-17 – 10-19.
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Схема современных оптических стандартов частоты
на основе ультрахолодных атомов и ионов
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Новое поколение оптических часов
1) Оптические стандарты частоты на «ультрахолодных» атомах и ионах (Т ≤ 1 μК)
с использованием методов лазерного охлаждения частиц и их локализации в
оптических ловушках
Атомы: Ca, 24, 26Mg, 171Yb, 87Sr, 88Sr, Hg… 87Sr / = 1.610-16 (PTB, Германия, 2011)
/ = 1.610-18 (NIST, США, 2013)
171Yb
Перспективы:
/ ≤ 10-18
24Mg, 87Sr, 171Yb
Одиночные ионы: Hg+, Al+, Yb+, Sr+, In+… 199Hg+ / = 1.910-17 (NIST, США, 2008)
27Al+
/ = 8.610-18 (NIST, США, 2010)
88Sr+
/ = 210-17 (INMS, Канада, 2012)
171Yb+
/ = 7.110-17 (PTB, Германия
с участием ИЛФ, Новосибирск, 2012)
Перспективы: Yb+, In+, Hg+, Al+
/  10 -18 - 10 -19
2) Твердотельные ядерные часы на основе Тория (Th-229).
Возможно достижение стабильности частоты на уровне
/  10 -19- 10-20.
3) Прямая связь между частотами оптического и микроволнового диапазона с
помощью фемтосекундного синтезатора
(opt →microw) ~ 10–18 – 10-19
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Схема энергетических уровней Yb+
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Важнейшие результаты ИЛФ СО РАН
В ИЛФ СО РАН впервые предложен революционный метод существенного (вплоть
до трех порядков от своей величины) подавления сдвига частоты «часового»
перехода в атоме или ионе, связанного с тепловым излучением окружающей
среды (т.н. «blackbody radiation shift»). Метод основан на том, что в атомной системе с
двумя часовыми переходами с частотами 1 и 2 существует некоторая «синтетическая»
частота 3, которая весьма слабо зависит от окружающего теплового излучения.
Например, для иона 171Yb+, оказалось возможным подавить тепловой сдвиг до уровня
10-18. В настоящее время в ИЛФ СО РАН ведутся работы по созданию 171Yb+ оптического стандарта частоты со стабильностью 10-17 – 10-18.
171Yb+
ионная
ловушка
1.
V.I. Yudin, A.V. Taichenachev, M.V. Okhapkin, S.N. Bagayev, Chr. Tamm, E. Peik, N. Huntemann, T.E. Mehlstäubler, F.
Riehle, “Atomic clocks with suppressed blackbody radiation shift”, Phys. Rev. Lett., Vol. 107, 030801 (2011).
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Сверхточный стандарт частоты на
одиночном ионе Yb+
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Схема мобильных волоконных фемтосекундных
оптических часов космического базирования
Усилитель
PSI
Накачка
1.48 мкм
Накачка
1.48 мкм
PC
PC
PZT
Er-волокно
WDM
1.48/1.56
PC
WDM
PII
1.48/1.56
Yb:YAG/I2
стандарт частоты
/ 10-15
отн. ед.
Волоконный лазер
1040
спектр излучения
Er-волокно
934
Фотоннокристаллическое
волокно
Yb+ стандарт
частоты
/= 10-16 ÷ 10-17
центральная длина волны  1,56 мкм;
длительность импульса  200 - 150 фс;
средняя мощность без усилителя  20 мВт;
средняя мощность с усилителем  130 мВт;
суперконтинуум – 900  2300 нм.
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
1560
2000
нм
Оптическая часть волоконного
фемтосекундного синтезатора
10 см
Центральная длина волны:  1,56 мкм; длительность импульса:  200 - 150 фс;
частота следования импульсов:  100 МГц; суперконтинуум: – 900  2300 нм
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
Схема передачи времени на удаленный наземный пункт
с помощью беззапросной квантово-оптической системы
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Еще раз хочу подчеркнуть, что создание сверхточных оптических
часов (/  10-17 ̶ 10-19) наземного и космического базирования в
ближайшие 10-15 лет даст прорыв не только в фундаментальной
физики и астрономии, но и откроет принципиально новые
возможности для реализации глобальных космических программ, в
том числе в дальнем космосе, включая следующие:
̶
реализация полетов космических кораблей с оптическими
часами на борту;
̶
повышение точности слежения систем дальней космической
связи;
̶
реализация специальных программ будущих спутниковых
полетов для уникальных экспериментов по гравитационному
красному сдвигу Земли и Солнца;
̶
оптические часы должны стать главными часами в космосе
(напр., на гелио-стационарных орбитах) для определения (контроля)
точного времени во всех местах на Земле и Солнце.
Институт лазерной физики СО РАН, Новосибирск
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!