CC BY
133
УДК 550.312
Ю.Ф. Стусь, Е.Н. Калиш, М.В. Охапкин, М.Н. Скворцов Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Новосибирск
ПРИМЕНЕНИЕ ND:YAG/I2 - ЛАЗЕРА В КАЧЕСТВЕ ОПТИЧЕСКОГО СТАНДАРТА ДЛИНЫ В БАЛЛИСТИЧЕСКОМ ГРАВИМЕТРЕ
Введение. С появлением высокостабильных источников когерентного излучения (лазеров) баллистический метод измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести g стал наиболее точным и перспективным для дальнейшего развития. Абсолютное значение g определяют этим методом по результатам измерения пути и времени свободного падения пробной массы в вакуумированной камере. В схеме этих измерений используется лазерный интерферометр, т.е. мерой пути служит длина волны лазера, стабилизированного по атомному реперу в спектре его излучения. Мерой интервалов времени являются сигналы прецизионного (например, рубидиевого) стандарта частоты.
Принцип действия баллистического гравиметра основан на измерении интервалов времени Тг-, за которые свободно падающее тело проходит заданные интервалы пути Si при (i = Вычисляемое по результатам
измерений интервалов S и Ti значение g определяет величину ускорения силы тяжести в точке, находящейся внутри интервала измерений.
Непосредственное освещение интерферометра стабилизированным лазером с йодной ячейкой поглощения вносит в результат измерений дополнительную погрешность, определяемую шириной спектра излучения, воспроизводимостью и долговременной стабильностью частоты оптического стандарта. Еще один фактор - ограниченные поперечные размеры пучка лазерного излучения - также может быть источником ошибок определения g. Распространение такого пучка сопровождается дополнительными (по сравнению с интерференцией плоских волн) дифракционными фазовыми сдвигами.
Nd: YAG лазер с внутрирезонаторным удвоением частоты, стабилизированный по резонансам насыщенного поглощения в I2. Исходя из требования получения минимальных значений ошибок, обусловленных параметрами используемого излучения при измерении ускорения силы тяжести g, Институтом лазерной физики СО РАН был спроектирован и изготовлен оптический стандарт частоты ILP I2/532-1. Стандарт состоит из Nd:YAG лазера бегущей волны с внутрирезонаторным удвоением частоты и системы стабилизации частоты лазера по резонансам насыщенного поглощения в молекулярном йоде [1].
Таблица 1
Основные параметры стандарт частоты ГЬР 12/532-1:
Выходная мощность во внешнюю оптическую схему > 5мВт
Относительная стабильность частоты не хуже 10-10
Относительная воспроизводимость частоты не хуже 2x10-10
Частота лазера при стабилизации по резонансу а1 R(56), 32-0 563259651950±50 кГц
Модовый состав TEM00q
Поляризация Линейная
Nd:YAG лазер бегущей волны представляет собой двухзеркальный резонатор с непланарной геометрией. Оптический диод базируется на эффекте Фарадея (поворот поляризации) в кристалле YAG при приложении к нему магнитного поля в направлении, параллельном направлению распространения луча в резонаторе (рис. 1).
Накачка лазера производится с помощью лазерного диода на длине волны 808 нм с выходной мощностью порядка 1.7 Вт. Ввод излучения накачки производится через зеркало 2 резонатора. Зеркало 1 служит для вывода излучения на длине волны 1064 нм и второй гармоники частоты излучения на длине волны 532 нм (в системах, предназначеннных для измерения гравитационного поля, основное излучение на длине волны 1064 нм блоки-руется на выходе лазера и не используется в схеме стабилизации частоты). Для удвоения частоты излучения лазера используется внутрирезонаторный кристалл КТР.
Одновременнно с функцией внутрирезонаторного удвоения частоты кристалл КТР используется для перестройки частоты излучения лазера в больших пределах, что дает возможность стабилизировать частоту излучения лазера по ряду линий поглощения молекулярного йода в пределах диапазона
перестройки ~ 700 ГГц. Для стабилизации частоты лазера часть излучения на длине волны 532 нм направляется в поглощающую ячейку с парами молекулярного йода. Оптическая схема стабилизации частоты представлена на рис. 2. Система стабилизируется по нулю сигнала первой гармоники резонанса насыщенного поглощения (для гравиметров на переходе а1 сверхтонкой структуры линии R56,32-0, соответствующему центру диапазона перестройки лазера) в !2. Электрооптический модулятор (ЭОМ) служит для фазовой модуляции насыщающей волны (используется для формирования сигнала ошибки в системе стабилизации частоты). Пробная волна после прохождения через поглощающую ячейку поступает на фотоприемник. Сигнал ошибки детектируется с помощью синхронного детектора и система АПЧ, управляя пьезоэлементами (ПК-1 и ПК-2), стабилизирует частоту излучения лазера.
Рис. 2. Оптическая схема стабилизации частоты
Часть излучения, не используемая для стабилизации частоты, выводится из корпуса через одномодовое оптоволокно с сохранением поляризации. Данное излучение (мощность ~ 5 мВт) используется во внешней оптической схеме. Стабилизация частоты может производиться как в ручном, так и в автоматическом режимах.
Адаптация стандарта частоты для работы в баллистическом гравиметре и предварительные исследования параметров лазерного луча в интерферометре баллистического гравиметра. Испытания оптического стандарта Nd:YAG/I2 производилось на базе баллистического гравиметра ГАБЛ [2,3]. В адаптированном варианте оптической системы гравиметра вместо №-№ рабочего и контрольного лазеров использовался Nd:YAG/I2 оптический стандарт частоты. Излучение стандарта вводилось в оптическую систему гравиметра с помощью одномодового оптического волоконного кабеля P1-630A-FC-2 с сохранением поляризации. Вместо штатного
коллиматора в оптической системе гравиметра был установлен асферический коллиматор F220FC-A. Кроме того, в системе были заменены светоделитель и поворотные зеркала, рассчитанные под новую длину волны - 532 нм. Фотоприемник выходного сигнала интерферометра (лавинный фотодиод) в адаптированном варианте системы был вынесен из интерферометра и конструктивно располагался в блоке контроллера гравиметра. Выходной сигнал интерферометра подавался на фотоприемник с помощью оптоволоконного кабеля M29L02 - SMA. Волоконные кабели снабжены оптическими разъемами, что обеспечивает удобство при транспортировке и способствует минимизации времени запуска всей системы на новом месте.
Баллистический гравиметр ГАБЛ с встроенным Nd:YAG/I2 оптическим стандартом частоты в сентябре 2005 г. был доставлен в Международное бюро весов и мер (BIPM, Севр, Франция) для участия в Седьмой Международной сверке абсолютных гравиметров ICAG-05. Перед началом гравиметрических измерений было произведено сличение используемого нами оптического стандарта Nd:YAG/I2 с оптическим стандартом Международного бюро весов и мер. В результате сличений установлено, что частота излучения оптического стандарта ILP I2/532-1 составляет 563 259 652 143(20) kHz, (что соответствует длине волны 532.24557601(2) нм) и отличается от частоты,
приведенной в техническом паспорте ILP I2/532-1 (табл. 1) на 193 kHz. И хотя
10 2
при этом ошибка определения g не превышает 5*10" м/с , в дальнейших расчетах использовалось значение частоты, определенное в результате сличения с оптическим стандартом Международного бюро весов и мер.
Седьмая Международная Сверка Абсолютных Гравиметров ICAG-2005. Для установления единства международных абсолютных гравиметрических измерений раз в четыре года в Международном бюро весов и мер (BIPM, Севр, Франция) проводится Международная сверка абсолютных гравиметров.
28 апреля 2005 на объединенном совещании BIPM, CCM WGG (Working Group on Gravimetry of Consultative Committee on Mass) и SGCAG (Study Group 2.1.1 on Comparison of Absolute Gravimeters of Sub-Commission 2.1 of International Association of Geodesy) было принято решение об организации и проведении 7-ой Международной сверки абсолютных гравиметров ICAG-2005. Сверке был присвоен статус ориентировочных исследований (pilot study) согласно правилам для основных сравнений (key comparison) [3]. К сверке были допущены девятнадцать исследовательских групп из шестнадцати стран, представляющих семь типов абсолютных гравиметров. Гравиметры типов: JILA, FG5, A10 и GABL - основаны на принципе свободного падения пробного тела, а в гравиметрах IMGC и TBG - использован принцип подбрасывания пробного тела вверх. Срок проведения абсолютных измерений ускорения силы тяжести g был установлен с 5 по 19 сентября 2005 г.
В течение сверки гравиметром ГАБЛ было выполнено три серии измерений: 22.09.05 на пункте A, 23.09.05 на пункте B и 24.09.05 повторные измерения на пункте A. По предварительным оценкам, базирующимся на материалах предыдущих сверок, результаты измерений весьма близки к
приписываемым значениям для данных пунктов (окончательные результаты будут получены после обработки материалов всех участников сверки ICAG-2005). Отметим, что повторные измерения гравиметром ГАБЛ на пункте А
о л
отличаются всего лишь на 3,6 микрогала (3,6х10- м/с ). Расширенная инструментальная неопределенность гравиметра ГАБЛ определена как
7 2
1Дх10- м/с . Результаты исследования показали, что разработанный Институтом лазерной физики СО РАН Nd:YAG/I2 оптический стандарт с успехом может быть использован в качестве стандарта длины для баллистического гравиметра, а разработанная в Институте автоматики и электрометрии СО РАН базовая конструкция абсолютного лазерного баллистического гравиметра со встроенным Nd:YAG/I2 стандартом частоты является прототипом гравиметра нового поколения.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 04-22-08062 офиа.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. M.V.Okhapkin, M.N.Skvortsov, A.M.Belkin, N.L.Kvashnin and S.N.Bagayev. Tunable single-frequency diode-pumped Nd:YAG ring laser at 1064/532 nm for applications of optical frequency standard // Opt. Commun. 203 (2002) 359-362.1.
2. Арнаутов Г.П., Калиш Е.Н., Смирнов М.Г., Стусь Ю.Ф., Тарасюк В.Г. Лазерный баллистический гравиметр ГАБЛ-М и результаты наблюдений силы тяжести //Автометрия. 1994. № 3.
3. Арнаутов Г.П., Калиш Е.Н., Стусь Ю.Ф., Смирнов М.Г. Высокопрецизионное измерение ускорения силы тяжести лазерным интерферометрическим способом // Приборы, 2003, № 6 (36), С. 57-62.
4. T.J. Quinn, Guidelines for CIPM key comparisons carried out by Consultative Committees, BIPM, Paris, 1 March 1999 with modifications by the CIPM, in October 2003 http://www.bipm.org/utils/en/pdf/guidelines.pdf
© Ю.Ф. Стусь, Е.Н. Калиш, М.В. Охапкин, М.Н. Скворцов, 2006
