РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ПРЕЦИЗИОННОЙ ЛАЗЕРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХОЛОДНЫХ АТОМОВ И ИОНОВ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ (ОПТИЧЕСКИХ ЧАСОВ) НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Объектом исследования являются атомы в оптических решетках и ионы в электромагнитных ловушках, взаимодействующие с лазерным полем. Основной целью работы являлось улучшение метрологических характеристик оптических стандартов частоты на основе ультрахолодных атомов и ионов. Для решения этой задачи модернизируются существующие и разрабатываются новые методы прецизионной лазерной спектроскопии и лазерного охлаждения атомов ионов. За отчетный период получены следующие наиболее важные результаты: 1. Разработан метод комбинированного сигнала ошибки в спектроскопии непрерывного типа (continuous wave spectroscopy) для подавления полевого сдвига и его флуктуаций в атомных часах. В предложенном подходе управляющий сигнал для корректировки частоты локального осциллятора формируется на основе опроса атомной системы при двух различных значения мощности лазерного излучения, Р1 и Р2. Комбинированный сигнал ошибки (используемый для стабилизации частоты) находится как суперпозиция двух стандартных сигналов ошибок, генерируемых для каждой мощности в отдельности. При этом коэффициент этой суперпозиции (калибровочный коэффициент) зависит только от отношения P1/P2. Разработана также принципиальная схема реализации метода для реализации нового метода, где отношение Р1/Р2 измеряется с помощью дополнительного фотодетектора, на который падает луч после прохождения разделительной пластины. 2. На основе развитого квантового подхода для описания кинетики атомов в резонансных световых полях проведено исследование пределов лазерного охлаждения различных атомов с оптическими переходами различающимися отношением параметра отдачи (отношением энергии отдачи получаемой атомом при единичном взаимодействии с фотоном поля к естественной ширине линии). Показано, что отличия от квазиклассических моделей проявляются не только в условиях достаточно большоко параметра отдачи, но и для достаточно малых величин, что приводит к ограничению минимально достижимых температур лазерного охлаждения и отличия результатов от предсказаний квазиклассических теорий субдоплеровского лазерного охлаждения. Проведенный анализ позволил также сравнить пределы лазерного охлаждения в различных полевых конфигураций. 3. Проведены исследования возможности создания оптической решетки, не вносящей существенных возмущений частоты интеркомбинационного перехода 1S0 -3P1 атома магния. Измерен штарковский сдвиг перехода 1S0 -3P1 на длине волны 532 нм. 4. Выполнен цикл работ по созданию компактного «часового» лазера на длине волны 457нм с шириной линии порядка 100 Гц. Разработаны и исследованы лазерные системы на длине волны 383нм для субдоплеровского охлаждения атомов магния в магнитооптической ловушке (МОЛ). Для настройки частоты излучения на охлаждающий переход 3P2 – 3D3 впервые наблюдены резонансы насыщенного поглощения в разрядной ячейке с полым магниевым катодом. 4. В рамках работ по созданию оптического стандарта частоты с относительной погрешностью и долговременной нестабильностью частоты менее 10-17 проведен цикл работ по работ по исследованию и улучшению характеристик лазеров с узкой линией излучения на длине волны 871 нм, создаваемых для спектроскопии «часового» перехода в одиночном ионе иттербия, захваченного в радиочастотную ловушку Паули. Получен спектр возбуждения квадрупольного перехода состоящий из нескольких резонансов, которые содержат информацию о состоянии иона, его движении в ловушке и взаимодействии с окружающей средой. Ширина зарегистрированного резонанса на центральной частоте перехода составляет около 30 Гц. 5. Рассмотрена возможность создания стандарта частоты в области вакуумного ультрафиолетового излучения (62.6нм) с использованием в качестве репера перехода 23S−11S атома гелия. Проделанная работа и полученные научные результаты являются результативным шагом, на пути реализации современных оптических стандартов частоты с использованием холодных нейтральных атомов в оптических решетках, а также стандартов частоты на одиночном ионе иттербия в радиочастотной ловушке.