Fizyka Laserów wykład 14. Czesław Radzewicz

Transkrypt

1 Fizyka Laserów wykład 14 Czesław Radzewicz

2 1. Krótka historia zegarmistrzostwa 2. Współczesne standardy czasu i częstości 3. Optyczny zegar atomowy: wzorzec atomowy oscylator grzebień częstości 4. Po co? 5. Polski Optyczny Zegar Atomowy

3 jednostki SI

4 przykład układu z ruchem periodycznym: układ słoneczny doba słoneczna doba gwiazdowa 24 godziny = 1440 minut = sekund 23 h 56 min 04,091 s = 86164,09 s

5 historia: zegary słoneczne jako przykład metod opartych na obserwacjach astronomicznych

6 równanie czasu poprawka na eliptyczność orbity Ziemi

7 historia: pierwsze zegary mechaniczne katedra w Salisbury, XIV wiek, najstarszy ciągle działający

8 600 m historia: megazegary 230m 96 m Big Ben, Londyn, 1830te PKiN, Warszawa, 1950te, 2004 Królewska Wieża Zegarowa, Mekka, 2010

9 historia: zegary wahadłowe Galileo Galilei ( ) Christiaan Huygens ( ) wahadło matematyczne g T = 2π l g l długość g przyspieszenie ziemskie dokładność ok. 1 minuty na dobę (10-3 )

10 prosty wychwyt zegara wahadłowego

11 historia: problem długości geograficznej 1714, Board of Longitude ogłasza Longitude Prize Izaac Newton (Board member): "...by reason of the Motion of a Ship, the Variation of Heat and Cold, Wet and Dry, and the Difference of Gravity in Different Latitudes, such a Watch hath never been made." Nagrody: 10,000 for a method that could determine longitude within 60 nautical miles (111 km) 15,000 for a method that could determine longitude within 40 nautical miles (74 km) 20,000 for a method that could determine longitude within 30 nautical miles (56 km). John Harrison ( ) 1 m 12 cm H2 H4

12 Harrison: wychwyt świerszcza zalety: praktycznie całkowicie eliminuje tarcie nie wymaga smarowania a zatem i czyszczenia wada: mechanizm jest skomplikowany źródło animacji: Wikipedia

13 historia Kochańskiego ur. Dobrzyń n/wisłą, gimnazjum w Toruniu, Akademia Wileńska 1655 Wurzburg, prof. matematyki w Moguncji, wykładał matematykę i fizykę na uniwersytetach we Florencji, Pradze, Ołomuńcu i Wrocławiu 1661 Curiosa Mathematicus ed. Kasper Schott, IX rozdział: Statyka -- pierwszy w świecie ogólny wykład zegarmistrzostwa. Pomysły: standaryzacja długości wahadła, standaryzacja przekładni zębatej, zawieszenie wahadła, balans ze stalową sprężyną włosową. Adam Adamandy Kochański ( ) Współpraca: Heweliusz, Leibnitz

14 historia Patka A.N. Patek h. Prawdzic Rodzice: Anna z domu Piasecka, Joachim Patek herbu Prawdzic Pułk Strzelców Konnych Jazdy Augustowskiej Złoty Krzyż Virtuti Militari 1839 Genewa, razem z F. Czapkiem zakładają manufakturę zegarków 1841 naciąg główkowy 1846 niezależny sekundnik 1848 pierwszy zegarek naręczny PATEK-PHILIPPE pierwszy zegarek elektroniczny 1958 pierwszy zegarek kwarcowy Antoni Norbert Patek( )

15 wychwyt szwajcarski

16 oscylatory (zegary) kwarcowe Kwarc krystaliczny jest piezo-elektrykiem: naprężenia mechaniczne napięcie elektryczne napięcie elektryczne naprężenia mechaniczne Kryształ można zastąpić równoważnym układem elektronicznym przykładowe mody drgań mechanicznych kryształu kwarcu rozciąganie ścinanie po grubości widelec (kamerton) 2 częstości rezonansowe: ω s = 1 LC ω p = C + C 0 LCC 0 dla C 0 C mamy ω p ω s 1 + C C 0

17 zegary kwarcowe c.d. cięcie AT częstość rezonansowa w modzie ścinania po grubości: mm/częstość w MHz

18 przykładowy komercyjny zegar kwarcowy ppm =

19 historia zegarmistrzostwa c.d. pierwsza połowa 20 wieku: zegary wahadłowe: - Riefler 10-7 (5 sekund na rok) - Shortt (1 sekunda na rok) zegary kwarcowe <10-8 zegary kwarcowe w NIST, lata 30 XX wieku Dennis D McCarthy, Evolution of timescales from astronomy to physical metrology, Metrologia48 S132-S144 (2011) do połowy XX wieku: odniesienie - astronomia

20 historia zegarmistrzostwa c.d. 1955: atomowy zegar cezowy L. Essen, National Physics Laboratory (Anglia)

21 jednostki SI

22 obecne definicje SI Od 1967: 1 sekunda = czas trwania okresów promieniowania odpowiadającego przejściu pomiędzy poziomami struktury nadsubtelnej w stanie podstawowym atomu cezu 133 Od 1983: Metr jest odległością jaką przebywa światło w próżni w czasie 1/ sekundy.

23 współczesne urządzenia: zegar cezowy z wiązką atomową 133 Cs ograniczenia: poszerzenie dopplerowskie skończony czas oddziaływania F=3 Coordinated Universal Time F=4 N piec S komora próżniowa wnęka mikrofalowa licznik N S detektor

24 zegar cezowy z fontanną 133 Cs NIST-F1

25 dokładność zegara cezowego z fontanną NIST-F1

26 współ. urządzenia zegar rubidowy microwave cavity feeback Lamp 87 Rb filter 85 Rb res. cell 87 Rb PD 5 1 P 1/2 filtering 5 1 P 1/2 5 1 S 1/2 F=2 F=1 F=2 5 1 S 1/2 F=1 ν = Hz 87 Rb 85 Rb

27 Przykład komercyjnego zegara rubidowego

28 podstawy fachu oscylator przekładnia licznik/wyświetlacz

29 log s(t) ν miara jakości zegara 2 pytania: łatwe: stabilność? trudne: dokładność? stabilność? Wariancja Allana: τ t n= wariancja Allana: y n = δν ν n σ 2 τ = 1 2 y n+1 y n 2 czysto statystyczny szum t

30 mikrofale vs światło w zegarze atomowym Odchylenie Allana dla zegarów atomowych*: σ τ = Δν ν 0 T τn Δν ν - względna szerokość linii atomowej T czas pojedynczego pomiaru τ całkowity czas pomiaru N liczba atomów mikrofale światło * Allan, D. W. Statistics of atomic frequency standards, Proc. IEEE 54, (1966). ν Hz ν Hz Jak zliczać oscylacje? łańcuchy częstości optyczny grzebień częstości

31 przykładowy łańcuch częstości 2 wzorce częstości: zegar cezowy laser He-Ne ze stabilizacją na CH 4 plus 10 laserów 8 generatorów mikrofalowych 8 pętli fazowych dają wzorzec na 658 nm źródło: H. Schnatz et al., PRL76, (1996)