Rev. Phys. Appl. (Paris) 14, 353-367 (1979)
DOI: 10.1051/rphysap:01979001402035300

Synthèse et mesure des fréquences optiques

J.J. Jimenez

Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences (LPTF). Observatoire de Paris et Bureau National de Métrologie, 61, avenue de l'Observatoire, 75014 Paris, France

Abstract
Saturated-absorption stabilized gas lasers provide, in the optical region, accepted secondary frequency and length standards. Frequency stability and reproducibility of these lasers are reviewed. Using a broadband nonlinear device as a mixer, frequency synthesis of different lasers extend the frequency measurement range from microwaves to the near infrared. Using two carbon dioxide lasers, we have been able to measure the He-Ne laser frequency at 88 THz (3.39 μm). The frequency measurement range may be increased using different CO2 isotopes. Several nonlinear devices are able to mix optical frequencies from the submillimetric to the infrared wavelength. We review their characteristics as detectors and mixers, and we point out the possibility to extend it to the visible range. The use of new devices, the cavity stabilized superconducting oscillator and the methyl alcohol laser, with very narrow linewidths, inserted in a new laser frequency synthesis chain, should permit measurements of the methane laser frequency at 3.39 μm to parts in 1012.

Résumé
Les lasers à gaz stabilisés en fréquence par absorption saturée sont actuellement acceptés comme étalons secondaires de fréquence et de longueur dans le domaine optique. Les caractéristiques de stabilité et reproductibilité en fréquence de ces différents lasers sont passées en revue. La synthèse de fréquences, par mélange dans un dispositif non linéaire à large bande passante de plusieurs faisceaux lasers, permet la mesure de fréquences comprises entre les micro-ondes et l'infrarouge proche. La synthèse à partir de deux lasers à gaz carbonique nous a permis de mesurer la fréquence du laser He-Ne à 88 THz (3,39 μm). La plage de mesure peut être élargie en utilisant les différents isotopes du CO2. Plusieurs types de dispositifs non linéaires sont capables de réaliser le mélange des fréquences optiques. Une étude de leurs caractéristiques comme détecteur et mélangeur montre les domaines respectifs possibles de fonctionnement. Plusieurs d'entre eux sont susceptibles de travailler à des fréquences infrarouges, et la possibilité d'étendre leur fonctionnement jusqu'au visible est signalée. L'utilisation de nouveaux dispositifs, tels que l'oscillateur à cavité supraconductrice et le laser à alcool méthylique (qui possèdent des raies d'émission très étroites), dans un nouveau schéma de raccordement entre les fréquences radioélectriques et optiques, permet d'envisager la mesure de la fréquence du laser à méthane à 3,39 μm avec une précision de l'ordre de 10-12.

PACS
0130R - Reviews and tutorial papers: resource letters.
0630F - Time and frequency measurement.
4255D - CO/sub 2 lasers.
4255F - Inert gas lasers.
4260H - Laser beam characteristics and interactions.
4260K - Laser beam applications.
4265K - Optical harmonic generation, frequency conversion, parametric oscillation and amplification.
4320C - Gas lasers.
4330 - Laser beam interactions and properties.
4340 - Nonlinear optics and devices.

Key words
gas lasers -- laser frequency stability -- measurement by laser beam -- optical frequency conversion -- reviews -- optical region -- He Ne laser -- frequency measurement -- nonlinear devices -- cavity stabilized superconducting oscillator -- methyl alcohol laser -- frequency synthesis -- CO sub 2 lasers -- frequency stability -- saturated absorption stabilised gas lasers -- optical frequency mixing