Láseres superestables y tecnología de cavidad superestable: de la base a las aplicaciones de vanguardia

Introducción

Los láseres ultrastables son la herramienta central en el campo de la ciencia de precisión, y su estabilidad de frecuencia puede alcanzar. 10^-16 La magnitud es aún mayor y es ampliamente utilizada en relojes atómicos, detección de ondas gravitacionales, Computación cuántica y espectrometría de precisión. Este artículo combina los Estados UnidosSistemas láser estables()SLS) y AustraliaInstrumentos líquidosEl esquema técnico de la compañía explora los principios de diseño, los avances tecnológicos y los avances experimentales de los láseres ultrastables y las cavidades ultrastables, y cita los últimos resultados de investigación y datos para proporcionar referencias para campos relacionados.

I. principios centrales y tecnologías clave de los láseres ultrastables

1. La arquitectura básica de los láseres ultrastables

Los láseres superestables suelen estar compuestos por una fuente láser, una cavidad superestable de referencia (fabry)-Perrault,FPCavidad) y sistema de control de retroalimentación. Su núcleo es bloquear la frecuencia láser aFPEn el pico de resonancia de la cavidad, la deriva de frecuencia se inhibe a través de la retroalimentación activa. Por ejemplo, el Centro de gravedad de la Universidad de Ciencia y tecnología de Huazhong adoptóLibra-Drever-Hall()PDH) esquema de bloqueo, a través de un modulación electroóptica..EOM) generar una señal de banda lateral, combinada con la información de fase de la luz reflejada para generar una señal de error, y finalmente estabilizar la frecuencia láser en la frecuencia de resonancia de la cavidad.

2. Diseño y optimización de la cavidad superestable

FPEl rendimiento de la cavidad determina directamente la estabilidad del láser.SLSLa compañía ofrece una variedad de diseños de cavidad (tabla)1), incluyendo cavidad cilíndrica, cóncava, Esférica y cúbica para satisfacer las diferentes necesidades de aplicación:

-Cavidad cilíndrica: adecuada para anchos de línea> 50 HzExperimentos de física atómica;

-Cavidad cóncava: bajo límite de ruido térmico, ancho de línea< 50 Hz, desviación de AllenSe puede alcanzar10^-15V;

-Cavidad esférica: diseño compacto, baja sensibilidad a la aceleración, adecuada para escenas en movimiento.

La siguiente imagen1Muestra las necesidades de varios tipos de cavidad

Figura 1 varios tipos de cavidad

Imagen2 Sistema de vacío de cavidad superestable (grado de vacío)< 10^-8< regreso, control de temperatura(...).±0.005℃）

Además, selección de materiales (como vidrio de expansión ultra baja)ULE) y la tecnología de control de temperatura reducen aún más el impacto del ruido térmico.

Tabla1:SLSFabri-Tipo y rendimiento de la cavidad Perot

II. tecnología de los sistemas de láser de etapa

1. Sistema de Estabilización de frecuencia altamente integrado

SLSde1 HzSistema láser de frecuencia estable..SLS-INT-1550-200-1) será de alta finuraFPLa cavidad, la Cámara de vacío de control de temperatura y el sistema de control electrónico se integran19Gabinete de pulgada, ancho de línea< 1 Hz, deriva diaria< 20 kHzEl consumo de energía es solo25Azulejos. Sus características incluyen:

Función de bloqueo con un solo clic: monitorear la temperatura y el vacío de la cavidad en tiempo real a través de la interfaz de pantalla táctil;

Diseño modular: soporte1530-1565 nmPersonalización de longitud de onda, potencia de salida hasta100 mW.

2. Baja temperatura y tecnología de supresión de vibraciones

SLSLa cavidad cóncava a baja temperatura..14- -40GradosC) lograr el límite de ruido térmico, combinadoULEMateriales y plataformas activas de aislamiento de vibraciones que permiten que el sistema se comporte en escenarios sensibles a las vibraciones, como la detección de ondas gravitacionalesExcelente.

III. avances en la investigación académica y datos experimentales

1. Investigación nacional: el sistema de cavidad superestable de la Universidad de Ciencia y tecnología de Huazhong

Desarrollado10 cmtodoULECavidad,30 cmCavidad compuesta, baja temperatura4 cmCavidad de zafiro, portador estelar4 cmCavidad compuesta y otras cavidades superestables（AdoptadoSistemas láser establesCavidad(...)Con bloqueo analógico o bloqueo totalmente digital, se han logrado varios sistemas láser ultrastables, como se muestra en la imagen.3Se muestra. Se evalúa el error del sistema láser súper estable, se diseñan y completan varios experimentos de optimización de ruido. Actualmente bloqueado en10 cmtodoULELa estabilidad de la frecuencia láser en la cavidad puede alcanzar el límite de ruido térmico de la cavidad, que es el mismo tipo de cavidad súper estable en el mundo actual.BuenoNivel de bloqueo; Bloqueado en30 cmLa estabilidad de frecuencia láser de la cavidad compuesta a temperatura ambiente es la mejor alcanzable.1.3×10^-16Y se compromete a que entre10^-17Magnitud; En un entorno de baja temperatura, el límite de ruido térmico del sistema de cavidad superestable óptica se reduce aún más, y se diseña y ensambla de forma autónoma.4 cmCavidad de zafiro completo a baja temperatura, la estabilidad de frecuencia láser que se ha logrado es la mejor alcanzable.1.9×10^-16Y se compromete a reducir aún más el impacto de la vibración del sistema, la temperatura y otros ruidos en la estabilidad de frecuencia; Bloqueado en4 cmEl sistema de Estabilización de frecuencia a bordo de la cavidad superestable se encuentra en6 mHzEl ruido de frecuencia local es3,6 Hz/Hz^{1 / 2}, ha cumplido con el plan tianqin10 Hz / Hz^{1 / 2}Requisitos. Los datos de estabilidad de frecuencia de los cuatro sistemas de Estabilización de frecuencia se resumen en la figura.4Mostrado

Figura 3 sistema láser súper estable de la Universidad de Ciencia y tecnología de huazhong. (a) sistema de cavidad superestable Ule completo de 10 cm, (b) sistema de cavidad superestable compuesto de 30 cm, (c) sistema de cavidad superestable de zafiro de baja temperatura de 6 cm, (d) sistema de cavidad superestable compuesto a bordo de 8 cm

Imagen4 Nivel de estabilidad de frecuencia de los sistemas láser ultrastables de la Universidad de Ciencia y tecnología de Huazhong

2. Frontera internacional: reloj de luz de iones de ytterbium y reloj de luz

SLSPersonalizado para relojes ópticos de iones de Yb817 nmSistema de Estabilización de frecuencia, módulo integrado de duplicación de frecuencia, deriva diaria< 15 kHz. además, "ciencia y tecnología metrológica"2021El estudio de año nuevo muestra que el láser ultrastable ha logrado un ancho de línea de nivel sahz en el reloj de luz de estroncio, lo que promueve un avance en la estabilidad del reloj de luz.10^-18. para obtener una fuente, consulte la siguiente imagen:

Imagen5 Avance en la estabilidad del reloj de luz 10^-18Artículos de referencia

4.AustraliaInstrumentos líquidosInnovación colaborativa

Imagen6 LíquidoInterfaz de operación de frecuencia de bloqueo láser y características del equipo

Instrumentos líquidosAunque no se producen directamente láseres ultrastables, sus equipos de medición de alta precisión (por ejemploMokuSerie de amplificadores de bloqueo de fase) ySLSEl sistema forma complementariedad. Por ejemplo:

Moku: Laboratorio: integraciónPIDControlador y analizador de espectro, optimizablePDHBloquear el circuito;

Moku: Pro: soporte de retroalimentación multicanal, adecuado para escenarios complejos de supresión de ruido.

Como se muestra en la figura3Se muestra que aunque el cliente utiliza el sistema de cavidad superestable, el sistema de control eléctrico y el sistema de retroalimentación son muy complejos, se utilizan muchos equipos eléctricos, se estima que está cerca.10Equipo. Sin embargo, un sistema tan complejo solo necesita usar uno de nuestros equipos.Moku:profesionaloMoku:DeltaSe puede lograr un procesamiento y monitoreo de señales tan complejos. Como se muestra en la figura7Se muestra.

Imagen7 usarMokuPara lograr la frecuencia de bloqueo láser

Los casos experimentales muestran que la combinaciónMokuEquipos ySLSCavidad superestableUn laboratorio acorta el tiempo de bloqueo30%El ruido de frecuencia se reduce a0,8 HzPuede satisfacer las necesidades de la mayoría de los laboratorios.

V. desafíos y dirección futura

1. Supresión del ruido a baja temperatura: por ejemplo, la Universidad de Ciencia y tecnología de Huazhong está desarrollando una cavidad de zafiro a baja temperatura, con una estabilidad objetivo de hasta1.9×10^-16V;

2. Miniaturización y comercialización:SLSde3 HzSistemas portátiles..16 kg) yInstrumentos líquidosEl equipo compacto promueve aplicaciones de campo;

3. Integración de múltiples longitudes de onda:SLSLa cavidad poroso soporta el bloqueo de modo común láser múltiple y es adecuada para trampas de iones y simulaciones cuánticas.

Conclusión

La tecnología de láseres y resonadores ultrastables se está desarrollando hacia una mayor estabilidad, menor consumo de energía y escenarios de aplicación más amplios. Estados UnidosSLSLas soluciones sistemáticas y la investigación en profundidad de los círculos académicos impulsan conjuntamente el progreso en la medición de precisión cuántica, la ciencia espacial y otros campos, mientras queInstrumentos líquidosPor su parte, la tecnología de control electrónico proporciona un apoyo clave para este proceso. En el futuro, con el avance de la ciencia de los materiales y los algoritmos de retroalimentación, se espera que el láser superstable se convierta en el pilar central de la investigación física básica y las aplicaciones industriales.

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