Lasers ultrastables et technologie de cavité ultrastable: de la base aux applications de pointe

Introduction

Laser ultrastable est un outil central dans le domaine de la science de précision, sa stabilité de fréquence peut atteindre 10^-16 De l'ordre de grandeur encore plus élevé, il est largement utilisé dans des domaines tels que les horloges atomiques, la détection d'ondes gravitationnelles, l'informatique quantique et la spectroscopie de précision. Cet article combine les États - UnisSystèmes laser stables(SLS) et l'AustralieInstruments liquidesLe programme technologique de la société explore les principes de conception, les percées technologiques et les progrès expérimentaux des lasers ultrastables et des cavités ultrastables, et cite les dernières recherches et données pour servir de référence dans des domaines connexes.

I. principes de base et technologies clés du laser ultrastable

1. Architecture de base des lasers superstables

Les lasers superstables sont généralement constitués par une source laser, une cavité superstable de référence (Fabry-La cavité de Pérot,FPCavités) et la composition du système de contrôle de rétroaction. Son noyau réside dans le verrouillage de la fréquence laser àFPSur le pic de résonance de la cavité, la dérive de fréquence est inhibée par rétroaction active. Par exemple, le Centre gravitationnel de l'Université des sciences et technologies de Huazhong a adoptéde Pound-Drever-Hall(PDH) schéma de verrouillage, par modulateur électro - optique (EOM), générer un signal de bande latérale, combiné à l'information de phase de la lumière réfléchie pour générer un signal d'erreur qui stabilise finalement la fréquence laser à la fréquence de résonance de la cavité.

2. Conception et optimisation des cavités ultrastables

FPLa performance de la cavité détermine directement la stabilité du laser.SLSLa société offre plusieurs conceptions de cavité (table1), comprenant des cavités cylindriques, concaves, sphériques et cubiques pour répondre aux différents besoins des applications:

-Cavité cylindrique: convient pour largeur de ligne> 50 HzExpériences de physique atomique;

-Cavité concave: faible limite de bruit thermique, largeur de ligne< 50 HzDéviation d'AllenPeut atteindre10^-15;

-Cavité sphérique: conception compacte, faible sensibilité à l'accélération, adaptée aux scènes en mouvement.

Figure ci - dessous1Affichage des différents besoins en type de cavité

Figure 1 différents types de cavités

Figure2 Système de vide à cavité ultrastable (degré de vide< 10^-8< retour, contrôle de la température<±0.005℃）

En outre, le choix des matériaux (par exemple, verre à très faible dilatation)ULE), et la technologie de contrôle de la température réduit encore l'impact du bruit thermique.

table1Pour:SLSFabry-Types de cavités Perot et propriétés

Technologie de stable laser systems

1. Système à fréquence stable hautement intégré

SLSDe1 HzSystème laser à fréquence stable (SLS-INT-1550-200-1), sera de haute finesseFPCavité, chambre à vide à température contrôlée et système de contrôle électronique intégré dans19Châssis en pouces, largeur de ligne< 1 HzLa dérive quotidienne< 20 kHz, consommation d'énergie seulement25Watts. Ses caractéristiques comprennent:

Fonction de verrouillage à une touche: surveiller la température de la cavité et le degré de vide en temps réel via l'interface à écran tactile;

Conception modulaire: support1530 à 1565 nmLongueur d'onde personnalisée, puissance de sortie jusqu'à100 mW- Oui.

2. Technologie de basse température et de suppression des vibrations

SLSCavité concave à basse température (14- le -40°C), atteindre la limite de bruit thermique, combiné avecULEMatériaux et plates - formes d'isolation active des vibrations permettant au système de se comporter dans des scénarios sensibles aux vibrations tels que la détection d'ondes gravitationnellesExcellent- Oui.

Iii. Progrès de la recherche universitaire et données expérimentales

1. Recherche nationale: système de cavité ultrastable à l'Université des sciences et technologies de Huazhong

Développé10 cmToutULELa cavité,30 cmCavité composite, basse température3 cmCavité saphir, starborne8 cmCavités superstables telles que les cavités Composites（AdoptéSystèmes laser stablesLa cavité) et, avec verrouillage analogique ou verrouillage entièrement numérique, plusieurs ensembles de systèmes laser ultrastables ont été réalisés, comme illustré3Montré. Évaluation des erreurs sur les systèmes laser ultrastables, conception et réalisation de plusieurs expériences d'optimisation du bruit. Actuellement verrouillé dans10 cmToutULELa stabilisation de la fréquence laser sur la cavité peut atteindre la limite de bruit thermique de la cavité résonante, pour le même type de cavité ultrastable dans le monde actuelBonNiveau de verrouillage; Verrouillé dans30 cmLa stabilité de fréquence de laser de cavité composite à température ambiante est meilleure à atteindre1.3×10^-16Et s'engage à le faire entrer10^-17L'ordre de grandeur; Dans un environnement à basse température, la limite de bruit thermique du système de cavité ultrastable optique est encore réduite, conçue et Assemblée de manière autonome3 cmCavité de saphir complet à basse température, la stabilité de fréquence laser actuellement atteinte est la meilleure possible1.9×10^-16, et vise à réduire davantage l'impact des vibrations du système, de la température et d'autres bruits sur la stabilité de la fréquence; Verrouillé dans8 cmLe système de fréquence stable stellaire de la cavité superstable est6 mHzLe bruit de fréquence est3,6 Hz/Hz^{1 / 2}, a satisfait le plan de violon10 Hz/Hz^{1 / 2}Les exigences. Résumé des données de stabilité de fréquence du système à quatre ensembles de fréquences stables4Montré

Figure 3 système laser ultrastable de l'Université des sciences et technologies de Huazhong. (A) Système de cavité superstable uLe complet de 10 cm, (b) Système de cavité superstable composite de 30 cm, (c) Système de cavité superstable saphir cryogénique de 6 cm, (d) Système de cavité superstable composite de 8 cm

Figure4 Ensemble de niveaux de stabilité de fréquence du système laser ultrastable de l'Université des sciences et technologies de Huazhong

2. Frontières internationales: horloge optique à ions Ytterbium vs horloge optique à strontium

SLSPersonnalisé pour horloge optique à ion Ytterbium817 nmSystème de fréquence stable, module de doublement de fréquence intégré, dérive quotidienne< 15 kHz. En outre, sciences et technologies métrologiques2021La recherche de l'année a montré que le laser ultrastable a atteint une largeur de ligne Sub - hertz dans l'horloge optique au strontium, poussant la percée de la stabilité de l'horloge optique10^-18. provenance Veuillez vous référer à l'image ci - dessous:

Figure5 Percée de stabilité d'horloge lumineuse 10^-18Articles de référence

Quatre.AustralieInstruments liquidesL’innovation Collaborative

Figure6 LiquideInterface de fonctionnement à verrouillage de fréquence laser et caractéristiques de l'équipement

Instruments liquidesBien que les lasers superstables ne soient pas directement produits, leurs appareils de mesure de haute précision (tels queMokuAmplificateur à verrouillage de phase série) avecSLSLe système forme une complémentarité. Par exemple:

Moku: Laboratoire: intégrationPIDContrôleur et analyseur de spectre, optimiséPDHBoucle de verrouillage;

Moku : Pro: prise en charge de la rétroaction multicanaux, adaptée aux scénarios complexes de suppression du bruit.

Comme sur la figure3Montré, bien que le client utilise un système de cavité ultrastable, mais le contrôle électrique et le système de rétroaction sont très complexes, l'utilisation de l'équipement électrique est très grande, on estime que près de10Équipement. Cependant, un système aussi complexe ne nécessite qu'un seul de nos appareilsMokuPour:professionnelouMokuPour:DeltaUn traitement et une surveillance du signal aussi complexes peuvent être réalisés. Comme sur la figure7Montré.

Figure7 utiliserMokuPour réaliser le verrouillage laser

Affichage expérimental de cas, combiné avecMokuÉquipement etSLSCavité ultrastableUn laboratoire réduit le temps de verrouillage30%, bruit de fréquence réduit à0,8 HzPeut répondre aux besoins de la plupart des laboratoires.

V. Défis et orientations futures

1. Suppression du bruit à basse température: par exemple, l'Université des sciences et technologies de Huazhong développe une cavité en saphir à basse température, la stabilité de la cible est atteinte1.9×10^-16;

2. Miniaturisation et commercialisation:SLSDe3 HzSystème portable (16 kg) etInstruments liquidesL'équipement compact pousse l'application sur le terrain;

3. Intégration Multi - longueur d'onde:SLSLa cavité poreuse prend en charge le verrouillage de mode commun multilaser, adapté aux pièges à ions et à la simulation quantique.

Conclusion

La technologie des lasers et des cavités ultrastables évolue vers une plus grande stabilité, une consommation d'énergie plus faible et un plus large éventail de scénarios d'application. États-UnisSLSLes solutions systématisées et la recherche approfondie dans le milieu universitaire contribuent aux progrès dans les domaines de la mesure de précision quantique, des sciences spatiales, etc., etInstruments liquidesLa technologie de contrôle électronique fournit un appui essentiel à ce processus. À l'avenir, avec les percées dans la science des matériaux et les algorithmes de rétroaction, les lasers ultrastables devraient devenir un pilier central de la recherche en physique fondamentale et des applications industrielles.

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