Laser ultraestável e tecnologia de cavidade ultraestável: das aplicações básicas às mais avançadas

Introdução

O laser ultraestável é uma ferramenta fundamental no campo da ciência de precisão, com estabilidade de frequência 10^-16 A escala é ainda maior e é amplamente utilizada em áreas como relógios atómicos, detecção de ondas gravitacionais, computação quântica e espectroscopia de precisão. Este artigo combina os Estados UnidosSistemas laser estáveis（SLS(e Austrália)Instrumentos líquidosA solução técnica da empresa explora os princípios de design, avanços tecnológicos e avanços experimentais para lasers ultraestáveis e cavidades ultraestáveis, e cita os últimos resultados e dados de pesquisa para fornecer referência em áreas relevantes.

Princípios básicos e tecnologias-chave do laser ultraestável

1. Arquitetura básica do laser ultraestável

Lasers ultraestáveis ​​são geralmente feitos por uma fonte de laser, uma câmara de referência ultraestável (Fabri).-Cavidade Pelo,FPcavidade) e sistema de controle de feedback. O objetivo é bloquear a frequência do laser.FPNo pico de ressonância da cavidade, a deriva de frequência é inibida por feedback ativo. Por exemplo, o centro de gravidade da Universidade de Ciência e Tecnologia da China adotouPound-Drever-Hall (em inglês)（PDH(esquema de bloqueio através do modulador eletro-óptico)EOMGerar um sinal de banda lateral, combinando a informação de fase da luz refletida para gerar um sinal de erro e, finalmente, estabilizar a frequência do laser na frequência de ressonância da cavidade.

2. Projeto e otimização de cavidades ultra-estáveis

FPO desempenho da cavidade determina diretamente a estabilidade do laser.SLSA empresa oferece vários projetos de câmara (tabela1), incluindo cavidades cilíndricas, concavas, esféricas e cúbicas para atender às diferentes necessidades de aplicação:

-Cavidade cilíndrica: para largura de linha> 50 HzExperiências de Física Atômica;

-Cavidade concava: baixo limite de ruído térmico, largura da linha< 50 HzO desvio de Allen.Atingível10^-15；

-Cámara esférica: design compacto, baixa sensibilidade à aceleração, adequado para cenas móveis.

Figura abaixo1Exibir todas as necessidades de tipo de cavidade

Figura 1 Diversos tipos de cavidade

Gráfico2 Sistema de vácuo ultraestável (grau de vácuo)<10^-8VoltarControle de temperatura.<±0.005℃）

Além disso, a escolha de materiais (como vidro de expansão ultra-baixaULEe tecnologia de controle de temperatura para reduzir ainda mais o efeito do ruído térmico.

Tabela1：SLSFabri-Tipos e propriedades da cavidade de Pelo

Tecnologia de sistemas laser estáveis

1. Sistema de frequência estável altamente integrado

SLSdo1HzSistema de laser de frequência estável (SLS-INT-1550-200-1 (em inglês)(com alta precisão)FPCâmara, câmara de vácuo de temperatura e sistema de controle eletrônico19Caixa de polegadas, largura da linha< 1 HzO dia se desvia< 20 kHzSó o consumo de energia25Vá. As suas características incluem:

Função de bloqueio com um clique: monitoramento em tempo real da temperatura da câmara e do vácuo através da interface de tela táctil;

Design modular: suporte1530-1565 nmComprimento de onda personalizado, potência de saída até100 mW- É.

2. Tecnologia de baixa temperatura e inibição de vibrações

SLScavidade concava em ambiente de baixa temperatura (14–40°O CRealizar o limite de ruído térmico, combinandoULEMateriais e plataformas de isolamento vibratório ativo que permitem que o sistema funcione em cenários sensíveis à vibração, como a detecção de ondas gravitacionaisExcelente- É.

Progresso da pesquisa acadêmica e dados experimentais

1. Pesquisa doméstica: Sistema de cavidade ultraestável da Universidade de Ciência e Tecnologia da China

Desenvolvimento10 centímetrostodoULEcavidade,30 centímetrosCâmara composta, baixa temperatura6 centímetrosCaverna de Sapir, Estrelas8 centímetrosCavidades super estáveis, como cavidades compostas（Adotado.Sistemas laser estáveisCavidade）Utilizando bloqueio analógico ou bloqueio totalmente digital, vários sistemas laser ultraestáveis ​​foram implementados, como na figura3mostrado. Avaliação de erros de sistemas laser ultraestáveis, design e conclusão de vários experimentos de otimização de ruído. Atualmente bloqueado em10 centímetrostodoULEA estabilidade da frequência do laser na cavidade pode atingir o limite de ruído térmico da cavidade de ressonância, para o mesmo tipo de cavidade ultraestável internacional atualMuito bem.Nível de bloqueio; trancado em30 centímetrosEstabilidade de frequência do laser de câmara composta a temperatura ambiente é melhor alcançada1.3×10^-16e empenhado em fazê-lo entrar10^-17dimensão; Os limites de ruído térmico do sistema óptico ultraestável em ambientes de baixa temperatura são ainda mais reduzidos, projetados e montados de forma independente6 centímetrosCaveira de safire completa a baixa temperatura, a estabilidade da frequência do laser atualmente alcançada é a melhor1.9×10^-16e trabalhar para reduzir ainda mais o impacto da vibração, temperatura e outros ruídos do sistema na estabilidade da frequência; trancado em8 centímetrosO sistema de frequência estável estelar ultraestável6 mHzA frequência do ruído é3,6 Hz / Hz^1/2Cumpriu o plano de violão.10 Hz / Hz^1/2exigências. Quatro conjuntos de dados de estabilidade de frequência do sistema de frequência estável4mostrado

Figura 3 Sistema de laser ultraestável da Universidade de Ciência e Tecnologia da China. (a) Sistema de cavidade ultraestável ULE completo de 10 cm, (b) Sistema de cavidade ultraestável composta de 30 cm, (c) Sistema de cavidade ultraestável de safire de baixa temperatura de 6 cm, (d) Sistema de cavidade ultraestável composta de 8 cm

Gráfico4 Nível de estabilidade de frequência de vários sistemas de laser ultraestáveis da Universidade de Ciência e Tecnologia da China

2. Fronteira internacional: relógio de luz de iões de litânio e relógio de luz de estrôncio

SLSPersonalizado para relógios de luz de lítio817 nmSistema de frequência estável, módulo multifrequência integrado, drift diário< 15 kHzAlém disso, "Ciência e Tecnologia da Metrologia"2021Anos de pesquisa mostram que o laser ultraestável alcançou a largura da linha de nível de Yahrtz no relógio de estrôncio, impulsionando a ruptura da estabilidade do relógio de luz10^-18Por favor, veja a imagem abaixo:

Gráfico5 A ruptura da estabilidade do relógio de luz 10^-18Artigos de referência

Quarto.AustráliaInstrumentos líquidosInovação colaborativa

Gráfico6 LíquidoInterface de operação de frequência de bloqueio de laser e características do dispositivo

Instrumentos líquidosEmbora o laser ultraestável não seja produzido diretamente, seus equipamentos de medição de alta precisão (comoMokuAmplificador de fase de bloqueio série) eSLSO sistema é complementar. Por exemplo:

Moku: Laboratório: IntegraçãoPIDControladores e analisadores de espectro otimizáveisPDHbloqueio de circuitos;

Moku: ProSuporta feedback multicanal para cenários complexos de supressão de ruído.

Como ilustrado3Como mostrado, embora o cliente tenha usado um sistema de cavidade ultraestável, o controle elétrico e o sistema de feedback são muito complexos e o equipamento elétrico usado é muito grande, estima-se que há quase10equipamentos. Mas um sistema tão complexo só precisa de um dos nossos dispositivos.Moku：profissionalouMoku：DeltaIsso permite processamento e monitoramento de sinais tão complexos. Como ilustrado7mostrado.

Gráfico7 usarMokuPara alcançar a frequência de bloqueio do laser

Os experimentos mostram que a combinaçãoMokuequipamentos eSLSCavidade super estávelUm laboratório reduziu o tempo de fechamento.30%A frequência de ruído é reduzida para0,8 HzÉ capaz de atender às necessidades da maioria dos laboratórios.

V. Desafios e direções futuras

1. Supressão de ruído de baixa temperatura: como a Universidade de Ciência e Tecnologia de China está desenvolvendo cavidades de safire de baixa temperatura, estabilidade objetivo até1.9×10^-16；

2. Miniaturização e comercialização:SLSdo3 HzSistema portátil (16 kg) eInstrumentos líquidosequipamentos compactos para promover aplicações no campo;

3. Integração de comprimentos de onda múltiplos:SLSAs cavidades porosas suportam o bloqueio multimodal a laser e são adequadas para armadilhas iónicas e simulações quânticas.

Conclusão

A tecnologia de laser ultraestável e cavidade ultraestável está evoluindo para maior estabilidade, menor consumo de energia e uma ampla gama de cenários de aplicação. Estados UnidosSLSAs soluções sistemáticas e a investigação profunda da comunidade acadêmica impulsionam o progresso em medições de precisão quântica e ciências espaciais.Instrumentos líquidosA tecnologia de controle eletrônico fornece um apoio fundamental para este processo. No futuro, com a descoberta da ciência dos materiais e dos algoritmos de feedback, o laser ultraestável promete tornar-se um pilar central para a pesquisa física básica e aplicações industriais.

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