Optiske frekvenskamme: Spektral renhedsoverførsel

Optiske frekvenskamme (OFC'er) er præcise laserlyskilder, hvis spektre består af en række ligeligt-adskilte frekvenslinjer, der ligner tænderne på en kam. Som meget nøjagtige linealer til måling af optiske frekvenser har OFC'er revolutioneret præcisionsmåling og metrologi siden deres udvikling i slutningen af ​​1990'erne. En af de vigtigste muligheder, som OFC'er aktiverer, er overførsel af spektral renhed. Det refererer til en OFC's evne til at overføre den spektrale renhed-frekvensstabilitet og smal linjebredde- af en lyskilde til en anden, der opererer ved en anden bølgelængde.

I en implementering med ultralav-støj (patenteret af Menlo Systems¹), bevarer spektral renhedsoverførsel egenskaberne af ultrastabile optiske referencesystemer på tværs af hele kamspektret, inklusive frekvens-konverterede output, der spænder over de synlige til de mellemste-infrarøde spektrale områder.

Introduktion til optiske frekvenskamme

En OFC er en laserkilde, hvis optiske spektrum består af en række adskilte frekvenslinjer med lige stor- afstand. I frekvensdomænet ligner denne regulære struktur tænderne på en kam. OFC'er genereres oftest ved hjælp af ultrakorte, modellåste lasere (se fig. . 1 øverst). Modellocking er en teknik, hvor de langsgående tilstande af et laserhulrum tvinges til at oscillere med et fast faseforhold. Som følge heraf udsender laseren en række ultrakorte optiske impulser. Den cirkulerende puls forplanter sig frem og tilbage inde i laserresonatoren med en gentagelseshastighedf_rep, som bestemmes af hulrummets tur-retur-tid. Under hver rundtur udvindes en lille mængde pulsenergi via et delvist transmissivt spejl for at danne laseroutputtet. I tidsdomænet optræder dette output som et regulært pulstog, og i frekvensdomænet svarer det til en kam af ækvidistante spektrallinjer (se fig. . 1 nederst).

På grund af spredning i laserhulrummet afviger gruppehastigheden af ​​pulsindhylningen sædvanligvis fra fasehastigheden af ​​den optiske bærer. Denne mismatch resulterer i et gradvist faseskiftΔφaf bærebølgen i forhold til pulsindhylningen fra den ene tur-retur til den næste. Dette fænomen omtales som bærebølge-indhyllingskurvefaseoffset (se fig.. 1 nederst til venstre).

Ideelt set, i fravær af støj og eksterne forstyrrelser, indebærer Fourier-forholdet mellem tids- og frekvensdomænerne, at et strengt periodisk pulstog svarer til et diskret sæt af lige store frekvenstilstande (se fig. . 1 nederst til højre).

I frekvensdomænet er de enkelte kamlinjerν_n er givet af:

v_n = nf_rep + f_{administrerende direktør},

hvorner et heltalstilstandsindeks,f_reper pulsgentagelseshastigheden, ogf_{administrerende direktør}angiver carrier-konvolutforskydningsfrekvensen. Hele kamspektret forskydes aff_{administrerende direktør}som et resultat af puls-til-impulsbærer-indhylningens faseglidning, mens afstanden mellem tilstødende linjer udelukkende bestemmes aff_rep. I praksis både gentagelseshastighedenf_repog transportørens-konvolutforskydningsfrekvensf_{administrerende direktør} skal både måles og aktivt stabiliseres, for at en ultrahurtig pulserende laser kan fungere som en OFC. Målingen aff_reper forholdsvis ligetil, fordi den typisk ligger inden for intervallet fra snesevis af megahertz til nogle få gigahertz og kan detekteres ved hjælp af en hurtig fotodiode. Stabilisering af gentagelseshastigheden opnås ved at lukke en feedback-sløjfe på aktuatorer, der muliggør effektive kavitetslængdejusteringer. Derimod at måle og kontrolleref_{administrerende direktør}er væsentligt mere kompleks og repræsenterede en stor udfordring i den tidlige udvikling af OFC-teknologi.

Difference-frekvensgenerering (DFG) frekvenskamme

Historisk set var en af ​​de tidlige strategier til at håndtere carrier-envelope offset-frekvensen et optisk skema, der helt undgår behovet for dets eksplicitte måling og kontrol. Dette opnås ved at bruge den iboende bærerindhylningsfasestabile ikke-lineære proces af DFG til at skabe en kopi af det originale laserpulstog, hvilket resulterer i et gennemsnit f_{administrerende direktør}værdi af nul (<f_{administrerende direktør}>= 0). I sådanne DFG-baserede OFC'er blandes to distinkte spektrale komponenter, der stammer fra den samme laseroscillator (typisk efter spektral udvidelse i ikke-lineære fibre) i en ikke-lineær krystal. I et ideelt tilfælde vil begge komponenter bære det sammef_{administrerende direktør}, så subtrahering af deres frekvenser vil annullere offset for at producere en "offset-fri OFC." Fra et rent teknisk synspunkt tilbyder offset-gratis OFC'er enkelhed ved kun at kræve én kontrolsløjfe: Deres eneste kontrolvariabel er gentagelseshastighedenf_rep. Men dette kommer med en afvejning: En forventningsværdi<f_{administrerende direktør}>= 0 antyder ikke det overordnede fravær aff_{administrerende direktør}fase støj. Med andre ord, mens DFG-processen fjerner den gennemsnitlige offset, undertrykker den ikke usammenhængende støj forbundet medf_{administrerende direktør} (se fig.. 2). I stedet har DFG--baserede OFC'er vist sig at udvise kvadratisk skalering af fasestøj med frekvens, beskrevet af en "elastisk tape"-model med et fikspunkt ved nul frekvens.²

Set i bakspejlet er det værd at bemærke, at teknikken til at generere offset-frie frekvenskamme via DFG oprindeligt blev patenteret af Max Planck Society,³og i løbet af de tidlige dage af OFC-kommercialiseringen var det udelukkende licenseret til Menlo Systems. Metoden er stadig meget fordelagtig til generering af frekvens-kamstråling ved ellers vanskelige--tilgængelige bølgelængder, og det er grunden til, at vi fortsætter med at bruge DFG til at udvide spektral dækning til den mellemste-infrarøde og videre.

Selv-refererede frekvenskamme

Efter udviklingen af ​​de første praktiske kamsystemer har fremskridt inden for ikke-lineære optiske fibre muliggjort pålidelig detektering af carrier-konvolutoffset. Disse udviklinger muliggjorde den relativt enkle og effektive generering af oktav-spændende kamme; dvs. frekvenskamme, der dækker et frekvensområde på mere end det dobbelte af deres laveste frekvens. Med oktav-spændende kamspektre til rådighed, kan carrier-indhyllingskurve-offset-frekvensen karakteriseres ved hjælp af en ligetil selv-referencemetode. Denne metode er afhængig af et interferometer, der heterodynerer to distinkte dele af kamspektret: En kamtilstand med indeksni den røde ende af spektret

v_n = nf_rep + f_{administrerende direktør}

sendes gennem en ikke-lineær krystal for at generere sin anden harmoniske

2v_n = 2(nf_rep + f_{administrerende direktør}),

som er forskudt med det dobbelte af offset-frekvensen. Dette frekvens-dobbelte signal slås derefter mod en kamtilstand med indeks 2n

v_2n = 2nf_rep + f_{administrerende direktør}.

Slagtonen mellem disse to frekvenser afslører direkte carrier-envelope offset-frekvensen:

2v_n − v_2n = f_{administrerende direktør}.

Denne "f–2f"-metode er intet mindre end en skelsættende præstation inden for OFC-teknologi, fordi den muliggør direkte måling af carrier-indhyllingskurve-offset-frekvensen. Det understøtter især implementeringen af ​​dedikerede aktive spredningskontrolaktuatorer inde i laserhulrummet til stabilisering af ultralav støj og kontrol aff_{administrerende direktør}(se fig.. 3).

Spektral renhedsoverførsel

Effektiv kontrol og stabilisering af en optisk frekvenskams frihedsgrader-dens gentagelseshastighed såvel som dens carrier-indhyllingskurve-offsetfrekvens-er afgørende for præcisionsapplikationer, som kræver linjebredder og stabiliteter langt ud over dem, der kan opnås med nogen fri-a Fig{4b} (se Fig{4b}). Den allestedsnærværende tilgang er at etablere en optisk lås; dvs. at overføre den spektrale renhed leveret af en ekstern optisk reference til en af ​​frekvenskamlinjerne. Menlo Systems' optiske referencesystemer opnår rutinemæssigt sub-hertz linjebredder parret med fremragende frekvensstabilitet. De kombinerer en enkelt-mode kontinuerlig-bølgelaser (CW), et optisk referencehulrum med høj-finesse og de tilhørende optiske og elektroniske låsekomponenter-alt sammen konstrueret til at give høj følsomhed og en bred låsebåndbredde.⁴Den konventionelle opsætning til at låse en OFC til en ekstern optisk reference er illustreret i figur 4b. En sådan gentagelseshastighedskontrolsløjfe er afhængig af detektering af en slagtone mellem CW-referencelaseren og en af ​​kamtænderne, måling af enhver frekvensdrift og påføring af feedback til kammens gentagelseshastighedsaktuator i overensstemmelse hermed.

Det er afgørende, at selvom skemaet stabiliserer den valgte kamtand, er det kun afstanden mellem referencelaseren og den enkelte kamlinje, der virkelig er fast: Fordi aktuatoren til gentagelseshastigheden kun giver kontrol over én frihedsgrad, påvirker den primært kamlinjer tæt på låsepunktet. Følgelig øges linjebredden og fasestøjen med spektral afstand fra den optiske reference. Denne begrænsning er iboende i låseskemaet og uafhængig af kamarkitekturen: Uanset om det er en offset-fri eller en selv-kam, når den låses via gentagelseshastigheden alene, vil den spektrale renhed uundgåeligt forringes, jo længere væk en kamlinje er fra de eksterne optiske referencer, og forlade den virtuelle RF-reference{4} uaffekteret.{4} Tværtimod, som illustreret i figur 4c, kræver spektral renhedsoverførsel over hele frekvenskamspektret komplementering af gentagelseshastighedsaktuatoren med en anden kontrolsløjfe for bærebølge--indhyllingskurve-offset-frekvensen (f_{administrerende direktør}). Engagere sådan enf_{administrerende direktør}feedback loop udfører tre væsentlige opgaver: Låsningf_{administrerende direktør}ved en valgt værdi, undertrykker dens kohærente og usammenhængende støj og reducerer fasestøj på tværs af alle kamtænder, der er fjerne fra den eksterne optiske reference. Def_{administrerende direktør}aktivering virker symmetrisk på spektret i den forstand, at den har minimal indflydelse på kamlinjer nær den optiske reference, men påvirker kraftigt alle kamlinjer langt væk fra det, inklusive både de optiske såvel som de virtuelle i RF-domænet. Overordnet set kan den hurtige sløjfe for bærebølge-indhyllingsoffsetfrekvensstyring opfattes som en aktuator, der komplementerer gentagelseshastighedsaktuatoren-til at låse den anden frihedsgrad af en OFC.

Menlo Systems' design med dobbelt aktivering muliggør ægte spektral renhedsoverførsel-nøjagtigt replikerer den spektrale renhed af en optisk reference på tværs af hver enkelt kamlinje. Som illustreret i figur 5 opretholdes den spektrale renhed også gennem frekvensomdannelsestrin, inklusive frekvensskift, anden-harmonisk generering eller superkontinuumgenerering.

Anvendelsesspotlight: Optiske atomure

Menlo Systems' teknologi med ultralav-støj leverer præcision på tværs af spektret og fremmer applikationer, der kræver den mest præcise ydeevne, såsom optiske atomure. På dette område muliggjorde vores OFC'er overførslen af ​​verdens mest præcise optiske referencer til verdens mest præcise optiske ure, høj-nøjagtighed på tværs af-arts-ursammenligninger samt lang-distancespredning af optiske ursignaler via fibernetværk.

Overførsel af ultimativ præcision

Som illustreret i figur 6 er optiske referencekaviteter oftest tilgængelige i den nære-IR-bølgelængderegion (typisk omkring 1550 nm), hvor de tilbyder fremragende ydeevne og høj pålidelighed til forholdsvis lave omkostninger. Ikke overraskende er dette bølgelængdeområde også vært for de bedst-ydende referencehulrum, der er tilgængelige i øjeblikket. I banebrydende arbejde udført af et samarbejde mellem JILA (US) og Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Tysklands Nationale Metrologiske Institut) viste et kryogent monokrystallinsk siliciumhulrum med siliciumspejle en fraktionel frekvensustabilitet så lav som 4 × 10^-17på et sekund og en linjebredde på 5 mHz.⁵

Denne udvikling er en tidoblet forbedring i forhold til-state--kunstens ultralavt ekspansionsglas (ULE) hulrum ved stuetemperatur. For at overføre denne uovertrufne stabilitet og linjebredde fra kavitetens operationelle bølgelængde ved 1542 nm til det synlige spektralområde for et rekord-brydende optisk gitter-ur med strontium opereret ved 698 nm,⁶forskere stoler på Menlo Systems' ultralave-støjfrekvenskamteknologi (sideløbende udviklede vi det kryogene hulrum til vores model ORS-ULN).

Ur-til-sammenligning

Selvom den nuværende definition af den anden, der er afhængig af den 9,2 GHz hyperfine overgang inden for cæsium, har stået i mere end et halvt århundrede, er en global samarbejdsindsats i gang for at omdefinere SI-standarden ved hjælp af ultrasmalle optiske overgange inde i kolde atomer og fangede ioner. Derfor udforskes optiske ure baseret på en bred vifte af atomarter som kandidater. For at evaluere disse nye standarder skal forskellige optiske ure sammenlignes med hinanden på det højeste niveau af præcision (se fig. . 6), men deres overgangsfrekvenser kan variere med hundredvis af terahertz, og det gør enhver direkte elektronisk måling umulig.

Som nyligt arbejde viser, kan disse frekvensgab bygges bro med højeste præcision via spektral renhedsoverførsel: Menlo Systems' OFC'er med ultralav-støj muliggør sammenligning af-arter på 10^-18niveau og derover.⁷Inden for denne sammenhæng er spektral-renhedsoverførsel en fremtidssikker-funktion, der kræves til ethvert optisk urlaboratorium, fordi det giver mulighed for at undersøge forskellige atomarter, mens man trygt stoler på en enkelt kilde til at referere til frekvenskammen.

Formidling via fibernet

Mens banebrydende eksperimenter baner vejen for transportable optiske ure, forbliver nutidens mest præcise ure stationære installationer, der drives af eksperthold på nationale metrologiinstitutter, forskningsfaciliteter og universiteter. På den anden side er langdistancesammenligninger og spredning af ultrastabile ursignaler kun mulige via telekommunikationsbåndet. Dette udgør en udfordring for netværksapplikationer, fordi OFC'er, der er låst til en optisk clock-overgang, typisk ikke let kan interface med fibernetværk eller muliggøre distribution af referencesignaler til andre steder.

Udfordringen stammer fra den kombinerede effekt af fasestøjskalering i konventionelle frekvenskamme og spektralgabet mellem de optiske clock-overgange og telekommunikationsbåndet. Som illustreret i figur 6 overvinder spektral renhedsoverførsel denne barriere for at muliggøre både sammenligning af ur på lang-afstand samt spredning af ultrastabile referencer til laboratorier, der ikke betjener deres egne optiske ure. Denne egenskab åbner op for en lang række spændende videnskabelige muligheder-inklusive fremskridt inden for kvanteteknologier, høj-præcisionsgeodæsi, astronomi, navigation og test af grundlæggende fysik.^8,9