Сверхстабильные лазеры и технология сверхстабильных полостей: от базового до передового применения

Введение

Сверхстабильные лазеры являются основным инструментом в области точных наук, и их частотная стабильность может быть достигнута 10^-16 Порог еще выше и широко используется в таких областях, как атомные часы, обнаружение гравитационных волн, квантовые вычисления и прецизионная спектроскопия. Эта статья объединяет США.Стабильные лазерные системы(SLS) и АвстралияЖидкие инструментыТехнический план компании, чтобы исследовать принципы проектирования сверхстабильных лазеров и сверхстабильных полостей, технологические прорывы и экспериментальные достижения, а также ссылаться на последние результаты исследований и данные, чтобы дать ссылку в соответствующих областях.

Основные принципы и ключевые технологии сверхстабильных лазеров

1. Базовая архитектура сверхстабильного лазера

Сверхстабильные лазеры обычно состоят из лазерного источника, референтной сверхстабильной полости (Фабри)-полость Перо,ФПКамера) и состав системы управления обратной связью. Его суть в том, чтобы зафиксировать частоту лазераФПРезонансный пик полости подавляет дрейф частоты с помощью активной обратной связи. Например, центр гравитации Хуачжунского университета науки и техникиПаунд-Дривер-Холл(ПДХПрограмма блокировки, через электрооптический модулятор (EOMГенерирует сигналы боковой полосы, генерирует сигналы ошибки в сочетании с фазовой информацией отраженного света и в конечном итоге стабилизирует частоту лазера на резонансной частоте полости.

2. Дизайн и оптимизация сверхстабильных полостей

ФППроизводительность полости напрямую определяет стабильность лазера.SLSКомпания предлагает разнообразный дизайн (1(Включая цилиндрические, вогнутые, сферические и кубические полости для удовлетворения различных потребностей применения:

-Цилиндрическая полость: подходит для ширины линии>50 ГцАтомные физические эксперименты;

-Вогнутая полость: предел теплового шума низкий, ширина линии< 50 Гцотклонение АлленаДоступно10^-15*

-Шаровая полость: компактный дизайн, низкая чувствительность к ускорению, подходит для движущихся сцен.

Как показано на рисунке ниже1Показать все типы потребностей

Рисунок 1 Различные типы полостей

рисунок2 сверхстабильная вакуумная система< 10^-8< ВозвращениеКонтроль температуры<±0.005℃）

Кроме того, выбор материала (например, ультранизкое расширяющееся стекло)ULEТехнология контроля температуры еще больше снижает влияние теплового шума.

таблица1А.SLSФабри-Типы и свойства полости Перо

Технология Stable Laser Systems

1. высокоинтегрированная система стабилизации частоты

SLS的1 ГцЛазерные системы (СЛС-ИНТ-1550-200-1) Высокая точностьФПКамеры, термостаты и электронные системы управления интегрированы19Ящик дюймовый, ширина линии< 1 ГцДневной дрейф< 20 кГцПотребление энергии только25Ватт. К их числу относятся:

Функция блокировки одним нажатием клавиши: контроль температуры и вакуума полости в режиме реального времени через интерфейс сенсорного экрана;

Модульный дизайн: поддержка1530-1565 нмНастройка длины волны, выходная мощность до100 мВтА.

2. Технология подавления низких температур и вибраций

SLSПри низких температурах (14- Да.40БСДостижение предела теплового шума, сочетаниеULEМатериалы и активные виброизоляционные платформы, позволяющие системе вести себя в виброчувствительных сценариях, таких как обнаружение гравитационных волнЮйА.

III. Прогресс научных исследований и экспериментальные данные

1. Внутренние исследования: сверхстабильная полостная система Хуачжунского университета науки и техники

Развитие10 смвесьULEЛюмен,30 смКомбинированная полость, криогенная6 смСапфировая полость8 смизостатический резонатор（ПринятоСтабильные лазерные системыполость)Используя аналоговую блокировку или полную цифровую блокировку, было реализовано несколько наборов сверхстабильных лазерных систем, таких как диаграмма3Показано. Оценка ошибок сверхстабильной лазерной системы, проектирование и завершение нескольких экспериментов по оптимизации шума. В настоящее время заблокирован10 смвесьULEУстойчивость частоты лазера в полости может достигать предела теплового шума резонатора, который в настоящее время является одним и тем же типом сверхстабильной полости в миреХороший.Заблокировать уровень; Заперто30 смУстойчивость частоты лазера лучше всего достигать при комнатной температуре.1.3Х10^-16И работать над тем, чтобы он вошел10^-17Вес; В условиях низких температур предел теплового шума оптической сверхстабильной полостной системы еще больше снижается, проектируется и собирается автономно6 смНизкотермическая цельная сапфировая полость, в настоящее время достигнутая стабильность частоты лазера лучше всего1.9Х10^-16и работает над дальнейшим снижением влияния вибрации системы, температуры и других шумов на стабильность частоты; Заперто8 смСистема стабилизации частоты сверхстабильной полости6 мГцЧастотный шум является3,6 Гц/Гц^{1 / 2}План Тянь Цинь выполнен.10 Гц/Гц^{1 / 2}Требования. Сводные данные о частотной стабильности четырех систем стабилизации частоты4Показать

Рисунок 3 Сверхстабильная лазерная система Хуачжунского университета науки и техники. (a) 10 cm ULE суперстабильная полостная система, (b) 30 cm композитная сверхстабильная полость, (c) 6 cm низкотемпературный сапфир суперстабильная полость, (d) 8 cm звездная композитная сверхстабильная полость

рисунок4 Уровни стабилизации частоты сверхстабильных лазерных систем

2. Международный фронт: ионные световые часы иттербия и стронциевые световые часы

SLSНастройка для ионных часов иттербия.817 нмСистемы стабилизации частоты, интегрированные модули умножения частоты, дневной дрейф< 15 кГцКроме того, "Измерения науки и техники"2021Годовые исследования показали, что сверхстабильный лазер достиг ширины линии субгерцового уровня в стронциевых световых часах, что привело к прорыву стабильности световых часов10^-18. Источник см. рисунок ниже:

рисунок5 Прорыв стабильности световых часов 10^-18Ссылки

IV.АвстралияЖидкие инструментыСовместные инновации

рисунок6 ЖидкостьИнтерфейс работы лазерной блокировки частоты и характеристики оборудования

Жидкие инструментыХотя сверхстабильные лазеры не производятся напрямую, их высокоточное измерительное оборудование (например,МокуСерия запирающих усилителей) иSLSСистема формирует взаимодополняемость. Например:

Moku: Лаборатория: ИнтеграцияПИДКонтроллеры и анализаторы спектра, оптимизированныеПДХБлокировать петлю;

Moku: Про:: Поддержка многоканальной обратной связи для сложных сценариев подавления шума.

Как рисунок3Это показывает, что, хотя клиенты используют сверхстабильную полостную систему, но электрическое управление и системы обратной связи очень сложны, использование электрического оборудования очень много, по оценкам, близко10Оборудование 10 единиц. Но такая сложная система требует только одного из наших устройств.мокуА.ПроилиМокуА.ДельтаЭто позволяет осуществлять сложную обработку и мониторинг сигналов. Как рисунок7Показано.

рисунок7 использоватьМокуДля лазерной блокировки.

Экспериментальный случай показывает, что сочетаниеМокуОборудование иSLSсверхстабильная полостьЛаборатория сокращает время блокировки30%Частотный шум снижается до0,8 ГцУдовлетворяет потребности большинства лабораторий.

V. Вызовы и будущие направления

1. подавление низкотемпературного шума: например, Университет науки и техники Хуачжун разрабатывает низкотемпературную полость сапфира, целевая стабильность1.9Х10^-16*

2. Миниатюризация и коммерциализация:SLS的3ГцПортативные системы (16 кг) иЖидкие инструментыКомпактное оборудование для полевых применений;

3. Многоволновая интеграция:SLSпористая полость поддерживает многолазерную конформную блокировку, подходящую для ионных ловушек и квантового моделирования.

Заключение

Технология сверхстабильных лазеров и сверхстабильных полостей развивается в направлении более высокой стабильности, более низкого энергопотребления и более широкого применения. СШАSLSСистематические решения в сочетании с глубокими исследованиями в академических кругах способствуют прогрессу в таких областях, как квантовые точные измерения и космическая наука.Жидкие инструментыКлючевую поддержку этому процессу оказывают технологии электронного управления. В будущем, с прорывом в области материаловедения и алгоритмов обратной связи, сверхстабильный лазер, как ожидается, станет основным столпом фундаментальных физических исследований и промышленных применений.

О фотоэлектрическом:

Shanghai Haozu Photoelectric Equipment Co., Ltd. является профессиональным агентом фотоэлектрической продукции, продукция включает в себя различные типы лазеров, фотоэлектрических модуляторов, оптического измерительного оборудования, оптических элементов и т. Д., Применение охватывает обработку материалов, оптическую связь, биомедицину, научные исследования, национальную оборону, квантовую оптику, биомикроскопию, датчик связи вещей, лазерное производство и так далее; Для клиентов доступны такие услуги, как полная установка оборудования, обучение, разработка аппаратного обеспечения, разработка программного обеспечения, системная интеграция.