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用于光通信的极小线宽激光器

发布时间: 2017-09-10 10:25:13   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  来自Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB)的德国研究人员与美国国家标准技术研究所(NIST)和科罗拉多大学联合研究所的研究人员一起,经过近10年的联合项目研发,目前已经在PTB成功开发了一个激光器,其线宽仅为10 mHz(0.01 Hz),建立了新的世界纪录。 PTB物理学家Thomas Legero解释说:“激光器的线宽越小,对光学时钟中原子频率的测量越准确,因此这种新的激光器将能够迅速地提高我们时钟的质量”。 同时对精密光谱,射电天文学和相对论的测试等各种应用也非常重要。这一结果发表在当前的“物理评论”杂志上。 

  除了新激光器的极小线宽之外,Legero和他的同事通过测量发现,发射的激光的频率比以前更为精确。虽然光波大约振荡。每秒200万亿次,仅在11秒后才失去同步。此时,发射的完美光波列车已经达到了一段长度-330万公里。这个长度相当于地球和月球之间距离的十倍。由于世界上没有其他比较精确的激光,所以从事这种合作的科学家直接建立两个同样的激光系统。通过比较这两种激光来证明发射激光的诸多突出特性。 

  每个激光器的核心部件是21厘米长的Fabry-Pérot硅谐振器。谐振器由两个高反射镜组成,它们彼此的相对位置固定,并通过双锥体保持固定距离。谐振器的长度决定了腔内振荡波的频率,即谐振器内部的光波频率。同时使用特殊的稳定电子元件,确保激光的光频率始终遵循谐振器的固有频率。因此激光器的频率稳定性,即线宽 就仅取决于Fabry-Pérot谐振器的长度稳定性。 

  为提高谐振器长度的稳定性,PTB的科学家必须将谐振器几乎完全从所有可能改变其长度的环境影响中分离出来,比如温度和压力的变化,或地震波或声音引起的外部机械扰动。最终他们完美地克服了这些外部因素的影响,使得唯一影响激光固有频率的只剩共振器中原子的热运动。这种“热噪声”对应于原子/分子在有限温度下于材料中的布朗运动,其大小取决于用于构建谐振器的材料以及谐振器的温度。 

  为此,科学家们制造了单晶硅的谐振器,该单晶硅被冷却至-150℃的温度。硅体的热噪声极低,实验观测到的长度波动仅来自介电SiO2 / Ta2O5镜面镀膜的热噪声。虽然镜膜只有几微米厚,但它们主导了谐振器的长度稳定性。最终实现了谐振器长度仅在10个测量单位范围内波动。该长度对应于不超过氢原子直径的百万分之一。因此,所得到的激光器的频率变化量小于激光频率的4×10-17。 

  新的激光器现在在PTB和Boulder的JILA中都被使用,用于进一步提高光学原子钟的质量,并对超冷原子进行新的精密测量。在PTB,激光器输出的超稳定光已经通过光波导分布后,供不伦瑞克的光学时钟使用。 

  Legero说:“未来计划在欧洲的网络中使用这个光线,这个计划将实现在不伦瑞克的时钟及巴黎和伦敦的欧洲同事的钟表之间进行更精确的比较。在Boulder,计划是将激光器连接在JILA和各种NIST实验室之间的光纤网络上使用。此次合作的科学家们甚至看到了利用新型晶体镜面镀膜和较低的温度进一步的优化可能,可以进一步降低干扰的热噪声。然后,输出激光线宽甚至可以变得小于1mHz。 

  晶编译自:D. G. Matei, 1.5 μm Lasers with Sub-10 mHz Linewidth. PHYSICAL REVIEW LETTERS. 118, 263202 (2017) 

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