Az optikai frekvenciafésűk (OFC) precíz lézeres fényforrások, amelyek spektruma egyenlően{0}}elhelyezkedő frekvenciavonalak sorozatából áll, amelyek egy fésű fogaihoz hasonlítanak. Az optikai frekvenciák mérésére szolgáló rendkívül pontos vonalzókként az OFC-k forradalmasították a precíziós mérést és a metrológiát az 1990-es évek végi kifejlesztésük óta. Az OFC-k által lehetővé tett egyik legfontosabb képesség a spektrális tisztaság átvitele. Arra utal, hogy az OFC képes átvinni az egyik fényforrás spektrális tisztaságú-frekvencia-stabilitását és szűk vonalszélességét- egy másik hullámhosszon működő fényforrásra.
Ultraalacsony{0}}zajú megvalósításban (a Menlo Systems szabadalmaztatta1), a spektrális tisztaság átvitele megőrzi az ultrastabil optikai referenciarendszerek jellemzőit a teljes fésűs spektrumban, beleértve a frekvencia{0}}konvertált kimeneteket, amelyek a látható és a középső -infravörös spektrumtartományokig terjednek.
Bevezetés az optikai frekvencia fésűkbe
Az OFC egy lézerforrás, amelynek optikai spektruma diszkrét, egyenlő távolságban{0}}elhelyezkedő frekvenciavonalak sorozatából áll. A frekvenciatartományban ez a szabályos szerkezet egy fésű fogaihoz hasonlít. Az OFC-ket leggyakrabban ultrarövid, módreteszelt lézerekkel állítják elő (lásd: . 1. ábra, fent). A modellzárás egy olyan technika, amelyben a lézerüreg longitudinális módusait fix fázisviszony mellett rezgésre kényszerítik. Következésképpen a lézer ultrarövid optikai impulzusok sorozatát bocsát ki. A keringő impulzus ismétlési sebességgel terjed oda-vissza a lézerrezonátor belsejébenfrep, amelyet az üreges kör-utazási ideje határoz meg. Minden oda-vissza út során kis mennyiségű impulzusenergiát vonnak ki egy részlegesen áteresztő tükörön keresztül a lézerkimenet kialakításához. Az időtartományban ez a kimenet szabályos impulzussorozatként jelenik meg, a frekvenciatartományban pedig egyenlő távolságra lévő spektrumvonalak fésűjének felel meg (lásd . 1. ábra, alul).
A lézerüregben való diszperzió miatt az impulzusburok csoportsebessége általában eltér az optikai hordozó fázissebességétől. Ez az eltérés fokozatos fáziseltolódást eredményezΔφa vivőhullám az impulzusburokhoz viszonyítva egyik oda-vissza útról a másikra. Ezt a jelenséget vivő-burkológörbe fáziseltolásnak nevezik (lásd: . 1 ábra, balra lent).
Ideális esetben zaj és külső perturbációk hiányában az idő- és frekvenciatartományok közötti Fourier-kapcsolat azt jelenti, hogy egy szigorúan periodikus impulzussorozat egyenlő távolságban elhelyezkedő frekvenciamódok diszkrét halmazának felel meg (lásd: . 1. ábra, jobbra lent).
A frekvenciatartományban az egyes fésűvonalakνn adják:
vn = nfrep + fvezérigazgató,
aholnegy egész módú index,frepa pulzusismétlési gyakoriság, ésfvezérigazgatóa vivő{0}}burkológörbe eltolási frekvenciáját jelöli. A teljes fésű spektrum eltolódikfvezérigazgatóaz impulzus---impulzusvivő-burkológörbe fáziscsúszás eredménye, míg a szomszédos vonalak közötti távolságot kizárólag afrep. A gyakorlatban mind az ismétlési arányfrepés a vivő-burkológörbe eltolási frekvenciájafvezérigazgató meg kell mérni és aktívan stabilizálni kell ahhoz, hogy az ultragyors impulzuslézer OFC-ként működjön. A mérésefrepviszonylag egyszerű, mert jellemzően több tíz megahertz és néhány gigahertz közötti tartományba esik, és gyors fotodiódával érzékelhető. Az ismétlési sebesség stabilizálása az aktuátorokon lévő visszacsatoló hurok lezárásával érhető el, amely lehetővé teszi az üreghossz hatékony beállítását. Ezzel szemben a mérés és az ellenőrzésfvezérigazgatólényegesen összetettebb, és komoly kihívást jelentett az OFC technológia korai fejlesztése során.
Különbség{0}}frekvenciageneráló (DFG) frekvenciafésűk
Történelmileg a vivő{0}}burkológörbe eltolási frekvenciájának kezelésének egyik korai stratégiája egy olyan optikai séma volt, amely teljesen elkerüli annak explicit mérését és vezérlését. Ezt a DFG eredendően vivőburkoló fázisstabil nemlineáris folyamatával érik el az eredeti lézerimpulzussorozat másolatának létrehozása érdekében, ami egy átlagos fvezérigazgatónulla értéke (<fvezérigazgató>= 0). Az ilyen DFG-alapú OFC-kben két különálló spektrális komponens, amelyek ugyanabból a lézeroszcillátorból származnak (jellemzően a nemlineáris szálak spektrumszélesítése után) egy nemlineáris kristályban. Ideális esetben mindkét komponens ugyanazt fogja hordoznifvezérigazgató, így a frekvenciáik levonása megszünteti az eltolást, és így egy "offset{0}}ingyenes OFC" jön létre. Pusztán technikai szempontból az offset{2}}mentes OFC-k egyszerűséget kínálnak azáltal, hogy egyetlen vezérlőhurkot igényelnek: egyetlen vezérlőváltozójuk az ismétlési gyakoriságfrep. Ez azonban kompromisszumokkal jár: egy elvárt érték<fvezérigazgató>A=0 nem jelenti a teljes hiányátfvezérigazgatófáziszaj. Más szavakkal, bár a DFG folyamat eltávolítja az átlagos eltolást, nem szünteti meg a vele kapcsolatos inkoherens zajt.fvezérigazgató (lásd: . 2. ábra). Ehelyett a DFG-alapú OFC-k a fáziszaj és a frekvencia négyzetes skálázását mutatják, amit egy „rugalmas szalagos” modell ír le, fixponttal nulla frekvencián.2
Utólag érdemes megjegyezni, hogy az offset{0}}frekvenciás fésűk DFG-n keresztüli létrehozásának technikáját eredetileg a Max Planck Society szabadalmazta,3és az OFC kereskedelmi forgalomba hozatalának korai napjaiban kizárólag a Menlo Systems számára engedélyezték. A módszer továbbra is rendkívül előnyös frekvenciájú-fésűs sugárzás generálására egyébként nehezen-hozzáférhető
Saját-frekvenciás fésűk
Az első praktikus fésűrendszerek kifejlesztése után a nemlineáris optikai szálak fejlődése megbízható vivő{0}}burkológörbe-eltolás észlelést tett lehetővé. Ezek a fejlesztések lehetővé tették az oktáv-fésűk viszonylag egyszerű és hatékony előállítását; azaz olyan frekvenciafésűk, amelyek a legalacsonyabb frekvenciájuk több mint kétszeresét fedik le. A rendelkezésre álló oktáv-fésűs spektrumokkal a vivő-burkológörbe eltolási frekvenciája egy egyszerű önreferencia módszerrel jellemezhető. Ez a módszer egy interferométerre támaszkodik, amely a fésűs spektrum két különálló részét heterodinálja: Fésű mód indexszelna spektrum vörös végén
vn = nfrep + fvezérigazgató
egy nemlineáris kristályon keresztül továbbítják a második harmonikust
2vn = 2(nfrep + fvezérigazgató),
amelyet az eltolási frekvencia kétszeresével tolunk el. Ezt a frekvenciájú-duplázott jelet azután egy 2-es indexű fésűmóddal verikn
v2n = 2nfrep + fvezérigazgató.
A két frekvencia közötti ütemhang közvetlenül felfedi a vivő{0}}burkológörbe eltolási frekvenciát:
2vn − v2n = fvezérigazgató.
Ez az „f–2f” módszer nem más, mint mérföldkőnek számító vívmány az OFC-technológiában, mivel lehetővé teszi a vivő-burkológörbe eltolási frekvenciájának közvetlen mérését. Különösen támogatja a dedikált aktív diszperziószabályozó aktuátorok megvalósítását a lézerüregben az ultraalacsony zajstabilizálás és afvezérigazgató(lásd: . 3. ábra).
Spektrális tisztaság átvitel
Az optikai frekvenciafésű szabadságfokainak hatékony szabályozása és stabilizálása-az ismétlési gyakorisága, valamint a vivő-burkológörbe-eltolási frekvenciája-döntő fontosságú a precíziós alkalmazásokhoz, amelyeknél jóval nagyobb vonalszélességre és stabilitásra van szükség, mint ami bármilyen szabadon futó fésűvel{3} elérhető (lásd:. 4a ábra). A mindenütt jelen lévő megközelítés az optikai zár létrehozása; azaz a külső optikai referencia által szolgáltatott spektrális tisztaság átvitele az egyik frekvenciafésű vonalra. A Menlo Systems optikai referenciarendszerei rutinszerűen érnek el szub-hertz-es vonalszélességeket, kiváló frekvenciastabilitással párosítva. Egy{11}}módusú folyamatos-hullámú (CW) lézert, egy nagy-finomságú optikai referencia üreget, valamint a kapcsolódó optikai és elektronikus reteszelő alkatrészeket-egyesítik, amelyek nagy érzékenységet és széles rögzítési sávszélességet biztosítanak.4Az OFC külső optikai referenciához való rögzítésének hagyományos beállítását a 4b. ábra szemlélteti. Egy ilyen ismétlési gyakoriság-szabályozó hurok a CW referencialézer és az egyik fésűfog közötti ütemhang érzékelésén alapul, megméri az esetleges frekvencia-eltolódást, és ennek megfelelően visszacsatolást ad a fésű ismétlési sebességének működtetőjére.
Lényeges, hogy bár a séma stabilizálja a kiválasztott fésűfogat, csak a referencialézer és az egyetlen fésűvonal közötti távolság valóban rögzített: Mivel az ismétlési sebesség működtetője csak egy szabadságfok felett biztosít vezérlést, elsősorban a rögzítési ponthoz közeli fésűvonalakat befolyásolja. Következésképpen a vonalszélesség és a fáziszaj az optikai referencia spektrális távolságával növekszik. Ez a korlátozás a zárolási séma velejárója, és független a fésű architektúrától: Legyen szó offszet-szabad vagy önreferenciás fésűről-, ha csak az ismétlési sebességgel zárjuk le, a spektrális tisztaság elkerülhetetlenül leromlik, minél távolabb van a fésűvonal a külső optikai referenciától, és a virtuális RF{{4} lényegileg érintetlenül hagyja a fésűvonalakat. A 4c. ábrán látható módon a spektrális tisztaság átvitele a teljes frekvenciafésű-spektrumon megköveteli, hogy az ismétlési sebesség működtetőt egy második vezérlőhurokkal kiegészítsük a vivő-burkológörbe eltolási frekvenciához (fvezérigazgató). Olyan bevonása afvezérigazgatóA visszacsatolási hurok három alapvető feladatot hajt végre: Zárásfvezérigazgatóegy kiválasztott értéken, elnyomja annak koherens és inkoherens zaját, és csökkenti a fáziszajt az összes fésűfogban, amelyek távol vannak a külső optikai referenciától. AfvezérigazgatóA működtetés szimmetrikusan hat a spektrumra abban az értelemben, hogy minimális hatással van az optikai referencia közelében lévő fésűvonalakra, de erősen hat minden tőle távol eső fésűvonalra, beleértve az optikaiakat és az RF{0}}tartomány virtuális vonalait is. Összességében a vivő-burkológörbe-eltolás frekvencia-szabályozásának gyorshurkát az ismétlési sebesség működtetőelemét-kiegészítő működtetőelemnek tekinthetjük az OFC második szabadságfokának rögzítésére.
A Menlo Systems kettős működtetésű kialakítása lehetővé teszi a valódi spektrális tisztaság átvitelét,{0}}precízen reprodukálja az optikai referencia spektrális tisztaságát minden egyes fésűvonalon. Amint az 5. ábrán látható, a spektrális tisztaság a frekvenciaátalakítási szakaszokban is megmarad, beleértve a frekvenciaváltást, a második-harmonikus generálást vagy a szuperkontinuum generálást.
Alkalmazási reflektorfény: Optikai atomórák
A Menlo Systems ultraalacsony{0}}zajtechnológiája pontosságot biztosít a teljes spektrumban, továbbfejlesztve a legpontosabb teljesítményt igénylő alkalmazásokat, például az optikai atomórákat. Ezen a területen OFC-ink lehetővé tették a világ legpontosabb optikai referenciáinak a világ legpontosabb optikai óráira való átvitelét, a nagy-pontosságú-fajok közötti óra-összehasonlítást, valamint az optikai órajelek nagy távolságú-sugárzását üvegszálas hálózatokon keresztül.
Maximális precizitás átvitele
A 6. ábrán látható módon az optikai referenciaüregek leggyakrabban a közeli -IR hullámhossz-tartományban (általában 1550 nm körül) állnak rendelkezésre, ahol kiváló teljesítményt és nagy megbízhatóságot kínálnak, viszonylag alacsony költséggel. Nem meglepő módon ez a hullámhossz-tartomány tartalmazza a jelenleg elérhető legjobban{4}}teljesítő referenciaüregeket is. A JILA (USA) és a Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Németország Nemzeti Metrológiai Intézete) együttműködésében végzett úttörő munka során egy szilíciumtükrökkel ellátott kriogén monokristályos szilíciumüreg 4 × 10-es frakcionált frekvencia-instabilitást mutatott.-17egy másodpercnél, és 5 MHz-es vonalszélességgel.5
Ez a fejlesztés tízszeres előrelépést jelent a szobahőmérsékleten--korszerű, -ultralow expansion üveg (ULE) üregekhez képest. Annak érdekében, hogy ezt a páratlan stabilitást és vonalszélességet az üreg 1542 nm-es működési hullámhosszáról a látható spektrum tartományába vigyük át egy rekordot{5}}törő stroncium optikai rácsóra 698 nm-en,6a kutatók a Menlo Systems ultraalacsony{0}}zajfrekvenciás fésűs technológiájára támaszkodnak (párhuzamosan kialakítottuk a kriogén üreget az ORS-ULN modellünkben).
Óra-–-összehasonlítás
Bár a második jelenlegi meghatározása, amely a céziumon belüli 9,2 GHz-es hiperfinom átmenetre támaszkodik, több mint fél évszázada fennáll, globális együttműködési erőfeszítések folynak az SI-szabvány újradefiniálására hideg atomokon és csapdába esett ionokon belüli ultraszűk optikai átmenetek segítségével. Ennek megfelelően az atomfajták széles skáláján alapuló optikai órákat vizsgálják jelöltként. Az új szabványok értékeléséhez különféle optikai órákat kell egymással a legmagasabb pontossággal összehasonlítani (lásd: . 6. ábra), de átmeneti frekvenciáik több száz terahertzel eltérhetnek, és ez lehetetlenné teszi a közvetlen elektronikus mérést.
Amint azt a legutóbbi munkák igazolják, ezek a frekvenciarések a legnagyobb pontossággal áthidalhatók a spektrális tisztaság átvitelével: a Menlo Systems ultraalacsony-zajú OFC-i lehetővé teszik a fajok közötti-óra-összehasonlítást 10-nél-18szinten és azon túl is.7Ebben az összefüggésben a spektrális-tisztaságátvitel egy jövő-biztos funkció, amely minden optikai óra laboratóriumában szükséges, mivel lehetőséget biztosít különféle atomfajták vizsgálatára, miközben magabiztosan támaszkodik egyetlen forrásra a frekvenciafésűre való hivatkozáshoz.
Terjesztés üvegszálas hálózatokon keresztül
Míg az úttörő kísérletek előkészítik az utat a hordozható optikai órák felé, a mai legpontosabb órák továbbra is helyhez kötött berendezések maradnak, amelyeket nemzeti metrológiai intézetek, kutatóintézetek és egyetemek szakértői csoportjai üzemeltetnek. Másrészt a nagy távolságú-összehasonlítás és az ultrastabil órajelek terjesztése csak a távközlési sávon keresztül lehetséges. Ez kihívást jelent a hálózati alkalmazások számára, mivel az optikai órajel-átmenetre zárt OFC-k általában nem tudnak könnyen kapcsolódni az üvegszálas hálózatokhoz, és nem teszik lehetővé a referenciajelek elosztását más helyekre.
A kihívás a hagyományos frekvenciafésűk fáziszaj-skálázásának, valamint az optikai óraátmenetek és a távközlési sáv közötti spektrális rés együttes hatásából fakad. Amint azt a 6. ábra szemlélteti, a spektrális tisztaság átvitele legyőzi ezt az akadályt, lehetővé téve mind a nagy távolságú -óra-összehasonlítást, mind az ultrastabil referenciák terjesztését olyan laboratóriumokban, amelyek nem üzemeltetnek saját optikai órát. Ez a képesség izgalmas tudományos lehetőségek széles skáláját nyitja meg,-beleértve a kvantumtechnológiák, a nagy-precíziós geodézia, a csillagászat, a navigáció és az alapvető fizika tesztjeinek fejlődését.8,9
