Laser siêu ổn định và công nghệ khoang siêu ổn định: từ cơ bản đến ứng dụng tiên tiến

Giới thiệu

Laser siêu ổn định là công cụ cốt lõi trong lĩnh vực khoa học chính xác. Độ ổn định tần số có thể đạt được 10^-16 Kích thước thậm chí còn cao hơn và được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như đồng hồ nguyên tử, phát hiện sóng hấp dẫn, tính toán lượng tử và quang phổ chính xác. Bài viết này kết hợp với Hoa KỳHệ thống Laser ổn định（SLS) và AustraliaDụng cụ lỏngĐề án công nghệ của công ty để khám phá các nguyên tắc thiết kế của laser siêu ổn định và khoang siêu ổn định, đột phá công nghệ và tiến bộ thử nghiệm, và trích dẫn các kết quả nghiên cứu và dữ liệu mới nhất để cung cấp tài liệu tham khảo cho các lĩnh vực liên quan.

I. Nguyên tắc cốt lõi và công nghệ chính của laser siêu ổn định

1. Kiến trúc cơ bản của laser siêu ổn định

Laser siêu ổn định thường bao gồm nguồn laser, khoang siêu ổn định tham chiếu (Fabry)-khoang perroth,FP(khoang) và hệ thống điều khiển phản hồi. Cốt lõi của nó là khóa tần số laser đểFPTrên đỉnh cộng hưởng của khoang, thông qua phản hồi chủ động ức chế tần số trôi dạt. Ví dụ, Trung tâm Trọng lực Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung áp dụngĐịa điểm: Pound-Drever-Hall（PDH), tọa độ&phương trình (EOM) Tạo tín hiệu dải cạnh, kết hợp với thông tin pha của ánh sáng phản xạ để tạo ra tín hiệu lỗi, cuối cùng ổn định tần số laser trong tần số cộng hưởng của khoang.

2. Thiết kế và tối ưu hóa khoang siêu ổn định

FPHiệu suất của khoang trực tiếp xác định độ ổn định của laser.SLSBảng thuyết minh chi tiết cung cấp dịch vụ (1), bao gồm hình trụ, lõm, hình cầu và khoang khối để đáp ứng các nhu cầu ứng dụng khác nhau:

-Khoang hình trụ: Thích hợp cho chiều rộng đường> 50 HzThí nghiệm vật lý nguyên tử;

-Khoang lõm: giới hạn tiếng ồn nhiệt thấp, chiều rộng đường< 50 HzSự lệch lạc của AlanCó thể đạt được10^-15；

-khoang hình cầu: thiết kế nhỏ gọn, độ nhạy tăng tốc thấp, thích hợp cho các cảnh di chuyển.

Hình dưới đây1Hiển thị các nhu cầu khoang khác nhau

Hình 1 Các loại khoang khác nhau

Sơ đồ2 Hệ thống chân không khoang siêu ổn định (độ chân không)<10^-8<Trở vềKiểm soát nhiệt độ<±0.005℃）

Ngoài ra, lựa chọn vật liệu (chẳng hạn như kính mở rộng cực thấp)ULE) Và công nghệ kiểm soát nhiệt độ tiếp tục giảm ảnh hưởng của tiếng ồn nhiệt.

Bảng1：SLSViệt-Loại khoang Perot và hiệu suất

Công nghệ Stable Laser Systems

1. Hệ thống tần số ổn định tích hợp cao

SLScủaTừ 1Hz-Hiển thị manipulator (Sản phẩm SLS-INT-1550-200-1) Sẽ có độ tinh tế caoFPkhoang, buồng chân không kiểm soát nhiệt độ và hệ thống điều khiển điện tử được tích hợp vào19Inch trường hợp, chiều rộng dòng< 1 HzNgày trôi dạt.< 20 kHzĐiện năng tiêu thụ chỉ25Ngói. Các tính năng của nó bao gồm:

Chức năng khóa một phím: theo dõi nhiệt độ buồng và độ chân không trong thời gian thực thông qua giao diện màn hình cảm ứng;

Thiết kế mô-đun: Hỗ trợ1530-1565 nmBước sóng tùy chỉnh, công suất đầu ra lên đến100 mW。

2. Nhiệt độ thấp và công nghệ ức chế rung

SLSVùng Đất Khắc NghiệtNo Man's Land (14–40°C) Đạt được giới hạn tiếng ồn nhiệt, kết hợpULEVật liệu và nền tảng cách ly rung tích cực cho phép hệ thống hoạt động trong các tình huống nhạy cảm với rung động như phát hiện sóng hấp dẫnƯu。

Thông số sản phẩm Thông tin sản phẩm Bình Luận(

1. Nghiên cứu trong nước: Hệ thống khoang siêu ổn định của HUST

Phát triển10 cmtoàn bộULEGiọng,30 cmkhoang hợp chất, nhiệt độ thấp6 cmkhoang sapphire, tải sao8 cmBuồng siêu ổn định như khoang phức hợp（Chấp nhận.Hệ thống Laser ổn địnhkhoang）, sử dụng khóa analog hoặc khóa kỹ thuật số đầy đủ, đã thực hiện một số hệ thống laser siêu ổn định, chẳng hạn như hình ảnh3Hiển thị. Hệ thống laser siêu ổn định được đánh giá lỗi, thiết kế và hoàn thành một số thí nghiệm tối ưu hóa tiếng ồn. Hiện đang bị khóa.10 cmtoàn bộULEĐộ ổn định tần số laser trên khoang có thể đạt đến giới hạn tiếng ồn nhiệt của khoang cộng hưởng, là khoang siêu ổn định quốc tế cùng loại hiện nayTốtMức độ khóa; Khóa trong30 cmNhiệt độ phòng composite khoang laser ổn định tần số tốt nhất có thể đạt được1.3×10^-16Và cam kết đưa nó vào.10^-17Đẳng cấp; Trong môi trường nhiệt độ thấp, giới hạn tiếng ồn nhiệt của hệ thống khoang siêu ổn định quang học được giảm hơn nữa, được thiết kế độc lập và lắp ráp6 cmNhiệt độ thấp tất cả các khoang sapphire, hiện tại đã đạt được độ ổn định tần số laser tốt nhất có thể đạt được1.9×10^-16và cam kết giảm hơn nữa tác động của các tiếng ồn như rung động, nhiệt độ của hệ thống đối với độ ổn định tần số; Khóa trong8 cmHệ thống tần số ổn định trong khoang siêu ổn định.6 mHzTần số tiếng ồn là3,6 Hz / Hz^1/2Đã thỏa mãn kế hoạch Thiên Cầm.10 Hz / Hz^1/2Yêu cầu. Thông số kỹ thuật sản phẩm: - Type: Digital Multifunction Imaging System - Standard Functions: Copy, Print (4Hiển thị

Hình 3 hệ thống laser siêu ổn định của Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung. (a) Hệ thống khoang siêu ổn định ULE đầy đủ 10 cm, (b) Hệ thống khoang siêu ổn định composite 30 cm, (c) Hệ thống khoang siêu ổn định sapphire nhiệt độ thấp 6 cm, (d) Hệ thống khoang siêu ổn định composite 8 cm

Sơ đồ4 Tất cả các bộ hệ thống laser siêu ổn định Mức độ ổn định tần số của Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong

2. Biên giới quốc tế: đồng hồ ánh sáng ytterbium và đồng hồ ánh sáng strontium

SLSTùy chỉnh cho đồng hồ ánh sáng ytterbi-ionTừ 817 nmHệ thống tần số ổn định, mô-đun Octave tích hợp, trôi hàng ngày< 15 kHz. Ngoài ra, Khoa học và Công nghệ Đo lường2021Nghiên cứu năm cho thấy tia laser siêu ổn định đã đạt được độ rộng dòng Yahz trong đồng hồ ánh sáng strontium, thúc đẩy sự đột phá về độ ổn định của đồng hồ ánh sáng.10^-18Xuất xứ xin tham khảo hình dưới đây:

Sơ đồ5 Đột phá ổn định đồng hồ ánh sáng 10^-18Bài viết tham khảo

Bốn.Châu ÚcDụng cụ lỏngĐổi mới hợp tác

Sơ đồ6 chất lỏngGiao diện hoạt động khóa tần số laser cũng như các tính năng của thiết bị

Dụng cụ lỏngMặc dù laser siêu ổn định không được sản xuất trực tiếp, thiết bị đo lường độ chính xác cao của nó (ví dụ:MokuHệ Trung cấp (SLSHệ thống hình thành bổ sung. Ví dụ:

Moku: Phòng thí nghiệm: Tích hợpPIDBộ điều khiển và phân tích phổ, có thể được tối ưu hóaPDHKhóa đường vành đai;

Moku: Pro: Hỗ trợ phản hồi đa kênh, thích hợp cho các tình huống ức chế tiếng ồn phức tạp.

Như hình3Hiển thị, khách hàng mặc dù sử dụng hệ thống khoang siêu ổn định, nhưng điều khiển điện và hệ thống phản hồi rất phức tạp, sử dụng rất nhiều thiết bị điện, ước tính gần10Thiết bị. Tuy nhiên, một hệ thống phức tạp như vậy chỉ cần sử dụng một trong những thiết bị của chúng ta.Moku：chuyên nghiệphoặcMoku：DeltaCó thể thực hiện xử lý và giám sát tín hiệu phức tạp như vậy. Như hình7Hiển thị.

Sơ đồ7 VớiMokuĐể thực hiện khóa tần số laser.

Các thí nghiệm cho thấy sự kết hợpMokuThiết bị vàSLSBuồng siêu ổn địnhMột phòng thí nghiệm sẽ rút ngắn thời gian khóa.30%Tần số tiếng ồn giảm xuống0,8 HzĐáp ứng được nhu cầu của hầu hết các phòng thí nghiệm.

V. Thách thức và định hướng tương lai

1. Giảm tiếng ồn nhiệt độ thấp: chẳng hạn như Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong đang phát triển khoang sapphire nhiệt độ thấp, độ ổn định mục tiêu đạt được1.9×10^-16；

2. Thu nhỏ và thương mại hóa:SLScủa3 HzHệ Trung cấp (16 kg) vàDụng cụ lỏngThiết bị chặt chẽ thúc đẩy ứng dụng dã ngoại;

3. Tích hợp đa bước sóng:SLSKhoang xốp hỗ trợ khóa chế độ chung đa laser, thích hợp cho bẫy ion và mô phỏng lượng tử.

Kết luận

Laser siêu ổn định và công nghệ khoang siêu ổn định đang hướng tới độ ổn định cao hơn, tiêu thụ điện năng thấp hơn và các kịch bản ứng dụng rộng rãi hơn. Hoa KỳSLSGiải pháp hệ thống hóa và nghiên cứu sâu sắc của giới học thuật cùng thúc đẩy tiến bộ trong các lĩnh vực đo lường tử, khoa học không gian, v. v.Dụng cụ lỏngCông nghệ điều khiển điện tử cung cấp hỗ trợ quan trọng cho quá trình này. Trong tương lai, với những đột phá trong khoa học vật liệu và thuật toán phản hồi, laser siêu ổn định dự kiến sẽ trở thành trụ cột cốt lõi của nghiên cứu vật lý cơ bản và ứng dụng công nghiệp.

Về Hạo Lượng Quang Điện:

Thượng Hải HaoQuang Optoelectronic Equipment Co, Ltd là đại lý chuyên nghiệp của các sản phẩm quang điện, các sản phẩm bao gồm tất cả các loại laser, bộ điều chế quang điện, thiết bị đo quang học, linh kiện quang học, v.v., liên quan đến các ứng dụng bao gồm xử lý vật liệu, viễn thông quang học, y tế sinh học, nghiên cứu khoa học, quốc phòng, quang học lượng tử, vi sinh học, cảm biến vật lý, sản xuất laser và như vậy; Có thể cung cấp cho khách hàng các dịch vụ cài đặt thiết bị hoàn chỉnh, đào tạo, phát triển phần cứng, phát triển phần mềm, tích hợp hệ thống và các dịch vụ khác.