Содержание
1. Введение.......................................................................4
Краткое содержание работы........................................................14
Литература.......................................................................16
2. Фемтосекундный лазер для генерации частотной гребенки.........................20
2.1 Многомодовая генерация.......................................................20
2.2 Импульсный режим.............................................................21
2.2.1 Синхронизация мод......................................................21
2.2.2 Оптический эффект Керра. Самосинхронизация мод.........................25
2.2.3 Компенсация дисперсии групповой скорости...............................28
2.3 Теоретические основы генерации сверхкоротких импульсов.......................30
2.4 Экспериментальная установка. Полученные результаты...........................37
2.4.1 Конструкция резонатора лазера..........................................37
2.4.2 Активная среда и накачка...............................................38
2.4.3 Зеркала................................................................40
2.4.4 Призматический компенсатор дисперсии...................................41
2.4.5 Настройки резонатора...................................................43
2.4.6 Достигнутые рабочие характеристики лазера..............................45
2.4.7 Активная стабилизация частоты повторения...............................49
Заключение.......................................................................51
Литература.......................................................................52
3. Генерация спектрального суперконтннуума в волокнах с перетяжкой...............54
3.1 Основные волноводные свойства оптических волокон.............................54
3.2 Дисперсионные и нелинейные свойства оптических волокон.......................56
3.2.1 Дисперсия в волокне....................................................56
3.2.2 Фазовая самомодуляция в волокне........................................59
3.2.3 Эффективность ФСМ в волокне............................................61
3.2.4 Физические явления и факторы, влияющие на генерацию СК.................63
3.2.5 Солитонный режим генерации СК..........................................66
3.3 Экспериментальная установка Анализ полученных результатов....................67
3.4 Шумовые характеристики волокон с перетяжкой..................................71
3.4.1 Фазовый шум............................................................71
3.4.2 Измерение частотной стабильности.......................................73
Заключение.......................................................................76
Литература.......................................................................77
2
4. Фазовая синхронизация лазерных частот.......................................80
4.1 Диодный лазер с внешним резонатором........................................81
4.2 Система оптической фазовой автоподстройки частоты..........................82
4.3 Ограничения аналогового фазового детектора.................................83
4.4 Цифровой фазовый детектор..................................................85
4.5 Экспериментальная установка. Полученные результаты.........................87
4.5.1 Комбинированный фазочастотный детектор и цепи обратной связи.........87
4.5.2 Фазовая привязка диодного лазера к моде фемтосекундного лазера.......89
4.5.3 Модифицированный ФЧД для стабилизации фемтосекундного лазера 93
Заключение.....................................................................93
Литература.....................................................................94
5. Измерения лазерных частот дальнего НК диапазона.............................96
5.1 Гетеродинные методы измерения ДИК частот ..................................97
5.2 Требования к свойствам смесителя...........................................99
5.3 Экспериментальная установка. Полученные результаты........................101
5.3.1 ДИК-лазер (молекулярный лазер с оптической накачкой)................101
5.3.2 Фемтосекундный лазер................................................101
5.3.3 Смеситель...........................................................102
5.3.4 Экспериментальные измерения.........................................103
Заключение....................................................................107
Литература....................................................................108
Приложение Л..................................................................111
Численное моделирование с помощью метода расщепления Фурье.
Ограничения теоретической модели
Приложение Б..................................................................115
Усовершенствованная схема измерений ДИК частот
3
1
Введение
4
Введение
Прецизионная оптическая спектроскопия атомов и молекул уже более века играет центральную роль в открытии законов квантовой физики, в определении фундаментальных констант, в создании стандартов частоты, времени и длины. В настоящее время высокоточные стабильные оптические стандарты частоты дают возможность сверхточного измерения значений фундаментальных констант [1-3], исследования их вероятных изменений со временем [4, 5] и т.д.
В недавнем прошлом большинство спектроскопических экспериментов основывались на измерении длины оптических волн, а не их частоты. Однако неизбежные геометрические искажения волнового фронта до сих пор не позволяют превзойти точность (А/ДА.) ~10‘° в интерферометрах лабораторного размера. На сегодняшний день из всех физических величин именно частота может быть измерена с наивысшсй точностью.
В настоящее время наличие высокочастотных частотомеров и синтезаторов позволяет достаточно просто осуществлять измерения частот в радио и микроволновом диапазонах. В микроволновом диапазоне (~109-*-10п Гц) измерения частоты возможны с помощью гетеродинной техники. Гетеродинная техника измерений подразумевает получение в нелинейном элементе легко измеряемой низкой частоты, которая является разностной между неизвестной (измеряемой) частотой и близкой к ней частотой, известной с высокой точностью. «Известная» частота может быть синтезирована из нескольких более низких «известных» частот при помощи нелинейного элемента, в котором генерируются гармоники или суммарные частоты. Измеряемая микроволновая частота может сравнивайся с первичным стандартом частоты-времени, которым являются атомные часы, основанные на переходе в сверхтонкой структуре основного состояния атома цезия [6, 7]. Частота этого перехода определена как 9 192 631 770 Гц и является базисом для всех абсолютных частотно-временных измерений в мире.
Что касается измерений абсолютных частот оптического диапазона (~1012-Н015 Гц), то ситуация оставалась весьма проблематичной на протяжении долгого времени. Во-первых, исследовательское сообщество было вынужденно строить фазово-когерентные лазерные гармонические цепочки для синтеза оптических частот. Эти частотные цепочки начинались с микроволнового осциллятора, который сравнивался (либо синхронизировался) с цезиевым стандартом частоты, и генерировали все более и более высокие гармоники в диодных смесителях, кристаллах и других нелинейных устройствах [рис. 1(а)]. После каждой ступени преобразования частоты требовались промежуточные осцилляторы с фазовой синхронизацией, таким образом, цепочка, пересекающая широкую область электромагнитного спектра, становилась очень сложной, громоздкой и ненадежной. Поэтому эти цепочки требовали значительных ресурсов и героических усилий для их создания и эксплуатации [8-12]. Большинство лазерных гармонических частотных цепочек проектировались для измерения
5
одной единственной оптической частоты и, до настоящего времени, были созданы всего лишь несколько полноценных цепочек, простирающихся в видимый диапазон.
Проблема измерения оптических частот оставалась даже тогда, когда на основе различных молекулярных и атомарных переходов был создан целый ряд вторичных стандартов частоты инфракрасного и видимого диапазонов, таких как [11-16]: СОг лазеры на 10 мкм, стабилизированные по OsCV, He:Ne лазеры на 3.39 мкм, стабилизированные по СН4; лазеры стабилизированные по Rb на 778 нм; NdrYAG лазеры на 1064/532 нм, стабилизированные по Ь и др. Количество этих «известных» (опорных) частот было все равно недостаточным на оптической электромагнитной шкале, поскольку было очень сложно перекрыть промежуток между «известной» частотой и произвольной неизвестной частотой, если этот промежуток превышал несколько десятков ГГ'ц (примерно 0,01% от оптической частоты). Кроме того, даже если какой-либо вторичный оптический стандарт демонстрировал высокую точность и стабильность, сравнимые с показателями первичного цезиевого стандарта, создание часов на основе этого оптического эталона являлось очень непростой задачей. Для переноса его частотных свойств из оптического в микроволновый и радио диапазоны требовались все те же лазерные частотные цепочки, теперь для синтеза частот в обратном направлении, [рис. 1(6)].
(а) 1,52 (иа (197 Ufa) (б) 88ТНг
Рис. 1. Фазово-когерентные лазерные гармонические цепочки для синтеза частот: (а) от микроволновой частоты Cs стандарта до оптической частоты 197 THz [Эвенсон и др., 1977] ‘9I; (б) от оптической частоты СНУНе-Ne стандарта до радио частоты - одни из первых оптических часов на основе CHij/He-Ne стандарта [Чеботаев и др., 1982]
Более поздний метод деления интервала оптических частот, предложенный в 1990 [17], заметно облегчил создание когерентных частотных цепочек, связывающих оптический и микроволновый диапазоны, и упростил, таким образом, измерения оптических частот. Рисунок 2 (а) дает общее представление о делителе интервалов оптических частот (ДИОЧ): нелинейные оптические кристаллы используются для генерации второй гармоники лазера ДИОЧ (2Гз) и суммарной частоты входных оптических сигналов (Г] и Гг), которые формируют делимый интервал оптических частот. Затем сигналы с обоих нелинейных элементов сравниваются на относительно узкополосном фотодетекторе для получения сигнала рассогласования, который используется для фазовой привязки частоты лазера ДИОЧ (Гз) к средней точке интервала оптических частот:
Ь =№ + №
Интервал оптических частот может быть сформирован также оптическим сигналом (0 и его второй гармоникой (20, а затем может сокращаться с помощью каскада последовательных ДИОЧ до достижения требуемой разностной частоты. Каскад из N ДИОЧ делит первоначальный интервал оптических частот на 2И. Для создания фазово-когерентной частотной цепочки, связывающей оптический и микроволновый диапазоны, требуется сделать конечный интервал оптических частот достаточно малым, чтобы он мог быть измерен через непосредственное сравнение с микроволновым сигналом. Фазовая когерентность между оптическим и микроволновым сигналом обеспечивается за счет того, что лазеры всех ДИОЧ фазово-когерентны с оптическим сигналом на входе каскада ДИОЧ. Такая частотная цепочка изображена на рисунке 2 (б).
(б)
2f3-(f1+fz)
f3V
microwave signal
error signal
Рис. 2, (а): Схема делителя интервала оптических частот. Вторая гармоника (2Гз) лазера ДИОЧ сравнивается с суммарной частотой (Г|-Г2) входных оптических сигналов на фотодетекторе, дающем сигнал ошибки для системы фазовой привязки частоты лазера ДИОЧ к средней частоте интервала;
(Ъ): Фазово-когерентная частотная цепочка, связывающая оптический и микроволновый диапазоны. Каскад из N ДИОЧ используется для уменьшения оптического частотного интервала в 2Ы раз до микроволновой частоты, которая может быть легко измерена. Главное преимущество данного метода заключается в том, что все промежуточные частоты лежат в оптическом диапазоне; Обозначения: ЭРв - генерация суммарной частоты, БНв - генерация второй гармоники, ОРЮ - ДИОЧ.
Преимущество этого метода перед традиционными цепочками частотного умножения, упоминавшимися в начале, заключается в том, что все частотные источники находятся в узкой области оптического спектра, которая доступна для недорогих инфракрасных лазерных диодов. Действительно, с уменьшением интервала оптических частот, лазеры ДИОЧ располагаются в пределах все более узкой полосы оптических частот. При этом можно выбирать в какой части оптического спектра (в пределах начального интервала) она будет лежать, поскольку после каждой ступени каскада ДИОЧ существует выбор между высокочастотным и низкочастотным интервалами. В качестве примера: такая частотная цепочка была использована Удэмом и Хэншсм (Udem, Hansch) с коллегами, что бы измерить двухфотонный 1S-2S переход в атоме водорода относительно калиброванного CH^/He-Ne оптического стандарта частоты [1].
Тем не менее, для создания частотной цепочки, связывающей оптический и микроволновый диапазоны, гребовалось приблизительно 14 ступеней ДИОЧ, что по-прежнему представляло весьма сложную задачу из-за такого большого числа лазеров с фазовой привязкой частоты. Что бы упростить эту задачу и сделать возможным охват и измерение широких интервалов оптических частот все еще требовались иные методы и устройства. Сегодня такое устройство известно как генератор гребенки оптических частот (ГГОЧ). Оно решает упомянутую задачу благодаря генерации широкой гребенки эквидистантных оптических частот, расположенных с интервалом равным микроволновой (радио) модуляционной частоте [рис. 3]. Гребенкуг можно представить как «частотную линейку» с делениями равными микроволновой (радио) частоте. Такой ГГОЧ на основе резонансного элекгрооптичсского модулятора обладает потенциальной возможностью измерения интервалов до нескольких ТГц [18-21], что может сократить необходимое количество ДИОЧ до 7 и мснсс. Когерентная частотная цепочка, связывающая оптический и микроволновый диапазоны, которая использует каскад ДИОЧ дополненный ГГОЧ, была предложена целым рядом исследовательских групп [22-24]. Рисунок 4 иллюстрирует данную концепцию.
microwave signal <fm)
ЕОМ
j laser ?
1 <fo>
is)
V
frequency
OFCG stabilization system
Рис. 3. Генератор гребенки оптических частот на основе резонансного электрооптического модулятора (ЕОМ). Контур обратной связи, контролирующий оптический резонатор, используется для стабилизации гребенки оптических частот. Модулирующий микроволновый сигнал подастся на электрооптический модулятор через микроволновый резонатор. Область дисперсии оптического резонатора кратна частоте модуляции. Ширина генерируемой частотной гребенки может достигать несколько ТГц.
8
#1
#2
#3
ОБСЄ
#4
2І1
Рис. 4. Спектр оптических частот, который генерируется в частотной цепочке, связывающей оптический и микроволновый диапазоны с использованием каскада ДИОЧ дополненного ГГОЧ (ОЕСО). Средняя частота каждого частотного интервала, генерируемая в 19-м ДИОЧ, обозначена соответствующим номером Ш. Шкала частот линейная; /~1014Гц.
Однако действительно революционный прогресс в этой области стал возможным благодаря изобретению [251 и последующему совершенствованию [26, 27] фемтосекундных твердотельных лазеров с самосинхронизацией мод. Один такой лазер способен генерировать гораздо более широкую гребенку оптических частот, чем любой другой тип ГГОЧ, н, поэтому, может заменить собой большую часть любой лазерной частотной цепочки. Он также может служить непосредственно для измерения больших интервалов оптических частот, перекрывая частотный промежуток в десятки ТГц между опорной оптической частотой и частотой подлежащей измерению [2, 28, 29]. Более того, недавние разработки, использующие фемтосекундные лазеры и специальные типы оптических волокон, сделали возможным генерацию расширенной гребенки оптических частот (так называемого суперконтинуума), которая перекрывает целую октаву оптических частот [30, 31]. Таким образом, исчезает необходимость в каких-либо промежуточных звеньях деления частоты. Эта техника существенно облегчает выполнение основной задачи прикладной оптической частотной метрологии: в принципе, такая гребенка сама может образовать фазово-когерентную сеть, связывающую весь оптический спектр с микроволновым стандартом. Соответственно, работы в данной области венчаются созданием компактных и надежных полностью твердотельных частотных «цепочек», требующих лишь один фемтосекундный лазер [32, 33]. С такой техникой даже небольшие спектроскопические лаборатории получают теперь возможность измерять или синтезировать любые оптические частоты с предельной точностью. В результате техника фемтосекундных частотных гребенок очень быстро нашла широкое применение во многих лабораториях мира для прецизионных измерения переходов в атомах Са [34], Ся [2], Н [29, 351, Нё* [34], Ь [32], 1п+[36] и т.д.; многие измерения уже успешно выполнены, другие проводятся. Далее будет кратко рассмотрена концепция этой техники измерений.
Рисунок 5 иллюстрирует в упрощенной форме (без учета временных фазовых соотношений, в предположении абсолютно идентичных импульсов) оптическую частотную гребенку, тонерирусмую фемтосекундным лазером с синхронизацией мод. Фурье преобразование регулярной последовательности коротких оптических импульсов из временной области приводит к гребенке оптических частот, состоящей из огромного числа эквидистантно
- Київ+380960830922