Fizyka Laserów wykład 15 Czesław Radzewicz
architektura Optycznego Zegara Atomowego (OZA) ν 0 = 10 14 10 15 Hz Δν 1 Hz niski szum fazowy ν 0 = 10 14 10 15 Hz Δν 1 Hz stabilność długoczas. laser wzorzec atomowy niski szum fazowy fs grzebień częstości PD wyjście RF
laser zegarowy rezonator Fabry-Perot laser diodowy z zewnętrzną wnęką Interferometr Fabry-Perot ULE (ZO WF UW) PD ze wzorca atomowego stabilizacja PDH AOM T 1 GHz khz wiązka wyjściowa 0 500 THz częstość
laser izolator modulator fazy polaryzator wnęka F-P Pond Drever Hall lock wzmacniacz servo generator λ 4 fotodetektor filtr Δφ mieszacz za modulatorem i ωt+βsinωt E in = E 0 e E 0 J 0 β e iωt + J 1 β e i ω+ω t i ω Ω t J 1 β e moc: P C = J 0 2 (β) P 0, P S = J 1 2 (β) P 0 odbicie od Fabry-Perot F ω = r eiφ 1 2ωL 1 r 2, φ = eiφ c, r = E r E in amplitudowy współczynnik odbicia dla luster fala odbita E ref = F(ω) E in sygnał fotodetektora = moc fali odbitej P ref = E ref 2 = P C F ω 2 + P S F ω + Ω 2 + F ω Ω 2 + 2 P C P S Re F ω F ω + Ω F ω F ω Ω cosωt + Im F ω F ω + Ω F ω F ω Ω sinωt + (wyższe rzędy) mieszacz wybiera jedną kwadraturę (sinωt) zatem sygnał to: S = 2 P C P S Im F ω F ω + Ω F ω F ω Ω
wzmacniacz servo laser izolator generator modulator fazy Δφ polaryzator wnęka F-P λ 4 fotodetektor PHD lock szerokość krzywej dyspersyjnej skaluje się jak 1 F S filtr mieszacz φ S Im F ω F ω + Ω F ω F ω Ω wynik z KL FAMO F = 100, Ω = 0.04 FSR,
jak dobry może być laser zegarowy? T. Kessler et al., A sub-40-mhz-linewidth laser ased on a silicon single-crystal optical cavity, NATURE PHOTONICS 6, 687-692 (2012) ν 3 10 14 Hz Δν 5 10 2 Hz
atomowy wzorzec częstości 87 Sr Atom czy jon? wymagania: σ τ = Δν ν 0 T τn duże Q małe Δν/ν 0 słaba zależność ν 0 od pól zewnętrzn. łatwość manipulacji M. Boy, et al., Science 314, 1430-1433 (2006)
atomowy wzorzec częstości, c.d. Efekt Dopplera poszerza linie spektralne, dlatego: laserowe chłodzenie atomów pułapkowanie magneto-optyczne setki tysięcy atomów w temperaturze mk To za mało bo ciągle mamy zderzenia atomowe. Rozwiązanie: sieci optyczne N 10 4 1D 2D 3D
atomowy wzorzec, c.d. z deszczu pod rynnę? Pole el. fali wytwarzającej sieć przesuwa poziomy energetyczne przez dynamiczny efekt Starka Rozwiązanie: magiczna długość fali J. Ye, H. J. Kimble, H. Katori, Science 320, 1734 (2008).
co wybrać? obiecujące układy: 1. 199 Hg + 5d 10 6s 2 S 1/2 (F=0) 5d 9 6s 2 2 D 5/2 (F=2) linia 282 nm (1.06 PHz) 2. 88 Sr + 5s 2 S 1/2 4d 2 D 5/2 linia 674 nm (445 THz) 3. 171 Yb + 6s 2 S 1/2 (F=0) 5d 2 D 3/2 (F=2) linia 436 nm (688 THz) 4. 27 Al + 1 S 0-3 P 0 linia 267 nm (1.12 PHz) 5. 40 Ca 4s 2 1 S 0-4s4p 3 P 1 linia 657 nm (457 THz) 6. 87 Sr 5s 2 1 S 0-5s5p 3 P 0 linia 698 nm (429 THz) 7. 88 Sr 5s 2 1 S 0-5s5p 3 P 0 linia 698 nm (429 THz) 8. 171 Yb 6s 2 1 S 0-6s6p 3 P 0 linia 579 nm (519 THz) 9....
Optyczny Grzebień Częstości (OGC) przekładnia do OZA T Transformacja Fouriera: ω k = ω CE + k ω r, k = 0,1,2 * ω r = 2π T ω CE = Δφ 2π ω r < ω r ν r = ω r 2π = 0.1 10 GHz *indeks CE pochodzi od Carrier-Envelope
I(ν) wyznaczanie ν CE ν CE ν r ν 0 nν r + ν CE SHG 2nν r + ν CE 2nν r + 2ν CE ν CE M.Pawłowska, et al., Collinear interferometer with variable delay for carrier-envelope offset frequency measurement, DOI: 10.1063/1.3197404
stabilizacja OGC do sygnału RF laser pompujący AOM laser fs PF interferometr f + 2f ν r PLL wzorzec częstości RF ν CE PLL ν k = k ν r + ν CE AOM Acousto-Optic Modulator PF Photonic Fiber PLL Phase Locked Loop
elektroniczna pętla fazowa sygnał referencyjny A sin 2πf A t + φ A D S B sin 2πf B t + φ B filtr + wzmacniacz VCO wyjście D: detektor częstości, S = AB f A f B detektor fazy, S = AB sin φ A φ B VCO Voltage Controlled Oscillator Jakość pętli czyli dokładność śledzenia fazy sygnału referencyjnego zależy od wzmocnienia w pętli im większe wzmocnienie tym lepsza stabilizacja φ B. Jednak zbyt duże wzmocnienie skutkuje oscylacjami potrzebny kompromis. Ważna jest charakterystyka filtru. przykład: synteza częstości sygnał referencyjny A sin 2πft D S filtr + wzmacniacz B sin 2πf b /N /N VCO wyjście B sin 2πNft
jakość stabilizacji CE, przykład OPTICS LETTERS / Vol. 30, No. 3 / February 1, 2005, p. 332 Monolithic carrier-envelope phase-stabilization scheme Takao Fuji et al.
przekładnia światło mikrofale ν k = ν CE + k ν r, znamy k laser fs interferometr ν 2ν mierzymy: ν b = ν l ν k ν CE PLL można zrobić tak, że ν CE = ν r l, l = 2,3 ν r PLL wtedy ν r = l kl+1 ν l ν b stabilny laser typowo: ν l 10 15 Hz ν b 10 7 Hz ν k ν l PD fotodioda ν b ν wyjście RF (ν r ) PLL pętla fazowa k-1 k k+1
jak dobry jest OGC? 10 19 L-S. Ma et al., Science 303, 1843-1845 (2004)
jak dobre są OZA? źródła: pozostałe: N. Hinkley, et al., An atomic clock with 10-18 instability, Science Express, Aug. 22, 2013 P. Delva, J.Lodewyck, Atomic clocks: new prospects in metrology and Geodesy, arxiv:1308.6766v1
aktualny(?) rekord stabilności 2 zegary atomowe Yb w tym samym laboratorium NIST (USA) 1.6 10 18 po 7 dniach uśredniania źródło: N. Hinkley, et al., An atomic clock with 10-18 instability, Science Express, Aug. 22, 2013 10 18 1cm geodezja relatywistyczna
dokładność OZA Izaac Newton: "...by reason of the Motion of a Ship, the Variation of Heat and Cold, Wet and Dry, and the Difference of Gravity in Different Latitudes, such a Watch hath never been made." trzeba pamiętać, że obecnie dokładność każdego zegara jest ograniczona przez dokładność cezowego wzorca częstości źródło: M. Takamoto, F. Hong, R. Higashi & H. Katori, Nature 435, 321-324 (2005)
dystrybucja czasu i częstości REFIMEVE+ : REseau FIbré MEtrologique à Vocation Européenne+
linia Brunszwik-Monachium 2000 km, 420 db strat, aktywna stabilizacja drogi optycznej we włóknie, 4 10 19 (uśednianie 100s) S. Droste et al., Optical-Frequency Transfer over a Single-Span 1840 km Fiber Link, PRL 111, 110801 (2013)
czy natura zmienia zdanie? T. Roseband et al., Science 319, 1808-1811 (2008)
czy natura, c.d.? ν Al + ν Hg + = 1.052871833148990438(55) α = e 2 4πε 0 ħ 2 α α = 1.6 ± 2.3 10 17 /year T. Roseband et al., Science 319, 1808-1811 (2008)