光学和光子学

频率梳塑造光的未来

字号+ 作者:admin 来源:小丑鱼-分享科普知识 2019-11-08 13:19

今年是第一次使用光频率梳测量氢原子1S-2S的光跃迁频率20周年,这是在德国Garching的Max-Planck-InstitutfrQuantenoptik(MPQ)上实现的。Menlo Systems是MPQ的一个分支机构,其后不久成立,从那以后一直在商业化和开拓该技术。 如今,光学频率梳(OFC)通常用于时间和频率计量,光谱学,电信和基础物理学等各种应用中。

  今年是第一次使用光频率梳测量氢原子1S-2S的光跃迁频率20周年,这是在德国Garching的Max-Planck-InstitutfürQuantenoptik(MPQ)上实现的。Menlo Systems是MPQ的一个分支机构,其后不久成立,从那以后一直在商业化和开拓该技术。

  如今,光学频率梳(OFC)通常用于时间和频率计量,光谱学,电信和基础物理学等各种应用中。这家德国公司基于光纤的系统及其专有的“图9”激光锁模技术,为当今市场上最稳定,可靠,坚固和紧凑的光学频率梳树立了先例。

频率梳塑造光的未来

  光学频率梳利用包含多达10 6个等距,相位稳定的频率的激光来测量其他未知频率,具有很高的精度,并且与射频标准相比具有绝对的可追溯性。创建OFC的最常见,最通用的方法是稳定超快锁模激光器,其中光脉冲在光学腔中来回反弹。所得脉冲序列的频谱是一系列非常尖锐的峰值,这些频率在频率上均匀分布,就像梳齿一样。

  通过所谓的自参考技术,梳子的第一个齿-称为载波到信封的偏移频率-可以很好地固定在某个位置。当梳齿的间距以已知频率为基准时,例如铯原子钟或氢激振器产生的射频,可以通过干扰梳齿上最近的齿来精确测量光源的绝对频率关于OFC参考。因此,该设备提供了一种对原子和分子跃迁进行非常精确的光谱测量的方法,并提供了一种比较原子钟的通用且独特的方法。

  诺贝尔奖

  OFC是由西奥多·汉施(TheodorHänsch)发明的,他与扬·霍尔(Jan Hall)一起因其开发而获得了2005年诺贝尔物理学奖。Hänsch与他的两个学生Ronald Holzwarth和Michael Mei以及Thorlabs的创始人兼总裁Alex Cable于2001年共同创立了Menlo Systems,以将该技术确立为可用于多种应用的交钥匙设备。该公司很快从奥地利和意大利的两个实验室获得了OFC系统的订单,如今,全球所有主要的计量机构都拥有一个或多个Menlo Systems的OFC。

  该公司在创新,质量和性能方面一直处于领先地位,其产品用于开创性研究以及新兴工业应用中。它的旗舰产品FC1500-ULN plus是世界上最精确的光频率梳,现已成为光钟开发中的一项关键技术–预计有一天将取代铯原子钟成为定义第二秒的当前标准。

  Menlo项目负责人,Max-Planck研究所汉施研究小组的博士候选人Michele Giunta说:“ Menlo最近取得了相关的飞跃,这对于量子光学,原子和分子物理学的研究人员来说几年前似乎是不可能的。”为Quantenoptik。“我们已经开发并构思了频率梳,可以合成可模拟ORS超稳定激光器亚赫兹线宽的光频率,甚至可以支持未来的亚兆赫兹线宽激光器。这样,OFC产生的每个频率都与光学基准相位相干,并且呈现出与基准相同的线宽,且可忽略的附加噪声。”

  FC1500-ULN plus中使用了这项技术,即使对于迄今为止展示的最窄的线宽激光器,也可以将参考的光学相干性转移到锁定在梳子上的所有激光器。Giunta解释说:“该产品可用于比较两个或多个不同的光学时钟,使梳子与最佳时钟同步,同时避免妨碍与其他时钟的比较。” “它还用于氢的精密光谱分析,这是由西奥多·汉施(TheodorHänsch)领导的长期研究工作,用于测试量子电动力学,使我们能够确定基本常数,例如里德堡常数或质子电荷半径。”

  光学参考系统的作用是使梳子将每个光学牙齿的噪声降低到亚赫兹水平,该系统包括锁定到稳定的高精细光学腔的连续波(CW)激光。“通过这样做,我们以很高的带宽和无与伦比的相干性控制了梳子的两个自由度,” Giunta解释说。“事实上,我们最近已经证明并报告了使用这种系统的光载波和微波载波的最低噪声合成。”

  破纪录者

  在2016年,与SYRTE的学术合作伙伴合作,法国国家计量学院的Yann Le Coq和Giorgio Santarelli现已在波尔多的LP2N工作-Menlo证明了该技术可用于合成具有最高光谱纯度的微波迄今为止展示。

  Giunta说:“ Menlo的技术允许将参考激光器的频率稳定性转移到梳状激光脉冲序列的定时,从而转移到被检测为脉冲重复率的微波频率。” “参考激光器的亚赫兹线宽被转换成微波载体中的微赫线宽,通常是脉冲重复频率的谐波。”

  超低噪声微波产生技术的进步会直接影响诸如高速数据传输,高稳定性原子钟,超长基线干涉测量法(VLBI),射电天文学和用于监视和导航系统的高精度雷达等应用。

  “例如,在多普勒雷达和移动交通指示器系统中,振荡器的相位噪声会导致较大的静态杂波在多普勒频谱中扩散,” Giunta解释说。因此,雷达系统的性能受到微波振荡器相位噪声特性的强烈影响。对于高保真雷达系统而言,在1 Hz至100 kHz偏移频率处的低近相噪声至关重要。”

  新兴应用

  Menlo业务开发主管Richard Zeltner补充说,频率梳技术的其他高端应用包括高速精确距离测量,例如协调卫星群的位置,电信和天文光谱仪的校准。

  他说:“我们与研究和计量机构紧密合作,以了解不同领域的发展方向以及我们如何为他们提供服务。” “随着今天的研究可以变成明天的产品,我们正在努力开发可满足即将到来的高端应用需求的可靠技术。”

  Zeitner还指出,Menlo继续使其既定产品更加可靠和用户友好。他说:“经过15多年的发展,我们最近成功地减少了OFC的占用空间和易用性。” “ SmartComb是一个简单且完全自主的梳理系统,与我们的ORS超稳定激光器一起,为最终用户提供了可机架安装的解决方案,用于合成亚赫兹线宽激光和超纯微波。” SmartComb可以轻松实现由非专家使用,这使得更广泛的客户可以使用它。

  但Zeltner补充说,该公司的目标更高。由于精确的计时和同步对于全球导航卫星系统(GNSS)都是至关重要的,因此人们正在不断努力使光学时钟技术适合太空应用。他说:“由于OFC是任何光学时钟不可或缺的一部分,因此Menlo也在朝着这个方向开展研发工作。”

  最近,一架SmartComb在高空研究飞机上成功运行,该飞机在抛物线飞行中达到了零重力条件,而原型梳子已经在DLR Texus计划的测深火箭上进行了测试。Zeitner说:“我们还没有为在轨验证卫星任务或国际空间站做好准备,但我们正在朝着这一目标不断取得进展。”

  展望未来

  其他一些潜在的应用也正在出现,例如多个激光的梳状辅助相干控制就是其中之一。Giunta说:“这对于未来基于离子或神经原子的量子计算机可能很重要。” “这些新兴技术可能会在许多领域中发挥作用,并且再次,OFC对于此类信息技术革命将至关重要。”

  OFC是Menlo的明星产品,目前在全球运行着300多个系统,但其产品组合还包括飞秒激光器,超稳定CW激光器和THz技术。如今,该公司拥有100多名员工,并在德国,美国和中国设有办事处。

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