Optik chastotali taroqlar: Spektral tozalik uzatish

Optik chastotali taroqlar (OFC) aniq lazer yorug'lik manbalari bo'lib, ularning spektrlari taroqning tishlariga o'xshash bir xil-oraliqli chastotali chiziqlardan iborat. Optik chastotalarni o'lchash uchun yuqori aniqlikdagi o'lchagichlar sifatida OFC 1990-yillarning oxirida ishlab chiqilganidan beri aniq o'lchov va metrologiyada inqilob qildi. OFClar tomonidan faollashtirilgan eng muhim imkoniyatlardan biri bu spektral tozalikni uzatishdir. Bu OFC ning bir yorug'lik manbasining spektral tozaligi-chastota barqarorligi va tor chiziq kengligi-ni boshqa to'lqin uzunligida ishlaydigan boshqasiga o'tkazish qobiliyatiga ishora qiladi.

O'ta past shovqinli{0}}dasturda (Menlo Systems tomonidan patentlangan¹), spektral soflik uzatish ultrabarqaror optik mos yozuvlar tizimlarining butun taroq spektri boʻylab, jumladan, oʻrta{1}}infraqizil spektr hududlariga koʻrinadigan chastota-konvertatsiya qilingan chiqishlari boʻyicha xususiyatlarini saqlab qoladi.

Optik chastotali taroqlarga kirish

OFC lazer manbai boʻlib, uning optik spektri bir qator diskret, bir xil intervalli chastotali chiziqlardan- iborat. Chastota zonasida bu muntazam tuzilish taroqning tishlariga o'xshaydi. OFClar ko'pincha ultraqisqa, blokirovka qilingan lazerlar yordamida ishlab chiqariladi (. 1-rasm, tepaga qarang). Modellashtirish - bu lazer bo'shlig'ining uzunlamasına rejimlari o'zgarmas faza munosabatlari bilan tebranishga majbur bo'lgan texnikadir. Shunday qilib, lazer bir qator ultra qisqa optik impulslarni chiqaradi. Aylanma puls lazer rezonatori ichida oldinga va orqaga takrorlanish tezligida tarqaladi.f_rep, bu bo'shliqning aylanish vaqti-bo'yicha aniqlanadi. Har bir aylanish jarayonida lazer chiqishini hosil qilish uchun qisman uzatuvchi oyna orqali oz miqdorda puls energiyasi olinadi. Vaqt domenida bu chiqish muntazam impuls poezdi sifatida ko'rinadi va chastota domenida u teng masofadagi spektral chiziqlar taroqiga mos keladi (qarang: . 1-rasm, pastki).

Lazer bo'shlig'idagi dispersiya tufayli impuls konvertining guruh tezligi odatda optik tashuvchining faza tezligidan farq qiladi. Ushbu nomuvofiqlik bosqichma-bosqich o'tishga olib keladiΔφbir turdan ikkinchisiga puls konvertiga nisbatan tashuvchi to'lqinning. Bu hodisa tashuvchi{1}}zarf fazasining siljishi deb ataladi (pastki chapdagi . 1-rasmga qarang).

Ideal holda, shovqin va tashqi tebranishlar bo'lmaganda, vaqt va chastota domenlari o'rtasidagi Furye munosabati qat'iy davriy impulslar poezdi bir xil masofada joylashgan chastota rejimlarining diskret to'plamiga mos kelishini anglatadi (qarang: . 1-rasm, pastki o'ng).

Chastota domenida alohida taroqli chiziqlarν_n tomonidan beriladi:

v_n = nf_rep + f_{Bosh direktor},

qayerdanbutun son rejimi indeksidir,f_reppulsning takrorlanish tezligi vaf_{Bosh direktor}tashuvchi{0}}konvertning ofset chastotasini bildiradi. Butun taroq spektri siljiydif_{Bosh direktor}impulsning{0}}impuls tashuvchisiga-zarf fazasining siljishi- natijasida, qo‘shni chiziqlar orasidagi masofa faqat shu bilan belgilanadi.f_rep. Amalda, ikkala takrorlash tezligif_repva tashuvchi{0}}konvertning ofset chastotasif_{Bosh direktor} Ultratez impulsli lazerning OFC sifatida ishlashi uchun ham o'lchanishi, ham faol stabillashishi kerak. ning o'lchamif_repBu nisbatan sodda, chunki u odatda o'nlab megahertzdan bir necha gigagertsgacha bo'lgan diapazonda yotadi va tezkor fotodiod yordamida aniqlanishi mumkin. Takrorlash tezligini barqarorlashtirish, bo'shliq uzunligini samarali sozlash imkonini beruvchi aktuatorlarda qayta aloqa halqasini yopish orqali erishiladi. Aksincha, o'lchash va nazorat qilishf_{Bosh direktor}sezilarli darajada murakkabroq va OFC texnologiyasining dastlabki rivojlanishida asosiy muammo hisoblanadi.

Farqi{0}}chastota yaratish (DFG) chastotali taroqlari

Tarixan, tashuvchi{0}}zarfning ofset chastotasi bilan ishlashning dastlabki strategiyalaridan biri uni aniq o'lchash va nazorat qilish zaruratidan butunlay voz kechadigan optik sxema bo'lgan. Bunga asl lazer impuls poezdining nusxasini yaratish uchun DFG ning o'ziga xos tashuvchi konvert fazasi barqaror chiziqli bo'lmagan jarayoni yordamida erishiladi, bu esa o'rtacha natijaga olib keladi. f_{Bosh direktor}nol qiymati (<f_{Bosh direktor}>= 0). Bunday DFG{2}}asosidagi OFClarda bir xil lazer osilatoridan (odatda chiziqli bo'lmagan tolalarda spektral kengayishdan keyin) kelib chiqadigan ikkita alohida spektral komponent chiziqli bo'lmagan kristallda aralashtiriladi. Ideal holda, ikkala komponent ham bir xil bo'ladif_{Bosh direktor}, shuning uchun ularning chastotalarini ayirish “ofset-bepul OFC” hosil qilish uchun ofsetni bekor qiladi. Sof texnik nuqtai nazardan qaraganda, ofset{2}}bepul OFClar faqat bitta boshqaruv siklini talab qilish orqali soddalikni taklif qiladi: Ularning yagona nazorat o‘zgaruvchisi takrorlanish tezligidir.f_rep. Ammo bu o'zaro kelishuv bilan birga keladi: kutish qiymati<f_{Bosh direktor}>= 0 umumiy yoʻqligini bildirmaydif_{Bosh direktor}fazali shovqin. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, DFG jarayoni o'rtacha ofsetni olib tashlasa-da, u bilan bog'liq bo'lmagan shovqinni bostirmaydi.f_{Bosh direktor} (. 2-rasmga qarang). Buning o'rniga, DFG{2}}asosidagi OFClar chastota bilan fazaviy shovqinning kvadratik miqyoslanishini ko'rsatdi, bu "elastik lenta" modeli tomonidan tasvirlangan, nol chastotada mahkamlash nuqtasi.²

Orqaga nazar tashlaydigan bo'lsak, shuni ta'kidlash joizki, DFG orqali ofset{0}}erkin chastotali taroqlarni yaratish texnikasi dastlab Maks Plank jamiyati tomonidan patentlangan,³va OFC tijoratlashtirishning dastlabki kunlarida u faqat Menlo Systems litsenziyasiga ega edi. Usul haligacha-ko'p to'lqin uzunliklarida{2}}kirish qiyin bo'lgan{3}}chastotali nurlanish hosil qilish uchun juda foydali, shuning uchun biz DFG dan spektral qamrovni o'rta{4}}infraqizil va undan tashqariga kengaytirish uchun foydalanishda davom etamiz.

O'z-o'zidan{0}}mavjud chastotali taroqlar

Birinchi amaliy taroqli tizimlar ishlab chiqilgandan so'ng, chiziqli bo'lmagan optik tolalardagi yutuqlar ishonchli tashuvchi-konvertning ofsetini aniqlash imkonini berdi. Bu ishlanmalar nisbatan sodda va samarali oktava -ko‘lamli taroqlarni yaratish imkonini berdi; ya'ni, eng past chastotasidan ikki baravar ko'proq chastota diapazonini qamrab oluvchi chastota taroqlari. Oktava{6}}ko‘lamli taroqli spektrlar mavjud bo‘lganda, tashuvchi{7}}konvertning ofset chastotasi oddiy o‘ziga havola qilish-usuli yordamida tavsiflanishi mumkin. Bu usul taroq spektrining ikkita alohida qismini heterodinlovchi interferometrga tayanadi: indeksli taroq rejiminspektrning qizil oxirida

v_n = nf_rep + f_{Bosh direktor}

ikkinchi garmonikani hosil qilish uchun chiziqli bo'lmagan kristall orqali yuboriladi

2v_n = 2(nf_rep + f_{Bosh direktor}),

bu ikki marta ofset chastotasiga siljiydi. Bu chastota{1}}ikki marta ko'tarilgan signal keyin 2 indeksli taroq rejimiga qarshi uriladin

v_2n = 2nf_rep + f_{Bosh direktor}.

Bu ikki chastota oʻrtasidagi beat notasi toʻgʻridan-toʻgʻri tashuvchining{0}}konvert chastotasini koʻrsatadi:

2v_n − v_2n = f_{Bosh direktor}.

Bu “f–2f” usuli OFC texnologiyasidagi muhim yutuqdan boshqa narsa emas, chunki u tashuvchi{1}}konvertning ofset chastotasini bevosita oʻlchash imkonini beradi. Xususan, u ultra past shovqinni barqarorlashtirish va nazorat qilish uchun lazer bo'shlig'ida maxsus faol dispersiyani boshqarish aktuatorlarini joriy qilishni qo'llab-quvvatlaydi.f_{Bosh direktor}(. 3-rasmga qarang).

Spektral tozalikni uzatish

Optik chastota taroqining erkinlik darajalarini-uning takrorlanish tezligini, shuningdek, tashuvchining{1}}konvertning ofset chastotasini- samarali nazorat qilish va barqarorlashtirish har qanday erkin ishlaydigan taroq bilan erishish mumkin bo'lganidan ancha yuqori chiziq kengligi va barqarorlikni talab qiluvchi aniq ilovalar uchun juda muhimdir ({4}a-rasmga qarang). Hamma joyda keng tarqalgan yondashuv optik qulfni o'rnatishdir; ya'ni, tashqi optik mos yozuvlar orqali berilgan spektral tozalikni chastotali taroqli chiziqlardan biriga o'tkazish. Menlo Systems optik mos yozuvlar tizimlari muntazam ravishda mukammal chastota barqarorligi bilan birlashtirilgan sub-gerts chiziq kengligiga erishadi. Ular bir{11}}rejimli uzluksiz to‘lqin (CW) lazerini, yuqori-nafis optik mos yozuvlar bo‘shlig‘ini va tegishli optik va elektron qulflash komponentlarini-birlashtirib, yuqori sezuvchanlik va keng qulflash o‘tkazish qobiliyatini ta’minlaydi.⁴OFC ni tashqi optik moslamaga qulflash uchun an'anaviy o'rnatish 4b-rasmda ko'rsatilgan. Bunday takrorlash tezligini nazorat qilish tsikli CW mos yozuvlar lazeri va taroq tishlaridan biri o'rtasida urish notasini aniqlashga, har qanday chastota siljishini o'lchashga va shunga mos ravishda taroqning takrorlash tezligi aktuatoriga teskari aloqani qo'llashga tayanadi.

Eng muhimi, sxema tanlangan taroq tishini barqarorlashtirgan bo'lsa-da, faqat mos yozuvlar lazeri va bitta taroq chizig'i orasidagi masofa haqiqatan ham o'rnatiladi: Takrorlash tezligi aktuatori faqat bir darajadagi erkinlik ustidan nazoratni ta'minlaganligi sababli, u birinchi navbatda qulflash nuqtasiga yaqin taroq chiziqlariga ta'sir qiladi. Shunday qilib, chiziq kengligi va fazaviy shovqin optik moslamadan spektral masofa bilan ortadi. Bu cheklash qulflash sxemasiga xosdir va taroq arxitekturasidan mustaqil: ofset{2}}erkin yoki oʻz-oʻziga havola qilingan taroqli boʻladimi, faqat takrorlash tezligi orqali qulflanganda, spektral tozalik muqarrar ravishda taroq chizigʻi tashqi optik moslamadan qanchalik uzoq boʻlsa, pasaytiradi va virtual RF{{4} taroq chizigʻini ahamiyatsiz qoldiradi. Aksincha, 4c-rasmda tasvirlanganidek, butun chastotali taroq spektri boʻylab spektral soflikni oʻtkazish takrorlash tezligi aktuatorini tashuvchi-konvertning ofset chastotasi uchun ikkinchi nazorat zanjiri bilan toʻldirishni talab qiladi (f_{Bosh direktor}). Bunday jalb qilish af_{Bosh direktor}Teskari aloqa tizimi uchta muhim vazifani bajaradi: Qulflashf_{Bosh direktor}tanlangan qiymatda uning kogerent va incogerent shovqinini bostirish va tashqi optik moslamadan uzoqda joylashgan barcha taroq tishlari bo'ylab faza shovqinini kamaytirish. Thef_{Bosh direktor}ishga tushirish optik moslama yaqinidagi taroqli chiziqlarga minimal ta'sir ko'rsatishi ma'nosida spektrda nosimmetrik tarzda ta'sir qiladi, lekin undan uzoqda joylashgan barcha taroqli chiziqlarga, shu jumladan optik va RF-domenidagi virtual chiziqlarga kuchli ta'sir qiladi. Umuman olganda, tashuvchi{2}}zarfning ofset chastotasini nazorat qilish uchun tezkor halqani OFCning ikkinchi erkinlik darajasini blokirovka qilish uchun-takrorlash tezligi ijro etuvchisini to'ldiruvchi aktuator sifatida qabul qilish mumkin.

Menlo Systemsning ikkilamchi ishga tushirish dizayni haqiqiy spektral tozalikni uzatish imkonini beradi-har bir taroq chizig‘i bo‘ylab optik moslamaning spektral tozaligini aniq takrorlaydi. 5-rasmda ko'rsatilganidek, spektral tozalik chastotani o'zgartirish bosqichlarida, jumladan, chastotani o'zgartirish, ikkinchi-garmonik hosil qilish yoki superkontinuum hosil qilishda ham saqlanadi.

Ilovaning diqqat markazida: Optik atom soatlari

Menlo Systems’ning o‘ta past-shovqin texnologiyasi spektr bo‘ylab aniqlikni ta’minlaydi va optik atomik soatlar kabi eng aniq ishlashni talab qiluvchi ilovalarni takomillashtiradi. Bu sohada bizning OFClarimiz dunyodagi eng aniq optik moslamalarni dunyodagi eng aniq optik soatlarga oʻtkazish, yuqori{2}}aniqlikdagi oʻzaro{3}} turdagi soatlarni taqqoslash, shuningdek, optik soat signallarini tolali tarmoqlar orqali uzoq-masofalarga tarqatish imkonini berdi.

Yakuniy aniqlikni uzatish

6-rasmda ko'rsatilganidek, optik mos yozuvlar bo'shliqlari eng ko'p -IR to'lqin uzunligiga yaqin mintaqada (odatda 1550 nm atrofida) mavjud bo'lib, ular nisbatan arzon narxlarda mukammal ishlash va yuqori ishonchlilikni ta'minlaydi. Ajablanarlisi shundaki, bu to'lqin uzunligi diapazoni ayni paytda mavjud bo'lgan eng yuqori-ma'lumotli bo'shliqlarga ham ega. JILA (AQSh) va Physikalisch{8}}Technische Bundesanstalt (PTB; Germaniya Milliy Metrologiya Instituti) hamkorligida olib borilgan innovatsion ishda kremniy oynali kriogen monokristalli kremniy bo'shlig'i 4 × 10 gacha bo'lgan fraktsiya chastotasining beqarorligini ko'rsatdi.^-17bir soniyada va chiziq kengligi 5 mGts.⁵

Bu ishlanma xona haroratida -zamonaviy{1}}oʻta past kengaytiruvchi shisha (ULE) boʻshliqlariga nisbatan oʻn baravar yaxshilandi. Ushbu tengsiz barqarorlik va chiziq kengligini 1542 nm bo'shliqning operatsion to'lqin uzunligidan ko'rinadigan spektral diapazonga-698 nm da ishlaydigan stronsiy optik panjarali soatining rekordini o'tkazish uchun,⁶tadqiqotchilar Menlo Systems kompaniyasining o'ta past-shovqin chastotasi texnologiyasiga tayanadilar (parallel ravishda biz ORS-ULN modelimizga kriogen bo'shliqni yaratdik).

Soatni-soatni-taqqoslash

Sezyum ichidagi 9,2 gigagertsli yuqori nozik o'tishga asoslangan ikkinchisining joriy ta'rifi yarim asrdan ko'proq vaqtdan beri mavjud bo'lsa-da, sovuq atomlar va tutilgan ionlar ichidagi ultra tor optik o'tishlardan foydalangan holda SI standartini qayta aniqlash bo'yicha global hamkorlikdagi sa'y-harakatlar davom etmoqda. Shunga ko'ra, atom turlarining keng doirasiga asoslangan optik soatlar nomzod sifatida o'rganilmoqda. Ushbu yangi standartlarni baholash uchun turli xil optik soatlarni eng yuqori aniqlik darajasida bir-biri bilan taqqoslash kerak (. 6-rasmga qarang), lekin ularning o'tish chastotalari yuzlab terahertz bilan farq qilishi mumkin va bu har qanday to'g'ridan-to'g'ri elektron o'lchashni imkonsiz qiladi.

Oxirgi ishlar shuni ko'rsatadiki, bu chastotalar bo'shliqlari spektral tozalikni uzatish orqali eng yuqori aniqlik bilan bartaraf etilishi mumkin: Menlo Systems'ning o'ta past-shovqinli OFC'lari 10-da turlarni o'zaro{1}}qiyoslash imkonini beradi.^-18darajasi va undan yuqori.⁷Shu nuqtai nazardan, spektral{0}}tozalikni uzatish har qanday optik soat laboratoriyasi uchun zarur boʻlgan kelajakni tasdiqlovchi xususiyatdir, chunki u chastota taroqiga havola qilish uchun yagona manbaga ishonchli tayangan holda turli atom turlarini tekshirish imkoniyatini beradi.

Tolali tarmoqlar orqali tarqatish

Kashshof tajribalar tashiladigan optik soatlarga yo'l ochayotgan bo'lsa-da, bugungi kundagi eng aniq soatlar milliy metrologiya institutlari, ilmiy-tadqiqot muassasalari va universitetlardagi ekspert guruhlari tomonidan boshqariladigan statsionar qurilmalar bo'lib qolmoqda. Boshqa tomondan, uzoq{1}}masofaviy taqqoslash va ultrabarqaror soat signallarini tarqatish faqat telekommunikatsiya diapazoni orqali amalga oshirilishi mumkin. Bu tarmoq ilovalari uchun qiyinchilik tug'diradi, chunki optik soatga o'tishga qulflangan OFClar odatda tolali tarmoqlar bilan osonlikcha bog'lana olmaydi yoki boshqa saytlarga mos yozuvlar signallarini tarqatishni ta'minlay olmaydi.

Qiyinchilik an'anaviy chastotali taroqlarda fazaviy shovqin masshtabining birgalikdagi ta'siridan va optik soat o'tishlari va telekommunikatsiya diapazoni o'rtasidagi spektral bo'shliqdan kelib chiqadi. 6-rasmda tasvirlanganidek, spektral tozalik uzatish bu toʻsiqni yengib oʻtib, uzoq masofali soatlarni taqqoslash hamda oʻzlarining optik soatlari ishlamaydigan laboratoriyalarga oʻta barqaror havolalarni tarqatish imkonini beradi. Bu qobiliyat keng doiradagi qiziqarli ilmiy imkoniyatlarni ochadi-shu jumladan kvant texnologiyalari, yuqori aniqlikdagi geodeziya, astronomiya, navigatsiya va fundamental fizika sinovlari-dagi yutuqlar.^8,9