Ultrastabile Laser und Ultrastabile Hohltechnik: Von der Grundlage bis zur Spitzenanwendung

Einleitung

Der ultrastabile Laser ist ein zentrales Werkzeug im Bereich der Präzisionswissenschaft, dessen Frequenzstabilität erreichbar ist. 10^-16 Noch höhere Größen sind weit verbreitet in Bereichen wie Atomuhren, Gravitationswellendetektion, Quantenbrechnung und Präzisionsspektroskopie. Dieser Artikel verbindet die USAStabile Lasersysteme（SLS(und Australien)Flüssige InstrumenteDie technische Lösung des Unternehmens erforscht die Konstruktionsprinzipien, technische Durchbrüche und experimentelle Fortschritte von ultrastabilen Lasern und ultrastabilen Kammern und basiert auf den neuesten Forschungsergebnissen und Daten, um Referenzen in den relevanten Bereichen zu bieten.

Kernprinzipien und Schlüsseltechnologien des Ultrastabilen Lasers

1. Grundstruktur eines ultrastabilen Lasers

Ultrastabile Laser bestehen in der Regel aus einer Laserquelle, einer Referenz-ultrastabilen Kammer (Fabri-Pelo-Kammer,FPGehäuse) und Feedback-Kontrollsystem. Der Kern besteht darin, die Laserfrequenz zu sperren.FPDie Resonanz-Spitze des Hohlraums unterdrückt Frequenzderift durch aktives Feedback. Zum Beispiel verwendet das Schwerkraftzentrum der UniversitätPfund-Drever-Hall（PDH(Verriegelungsprogramm über Elektro-Optik-Modulator)EOMErzeugen Sie ein Seitenband-Signal, kombinieren Sie die Phaseninformation des reflektierten Lichts, um ein Fehlersignal zu erzeugen und schließlich die Laserfrequenz in der Resonanzfrequenz der Hohle zu stabilisieren.

2. Konstruktion und Optimierung von ultrastabilen Kammern

FPDie Leistung des Hohlraums bestimmt direkt die Stabilität des Lasers.SLSDas Unternehmen bietet eine Vielzahl von Kammern (Tabelle1), einschließlich zylindrischer, konischer, kugelförmiger und kubischer Höhlen, um unterschiedliche Anwendungsanforderungen zu erfüllen:

-Zylinderraum: für Linienbreiten geeignet> 50 Hzatomphysikalische Experimente;

-Konvum: Niedrige Geräuschgrenze, Linienbreite< 50 HzAllen Abweichungerreichbar10^-15；

-Kugelförmige Kammer: Kompaktes Design mit geringer Beschleunigungsempfindlichkeit, geeignet für bewegende Szenen.

Wie im folgenden Bild1Anzeige verschiedener Anforderungen an Hohltypen

Abbildung 1 Verschiedene Hohlformen

Bild2 Ultrastabiles Vakuumsystem (Vakuumgrad)<10^-8ZurückTemperaturregelung<±0.005℃）

Darüber hinaus ist die Materialauswahl (z. B. ultra-niedrige Ausdehnungsglas)ULEund Temperaturregeltechnik zur weiteren Verringerung der thermischen Rauschenwirkungen.

Tabelle1：SLSFabri-Typ und Leistung der Pellohöhle

Technologie für stabile Lasersysteme

1. Hochintegrierte Stabilitätssysteme

SLSder1 HzStable Frequenz Laser (SLS-INT-1550-200-1(Hohe GenauigkeitFPKammer, Vakuumkammer und elektronische Steuerung integriert in19Zoll Gehäuse, Linienbreite< 1 HzDer Tag drift< 20 kHznur Stromverbrauch25Wa. Zu den Merkmalen gehören:

Verriegelungsfunktion mit einem Klick: Überwachung der Kammertemperatur und des Vakuumgehaltes in Echtzeit über die Touchscreen-Schnittstelle;

Modulares Design: Unterstützung1530 bis 1565 nmWellenlängenanpassung, Ausgangsleistung bis zu100 mW.

2. Tieftemperatur- und Schwingungsunterdrückungstechnik

SLSin einer niedrigen Temperatur (14–40°CErreichen Sie thermische Geräuschgrenzen, kombiniertULEMaterialien und aktive Isolationsplattformen, die das System in schwingungsempfindlichen Szenarien wie der Erkennung von Schwerkraftwellen ermöglichenGut.

Fortschritt der akademischen Forschung und experimentelle Daten

1. Inlandsforschung: Ultrastabiles Hohlsystem der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie

Entwicklung10 cmAlleULEHöhlen,30 cmKompositkammer, niedrige Temperatur4 cmSaphirhöhle, Sterne8 cmSuperstabile Kammern wie Kompositkammern（Angenommen.Stabile LasersystemeDie Höhle）Mit analoger Verriegelung oder voller digitaler Verriegelung wurden mehrere ultrastabile Lasersysteme realisiert, wie in der Abbildung3gezeigt. Fehlerbewertung von ultrastabilen Lasersystemen, Konstruktion und Ausführung mehrerer Geräuschoptimierungsexperimente. Derzeit gesperrt in10 cmAlleULEDie Stabilität der Laserfrequenz auf der Kammer kann die thermische Geräuschgrenze der Resonanzkammer erreichen, was die derzeitige internationale ultrastabile Kammer des gleichen Typs istGut.Sperrstufe; gesperrt in30 cmDie Stabilität der Laserfrequenz bei Raumtemperatur ist am besten erreichbar1.3×10^-16und verpflichtet, sie zu betreten.10^-17Größe; Bei niedrigen Temperaturen werden die thermischen Geräuschgrenzen des optischen ultrastabilen Kammersystems weiter reduziert, selbstständig gestaltet und montiert4 cmVollständige Saphirkammer mit niedriger Temperatur, die derzeit erreichte Laserfrequenzstabilität ist am besten erreichbar1.9×10^-16und bemüht sich, die Auswirkungen verschiedener Geräusche wie Vibrationen und Temperaturen auf die Frequenzstabilität des Systems weiter zu reduzieren; gesperrt in8 cmDas superstabile Sternenfrequenzsystem6 mHzGeräuschfrequenz ist3,6 Hz/Hz^1/2Das Piano-Programm wurde erfüllt.10 Hz/Hz^1/2Anforderungen. Vier Sätze von Frequenzstabilitätsdaten für stabile Frequenzsysteme zusammengefasst4gezeigt

Abbildung 3 Superstabiles Lasersystem der Chinesischen Universität für Wissenschaft und Technologie. (a) 10 cm ULE-System, (b) 30 cm Komplex-System, (c) 6 cm Hypertemperatur-Sapphire-System, (d) 8 cm Sterne-Komplex-System

Bild4 Frequenzstabilitätsniveau aller ultrastabilen Lasersysteme der Chinesischen Wissenschaftsuniversität

2. Internationale Frontlinie: Lithium-Ionen-Lichtuhr und Strontium-Lichtuhr

SLSMaßgeschneidert für Lithium-Ionen-Lichtuhren817 nmStabilisiertes Frequenzsystem, integriertes Multifrequenzmodul, Tagesdrift< 15 kHzDarüber hinaus ist „Messwissenschaft und Technologie“2021Studien aus den Jahren zeigen, dass der ultrastabile Laser in der Strontium-Uhr eine Linienbreite in der Klasse Yaherz erreicht hat, um den Durchbruch der Stabilität der Lichtuhr zu fördern10^-18Bitte siehe folgende Abbildung:

Bild5 Stabilität der Lichtuhr durchbrochen 10^-18Referenzartikel

Vier.AustralienFlüssige InstrumenteKooperative Innovationen

Bild6 FlüssigkeitLasersperrfrequenzbedienungsschnittstelle und Gerätemerkmale

Flüssige InstrumenteObwohl der Laser nicht direkt hergestellt wird, sind seine hochpräzisen Messgeräte (z.B.MokuSerie Sperrphase Verstärker) undSLSDas System ist komplementär. Zum Beispiel:

Moku: Labor: IntegrationPIDController und Spektrumanalysator, optimierbarPDHVerriegelung der Kreise;

Moku: ProUnterstützt mehrkanales Feedback für komplexe Geräuschdämpfungsszenarien.

Wie im Bild3Wie gezeigt, obwohl der Kunde ein ultrastabiles Kammersystem verwendet, ist die elektrische Steuerung und das Rückmeldungssystem sehr komplex, die elektrische Ausrüstung ist sehr viel, schätzungsweise nahe10Ausrüstung. Doch ein so komplexes System braucht nur eines unserer Geräte.Moku：ProoderMoku：DeltaSo komplexe Signalverarbeitung und -überwachung ist möglich. Wie im Bild7gezeigt.

Bild7 VerwendenMokuUm die Lasersperrfrequenz zu erreichen

Das Experiment zeigt, dass die KombinationMokuAusrüstung undSLSSuperstabile KammerEin Labor verkürzt die Sperrzeit30%Frequenzgärrm reduziert sich auf0,8 HzEs erfüllt die Bedürfnisse der meisten Labore.

V. Herausforderungen und Zukunftsrichtungen

1. Kryotemperaturgeräuschdämpfung: wie die Universität für Wissenschaft und Technologie in China entwickelt eine Kryotemperatur-Saphirkammer, die Zielstabilität erreicht1.9×10^-16；

2. Miniaturisierung und Kommerzialisierung:SLSder3 HzPortable Systeme (16 kg(undFlüssige InstrumenteKompakte Geräte fördern Anwendungen im Feld;

3. Mehrwellenlängenintegration:SLSDie porösen Räume unterstützen die Multi-Laser-Co-Mode-Verriegelung und eignen sich für Ionenfallen und Quantensimulationen.

Schlussfolgerung

Ultrastabile Laser und Ultrastabile Kammern entwickeln sich in Richtung höherer Stabilität, geringerer Leistungsverbrauch und breiterer Anwendungsszenarien. die Vereinigten StaatenSLSDie systematischen Lösungen und die tiefgreifende Forschung der Wissenschaft fördern den Fortschritt in den Bereichen Quantenpräzisionsmessungen und Raumfahrtwissenschaften.Flüssige InstrumenteDie elektronische Steuerung unterstützt diesen Prozess entscheidend. Mit den Durchbrüchen in der Materialwissenschaft und den Feedback-Algorithmen wird der ultrastabile Laser in Zukunft zu einer zentralen Säule der Grundphysikalienforschung und industriellen Anwendungen werden.

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