Optické frekvenční hřebeny (OFC) jsou přesné laserové světelné zdroje, jejichž spektra se skládají z řady rovnoměrně -rozložených frekvenčních čar, které připomínají zuby hřebene. Jako vysoce přesná pravítka pro měření optických frekvencí znamenaly OFC revoluci v přesném měření a metrologii od svého vývoje na konci 90. let. Jednou z nejdůležitějších schopností, které OFC umožňují, je přenos spektrální čistoty. Vztahuje se na schopnost OFC přenášet spektrální čistotu-stabilitu frekvence a úzkou šířku čáry-jednoho světelného zdroje na jiný, který pracuje na jiné vlnové délce.
V implementaci s ultranízkým{0}}šumem (patentováno společností Menlo Systems1), přenos spektrální čistoty zachovává vlastnosti ultrastabilních optických referenčních systémů v celém hřebenovém spektru, včetně frekvenčně -konvertovaných výstupů od viditelného po střední{1}} infračervené spektrální oblasti.
Úvod do optických frekvenčních hřebenů
OFC je laserový zdroj, jehož optické spektrum se skládá ze série diskrétních, stejně{0}}rozložených frekvenčních čar. Ve frekvenční oblasti tato pravidelná struktura připomíná zuby hřebene. OFC se nejčastěji generují pomocí ultrakrátkých laserů s uzamčením módu (viz obr. . 1 nahoře). Modelocking je technika, ve které jsou podélné režimy laserové dutiny nuceny oscilovat s pevným fázovým vztahem. V důsledku toho laser vysílá řadu ultrakrátkých optických pulzů. Cirkulující puls se šíří tam a zpět uvnitř laserového rezonátoru s opakovací frekvencífzástupce, která je určena dobou oběhu-kavity. Během každé okružní cesty je malé množství pulzní energie extrahováno přes částečně propustné zrcadlo, aby se vytvořil laserový výstup. V časové oblasti se tento výstup jeví jako pravidelný sled pulzů a ve frekvenční oblasti odpovídá hřebenu ekvidistantních spektrálních čar (viz obr. 1 dole).
V důsledku disperze v dutině laseru se skupinová rychlost obálky pulzu obvykle liší od fázové rychlosti optického nosiče. Tento nesoulad má za následek postupný fázový posunΔφnosné vlny vzhledem k pulzní obálce z jedné okružní cesty na další. Tento jev se označuje jako posun fáze obálky nosiče- (viz obr. 1 vlevo dole).
V ideálním případě, při absenci šumu a vnějších poruch, Fourierův vztah mezi časovou a frekvenční doménou implikuje, že striktně periodický sled pulsů odpovídá diskrétní sadě stejně rozmístěných frekvenčních režimů (viz obr . 1 vpravo dole).
Ve frekvenční oblasti pak jednotlivé hřebenové čáryνn jsou dány:
vn = nfzástupce + fgenerální ředitel,
kdenje index celočíselného režimu,fzástupceje frekvence opakování tepu afgenerální řediteloznačuje frekvenci posunu obálky-nosné. Celé hřebenové spektrum je posunuto ofgenerální ředitelv důsledku toho, že puls -k-nosič pulsu- obalí fázový skluz, zatímco vzdálenost mezi sousedními čarami je určena výhradněfzástupce. V praxi jde jak o míru opakovánífzástupcea ofsetovou frekvenci-obálkyfgenerální ředitel musí být měřeny a aktivně stabilizovány, aby ultrarychlý pulzní laser fungoval jako OFC. Měřenífzástupceje poměrně přímočarý, protože typicky leží v rozsahu desítek megahertzů až několika gigahertzů a lze jej detekovat pomocí rychlé fotodiody. Stabilizace opakovací frekvence je dosažena uzavřením zpětné vazby na aktuátorech, které umožňují efektivní nastavení délky dutiny. Naproti tomu měření a řízenífgenerální ředitelje podstatně složitější a představoval hlavní výzvu v raném vývoji technologie OFC.
Rozdíl{0}}frekvenční hřebeny generování frekvence (DFG).
Historicky bylo jednou z prvních strategií, jak se vypořádat s ofsetovou frekvencí nosné-obálky, optické schéma, které se zcela vyhýbá nutnosti jeho explicitního měření a řízení. Toho je dosaženo použitím inherentně nosné obálky fázově stabilního nelineárního procesu DFG k vytvoření repliky původního sledu laserových pulzů, což má za následek průměrnou fgenerální ředitelhodnota nula (<fgenerální ředitel>= 0). V takových OFC založených na DFG- jsou dvě odlišné spektrální složky pocházející ze stejného laserového oscilátoru (obvykle po spektrálním rozšíření v nelineárních vláknech) smíchány v nelineárním krystalu. V ideálním případě ponesou obě složky totéžfgenerální ředitel, takže odečtením jejich frekvencí se posun zruší a vznikne „offset-bezplatný OFC“. Z čistě technického hlediska nabízejí offsetové-bezplatkové OFC jednoduchost tím, že vyžadují pouze jednu řídicí smyčku: Jejich jedinou řídicí proměnnou je rychlost opakovánífzástupce. Ale to přichází s kompromisem: hodnota očekávání<fgenerální ředitel>= 0 neznamená celkovou absencifgenerální ředitelfázový šum. Jinými slovy, zatímco proces DFG odstraňuje průměrný offset, nepotlačuje související nekoherentní šumfgenerální ředitel (viz obr. 2). Místo toho se ukázalo, že OFC založené na DFG- vykazují kvadratické škálování fázového šumu s frekvencí, popsané modelem „elastické pásky“ s pevným bodem na nulové frekvenci.2
Při zpětném pohledu stojí za zmínku, že technika generování offsetových-bezplatných frekvenčních hřebenů prostřednictvím DFG byla původně patentována společností Maxe Plancka,3a během prvních dnů komercializace OFC byl výhradně licencován společnosti Menlo Systems. Metoda je stále velmi výhodná pro generování frekvenčního-hřebenového záření na jinak obtížně{2}}-dostupných vlnových délkách, a proto i nadále používáme DFG k rozšíření spektrálního pokrytí do středního-infračerveného záření a dále.
Samo{0}}referenční frekvenční hřebeny
Po vývoji prvních praktických hřebenových systémů umožnil pokrok v oblasti nelineárních optických vláken spolehlivou detekci posunu obálky-nosiče. Tento vývoj umožnil relativně jednoduchou a účinnou generaci oktávových-hřebenů; tj. frekvenční hřebeny pokrývající frekvenční rozsah více než dvojnásobku jejich nejnižší frekvence. S dostupnými hřebenovými spektry rozprostírajícími se v oktávě- lze ofsetovou frekvenci nosné-obálky charakterizovat pomocí přímé sebe-referenční metody. Tato metoda se opírá o interferometr, který heterodynizuje dvě odlišné části hřebenového spektra: hřebenový režim s indexemnna červeném konci spektra
vn = nfzástupce + fgenerální ředitel
je odeslána přes nelineární krystal, aby generovala svou druhou harmonickou
2vn = 2(nfzástupce + fgenerální ředitel),
který je posunut o dvojnásobek offsetové frekvence. Tento frekvenční-zdvojnásobený signál je poté poražen proti hřebenovému režimu s indexem 2n
v2n = 2nfzástupce + fgenerální ředitel.
Tlukot mezi těmito dvěma frekvencemi přímo odhaluje offsetovou frekvenci nosné-obálky:
2vn − v2n = fgenerální ředitel.
Tato metoda „f–2f“ není nic menšího než přelomový úspěch v technologii OFC, protože umožňuje přímé měření ofsetové frekvence nosné -obálky. Zejména podporuje implementaci vyhrazených aktivních ovladačů pro řízení disperze uvnitř dutiny laseru pro ultranízkou stabilizaci šumu a řízenífgenerální ředitel(viz obr. 3).
Přenos spektrální čistoty
Efektivní řízení a stabilizace stupňů volnosti optického frekvenčního hřebenu-jeho opakovací frekvence a také nosné-frekvence posunu obálky-jsou klíčové pro přesné aplikace, které vyžadují šířky čar a stabilitu daleko za hranicemi dosažitelnými s jakýmkoli volně běžícím hřebenem (viz obr. 4a). Všudypřítomným přístupem je vytvoření optického zámku; tj. k přenosu spektrální čistoty dodávané externí optickou referencí na jednu z frekvenčních hřebenových čar. Optické referenční systémy Menlo Systems běžně dosahují sub-hertzových šířek čar ve spojení s vynikající frekvenční stabilitou. Kombinují jeden-nepřetržitý{12}}vlnný (CW) laser, vysoce{13}}jemnou optickou referenční dutinu a související optické a elektronické uzamykací součásti{14}}všechny navržené tak, aby poskytovaly vysokou citlivost a širokou blokovací šířku pásma.4Konvenční nastavení pro uzamčení OFC k externí optické referenci je znázorněno na obrázku 4b. Taková regulační smyčka opakovací frekvence spoléhá na detekci rytmu mezi CW referenčním laserem a jedním z hřebenových zubů, měření jakéhokoli frekvenčního driftu a odpovídající aplikaci zpětné vazby na ovladač opakovací frekvence hřebenu.
Rozhodující je, že i když schéma stabilizuje zvolený hřebenový zub, pouze vzdálenost mezi referenčním laserem a touto jedinou hřebenovou linií je skutečně pevná: Protože aktuátor opakovací frekvence poskytuje kontrolu pouze nad jedním stupněm volnosti, primárně ovlivňuje hřebenové linie v blízkosti uzamykacího bodu. V důsledku toho se šířka čáry a fázový šum zvyšují se spektrální vzdáleností od optické reference. Toto omezení je vlastní zamykacímu schématu a je nezávislé na hřebenové architektuře: Bez ohledu na to, zda se jedná o hřeben s odsazením -bez ohledu na to, zda se jedná o hřeben s vlastním{3}}odkazem, při uzamčení pouze pomocí opakovací frekvence bude spektrální čistota nevyhnutelně degradovat, čím dále je hřebenová čára od vnější optické reference, a ponechá virtuální hřebenové čáry RF-domény v podstatě nedotčené. Spíše, jak je znázorněno na obrázku 4c, přenos spektrální čistoty napříč celým frekvenčním hřebenovým spektrem vyžaduje doplnění aktuátoru opakovací frekvence o druhou regulační smyčku pro offsetovou frekvenci nosné -obálky (fgenerální ředitel). Zapojení takovéhofgenerální ředitelzpětná vazba splňuje tři základní úkoly: Uzamčenífgenerální ředitelna zvolené hodnotě, potlačení jeho koherentního a nekoherentního šumu a snížení fázového šumu na všech hřebenových zubech, které jsou vzdálené od vnější optické reference. Thefgenerální ředitelaktivace působí symetricky na spektrum v tom smyslu, že má minimální vliv na hřebenové čáry v blízkosti optické reference, ale silně ovlivňuje všechny hřebenové čáry daleko od ní, včetně optických i virtuálních v doméně RF-. Celkově lze rychlou smyčku pro řízení frekvence posunu nosné-obálky vnímat jako akční člen doplňující akční člen opakovací frekvence-pro blokování druhého stupně volnosti OFC.
Konstrukce dvojitého ovládání Menlo Systems umožňuje přenos skutečné spektrální čistoty-přesně replikující spektrální čistotu optické reference napříč každou jednotlivou hřebenovou linií. Jak je znázorněno na obrázku 5, spektrální čistota je také udržována během fází frekvenční konverze, včetně frekvenčního posunu, druhé-generace harmonických nebo superkontinua.
Aplikační reflektor: Optické atomové hodiny
Technologie s ultranízkým{0}}šumem společnosti Menlo Systems poskytuje přesnost v celém spektru a posouvá aplikace, které vyžadují nejpřesnější výkon, jako jsou optické atomové hodiny. V této oblasti naše OFC umožnily přenos nejpřesnějších optických referencí na světově nejpřesnější optické hodiny, vysoce -přesná mezidruhová{3}} srovnávání hodin a také-šíření signálů optických hodin na dlouhé vzdálenosti prostřednictvím optických sítí.
Přenáší maximální přesnost
Jak je znázorněno na obrázku 6, optické referenční dutiny jsou nejběžněji dostupné v oblasti blízkých -IR vlnových délek (typicky kolem 1550 nm), kde nabízejí vynikající výkon a vysokou spolehlivost při poměrně nízkých nákladech. Není překvapením, že tento rozsah vlnových délek také hostí nejvýkonnější-referenční dutiny, které jsou v současné době k dispozici. V průkopnické práci ve spolupráci JILA (USA) a Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Národní metrologický institut Německa) prokázala dutina z kryogenního monokrystalického křemíku s křemíkovými zrcadly nestabilitu frakční frekvence až 4 × 10-17za jednu sekundu a šířkou čáry 5 mHz.5
Tento vývoj představuje desetinásobné zlepšení oproti stavu---uměleckých dutin s ultranízkou roztažností (ULE) při pokojové teplotě. Abychom přenesli tuto bezkonkurenční stabilitu a šířku čáry z provozní vlnové délky dutiny při 1542 nm do viditelného spektrálního rozsahu pro rekordně -překonání hodin stronciové optické mřížky provozovaných při 698 nm,6výzkumníci spoléhají na technologii hřebenu s ultranízkým{0}}frekvenčním šumem od Menlo Systems (současně jsme do našeho modelu ORS-ULN začlenili kryogenní dutinu).
Porovnání hodin-k-hodinám
Ačkoli současná definice druhého, který se opírá o 9,2 GHz hyperjemný přechod v rámci cesia, existuje již více než půl století, probíhá globální společné úsilí o redefinici standardu SI pomocí ultraúzkých optických přechodů uvnitř studených atomů a zachycených iontů. V souladu s tím jsou jako kandidáti zkoumány optické hodiny založené na široké škále atomových druhů. Aby bylo možné tyto nové standardy vyhodnotit, musí být různé optické hodiny vzájemně porovnány s nejvyšší úrovní přesnosti (viz obr. 6), ale jejich přechodové frekvence se mohou lišit o stovky terahertzů, což znemožňuje jakékoli přímé elektronické měření.
Jak ukazuje nedávná práce, tyto frekvenční mezery lze s nejvyšší přesností překlenout přenosem spektrální čistoty: ultranízko{0}}šumové OFC od společnosti Menlo Systems umožňují mezidruhové srovnání hodin na 10-18úrovni i mimo ni.7V tomto kontextu je přenos spektrální -čistoty budoucí-funkcí potřebnou pro jakoukoli laboratoř optických hodin, protože poskytuje možnost zkoumat různé druhy atomů a přitom se spolehnout na jediný zdroj pro odkazování na frekvenční hřeben.
Šíření prostřednictvím optických sítí
Zatímco průkopnické experimenty dláždí cestu k přenosným optickým hodinám, dnešní nejpřesnější hodiny zůstávají stacionárními instalacemi provozovanými expertními týmy v národních metrologických ústavech, výzkumných zařízeních a univerzitách. Na druhou stranu, porovnávání na dlouhé{1}}vzdálenosti a šíření ultrastabilních hodinových signálů je možné pouze prostřednictvím telekomunikačního pásma. To představuje výzvu pro síťové aplikace, protože OFC uzamčené na přechod s optickými hodinami se obvykle nemohou snadno připojit k optickým sítím nebo umožnit distribuci referenčních signálů na jiná místa.
Výzva vychází z kombinovaného účinku škálování fázového šumu v konvenčních frekvenčních hřebenech a spektrální mezery mezi přechody optických hodin a telekomunikačním pásmem. Jak je znázorněno na obrázku 6, přenos spektrální čistoty překonává tuto bariéru a umožňuje jak srovnání hodin na velké vzdálenosti, tak i šíření ultrastabilních referencí do laboratoří, které neprovozují vlastní optické hodiny. Tato schopnost otevírá širokou škálu vzrušujících vědeckých příležitostí-včetně pokroku v kvantových technologiích,-vysoce přesné geodézii, astronomii, navigaci a testech základní fyziky.8,9
