Оптички фреквентни чешљеви (ОФЦ) су прецизни ласерски извори светлости чији се спектри састоје од низа једнако-размакнутих фреквентних линија које подсећају на зупце чешља. Као веома прецизни лењири за мерење оптичких фреквенција, ОФЦ-ови су направили револуцију у прецизном мерењу и метрологији од свог развоја касних 1990-их. Једна од најважнијих могућности коју омогућавају ОФЦ је пренос спектралне чистоће. Односи се на способност ОФЦ-а да пренесе спектралну чистоћу-стабилност фреквенције и уску ширину линије-једног извора светлости на други који ради на другој таласној дужини.
У имплементацији са ултраниском{0}}шумом (патентирано од стране Менло Системс1), пренос спектралне чистоће чува карактеристике ултрастабилних оптичких референтних система у целом спектру гребена, укључујући фреквентно{0}}конвертоване излазе који обухватају видљиве до средње{1}}инфрацрвене спектралне регионе.
Увод у чешљеве оптичких фреквенција
ОФЦ је ласерски извор чији се оптички спектар састоји од низа дискретних, подједнако{0}}размакнутих фреквентних линија. У фреквенцијском домену, ова правилна структура подсећа на зупце чешља. ОФЦ се најчешће генеришу коришћењем ултракратких ласера са закључавањем модела (погледајте слику. 1, врх). Закључавање модела је техника у којој су уздужни модови ласерске шупљине присиљени да осцилирају са фиксним фазним односом. Сходно томе, ласер емитује низ ултракратких оптичких импулса. Циркулациони пулс се шири напред-назад унутар ласерског резонатора брзином понављањаfреп, који је одређен повратним-времем кретања шупљине. Током сваког повратног путовања, мала количина енергије импулса се издваја преко делимично трансмисивног огледала да би се формирао ласерски излаз. У временском домену, овај излаз се појављује као редован низ импулса, ау фреквентном домену одговара чешљу еквидистантних спектралних линија (погледајте слику. 1, доле).
Због дисперзије у ласерској шупљини, групна брзина омотача импулса се обично разликује од фазне брзине оптичког носача. Ова неусклађеност доводи до постепеног померања фазеΔφталаса носиоца у односу на омотач импулса од једног кружног пута до следећег. Овај феномен се назива померањем фазе омотача носиоца-(погледајте слику. 1, доле лево).
У идеалном случају, у одсуству шума и спољашњих пертурбација, Фуријеов однос између временског и фреквентног домена имплицира да стриктно периодични низ импулса одговара дискретном скупу једнако распоређених фреквентних модова (погледајте Слику . 1, доле десно).
У фреквенцијском домену, појединачне чешљасте линијеνn дају:
vn = нфреп + fгенерални директор,
гдеnје индекс целобројног режима,fрепје стопа понављања пулса, иfгенерални директорозначава фреквенцију померања омотача{0}}носиоца. Цео спектар чешља је померен заfгенерални директоркао резултат клизања фазе омотача импулса-на-носач импулса{2}}, док је размак између суседних линија искључиво одређенfреп. У пракси, и стопа понављањаfрепи фреквенцију померања омотача{0}}носиоцаfгенерални директор морају бити измерени и активно стабилизовани да би ултрабрзи пулсни ласер функционисао као ОФЦ. Мерење одfрепје релативно једноставан, јер се обично налази у опсегу од десетина мегахерца до неколико гигахерца и може се детектовати помоћу брзе фотодиоде. Стабилизација брзине понављања се постиже затварањем повратне спреге на актуаторима који омогућавају ефективно подешавање дужине шупљине. Насупрот томе, мерење и контролаfгенерални директорје знатно сложенији и представљао је велики изазов у раном развоју ОФЦ технологије.
Различито{0}}чешљеве за генерисање фреквенције (ДФГ).
Историјски гледано, једна од раних стратегија за поступање са фреквенцијом померања омотача{0}}носиоца била је оптичка шема која избегава потребу за њеним експлицитним мерењем и контролом у потпуности. Ово се постиже коришћењем инхерентног нелинеарног процеса ДФГ стабилне фазе омотача носиоца да би се створила реплика оригиналног низа ласерских импулса, што резултира просечним fгенерални директорвредност нула (<fгенерални директор>= 0). У таквим ОФЦ-овима заснованим на ДФГ-у, две различите спектралне компоненте које потичу од истог ласерског осцилатора (обично након ширења спектра у нелинеарним влакнима) се мешају у нелинеарном кристалу. У идеалном случају обе компоненте ће носити истоfгенерални директор, тако да ће одузимање њихових фреквенција поништити офсет да би се добио „ОФЦ-без помака“. Са чисто техничког становишта, ОФЦ-бесплатни ОФЦ-и нуде једноставност јер захтевају само једну контролну петљу: њихова једина контролна варијабла је стопа понављањаfреп. Али ово долази са компромисом: вредност очекивања<fгенерални директор>= 0 не подразумева опште одсуствоfгенерални директорфазни шум. Другим речима, док ДФГ процес уклања просечни офсет, он не потискује некохерентну буку повезану саfгенерални директор (погледајте слику. 2). Уместо тога, показало се да ОФЦ засновани на ДФГ- показују квадратно скалирање фазног шума са фреквенцијом, описано моделом „еластичне траке“ са фиксном тачком на нултој фреквенцији.2
У ретроспективи, вреди напоменути да је технику генерисања офсет-чешља са слободним фреквенцијама путем ДФГ првобитно патентирало Друштво Макс Планк,3и током првих дана комерцијализације ОФЦ-а био је искључиво лиценциран за Менло Системс. Метод је и даље веома користан за генерисање фреквенцијског{1}}чешљаног зрачења на иначе тешко доступним--таласним дужинама, због чега настављамо да користимо ДФГ да проширимо спектралну покривеност на средњу{4}}инфрацрвену и даље.
Само{0}}чешљеви за фреквенцију
Након развоја првих практичних система чешљака, напредак у нелинеарним оптичким влакнима омогућио је поуздану детекцију померања омотача{0}}носиоца. Ови развоји су омогућили релативно једноставну и ефикасну генерисање чешљева-у распону од октаве; тј. фреквентни чешљеви који покривају опсег фреквенција више од два пута њихове најниже фреквенције. Са доступним октавним-чешљастим спектром који обухвата распон, фреквенција померања омотача носиоца{7}}може се окарактерисати коришћењем једноставног-метода самореференцирања. Овај метод се ослања на интерферометар који хетеродинише два различита дела спектра чешља: режим чешља са индексомnна црвеном крају спектра
vn = нфреп + fгенерални директор
се шаље кроз нелинеарни кристал да генерише свој други хармоник
2vn = 2(нфреп + fгенерални директор),
који је померен за двоструку фреквенцију офсета. Овај сигнал{1}}удвостручене фреквенције се затим побеђује у режиму чешља са индексом 2n
v2n = 2нфреп + fгенерални директор.
Беат нота између ове две фреквенције директно открива фреквенцију померања омотача{0}}носиоца:
2vn − v2n = fгенерални директор.
Овај „ф–2ф“ метод није ништа друго до значајно достигнуће у ОФЦ технологији јер омогућава директно мерење фреквенције померања омотача носача{1}}. Конкретно, подржава имплементацију наменских актуатора активне контроле дисперзије унутар ласерске шупљине за стабилизацију ултра ниске буке и контролуfгенерални директор(погледајте слику. 3).
Пренос спектралне чистоће
Ефикасна контрола и стабилизација степена слободе оптичког фреквентног чешља-његове стопе понављања као и носиоца-фреквенције померања енвелопе{2}}су кључни за прецизне примене, које захтевају ширине линија и стабилности далеко веће од оних које се могу постићи било којим слободним-чешаљем који ради{4 (се). Свеприсутни приступ је успостављање оптичке браве; тј. да пренесе спектралну чистоћу коју испоручује екстерна оптичка референца на једну од фреквентних чешљастих линија. Оптички референтни системи компаније Менло Системс рутински постижу ширину линија испод-херца упарене са одличном стабилношћу фреквенције. Они комбинују ласер са једним-режимом непрекидног-таласа (ЦВ), високо-оптичку референтну шупљину и повезане оптичке и електронске компоненте за закључавање-све пројектоване да обезбеде високу осетљивост и широк пропусни опсег за закључавање.4Конвенционално подешавање за закључавање ОФЦ-а на спољну оптичку референцу илустровано је на слици 4б. Таква петља за контролу брзине понављања се ослања на детекцију тона ударца између ЦВ референтног ласера и једног од зубаца чешља, мерење било каквог одступања фреквенције и примену повратне информације на актуатор брзине понављања чешља у складу са тим.
Оно што је најважније, иако шема стабилизује изабрани зуб чешља, само је размак између референтног ласера и те појединачне линије чешља заиста фиксиран: пошто актуатор брзине понављања обезбеђује контролу само над једним степеном слободе, он првенствено утиче на линије чешља близу тачке закључавања. Сходно томе, ширина линије и фазни шум се повећавају са спектралном удаљености од оптичке референце. Ово ограничење је својствено шеми закључавања и независно од архитектуре чешља: без обзира да ли је чешаљ без помака-или само-референтни чешаљ, када је закључан само путем стопе понављања, спектрална чистоћа ће неизбежно деградирати што је линија чешља даље удаљена од спољне оптичке референце, и оставити виртуелну линију у комбдомнаффекту{4}. Уместо тога, као што је илустровано на слици 4ц, пренос спектралне чистоће кроз цео спектар фреквентног гребена захтева допуну актуатора брзине понављања другом контролном петљом за фреквенцију померања омотача носиоца ({7}}fгенерални директор). Ангажовање таквогfгенерални директорповратна петља остварује три суштинска задатка: Закључавањеfгенерални директорна изабраној вредности, потискујући њен кохерентни и некохерентни шум и смањујући фазни шум преко свих зубаца чешља који су удаљени од спољашње оптичке референце. Тхеfгенерални директорактивирање делује симетрично на спектар у смислу да има минималан утицај на чешљасте линије близу оптичке референце, али снажно утиче на све чешљасте линије удаљене од ње, укључујући и оптичке и виртуелне у РФ-домену. Све у свему, брза петља за контролу фреквенције померања омотача носиоца- може се схватити као покретач који допуњује актуатор брзине понављања-за закључавање другог степена слободе ОФЦ-а.
Менло Системс-ов дизајн са двоструким активирањем омогућава истински пренос спектралне чистоће-прецизно реплицирајући спектралну чистоћу оптичке референце у свакој појединачној линији чешља. Као што је илустровано на слици 5, спектрална чистоћа се такође одржава током фаза конверзије фреквенције, укључујући померање фреквенције, генерисање другог-хармоника или генерисање суперконтинуума.
Примена рефлектора: оптички атомски сатови
Технологија ултраниске{0}}шуме компаније Менло Системс пружа прецизност у читавом спектру, унапређујући апликације које захтевају најпрецизније перформансе, као што су оптички атомски сатови. У овој области, наши ОФЦ-ови су омогућили пренос најпрецизнијих светских оптичких референци на најпрецизније светске оптичке сатове, високу{2}}тачност унакрсних-поређења сатова, као и{4}}дистрибуцију сигнала оптичког сата преко мрежа са влакнима на велике удаљености.
Пренос крајње прецизности
Као што је илустровано на Слици 6, оптичке референтне шупљине су најчешће доступне у региону близу-ИР таласне дужине (обично око 1550 нм), где нуде одличне перформансе и високу поузданост по релативно ниској цени. Није изненађујуће да овај опсег таласних дужина такође садржи референтне шупљине-са највећим перформансама које су тренутно доступне. У револуционарном раду у сарадњи ЈИЛА (САД) и Пхисикалисцх{8}} Тецхнисцхе Бундесансталт (ПТБ; Национални метролошки институт Немачке), криогена монокристална силицијумска шупљина са силицијумским огледалима показала је делимичну нестабилност фреквенције од чак 4 × 10-17у једној секунди, и ширина линије од 5 мХз.5
Овај развој представља десетоструко побољшање у односу на стање-најсавременијих-шупљина од стакла са ултра ниском експанзијом (УЛЕ) на собној температури. Да бисте пренели ову неупоредиву стабилност и ширину линије из радне таласне дужине шупљине на 1542 нм у видљиви спектрални опсег за рекордни-сат са оптичком решетком стронцијума који је радио на 698 нм,6истраживачи се ослањају на технологију чешља са ултраниском -фреквентном фреквенцијом шума компаније Менло Системс (паралелно са тим смо конструисали криогену шупљину у нашем моделу ОРС-УЛН).
Поређење -са- сата
Иако тренутна дефиниција секунде која се ослања на хиперфину транзицију од 9,2 ГХз унутар цезијума постоји више од пола века, у току је глобални заједнички напор да се редефинише СИ стандард користећи ултра уске оптичке прелазе унутар хладних атома и заробљених јона. Сходно томе, оптички сатови засновани на широком спектру атомских врста се истражују као кандидати. Да би се проценили ови нови стандарди, различити оптички сатови морају да се упореде једни са другима на највишем нивоу прецизности (видети слику. 6), али њихове прелазне фреквенције могу да се разликују за стотине терахерца и то онемогућава свако директно електронско мерење.
Као што недавни рад показује, ове фреквентне празнине се могу премостити са највећом прецизношћу преносом спектралне чистоће: ОФЦ са ултра ниским-шумом компаније Менло Системс омогућавају поређење часовника између-врста на 10-18ниво и даље.7У овом контексту, спектрални{0}}пренос чистоће је карактеристика{1}}доказ за будућност која је потребна за сваку лабораторију за оптички сат, јер пружа могућност истраживања различитих атомских врста док се поуздано ослања на један извор за референцирање фреквенцијског чешља.
Дисеминација преко оптичких мрежа
Док пионирски експерименти утиру пут преносивим оптичким сатовима, данашњи најпрецизнији сатови остају стационарне инсталације којима управљају стручни тимови у националним метролошким институтима, истраживачким установама и универзитетима. С друге стране,-поређења на даљину и ширење ултрастабилних сигнала сата су изводљиви само преко телекомуникационог опсега. Ово представља изазов за мрежне апликације, јер ОФЦ-ови закључани на транзицију оптичког такта обично не могу лако да се повезују са оптичким мрежама или да омогуће дистрибуцију референтних сигнала на друге локације.
Изазов произилази из комбинованог ефекта скалирања фазног шума у конвенционалним фреквентним чешљевима и спектралног јаза између прелаза оптичког сата и телекомуникационог опсега. Као што је илустровано на слици 6, пренос спектралне чистоће превазилази ову баријеру како би омогућио и поређења часовника на дугим{2}}раздаљинама као и ширење ултрастабилних референци на лабораторије које не користе сопствене оптичке сатове. Ова могућност откључава широк спектар узбудљивих научних могућности-укључујући напредак у квантним технологијама,-прецизну геодезију, астрономију, навигацију и тестове фундаменталне физике.8,9
