Optilised sageduskammid (OFC) on täpsed laservalgusallikad, mille spektrid koosnevad võrdsete{0}}vahedega sagedusjoontest, mis meenutavad kammi hambaid. Olles ülitäpsed optiliste sageduste mõõtmise joonlauad, on OFC-d alates nende väljatöötamisest 1990. aastate lõpus muutnud täppismõõtmise ja metroloogia. Üks olulisemaid OFC-de võimaldatavaid võimalusi on spektraalse puhtuse ülekanne. See viitab OFC võimele edastada ühe valgusallika spektripuhtus-sageduse stabiilsus ja kitsas joonelaius- teisele, mis töötab erineval lainepikkusel.
Ülimadala{0}}müraga teostuses (patenteerinud Menlo Systems1), säilitab spektraalse puhtuse ülekanne ülistabiilsete optiliste tugisüsteemide omadused kogu kammispektri ulatuses, sealhulgas sagedus{0}}teisendatud väljundid, mis hõlmavad nähtavat kuni keskmise infrapunaspektri piirkonnani-.
Optilise sagedusega kammide tutvustus
OFC on laserallikas, mille optiline spekter koosneb diskreetsetest võrdselt{0}}vahetatud sagedusjoontest. Sageduspiirkonnas meenutab see korrapärane struktuur kammi hambaid. OFC-d genereeritakse kõige sagedamini ultralühikeste, režiimilukuga laserite abil (vt joonist . 1, ülemine). Modellocking on tehnika, mille puhul laserõõnsuse pikisuunalised režiimid on sunnitud võnkuma fikseeritud faasisuhtega. Järelikult kiirgab laser rea ülilühikesi optilisi impulsse. Ringlev impulss levib laserresonaatori sees kordussagedusega edasi-tagasifrep, mille määrab õõnsuse ring-reisi aeg. Iga edasi-tagasi reisi ajal eraldatakse laserväljundi moodustamiseks osaliselt läbilaskva peegli kaudu väike kogus impulsienergiat. Ajapiirkonnas kuvatakse see väljund tavalise impulsi jadana ja sageduspiirkonnas vastab see võrdse vahemaa spektrijoonte kammile (vt joonis . 1, alumine).
Dispersiooni tõttu laseriõõnes erineb impulsi mähisjoone rühmakiirus tavaliselt optilise kandja faasikiirusest. Selle mittevastavuse tulemuseks on järkjärguline faasiniheΔφkandelaines impulsi mähisjoone suhtes ühelt edasi-tagasi reisilt teisele. Seda nähtust nimetatakse kandja-mähisjoone faasinihkeks (vt joonist. 1, all vasakul).
Ideaalis tähendab müra ja väliste häirete puudumisel Fourier' seos aja- ja sageduspiirkonna vahel seda, et rangelt perioodiline impulsside jada vastab võrdsete vahedega sagedusrežiimide diskreetsele komplektile (vt joonist . 1, all paremal).
Sageduspiirkonnas üksikud kammiliinidνn on antud:
vn = nfrep + ftegevjuht,
kusnon täisarvu režiimi indeks,frepon pulsi kordussagedus jaftegevjuhttähistab kande{0}}ümbriku nihke sagedust. Kogu kammi spekter on nihutatudftegevjuhtimpulsi{0}}--impulsi kandja-ümbriku faasilibisemise tulemusena, samas kui külgnevate ridade vahe on määratud ainultfrep. Praktikas nii kordussagedusfrepja kandja-ümbriku nihke sagedusftegevjuht tuleb nii mõõta kui ka aktiivselt stabiliseerida, et ülikiire impulsslaser toimiks OFC-na. Mõõtminefrepon suhteliselt lihtne, sest tavaliselt jääb see vahemikku kümnetest megahertsidest kuni mõne gigahertsi ja seda saab tuvastada kiire fotodioodi abil. Kordussageduse stabiliseerimine saavutatakse täiturmehhanismide tagasisideahela sulgemisega, mis võimaldab õõnsuse pikkust tõhusalt reguleerida. Seevastu mõõtmine ja juhtimineftegevjuhton oluliselt keerulisem ja kujutas endast suurt väljakutset OFC-tehnoloogia varases arendamises.
Diferentsi{0}}sageduse genereerimise (DFG) sageduse kammid
Ajalooliselt oli üks kande{0}}mähisjoone nihkesageduse käsitlemise strateegiaid optiline skeem, mis välistab vajaduse selle selgesõnalise mõõtmise ja juhtimise järele. See saavutatakse DFG loomupäraselt kandja mähisjoone faasistabiilse mittelineaarse protsessi abil, et luua originaal laserimpulsside jada koopia, mille tulemuseks on keskmine ftegevjuhtväärtus null (<ftegevjuht>= 0). Sellistes DFG-põhistes OFC-des segatakse mittelineaarses kristallis kaks erinevat spektrikomponenti, mis pärinevad samast laserostsillaatorist (tavaliselt pärast spektri laienemist mittelineaarsetes kiududes). Ideaalsel juhul kannavad mõlemad komponendid samaftegevjuht, nii et nende sageduste lahutamisel tühistatakse nihe ja saadakse "nihe{0}}tasuta OFC". Puhtalt tehnilisest vaatenurgast pakuvad nihke{2}}vabad OFC-d lihtsust, kuna nõuavad ainult ühte juhtahelat: nende ainus juhtmuutuja on kordussagedusfrep. Kuid sellega kaasneb kompromiss: ootusväärtus<ftegevjuht>= 0 ei tähenda üldist puudumistftegevjuhtfaasimüra. Teisisõnu, kuigi DFG protsess eemaldab keskmise nihke, ei summuta see ebaühtlast müra, mis on seotudftegevjuht (vt joonist. 2). Selle asemel on näidatud, et DFG-põhistel OFC-del on faasimüra ruutskaala koos sagedusega, mida kirjeldab "elastse lindi" mudel, mille fikseerimispunkt on nullsagedusel.2
Tagantjärele tasub märkida, et DFG kaudu{0}}nihke sagedusega kammide genereerimise tehnika patenteeris algselt Max Planck Society,3ja OFC kommertsialiseerimise algusaegadel litsentsiti see ainulitsentsi Menlo Systemsile. Meetod on endiselt väga kasulik sagedus-kammkiirguse genereerimiseks muidu raskesti--juurdepääsetavatel lainepikkustel, mistõttu jätkame DFG kasutamist, et laiendada spektraalset katvust keskmise-infrapuna ja kaugemale.
Ise-viidatud sagedusega kammid
Pärast esimeste praktiliste kammsüsteemide väljatöötamist võimaldasid mittelineaarsete optiliste kiudude edusammud usaldusväärse kandja{0}}ümbrise nihke tuvastamise. Need arendused võimaldasid suhteliselt lihtsat ja tõhusat oktaavi-kammide genereerimist; st sageduskammid, mis katavad sagedusvahemikku rohkem kui kaks korda nende madalaimast sagedusest. Kui saadaval on oktaavi-ulatuvad kammspektrid, saab kande-mähisjoone nihkesagedust iseloomustada lihtsa enese-viitemeetodi abil. See meetod põhineb interferomeetril, mis heterodüünstab kahte erinevat kammispektri osa: indeksiga kammirežiimnspektri punases otsas
vn = nfrep + ftegevjuht
saadetakse läbi mittelineaarse kristalli teise harmoonilise genereerimiseks
2vn = 2(nfrep + ftegevjuht),
mida nihutatakse kahekordse nihkesageduse võrra. See sagedus{1}}kahekordistunud signaal lüüakse seejärel vastu kammirežiimi indeksiga 2n
v2n = 2nfrep + ftegevjuht.
Nende kahe sageduse vaheline lööginoot näitab otse kande{0}}ümbriku nihke sagedust:
2vn − v2n = ftegevjuht.
See "f–2f"-meetod pole OFC-tehnoloogia maamärk, kuna see võimaldab otse mõõta kande{1}}mähisjoone nihke sagedust. Eelkõige toetab see spetsiaalsete aktiivsete dispersiooni reguleerivate ajamite paigaldamist laseriõõnde, et stabiliseerida ja juhtida ülimadalat müra.ftegevjuht(vt joonist. 3).
Spektri puhtuse ülekanne
Optilise sagedusega kammi vabadusastmete tõhus juhtimine ja stabiliseerimine-selle kordussagedus ja ka kande-mähisjoone nihkesagedus-on üliolulised täppisrakenduste jaoks, mis nõuavad joonelaiusi ja stabiilsust, mis on palju suuremad kui mis tahes-vaba jooksva kammiga saavutatav (vt joonis. 4a). Üldlevinud lähenemisviis on optilise luku loomine; st välise optilise referentsi edastatud spektraalse puhtuse ülekandmine ühele sageduse kammiliinidest. Menlo Systemsi optilised referentssüsteemid saavutavad tavapäraselt alam-hertsi joonelaiused, mis on seotud suurepärase sageduse stabiilsusega. Need ühendavad ühe-režiimi pidevlaine{12}}laseri, suure-peen optilise võrdlusõõnsuse ning sellega seotud optilised ja elektroonilised lukustuskomponendid-, mis kõik on loodud pakkuma suurt tundlikkust ja laia lukustusriba laiust.4Tavalist seadistust OFC lukustamiseks välise optilise referentsiga on näidatud joonisel 4b. Selline kordussageduse kontrollsilmus tugineb lööknoodi tuvastamisele CW võrdluslaseri ja ühe kammi hamba vahel, mis tahes sageduse triivi mõõtmisel ja tagasiside rakendamisel kammi kordussageduse ajamile.
Oluline on see, et kuigi skeem stabiliseerib valitud kammihammast, on tõeliselt fikseeritud ainult võrdluslaseri ja selle üksiku kammijoone vaheline kaugus: kuna kordussageduse täiturmehhanism võimaldab juhtida ainult ühte vabadusastet, mõjutab see peamiselt lukustuspunkti lähedal asuvaid kammijooni. Järelikult suurenevad joonelaius ja faasimüra spektraalse kaugusega optilisest etalonist. See piirang on omane lukustusskeemile ja ei sõltu kammi arhitektuurist: olenemata sellest, kas tegemist on nihke-vaba või iseviitetava-kammiga, kui lukustatakse ainult kordussageduse kaudu, halvendab spektraalne puhtus vältimatult seda, mida kaugemal on kammijoon välisest optilisest referentsist, ja jätab virtuaalse RF-põhimõtteliselt kasutamata. Pigem, nagu on näidatud joonisel 4c, nõuab spektraalse puhtuse ülekanne kogu sageduse kammispektri ulatuses kordussageduse täiturmehhanismi täiendamist teise juhtahelaga kande{7}}mähisjoone nihke sageduse jaoks (ftegevjuht). Kaasates selline aftegevjuhttagasiside ahel täidab kolm olulist ülesannet: lukustamineftegevjuhtvalitud väärtusel, summutades selle koherentset ja ebajärjekindlat müra ning vähendades faasimüra kõikidel kammihammastel, mis on välisest optilisest tugipunktist kaugemal. Theftegevjuhtaktiveerimine toimib spektris sümmeetriliselt selles mõttes, et sellel on minimaalne mõju optilise viitepunkti lähedal asuvatele kammijoontele, kuid see mõjutab tugevalt kõiki sellest kaugel asuvaid kammijooni, sealhulgas nii optilisi kui ka virtuaalseid RF{0}}domeenis. Üldiselt võib kandja-mähisjoone nihke sageduse juhtimise kiiret ahelat tajuda kui täiturmehhanismi, mis täiendab kordussageduse täiturmehhanismi-, et lukustada OFC teine vabadusaste.
Menlo Systemsi topeltajamiga disain võimaldab tõelise spektripuhtuse ülekandmist-, replitseerides täpselt optilise referentsi spektripuhtust igal üksikul kammijoonel. Nagu on näidatud joonisel 5, säilib spektraalne puhtus ka sageduse muundamise etappide jooksul, sealhulgas sageduse nihutamise, teise-harmooniku genereerimise või superkontiinumi genereerimise ajal.
Rakenduse prožektor: optilised aatomkellad
Menlo Systemsi ülimadala{0}müratehnoloogia tagab täpsuse kogu spektri ulatuses, edendades rakendusi, mis nõuavad kõige täpsemat jõudlust, nagu optilised aatomkellad. Selles valdkonnas võimaldasid meie OFC-d edastada maailma kõige täpsemaid optilisi viiteid maailma kõige täpsematele optilistele kelladele, -täpseid liikidevahelisi-kellade võrdlusi, aga ka optiliste kellade signaalide levitamist kiudoptiliste võrkude kaudu kaug-.
Ülima täpsuse ülekandmine
Nagu on näidatud joonisel 6, on optilised võrdlusõõnsused kõige sagedamini saadaval lähi-IR lainepikkuse piirkonnas (tavaliselt umbes 1550 nm), kus need pakuvad suurepärast jõudlust ja suurt töökindlust suhteliselt madalate kuludega. Pole üllatav, et see lainepikkuste vahemik majutab ka praegu saadaolevaid{4}}kõrgeima jõudlusega võrdlusõõnsusi. JILA (USA) ja Physikalisch-Technische Bundesanstalt'i (PTB; Saksamaa Riiklik Metroloogia Instituut) koostöös tehtud murrangulise töö käigus demonstreeris ränipeeglitega krüogeenne monokristalliline räniõõnsus fraktsioonilise sageduse ebastabiilsust kuni 4 × 10.-17üks sekund ja joonelaius 5 MHz.5
See arendus on kümme korda parem kui toatemperatuuril--teisaegsel tasemel-ultimadala paisumisklaasi (ULE) õõnsused. Selle võrratu stabiilsuse ja joonelaiuse ülekandmiseks õõnsuse töölainepikkuselt 1542 nm juures nähtavasse spektrivahemikku, et saavutada rekordiline-strontsiumi optiline võrekell, mis töötab lainepikkusel 698 nm,6teadlased tuginevad Menlo Systemsi ülimadala{0}}mürasagedusega kammitehnoloogiale (paralleelselt kujundasime krüogeense õõnsuse oma mudelisse ORS-ULN).
Kella-kellade-võrdlus
Kuigi 9,2 GHz ülipeenele üleminekule tseesiumis tugineva teise määratlus on kehtinud enam kui pool sajandit, on käimas ülemaailmne koostöö SI-standardi ümberdefineerimiseks, kasutades ülikitsaid optilisi üleminekuid külmade aatomite ja lõksu jäänud ioonide sees. Seetõttu uuritakse kandidaatidena paljudel aatomiliikidel põhinevaid optilisi kellasid. Nende uute standardite hindamiseks tuleb erinevaid optilisi kellasid üksteisega võrrelda kõrgeima täpsusastmega (vt joonist . 6), kuid nende üleminekusagedused võivad erineda sadade terahertside võrra ja see muudab igasuguse otsese elektroonilise mõõtmise võimatuks.
Nagu hiljutine töö näitab, saab neid sageduslünki ületada ülima täpsusega spektripuhtuse ülekande abil: Menlo Systemsi ülimadala-müraga OFC-d võimaldavad liikidevahelist kella-võrdlust 10.-18tasemele ja kaugemalegi.7Selles kontekstis on spektraal-puhtuse ülekanne tuleviku-kindel funktsioon, mis on vajalik igas optilise kella laboris, kuna see annab võimaluse uurida erinevaid aatomiliike, tuginedes samal ajal sageduskammi viitamiseks ühele allikale.
Levitamine kiudoptiliste võrkude kaudu
Kuigi teedrajavad katsed sillutavad teed teisaldatavate optiliste kelladeni, jäävad tänapäeva kõige täpsemad kellad statsionaarseteks seadmeteks, mida juhivad riiklike metroloogiainstituutide, uurimisasutuste ja ülikoolide ekspertrühmad. Teisest küljest on kaug-võrdlused ja ülistabiilsete kellasignaalide levitamine teostatavad ainult telekommunikatsiooniriba kaudu. See seab võrgurakendustele väljakutse, kuna optilise kella üleminekuga lukustatud OFC-d ei saa tavaliselt kiudvõrkudega hõlpsasti liidestada ega võimaldada võrdlussignaalide levitamist teistele saitidele.
Väljakutse tuleneb tavapäraste sageduskammide faasimüra skaleerimise ja optilise kella üleminekute ja telekommunikatsiooniriba vahelise spektrivahe koosmõjust. Nagu on näidatud joonisel 6, ületab spektraalpuhtuse ülekanne selle barjääri, võimaldades nii pika-kellade võrdlust kui ka ülistabiilsete viidete levitamist laboritesse, mis ei kasuta oma optilisi kellasid. See võimalus avab laia valiku põnevaid teaduslikke võimalusi,{4}}sh kvanttehnoloogiate edusammud, ülitäpne geodeesia, astronoomia, navigatsioon ja fundamentaalfüüsika testid.8,9
