Optiskās frekvences ķemmes (OFC) ir precīzi lāzera gaismas avoti, kuru spektri sastāv no virknes vienādi{0}}atdalītu frekvenču līniju, kas atgādina ķemmes zobus. Kā ļoti precīzi lineāli optisko frekvenču mērīšanai, OFC ir mainījuši precizitātes mērījumus un metroloģiju kopš to izstrādes 90. gadu beigās. Viena no svarīgākajām OFC iespējām ir spektrālās tīrības pārsūtīšana. Tas attiecas uz OFC spēju pārnest viena gaismas avota spektrālās tīrības-frekvences stabilitāti un šauro līnijas platumu- uz citu, kas darbojas ar atšķirīgu viļņa garumu.
Īpaši zemā{0}}trokšņa ieviešanā (patentējusi Menlo Systems1), spektrālās tīrības pārnese saglabā ultrastabilo optisko atskaites sistēmu raksturlielumus visā ķemmes spektrā, tostarp frekvences -pārveidotās izejas, kas aptver redzamo infrasarkano staru spektra apgabalu vidēji-.
Ievads optiskās frekvences ķemmēs
OFC ir lāzera avots, kura optiskais spektrs sastāv no diskrētu, vienādi{0}}atdalītu frekvenču līniju sērijas. Frekvenču jomā šī regulārā struktūra atgādina ķemmes zobus. OFC visbiežāk tiek ģenerēti, izmantojot ultraīsus, modubloķētus lāzerus (sk. . 1. attēlu, augšpusē). Modeļu bloķēšana ir metode, kurā lāzera dobuma gareniskie režīmi ir spiesti svārstīties ar fiksētu fāzes attiecību. Līdz ar to lāzers izstaro ļoti īsu optisko impulsu sēriju. Cirkulējošais impulss izplatās uz priekšu un atpakaļ lāzera rezonatora iekšpusē ar atkārtošanās ātrumufrep, ko nosaka apvidus -ceļojuma laiks. Katra brauciena laikā neliels impulsa enerģijas daudzums tiek iegūts caur daļēji caurlaidīgu spoguli, veidojot lāzera izvadi. Laika apgabalā šī izvade parādās kā regulāra impulsu sērija, un frekvenču diapazonā tā atbilst vienādu attālumu spektrālo līniju ķemmei (sk. . 1. att., apakšā).
Pateicoties dispersijai lāzera dobumā, pulsa apvalka grupas ātrums parasti atšķiras no optiskā nesēja fāzes ātruma. Šīs neatbilstības rezultātā notiek pakāpeniska fāzes nobīdeΔφnesējviļņa attiecībā pret impulsa apvalku no viena brauciena uz nākamo. Šī parādība tiek saukta par nesēja-apvalks fāzes nobīdi (skatiet att.. 1, apakšējā kreisajā pusē).
Ideālā gadījumā, ja nav trokšņu un ārēju traucējumu, Furjē sakarība starp laika un frekvenču domēniem nozīmē, ka stingri periodisks impulsu vilciens atbilst diskrētai vienādi izvietotu frekvenču režīmu kopai (sk.. 1. att., apakšējā labajā stūrī).
Frekvenču jomā atsevišķas ķemmes līnijasνn piešķir:
vn = nfrep + fizpilddirektors,
kurnir vesela skaitļa režīma indekss,frepir pulsa atkārtošanās biežums, unfizpilddirektorsapzīmē nesēja{0}}aploksnes nobīdes frekvenci. Viss ķemmes spektrs ir nobīdīts parfizpilddirektorsimpulsa-līdz-impulsa nesēja-apvalks fāzes slīdēšanas rezultātā, savukārt attālumu starp blakus esošajām līnijām nosaka tikaifrep. Praksē gan atkārtošanās biežumsfrepun nesēja{0}}aploksnes nobīdes frekvencifizpilddirektors ir gan jāmēra, gan aktīvi jāstabilizē, lai īpaši ātrs impulsa lāzers darbotos kā OFC. Mērījumsfrepir salīdzinoši vienkāršs, jo tas parasti atrodas diapazonā no desmitiem megahercu līdz dažiem gigaherciem, un to var noteikt, izmantojot ātru fotodiodi. Atkārtošanās ātruma stabilizācija tiek panākta, aizverot atgriezeniskās saites cilpu uz izpildmehānismiem, kas ļauj efektīvi regulēt dobuma garumu. Turpretim mērīšana un kontrolefizpilddirektorsir ievērojami sarežģītāka un bija liels izaicinājums OFC tehnoloģijas agrīnajā attīstībā.
Atšķirības{0}}frekvenču ģenerēšanas (DFG) frekvenču ķemmes
Vēsturiski viena no agrīnajām stratēģijām, kā rīkoties ar nesēja{0}}apvalks nobīdes frekvenci, bija optiskā shēma, kas ļauj izvairīties no nepieciešamības pēc tās precīzas mērīšanas un kontroles. Tas tiek panākts, izmantojot DFG raksturīgo nesēja aploksnes fāzes stabilo nelineāro procesu, lai izveidotu oriģinālā lāzera impulsu sērijas kopiju, kā rezultātā tiek iegūts vidējais fizpilddirektorsnulles vērtība (<fizpilddirektors>= 0). Šādos uz DFG- balstītos OFC divi atšķirīgi spektrālie komponenti, kas nāk no viena un tā paša lāzera oscilatora (parasti pēc spektra paplašināšanas nelineārās šķiedrās), tiek sajaukti nelineārā kristālā. Ideālā gadījumā abas sastāvdaļas nesīs vienādifizpilddirektors, tāpēc, atņemot to frekvences, nobīde tiks atcelta, lai iegūtu "nobīdi{0}}bezmaksas OFC". No tīri tehniskā viedokļa nobīdes{2}}bezmaksas OFC piedāvā vienkāršību, jo nepieciešama tikai viena vadības cilpa: to vienīgais vadības mainīgais ir atkārtošanās ātrums.frep. Bet tas nāk ar kompromisu: gaidāmā vērtība<fizpilddirektors>= 0 nenozīmē, ka vispār navfizpilddirektorsfāzes troksnis. Citiem vārdiem sakot, lai gan DFG process novērš vidējo nobīdi, tas nenomāc nesakarīgo troksni, kas saistīts arfizpilddirektors (skatiet attēlu. 2). Tā vietā ir pierādīts, ka uz DFG-bāzētiem OFC ir kvadrātiskā fāzes trokšņa mērogošana ar frekvenci, ko raksturo "elastīgās lentes" modelis ar fiksācijas punktu nulles frekvencē.2
Retrospektīvi ir vērts atzīmēt, ka paņēmienu, kā ģenerēt nobīdes{0}}bezfrekvences ķemmes, izmantojot DFG, sākotnēji patentēja Maksa Planka biedrība,3un OFC komercializācijas sākumā tas tika ekskluzīvi licencēts Menlo Systems. Šī metode joprojām ir ļoti izdevīga frekvenču-ķemmes starojuma ģenerēšanai citādi grūti-{-pieejamos viļņu garumos, tāpēc mēs turpinām izmantot DFG, lai paplašinātu spektrālo pārklājumu līdz vidējai -infrasarkanajai daļai un tālāk.
Paš-frekvenču ķemmes
Pēc pirmo praktisko ķemmes sistēmu izstrādes nelineāro optisko šķiedru attīstība nodrošināja uzticamu nesēja{0}}aplokšņu nobīdes noteikšanu. Šie uzlabojumi ļāva salīdzinoši vienkārši un efektīvi ģenerēt oktāvas-pārtīšanas ķemmes; ti, frekvenču ķemmes, kas aptver frekvenču diapazonu, kas vairāk nekā divas reizes pārsniedz to zemāko frekvenci. Ja ir pieejami oktāvas-pārklājuma ķemmes spektri, nesēja-apvalksnes nobīdes frekvenci var raksturot, izmantojot vienkāršu paš-atsauces metodi. Šī metode balstās uz interferometru, kas heterodinē divas atšķirīgas ķemmes spektra daļas: ķemmes režīms ar indeksunspektra sarkanajā galā
vn = nfrep + fizpilddirektors
tiek nosūtīts caur nelineāru kristālu, lai radītu savu otro harmoniku
2vn = 2(nfrep + fizpilddirektors),
kas tiek nobīdīts par divkāršu nobīdes frekvenci. Pēc tam šis frekvences-dubultais signāls tiek pārspēts pret ķemmes režīmu ar indeksu 2n
v2n = 2nfrep + fizpilddirektors.
Beat nots starp šīm divām frekvencēm tieši atklāj nesēja{0}}apvalks nobīdes frekvenci:
2vn − v2n = fizpilddirektors.
Šī "f–2f" metode nav nekas cits kā ievērojams sasniegums OFC tehnoloģijā, jo tā ļauj tieši izmērīt nesēja-apvalks nobīdes frekvenci. Jo īpaši tas atbalsta īpašu aktīvās dispersijas kontroles izpildmehānismu ieviešanu lāzera dobumā īpaši zema trokšņa stabilizācijai un kontrolei.fizpilddirektors(skatiet attēlu. 3).
Spektrālās tīrības pārnešana
Efektīva optiskās frekvences ķemmes brīvības pakāpju kontrole un stabilizācija-tā atkārtošanās biežums, kā arī nesēja-apvalks nobīdes frekvence-ir izšķiroša nozīme precīzām lietojumprogrammām, kurām ir nepieciešams līniju platums un stabilitāte, kas ir daudz lielāka par tiem, ko var sasniegt ar jebkuru brīvi{{3}skrienošu ķemmi (sk.{4}a. att.). Visur izplatītā pieeja ir izveidot optisko slēdzeni; ti, pārsūtīt spektrālo tīrību, ko nodrošina ārēja optiskā atsauce uz vienu no frekvences ķemmes līnijām. Uzņēmuma Menlo Systems optiskās atskaites sistēmas regulāri sasniedz zem-hercu līnijas platumu, kas savienots ar izcilu frekvences stabilitāti. Tajos ir apvienots viena -režīma nepārtraukta-viļņa (CW) lāzers, augstas{13}}izsmalcinātas optiskās atskaites dobums un ar to saistītie optiskie un elektroniskie bloķēšanas komponenti-, kas ir izstrādāti, lai nodrošinātu augstu jutību un plašu bloķēšanas joslas platumu.4Parastā iestatīšana OFC bloķēšanai ārējai optiskai atsaucei ir parādīta 4.b attēlā. Šāda atkārtojuma ātruma kontroles cilpa balstās uz sitiena nots noteikšanu starp CW atsauces lāzeru un vienu no ķemmes zobiem, izmērot jebkuru frekvences novirzi un attiecīgi piemērojot atgriezenisko saiti uz ķemmes atkārtošanās ātruma izpildmehānismu.
Būtiski, ka, lai gan shēma stabilizē izvēlēto ķemmes zobu, patiesi ir fiksēts tikai attālums starp atsauces lāzeru un šo vienu ķemmes līniju: Tā kā atkārtošanās ātruma izpildmehānisms nodrošina tikai vienu brīvības pakāpi, tas galvenokārt ietekmē ķemmes līnijas, kas atrodas tuvu bloķēšanas punktam. Līdz ar to līnijas platums un fāzes troksnis palielinās līdz ar spektrālo attālumu no optiskās atskaites. Šis ierobežojums ir raksturīgs bloķēšanas shēmai un ir neatkarīgs no ķemmes arhitektūras: neatkarīgi no tā, vai ķemme ir nobīde- vai uz sevi-atsaucīga ķemme, kad tā ir bloķēta tikai ar atkārtošanās ātrumu, spektrālā tīrība neizbēgami pasliktinās, jo tālāk ķemmes līnija atrodas no ārējās optiskās atskaites, un virtuālā RF {{4}būtiski atstās neefektīvas ķemmes. Drīzāk, kā parādīts 4.c attēlā, spektrālās tīrības pārnešanai visā frekvenču ķemmes spektrā ir jāpapildina atkārtošanās ātruma izpildmehānisms ar otru vadības cilpu nesēja-apvalks nobīdes frekvencei (fizpilddirektors). Iesaistoties šādu afizpilddirektorsatgriezeniskās saites cilpa veic trīs būtiskus uzdevumus: bloķēšanafizpilddirektorspie izvēlētās vērtības, nomācot tā koherento un nesakarīgo troksni un samazinot fāzes troksni visos ķemmes zobos, kas atrodas tālu no ārējās optiskās atskaites. Thefizpilddirektorsiedarbināšana simetriski iedarbojas uz spektru tādā nozīmē, ka tai ir minimāla ietekme uz ķemmes līnijām, kas atrodas netālu no optiskās atskaites, bet spēcīgi ietekmē visas ķemmes līnijas, kas atrodas tālu no tā, tostarp gan optiskās, gan virtuālās RF-domēnā. Kopumā ātro cilpu nesēja-apvalks nobīdes frekvences kontrolei var uztvert kā izpildmehānismu, kas papildina atkārtošanās ātruma izpildmehānismu-, lai bloķētu OFC otrās brīvības pakāpi.
Menlo Systems dubultās iedarbināšanas dizains nodrošina patiesu spektrālās tīrības pārnešanu,{0}}precīzi atkārtojot optiskās atsauces spektrālo tīrību katrā ķemmes līnijā. Kā parādīts 5. attēlā, spektrālā tīrība tiek uzturēta arī visos frekvences pārveidošanas posmos, tostarp frekvences maiņā, otrajā-harmonijas ģenerēšanā vai superkontinuuma ģenerēšanā.
Pielietojuma uzmanības centrā: optiskie atompulksteņi
Menlo Systems īpaši zemo{0}trokšņu tehnoloģija nodrošina precizitāti visā spektrā, pilnveidojot lietojumprogrammas, kurām nepieciešama visprecīzākā veiktspēja, piemēram, optiskos atompulksteņus. Šajā jomā mūsu OFC ļāva pārsūtīt pasaulē precīzākās optiskās atsauces uz pasaules precīzākajiem optiskajiem pulksteņiem, augstas -precizitātes starp-sugu pulksteņu salīdzinājumus, kā arī optisko pulksteņu signālu izplatīšanu lielos- attālumos, izmantojot šķiedru tīklus.
Maksimālas precizitātes pārsūtīšana
Kā parādīts 6. attēlā, optiskās atskaites dobumi visbiežāk ir pieejami tuvējā-IR viļņa garuma reģionā (parasti aptuveni 1550 nm), kur tie piedāvā izcilu veiktspēju un augstu uzticamību par salīdzinoši zemām izmaksām. Nav pārsteidzoši, ka šajā viļņu garuma diapazonā atrodas arī pašlaik pieejamās{4}}augstākās veiktspējas atskaites dobumi. JILA (ASV) un Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Vācijas Nacionālais metroloģijas institūts) sadarbībā veiktajā revolucionārajā darbā kriogēns monokristāliskā silīcija dobums ar silīcija spoguļiem uzrādīja daļējas frekvences nestabilitāti līdz 4 × 10.-17vienā sekundē un līnijas platumu 5 mHz.5
Šis uzlabojums ir desmitkārtīgs uzlabojums, salīdzinot ar--salīdzinājumā ar jaunākajiem-tehnoloģijas ultralow izplešanās stikla (ULE) dobumiem istabas temperatūrā. Lai pārnestu šo nepārspējamo stabilitāti un līnijas platumu no dobuma darbības viļņa garuma pie 1542 nm uz redzamo spektra diapazonu, lai iegūtu rekordlielu stroncija optiskā režģa pulksteni, kas darbojas pie 698 nm,6pētnieki paļaujas uz Menlo Systems īpaši zemās{0}}trokšņa frekvences ķemmes tehnoloģiju (paralēli mēs izstrādājām kriogēno dobumu mūsu modelī ORS-ULN).
Pulksteņa-līdz-pulksteņa salīdzinājums
Lai gan pašreizējā otrā definīcija, kas balstās uz 9, 2 GHz hipersmalko pāreju cēzijā, ir pastāvējusi vairāk nekā pusgadsimtu, notiek globāla sadarbība, lai atkārtoti definētu SI standartu, izmantojot īpaši šauras optiskās pārejas aukstos atomos un iesprostotos jonos. Attiecīgi optiskie pulksteņi, kuru pamatā ir plašs atomu sugu klāsts, tiek pētīti kā kandidāti. Lai novērtētu šos jaunos standartus, dažādi optiskie pulksteņi ir jāsalīdzina savā starpā visaugstākajā precizitātes līmenī (sk. att. . 6), taču to pārejas frekvences var atšķirties par simtiem terahercu, un tas padara neiespējamu tiešu elektronisku mērījumu veikšanu.
Kā liecina nesenais darbs, šīs frekvenču spraugas var tikt novērstas ar visaugstāko precizitāti, izmantojot spektrālās tīrības pārsūtīšanu: Menlo Systems īpaši zema-trokšņa OFC nodrošina starp-sugu pulksteņu salīdzināšanu pie 10.-18līmenī un tālāk.7Šajā kontekstā spektrālās -tīrības pārnešana ir nākotnes-droša funkcija, kas nepieciešama jebkurai optisko pulksteņu laboratorijai, jo tā nodrošina iespēju pētīt dažādas atomu sugas, vienlaikus pārliecinoši paļaujoties uz vienu avotu, lai noteiktu frekvenču ķemmi.
Izplatīšana, izmantojot šķiedru tīklus
Lai gan novatoriskie eksperimenti paver ceļu pārnēsājamiem optiskajiem pulksteņiem, mūsdienu precīzākie pulksteņi joprojām ir stacionāras iekārtas, ko vada ekspertu komandas nacionālajos metroloģijas institūtos, pētniecības iestādēs un universitātēs. No otras puses, liela attāluma-salīdzināšana un īpaši stabilu pulksteņa signālu izplatīšana ir iespējama, tikai izmantojot telekomunikāciju joslu. Tas rada izaicinājumu tīkla lietojumprogrammām, jo OFC, kas bloķētas uz optiskā pulksteņa pāreju, parasti nevar viegli saskarties ar šķiedru tīkliem vai nodrošināt atsauces signālu izplatīšanu uz citām vietnēm.
Izaicinājums rodas no fāzes trokšņu mērogošanas kombinētā efekta parastajās frekvenču ķemmēs un spektrālās plaisas starp optiskā pulksteņa pārejām un telekomunikāciju joslu. Kā parādīts 6. attēlā, spektrālās tīrības pārnešana pārvar šo šķērsli, lai nodrošinātu gan tālsatiksmes pulksteņu salīdzinājumus, gan arī ultrastabilu atsauces izplatīšanu laboratorijās, kas nedarbina savus optiskos pulksteņus. Šī iespēja paver plašu aizraujošu zinātnisku iespēju klāstu,{4}}tostarp kvantu tehnoloģiju sasniegumus, augstas precizitātes ģeodēziju, astronomiju, navigāciju un fundamentālās fizikas testus.8,9
