Стабилизация частоты нескольких лазеров на опорный атомный переход Rb

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 20624 (2022) Цитировать эту статью

1180 Доступов

Подробности о метриках

Современные атомные часы, основанные на исследовании атомных переходов в оптических областях, требуют нескольких лазеров с разной длиной волны для производства атомарных ионов, захвата и лазерного охлаждения нейтральных атомов или атомных ионов. Чтобы достичь максимальной эффективности лазерного охлаждения или любого другого атомного перехода, частоты каждого из задействованных лазеров необходимо стабилизировать путем уменьшения его дрейфов или флуктуаций, возникающих из-за изменений температуры окружающей среды или других возмущений. В настоящей статье описана одновременная стабилизация частоты множества лазеров, необходимых для производства и лазерного охлаждения ионов иттербия (171Yb), до опорной частоты перехода атомов рубидия (Rb). В этом методе диодный лазер, работающий на длине волны ~ 780 нм, стабилизируется по частоте до одного из пиков поглощения без доплеровского уширения атомов рубидия (85Rb), а затем используется в качестве опорной частоты для калибровки измерителя длины волны и последующей одновременной стабилизации частоты четырех лазеры, работающие на разных длинах волн.

Frequency stabilization of lasers is a prerequisite for all kind of experiments related to laser cooling of atoms or atomic ions. Laser frequency stabilization or frequency locking is also an essential requirement for precision experiments1,2,3,4, e.g., optical frequency standards or optical clock based on the interrogation of ultra-narrow atomic transitions, which requires multiple number of stable laser frequencies. Optical atomic clock, realized through interrogation of a quadrupole transition {4f14 6 s 2S1/2|F = 0, mF = 0 > →4f145D 2D3/2|F = 2, mF = 0 >} of a single trapped ytterbium ion (171Yb+) ion at 435 nm, requires as many as four narrow linewidth(~ 23 MHz)5 and stable lasers at wavelengths around 399 nm, 369.5 nm, 935 nm and 760 nm respectively for probing transitions related to photoionization, laser cooling6,7 of ytterbium (171Yb+) ions and repumping of the metastable states of the ions5,8,9. Such a state-of-the art experiment demands accurate and precise regulation of all of its components, hence, all the required lasers need to be frequency stabilized so that desired transitions are probed accurately and effectively. Several techniques are being used for laser frequency locking or frequency stabilization, e.g., locking of laser's output frequency to a highly stable Fabry-Parrot cavity using Pound–Drever–Hall technique10,11, another commonly used technique is locking of laser to a reference atomic transition frequency on its Doppler broadening free transition peak12,13, 20 mT) with a micrometer-thin cell. Opt. Lett. 39(8), 2270–2273 (2014)." href="/articles/s41598-022-24952-6#ref-CR14" id="ref-link-section-d5377489e457"> 14 и в настоящее время измерители длины волны15,16,17 также используются в различных прецизионных экспериментах. Выбор метода фиксации зависит от экспериментальных требований к уровню точности. Например, прецизионная спектроскопия или эксперименты, связанные с высокоточной метрологией, требуют относительной нестабильности частоты18 выше 10–15, тогда как другие эксперименты, такие как атомная спектроскопия или охлаждение атомов, могут выполняться с лазерными частотами, имеющими кратковременную нестабильность ≤ 10–10.

Ион иттербия, охлажденный лазером (171Yb+), обеспечивает два сверхузких часовых перехода в оптической области, т.е. квадрупольный переход при 435 нм и октапольный переход при 467 нм с естественной шириной линии 3 Гц и 3 нГц соответственно18,19. Стабилизация частоты тактового лазера для исследования таких сверхузких переходов требует огромных усилий для создания сверхстабильной и сверхузкой частоты линии с использованием резонатора со сверхнизким расширением (ULE)1,20,21,22 и быстрого сервоконтроллера. Атомные переходы, используемые для производства ионов иттербия путем фотоионизации, лазерного охлаждения ионов и перекачки метастабильных состояний ионов, имеют типичную естественную ширину линии в десятки МГц, и поэтому частоты этих лазеров необходимо стабилизировать в том же диапазоне, т.е. , несколько десятков МГц для вышеуказанных целей5.