Smalle - Linewidth Lasers zijn cruciaal in een breed scala aan toepassingen, waaronder precisie -detectie, spectroscopie en kwantumwetenschap. Naast de spectrale breedte is spectrale vorm ook een belangrijke factor, afhankelijk van de specifieke toepassing. Het vermogen aan weerszijden van de laserlijn kan bijvoorbeeld fouten in de optische manipulatie van kwantumbits introduceren en de nauwkeurigheid van atomaire klokken beïnvloeden. Wat betreft laserfrequentieruis, de Fourier -componenten die worden gegenereerd door spontane emissie in de lasermodus overschrijden meestal 105 Hz, en deze componenten bepalen de amplitude aan weerszijden van de lijnbreedte. Gecombineerd met de Henry -verbeteringsfactor definiëren deze factoren gezamenlijk de kwantumlimiet, bekend als de Schawlow - Townes (ST) limiet, die de haalbare ondergrens van de effectieve lijnbreedte vaststelt na het elimineren van technische ruis zoals holte -trillingen en lengteafdrijf.
Daarom is het minimaliseren van kwantumruis een cruciaal aspect van smalle - linewidth laserontwerp. In de praktijk wordt de gewenste lijnbreedte bereikt door de belangrijkste factoren van de ST -limiet aan te passen: laservermogen, met behulp van hoge - q - factor holtes en het selecteren van versterkingsmedia met lage veldamplitude - refractieve indexkoppeling (lage Henry Factor). Lasers zoals titanium sapphire -lasers, glasvezel lasers en externe holte halfgeleider lasers zijn typische voorbeelden van lasers die in staat zijn om de hertz - niveau -lijnwidth te bereiken die nodig zijn voor veel van de meest veeleisende samenhangende lasertoepassingen. Het ontwerpen van lasers die tegelijkertijd voldoen aan de lijnbreedte-, kracht- en golflengtevereisten van een bepaalde applicatie blijft een uitdaging.
Onderzoekers van Macquarie University testten deze technologie met behulp van diamantkristallen, die uitstekende thermische prestaties bieden en een stabiele testomgeving bieden. Ze testten een opzettelijk gecreëerde "ruis" -gangstraal met een lijnbreedte van meer dan 10 MHz met behulp van een diamantkristal met een diameter van slechts enkele millimeter in een holte. Hun Raman -verstrooiingstechniek comprimeerde de lijnbreedte van de uitgangslaserstraal tot 1 kHz, de limiet van hun detectiesysteem, waardoor een compressiefactor van meer dan 10.000 keer werd bereikt.
Figuur 1. Single - Zijdige PSD -meetresultaten vertonen significante ruisvernauwing van het pompzaad en Stokes -componenten bij hoge frequenties.
Het onderzoeksteam maakte gebruik van het principe van gestimuleerde Raman -verstrooiing om hogere - frequentievibraties binnen het materiaal op te wekken, waardoor een lijnbreedte duizenden keren effectiever was dan traditionele methoden. In wezen vertegenwoordigt dit een nieuwe laserspectrale zuiveringstechnologie die van toepassing is op verschillende soorten input lasers, die een fundamentele doorbraak in lasertechnologie markeren.
Deze nieuwe technologie behandelt het probleem van kleine willekeurige temporele variaties in lichtgolven die een daling van de laserstraalzuiverheid en verminderde precisie veroorzaken. In een ideale laser moeten alle lichtgolven perfect worden gesynchroniseerd -, maar in werkelijkheid kunnen sommige lichtgolven enigszins leiden of achterblijven bij anderen, waardoor fluctuaties in de lichtfase veroorzaken. Deze fasefuctuaties genereren "ruis" in het laserspectrum - de frequentie van de laser vervagen en de kleurzuiverheid verminderen.
Het principe van Raman -technologie is om deze tijdelijke onregelmatigheden om te zetten in trillingen binnen een diamantkristal, die snel worden geabsorbeerd en verdwenen (binnen enkele biljoende van een seconde). Dit laat de resterende lichtgolven achter met soepelere oscillaties, wat resulteert in een hogere spectrale zuiverheid en een significant vernauwing op het laserspectrum.
Figuur 2. (a) Schematisch diagram van het lasersysteem, met belangrijke componenten. WNG: Witte ruisgenerator, OC: Uitvoerkoppeling, IC: Input Coupler, EOM: Electro - Optic Modulator, LBO: Lithium Borate, λ/2: half -} golfplaat. (b) Stokes frequentie drift met feedback (oranje) en zonder feedback (blauw). Voor de feedbackcase is piëzo -elektrische spanning opgenomen om de driftcompensatie aan te geven.
Naast zijn uitzonderlijke lijnbreedte vernauwde effect, ontdekten onderzoekers dat de Raman -techniek meerdere voordelen biedt ten opzichte van traditionele Brillouin -methoden, waaronder het bereiken van kleinere minimale lijnbreedtes. Deze ultra - smalle linewidth lasers hebben verschillende snijden - rand applicatiegebieden:
Kwantumcomputers: het manipuleren van kwantumbits (qubits), de fundamentele eenheden van kwantuminformatie, vereist een extreem precieze laserregeling. Huidige lasers introduceren faseruis, wat leidt tot fouten in kwantum computing. Verbeterde spectrale zuiverheid zal de betrouwbaarheid van kwantumcomputers verbeteren.
Atomic Clocks: Atomic Clocks vormen de basis van GPS -navigatie. Hogere spectrale zuiverheid zal hun prestaties verbeteren en in de toekomst nieuwe ontdekkingen in de fundamentele fysica stimuleren.
Gravitatiegolfdetectie: gravitatiegolfdetectoren, die extreem kleine vervormingen in ruimtetijd meten, kunnen gevoeliger worden door laserstralen met smallere lijnbreedtes te gebruiken, waardoor de detectie van zwakkere signalen uit verre kosmische gebeurtenissen mogelijk wordt.
