Les lasers LineWidth étroits - sont cruciaux dans un large éventail d'applications, y compris la détection de précision, la spectroscopie et la science quantique. En plus de la largeur spectrale, la forme spectrale est également un facteur important, en fonction de l'application spécifique. Par exemple, la puissance de chaque côté de la ligne laser peut introduire des erreurs dans la manipulation optique des bits quantiques et affecter la précision des horloges atomiques. En ce qui concerne le bruit de fréquence laser, les composants de Fourier générés par émission spontanée en mode laser dépassent généralement 105 Hz, et ces composants déterminent l'amplitude de chaque côté de la largeur de ligne. Combinés avec le facteur d'amélioration de Henry, ces facteurs définissent collectivement la limite quantique, connue sous le nom de limite de Schawlow - (ST), qui établit la limite inférieure réalisable de la largeur de ligne efficace après avoir éliminé le bruit technique tel que les vibrations de la cavité et la dérive de longueur.
Par conséquent, la minimisation du bruit quantique est un aspect critique de la conception laser étroite -}. En pratique, la largeur de ligne souhaitée est obtenue en ajustant les facteurs clés de la limite ST: puissance laser, en utilisant des cavités élevées de facteur - Q - et en sélectionnant un support de gain avec un faible amplitude de champ - Couplage d'indice de réfraction (faible facteur Henry). Les lasers tels que les lasers en saphir de titane, les lasers de fibres et les lasers semi-conducteurs à cavité externe sont des exemples typiques de lasers capables d'atteindre le Hertz - Lignewidth requis pour bon nombre des applications laser cohérentes les plus exigeantes. Cependant, la conception de lasers qui répondent simultanément à la largeur de ligne, à la puissance et à la longueur d'onde d'une application donnée reste difficile.
Des chercheurs de l'Université Macquarie ont testé cette technologie à l'aide de cristaux de diamant, qui offrent d'excellentes performances thermiques et fournissent un environnement de test stable. Ils ont testé un faisceau d'entrée de "bruit" créé intentionnellement avec une largeur de ligne dépassant 10 MHz en utilisant un cristal de diamant avec un diamètre de seulement quelques millimètres dans une cavité. Leur technique de diffusion Raman a comprimé la largeur de ligne du faisceau laser à 1 kHz, la limite de leur système de détection, atteignant un facteur de compression dépassant 10 000 fois.
Figure 1. Les résultats de mesure PSD simples - montrent un rétrécissement de bruit significatif de la graine de la pompe et des composants Stokes à haute fréquence.
L'équipe de recherche a utilisé le principe de la diffusion Raman stimulée pour exciter des vibrations de fréquence - plus élevées dans le matériau, réalisant un effet de rétrécissement de ligne de ligne des milliers de fois plus efficace que les méthodes traditionnelles. Essentiellement, cela représente une nouvelle technologie de purification spectrale laser applicable à divers types de lasers d'entrée, marquant une percée fondamentale dans la technologie laser.
Cette nouvelle technologie aborde la question des variations temporelles aléatoires mineures dans les ondes légères qui entraînent une baisse de la pureté du faisceau laser et une précision réduite. Dans un laser idéal, toutes les ondes légères devraient être parfaitement synchronisées - mais en réalité, certaines ondes légères peuvent légèrement conduire ou traîner derrière d'autres, provoquant des fluctuations dans la phase de la lumière. Ces fluctuations de phase génèrent du "bruit" dans le spectre laser - brouillant la fréquence du laser et réduisant sa pureté de couleur.
Le principe de la technologie Raman est de convertir ces irrégularités temporelles en vibrations dans un cristal de diamant, qui sont rapidement absorbées et dissipées (à quelques trillions de seconde). Cela laisse les ondes légères restantes avec des oscillations plus lisses, entraînant une pureté spectrale plus élevée et un effet rétrécissant significatif sur le spectre laser.
Figure 2. (A) Diagramme schématique du système laser, montrant les composants clés. WNG: Générateur de bruit blanc, OC: coupleur de sortie, IC: Coupleur d'entrée, EOM: Electro - Modulateur optique, LBO: Lithium Borate, λ / 2: Half - Plate d'onde. (b) STOKES DRIFT DE FRÉQUENCE avec rétroaction (orange) et sans rétroaction (bleu). Pour le cas de rétroaction, la tension piézoélectrique est incluse pour indiquer une compensation de dérive.
En plus de son effet de rétrécissement de la largeur de ligne exceptionnel, les chercheurs ont constaté que sa technique Raman offre de multiples avantages par rapport aux méthodes traditionnelles de Brillouin, notamment en réalisant des largeurs de ligne minimales plus petites. Ces lasers ultra - Laswidth étroits ont plusieurs zones d'application de la coupe -:
Ordinateurs quantiques: la manipulation de bits quantiques (qubits), les unités fondamentales des informations quantiques, nécessite un contrôle laser extrêmement précis. Les lasers actuels introduisent le bruit de phase, conduisant à des erreurs dans l'informatique quantique. L'amélioration de la pureté spectrale améliorera la fiabilité des ordinateurs quantiques.
Horloges atomiques: les horloges atomiques forment la base de la navigation GPS. Une pureté spectrale plus élevée améliorera leurs performances et pourra générer de nouvelles découvertes en physique fondamentale à l'avenir.
Détection d'ondes gravitationnelles: les détecteurs d'ondes gravitationnels, qui mesurent des distorsions extrêmement petites dans l'espace-temps, peuvent devenir plus sensibles en utilisant des faisceaux laser avec des largeurs de ligne plus étroites, permettant potentiellement la détection de signaux plus faibles des événements cosmiques éloignés.
