Smala - Linewidth -lasrar är avgörande i ett brett spektrum av applikationer, inklusive precision av avkänning, spektroskopi och kvantvetenskap. Förutom spektralbredd är spektralform också en viktig faktor, beroende på den specifika applikationen. Till exempel kan ström på vardera sidan av laserlinjen införa fel i den optiska manipulationen av kvantbitar och påverka noggrannheten hos atomklockor. Beträffande laserfrekvensbrus överskrider de Fourier -komponenterna som genereras genom spontan emission i laserläget vanligtvis 105 Hz, och dessa komponenter bestämmer amplituden på vardera sidan av linjen. Kombinerat med Henry -förbättringsfaktorn definierar dessa faktorer kollektivt kvantgränsen, känd som Schawlow - Townes (ST) -gränsen, som fastställer den uppnåbara lägre gränsen för den effektiva linjen efter att ha eliminerat tekniska brus som kavitetsvibrationer och längddrift.
Därför är minimering av kvantbuller en kritisk aspekt av smal - LineWidth Laser Design. I praktiken uppnås den önskade linjebredden genom att justera de viktigaste faktorerna i ST -gränsen: laserkraft, med hög - q - Faktorhålrum och välja förstärkning av media med låg fältamplitud - brytningsindexkoppling (låg Henry -faktor). Lasrar såsom titan Sapphire -lasrar, fiberlasrar och halvledarlasrar för yttre kavitet är typiska exempel på lasrar som kan uppnå Hertz - nivå linjebredd som krävs för många av de mest krävande sammanhängande laserapplikationerna. Att utforma lasrar som samtidigt uppfyller linje-, effekt- och våglängdskraven för en given applikation förblir utmanande.
Forskare vid Macquarie University testade denna teknik med diamantkristaller, som erbjuder utmärkt termisk prestanda och ger en stabil testmiljö. De testade en avsiktligt skapad "brus" -ingstråle med en linjebredd som överstiger 10 MHz med användning av en diamantkristall med en diameter på bara några millimeter inom ett kavitet. Deras Raman -spridningsteknik komprimerade utgångslaserstrålens linjebredd till 1 kHz, gränsen för deras detekteringssystem, vilket uppnår en kompressionsfaktor som överstiger 10 000 gånger.
Figur 1. Enkel - Sidan PSD -mätresultat visar betydande brusminning av pumpsfröet och Stokes -komponenter vid höga frekvenser.
Forskningsteamet använde principen om stimulerad Raman -spridning för att väcka högre - frekvensvibrationer i materialet, vilket uppnådde en linjebredd som minskar effekten tusentals gånger effektivare än traditionella metoder. I huvudsak representerar detta en ny laserspektral reningsteknik som är tillämplig på olika typer av inmatningslasrar, vilket markerar ett grundläggande genombrott i laserteknik.
Denna nya teknik behandlar frågan om mindre slumpmässiga temporära variationer i ljusvågor som orsakar en nedgång i laserstrålens renhet och minskad precision. I en idealisk laser bör alla ljusvågor vara perfekt synkroniserade - men i verkligheten kan vissa ljusvågor något leda eller fördriva bakom andra, vilket orsakar fluktuationer i ljusfasen. Dessa fasfluktuationer genererar "brus" i laserspektrumet - oskärpa laserens frekvens och minskar dess färgrenhet.
Principen om Raman -teknik är att konvertera dessa temporära oegentligheter till vibrationer inom en diamantkristall, som snabbt absorberas och försvinner (inom några biljoner av en sekund). Detta lämnar de återstående ljusvågorna med jämnare svängningar, vilket resulterar i högre spektral renhet och en betydande minskande effekt på laserspektrumet.
Figur 2. (a) Schematiskt diagram över lasersystemet som visar nyckelkomponenter. WNG: White Noise Generator, OC: Output Coupler, IC: Ingångskoppling, EOM: Electro - Optic Modulator, LBO: Litium Borate, λ/2: Half - Wave Plate. (b) Stokes frekvensdrift med feedback (orange) och utan feedback (blå). För återkopplingsfallet ingår piezoelektrisk spänning för att indikera driftkompensation.
Förutom sin exceptionella linjebreddsmindrande effekt fann forskare att dess Raman -teknik erbjuder flera fördelar jämfört med traditionella Brillouin -metoder, inklusive att uppnå mindre minsta linjebredder. Dessa Ultra - smala linjebreddslasrar har flera skärning - kantapplikationsområden:
Kvantdatorer: Manipulering av kvantbitar (qubits), de grundläggande enheterna för kvantinformation, kräver extremt exakt laserkontroll. Nuvarande lasrar introducerar fasbrus, vilket leder till fel i kvantdatorer. Förbättrad spektral renhet kommer att förbättra kvantdatorernas tillförlitlighet.
Atomiska klockor: Atomiska klockor utgör grunden för GPS -navigering. Högre spektralt renhet kommer att förbättra deras prestanda och kan driva nya upptäckter i grundläggande fysik i framtiden.
Gravitationsvågdetektering: Gravitationsvågdetektorer, som mäter extremt små snedvridningar under rymdtiden, kan bli mer känsliga genom att använda laserstrålar med smalare linjebredd, vilket möjliggör upptäckt av svagare signaler från avlägsna kosmiska händelser.
