초안정 레이저 및 초안정 챔버 기술: 기초에서 최전방 응용까지

머리말

초안정 레이저는 정밀 과학 분야의 핵심 도구로, 그 주파수 안정도는 도달할 수 있다 10^-16 체급은 심지어 더 높아 원자시계, 중력파탐측, 량자계산과 정밀분광학 등 분야에 널리 응용되고있다.이 글은 미국과 결합되어 있다안정적인 레이저 시스템（SLS는) 및 호주액체 계기회사의 기술 방안은 초안정 레이저 및 초안정 챔버의 설계 원리, 기술 돌파와 실험 진전을 탐구하고 최신 연구 성과와 데이터를 인용하여 관련 분야에 참고를 제공한다.

1. 초안정레이저의 핵심원리와 관건기술

1. 초안정 레이저의 기본 구조

초안정 레이저는 일반적으로 레이저 소스, 참조 초안정 챔버 (파브리-페로강,FP는캐비티) 및 피드백 제어 시스템으로 구성됩니다.핵심은 레이저 주파수를FP는챔버의 공명 피크에서 액티브 피드백을 통해 주파수 표류를 억제한다.예를 들어, 화중과학기술대학 인력센터는파운드 드레버 홀（PDH는) 잠금 설정, 전광 모뎀을 통해 (EOM은) 테두리 대역 신호를 생성하고 반사광의 위상 정보와 결합하여 오차 신호를 생성하여 최종적으로 레이저 주파수를 챔버의 공명 주파수에 안정시킨다.

2. 초안정 챔버의 설계와 최적화

FP는캐비티의 성능은 레이저의 안정도를 직접 결정한다.SLS는회사에서 제공하는 다양한 캐비티 설계 (표1), 다양한 어플리케이션 요구 사항을 충족하기 위해 원통형, 오목형, 구형 및 입방체강을 포함합니다.

-원통형 캐비티: 선가중치용> 50 Hz원자 물리 실험;

-오목 캐비티: 낮은 열 노이즈 한계, 선가중치<50 Hz>앨런 편차도달 가능10^-15；

-구형 캐비티: 컴팩트한 디자인으로 가속 감도가 낮으며 장면을 이동하기에 적합합니다.

아래 그림과 같이1다양한 캐비티 요구사항 표시

그림 1 다양한 캐비티

그림2 초안정 챔버 진공 시스템 (진공도<10^-8< 반환온도 조절<±0.005℃）

또한 재료 선택 (예: 초저팽창 유리ULE는) 및 온도 제어 기술은 열 소음의 영향을 더 낮춥니다.

표1：SLS는파브리-펄로 캐비티 유형 및 성능

2. Stable Laser Systems의 기술

1. 고집적화 안정 주파수 시스템

SLS는의1Hz안정 주파수 레이저 시스템 (SLS-INT-1550-200-1는) 는 높은 정밀도를FP는캐비티, 온도 조절 진공실 및 전자 제어 시스템 통합19인치 섀시, 선가중치< 1 Hz, 일류 이동<20 kHz, 전력 소비량만25기와특징은 다음과 같습니다.

원터치 잠금 기능: 터치스크린 인터페이스를 통해 챔버 온도와 진공도를 실시간으로 모니터링합니다.

모듈식 설계: 지원1530-1565의 nm최대 출력의 파장 맞춤형 구성100 mW의。

2. 저온과 진동 억제 기술

SLS는의 오목 캐비티는 낮은 온도에서 (14–40°C) 열 소음 한계, 결합ULE는시스템이 중력파 탐지와 같은 진동에 민감한 장면에서 표현되도록 하는 재료 및 액티브 방진 플랫폼우수。

3. 학술 연구 진전과 실험 데이터

1. 국내 연구: 화중과학기술대학의 초안정강 시스템

발전적10cm의전체ULE는캐비티,30cm의복합강, 저온6cm의사파이어강,성재8 cm의복합강 등 초안정강（채택안정적인 레이저 시스템의 캐비티）, 아날로그 잠금 또는 전체 디지털 잠금으로 이미 여러 세트의 초안정 레이저 시스템을 실현했다, 예를 들면 그림3와 같습니다.초안정 레이저 시스템에 대해 오차 평가를 진행하고 여러 가지 소음 최적화 실험을 설계하고 완성한다.현재 잠금10cm의전체ULE는챔버의 레이저 주파수 안정도는 공명 챔버의 열 소음 한계에 도달할 수 있으며, 현재 국제적으로 같은 유형의 초안정 챔버이다좋아수평 잠그기;잠금30cm의실온 복합강 레이저 주파수 안정도가 가장 좋다1.3×10^-16를 입력하고10^-17체급;저온 환경에서 광학 초안정 챔버 시스템의 열 소음 한계를 더욱 낮추고, 자주적으로 설계하고 조립한다6cm의저온 전체 사파이어 챔버, 현재 이미 실현된 레이저 주파수 안정도가 가장 좋다1.9×10^-16또한 시스템의 진동, 온도 등 각종 소음이 주파수 안정도에 미치는 영향을 더욱 낮추는 데 주력한다;잠금8 cm의초안정 챔버의 성재 안정 주파수 시스템은6 mHz의위치 주파수 노이즈는3.6 Hz/Hz의^1/2, 이미 천금 계획 만족10 Hz/Hz의^1/2요구 사항.네 세트의 안정 주파수 시스템 주파수 안정도 데이터 집합은 그림과 같다4와 같이

그림 3 화중과학기술대학 초안정 레이저 시스템.(a) 10cm 전체 ULE 초온강 시스템, (b) 30cm 복합 초온강 시스템, (c) 6cm 저온 사파이어 초온강 시스템, (d) 8cm 성재 복합 초온강 시스템

그림4 화중과학기술대학 각 초안정 레이저 시스템 주파수 안정도 수준

2. 국제 최전방: 이온 광종과 스트론튬 광종

SLS는이온 광 시계를 위한 맞춤형 구성817 nm안정 주파수 시스템, 통합 배율 모듈, 일류 이동<15 kHz또한, 계량 과학 및 기술2021년간의 연구에 따르면 초안정레이저는 스트론튬광종에서 아흐즈급 선폭을 실현하여 광종의 안정도돌파를 추동했다10^-18. 출처는 다음 그림을 참조하십시오.

그림5 광종 안정도 돌파 10^-18참고 기사

4.호주액체 계기협동 혁신

그림6 액체레이저 자물쇠 주파수 조작 인터페이스 및 설비 특징

액체 계기초안정 레이저를 직접 생산하지는 않지만 고정밀 측정 장비 (예:모쿠시리즈 자물쇠 증폭기) 및SLS는시스템이 상호 보완을 이루다.예:

Moku: 실험실: 통합PID는최적화된 컨트롤러 및 스펙트럼 분석기PDH는루프 잠그기;

Moku: 프로: 복잡한 노이즈 억제 시나리오를 위한 다중 채널 피드백을 지원합니다.

그림과 같이3보시다시피, 고객은 비록 초안정 챔버 시스템을 사용하지만, 전기학 제어 및 피드백 시스템은 모두 매우 복잡하며, 사용하는 전기학 설비가 매우 많으며, 가까운 것으로 추정된다10장치 한 대.하지만 이렇게 복잡한 시스템은 하나의 장치로모쿠：프로또는모쿠：델타이렇게 복잡한 신호 처리 및 모니터링이 가능합니다.그림과 같이7와 같습니다.

그림7 사용모쿠레이저 잠금 주파수 구현

실험 사례에 따르면 결합모쿠장치 및SLS는초안정강, 실험실에서 잠금 시간 단축30%, 주파수 노이즈 감소0.8 Hz대부분의 실험실의 수요를 충족시킬 수 있다.

5. 도전과 미래 방향

1. 저온 소음 억제: 예를 들어 화중과학기술대학은 저온 사파이어 챔버를 개발하고 있으며 목표 안정도가 달성되었다1.9×10^-16；

2. 소형화 및 상업화:SLS는의3Hz의휴대용 시스템 (16kg) 및액체 계기의 컴팩트한 설비는 야외 응용을 추진한다.

3. 다중 파장 통합:SLS는의 다공성 캐비티는 이온 함정 및 양자 시뮬레이션을 위한 다중 레이저 공형 잠금을 지원합니다.

결어

초안정 레이저와 초안정 챔버 기술은 더 높은 안정도, 더 낮은 전력 소비량, 더 광범위한 응용 장면으로 발전하고 있다.미국SLS는의 체계화 솔루션은 학계의 심도 있는 연구와 함께 양자 정밀 측정, 공간 과학 등 분야의 진보를 추진하고 있다.액체 계기의 전자 제어 기술은 이 프로세스에 중요한 지원을 제공합니다.앞으로 재료과학과 피드백계산법의 돌파에 따라 초안정레이저는 기초물리연구와 공업응용의 핵심기둥으로 될수 있다.

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