Ultrarapizi Ştiinţă

Salt la secţiunea:
Direct Comb Spectroscopie Frecvenţa | XUV Generation Comb | Stabilizarea Laser & Caracterizarea Comb | Intra in Lab Temperatura de date |

De la sfârşitul anilor 1990, a existat o convergenţă remarcabilă dintre domeniile de optica ultrarapide, metrologie frecvenţa optice, şi spectroscopie cu laser de precizie - o convergenţă că o colaborare la JILA, inclusiv laboratoare Ye, a fost privilegiat pentru a facilita. O transformare remarcabila a avut loc în aceste domenii, ca progrese fără precedent a avut loc în control al fazelor optice de la ultrascurt (femtosecunde) la scale de timp de laborator (secunde). Astazi, un singur câmp, frecvenţa continuă optică poate realiza un timp coerenţă fază de peste 1 s. Această coerenţă fază poate fi exact transferate în forma de undă electrice ale unui tren de impulsuri ultrarapizi!

Transformarea în ultrarapizi ştiinţa a început în 1999, când cercetătorii au preluat controlul asupra spectrului de frecvenţe de ultrascurt-impuls-mode-blocat lasere. Cu precizie laser de stabilizare, spectrele produsă de aceste lasere manifestat ca frecvenţă piepteni optic de linii discrete, în mod regulat spaţiat ascuţite, cu fiecare linie de o culoare diferită (frecvenţă). Până la sfârşitul acestui an banner, colaborarea JILA (inclusiv grupul nostru), a generat un pieptene octavă-spanning frecvenţă optice. Aceasta realizare a condus rapid la măsurarea de precizie de mai multe standarde de frecvenţă optice, inclusiv un sistem de operare iod-stabilizat cu laser HeNe la 633 nm. Câteva luni mai târziu, colaborarea a creat o legătură directă între cuptorul cu microunde şi regiunile optică a spectrului electromagnetic printr-un pieptene de larg de frecvenţe care acoperă mai mult de 300 THz (o octava optic).

Faza-stabilizat-octave-spanning optice frecvenţă milioane pieptene stabilit de mărci precise cu privire la o frecvenţă optic "domn". Aceste mărci au fost stabile şi corecte la nivel de Hz. Cercetatorii au realizat rapid, ele ar putea fi folosit ca o riglă pentru a măsura lumina emisă de lasere, atomi, molecule, stele, sau alte obiecte cu o precizie extrem de mare. Nu este surprinzator, optice frecvenţa piepteni acum au devenit instrumente de măsurare de precizie pentru frecvenţe de lumină de la infraroşu, prin ceea ce, sau de vid, ultraviolete (VUV) lungimi de undă. Aceste coerent de lumină pe bază de capabilităţile de măsurare de precizie poate fi în cele din urmă extinsă la extreme ultraviolete (XUV) regiune, în cazul în care noi posibilităţi şi provocări aşteaptă pentru teste exactă a principiilor fundamentale fizice.

Octave-spanning frecvenţă optice piepteni activat avansuri revoluţionare, inclusiv conexiuni de fază exactă între diferitele părţi ale spectrului electromagnetic. De exemplu, aceasta a permis cercetătorilor să măsoare două frecvenţe radio, care a descris un pieptene de întreg şi, prin urmare determina cu precizie frecvenţele individuale de milioane de linii optice pieptene. Această capacitate extraordinară a schimbat profund metrologie frecvenţă optice (rezultând într-o transformare în măsurători absolute frecvenţă optic), ceasurile atomice optice, şi sinteză de frecvenţă optice. Aplicarea optic frecvenţă piepteni pentru investigaţii de atomi şi molecule ultracold a condus la spectroscopie optica, metrologie frecvenţă, şi controlul cuantic la cel mai înalt nivel de precizie şi rezoluţie.

Precizie a domnitorului pieptene este direct legată de tipul de laser folosit pentru a face pieptene. Cercetatorii folosi modul de-blocat laserele care emit impulsuri de durată milionimi de miliardime de secunda (femtosecunde) pentru a face piepteni care acoperă câteva sute de mii la milioane de frecvenţe. Miliarde de impulsuri în tren de impulsuri de toate aceste lasere rămân fază coerentă cu fiecare altele, prin furnizarea de profile extrem de ascuţite componente individuale fagure de frecvenţă, de exemplu, de înaltă rezoluţie spectrală. Mod de blocare se referă la modul în care lumina laser este format în impulsuri. Ca şi în cazul tuturor lasere, lumina este reflectată în mod repetat într-o cavitate oglindă. Într-un mod de-blocat cu laser, cu toate acestea, vârfurile de diferite frecvenţe coincid la intervale regulate, care sunt egal distanţate în timp. Vârfuri multiple adăuga până la forma foarte scurt, exploziile foarte strălucitoare de lumină.

Sincronizare între impulsuri determină distanţa dintre dinţi de pieptene, sau rată de repetiţie ƒ puls _r. Cele mai repede repetiţie pulsul, cu atât mai mare spaţierea dintre dinţi pieptene, ceea ce îl face mai uşor pentru a identifica fiecare frecvenţă individuale (dinte). Lăţimea de fiecare dinte, sau linie de frecvenţă, este determinată de stabilitatea a laserului. Laserele cele mai stabilizat produce dintii foarte fine necesare pentru a măsura cu precizie frecvenţe specifice sau modificări ale frecvenţei.

Atât distanţa dintre dinţi pieptene şi poziţia de pornire a fagure, sau transportatorul-plic faza de compensare (ƒ ₀) poate fi controlat cu precizie, astfel cum a verificat imediat după descoperirea a fagure de colaborarea JILA şi grupul de la Institutul Max Planck pentru Optică Cuantică, condusă de Ted Hänsch. Aceasta descoperire a deschis uşa la progrese revoluţionare în cercetarea fundamentală şi aplicată cu privire la caracteristicile timp de domeniul de frecvenţă optice faguri. De exemplu, un control precis al ratei de repetiţie a impulsurilor şi faza de transportatorul-plic diferenţa a ajuns acum regimul subfemtosecond. Această coerenţă fază poate fi acum de rutină menţinute pentru perioade lungi de timp, ceea ce face posibil de a sintetiza câmpuri electrice la frecvenţe mai cunoscute optice cu amplitudini şi faze. Aceste evoluţii au condus recent la demonstraţii de ultrabroad, faza-coerent generaţie spectrale, timp-frecventa spectroscopie unit (inclusiv spectroscopia atomică şi spectroscopie moleculara), de control coerentă în spectroscopie neliniare, plus puls coerent, fără nici un câştig optice, generaţie coerent de frecvenţă în piepteni VUV regiuni spectrale, şi lăţimea de bandă largă detectii ultrasensitive moleculare.

Pentru a realiza aceste progrese, grupul nostru a petrecut mulţi ani studiind generaţie pieptene şi în curs de dezvoltare de control de precizie de spectroscopie neliniare bazate pe frecvenţa faguri. Ne-am dezvoltat capacitatea de a sincroniza trenurilor de impulsuri de la două lasere femtosecond independente şi în faza de blocare frecvenţele lor de transport, de instituire coerenţa de fază între cele două lasere, cum sunt raportate în ştiinţă în 2001. Am folosit, de asemenea, aceleaşi două lasere genera impulsuri de la mijlocul şi de departe infraroşu şi experimentat cu controlul precis atât calendarul impuls şi faza de transportatorul-plic. Împreună cu cercetarea în cavităţi optice pasive, aceasta cercetare a condus la îmbunătăţiri în spectroscopie liniare şi neliniare şi de control coerent. În 2005, activitatea noastră pe frecvenţa piepteni a condus la o creaţie din lume, primele două VUV frecvenţa piepteni, celălalt a fost generat la Max-Planck-Institutul de Optică Cuantică din Garching, Germania. Astazi, grupul nostru continuă să lucreze la îmbunătăţirea gamei şi capacităţile de frecvenţă faguri, ca parte a cercetarii sale în curs de desfăşurare privind stabilizarea cu laser şi caracterizarea pieptene.

In mai putin de un deceniu, frecvenţa optic piepteni au revoluţionat domeniul metrologiei frecvenţă optică şi sinteză. Ele sunt baza de ceasurile atomice optice în curs de dezvoltare în laboratoarele Ye şi în întreaga lume. Astăzi, frecvenţa piepteni oferi un mijloc precis de manipulare cu laser puls şi de control, care să permită sinteza puls coerent şi de distribuţie. Ca rezultat, cercetatorii au inceput sa exploreze complet arbitrare optic-sinteza formă de undă, o capacitate care atât completează şi rivalii tehnologii similare dezvoltate în domeniul de frecvenţă radio. Piepteni de frecvenţă sunt, de asemenea, îi ajută pe cercetători împinge frontierele fazosensorice optica neliniara. Prin urmărirea unei abordări unită în timp-frecvenţă şi-domeniul de control (a se vedea directă spectroscopie pieptene de frecvenţă), grupul nostru este desfăşoară acum controlul simultan coerentă a dinamicii cuantice în domeniul timp şi structura atomică şi moleculară în domeniul de frecvenţă.

Frecvenţa directe pieptene Spectroscopie

Optice de frecvenţă piepteni s-au dovedit a fi un instrument excelent şi low-cost pentru studii precise de structuri atomice şi moleculare. În spectroscopie directe pieptene de frecvenţă, de exemplu, cercetatorii folosesc lumina de la un pieptene pentru a măsura nivelul de electroni de energie în atomi, depistarea şi controlul nivelului de energie atomică tranziţii în timp real, investiga coerentei cuantice, a studia dinamica atomice şi moleculare, atomi şi să identifice chiar necunoscut şi molecule prin detectarea şi identificarea tranziţiile caracteristica de energie la nivel. Grupul nostru a folosit pieptene bazată pe spectroscopia atomică de atomi de rubidiu ultracold să determine cu precizie frecvenţele atomice de tranziţie şi de tranziţie de control, precum şi căi de a dezvolta spectroscopie moleculara pentru detectarea ultrasensitive de molecule urme.

Spectroscopia atomică de ultracold rubidiu

Până în 2004, cu laser ultrascurte impulsuri au fost utilizate în două moduri distincte, domeniul de frecvenţă sau domeniul de timp. În domeniul timp, cercetatorii le-a folosit pentru a investiga şi de a manipula atomi de pe scara de timp subpicosecond. În domeniul de frecvenţă, cercetatorii au folosit frecvenţa optice piepteni de produse de modul de-stabilizate blocat lasere ca o referinţă de frecvenţa absolută în lungimi de undă variind de la cuptorul cu microunde, prin vizibile. O realizare singulare ale laboratoarelor Ye a fost de a combina aceste două aplicaţii în studii spectroscopice de unu-doi fotoni şi tranziţii în laser răcite cu ⁸⁷ atomi de Rb. Pentru a realiza acest lucru, grupul a folosit o fază stabilizat cu tren de impulsuri femtosecond de la un mod de-blocat cu laser care produc o putere spectrală rezolvarea comparabilă cu cea dintre cele mai bune continuu val lasere. Procedând astfel, ei punte domeniile de înaltă rezoluţie şi spectroscopie ultrarapida dinamica, creând un "unit timp-frecventa spectroscopie" pentru studierea structurii şi dinamicii de atomi (si acum molecule).

Noua metodă utilizată tren de impulsuri cu laser pentru a masura cu precizie nivelul de electroni de energie de ⁸⁷ atomi de Rb şi depistarea şi controlul tranziţii diferite între naturale, sau de sol de stat, nivelul de energie cu două sau trei alte niveluri mai mari la energie la fel de repede cum au apărut. Diferite componente pieptene de frecvenţă au fost codificate şi folosite pentru a controla atât constructive şi distructive efecte cuantice interferenţe în tranziţie. Impulsuri ultrascurte, de asemenea, a făcut posibilă stabilirea cu exactitate a fracţiunea de atomi de la fiecare stat de energie şi urmări modul în care aceste populaţii a schimbat cu timpul. Pentru a urmări modificările, am măsurat lumina fluorescentă produsă atunci când atomii excitate relaxat inapoi in starea lor de pământ. Oamenii de stiinta, de asemenea, seama că amplitudinile de tranziţie de impulsuri succesive ar putea adăuga până coerent-a lungul timpului, ceea ce face simplu pentru a ajusta specific de energie la nivel de tranziţii cu ajutorul laserului de putere mai mică decât se aştepta. În esenţă, energia conţinută în fiecare puls individuale ar putea fi mici, pentru a evita efectele nedorite în atomi sau molecule, ci de efectul cumulat al mai multor impulsuri de lucru împreună în mod coerent ar obţine răspunsuri specifice de la de înaltă eficienţă.

În acelaşi timp, am fost capabili de a utiliza dintii îngust pieptene in mod precis si eficient de a determina toate nivelurile naturale de electroni de energie în ⁸⁷ atomi Rb în terahertz optice, şi de radio-frecvenţă domenii spectrale. Am investigat, de asemenea, interacţiunea dintre pieptene cu gaz atomic si au invatat cum de a controla cu precizie aceste interacţiuni. Noi am fost în măsură să reducă suficient de erorile sistematice de tehnica pentru a crea un nou spectroscopiei de precizie, cunoscut sub numele de spectroscopie directe pieptene de frecvenţă.

Având în vedere că experimentele iniţiale directe de spectroscopie de frecvenţă pieptene, grupul nostru a continuat să investigheze structura şi dinamica rece ⁸⁷ atomi de Rb. Utilizarea puls-modelarea tehnici pentru a schimba faza de diferite culori de tren de impulsuri, am investigat diferite în două etape electroni cai se pot deplasa între starea de bază şi o anumită stare excitat. Prin utilizarea de reguli de selecţie, ne asigurăm că tranziţiile electronice diferite trec printr-o stare intermediară unice la starea finală aceeaşi. Grupul nostru a observat că nu numai că amplitudinile de perechi de fotoni interfera unele cu altele, dar poate apărea interferenţe, de asemenea, cu funcţii de undă singur electron. Am arătat că cea mai mare rezoluţie în determinarea cu o frecvenţă de tranziţie special, are loc atunci când sunt utilizate mai multe impulsuri. Multe impulsuri interfera unele cu altele, spălarea totul, cu excepţia unei benzi de frecvenţă îngustă în zona de tranziţie electronice ideal.

Recent, grupul nostru a inceput sa investigheze mai multe niveluri de patru foton tranziţii la rece ⁸⁷ atomi Rb. Prin legarea de un dinte pieptene (frecvenţă) în fiecare cale de electroni, am fost în măsură să controleze fazele căi diferite. Am fost chiar posibilitatea de a detecta şi a controla interferenţă între diferite căi de tranziţie, un fenomen care continua sa exploreze.

In eforturile legate, am finalizat o analiză teoretică a unui nou frecvenţă pieptene bazate pe metoda pentru producerea de stabil, profund legat molecule polare reci din molecule mari, slab legat, şi relativ instabil la rece format din atomi de frig prin rezonanţe magnetice Feshbach. Noua metodă poate fi înţeles intuitiv clasic.

Deşi molecule puternic vibratoare Feshbach oscilează înainte şi înapoi printr-un potenţial bine, vibratiile lor intense îi determină pe aceştia să rămână în mare parte în apropiere de punctul de cotitură extern a potenţialului bine. Din cauza acestui comportament, este posibil să se utilizeze pulsuri laser ultrascurte pentru a pompa molecule Feshbach în noi, incantati sonde electronice potenţial, în cazul în care nucleele lor încep să vibreze în răspuns la noul lor mediu. În cazul în care punctul de cotitură interioare ale potenţialului de noi şi bine se află în mod direct de mai sus cel mai de jos punct din potenţialul de pământ bine, apoi un alt puls laser poate benă molecula direct la partea de jos a solului bine, adică, în starea sa la sol. Este tot o chestiune de sincronizare: puls benă trebuie să apară atunci când molecula este vibreaza la punctul de cotitură din interior bine excitat.

Quantum mecanic, acest proces are loc în mai multe mici pompă / benă paşi. Cu fiecare pas o mică parte a funcţiei de undă a moleculei este transferat în starea fundamentală. Efectul cumulat al multe perechi de impulsuri cu laser, sau a unei acumulări coerent, este ceea ce conduce moleculele în starea fundamentală. Cu toate acestea, procesul poate funcţiona numai dacă pompa şi impulsurile de memorie sunt perfect sincronizate cu comportamentul moleculelor. Aceasta sincronizare este realizat de către având ambele pompa şi lasere benă fi femtosecond frecvenţă piepteni cu dinti potrivite exact (frecvenţe). Chiar si cu piepteni, acumularea coerentă necesită timp în care moleculele nu trebuie să fie perturbată de ciocniri. Prin urmare, metoda este foarte potrivit pentru Materie rece în cazul în care coerenţa ori sunt lungi.

Suntem pregăteşte în prezent o serie de experimente (în colaborare cu grupul Jin), pentru a testa teoria pompa-benă împotriva tehnici de laser, continuă val pentru producerea de stabil, la sol la starea de molecule Feshbach de KRb. Anticipam ca cercetarea noastra privind strategiile de frecvenţă de control bazate pe pieptene va duce la producerea de molecule ultracold din perechi de atomi de ultracold.

Spectroscopie moleculară: ultrasensitive, de inalta rezolutie de detectare pe o lăţime de bandă largă

În 2006, după doi ani de la inventarea directe-frecvenţă spectroscopie pieptene, grupul nostru a dezvoltat puternic variaţie nouă a cavităţii-consolidată spectroscopie directă pieptene de frecvenţă. Noua metodă permite grupului să studieze vibraţii moleculare, rotaţii, iar coliziunile precum şi schimbările de temperatură şi de reacţii chimice. De asemenea, poate detecta urme de substanţe chimice necunoscute, cu sensibilitate deosebita, deoarece poate identifica modele caracteristice de absorbţie de lumină laser, amprentele digitale sau moleculară. Lăţimea de bandă largă spectrală a fagure face posibilă detectarea milioane de canale de lumină paralele simultan in timp real.

În această metodă, un laser ultrarapida creează un pieptene de frecvenţă optic acoperă lungimi de undă vizibile si infrarosu apropiat şi Cupluri-l într-o cavitate optică care conţin atomi şi molecule necunoscute. De cuplare asigură că lumina în cavitatea menţine fagure aceeaşi frecvenţă precisă şi îmbunătăţeşte dramatic lungimea interacţiunea dintre lumină şi mediu intracavity. Produse chimice din interiorul cavitatii absorbi fotonii a spectrului de frecvenţe special. Aceste modele de absorbţie sunt unice pentru fiecare atom sau moleculă. Astfel, atunci când iese lumina cavitatea, pot fi analizate pentru a vedea nu numai ce frecvenţele de lumina lipsesc fotoni, dar, de asemenea, câţi fotoni de o anumită frecvenţă au dispărut. Având în vedere că modelul de fotoni care lipsesc este unic pentru fiecare produs chimic, atomii şi moleculele necunoscut poate fi usor identificat prin compararea cu amprentele digitale cunoscute moleculare ale componentelor individuale.

De la demonstraţie iniţială a acestei tehnici, grupul nostru a dezvoltat un laser de fibre pentru detectarea molecula care are comenzi de sensibilitate magnitudine mai bine, deoarece lumina ei este un meci mai bun cu regiuni caracteristice de absorbţie moleculară spectrale. Intr-un experiment recent de detectare a urmelor de gaze, grupul a folosit un pieptene infrarosu apropiat se întinde lungimi de undă 1.5 - 1.7 uM la rapid şi de a identifica cu precizie 10 molecule diferite într-un gaz. Grupul a folosit, de asemenea, metoda sa de rafinat să se diferenţieze între izotopii de molecule de CO şi C2H2. Metoda de rafinat ar putea identifica potential urmelor de sute sau chiar mii de substanţe chimice diferite.

Grupul se aşteaptă ca cererile de cavităţii-consolidată spectroscopie directe pieptene frecvenţă să apară în curând. Aplicaţii includ (1) analiză respiraţie medical folosit pentru diagnosticarea bolii prin detectarea substanţelor chimice indicator de semnalizare infecţii, diabet zaharat, boli de rinichi, fibroza chistica, sau alte boli, precum şi (2) screening-ul de securitate pentru eventuale pericole, cum ar fi explozive, gaze toxice, sau patogeni periculoşi. Aceste aplicaţii vor beneficia de capacitatea de cavitate-consolidată directă cu frecvenţa spectroscopie pieptene de a detecta urme de substanţe chimice (mai puţin de o molecula din 1 miliarde de euro).

Mai devreme am dezvoltat o şi mai sensibilă "optice nas", tehnica care foloseste un laser infraroşu şi o cavitate optică cu oglinzi foarte reflectorizante pentru a identifica urme de substanţe chimice. Nasul optică poate identifica o singură moleculă, printre altele 1000000000000. Cu toate acestea, aceasta tehnica functioneaza mai putin bine decat spectroscopie pieptene directe-frecvenţă pentru identificarea componente ale amestecurilor necunoscute, deoarece se poate analiza doar o frecventa de lumina la un moment dat.

Cu detectarea ultrasensitive urme de substanţe chimice care provin de-a lungul frumos, grupul nostru a împlinit recent atenţia către spectroscopie moleculara fază avansată. Spectroscopie moleculară fază utilizează principiile urme de detectare a dezvoltat pentru cavitatea-consolidată de spectroscopie directă cu frecvenţa pieptene pentru a aduna informaţii în bandă largă cu privire la stărilor cuantice de un fascicul de molecule rece. Acesta permite de înaltă rezoluţie măsurători de temperaturi de rotaţie şi transversal moleculară şi de stat-dependente de concentraţiile ca funcţii de poziţie. Simplu spus, este o aplicare precisă şi puternică a unui fagure de frecvenţă infraroşu (1.5-1.7 uM şi dincolo de ea) la studiul de molecule rece. Ne aşteptăm ca aceasta să devină un instrument minunat pentru caracterizarea molecule rece, detectarea prezenţei lor, şi studierea dinamicii de reactii chimice ultracold.

XUV pieptene Generation

În 2002, grupul nostru a decis să aplice o idee veche pentru amplificarea şi stabilizarea continuă val (CW), lasere pentru a-ultrarapizi modul blocat lasere. În mai puţin de trei ani, aceste eforturi dat unul din primele două frecvenţe piepteni în ultraviolet vid (VUV). Perspectiva Grupul nostru a fost de a modifica construi-up cavitati folosite pentru a amplifica CW iesiri cu laser pentru a lucra cu lasere ultra. Într-un an, am avut reuşit în energii puls coerent consolidarea în interiorul-o cavitate optică de o mie de ori, menţinând în acelaşi timp calitatea înaltă a impulsuri laser originale. Această realizare a deschis uşa pentru a generatoare de lumină coerentă, de înaltă frecvenţă de repetiţie în lungimi de undă-VUV. Caracteristici superioare de putere oferite de cavitatea accesoriu femtosecond are, de asemenea, ne-a permis să studieze optica extreme neliniară fără amplificatori femtosecond costisitoare.

Ingredientul secret pentru a crea noi de mare fineţe cavitate a fost personalizat-proiectat oglinzi. Oglinzile de înaltă în bandă largă au fost foarte reflectorizante şi expuse low-controlate de dispersie. Ei au făcut posibilă pentru a produce intensităţi highenough de vârf în interiorul cavităţii pentru a ioniza gaze nobile, cum ar fi xenon, Krypton, si argon. În cele din urmă, oglinzile au fost capabili de a păstra lumina impulsuri care circulă prin aceste gaze pentru sute de călătorii dus-întors, generatoare de lungimi de undă mai scurte şi mai scurte de lumină coerentă.

Grupul nostru utilizat apoi această înaltă precizie, fineţe cavitatea optic cu un mod de-ultrarapida blocat cu laser (emit în infraroşu apropiat) pentru a genera un pieptene de frecvenţă VUV. Impulsuri cu laser infraroşu au fost consolidate de aproape o mie de ori in interiorul cavitatii, care a permis generarea de înaltă armonici în VUV la 100 MHz ratele de repetiţie. Pieptene VUV este o versiune scurtă lungime de undă ale frecvenţei optice piepteni, care au revoluţionat domeniul metrologiei frecvenţă optice, de măsurare de precizie, optice şi de sinteză puls şi control, inclusiv demonstraţii de ceasuri atomice optice. Crearea de fagure VUV a deschis uşa pentru efectuarea unor coerente de lumină pe bază de experimente în VUV. Aceasta capacitate va permite cercetatorilor sa investigheze structura fina de atomi şi molecule şi să facă măsurători ultraprecise de diferenţe în nivelele de energie ale emisiilor de lumină, calendarul de reacţii chimice, sau dimensiuni de nanometri mijlocii obiecte.

Din moment ce a creat prima sa pieptene VUV, grupul nostru a fost de instrumentare modalitati de a creste puterea sistemului fără a deteriora oglinzi cavitatea accesoriu. În primul rând, ne-am gândit cum să se menţină în interiorul cavitatii plasma pentru câteva ore înainte de oglinzi arde - o creştere substanţială, în timp de la câteva zeci de secunde a durat oglinzi la început. În al doilea rând, grupul a înlocuit-o fibră mod blocat cu laser pentru o Ti: safir Mod-blocat cu laser în generatorul de fagure. Am deja folosit cu succes cu laser de fibre pentru a scala nivelului de putere a cavităţii accesoriu de zece ori. În al treilea rând, grupul a stabilit că argonul este mai bun decât alte gaze nobile pentru generarea de armonici mare în cavitatea accesoriu. În cele din urmă, lucrăm la metode mai bune pentru obţinerea VUV, şi în cele din urmă XUV, piepteni din cavitatea odată ce acestea sunt create.

Grupul a înregistrat deja progrese importante în scalarea intensitatea maximă a generatorului de fagure VUV şi îmbunătăţiri semnificative în fiabilitatea şi reproductibilitatea sistemului, deschizând uşa pentru a metrologiei de precizie în regiune VUV. După ce generatorul pieptene VUV este optimizat, grupul planurile noastre pentru a efectua spectroscopiei de precizie pe rece atomi neutri heliu, o sarcină extrem de dificilă, care necesită lumină VUV.

Laser de stabilizare şi Caracterizarea pieptene

Rolul JILA în descoperirea şi punerea în aplicare a frecvenţei optice piepteni a crescut dintr-o lungă istorie de conducere privind continuu undă (CW) cu laser de stabilizare de cercetare de către laureat al Premiului Nobel Jan Hall, care are acum pensionat. Aplicarea lui Hall CW cu laser tehnici de stabilizare la modul ultrarapizi-blocat lasere pavat drumul pentru a face optice frecvenţa piepteni ultrastable şi călătorie de descoperire grupului nostru păşit pe opt ani în urmă. De atunci, ne-am explorat şi a extins tehnologia optică pieptene de frecvenţă în moduri în care am visat numai de atunci. Astazi am utilizare a frecvenţelor piepteni pentru a investiga structura şi de a controla dinamica de atomi de frig şi de molecule, a construi din ce în ce mai precise şi mai precise ceasuri atomice optice, de a identifica produsele chimice necunoscute, şi de a face masuratori precise extraordinar de frecvenţa şi durata.

Pentru a dezvolta cele mai bune instrumente posibile pentru aceste investigatii, grupul nostru susţine un program de cercetare în stabilizarea robust cu laser şi caracterizarea pieptene. Scopul de muncă actuale de stabilizare cu laser este de a face faza de optică (ciclu de piscuri şi jgheaburi) coerenţă dura mai mult de 10 s. Pentru a realiza acest lucru, noi, de obicei, servodirecţie blocare de ieşire cu laser la o cavitate pasiv izolat optic şi de a folosi tehnici multiple pentru a reduce zgomotul cavitate din cauza modificărilor mecanice, vibratii sau fluctuatii de temperatura.

De exemplu, grupul nostru a dezvoltat recent un nou, compact, de mare fineţe-cavitatea optic care reduce în mod semnificativ sensibilitatea vibraţii. Un sistem de cavitate-cu laser compus din cavitatea noi şi un laser dioda este extrem de stabil. Mai multe inovaţii sunt responsabile pentru această stabilitate, inclusiv (1) o configuraţie verticală de montaj, (2) cu o lungime cavitate relativ scurt, (3) o formă, cu un centru de mare şi se termină înguste, şi (4) un ataşament midplane la baza sa. Cu laser cavitatea-stabilizat are o linewidth subhertz (de la câteva secunde) şi o instabilitate fracţionată de ~ 1 x 10 ^-15 la scale de timp de 0.5-300 s. Grupul nostru utilizate recent cu laser pentru a rezolva o tranziţie optic de stronţiu în atomice de ~ 2 Hz, factorul de cea mai inalta calitate vreodată observate.

Grupul nostru anticipează că va folosi sistemul de laser noi pentru precizie şi măsurători cuantice. În viitor, avem de gând să împingă lasere noi la niveluri chiar mai mare stabilitate. Pentru a realiza acest lucru, vom investiga moduri de a limita şi mai mult zgomot termic din cavitatile optice, inclusiv de răcire cavităţile, variind lungimea cavitatii, investigarea şi îmbunătăţirea cavitatea spacer-şi materiale de acoperire.

In cercetarea legata, grupul nostru va continua eforturile de a început în anul 2000 pentru a caracteriza octavă-spanning frecvenţă optice faguri. Contăm multe succese, deoarece acest efort a început. De exemplu, am învăţat să măsoare în mod direct şi de control precis doi parametri care caracterizează un pieptene de frecvenţă optică în domeniul de frecvenţă: frecvenţa de repetiţie pulsului (ƒ _r), precum şi frecvenţa purtătoare-pachet de compensare (ƒ ₀), care rezultă din puls -pentru a-puls variaţie în faza de transportatorul-plic. Am demonstrat de transfer stabil de standardele de frecvenţă optice peste diferenţele de frecvenţă foarte mare în alte regiuni spectrale optice şi arată cum această stabilitate optice pot fi transferate în jos până la regiune cu microunde. Transferuri de precise frecvenţă optice piepteni peste mulţi kilometri de reţea de fibră optică au demonstrat, de asemenea, potenţialul de a oferi mai multe trimiteri stabile de frecvenţă la o dată. Am creat, de asemenea, o reţea stabilă de microunde şi a frecvenţelor optice care depăşesc tehnologii cunoscut anterior şi cost cu o schimbare mult mai puţin să pună în aplicare. Grupul nostru acum foloseşte în mod uzual o grilă de frecvenţă optic cu sute de sute de mii de linii de fagure se repetă la fiecare MHz 100 la 1 GHz pe o lăţime de bandă de o octavă optic, cu fiecare linie stabilă sub nivelul Hz 1.

În acelaşi timp, grupul nostru a lucrat pentru a spori experimente şi de măsurare de precizie în domeniul timp. Am stabilizat faza de transportatorul-plic de mode-blocat trenurile puls laser la un nivel de zeci de miliradiani. Ne-am sincronizat două trenuri femtosecond impuls şi Phase-Locked frecvenţele lor de transport, de instituire coerenţă de fază între două lasere. Folosind aceleaşi două lasere, am fost capabili de a genera impulsuri trenuri, la mijlocul şi de departe infraroşu în procesul de extindere frecvenţa piepteni în această regiune şi deschide uşa pentru a controla coerentă a sistemelor moleculare.

Astăzi, vom aplica frecvenţa optice piepteni de precizie spectroscopie, metrologie frecvenţa absolută, ceasuri atomice optice, sinteza şi frecvenţa optice. Folosim, de asemenea, puls-calendarul de sincronizare şi de distribuţie ¹, manipulare puls coerent, şi directe pieptene spectroscopie de frecvenţă. Toate acest lucru este posibil deoarece putem controla acum fagure femtosecond cât mai precis ca orice continuă cu laser-val. Cu toate acestea, grupul nostru încearcă să facă chiar mai bine.

Suntem testează în prezent proprietăţilor fundamentală a unui pieptene octave intinde-frecvenţă pentru a vedea cum fidel fagure transferă proprietăţile sale coerenţa. Vrem să stabilească limitele tehnice ale pieptene şi explicaţiile teoretice fundamentale pentru aceste limite. Ne propunem pentru a bloca pieptene pentru o parte a spectrului de frecvenţe şi a măsura cu precizie linewidth de linii pieptene o octavă în afară. Ne propunem pentru a compara linia de frecvenţă mai mare cu valoarea calculată de la o măsurare a liniei de frecvenţă mai redusă. Deoarece optice frecvenţă piepteni au intrat în domeniul de măsurare de precizie la cel mai înalt nivel, grupul nostru doreşte pentru a determina caracteristicile fagure la nivelul cel mai precis faptul că este posibil experimental.