Optinio dažnio šukos (OFC) – tai tikslūs lazeriniai šviesos šaltiniai, kurių spektrai susideda iš vienodai{0}}išskirstytų dažnių linijų, primenančių šukos dantis. Kaip labai tikslios optinių dažnių matavimo liniuotės, OFC padarė revoliuciją tikslumo matavimo ir metrologijos srityje nuo jų sukūrimo 1990-ųjų pabaigoje. Viena iš svarbiausių OFC galimybių yra spektrinio grynumo perdavimas. Tai reiškia OFC gebėjimą perduoti vieno šviesos šaltinio spektrinio grynumo-dažnio stabilumą ir siaurą linijos plotį- į kitą, veikiantį skirtingu bangos ilgiu.
Itin mažas{0}}triukšmas (patentuotas Menlo Systems1), spektrinio grynumo perdavimas išsaugo itin stabilių optinių atskaitos sistemų charakteristikas visame šukų spektre, įskaitant dažnio -konvertuotus išėjimus, apimančius matomą iki vidurio{1}}infraraudonųjų spindulių spektro sritis.
Įvadas į optinio dažnio šukas
OFC yra lazerio šaltinis, kurio optinis spektras susideda iš atskirų, vienodai{0}}išskirstytų dažnio linijų. Dažnio srityje ši taisyklinga struktūra primena šukos dantis. OFC dažniausiai generuojami naudojant itin trumpus, modemo užraktus lazerius (žr. . 1 pav., viršuje). Modeliavimas yra metodas, kai lazerio ertmės išilginiai režimai yra priversti svyruoti su fiksuotu fazių ryšiu. Vadinasi, lazeris skleidžia ultratrumpų optinių impulsų seriją. Cirkuliuojantis impulsas sklinda pirmyn ir atgal lazerio rezonatoriaus viduje pasikartojimo dažniufrep, kuris nustatomas pagal ertmės kelionės atgal-laiką. Kiekvienos kelionės pirmyn ir atgal metu nedidelis impulsų energijos kiekis išgaunamas per iš dalies praleidžiantį veidrodį, kad susidarytų lazerio išvestis. Laiko srityje ši išvestis rodoma kaip įprasta impulsų seka, o dažnio srityje ji atitinka vienodo atstumo spektro linijų šuką (žr. . 1 pav., apačioje).
Dėl dispersijos lazerio ertmėje impulso gaubto grupės greitis dažniausiai skiriasi nuo optinio nešiklio fazės greičio. Dėl šio neatitikimo atsiranda laipsniškas fazės poslinkisΔφnešančiosios bangos impulso apvalkalo atžvilgiu iš vienos kelionės pirmyn ir atgal į kitą. Šis reiškinys vadinamas nešiklio-apvalkalo fazės poslinkiu (žr. . 1 pav., apačioje kairėje).
Idealiu atveju, jei nėra triukšmo ir išorinių trikdžių, Furjė ryšys tarp laiko ir dažnio sričių reiškia, kad griežtai periodinė impulsų seka atitinka atskirą vienodai išdėstytų dažnių režimų rinkinį (žr. . 1 pav., apatiniame dešiniajame kampe).
Dažnio srityje atskiros šukų linijosνn suteikia:
vn = nfrep + fgeneralinis direktorius,
kurnyra sveikojo skaičiaus režimo indeksas,frepyra pulso pasikartojimo dažnis irfgeneralinis direktoriusžymi nešiklio-voko poslinkio dažnį. Visas šukų spektras pasislenkafgeneralinis direktoriusdėl impulso-į-impulso nešiklio-apgaubos fazės slydimo, o atstumą tarp gretimų linijų lemia tikfrep. Praktiškai tiek pasikartojimo dažnisfrepir nešiklio{0}}voko poslinkio dažnįfgeneralinis direktorius turi būti išmatuotas ir aktyviai stabilizuotas, kad itin greitas impulsinis lazeris veiktų kaip OFC. Išmatavimasfrepyra palyginti paprastas, nes paprastai yra nuo dešimčių megahercų iki kelių gigahercų ir gali būti aptiktas naudojant greitą fotodiodą. Pasikartojimo dažnio stabilizavimas pasiekiamas uždarant grįžtamojo ryšio kilpą ant pavarų, kurios leidžia efektyviai reguliuoti ertmės ilgį. Priešingai, matavimas ir valdymasfgeneralinis direktoriusyra žymiai sudėtingesnis ir buvo pagrindinis iššūkis ankstyvam OFC technologijos kūrimui.
Skirtumo{0}}dažnių generavimo (DFG) dažnių šukos
Istoriškai viena iš ankstyvųjų strategijų, susijusių su nešiklio{0}}aplinkos poslinkio dažniu, buvo optinė schema, kuri visiškai nereikalauja aiškaus matavimo ir valdymo. Tai pasiekiama naudojant iš prigimties nešiklio apvalkalo fazės stabilų netiesinį DFG procesą, sukuriant originalios lazerio impulsų sekos kopiją, dėl kurios gaunamas vidutinis fgeneralinis direktoriusvertė nulis (<fgeneralinis direktorius>= 0). Tokiuose DFG-pagrįstuose OFC du skirtingi spektriniai komponentai, atsirandantys iš to paties lazerio generatoriaus (paprastai po spektro išplėtimo netiesiniuose pluoštuose), yra sumaišomi netiesiniame kristale. Idealiu atveju abu komponentai bus vienodifgeneralinis direktorius, todėl atėmus jų dažnius, poslinkis bus panaikintas, kad būtų gautas „offset{0}}nemokamas OFC“. Grynai techniniu požiūriu, kompensuoti{2}}nemokami OFC siūlo paprastumą, nes jiems reikalinga tik viena valdymo kilpa: vienintelis jų valdymo kintamasis yra pasikartojimo dažnis.frep. Tačiau tai yra kompromisas: lūkesčių vertė<fgeneralinis direktorius>= 0 nereiškia, kad apskritai nėrafgeneralinis direktoriusfazinis triukšmas. Kitaip tariant, nors DFG procesas pašalina vidutinį poslinkį, jis neslopina nenuoseklaus triukšmo, susijusio sufgeneralinis direktorius (žr. . 2 pav.). Vietoj to, buvo įrodyta, kad DFG-pagrįsti OFC pasižymi kvadratiniu fazinio triukšmo masteliu ir dažniu, aprašytu „elastinės juostos“ modeliu su fiksavimo tašku nuliniame dažnyje.2
Žvelgiant retrospektyviai, verta paminėti, kad laisvo dažnio{0} šukių generavimo naudojant DFG techniką iš pradžių užpatentavo Max Planck Society,3ir pirmaisiais OFC komercializavimo laikais jis buvo išimtinai licencijuotas Menlo Systems. Metodas vis dar yra labai naudingas generuojant dažninį-kombinuotą spinduliuotę, kai kitaip sunkiai pasiekiami
Savarankiškos{0}}dažnio šukos
Sukūrus pirmąsias praktines šukų sistemas, netiesinių optinių skaidulų pažanga leido patikimai aptikti nešiklio{0}}apvalkalo poslinkį. Šie patobulinimai leido palyginti paprastai ir efektyviai sukurti oktavų-šukas; ty dažnio šukos, apimančios dažnių diapazoną, daugiau nei du kartus didesnį už mažiausią dažnį. Turint galimus oktavos-šukų spektrus, nešlio-aplinkos poslinkio dažnį galima apibūdinti naudojant paprastą savarankiško-nuorodos metodą. Šis metodas pagrįstas interferometru, kuris heterodinuoja dvi skirtingas šukų spektro dalis: Šukų režimas su indeksunraudonajame spektro gale
vn = nfrep + fgeneralinis direktorius
siunčiamas per netiesinį kristalą, kad sukurtų savo antrąją harmoniką
2vn = 2(nfrep + fgeneralinis direktorius),
kuris perkeliamas dvigubu poslinkio dažniu. Tada šis dažnio-dvigubas signalas sumušamas su šukos režimu, kurio indeksas 2n
v2n = 2nfrep + fgeneralinis direktorius.
Šių dviejų dažnių ritmo nata tiesiogiai atskleidžia nešiklio{0}}apvalkalo poslinkio dažnį:
2vn − v2n = fgeneralinis direktorius.
Šis „f–2f“ metodas yra ne kas kita, kaip orientyras OFC technologijos pasiekimas, nes jis leidžia tiesiogiai išmatuoti nešlio{1}}apvalkalo poslinkio dažnį. Visų pirma, jis padeda įdiegti specialias aktyviosios dispersijos valdymo pavaras lazerio ertmėje, kad būtų stabilizuojamas ir valdomas ypač mažas triukšmas.fgeneralinis direktorius(žr. . 3 pav.).
Spektrinio grynumo perdavimas
Veiksmingas optinio dažnio šukų laisvės laipsnių valdymas ir stabilizavimas-jų pasikartojimo dažnis, taip pat nešiklio-aplinkos poslinkio dažnis-yra labai svarbūs tikslioms programoms, kurioms reikalingas linijos plotis ir stabilumas, gerokai didesnis už tuos, kurie pasiekiami naudojant bet kokias laisvai{3}veikiančias šukes (žr. {{4}a pav.). Visur paplitęs metodas yra sukurti optinį užraktą; ty perkelti išorinės optinės atskaitos teikiamą spektrinį grynumą į vieną iš dažnių šukų linijų. „Menlo Systems“ optinės atskaitos sistemos reguliariai pasiekia sub-hercų linijos plotį ir puikų dažnio stabilumą. Juose sujungiamas vieno{11}}režimo nepertraukiamo4Įprasta OFC užrakinimo prie išorinės optinės atskaitos sąranka parodyta 4b paveiksle. Tokia pasikartojimo dažnio valdymo kilpa priklauso nuo ritmo natos aptikimo tarp CW etaloninio lazerio ir vieno iš šukų dantų, išmatuojant bet kokį dažnio poslinkį ir atitinkamai taikant grįžtamąjį ryšį į šukos pasikartojimo dažnio pavarą.
Svarbiausia, kad nors schema stabilizuoja pasirinktą šukos dantį, iš tikrųjų fiksuojamas tik atstumas tarp etaloninio lazerio ir tos vienos šukų linijos: Kadangi pasikartojimo dažnio pavara leidžia valdyti tik vieną laisvės laipsnį, ji pirmiausia paveikia šukų linijas, esančias arti fiksavimo taško. Todėl linijos plotis ir fazinis triukšmas didėja didėjant spektriniam atstumui nuo optinio atskaitos taško. Šis apribojimas būdingas fiksavimo schemai ir nepriklauso nuo šukų architektūros: nesvarbu, ar tai yra poslinkio-laisvos, ar savarankiškos-nuorodos šukos, kai užfiksuojama vien dėl pasikartojimo dažnio, spektrinis grynumas neišvengiamai pablogės, kuo toliau nuo išorinės optinės atskaitos yra šukų linija, o virtualioji RF{{4} iš esmės neveikia. Atvirkščiai, kaip parodyta 4c paveiksle, spektrinio grynumo perdavimui visame dažnių šukų spektre reikia papildyti pasikartojimo dažnio pavarą antra valdymo kilpa, skirta nešiklio -apgaubos poslinkio dažniui (fgeneralinis direktorius). Užsiima tokiafgeneralinis direktoriusgrįžtamojo ryšio kilpa atlieka tris pagrindines užduotis: Užrakinimasfgeneralinis direktoriusesant pasirinktai vertei, slopinant jo nuoseklų ir nenuoseklų triukšmą ir sumažinant fazių triukšmą visuose šukose, kurie yra nutolę nuo išorinės optinės atskaitos. Thefgeneralinis direktoriusaktyvinimas veikia simetriškai spektrą ta prasme, kad jis turi minimalų poveikį šukų linijoms šalia optinio atskaitos taško, bet stipriai veikia visas toli nuo jo esančias šukų linijas, įskaitant optines ir virtualias RF-domeno. Apskritai greitoji nešiklio-apgaublio poslinkio dažnio valdymo kilpa gali būti suvokiama kaip pavara, papildanti pasikartojimo dažnio pavarą-, skirta užrakinti antrąjį OFC laisvės laipsnį.
„Menlo Systems“ dvigubo paleidimo konstrukcija leidžia perduoti tikrą spektrinį grynumą{0}}, tiksliai atkartojant optinės atskaitos spektrinį grynumą kiekvienoje šukų linijoje. Kaip parodyta 5 paveiksle, spektrinis grynumas taip pat išlaikomas per dažnio keitimo etapus, įskaitant dažnio poslinkį, antrąją -harmonijos generavimą arba superkontinuumo generavimą.
Taikymas: optiniai atominiai laikrodžiai
Menlo Systems itin mažo{0}}triukšmo technologija užtikrina tikslumą visame spektre, patobulindama programas, kurioms reikalingas tiksliausias veikimas, pvz., optinius atominius laikrodžius. Šioje srityje mūsų OFC leido perduoti tiksliausias pasaulyje optines nuorodas į tiksliausius pasaulyje optinius laikrodžius, didelio-tikslumo-rūšių laikrodžių palyginimus, taip pat optinio laikrodžio signalų sklaidą dideliais atstumais skaiduliniais tinklais.
Perkeliamas didžiausias tikslumas
Kaip parodyta 6 paveiksle, optinės atskaitos ertmės dažniausiai yra artimoje -IR bangos ilgio srityje (paprastai apie 1550 nm), kur jos pasižymi puikiu našumu ir dideliu patikimumu palyginti mažomis sąnaudomis. Nenuostabu, kad šiame bangų ilgių diapazone taip pat yra šiuo metu didžiausio našumo{4}}atskaitos ertmės. Bendradarbiaujant JILA (JAV) ir Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Nacionalinis Vokietijos metrologijos institutas), kriogeninė monokristalinio silicio ertmė su silicio veidrodžiais parodė net 4 × 10 trupmeninio dažnio nestabilumą.-17per vieną sekundę, o linijos plotis – 5 mHz.5
Šis patobulinimas yra dešimteriopai geresnis, palyginti su šiuolaikinėmis--(-ultralow Expansion Glass (ULE)) ertmėmis kambario temperatūroje. Norėdami perkelti šį neprilygstamą stabilumą ir linijos plotį iš ertmės veikimo bangos ilgio ties 1542 nm į matomą spektrinį diapazoną, kad būtų pasiektas rekordinis stroncio optinės gardelės laikrodis, veikiantis esant 698 nm,6mokslininkai remiasi Menlo Systems itin mažo{0}}triukšmo dažnio šukų technologija (lygiagrečiai kriogeninę ertmę sukūrėme į savo modelį ORS-ULN).
Laikrodžio-prie-palyginimas
Nors dabartinis antrojo apibrėžimas, pagrįstas 9,2 GHz itin smulkiu perėjimu cezio viduje, galioja daugiau nei pusę amžiaus, vyksta pasaulinės bendradarbiavimo pastangos iš naujo apibrėžti SI standartą, naudojant itin siaurus optinius perėjimus šaltų atomų ir įstrigusių jonų viduje. Atitinkamai, kaip kandidatai tiriami optiniai laikrodžiai, pagrįsti įvairiomis atominėmis rūšimis. Norint įvertinti šiuos naujus standartus, įvairūs optiniai laikrodžiai turi būti lyginami vienas su kitu aukščiausiu tikslumo lygiu (žr. . 6 pav.), tačiau jų perėjimo dažniai gali skirtis šimtais terahercų ir dėl to neįmanomas bet koks tiesioginis elektroninis matavimas.
Kaip rodo naujausi darbai, šias dažnių spragas galima kuo tiksliau užpildyti naudojant spektrinio grynumo perdavimą: „Menlo Systems“ itin mažo-triukšmo OFC leidžia palyginti skirtingų rūšių{1}}laikrodį esant 10-18lygiu ir už jo ribų.7Šiame kontekste spektrinis -grynumo perdavimas yra patikima funkcija, reikalinga bet kuriai optinio laikrodžio laboratorijai ateityje, nes ji suteikia galimybę tirti įvairias atomų rūšis užtikrintai pasikliaujant vienu šaltiniu, kad būtų galima nustatyti dažnio šukas.
Sklaida šviesolaidiniais tinklais
Nors novatoriški eksperimentai atveria kelią nešiojamiesiems optiniams laikrodžiams, šiandien tiksliausi laikrodžiai išlieka stacionariais įrenginiais, kuriuos valdo ekspertų komandos nacionaliniuose metrologijos institutuose, mokslinių tyrimų įstaigose ir universitetuose. Kita vertus, toli{1}}palyginti ir ultrastabilaus laikrodžio signalus skleisti galima tik per telekomunikacijų juostą. Tai kelia iššūkį tinklo programoms, nes OFC, užrakinti prie optinio laikrodžio perėjimo, paprastai negali lengvai prisijungti prie šviesolaidinių tinklų arba įgalinti atskaitos signalų paskirstymą į kitas svetaines.
Iššūkis kyla dėl bendro fazinio triukšmo mastelio efekto įprastose dažnio šukose ir spektrinio tarpo tarp optinio laikrodžio perėjimų ir telekomunikacijų juostos. Kaip parodyta 6 paveiksle, spektrinio grynumo perdavimas įveikia šią kliūtį, kad būtų galima palyginti didelius -atstumo laikrodžius, taip pat platinti itin stabilias nuorodas į laboratorijas, kurios nenaudoja savo optinių laikrodžių. Ši galimybė atveria daugybę įdomių mokslinių galimybių-įskaitant kvantinių technologijų, didelio-tikslumo geodezijos, astronomijos, navigacijos ir pagrindinės fizikos bandymų pažangą.8,9
