Los láseres estrechos - de ancho de línea son cruciales en una amplia gama de aplicaciones, que incluyen detección de precisión, espectroscopía y ciencia cuántica. Además del ancho espectral, la forma espectral también es un factor importante, dependiendo de la aplicación específica. Por ejemplo, la potencia a cada lado de la línea láser puede introducir errores en la manipulación óptica de bits cuánticos y afectar la precisión de los relojes atómicos. Con respecto al ruido de frecuencia láser, los componentes de Fourier generados por la emisión espontánea en el modo láser generalmente exceden 105 Hz, y estos componentes determinan la amplitud a cada lado del ancho de línea. Combinado con el factor de mejora de Henry, estos factores definen colectivamente el límite cuántico, conocido como el límite SCHAWLOW - Townes (ST), que establece el límite inferior alcanzable del anchura de línea efectiva después de eliminar el ruido técnico, como las vibraciones de la cavidad y la deriva de longitud.
Por lo tanto, minimizar el ruido cuántico es un aspecto crítico del diseño estrecho - láser láser. En la práctica, el ancho de línea deseado se logra ajustando los factores clave del límite ST: la potencia láser, usando las cavidades de factores de alto -} q -} y seleccionando medios de ganancia con baja amplitud de campo - Índice de refracción (factor de Henry bajo). Los láseres como los láseres de zafiro de titanio, los láseres de fibra y los láseres de semiconductores de cavidad externa son ejemplos típicos de láseres capaces de lograr el nivel de línea de nivel Hertz -} requerido para muchas de las aplicaciones láser coherentes más exigentes. Sin embargo, diseñar láseres que cumplan simultáneamente los requisitos de ancho de línea, potencia y longitud de onda de una aplicación determinada sigue siendo un desafío.
Los investigadores de la Universidad de Macquarie probaron esta tecnología utilizando cristales de diamantes, que ofrecen un excelente rendimiento térmico y proporcionan un entorno de prueba estable. Probaron un haz de entrada de "ruido" creado intencionalmente con un ancho de línea superior a 10 MHz usando un cristal de diamante con un diámetro de solo unos pocos milímetros dentro de una cavidad. Su técnica de dispersión Raman comprimió el ancho de línea del haz láser de salida a 1 kHz, el límite de su sistema de detección, logrando un factor de compresión superior a 10,000 veces.
Figura 1. Los resultados de medición de PSD de lados -} muestran un estrechamiento de ruido significativo de los componentes de semillas de bomba y Stokes a altas frecuencias.
El equipo de investigación utilizó el principio de la dispersión estimulada de Raman para excitar las vibraciones de frecuencia más altas- dentro del material, logrando un efecto de estrechamiento de ancho de línea miles de veces más efectivos que los métodos tradicionales. Esencialmente, esto representa una nueva tecnología de purificación espectral láser aplicable a varios tipos de láseres de entrada, marcando un avance fundamental en la tecnología láser.
Esta nueva tecnología aborda el problema de las variaciones temporales aleatorias menores en las ondas de luz que causan una disminución en la pureza del haz láser y la precisión reducida. En un láser ideal, todas las ondas de luz deben sincronizarse perfectamente -, pero en realidad, algunas ondas de luz pueden conducir o retrasarse ligeramente detrás de otras, causando fluctuaciones en la fase de la luz. Estas fluctuaciones de fase generan "ruido" en el espectro láser - que difumina la frecuencia del láser y reduce su pureza de color.
El principio de la tecnología Raman es convertir estas irregularidades temporales en vibraciones dentro de un cristal de diamante, que se absorben y disipan rápidamente (dentro de unos billones de billones de segundo). Esto deja las ondas de luz restantes con oscilaciones más suaves, lo que resulta en una mayor pureza espectral y un efecto de estrechamiento significativo en el espectro láser.
Figura 2. (A) Diagrama esquemático del sistema láser, que muestra componentes clave. Wng: generador de ruido blanco, OC: acoplador de salida, IC: acoplador de entrada, EOM: electro - modulador óptico, LBO: litio borato, λ/2: mitad - placa de onda. (b) Drift de frecuencia de Stokes con retroalimentación (naranja) y sin retroalimentación (azul). Para el caso de retroalimentación, se incluye el voltaje piezoeléctrico para indicar la compensación de deriva.
Además de su excepcional efecto de estrechamiento de ancho de línea, los investigadores encontraron que su técnica Raman ofrece múltiples ventajas sobre los métodos tradicionales de Brillouin, incluido el logro de anchos de línea mínimos más pequeños. Estos láseres de ultra -} LineWidth estrechas tienen varios cortes - áreas de aplicación de borde:
Computadoras cuánticas: manipular bits cuánticos (qubits), las unidades fundamentales de la información cuántica requiere un control láser extremadamente preciso. Los láseres actuales introducen ruido de fase, lo que lleva a errores en la computación cuántica. La pureza espectral mejorada mejorará la fiabilidad de las computadoras cuánticas.
Relojes atómicos: los relojes atómicos forman la base de la navegación GPS. Una mayor pureza espectral mejorará su rendimiento y puede impulsar nuevos descubrimientos en física fundamental en el futuro.
Detección de onda gravitacional: los detectores de onda gravitacional, que miden distorsiones extremadamente pequeñas en tiempo espacial, pueden volverse más sensibles mediante el uso de vigas láser con anchos de línea más estrechos, lo que potencialmente permite la detección de señales más débiles de eventos cósmicos distantes.
