Rb의 기준 원자 전이에 대한 다중 레이저의 주파수 안정화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 20624(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광학 영역의 원자 전이에 대한 조사를 기반으로 하는 현대 원자 시계는 원자 이온 생성, 중성 원자 또는 원자 이온의 트래핑 및 레이저 냉각을 위해 서로 다른 파장의 여러 레이저가 필요합니다. 레이저 냉각 또는 기타 원자 전이에 대한 최고 효율을 달성하려면 주변 온도 변화 또는 기타 종류의 섭동으로 인해 발생하는 드리프트 또는 변동을 완화하여 관련된 각 레이저의 주파수를 안정화해야 합니다. 본 기사에서는 이테르븀(171Yb) 이온의 생성 및 레이저 냉각에 필요한 여러 수의 레이저의 동시 주파수 안정화를 루비듐(Rb) 원자의 기준 전이 주파수로 설명합니다. 이 기술에서는 ~ 780nm에서 작동하는 다이오드 레이저가 루비듐 원자(85Rb)의 도플러 확장 없는 흡수 피크 중 하나로 주파수 안정화된 다음 파장 측정기를 교정하고 이후 4개의 동시 주파수 안정화를 위한 기준 주파수로 사용됩니다. 다양한 파장에서 작동하는 레이저.

Frequency stabilization of lasers is a prerequisite for all kind of experiments related to laser cooling of atoms or atomic ions. Laser frequency stabilization or frequency locking is also an essential requirement for precision experiments1,2,3,4, e.g., optical frequency standards or optical clock based on the interrogation of ultra-narrow atomic transitions, which requires multiple number of stable laser frequencies. Optical atomic clock, realized through interrogation of a quadrupole transition {4f14 6 s 2S1/2|F = 0, mF = 0 > →4f145D 2D3/2|F = 2, mF = 0 >} of a single trapped ytterbium ion (171Yb+) ion at 435 nm, requires as many as four narrow linewidth(~ 23 MHz)5 and stable lasers at wavelengths around 399 nm, 369.5 nm, 935 nm and 760 nm respectively for probing transitions related to photoionization, laser cooling6,7 of ytterbium (171Yb+) ions and repumping of the metastable states of the ions5,8,9. Such a state-of-the art experiment demands accurate and precise regulation of all of its components, hence, all the required lasers need to be frequency stabilized so that desired transitions are probed accurately and effectively. Several techniques are being used for laser frequency locking or frequency stabilization, e.g., locking of laser's output frequency to a highly stable Fabry-Parrot cavity using Pound–Drever–Hall technique10,11, another commonly used technique is locking of laser to a reference atomic transition frequency on its Doppler broadening free transition peak12,13, 20 mT) with a micrometer-thin cell. Opt. Lett. 39(8), 2270–2273 (2014)." href="/articles/s41598-022-24952-6#ref-CR14" id="ref-link-section-d306118455e457"> 14 그리고 현재는 파장 측정기15,16,17도 다양한 정밀 실험에 사용되고 있습니다. 잠금 기술의 선택은 정확도 수준에 대한 실험적 요구에 따라 달라집니다. 예를 들어, 정밀 분광학이나 고정밀 계측 관련 실험은 10-15보다 나은 상대 주파수 불안정성을 요구하는 반면, 원자 분광학이나 원자 냉각과 같은 다른 실험은 단기 불안정성이 10-10 이하인 레이저 주파수로 수행할 수 있습니다.

레이저 냉각 이터븀 이온(171Yb+)은 광학 영역에서 두 개의 매우 좁은 클록 전이를 제공합니다. 즉, 자연 선폭이 각각 3Hz 및 3nHz인 435nm의 사중극 전이와 467nm의 옥타극 전이입니다18,19. 이러한 매우 좁은 전이를 프로빙하기 위해 클럭 레이저의 주파수를 안정화하려면 ULE(초저팽창) 캐비티1,20,21,22 및 빠른 서보 컨트롤러를 사용하여 매우 안정적이고 매우 좁은 선폭 주파수를 생성하기 위한 엄청난 노력이 필요합니다. 광이온화, 이온의 레이저 냉각 및 이온의 준안정 상태의 재펌프를 통해 이터븀 이온을 생성하는 데 사용되는 원자 전이는 수십 MHz의 일반적인 자연 선폭을 가지므로 이러한 레이저의 주파수는 동일한 범위 내에서 안정화되어야 합니다. , 위의 목적을 위해서는 수십 MHz가 필요합니다5.