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环境稳定的激光器发出极其纯净的光线

2019-02-01 21:55:34来源:

研究人员开发出一种紧凑型激光器,可发出极高光谱纯度的光,不会因环境条件而发生变化。新的潜在便携式激光器可以受益于许多科学应用,改进全球定位(GPS)系统的时钟,推进空间引力波的探测,并对量子计算有用。

来自美国麻省理工学院林肯实验室的研究人员在Optica,光学学会的高影响研究期刊中描述了他们的新激光。

即使激光器设计为纯粹在一个波长发射,温度和其他环境因素的变化通常会引入噪声,导致光发射在频率上发生偏移或变宽。该发射的光谱范围变宽被称为激光线宽。研究人员采用了一种新方法来制造光纤激光器,其光谱线宽比光纤或半导体激光器的光谱线宽要窄。相同的激光器还提供了一种方法来检测和校正小至85纳克开尔文或85亿分之一度的温度变化。

“今天,超低膨胀(ULE)腔体激光器具有最窄的线宽和最高的性能,但它们体积庞大且对环境噪声非常敏感,”该论文的第一作者William Loh说。“我们的目标是将ULE激光器替换为可携带且对环境噪声不敏感的激光器。”

实现窄线宽

研究人员开发了一种基于短环(~2米)光纤的激光器,配置为环形谐振器。光纤激光器结构紧凑,坚固耐用,并且对环境变化的反应相对较慢。研究人员将光纤的优势与称为布里渊散射的非线性光学效应相结合,以获得线宽仅为20赫兹的激光器。为了比较,其他光纤激光器可以实现1000到10,000赫兹之间的线宽,现成的半导体激光器通常具有大约100万赫兹的线宽。

为了使激光器在长期和短期环境变化时非常稳定,研究人员开发出一种方法来参考激光信号来感知温度变化。与其他测量温度的方法相比,它们的方法非常灵敏,并且允许计算精确的校正信号,该信号可用于使激光回到原始温度的发射波长。

“温度是激光噪声的重要因素,”Loh说。“高质量的激光器不仅需要具有窄的激光线宽,而且还需要一种长期保持发射稳定的方法。”

改善GPS

这种新型光源可用于改进用于支持GPS的设备的新一代光学原子钟。GPS使用户能够通过三角测量从包含高级原子钟的卫星网络接收的信号来确定它们在地球上的位置。每个卫星提供时间戳,系统根据这些时间之间的相对差异计算位置。

“我们认为基于我们稳定的窄线宽激光器的原子钟可用于更精确地确定信号的到达时间,从而提高当今GPS系统的定位精度,”Loh说。“我们的激光器紧凑,这意味着它可以用在卫星上。”

激光对于干涉仪也是有益的,例如激光干涉仪引力波观测台(LIGO)用来检测来自碰撞黑洞或坍缩恒星的引力波。超稳定激光器对于这种应用是必需的,因为激光噪声阻止干涉仪能够检测到引力波的非常小的扰动。

“正在努力在太空中使用激光来制造更长的干涉仪臂以进行引力波观测,”Loh说。“由于其紧凑的尺寸和坚固性,我们的激光器可能成为太空中引力波探测的候选者。”

研究人员表示,虽然他们的新型激光器非常坚固,但它目前是一种适合实验室使用的台式系统。他们现在正致力于开发更小的激光封装,并将采用更小的光学元件来制造可能与智能手机一样小的便携版本。