Avances en peines ópticos de frecuencia de bajo ruido

Reducir la tasa de repetición de impulsos de un peine de frecuencia óptica lleva a una mayor energía de pulso a una potencia promedio dada. Este aumento es bueno para hacer conversiones de frecuencia no lineales más efectivas, permitiendo alcanzar un rango más amplio de longitudes de onda, como el ultravioleta extremo (XUV). El peine de frecuencia denso generado aún se puede aplicar para mediciones precisas de transiciones atómicas o moleculares estrechas.

En este estudio, mostramos un peine de frecuencia infrarrojo de bajo ruido con una tasa de repetición tan baja como 40 kHz. Esto se logra usando un láser de bloqueo de modo Yb:KYW, junto con selección y amplificación de pulsos. La estructura del peine se valida generando una nota de batido con un láser de referencia de onda continua. El proceso implica estabilizar activamente un modo del peine con el láser de referencia, midiendo el Ruido de fase para confirmar la calidad.

Los peines de frecuencia óptica han cambiado significativamente el campo de la medición de frecuencia óptica y son esenciales para la Espectroscopía láser de alta precisión. El primer uso de los peines de frecuencia fue medir la frecuencia de un láser de onda continua, que luego se utilizó para espectroscopía de precisión. El peine de frecuencia en sí también se puede utilizar para excitar transiciones objetivo, analizando rápidamente un amplio rango espectral con alta sensibilidad.

Un peine de frecuencia óptica consta de muchos modos espaciados uniformemente por la tasa de repetición, que normalmente cae dentro del rango de decenas de MHz para diseños de láser sólido y fibra estándar. Los peines con espaciamientos de modo de decenas de GHz se utilizan para calibrar espectrógrafos astronómicos, mientras que un tren de pulsos con una baja tasa de repetición por debajo de 100 kHz ofrece mayor energía de pulso. Esto es particularmente útil para diversas aplicaciones, como la conversión de frecuencia no lineal eficiente.

Usar peines de frecuencia óptica para la conversión de frecuencia no lineal puede mejorar la espectroscopía de precisión en rangos de longitud de onda donde no hay láseres de onda continua disponibles, como el ultravioleta extremo. Por ejemplo, nuestro experimento planeado sobre espectroscopía de precisión de la transición 1S-2S en iones de He requiere un peine de frecuencia a 60.8 nm. Un peine de frecuencia del tipo Ramsey que contenga pares de pulsos fuertes podría ofrecer una alternativa para transiciones a longitudes de onda XUV.

La espectroscopía de precisión de transiciones nucleares, como la de Torio (Th) alrededor de 149 nm, podría allanar el camino para crear un reloj óptico nuclear. La generación de armónicos de alto orden dentro de una cavidad puede producir peines de frecuencia XUV de alta potencia adecuados para la espectroscopía de frecuencia directa. Este proceso ocurre dentro de una cavidad de mejora donde se coloca un gas o medio sólido en el foco de la cavidad. Se debe tener cuidado para evitar problemas causados por alta potencia promedio e intensidad, como lentes térmicas, desplazamientos por plasma, desalineaciones debidas a cambios de temperatura y daños ópticos.

Operar un peine a una baja tasa de repetición permite una alta energía de pulso incluso sin la necesidad de una cavidad de mejora. Reducir la tasa de repetición resulta en un peine de frecuencia con un espaciado de modo más pequeño. Para la espectroscopía de precisión, el espaciado debe ser mayor que el ancho de línea de la transición bajo investigación para obtener una señal de espectroscopía bien resuelta. Por ejemplo, el ancho de línea esperado para la transición 1S-2S en He a 60.8 nm es de aproximadamente 1 MHz, mientras que la transición nuclear de Th tiene un ancho de línea natural de alrededor de 20 kHz. Un peine con un espaciado de unos pocos kHz sería suficiente para estas aplicaciones.

Los láseres ultrarrápidos de alta energía de pulso a bajas tasas de repetición se generan típicamente utilizando amplificadores de potencia de oscilador maestro (MOPA), que emplean el método de amplificación de pulso chirpado. Estos sistemas tienen varios usos, incluyendo física de attosegundos, aceleración de partículas láser y espectroscopía transitoria ultrarrápida. Al controlar activamente la fase de ida y vuelta del oscilador, cada pulso puede tener la misma fase de envoltura de portadora (CEP), importante para estudiar ciertos fenómenos sensibles a pulsos de pocos ciclos.

El jitter de temporización de pulso a pulso en el sistema láser CPA puede ser controlado con precisión usando correlacionadores ópticos cruzados balanceados. Por ejemplo, se logra un jitter de temporización de menos de 100 fs a una tasa de repetición de 1 MHz. Un jitter de temporización de pulso de 100 fs puede introducir una incertidumbre de frecuencia de 10 kHz a una tasa de repetición de 1 MHz. Esto puede ensanchar los modos del peine óptico, potencialmente interrumpiendo la estructura del peine en el dominio de frecuencia. Aunque se ha demostrado que los láseres de baja tasa de repetición son adecuados para estudiar fenómenos ultrarrápidos, no garantizan una estructura de peine de frecuencia de bajo ruido.

Este estudio presenta un peine de frecuencia óptica de bajo ruido que opera a tasas de repetición ajustables de 40 kHz a 40 MHz utilizando un oscilador de bloqueo de modo Yb:KYW. Los láseres de bloqueo de modo que operan a tasas de repetición sub-MHz requieren cavidades largas que pueden ser poco prácticas. En cambio, utilizamos láseres de bloqueo de modo convencionales y selecotores de pulsos para generar peines de frecuencia óptica a bajas tasas de repetición. La pérdida de potencia asociada se compensa amplificando de nuevo el tren de pulsos, resultando en mayor energía de pulso. Un modo del peine se estabiliza activamente a un láser de referencia de onda continua (cw) ultra-estable. El ruido de fase del modo estabilizado se evalúa en comparación con el láser de referencia, resultando en un ancho de línea estrecho adecuado para excitar transiciones estrechas.

#Modelando el Proceso de Selección de Pulsos

El primer paso es modelar el proceso de selección de pulsos, tratando al selector de pulsos como un modulador de amplitud ideal. Para facilitar el cálculo, la salida del láser de bloqueo de modo se modela como pulsos con forma gaussiana en un tren con una tasa de repetición definida. El campo eléctrico del tren de pulsos láser se puede describir matemáticamente.

En nuestra configuración, cada n-ésimo pulso es difractado por el modulador acusto-óptico (AOM) al primer orden de difracción, mientras que los demás permanecen en el cero y se descartan. Esta selección de pulsos aumenta el intervalo de tiempo entre pulsos, mientras que el espaciado de modo en el dominio de frecuencia se reduce en consecuencia. El AOM opera basado en un portador RF que se modula con un tren de pulsos rectangulares.

El espectro producido después de la selección de pulsos consiste en modos de peine con un espaciado de modo reducido, mostrando que se generan modos adicionales como bandas laterales de la tasa de repetición original introducida por la modulación que selecciona cada n-ésimo pulso. Este proceso llena los huecos entre los modos de peine originales mientras mantiene la forma del envolvente gaussiana.

La intensidad espectral se puede calcular, demostrando que la potencia de los modos de peine escala con el cuadrado de la energía del pulso. El ruido de fase del tren de pulsos original afecta la estructura del peine de frecuencia tanto antes como después de la selección de pulsos. Un requisito crítico es que el ancho de línea de los modos de peine debe ser más estrecho que el espaciado de modo después de la selección de pulsos, para asegurar que la estructura del peine permanezca intacta.

La implementación real del selector de pulsos y la posterior amplificación también deben ser de bajo ruido para mantener la estructura del peine a tasas de repetición más bajas. Este estudio tiene como objetivo confirmar experimentalmente esta idea.

La selección de pulsos se puede lograr usando un AOM o una combinación de un modulador electro-óptico (EOM) y un polarizador. Se ilustra un esquema conceptual de un selector de pulsos basado en AOM, destacando cómo el AOM se impulsa a una frecuencia portadora específica, que se modula utilizando pulsos de compuerta.

#Configuración Experimental

El peine de frecuencia óptica de 40 MHz utilizado en este estudio incluye un oscilador de bloqueo de modo Yb:KYW, un amplificador de estado sólido usando Yb:LuAG y un cambiador de frecuencia AOM para ajustes rápidos a la frecuencia del modo de peine estabilizado. La salida del oscilador Yb:KYW está centrada en 1030 nm con un ancho de banda de 14 nm. La potencia de salida promedio se mide en 26 mW.

Se incorporan dos espejos actuados por PZT dentro de la cavidad láser para alargar la cavidad mientras estabilizan el peine de frecuencia. El láser está montado sobre una base de aluminio controlada por temperatura y aislada de vibraciones dentro de una caja sellada. En la salida del láser, se detecta la tasa de repetición usando un fotodiodo rápido.

Una salida auxiliar toma potencia de un elemento óptico diferente dentro de la cavidad, que envía su señal a un montaje de detección heterodina con un láser de referencia de onda continua a 1033 nm. El montaje de detección de batido opera para comparar en fase señales, proporcionando retroalimentación para estabilizar uno de los modos del peine al láser de referencia cw.

El peine de frecuencia se amplifica aún más mediante un amplificador de estado sólido Yb:LuAG, recibiendo potencia de entrada para amplificar significativamente la salida. Después de procesarse a través del AOM, la señal de batido del modo del peine y el láser de referencia permite comparaciones de fase dentro del montaje de detección para mantener la estabilidad.

#Resultados

Los espectros de nota de batido recolectados desde la tercera unidad de detección a varias tasas de repetición muestran que se preserva una clara estructura de peine incluso a una tasa reducida de 40 kHz, con picos estrechos aún visibles. Los anchos de línea de las señales de batido están limitados por el ancho de banda de resolución del equipo de medición utilizado.

Los niveles de potencia de las notas de batido para diferentes factores de selección de pulsos exhiben una tendencia como se esperaba, correlacionándose con la potencia óptica contenida en cada modo de peine. El análisis de la densidad de potencia de ruido de fase demuestra aumentos en el piso de ruido para tasas de repetición más bajas, aunque no se observaron aumentos significativos en ruido de fase por encima del piso de ruido de medición para peines de frecuencia seleccionados por pulsos.

#Discusión

Los hallazgos indican que la estructura de peine de frecuencia de bajo ruido se mantiene incluso después de la selección de pulsos, con el ruido de fase integrado indicando un buen rendimiento a bajas tasas de repetición. Estos peines de frecuencia a baja tasa de repetición muestran promesas para espectroscopía de alta resolución en longitudes de onda únicas.

La espectroscopía de doble peine en longitudes de onda XUV podría ser una emocionante aplicación futura para los peines de frecuencia demostrados en este estudio. Aunque determinar el número de modos del peine puede plantear un desafío debido a las bajas tasas de repetición, repetir mediciones para diferentes factores de selección ofrece formas de aclarar los números de modo.

Para mejorar la eficiencia, los planes futuros incluyen implementar la selección de pulsos dentro de una cavidad de acumulación de femtosegundos para reducir la pérdida de potencia, sirviendo además como un filtro espectral estrecho para mejorar la supresión de ruido.

#Conclusión

En resumen, este estudio presenta un peine de frecuencia óptica a baja tasa de repetición basado en un oscilador de bloqueo de modo Yb:KYW y un selector de pulsos AOM. Las tasas de repetición logradas varían de 40 kHz a 40 MHz, con un fuerte sistema de estabilización de fase en su lugar. La investigación demuestra que se preserva una estructura de peine de ancho de línea estrecho incluso después de la selección de pulsos, confirmando la viabilidad de los peines de frecuencia de bajo ruido a bajas tasas de repetición.

La energía de pulso y la potencia promedio reportadas a una tasa de repetición de 40 kHz son significativas, indicando potencial para impulsar procesos de generación de armónicos altos y generar peines de frecuencia XUV. Estos hallazgos sugieren que los peines de frecuencia a baja tasa de repetición pueden servir como herramientas efectivas en espectroscopía de alta resolución, allanando el camino para aplicaciones innovadoras en el futuro.