Stisnjen vir svetlobe, ki deluje pod visokim vakuumom | znanstvena poročila

Stisnjen vir svetlobe, ki deluje pod visokim vakuumom | znanstvena poročila

Anonim

Predmeti

  • Nelinearna optika
  • Fotonske naprave
  • Kvantna meroslovje
  • Kvantna optika

Izvleček

Neklasična stisnjena svetlobna stanja postajajo vse pomembnejša za vrsto meroslovnih in drugih aplikacij kvantne optike v kriptografiji, kvantnem računanju in biofiziki. Za aplikacije, kot so izboljšanje občutljivosti naprednih gravitacijskih detektorjev valov ter razvoj meroslovja in kvantnih omrežij, ki temeljijo na vesolju, bodo potrebni močni viri, združljivi z vakuumom. Do danes so bile naprave za nelinearno fotoniko, ki delujejo pod visokim vakuumom, enostavne enopropustne sisteme, ki so preizkušale generiranje harmonik in izdelavo klasično koreliranih fotonskih parov za vesoljske aplikacije. Tu prikazujemo proizvodnjo v ne-klasični stisnjeni svetlobi pod visoko vakuumom z opaženim 8, 6 dB kvantnega zmanjšanja hrupa do 10 Hz. Demonstracija resonančne nelinearne optične naprave za ustvarjanje stisnjene svetlobe pod vakuumom utira pot do polnega izkoriščanja prednosti vakuumskih operacij in prilagaja to tehnologijo za uporabo v novih ekstremnih okoljih.

Uvod

Neklasična svetlobna stanja so predvidena za številne praktične uporabe, vključno s kvantnimi mrežami 1 in kriptografijo 2, kvantnim računanjem 3, biofiziko 4 in zaznavanjem gravitacijskega vala (GW) 5, 6, 7 . Za aplikacije, kot sta izboljšanje občutljivosti naprednih gravitacijskih detektorjev valov 8 in razvoj vesoljskih kvantnih omrežij 9, bodo potrebni neklasični svetlobni viri, ki so primerni za vakuum. Do danes so bile nelinearne fotonske naprave, ki delujejo pod visokim vakuumom, enostavni enoprostojni sistemi, ki so testirali generiranje harmonič 10, 11 in izdelavo klasično koreliranih fotonskih parov 12 za vesoljske aplikacije. Tu prikazujemo proizvodnjo v ne-klasični stisnjeni svetlobi pod visoko vakuumom z opaženim 8, 6 dB kvantnega zmanjšanja hrupa do 10 Hz. Ta zmogljivost je primerljiva z nelinearnimi fotoničnimi napravami, ki so bile predhodno prikazane v laboratorijskih pogojih v zraku 5, 13, 14, 15, 16 . Dokazovanje stisnjenega svetlobnega vira pod vakuumom utira pot v celoti izkoristiti prednosti operacij v vakuumu, kot je proizvodnja stisnjene svetlobe v vesolju ali v primeru gravitacijskih detektorjev valov, napredne zvočne in potresne izolacije.

Ko detektorji gravitacijskega vala z laserskim interferometrom, kot so Napredni laserski interferometer Gravitacijski valovni observatorij (LIGO) 17, Napredna devica 18 in KAGRA 19, dosežejo svojo oblikovno občutljivost približno

Image

pri 100 Hz jih bo omejeval kvantni hrup v večjem delu zaznavnega pasu. Ta kvantni hrup nastane zaradi kvantnih mehanskih nihanj elektromagnetnega polja, ki se uporabljajo za zaznavanje premikov in ni povezan s kakršnim koli kvantnim obnašanjem mehanskih testnih mas 20 . Poleg tega detektorji gravitacijskega valovanja z laserskim interferometrom običajno delujejo na (ali zelo blizu) temne obrobe, kjer se laser, vbrizgan v vhodno odprtino, odbije nazaj do vira. To je glavna prednost, če večino klasičnega laserskega hrupa zavrnemo, zavrne pa tudi kvantni hrup v laserskem polju. Podoben odsev se pojavi na izhodu ali odčitku pristanišča interferometra. Kadar na izhodnih vratih ni laserskega vira, namesto tega vstopi stanje vakuuma elektromagnetnega polja in se odraža iz interferometra; kvantna mehanska nihanja v tem stanju vakuuma so izvor kvantnega hrupa 21 .

Zmanjšanje kvantnega hrupa je mogoče doseči z nadomeščanjem vakuumskega polja, ki bi sicer vstopilo v odčitavalna vrata, s skrbno zasnovanim neklasičnim svetlobnim stanjem, tako imenovanim stisnjenim stanjem vakuuma 21 . V običajnem stanju vakuuma nihanja vakuuma pri različnih frekvencah niso usklajena, kar vodi do kvantnega hrupa v procesu merjenja. V stanju stisnjenega vakuuma nihanja vakuuma pri Fourierovih frekvencah

Image

so korelirani, kjer je ω osrednja frekvenca stiskanja. Te korelacije lahko povzročijo zmanjšan kvantni šum.

Pri frekvenčnem neodvisnem stiskanju (faktor stiskanja in kot se ne spreminjata z Ω), kot je prikazano tukaj, so spremembe v lastnostih kvantnega hrupa interferometra, ki jih povzroči stiskanje, enakovredne spreminjanju vhodne moči laserja. Povečanje moči laserja za izboljšanje razmerja med signalom in šumom z omejenim strelnim šumom se spopada z izzivalnimi omejitvami toplotnih popačenj ogledal 22, ki jih povzroča absorpcija, parametričnih nestabilnosti, ki omejujejo stabilnost instrumenta 23, in razpršene svetlobe 24 . Vbrizgavanje svetlobe iz stisnjenega vakuuma nudi alternativno strategijo za zmanjševanje kvantnega hrupa, pod pogojem, da je mogoče realizirati vir stisnjenega vakuuma, ki je hkrati stabilen in prispeva minimalno dodatni hrup znotraj pasu zvočnega pasu 10 Hz – 10 kHz; to je pomemben frekvenčni pas za zaznavanje gravitacijskega vala na tleh. Injekcija stisnjene svetlobe je bila dokazana v GEO600 5, 25 in LIGO GW detektorjih 15 .

Največji viri stisnjenih virov svetlobe so optični parametrični oscilatorji (OPO) 26 . To so optične votline z vgrajenim nelinearnim medijem drugega reda. Resonančna frekvenca votline je osrednja frekvenca stiskanja; kadar se nelinearni medij črpa z drugo harmoniko te frekvence, se OPO izrodi in parametrično pretvorjena dolžina signala in polja v prostem teku sta enako oddaljena od centralne frekvence. V primeru stisnjenega vakuuma so ta signalna in vlečna polja korelirana zgornja in spodnja pasova hrupa zaradi nihanj vakuuma.

Vključitev stisnjenega vira svetlobe v izhodni vhod GW detektorja mora ohraniti stiskanje, ne da bi uvedli nove poti hrupa. Razpršena svetloba 26, 27, optične izgube in stisnjena kvadratna nihanja kota 28, 29 zaradi hrupa dolžine in tresenja poravnave so vse ovire za uresničitev visokih stopenj kvantnega zatiranja hrupa. Ta vprašanja zasnove obravnavamo z dvojno resonančnim potujočim valom OPO 16, ki je skoraj v celoti izdelan iz visokokakovostnega taljenega kremenastega stekla, zasnovanega za delovanje ultra visoko vakuumskega sistema (glej sliko 1), z nelinearnim kristalom iz periodično polnjenega kalijevega titanil fosfata (PPKTP). OPO je zasnovan tako, da je v dimenzijah in materialih podoben (razen prizidnega epoksidnega lepljenja) kot izpopolnjeni votlin za čiščenje izhodnega načina LIGO 17, da izkoristi obstoječe potresne in zvočne izolacijske platforme.

Image

Pol-palčna ogledala so pritrjena na bloke kremena na 15 mm višine, da tvorijo votlo kravato votlo s potujočim valom z vpadnim kotom na 6 ° in okroglo dolžino 0, 345 m. Dvojna 50 mm mm konkavna črpalka za fokusiranje (532 nm), svetloba do pasu 21 μm, z ustreznim temeljnim pasom 30 μm znotraj temperaturno krmiljenega zagozdenega kristala PPKTP. Za poravnavo in prevajanje kristala skozi snop v notranjosti votline se uporablja stopnja Newport 9071-V.

Slika v polni velikosti

Pričakuje se, da bo skoraj monolitna zasnova stekla zagotavljala nizko dolžino hrupa in dolgoročno stabilnost poravnave, zmanjšala kvadraturo in kotna nihanja, medtem ko topologija potujočega vala zmanjšuje vpliv razpršene svetlobe 16 . Postavitev iztisnjenega vira svetlobe v glavni vakuumski ovoj omogoča znatno zvočno in potresno izolacijo, kar še dodatno zmanjša vpliv razpršene svetlobe. To zmanjšanje razpršene svetlobe posledično zmanjša potrebno optično izolacijo (ponavadi se izvede prek Faradayovih izolatorjev) in sočasne optične izgube.

Stalno fiksirana ogledala za votlino morajo biti natančno in natančno nameščena in postavljena pod kotom. Votlina OPO je bila zgrajena z optičnim stikom sklopov zrcalnih stekel na visoko polirano stekleno ploščo. Optični stik ponuja močno neposredno medmolekulsko vez z naklonom, zajamčenim s ploskostjo plošče in kvadratnostjo optičnih blokov (± 0, 18 oz. ± 30 "), kar je pomembna prednost za ohranjanje optične osi, ki je dobro osredotočena na vse optike. Stiki s pomočjo rešitve so uporabljeni za posredovanje hitrosti stika, ko se bloki premikajo na svoje mesto. Za vodenje poravnave smo uporabili natančno rezano aluminijasto masko za poravnavo. Izdelan je bil bowtie resonator z vpadnim kotom 6 ° in skupno skupno dolžino votline 345 mm. Med dvema polmeroma ukrivljenih konkavnih ogledal polmera 50–50 mm je oblikovan 30 µm (21, 2 µm ) temeljnega pasu 1064 nm (črpalka 532 nm). Za določitev lastnega modula votline je bil uporabljen vidni 532 nm snop, saj so za natančno nastavitev zrcalnega zrcala uporabljeni mikrometri, ko je končno nastavljen stik z ogledalom. Dobrota stika je bistvena za mehansko stabilnost naprave. Glede na to, da je treba neregulirana ogledala v votlini poravnati znotraj omejenega časovnega obdobja, je to pomemben dokaz sposobnosti preživetja optičnega stika za štirinožno zrcalno votlino in s tem za nadaljnje OPO za uporabo v ekstremnih okoljih in / ali z zahtevnimi mehanskimi zahtevami.

Za vzdrževanje pogojev faznega ujemanja med črpalko in osnovno svetlobo je treba nelinearni kristal natančno nadzorovati, ko je pod vakuumom. Temperatura kristala PPKTP je bila nadzorovana s standardnim proporcionalnim krmilnikom-derivatom, ki se vrača v "pečico", izdelano iz vakuumskih materialov, pri čemer je bil vzdrževan ustrezen toplotni stik. Na zraku je za nadzor temperature kristala dovolj tesen stik med kristalom in okoliškim bakrom, pri čemer je zadostno toplotno prevodnost zagotovljeno predvsem skozi preostali zračni sloj med nepravilnimi površinami kristala in bakrom (nobeden od njih ni super poliran). Za vakuumsko delovanje, namesto da bi uporabili toplotno prevodno pasto, smo med posameznimi elementi v pečici nasuli plast indijeve folije, da nadomestimo prevodnost, ki jo zagotavlja preostali zrak pri atmosferskem tlaku. Toplotno prevodne paste imajo nedorečeno kompatibilnost z vakuumom, saj lahko izpuščajo onesnaževalce, kar lahko poškoduje optične prevleke z majhnimi izgubami v neposredni bližini.

Za dvojno resonanco črpalke in osnovne svetlobe je treba kompenzirati disperzijo optičnih elementov v resonatorju, vključno z nelinearnim kristalom. To dosežemo z klinanjem nelinearnega kristala (1, 15 °); s prevajanjem kristala skozi snop se spreminja razdalja širjenja v kristalnem materialu, ki jo lahko v kombinaciji z disperzijo v kristalu uporabimo za dvojno resonanco črpalke (532 nm) in temeljna stisnjena polja (1064 nm). OPO je izdelan v standardnih laboratorijskih pogojih, ki vključuje zrak v 1 atmosferi. Disperzivni premik med črpalko in osnovnimi valovnimi dolžinami v zraku

Image

30 ustreza približno 1, 3 prosti spektralni razponi votline za temeljno 1064 nm polje; to spremembo disperzije je treba kompenzirati pri prehodu v vakuumsko okolje. Natančne prilagoditve stanja dvojne resonance v votlini je mogoče izvesti tudi s fino nastavitvijo temperature kristala; to spremeni tudi ujemanje faz.

Slika 2 prikazuje premik temeljnega polja od idealne so-resonance, ko je votlina zadržana v resonanci v 532 nm, medtem ko je votlina postavljena pod vakuum. Overlaid je okno za ujemanje faz PPKTP kristala skupaj s pričakovano stopnjo stiskanja. Pogoj dvojne resonance pod vakuumom je mogoče doseči s predvidevanjem spremembe disperzije in nastavitvijo položaja kristala, da se doseže istočasno ujemanje faz in kososonanca, ko zrak izpari. To zmanjša razpoložljivo raven stiskanja, ko je atmosferski tlak.

Image

Vse krivulje so prikazane kot funkcija nelinearne temperature kristala. Za vse krivulje velja, da se črpalno polje zadržuje na resonanci v votlini.

Slika v polni velikosti

Eksperimentalna nastavitev je prikazana na sliki 3. Luč črpalke (532 nm) se ustvari in vbrizga v dvojno resonančno stekleno votlino OPO, ki je nameščena v vakuumskem rezervoarju, ki ima 1 × 10 -6 mBar. Izklopljena stisnjena svetloba je bila usmerjena iz vakuuma in izmerjena v uravnoteženi postavitvi detektorja homodina.

Image

Osrednja frekvenca stiskanja je glavna 1064 nm laserja (Main). Vakuumski OPO (VOPO) črpa svetloba z glavnega laserja, ki se je frekvenčno podvojil v zunanjem drugem harmoničnem generatorju (SHG). Vdolbina OPO vzdržuje svetlobo črpalke s pomočjo blokirne sheme Pound-Drever-Hall, pri čemer uporablja 70 MHz stranske pasove, ki se nanesejo z elektro-optičnim faznim modulatorjem (EOM) in snopom, ki se odbija od votline, zaznane pri PD2. Za krmiljenje faze črpalke glede na homodinski lokalni oscilator (LO) je bila izvedena spremenjena koherentna shema zaklepanja 16, 32 s pomočjo pomožnega (1064 nm) laserja (AUX), ki se je frekvenca premaknila z glavnega laserja za 29, 8 MHz, ki se širi s stisnjeno svetlobo. Ta pomožni laser premaga z glavnim laserjem pri PD1, da ohrani frekvenčno razliko. Iztisnjeni svetlobni signal se je črpal iz sklopa vakuumskega rezervoarja skozi vakuumsko okno z majhnimi izgubami, odstranjevanje svetlobe črpalke (532 nm) in izvajanje uravnotežene homodinske detekcije. Signal napake za nadzor relativne faze lokalnega oscilatorja do stiskalnega kota OPO nastane z mešanjem ritma benote med pomožnimi laserskimi koherentnimi krmilnimi stranskimi pasovi in ​​LO; dolžina poti LO je nastavljena z ogledalom s PZT.

Slika v polni velikosti

Rezultati pri vakuumskem delovanju OPO so prikazani na sliki 4. Če izvzamemo točke, ki jih je priklopil na napajalni tok, doseženo stiskanje znaša 8, 6 ± 0, 9 dB zmanjšanja hrupa pod nivojem hrupa in s stiskanjem v pravokotni kvadraturi 15, 9 ± 0, 7 dB. Delovanje OPO je bilo prikazano za več kot eno uro, ko je naprava delovala po tednih v vakuumu; ni bilo opaziti poslabšanja učinkovitosti.

Image

Prikazani so kvantni hrup zaradi navadnega vakuuma (šumenje, zelena sled), hrup v stisnjeni kvadraturi (proti stiskanju, oranžna sled), hrup v stisnjeni kvadraturi (opaženo stiskanje, modra sled) in osnovna raven hrupa elektronike (vijolična). Glej metode za oceno izgube na poti stiskanja 8, 9%. Spektri hrupa so normalizirani glede na raven hrupa, vendar za elektronski hrup niso popravljeni. Konice hrupa pri celih večkratnih napajalnih omrežjih 50 Hz ostanejo pri največjih 460 Hz pri vseh treh meritvah neznanega izvora.

Slika v polni velikosti

Smo upravljali optični parametrični oscilator v visoko vakuumskih pogojih, ki proizvajajo stisnjen optični vakuum in znižanje nivoja kvantnega hrupa za 8, 6 dB v zvočnem pasu; to je primerljivo s podobnimi poskusi stiskanja zvočnega pasu v zraku. Ugotovili smo številne težave za nelinearne fotonične naprave, vključno s potrebo po upoštevanju disperzije zraka pri prehodu v vakuum. Predstavitev vse steklene monolitne votline OPO, ki deluje v vakuumu, odpira pot za razvoj podobnih zasnov, ki jih je treba izvesti v potresno izoliranih vakuumskih okoljih naprednih detektorjev gravitacijskega vala. Namestitev takšnega svetlobnega vira, stisnjenega s vakuumom, še posebej, če je združen s filtrsko votlino, da ustvari frekvenčno odvisno stiskanje 31, lahko znatno izboljša kvantno omejeno občutljivost v prihodnjih detektorjih gravitacijskega vala.

Metode

Dolžina vdolbine je zaklenjena na resonanco za črpalko s pomočjo 70 MHz RF-stranske blokirne sheme Pound-Drever-Hall v odsevu (PD-PDH) z aktiviranjem, ki ga zagotavljajo PZT, na katere so vezana ukrivljena votla ogledala. Vakuumsko polje se v kvadraturi z lučjo črpalke razjasni, kar ustvarja stisnjena in anti-stisnjena kvadratura vakuuma. Zato je treba fazo črpalke nadzorovati glede na polje homodin LO, da izberete izbrano kvadraturo (stiskanje ali proti stiskanju). S pomočjo pomožnega (1064 nm) laserja smo izvedli spremenjeno shemo skladnega zaklepanja 16, 32 . Ta frekvenca je bila izravnana za 29, 8 MHz iz osnovnega polja OPO prek opombe s podvojeno frekvenco (PD1), zaklenjene pri odmiku 59, 6 MHz od polja črpalke OPO. Fazni odnos med podvozjem 29, 8 MHz in črpalko je torej določen in se skupaj širi v votlino OPO, ki ima skupno pot. Fazno odvisen signal napake je izdelan na uravnoteženem homodinskem detektorju iz oddanih 29.8 MHz koherentnih krmilnih pasov in lokalnega oscilatorja. Zaradi zaklepa utripa s svetilko črpalke ta signal napake spremlja fazo luči črpalke, ki omogoča zaklepanje kvadrata zaznavanja homodina na stisnjeno kvadraturo. Te bočne pasove 1064 nm izravnanih sond so dovolj oddaljene od osnovnega polja in dovolj od širine vdolbine, da ne onesnažijo vakuumsko stisnjenega polja ali izčrpajo razpoložljivo črpalko.

Moč, prisotna na vhodu v votlino OPO, je bila nastavljena na 105 mW; to zagotavlja klasični nelinearni dobiček vbrizganega semenskega polja približno 16 in ustreza približno 75% praga. Odbojnost moči vhodne spenjače 0, 845 (0, 70) v osnovnem polju 1064 nm (črpalka 532 nm) daje natančnost 37 (17, 6). S prostim spektralnim razponom 849 MHz, ki vključuje kristalni lomni indeks, daje votlina širine črte 23 MHz in 48, 3 MHz za temeljna 1064 nm in črpalka 532 nm. Koherenten odmik za zaklepanje s frekvenco 29, 8 MHz je bil dovolj blizu širini črte votline, da je dosegel zadosten signal napake.

Uravnoteženo homodinsko merjenje stanja vakuuma je narejeno z 1 mW svetlobe oscilatorja (LO), ki je prisotna na vsakem fotodetektorju. To polje smo očistili in ga prenesli skozi Faradayev izolator, da bi dosegli maksimalno prostorsko kakovost razpoložljive koherentne svetlobe in zmanjšali potencialno povratno razbijanje. Nastavitev homodina je zagotovila 70 dB skupnega načina zavrnitve za LO-hrup. Veliko truda je bilo vloženega za prepoznavanje in ublažitev virov razpršene svetlobe. Nadaljnjo izolacijo okolja smo dosegli s pritrditvijo detektorja homodina in pripadajoče optike znotraj težke aluminijaste škatle z 20 mm debelimi stenami.

Sledi, prikazani na sliki 4, so bili normalizirani na raven hrupa posnetka čistega vakuumskega polja in imajo odmik nad elektronskim (temnim) dnom hrupa nad 20 dB. Nastalo kvantno dušenje hrupa pod vrednostjo hrupa je omejeno tako z izgubami kot s faznim šumom med izvorom OPO in detektorjem homodina. Skupna izguba je ocenjena na 8, 9 ± 0, 1%, kar vključuje 97, 9 ± 0, 1% izkoristek OPO pobega, 97, 5 ± 0, 5% izkoristek širjenja, kvantni izkoristek fotodetektorja ( η PD ) 98 ± 1% in neskladje načina homodina, ki prispeva 97, 4 ± 0, 5 %. Ocenjujejo, da je znižal začetni nivo stiskanja s 16, 3 ± 0, 7 dB na 9, 50 ± 0, 3 dB. Ocenjeni fazni šum je bil 21 ± 1 mrad rms na podlagi meritev stiskanja kot funkcije nastavljenega nelinearnega ojačanja. Ocenjuje se, da so prispevki faznega hrupa še bolj znižali raven stiskanja na 8, 9 ± 0, 3 dB, tako da so na merjenje stisnjene kvadrature projicirali del protistisnjene kvadrature.

Z izboljšanjem načina, ki ustreza 99, 5-odstotni vidljivosti, je treba pričakovati izboljšanje ravni stiskanja na 9 dB. Z nadaljnjimi izboljšavami faznega hrupa do 11 mrad rms in učinkovitosti širjenja na 99% se lahko izmerjeno stiskanje izboljša na 10 dB.

Dodatne informacije

Kako citirati ta članek : Wade, AR et al. Stisnjen vir svetlobe deluje pod visokim vakuumom. Sci. Rep. 5, 18052; doi: 10.1038 / srep18052 (2015).

Pripombe

Z oddajo komentarja se strinjate, da se boste držali naših pogojev in smernic skupnosti. Če se vam zdi nekaj zlorabe ali ne ustreza našim pogojem ali smernicam, označite to kot neprimerno.