Schmale - Linienbreitenlaser sind in einem weiten Bereich von Anwendungen von entscheidender Bedeutung, einschließlich Präzisionserfassung, Spektroskopie und Quantenwissenschaft. Zusätzlich zur spektralen Breite ist die spektrale Form abhängig von der spezifischen Anwendung auch ein wichtiger Faktor. Zum Beispiel kann die Leistung auf beiden Seiten der Laserlinie Fehler in der optischen Manipulation von Quantenbits verursachen und die Genauigkeit von Atomuhren beeinflussen. In Bezug auf Laserfrequenzrauschen überschreiten die durch spontanen Emissionen in den Lasermodus erzeugten Fourier -Komponenten typischerweise 105 Hz, und diese Komponenten bestimmen die Amplitude auf beiden Seiten der Linienbreite. In Kombination mit dem Henry Enhancement -Faktor definieren diese Faktoren gemeinsam die als Schawlow - Townes (ST) -Schit bezeichnete Quantengrenze (ST), wodurch die erreichbare Untergrenze der effektiven Linienbreite nach eliminierender technischer Rauschen wie Hohlraumvibrationen und Längendrift festgelegt wird.
Daher ist das Minimieren von Quantenrauschen ein kritischer Aspekt des schmalen - -Leitungs -Laser -Designs. In der Praxis wird die gewünschte Linienbreite erreicht, indem die Schlüsselfaktoren der ST -Grenze angepasst werden: Laserleistung unter Verwendung von hohen - q - Faktorhohlräumen und Auswahl von Verstärkungsmedien mit niedriger Feldamplitude - Brechungsindex -Coupling (niedrigem Henry -Faktor). Laser wie Titan -Sapphire -Laser, Faserlaser und Halbleiterlaser der externen Hohlraum sind typische Beispiele für Laser, die die Hertz -Laser -Leinenbreite für viele der anspruchsvollsten kohärenten Laser -Anwendungen erreichen können. Das Entwerfen von Lasern, die gleichzeitig die Anforderungen an die Linienbreite, die Strom- und Wellenlänge einer bestimmten Anwendung erfüllen, bleibt eine Herausforderung.
Forscher der Macquarie University testeten diese Technologie mit Diamond Crystals, die eine hervorragende thermische Leistung bieten und eine stabile Testumgebung bieten. Sie testeten einen absichtlich erzeugten "Rauschen" -Ineingangsstrahl mit einer Linienbreite von mehr als 10 MHz unter Verwendung eines Diamantkristalls mit einem Durchmesser von nur wenigen Millimetern in einem Hohlraum. Ihre Raman -Streutechnik komprimierte die Linienbreite des Ausgangslaserstrahls auf 1 kHz, die Grenze ihres Erkennungssystems und erreichte einen Kompressionsfaktor, der das 10.000 -mal übersteigt.
Abbildung 1. Single - -Seitige PSD -Messergebnisse zeigen eine signifikante Rauschverengung der Pumpsamen- und Stokes -Komponenten bei hohen Frequenzen.
Das Forschungsteam nutzte das Prinzip der stimulierten Raman -Streuung, um eine höhere Frequenzschwingungen innerhalb des Materials zu erregen, wobei ein Linienbreiten -Effekt tausende Male wirksamer als herkömmliche Methoden erreicht. Dies stellt im Wesentlichen eine neue Laser -Spektralreinigungstechnologie dar, die für verschiedene Arten von Input -Lasern anwendbar ist und einen grundlegenden Durchbruch in der Lasertechnologie markiert.
Diese neue Technologie befasst sich mit dem Thema geringfügige zufällige zeitliche Variationen in Lichtwellen, die zu einem Rückgang der Laserstrahlreinheit und einer verringerten Präzision führen. In einem idealen Laser sollten alle Lichtwellen perfekt synchronisiert werden. Diese Phasenschwankungen erzeugen "Rauschen" im Laserspektrum -, der die Frequenz des Lasers verwischt und seine Farbreinheit verringert.
Das Prinzip der Raman -Technologie besteht darin, diese zeitlichen Unregelmäßigkeiten in Vibrationen innerhalb eines Diamantkristalls umzuwandeln, die schnell absorbiert und abgelöst werden (innerhalb weniger Billionen einer Sekunde). Dies lässt die verbleibenden Lichtwellen mit glatteren Oszillationen zurück, was zu einer höheren spektralen Reinheit und einem signifikanten Verengungseffekt auf das Laserspektrum führt.
Abbildung 2. (A) Schematisches Diagramm des Lasersystems mit Schlüsselkomponenten. WNG: Weißer Rauschgenerator, OC: Ausgangskuppler, IC: Eingangskuppler, EOM: Elektro - optischer Modulator, LBO: Lithium -Borat, λ/2: halb - Wellenplatte. (b) Stokes -Frequenzdrift mit Feedback (orange) und ohne Feedback (blau). Für den Rückkopplungsfall ist die piezoelektrische Spannung enthalten, um die Driftkompensation anzuzeigen.
Zusätzlich zu seiner außergewöhnlichen Zeilenbreiten -Verengungseffekt stellten die Forscher fest, dass seine Raman -Technik gegenüber traditionellen Brillouin -Methoden mehrere Vorteile bietet, einschließlich der Erreichung kleinerer Mindestlinienbreiten. Diese Ultra - schmale Linienbreiten -Laser haben mehrere Schneiden - Kantenanwendungsbereiche:
Quantencomputer: Die Manipulation von Quantenbits (Qubits), die grundlegenden Einheiten der Quanteninformation, erfordern eine extrem genaue Laserkontrolle. Aktuelle Laser führen Phasenrauschen ein, was zu Fehlern beim Quantencomputer führt. Eine verbesserte spektrale Reinheit verbessert die Zuverlässigkeit von Quantencomputern.
Atomuhren: Atomuhren bilden die Grundlage der GPS -Navigation. Eine höhere spektrale Reinheit wird ihre Leistung verbessern und in Zukunft neue Entdeckungen in der grundlegenden Physik vorantreiben.
Gravitationswellenerkennung: Gravitationswellendetektoren, die extrem kleine Verzerrungen in der Raumzeit messen, können durch die Verwendung von Laserstrahlen mit engeren Linienbreiten empfindlicher werden, was möglicherweise den Nachweis schwächerer Signale aus entfernten kosmischen Ereignissen ermöglicht.
