Smal - Liniebredde -lasere er afgørende i en lang række anvendelser, herunder præcisionsfølelse, spektroskopi og kvantevidenskab. Foruden spektral bredde er spektral form også en vigtig faktor, afhængigt af den specifikke anvendelse. For eksempel kan strøm på hver side af laserlinjen indføre fejl i den optiske manipulation af kvantebits og påvirke nøjagtigheden af atomur. Med hensyn til laserfrekvensstøj overstiger Fourier -komponenterne genereret ved spontan emission i lasertilstand typisk 105 Hz, og disse komponenter bestemmer amplituden på hver side af linjebredden. Kombineret med Henry -forbedringsfaktoren definerer disse faktorer kollektivt kvantegrænsen, kendt som Schawlow - byens (ST) -grænse, der fastlægger den opnåelige nedre grænse for den effektive linjebredde efter eliminering af teknisk støj, såsom hulrumsvibrationer og længde drift.
Derfor er minimering af kvantestøj et kritisk aspekt af smal - lineWidth -laserdesign. I praksis opnås den ønskede linjebredde ved at justere de vigtigste faktorer i ST -grænsen: laserkraft, ved hjælp af høj - q - faktorhulrum og valg af forstærkningsmedier med lav feltamplitude - brydningsindeks -kobling (Low Henry Factor). Lasere som Titanium Sapphire -lasere, fiberlasere og eksterne hulrums -halvlederlasere er typiske eksempler på lasere, der er i stand til at opnå Hertz - niveau linjevidtand, der kræves for mange af de mest krævende sammenhængende laserapplikationer. Imidlertid forbliver design af lasere, der samtidig opfylder kravene til linjebredde, strøm og bølgelængde i en given anvendelse.
Forskere ved Macquarie University testede denne teknologi ved hjælp af diamantkrystaller, der tilbyder fremragende termisk præstation og giver et stabilt testmiljø. De testede en forsætligt skabt "støj" -indgangsbjælke med en linjebredde, der overstiger 10 MHz ved hjælp af en diamantkrystall med en diameter på kun et par millimeter i et hulrum. Deres Raman -spredningsteknik komprimerede udgangslaserstrålens linjebredde til 1 kHz, grænsen for deres detektionssystem og opnåede en kompressionsfaktor, der overstiger 10.000 gange.
Figur 1. Enkelt - Sidet PSD -målingresultater viser betydelig støjindsnævring af pumpefrø- og Stokes -komponenterne ved høje frekvenser.
Forskningsteamet anvendte princippet om stimuleret Raman -spredning til at begejstre højere - frekvensvibrationer inden for materialet og opnå en linjebredde, der indsnævrer tusinder af gange mere effektive end traditionelle metoder. I det væsentlige repræsenterer dette en ny laserspektralt rensningsteknologi, der gælder for forskellige typer input -lasere, der markerer et grundlæggende gennembrud i laserteknologi.
Denne nye teknologi adresserer spørgsmålet om mindre tilfældige tidsmæssige variationer i lette bølger, der forårsager et fald i laserstrålens renhed og reducerede præcision. I en ideel laser skal alle lette bølger være perfekt synkroniserede -, men i virkeligheden kan nogle lette bølger lidt føre eller hænge bag andre, hvilket forårsager udsving i lysfasen. Disse fasefluktuationer genererer "støj" i laserspektret - sløring af laserens frekvens og reducerer dens farvelægning.
Princippet om Raman -teknologi er at konvertere disse tidsmæssige uregelmæssigheder til vibrationer inden for en diamantkrystall, som hurtigt absorberes og spredes (inden for et par billionedele af et sekund). Dette efterlader de resterende lysbølger med glattere svingninger, hvilket resulterer i højere spektral renhed og en signifikant indsnævringseffekt på laserspektret.
Figur 2. (a) Skematisk diagram over lasersystemet, der viser nøglekomponenter. WNG: Hvid støjgenerator, OC: Outputkobling, IC: input kobling, EOM: elektro - optisk modulator, LBO: lithium borat, λ/2: halv - bølgeplade. (b) Stokes frekvensdrift med feedback (orange) og uden feedback (blå). For feedback -sagen er piezoelektrisk spænding inkluderet for at indikere drivkompensation.
Ud over sin ekstraordinære linjebredde -indsnævringseffekt fandt forskere, at dens Raman -teknik giver flere fordele i forhold til traditionelle Brillouin -metoder, herunder opnåelse af mindre minimumslinjeværd. Disse Ultra - smalle linjebredde lasere har flere skæring - kantapplikationsområder:
Kvantecomputere: Manipulering af kvantebits (QUBITS), de grundlæggende enheder af kvanteinformation, kræver ekstremt præcis laserkontrol. Nuværende lasere introducerer fasestøj, hvilket fører til fejl i kvanteberegning. Forbedret spektral renhed vil forbedre pålideligheden af kvantecomputere.
Atomur: Atomur danner grundlaget for GPS -navigation. Højere spektral renhed vil forbedre deres præstationer og kan drive nye opdagelser i grundlæggende fysik i fremtiden.
Gravitationsbølgedetektion: Gravitationsbølgedetektorer, der måler ekstremt små forvrængninger i rumtid, kan blive mere følsomme ved at bruge laserbjælker med smalere linjebredder, hvilket potentielt muliggør påvisning af svagere signaler fra fjerne kosmiske begivenheder.
