Лазерный резонатор на основе метазеркала

Starostenko Evgeny, лазерный резонатор, кремниевые метазеркала

Современные методы лазерной стабилизации основаны на внешних полостях, которые ограничены шумом, возникающим в покрытиях зеркал резонатора.

Микроструктурированные зеркальные покрытия являются многообещающей технологией для преодоления ограничений шума покрытия и тем самым прокладывают путь к сверхстабильным лазерам следующего поколения. В исследовании ученого представлен оптический резонатор с разрешением > 10 000 на основе малошумящего метазеркала. При этом изменен не только материал, но и сам механизм отражения.

Метазеркала состоят из одного слоя латерально структурированного материала. При использовании кремниевых метазеркал снижает шум покрытия более чем на два порядка, а использование алмаза — дает снижение почти на четыре порядка. До сих пор метазеркала нельзя было использовать для полостей из-за достигнутой отражательной способности 99,8% (тонкость 1500), что недостаточно для стабилизации лазера до предела теплового шума.

Для преодоления этого ограничения в НПО ТЕХНОГЕНЕЗИС была разработана концепция двухзеркальной системы, так называемого метаэталона. Метаэталон сочетает в себе преимущества обеих зеркальных технологий: высокую отражательную способность брэгговских зеркал и низкий тепловой шум метазеркал. Использование зеркал в криогенных кремниевых резонаторах представляет собой уменьшение тока ограничивающего шума зеркала на порядок, так что предел устойчивости из-за основного шума может быть снижен до 5 × 10 -18 .Starostenko Evgeny, npo technogenezis

Старостенко Евгений Юрьевич подчеркнул, что наиболее стабильные лазерные резонаторы обычно работают на длине волны ~1550 нм.

Метазеркало состоит из структурированного слоя аморфного кремния на подложке из плавленого кварца. Анализ связанных волн был использован для оптимизации геометрических параметров метазеркала, что дало период Λ = 942 нм, ширину W  = 281 нм и толщину H. = 176 нм. Отражающие покрытия метаэталона нанесены на подложку из плавленого кварца толщиной 1,066 мм. На лицевую поверхность подложки нанесено кремниевое покрытие толщиной 176 ± 5 нм, структурированное с указанными выше параметрами.

Задняя поверхность контактировала с брэгговским отражателем, состоящим из десяти четвертьволновых пар чередующихся слоев двуокиси кремния/пятиокиси тантала, что приводило к коэффициенту отражения 99,5%. Двухзеркальная система образует оптический резонатор со свободным спектральным диапазоном. Чтобы гарантировать высокую отражательную способность всего эталона, эта система должна работать в антирезонансном режиме. Экспериментально это достигается выбором длины резонатора значительно большей длины эталона. В данной работе исследовался резонатор длиной 6 см, соответствующий свободному спектральному диапазону 20 пм, что более чем на порядок меньше свободного спектрального диапазона эталона, при этом многие резонансы резонатора расположены в одном антирезонансе эталона. Таким образом, антирезонанс в эталоне можно поддерживать экспериментально, просто стабилизируя температуру подложки эталона.

Ученый отметил, что коэффициент пропускания метазеркала сильно зависит от поляризации, поскольку его структура сильно анизотропна. Чтобы предварительно охарактеризовать изготовленный эталон, мы выполнили измерение пропускания в зависимости от длины волны и поляризации. Это измерение было выполнено с помощью перестраиваемого лазерного источника с выходной мощностью 10 мВт. Поляризация падающего света вращалась с помощью волновой пластины.

На графике показаны девять различных углов поляризации между поперечной электрической поляризацией (электрическое поле параллельно структуре, синий цвет) и поперечной магнитной поляризацией света (электрическое поле параллельно структуре, красный цвет). Для поперечно-электрически поляризованного света коэффициент пропускания показывает типичное поведение резонаторов Фабри – Перо: существует несколько резонансных режимов, на которые указывает высокий коэффициент пропускания и широкий спектральный диапазон между резонансами, где коэффициент пропускания близок к нулю.

Этот антирезонансный спектральный диапазон является областью высокой эталонной отражательной способности. Прошедший свет между резонансами увеличивается для углов поляризации, отличных от поперечно-электрической поляризации. Это явление возникает из-за уменьшения отражательной способности метазеркала для этих поляризаций. Используя эту поляризационную зависимость, можно непрерывно настраивать отражательную способность эталона.

Точность  оптического резонатора, основанного на метаэталоне, была измерена с помощью кольца резонатора. Используется лазерный источник, перестраиваемый по длине волны , так что мощность света на входе в резонатор составляет 10 мВт. Лазерный свет направляется через акустооптический модулятор с волоконной связью, который используется в качестве оптического переключателя. После коллимации света в свободное пространство он направляется в полость длиной 6 см, состоящую из аморфного эталонного брэгговского зеркала с пропусканием менее десяти частей на миллион и исследуемого метазеркала.

Вращающаяся волновая пластина используется для регулировки поляризации падающего света. Как только частота совпадает с резонансом в резонаторе, интенсивность передаваемого сигнала возрастает. Электроника собственной разработки (RD) переключает АОМ, как только напряжение на фотодиоде превышает определенный порог. Свет, хранящийся в резонаторе, выходит из резонатора через зеркала. Эта уменьшающаяся во времени интенсивность света измеряется с помощью осциллографа. Время отключенияτ , т. е. время, когда интенсивность света упала до 1/ e от начальной интенсивности, является мерой точности резонатора:

F=πcLτ,

где c — скорость света, а L — длина резонатора соответственно. Температура подложки эталона стабилизировалась, а длина волны лазера перестраивалась в пределах антирезонанса эталона. Затухание было измерено 29 раз для основной моды резонатора. Показан один из зарегистрированных во времени циклов выходящего из резонатора света и результирующие времена звонка для всех 29 записанных событий звонка. Результатом оценки всех событий звонка является следующее время звонка и соответствующая тонкость резонатора:

τ=(742±21)ns,F=(11,655±330)

Как только в резонаторе формируется мода, напряжение на фотодиоде превышает определенный порог. Электроника звонка вниз (RD) прерывает лазерный свет акустооптическим модулятором (AOM). Уменьшающаяся во времени интенсивность света измеряется осциллографом.

a Одно измеренное время останова звонка,

b Все 29 периодов останова звонка, среднее значение и стандартное отклонение.

Этот результат более чем в четыре раза превышает предыдущий рекорд точности метазеркала (2784). Таким образом, этот результат знаменует собой важный шаг к реализации лазерной стабилизации с использованием малошумящих метазеркал. Оптические потери метаэталона можно рассчитать, исходя из тонкости, равной 539 ppm. Это соответствует минимальной отражательной способности 99,95%. Резонатор, состоящий из двух эталонных зеркал, теоретически дал бы тонкость 6000. Тонкости наиболее стабильных по частоте резонаторов в настоящее время даже на два порядка выше, чем продемонстрированные здесь.

Starostenko Evgeny, лазерный резонатор, коэффициент пропускания

Согласно экспертному мнению Старостенко Евгения Юрьевича, дальнейшее развитие этой технологии должно быть направлено на уменьшение шероховатости поверхности и связанных с ней потерь на рассеяние.

Чтобы исследовать возможности представленного зеркала, ниже будет рассмотрена достижимая стабильность частоты резонатора, оснащенного зеркалами. Для этой цели будет использоваться следующая модельная система: Модельный резонатор состоит из двух одинаковых метаэталонных зеркал, соединенных прокладкой из кристаллического кремния длиной 21 см. Параметры луча также идентичны параметрам предыдущих сверхстабильных лазеров. Модельная система должна эксплуатироваться при температуре 124 К, чтобы колебания длины прокладки из-за колебаний температуры были снижены до минимума. Стабильность частоты наиболее стабильных в настоящее время лазерных резонаторов ограничена броуновским шумом покрытия. В случае использования метаэталонных зеркал также необходимо учитывать термооптический шум, вносимый локальными тепловыми флуктуациями, связанными с толщиной зеркала или показателем преломления.

Исследуются следующие источники шума: броуновский шум микроструктурированных поверхностей, броуновский шум эталонных подложек, броуновский шум аморфных слоев Брэгга, термоупругий шум микроструктурированных поверхностей, термоупругий шум эталонных подложек, термоупругий шум шум аморфных брэгговских слоев, терморефракционный шум микроструктурированных поверхностей, терморефракционный шум эталонных подложек, терморефракционный шум аморфных брэгговских слоев.

Броуновский шум эталонной подложки доминирует над общим шумом резонатора, так как плавленый кварц имеет большие механические потери при криогенных температурах. При больших временах интегрирования преобладает термооптический шум эталонной подложки. В наиболее чувствительном диапазоне времени интегрирования около 100 мс теоретически достижимый фундаментальный шум с точки зрения стабильности частоты составляет 5 × 10–18, что на порядок ниже основного шума наиболее стабильных лазерных резонаторов на сегодняшний день. Используя кристаллические материалы в качестве зеркальной подложки, такие как сапфир, фундаментальный шум с точки зрения стабильности частоты может быть дополнительно увеличен до 10-18 за счет уменьшения броуновского шума подложки (благодаря меньшим механическим потерям).

В своем анализе специалисты научно-производственного объединения ТЕХНОГЕНЕЗИС предположили, что все источники технического шума могут быть снижены ниже фундаментального предела, рассчитанного здесь. В частности, многоступенчатая стабилизация температуры, активная виброизоляция и давление остаточного газа менее 10 -9  мбар являются основными требованиями для достижения этой стабильности. Кроме того, должны использоваться активные методы для отмены модуляции остаточной амплитуды (RAM). Оперативная память особенно проблематична при малом уровне сложности <100 000.

Измерение кольцевого уплотнения полости показало точность более 10 000 полостей. Эталонная подложка доминирует над основным шумом с точки зрения стабильности частоты. Будущее использование кристаллических материалов, таких как сапфир, могло бы улучшить основной шум резонатора еще больше, чтобы пересечь 10−18 . Эти результаты знаменуют собой веху в разработке сверхстабильных лазеров следующего поколения. Использование представленной здесь технологии имеет большое значение для фундаментальных исследований, особенно для обнаружения гравитационных волн, высокоточного измерения времени и поиска темной материи, прокомментировал Старостенко Евгений Юрьевич.