Lasers de largura de linha estreitos - são cruciais em uma ampla gama de aplicações, incluindo detecção de precisão, espectroscopia e ciência quântica. Além da largura espectral, a forma espectral também é um fator importante, dependendo da aplicação específica. Por exemplo, a energia em ambos os lados da linha do laser pode introduzir erros na manipulação óptica de bits quânticos e afetar a precisão dos relógios atômicos. Em relação ao ruído da frequência do laser, os componentes de Fourier gerados por emissão espontânea no modo laser normalmente excedem 105 Hz, e esses componentes determinam a amplitude em ambos os lados da largura de linha. Combinados com o fator de aprimoramento de Henry, esses fatores definem coletivamente o limite quântico, conhecido como Schawlow - Townes (ST) Limit, que estabelece o limite mais baixo alcançável da largura de linha efetiva após a eliminação do ruído técnico, como vibrações de cavidade e desvio de comprimento.
Portanto, minimizar o ruído quântico é um aspecto crítico do design de laser de largura de linha estreita -. Na prática, a largura de linha desejada é alcançada ajustando os principais fatores do limite ST: potência do laser, usando cavidades fatoriais altas - q -} e selecionando mídia de ganho com baixa amplitude de campo -} acoplamento de índice refrativo (fator de baixo henry). Lasers como lasers de safira de titânio, lasers de fibra e lasers de semicondutores de cavidade externa são exemplos típicos de lasers capazes de alcançar a largura de linha de nível Hertz -} necessária para muitos dos aplicativos laser coerentes mais exigentes. No entanto, projetar lasers que atendem simultaneamente aos requisitos de largura de linha, energia e comprimento de onda de um determinado aplicativo continuam sendo desafiadores.
Pesquisadores da Universidade Macquarie testaram essa tecnologia usando cristais de diamante, que oferecem excelente desempenho térmico e fornecem um ambiente de teste estável. Eles testaram um feixe de entrada "ruído" criado intencionalmente com uma largura de linha superior a 10 MHz usando um cristal de diamante com um diâmetro de apenas alguns milímetros dentro de uma cavidade. Sua técnica de espalhamento Raman comprimiu a largura de linha do feixe de laser de saída para 1 kHz, o limite de seu sistema de detecção, alcançando um fator de compressão superior a 10.000 vezes.
Figura 1. Resultados de medição PSD --, mostram estreitamento significativo de ruído das sementes da bomba e componentes de Stokes em altas frequências.
A equipe de pesquisa utilizou o princípio de espalhamento de Raman estimulado para excitar vibrações de frequência - no material, alcançando um efeito de estreitamento da largura de linha milhares de vezes mais eficaz que os métodos tradicionais. Essencialmente, isso representa uma nova tecnologia de purificação espectral a laser aplicável a vários tipos de lasers de entrada, marcando um avanço fundamental na tecnologia a laser.
Essa nova tecnologia aborda a questão de pequenas variações temporais aleatórias em ondas leves que causam um declínio na pureza do feixe de laser e na precisão reduzida. Em um laser ideal, todas as ondas leves devem ser perfeitamente sincronizadas -, mas, na realidade, algumas ondas leves podem levar levemente ou atrasar -se atrás de outras, causando flutuações na fase da luz. Essas flutuações de fase geram "ruído" no espectro a laser - embaçando a frequência do laser e reduzindo sua pureza de cor.
O princípio da tecnologia Raman é converter essas irregularidades temporais em vibrações dentro de um cristal de diamante, que são rapidamente absorvidas e dissipadas (dentro de alguns trilhões de segundo). Isso deixa as ondas leves restantes com oscilações mais suaves, resultando em maior pureza espectral e um efeito de estreitamento significativo no espectro do laser.
Figura 2. (A) Diagrama esquemático do sistema a laser, mostrando os principais componentes. WNG: Gerador de ruído branco, OC: Couplador de saída, IC: acoplador de entrada, eom: Electro - Modulador óptico, LBO: borato de lítio, λ/2: metade - placa de onda. (b) Stokes Frequency Drift com feedback (laranja) e sem feedback (azul). Para o caso de feedback, a tensão piezoelétrica é incluída para indicar compensação de deriva.
Além de seu efeito de estreitamento excepcional de largura de linha, os pesquisadores descobriram que sua técnica Raman oferece várias vantagens sobre os métodos tradicionais de Brillouin, incluindo a obtenção de larguras mínimas menores. Esses ultra - lasers de largura de linha estreitos têm vários cortes - áreas de aplicação de borda:
Computadores quânticos: manipular bits quânticos (qubits), as unidades fundamentais da informação quântica requer controle de laser extremamente preciso. Os lasers atuais introduzem ruído de fase, levando a erros na computação quântica. A pureza espectral aprimorada aumentará a confiabilidade dos computadores quânticos.
Relógios atômicos: Relógios atômicos formam a base da navegação por GPS. Pureza espectral mais alta aumentará seu desempenho e poderá impulsionar novas descobertas na física fundamental no futuro.
Detecção de ondas gravitacionais: os detectores de ondas gravitacionais, que medem distorções extremamente pequenas no espaço -tempo, podem se tornar mais sensíveis usando vigas a laser com largura de linha mais estreita, possibilitando potencialmente a detecção de sinais mais fracos de eventos cósmicos distantes.
