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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-15863
URL: http://www.opus.ub.uni-erlangen.de/opus/volltexte/2010/1586/
Hertz-level Ultra-stable Laser and its Application to High Precision Spectroscopy
Hertz-level Ultra-stabile laser und die Anwendung auf Hoch Präzisions Spektroskopie
Zhao, Yanning
| SWD-Schlagwörter: |
| Laser, Spektroskopie , Frequenzstabilisierung , Pound-Drever-Hall , Regelkreis |
| Freie Schlagwörter (Englisch): |
| Laser , spectroscopy , frequency stabilization , Pound-Drever-Hall , feed-back-loop |
| Fakultät: |
| Naturwissenschaftliche Fakultät |
| DDC-Sachgruppe: |
| Physik |
| Dokumentart: |
| Dissertation |
| Schriftenreihe: |
| Progress in Modern Optics |
| Bandnummer: |
| 34 |
| Hauptberichter: |
| Wang, Lijun (Prof. Dr.) |
| Sprache: |
| Englisch |
| Tag der mündlichen Prüfung: |
| 23.12.2009 |
| Erstellungsjahr: |
| 2009 |
| Publikationsdatum: |
| 20.01.2010 |
| Kurzfassung in Englisch: |
| Diese Dissertation beschreibt die Entwicklung von Lichtquellen mit ultra-schmalen Linienbreiten um lambda = 946 nm mit sehr hoher Frequenz-Stabilität. Diese Lichtquellen sind Frequenz-vervierfacht worden und als lokale Oszillatoren im ultravioletten Bereich für einen optischen Frequenz-Standard angewandt, der auf einzelnen Laser-gekühlten und -gespeicherten In+ Ionen basiert. Ein MISER (monolithischer isolierter single-mode Enden-gepumpter Ring) Nd:YAG Laser und ein kommerzieller externer Gitter Diodenlaser (ECDL) wurden als Lichtquellen implementiert. Die Leistung des MISERs wird aufgeteilt und jeweils zu einer ultra-stabilen Referenz-Kavität stabilisiert. Der Diodenlaser ist zu einer Vibrations-unempfindlichen Fabry-Perot Kavität mit ultra-hoher Finesse stabilisiert.
Mit den drei ultra-stabilen Lightquellen haben wir eine optische "drei-Ecken-Hut" Messung durchgeführt, um die absolute Stabilität der einzelnen Quellen zu bestimmen. Unseres Wissens nach ist es das erste Mal, dass die absoluten Frequenz- Stabilitäten von drei Referenz-Kavitäten charakterisiert wurden, indem drei Laserstrahlen, die jeweils einzeln zu einer der Kavitäten stabilisiert wurden, miteinander interferiert wurden. Dieser Ansatz macht es möglich die individuelen Eigenschaften jeder Lichtquelle zu beobachten. Die konventionelle Schwebungs-Messung zwischen zwei Kavitäten zeigt hingegen nur die obere Begrenzung. Diese Methode ermöglicht verschiedene Anwendungen, wie zum Beispiel die Optimierung der Leistung von ultrastabilen Laserquellen für optische Uhrwerke.
Die Schwebungs-Messungen zwischen allen drei Kavitäten zeigen Linienbreiten <1 Hz. Messungen belegen dass die Vibrations-unempfindliche Kavität sogar ohne Vibrations-Isolation gute Frequenz Stabilität über die gesamte Messung von 100 μs bis 200s vorweist. Es wurde ermittelt dass die absolute Korrelations-abgezogene Allan Abweichung von dieser Kavität 1.4 ×10-15 bei 1 s beträgt - entsprechend einer Frequenz-Ungenauigkeit von nur 0.44 Hz.
Wegen der komplexen Servo-Elektronik-Gestaltung war die bisherige sub-Hertz Frequenz-Stabilisierung von Diodenlasern nur wenigen hochentwickelten Laboren vorenthalten. Mit dieser Arbeit demonstrieren wir, dass sub-Hertz Stabilisierung von Diodenlasern basierend auf kommerziel verfügbaren Komponenten und Technologien plausibel ist, wodurch es vielen Forschungsinstituten verfügbar gemacht wird. Wir sind überzeugt, dass ein Diodenlaser mit ultra-schmaler Linienbreiten und modularem Design, der einen breiten Wellenlängenbereich abdeckt, der weiteren Entwicklung von Präzisions Laser Spektroskopie dienen wird.
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| Kurzfassung in Deutsch: |
| This dissertation describes the development of ultranarrow linewidth light sources at lambda = 946 nm which have extremely high frequency stability. These light sources have been frequency quadrupled to apply as the local oscillator for an optical frequency standard based on laser cooled, trapped single In+ ion in the ultraviolet. A MISER (monolithic isolated single mode end-pumped ring) Nd:YAG laser and a commercially available external cavity diode laser (ECDL) are implemented as the light sources. The MISER power is split and individually locked to two ultrastable reference cavities. The diode laser is locked to a vibration-insensitive, ultrahigh finesse Fabry-Perot cavity.
Using the three ultrastable light sources, we performed an optical "three-cornered-hat" measurement to determine the absolute stability of each individual sources. This is, to our knowledge, the first time to characterize the absolute frequency stability of three reference cavities by cross beating three laser beams that are independently locked to these reference cavities. This approach makes it possible to observe the individual features of each light source, while the conventional beat note measurement between two cavities can provide only an upper bound. This method allows for numerous applications such as optimization of the performance of the ultrastable laser sources for optical clockwork.
The beat note linewidths between all the three cavities are observed to be at the level of <1 Hz. Measurements demonstrate that the vibration-insensitive cavity has good frequency stability over the entire measurement time from 100 μs to 200 s, even without vibration isolation. The absolute, correlation-removed Allan deviation of this cavity is determined to be 1.4 × 10-15 at 1 s, corresponding to a frequency uncertainty of only 0.44 Hz.
Due to the complex servo electronics design, subhertz frequency stabilization of diode lasers is so far limited to only a few highly advanced labs. With this work, we demonstrate that subhertz locking of diode lasers based entirely on commercially available components and technology is feasible. This makes it available to a broad range of research laboratories. We believe that a modular design, ultranarrow linewidth diode laser covering a broad wavelength range can greatly aid further development of precision laser spectroscopy.
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