EMPIR项目为下一代超稳定激光器奠定了基础

计量测控 2025-10-27 17:50
EMPIR项目为下一代超稳定激光器奠定了基础图1

降低频率不稳定性,以推动稳定的高分辨率量子技术的发展



来源:EURAMET新闻

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量子技术在许多不同领域对欧洲共同体至关重要,从计算和通信到健康、金融、交通和国家安全。为了在传感、计算和通信中利用量子效应,相干性是最重要的参数,开发更先进的设备和在专业实验室外广泛应用量子传感器都需要高度相干的激光源。

EMPIR项目为下一代超稳定激光器奠定了基础图2
计算与通信

EURAMET欧洲量子技术计量网络(EMN Quantum)为量子钟和原子传感器制定了通用计量策略和路线图。超稳定激光器和低扰动低温系统被确定为必不可少的使能技术,其激光噪声特性被确定为重要的计量验证。它们还被描述为量子传感器在时空参考、大地测量参考、导航、深空跟踪/定位、气候关键变量监测、地球科学、地下资源监测和健康等领域的核心使能技术。

已完成的EMPIR项目下一代超稳定激光器:通过新材料和技术(20FUN08NEXTLASERS)降低热噪声限制并克服技术限制,为开发频率不稳定性低于1×10-17Hz的量子器件奠定了基础,这是以前没有的。新的方法已被用于优化激光源,以降低热噪声并改善振动隔离。研究了用于实现低温操作的闭式循环冷却,以及用于优化激光波长以提高稳定性的数字信号过程。

项目成果

具体项目产出包括:


项目参与者FEMTO-ST演示了稀释式制冷机中单晶硅腔的冷却。用离腔体最近的传感器测得的最低温度为360      mK。后来,通过在腔体上直接粘贴一个传感器,证实了这一亚开尔文温度,达到了585      mK的最低温度。据该联盟所知,这是操作超稳定光学谐振腔所用的最低温度。

来自PTBMona      Kempkes获得了2024年欧洲时间和频率论坛学生海报奖,以表彰其对意外的新型噪声源和AlGaAs晶体涂层的双折射及其对项目过程中研究的超稳定激光器的影响的研究。
INRiM设计并安装了一块FPGA(现场可编程门阵列)板,用于同时将优质激光器的频率稳定性传输到光谱的许多区域。该板已成功用于计量合作伙伴项目气体初级光谱测温(22IEM03PriSpecTemp)的框架中,其中PTB的便携式Sr时钟被带到INRIM,并通过光纤链路与当地Yb时钟和其他欧盟光学时钟进行了比较。通过FPGA板,PTB时钟激光器的稳定性被转移到Yb时钟,使后者的稳定性提高了四倍。
PTB低温硅腔闭式循环冷却的成功实施现在使这些腔能够长期可靠地用于目前全球可用的最稳定的激光源,并通过计划的商业化为其在研究和技术中的广泛应用开辟了机会。
与使用光学频率梳作为传输振荡器相关的项目工作需要对计量链所有步骤产生的不确定度进行扩展和全面的表征。这使得INRiMLNE-SYRTEPTB的科学家能够提高其他EURAMET项目(包括18SIB05-ROIT22IEM01-TOCK)中用于国际时钟比较的设置的准确性和稳定性。有了这些新的结果,不确定度预算得到了升级,可以排除正在进行和计划中的时钟比较中可能存在的差异来源。
与使用基于稀土离子的频率参考作为LNE_SYRTE腔的替代品有关的项目工作可能会对温度敏感性和热噪声设定新的限制,并有望在1017以下出现不稳定性。

PTB的项目协调员Uwe Sterr说:“项目合作伙伴的共同努力为将激光器的频率噪声降低到新水平的方法提供了重要见解。我们的发现为改进这些光源做出了重要贡献,我们预计基于这些方法的更稳定的激光源很快就会出现,从而有利于量子技术。”

EMPIR项目由欧盟地平线2020研究和创新计划和EMPIR参与国共同资助。

编译:孙惠颖

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