Stabilisation de fréquence de plusieurs lasers à une transition atomique de référence de Rb

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 20624 (2022) Citer cet article

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Les horloges atomiques modernes basées sur l'interrogation d'une transition atomique dans les régions optiques nécessitent plusieurs lasers à différentes longueurs d'onde pour produire des ions atomiques, piéger et refroidir par laser des atomes neutres ou des ions atomiques. Afin d'obtenir une efficacité maximale pour le refroidissement du laser ou toute autre transition atomique, les fréquences de chacun des lasers impliqués doivent être stabilisées en atténuant ses dérives ou fluctuations dues à la variation de la température ambiante ou à d'autres types de perturbations. Le présent article décrit la stabilisation de fréquence simultanée d'un nombre multiple de lasers, nécessaire pour la production et le refroidissement par laser d'ions ytterbium (171Yb), à une fréquence de transition de référence d'atomes de rubidium (Rb). Dans cette technique, un laser à diode fonctionnant à ~ 780 nm est stabilisé en fréquence sur l'un des pics d'absorption sans élargissement Doppler des atomes de rubidium (85Rb), puis utilisé comme fréquence de référence pour l'étalonnage d'un compteur de longueur d'onde et la stabilisation de fréquence simultanée ultérieure de quatre lasers fonctionnant à différentes longueurs d'onde.

Frequency stabilization of lasers is a prerequisite for all kind of experiments related to laser cooling of atoms or atomic ions. Laser frequency stabilization or frequency locking is also an essential requirement for precision experiments1,2,3,4, e.g., optical frequency standards or optical clock based on the interrogation of ultra-narrow atomic transitions, which requires multiple number of stable laser frequencies. Optical atomic clock, realized through interrogation of a quadrupole transition {4f14 6 s 2S1/2|F = 0, mF = 0 > →4f145D 2D3/2|F = 2, mF = 0 >} of a single trapped ytterbium ion (171Yb+) ion at 435 nm, requires as many as four narrow linewidth(~ 23 MHz)5 and stable lasers at wavelengths around 399 nm, 369.5 nm, 935 nm and 760 nm respectively for probing transitions related to photoionization, laser cooling6,7 of ytterbium (171Yb+) ions and repumping of the metastable states of the ions5,8,9. Such a state-of-the art experiment demands accurate and precise regulation of all of its components, hence, all the required lasers need to be frequency stabilized so that desired transitions are probed accurately and effectively. Several techniques are being used for laser frequency locking or frequency stabilization, e.g., locking of laser's output frequency to a highly stable Fabry-Parrot cavity using Pound–Drever–Hall technique10,11, another commonly used technique is locking of laser to a reference atomic transition frequency on its Doppler broadening free transition peak12,13, 20 mT) with a micrometer-thin cell. Opt. Lett. 39(8), 2270–2273 (2014)." href="/articles/s41598-022-24952-6#ref-CR14" id="ref-link-section-d5377489e457"> 14 et maintenant des compteurs de longueur d'onde jours15,16,17 sont également utilisés dans différentes expériences de précision. Le choix d'une technique de verrouillage dépend de la demande expérimentale pour le niveau de précision. Par exemple, la spectroscopie de précision ou les expériences liées à la métrologie de haute précision exigent des instabilités de fréquence relatives18 supérieures à 10−15 alors que d'autres expériences telles que la spectroscopie atomique ou le refroidissement des atomes peuvent être réalisées avec des fréquences laser ayant des instabilités à court terme ≤ 10−10.

L'ion ytterbium refroidi par laser (171Yb+) offre deux transitions d'horloge ultra-étroites dans le domaine optique, c'est-à-dire une transition quadripolaire à 435 nm et une transition octapolaire à 467 nm avec une largeur de raie naturelle de 3 Hz et 3 nHz respectivement18,19. La stabilisation de la fréquence du laser d'horloge, pour sonder de telles transitions ultra-étroites, nécessite un effort considérable pour générer une fréquence de largeur de raie ultra-stable et ultra-étroite à l'aide d'une cavité à ultra faible expansion (ULE)1,20,21,22 et d'un servo-contrôleur rapide. Les transitions atomiques utilisées pour la production d'ions ytterbium par photoionisation, refroidissement laser des ions et repompage des états métastables des ions, ont une largeur de raie naturelle typique de dizaines de MHz et, par conséquent, les fréquences de ces lasers doivent être stabilisées dans la même plage, c'est-à-dire quelques dizaines de MHz pour les objectifs ci-dessus5.

Le présent article rend compte de la stabilisation simultanée et à long terme de la fréquence de quatre lasers différents, utilisés pour la production et le refroidissement par laser d'ions ytterbium, à l'aide d'un mesureur de longueur d'onde. Afin de mesurer les fréquences absolues du laser, le mesureur de longueur d'onde est calibré par rapport à un pic d'absorption libre d'élargissement Doppler des atomes de Rb23. Les spectres d'absorption libre d'élargissement Doppler des atomes de Rb sont enregistrés par spectroscopie d'absorption saturée (SAS) à travers une cellule à vapeur de Rb maintenue à température ambiante. L'un des principaux avantages de la technique de stabilisation de la fréquence laser basée sur le compteur de longueur d'onde est qu'elle permet le verrouillage simultané de plusieurs lasers avec une large région de longueur d'onde.

Un mesureur de longueur d'onde (WS-7, Highfiness) ainsi qu'un commutateur multicanal ont été utilisés dans l'expérience pour mesurer et stabiliser les fréquences laser. Ce mesureur de longueur d'onde se compose d'une unité optique couplée par fibre basée sur l'interféromètre Fizeau qui crée des modèles d'interférence et capable de couvrir une large gamme de longueurs d'onde, c'est-à-dire 350–1120 nm. Les modèles d'interférence générés dans le mesureur de longueur d'onde sont ensuite détectés par deux réseaux de dispositifs à couplage de charge (CCD) et les fréquences laser sont estimées, avec une précision de mesure absolue de 60 MHz, par rapport à un modèle de référence interne stocké. Initialement, une lampe au néon intégrée dans le longueurdondemètre est utilisée pour calibrer le longueur d'onde et un commutateur à fibre multicanal est utilisé pour la mesure simultanée de plusieurs fréquences de sortie laser. La sortie analogique d'un régulateur proportionnel-intégral-dérivé (PID) est utilisée pour le verrouillage de fréquence simultané pour tous ces lasers. La lampe au néon ne peut pas être utilisée en continu comme référence pour l'étalonnage de la fréquence car elle a une durée de vie limitée et le compteur de longueur d'onde est réétalonné à intervalles réguliers. Mais pendant cette période d'étalonnage, le mesureur de longueur d'onde arrête de mesurer les longueurs d'onde pendant un certain temps. Afin d'obtenir la plus grande précision possible et une stabilité à long terme dans la mesure de la fréquence, le compteur de longueur d'onde doit être réétalonné à intervalles réguliers et introduit éventuellement une erreur dans la mesure de la fréquence absolue pendant la période de réétalonnage. Pour surmonter cette lacune, le mesureur de longueur d'onde a été étalonné et stabilisé par une référence continue et stable, de sorte qu'il puisse être utilisé sans interruption pendant une plus longue période de temps en évitant plusieurs réétalonnages. Dans notre expérience, nous avons calibré le compteur de longueur d'onde à une fréquence de transition du Rubidium atomique en utilisant la technique SAS23,24,25,26,27 sans Doppler. Dans les expériences actuelles, une transition atomique de 85Rb avec une longueur d'onde absolue de 780,24392 nm a été utilisée comme référence pour l'étalonnage du compteur de longueur d'onde et le schéma de principe de la configuration expérimentale a été présenté à la Fig. 1. Un laser à diode à cavité étendue accordable (ECDL), fonctionnant à ~ 780 nm, est utilisé pour enregistrer les spectres d'absorption des atomes de Rb. La lumière du laser est couplée au mesureur de longueur d'onde à travers une fibre optique monomode puis collimatée par un miroir, avant d'entrer dans les interféromètres Fizeau à semi-conducteurs. Comme le montre la Fig. 1, la sortie laser est d'abord divisée en deux parties à l'aide d'un séparateur de faisceau 90:10 et la partie la plus faible du faisceau laser est acheminée vers le mesureur de longueur d'onde via le commutateur multicanal. La partie la plus puissante du laser est utilisée pour l'expérience, c'est-à-dire pour l'enregistrement Doppler élargissant les spectres d'absorption libre des atomes de Rb. Le faisceau laser traverse une plaque quart d'onde (λ/4) suivie d'un diviseur de faisceau polarisant (PBS) et divise ensuite le faisceau en deux parties, à savoir les faisceaux pompe et sonde. L'axe optique des lames quart d'onde est tourné de manière à ce que l'un des faisceaux devienne un faisceau de pompe de haute intensité (~ 1 mW) et traverse la cellule à vapeur Rb. La partie la plus faible du faisceau (~ 0,1 mW) est utilisée comme faisceau sonde et traverse la cellule à vapeur Rb à partir de l'autre extrémité, c'est-à-dire dans le sens contraire au faisceau pompe. Les spectres SAS sont enregistrés en détectant le faisceau sonde sur une photodiode (APD430A/M, Thorlabs), puis le signal est connecté à un contrôleur PID (DigiLock 110, Toptica) et le laser est verrouillé sur l'une des transitions atomiques de Rb et ce signal laser verrouillé est utilisé comme signal de référence pour le compteur de longueur d'onde.

Représentation schématique de la configuration expérimentale pour le verrouillage laser à l'aide de la spectroscopie d'absorption saturée (SAS). Ici, BS—séparateur de faisceau 90:10, W1 et W2—plaques quart d'onde, PBS1 et PBS2—séparateurs de faisceau polarisants, VC—cellule à vapeur Rb, M1, M2, M3 et M4—miroirs, M5—miroir cylindrique, PD—photodiode, MS—commutateur multicanal, C—coupleur de fibre, F—interféromètre Fizeau, CCD—dispositifs couplés chargés.

Le verrouillage laser est une technique utile pour stabiliser la fréquence de sortie du laser par rapport à une fréquence de transition de référence28 et très couramment utilisée dans les expériences de précision. Le verrouillage d'un laser sur un pic de référence particulier nécessite une commande de rétroaction en termes de signal d'erreur, qui est proportionnel au décalage ou au désaccord de la fréquence par rapport à sa valeur souhaitée, c'est-à-dire la fréquence de référence. Le signal d'erreur est renvoyé au contrôleur laser pour régler sa fréquence de sortie.

Lorsqu'un faisceau laser traverse une cellule à vapeur atomique et que sa fréquence est balayée autour des fréquences d'absorption de résonance, un modèle d'absorption spécifique est observé en raison de l'interaction laser-atome. Mais en raison des mouvements thermiques des atomes à l'intérieur de la cellule de vapeur, un élargissement Doppler se produit et se traduit par des spectres d'absorption élargis en fréquence, beaucoup plus larges que la largeur de raie naturelle. Considérons un groupe d'atomes ayant une composante de vitesse linéaire vx le long de la direction de propagation des faisceaux laser à contre-propagation, c'est-à-dire des faisceaux pompe et sonde. Lorsque les faisceaux de pompe et de sonde interagissent avec ces groupes d'atomes, la fréquence d'absorption de résonance sera décalée en raison de l'effet Doppler et le décalage Doppler dépend de la vitesse relative de ces atomes par rapport aux faisceaux laser, peut être exprimé comme

où ν0 est la fréquence de résonance des atomes au repos, c'est-à-dire que les atomes n'ont pas de composante de vitesse le long de la direction de propagation des faisceaux laser, c est la vitesse de la lumière et ν est la fréquence de résonance décalée Doppler. Afin de minimiser l'élargissement Doppler des spectres d'absorption, la technique de spectroscopie d'absorption saturée (SAS) est utilisée lorsqu'un faisceau laser de haute intensité à contre-propagation, appelé faisceau de pompe et faisceau de sonde de faible intensité, traverse la cellule de vapeur en configuration de contre-propagation. La largeur de raie de ces spectres d'absorption saturés est beaucoup plus étroite que les spectres d'absorption Doppler élargis. La largeur des spectres d'absorption libre d'élargissement Doppler, c'est-à-dire des spectres d'absorption saturés, dépend de la largeur de raie naturelle de cette transition atomique. La largeur des spectres SAS dépend également de la puissance du faisceau laser incident et s'élargit linéairement avec l'augmentation de la puissance laser. Par conséquent, la largeur de raie des spectres SAS peut également être optimisée en réduisant la puissance du faisceau laser. Habituellement, les spectres d'absorption élargis Doppler ont une largeur de raie de centaines de MHz, mais pour les spectres SAS, les largeurs de raie sont atteintes à quelques dizaines de MHz. Ainsi, la sortie de n'importe quel laser peut être stabilisée ou verrouillée sur le pic d'un signal SAS de référence. Dans la présente étude, la cellule à vapeur Rb a été choisie pour générer un signal SAS car Rb existe à l'état de vapeur à température ambiante et aucun chauffage supplémentaire n'est nécessaire. De plus, le Rb atomique fournit de nombreuses fréquences de transition étroitement espacées dans le domaine optique et fournit éventuellement un nombre multiple de fréquences de transitions SAS23,29,30,31 libres d'élargissement Doppler sur une large plage de longueurs d'onde. Les atomes de Rb naturel ont deux isotopes avec une abondance relative de 72 % pour le 85Rb et de 28 % pour le 87Rb. Dans la configuration expérimentale actuelle, les transitions hyperfines D2 (5S1/2–5P3/2) des atomes de Rb à ~ 780 nm ont été sondées pour obtenir des pics SAS libres d'élargissement Doppler. La figure 2a représente les spectres d'absorption avec les pics SAS pour 87Rb (Fg = 1, 2) et 85Rb (Fg = 2, 3). Dans notre expérience, nous utilisons 85Rb qui ont des transitions hyperfines Fg = 3 à Fe = 4, Fg = 3 à Fe = CO34 (pic de croisement de Fe = 3 et Fe = 4) et Fg = 3 à Fe = CO24 (pic de croisement de Fe = 2 et Fe = 4) avec des largeurs de raie correspondantes de 13,73 MHz, 20,75 MHz et 21,83 MHz respectivement. Nos largeurs de raie mesurées, comme mentionné dans le tableau 1, sont en bon accord avec les valeurs mesurées et rapportées antérieurement29,32. L'un des pics SAS modulés de 85Rb, correspondant à la transition Fg = 3 à Fe = CO34 à 780,24392 nm (illustré à la Fig. 2b) a été utilisé pour verrouiller la fréquence laser via un contrôleur de rétroaction.

(a) Doppler élargissant les spectres d'absorption saturée libre (SAS) pour la transition D2 des atomes 87Rb et 85Rb (force du signal de l'axe y (au). (b) Doppler élargissant les pics SAS libres (ligne rouge) pour les transitions hyperfines Fg = 3 à Fe = 4, Fg = 3 à Fe = CO34 (pic croisé de Fe = 3 et Fe = 4) et Fg = 3 à Fe = CO24 (Cros Sover Peak de Fe = 2 et Fe = 4) de 85Rb et leur dérivée de premier ordre comme signal d'erreur (bleu), le pic correspondant à la transition Fg = 3 à Fe = CO34 (υ = 384,229149 THz) a été utilisé comme signal de référence pour l'étalonnage et le verrouillage du compteur de longueur d'onde. (c) Variation de longueur d'onde d'un laser à fréquence stabilisée, tandis que le compteur de longueur d'onde utilise une lampe au néon intégrée comme référence d'étalonnage. (d) Variation de longueur d'onde d'un stabilisateur de fréquence d laser, tandis que le compteur de longueur d'onde est calibré sur le pic SAS de 85Rb.

La figure 2b illustre les pics SAS et leur signal différentiel de premier ordre généré par le contrôleur PID et ce signal différentiel est utilisé comme signal d'erreur correspondant pour verrouiller le laser sur un pic SAS spécifique. Le signal différentiel correspondant à un pic SAS représente le point zéro dans le signal d'erreur et les deux côtés des points zéro ont un signe opposé dans le signal d'erreur. Dans ce signal d'erreur (avec une fréquence de modulation de 3,97 kHz et une amplitude de 0,119 VPP), les pentes négatives et positives définissent le point le plus bas et le plus haut des fréquences de verrouillage et le point zéro du signal d'erreur a été utilisé comme référence pour l'étalonnage du mesureur de longueur d'onde. Afin de démontrer les avantages ou les bénéfices de l'étalonnage du compteur de longueur d'onde sur un pic SAS de référence par rapport à une lampe au néon intégrée, la fréquence laser stabilisée en fréquence a été enregistrée sur une très longue période en calibrant le compteur de longueur d'onde avec la lampe au néon et le pic SAS de Rb atomique respectivement.

La figure 2c démontre la stabilité de fréquence de la sortie mesurée du laser fonctionnant à ~ 760 nm et verrouillée sur le compteur de longueur d'onde, tandis que le compteur de longueur d'onde est calibré avec la lampe au néon intégrée. Comme il ressort de la figure 2c, le mesureur de longueur d'onde a besoin d'un recalibrage en peu de temps pour s'assurer que les lasers restent verrouillés à la valeur souhaitée, car la lampe au néon n'est pas allumée en permanence. Pendant la période de recalibrage, la mesure du longueur d'onde s'arrête et le laser commence à dériver de sa fréquence de fonctionnement. La fréquence de sortie montre d'énormes fluctuations pendant la période de son étalonnage et cela se produit à intervalles réguliers, ce qui est assez dérangeant et inacceptable pour de nombreuses expériences de précision comme le piégeage d'atomes à travers des pièges magnéto-optiques (MOT) ou le refroidissement laser d'atomes et d'ions atomiques.

Le problème discuté ci-dessus concernant le réétalonnage du mesureur de longueur d'onde avec la lampe au néon à intervalle régulier peut être résolu en utilisant un pic SAS d'atomes de Rb comme référence d'étalonnage au lieu de la lampe au néon. Comme les pics SAS de référence des atomes Rb sont très stables et insensibles aux perturbations atmosphériques, il est capable de verrouiller très efficacement les sorties laser sur une très longue période. Le pic SAS est utilisé comme source continue pour l'étalonnage et ne nécessite pas de réétalonnages multiples du mesureur de longueur d'onde. Les figures 2c, d illustrent la dérive de la longueur d'onde et ses fluctuations de la sortie d'un laser stabilisé en fréquence, tandis que le compteur de longueur d'onde est calibré avec la lampe au néon intégrée et le pic SAS des atomes Rb respectivement. Il a été observé que l'étalonnage du mesureur de longueur d'onde avec le pic SAS des atomes de Rb est assez avantageux car il donne une très bonne stabilité à long terme.

Afin d'estimer la stabilité à court terme de la fréquence de sortie du laser verrouillé, la transformation de Fourier rapide (FFT) a été effectuée pour les signaux d'erreur correspondant aux différents pics SAS des atomes de Rb. La densité spectrale de tension des planchers de bruit de l'analyseur de spectre ainsi que les pics SAS ont été présentés à la Fig. 3. La densité de bruit respective des pics SAS qui ont des transitions hyperfines Fg = 3 à Fe = CO24 (pic croisé de Fe = 2 et Fe = 4), Fg = 3 à Fe = CO34 (pic croisé de Fe = 3 et Fe = 4) et Fg = 3 à Fe = 4 sont estimées à 0,23 μv /Hz1/2, 0,21 μv/Hz1/2 et 0,14 μv/Hz1/2@2 kHz respectivement, comme présenté à la Fig. 3.

Densité spectrale de tension du plancher de bruit de l'analyseur de spectre (noir) et signaux d'erreur générés par les pics SAS correspondant aux transitions hyperfines Fg = 3 à Fe = 4 (pic 1—rouge), Fg = 3 à Fe = CO34 (pic 2—bleu) et Fg = 3 à Fe = CO24 (pic 3—violet).

Après avoir calibré et stabilisé le mesureur de longueur d'onde avec le pic SAS des atomes de Rb, quatre lasers fonctionnant à différentes longueurs d'onde ont été verrouillés à l'aide du contrôleur PID du mesureur de longueur d'onde. Les longueurs d'onde opérationnelles de ces quatre lasers sont ~ 399 nm 369 nm (générées à partir du signal généré par la deuxième harmonique du laser 739 nm), 935 nm et 760 nm et sont utilisées dans une expérience pour la production et le refroidissement laser des ions 171Yb+. Grâce au compteur de longueur d'onde étalonné, les quatre lasers ont été verrouillés simultanément sur leur longueur d'onde respective sur une période de 15 h. La figure 4 montre la dérive des longueurs d'onde et leurs fluctuations pour ces quatre lasers stabilisés en fréquences, les histogrammes correspondants dans la partie droite montrent la distribution des déviations de la fréquence de sortie du laser par rapport à leurs fréquences centrales avec FWHM 15,02 MHz pour 399 nm, 1,46 MHz pour laser 739 nm, 2,42 MHz pour laser 760 nm et 0,87 MHz pour laser 935 nm. Les résultats ci-dessus montrent que la stabilité ainsi que la largeur de raie des quatre lasers différents restent bien dans la limite requise pour les utiliser efficacement dans l'expérience de production et de refroidissement laser de l'ion 171Yb+ dans un piège à ions radiofréquence.

Fluctuations de fréquence relatives des lasers stabilisés en fréquence fonctionnant à ~ (a) 399 nm, (b) 739 nm, (c) 760 nm et (d) 935 nm respectivement. Les histogrammes correspondants (gaussiens) montrent la distribution des décalages de fréquence par rapport aux fréquences centrales pour chaque laser.

Une méthode simple et efficace pour la stabilisation de fréquence de plusieurs lasers à l'aide d'un mesureur de longueur d'onde a été présentée. Le compteur de longueur d'onde est calibré sur une transition atomique D2 libre d'élargissement Doppler de 85Rb par spectroscopie d'absorption saturée, au lieu de le calibrer sur la lampe au néon intégrée. Le pic SAS du rubidium atomique en tant que référence externe permet au compteur de longueur d'onde d'effectuer des mesures ininterrompues sur une très longue période de temps et, par conséquent, une stabilité de fréquence à long terme obtenue pour les sorties laser. Quatre lasers de longueurs d'onde différentes ont été stabilisés en fréquence à travers le longueur d'onde pendant plus de dix heures et tous offrent une excellente stabilité de fréquence avec une dérive de 0,013(8) kHz/h estimée en mesurant le décalage de la fréquence moyenne du laser sur une longue période de temps et des largeurs de raie de 15,02 MHz pour 399 nm, 1,46 MHz pour un laser 739 nm, 2,42 MHz pour un laser 760 nm et 0,87 MHz pour Laser 935nm.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de la présente étude sont disponibles sur https://data.mendeley.com/datasets/9d3zxwyztm.

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Les auteurs sont reconnaissants au CSIR-NPL, New Delhi pour la subvention de recherche. Shubham Utreja est reconnaissant au Conseil de la recherche scientifique et industrielle (CSIR) et Harish est également reconnaissant à la Commission des subventions universitaires (UGC) pour avoir fourni leur bourse de recherche.

Laboratoire national de physique du CSIR, Dr KS Krishnan Marg, New Delhi, 110012, Inde

Shubham Utreja, Harish Rathore, Manoj Das et Subhasis Panja

Académie de recherche scientifique et innovante (AcSIR), Ghaziabad, 201002, Inde

Shubham Utreja, Harish Rathore, Manoj Das et Subhasis Panja

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1. Mise en place de la configuration expérimentale et analyse des données :- SU et HR 2. Participation à l'expérience pour l'acquisition de données :- MD 3. Planification de l'expérience et participation à l'analyse :- SP

Correspondance à Subhasis Panja.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Utreja, S., Rathore, H., Das, M. et al. Stabilisation de fréquence de plusieurs lasers à une transition atomique de référence de Rb. Sci Rep 12, 20624 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24952-6

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Reçu : 06 septembre 2022

Accepté : 22 novembre 2022

Publié: 30 novembre 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-24952-6

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