Измерение и стабилизация оптических частот с использованием фемтосекундной оптической гребенки и активного водородного мазера

А. А. Головизин¹, Д. О. Трегубов¹, М. О. Яушев^1,2, Д. И. Проворченко¹, Д. А. Мишин¹, П. Л. Сидоров¹, К. П. Галстян¹, И. В. Заливако¹, И. А. Семериков^1,3, К. Ю. Хабарова¹, Н. Н. Колачевский^1,3

¹ФИАН, г. Москва, Россия

Фемтосекундные оптические гребенки частот позволяют когерентно связывать осцилляторы оптического и радиочастотного диапазонов. Они используются для измерения оптических частот, генерирования высокостабильных и малошумящих радиочастотных и микроволновых сигналов, а также в прецизионной спектроскопии.

В настоящей работе мы приводим результаты использования фемтосекундной оптической гребенки частот компании «Авеста» для измерения и стабилизации частот различных лазеров, используемых в тулиевых оптических часах [1, 2] и квантовом вычислителе на ионах Yb [3]. Оптическая гребенка может быть стабилизирована как по радиочастотному сигналу, так и по одной из оптических частот.

В стандартной конфигурации, когда оптическая гребенка стабилизирована по радиочастотному сигналу от активного мазера (Ч-1035, компания «Время-Ч»), частоты лазеров на длинах волн 821 нм (используется для первичного охлаждения атомов тулия), 1108 нм и 935 нм (для охлаждения и перекачки ионов Yb) стабилизируются с использованием ФАПЧ. Частоты лазеров 1140 нм (тулиевый часовой лазер), 1060 нм (используются для вторичного охлаждения атомов тулия) и 871 нм (часовой лазер в ионах Yb) измеряются счетчиком частоты и используются для их долговременной подстройки. Мы также провели измерение абсолютных частот трех переходов в атоме тулия (на длинах волн 410 нм, 418 нм и 530 нм) с погрешностью на уровне одной десятой естественной ширины перехода.

В конфигурации, когда оптическая гребенка стабилизирована по лазеру 1140 нм, мы провели исследования шумов лазеров 1140 нм, 1060 нм и 871 нм, где показали нестабильность частоты каждого лазера на уровне 10^–15 в относительных единицах при времени измерения 1–10 с. В дальнейшем мы планируем осуществить стабилизацию частоты 1160 нм (перекачивающий лазер для ионов Yb) и провести точное измерение частоты этого перехода.

Литература

1) Golovizin A., Fedorova E., Tregubov D., et al. Inner-shell clock transition in atomic thulium with a small blackbody radiation shift //Nature communications. 2019. Т. 10. №. 1. С. 1724.

2) Golovizin A. A., Tregubov D. O., Fedorova E. S., et al. Simultaneous bicolor interrogation in thulium optical clock providing very low systematic frequency shifts // Nature communications. 2021. Т. 12. №. 1. С. 5171.

3) Aksenov M. A., Zalivako I. V., Semerikov I. A., et al. Realizing quantum gates with optically-addressable 171Yb+ ion qudits // arXiv preprint arXiv:2210.09121. 2022.