Компактные транспортируемые ультрастабильные лазерные системы для квантовых вычислений, метрологии и сенсорики

Д. С. Крючков¹, К. С. Кудеяров¹, Г. А. Вишнякова^1,2, Н. О. Жаднов¹, К. Ю. Хабарова¹, Н. Н. Колачевский^1,3

¹ФИАН, г. Москва, Россия

Активное развитие квантовой метрологии за последние годы привело к созданию большого количества оптических часов, обладающих неточностью и нестабильностью менее единицы шестнадцатого знака [1, 2]. Всё больший акцент делается на создание транспортируемых [3] и бортовых реперов и стандартов частоты, основанных на прецизионной спектроскопии ансамблей ультрахолодных атомов и одиночных ионов в ловушках. Вместе с этим растет актуальность характеризации новых реперов частоты и создания сети оптических часов, что имеет большую важность для формирования и поддержания глобальных шкал времени [4], в частности — UTC(SU), модернизации наземного сектора ГЛОНАСС, метрологического обеспечения перспективных миссий в дальнем космосе и интерферометрии со сверхдлинной базой. К тому же, методами прецизионной спектроскопии наиболее эффективно решаются многие другие фундаментальные и прикладные задачи: релятивистской геодезии [5], тестов фундаментальных теорий [6], включающих в себя определение дрейфа фундаментальных констант, поиск полей темной материи.

Во всех этих задачах ультрастабильная лазерная система является ключевым элементом: в оптических часах она обеспечивает спектроскопию метрологического перехода; в процессах интерферометрии, когерентной рефлектометрии и удаленного сличения оптических часов выполняет роль ультрастабильного локального осциллятора на оптической частоте. Причем для транспортируемых и бортовых применений необходимо создание как метрологических, так и «простых» компактных и виброустойчивых компоновок.

В работе рассматривается создание и характеризация компактного резонатора из стекла ULE (Ultra Low Expansion) с высокоотражающими зеркалами для длины волны 1550 нм собственного производства. Описаны особенности конструкции резонатора и вакуумной камеры, измерены его ключевые характеристики, исследованы характеристики лазерной системы, стабилизированной по этому резонатору: ширина спектра составила 50 Гц на времени 50 мс, относительная нестабильность частоты излучения — 5∙10^-14 на времени усреднения 1 с. Подобные резонаторы могут быть применяться для создания компактных лазерных систем с целью использования в широком круге задач, не требующих рекордных показателей точности и стабильности, таких как прецизионная интерферометрия, когерентная рефлектометрия и передача ультрастабильных сигналов частоты.

Ультрастабильные лазерные системы являются важным элементом интерферометрических систем для спутниковой гравиметрии, позволяющей строить глобальные карты гравитационного потенциала. В рамках работ по подготовке к созданию проекта российской гравиметрической миссии разработан и создан макет лазерного интерферометра в транспондерной схеме, включающий компактную лазерную систему и позволяющий измерять расстояние детектированием фазы гетеродинного сигнала. Продемонстрировано прецизионное интерферометрическое измерение линейных сдвигов в диапазоне 17 мкм с погрешностью 320 пм на времени усреднения 1 c, 1.8 нм — 100 c.

Также в работе обсуждаются подходы к разработке и созданию метрологической стабилизированной лазерной системы с повышенной вибрационной устойчивостью для транспортируемых оптических часов. Рассматривается дизайн и изготовление опорного резонатора, системы подвеса и общей компоновки лазерной системы для эксплуатации вне лабораторных условий.

Литература

1) Oelker E., Hutson R., Kennedy C., et al. Demonstration of 4.8 × 10−17 stability at 1 s for two independent optical clocks // Nature Photonics. 2019. Т. 13. №. 10. С. 714–719.

2) 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.

3) Khabarova K., Kryuvhkov D., Borisenko A., et al. Toward a New Generation of Compact Transportable Yb+ Optical Clocks // Symmetry. 2022. Т. 14. №. 10. С. 2213.

4) Riehle F. Optical clock networks // Nature Photonics. 2017. Т. 11. №. 1. С. 25–31.

5) Kornfeld R. P., Arnold B. W., Gross M. A., et al. GRACE-FO: the gravity recovery and climate experiment follow-on mission // Journal of spacecraft and rockets. 2019. Т. 56. №. 3. С. 931–951.

6) Safronova M. S., Budker D., DeMille D., et al. Search for new physics with atoms and molecules // Reviews of Modern Physics. 2018. Т. 90. №. 2. С. 025008.