[論文レビュー] In-situ probing and stabilizing the power ratio of electro-optic-modulated laser pairs based on VIPA etalon for quantum sensing

Guochao Wang, Mingyue Yang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 15被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、高分散性バーチャルイメージドフェーズドアレイ（VIPA）エタロンを用いて、原子干渉計における電気光学的変調Ramanレーザー対の出力比をイン・サイトで高帯域でプローブおよび安定化する手法を提示する。このシステムは、出力モニタリングにおいて1マイクロ秒未塔の分解能を達成し、1000秒の平均化時間でアラン分散が4.39×10⁻⁵にまで低下する。これにより、環境的要因による影響に対しても、強固で長期にわたる安定化が可能となる。

ABSTRACT

Monitoring and stabilizing the power ratio of laser pairs is significant to high-precision atom interferometers, especially as the compact electro-optic modulated all-fiber laser system prevails. In this Letter, we demonstrate a novel method to in-situ probe the relative power of laser pairs and to stabilize the power ratio of two Raman lasers using a high-dispersion virtually imaged phased array (VIPA) etalon. Sub-microsecond resolution on probing laser power transformation during atom interferometer sequence is achieved and the power ratio of two Raman lasers (PRTR) is tightly locked with high bandwidth despite of environmental disturbances, showing an Allan deviation of $4.39 imes 10^{-5}$ at 1000 s averaging time. This method provides a novel way to stabilize the PRTR and diagnose the multi-frequency laser systems for atom interferometers and could find potential application in broad quantum sensing scenarios.

研究の動機と目的

• コンactで移動可能な原子干渉計に用いられる電気光学的変調Ramanレーザー対における出力比のドリフト問題に取り組むこと。
• 追加の基準ビームを必要とせず、遅延を生じさせないリアルタイムでイン・サイトでのレーザー対の相対出力のモニタリングと安定化手法を開発すること。
• 温度変動などの環境的要因に対して、出力比の長期的安定性と耐障害性を向上させること。
• 出力比の不安定性に起因するACスターブシフトを最小限に抑えることで、高精度な量子センシング応用を可能とすること。
• 現地設置可能なシステムにおける原子干渉計の動作シーケンスのデバッグおよび最適化に役立つ診断ツールを提供すること。

提案手法

• 高分散性VIPAエタロンを用いて、6.8 GHzの周波数差を持つ2つのRamanレーザー光ビームを3.5 mmの空間的分離で分離する。
• 焦点面に直接光学的検出を施し、空間的に分離されたビームをリアルタイムで1マイクロ秒未塔の分解能でレーザー出力をモニタリング可能にする。
• 検出された強度差を用いてフィードバック制御ループを適用し、高帯域での出力比のロックを実現する。
• VIPAの偏光不感度と高分散性を活かし、複雑な光学的または電子的処理を要せず、安定で低ドリフトの動作を実現する。
• キャリブレーション済みのフォトダイオードから得られる基準信号を用いて、長期間にわたるロック精度の検証と維持を行う。
• 温度変化が最大±35 °Cに及ぶ状況下でも、動的補正を行うクローズド・ループ制御システムを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VIPAを用いた分散系は、電気光学的変調Ramanレーザー対の出力比を1マイクロ秒未塔の分解能でリアルタイムかつイン・サイトでモニタリング可能か？
• RQ2 環境温度変動が最大±35 °Cに及ぶ状況下でも、クローズド・ループフィードバックシステムがどれほど効果的に出力比を安定化できるか？
• RQ3 長時間平均化した場合のアラン分散で測定される出力比安定性の長期的性能はどの程度か？
• RQ4 本手法により、特に短時間の測定時間におけるACスターブシフトを最小限に抑え、出力比のドリフトを低減できるか？
• RQ5 帯域、遅延、複雑さという観点から、ファブリ・ペロー共振器、スペクトルアナライザー、ショットキー・ダイオード検出器といった従来手法に比べ、本手法はどの程度優れているか？

主な発見

• VIPAベースのシステムは、原子干渉計のシーケンス中におけるレーザー出力変換を1マイクロ秒未塔の分解能でプローブ可能である。
• フィードバックループを有効にした状態では、35 °Cの温度変動下でも出力比が標準偏差2.96×10⁻³の高精度でロックされている。
• 安定化された出力比のアラン分散は、1000秒の平均化時間で4.39×10⁻⁵にまで低下し、オープンループ動作に比べて3桁の改善を達成した。
• クローズド・ループシステムにより、50 msの測定時間における重力加速度gの測定誤差が10⁻⁷ gから10⁻¹⁰ gまで低下し、高精度応用において出力比の不安定性は無視できるレベルにまで抑制された。
• 本手法は帯域と遅延の点で従来手法を上回り、参照文献[8]で報告された類似手法に比べ、アラン分散が10倍優れている。
• 基準信号のアラン分散が100秒平均化時間で1.13×10⁻⁵に保たれるなど、長期間にわたる安定性が確認され、ロックメカニズムの頑健性が裏付けられた。