[논문 리뷰] In-situ probing and stabilizing the power ratio of electro-optic-modulated laser pairs based on VIPA etalon for quantum sensing

Guochao Wang, Mingyue Yang외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 17.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 15인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고분산 가상 영상 상호간섭계수(VIPA) 에이탈론을 사용하여 원자 간섭계에서 전기광학 변조 Raman 레이저 쌍의 전력 비율을 현장에서 고대역폭으로 탐지하고 안정화하는 방법을 제시한다. 이 시스템은 전력 모니터링에서 1 마이크로초 이내의 해상도를 확보하고, 1000초 평균 시간에서 앨런 편차 4.39×10⁻⁵로 전력 비율을 锁정하여 환경적 요동에도 불구하고 견고하고 장기적인 안정성을 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소형 이동식 원자 간섭계에서 사용되는 전기광학 변조 Raman 레이저 쌍의 전력 비율 이격 문제를 해결하기 위해.
• 지연을 유발하거나 추가 기준 빛을 필요로 하지 않는 실시간, 현장 내에서의 레이저 쌍 상대 전력 모니터링 및 안정화 방법을 개발하기 위해.
• 온도 변화 등의 환경적 요동에 의해 영향을 받는 장기적 안정성과 내구성을 향상시키기 위해.
• 전력 비율 불안정성으로 인한 AC 스타크 시프트를 최소화하여 고정밀 양자 센싱 응용을 가능하게 하기 위해.
• 현장 적용 가능한 시스템에서 원자 간섭계 작동 순서의 디버깅 및 최적화를 위한 진단 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 고분산 VIPA 에이탈론을 사용하여 6.8 GHz의 주파수 차이를 가진 두 Raman 레이저 빛을 3.5 mm 만큼 공간적으로 분리한다.
• 공간적으로 분리된 빛을 초점면에서 직접 광학적으로 검출하여 실시간으로 레이저 전력 모니터링을 1 마이크로초 이내의 해상도로 수행한다.
• 검출된 강도 차이를 이용해 피드백 제어 루프를 적용하여 전력 비율을 锁정함으로써 고대역폭 안정화를 달성한다.
• VIPA의 편광 불감성 및 고분산 특성을 활용하여 복잡한 광학적 또는 전자적 처리 없이도 안정적이고 낮은 이격 작동을 가능하게 한다.
• 교정된 광검출기를 통해 유도된 기준 신호를 사용하여 장기적 锁정 정확도를 검증하고 유지한다.
• 온도 변화가 최대 35 °C까지 발생할 경우에도 동적으로 전력 비율 이격을 보정하는 클로즈드 루프 제어 시스템을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VIPA 기반 분산 시스템은 전기광학 변조 Raman 레이저 쌍 간의 전력 비율을 1 마이크로초 이내의 해상도로 실시간으로 현장에서 탐지할 수 있는가?
• RQ2 환경 온도 변화가 최대 35 °C일 경우, 클로즈드 루프 피드백 시스템이 전력 비율을 얼마나 효과적으로 안정화할 수 있는가?
• RQ3 장기적인 안정성은 평균 시간이 길어질수록 앨런 편차로 어떻게 측정되는가?
• RQ4 이 방법은 특히 짧은 탐지 시간 동안 전력 비율 이격을 최소화하여 원자 간섭계에서 AC 스타크 시프트를 줄일 수 있는가?
• RQ5 대역폭, 지연, 복잡성 측면에서 기존 방법들인 파르비-페로 캐비티, 스펙트럼 분석기, 쇼트키 다이오드 검출기와 비교해 이 시스템은 어느 정도 뛰어나게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• VIPA 기반 시스템은 원자 간섭계 순서 중 레이저 전력 변화를 1 마이크로초 이내의 해상도로 탐지할 수 있다.
• 피드백 루프가 활성화된 상태에서, 35 °C 온도 변화 조건에서도 전력 비율이 표준편차 2.96×10⁻³으로 매우 견고하게 锁정된다.
• 1000초 평균 시간에서 안정화된 전력 비율의 앨런 편차는 4.39×10⁻⁵에 도달하며, 이는 개방 루프 운영 대비 세 자리 수 개선을 의미한다.
• 클로즈드 루프 시스템은 50 ms 탐지 시간에서 중력 측정 오차를 10⁻⁷ g에서 10⁻¹⁰ g로 감소시켜 고정밀 응용에서 전력 비율 불안정성의 영향을 무시할 수 있게 한다.
• 이전 방법들보다 대역폭과 지연 측면에서 뛰어난 성능을 보이며, 참고 문헌 [8]에서 보고된 유사한 방법 대비 10배 우수한 앨런 편차를 확보한다.
• 기준 신호의 앨런 편차가 100초 평균 시간에서 1.13×10⁻⁵로 유지되어, 锁정 메커니즘의 견고성을 검증한다.