[논문 리뷰] Lasing and suppressed cavity-pulling effect of Cesium active optical clock

Zhichao Xu, Wei Zhuang외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 04. 24.

Advanced Frequency and Time Standards인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 455.5 nm에서의 속도 선택성 펌프를 사용하여 4준위 세슘 활성 광학 시계에서 레이저 발진과 억제된 캐비티-풀링을 구현한다. 1469.9 nm 전이를 이용한 깊은 나쁜 캐비티 영역(정도 4.3)에서 작동함으로써 캐비티-풀링이 38.2–41.4배 감소하여 약 6–7 Hz의 양자한계 대역폭을 달성하고, 이로 인해 광학 시계 안정성이 최소 두 배수 이상 향상된다.

ABSTRACT

We experimentally demonstrate the collective emission behavior and suppressed cavity-pulling effect of four-level active optical clock with Cesium atoms. Thermal Cesium atoms in a glass cell velocity selective pumped with a 455.5 nm laser operating at 6S$_{1/2}$ to 7P$_{3/2}$ transition are used as lasing medium. Population inverted Cesium atoms between 7S$_{1/2}$ and 6P$_{3/2}$ levels are optical weakly coupled by a pair cavity mirrors working at deep bad-cavity regime with a finesse of 4.3, and the ratio between cavity bandwidth and gain bandwidth is approximately 45. With increased 455.5 nm pumping laser intensity, the output power of cesium active optical clock at 1469.9 nm from 7S$_{1/2}$ level to 6P$_{3/2}$ level shows a threshold and reach a power of 13 $μ$W. Active optical clock would dramatically improve the optical clock stability since the lasing frequency does not follow the cavity length variation exactly, but in a form of suppressed cavity pulling effect. In this letter the cavity pulling effect is measured using a Fabry-Perot interferometer (FPI) to be reduced by a factor of 38.2 and 41.4 as the detuning between the 1469.9 nm cavity length of the Cs active optical clock and the Cs 1469.9 nm transition is set to be 140.8 MHz and 281.6 MHz respectively. The mechanism demonstrated here is of great significance for new generation optical clocks and can be applied to improve the stability of best optical clocks by at least two orders of magnitude.

연구 동기 및 목표

• 열 원자를 사용한 4준위 세슘 활성 광학 시계에서 레이저 발진과 집단 방출을 실현하기 위해.
• 기존 시스템에서 광학 시계 안정성을 떨어뜨리는 캐비티-풀링 효과를 억제하기 위해.
• 레이저 주파수가 주로 원자 전이에 의해 결정되며, 캐비티 길이 변동에 의해 영향을 받지 않는다는 것을 입증하기 위해.
• 활성 피드백 메커니즘을 통해 광학 시계 안정성을 크게 향상시키기 위해.
• 활성 원자 시스템을 사용하여 10 Hz 이하 대역폭을 갖는 차세대 광학 시계의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 455.5 nm 레이저로 7S₁/₂ 및 6P₃/₂ 준위 사이의 인version을 유도하기 위해 유리 셀 내의 열 세슘 원자를 증폭 매체로 사용한다.
• 깊은 나쁜 캐비티 영역(finesse = 4.3)에서 1469.9 nm 전이에 대해 쌍방향 캐비티 거울을 사용하며, 캐비티 대역폭 대 증폭 대역폭 비율은 약 45이다.
• 원자 전이에서 140.8 MHz 및 281.6 MHz의 오프셋에서 캐비티-풀링 효과를 측정하기 위해 패브리-퍼로 간섭계(Fabry-Perot interferometer, FPI)를 적용한다.
• 양자한계 대역폭 공식을 사용한다: Δν = (Γ_cavity / 2n_cavity) × (N_p / (N_p - N_s)) × (1 / (1 + a))², 여기서 a는 캐비티 대역폭 대 증폭 대역폭 비율이다.
• 1469.9 nm에서 출력 전력 13 μW를 측정하고, 캐비티 내 평균 광자 수를 n_cavity = 3.8×10⁴로 계산한다.
• 1469.9 nm 나쁜 캐비티와 632.8 nm 좋은 캐비티를 갖는 双파장 캐비티 시스템을 설계하여, PDH 기법으로 632.8 nm 레이저를 고정함으로써 1469.9 nm 안정성을 두 배수 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열 원자와 속도 선택성 펌프를 사용한 4준위 세슘 활성 광학 시계에서 레이저 발진을 달성할 수 있는가?
• RQ2 1469.9 nm 전이를 갖는 나쁜 캐비티 영역에서 캐비티-풀링 효과는 어느 정도 억제될 수 있는가?
• RQ3 측정된 억제 요소(38.2–41.4×)는 캐비티 및 증폭 대역폭에 기반한 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 활성 광학 시계의 양자한계 대역폭을 10 Hz 이하로 줄일 수 있는가?
• RQ5 이 활성 피드백 메커니즘을 통해 광학 시계 안정성을 최소 두 배수 이상 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 1469.9 nm에서 실험적으로 레이저 발진이 달성되었으며, 출력 전력은 13 μW로, 활성 광학 시스템에서 집단 방출이 확인되었다.
• 패브리-퍼로 간섭계로 측정한 결과, 원자 전이에서 140.8 MHz 및 281.6 MHz 오프셋에서 캐비티-풀링 효과가 각각 38.2배 및 41.4배 감소하였다.
• 캐비티 대역폭 대 증폭 대역폭 비율은 측정값으로 37.2 및 40.4로, 억제 요소와 매우 유사하게 일치하였다.
• 두 오프셋 조건에서 1469.9 nm 출력의 양자한계 대역폭은 각각 7.3 Hz 및 6.2 Hz로 계산되었다.
• 캐비티-풀링이 억제됨에 따라 시스템은 안정적인 레이저 주파수를 유지하며 주로 원자 전이에 의해 결정되며, 캐비티 길이 변화에 영향을 받지 않는다.
• 향후 PDH 기법으로 632.8 nm 좋은 캐비티 레이저를 고정하는 이중파장 캐비티 설계는 1469.9 nm 안정성을 두 배수 향상시킬 것으로 기대된다.