[论文解读] Laser frequency stabilisation via quasi-monolithic, unequal arm-length Mach-Zehnder interferometer with balanced DC readout

Oliver Gerberding, Katharina-Sophie Isleif+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 1

一句话总结

本文提出一种准单片式、不等臂长的马赫-曾德尔干涉仪，采用平衡直流读出方式，用于稳定外腔二极管激光器。通过光学设计与仿真最小化热漂移和杂散光，系统在1 Hz处实现激光频率噪声低于100 Hz/√Hz，通过与碘稳频参考源的拍频测量，满足了LISA任务对100 mHz以下300 Hz/√Hz的预稳定要求。

ABSTRACT

Low frequency high precision laser interferometry is subject to excess laser-frequency-noise coupling via arm-length differences which is commonly mitigated by locking the frequency to a stable reference system. This approach is crucial to achieve picometer level sensitivities in the 0.1 mHz to 1 Hz regime, where laser frequency noise is usually high and couples into the measurement phase via arm-length mismatches in the interferometers. Here we describe the results achieved by frequency stabilising an external cavity diode laser to a quasi-monolithic unequal arm-length Mach-Zehnder interferometer read out at mid-fringe via balanced detection. We find this stabilization scheme to be an elegant solution combining a minimal number of optical components, no additional laser modulations and relatively low frequency noise levels. The Mach-Zehnder interferometer has been designed and constructed to minimize the influence of thermal couplings and to reduce undesired stray light using the optical simulation tool ifocad. We achieve frequency-noise levels below 100 Hz/$\sqrt{ extrm{Hz}}$ at 1 Hz and are able to demonstrate the LISA frequency prestabilization requirement of 300 Hz/$\sqrt{ extrm{Hz}}$ down to frequencies of 100 mHz by beating the stabilized laser with an iodine-locked reference.

研究动机与目标

• 解决因光路长度不匹配导致的干涉仪中低频激光频率噪声耦合问题。
• 开发一种紧凑、鲁棒的激光频率稳定方案，光学元件数量最少。
• 实现低于300 Hz/√Hz的频率噪声水平，最低可达100 mHz，满足LISA任务要求。
• 通过仿真工具最小化干涉仪设计中的热漂移和杂散光影响。
• 展示一种无需额外激光调制或复杂反馈回路的稳定、低噪声激光源。

提出的方法

• 设计并制造一种具有不等臂长的准单片式马赫-曾德尔干涉仪，以生成稳定的光学生参考信号。
• 在干涉仪的中点条纹处实施平衡直流检测，以提高信噪比和稳定性。
• 使用ifocad光学仿真工具优化干涉仪布局，抑制热串扰和杂散光。
• 采用锁定至碘稳频频率标准的参考激光源，通过拍频测量进行噪声表征。
• 通过反馈控制将外腔二极管激光器（ECDL）稳定至干涉仪输出，最大限度减少频率漂移。
• 利用稳定ECDL与碘稳频参考源之间的拍频信号表征激光频率噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 准单片式、不等臂长的马赫-曾德尔干涉仪是否能以最少的光学元件提供稳定的光学生参考，用于激光频率稳定？
• RQ2 与传统方法相比，中点条纹处的平衡直流读出在多大程度上可降低低频噪声并提高稳定性？
• RQ3 该系统是否能够实现空间引力波探测（LISA）所需的激光频率噪声水平，即300 Hz/√Hz，最低可达100 mHz？
• RQ4 光学仿真（ifocad）在最小化干涉仪设计中热串扰和光学串扰方面的有效性如何？
• RQ5 在不使用激光调制的情况下，系统是否仍能保持低相位噪声性能，同时简化整体结构？

主要发现

• 在1 Hz处测得的激光频率噪声低于100 Hz/√Hz，显著低于LISA任务要求。
• 系统成功实现了从100 mHz至300 Hz/√Hz以下的频率噪声水平，满足了LISA任务的预稳定要求。
• 准单片式设计有效抑制了热漂移和机械不稳定性，提升了长期稳定性。
• 平衡直流读出实现了高灵敏度相位检测，无需额外激光调制。
• 通过光学仿真优化了干涉仪性能，降低了杂散光和热串扰。
• 该方法在元件数量最少的前提下实现了高精度，为激光稳定提供了一种紧凑且鲁棒的解决方案。