[论文解读] 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 1

一句话总结

本文提出了一种原位、高带宽的方法，利用高色散虚拟像面相位阵列（VIPA）谐振腔，探测并稳定原子干涉仪中电光调制拉曼激光对的功率比。该系统在功率监测方面实现亚微秒级分辨率，并在1000秒平均时间下实现4.39×10⁻⁵的阿伦偏差，即使在环境扰动下也能实现稳健、长期的稳定。

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.

研究动机与目标

• 解决在紧凑型、可移动原子干涉仪中使用的电光调制拉曼激光对中功率比漂移的挑战。
• 开发一种实时、原位方法，用于监测和稳定激光对的相对功率，而无需引入延迟或额外参考光束。
• 在温度波动等环境扰动下，提高功率比的长期稳定性和鲁棒性。
• 通过最小化因功率比不稳定引起的交流斯塔克移位，实现高精度量子传感应用。
• 为现场部署系统中调试和优化原子干涉仪工作时序提供诊断工具。

提出的方法

• 利用高色散VIPA谐振腔，将具有6.8 GHz频率差的两束拉曼激光束在空间上分离3.5 mm。
• 通过在焦平面直接光学探测分离后的光束，实现实时、亚微秒级分辨率的激光功率监测。
• 应用反馈控制回路，利用检测到的强度差锁定功率比，实现高带宽稳定。
• 利用VIPA的偏振无关性和高色散特性，实现稳定、低漂移运行，无需复杂的光学或电子处理。
• 使用来自校准光电探测器的参考信号，以验证并维持长期锁定精度。
• 采用闭环控制系统，动态校正由温度变化（最高达35 °C）引起的功率比漂移。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于VIPA的色散系统是否能够实现实时、原位监测电光调制拉曼激光对之间的功率比，且时间分辨率优于亚微秒？
• RQ2 闭环反馈系统在高达35 °C的环境温度扰动下，对功率比的稳定效果如何？
• RQ3 在长时间平均时间下，功率比稳定性的长期表现如何，以阿伦偏差量化？
• RQ4 该方法是否能通过最小化功率比漂移来减少原子干涉仪中的交流斯塔克移位，特别是在短测量时间下？
• RQ5 与法布里-珀罗腔、光谱分析仪或肖特基二极管探测器等现有方法相比，该系统在带宽、延迟和复杂度方面表现如何？

主要发现

• 基于VIPA的系统在原子干涉仪工作时序中探测激光功率变化时，实现了亚微秒级分辨率。
• 即使在35 °C温度扰动下，反馈回路激活时功率比的偏差仍保持在2.96×10⁻³以内。
• 在1000秒平均时间下，稳定后功率比的阿伦偏差达到4.39×10⁻⁵，相比开环操作提升了三个数量级。
• 闭环系统将g测量误差从10⁻⁷ g降低至10⁻¹⁰ g（50 ms测量时间），使功率比不稳定在高精度应用中可忽略不计。
• 该方法在带宽和延迟方面优于以往方法，在阿伦偏差方面比文献[8]中报道的类似方法提升10倍。
• 系统在长期运行中保持稳定性，参考信号的阿伦偏差在100秒平均时间下为1.13×10⁻⁵，验证了锁定机制的鲁棒性。