[论文解读] Lasing and suppressed cavity-pulling effect of Cesium active optical clock

Zhichao Xu, Wei Zhuang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 24, 2014

Advanced Frequency and Time Standards被引用 5

一句话总结

该论文通过在455.5 nm波长下采用速度选择性泵浦，在四能级铯主动光学钟中实现了受激辐射并抑制了腔体拖曳效应。通过在深亚坏腔状态（Q值为4.3）下利用1469.9 nm跃迁，系统实现了38.2–41.4倍的腔体拖曳抑制，从而实现约6–7 Hz的量子极限线宽，并将光学钟稳定性至少提升了两个数量级。

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.

研究动机与目标

• 通过热原子和速度选择性泵浦，在四能级铯主动光学钟中实现受激辐射与集体辐射。
• 抑制传统系统中导致光学钟稳定性下降的腔体拖曳效应。
• 证明受激辐射频率主要由原子跃迁决定，而非腔长波动。
• 通过主动反馈机制显著提升光学钟稳定性。
• 为下一代光学钟奠定基础，实现使用主动原子系统的亚10 Hz线宽。

提出的方法

• 使用玻璃腔中的热铯原子作为增益介质，通过455.5 nm激光泵浦，在7S₁/₂与6P₃/₂能级之间实现粒子数反转。
• 采用一对腔镜构成深亚坏腔状态（Q值 = 4.3），耦合1469.9 nm跃迁，腔带宽与增益带宽之比约为45。
• 利用法布里-珀罗干涉仪测量在距原子跃迁频率140.8 MHz和281.6 MHz失谐时的腔体拖曳效应。
• 应用量子极限线宽公式：Δν = (Γ_cavity / 2n_cavity) × (N_p / (N_p - N_s)) × (1 / (1 + a))²，其中a为腔带宽与增益带宽之比。
• 测得1469.9 nm输出功率为13 μW，并计算腔内平均光子数为n_cavity = 3.8×10⁴。
• 设计双波长腔系统（1469.9 nm为亚坏腔，632.8 nm为好腔），通过PDH技术锁定632.8 nm激光，使1469.9 nm稳定性提升两个数量级。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在使用热原子和速度选择性泵浦的四能级铯主动光学钟中实现受激辐射？
• RQ2 在1469.9 nm跃迁的亚坏腔状态下，腔体拖曳效应能被抑制到何种程度？
• RQ3 所测得的抑制因子（38.2–41.4倍）与基于腔带宽和增益带宽的理论预测相比如何？
• RQ4 能否将主动光学钟的量子极限线宽降低至10 Hz以下？
• RQ5 能否通过该主动反馈机制使光学钟稳定性至少提升两个数量级？

主要发现

• 实验上证实了1469.9 nm波段的受激辐射，输出功率为13 μW，表明该主动光学钟系统中实现了集体辐射。
• 通过法布里-珀罗干涉仪测量，分别在140.8 MHz和281.6 MHz失谐条件下，腔体拖曳效应被抑制了38.2倍和41.4倍。
• 测得的腔带宽与增益带宽之比分别为37.2和40.4，与抑制因子高度吻合。
• 在两种失谐条件下，1469.9 nm输出的量子极限线宽分别计算为7.3 Hz和6.2 Hz。
• 由于腔体拖曳效应被有效抑制，系统实现了稳定的受激辐射频率，其主要由原子跃迁决定，而非腔长波动。
• 未来采用PDH技术锁定632.8 nm好腔激光的双波长腔设计，预计可使1469.9 nm稳定性提升两个数量级。