[论文解读] Temperature-insensitive tunable and stable Fabry-Perot cavity for atomic physics

Joshua Ruelle, Martin Hauden+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2026

Advanced Frequency and Time Standards被引用 0

一句话总结

本文介绍了一种压电可调的Fabry-Perot腔，通过复合材料设计在约4.9 K处实现热膨胀抵消，在1 s时达到约4×10^-13的无外部稳定化的频率分散.

ABSTRACT

Optical Fabry-Perot cavities are crucial tools for metrology experiments, where they achieve extreme length stability, and for some atomic physics experiments, where tunability to atomic transitions enables atom-light interactions. However, achieving both frequency stability and tunability in a single cavity has remained a challenge, forcing metrology experiments exploiting atom-cavity interactions to rely on external active feedback systems to stabilize the length of the cavity. Here, we describe a piezoelectrically-tunable cavity with a cancellation of the coefficient of thermal expansion at around $5^\circ\mathrm{C}$, achieving fractional frequency instabilities at the $4 imes 10^{-13}$ level for 1~s integration time. This advance eliminates the need for external stabilization in many atom-cavity experiments, making this design ideal for applications such as ultra-stable superradiant lasers and other cavity quantum electrodynamics experiments.

研究动机与目标

• 为原子-光相互作用和cQED实验，提供一个可调且高频率稳定性的腔的需求动机。
• 提出一种在零温度附近抑制热膨胀的复合腔设计。
• 展示可用于超稳超腔激光和腔QED等应用的被动稳定性性能。
• 表征光学、热和电方面，以识别主要噪声源及优化路径。

提出的方法

• 设计一个50 mm的Zerodur间隔器，增大开口并进行角部切割，通过有限元分析优化以最小化支撑力波动。
• 实现两块2 mm厚的PZT换能器的可调腔，200 V下约有~3.3 μm自由行程，以覆盖若干自由光谱范围。
• 加入Kovar垫圈，以定制PZT与镜面之间的热膨胀耦合，力求部分抵消PZT和间隔器引起的长度变化。
• 采用四面体支架、Vitон球体与多级Peltier冷却实现被动与主动温控，在环路内温度稳定度达到0.1 K/√s，外环路温度波动较低。
• 对腔进行Pound-Drever-Hall锁定，使578 nm激光锁定到腔上，再通过光学频率梳对比到H-maser，以评估分数频率稳定性。
• 通过环衰减寿命（ring-down）精密测定腔的Finesse，并分析PZT噪声，包括滤波策略以抑制电压噪声和共振。

实验结果

研究问题

• RQ1 腔能否在无需外部稳定化的情况下，既具可调性又具被动稳健性，适用于精密的原子-腔实验？
• RQ2 哪种复合材料策略和工作温度点能实现腔的等效热膨胀抵消？
• RQ3 限制腔短时频率稳定性的主导噪声机制是什么，如何减轻？

主要发现

• 在烧洗（bake-out）后，578 nm处的Finesse为6920±40，低于烧洗前的21,000±7,000，表明在烧洗过程中存在污染。
• 当PZT未连接或被过滤时，在零交温度T0=4.9±0.5 K处的最佳测得分数频率稳定性为4×10^-13（1 s积分时间）。
• 温度阶跃实验显示总热膨胀系数在T0附近为零，αtot(T) ≈ a_tot(T−T0) 且 a_tot=4.8±0.9×10^-8 K^-2。
• 对PZT的电压噪声滤波将腔稳定性中的闪烁性频率噪声贡献降至约1×10^-13。
• 在实际工作条件下，原子炉开启时腔在T0处仍可维持约1×10^-13的1 s稳定性；若在室温运行且存在炉梯度，稳定性下降约2倍。
• 总体上，腔展现出中10^-13级的被动稳定性，并且若消除原子炉相关漂移，SR-激光性能有潜力达到约4×10^-18。