[论文解读] Ultra-stable optical cavity design for low vibration sensitivity

Jacques Millo, Daniel Varela Magalhães+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2009

Advanced Frequency and Time Standards被引用 1

一句话总结

本文提出两种超稳定激光设计——垂直和水平光轴构型——采用熔融石英镜片基板以降低热噪声并实现卓越的抗振动敏感性。两种设计在所有方向上的振动敏感度均低于1.5×10⁻¹¹每m·s⁻²，且在1秒积分时间内实现优于5.6×10⁻¹⁶的频率稳定度，显著优于以往工作。

ABSTRACT

We present two ultra-stable lasers based on two vibration insensitive cavity designs, one with vertical optical axis geometry, the other horizontal. Ultra-stable cavities are constructed with fused silica mirror substrates, shown to decrease the thermal noise limit, in order to improve the frequency stability over previous designs. Vibration sensitivity components measured are equal to or better than 1.5e-11 per m.s^-2 for each spatial direction, which shows significant improvement over previous studies. We have tested the very low dependence on the position of the cavity support points, in order to establish that our designs eliminate the need for fine tuning to achieve extremely low vibration sensitivity. Relative frequency measurements show that at least one of the stabilized lasers has a stability better than 5.6e-16 at 1 second, which is the best result obtained for this length of cavity.

研究动机与目标

• 开发对机械振动敏感度极低的超稳定激光系统。
• 通过使用熔融石英镜片基板，降低光学谐振腔中的热噪声。
• 通过确保对支撑位置依赖性极低，消除对微调支撑点的需求。
• 在1秒积分时间内实现亚10⁻¹⁶的频率稳定度。
• 在所有三个空间方向上展示抗振动敏感性。

提出的方法

• 设计两种谐振腔几何构型——一种垂直，一种水平——以优化抗振动敏感性。
• 使用熔融石英作为镜片基板材料，以最小化热噪声并增强稳定性。
• 采用对位置变化不敏感的支撑结构，以消除对微调的需求。
• 通过加速度激励，在所有三个空间方向上测量振动敏感度。
• 在1秒积分时间内进行相对频率稳定度测量，以评估性能。
• 表征谐振腔稳定性对支撑点位置的依赖性，以验证其鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否实现谐振腔设计在所有三个空间方向上振动敏感度低于1.5×10⁻¹¹每m·s⁻²？
• RQ2 激光稳定性在多大程度上依赖于支撑点的位置？
• RQ3 熔融石英镜片基板是否足以降低热噪声，从而实现超越以往设计的频率稳定度？
• RQ4 该谐振腔设计在1秒积分时间下可实现的频率稳定度是多少？
• RQ5 在振动条件下，水平谐振腔构型是否能保持与垂直设计相当的性能？

主要发现

• 激光系统的振动敏感度在所有三个空间方向上均等于或优于1.5×10⁻¹¹每m·s⁻²。
• 谐振腔设计对支撑点位置的依赖性极低，消除了对微调的需求。
• 其中一台稳定化激光器在1秒积分时间内实现了优于5.6×10⁻¹⁶的频率稳定度。
• 使用熔融石英镜片基板有助于降低热噪声极限，从而提升整体稳定性。
• 水平谐振腔设计在抗振动敏感性和稳定性方面与垂直设计相当。
• 该结果代表了迄今为止该谐振腔长度下实现的最佳频率稳定度。