Miljøstabil laser udsender usædvanligt rent lys

Forskere har udviklet en kompakt laser, der udsender lys med ekstrem spektral renhed, der ikke ændrer sig som reaktion på miljøforhold. Den nye potentielt bærbare laser kan gavne en lang række videnskabelige applikationer, forbedre ure til globale positioneringssystemer (GPS), fremme påvisning af gravitationsbølger i rummet og være nyttig til kvanteberegning.

Forskere fra Massachusetts Institute of Technology's Lincoln Laboratory, USA beskriver deres nye laser i Optica , The Optical Society's journal for high impact research.

Selvom en laser er designet til at udsende rent i en bølgelængde, ændringer i temperatur og andre miljøfaktorer indfører ofte støj, der får lysemissionen til at skifte eller udvide frekvensen. Det udvidede spektrale omfang af denne emission er kendt som laserlinjebredden. Forskerne brugte en ny tilgang til at oprette en optisk fiberlaser med en spektral linjebredde smallere end nogensinde opnået med en fiber- eller halvlederlaser. Den samme laser giver også en metode til at registrere og korrigere temperaturændringer så små som 85 nanoKelvin, eller 85 milliarder af en grad.

"I dag, ultra-lav ekspansion (ULE) hulrumslasere udviser den smalleste linjebredde og højeste ydelse, men de er omfangsrige og meget følsomme over for miljøstøj, "sagde William Loh, papirets første forfatter. "Vores mål er at erstatte ULE -lasere med en, der kan være bærbar og ikke er følsom over for miljøstøj."

Opnå en smal linjebredde

Forskerne udviklede en laser baseret på en kort sløjfe (~ 2 meter) optisk fiber konfigureret som en ringresonator. Fiberlasere er kompakte og robuste og reagerer relativt langsomt på miljøændringer. Forskerne kombinerede fordelene ved fiber med en ikke -lineær optisk effekt kendt som Brillouin -spredning for at opnå en laser med en linewidth på kun 20 hertz. Til sammenligning, andre fiberlasere kan opnå linewidths mellem 1000 til 10, 000 hertz, og halvlederlasere på hylden har typisk en linewidth på omkring 1 million hertz.

For at gøre laseren ekstremt stabil over for langsigtede og kortsigtede miljøændringer, forskerne udviklede en måde at referere lasersignalet mod sig selv til at mærke temperaturændringer. Deres metode er meget følsom i forhold til andre metoder til måling af temperatur og tillader beregning af et præcist korrektionssignal, der kan bruges til at bringe laseren tilbage til emissionsbølgelængden for den oprindelige temperatur.

"Temperaturen er en vigtig bidragyder til laserstøj, "sagde Loh." En laser af høj kvalitet skal ikke kun have en smal laserlinjebredde, men også en måde at holde emissionen stabil på lang sigt. "

Forbedring af GPS

Denne nye lyskilde kan bruges til at forbedre en ny generation af optiske atomure, der bruges til GPS-aktiverede enheder. GPS gør det muligt for brugerne at lokalisere deres placering på Jorden ved at triangulere med de signaler, der modtages fra et netværk af satellitter, der indeholder avancerede atomure. Hver satellit giver et tidsstempel, og systemet beregner en placering baseret på de relative forskelle mellem disse tider.

"Vi tror, ​​at atomure er baseret på vores stald, smal linewidth laser kunne bruges til mere præcist at lokalisere signalets ankomsttid, forbedre placeringsnøjagtigheden af ​​nutidens GPS -systemer, "sagde Loh." Det faktum, at vores laser er kompakt, betyder, at den kan bruges ombord på satellitter. "

Laseren kan også være gavnlig for interferometre som dem, der bruges af Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory (LIGO) til at detektere gravitationsbølger, der kommer fra kolliderende sorte huller eller kollapsende stjerner. Ultrastable lasere er nødvendige for denne applikation, fordi laserstøj forhindrer interferometeret i at være i stand til at detektere de meget små forstyrrelser af en gravitationsbølge.

"Der er en indsats i gang med at bruge lasere i rummet til at skabe længere interferometerarme til gravitationsbølgeobservation, "sagde Loh." På grund af sin kompakte størrelse og robusthed, vores laser kan være en kandidat til påvisning af gravitationsbølger i rummet. "

Forskerne siger, at selvom deres nye laser er robust, det er i øjeblikket et bordpladesystem, der er egnet til laboratoriebrug. De arbejder nu på at udvikle mindre emballage til laseren og vil inkorporere mindre optiske komponenter for at skabe en bærbar version, der kan være lige så lille som en smartphone.