Laser Stabilisation Using a Slow Light Cavity

Abstract

In this thesis the application of slow light effects to the area of laser stabilisation is investigated. The frequency stability of lasers locked to external cavities is limited by the stability of the modes in the reference cavity. By using dispersive slow light effects the effective length of a cavity can be increased by several orders of magnitude, without a proportional increase in the sensitivity to fluctuations in cavity length, thereby yielding a net increase in stability. The effects are achieved through spectral hole burning in cryogenically cooled rare-earth ion doped crystals. Two sets of experiments are carried out, the first focusing on hole burning and the second focusing laser locking. Linewidths and frequency drift of the cavity spectrum are studied. Feedback control using an error signal generated from the slow light cavity is demonstrated, but successfully locking the laser is still yet to be achieved.

Abstract (Swedish)

I det här examensarbetet undersöks den möjliga tillämpningen av långsamt ljus till laserstabilisering. Stabiliteten av lasrar låsta till externa kaviteter är begränsad av stabiliteten hos moderna i referenskaviteten. Genom att använda dispersiva effekter som ger upphov till långsamt ljus kan den effektiva längden av en kavitet ökas med flera storleksordningar, utan en motsvarande ökning i känsligheten till förändringar i kavitetens längd. Därmed ökas kavitetens stabilitet. Effekten uppnås genom spektral hålbränning i kryogeniskt kylda kristaller dopade med jordartsmetaller. Två experimentserier utförs, de första inriktade på spektral hålbränning och de senare på laserstabilisering. Linjebredd samt frekvensdrift hos kavitetens spektrum studeras. Återkopplad styrning med hjälp av en felsignal genererad från den kylda kristallen demonstreras, men fullständig låsning av lasern har inte uppnåtts ännu.

Popular Abstract (Swedish)

Det sägs ofta att laserljus är enfärgat, men detta är en sanning med modifikation då helt enfärgat ljus endast finns i tankeexperiment. Likväl kan lasrar komma väldigt nära till att producera enfärgat ljus och måttet på detta kallas linjebredd. Mer konkret är linjebredden ett mått på hur stora variationerna i antalet svängningar ljuset genomför per sekund är. I många av laserns användningsområden är det önskvärt att dessa variationer är så små som möjligt. Ett exempel på detta är den just nu pågående utvecklingen av atomur baserade på ljus.

De välkända och väldigt noggranna atomuren har hittills varit baserade på mikrovågor. I dessa ur jämförs en mikrovågs frekvens med en väldigt väldefinierad frekvens för en energiövergång hos en atom. Ju närmare mikrovågens frekvens ligger jämte atomens desto starkare svar kan utläsas. På detta vis kan man se till att svängningarna hos vågen är regelbundna även över lång tid. Svängningarna kan då användas som en referens för tid, i analogi med ett pendelur. Tanken bakom ljusbaserade atomur är ersätta mikrovågen med laserljus. Svängningarna i en ljusvåg är omkring 100 000 gånger snabbare, vilket möjliggör noggrannare tidmätningar. Detta förutsätter dock att svängningarna är tillräckligt regelbundna, och därmed återvänder vi till laserns linjebredd.

För att uppnå en snäv linjebredd måste oregelbundenheter i ljusets svängningar mätas och korrigeras. Denna process kallas stabilisering. Tillvägagångssättet för detta är vanligtvis att ljuset skickas in i en optisk kavitet, vilken består av två speglar positionerade så att ljuset studsar fram och tillbaka många gånger. En sådan uppställning tillåter endast ljuset passera om det har en viss frekvens, kallad resonansfrekvensen, och avvikelser från denna frekvens kan således mätas. Svårigheten med detta ligger i att om speglarna flyttar sig lite, t.ex. genom värmevibrationer, flyttar sig även kavitetens resonansfrekvens. Kaviteten är bara en bra referens för mätningen om den själv är stabil. För att nå den prestanda som krävs för att utnyttja all potential i t.ex. optiska atomur måste speglarna röra sig med mindre än radien på en proton.

Det framstår nog som självklart att sådan stabilitet är svår att uppnå. I detta examensarbete föreslår vi en metod för att minska känsligheten mot små förändringar i kaviteten. Detta kan åstadkommas genom att sakta ner ljuset. Då ljuset färdas långsammare kommer speglarna agera som om de vore längre ifrån varandra, men samtidigt kommer små förändringar i speglarnas position förbli opåverkade. Följden av detta blir att även om speglarna rör sig lika mycket, så rör de sig mindre i förhållande till avståndet dem sinsemellan. Genom att sakta ner ljuset över 10 000 gånger kan känsligheten mot speglarnas rörelser minskas lika mycket.

För att sakta ner ljusets används en kristall, till vilken en låg koncentration av jordartsmetalljoner har tillsats. Den i vanliga fall genomskinliga kristallen kommer då att absorbera ljus inom ett visst frekvensintervall. Med andra ord släpps somliga färger inte igenom. Sedan skärs ett så kallat spektralt hål i kristallen med hjälp av en laser. Det är inget fysiskt hål, utan ett hål i det frekvensintervall som kristallen absorberar. Det vill säga, inom detta intervall där ljuset inte släpps igenom finns ett mindre intervall där ljuset kan passera. Ljus med just den frekvens som krävs för att passera genom det här intervallet kommer att saktas ned avsevärt.

• author: Strömberg, Teodor
• supervisor: Lars Rippe
• organization: Department of Physics
• course: PHYM01 20151
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Atomic Physics, Slow-Light, Rare-Earth Ion, Quantum Information, Linewidth, Laser Stabilisation, Spectral Hole Burning
• publication/series: Lund Reports on Atomic Physics
• report number: 508
• language: English
• id: 7863831
• date added to LUP: 2015-09-10 20:07:58
• date last changed: 2015-09-10 20:07:58