緊湊光學(xué)原子鐘和基于回音壁模式光學(xué)諧振器中的參數(shù)化非線性光學(xué)混頻的應(yīng)用的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了基于由非線性光學(xué)材料制成的光學(xué)諧振器和非線性波混頻的技術(shù)和設(shè)備，以生成相對(duì)于原子參考被穩(wěn)定的光梳。
【專(zhuān)利說(shuō)明】2用。原子躍遷(例如，銫或銣中的堿超精細(xì)波振蕩器或設(shè)備可在頻率上被穩(wěn)定至原子
制成的光學(xué)諧振器提供非線性波混頻和原和設(shè)備。
封皆振器、激光器、激光鎖定結(jié)構(gòu)、以及原子光學(xué)材料形成且基于所述光學(xué)非線性引起3并產(chǎn)生激光，該激光基于所述非線性波混義產(chǎn)生所述光頻梳；激光器鎖定機(jī)構(gòu)將所述:備包括提供原子躍遷或分子躍遷的原子或的光來(lái)產(chǎn)生攜帶所述原子躍遷或分子躍遷客、反饋電路、以及第二光學(xué)檢測(cè)器，其中第&輸出光以產(chǎn)生第一檢測(cè)器輸出；反饋電路反饋電路耦合至所述激光器或所述光學(xué)諧[0009]在另一方面，提供了一種生成相對(duì)于原子頻率參考穩(wěn)定的射頻(RF)信號(hào)或微波信號(hào)的方法。該方法包括:引導(dǎo)激光至光學(xué)諧振器中，以在所述光學(xué)諧振器內(nèi)以至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式產(chǎn)生受限激光，所述至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式以所述光學(xué)諧振器的自由譜范圍(FSR)或所述FSR的諧波分離；將所述光學(xué)諧振器內(nèi)的所述受限激光耦合出作為光學(xué)諧振器輸出，所述光學(xué)諧振器輸出具有與所述至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光學(xué)譜分量；相對(duì)于原子頻率參考鎖定所述光學(xué)諧振器，以穩(wěn)定所述光學(xué)諧振器輸出中的與所述至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式相對(duì)應(yīng)的所述兩個(gè)光學(xué)譜分量；以及引導(dǎo)所述光學(xué)諧振器輸出至所述光電檢測(cè)器內(nèi)，以產(chǎn)生在所述兩個(gè)光學(xué)譜分量間頻率差的頻率的檢測(cè)器信號(hào)，所述檢測(cè)器信號(hào)相對(duì)于所述原子頻率參考被穩(wěn)定。
[0010]在另一方面，提供了一種生成光梳和相對(duì)于原子頻率參考穩(wěn)定所述光梳的方法。該方法包括:操作激光器，以產(chǎn)生激光；引導(dǎo)所述激光至光學(xué)諧振器內(nèi)，所述光學(xué)諧振器具有光學(xué)非線性并以充足的功率支持光學(xué)回音壁模式，以基于所述光學(xué)諧振器中的非線性波混頻生成不同頻率的光梳信號(hào)；相對(duì)于彼此鎖定所述激光器和所述光學(xué)諧振器；以及相對(duì)于原子頻率參考鎖定所述激光器或所述光學(xué)諧振器以穩(wěn)定不同頻率的所述光梳。
[0011]在又一方面，提供了一種設(shè)備，其包括:光學(xué)諧振器、激光器、光學(xué)耦合器、以及原子參考設(shè)備，其中光學(xué)諧振器由展現(xiàn)光學(xué)非線性的晶體材料形成并被配置成支持回音壁模式的回音壁模式諧振器；激光器是可調(diào)諧的并產(chǎn)生激光；光學(xué)耦合器將所述激光耦合至所述光學(xué)諧振器內(nèi)，所述光學(xué)諧振器基于所述晶體材料的光學(xué)非線性產(chǎn)生不同頻率的光梳并將所述光學(xué)諧振器內(nèi)的光從所述光學(xué)諧振器耦合回到所述激光器，以導(dǎo)致所述激光器被注入鎖定至所述光學(xué)諧振器；原子參考設(shè)備包括提供原子躍遷或分子躍遷的原子或分子并被耦合以接收從所述光學(xué)諧振器耦合出的光，以產(chǎn)生攜帶所述原子躍遷或分子躍遷的信息的輸出光。該設(shè)備還包括第一光學(xué)檢測(cè)器、反饋電路、以及第二光學(xué)檢測(cè)器，其中第一光學(xué)檢測(cè)器接收來(lái)自所述離子參考設(shè)備的所述輸出光，以產(chǎn)生第一檢測(cè)器輸出；反饋電路接收所述第一檢測(cè)器輸出并產(chǎn)生反饋信號(hào)，所述反饋電路耦合至所述激光器或所述光學(xué)諧振器中的至少之一，以應(yīng)用所述反饋信號(hào)來(lái)穩(wěn)定所述激光器或所述光學(xué)諧振器中的所述至少之一；以及第二光學(xué)檢測(cè)器接收通過(guò)所述光學(xué)耦合器耦合出所述光學(xué)諧振器的光，以將不同頻率的所述光梳變換成第二檢測(cè)器信號(hào)，所述第二檢測(cè)器信號(hào)在頻率上相對(duì)于所述原子參考設(shè)備的所述原子躍遷或分子躍遷被穩(wěn)定。
[0012]在附圖、說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求中詳細(xì)描述了這些及其他方面和實(shí)施。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1A、圖1B、圖1C和圖1D示出了被穩(wěn)定至原子參考的光梳生成設(shè)備的一個(gè)示例；
[0014]圖2A、圖2B、圖3、圖4A、圖4B、圖5A和圖5B示出了 WGM諧振器和光學(xué)耦合設(shè)計(jì)的示例；
[0015]圖6示出了基于沒(méi)有OEO環(huán)路的非線性WGM諧振器的RF振蕩器；
[0016]圖7、圖8和圖9示出了基于非線性WGM諧振器的RF或微波振蕩器的示例；
[0017]圖10-圖15示出了用于生成光梳信號(hào)的樣本非線性WGM諧振器的測(cè)量；
[0018]圖16示出了用于通過(guò)使用外反射器將激光器鎖定至諧振器的示例；以及
[0019]圖17、圖18、圖19、圖20和圖21示出了被穩(wěn)定至原子參考的不同光梳生成設(shè)備?！揪唧w實(shí)施方式】
[0020]光梳是具有周期性頻率或譜分量或光學(xué)諧波的光學(xué)信號(hào)，并且其特征為各個(gè)頻率分量的光學(xué)頻率、或頻率分量中至少之一的光學(xué)頻率和頻率分量的頻率間隔或重復(fù)頻率的組合。本文中描述的設(shè)備和技術(shù)包括基于或相對(duì)于原子頻率參考或時(shí)鐘信號(hào)，使在通過(guò)來(lái)自激光器的激光提供的合適的光泵浦下、基于非線性光學(xué)諧振器(例如，晶體回音壁模式諧振器)中的超參數(shù)化振蕩和/或四波混頻生成的光梳的重復(fù)頻率穩(wěn)定的設(shè)備和技術(shù)。本文中描述的實(shí)施示例可使用用于穩(wěn)定光梳的一個(gè)原子頻率參考或用于提供兩個(gè)不同頻率鎖定點(diǎn)或穩(wěn)定點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)光梳信號(hào)的更健壯的穩(wěn)定性的兩個(gè)不同原子頻率參考。這種被穩(wěn)定的光梳信號(hào)表示相關(guān)原子頻率參考或時(shí)鐘，并且對(duì)于各種實(shí)際應(yīng)用可被當(dāng)作原子鐘。這種被穩(wěn)定的光梳信號(hào)可通過(guò)光檢測(cè)器檢測(cè)，光電檢測(cè)器將光梳信號(hào)變換成RF或微波信號(hào)。根據(jù)光電檢測(cè)器和相應(yīng)的電路系統(tǒng)的帶寬，RF或微波信號(hào)可包括與相鄰的頻率分量之間的頻率間隔和/或此頻率間隔的其他頻率諧波對(duì)應(yīng)的RF或微波頻率。光電檢測(cè)器及其相應(yīng)的電路系統(tǒng)可配置為在RF或微波信號(hào)中選擇一個(gè)或多個(gè)RF或微波頻率。
[0021]本文中描述的設(shè)備和技術(shù)使用光學(xué)處理來(lái)利用光域中的原子或分子中的光學(xué)原子或分子躍遷(即，原子鐘)的高精度和相對(duì)于原子鐘穩(wěn)定光學(xué)信號(hào)(例如，光梳)。被穩(wěn)定的光學(xué)信號(hào)然后通過(guò)光電檢測(cè)器變換到RF或微波域，以獲得具有原子鐘的頻率精度或穩(wěn)定性的RF或微波信號(hào)。這種光學(xué)穩(wěn)定和將光域變換至RF或微波域的方案可通過(guò)在不使用光梳信號(hào)的情況下生成具有至少兩個(gè)不同光學(xué)譜分量的光學(xué)信號(hào)實(shí)施，其中該至少兩個(gè)不同光學(xué)譜分量具有與期望的RF或微波頻率對(duì)應(yīng)的頻率分離。在不需要光梳信號(hào)的情況下，非線性光學(xué)諧振器可由不呈現(xiàn)光學(xué)非線性的光學(xué)諧振器替換。本文中提供的一個(gè)示例是將在兩個(gè)激光載波頻率的兩個(gè)不同激光器鎖定至原子頻率參考，其中兩個(gè)激光載波頻率的頻率差被設(shè)置為期望的RF或微波頻率。
[0022]下面的部分描述了基于用于生成光梳的非線性光學(xué)諧振器中的非線性光波混頻的實(shí)施。非線性光學(xué)諧振器可成各種光學(xué)諧振器配置。非線性回音壁模式諧振器可以是特別有利的，部分因?yàn)檫@種諧振器可被制造為具有高Q值，以在低功率級(jí)提供有效的非線性波混頻并可以緊湊形式封裝或集成到RF芯片上。其他諧振器配置中的非線性光學(xué)諧振器(如Fabry-Perot諧振器)還可用于實(shí)施本文中描述的設(shè)備和技術(shù)。
[0023]在一些實(shí)施中，適當(dāng)選擇的光學(xué)諧波(“光梳”)生成在光學(xué)晶體回音壁模式諧振器中并被注入至原子參考(例如，原子蒸氣室、原子阱、或原子束)中，以產(chǎn)生攜帶原子參考頻率的信息的輸出光學(xué)信號(hào)。該輸出的光學(xué)信號(hào)用于生成反饋信號(hào)，其中該反饋信號(hào)用于穩(wěn)定激光器和光學(xué)晶體回音壁模式諧振器之一或這兩者。例如，在諧波的適當(dāng)偏振制備的情況下，來(lái)自原子參考的光的光學(xué)檢測(cè)在光電二極管處執(zhí)行，并且反饋從來(lái)自光電二極管的輸出的被處理的RF信號(hào)生成并被反饋至激光器、或諧振器本身，其中該激光器用于光學(xué)地泵浦諧振器。該反饋用于實(shí)現(xiàn)光梳的穩(wěn)定，其中光梳可在快速光電二極管上被解調(diào)，以產(chǎn)生被鎖定至原子參考的具有頻率穩(wěn)定性的RF或微波信號(hào)。因此，該具有原子參考的基于回音壁模式(WGM)諧振器的超參數(shù)化振蕩器可將原子躍遷的穩(wěn)定性傳遞至快速光電二極管上的光學(xué)線的RF拍。
[0024]使用非線性WGM諧振器生成光梳和將生成的光梳鎖定至原子參考的組合可用于提供緊湊、低成本和可高度適應(yīng)的具有原子參考精度的RF或微波振蕩器。例如，這種設(shè)備可用作基于所使用的原子參考中的光學(xué)躍遷的原子鐘并可配置成緊湊尺寸且工作在低功率下。
[0025]原子參考可以基于原子或分子躍遷的各種配置實(shí)施。例如，名為“Atomic clockbased on an opto-electronic oscillator (基于光電振蕩器的原子鐘)”的第 6, 762, 869號(hào)美國(guó)專(zhuān)利描述了具有頻率鎖定機(jī)制以將振蕩器的振蕩頻率穩(wěn)定至原子頻率參考的光電振蕩器(例如，原子蒸氣室)的示例。作為另一示例，名為“Tunable single sidebandmodulators based on electro-optic optical whispering gallery mode resonators andtheir applicat1n (基于電光光學(xué)回音壁模式諧振器的可調(diào)諧的邊帶調(diào)制器及其應(yīng)用)”的第8，159，736號(hào)美國(guó)專(zhuān)利描述了由電光材料形成的、基于回音壁模式諧振器中的可調(diào)諧單邊帶(SSB)調(diào)制并且在光電環(huán)路的光學(xué)部分中使用原子蒸氣室穩(wěn)定RF或微波振蕩的光電振蕩器的示例。上面提到的美國(guó)專(zhuān)利的公開(kāi)通過(guò)引用被并入作為本文的公開(kāi)的一部分。
[0026]原子室中的原子(例如，堿蒸氣，例如銣或銫)可用于提供用于使本文中描述的設(shè)備穩(wěn)定的穩(wěn)定的原子頻率參考。這種穩(wěn)定的原子頻率參考可以各種方式生成。例如，具體光學(xué)原子躍遷處的吸收峰可直接用作這種穩(wěn)定的原子參考，其中原子蒸氣室的這種躍遷處的光學(xué)透射(或者，可替代地，吸收)可被測(cè)量，以指示信號(hào)的頻率或光學(xué)諧振器諧振或激光器的頻率偏移。作為另一示例，基于被稱(chēng)為電磁感應(yīng)透明的量子干涉效應(yīng)的與三個(gè)能量級(jí)相關(guān)聯(lián)的原子躍遷也可用作這種穩(wěn)定的原子頻率參考。在銣或銫中，兩個(gè)基態(tài)超精細(xì)級(jí)和公共的激發(fā)態(tài)可用于提供原子參考，其中兩個(gè)基態(tài)超精細(xì)級(jí)之間的頻率差對(duì)應(yīng)于期望的RF或微波頻率。這種原子的不例包括兩個(gè)超精細(xì)基態(tài)之間具有約9.2GHz間隙的艷和兩個(gè)超精細(xì)基態(tài)之間具有6.SGHz間隙的銣。通常，兩個(gè)基態(tài)在缺少光學(xué)泵浦的情況下通過(guò)公共的激發(fā)態(tài)彼此隔離。如果僅存在一個(gè)光學(xué)場(chǎng)并且該光學(xué)場(chǎng)與兩個(gè)光學(xué)躍遷中的任一個(gè)諧振，則所有的電子將最終從與這個(gè)光學(xué)場(chǎng)諧振的、與原子躍遷相關(guān)聯(lián)的一個(gè)基態(tài)轉(zhuǎn)移至不與這個(gè)光學(xué)場(chǎng)諧振的另一基態(tài)。這將使原子室對(duì)這個(gè)光學(xué)場(chǎng)透明。如果第二光學(xué)場(chǎng)同時(shí)施加至另一原子躍遷并且與第一光學(xué)場(chǎng)相干，則這兩個(gè)基態(tài)不再彼此隔離。當(dāng)這兩個(gè)施加的光學(xué)場(chǎng)精確地與兩個(gè)原子躍遷諧振時(shí)，發(fā)生量子力學(xué)的相干布居數(shù)囚禁(coherent populat1ntrapping)，在量子力學(xué)的相干布居數(shù)囚禁中兩個(gè)基態(tài)彼此量子力學(xué)地干涉以形成不同相疊加態(tài)并變?yōu)榕c公共的激發(fā)態(tài)去耦合。在這種情況下，疊加態(tài)與激發(fā)態(tài)之間不存在可允許的偶極矩，因此兩個(gè)基態(tài)中的任一個(gè)的沒(méi)有電子可被光學(xué)地激發(fā)至激發(fā)態(tài)。因此，原子室變?yōu)閷?duì)分別與共享公共激發(fā)態(tài)的兩個(gè)原子躍遷諧振的兩個(gè)光學(xué)場(chǎng)透明。當(dāng)施加的兩個(gè)光學(xué)場(chǎng)中的任一個(gè)被調(diào)諧以遠(yuǎn)離其相應(yīng)的諧振時(shí)，處于基態(tài)的原子再次變?yōu)楣鈱W(xué)地吸收。此電磁感應(yīng)透明導(dǎo)致相對(duì)于同時(shí)施加的兩個(gè)光學(xué)場(chǎng)的任一個(gè)的頻率失諧的窄傳輸譜峰。此信號(hào)可被用作用于穩(wěn)定WGM諧振器、或激光器、或這兩者的反饋。
[0027]圖1A、圖1B、圖1C和圖1D示出了示例性光梳生成設(shè)備的結(jié)構(gòu)和操作，其中光梳生成設(shè)備基于非線性光學(xué)WGM諧振器被穩(wěn)定至原子參考。該設(shè)備包括可調(diào)諧的激光器1，例如產(chǎn)生通過(guò)光學(xué)耦合器2 (例如可以是用于光學(xué)消逝耦合的棱柱耦合器)耦合到非線性光學(xué)WGM諧振器100的激光的二極管激光器或半導(dǎo)體激光器。非線性光學(xué)WGM諧振器100由呈現(xiàn)光學(xué)非線性的晶體材料形成并且諧振器100配置為支持光學(xué)回音壁模式。激光器I被操作為生成激光的充足激光功率，該激光在諧振器100內(nèi)耦合到用于非線性光波混頻的閾值對(duì)于原子室200中的原子參考被穩(wěn)定的諧)的諧振偏移，以減少或使從具體原子頻率光學(xué)諧振器100在頻率方面可調(diào)諧，并且諧
0置實(shí)現(xiàn)。例如，諧振器100的溫度可用于對(duì)如，諸如擠壓器的機(jī)械致動(dòng)器或壓電致動(dòng)皆振器100可由電光材料制成，以使得可施振器。
器輸出為誤差信號(hào)，其指示光學(xué)諧振器100I較低抖動(dòng)調(diào)制使光學(xué)諧振器100的諧振抖制在通過(guò)光電檢測(cè)器24產(chǎn)生的檢測(cè)器信號(hào)子頻率參考的漂移的量和方向。設(shè)置有振斗動(dòng)頻率的振蕩信號(hào)，該振蕩信號(hào)被施加至氧的激光載波的抖動(dòng)調(diào)制。光學(xué)諧振器:享共同激發(fā)態(tài)的兩個(gè)原子躍遷的兩個(gè)基態(tài)內(nèi)的激光在諧振器100的非線性材料內(nèi)經(jīng):波頻率0的激光的能量導(dǎo)致參數(shù)化放大，路，第二束沿著具有第二鏡M2的第二光路。第二分束器BS2用于組合兩個(gè)束，以致使兩個(gè)束空間重疊和光學(xué)干涉來(lái)產(chǎn)生第一輸出束至第三反射器M3和第二輸出束至第四鏡M4。干涉儀10的BS2處的兩個(gè)輸出束為分別與兩個(gè)不同光學(xué)躍遷諧振的在兩個(gè)不同光學(xué)頻率的兩個(gè)光學(xué)信號(hào)，其中該兩個(gè)不同光學(xué)躍遷與上述的共享相同公共激發(fā)態(tài)的兩個(gè)基態(tài)相關(guān)聯(lián)。偏振旋轉(zhuǎn)器(例如，半波片)可被放置在兩個(gè)束之一中，以使一個(gè)束的偏振旋轉(zhuǎn)90度，因此兩個(gè)束正交偏振。兩個(gè)正交偏振束然后在偏振分束器(PBS)處彼此組合和重疊成組合束，該組合束進(jìn)入原子室20。原子室20中的兩個(gè)正交偏振的束與用于電磁感應(yīng)透明的上述共享公共激發(fā)態(tài)的兩個(gè)原子躍遷諧振:一個(gè)束與一個(gè)躍遷諧振而另一個(gè)束與另一個(gè)躍遷諧振。原子室20的光學(xué)透射被引導(dǎo)通過(guò)光學(xué)偏振器22，然后被引導(dǎo)至光學(xué)檢測(cè)器24。線性偏振器22被定向?yàn)橄鄬?duì)于兩個(gè)正交偏振束的任一偏振成45度，以允許兩個(gè)束到達(dá)光學(xué)檢測(cè)器24。
[0035]在圖1A中，晶體回音壁模式諧振器100中的四波混頻和超參數(shù)化振蕩生成可調(diào)諧的光梳5。光梳5的頻率穩(wěn)定性由諧振器100的諧振器模式的頻率穩(wěn)定性給出。因此，光梳模式之間的頻率分離因各種因素(例如，諧振器100中的熱過(guò)程)隨時(shí)間漂移。為了實(shí)現(xiàn)光梳諧波之間的穩(wěn)定的頻率差，光梳可鎖定至具有絕對(duì)頻率穩(wěn)定性的參考，例如來(lái)自原子室20的頻率參考。
[0036]諧振器100可制造為具有自由譜范圍(FSR)的結(jié)構(gòu)，以使得m*FSR= ω KF，其中RF頻率ωκρ是原子或分子(例如，堿或其他類(lèi)型的原子/離子)的基態(tài)超精細(xì)躍遷的RF頻率，m是整數(shù)。因此，RF頻率coKF可等于或?yàn)橹C振器100的FSR的諧波。原子/離子的基態(tài)應(yīng)該具有時(shí)鐘躍遷并且應(yīng)該在利用雙色光詢(xún)問(wèn)時(shí)展示電磁感應(yīng)透明現(xiàn)象。諧振器100利用來(lái)自激光器I的激光被泵浦并應(yīng)該與原子室20中所關(guān)心的光學(xué)原子躍遷和諧振模式之一諧振。激光器CW光的功率應(yīng)足夠強(qiáng)大，以超過(guò)諧振器100中的光學(xué)超參數(shù)化振蕩的閾值。激光器I應(yīng)通過(guò)注入鎖定、PDH鎖定或其他鎖定技術(shù)被鎖定至合適的諧振模式。
[0037]如圖1A所示，生成的光梳輸出5可使用一個(gè)或多個(gè)Mach-Zehnder干涉儀進(jìn)行處理，以分離光梳頻率分量，從而使得與原子/離子的兩個(gè)光學(xué)超精細(xì)躍遷諧振的兩個(gè)光學(xué)分量遵循不同的光路?？臻g分離的光梳諧波的偏振應(yīng)改變至線性正交或圓形反向旋轉(zhuǎn)。然后激光束應(yīng)被引導(dǎo)至原子室20。
[0038]在圖1A的設(shè)備的操作中，用于將光梳鎖定至原子室20中的原子參考的誤差信號(hào)通過(guò)測(cè)量由相反地偏振光學(xué)諧波在其與原子室20中的原子樣本相互作用期間獲取的相對(duì)相移生成。誤差信號(hào)的特征譜寬度等于電磁感應(yīng)透明諧振的譜寬度。
[0039]在圖1A的設(shè)備和本文中描述的其他設(shè)備中，晶體回音壁模式諧振器100中的四波混頻(FWM)的非線性過(guò)程呈現(xiàn)立方非線性，例如氟化鈣或其他非線性材料。參考圖1D，在FWM中，高精細(xì)度或高QWGM諧振器100中的大場(chǎng)密度將處于激光載波頻率ω的兩個(gè)泵浦光子轉(zhuǎn)變成處于ω +和《_的兩個(gè)邊帶光子，即信號(hào)光子和閑頻光子(idler photon)。生成的處于ω +和《_的光子的頻率總和因能量守恒定律等于處于激光載波頻率ω的泵浦光的頻率的兩倍。
[0040]光學(xué)諧振器是支持被稱(chēng)為回音壁(“WG”)模式的一組特殊的諧振模式的光學(xué)回音壁模式(“WGM”)諧振器。這些WG模式表示因邊界處的總內(nèi)部反射被局限在接近諧振器表面的內(nèi)部區(qū)域中的光學(xué)場(chǎng)。例如，電介質(zhì)球體可用于形成WGM諧振器,其中WGM模式表不因球體邊界處的總內(nèi)部反射被限制在接近球體赤道周?chē)谋砻娴膬?nèi)部區(qū)域中的光學(xué)場(chǎng)。直徑.面102為圓形橫截面。呢模式存在于球體、表面在赤道面102周?chē)那蝮w曲率提供沿:。球體100的偏心率通常較低。
丨0。諧振器200可通過(guò)繞沿短橢圓軸線1012八中的球形諧振器，圖28中的面也具有圓3 28中的面102為非球形類(lèi)球體的、且在類(lèi)00的偏心率為(產(chǎn)并且通常較高，球體的一部分并沿2方向提供比球形外表所在的面(例如，27或0面)的幾何形狀為I直于軸線101 (2),并且呢模式在諧振器
丨性1(通諧振器300，其中外表輪廓基本呈錐不。類(lèi)似于圖1和圖2的幾何體，夕卜表面在由率，以限制和支持呢模式。這種非球形、每線。注意，圖3中的面102為圓形橫截面，用于光學(xué)濾波和光電振蕩器。
I'高諧振對(duì)比度(50%及更大)的晶體1(通諧文體積和極窄的單光子諧振，可基于小寬帶宣非線性效應(yīng)。作為示例，下文中報(bào)告觀察,0得到越小體積的高0 二氧化硅微球體。譜振器的非線性材料的一個(gè)示例是氟化鈣-線光刻應(yīng)用中的使用而在各種應(yīng)用中非常I勺超純晶體，并且其可商業(yè)獲得。根據(jù)最近)50111 \極小散射可被投射到與0在1013水
七子邊緣的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，并產(chǎn)生甚至更小和吸收都存在并且它們?cè)趯?shí)際諧振器中減殘留表面不均勻性產(chǎn)生的散射。在傳統(tǒng)光；于用于表面散射的波導(dǎo)模式的估計(jì)產(chǎn)
八1203制成的其他晶體材料制造的1(通諧振型。
[0056]在低光級(jí)實(shí)現(xiàn)有效非線性光學(xué)相互作用從一開(kāi)始就是非線性光學(xué)的主要目標(biāo)之一。因?yàn)樵陂L(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)將光限制在小體積內(nèi)導(dǎo)致增加的非線性光學(xué)相互作用，所以光學(xué)諧振器對(duì)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)貢獻(xiàn)顯著。光學(xué)回音壁模式(WGM)諧振器尤其適于該目的。高品質(zhì)因數(shù)(Q)和小模式體積的特征已導(dǎo)致在由非晶材料制成的WGM諧振器中觀察到低閾值的發(fā)射激光和有效非線性波混頻。
[0057]光學(xué)超參數(shù)化振蕩(被稱(chēng)為光纖光學(xué)器件中的調(diào)制不穩(wěn)定性)通常被材料的小非線性阻礙，因此需要高功率光脈沖用于其觀察。盡管CaF2的非線性甚至小于熔融二氧化硅的非線性，但是能夠利用低功率連續(xù)波泵浦光觀察到由諧振器的高Q (Q>5xl09)導(dǎo)致的諧振模式之間的強(qiáng)非線性相互作用。由于該相互作用生成了新的場(chǎng)。
[0058]通過(guò)在快速光電二極管上混合泵浦和生成的邊帶產(chǎn)生的微波信號(hào)的頻率是穩(wěn)定的并且不具有可能因自相位調(diào)制和交叉相位調(diào)制效應(yīng)發(fā)生的頻移。相反地，在例如相干原子媒介中，振蕩頻率偏移以補(bǔ)償因交叉相位調(diào)制效應(yīng)(交流Stark偏移)導(dǎo)致的頻率不匹配。在我們的系統(tǒng)中，振蕩頻率由模式結(jié)構(gòu)給出，因此振蕩頻率可通過(guò)改變諧振器尺寸而被調(diào)諧。不同于用非晶材料和液體制造的諧振器，高Q晶體諧振器允許更好地區(qū)分三階非線性過(guò)程和觀察純超參數(shù)化振蕩信號(hào)。因此，超振蕩器作為全光學(xué)次要頻率參考適合多個(gè)應(yīng)用。
[0059]超參數(shù)化振蕩可用受激拉曼散射(SRS)和其他非線性效應(yīng)遮蔽。例如，具有WGM二氧化硅微諧振器的SRS實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)泵浦線附近的次級(jí)線的觀察被解釋為泵浦與在諧振器中生成的兩個(gè)拉曼波之間的四波混頻，而非基于媒介的電子Kerr非線性的四光子參數(shù)化過(guò)程。各種受激非線性過(guò)程中的相互影響也已經(jīng)在液滴球形微腔中被研究和觀察。
[0060]偏振選擇規(guī)則和WGM的幾何體選擇規(guī)則允許觀察到僅由于晶體WGM諧振器中的晶體的電子非線性導(dǎo)致的非線性過(guò)程。下面考慮具有具有對(duì)稱(chēng)軸線的柱對(duì)稱(chēng)性的氟石WGM諧振器。立方晶體中的線性折射率是一致的和各向同性的，因此模式的通常描述對(duì)諧振器有效。WGM的TE族和TM族分別具有與對(duì)稱(chēng)軸線平行和正交的偏振方向。如果光學(xué)泵浦光被發(fā)送到TE模式，拉曼信號(hào)不能在相同的模式族中生成，因?yàn)樵诹⒎骄w(例如CaF2)中僅存在一個(gè)具有對(duì)稱(chēng)性F2g的三重簡(jiǎn)并拉曼活性振動(dòng)。最后，在超高Q晶體諧振器中，由于材料以及幾何彌散，拉曼失諧頻率處的自由譜范圍(FSR)的值與載波頻率處的FSR不同之處在于超過(guò)模式譜寬度的量。因此，拉曼信號(hào)和載波之間的頻率混合被強(qiáng)烈抑制。TE模式族中的任何場(chǎng)生成僅由于電子非線性，并且拉曼散射發(fā)生在TM模式中。
[0061]考慮三個(gè)腔模式:一個(gè)模式幾乎與泵浦激光器諧振，另外兩個(gè)模式幾乎與生成的光學(xué)邊帶諧振。分析從下面用于腔內(nèi)的慢振幅的等式開(kāi)始。
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)備，包括： 光學(xué)諧振器，由展現(xiàn)光學(xué)非線性的光學(xué)材料形成并基于由所述光學(xué)非線性導(dǎo)致的非線性波混頻產(chǎn)生光頻梳； 激光器，能夠調(diào)諧并產(chǎn)生激光，所述激光基于所述非線性波混頻與所述光學(xué)諧振器的所述光學(xué)材料相互作用，以產(chǎn)生所述光頻梳； 激光器鎖定機(jī)構(gòu)，將所述激光器鎖定至所述光學(xué)諧振器； 原子參考設(shè)備，包括提供原子躍遷或分子躍遷的原子或分子，并被耦合以接收從所述光學(xué)諧振器耦合出的光，以產(chǎn)生攜帶所述原子躍遷或分子躍遷的信息的輸出光； 第一光學(xué)檢測(cè)器，接收來(lái)自所述原子參考設(shè)備的所述輸出光，以產(chǎn)生第一檢測(cè)器輸出； 反饋電路，接收所述第一檢測(cè)器輸出并產(chǎn)生反饋信號(hào)，所述反饋電路被耦合至所述激光器或所述光學(xué)諧振器中至少之一，以應(yīng)用所述反饋信號(hào)來(lái)穩(wěn)定所述激光器或所述光學(xué)諧振器中的所述至少之一；以及 第二光學(xué)檢測(cè)器，接收通過(guò)所述光學(xué)耦合器從所述光學(xué)諧振器耦合出的光，以將所述光頻梳變換成第二檢測(cè)器信號(hào)，所述第二檢測(cè)器信號(hào)在頻率上相對(duì)于所述原子參考設(shè)備的所述原子躍遷或分子躍遷被穩(wěn)定。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中： 所述光學(xué)諧振器為光學(xué)回音壁模式諧振器。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中： 所述光學(xué)諧振器由非線性晶體材料制成。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述激光器和所述光學(xué)諧振器通過(guò)注入鎖定被相互鎖定，所述激光鎖定機(jī)構(gòu)包括光學(xué)耦合器，所述光學(xué)耦合器將所述激光耦合至所述光學(xué)諧振器中并將光從所述光學(xué)諧振器耦合出回到所述激光器，以將所述激光器注入鎖定至所述光學(xué)諧振器。
5.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述激光鎖定機(jī)構(gòu)包括鎖定電路，所述鎖定電路將所述激光器和所述光學(xué)諧振器相互鎖定。
6.如權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中所述鎖定電路為Pound-Drever-Hall(PDH)電路。
7.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，包括： 光學(xué)Mach-Zehnder干涉儀，耦合在所述原子參考設(shè)備與所述光學(xué)諧振器之間，并被耦合以接收從所述光學(xué)諧振器耦合出的所述光，并且在將從所述光學(xué)諧振器耦合出的所述光處理為與所述原子參考設(shè)備中的第一原子躍遷諧振的第一光學(xué)束和與所述原子參考設(shè)備中的不同的第二原子躍遷諧振的第二光學(xué)束之后，將從所述光學(xué)諧振器耦合出的所述光引導(dǎo)至所述原子參考設(shè)備， 其中，所述第一原子躍遷和所述第二原子躍遷與所述原子參考設(shè)備的所述原子躍遷或分子躍遷相關(guān)聯(lián)。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中所述激光器被調(diào)制為產(chǎn)生激光，所述激光具有與用于穩(wěn)定所述激光器或所述光學(xué)諧振器的所述反饋信號(hào)相關(guān)的抖動(dòng)調(diào)制。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述原子參考設(shè)備包括原子蒸氣室。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述原子參考設(shè)備包括原子阱。
11.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述原子參考設(shè)備包括原子束。
12.—種設(shè)備,包括: 光學(xué)諧振器，展現(xiàn)光學(xué)非線性并被配置為支持光學(xué)回音壁模式的回音壁模式諧振器； 激光器，能夠調(diào)諧并產(chǎn)生激光； 光學(xué)耦合器，將所述激光耦合至所述光學(xué)諧振器中，以基于所述光學(xué)諧振中的非線性波混頻生成不同頻率的光梳信號(hào)； 原子參考設(shè)備，包括提供作為頻率參考的原子躍遷或分子躍遷的原子或分子；以及鎖定電路，在頻率上相對(duì)于所述原子參考設(shè)備的所述原子躍遷或分子躍遷鎖定所述光學(xué)諧振器或所述激光器中至少之一，以穩(wěn)定不同頻率的所述光梳。
13.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述鎖定電路將來(lái)自所述光學(xué)諧振器的光引導(dǎo)回所述激光器，以將所述激光器相對(duì)于所述光學(xué)諧振的模式注入鎖定。
14.如權(quán)利要求13所述的設(shè)備，其中所述鎖定電路包括光學(xué)耦合器，所述光學(xué)耦合器將光耦合出所述光學(xué)諧振器，并將耦合的所述光引導(dǎo)回所述激光器。
15.如權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其中所述鎖定電路包括Pound-Drever-Hall(TOH)電路。
16.一種生成相對(duì)于原子頻率參考被穩(wěn)定的射頻(RF)信號(hào)或微波信號(hào)的方法，包括: 引導(dǎo)激光至光學(xué)諧振器中，以在所述光學(xué)諧振器內(nèi)以至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式產(chǎn)生受限激光，所述至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式以所述光學(xué)諧振器的自由譜范圍(FSR)或所述FSR的諧波分離； 將所述光學(xué)諧振器內(nèi)的所述受限激光耦合出作為光學(xué)諧振器輸出，所述光學(xué)諧振器輸出具有與所述至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)光學(xué)譜分量； 相對(duì)于原子頻率參考鎖定所述光學(xué)諧振器，以使所述光學(xué)諧振器輸出中的與所述至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式相對(duì)應(yīng)的所述兩個(gè)光學(xué)譜分量穩(wěn)定；以及 引導(dǎo)所述光學(xué)諧振器輸出至光電檢測(cè)器中，以產(chǎn)生在所述兩個(gè)光學(xué)譜分量間頻率差的頻率的檢測(cè)器信號(hào)，所述檢測(cè)器信號(hào)相對(duì)于所述原子頻率參考被穩(wěn)定。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，包括: 操作第一激光器，以產(chǎn)生所述激光的在第一激光載波頻率的第一部分，所述第一激光載波頻率與所述光學(xué)諧振器的第一光學(xué)諧振器模式相對(duì)應(yīng)； 鎖定所述第一激光器至所述光學(xué)諧振器的所述第一光學(xué)諧振器模式； 操作分離的第二激光器，以產(chǎn)生所述激光的在第二激光載波頻率的第二部分，所述第二激光載波頻率與所述光學(xué)諧振器的第二光學(xué)諧振器模式相對(duì)應(yīng)；以及鎖定所述第二激光器至所述光學(xué)諧振器的所述第二光學(xué)諧振器模式。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，包括: 相對(duì)于彼此鎖定所述第一激光器和所述第二激光器。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，包括: 配置所述光學(xué)諧振器作為非線性光學(xué)諧振器，以通過(guò)所述光學(xué)諧振器內(nèi)的非線性波混頻生成光頻梳，其中生成的所述光頻梳包括至少兩個(gè)不同的光學(xué)諧振器模式。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，包括: 引導(dǎo)所述光學(xué)諧振器輸出的光至所述原子頻率參考中，以生成誤差信號(hào)；以及使用所述誤差信號(hào)，以相對(duì)于所述原子頻率參考鎖定所述光學(xué)諧振器。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，包括: 處理所述光學(xué)諧振器輸出的所述光，以生成在第一光學(xué)頻率的第一束和在不同的第二光學(xué)頻率的第二束，所述第一束與所述原子頻率參考中的第一原子躍遷諧振，所述第二束與所述原子頻率參考中的第二原子躍遷諧振，所述第二原子躍遷與所述第一原子躍遷共享公共的激發(fā)態(tài)；以及 使用通過(guò)所述第一原子躍遷和所述第二原子躍遷產(chǎn)生的電磁感應(yīng)透明，以生成所述誤差?目號(hào)。
22.如權(quán)利要求16所述的方法，包括: 操作激光器，以生成所述激光； 在引導(dǎo)所述激光至所述光學(xué)諧振器中之前，分開(kāi)所述激光的一部分，以穿過(guò)所述原子頻率參考來(lái)生成誤差信號(hào)；以及 使用所述誤差信號(hào)，以相對(duì)于所述原子頻率參考鎖定所述光學(xué)諧振器。
23.一種生成光梳和相對(duì)于原子頻率參考穩(wěn)定所述光梳的方法，包括: 操作激光器，以產(chǎn)生激 光； 引導(dǎo)所述激光至光學(xué)諧振器中，所述光學(xué)諧振器展現(xiàn)光學(xué)非線性并以充足的功率支持光學(xué)回音壁模式，以基于所述光學(xué)諧振中的非線性波混頻生成不同頻率的光梳信號(hào)；相對(duì)于彼此鎖定所述激光器和所述光學(xué)諧振器；以及 相對(duì)于原子頻率參考鎖定所述激光器或所述光學(xué)諧振器，以穩(wěn)定不同頻率的所述光梳。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，包括: 基于從所述光學(xué)諧振器至所述激光器的光學(xué)反饋通過(guò)注入鎖定相對(duì)于彼此鎖定所述激光器和所述光學(xué)諧振器。
25.如權(quán)利要求23所述的方法，包括: 通過(guò)Pound-Drever-Hall (PDH)電路相對(duì)于彼此鎖定所述激光器和所述光學(xué)諧振器。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，包括: 基于原子蒸氣或分子蒸氣中的電磁感應(yīng)透明相對(duì)于原子頻率參考鎖定所述激光器或所述光學(xué)諧振器。
27.如權(quán)利要求23所述的方法，包括: 提供與所述原子頻率參考不同的第二原子頻率參考；以及 相對(duì)于所述原子頻率參考和所述第二原子頻率參考鎖定所述激光器或所述光學(xué)諧振器。
28.—種設(shè)備,包括: 光學(xué)諧振器，由展現(xiàn)光學(xué)非線性的晶體材料形成并被配置成支持回音壁模式的回音壁模式諧振器； 激光器，能夠調(diào)諧并產(chǎn)生激光； 光學(xué)耦合器，將所述激光耦合至所述光學(xué)諧振器中，所述光學(xué)諧振器基于所述晶體材料的光學(xué)非線性產(chǎn)生不同頻率的光梳，以及將所述光學(xué)諧振器內(nèi)的光從所述光學(xué)諧振器耦合出回到所述激光器，以將所述激光器注入鎖定至所述光學(xué)諧振器；原子參考設(shè)備，包括提供原子躍遷或分子躍遷的原子或分子并被耦合以接收從所述光學(xué)諧振器耦合出的光，以產(chǎn)生攜帶所述原子躍遷或分子躍遷的信息的輸出光； 第一光學(xué)檢測(cè)器，從所述離子參考設(shè)備接收所述輸出光，以產(chǎn)生第一檢測(cè)器輸出； 反饋電路，接收所述第一檢測(cè)器輸出并產(chǎn)生反饋信號(hào)，并且耦合至所述激光器或所述光學(xué)諧振器中的至少之一，以應(yīng)用所述反饋信號(hào)來(lái)使所述激光器或所述光學(xué)諧振器中的所述至少之一穩(wěn)定；以及 第二光學(xué)檢測(cè)器，接收通過(guò)所述光學(xué)耦合器耦合出所述光學(xué)諧振器的光，以將不同頻率的所述光梳變換成第二檢測(cè)器信號(hào)，所述第二檢測(cè)器信號(hào)在頻率上相對(duì)于所述原子參考設(shè)備的所述原子躍 遷或分子躍遷被穩(wěn)定。
【文檔編號(hào)】H01S3/08GK104040808SQ201280042568
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月30日
【發(fā)明者】阿納托利·A·薩夫琴科夫, 魯特·梅爾基, 安德烈·B·馬茨科, 大衛(wèi)·賽德?tīng)? 申請(qǐng)人:Oe電波公司