Microwave to visible frequency synthesis

Abstract

The helium‐neon methane‐stabilized laser frequency at 88 THz (3.39 μm) and higher frequencies (148 and 197 THz, frequencies of the Xe (2.03 μm) and Ne (1.52 μm) lasers) have been measured by comparison with the cesium frequency standard using a microwave to visible frequency synthesis chain. This paper will report on the techniques of laser frequency measurements, the nonlinear devices used for these measurements, and the different methods for laser frequency synthesis with emphasis on microwave and laser generators. The extension of laser frequency measurements to the visible will also be discussed.

Infrared and optical frequency standards

“…Long-term frequency stability and reproducibility of lasers are comparable with those of masers and limited mostly by the second-order Doppler effect. In the near future when it will become possible to measure frequencies in the optical band and to lock lasers and masers to each other [Jimenez, 1979], lasers can become the oscillators on the basis of which an atomic time unit may be created. As for measurement of wavelengths, their comparison may be performed with an accuracy up to 10 -lø [Rowley, 1979].…”

Synthèse et mesure des fréquences optiques

“…Introduction. -Les lasers actuellement utilisés en métrologie et spectroscopie sont caractérisés par une grande pureté spectrale, une très haute stabilité et une excellente reproductibilité, qui peuvent atteindre des valeurs comprises entre 10-l0 et 10-" [1][2][3], [90]. On peut alors envisager de mesurer leur fréquence avec une très grande précision.…”

“…Afin de réduire le nombre de lasers utilisés actuellement et d'obtenir une meilleure précision sur la mesure, de l'ordre de 10-12, une nouvelle chaîne de synthèse de fréquence est actuellement en cours de réalisation au NBS [77,78] et au LPTF [2,4,23,73,90] (Fig. 12).…”

“…(400 MHz) sont similaires à ceux de la figure 13 [88,89]. L'utilisation d'un amplificateur de post-détection à bande étroite (5 MHz) a permis d'améliorer de deux ordres de grandeur la mesure de la stabilité de fréquence du laser pompé [88][89][90] : 03C3y(03C4) = 2 x 10-13 T-1/2 (bruit blanc de fréquence) pour r 20 ms, avec une valeur minimale 0" y (50 ms) = 2 x 10 -12. Pour des temps de mesure supérieurs, une dérive de fréquence apparaît c--1,5 x 10-11 03C4, due probablement à la dérive de la cavité LIR et à celle du laser CO2 de pompe.…”

“…La figure 14 montre une comparaison de la stabilité de fréquence de deux lasers LIR : le meilleur laser HCN asservi en phase [86] et le laser CH30H (70,5 pm) non asservi, dont l'écart-type de fluctuations de fréquence est mesuré à travers un amplificateur à bande étroite [88][89][90].…”