Ultra-stable 1064-nm neodymium-doped yttrium aluminum garnet lasers with 2.5 × 10−16 frequency instability

Abstract

Cavity-stabilized ultra-stable optical oscillators are one of the core ingredients in the ground-based or spaceborne precision measurements such as optical frequency metrology, test of special relativity, and gravitational wave observation. We report in detail the development of two ultra-stable systems based on 1064-nm neodymium-doped yttrium aluminum garnet lasers and 20-cm optical cavities. The optical cavities adopt ultra-low-loss silica mirrors with compensating rings. An electro-optic crystal with a wedged angle is used to reduce the residual amplitude modulation. Using two-stage thermal control, long-term stabilities of 100 µK are achieved for the outer wall of the vacuum chamber housing the optical cavity. Two additional thermal shields increased the time constant of the optical cavities to 70 h. By operating the optical cavity at the temperature of zero coefficient of thermal expansion, the frequency stability reaches 2.5 × 10−16 at 10 s averaging time and remains below 5 × 10−16 with an extended time of 1000 s after removing the first- and second-order drifts. The dependence of the laser linewidth on the measurement time is tested against a simplified theoretical model.

Design of a transportable miniaturized optical reference cavity with flexibly tunable thermal expansion properties

“…The thermal noise limit is calculated to be 1.3 × 10 -15 for the cavity with 6-μm dielectric-coated FS mirrors, a radius of curvature of 1 m, and bore-aperture of 15 mm [22,26]. It can be reduced by increasing the cavity length L [27, 28], operating at cryogenic temperature [29-32], increasing the beam radius w 0 [25,33], and using materials with low mechanical loss φ [34,35]. Considering miniaturization and non-laboratory operation, only the latter two work.…”

Advance and prospect in the study of laser interferometry technology for space gravitational wave detection

“…TEM 00 ；系统的光功率要求可根据系统量子噪声进行 调节， 例如 LISA Pathfinder 卫星中激光的输出功率约 为 32.5mW±30% [32,33] ，太极一号卫星中激光输出功 率为 40mW [34] 。此外，激光频率的稳定性也是影响激 光器性能的重要因素， 例如 LISA 团队对 0.1mHz~1Hz 内的频率稳定性提出低于10 −6 Hz/√Hz的要求，这一 要求是通过腔稳频、锁臂、时间延迟干涉实现的 [31] 图示激光器系统主要包含激光发射模块、 激光调 制模块以及控制模块 [33] 。 发射模块中的种子光源主要 是一个由二极管泵浦、Nd:YAG 晶体构成的非平面环 形谐振腔 NPRO，输出 1064nm 的基模线偏振光，输 出光功率约为 30mW 左右。激光调制模块中光分束 成两部分， 一部分经过 EOM (Electro-Optic Modulator)， 最终经光纤放大后进入光学平台； 另一部分经过稳频 系统提高频率稳定性。稳频方法一般有三种，分别是 稳频腔(FP 腔)稳频、碘稳频和光纤延迟干涉仪稳 频。反馈控制模块主要包括一些电子学模块，用于对 误差信号，如频率波动误差、功率波动误差、电子学 噪声等进行响应，并对晶体进行反馈控制。通过压电 驱动调节激光谐振腔的腔长， 或者通过信号发生器调 节 Nd:YAG 晶体的温度，可以对激光频率进行调制， 使出射激光的频率达到预设要求 [35,36] 。 种子光源与光 纤放大器间的 EOM 主要用于激光通讯及时钟噪声传 递，可以调制通信测距和时钟波动信息。 为了降低激光器对干涉测量结果的影响， 一般可 以采用以下几种方法： 选用功率稳定性和频率稳定性 高的光源； 采用共模噪声抑制的方法消除激光噪声的 影响； 引入反馈补偿链路使光源的相关参数稳定在目 标水平 [32] 干涉信号都会进入两个光电探测器，即平衡探测，通 过这一方法可以有效抑制光学平台的噪声 [37] ； 另外两 个探测器只用其中一个象限的数据， 对进入光学平台 的两个激光的功率进行监测， 并用于后续光功率稳定 环路的建立 [33,38] 。 太极一号卫星中同样建立了四路干 涉仪， 其中两路等臂参考干涉仪用于反映光学平台稳 定性， 一路 TM 参考干涉仪和一路 TM 测量干涉仪用 于检测测试质量的波动， 干涉信号最终进入 8 个探测 器 [24] 。 空间引力波探测要求百万公里距离的测量精度 达到 [39,40] 。此外，通过选取线膨胀系 数小的材料可以降低由光学平台产生的光程噪声。 文 献表明 [11] ，当初始臂长差为 45cm、温度稳定性为 [41][42][43][44][45][46] 进行进一步改进 [46,49,50] 。 光粘技术凭借其优异的力学 性能被用于各项引力波探测项目中，如 GEO 600、…”