(A) phase-modulated laser system of ultra-low phase noise for compact atom interferometers = 소형 원자간섭계를 위한 저잡음 위상잠금 레이저 시스템의 개발

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The ability to precisely stabilize and manipulate the frequency and phase of laser light is at the basis of tremendous progress in precision measurements, including the realization of optical clocks and tests of the fundamental laws of physics. During the last decade low-noise phase-locked lasers are also extensively used for such as Magneto-Optical Trap (MOT), Bose-Einstein Condensation (BEC) and manipulating atoms, and in particular , atom interferometry which is used in precision gravimeters , sensitive gyroscope and precision measurements of fundamental constants. Especially, recent development of atom interferometers using Raman transition between two ground states has stimulated the development of various schemes of low phase-locked laser source as the performance of the interferometer depends on the phase stability of the laser lights which induce the Raman transition. In addition, to realize a portable atom interferometer which can be used as an inertial sensor, a compact and stable phase-locked laser system is required. This phase-locked laser system, which is an indispensable part for the atom interferometer, has also been studied and improved for compactness and simplification. The phase-locked laser system is commonly used for make coherent lasers which have two different frequencies. And to achieve low phase noise, fast feedback mechanisms are necessary to efficient remove the frequency or phase fluctuations of the laser emission. But, these two frequency laser system always occurs phase noise cause of laser frequency’s difference.
For reduce phase noise, we demonstrated a phase-locked laser system of a single diode laser with an EOM and a Fabry-Perot cavity (F-P cavity). This laser system's phase lock scheme is constructed by a single diode laser. After the single diode laser light passed through the F-P cavity to achieve sufficient power for atom interferometry, we added a tapered amplier (TA) to our laser system. For use in atom interferometry, this laser's frequency has been locked by monitoring the beat note with a reference laser. A grating feed-backed external cavity diode laser (ECDL), locked to 87Rb atomic transition line, is used as our reference laser. In order to achieve precise measurements of the two dierent frequency lasers, the output signal of a beat frequency should be measured with a fast PD. We assessed phase noise using a spectrum analyzer and FFT analyzer, before and after passing the TA. To obtain more accurate phase noise data, we analyzed our laser system in two parts. One is the laser system itself, and the other is electronic (RF) devices. In this laser system’s total phase noise is equal to the vector sum of the phase difference of the individual sideband. Therefore these coherent sidebands has always opposite phase difference π, occurs destructive interference. This is very powerful and robust system cause of laser’s frequency always meet same experience in our experiment. Our phase locked laser system has 217 mW output power with ultra low phase noise, -110 dBc/Hz in 10Hz and -138 dBc/Hz in 100 kHz.
After then, we have constructed vacuum system for atom-interferometer. Our vacuum system consists of two parts. One is MOT (magneto optical trap) for trap the Rb atom, the other is using for atom interferometer. We build the our vacuum chamber consist of common products with MOT chamber, and atom-interferometer parts are made by titanium cause of less influence with magnetic field. We add a Indium sealing window for easy to observe atom's cooling, trapping and interference. Our vacuum system reached the 1.6 × 10-9 (torr), we baked the our vacuum chamber almost 100 days with 120℃. It's satisfied with atom interferometer experiment.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서 우리는 가속도계나 중력계로 사용되는 원자 간섭계의 위상잠금 레이저 시스템을 하나의 반도체 레이저와 전자광학변조기, Fabry-Ferot 필터와 테이퍼드 증폭기를 사용하여 낮은 위상잡음을 가지도록 구성하였다. 먼저 하나의 반도체 레이저가 루비듐 의 초미세 구조 만큼의 주파수 차이가 나도록 하기 위해 의 전이선에 포화흡수분광을 통해 주파수 잠금을 한 레퍼런스 레이저로 외부공진기형 레이저를 사용하였다. 이후 이 레퍼런스 레이저와 마스터 레이저의 비트 주파수를 이용하여 마스터 레이저의 주파수가 루비듐 전이선의 가운데인 3.417 GHz 떨어진 곳에 위치하도록 만들었다. 이는 본 실험에서 3.417 GHz로 작동시키는 EOM의 사이드밴드 신호가 루비듐 원자의 전이선에 일치하도록 만들기 위함이다. 이렇게 구성된 시스템은 EOM 의 캐리어 주파수를 줄여주어야 초미세 구조 전이에 해당하는 6.834 GHz 의 차이를 가지는 레이저 신호만 나오게 되는데 캐리어 주파수를 줄여주기 위하여 6.834 GHz의 Free spctral range를 가지는 Fabry-Perot 필터를 사용하여 EOM의 사이드 밴드만 통과 할수 있도록 만들었다. 이렇게 필터링 되어 나오는 두 개의 사이드 밴드 시그널을 원자 간섭계에 사용될수 있도록 테이퍼드 증폭기를 사용하여 증폭하여 준다. 최종적으로 나오는 두 개의 결맞음성을 갖춘 사이드 밴드 시그널은 서로 만큼의 위상차를 가지고 있기에, 보강간섭에 의해 위상잡음이 없을것으로 예측되었으나, 전자 장비에 의한 line 노이즈와 Fabry-Perot cavity를 안정화 시켜주기 위한 변조 신호가 잡음 원인으로 측정되었다. 연속적이고 정확한 측정을 위해 시스템을 전자 시스템 부분과 레이저 시스템 부분으로 나누어서 직접 제작한 LabVIEW 프로그램을 사용하여 측정하였다. 본 실험에서 최종적으로 측정된 위상잡음은 10 Hz에서 -115 dBc/Hz 이며 100 kHz에서 -138 dBc/Hz를 기록하였으며, 이는 기존에 보고되었던 두 대의 레이저를 위상잠금 하여 얻은 신호의 위상잡음에 비해 현저히 낮은 위상잡음이다. 이때의 레이저 파워는 217mW 의 크기를 지니고 있었으며, 테이퍼드 증폭기에 의해 추가되는 잡음신호는 거의 없었다. 이번 실험은 세계최초로 수행되었던 사이드밴드 시그널만을 이용한 낮은 위상잡음 레이저 시스템 구현이었으며 우리는 이 시스템을 적용하여 원자 간섭계 실험을 하기 위한 진공 챔버를 디자인 하고 제작하였다. 휴대용 간섭계 실험을 위해 진공 챔버의 내부 부피는 2 L 이하로 제작되었으며, 자기광학 포획 이후, 간섭이 일어나는 부분을 자성의 영향을 줄이고, 진공상태에서의 Out-gassing을 방지하기 위해 티타늄 챔버를 제작하여 구성하였고, Id seal 윈도우를 사용하여 관측 및 실험의 편의 성을 증대 시켰다. 진공은 100일이 넘는 시간 동안 인듐의 녹는점보다 낮은 120 ℃ 정도의 베이킹을 통해 1.6 × 10-9 (torr) 의 진공도를 기록하였으며, RGA를 통해 Rb 앰플의 작동 및 진공상태를 확인한 결과 우수한 UHV (ultra-high vacuum)을 획득했음을 알수 있었다. 직접적인 간섭실험을 위한 레이저 시스템의 셋팅에 문제점이 존재하여, 직접적으로 실험을 이 이상 진행하지는 못하였지만, 향후 원자 간섭계 및 전자기 유도 투과 등의 원자 물리 실험에 우리가 제작한 저잡음 위상잠금 레이저가 폭넓게 쓰일 수 있기를 기대해본다.

목차 (Table of Contents)

• List of Figures iv
• List of Tables vii
• Abstract viii
• 1 Introduction
• 1.1 History 1
• 1.2 Motivation 4
• 2 Diode Laser and Raman Transition
• 2.1 Diode Laser 7
• 2.1.1 External Cavity Diode Laser 7
• 2.1.2 Distributed Feedback Diode Laser 10
• 2.1.3 Saturated Absorption Spectroscopy 11
• 2.2 Interaction rules for atom with lasers (Raman Transition) 15
• 2.2.1 Single photon transition on a two-level atomic system 15
• 2.2.2 Two-photon stimulated Raman transition 18
• 2.3 Atom interferometer by using Raman Transition 30
• 2.3.1 Basic principle 30
• 2.3.2 Precision acceleration measurement using atom interferometer 39
• 3 Principle of Phase Locked Laser
• 3.1 Phase Locked Loop 46
• 3.1.1 Basic Principle 46
• 3.1.2 Noise Sensitivity of Phase locked laser 51
• 3.2 Principle of Our Phase Locked Laser System 55
• 3.2.1 Electro-Optic Phase Modulator 55
• 3.2.2 Fabry-Perot resonant cavity 57
• 3.2.3 Typical Phase Locked Laser 60
• 4 Phase Locked Laser System
• 4.1 Experimental Setup 63
• 4.1.1 Introduction 63
• 4.1.2 Experiment Setup 66
• 4.1.3 Laser Frequency Stabilization 70
• 4.1.4 Electro-Optic Phase Modulator with PID controlled F-P Cavity 74
• 4.1.5 Tapered Amplifier 78
• 4.2 Measurement of Phase Noise 81
• 4.2.1 First measurement with Double Synthesizer 81
• 4.2.2 Measurement RF Devices Phase Noise 83
• 4.2.3 Two different EOMs Phase Noise Comparison 86
• 4.2.4 Optimization Experiment System 89
• 4.3 Conclusion and Discussion 93
• 5 Discussion and Conclusion 94
• Reference 96
• Appendices 106
• A. Vacuum System 106
• B. Camera Capture Program for 2-D BEC 109
• C. FORCA-G system Phase lock 112
• Abstract (Korean) 115