Laser with Narrow Spectral Linewidth for Metrology of Length - Pham, Minh Tuan (Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství, 2023)
Práce se zabývá stabilizací diodového laseru pracujícího na vlnové délce 729 nm, který slouží pro přesnou spektroskopii a interakci se zachycenými a chlazenými ionty vápníku. Interakce s iontem vyžaduje, aby excitační laser měl extrémně úzkou šířku spektrální čáry. V práci jsou vysvětleny důležité postupy a metody vedoucí k dosažení provozu laseru se spektrální šířkou čáry v řádu Hz či nižší. Součástí práce je sestavení optické sestavy pro tento laser a k ní potřebných elektro-optických prvků. Hlavní důraz je kladen na techniky stabilizace laserové frekvence pomocí externích referencí, jejich teoretický popis a implementace je rovněž součástí této práce. Jako první přístup o zúžení spektrální čáry je zvolena metoda uzamknutí optické frekvence laseru na vybranou komponentu hřebene optických frekvencí pomocí elektronických fázových závěsů. Měření spektrálního šumu bylo provedeno pomocí dvousvazkového interferometru s nevyváženými rameny. Dosažené výsledky potlačení šumu u takto uzamčeného laseru byly poté porovnány s režimem laseru volně běžícího. Dalším postupem je uzamčení spektrální čáry laseru na velmi úzkou čáru vysoce jakostního optického rezonátoru. Touto metodou jsem dosáhl laseru s velmi úzkou spektrální čáru (v řádech desítek Hz), avšak s krátkodobou stabilitou. Finálním krokem bylo pak sestavení a použití techniky "trasfer oscillator", která zajistila dodatečnou kompenzaci nežádoucího driftu rezonančního modu optického rezonátoru a tímž zajistila dlouhodobou stabilitou celého systému. Takto stabilizovaný laser na 729 nm byl testován ve spektroskopii na zakázaném přechodu opplerovsky zchlazeného iontu vápníku.

The thesis deals with stabilising a diode laser operating at a wavelength of 729 nm, which is used for high-resolution spectroscopy and interacting with captured and cooled calcium ions. Interaction with the ion requires an extremely narrow spectral linewidth for the excitation laser. The work explains essential procedures and methods leading to the operation of a laser with a spectral linewidth in the order of Hz or less. The central part of the work is to design and put together an optical assembly for this laser with the necessary electro-optical elements. The main emphasis is placed on laser frequency stabilisation techniques using external references, their theoretical description and implementation are also a part of this work. The first chosen approach to narrowing the spectral linewidth is locking the optical frequency of the laser to a selected component of the optical frequency comb using electronic phase locks. Spectral noise measurements were performed using a two-beam interferometer with unbalanced arms. The achieved noise suppression results for the locked laser were then compared with the free-running laser mode. Another approach is to lock the spectral line of the laser to a very narrow line of a high-quality optical resonator. With this method, I achieved a laser with a very narrow spectral line (in the order of tens of Hz), however, with short-term stability. The next step was the construction and use of the "transfer oscillator" technique, which provided additional compensation for the unwanted drift of the resonance mode of the optical resonator and thereby ensured the long-term stability of the entire system. The laser stabilised in this way at 729 nm was tested in spectroscopy on the forbidden transition of the Doppler cooled calcium ion.
Laser with Narrow Spectral Linewidth for Metrology of Length
Keywords: Polovodičový laser s externím rezonátorem; optický rezonátor s vysokou akostí; šířka spektrální čáry; stabilizace frekvence; kalciové hodiny; hodinový laser; fázový závěs; technika "transfer oscillator".; External cavity diode laser; high-finesse optical cavity; spectral linewidth; frequency stabilisation; ion clocks; clock laser; phase lock loop; transfer oscillator technique.