9 misure ottiche di frequenza

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  • 8/13/2019 9 Misure Ottiche Di Frequenza

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    Misure ottiche di frequenza

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    Confronto di frequenze ottiche Oscillatore locale

    Fino a " 100 GHz: oscillatori a microonde (klystron, Gunnoscillators), asserviti in fase ad un oscillatore aquarzo di alta purezza spettrale

    Fino a qualcheTHz: laser FIR moleculari calibrati in frequenza

    Mixer diodi Schottky, diodi MIM

    Laser 1

    Laser 2

    LO Mixer

    f 1

    f 2

    f mw

    Propriet del mixer: mixing bandwith,high-order mixing properties , spectral responsivity

    f 1 ! f 2 ! nf mw

    f 1

    f 2

    f mw

    Occorre rapportare la frequenza damisurare di modo da portarla nel rangeaccessibile ad un contatore elettronico.

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    Dallemicroonde al

    visibile

    La catena del PTB

    9 GHz 456 THz

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    How tomeasure the frequency

    differencebetween twostabilized

    lasers in the

    visible region

    f 1

    Mixe f 2

    SFGf 2 + f 1

    SHG

    f 2 -f 1

    phase lock

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    Slide dal talk di T. Hnsch a Stoccolma per ilconferimento del premioNobel

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    The femtosecond lasers

    Frequency comb: mode separation f r=v g /2L , inverse of the round-trip time of the pulse

    Fourier transform !

    Pulse: T " 20 fs Bandwidth (FWHM)" ! " 25 THz

    Large spectral gain medium Ti:sapphire crystal Compensation of group velocity dispersion

    # intracavity prism pair or chirped mirrors

    Kerr effect self mode-locking! The pulse rate is exactly constant

    Fouriertransform

    !

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    How a mode - locked laser works

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    3 possible modes are shown,these are phased such thatthey add coherently at theposition of the dashed line

    The output intensity of thelaser is an average over onecycle of the square of themode. For a single mode,the output is constant intime; for multiple modes,

    interference forms a pulsetrain.

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    ! n(t) = n 2I(t)

    Temporal Kerr-effectSelf-Phase-Modulation

    E E

    Spatial Kerr-effect

    Self-Focusing

    I

    x, y

    I

    x, y ! n(x,y) = n 2I(x,y)

    Self-mode-locking indotto da

    effetto Kerr ottico Optical Kerr effect: refractive index n(I)=n 0+n 2 I ,

    n (t , r ) = n 0 + n 2 I (t , r )

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    Spettro del cristallo di Ti:zafro

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    Kerr-lens mode-locked Ti:Sapphire laser

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    Chirped mirrors

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    I n

    t e n s

    i t y

    ( a .

    u . )

    Wavelength (nm)

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    Stabilizzazione dellafrequenza diripetizione

    Resolution bandwidth dell analizzatore di spettro:10 mHz.

    Un circuito di feedback asserve lafrequenza di ripetizione ad unriferimento, agendo su unpiezoelettrico che controlla lalunghezza della cavit.

    La stabilit limitata solo dalla qualitdel riferimento.

    Il passo del comb rigorosamenteidentico su tutto lo spettro(dimostrato sperimentalmente entro 10 -17 )

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    Carrier-envelope phase slips and offsetfrequency

    CEO: Carrier-envelope offset

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    Confronto di frequenze ottiche

    K. R. Vogel, S. A. Diddams, C. W. Oates, E. A. Curtis, R. J. Rafac, W. M.Itano, J. C. Bergquist, R. W. Fox, W. D. Lee, J. S. Wells, and L. Hollberg OPTICS LETTERS / Vol. 26, 102 (2001)

    n Hg+ = 2 x 532 360 804 949 559 (124) Hz,

    NIST

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    Misura dellafrequenza della

    transizione 1 S -2S dellidrogeno

    2 466 061 413 187 103(46) Hz M. Niering, R. Holzwarth, J. Reichert, P. Pokasov,Th. Udem, M. Weitz, T. W. Hnsch, P. Lemonde,G. Santarelli, M. Abgrall, P. Laurent, C. Salomonand A. Clairon

    Phys. Rev. Lett. 84 , 5496 (2000)

    1/7 dye " CH4 @3.39 m

    4/7 dye il valor medio tra 1/7 dyee dye

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    Octave spanning comb

    David J. Jones,et al., Science, 288, 635 (2000)

    Microstructured optical bers ( photonic crystals ): high power intensity on the core high non-linearity

    zero dispersion value in the visible

    Jinendra K. Ranka, et al., Opt.Lett. 25, 25 (2000)

    Sidebands generated by 4-waves mixing: ! f = f 1 + f 2 " f 3

    f 1 f 2 f 3

    !! f = f 2 + f 3 " f 1

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    Cristalli fotonici

    Dal catalogo Thorlabs

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    Self-referenced comb

    #

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    Frequency Combs as 'Gears'

    of a Clock All clocks must have a regular, constantor repetitive process or action to markoff equal increments of time. Examplesinclude the movement of the sun acrossthe sky, a pendulum or vibrating crystal,or, in an atomic clock, the natural vibrations of atoms.

    But no electronic systemsexist that can directly countthese oscillations. Afrequency comb,functioning like theelectronics in aconventional clock, can beused to divide the

    oscillations of opticalclocks into lowerfrequencies that can belinked to microwavestandards and counted.

    Today's standard atomicclocks vibrate atmicrowave frequencies,about 9 GHz. Opticalatomic clocks oscillatemuch faster, at about

    500,000 GHz, and thusdivide time into smallerunits.

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    Misura della transizione 1s-2s con ilcomb autoriferito

    M. Fischer et al., PRL 92, 2308 02 (2004)

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    Misura con il comb autoriferito

    Hg+ = 1 064 721 609 899 143 ! 2.4 Hz,

    Absolute Frequency Measurements of the Hg + and Ca Optical Clock Transitions with a Femtosecond Laser Phys.Rev.Lett. 86,4996 2002) Th. Udem, S. A. Diddams, K. R. Vogel, C.W. Oates, E. A. Curtis, W. D. Lee, W. M. Itano, R. E. Drullinger, J.C. Bergquist, and L. Hollberg

    Ca = 455 986 240 494 158 ! 26 Hz

    Riferimento: maser a idrogeno stabilit 2 ! 10 -13 @ 1s,4 ! 10 -16 su alcuni giorni

    Accuratezza calibrata sul NIST-F1 : 1.6 ! 10 -15

    ! f Ca ! t

    # $

    & ' f Ca ( 8 ) 10 *14 yr -1

    ! f Hg +! t

    # $

    & ' f Hg + ( 30 ) 10 *14 yr -1