Desenvolvimento de pentes de frequências ópticas para metrologia e espectroscopia de precisão
Giovana Trevisan Nogueira
TESE
Português
(Broch.)
T/UNICAMP N689d
[Development of optical frequency combs for precision metrology and spectroscopy]
Campinas, SP : [s.n.], 2007.
117 f. : il.
Orientador: Flavio Caldas da Cruz
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin
Resumo: No final da década de 90, pentes de freqüências ópticas baseados em lasers de Ti:safira de modos travados tornaram-se uma importante ferramenta na área de metrologia. Eles têm sido usados, por exemplo, em medidas diretas de freqüências de várias centenas de THz e em relógios atômicos...
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Resumo: No final da década de 90, pentes de freqüências ópticas baseados em lasers de Ti:safira de modos travados tornaram-se uma importante ferramenta na área de metrologia. Eles têm sido usados, por exemplo, em medidas diretas de freqüências de várias centenas de THz e em relógios atômicos ópticos. Para a implementação de dois sistemas de pentes de freqüências ópticas, desenvolvemos neste trabalho dois lasers de Ti:safira de femtossegundos de alta taxa de repetição, que usam espelhos de varredura (chirped mirros) no lugar de prismas para compensar a dispersão em velocidade de grupo. Um dos lasers tem taxa de repetição em 770 MHz que pode ser facilmente ajustada entre 750 MHz and 1 GHz. A dispersão total da cavidade é de -60 fs2 , produzindo um espectro centrado em 780 nm com largura a meia altura em torno de 10 nm e pulsos de 150 fs. Este laser teve seu espectro alargado por duas fibra de microestrutura, cobrindo um intervalo de 510 à 1100 nm. O outro laser possui cavidade com taxa de repetição sintonizável entre 1 e 2,12 GHz, e um espectro que se estender de de 585 até 1200 nm a -20 dB abaixo do máximo em 986 nm sem o uso de fibra de microestrutura.A cavidade do laser tem dispersão total próxima de zero, porém com oscilações entre -50 a +100 fs2 entre 700 nm e 900 nm, que foi medida por interferometria de luz branca. Nós mostramos que cerca de 17 % (76 %) da potência intracavidade (de saída) é gerada basicamente por efeitos não lineares em passagem única no cristal de Ti:safira, observada na região verde do espectro e entre 960 nm e 1200 nm, fora da banda da cavidade laser e onde o ganho do cristal de Ti:safira é baixo. Ambos os lasers tiveram suas taxas de repetição medidas e estabilizadas em relação a osciladores estáveis, podendo ser sintonizados em um intervalo de 30 kHz através do oscilador de referência. Construímos interferômetros de Michelson e Mach-Zender para a medida do deslocamento entre onda portadora e envelope do pulso do sistema do laser cujo espectro é ampliado pela fibra. O batimento entre freqüências do pente próximas a 520 nm e o segundo harmônico da parte do espectro em 1040 nm é medido em um fotodetector rápido. Estes sistemas serão inicialmente utilizado em um relógio atômico óptico baseado na transição de intercombinação de átomos de cálcio frios e aprisionados. Entretando, além de aplicações em metrologia de tempo e freqüência, os pentes de freqüências ópticas podem ser ferramentas atrativas para uso em espectroscopia atômica e molecular de precisão e estudos de dinâmicas rápidas que exploram a combinação de alta resolução e cobertura espectral larga fornecidas pelo pente de freqüências
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Abstract: Optical frequency combs based on femtosecond Ti:sapphire lasers and introduced at the end of the 90s have revolutionized the optical metrology field. They have allowed ultraprecise optical spectroscopy, by direct measurement of frequencies of several hundred THz, and the development of...
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Abstract: Optical frequency combs based on femtosecond Ti:sapphire lasers and introduced at the end of the 90s have revolutionized the optical metrology field. They have allowed ultraprecise optical spectroscopy, by direct measurement of frequencies of several hundred THz, and the development of optical atomic clocks . To implement optical frequency combs, we have to stabilize both the repetition rate and the carrier-to-envelope oÿset frequency of the femtosecond laser. We have developed two versions of optical frequency combs based on high-repetition rate femtosecond Ti:sapphire lasers, which use chirped mirrors instead of prisms for compensating the group velocity dispersion. The combs will be initially used in an optical atomic clock based on the intercombination transition of cold and trapped calcium atoms. One of our fsec Ti:sapphire lasers has a repetition rate that can be easily adjusted between 750 MHz and 1 GHz. The total dispersion of the cavity is -60 fs2 . It produces pulses of 150 fs with a spectrum centered at 780 nm, with a width of 10 nm. The spectrum of this laser has been broadened with a microstructure fiber, and covers an optical octave extending from 520 and 1040 nm. The other fsec Ti:sapphire laser has a repetition rate that can be changed from 1 to 2.12 GHz, and a spectrum that extends from 585 nm to 1200 nm, without use of microstructure fibers. These wavelengths are points in the spectrum at -20 dB below the maximum at 986 nm. The laser cavity has total intracavity dispersion near zero, but with oscillations from -50 to +100 fs2 between 700 to 900 nm, that have been measured by white light interferometry. We showed that 17 % (76 %) of the intracavity (output) power is generated by nonlinear effects in a single pass through the crystal, and with a spectral distribution concentrated between 960 nm and 1200 nm, thus outside the laser cavity bandwidth and where the Ti:sapphire gain is lower. Emission in the green has also been observed, which is also outside the laser cavity bandwidth and the emission gain profile of the Ti:sapphire crystal. The repetition rate of both lasers have been phase-locked to stable microwave oscillators, and could also be frequency tuned in a range of 30 kHz with respect to the reference oscillator. We have built f-2f interferometers to measure the carrier-to-envelope oÿset frequency of the laser whose spectrum is broadened by the microstructure fiber. Comb frequencies near 540 nm are heterodyned in a fast photodetector with the second harmonic of the comb light at 1080 nm. In addition to applications in optical time and frequency metrology, the optical frequency combs should be attractive tools for use in precision atomic and molecular spectroscopy, coherent control which exploits the coherent accumulation effect, and studies of fast time dynamics that take advantage of the combination of the ultra high resolution and broadband spectral coverage provided by the comb
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Cruz, Flávio Caldas da, 1966-
Orientador
Acioli, Lucio Hora
Avaliador
Zilio, Sérgio Carlos
Avaliador
Roversi, José Antonio, 1947-
Avaliador
Frateschi, Newton Cesário, 1962-
Avaliador
Desenvolvimento de pentes de frequências ópticas para metrologia e espectroscopia de precisão
Giovana Trevisan Nogueira
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