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Theses Year : 2022

Spectral Hole Burning for Ultra-stable Lasers

Trous brûlés spectraux pour les lasers ultra-stables

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1
Shuo Zhang
  • Function : Author
  • PersonId : 1193262
  • IdRef : 265698278

Abstract

Spectral hole burning in rare-earth ion doped crystals is a versatile system in time-frequency metrology and related applications. On one hand, narrow optical transitions of the dopant ions can serve as a frequency reference for laser stabilization. The expected fractional frequency stability can potentially be orders of magnitude better than cavity-locked lasers at the state of the art. On the other hand, mechanical constraints can distort the crystalline structure, thereby shifting the frequency of the transition in the dopant ions. Probing such a transition near resonance allows for opto-mechanical coupling and the realization of novel hybrid quantum systems.The aim this thesis project is to improve the techniques of laser frequency stabilization, and explore the fundamental limits of such techniques. Much work has been devoted to the development of ultra-low-noise detection techniques, which allows to get lower detection noise by employing different spectral structures. The magic environment has been explored, where the effect on spectral holes from temperature fluctuation and applied pressure can be compensated achieving a first order global cancellation. The experiment carried out with magic environment is expected to let the spectral hole has ultra-narrow linewidth and unprecedented immunity to thermal noise and fluctuations. Moreover, the spectral holes sensitivity towards the uni-axial stress and external E-field have been characterized, so that the effect on the laser frequency fluctuation could be deduced and minimized. The application of spectral hole burning experiments in the micro-mechanical resonator has been investigated in order to study the opto-mechanical coupling. The underlying physics will probably shed light on the possibility of realizing atomic-scale force sensors in our system.
Des trous brûlés spectraux dans des cristaux dopés aux ions de terres rares ont des nombreuses applications en métrologie du temps et de la fréquence. D'une part, les transitions optiques étroites des ions dopants peuvent servir de référence de fréquence pour la stabilisation au laser. La stabilité de fréquence relative attendue peut potentiellement être de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle des lasers asservis sur des cavités Fabry-Perot à l'état de l'art. D'autre part, des contraintes mécaniques peuvent déformer la structure cristalline, décalant ainsi la fréquence de la transition dans les ions dopants. Explorer une telle transition à proximité de la résonance permet un couplage opto-mécanique et la réalisation de nouveaux systèmes quantiques hybrides.L'objectif de ce projet de thèse est d'améliorer les techniques de stabilisation de fréquence laser, et d'explorer les limites fondamentales de telles techniques. De nombreux travaux ont été consacrés au développement de techniques de détection à ultra-faible bruit, qui permettent d'obtenir un bruit de détection plus faible en utilisant différentes structures spectrales. L'environnement magique a été exploré, où l'effet sur les trous spectraux de la fluctuation de la température et de la pression appliquée peut être compensé en obtenant une annulation globale de premier ordre. L'expérience réalisée avec un environnement magique devrait permettre au trou spectral d'avoir une largeur de raie ultra-étroite et une immunité sans précédent au bruit et aux fluctuations thermiques. De plus, la sensibilité des trous spectraux vis-à-vis de la contrainte uniaxiale et du champ E externe a été caractérisée, de sorte que l'effet sur la fluctuation de la fréquence laser a pu être déduit et minimisé. L'application d'expériences de combustion spectrale de trous dans le résonateur micromécanique a été étudiée afin d'étudier le couplage opto-mécanique. La physique sous-jacente fera probablement la lumière sur la possibilité de réaliser des capteurs de force à l'échelle atomique dans notre système.
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Origin : Version validated by the jury (STAR)

Dates and versions

tel-03870065 , version 1 (24-11-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03870065 , version 1

Cite

Shuo Zhang. Spectral Hole Burning for Ultra-stable Lasers. Astrophysics [astro-ph]. Université Paris sciences et lettres, 2022. English. ⟨NNT : 2022UPSLO004⟩. ⟨tel-03870065⟩
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