Ultra-stable laser with spectral hole burning and multi-channel probing
Laser ultra-stable avec gravure de trous spectraux et sondage multicanal
Abstract
Ultra-stable lasers based on spectral hole burning are a promising alternative scheme to overcome the thermal noise limitation of the traditional ultra-stable Fabry-Perot cavity scheme. In this dissertation, a crystal at cryogenic temperatures is used to realize narrow spectral holes as a frequency reference. A flexible and versatile multi-mode heterodyne laser probing scheme based on software defined radio is realized to achieve low detection noises. The crystal is further cooled down to sub-kelvin temperatures to gain better thermal noise and temperature sensitivity performances. Meanwhile, some relevant spectral hole properties are characterized at this temperature regime, and some useful properties are found, which differ from theoretical predictions based on simple models. Furthermore, a previously unobserved phenomenon, that I call ``glowing'' is reported, together with preliminary analysis based on several characterization measurements, providing new insights to understand the system of Eu ^{3+} Y_2 SiO _5 crystal. Remarkably, the fractional frequency stability of the laser, based on the spectral hole burning scheme, has been encouragingly enhanced to 4(1) times10^{-16} at 1~s, approximately 2 times better than the previously reported results. This provides compelling evidence of the potential of the spectral hole burning approach for metrological applications.
Les lasers ultra-stables basés sur le technique de trous brulés spectraux constituent une alternative prometteuse pour surmonter la limitation du bruit thermique dans le schéma traditionnel de cavité Fabry-Perot ultra-stable. Dans cette thèse, un cristal Eu ^{3+} Y _2 SiO_5 à des températures cryogéniques est utilisé pour réaliser des trous spectraux étroits comme référence de fréquence. Un schéma de détection multi-hétérodyne flexible et polyvalent basé sur radio logiciel est réalisé pour obtenir de faibles bruits de détection. Le cristal est refroidi à des températures inférieures à 1 K pour obtenir de meilleures performances en bruit et en sensibilité thermique. Parallèlement, certaines propriétés pertinentes des trous spectraux sont caractérisées dans ce régime de température, et des propriétés intéressantes, non prévues par des modèles théorique simples sont mis en évidence. En outre, un phénomène inédit est observé et analysé de façon préliminairement sur la base de plusieurs mesures de caractérisation, fournissant de nouvelles informations pour comprendre le système du cristal Eu ^{3+} Y _2 SiO _5. De façon remarquable, la stabilité de fréquence fractionnelle du laser, asservi sur des trous spectraux, a été améliorée de manière encourageante à 4(1) times10^{-16} à 1~s, soit environ 2 fois mieux que les meilleurs résultats publiés précédents. Ceci fournit des preuves convaincantes du potentiel de l’approche des trous brûlés spectraux pour de futures applications métrologiques.
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