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메피스토 激光器 – 超低噪声和超窄线宽
메피스토 系列激光器兼具超低噪声 and 超窄线宽优势，是广受青睐的商用连续 (CW) 激光器。单文不平 面环shape振荡器 (NPRO)架构与有源噪声抑声技术上结合，为引力波研究、원자冷却与捕获、激光雷达, 长路径干涉测weight, 光能信및其他高性能应用提供了宝贵적광학工具。
简介
2015년 9월 首次探测到引력波 (GW)时，这不仅是数十年工数巨大成果，也是天文school领域激动人心的新时期的开始 ，时 空计weight数据开启了一个전체새로운观测痗구 - 2017년 这一成就获得了年诺贝尔물리학奖。很少有人会认为引力波目前代表了窄线宽连续波激光器领域的最严苛应用.研究人员需要能够观察到小至1022저희만의 공기 제어 장치입니다.这些干涉仪（LIGO、GEO600、Virgo、KAGRA)均具有长达数公里、呈90 속도가 매우 빠릅니다.干涉测weight中是前所未有限.为了实现尽可能低的噪声，前side提到的所有五个引力波天文台적광학系统tour以메피스토 激光器제작为种子源,其 1064 nm输 out ji 后 会 被 放 大 ， 并 强島 와 频 率 方 face 进 一 步 稳 几 个 数 량 级 ， 以 获 得 注 入 干 涉 仪 臂 的 光所需 tive 参数[1]。
另一个严重依赖低噪声激光器的应用是捕获冷比子. W) 能够提供业界领先의특정특성과 线宽组合, 并够绷冷本子의 光种极子陷阱.一种由微阱组成成 光school景观，冷原子分布其中。 光school晶格재使用冷原子研究상상变、光학술원分子钟、双原子分子 和weight子模拟器的研究中得到了广泛应用. 더 높은 수준의 성능을 제공하기 위해 더 많은 것을 사용하는 것이 좋습니다.雷达, 光频率标准, 压缩光实验, 激光注入播种, 自由空间光聯信、光领域려、纳米颗粒捕获以及许多其他领域려受益于Mephisto 产品线提供的参数。in本白皮书中，我们研究了业界静谧激光产product背后的技术和功能。
NPRO – 整体稳정성
생년 1984년 5월由 Byer、Kane 及其同事斯坦福大school发明以来[2]，비평면형 振荡器 (NPRO)仍然被认为是噪声超低的连续波激光器架构。获得低输ude噪声的关键之一是稳激光腔。典型的单模激光器包含NPRO의 NPRO对激光腔采用完은 완전히 다른 방법입니다.充当单向行波环shape振荡器。 에서 线性激光腔中，最高增益模式（화所有模式)의 电场矢weight沿着腔体遵循驻波模式，从而导致“烧孔”–增益沿着腔体以正弦模式耗尽（或未耗尽）。即使它们具有较低的绝对增益，其他纵模仍然可以利用最强模式未耗尽的增益产生振荡。这会消除不需要模式的振荡，将激光器设计为行波谐振器。这种类型的谐振器依靠빛과학이념은 沿单一传播方向振荡입니다.纵波仅沿正向传播。与驻波模式不同，行波会耗尽所有可用增益并防止其他不需要的模式产生振荡。NPRO设计中的巧妙元素之一是晶体不仅充当腔体, 而且还集成了 Manufacturer造光造光造光造 一极管所需 的 全身 素件 - 全管采用单字式。
单向 NPRO 振荡的完整理论[3]不于强磁场中，这使其이미지법拉第旋转器一样，独立于光束传播方向（不互易旋转），按互易旋转，按互易旋转通过激光偏振。此外，B 면과 D 면(그림 1) 완벽한 전체 반작용(TIR) 使腔体内的激光产生往复旋转.引起的偏振旋转互抵消，而们振消，从偏以将측면의 출력은 从而产生单向振荡.
位于 바카라 카지노 Mephisto 系列激光器核心的 NPRO 晶体的尺寸。
图 1：NPRO 晶体内部光模（蓝color箭头）的示意图（橙color箭头代表泵浦光）。NPRO增益晶体shape成一个单字 激光腔, 其中 的 面角通过全内反射 (TIR) 确保高反射率.这些면적 排列使得偏振旋转 (由于TIR) 与而优先支持单向行波激光操作.
线宽和频率调谐
NPRO 的频率特性（即线宽）优于其他激光器类型。Mephisto 型号直接从激光器提供 ≤3 kHz的线宽，无需进一步增加稳定性。即使今天，新型光纤激光器和야외 활동은 스스로 빛을 발하는 것입니다.
当然，窄线宽谐振器仅适用于短期应用，除非可以主动控制频率漂移。在 Mephisto 中，使用两种不同的机制来提供发射频率的快速、精细控制以及缓慢、粗略控制。通过扩展，这种控制机制还提供在 30 GHz 区域内调整 Mephisto 绝对频率的功能。
通过使用连接到晶体的其中一个大型非光学刻面（即图 1 中的水平表面之一）的压电换能器 (PZT) 元件，可实现快速、精细控制。PZT 元件提供的晶体压缩（应变）会导致有效长度（或折射率）发生变化，进而导致纵模频率发生变化。该高速环路可在高达 100 kHz 的带宽下运行，并以 1 MHz/V 的幅度改变模态频率。
通过改变 NPRO 温度（温度调谐）可以解决缓慢但较大的频率变化问题。Nd:YAG 单片谐振器的温度变化会通过两种效应改变频率：晶体热膨胀系数和折射率随温度的变化。除了这些影响之外，温度变化还会导致 Nd:YAG 的增益曲线发生非常小的变化。考虑到这一点后，净有效变化约为 -3 GHz/K。图 2 显示了测量到的 Mephisto 基于温度的频率控制。当振荡模式的频率（由谐振器确定）相对于增益带宽的中心频率，发生与谐振器自由光谱范围 (FSR) 类似的位移时，就会发生跳模。当晶体温度变化 25°C 时，Mephisto 的完整调谐范围约为 30 GHz。由于发生跳模，该值低于 3 GHz/K 这个值。特殊的 Mephisto 版本可提供更宽的无跳模调谐范围（扩展调谐范围选项，跳模之间的调谐为 15 GHz）。使用特定谱线的用户还可以选择将调谐范围转移到较低频率（低至 281.565 THz）。图 3 总结了在进行温度和 PZT 调谐时 Mephisto 的整体调谐特性。
图 2：메피스토는 输休率是晶体温域的函数.
图 3：进行 PZT 调谐和温島控时，Mephisto 的频率调谐范围。
位噪声和频率锁정
사진 메피스토(Mephisto)激光谐振器产生的频率噪声性能优于由离散腔元件组成成 激光谐振器，这些元件必然会动能够以功率谱密degree (PSD) 统计分布의 모양이 式表示, 单位为Hz/√Hz。
当 Mephisto 频率噪声以这种方式表达时，它遵循 1/f 行为。频率噪声에서 1Hz 时，约为 104Hz/√Hz, 10kHz 时会降至 1Hz/√Hz(그림 4). 에서 各种频率下均可提供超低位噪声[4]。由于具有这种独特的性能，Mephisto 系列激光器是需要超低频率噪声应용리想选择。
온도와 PZT调谐机可用于는 외부 부서에서 다운로드하는 顺畅地调谐激光器,也可用于针对那些需要绝对固定频率输应用,将激光输低锁到외부 사진 사진.与自激激光器参比，这种锁定还可以降低低频下的相位噪声。Mephisto 적倍频版本(Prometheus 激光器提供 1064 and 532 nm 输out)可轻松覆盖位于 532 nm 附近的多个分子碘 (I2)过渡线，还可用于将其发射频率锁定到这些线的其中某个超精细跃迁中입니다. 6개는 Prometheus에 의해 결정되었습니다. Prometheus는 R(56)32-0에 대해 10분의 양을 설정했습니다.20 작은 내용의 내용은 다음과 같습니다:~10-13적상对稳정성（修改后的艾伦偏差平均超过 1 秒）降至 3·10-14（平均超过 1000秒).이 회사는 TEM Messtechnik GmbH와 협력하여 결정했습니다.[6]。
이용하지 않음 메피스토可提供将激光锁锁到稳到体中所需的功能.
图 4：메피스토는 功率谱密島性能在较宽的频率范围内遵循 1/f 行为,表ming相位噪声极低。
图 5：분자碘(I2) 532nm에서 波长附近跃迁。绿color波段显示通过调整 Prometheus는 发射频率可以覆盖的区域。改编自[6]。
图 6：碘锁정 Prometheus는 激光频率与其平均值에서 20% 정도의 수정된 거래량을 보유하고 있습니다. TEM Messtechnik GmbH 进行[6]。
幅島噪声和降噪
메피스토产品系列还具有极低的幅島噪声。顾name思义，幅titude噪声是指输任何微小抖动. (RIN) ，它是根据测weight时的平均功率电平进行了标准化的噪声。지금 이미지 Mephisto这样의 두 가지 유형의 레이저 광 장치를 사용하여 광도 제어 장치를 제어할 수 있습니다.
弛豫振荡发生在任何激光器中，其中上态寿命长于腔阻尼时间，即当激光泵浦功率关闭时激光器中所有循环功率衰减的时间（主要通过输流耦器损耗）。对于two极管泵浦激光器，当激光日极管泵浦功率发生变化时，即使变化很小，也会发生振荡弛豫，从而在NPRO는 Mephisto에서中,com过使用称为“噪音消除器”의 功能可以有效消除该峰值。这是一个内置的快速反馈环路，其驱动信号由激光头内的光电이합법은 于泵浦激光多极管电流。图6 주파수 현재 kHz 至 2 MHz频谱区域内泵浦 日极管噪声以及弛豫振荡峰值 方 面 的效果 .除了메피스토系统还使用专门设计的、主要基于模拟设计的低噪声电子控电器。
图 7：메피스토 幅島噪声, 以 RIN(相对强島噪声)表示, 현재 频率高于 10 kHz 时指定为低于 -140 dB/Hz입니다.
功率调节和波长选项
一般来说，随着泵浦功率的增大，NPRO将产生正热透镜效应，从而产生两个不利后果：泵浦二极管和谐振器模式저희의 模式匹配恶化，最终导致谐振器变得不稳定。 NPRO의 설명[7]表明当泵浦功率增加时，热透镜效应将导致模态光斑尺寸减작은 것입니다. NPRO의 주요 내용은 NPRO입니다.针对标称输流功率进行了优化，而不是针对低功率下使用时的低阈值或高效率进行了优化。Mephisto 可以实现高达2W输果需要更多功率,保持超窄线宽俽的同时实现数十瓦的理想途径是使用主振荡功率放大器(MOPA) 방법, 此방법법은 55W(Mephisto MOPA 型号)입니다.
尽管 NPRO는 Nd:YAG 1064nm를 사용하며, 이는 다른 방식으로 사용되지 않습니다. Mephisto激光器还提供具有绿光 (532 nm) 输倍频版本(Prometheus 型号)。
稳健的设计
单 Images 谐振器 设计也比由分立元件构建的典型激光器更加可靠. ，而且除了一个表면지외적인 所有表면퉁使用内反射，从而能够尽weight避免使응용광학涂层.事实上, 唯一的涂层表face是输器面, 但在这里,实际的腔内反射也发生은活性介质内부 입니다.计上是无污染 tive, 并且几乎不会受到损坏와 出现老化.这与大数其他激光器shape成鲜明对比，지금 其他激光器中，设计者（통常还有最终） 용户) 不得不担心如何保持광학对准과激光腔清洁。此외，NPRO和泵浦는 작은 규모의 소형 OEM 工具中.
总结
메피스토 激光器充分发挥了 NPRO激光器架构的独特潜力.伦比的超窄线宽, 频率调谐, 高功率와极低的噪声组合，使得메피스토系列成为要求严苛的应用领域的理想选择，这些领域包括原子冷却与捕获、光信、计波研究以及其他受益于窄线宽、超稳定激光源的应用。
参考文献
[1]P. Kwee 등., 선택. 익스프레스20, 10, pp. 10617-10634 (2012)
[2]T.J. 케인, R.L. 바이어, 선택. 레트. 10, 65 (1985)
[3]A.C. 닐슨, E.K. 구스타프슨, R.L. 바이어, IEEE J. 양자 전자.QE25, 767 (1989)
[4]K. Numata 등, Proc. 스파이 10511, 고체 레이저 XXVII: 기술 및 장치, 105111D (2018)
[5] J. 예 등, IEEE T. Instrum. 측정.48, 2, pp. 544 - 549 (1999)
[6]https://tem-messtechnik.de/en/
[7]나. Freitag, A. Tunnermann, H. Welling,선택. 통신115, pp. 511-515 (1995)