伯明翰大学研究：光学腔体增强了干涉测量性能

2021-12-16 15:02

大型原子干涉仪与光学干涉仪类似，但测量不同路径上原子物质波之间的相位差，是未来寻找引力波和暗物质的关键元素。这种仪器将有效地监测与现有LIGO仪器不同的引力波频率，扩大我们对引起引力波的宇宙现象的理解，但是对仪器性能的要求很高。

伯明翰大学的一个项目得到了英国量子技术中心＂传感器和计时＂的支持，现在已经证明了一种方法，可以在一个具有适当灵敏度的光腔内创造一个循环脉冲，而不会对所需的激光功率提出不可克服的要求。

伯明翰大学的Samuel Lellouch说：“通过克服目前一些最严重的技术障碍，这一原创方案确实有可能在大规模原子干涉仪中实现破坏性的灵敏度水平。”

这项研究发表在“Communications Physics ”上，是朝着提供千米级干涉仪设施运行所需的重要元素迈出的一步。

原子干涉仪依靠激光诱导的多光子相互作用来控制原子云的过程，其中一个候选物是锶同位素，它证明了光学晶格钟中已经开发的潜在有用的698 nm跃迁。但是，在千米级仪器上产生和维持激光脉冲的工作带来了一些挑战，尤其是理论上超过20千瓦的光功率要求。

伯明翰团队表示，光腔提供了一个可能的解决方案，因为这种光腔中的共振功率增强降低了所需的输入功率，尽管在千米规模上保持所需的脉冲长度仍然很困难。

满足巨大的功率要求

这一突破涉及输入脉冲的同步化，以便在项目的光腔内实现空间分辨率的循环脉冲。根据该项目的论文，这可以促进大的动量传递，而不需要大幅提高可用的激光功率。

资料来源：伯明翰大学／通信物理学

在试验中，该团队研究了“一个基线为1公里、往返路径长度为6公里的腔体实例。这一规模与最近的建议有关，但原则上该方案适用于任何行波腔。”

该仪器被设计成在每次往返时都有额外的光被耦合到腔体中以补偿损失，并且当每个脉冲通过一个被称为波克尔斯电池的腔内相位延迟元件时，通过校正其频率来抵消多普勒偏移。使用锶同位素，新的设计能够在输入激光功率只有16瓦的情况下维持脉冲，据说这是“ 在这种光学转换上产生短的、高保真脉冲的第一个实用方法，尽管具有挑战性。”

对该原理的改进可以使原子干涉测量法应用于更小规模的应用，例如通过提高对GPS信号损失的恢复力来提供新的导航工具。

＂这种光腔方案为满足未来基于原子的引力波探测器的巨大激光功率要求提供了一条途径。＂该论文的主要作者Rustin Nourshargh评论道。