¿Por qué ningún producto láser comercial puede lograr una estabilidad de frecuencia de <1 Hz<1 Hz< 1 \ \text{Hz}?

Actualmente estoy estudiando el libro de texto Ingeniería de sistemas láser de Keith Kasunic. El Capítulo 1.2.1 Coherencia temporal dice lo siguiente:

Incluso un láser SLM de frecuencia estabilizada tiene un ancho de línea, una consecuencia inevitable de las variaciones de fase aleatorias de emisión espontánea que resultan de las fluctuaciones cuánticas en los niveles de energía del estado excitado. Para tales láseres, el ancho de línea ideal monomodo (Schawlow-Townes) Δ v CALLE para una cavidad láser Δ v R (no su etalon) viene dada por las Refs. 9 y 12 como

(1.8) Δ v CALLE = π h v ⋅ ( 2 π Δ v R ) PAG       [Hz]
dónde PAG es la potencia de salida del modo axial dado. Físicamente, la potencia más alta tiene una fracción más grande de fotones en fase amplificados en comparación con los fotones fuera de fase incoherentes de la emisión espontánea, reduciendo Δ v R de los modos axiales del láser [también Eq. (1.7)] dada la reflectividad de la cavidad del láser R .

La ecuación (1.8) representa el límite inferior final en el ancho de línea, sin productos comerciales capaces de alcanzar este nivel de estabilidad de frecuencia ( < 1   Hz ) . En la práctica, algunos láseres de fibra SLM tienen un ancho de línea menor que 10   kHz – limitado por el "ruido técnico" (fluctuaciones en los parámetros ópticos y optomecánicos, por ejemplo), y que da como resultado una longitud de coherencia d C ≥ 15   kilómetros .

Para más detalles, el artículo de Wikipedia sobre la ecuación. (1.8) se puede encontrar aquí .

Tengo curiosidad por esta parte:

La ecuación (1.8) representa el límite inferior final en el ancho de línea, sin productos comerciales capaces de alcanzar este nivel de estabilidad de frecuencia ( < 1   Hz ) . En la práctica, algunos láseres de fibra SLM tienen un ancho de línea menor que 10   kHz – limitado por el "ruido técnico" (fluctuaciones en los parámetros ópticos y optomecánicos, por ejemplo), y que da como resultado una longitud de coherencia d C ≥ 15   kilómetros .

¿Por qué ningún producto comercial puede lograr una estabilidad de frecuencia de < 1   Hz , y ¿cómo muestra esto (1.8)?

Respuestas (1)

Mientras tanto, existen sistemas láser comerciales con estabilidad por debajo de 1 Hz. [ 1 ] Sin embargo, esto sigue siendo un gran desafío. tu ecuación ( 1.8 ) es el ancho de línea de Schawlow-Townes , que puede entenderse como el límite inferior físico fundamental para el ancho de línea del láser. En realidad, dominan otros efectos. Si la longitud óptica del resonador láser cambia debido a

  • temperatura
  • vibraciones mecánicas
  • cambios en la composición del gas en el resonador
su frecuencia de resonancia y por lo tanto la frecuencia de emisión cambia. Considere un resonador con una longitud de ida y vuelta de L = 1 metro emitiendo a una frecuencia de F = 500 THz . Entonces el cambio de longitud Δ L que cambia la frecuencia de resonancia en Δ F = 1 Hz es
Δ L = L Δ F F = 2 FM .
Para lograr tal estabilidad, es necesario eliminar cuidadosamente todas las fluctuaciones en el entorno y aislar bien el sistema. Además, es necesario regular activamente la longitud de la cavidad, por ejemplo, mediante un espejo montado en un cristal piezoeléctrico . Como referencia de frecuencia se utiliza una cavidad externa ultraestable monolítica bien aislada . Esto es más estable que la cavidad del láser, porque no tiene ningún elemento activo además de la estabilización de la temperatura. Incluso mejores referencias de frecuencia pueden ser transiciones ópticas en átomos [ 2 ] , pero aún no conozco ningún sistema comercial.
Gracias por la respuesta. Todavía hay una cosa que me confunde: si el ancho de línea de Schawlow-Townes es el límite inferior físico fundamental para el ancho de línea del láser, entonces, ¿cómo podemos llegar por debajo? 1   Hz , que el autor dice que es físicamente imposible debido a la misma ecuación? ¿La ecuación es realmente inválida de alguna manera? ¿O era incorrecta una de las suposiciones originales de Schawlow-Townes (ya que, como dice su artículo, la ecuación se descubrió incluso antes de la demostración del primer láser)?
@ThePointer Por lo que entiendo, la cita significa que no había un sistema láser comercial con un ancho de línea a continuación 1 Hz en el momento de escribir. Pero este no es un valor típico para el límite de Schawlow-Townes. En el caso descrito en mi respuesta con el L = 1 metro resonador asumiendo una delicadeza de 100 y una potencia de salida de PAG = 1 W el límite de Schawlow-Townes es Δ F CALLE = 18.7 µHz .
Ahh ok; en ese caso, malinterpreté lo que decía el autor. Gracias por tomarse el tiempo para aclarar esto.
¿Por qué ningún producto láser comercial puede lograr una estabilidad de frecuencia de <1 Hz<1 Hz< 1 \ \text{Hz}?
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